第六章线粒体和叶绿体

1、第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化第二节第二节 叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用第三节第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体是半自主性细胞器第四节第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体和叶绿体的增殖与起源习题习题概述一、线粒体的形态结构线粒体的形态结构二线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位三线粒体的功能线粒体的功能四线粒体与疾病线粒体与疾病线粒体的发现历程线粒体的发现历程l1.线粒体和叶绿体是线粒体和叶绿体是真核细胞真核细胞内重要产能细胞器；内重要产能细胞器；线粒体普遍存在于线粒体普遍存在于各种各种真核细胞内，叶绿体仅存真核细胞内，叶绿体仅存在于

2、在于植物的绿色细胞植物的绿色细胞内。内。l2.二者均为封闭的二者均为封闭的双双层膜结构；表面积巨大的层膜结构；表面积巨大的内内膜膜在能量转化和细胞生化反应中具有重要作用。在能量转化和细胞生化反应中具有重要作用。l3.二者具有相似的基本结构，以类似的方式合成二者具有相似的基本结构，以类似的方式合成ATP。l4.二者均具有自己二者均具有自己单独单独的遗传信息表达系统，但的遗传信息表达系统，但构成二者的蛋白质多由构成二者的蛋白质多由核核基因编码。基因编码。返回 ( (一一) )线粒体的形态、大小、数量与分布线粒体的形态、大小、数量与分布 ( (二二) )线粒体的线粒体的超微结构超微结构1.外膜外膜(

3、outer membrane(outer membrane）：）：为单层膜，光滑有弹性为单层膜，光滑有弹性,通透性高通透性高有排列整齐的有排列整齐的孔蛋白孔蛋白(porin)(porin)构成的桶状圆柱体中有构成的桶状圆柱体中有小孔可供小分子通过。小孔可供小分子通过。概述l例题：线粒体外膜的通透性差，又没有例题：线粒体外膜的通透性差，又没有电子传递装置，所以没有什么作用，这电子传递装置，所以没有什么作用，这种说法正确吗？种说法正确吗？l答：不正确。虽然外膜中含有孔蛋白，答：不正确。虽然外膜中含有孔蛋白，最大可允许最大可允许5000Da的分子通过，由于的分子通过，由于ATP、NAD、辅酶、辅酶A

4、等的分子质量都小等的分子质量都小于于1000Da，因此这些分子都能自由通过，因此这些分子都能自由通过外膜。所以外膜的通透性非常高，使得外膜。所以外膜的通透性非常高，使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。l但是它有两个重要的作用：一是建立了膜间隙，但是它有两个重要的作用：一是建立了膜间隙，有利于建立电化学梯度；有利于建立电化学梯度；l第二是外膜含有一些特殊的酶类，如参与第二是外膜含有一些特殊的酶类，如参与Trp降降解、脂肪酸链延伸的酶，表明外膜不仅参与膜磷解、脂肪酸链延伸的酶，表明外膜不仅参与膜磷脂的合成，同时对那些将在线粒体基质中进行彻脂的合成，同时对那些将在

5、线粒体基质中进行彻底氧化的物质先进行初步分解。底氧化的物质先进行初步分解。l外膜上含有单胺氧化酶，该酶是外膜的标志酶，外膜上含有单胺氧化酶，该酶是外膜的标志酶，这种酶能够终止胺神经递质，如降肾上腺素和多这种酶能够终止胺神经递质，如降肾上腺素和多巴胺的作用。巴胺的作用。 2.内膜（内膜（inner membraneinner membrane）：厚约）：厚约6-8nm,6-8nm,高度不通高度不通透性，透性，内膜向线粒体腔内突起形成复杂的皱褶称为内膜向线粒体腔内突起形成复杂的皱褶称为线粒体嵴（线粒体嵴（cristae）。动物细胞嵴排列成板层，植）。动物细胞嵴排列成板层，植物及低等动物排列成小管状

6、。物及低等动物排列成小管状。含有与能量转换相关的蛋白含有与能量转换相关的蛋白l1) 内膜结构内膜结构l2) 线粒体分类（根据嵴的形态结构）线粒体分类（根据嵴的形态结构）l3) 基粒结构基粒结构l单层膜，比外膜厚；单层膜，比外膜厚；l通透性较外膜小；通透性较外膜小；l向内折叠成嵴，表面积极大增加，代谢效率向内折叠成嵴，表面积极大增加，代谢效率极大提高极大提高;l嵴的形状与数量和细胞种类与生理状况有关嵴的形状与数量和细胞种类与生理状况有关l（a）板层形）板层形l（b）管形）管形 （a）,（b）为基本形）为基本形l（c）羽冠形）羽冠形l（d）网膜形）网膜形l（e）绒毛形）绒毛形l（f）平行形）平行形

