《高級(jí)植物生理學(xué)》2000309

1、高級(jí)植物生理學(xué)（2003秋）講授講授章節(jié)：章節(jié)： 光合作用光合作用 呼吸作用呼吸作用講授教師：彭新湘講授教師：彭新湘 生命科學(xué)學(xué)院分子植物生理研究室生命科學(xué)學(xué)院分子植物生理研究室 聯(lián)系電話：聯(lián)系電話：8528202385282023 Email: 主要參考教材：Biochemistry and Molecular Biology of Plants(Buchanan et al,2000)其它參考書目或期刊 Annual Review of Plant BiologyAnnual Review of Plant Biology 植物生理學(xué)植物生理學(xué)潘瑞熾主編，潘瑞熾主編，20012001 現(xiàn)代

2、植物生理學(xué)現(xiàn)代植物生理學(xué)李合生等主編，李合生等主編，20022002 植物生理與分子生物學(xué)植物生理與分子生物學(xué)余叔文、湯章城余叔文、湯章城 主編，主編，19981998 植物生理學(xué)通訊植物生理學(xué)通訊中相關(guān)綜述中相關(guān)綜述光合作用（photosynthesis)基本問(wèn)題： 什么叫光合作用？ 光合作用的重要性如何？ 光合作用在什么細(xì)胞器中進(jìn)行？ 光合作用的幾個(gè)主要過(guò)程？ 葉綠素在光合作用中主要起什么作用？ 一、光合電子傳遞鏈與光合磷酸化一、光合電子傳遞鏈與光合磷酸化 1. 重要意義？2.電子傳遞體在類囊體上的分布 類囊體膜存在4種膜蛋白復(fù)合體：PSII復(fù)合體、細(xì)胞色素b/f復(fù)合體、PSI復(fù)合體和AT

3、P酶復(fù)合體，光合電子傳遞分布在前三個(gè)復(fù)合體中（Figure 12.22）。 PSII主要分布在類囊體垛疊區(qū)（基粒片層），PSI和ATP酶復(fù)合體主要分布在類囊體的非垛疊區(qū)（間質(zhì)片層），細(xì)色素b/f則均勻分布在整個(gè)類囊體膜上（Figure 12.19）。 back back3. 3. 光系統(tǒng)光系統(tǒng)IIII的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能3 31 1 光系統(tǒng)光系統(tǒng)IIII復(fù)合體的結(jié)構(gòu)復(fù)合體的結(jié)構(gòu) 從紫色光合細(xì)菌反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)研究的成就中得到啟示從紫色光合細(xì)菌反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)研究的成就中得到啟示建立了植物建立了植物PSII復(fù)合體的結(jié)構(gòu)模型復(fù)合體的結(jié)構(gòu)模型, 主要分三部分結(jié)構(gòu)：主要分三部分結(jié)構(gòu)： (1)由圍繞由圍繞P

4、680的的CP43和和CP47兩個(gè)色素蛋白復(fù)合體組兩個(gè)色素蛋白復(fù)合體組成的近側(cè)天線，及主要由成的近側(cè)天線，及主要由LHCII捕光復(fù)合體組成的遠(yuǎn)側(cè)天捕光復(fù)合體組成的遠(yuǎn)側(cè)天線共同構(gòu)成的捕光天線系統(tǒng)線共同構(gòu)成的捕光天線系統(tǒng)(Figure12.12） ； (2)由兩個(gè)由兩個(gè)32kD多肽組成的多肽組成的D1-D2蛋白，其中包括著原蛋白，其中包括著原初供體初供體 Z; 中心色素中心色素P680; 原初受體原初受體Pheo、QA、QB 和鐵原和鐵原子構(gòu)成反應(yīng)中心的電子傳遞鏈子構(gòu)成反應(yīng)中心的電子傳遞鏈(Figure12.12） ； (3)由由33kD, 23kD及及17kD三種外周多肽以及與放氧有關(guān)三種外周多

5、肽以及與放氧有關(guān)的猛簇和氯、鈣離子組成的水氧化放氧系統(tǒng)的猛簇和氯、鈣離子組成的水氧化放氧系統(tǒng)(Figure12.12）。）。back 3.2 3.2 光系統(tǒng)光系統(tǒng)IIII的水裂解放氧的水裂解放氧 * * 氧釋放動(dòng)力學(xué)：光合放氧的周期現(xiàn)象（閃光實(shí)驗(yàn)）氧釋放動(dòng)力學(xué)：光合放氧的周期現(xiàn)象（閃光實(shí)驗(yàn)） （Figure12.29 & Figure12.30Figure12.29 & Figure12.30） * * Mn, Cl, Ca Mn, Cl, Ca與氧釋放的關(guān)系與氧釋放的關(guān)系: : 很早就知道錳對(duì)光合放氧是很早就知道錳對(duì)光合放氧是必需的。錳直接作用于水裂解積累個(gè)氧化當(dāng)量過(guò)程。實(shí)必

