1、第6章 線粒體和葉綠體,Figure 14-37 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),本章主要內(nèi)容,線粒體與氧化磷酸化 葉綠體與光合作用 線粒體和葉綠體的半自主性及其起源,第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化,1890年R. Altaman首次發(fā)現(xiàn)線粒體，命名為生命小體（bioblast） ，認為它可能是共生于細胞內(nèi)獨立生活的細菌。 1897年von Benda首次提出mitochondrion。 1900年L. Michaelis用Janus Green B對線粒體進行染色，發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用。 Green（1948）證實線粒

2、體含所有三羧酸循環(huán)的酶。 Kennedy和Lehninger（1949）發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內(nèi)完成的。 Hatefi等（1976）純化了呼吸鏈四個獨立的復合體。 Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化學偶聯(lián)學說。,一、線粒體的形態(tài)結構,1、線粒體的形態(tài) 顆?；蚨叹€狀。但因生物種類和生理狀態(tài)而異，可呈環(huán)形，啞鈴形、線狀、分叉狀或其它形狀。 直徑0.5 1m，長1.53.0m，在胰臟外分泌細胞中可長達10 20m，稱巨線粒體。 數(shù)目一般數(shù)百到數(shù)千個，植物因有葉綠體的緣故，線粒體數(shù)目相對較少；肝細胞約1700個線粒體，占細胞體積的20%，許多哺乳動物成熟的紅細胞無

3、線粒體。,（一）線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布,分布與細胞內(nèi)的能量需求密切相關?？上蚣毎δ芡⒌膮^(qū)域遷移，微管是其導軌、馬達蛋白提供動力。,2、線粒體的分布,Figure7-4Relationship between mitochondria and microtubules.,鞭毛軸絲,肌原纖維,線粒體的數(shù)目呈動態(tài)變化并接受調控；與細胞類型相關，隨著細胞分化而變化,An TEM image of mitochondrion,Figure7-3Mitochondrial plasticity.Rapid changes of shape are observed when a mitocho

4、ndrion is visualized in a living cell.,融合與分裂的動態(tài)變化之中,線粒體融合與分裂是線粒體形態(tài)調控的基本方式，也是線粒體數(shù)目調控的基礎,Schematic view of mitochondrion,（二）線粒體的超微結構,線粒體由內(nèi)外兩層膜封閉，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質四個功能區(qū)隔。,A、B掃描電鏡照片：示線粒體內(nèi)部結構,二、線粒體的超微結構,外膜 通透性很高；孔蛋白；標志酶是單胺氧化酶 內(nèi)膜 不透性；嵴；ATP 合酶；標志酶是細胞色素氧化酶；氧化磷酸化的關鍵場所 膜間隙 標志酶是腺苷酸激酶 線粒體基質 催化線粒體重要生化反應；標志酶是蘋果酸脫氫酶；

5、含DNA、RNA、核糖體及轉錄、翻譯必需重要分子,1、外膜 (out membrane) 含40%的脂類和60%的蛋白，具有porin構成的親水通道，允許分子量5KD的分子通過， 1KD的分子可自由通過。標志酶為單胺氧化酶。 2、內(nèi)膜 （inner membrane） 含100種以上的多肽，蛋白質和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高達20%、缺乏膽固醇，類似于細菌質膜。標志酶為細胞色素C氧化酶。氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜。 通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質通過。大分子和離子通過內(nèi)膜時需要特殊的轉運系統(tǒng)。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度協(xié)同運輸。 內(nèi)膜向線粒體內(nèi)室褶入形成嵴（crist