7、l（g）同心圆形）同心圆形l位于线粒体内膜和嵴的基质面上规则排列的带柄状球形小位于线粒体内膜和嵴的基质面上规则排列的带柄状球形小体体,10,104 4-10-105 5个基粒个基粒/ /线粒体线粒体. .l分为头部（分为头部（F F1 1）: :偶联因子（可溶性腺苷三磷酸酶）偶联因子（可溶性腺苷三磷酸酶）; ;l柄部柄部l基部基部（膜部）（膜部）(F(F0 0) )l现认为柄部是由现认为柄部是由F1、F0各一部分共同构成的，由各一部分共同构成的，由F1的的亚基亚基和和亚基及亚基及F0的的b亚基构成亚基构成,亚基穿过头部作为头部旋转的轴。亚基穿过头部作为头部旋转的轴。抑制剂部分抑制剂部分 位于头

8、部的顶端，能位于头部的顶端，能抑制抑制ATP水解，但不抑制氧化磷酸水解，但不抑制氧化磷酸化是一个热稳定的小化是一个热稳定的小Pr，称为，称为F1抑抑制蛋白质，分子量制蛋白质，分子量10000D。 ATP酶复合体（酶复合体（F0F1ATP酶、基粒）酶、基粒） next基质3.膜间隙膜间隙（intermembrane spaceintermembrane space）：）： 为内膜与外膜间的空间；为内膜与外膜间的空间；腔隙较小约68nm，充满无定型液体，充满无定型液体，含有多种酶（可溶性）、底物及辅助因子，腺苷酸激酶是其标志酶。 嵴内隙为膜间隙的延伸嵴内隙为膜间隙的延伸超微结构超微结构4.基质（基

9、质（matrix）：）：为内膜与嵴所包的空间；为内膜与嵴所包的空间；l具有一定的酸碱度和渗透压。具有一定的酸碱度和渗透压。l含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体线粒体DNA, RNA，核糖体。三羧酸循环、丙酮，核糖体。三羧酸循环、丙酮酸、脂肪酸氧化和线粒体基因表达等均在此进行。酸、脂肪酸氧化和线粒体基因表达等均在此进行。苹果酸脱氢酶是标志酶苹果酸脱氢酶是标志酶。超微结构超微结构 执行氧化反应的电子传递链执行氧化反应的电子传递链 ATPATP合成酶合成酶 线粒体内膜转运蛋白线粒体内膜转运蛋白线粒体的化学组成线粒体酶的定位1 、蛋白质蛋白质(

10、(线粒体干重的线粒体干重的65657070) ) （1）可溶性可溶性Pr：基质内的酶和膜的外周基质内的酶和膜的外周Pr（2）不可溶不可溶Pr：膜的镶嵌、结构、部分酶膜的镶嵌、结构、部分酶Pr 2 、 脂类脂类( (线粒体干重的线粒体干重的25253030) )：磷脂占磷脂占3/43/4以上，外膜主要是卵磷脂以上，外膜主要是卵磷脂, ,内膜主要是内膜主要是心磷脂心磷脂, ,高达高达20%20%。 线粒体脂类和蛋白质的比值线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；（内膜）；1:1（外膜）（外膜） 3、其他：、其他：DNA,RNA,核糖体。核糖体。1)主要是进行氧化磷酸化，合成主要是进行氧化磷

11、酸化，合成ATP，为细胞生命，为细胞生命活动提供直接能量；活动提供直接能量； 2)参加三羧酸循环的氧化反应参加三羧酸循环的氧化反应糖氧化三个阶段：糖氧化三个阶段：糖糖丙酮酸在细胞质基质进行丙酮酸在细胞质基质进行丙酮酸进入线粒体氧化脱羧丙酮酸进入线粒体氧化脱羧乙酰乙酰CoA乙酰乙酰CoA在线粒体基质中进行在线粒体基质中进行TCA循环彻底氧化。循环彻底氧化。 3)与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信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号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及 电解质稳电解质稳态平衡的调控有关。态平衡的调控有关。氧化磷酸化氧化磷酸化(oxida

12、tive phosphorylation)的分子基础的分子基础氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961)线粒体能量转换过程略图线粒体能量转换过程略图 氧化磷酸化过程实际上是氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程能量转换过程，即有机，即有机 分子中储藏的能量分子中储藏的能量高能电子高能电子质子动力势质子动力势ATPATP 氧化氧化( (电子传递、消耗氧电子传递、消耗氧, , 放能放能) )与磷酸化与磷酸化(ADP+Pi(ADP+Pi，储能，储能) ) 同时进行，密切偶连，分别由两个不同的结构体系

13、执行同时进行，密切偶连，分别由两个不同的结构体系执行 电子传递链电子传递链(electron-transport chain）的四种复合物）的四种复合物，组成两种，组成两种 呼吸链：呼吸链：NADH呼吸链呼吸链, FADH2呼吸链呼吸链 在电子传递过程中，有几点需要说明在电子传递过程中，有几点需要说明 ATPATP合成酶（合成酶（ATP synthaseATP synthase）( (磷酸化的分子基础磷酸化的分子基础) ) 复合物复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）体又是质子移位体） 组成：含组成：含42个蛋白亚基，至少个蛋白亚基，至少