6、需的。錳直接作用于水裂解積累個(gè)氧化當(dāng)量過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明每個(gè)驗(yàn)證明每個(gè)PSIIPSII反應(yīng)中心結(jié)合個(gè)錳，由此推測(cè)每個(gè)放氧反應(yīng)中心結(jié)合個(gè)錳，由此推測(cè)每個(gè)放氧復(fù)合體也結(jié)合個(gè)錳。但并不是所有個(gè)錳都是起同樣效復(fù)合體也結(jié)合個(gè)錳。但并不是所有個(gè)錳都是起同樣效用，其中一部分可能在積累氧化當(dāng)量中起直接作用，其余用，其中一部分可能在積累氧化當(dāng)量中起直接作用，其余部分僅作結(jié)構(gòu)因子部分僅作結(jié)構(gòu)因子(Figure12.31)(Figure12.31)backback3.33.3光誘導(dǎo)的電荷分離及電子傳遞光誘導(dǎo)的電荷分離及電子傳遞 (figure12.23)從放氧中心(M)到P680+是很快的過(guò)程，此過(guò)程也與S態(tài)相聯(lián)系 原

7、初電荷從激發(fā)的P680*到Pheo轉(zhuǎn)移只需3ps時(shí)間 它又被臨近的的QA氧化，需200ps時(shí)間。QA-又在100s時(shí)間內(nèi)被次級(jí)質(zhì)醌電子受體QB氧化。QB先形成半醌QB-，又從不同的QA-接受另一個(gè)電子形成QB2-。QA是單電子供體而QB是雙電子受體。 然后完全還原的QB2-從間質(zhì)中接受個(gè)質(zhì)子形成QB BH2 2并與質(zhì)體醌（PQ)交換位置，隨后再向細(xì)胞色素b/f復(fù)合體轉(zhuǎn)移。 Back4.4.細(xì)胞色素細(xì)胞色素b/fb/f復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能 4.1 4.1 組成與結(jié)構(gòu)：細(xì)胞色素組成與結(jié)構(gòu)：細(xì)胞色素b/fb/f復(fù)合體是類囊體膜上可分離的一復(fù)合體是類囊體膜上可分離的一種多亞基膜蛋白。由

8、種多亞基膜蛋白。由7 7個(gè)多肽組成，即細(xì)胞色素個(gè)多肽組成，即細(xì)胞色素f f，細(xì)胞色，細(xì)胞色素素b b6 6，RieskeRieske鐵硫蛋白，另有鐵硫蛋白，另有4 4個(gè)功能尚未知的多肽個(gè)功能尚未知的多肽subunitsubunitIVIV, PetG, PetL, PetM, PetG, PetL, PetM（figure12.25)figure12.25)。4.2 Q4.2 Q循環(huán)：循環(huán)： PQPQ接受來(lái)自接受來(lái)自PSIIPSII的電子，通過(guò)雙還原結(jié)合了個(gè)的電子，通過(guò)雙還原結(jié)合了個(gè)膜外質(zhì)子形成膜外質(zhì)子形成PQHPQH2 2，PQHPQH2 2將個(gè)電子中的第一個(gè)傳給鐵硫中將個(gè)電子中的第一個(gè)傳給

9、鐵硫中心心 R FeSR FeS，然后到，然后到CytfCytf再向再向PCPC傳遞。與此同時(shí)，傳遞。與此同時(shí)，PQHPQH2 2又將第又將第二個(gè)電子交給二個(gè)電子交給CytbCytb6 6的低電位型血紅素的低電位型血紅素(b(bl l) )同時(shí)釋放個(gè)質(zhì)同時(shí)釋放個(gè)質(zhì)子到類囊體腔內(nèi)。子到類囊體腔內(nèi)。 b bl l通過(guò)細(xì)胞色素通過(guò)細(xì)胞色素b b6 6上的高電位型血紅素上的高電位型血紅素b bh h，將電子轉(zhuǎn)移到，將電子轉(zhuǎn)移到PQPQ。經(jīng)過(guò)次循環(huán)后，。經(jīng)過(guò)次循環(huán)后，PQPQ次被還原。雙次被還原。雙還原的還原的PQPQ又從膜外結(jié)合個(gè)質(zhì)子，并將其跨膜轉(zhuǎn)移至類囊又從膜外結(jié)合個(gè)質(zhì)子，并將其跨膜轉(zhuǎn)移至類囊體腔內(nèi)

