細胞的能量轉換線粒體和葉綠體1第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日第一節線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態結構●線粒體的化學組成及酶的定位●氧化磷酸化2第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日一、線粒體的形態結構

線粒體的形態、大小、數量與分布線粒體一般呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理狀態而異，可呈環形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。數目一般數百到數千個，線粒體通常分布在細胞功能旺盛的區域。

線粒體的超微結構外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。內膜（innermembrane）：高度不通透性，向內折疊形成嵴（cristae），嵴能顯著擴大內膜表面積（達5~10倍）。含有與能量轉換相關的蛋白

（執行氧化反應的電子傳遞鏈酶系、ATP合成酶、線粒體內膜轉運蛋白）。膜間隙（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子。基質（matrix）：含三羧酸循環、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。3第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日二、線粒體的化學組成及酶的定位線粒體的化學組成蛋白質(線粒體干重的65～70％)脂類(線粒體干重的25～30％)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內膜主要是心磷脂。線粒體脂類和蛋白質的比值:0.3:1（內膜）；1:1（外膜）線粒體酶的定位4第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日線粒體主要酶的分布

5第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日三、氧化磷酸化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。什么是氧化磷酸化：當電子從NADH或FADH2經呼吸鏈傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。什么是呼吸鏈：在線粒體內膜上存在有關氧化磷酸化的脂蛋白復合物，它們是傳遞電子的酶體系，由一系列可逆地接受和釋放電子或H+的化學物質組成，在內膜上相互關聯地有序排列，稱為電子傳遞鏈（electron-transportchain）或呼吸鏈（respiratorychain）。氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)的分子基礎氧化磷酸化的偶聯機制—化學滲透假說(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961)線粒體能量轉換過程略圖6第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日氧化磷酸化的分子基礎電子載體呼吸鏈電子載體主要有：黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白、輔酶Q等。黃素蛋白：含FMN或FAD的蛋白質，每個FMN或FAD可接受2個電子2個質子。細胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。鐵硫蛋白：在其分子結構中每個鐵原子和4個硫原子結合，通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。輔酶Q：是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式即氧化型醌Q，還原型氫醌（QH2）和介于兩者之者的自由基半醌（QH）。呼吸鏈的復合物兩條主要的呼吸鏈：NADH呼吸鏈,FADH2呼吸鏈ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基礎)7第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)

復合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶復合物（既是電子傳遞體又是質子移位體）組成：含42個蛋白亞基，至少6個Fe-S中心和1個黃素蛋白。作用：催化NADH氧化，從中獲得2高能電子輔酶Q；泵出4H+

復合物Ⅱ：琥珀酸脫氫酶復合物（是電子傳遞體而非質子移位體）組成：含FAD輔基，2Fe-S中心，作用：催化2低能電子FADFe-S輔酶Q(無H+泵出)

復合物Ⅲ：細胞色素bc1復合物（既是電子傳遞體又是質子移位體）組成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2cytc；泵出4H+（2個來自UQ，2個來自基質）