6、ae），能擴大內(nèi)膜表面積達510倍，嵴有兩種：板層狀、管狀。但多呈板層狀。 嵴上覆有基粒。基粒由頭部（F1偶聯(lián)因子）和基部（F0偶聯(lián)因子）構成，F(xiàn)0嵌入線粒體內(nèi)膜。,孔蛋白,肽聚糖,3、膜間隙 (intermembrane space)： 是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。標志酶為腺苷酸激酶。 4、基質（matrix） 為內(nèi)膜和嵴包圍的空間。除糖酵解在細胞質中進行外，其他的生物氧化過程都在線粒體中進行。催化三羧酸循環(huán)，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶類均位于基質中，其標志酶為蘋果酸脫氫酶。 基質具有一套完整的轉錄和翻譯體系。包括線粒體DNA（mtDNA），70S型核糖體，tRNAs 、rRNA、DNA

7、聚合酶、氨基酸活化酶等。 基質中還含有纖維絲和電子密度很大的致密顆粒狀物質，內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子, 蛋白質(線粒體干重的6570) 脂類(線粒體干重的2530)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂， 內(nèi)膜主要是心磷脂。 線粒體脂類和蛋白質的比值: 0.3:1（內(nèi)膜）；1:1（外膜）,二、線粒體的化學組成及酶的定位,三、線粒體的功能,線粒體主要功能是進行氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量；與細胞中氧自由基的生成、細胞凋亡、細胞的信號轉導、細胞內(nèi)多種離子的跨膜轉運及電解質穩(wěn)態(tài)平衡的調控有關。,（一）氧化磷酸化的分子基礎,動物細胞中80%的ATP來源于線粒體，糖、

8、脂肪和氨基酸徹底氧化，電子經(jīng)過一系列的傳遞，傳至氧分子，逐級釋放能量，合成ATP。 氧化磷酸化過程實際上是能量轉換過程，即有機分子中儲藏的能量高能電子質子動力勢ATP。 氧化(電子傳遞，消耗氧)與磷酸化(ADP+Pi)是同時進行， 密切偶連在一起的，但卻由兩個不同的結構體系執(zhí)行。,1、電子傳遞鏈,是指在線粒體內(nèi)膜上由呼吸傳遞體組成的電子傳遞總軌道。主要是氧化磷酸化有關的脂蛋白復合物，能可逆地接受和釋放電子或H+。 （1）呼吸鏈電子載體 主要有：黃素蛋白、細胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔酶Q等。 NAD：即煙酰胺嘌呤二核苷酸，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。 黃素蛋白：

9、含F(xiàn)MN或FAD的蛋白，可接受2個電子2個質子。黃素相關的脫氫酶類有： -以FMN為輔基的NADH脫氫酶。 -以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。,（2）呼吸鏈的復合物,呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高的方向排列。,（2）呼吸鏈的復合物,利用脫氧膽酸（deoxycholate，一種離子型去污劑）處理線粒體內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的4種復合物。輔酶Q和細胞色素C不屬于任何一種復合物。輔酶Q溶于內(nèi)膜、細胞色素C位于線粒體內(nèi)膜的C側，屬于膜的外周蛋白。,組成：42條肽鏈，呈L型，含一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，分子量約1MD，以二聚體形式存在。 作用：催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將4個質子由線粒體基

10、質（M側）轉移至膜間隙（C側）。 電子傳遞的方向： NADHFMNFe-SQ 總的反應結果： NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C, 復合物I：NADH脫氫酶,組成：至少由4條肽鏈，含有1個FAD，2個鐵硫蛋白，1個細胞色素b。 作用：催化琥珀酸的低能電子至輔酶Q，但不跨膜轉移質子。 電子傳遞的方向為：琥珀酸FADFe-SQ。 反應結果為：琥珀酸+Q延胡索酸+QH2, 復合物II：琥珀酸脫氫酶, 復合物III：細胞色素c還原酶。 組成：至少11條不同肽鏈，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b（ b566 、 b562）、一個鐵硫蛋白和一個細胞色素c1 。 作

