第七章線粒體與葉綠體第1頁，課件共92頁，創作于2023年2月第一節線粒體1890年，R.Altaman發現線粒體，命名為bioblast。1898年，Benda將這種顆命名為mitochondrion。1900年，L.Michaelis用JanusGreenB對線粒體進行染色，發現線粒體具有氧化作用。1904年，在植物細胞中發現了線粒體。至20世紀50年代，證實三羧酸循環，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代謝過程均發生在線粒體中。現在線粒體的結構和功能的研究已經深入到分子水平。第2頁，課件共92頁，創作于2023年2月一、形態結構（一）形態與分布形狀：線粒體一般呈粒狀或桿狀。化學組成：蛋白質和脂類。大小：一般直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細胞中可長達10~20μm，稱巨線粒體。數量及分布：植物細胞少于動物細胞；許多哺乳動物成熟的紅細胞中無線粒體。通常結合在微管上，分布在細胞功能旺盛的區域。第3頁，課件共92頁，創作于2023年2月第4頁，課件共92頁，創作于2023年2月（二）超微結構線粒體（mitochondrion）是由兩層單位膜套疊而成的封閉的囊狀結構。包括：外膜（outermembrane）、內膜（innermembrane）、膜間隙（intermembrane）和基質（matrix）四個功能區隔。第5頁，課件共92頁，創作于2023年2月第6頁，課件共92頁，創作于2023年2月外膜：具有孔蛋白構成的親水通道，允許小分子物質自由通過。標志酶為單胺氧化酶。內膜：內膜內陷形成嵴（cristae）來擴大內膜表面積。嵴有兩種類型，板層狀和管狀。心磷脂含量高，通透性很低，H+和ATP等不能自由通過，必需有載體蛋白和通透酶參與。嵴膜上有基粒，基粒由頭部（F1偶聯因子）和基部（F0偶聯因子）構成。膜間隙：內外膜之間的間隙，延伸到嵴的軸心部。標志酶為腺苷酸激酶。基質：可溶性蛋白質的膠狀物質。標志酶為蘋果酸脫氫酶。

第7頁，課件共92頁，創作于2023年2月第8頁，課件共92頁，創作于2023年2月第9頁，課件共92頁，創作于2023年2月二、線粒體的功能線粒體的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，為細胞的生命活動提供能量。糖、脂肪細胞質丙酮酸和脂肪酸線粒體乙酰coA（三羧酸循環）氫通過電子傳遞鏈到達氧生成水，同時ADP磷酸化生成ATP第10頁，課件共92頁，創作于2023年2月第11頁，課件共92頁，創作于2023年2月（一）氧化磷酸化的分子結構基礎線粒體超聲波亞線粒體小泡或顆粒胰蛋白酶顆粒解離，只能傳遞電子，而不能發生磷酸化顆粒重新裝配上電子傳遞和氧化磷酸化電子傳遞的組分位于線粒體的內膜，顆粒是氧化磷酸化偶聯的因子第12頁，課件共92頁，創作于2023年2月第13頁，課件共92頁，創作于2023年2月電子傳遞鏈概念：有序排列在線粒體的內膜，能可逆的接受和釋放電子或H+的酶體系稱為電子傳遞鏈或呼吸鏈。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個電子和2個質子。呼吸鏈上具有FMN為輔基的NADH脫氫酶，以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。細胞色素：以鐵卟啉為輔基的色蛋白，通過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aa3含有銅原子。第14頁，課件共92頁，創作于2023年2月第15頁，課件共92頁，創作于2023年2月三個銅原子：類似于鐵硫蛋白的結構，通過Cu2+、Cu1+的變化傳遞電子。