14、6个个Fe-S中心中心和和1个黄素蛋白。个黄素蛋白。 作用：催化作用：催化NADH氧化，从中获得两个高能电子氧化，从中获得两个高能电子辅酶辅酶Q； 泵出泵出4 H+ 复合物复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）质子移位体） 组成：含组成：含FAD辅基，辅基，2Fe-S中心，中心， 作用：催化作用：催化2低能电子低能电子FADFe-S辅酶辅酶Q (无无H+泵出泵出) 复合物复合物：CoQ-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶/细胞色素细胞色素bc1复复合物（既是电子传递体又是质子移位体）合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：组成：10条多肽链

15、条多肽链,包括包括1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白蛋白作用：催化电子从作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出；泵出4H+复合物复合物：细胞色素：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）又是质子移位体） 组成：组成： 二聚体，每一单体含二聚体，每一单体含13个亚基，个亚基，三维构象三维构象， cyt a, cyt a3 ,两个两个Cu, 作用作用：催化电子从：催化电子从cytc分子分子O2 形成水，形成水，2 H+泵出，泵出，2 H+ 参与参与 形成水形成水.四种类型电子载体：四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素黄素蛋白、细胞色素( (含血红素辅基含血

16、红素辅基) )、 Fe-SFe-S蛋白、蛋白、铜原子和辅酶铜原子和辅酶Q 。前四种与蛋白质结合，辅酶。前四种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。为脂溶性醌。 电子传递起始于电子传递起始于NADH脱氢酶催化脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子氧化，形成高能电子 (能量转能量转化化)， 终止于终止于O2形成水。形成水。 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，最低， H2O/O2最高最高)高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵泵)将将H+从基质侧泵从基质侧泵到膜间隙，到膜间隙， 形成

17、跨线粒体内膜形成跨线粒体内膜H+梯度梯度(能量转化能量转化)电子传递链各组分在膜上不对称分布电子传递链各组分在膜上不对称分布l完整线粒体无法测定，一般用超声波处理使外膜完整线粒体无法测定，一般用超声波处理使外膜破碎，使内膜产生许多亚线粒体小泡，这样就可破碎，使内膜产生许多亚线粒体小泡，这样就可用专一性的抗体对呼吸链组分进行定位、定量的用专一性的抗体对呼吸链组分进行定位、定量的研究。如用研究。如用cytC抗体处理时，可抑制完整线粒体抗体处理时，可抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体的氧化磷酸的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体的氧化磷酸化，说明化，说明cytC靠近内膜的外侧（膜间隙）。靠近

18、内膜的外侧（膜间隙）。分子结构分子结构线粒体线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个合成是由两个 不不 同的结构体系执行同的结构体系执行, F1颗粒具有颗粒具有ATP酶活性酶活性工作特点工作特点：可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储：可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成存的能量合成 ATP, 又能水解又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙将质子从基质泵到膜间隙 ATP合成机制合成机制Binding Change Mechanism (Boyer 1979) 亚单位相对于亚单位相对于亚单位旋转的直接亚单位旋转的直

19、接实验证据实验证据化学渗透假说内容：化学渗透假说内容： 电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成从基质泵到膜间隙，形成H+电化电化学梯度。在这个梯度驱使下，学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过穿过ATPATP合成酶回到基质，同时合成酶回到基质，同时合成合成ATP,ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATPATP高能磷酸键。高能磷酸键。质子动力势质子动力势(proton motive force)(proton motive fo

20、rce)支持化学渗透假说的支持化学渗透假说的实验证据实验证据该实验表明：该实验表明： 质子动力势乃质子动力势乃ATPATP合成的动力合成的动力 膜应具有完整性膜应具有完整性 电子传递与电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件合成是两件相关而又不同的事件下一页（）化学偶联学说：（）化学偶联学说： 1953年年Edward Slater 最先提出的。此学说认最先提出的。此学说认为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间为电子传递过程产生一种活泼的高能共价中间物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。在糖物。它随后的裂解驱动氧化磷酸化作用。在糖酵解过程中的底物水平磷酸化是这种情况，但酵解过程中的底物水平

21、磷酸化是这种情况，但是在氧化磷酸化作用中一直未能找到任何一种是在氧化磷酸化作用中一直未能找到任何一种活泼的高能中间产物。活泼的高能中间产物。l1964年由年由Paul Boyer最先提出来的。此学最先提出来的。此学说认为电子沿电子传递链传递使线粒体说认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能形式。这种高能形式通过一种高能形式。这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。未能找到的合成而恢复其原来的构象。未能找到有力的证据。有力的证据。（）化学渗透学说（）化学渗透学说1961 由英国生物化学家由英国生物化学家Peter Mit

22、chell最先提出来最先提出来的。此学说认为电子传递释放出的自由能和的。此学说认为电子传递释放出的自由能和ATP合成合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。其主要是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。其主要论点认为呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化进行时，论点认为呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵的作用，质子被泵出线粒体内膜之外呼吸链起质子泵的作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的电位差，后者被膜上侧，造成了膜内外两侧间跨膜的电位差，后者被膜上的的ATP合成酶所利用，使合成酶所利用，使ADP与与Pi合成合成ATP。呼吸链中传氢体和电子传递体呼吸链中传

