《細胞生物學(xué)》-細胞7章 線粒體和葉綠體2-13

Chapter7MitochondriaandChloroplasts第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化第二節(jié)葉綠體與光合作用第三節(jié)線粒體和葉綠體的半自主性及其起源第二節(jié)葉綠體與光合作用一、葉綠體的基本形態(tài)及動態(tài)特征二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)三、光合作用一、葉綠體的基本形態(tài)及動態(tài)特征

（一）葉綠體的形態(tài)、分布和數(shù)目葉綠體的形狀、大小和數(shù)量因植物種類不同而有很大差別；高等植物的葉綠體多呈凸透鏡狀或香蕉形，寬2～4μm,長5～10μm，大多數(shù)葉肉細胞含有幾十至幾百個葉綠體，可占細胞質(zhì)體積的40%～90%。藻類植物通常只有一個巨大的葉綠體，其形態(tài)有帶狀、螺旋狀、星狀，依細胞的形態(tài)而定。光學(xué)顯微鏡及熒光顯微鏡下觀察到的葉綠體A.擬南芥葉肉細胞原生質(zhì)體；焦面置于細胞中部時，呈兩端漸窄的條形；焦面移動到細胞頂部時，近圓形B.將原生質(zhì)體細胞質(zhì)平鋪并經(jīng)DAP1染色紅色為葉綠體DNA顆粒狀熒光；藍色為線粒體DNA的熒光信號葉綠體自發(fā)熒光為火紅色葉肉細胞表皮細胞，保衛(wèi)細胞葉綠體的躲避效應(yīng)：植物細胞的葉綠體在光很強時避開受光面，以避免強光傷害的現(xiàn)象葉綠體的積聚響應(yīng)：植物細胞的葉綠體在光較弱時，匯聚到細胞向光面，以使多吸收光能葉綠體定位：葉綠體在細胞內(nèi)的位置和分布，在一定光環(huán)境下是相對穩(wěn)定的，葉綠體的移動和錨定與微絲骨架密切相關(guān)，葉綠體和微絲骨架之間通過連接蛋白聯(lián)系，隨微絲的動態(tài)變化而發(fā)生位移葉綠體間的動態(tài)連接：葉綠體的內(nèi)、外膜向外延伸形成管狀凸出（基質(zhì)小管），不同葉綠體靠基質(zhì)小管相互聯(lián)系，以便在葉綠體間進行物質(zhì)和信息交流光照強度對葉綠體分布及位置影響的示意圖WT：野生型Chup1：一種葉綠體定位異常的突變體(二)葉綠體的分化與去分化

葉綠體由原質(zhì)體分化（依賴于光照)而來，形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為體積增大、形成內(nèi)膜系統(tǒng)及葉綠素累積生化和分子生物學(xué)上則體現(xiàn)為葉綠體功能所必需的酶、蛋白質(zhì)、大分子合成、運輸及定位；葉綠體的分化是可逆過程，葉綠體的分化和去分化調(diào)節(jié)機制還有待進一步研究葉綠體分化及分化異常的表現(xiàn)野生型擬南芥葉肉細胞中原質(zhì)體分化為葉綠體；花葉突變體葉片白斑部分的葉肉細胞內(nèi)質(zhì)體形成白色體?！拔粗笔疽环N未知變異機制的常春藤花葉突變體。(三)葉綠體的分裂質(zhì)體和葉綠體通過分裂進行增殖生長的幼葉中常發(fā)生葉綠體的分裂，前葉綠體（分化中的葉綠體）體積為成熟葉綠體的1/10-1/5，基質(zhì)中基質(zhì)類囊體少，尚未或正在開始形成基粒類囊體葉綠體的分裂位置分裂環(huán)由位于外膜的細胞質(zhì)基質(zhì)面的外環(huán)和位于內(nèi)膜的葉綠體基質(zhì)面的內(nèi)環(huán)共同組成分裂環(huán)外相關(guān)蛋白，如dynamin等動力蛋白高等植物葉綠體分裂相關(guān)蛋白的定位ARC：葉綠體積聚與復(fù)制蛋白PDV：質(zhì)體分裂蛋白Z環(huán)：在葉綠體分裂的早期，F(xiàn)tsZ蛋白先于葉綠體膜的縊陷匯集于葉綠體的內(nèi)膜下，組裝成一個FtsZ環(huán)。