10、體腔內(nèi) (Figure12.24) (Figure12.24) back back一個(gè)一個(gè)Q Q循環(huán)的凈反應(yīng)結(jié)果：循環(huán)的凈反應(yīng)結(jié)果： PQH2 + 2PCox + 2H+stroma PQ + 2PCred + 4H+lumen5.5.光系統(tǒng)光系統(tǒng)I I的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 5 51 1 亞基組成與結(jié)構(gòu)亞基組成與結(jié)構(gòu) PSI PSI反應(yīng)中心復(fù)合體由反應(yīng)中心反應(yīng)中心復(fù)合體由反應(yīng)中心P700P700，電子受體和捕光天線三大部分組，電子受體和捕光天線三大部分組成。它們都結(jié)合在蛋白亞基上。復(fù)合體是由大亞基和許多小亞基組成：成。它們都結(jié)合在蛋白亞基上。復(fù)合體是由大亞基和許多小亞基組成： PSI-AP

11、SI-A和和PSI-BPSI-B兩個(gè)大亞基，是由葉綠體基因編碼的分子量分別為兩個(gè)大亞基，是由葉綠體基因編碼的分子量分別為83kD83kD和和82kD82kD的兩個(gè)多肽。反應(yīng)中心色素的兩個(gè)多肽。反應(yīng)中心色素700700，原初電子受體，原初電子受體Ao, A1, FxAo, A1, Fx都存在在都存在在此大亞基之中；此大亞基之中； 小亞基小亞基PSI-CPSI-C也是由葉綠體基因編碼的也是由葉綠體基因編碼的9kD9kD的多肽，它也是鐵硫中心的多肽，它也是鐵硫中心FAFA和和FBFB的所在部位；的所在部位； PSIPSI的電子供體的電子供體PCPC和電子受體和電子受體FdFd通過(guò)特殊蛋白的亞基的靜電

12、引力與通過(guò)特殊蛋白的亞基的靜電引力與PSIPSI反應(yīng)反應(yīng)中心相連接；中心相連接； 由核基因編碼的由核基因編碼的PSI-FPSI-F小亞基作為小亞基作為PCPC與與PSIPSI的連接物；的連接物； 由核基因編碼的由核基因編碼的PSI-DPSI-D和和PSI-EPSI-E兩個(gè)小亞基作為兩個(gè)小亞基作為FdFd與與PSIPSI的連接物；的連接物； 其他一些小亞基的功能尚不清楚（其他一些小亞基的功能尚不清楚（I,J, K, L, H, G etc.)I,J, K, L, H, G etc.)； 捕光天線時(shí)由不同的捕光色素蛋白復(fù)合體捕光天線時(shí)由不同的捕光色素蛋白復(fù)合體LHCILHCI組成。（組成。（fig

13、ure12.13)figure12.13) back 5.2 PSI 5.2 PSI主要功能主要功能產(chǎn)生還原力產(chǎn)生還原力NADPHNADPH和還原型和還原型ferredoxin,ferredoxin,以用于光合以用于光合碳循環(huán)和其它代謝合成反應(yīng)。碳循環(huán)和其它代謝合成反應(yīng)。 backback6. ATP6. ATP合酶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能合酶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能6. 1 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 酶由兩部分組成：跨膜區(qū)酶由兩部分組成：跨膜區(qū)CFo和暴露在基質(zhì)中和暴露在基質(zhì)中的親水區(qū)叫的親水區(qū)叫CF1（Figure12. 35）。）。CFo負(fù)責(zé)把負(fù)責(zé)把質(zhì)子跨膜運(yùn)至質(zhì)酶的催化部位質(zhì)子跨膜運(yùn)至質(zhì)酶的催化部位CF1，C

14、F1則負(fù)則負(fù)責(zé)由責(zé)由ADP形成形成ATP; 該酶的分子量為該酶的分子量為400kDa, 含含9個(gè)不同的亞基個(gè)不同的亞基（Table12.9）6.2 6.2 功能功能 在質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行在質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行ATPATP合成（化學(xué)滲透學(xué)合成（化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)：說(shuō)：chemiosmotic mechanism);chemiosmotic mechanism);亦具有水解亦具有水解ATPATP的活性的活性。 pmf = 0.059 pH + 酶的作用機(jī)理酶的作用機(jī)理 （figure12. 36)backTable 12.9 Peptide subunits of the ATP synthase com

15、plexProtein Gene Location MW Function of gene (kDa)CF1 subunit atpA C 55 catalytic subunit atpB C 54 catalytic subunit atpC N 36 proton gating subunit atpD N 20 binding of CF1 to CFo subunit atpE C 15 ATPase inhibitionCFo I atpF C 17 binding of CFo to CF1 II atpG N 16 binding of CFo to CF1 III atpH