23、氢体和电子传递体是间隔交替排列的，而且有特定是间隔交替排列的，而且有特定的定位，催化反应是定向的。的定位，催化反应是定向的。传氢体有氢泵作用，可以将两传氢体有氢泵作用，可以将两个个H泵出内膜。泵出内膜。内膜对内膜对H+不能自由通过，泵出不能自由通过，泵出膜外侧的膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，不能自由返回膜内侧，因而造成因而造成H+浓度的跨膜浓度梯度。浓度的跨膜浓度梯度。此梯度包含的能量可驱使此梯度包含的能量可驱使ADP和和Pi生成生成ATP。.氢通过氢通过ATP合成酶上合成酶上的特殊的途径，返回基的特殊的途径，返回基质。质。H+浓度梯度所释放浓度梯度所释放的自由能，偶联的自由能，偶联ADP和

24、和Pi生成生成ATP，质子的电，质子的电化学梯度也随之消失。化学梯度也随之消失。特殊试剂的解偶联作用：加入解偶联剂，特殊试剂的解偶联作用：加入解偶联剂，二硝基苯酚，发现呼吸链氧化继续进行而磷二硝基苯酚，发现呼吸链氧化继续进行而磷酸化中断。酸化中断。ATP合酶（合酶（ATP synthase）的存在：）的存在：F1单元：单元：380000，个、种多肽，个、种多肽(3、3、)，催化，催化ATP的合成。的合成。Fo单元：质子通道作用。单元：质子通道作用。返回一一.叶绿体叶绿体(Chloroplast)的形态结构的形态结构l二二.叶绿体的结构与化学组成叶绿体的结构与化学组成三三.叶绿体的功能叶绿体的功

25、能光合作用光合作用(photosynthesis)叶绿体与线粒体叶绿体与线粒体形态结构比较形态结构比较叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体；子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体；捕光系统、电子传递链和捕光系统、电子传递链和ATPATP合成酶都位于类囊体合成酶都位于类囊体膜上。膜上。 叶绿体超微结构叶绿体超微结构l（一）叶绿体膜（一）叶绿体膜l（二）类囊体（二）类囊体l（三）叶绿体基质（三）叶绿体基质l1、双层膜，外膜通透性大、内膜通透性小、双层膜，外膜通透性大、内膜通透性小l2、内膜不内折，上有转运体，可以转运

26、代谢物。、内膜不内折，上有转运体，可以转运代谢物。l3 、叶绿体膜厚、叶绿体膜厚68nm,内内、外膜间为、外膜间为1020nm宽的宽的膜间隙膜间隙.l4.叶绿体膜中的酶类有叶绿体膜中的酶类有:ATP酶酶,腺苷酸激酶腺苷酸激酶,半乳半乳糖基转移酶等糖基转移酶等.l1、分为基质类囊体和基粒类囊体、分为基质类囊体和基粒类囊体(直径直径0.250.8微米微米,厚厚约约0.01微米微米)l2 、由单层膜围成的封闭扁平小囊，含叶绿素，是进、由单层膜围成的封闭扁平小囊，含叶绿素，是进行光合作用的场所。光能转变为化学能在类囊体上进行光合作用的场所。光能转变为化学能在类囊体上进行。行。l3 、一个叶绿体含有、一

27、个叶绿体含有4060个基粒个基粒,一个基粒约有一个基粒约有530个个基粒类囊体组成基粒类囊体组成,最多可达上百个。最多可达上百个。图片l4.由冰冻蚀刻技术观察到在类囊体膜中镶嵌有由冰冻蚀刻技术观察到在类囊体膜中镶嵌有大小、数量不同的颗粒大小、数量不同的颗粒,集中了光合作用能量转集中了光合作用能量转换功能的全部组分。换功能的全部组分。l包括包括:捕光色素捕光色素,两个反应中心两个反应中心,各种电子传递体各种电子传递体,合成合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统等。的系统和从水中抽取电子的系统等。l5.CF0-CF1ATP酶是由跨膜的酶是由跨膜的H+通道通道CF0和在和在类囊体膜基质侧类囊体膜基质

28、侧起催化作用的起催化作用的CF1两部分组成。两部分组成。l类囊体膜类囊体膜 l 蛋白质蛋白质:内在蛋白和外在蛋白内在蛋白和外在蛋白l l 脂质脂质:磷脂极少磷脂极少.半乳糖脂丰富半乳糖脂丰富.色色素素.醌化合物等醌化合物等 上一页l1、叶绿体内膜与类囊体之间是流动性的、叶绿体内膜与类囊体之间是流动性的基质基质,含有片层结构；含有片层结构；l2、主要成分：可溶性蛋白，、主要成分：可溶性蛋白，RUBP羧化羧化酶为主酶为主，还含有核糖体，淀粉粒、质体，还含有核糖体，淀粉粒、质体小球、小球、DNA、植物铁蛋白等。、植物铁蛋白等。 Photosynthesis:(1)光合电子传递反应光合电子传递反应光反

