1、细胞的能量转换 线粒体和叶绿体,第六章,第一节 线粒体,1890，Altaman首次发现，命名为bioblast； 1897，von Benda提出mitochondrion； 1900，L. Michaelis用Janus Green B染色，发现线粒体具有氧化作用; 1948，Green，1949，Kennedy和Lehninger分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的。,Janus Green B线粒体专一的活细胞染料，具有脂溶性，能跨过细胞膜，解离后，有染色能力的基团带正电，结合在负电性的线粒体内膜上。内膜上的细胞色素氧化酶使染料保持氧化状态，呈蓝绿色。而在胞质内染料被还原成
2、无色。,真核细胞重要细胞器 除哺乳动物成熟红细胞外，普遍存在 糖、氨基酸、脂肪酸最终氧化、并通过氧化磷酸化作用产生ATP的场所 细胞能量来源，“动力工厂”,线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化 线粒体与疾病,Something we will learn,一、线粒体的形态结构,1. 线粒体的形态、大小、数量与分布动物细胞器（多形性、易变性、运动性和适应性），线粒体一般呈粒状或线状，呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%；单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的
3、线粒体，巨大变形中达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。一般直径0.51m，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨 线粒体。,线粒体形态结构,线状,颗粒状,光镜下形态,大小,直径约0.51um,故名线粒体,形态多变性：线状 粒状（胝渗膨胀） 粒状 线状（高渗伸长） 短 长（生长）,2. 线粒体的超微结构,两层单位膜套
4、叠而成的封闭囊状结构的细胞器 外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。,Schematic view of mitochondrion,外膜(outer membrane）：6nm,具有porin（可逆开闭）构成的亲水通道，通透性较高,允许小分子物质通过，标志酶为单胺氧化酶。 内膜（inner membrane）：6-8nm,类似细菌质膜；心磷脂含量高(达20%)、缺乏胆固醇，通透性很低。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。向内折叠形成嵴（cristae）, 能显著扩大内膜表面积（外膜的5倍，细胞膜结构总面积的1/3）。含有与能量转换相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP合成酶、线粒体内膜转
5、运蛋白）。Fernadez-Moran发现，嵴膜上重复出现大分子单元（颗粒结构9nm），称基粒（F1颗粒、F1因子、内膜亚单位）ATP合成酶的头部 每个线粒体104105基粒 ATP合成酶,2-3nm小孔 链形成的桶装结构 动态结构 5*103 分子量,嵴的形态多样,羽冠型 网膜型 绒毛型 平行型 同心园型,嵴的作用是扩大内膜的面积；使基质区域化。,示嵴的各种形态,外膜,基质（内腔）,基粒,内膜,嵴,膜间腔（外腔）,内腔（与基质相通）（内腔）,膜间隙（intermembrane space）：是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。含许多可溶性酶、 底物及辅助因子。基质（mat
6、rix）：含三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类；DNA及核酸、蛋白合成体系；纤维 丝和致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。标志酶为苹果酸脱氢酶。,3. 化学组成 蛋白质(线粒体干重的6570) 脂类(线粒体干重的2530)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）特点： (1)含酶最多的细胞器；(2)内膜为膜蛋白最丰富的膜；(3)含DNA的细胞器。,在线粒体各部分分布不同 外膜两类： （1）氧化还原酶：单胺氧化酶、NADH-细胞色素C还原酶等（单胺氧化酶是外膜标志酶） （2）脂类代谢酶
7、：酰基辅酶A合成酶、脂肪酸延伸酶等,主要酶（140余种）,膜间隙中酶种类少，主要为激酶，如腺苷酸激酶（标志酶）、二磷酸激酶等 内膜上酶种类多、结构复杂、许多酶以复合物的形式出现 （1）移位酶：特异性载体，运输磷酸、Ca2+、核苷酸、酮戊二酸、谷氨酸、鸟氨酸等代谢产物 （2）生物合成酶类：参与Mit DNA、RNA、蛋白质合成、脂肪酸、血红素合成 （3）呼吸链酶： 构成内膜的主要成份 NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、 CoQ-细胞色素C还原酶、细胞色素氧化酶、铁硫蛋白、细胞色素b、c1、c、a和a3等,线粒体主要酶的分布,复合物I：NADH脱氢酶 复合物II: 琥珀酸脱氢酶 复合物III：CoQ-
8、细胞色素C还原酶 复合物IV：细胞色素氧化酶,三羧酸循环，氧化磷酸化合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。,二. 线粒体主要功能,1、氧化磷酸化,什么是氧化磷酸化： 当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。细胞质NADH传递到基质途径： 苹果酸-天冬氨酸穿梭途径：哺乳动物和其他组织甘油-3-磷酸穿梭途径: 1对电子-1.5ATP,2 、电子载体与电子传递链,什么是呼吸链：（electron-transport chain）
9、在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，是传递电子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列,呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。 其中复合体、辅酶Q和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9。,氧化磷酸化的分子基础,电子载体 呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD-2个电子-2个质子。黄素相关的脱氢酶类主要有：以FMN为辅基的NADH脱氢酶。以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide
10、adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。,NAD NADP,Flavin mononucleotide(FMN)& Flavin adenine dinucleotide,细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。,铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,辅酶Q：是脂溶性、长的类异戊二烯侧链的苯醌，通过氧化和还原传递电