16、C 8 proton translocation IV atpI C 27 binding of CFo to CF1 backback7 7光合磷酸化的機(jī)理光合磷酸化的機(jī)理 81 化學(xué)學(xué)說(shuō)82 化學(xué)滲透理論83 蛋白質(zhì)構(gòu)型變化學(xué)說(shuō)84 區(qū)域化質(zhì)子勢(shì)Passage overview 4 complexes in photosynthetic electron transport and photosynthetic phosphorylation (Z scheme): PSII, Cytochrome b6f, PSI and ATP synthase; Fundamental struct

17、ure of each complex: proteins and electron carrier (3 and 1 dimensional); Ultimate roles of each complex: PSII for water oxidation; cytochrome b6f for H+ pump; PSI for producing reducing power such as NADPH and reduced ferredoxin; ATP synthase for ATP synthesis; Mechanism of phosphorylation: chemios

18、motic mechanism (pmf = 0.059 pH + ); ATP synthase: world smallest rotary motor二、二、RubiscoRubisco的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 意義？意義？亞基組成亞基組成類型類型I I （L L8 8S S8 8 ）是由）是由8 8個(gè)大亞基和個(gè)大亞基和8 8個(gè)小亞基組成，廣泛存?zhèn)€小亞基組成，廣泛存在于所有真核和大多數(shù)原核的光合有機(jī)體中。大亞基一般在于所有真核和大多數(shù)原核的光合有機(jī)體中。大亞基一般由由475475個(gè)氨基酸組成，其序列大部分由其核苷酸序列推測(cè)而個(gè)氨基酸組成，其序列大部分由其核苷酸序列推測(cè)而來(lái)，同源性在來(lái)，同

19、源性在80%80%以上。小亞基一般由以上。小亞基一般由123123個(gè)氨基酸組成，個(gè)氨基酸組成，其同源性在其同源性在70%70%；類型類型IIII（ L L2 2）僅有）僅有2 2個(gè)大亞基，是最簡(jiǎn)單的一種個(gè)大亞基，是最簡(jiǎn)單的一種RubiscoRubisco。它存在于一種紫色非硫光合細(xì)菌、深紅紅硫菌中；它存在于一種紫色非硫光合細(xì)菌、深紅紅硫菌中；比較類型比較類型I I和類型和類型IIII大亞基的氨基酸序列，它們僅顯示大亞基的氨基酸序列，它們僅顯示28%28%同源性。盡管它們之間有如此大的差異，然而它們之間在同源性。盡管它們之間有如此大的差異，然而它們之間在活性部位的一些氨基酸是保守的?；钚圆课坏囊?/p>

20、些氨基酸是保守的。 3. 3. 立體結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu) 高等植物的高等植物的RubiscoRubisco外型呈桶狀圓柱體。它由四外型呈桶狀圓柱體。它由四對(duì)交互結(jié)合的對(duì)交互結(jié)合的L2L2大亞基二聚體排成大亞基二聚體排成8 8聚體核（聚體核（L8L8）。）。在大亞基在大亞基8 8聚體的兩端各有一個(gè)小亞基四聚體；每聚體的兩端各有一個(gè)小亞基四聚體；每個(gè) 小 亞 基 陷 窩 大 亞 基 之 間 的 裂 隙 中個(gè) 小 亞 基 陷 窩 大 亞 基 之 間 的 裂 隙 中（Figure12.39Figure12.39）。）。back 4. 4. 亞基間的相互作用亞基間的相互作用 以具有小亞基的以具有小亞基的 L L

21、8 8S S8 8 結(jié)構(gòu)的酶與結(jié)構(gòu)的酶與L L2 2型酶相型酶相比，它們之間的比，它們之間的KmKm和和VmaxVmax等動(dòng)力學(xué)參數(shù)均很接等動(dòng)力學(xué)參數(shù)均很接近。最近，利用酶的固定化技術(shù)證明小亞基為近。最近，利用酶的固定化技術(shù)證明小亞基為類型類型I I酶的活性所必需。小亞基遠(yuǎn)離酶的活性酶的活性所必需。小亞基遠(yuǎn)離酶的活性部位，它的調(diào)節(jié)作用只能通過(guò)大、小亞基間遠(yuǎn)部位，它的調(diào)節(jié)作用只能通過(guò)大、小亞基間遠(yuǎn)距離的通訊產(chǎn)生影響。距離的通訊產(chǎn)生影響。 5. 酶活性的調(diào)控酶活性的調(diào)控5 51 1 酶的氨甲?；饔茫好傅陌奔柞；饔茫?E(E(鈍化）鈍化）+ + A ACO2 E CO2 E A ACO2 (CO