29、应光反应(Light Reaction)(Light Reaction) (2)碳固定反应碳固定反应暗反应暗反应(Dark Reaction)光反应光反应暗反应暗反应(碳固定碳固定)光合作用与有氧呼吸的关系图光合作用与有氧呼吸的关系图在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，水光解，并将光能转换为电能合色素分子吸收、传递光能，水光解，并将光能转换为电能（生成高能电子），进而通过电子传递与光合磷酸化将电能（生成高能电子），进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能，形成转换为活跃化学能，形成ATP 和和NAD

30、PH并放出并放出 O2 的过程。的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。原初反应（原初反应（primary reaction)primary reaction)光能的吸收、传递光能的吸收、传递与与转换，形成高能电子转换，形成高能电子 (由光系统复合物完成，由光系统复合物完成，光合作用单位光合作用单位的概念的概念)电子传递与光合磷酸化电子传递与光合磷酸化电子传递与光合磷酸化需说明以下几点电子传递与光合磷酸化需说明以下几点： 最初电子供体是最初电子供体是H2O，最终电子受体是，最终电子受体是NADP+。 电子传递链中唯一的电子传递链中唯一的H+-pump是是

31、cytb6f复合物。类囊体腔的复合物。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：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、光解、cytb6f 的的H+-pump、NADPH的形成。的形成。ATP、 NADPH在叶绿体基质中形成。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 循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化两条通路。循环式传递的高能电子在两条通路。循环式传递的高能电子在PS 被光能激发后经被光能激发后经cytb6f复合物回到复合物回到PS。结果是不裂解。结果是不裂解H2O、

32、 不产生不产生O2，不形成，不形成NADPH，只产生，只产生H+跨膜梯度，跨膜梯度，合成合成ATP 。利用光反应产生的利用光反应产生的ATP 和和NADPH，使，使CO2还还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换原为糖类等有机物，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。这一过程不为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光直接需要光(在叶绿体基质中进行在叶绿体基质中进行)。卡尔文循环（卡尔文循环（Calvin cycleCalvin cycle）（）（C C3 3途径途径）C4C4途径途径或或 Hatch-SlackHatch-Slack循环循环景天科酸代谢途径景天

33、科酸代谢途径lC C3 3途径途径的的CO2固定发生在叶肉细胞的叶绿体的基质中；固定发生在叶肉细胞的叶绿体的基质中；lC C4 4途径途径需要两种细胞完成需要两种细胞完成CO2的的固定，初固定发生在叶固定，初固定发生在叶肉细胞的胞质溶胶中；肉细胞的胞质溶胶中；l景天科酸代谢途径的景天科酸代谢途径的CO2固定发生在叶肉细胞的胞质溶固定发生在叶肉细胞的胞质溶胶中。胶中。lCAM植物与植物与C4植物相似之处是植物相似之处是CO2需要固定两次，不需要固定两次，不同之处是同之处是CAM植物不需要两种类型的细胞协同作用。植物不需要两种类型的细胞协同作用。 半自主性细胞器的概念：半自主性细胞器的概念： （简

34、答题形式考核）（简答题形式考核）自身含有遗传表达系统自身含有遗传表达系统( (自主性自主性) )；但编码的遗传；但编码的遗传信息十分有限，其信息十分有限，其RNARNA转录、蛋白质翻译、自身构建和转录、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功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息( (自主性自主性有限有限) )。线粒体和叶绿体的线粒体和叶绿体的DNA线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装mtDNA /ctDNA形状、数量、大小形状、数量、大小 mtDNA和和ctDNA均以半保留方式进行自我复制

35、均以半保留方式进行自我复制mtDNA复制的时间主要在细胞周期的复制的时间主要在细胞周期的S期及期及G2期期（判断题）（判断题），DNA先复制，随后线粒体分裂。先复制，随后线粒体分裂。ctDNA复制的时间在复制的时间在G1期。期。 复制仍受核控制。复制仍受核控制。双链环状双链环状(除绿藻除绿藻mtDNA，草履虫，草履虫mtDNA)mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大较大,高等植物高等植物:120kbp200kbp；人人mtDNA：16,569bp，37个基因个基因(编码编码12S,16S rRNA；22种种tRNA；13种多肽：种多肽：NADH脱

36、氢酶脱氢酶7个个亚基，亚基，cytb-c1复合物中复合物中1个个cytb，细胞色素，细胞色素C氧化酶氧化酶3个亚基，个亚基， ATP合成酶合成酶2个个Fo亚基亚基) 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异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：参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：由由ctDNActDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；编码，在叶绿体核糖体上合成；由核由