11、用：催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉移一對電子，同時將4個質子由線粒體基質泵至膜間隙。 2還原態(tài)cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化態(tài)cyt c1 + Q+ 4H+C,組成：為二聚體，每個單體含至少13條肽鏈，分為三個亞單位。 作用：將從細胞色素c接受的電子傳給氧，每轉移一對電子，在基質側消耗2個質子，同時轉移2個質子至膜間隙。 cyt cCuAheme aa3- CuBO2 4還原態(tài)cyt c + 8 H+M + O24氧化態(tài)cyt c + 4H+C + 2H2O, 復合物IV：細胞色素c氧化酶,A. Molecular basis of oxidation: Electron

12、-transport chain,（3）電子傳遞過程中，需要說明的幾點：,四種類型電子載體：黃素蛋白、細胞色素(血紅素基團Fe)、Fe-S中心、輔酶Q。前三種與蛋白質結合，輔酶Q為脂溶性醌。 電子傳遞起始于NADH脫氫酶催化NADH氧化，形成高能電子(能量轉化)， 終止于O2形成水。 電子傳遞方向按氧化還原電勢遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低， H2O/O2最高) 高能電子釋放的能量驅動線粒體內(nèi)膜三大復合物(H+-泵)將H+從基質泵到膜間隙， 形成跨線粒體內(nèi)膜H+梯度(能量轉化) 電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布, 由復合物I、III、IV組成主要的呼吸鏈 ，催化NADH的脫氫氧化。 由復

13、合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。 對應于每個復合物，大約需要3個復合物，7個復合物，任何兩個復合物之間沒有穩(wěn)定的連接結構，而是由輔酶Q和細胞色素C這樣的可擴散性分子連接。呼吸鏈組分及ATP酶在線粒體內(nèi)膜上呈不對稱分布，如細胞色素C位于線粒體內(nèi)膜的C側（向細胞質的一側），而ATP酶位于內(nèi)膜的M側（向線粒體基質的一側）。,（4） 兩條主要的呼吸鏈,圖7-11 兩條主要的呼吸鏈（引自Lodish等1999）,Transport of electrons from NADH,Transport of electrons from FADH2,狀如蘑菇，屬于F型質子泵。 分為突出于膜外

14、的F1頭部和嵌入膜中的F0基部。 F1由5種多肽組成33復合體，具有三個ATP合成的催化位點（每個亞基具有一個）。 亞基有水解酶活性。和單位交替排列，狀如桔瓣。貫穿復合體（相當于發(fā)電機的轉子），并與F0接觸，(艾普西龍）幫助與F0結合。(代爾塔)與F0的兩個b亞基形成固定復合體的結構（相當于發(fā)電機的定子）。 F0由三種多肽組成ab2c12復合體，嵌入內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結構，具有質子通道。 工作特點：可逆性復合酶，即能利用質子電化學梯度儲存的能量合成ATP， 又能水解ATP將質子從基質泵到膜間隙。,2、ATP合酶的分子結構與組成,（1）ATP合酶（ATP synthase）,F1 p

15、article is the catalytic subunit; The F0 particle attaches to F1 and is embedded in the inner membrane.,F1: 5 subunits in the ratio 3:3:1:1:1,F0: 1a：2b：12c,The structure of the ATP synthase,F1,F0,The ATP synthase is a reversible coupling device,（二）氧化磷酸化的偶聯(lián)機制,1、化學滲透假說內(nèi)容 電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中不對稱分布，當高能電子沿其傳遞

16、時，所釋放的能量將H+從基質泵到膜間隙，形成H+電化學梯度。在這個梯度驅使下，H+穿過ATP合成酶回到基質，同時合成ATP，電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵。,C. Mithchells Chemiosmotic theory (1961),The pH and electrical gradient resulting from transport of protons links oxidation to phosphorylation.,When electrons are passed to carriers only able to accept electrons, t

17、he H+ is translocated across the inner membrane.,More than 21026 molecules (160kg) of ATP per day in our bodies.,P. Mitchell（1961）提出“化學滲透假說”。認為： 電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質子從內(nèi)膜基質側（M側）泵至膜間隙（C側），由于線粒體內(nèi)膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙的質子濃度高于基質，在內(nèi)膜的兩側形成pH梯度（pH）及電位梯度（），兩者共同構成電化學梯度，即質子動力勢（P）。 P=(2.3RT/F)pH 其中：pH= pH梯度， =電位梯度，T=