11、子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。体积小、疏水、携带电子和质子,电子载体排列顺序,呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。 电位值越低-还原性越好提供电子能力越强 最终受体O2,电子传递链的复合物,利用deoxycholate（脱氧胆酸）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物（膜蛋白复合物）。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。,组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。 作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。
12、NADHFMNFe-SQ NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C,1、复合物I：NADH脱氢酶。,组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。 作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。 琥珀酸FADFe-SQ。 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,琥珀酸脱氢酶（Succinatedehydrogenase，简称SDH），黄素酶类， 是线粒体内膜的结合酶，是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，可为真核细胞线粒体和多种原核细胞需氧和产能的呼吸链提供电子，为线粒体的一种标志酶。 作为参与三羧酸循环的关键酶，琥珀酸脱氢酶是反映线粒体功能的标志酶之一，其活性一般可
13、作为评价三羧酸循环运行程度的指标,2、复合物II：琥珀酸脱氢酶,3、复合物III：细胞色素c还原酶。 组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1 。 作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关,Q循环在线粒体内膜中电子传递链上QH2分别传递一个电子到细胞色素中，即共使2个细胞色素得到电子，从而被氧化。本质上是双电子携带体的泛醌(Co
14、Q)和单电子携带体(cytb562,cytb566,c1和c)之间完成的一系列电子转移反应称Q循环。,4、复合物IV：细胞色素c氧化酶 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。 作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，转移4个质子至膜间隙。 cyt cCuAheme aa3- CuBO2 4还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O,两条主要的呼吸链,由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。 由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。 对应于每个复合物，大约需要3个复合物，7个复合物，任何两
15、个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。,Transport of electrons from NADH,Transport of electrons from FADH2,两条呼吸链,鱼藤酮、阿米妥,抗霉素A,CN、CO,在电子传递过程中，有几点需要说明,四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、Fe-S中心、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子(能量转化)， 终止于O2形成水。 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高) 高能电子
16、释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙， 形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化) 电子传递链各组分在膜上不对称分布,呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布。H+不能自由通过内膜-膜间隙H+浓度高于基质H+-外正内负的跨膜电位差增加-质子驱动力-ATP合成 可用亚线粒体颗粒和冰冻蚀刻技术呼吸链组分的分布。,3 质子动力势，proton-motive force,P. Mitchell（1961）提出“化学渗透假说”。解释氧化磷酸化作用机理的一种假说认为：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（C侧），形成质子动力势（ P）。 P
17、= -(2.3RT/F)pH 其中：pH= pH梯度， =电位梯度，T=绝对温度，R=气体常数，F为法拉第常数，当温度为25时P的值为220mV左右。,Chemiosmotic Theory,状如蘑菇，属F型质子泵。 分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。 F1（水溶性）由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。 F0（疏水性）由三种多肽组成ab2c1012复合体，嵌入内膜，c亚基组成一个环形结构，具
18、有质子通道。,4 ATP合酶（ATP synthetase）,工作特点：可逆性复合酶，既能利用质子电化学梯度储存的能量合成 ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。,日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将33固定在玻片上，在亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动蛋白纤维旋转。,亚基旋转的观察 （引自Lodish等1999）,亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据,线粒体能量转换过程略图,5 氧化磷酸化抑制剂,1电子传递抑制剂 抑制复合物I，如阿米妥、鱼藤酮。,Amytal,rotenone,抑制复合物II，如：2-
19、噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵。,2-Thenoyltrifluoroacetone,carboxin,抑制复合物III，如抗霉素A 。,Antinomycin A 1,抑制复合物IV，如CO、CN、NaN3、H2S。,电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。,2磷酸化抑制剂 与F0结合，阻断H+通道。如寡霉素。,oligomycin,四 线粒体与疾病,线粒体疾病病变发生在细胞的线粒体内，是线粒体基因组（mtDNA）和/或核基因组（nDNA）编码线粒体蛋白的基因变异引起的线粒体结构和氧化磷酸化功能的损伤