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，QH2和自由基半醌（QH）。第16頁，課件共92頁，創作于2023年2月第17頁，課件共92頁，創作于2023年2月電子傳遞鏈的復合物利用脫氧膽酸（deoxycholate，一種離子型去污劑）處理線粒體內膜、分離出呼吸鏈的4種復合物，即復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。輔酶Q和細胞色素C不屬于任何一種復合物。輔酶Q溶于內膜，細胞色素C位于線粒體內膜的C側，屬于膜的外周蛋白。第18頁，課件共92頁，創作于2023年2月復合物ⅠNADH脫氫酶，以二聚體形式存在，作用是催化NHDH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將4個質子由線粒體基質（M側）轉移至膜間隙（C側）。電子傳遞的方向為：NADH→FMN→Fe-S→Q復合物Ⅱ琥珀酸脫氫酶，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白，作用是催化電子從琥珀酸轉至輔酶Q。電子傳遞的方向為：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q第19頁，課件共92頁，創作于2023年2月復合物Ⅲ細胞色素c還原酶，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b、一個細胞色素c1和一個鐵硫蛋白。催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉移1對電子，同時將4個質子由線粒體基質泵至膜間隙。復合物Ⅳ細胞色素c氧化酶，以二聚體形式存在，將細胞色素c接受的電子傳給氧，每轉移1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。第20頁，課件共92頁，創作于2023年2月第21頁，課件共92頁，創作于2023年2月兩條主要的呼吸鏈

根據接受代謝物上脫下的氫的原初受體不同，分為NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成NADH呼吸鏈，催化NADH的脫氫氧化，復合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成FADH2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。第22頁，課件共92頁，創作于2023年2月第23頁，課件共92頁，創作于2023年2月三、氧化磷酸化的作用機理（一）質子動力勢對于氧化磷酸化的偶聯機制提出的假說有化學偶聯假說、構象偶聯假說、化學滲透假說等。“化學滲透假說”，取得大量實驗結果的支持，成為一種較為流行的假說。內容是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泵至膜間隙，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，即質子動力勢（proton-motiveforce,△P）。

第24頁，課件共92頁，創作于2023年2月△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中T為絕對溫度，R為氣體常數，F為法拉弟常數。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。第25頁，課件共92頁，創作于2023年2月第26頁，課件共92頁，創作于2023年2月（二）ATP合成酶的結構和作用機理ATP合成酶（ATPsynthetase）或F1F0-ATP酶，成蘑菇狀。分布于線粒體和葉綠體中，在跨膜質子動力勢的推動下，ADP磷酸化生成ATP，參與氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷酸化是指當電子從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的過程。第27頁，課件共92頁，創作于2023年2月結構組成ATP合成酶是一種可逆性復合酶，既能利用質子動力勢合成ATP,又能水解ATP將質子從基質泵到膜間隙。ATP合成酶的分子結構由突出于膜外的F1頭部和嵌入膜中的F0基部兩部分組成。第28頁，課件共92頁，創作于2023年2月第29頁，課件共92頁，創作于2023年2月F1頭部：為水溶性的蛋白質，從內膜突出于基質，比較容易從膜上脫落。它可以利用質子動力勢合成ATP，也可以水解ATP，轉運質子，屬于F型質子泵。F1是由9個亞基組成的α3β3γδε復合體，具有三個ATP合成的催化位點（一個/β亞基）。α和β單位交替排列成桔瓣狀結構。γ貫穿αβ復合體，發揮轉子的作用來調節三個β亞基催化位點的開放和關閉，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（相當于定子）。第30頁，課件共92頁，創作于2023年2月第31頁，課件共92頁，創作于2023年2月F0基部：嵌合在內膜上的疏水蛋白復合體，形成一個跨膜的質子通道。第32頁，課件共92頁，創作于2023年2月1979年代BoyerP提出構象偶聯假說，其要點如下：1．ATP酶利用質子動力勢，產生構象的改變，改變與底物的親和力，催化ADP與Pi形成ATP。2．F1具有三個催化位點，同一時間，三個催化位點的構象不同，與核苷酸的親和力也不同。在L構象（loose），ADP、Pi與酶疏松結合；在T構象（tight）底物（ADP、Pi）與酶緊密結合在一起，并形成ATP；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亞基構成的環旋轉，從而帶動γ亞基旋轉，由于γ亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉引起β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。作用機理第33頁，課件共92頁，創作于2023年2月第34頁，課件共92頁，創作于2023年2月第35頁，課件共92頁，創作于2023年2月第36頁，課件共92頁，創作于2023年2月支持構象偶聯假說的實驗1．日本的吉田（MassasukeYoshida）等人將α3β3γ固定在玻片上，在γ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γ亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉。2．在另外一個實驗中，將熒光標記的肌動蛋白連接到ATP合酶的F0亞基上，在ATP存在時同樣可以觀察到肌動蛋白的旋轉。第37頁，課件共92頁，創作于2023年2月第38頁，課件共92頁，創作于2023年2月第39頁，課件共92頁，創作于2023年2月1．電子傳遞抑制劑①