18、絕對溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當溫度為25時P的值為220mV左右。,2、質子動力勢，proton-motive force,Summary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrion,NADHO2: 3ATP/2e; FADH2 O2 : 2ATP/2e,有氧的,質子動力勢乃ATP合成的動力,膜應具有完整性,電子傳遞與ATP合成是兩件 相關而又不同的事件,3、支持化學滲透假說的實驗證據(jù),Figure7-26An experiment demonstrating that the ATP

19、synthase is driven by proton flow.By combining a light-driven bacterial proton pump (bacteriorhodopsin), an ATP synthase purified from ox heart mitochondria, and phospholipids, vesicles were produced that synthesized ATP in response to light.,實驗表明：,噬菌調理素,（三）ATP合成機制-結合變構機制,1979，Boyer P提出 1ATP酶利用質子動力勢

20、，產(chǎn)生構象的改變，改變與底物的親和力，催化ADP與Pi形成ATP 2F1具有三個催化位點，但在特定的時間，三個催化位點的構象不同、因而與核苷酸的親和力不同。在L構象（loose），ADP、 Pi與酶疏松結合在一起；在T構象（tight）底物（ADP、 Pi）與酶緊密結合在一起，在這種情況下可將兩者加合在一起；在O構象（open）ATP與酶的親和力很低，被釋放出去。 3質子通過F0時，引起c亞基構成的環(huán)旋轉，從而帶動亞基旋轉，由于亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉引起亞基3個催化位點構象的周期性變化（L、T、O），不斷將ADP和Pi加合在一起，形成ATP。,Direct experimental

21、 evidence supporting the rotational catalysis.,Japan researcher, Nature 386: 300, 1997.,亞單位相對于亞單位旋轉的直接實驗證據(jù)： 日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人將33固定在玻片上，在亞基的頂端連接熒光標記的肌動蛋白纖維，在含有ATP的溶液中溫育時，在顯微鏡下可觀察到亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉。,四、線粒體與疾病,線粒體?。╩itochondrial disease）,Symptoms of Mitochondrial Disease,三親嬰兒,All mitochondria inheri

22、ted from your mother,第二節(jié) 葉綠體與光合作用,Figure 14-38 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 14-3b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),一切生命活動所需的能量幾乎均來源于太陽能（光能）。綠色植物是主要的能量轉換者是因為它們均含有葉綠體（Chloroplast）這一完成能量轉換的細胞器，它能利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同時產(chǎn)生氧。所以綠色植物的光合作用是地球上有機體生存、繁殖和發(fā)展的根本源泉。

23、 光合作用反應式 綠色植物年產(chǎn)干物質達1014公斤。 光合作用是地球上有機體生存和發(fā)展的根本源泉。,狀如透鏡，長徑510m，短徑24m，厚23m。葉肉細胞含50200個葉綠體，占細胞質的40%。 由外被（chloroplast envelope）、類囊體（thylakoid）和基質（stroma）3部分組成。含有3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類囊體膜，3種彼此分開的腔：膜間隙、基質和類囊體腔。,一、形態(tài)與結構,一、葉綠體的基本形態(tài)及動態(tài)特征,Figure 14-36 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),（一）葉綠體的形態(tài)、分布

24、及數(shù)目,葉綠體呈凸透鏡或鐵餅狀 葉綠體在細胞膜下的分布依光照情況而變化 躲避響應（avoidance response） 積聚響應（accumulation response） 葉綠體定位（chloroplast positioning）,雙層膜組成，膜間為1020nm的間隙。 外膜的滲透性大。 內(nèi)膜對通過物質的選擇性很強，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透過內(nèi)膜，ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透過內(nèi)膜，需要特殊的轉運體（translocator）才能通過內(nèi)膜。,（一）葉綠體膜,是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。光能向化學能的轉化是在類囊體上進行的，因此類囊