復合物Ⅳ：細胞色素C氧化酶（既是電子傳遞體又是質子移位體）組成：二聚體，每一單體含13個亞基，cyta,cyta3,Cu,Fe作用：催化電子從cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+參與形成水8第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日兩條主要的呼吸鏈復合物I、ⅡI、IV組成主要的呼吸鏈，催化NADH的脫氫氧化，復合物Ⅱ、ⅡI、IV組成另一條呼吸鏈，催化琥珀酸的脫氫氧化。呼吸鏈各組分的排列是高度有序的使電子按氧化還原電位從低向高傳遞，呼吸鏈中有三個部位有較大的自由能變化，足以使ADP與無機磷結合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之間。部位Ⅱ在細胞色素b和細胞色素c之間。部位Ⅲ在細胞色素a和氧之間。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。電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布9第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日ATP合成酶(磷酸化的分子基礎)分子結構基粒（elementaryparticle），基粒由頭部（F1偶聯因子）和基部（F偶聯因子）構成，F0嵌入線粒體內膜。F1由5種多肽組成α3β3γδε復合體，具有三個ATP合成的催化位點（每個β亞基具有一個）。α和β單位交替排列，狀如桔瓣。γ貫穿αβ復合體（相當于發電機的轉子），并與F0接觸，ε幫助γ與F0結合。δ與F0的兩個b亞基形成固定αβ復合體的結構（相當于發電機的定子）。F0由三種多肽組成ab2c12復合體，嵌入內膜，12個c亞基組成一個環形結構，具有質子通道,可使質子由膜間隙流回基質。工作特點：可逆性復合酶，即既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。ATP合成機制—構象耦聯假說(Boyer1979)亞單位相對于亞單位旋轉的直接實驗證據10第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日氧化磷酸化的偶聯機制—化學滲透假說化學滲透假說內容：當電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質子從內膜基質側（M側）泵至膜間隙（胞質側或C側），由于線粒體內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，在內膜的兩側形成pH梯度（△pH）及電位梯度（Ψ），兩者共同構成電化學梯度（圖7-9），即質子動力勢（proton-motiveforce,△P）。質子沿電化學梯度穿過內膜上的ATP酶復合物流回基質，使ATP酶的構象發生改變，將ADP和Pi合成ATP。電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵。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ATP11第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日第二節葉綠體與光合作用●葉綠體(Chloroplast)的形態結構●葉綠體的功能—光合作用(photosynthesis)12第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日一、葉綠體(Chloroplast)的形態結構形態、數目：在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，葉肉細胞一般含50～200個葉綠體，可占細胞質的40%，葉綠體的數目因物種細胞類型，生態環境，生理狀態而有所不同。葉綠體與線粒體形態結構比較葉綠體超微結構13第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日葉綠體超微結構外被（chloroplastenvelope）葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質中的營養分子可自由進入膜間隙。內膜對通過物質的選擇性很強，，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內膜較慢。蔗糖，NADP+及焦磷酸等不能透過內膜，需要特殊的轉運體translator）才能通過內膜。類囊體（thylakoid）是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內膜系統的基粒片層（granalamella）。基粒由10~100個類囊體組成。貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，它們形成了內膜系統的基質片層（stromalamella）。類囊體膜的內在蛋白主要有細胞色素b6/f復合體、質體醌（PQ）、質體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白、黃素蛋白、光系統Ⅰ、光系統Ⅱ復合物等。基質（stroma）主要成分包括：碳同化相關的酶類（如RuBP羧化酶占基質可溶性蛋白總量的60%）、葉綠體DNA、蛋白質合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質體小球和植物鐵蛋白等。14第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日 二、葉綠體的功能—光合作用 (photosynthesis)光合作用：綠色植物利用體內的葉綠素吸收光能，把二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放氧氣的過程稱為光合作用。Photosynthesis:(1)光合電子傳遞反應—光反應(LightReaction)(2)碳固定反應—暗反應(DarkReaction)光合色素和電子傳遞鏈組分光反應暗反應(碳固定)15第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日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：葉綠素和類胡蘿卜素，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。2．集光復合體（lightharvestingcomplex）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。3．光系統Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。至少包括12條多肽鏈。包括一個集光復合體（light-hawestingcomnplexⅡ，LHCⅡ）、一個反應中心和一個含錳原子的放氧的復合體（oxygenevolvingcomplex）。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(cytb6/fcomplex)可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基Ⅳ（被認為是質體醌的結合蛋白）。5．光系統Ⅰ（PSI）能被波長700nm的光激發，又稱P700。包含多條肽鏈。由集光復合體Ⅰ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。16第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日光反應在類囊體膜上由光引起的光化學反應，通過葉綠素等光合色素分子吸收、傳遞光能，水光解，并將光能轉換為電能（生成高能電子），進而通過電子傳遞與光合磷酸化將電能轉換為活躍化學能，形成ATP和NADPH并放出O2的過程。包括原初反應、電子傳遞和光合磷酸化。原初反應（primaryreaction)原初反應是指葉綠素分子從被光激發至引起第一個光化學反應為止的過程，包括光能的吸收、傳遞與轉換，即光能被捕光色素分子吸收并傳遞至反應中心，在反應中心發生最初的光化學反應，使電荷分離從而將光能轉換為電能的過程。光能的吸收、傳遞與轉換，形成高能電子電子傳遞光合磷酸化17第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日電子傳遞與光合磷酸化電子傳遞與光合磷酸化需說明以下幾點：①最初電子供體是H2O，最終電子受體是NADP+。②電子傳遞鏈中唯一的H+-pump是cytb6f復合物。類囊體腔的質子濃度比葉綠體基質高，該濃度梯度產生的原因歸于：H2O光解、cytb6f的H+-pump、NADPH的形成。ATP、NADPH在葉綠體基質中形成。