22、2 (鈍化鈍化) ) E E A ACO2 + MgCO2 + Mg2+2+ E E A ACO2CO2 Mg Mg2+ 2+ ( (活化活化) )(Figure12.42)(Figure12.42) 三元復(fù)合物的形成可以不要小亞基，但缺少小三元復(fù)合物的形成可以不要小亞基，但缺少小亞基時(shí)不利于三元復(fù)合物的形成。當(dāng)三元復(fù)合亞基時(shí)不利于三元復(fù)合物的形成。當(dāng)三元復(fù)合物形成后，酶的構(gòu)象發(fā)生很大變化。物形成后，酶的構(gòu)象發(fā)生很大變化。back5.2 Rubisco 5.2 Rubisco 的雙功能催化反應(yīng)的雙功能催化反應(yīng)5.3 Rubisco 5.3 Rubisco 活化酶：活化酶： RuBPRuBP與酶

23、的非氨基甲酰化狀態(tài)緊密結(jié)合，阻與酶的非氨基甲酰化狀態(tài)緊密結(jié)合，阻止了酶與活化劑止了酶與活化劑COCO2 2分子的結(jié)合，使酶不能活分子的結(jié)合，使酶不能活化?；?。Rubisco Rubisco 活化酶能在活化酶能在ATPATP存在下除去結(jié)合存在下除去結(jié)合在非氨基甲酰化在非氨基甲?；疪ubiscoRubisco上的上的RuBPRuBP，從而使，從而使RubiscoRubisco游離得以進(jìn)一步被活化（游離得以進(jìn)一步被活化（Figure Figure 12.4412.44）。）。 back呼呼 吸吸 作作 用用 基本問(wèn)題：基本問(wèn)題：1.1.呼吸作用的概念？呼吸作用的概念？2.2.主要功能？主要功能？ .

24、 . . . . . . . . . .一、呼吸代謝的底物氧化一、呼吸代謝的底物氧化1底物氧化的多條路線底物氧化的多條路線* * EMP-TCAC; Fermentation; PPP；* * 湯佩松先生關(guān)于呼吸代謝多條路線的觀點(diǎn)則認(rèn)為不能湯佩松先生關(guān)于呼吸代謝多條路線的觀點(diǎn)則認(rèn)為不能只從字面上去認(rèn)為多條途徑就是不止一條途徑，而需只從字面上去認(rèn)為多條途徑就是不止一條途徑，而需要從呼吸代謝與其它生理功能互相的關(guān)系的角度去理要從呼吸代謝與其它生理功能互相的關(guān)系的角度去理解它的內(nèi)涵。解它的內(nèi)涵。backbackback2. 呼吸代謝與其它代謝的關(guān)系呼吸代謝與其它代謝的關(guān)系The primary pa

25、thways of respiration provide metabolic inermediates that serve as substrates for the synthesis of:Amino acids and proteins;Nucleic acids;Fatty acids;Secondary metabolitesgoback 3.3.呼吸代謝與其他生理功能的相互調(diào)控呼吸代謝與其他生理功能的相互調(diào)控 * * 煙草花葉病毒所需碳架是由寄主煙草花葉病毒所需碳架是由寄主EMP-TCACEMP-TCAC供供給，而能量是由給，而能量是由ETPETP供給；供給； * * 水稻根和

26、芽的生長(zhǎng)由有氧呼吸類型控制；芽水稻根和芽的生長(zhǎng)由有氧呼吸類型控制；芽鞘生長(zhǎng)由無(wú)氧呼吸控制；鞘生長(zhǎng)由無(wú)氧呼吸控制； * * 水稻幼根及煙草愈傷組織分化由抗氰呼吸控水稻幼根及煙草愈傷組織分化由抗氰呼吸控制制 gonext 4. 4. 基因表達(dá)的代謝調(diào)控基因表達(dá)的代謝調(diào)控 * 按照多條路線的觀點(diǎn)，代謝是由基因所控制的。反過(guò)來(lái)，代謝的變化也在一定程度上影響基因的表達(dá)； * 一個(gè)基因的引入，可能影響多種代謝，以至形態(tài)結(jié)構(gòu)。如將腺苷二磷酸葡糖焦磷酸的B亞基的反義RNA導(dǎo)入馬鈴薯，轉(zhuǎn)化植株的塊莖數(shù)目、大小、含水量、碳水化合物組成、酶活性等都發(fā)生改變； * 代謝對(duì)基因的控制：代謝物激素對(duì)基因的表達(dá)；代謝物誘導(dǎo)

