《细胞生物学》教案-细胞7章线粒体和叶绿体13

《细胞生物学》教案 （第13次课2学时） 第七章细胞的能量转换—线粒体和叶绿体[教学要求]2.1知识目标1.掌握线粒体与叶绿体的形态结构与生物学功能；2.理解线粒体与叶绿体的半自主性；3.了解线粒体与叶绿体的增殖与起源的两种假说。2.2能力目标1.讲解线粒体和叶绿体的产能图；2.用思维导图总结本章内容。2.3德育目标1.叶绿体时世界上成本最低，但是创造物质财富最多的工厂，使学生掌握叶绿体这一细胞器普通而又不平凡的特性，引导学生向叶绿体一样，在普通岗位上争取实现不平凡的人生价值；线粒体是细胞中制造能量的结构，体积虽小，但是大量的线粒体为细胞提供了直接的能量来源，引导学生把崇高的理想信念和道德品质追求融入日常的工作生活，每个人的力量虽小，但是大量个体的积累，就能为社会提供源源不断的“正能量”。[教学重点]线粒体、叶绿体的超微结构化学渗透学说线粒体、叶绿体的半自主性[教学难点]线粒体、叶绿体的超微结构及功能的关系[教学时数]2学时[主要内容]7.1线粒体与氧化磷酸化7.2叶绿体与光合作用7.3线粒体和叶绿体的半自主性及其起源[参考资料]翟中和．细胞生物学，第五版．北京：高等教育出版社，2020．[教学内容]叶绿体是植物细胞特有的双层膜围成的细胞器，它对生物界的存在和进化有着重大贡献（三个最初：一是人类、动物、多数微生物的食物的最初来源；二是人类社会利用的古生物燃料——煤、石油、天然气的最初来源；三是地球上氧气的最初来源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同时产生分子氧，总称为光合作用（photosynthesis）叶绿体的基本形态及动态特征（一）叶绿体的形态、大小、分布和数目叶绿体的形状、大小和数量因植物种类不同而有很大差别；高等植物的叶绿体多呈凸透镜状或香蕉形，宽2～4μm,长5～10μm，大多数叶肉细胞含有几十至几百个叶绿体，可占细胞质体积的40%～90%。藻类植物通常只有一个巨大的叶绿体，其形态有带状、螺旋状、星状，依细胞的形态而定。光学显微镜及荧光显微镜下观察到的叶绿体A.拟南芥叶肉细胞原生质体；焦面置于细胞中部时，呈两端渐窄的条形；焦面移动到细胞顶部时，近圆形B.将原生质体细胞质平铺并经DAP1染色红色为叶绿体DNA颗粒状荧光；蓝色为线粒体DNA的荧光信号叶绿体的躲避效应：植物细胞的叶绿体在光很强时避开受光面，以避免强光伤害的现象叶绿体的积聚响应：植物细胞的叶绿体在光较弱时，汇聚到细胞向光面，以使多吸收光能叶绿体定位：叶绿体在细胞内的位置和分布，在一定光环境下是相对稳定的，叶绿体的移动和锚定与微丝骨架密切相关，叶绿体和微丝骨架之间通过连接蛋白联系，随微丝的动态变化而发生位移叶绿体间的动态连接：叶绿体的内、外膜向外延伸形成管状凸出（基质小管），不同叶绿体靠基质小管相互联系，以便在叶绿体间进行物质和信息交流光照强度对叶绿体分布及位置影响的示意图WT：野生型Chup1：一种叶绿体定位异常的突变体（野生型拟南芥叶片呈深绿色。对叶片的一部分（整体遮光，中部留出一条窄缝）强光照射一小时后，被照射的窄缝处变成浅绿色，这是由于细胞中的叶绿体发生了位置和分布的变化，以减少强光的伤害。在一种叶绿体定位异常的突变体中，光照对叶绿体的位置和分布失去影响。）叶绿体的分化与去分化叶绿体由原质体分化（依赖于光照)而来，形态学上表现为体积增大、形成内膜系统及叶绿素累积生化和分子生物学上则体现为叶绿体功能所必需的酶、蛋白质、大分子合成、运输及定位；叶绿体的分化是可逆过程，叶绿体的分化和去分化调节机制还有待进一步研究（植物在黑暗条件下生长时，细胞中原质体不能形成叶绿体，幼苗呈黄色。叶肉细胞经组织培养形成愈伤组织细胞时，叶绿体去分化再次形成原质体。）叶绿体分化及分化异常的表现野生型拟南芥叶肉细胞中原质体分化为叶绿体；花叶突变体叶片白斑部分的叶肉细胞内质体形成白色体。“未知”示一种未知变异机制的常春藤花叶突变体。（据推测，叶绿体的正常工作需要数千个基因的支持。在叶绿体分化过程当中，某一个基因的突变或异常往往会导致叶绿体分化的障碍。包括叶绿素合成相关基因的突变（可直接导致白化）；其他基因的缺陷也可以导致植物白化。）