③電子沿光合電子傳遞鏈傳遞時，分為非循環式光合磷酸化和循環式光合磷酸化兩條通路。循環式傳遞的高能電子在PSⅠ被光能激發后經cytb6f復合物回到PSⅠ。結果是不裂解H2O、產生O2，不形成NADPH，只產生H+跨膜梯度，合成ATP。光合磷酸化的概念18第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日光反應與電子傳遞

P680接受能量后，由基態變為激發態（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；氧化態的放氧復合體從水中獲取電子，使水光解。在另一個方向上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Ⅱ復合體上游離下來，另一個氧化態的質體醌占據其位置形成新的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蛋白質體藍素(plastocyanin,PC)中的Cu2+，再將電子傳遞到光系統Ⅱ。P700被光能激發后釋放出來的高能電子沿著A0→

A1

→4Fe-4S的方向依次傳遞，由類囊體腔一側傳向類囊體基質一側的鐵氧還蛋白（ferredoxin,FD）。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。19第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日暗反應(碳固定)利用光反應產生的ATP和NADPH，使CO2還原為糖類等有機物，即將活躍的化學能最后轉換為穩定的化學能，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)。卡爾文循環（Calvincycle）（C3途徑）：碳同化最重要最基本的途徑。羧化階段還原階段RuBP再生階段C4途徑或Hatch-Slack循環景天科酸代謝途徑20第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日第三節線粒體和葉綠體是半自主性細胞器半自主性細胞器的概念：

自身含有遺傳表達系統(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)。線粒體和葉綠體的DNA線粒體和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參加葉綠體組成的蛋白質來源有３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。線粒體和葉綠體蛋白質的運送與組裝線粒體蛋白質的運送與組裝定位于線粒體基質的蛋白質的運送定位于線粒體內膜或膜間隙的蛋白質運送葉綠體蛋白質的運送及組裝21第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日一、線粒體和葉綠體的DNAmtDNA/ctDNA形狀、數量、大小雙鏈環狀(除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA)mtDNA大小在動物中變化不大，但在植物中變化較大，高等植物，120kbp~200kbp；人mtDNA：16,569bp，37個基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個亞基，cytb-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Fo亞基)mtDNA復制的時間主要在細胞周期的S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。22第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日第四節線粒體和葉綠體的增殖與起源線粒體和葉綠體的增殖線粒體的增殖：由原來的線粒體分裂或出芽而來。葉綠體的發育和增殖個體發育：由前質體（proplastid）分化而來。增殖：分裂增殖線粒體和葉綠體的起源23第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日二、線粒體和葉綠體的起源內共生起源學說（endosymbiosishypothesis)葉綠體起源于細胞內共生的藍藻：ereschkowsky，1905年Margulis，1970年：線粒體的祖先-原線粒體是一種革蘭氏陰性細菌：葉綠體的祖先是原核生物的藍細菌（Cyanobacteria），即藍藻。非共生起源學說主要內容：真核細胞的前身是一個進化上比較高等的好氧細菌。成功之處：解釋了真核細胞核被膜的形成與演化的漸進過程。24第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日25第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日26第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日27第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日28第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日29第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日鐵硫蛋白的結構（（引自Lodish等1999））30第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日31第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日32第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日33第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日34第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日35第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期日36第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期