27、蔗糖合成酶基因表達(dá)，促進(jìn)蔗糖分解；丁酸或來(lái)源于丁酸的代謝產(chǎn)物抑制大麥糊粉層-淀粉酶基因表達(dá)；蔗糖、葡萄糖、麥芽糖可抑制水稻種子盾狀體淀粉酶基因表達(dá)。 二、呼吸電子傳遞與氧化磷酸化二、呼吸電子傳遞與氧化磷酸化 1. 1. 植物線粒體電子傳遞鏈結(jié)構(gòu)植物線粒體電子傳遞鏈結(jié)構(gòu) 植物線粒體的電子轉(zhuǎn)遞鏈由植物線粒體的電子轉(zhuǎn)遞鏈由4 4個(gè)多蛋白整合復(fù)合物組成個(gè)多蛋白整合復(fù)合物組成 （I-IV)I-IV)（Figure14.15Figure14.15）; ; ATP ATP 合酶復(fù)合體合酶復(fù)合體 (occasionally called V)(occasionally called V)goComplex I

28、 is a large multisubunit complex of 30-40 polypeptides. Depending on the species, the plant genome may encode as many as 9 components of complex I, which oxidizes NADH produced by the reactions of the citric acid cycle and by the other NAD-linked enzymes in the matrix.EM analysis indicates that it h

29、as a pronounced L shape. The plant complex I is similar to the better-characterized mammalian and fungal NADH dehydrogenase complexsComplex II, the smallest of the four proteins of sizes 70, 27, 15 and 13.5 KDa. Unlike complex I, complex II does not translocate protons, so succinate oxidation is lin

30、ked to the synthesis of less ATP than is NADH oxidation.Complex III, also known as the cytochrome bc1 complex, inludes a 42-kDa cytochrome with 2 b-type hemes,a 31 kDa cytochrome c1, a 27-kDa Rieske-type Fe-S protein, and five or so additional polypeptides. Complex IV, cytochrome c oxidase, accepts

31、an electron from reduced cytochrome c on the cytosolic side of the inner membrane and eventually donates it to oxygen on the matrix side of the membrane. It contains 7-9 polypeptides with 2 a-type hemes and 2 copper-containing centers. Like complex I, cytochrome oxidase translocates protons across t

32、he inner membrane during e transfer, but the crystal structure has not yet revealed the proton pumping mechansim.Complex V: ATP synthase 2 2電子傳遞多條途徑及其定位電子傳遞多條途徑及其定位 （1 1）細(xì)胞色素途徑（主呼吸鏈）：內(nèi)源）細(xì)胞色素途徑（主呼吸鏈）：內(nèi)源NADHNADH被定位于被定位于線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的NADHNADH脫氫酶氧化，氧化過(guò)程有脫氫酶氧化，氧化過(guò)程有3 3個(gè)磷個(gè)磷酸化部位；（酸化部位；（2 2）內(nèi)源）內(nèi)源NADHNADH被

33、定位于線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的被定位于線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的NADHNADH脫氫酶氧化，但此途徑對(duì)魚藤酮不敏感而為抗霉脫氫酶氧化，但此途徑對(duì)魚藤酮不敏感而為抗霉素素A A所抑制，其電子轉(zhuǎn)遞繞過(guò)了磷酸化部位所抑制，其電子轉(zhuǎn)遞繞過(guò)了磷酸化部位I I ； （3 3）外源外源NADHNADH被定位于線粒體內(nèi)膜外側(cè)的被定位于線粒體內(nèi)膜外側(cè)的NADHNADH脫氫酶氧化，脫氫酶氧化，此途徑也對(duì)魚藤酮不敏感而為抗霉素此途徑也對(duì)魚藤酮不敏感而為抗霉素A A所抑制，其電子所抑制，其電子傳遞繞過(guò)磷酸化部位傳遞繞過(guò)磷酸化部位I I ； （4 4）抗氰呼吸途徑；）抗氰呼吸途徑； (5)(5)在細(xì)胞色素在細(xì)胞色素C C存在時(shí)，外源存在

34、時(shí)，外源NADHNADH可為定位于線粒體外膜可為定位于線粒體外膜的的NADHNADH脫氫酶氧化，此途徑對(duì)抗霉素脫氫酶氧化，此途徑對(duì)抗霉素A A不敏感電子傳遞不敏感電子傳遞只與磷酸化部位只與磷酸化部位IIIIII聯(lián)系聯(lián)系In addition to Complex I, Plant mitochondria possess simpler (single peptide) dehydrogenases on both surfaces of the inner membrane. These do not pump protons and are insensitive to Complex I