25、體膜亦稱光合膜。 基粒：許多類囊體象圓盤一樣疊在一起的結構，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內(nèi)膜系統(tǒng)的基粒片層（grana lamella）。 基質類囊體：貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發(fā)生垛疊的類囊體。它們形成了內(nèi)膜系統(tǒng)的基質片層（stroma lamella）。 類囊體膜的主要成分是蛋白質和脂類（60：40），脂類中的脂肪酸主要是不飽含脂肪酸（約87%），具有較高的流動性。膜的內(nèi)在蛋白主要有：細胞色素b6f復合體、集光復合體（LHC）、質體醌（PQ）、質體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白（FD）、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復合物等。,（二） 類囊體,是內(nèi)膜與類囊體之間的空間。主要成分包

26、括： 碳同化相關的酶類：如RuBP羧化酶。 葉綠體DNA、蛋白質合成體系。 一些顆粒成分：如淀粉粒、質體小球和植物鐵蛋白等。,（三）基質,光合作用機理 光合作用是能量及物質的轉化過程。首先光能轉化成電能，經(jīng)電子傳遞產(chǎn)生ATP和NADPH形式的不穩(wěn)定化學能，最終轉化成穩(wěn)定的化學能儲存在糖類化合物中。分為光反應（light reaction）和暗反應（dark reaction），前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化，后者不需要光，涉及CO2的固定。分為C3和C4兩類。,二、葉綠體的功能光合作用 (photosynthesis),(1)光合電子傳遞反應光反應(Light Reaction),(2)

27、碳固定反應暗反應 (Dark Reaction),（一）光合色素和電子傳遞鏈組分 1光合色素 類囊體中含兩類色素：葉綠素和橙黃色的類胡蘿卜素，通常葉綠素和類胡蘿卜素的比例約為3:1，chla與chlb也約為3:l，全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質以非共價鍵結合，一條肽鏈上可以結合若干色素分子，各色素分子間的距離和取向固定，有利于能量傳遞。 2集光復合體（light harvesting complex，LHC） 由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構成。大部分色素分子起捕獲光能的作用，并將光能以誘導共振方式傳遞到反應中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉

28、綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。另外類胡蘿卜素和葉黃素分子也起捕獲光能的作用，叫做輔助色素。,葉綠體分子結構,集光復合體（LHC）,3光系統(tǒng)（PS），又稱P680 吸收高峰為波長680nm處。至少包括12條多肽鏈。位于基粒與基質非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括1個集光復合體 （light-hawesting comnplex ，LHC ）、1個反應中心和1個含錳原子的放氧復合體（oxygen evolving complex）。D1和D2為兩條核心肽鏈，結合中心色素P680、去鎂葉綠素(pheophytin)及質體醌(plastoquinone)。 4細胞色素b6/f復合體(cyt b6/f

29、complex) 可能以二聚體形成存在，每個單體含有4個不同的亞基：細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基（是質體醌的結合蛋白）。 5光系統(tǒng)（PSI），又稱P700 能被波長700nm的光激發(fā)。包含多條肽鏈，位于基粒與基質接觸區(qū)和基質類囊體膜中。由集光復合體和作用中心構成。結合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0（一個chla分子)、A1(為維生素K1)及3個不同的4Fe-4S。,1、P680接受能量后，由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（P680*），然后將電子傳遞給去 鎂葉綠素（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電

