《细胞生物学》-细胞7章 线粒体和叶绿体2-13

Chapter7MitochondriaandChloroplasts第一节线粒体与氧化磷酸化第二节叶绿体与光合作用第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源第二节叶绿体与光合作用一、叶绿体的基本形态及动态特征二、叶绿体的超微结构三、光合作用一、叶绿体的基本形态及动态特征

（一）叶绿体的形态、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的荧光信号叶绿体自发荧光为火红色叶肉细胞表皮细胞，保卫细胞叶绿体的躲避效应：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(二)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。(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。

二、叶绿体的超微结构

叶绿体膜（chloroplastmembrane）

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

膜间隙：10～20nm

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。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：淀粉粒三、光合作用（photosynthesis）

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

（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。捕光色素捕获光能反应中心色素被激发原初电子供体共振电荷分离高能电子原初电子受体光合作用原初反应的能量吸收、传递与转换图解（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。

1.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。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2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循环光合磷酸化：通过光系统I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I，是电子循环的过程，也可以产生ATP；只涉及一个光系统I叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H+跨膜转移（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C4途径其固定CO2的最初产物是草酰乙酸，是四碳化合物某些热带或亚热带起源的植物中，如甘蔗、玉米、高粱等；CO2的固定是在叶肉细胞进行，在维管束鞘细胞中释放，参加卡尔文循环景天酸代谢（CAM)发现于生长在干旱地区的景天科及其他一些肉质植物与C4途径非常相似与C4植物不同的是，景天酸代谢过程中的初级固碳产物（苹果酸）合成和卡尔文循环均在叶肉细胞中进行，不需要细胞间的转移第三节线粒体和叶绿体的

半自主性及其起源一、线粒体和叶绿体的半自主性二、线粒体和叶绿体的起源半自主性细胞器： 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、线粒体和叶绿体的半自主性（一）线粒体和叶绿体DNA

线粒体和叶绿体DNA均呈双链环状，不含组蛋白，以半保留方式自我复制。一般线粒体中含有的DNA分子数较叶绿体中的少。mitDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大mitDNA:<6000bp(恶性疟原虫)～>300000bp(somelandplants).DNAofMitgenomeinmammals≈16500bp人mitDNA：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，cytb-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)chlDNA:70000～200000bp(genomeoflandplants)mitDNA在S期及G2期复制，而chlDNA在G1期复制。它们的复制受核控制，所需DNA聚合酶是由核基因编码的，在细胞质核糖体上进行。地钱chlgenome

（二）线粒体和叶绿体中的蛋白质

线粒体基质中除有DNA外，还有各种RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但数量不多，只占线粒体全部蛋白质的10%，约有13种（20个分子）左右。叶绿体中的蛋白质（酶）一部分是在叶绿体中由它自己的DNA编码，经过mRNA转录和翻译形成的，有一部分则是由核基因编码，在细胞质中形成后转入叶绿体的。还有一部分是由核基因编码，在叶绿体的核糖体上合成。（三）线粒体、叶绿体基因组与细胞核的关系核质互作:细胞中细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制核质冲突：当核质互作相关的细胞核或线粒体、叶绿体基因单方面发生突变，引起细胞中分子协作机制出现严重障碍时，细胞或生物个体会表现出异常表型，这类表型背后的分子机制称为核质冲突。拟南芥RNA编辑障碍导致的白化苗不同真核生物线粒体基因组

大小及其表达产物二、线粒体和叶绿体的起源

关于个体发生：

线粒体：

电镜及同位素示踪实验表明：线粒体来源于已有线粒体的分裂。增殖方式有三种：1.间壁分离2.收缩后分离。3.出芽叶绿体•在个体发育中叶绿体由前质体发育而来。•在有光条件下前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。•幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂。系统发生

内共生起源学说：线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的紫细菌和行光能自养的蓝细菌。

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：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？作业与思考经低渗溶液处理后，线粒体内膜和外膜将发生怎样不同的变化?为什么？试比较线粒体的氧化磷酸化与叶绿体的光合磷酸化的异同点本章概要（一）线粒体和叶绿体是真核细胞内两种重要的能量转换细胞器，线粒体广泛存在于各类真核细胞中，而叶绿体仅存在于植物细胞中。线粒体和叶绿体都是高度动态的细胞器。除了细胞内的分布接受动态的调控以外，线粒体通过频繁的融合和分裂实现遗传信息的互补；而叶绿体则通过基质小管达到个体之间的互相联系。线粒体和叶绿体都具有封闭的两层单位膜结构。外膜通透性高；内膜通透性低且向内折叠，构成多酶体系的空间分布框架。线粒体和叶绿体的基质中包含一些酶、DNA、RNA和核糖体等生命活动