35、 inhibitors such as rotenone. Four DH are identified: the two external ones are thought to oxidize cytosolic NAD(P)H and feed electrons into the UQ pool. The two enzymes on the inner surface provide additional routes for oxidation of the NADH and NADPH formed in the matrix.Passage Overview 光合作用與呼吸作用

36、比較？光合作用與呼吸作用比較？ 植物線粒體電子傳遞鏈基本結(jié)構(gòu)？與光合電子植物線粒體電子傳遞鏈基本結(jié)構(gòu)？與光合電子傳遞鏈的異同之處？傳遞鏈的異同之處？ ATPATP合酶在催化反應(yīng)過(guò)程中的需能反應(yīng)？合酶在催化反應(yīng)過(guò)程中的需能反應(yīng)？ 2.1 2.1 抗氰呼吸的發(fā)現(xiàn)及其研究進(jìn)展抗氰呼吸的發(fā)現(xiàn)及其研究進(jìn)展 抗氰呼吸也叫交替途徑（抗氰呼吸也叫交替途徑（alternative pathway, alternative pathway, APAP），發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展的三個(gè)階段：（），發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展的三個(gè)階段：（1 1）19291929年年GenevoisGenevois在在豌豆中觀察抗氰性，豌豆中觀察抗氰性，19321

37、932湯佩松觀察到湯佩松觀察到COCO不能抑制細(xì)胞不能抑制細(xì)胞色素氧化酶，表明色素氧化酶，表明APAP的存在；（的存在；（2 2）19711971年發(fā)現(xiàn)氧污酸是年發(fā)現(xiàn)氧污酸是AP AP 專一性抑制劑，隨后能用氧污酸滴定法測(cè)定專一性抑制劑，隨后能用氧污酸滴定法測(cè)定APAP的運(yùn)行的運(yùn)行速度；（速度；（3 3）19871987年年ElthonElthon等純化了交替氧化酶（等純化了交替氧化酶（AOAO），），但最后洗脫部分只保留了原始活性的但最后洗脫部分只保留了原始活性的15%15%，85%85%活性喪失?；钚詥适?。 19921992年年RhoadsRhoads等用抗體篩選法從烏杜百合（等用抗體篩選

38、法從烏杜百合（voodoo voodoo lilies)lilies)中得到了中得到了AOAO的的cDNAcDNA克隆。克隆。 The AO is associated with a single polypeptide of approximately 32 kDa. It exists in the membrane as a homodimer, in which the two reduced (-SH) monomers are apparently held together by noncovalent interactions. 生理功能：生理功能： 在產(chǎn)熱植物中開花時(shí)在產(chǎn)熱植

39、物中開花時(shí)APAP運(yùn)行加強(qiáng)，溫度提高，增加胺運(yùn)行加強(qiáng)，溫度提高，增加胺類等物質(zhì)揮發(fā)，引誘昆蟲傳粉；類等物質(zhì)揮發(fā)，引誘昆蟲傳粉； 在非產(chǎn)熱植物中的生理意義可能是：在非產(chǎn)熱植物中的生理意義可能是：(1)(1)當(dāng)呼吸代謝當(dāng)呼吸代謝線粒體電子轉(zhuǎn)遞容量不平衡時(shí)（如細(xì)胞色素途徑線粒體電子轉(zhuǎn)遞容量不平衡時(shí)（如細(xì)胞色素途徑CPCP被抑被抑制時(shí)），上游呼吸代謝物前饋活化制時(shí)），上游呼吸代謝物前饋活化AOAO，以此防止有氧發(fā)，以此防止有氧發(fā)酵引起的傷害。其中丙酮酸、酵引起的傷害。其中丙酮酸、 - -酮戊二酸特別適合于酮戊二酸特別適合于前饋調(diào)控機(jī)理。前饋調(diào)控機(jī)理。(2)(2)當(dāng)當(dāng)CPCP受阻時(shí)，受阻時(shí)，APAP運(yùn)行

40、，可使運(yùn)行，可使TCACTCAC能能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證底物繼續(xù)氧化，以維持生物活動(dòng)各方面正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證底物繼續(xù)氧化，以維持生物活動(dòng)各方面的需要。的需要。 2 22 2 抗氰呼吸的作用抗氰呼吸的作用 與環(huán)境脅迫的關(guān)系：與環(huán)境脅迫的關(guān)系： 環(huán)境脅迫通常抑制細(xì)胞色素途徑（環(huán)境脅迫通常抑制細(xì)胞色素途徑（CPCP），卻能誘導(dǎo)），卻能誘導(dǎo)AOAO合成，如低溫、干旱、活性氧、除草劑、果實(shí)成熟合成，如低溫、干旱、活性氧、除草劑、果實(shí)成熟等。調(diào)節(jié)等。調(diào)節(jié)AOAO合成一般是在轉(zhuǎn)錄水平。這對(duì)維持環(huán)境脅合成一般是在轉(zhuǎn)錄水平。這對(duì)維持環(huán)境脅迫下基本的呼吸代謝，降低活性的產(chǎn)生，提供碳骨架迫下基本的呼吸代謝，降低活性的產(chǎn)生，提