30、子供體Z（反應 中心D1蛋白上的一個酪氨酸側鏈）得到電子而還原；Z+再從放氧復合體 上獲取電子；氧化態(tài)的放氧復合體從水中獲取電子，使水光解。 2H 2OO2 + 4H+ + 4e 2、去鎂葉綠素將電子傳給D2上結合的QA，QA又迅速將電子傳給D1上的 QB，還原型的質體醌從光系統(tǒng)復合體上游離下來，另1個氧化態(tài)的質 體醌占據(jù)其位置形成新的QB。質體醌將電子傳給細胞色素b6/f復合體， 同時將質子由基質轉移到類囊體腔。電子接著傳遞給位于類囊體腔一側 的含銅的蛋白質體藍素(plastocyanin， PC)中的Cu2+，再將電子傳遞到 光系統(tǒng)。,（二）光反應與電子傳遞,3、P700被光能激發(fā)后釋放出

31、來的高能電子沿著A0 A1 4Fe-4S的方向依次傳遞，從類囊體腔一側傳向類囊體基質一側的鐵氧還蛋白（ferredoxin，F(xiàn)D）。最后在鐵氧還蛋白-NADP還原酶的作用下，將電子傳給NADP+， 形成NADPH。失去電子的P700從PC處獲取電子而還原。,電子傳遞的特點,-最初電子供體是 H2O，最終電子受體是 NADP+。 -電子傳遞鏈中唯一的 H+-pump 是 cytb6f 復合物。 -類囊體腔的質子梯度比葉綠體基質高，該梯度產(chǎn)生的 原因歸功于：H2O 光解、cytb6f 的 H+-pump、 NADPH 的形成。 -ATP、NADPH 在葉綠體基質中形成。,Changes in re

32、dox potential during photosynthesis.,PSI and PSII,3、光合磷酸化,（1）一對電子從P680經(jīng)P700傳至NADP+，在類囊體腔中增加4個H+。2個來源于H2O光解，2個由PQ從基質轉移而來，在基質中一個H+又被用于還原NADP+，所以類囊體腔內(nèi)有較高的H+（pH5，基質pH8），形成質子動力勢。 H+經(jīng)ATP合酶，滲入基質、推動ADP和Pi結合形成ATP。 （2）ATP合酶，即CF1-F0偶聯(lián)因子，結構類似于線粒體ATP合酶。CF1同樣由5種亞基組成33的結構。CF0嵌在膜中，由4種亞基構成，是質子通過類囊體膜的通道。,（3）光合磷酸化類型：電

33、子沿光合電子傳遞鏈傳遞時，分為非循環(huán)式光合磷酸化和循環(huán)式光合磷酸化兩條通路。 -電子呈Z形傳遞的過程稱為非循環(huán)式光合磷酸化 -當植物在缺乏NADP+時，高能電子在PS被光能激發(fā)后經(jīng)cytb6f復合物回到PS。結果是不裂解H2O產(chǎn)生O2，不形成NADPH，只產(chǎn)生H+跨膜梯度，即能合成ATP ，稱為循環(huán)式光合磷酸化。,Light-dependent reaction: Electron transport in the thylakoid membrane and noncyclic photophosphorylation:,利用光反應產(chǎn)生的ATP 和NADPH，使CO2還原為糖類等有機物，即將

34、活躍的化學能最后轉換為穩(wěn)定的化學能，積存于有機物中。這一過程不直接需要光(在葉綠體基質中進行)。 1、卡爾文循環(huán)（Calvin cycle）（C3途徑）：CO2受體為RuBP，最初產(chǎn)物為3-磷酸甘油酸(PGA)。 2、C4途徑（亦稱哈奇-斯萊克(Hatch-Slack)途徑）：CO2受體為PEP，最初產(chǎn)物為草酰乙酸(OAA)。 3、景天酸代謝途徑（Crassulacean acid metabolism pathway，CAM途徑）：夜間固定CO2產(chǎn)生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，進行CO2固定。,（三）暗反應(碳固定),1、C3途徑,磷酸丙糖,第三節(jié) 線粒體和葉綠體是半自主性細胞器,半自