37、核DNADNA编码，在细胞质核糖体上合成；编码，在细胞质核糖体上合成；由核由核DNADNA编码，在叶绿体核糖体上合成。编码，在叶绿体核糖体上合成。转运至线粒体和叶绿体的蛋白由成熟形式的蛋白和转运至线粒体和叶绿体的蛋白由成熟形式的蛋白和N端的一段称为端的一段称为导肽导肽的序列共同组成的序列共同组成.(约含约含2080个氨基酸残基个氨基酸残基)导肽的特征导肽的特征(四点四点)见教材见教材159页页线粒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

38、组装叶绿体蛋白质的运送及组装线粒体和叶绿体的增殖线粒体和叶绿体的增殖线粒体和叶绿体的起源线粒体和叶绿体的起源线粒体的线粒体的增殖增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。：由原来的线粒体分裂或出芽而来。叶绿体的叶绿体的发育发育和和增殖增殖个体发育：由前质体（个体发育：由前质体（proplastidproplastid）分化而来。）分化而来。 增殖：分裂增殖增殖：分裂增殖线粒体的增殖线粒体的增殖 用用3H胆碱的培养基培养链孢霉胆碱的培养基培养链孢霉（David Luck 1965年）使线粒体膜被标记，然年）使线粒体膜被标记，然后移至无同位素标记的培养基中，发现以后生后移至无同位素标记的培养基中，发现以

39、后生长的几个线粒体都出现有放射性标记，说明线长的几个线粒体都出现有放射性标记，说明线粒体从原先存在的线粒体经生长与分裂而产生。粒体从原先存在的线粒体经生长与分裂而产生。从而抛弃了靠亚显微前体形成和细胞内其它膜从而抛弃了靠亚显微前体形成和细胞内其它膜层（如层（如ER膜）而来的观点。用电镜观察线粒体膜）而来的观点。用电镜观察线粒体的分裂，大约有以下几种方式：的分裂，大约有以下几种方式：1间壁分离间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶将线：分裂时先由内膜向中心皱褶将线粒体分为两个，这时外膜仍包在整个线粒体外粒体分为两个，这时外膜仍包在整个线粒体外 2收缩后分离收缩后分离：分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端

40、不断拉长然后分裂：分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中为两个，见于蕨类和酵母线粒体中 。3出芽出芽：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：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 叶绿体的增殖叶绿体的增殖 : 经常发现藻类植物或高等植物的叶绿体是依靠经常发现藻类植物或高等植物的叶绿体是依靠自己的分裂而增加数目。叶绿体可从叶片细胞自己的分裂而增加数目。叶绿体可从叶片细胞中分离出来放在人工培养基中培养后得到分裂，中分离出来放在人工培养基中培养后得到分裂，分裂方式一分为二。在藓类植物中可看到叶绿分裂方式一分为二。在藓类植物

41、中可看到叶绿体的出芽繁殖，芽体与质体起动者相似。体的出芽繁殖，芽体与质体起动者相似。内共生起源学说内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)endosymbiosis hypothesis)非共生起源学说非共生起源学说叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻：叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻： MereschkowskyMereschkowsky，19051905年年线粒体起源于细胞内共生的细菌：线粒体起源于细胞内共生的细菌： PorteirPorteir和和WallinWallin，19181918年和年和19221922年年 1927年年Wallin提出内共生假说，提出内共生假说，

42、 1970年年MargulisMargulisMargulis进一步提出设想进一步提出设想：真核细胞真核细胞的祖先是一种体积巨大的、不需氧的、具有吞噬能力的细胞的祖先是一种体积巨大的、不需氧的、具有吞噬能力的细胞, ,能将吞噬所得糖类进行酵解取得能量。能将吞噬所得糖类进行酵解取得能量。 线粒体线粒体的祖先的祖先- -原线粒体是一种革兰氏阴性细菌：原线粒体是一种革兰氏阴性细菌： 叶绿体叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌的祖先是原核生物的蓝细菌（CyanobacteriaCyanobacteria），即蓝藻。），即蓝藻。内共生起源学说的内共生起源学说的主要论据主要论据：不足之处不足之处古老的前真核细胞

43、古老的前真核细胞革兰氏阴性细菌即革兰氏阴性细菌即Mt的祖先的祖先共生关系共生关系蓝细菌演化成叶绿体蓝细菌演化成叶绿体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。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。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。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。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁

44、殖方式相同。能在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能在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。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。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。很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生体从进化角度，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？反而将大量的遗传

45、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？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？观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子从何发生？ Mt中有密码的不通用性。中有密码的不通用性。主要内容主要内容：真核细胞的前身是一个进化：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。上比较高等的好氧细菌。成功

46、之处成功之处：解释了真核细胞核被膜的形：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。成与演化的渐进过程。不足之处不足之处 返回实验证据不多实验证据不多无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在DNADNA分分 子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处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对线粒体和叶绿体的DNADNA酶、酶、RNARNA酶和核糖体酶和核糖体 的来源也很难解释。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？真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？为何线粒体外膜同真核细胞膜，而内膜类似于原核质为何线粒体外膜同真核细胞膜，而内膜类