20、,而引起的疾病。,1988年Wallace等第1次提出Leber遗传性视神经眼病是由mtDNA突变引起，自那时以来已有上百种疾病证实或怀疑与mtDNA突变有关。,第二节 叶绿体与光合作用,叶绿体(Chloroplast)的形态结构叶绿体的功能光合作用(photosynthesis),绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。 光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。,一、形态与结构,象双凸或平凸透镜，长径510um，短径24um，厚23um。叶肉细胞一般含50200个叶绿体，占细胞质的40%。
21、由外被（chloroplast envelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成。含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。,Chloroplast,（一）叶绿体外被,双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。 外膜的渗透性大，如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。 内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。,（二） 类囊体,是内膜围成的封闭的扁平小囊-类囊体。
22、类囊体膜主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。 类囊体囊体内空间-类囊体腔 许多类囊体象圆盘一样叠在一起，称为基粒，每个叶绿体含4060个 组成基粒的类囊体，叫做基粒类囊体， 贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体称为基质类囊体，它们形成了内膜系统的基质片层（stroma lamella）。类囊体膜的内在蛋白主要有细胞色素b6/f复合体、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光系统、光系统复合物等。,（三）基质,是内膜与类囊体之间的空间。 主要成分包括： 碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60%
23、。 叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等。 一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。,二、叶绿体的功能光合作用 (photosynthesis),光合作用：绿色植物利用体内的叶绿素吸收光能，把二氧化碳和水转化为有机物，并释放氧气的过程称为光合作用。Photosynthesis: (1)光合电子传递反应光反应(Light Reaction) (2)碳固定反应暗反应(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，分为C3和C4两类,（一）原初反应,原初反应（primary reaction) 原初反应是指
24、叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程，包括光能的吸收、传递与转换，即光能被捕光色素分子吸收并传递至反应中心，在反应中心发生最初的光化学反应，使电荷分离从而将光能转换为电能的过程。,1光合色素 类囊体中含两类色素：叶绿素和类胡萝卜素，比例约为3:1。 叶绿素分为a、b，比例约为3:1。 全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合。乙烯的最大吸收波长位于171nm处，而乙烷则位于远紫外区首先有机化合物吸收光谱中，如果分子中存在两个以上的双键共轭体系，则吸收峰位置位于近紫外到可见光区,-CHO in chl b,类胡萝卜素辅助色素黄色、红色、紫色 -胡
25、萝卜素和叶黄素作用：吸收叶绿素不能吸收的波段的光提高光吸收效率回收多余能量，释放热能-防止产生单氧原子，破坏生物分子，损害叶绿素,藻胆素：细菌和藻类吸收叶绿素不能吸收的杂色光，过滤作用光能转移给叶绿素,集光复合体（LHC） 由大约300个叶绿素分子-光合单位（光合作用最小单位） 一对叶绿素a分子-将光能转化为化学能-反应中心色素 大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素。因此这些色素被称为天线色素。全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。,2. 光化学反应：反应中心色素分子吸收光能所引起的氧化还原反应。D+Chl+A 光 D+Chl*+A D+Chl+A -
26、D+Chl+A-光能转化为电能光反应的起点,（二）电子传递和光合磷酸化,电子传递与光合磷酸化需说明以下几点： 最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+。 电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。类囊体腔的质子浓度比叶绿体基质高，该浓度梯度产生的原因归于：H2O光解、cytb6f 的H+-pump、NADPH的形成。ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。循环式传递的高能电子在PS被光能激发后经cytb6f复合物回到PS。结果是不裂解H2O、产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP
27、。,（二）电子传递和光合磷酸化,1. 电子传递 光合电子传递链：一系列特殊的电子载体构成。 电子载体：细胞色素，黄素蛋白，醌和铁氧化蛋白。形成膜蛋白复合物，主要有光系统I, 光系统II及细胞色谱b6f复合物光系统：光合作用中光吸收的功能单位，由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质组成的复合物。捕光复合物（LHC）反应中心复合物,光系统（PS） 吸收高峰为波长680nm处，又称P680。至少包括12条多肽链，位于基粒于基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体（light-hawesting comnplex ，LHC ）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygen evolving
28、complex）。反应中心复合物：20多种多肽组成的叶绿素-蛋白质复合物。包括：D1和D2为两条核心肽链，结合中心色素P680、去镁叶绿素(pheophytin)及质体醌(plastoquinone)。捕光复合物：蛋白质、叶绿素、类胡萝卜素和脂质分子组成的复杂高度疏水性膜蛋白复合物,细胞色素b6/f复合体(cyt b6/f complex) 可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6（b563）、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基（被认为是质体醌的结合蛋白）。 功能：连接PS II和PS I,O循环,光系统（PSI） 能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，位于