(三)叶绿体的分裂质体和叶绿体通过分裂进行增殖生长的幼叶中常发生叶绿体的分裂，前叶绿体（分化中的叶绿体）体积为成熟叶绿体的1/10-1/5，基质中基质类囊体少，尚未或正在开始形成基粒类囊体叶绿体的分裂位置分裂环由位于外膜的细胞质基质面的外环和位于内膜的叶绿体基质面的内环共同组成分裂环外相关蛋白，如dynamin等动力蛋白（细胞内叶绿体数目的调控主要发生于细胞分化和生长的早期阶段。分裂环的缢缩是叶绿体分裂的细胞动力学基础。）高等植物叶绿体分裂相关蛋白的定位ARC：叶绿体积聚与复制蛋白PDV：质体分裂蛋白Z环：在叶绿体分裂的早期，FtsZ蛋白先于叶绿体膜的缢陷汇集于叶绿体的内膜下，组装成一个FtsZ环。（被子植物中，叶绿体分裂必需的dynamin相关蛋白被称为ARC5（accumulationandreplicationofchloroplasts-5)。作用：在叶绿体表面开始缢缩时组装成环状结构，出现于缢陷处，推动叶绿体膜深度缢陷及分断。编码ARC5的基因突变导致叶绿体分裂受到抑制，细胞内出现异常大体积的叶绿体。ARC5没有叶绿体膜定位信号。FtsZ环：参与分裂位置的决定PDV(plastiddivision-2)：实验结果显示：编码FtsZ,ARC6,PDV1和PDV2的基因突变均导致叶绿体分裂障碍，细胞内出现异常大体积的叶绿体。）叶绿体的超微结构近年来，先后有许多学者采用超薄切片、负染色和冰冻蚀刻等先进技术，研究叶绿体的形态和组成，揭示叶绿体囊状膜系统的超微结构。1.叶绿体膜（chloroplastmembrane）是两层光滑的单位膜（内、外膜）6-8nm，也称外被（outerenvelope），是一个有选择的屏障，控制着叶绿体代谢物质的进入和排出。外膜：通透性大，含孔蛋白，允许相对分子质量高达104的分子通过内膜：通透性相对较差，是细胞质与叶绿体基质间的功能屏障，仅有O2,CO2,H2O分子能自由通过；有很多转运蛋白（磷酸交换载体、二羧酸载体），它们能够选择性转运进出叶绿体的分子，其运输作用靠浓度梯度驱动。膜间隙（intermembranespace）：内、外膜之间10～20nm宽的腔隙2.类囊体(thylakoid)叶绿体内部由内膜发展而来的封闭的扁平膜囊。类囊体囊内空间称为类囊体腔（thylakoidlumen）；在叶绿体的某些部位，许多圆饼状的类囊体有序叠置成垛，称为基粒（grana）；组成基粒的类囊体称为基粒类囊体（granumthylakoid）；贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛叠的片层结构，称为基质片层（stromalamella）或基质类囊体（stromathylakoid）；类囊体膜主要包含捕光色素/天线色素、光合电子传递链、CF0-CF1ATP酶，是光合作用光反应的场所。3.叶绿体基质（stroma）：指叶绿体内膜所包围的除类囊体以外的区域；基质的主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢活跃物质，另外还含有环状DNA、核糖体、脂滴（lipiddroplet）、植物铁蛋白(phytoferritin)、淀粉粒（starchgrain）等；基质中含有参与CO2固定反应的所有酶类，因此，基质是光合作用固定CO2的场所。电子显微镜下观察到的叶绿体A：拟南芥幼叶中的叶绿体B：水稻幼芒中的叶绿体S：淀粉粒（不同植物或同一植物不同绿色组织中叶绿体的超微结构略有差别。A：拟南芥幼叶中的叶绿体：边缘较为扁平，基粒类囊体层数较少B：水稻幼芒中的叶绿体：边缘相对浑圆，基粒类囊体层数较多）（线粒体与叶绿体的结构比较；）三、光合作用绿色植物细胞，吸收光能，还原CO2，并利用水提供氢合成碳水化合物，同时放出分子氧的过程，称为光合作用。总过程分为两个阶段：光反应(lightreaction)和暗反应(darkreaction)。光反应：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（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ATP和NADPH并放出O2的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。暗反应：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)。