47、似于原核质膜。叶绿体中的核糖体为何同细菌的核糖体能杂合成膜。叶绿体中的核糖体为何同细菌的核糖体能杂合成有功能的亚单位。有功能的亚单位。l1、形状因细胞种类和细胞生理状况而异；、形状因细胞种类和细胞生理状况而异；有环形、球形、线状、哑铃状及分支状多种，以线状和粒状最多。有环形、球形、线状、哑铃状及分支状多种，以线状和粒状最多。l2、大小因细胞种类和细胞生理状况而异；、大小因细胞种类和细胞生理状况而异；l 一般直径一般直径0.5-1.0微米，长微米，长1.5-3.0微米。微米。l3、数量因细胞种类和细胞生理状况而异；差别很大，、数量因细胞种类和细胞生理状况而异；差别很大，150万万（鞭毛藻（鞭毛藻

48、巨大变形虫）巨大变形虫）,一般动物细胞多于植物细胞，代谢旺一般动物细胞多于植物细胞，代谢旺盛细胞多于不旺盛细胞。盛细胞多于不旺盛细胞。l4、一般分布均匀，但有其它分布方式，细胞内需能多的部位、一般分布均匀，但有其它分布方式，细胞内需能多的部位分布多，有些呈两极性（上皮细胞），有些集中于某一端如精分布多，有些呈两极性（上皮细胞），有些集中于某一端如精子。线粒体常排列成长链状，并与微管分布相对应。子。线粒体常排列成长链状，并与微管分布相对应。Mitochondrial plasticity.Rapidchangesofshapeareobservedwhenamitochondrionisvisu

49、alizedinalivingcell.线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的分布线粒体线粒体是细胞内敏感的易受损伤的细胞器。是细胞内敏感的易受损伤的细胞器。线粒体病：线粒体病：病变细胞内较早出现的线粒体病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。极为明显异常的病理变化。现已证实不少线粒体疾病是由于线粒体现已证实不少线粒体疾病是由于线粒体DNA突变与功能缺陷所致，一般来说，线粒体突变与功能缺陷所致，一般来说，线粒体疾病常与高能量需求的组织如心脏、肌肉、中疾病常与高能量需求的组织如心脏、肌肉、中枢神经系统等有关。枢神经系统等有关。 自自1988年以来，线粒体疾病的发生被认为与氧化磷年以来，线粒体

50、疾病的发生被认为与氧化磷酸化过程相关基因酸化过程相关基因(呼吸链和磷酸化的相关酶系异呼吸链和磷酸化的相关酶系异常常)的突变有关。的突变有关。 线粒体疾病主要分为两大类：线粒体疾病主要分为两大类：遗传性和获得性疾病遗传性和获得性疾病，前者病因包括核前者病因包括核DNA损害、线粒体损害、线粒体DNA损害和基损害和基因组间的通讯障碍，后者主要由毒素、药物和衰老因组间的通讯障碍，后者主要由毒素、药物和衰老引起。引起。（一）线粒体（一）线粒体DNA的突变的突变 线粒体线粒体DNA丢失丢失大规模线粒体大规模线粒体DNA重排重排线粒体线粒体DNA结构基因的突变结构基因的突变线粒体转移线粒体转移RNA和核糖体

51、和核糖体RNA基因的突变。基因的突变。（二）线粒体形态结构的变化（二）线粒体形态结构的变化 从形态上看，线粒体从形态上看，线粒体的数量随年龄的增长而减少，其体积却变大。从结的数量随年龄的增长而减少，其体积却变大。从结构上看，嵴的数量明显减少。构上看，嵴的数量明显减少。（三）线粒体与衰老（三）线粒体与衰老 细胞衰老的决定因素细胞衰老的决定因素之一是自由基，有些学者认为线粒体是细胞之一是自由基，有些学者认为线粒体是细胞内自由基产生的源泉，决定细胞的衰老。内自由基产生的源泉，决定细胞的衰老。（四）线粒体与细胞凋亡（四）线粒体与细胞凋亡 Cytc是细胞凋亡是细胞凋亡的一种促进因子，它通过活化的一种促进

52、因子，它通过活化caspases导致导致细胞凋亡，即线粒体可通过释放细胞凋亡，即线粒体可通过释放Cytc参与细参与细胞凋亡。胞凋亡。l1）线粒体跨膜电位（）线粒体跨膜电位（MTP)l2) 细胞色素细胞色素cl3）神经鞘磷脂水解的神经酰胺）神经鞘磷脂水解的神经酰胺l多种细胞的诱导因子（铅、汞、射线、肿瘤坏多种细胞的诱导因子（铅、汞、射线、肿瘤坏死因子等）均可作用于线粒体，使其微环境发死因子等）均可作用于线粒体，使其微环境发生变化，进而造成其结构和功能发生变异后介生变化，进而造成其结构和功能发生变异后介导或启动细胞死亡过程。导或启动细胞死亡过程。l1）其中线粒体跨膜电位降低是凋亡级联反应过）其中线