29、基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。 由捕光复合体和反应中心复合物构成。 结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0（一个chla分子)、A1(为维生素K1)及3个不同的4Fe-4S。,PS：P700 FdNADP+，生成NADPH。 PS：P680QPQCytb6-f80PCP700 两个光系统合作完成电子传递、水的光解、产生O2和NADPH的生成，产生的质子则进入类囊体腔中，使类囊体内外形成了质子梯度,PSI and PSII 两个光系统的协调作用,（二）光合磷酸化,由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相藕联而生成ATP的过程。
30、一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔增加4个H+，在基质中1个H+被用于还原NADP+，使类囊体腔有较高的H+（pH5），形成质子动力势。 作用：与光合链电子传递相耦联的，光合作用通过光合磷酸化由光能转化为ATP，用于CO2同化，将能量储存在有机物中。 H+经CF0-CF1 ATP合酶（SH化合物和Mg2+）， 渗入基质，推动ATP合成。作用机制与线粒体基本相同,非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。 循环式传递的高能电子在PS被光能激发后经cytb6f复合物回到PS。结果是不裂解H2O、产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP 。,光合磷酸化作用机
31、制,P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给去镁叶绿素（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z（反应中心D1蛋白上的一个酪氨酸侧链）得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子，使水光解。 在另一个方向上去镁叶绿素将电子传给D2上结合的QA，QA又迅速将电子传给D1上的QB，还原型的质体醌从光系统复合体上游离下来，另一个氧化态的质体醌占据其位置形成新的QB。质体醌将电子传给细胞色素b6/f复合体，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递给位于类囊体腔一侧的含铜蛋白质体蓝素(plastocyanin, PC)中的Cu
32、2+，再将电子传递到光系统I。 P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0 A1 4Fe-4S的方向依次传递，由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（ferredoxin,FD）。最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下，将电子传给NADP+，形成NADPH。失去电子的P700从PC处获取电子而还原。,Electron transport in the thylakoid membrane,暗反应(碳固定),利用光反应产生的ATP 和NADPH，使CO2还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。 卡尔文循环
33、（Calvin cycle）（C3途径）：碳同化最重要最基本的途径。 羧化阶段 还原阶段 RuBP再生阶段 C4途径或 Hatch-Slack循环 景天酸代谢途径,卡尔文循环：每循环1次，固定1个CO2,6CO2+18ATP+12NADPH C6H12O6+12NADP+18ADP+18Pi,C4途径：有一些植物对CO2的固定反应是在叶肉细胞的胞质溶胶中进行的,在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下将CO2连接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上，形成四碳酸:草酰乙酸(oxaloacetate)。特点:通过使CO2浓缩减少光呼吸。在该途径中在叶肉细胞CO2被整合到C4酸中，然后C4酸在维管束鞘细胞被脱羧，
34、释放出的CO2被卡尔文循环利用。,（1）羧化，叶肉细胞的细胞质中的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化，把CO2固定为草酰乙酸（OAA），后转变为C4酸（苹果酸或天冬氨酸）； （2）转移，C4酸转移到维管束鞘细胞； （3）脱羧与还原，维管束鞘细胞中的C4酸产生CO2，CO2再通过卡尔文循环被还原为糖类； （4）再生，C4酸脱羧形成的C3酸（丙酮酸或丙氨酸）再运回叶肉细胞再生成PEP。,景天酸代谢途径（crassulacean acid metabolism pathway，CAM途径） 特点：在夜间细胞中磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）作为二氧化碳接受体，在PEP 羧化酶催化下，形成草酰乙酸，再还原成苹果
35、酸，并贮于液泡中；白天苹果酸则由液泡转入叶绿体中进行脱羧释放二氧化碳，再通过卡尔文循环转变成糖。,龙舌兰科、仙人掌科、大戟科、百合科、葫芦科、萝藦科，以及凤梨科具有此途径。 一般说CAM植物是多汁的，但也有不是多汁的。多汁植物也并不都是CAM植物。 这类植物是通过改变其代谢类型以适应环境，由于该途径的特点造成光合速率很低，故生长慢，但能在其它植物难以生存的生态条件下生存和生长。,第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,半自主性细胞器的概念： 自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。,一
36、、线粒体和叶绿体的DNA,mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) mtDNA大小在动物中变化不大，但ctDNA大小在植物中变化较大，高等植物，120kbp200kbp； 人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cyt b-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基， ATP合成酶2个Fo亚基) mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，DNA先复制，随后线粒体分裂。ctDNA复制的时间在G1期。 复制仍受核控制。,线粒体和叶绿体的蛋白质合成,线粒