抑制NADH→CoQ的電子傳遞。如：阿米妥(amytal)、魚藤酮（rotenone）、殺粉蝶素A（piericidin）。②

抑制Cytb→Cytc1的電子傳遞。如：抗霉素A(antinomycinA)。③

抑制細胞色素氧化酶→O2。如：CO、CN、NaN3、H2S。2．磷酸化抑制劑與F0結合結合，阻斷H+通道，從而抑制ATP合成。如：寡霉素、二環己基碳化二亞胺(DCC)。3．解偶聯劑（uncoupler）質子載體：2,4-二硝基酚(DNP，圖7-13)，羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼。質子通道：增溫素（thermogenin）。其它離子載體：如纈氨霉素。某些藥物：如過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯，從而使體溫升高。（三）氧化磷酸化抑制劑第40頁，課件共92頁，創作于2023年2月第41頁，課件共92頁，創作于2023年2月四、線粒體的增殖

1、間壁分離，分裂時先由內膜向中心皺褶，將線粒體分成兩個，常見于鼠肝和植物產生組織中。2、收縮后分離，分裂時通過線粒體中部縊縮并向兩端不斷拉長然后分裂為兩個，見于蕨類和酵母線粒體中。3、出芽，見于酵母和蘚類植物，線粒體出現小芽，脫落后長大，發育為線粒體。第42頁，課件共92頁，創作于2023年2月第43頁，課件共92頁，創作于2023年2月第44頁，課件共92頁，創作于2023年2月第二節葉綠體●葉綠體(Chloroplast)的形態結構●葉綠體的功能—光合作用(photosynthesis)第45頁，課件共92頁，創作于2023年2月第46頁，課件共92頁，創作于2023年2月一、葉綠體(Chloroplast)的形態結構●葉綠體與線粒體形態結構比較 葉綠體內膜并不向內折疊成嵴；內膜不含電 子傳遞鏈；除了膜間隙、基質外，還有類囊體； 捕光系統、電子傳遞鏈和ATP合成酶都位于類囊體膜上。●葉綠體超微結構第47頁，課件共92頁，創作于2023年2月第48頁，課件共92頁，創作于2023年2月第49頁，課件共92頁，創作于2023年2月第50頁，課件共92頁，創作于2023年2月葉綠體膜葉綠體由內膜和外膜組成，膜間為10~20nm的膜間隙。膜的成分是蛋白質和脂質。類囊體是在葉綠體基質中，由許多單位膜封閉形成的扁平小囊。a結構基粒類囊體：象圓盤一樣疊在一起的類囊體。基粒片層。基質類囊體：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。基質片層。b化學組成類囊體膜的主要成分是蛋白質和脂類（3：2）。蛋白質分為外在蛋白和內在蛋白。脂類中的脂肪酸主要是不飽含脂肪酸，具有較高的流動性。第51頁，課件共92頁，創作于2023年2月基質是內膜與類囊體間的流動性成分，中間懸浮著片層系統。主要成分包括：碳同化相關的酶類（RUBP羧化酶）、葉綠體DNA、蛋白質合成體系、一些顆粒成分等。第52頁，課件共92頁，創作于2023年2月二、葉綠體的主要功能葉綠體的主要功能是進行光合作用。光合作用的過程分為：①原初反應、②電子傳遞和光合磷酸化、③碳同化。其中①和②屬于光反應，在類囊體膜上進行；③屬于暗反應（darkreaction），在葉綠體基質中進行。第53頁，課件共92頁，創作于2023年2月第54頁，課件共92頁，創作于2023年2月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（葉綠素a和葉綠素b）和類胡蘿卜素（胡蘿卜素和葉黃素）。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。第55頁，課件共92頁，創作于2023年2月第56頁，課件共92頁，創作于2023年2月3．光系統Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。位于基粒與基質非接觸區域的類囊體膜上。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．光系統Ⅰ（PSI）能被波長700nm的光激發，又稱P700。包含多條肽鏈，位于基粒與基質接觸區和基質類囊體膜中。由集光復合體Ⅰ和作用中心構成。第57頁，課件共92頁，創作于2023年2月第58頁，課件共92頁，創作于2023年2月原初反應與電子傳遞P680接受能量后，由基態變為激發態（P680*），然后將電子傳遞給ph（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電子供體Z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QA，QA又迅速將電子傳給QB。