53、粒体跨膜电位降低是凋亡级联反应过程中最先发生的事件之一，程中最先发生的事件之一，MTP降低降低标志线粒体标志线粒体膜结构已发生改变，内膜通透性增高，膜间孔非膜结构已发生改变，内膜通透性增高，膜间孔非生理性开放，基质中的溶质分子、离子和某些蛋生理性开放，基质中的溶质分子、离子和某些蛋白质过度释放，内膜氢质子梯度平衡失常甚至消白质过度释放，内膜氢质子梯度平衡失常甚至消失。这些改变促使线粒体释放激活细胞凋亡的某失。这些改变促使线粒体释放激活细胞凋亡的某些分子进入细胞质，所以认为线粒体以些分子进入细胞质，所以认为线粒体以MTP和膜和膜间孔介导细胞凋亡。间孔介导细胞凋亡。l2）凋亡细胞因各种原因造成线粒

54、体发生渗透性肿胀时，）凋亡细胞因各种原因造成线粒体发生渗透性肿胀时，有利于细胞色素有利于细胞色素c及其他小分子物质的释放。其中细胞及其他小分子物质的释放。其中细胞色素色素c是细胞生存的必需分子又是细胞死亡的启动分子，是细胞生存的必需分子又是细胞死亡的启动分子，它进入胞浆，通过凋亡蛋白酶激活因子（它进入胞浆，通过凋亡蛋白酶激活因子（APAF）激活）激活胞浆中的半胱氨酸酶，造成半胱氨酸蛋白水解酶家族发胞浆中的半胱氨酸酶，造成半胱氨酸蛋白水解酶家族发生级联反应，最终导致了细胞凋亡的发生。生级联反应，最终导致了细胞凋亡的发生。l而线粒体储存的钙离子进入到细胞浆中使得细胞质内钙而线粒体储存的钙离子进入到

55、细胞浆中使得细胞质内钙离子浓度增加，能启动多种凋亡相关途径。离子浓度增加，能启动多种凋亡相关途径。l3）来源于神经鞘磷脂水解的神经酰胺作用于）来源于神经鞘磷脂水解的神经酰胺作用于线粒体后，可介导细胞凋亡。线粒体后，可介导细胞凋亡。l 凋亡诱导因子（凋亡诱导因子（AIF）通常位于线粒体内，）通常位于线粒体内，由核基因编码。在细胞凋亡发生过程中，由核基因编码。在细胞凋亡发生过程中，AIF从线粒体转移出来并进入细胞核，引起从线粒体转移出来并进入细胞核，引起DNA片片段化和染色体凝集并边缘化；使线粒体释放凋段化和染色体凝集并边缘化；使线粒体释放凋亡蛋白细胞色素亡蛋白细胞色素c和和caspase-9；M

56、TP降低和降低和PS膜外暴露。膜外暴露。酶复合 物总 数亚基数目胞质核糖体合成线粒体核糖体合成细胞色素氧化酶细胞色素b-c1复合物ATP酶核糖体大亚基核糖体小亚基7793022465302131401线粒体外膜和内膜蛋白的转运线粒体外膜和内膜蛋白的转运 与导肽后面的停止转运与导肽后面的停止转运序 列 有 关 ， 如 果 停 止 转 运 序 列 与 外 膜 转 运 酶序 列 有 关 ， 如 果 停 止 转 运 序 列 与 外 膜 转 运 酶（translocase of the outer membrane TOM）结合，则）结合，则成为外膜蛋白，反之同内膜转运酶（成为外膜蛋白，反之同内膜转运酶

57、（translocase of the inter membrane TiM）结合则为内膜蛋白。）结合则为内膜蛋白。线粒体膜间隙蛋白的转运线粒体膜间隙蛋白的转运 需要两个信号序列：基质导需要两个信号序列：基质导向序列和膜间隙导向序列，有两种转运定位方式，过向序列和膜间隙导向序列，有两种转运定位方式，过程较为复杂，一是保护性寻靶，另一是非保护性寻靶。程较为复杂，一是保护性寻靶，另一是非保护性寻靶。 叶绿体与线粒体都是真核细叶绿体与线粒体都是真核细胞中与能量代谢有关的细胞胞中与能量代谢有关的细胞器，有着相同的起源和增殖器，有着相同的起源和增殖方式，并且都是半自主的细方式，并且都是半自主的细胞器，但二者在结构功能上胞器，但二者在结构功能上有很大差别：有很大差别：结构上结构上，线粒体为双膜结构，线粒体为双膜结构，分分2个区室；叶绿体三膜结个区室；叶绿体三膜结构、构、3个区室个区室 功能上，线粒体是有机物氧化的场所，通过功能上，线粒体是有机物氧化的场所，通过氧化磷酸化合成氧化磷酸化合成ATP；叶绿体是有机物制造；叶绿体是有机物制造的场所，通过光合作用合成有机物和的场所，通过光合作用合成有机物和ATP（光合磷酸化）。叶绿体与线粒体膜或区室（光合磷酸化）。叶绿体与线粒体膜或区室的功能比较见下表：的功