35、主性細胞器的概念：自身含有遺傳表達系統(tǒng)(自主性)；但編碼的 遺傳信息十分有限，其RNA轉錄、蛋白質翻譯、自身構建和功能發(fā) 揮等必須依賴核基因組編碼的遺傳信息(自主性有限)。 線粒體與葉綠體都是細胞內(nèi)進行能量轉換的場所，兩者在結構上具 有一定的相似性： 均由兩層膜包被而成，但內(nèi)外膜的性質、結構有顯著的差異。 均為半自主性細胞器，具有自身的DNA和蛋白質合成體系。因此 綠色植物的細胞內(nèi)存在3個遺傳系統(tǒng)。,A. Comparison of a mitochondrion and a chloroplast.,葉綠體內(nèi)膜并不向內(nèi)折疊成嵴；內(nèi)膜不含電子傳遞鏈；除了膜間隙、基質外，還有類囊體腔；捕光系統(tǒng)、

36、電子傳遞鏈和ATP合成酶都位于類囊體膜上。,一、線粒體和葉綠體的DNA,（一）mtDNA /ctDNA形狀、數(shù)量、大小 雙鏈環(huán)狀(除綠藻 mt DNA，草履蟲 mt DNA) mtDNA大小在動物中變化不大，但在植物中變化較大；高等植物 120 kbp200 kbp； 人 mtDNA：16,569bp，37個基因（編碼12S，16S rRNA；22種tRNA； 13種多肽：NADH脫氫酶7個亞基，cyt b-c1復合物中1個cytb，細胞色 素C氧化酶3個亞基， ATP合成酶2個F0亞基） （二）mtDNA 和 ctDNA 以半保留方式進行自我復制 （三）mtDNA復制的時間主要在細胞周期的S

37、期及G2期，DNA先復制， 隨后線粒體分裂。ctDNA復制的時間在G1期。復制仍受核控制。,二、 線粒體與葉綠體的蛋白質合成, 線粒體和葉綠體合成蛋白質的種類十分有限 線粒體或葉綠體蛋白質合成體系對核基因組具有依賴性 不同來源的線粒體基因，其表達產(chǎn)物既有共性，也存在差異 參加葉綠體組成的蛋白質來源有種情況： 由ctDNA編碼，在葉綠體核糖體上合成； 由核DNA編碼，在細胞質核糖體上合成； 由核DNA編碼，在葉綠體核糖體上合成。, 酵母線粒體的主要酶復合物的生物合成,線粒體或葉綠體蛋白質合成體系對核基因組具有依賴性,檸檬酸,三、線粒體和葉綠體蛋白質的運送與組裝,（一）線粒體蛋白質的轉運,線粒體具

38、有1000多種蛋白質，其自身合成的僅十余種，因此大量蛋白質是在細胞質中合成的。 線粒體前體蛋白質在運輸以前，以未折疊的形式存在，N端有一段信號序列稱為導肽或引肽，完成轉運后被信號肽酶（signal peptidase）切除，就成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象就叫做后轉譯（posttranslation）。信號肽的特點是： 多位于肽鏈的N端，由大約20個氨基酸構成； 形成一個兩性螺旋，帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺旋的兩側； 對所牽引的蛋白質沒有特異性要求。,定位于線粒體基質的蛋白跨膜轉運過程圖解,二、葉綠體的蛋白質轉運,葉綠體蛋白轉運運輸機理與線粒體的相似。 如： 都發(fā)生后轉譯； 每一種膜上有特定的轉位因子（TOC、TIC、SEC）； 具有接觸點（contact site）； 需要能量，同樣利用ATP和質子動力勢； 前體蛋白N端有信號序列，使用后被信號肽酶切除。 但兩者的蛋白質轉運體系中除了某些hsp分子相同外，轉位因子復合體是不同的。,第四節(jié) 線粒體和葉綠體的增殖與起源,一、線粒體的增殖,線粒體的增殖是通過已有的線粒體的分裂，有以下幾種形式： 1、間壁分離：分裂時先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線粒體分類兩個，常見于鼠肝和植物產(chǎn)生組織中。,2、