質體醌將電子傳給細胞色素bf，同時將質子由基質轉移到類囊體腔。電子接著傳遞質體藍素(PC)，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（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。第59頁，課件共92頁，創作于2023年2月第60頁，課件共92頁，創作于2023年2月光合磷酸化◆光合磷酸化的類型◆光合磷酸化的作用機制由光照引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯而生成ATP的過程，稱為光合磷酸化。第61頁，課件共92頁，創作于2023年2月第62頁，課件共92頁，創作于2023年2月當植物在缺乏NADP+時電子在光系統內Ⅰ流動，只合成ATP，不產生NADPH，稱為循環式光合磷酸化。第63頁，課件共92頁，創作于2023年2月光合磷酸化的作用機制一對電子從P680經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，在基質外一個H+又被用于還原NADP+，所以類囊體腔內有較高的H+（pH≈5，基質pH≈8），形成質子動力勢，H+經ATP合酶，滲入基質、推動ADP和Pi結合形成ATP。ATP合酶，即CF1-F0偶聯因子，結構類似于線粒體ATP合酶。CF1同樣由5種亞基組成α3β3γδε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。第64頁，課件共92頁，創作于2023年2月第65頁，課件共92頁，創作于2023年2月第66頁，課件共92頁，創作于2023年2月暗反應(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）◆C4途徑或Hatch-Slack循環◆景天科酸代謝途徑（CAM途徑）第67頁，課件共92頁，創作于2023年2月C3途徑：又稱卡爾文(Calvin)循環。CO2受體為RuBP，最初產物為3-磷酸甘油酸(PGA)。C4途徑：又稱哈奇-斯萊克(Hatch-Slack)途徑，CO2受體為PEP，最初產物為草酰乙酸(OAA)。景天科酸代謝途徑（CAM途徑）：夜間固定CO2產生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，進行CO2固定。第68頁，課件共92頁，創作于2023年2月第69頁，課件共92頁，創作于2023年2月第70頁，課件共92頁，創作于2023年2月◆個體發育：由前質體（proplastid）分化而來。◆增殖：分裂增殖三、葉綠體的發育和增殖第71頁，課件共92頁，創作于2023年2月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●線粒體和葉綠體蛋白質的運送與組裝第72頁，課件共92頁，創作于2023年2月一、線粒體和葉綠體的DNA●mtDNA/ctDNA形狀、數量、大小 ●mtDNA和ctDNA均以半保留方式進行自我復制●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。第73頁，課件共92頁，創作于2023年2月二、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●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，其表達產物既有共性，也存在差異●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。第74頁，課件共92頁，創作于2023年2月三、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第75頁，課件共92頁，創作于2023年2月第76頁，課件共92頁，創作于2023年2月第77頁，課件共92頁，創作于2023年2月第78頁，課件共92頁，創作于2023年2月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●線粒體和葉綠體的起源第79頁，課件共92頁，創作于2023年2月線粒體和葉綠體的起源●內共生起源學說（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源學說第80頁，課件共92頁，創作于2023年2月內共生起源學說◆葉綠體起源于細胞內共生的藍藻：

Meresc