41、供碳骨架等具有重要意義等具有重要意義。2 22 2 抗氰呼吸的作用抗氰呼吸的作用Members of the family Araceae such as skunk Cabbage and voodoo lily ( +10-25oC)三、植物呼吸代謝的調(diào)節(jié)三、植物呼吸代謝的調(diào)節(jié)1. 底物供應(yīng)，底物供應(yīng)，ADP和襯質(zhì)中的和襯質(zhì)中的NADH均能調(diào)節(jié)植物組織均能調(diào)節(jié)植物組織中的呼吸代謝：中的呼吸代謝： It slows if carbohydrate reserves are low or if glycolysis is downregulated by metabolic effectors

42、 (e. g., ATP). In tissues where substrate supply is plentiful, respiration can be limited by the rate of ATP turnover. Respiration is also influenced by the cytosolic ATP/ADP ratio, which depends on both the concentration of ADP and the cellular rate of ATP utilization.When the alternative oxidase a

43、nd other non-phosphorylating respiratory pathways contribute to oxygen uptake, the extent to which respiration rates are regulated by adenylates is decreased. 2 2 -酮酸和巰基還原試劑可刺激抗氰呼吸酮酸和巰基還原試劑可刺激抗氰呼吸 The AO is currently known to be regulated by both carbon metabolites and covalent modification. Its act

44、ivity is markedly enhanced in the presence of -keto acids, such as pyruvate and glyoxylate. E flow through the alternative pathway is also influenced by the oxidation state of an intermolecular disulfide bond that can covalently link the two monomers of the AO dimer. Enzyme activity increases 4-5 fo

45、ld when the disulfide bond is reduced to form two sulhydryl groups (Figure 14.35)back抗氰呼吸電子流的調(diào)控模式（抗氰呼吸電子流的調(diào)控模式（figure14.33)figure14.33)；碳代謝與抗氰呼吸的關(guān)系碳代謝與抗氰呼吸的關(guān)系3. 3. 環(huán)境脅迫對(duì)交替氧化酶的影響環(huán)境脅迫對(duì)交替氧化酶的影響In some plants, the alternative oxidase is present in low amounts until the tissue is stressed in some manner,

46、 whereopon increased concentrations of the AO protein are rapidly synthesized. Such as: Low temperature Drought Active oxygen Herbicides Ripening非磷酸化支路是植物呼吸代謝的一種獨(dú)特形式非磷酸化支路是植物呼吸代謝的一種獨(dú)特形式Pathways: Rotenone-insensitive NADH dehydrogenases to AP(Figure 14.25) NDAH to polyphenol to its oxidase NADH to As

47、A to its oxidasePossible function? 四、線粒體與其它細(xì)胞四、線粒體與其它細(xì)胞 器（區(qū)域）之間反應(yīng)器（區(qū)域）之間反應(yīng)（Metabolic network) Movement of metabolites into and out of plant mitochondria is regulated by a series of specific transporters Electrogenic transport; Electroneutral transport; Uniport; Symport; Antiport (Figure 14.38)Plant

48、mitochondria interact in many ways with a variety of cellular metabolic processes and therefore require numerous transporters that exchange metabolites across the inner mitochondrial membrane (Figure 14.38)2. Metabolite shuttles transfer carbon and reducing equivalents between mitochondria and other

49、 cellular compartments (Figure 14.39)(A) The malate/ aspartate shuttle can function only when the NADH/NAD ratio is higher in the cytosol than in the matrix. Two carriers are involved : -ketoglutarate carrier is thought to operate with the glutamate/ aspartate carrier.(B) OAA carrier, a simpler shut

50、tle, can transfer reducing eqivalents into or out of the mitochondriaThe citric acid cycle provides carbon skeletons for ammonia assimilation and amino acid synthesis (go figure)* Anaplerotic reactions4. Through gluconeogenesis, some plant tissues can convert lipid to sugar(Figure 14.41)5. Some C4 and CAM plants use mitochondrial reactions to concentrate CO2 for photosynthesis (Figure 14.42) The photosynthetic pathways of some C4 plants and many plants that carry out CAM include mitochondria -associated reactions. These reactions are unique to plant mitochondria and reflect the