37、体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限酵母线粒体主要酶复合物的生物合成,不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异,参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况： 由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成； 由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成； 由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。基因转移:mtDNA-nuclear DNAmtDNA-ctDNA,线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,线粒体蛋白质的运送与组装 定位于线粒体基质的蛋白质的运送 定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 叶绿体蛋白质的运送及组装,线粒体蛋白质的转运,用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质的蛋白合成，发
38、现人mtDNA仅编码13条多肽： 细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b。,线粒体含1000多种蛋白，绝大多数由核基因编码，在细胞质中合成，定向转运至线粒体。 前体蛋白在运输前，以未折叠形式存在，N端的一段信号序列称为导肽或引肽，完成转运后被酶切除，成为成熟蛋白，这种现象称后转译。,信号肽特点： 多位于肽链N端，约20个氨基酸构成； 形成两性螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋两侧； 对所牵引的蛋白质没有特异性要求。,蛋白质的转运涉及转位因子。 TOM复合体：通过外膜，进入膜间隙。 TIM复合体：进入基质(TIM23)或内膜
39、(TIM22)。 OXA复合体：将线粒体合成的蛋白和某些进入基质的蛋白插到内膜上。 线粒体内外膜之间存在接触点，蛋白通过此处的TOM和TIM复合体，一步进入基质。,蛋白质的输入是一个耗能过程。 在线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴侣，需要通过水解ATP获得能量。 在通过TIM复合体时利用质子动力势作为动力。 前体蛋白进入线粒体基质后，线粒体hsp70一个接一个的结合在蛋白质线性分子上，像齿轮一样将蛋白质“铰进（hand over hand）”基质，这一过程也需要消耗ATP。然后线粒体hsp70将蛋白质交给hsp60，完成折叠。,叶绿体的蛋白质转运,叶绿体蛋白转运运输机理与线粒体的相似。 如：
40、 都发生后转译； 每一种膜上有特定的转位因子； 具有接触点（contact site）； 需要能量，同样利用ATP和质子动力势； 前体蛋白N端有信号序列，使用后被信号肽酶切除。 但两者的蛋白质转运体系中除了某些hsp分子相同外，转位因子复合体是不同的。,第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源,线粒体和叶绿体的增殖 线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。 叶绿体的发育和增殖 个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。 增殖：分裂增殖线粒体和叶绿体的起源,线粒体的增殖,线粒体来源于已有的线粒体的分裂。 间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。
41、收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个。 出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。,1.线粒体收缩分裂 2.间壁分裂（狗心肌细胞线粒体） 3.出芽分裂 （新生鼠肝细胞线粒体）,2,1,3,叶绿体的增殖,在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。 在有光条件下原质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为基粒，形成叶绿体。 在黑暗生长时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的三维晶格结构，称为原片层，这种质体称为黄色体。在有光下仍可发育为叶绿体。 幼小叶绿体能靠分裂而增殖。 成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。,二、 线粒体和叶绿体的起源,内共生起源学说（endosymbios
42、is hypothesis)非共生起源学说,内共生起源学说,叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻：Mereschkowsky，1905年 Margulis，1970年：线粒体的祖先-原线粒体是一种革兰氏阴性细菌：叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。 内共生起源学说的主要论据： 不足之处,内共生起源学说的主要论据,基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。 有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。 两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。 以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。 能在
43、异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。 线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。 发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构-蓝小体，其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。,不足之处,从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？ 不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为真核细胞？线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子从何发生？,非共生起源学说,主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。不足之处,不足之处,实验证据不多 无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在DNA分子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处 对线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体的来源也很难解释。 真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？,