线粒体和叶绿体的光合作用比较（膜间空间的PH=7;基质里的PH=8；叶绿体的类囊腔内PH=5）(光反应发生在类囊体膜上，类囊体膜上有两个光系统，接受光以后，将光能转化成化学能，一个是NADPH,一个是ATP,这两个是不稳定的高能化合物，然后在叶绿体基质里完成暗反应，即calvin循环；calvin循环是固定CO2一个环式反应系列，其能量来源就是NADPH和ATP，然后形成三碳糖GAP（三磷酸甘油醛），然后转变成葡萄糖glucose，转变成淀粉starch；)（sucrose蔗糖fructose果糖）（GAP可以通过叶绿体的内膜上跨膜的载体蛋白来交换这些底物）（一）原初反应(primaryreaction)原初反应指光合色素分子被光能激发而引起第一个光化学反应的过程，包括光能的吸收、传递和转换，将光能转换为电能。参与原初反应的主要成分：捕光色素或天线色素：包含大多数叶绿素a（chla)和叶绿素b（chlb)、类胡萝卜素，只吸收光，不发生光化学反应反应中心色素：特殊状态的chla，将光能转变为化学能，分为P700和P680反应中心：由反应中心色素、原初电子供体（D)和原初电子受体(A)组成光化学反应：指反应中心色素分子吸收光能而引发的氧化还原反应。（天线复合物又名捕光叶绿素-\o"蛋白质"蛋白质复合物：含有类囊体膜的叶绿素总量的40～60%,该复合物的作用是吸收光能及传递光能到作用中心。）光合作用原初反应的能量吸收、传递与转换图解（天线色素分子吸收的光能通过共振机制迅速地传递给反应中心色素分子Chl；Chl被激发后形成激发态Chl*，放出电子传给原初电子受体A（Chl*被氧化为带正电荷的Chl+，A被还原为带负电荷的A-）；氧化态的Chl*再次从电子供体D获得电子而恢复为原初状态的Chl，电子供体D则被氧化为D+;因此D被氧化A被还原，光能最终被转换为电能。）（二）电子传递和光合磷酸化1、最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+2、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。3、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PSⅠ被光能激发后经cytb6f复合物回到PSⅠ。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。I.电子传递PSⅡ的结构PSⅡ捕光复合物（LHCⅡ):由蛋白质、色素分子和脂类分子组成，吸收并传递光给P680,还可调节PSⅡ和PSⅠ之间的激发能分配P680：特殊状态的Chla，吸收光能被激发，产生高能电子和P680*，P680*可夺取水中电子，将水氧化成O2脱镁叶绿素(Pheo)：接收P680产生的电子，并向下传递给PQ功能：利用光能在类囊体膜腔面一侧裂解水并在基质侧还原质体醌，使类囊体膜的两侧形成质子梯度。(光合电子传递链：由一系列的电子载体构成，包括细胞色素、黄素蛋白、醌和铁氧还蛋白等，它们分别组装在膜蛋白复合物PSⅠ，PSⅡ和cytb6f复合物中)Cytb6f复合物的结构和功能质体醌（PQ)：一种脂溶性分子，接收电子并传递给Cytb6f，同时转移质子到类囊体腔Cytb6f复合物：由Cytb6，Cytf和Fe-S组成，接收并传递电子给PC，连接PSⅡ和PSⅠ质体蓝素（PC）：含Cu的水溶性外周膜蛋白，接收电子后结合并传递电子给PSⅠ中的P700*PSⅠ的结构PSⅠ捕光复合物(LHCⅠ)：吸收并传递光能给P700P700：Chla二聚体，接收光能，发生光化学反应，产生电子和P700*，P700*夺取来自PC的电子。功能：利用吸收的光能或传递来的激发能在类囊体膜的基质侧将NADP+还原为NADPH叶绿体中的光系统及电子传递途径（在非循环光合作用过程中，电子从H2O传递到NADP+经过一个“Z形”传递路径。电子传递体的纵轴位置反映了其标准还原电势。来自水分子的电子在传递给NADP+之前需经过两次能量提升；每次提升消耗一个光子，分别在不同的光系统中完成。经PSⅡ完成第一次能量提升的电子以”下山“的方式流过电子传递链，其间电子经过细胞色素b6f复合物时驱动质子移动穿过类囊体膜，产生质子梯度，同时水分子裂解时产生的质子亦释放于类囊体腔内。）（在类囊体膜上有一个光反应中心色素区，是光学系统中必须要具备的光合单位，光照射是以光量子的形式提供能量，捕光色素接受光子以后，产生电子的要迁，电子从激态变成激发态，因此接受了光子，跑掉了电子，空穴在由其他的电子来补充；聚合光的能量最后到反应中心色素，有两种，一个是P700,一个是P680（光反应中心色素中，使电子接受光子照射后，产生能量要迁，从激态变成激发态，留下电子空穴，由其他产生的电子来补充；）（Light-depententreaction:Electrontransportinthethylakoidmembraneandnoncyclicphotophosphorylation;类囊体膜上的电子传递和光合磷酸化；光系统=2\*ROMANII的反应中心是P680(对光波为680nm的特异性吸收)；电子吸收光子，产生电子要迁，补充电子的是水的光解变成O2和质子、电子，电子要迁后处于高能级的电子再交给电子受体QA，QA再传递到QB，电子从高能级传到低能级，沿着电子传递链传递到泛醌UQ；细胞色素b和细胞色素f复合物，也在类囊体膜上，然后电子再交给质醌plastoquinonePQ；然后传递到光系统=1\*ROMANI，其反应中心是P700，同样光照射后产生电子要迁，电子空缺，由光系统=2\*ROMANII传递下来的电子来补充，电子要迁后向下传递，传递给铁硫蛋白，再将电子交给NADP+，产生NADPH；电子传递后，质子定向位移，使类囊体空间里的质子浓度高，PH值在5左右；让阿后质子通过ATP合成酶出去，每3个质子出去产生一个ATP；）（这样就产生了两个不稳定的高能化合物；作为固定CO2暗反应的能量来源；光反应涉及到质子的定向转移、电子传递、电子最终的供体是水的光解，然后放出O2；此过程是线性电子传递，使质子通过ATP合成酶合成ATP，即非环式光合磷酸化；光反应产生电子传递，高能电子和质子梯度产生NADPH和ATP；）II光合磷酸化光合磷酸化：是由光照所引起的电子传递和磷酸化作用相偶联生成ATP的过程。其机制和过程类似氧化磷酸化CF0-CF1ATP酶的结构和运转机制与线粒体F0-F1ATP酶类似分类：非循环光合磷酸化：产物为ATPNADPHO2循环光合磷酸化：产物仅为ATP（光合作用通过光合磷酸化形成ATP，再通过CO2同化将能量储存在有机物中。）(Cylicphotophosphorylation；环式光合磷酸化；通过光系统=1\*ROMANI的电子交给铁氧环蛋白Fd，然后经过细胞色素b6f交给质体蓝素PC，然后又交给光系统=1\*ROMANI，是电子循环的过程，也可以产生ATP；只涉及一个光系统=1\*ROMANI)叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H+跨膜转移（P680分子吸收光子后，激发出的电子传至膜外侧的电子受体PQ；，PQ接受电子，并从基质中摄取2个质子，还原为PQH2；PQH2移到膜的内侧，将2个质子释放到类囊体腔内，而把电子交给细胞色素b6f，随后又经位于膜内侧的PC，把电子传递给P700；P700分子吸收光子后，放出电子，经FeS蛋白传给位于膜外侧的Fd，最后将电子交给NADP+使之还原为NADPH。在进行电子传递的同时，H+被泵过类囊体膜，在类囊体膜的两侧建立质子梯度。）（三）光合碳同化利用光反应产生的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，这一过程不需要光(在叶绿体基质中进行），也称为暗反应。分类：卡尔文循环(Calvincycle)(C3途径）C4途径景天酸代谢途径卡尔文循环的3个阶段示意图(CarbondioxidefixationandthesynthesiscarbohydrateinC3plants(Calvincycle)；在C3植物里生成的有机物是三碳糖，所以叫C3循环，CO2交给核酮糖－1，5－二磷酸RuBP，变成2个甘油酸－3－磷酸，再变成甘油醛－3－磷酸（三碳糖），消耗9分子ATP，6分子NADPH；)(起催化作用的是Rubp羧化酶Rubisco，是植物界中含量最高的蛋白；因为这个酶才可能利用光能产生的高能化合物使CO2被固定，因为CO2是所有有机物最基本的来源，产