二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)

葉綠體膜（chloroplastmembrane）

外膜：通透性大，含孔蛋白，允許相對分子質(zhì)量高達104的分子通過內(nèi)膜：通透性相對較差，是細胞質(zhì)與葉綠體基質(zhì)間的功能屏障，僅有O2,CO2,H2O分子能自由通過；有很多轉(zhuǎn)運蛋白

膜間隙：10～20nm

類囊體(thylakoid)

葉綠體內(nèi)部由內(nèi)膜發(fā)展而來的封閉的扁平膜囊。類囊體囊內(nèi)空間稱為類囊體腔（thylakoidlumen）；在葉綠體的某些部位，許多圓餅狀的類囊體有序疊置成垛，稱為基粒（grana）；組成基粒的類囊體稱為基粒類囊體（granumthylakoid）；貫穿在兩個或兩個以上基粒之間沒有發(fā)生垛疊的片層結(jié)構(gòu)，稱為基質(zhì)片層（stromalamella）或基質(zhì)類囊體（stromathylakoid）；

類囊體膜主要包含捕光色素/天線色素、光合電子傳遞鏈、CF0-CF1ATP酶，是光合作用光反應(yīng)的場所。葉綠體基質(zhì)（stroma）：

指葉綠體內(nèi)膜所包圍的除類囊體以外的區(qū)域；基質(zhì)的主要成分是可溶性蛋白質(zhì)和其他代謝活躍物質(zhì)，另外還含有環(huán)狀DNA、核糖體、脂滴（lipiddroplet）、植物鐵蛋白(phytoferritin)、淀粉粒（starchgrain）等；基質(zhì)中含有參與CO2固定反應(yīng)的所有酶類，因此，基質(zhì)是光合作用固定CO2的場所。電子顯微鏡下觀察到的葉綠體A：擬南芥幼葉中的葉綠體B：水稻幼芒中的葉綠體S：淀粉粒三、光合作用（photosynthesis）

綠色植物細胞，吸收光能，還原CO2，并利用水提供氫合成碳水化合物，同時放出分子氧的過程，稱為光合作用?？傔^程分為兩個階段：光反應(yīng)(lightreaction)和暗反應(yīng)(darkreaction)。光反應(yīng)：在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)反應(yīng)，通過葉綠素等光合色素分子吸收、傳遞光能，水光解，并將光能轉(zhuǎn)換為電能（生成高能電子），進而通過電子傳遞與光合磷酸化將電能轉(zhuǎn)換為活躍化學(xué)能，形成ATP和NADPH并放出O2

的過程。包括原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化。暗反應(yīng)：利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，使CO2還原為糖類等有機物，即將活躍的化學(xué)能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的化學(xué)能，積存于有機物中。這一過程不直接需要光(在葉綠體基質(zhì)中進行)。線粒體和葉綠體的光合作用比較

（一）原初反應(yīng)(primaryreaction)

原初反應(yīng)指光合色素分子被光能激發(fā)而引起第一個光化學(xué)反應(yīng)的過程，包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)換為電能。參與原初反應(yīng)的主要成分：

捕光色素或天線色素：包含大多數(shù)葉綠素a（chla)和葉綠素b（chlb)、類胡蘿卜素，只吸收光，不發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)

反應(yīng)中心色素：特殊狀態(tài)的chla，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，分為P700和P680

反應(yīng)中心：由反應(yīng)中心色素、原初電子供體（D)和原初電子受體(A)組成光化學(xué)反應(yīng)：指反應(yīng)中心色素分子吸收光能而引發(fā)的氧化還原反應(yīng)。捕光色素捕獲光能反應(yīng)中心色素被激發(fā)原初電子供體共振電荷分離高能電子原初電子受體光合作用原初反應(yīng)的能量吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換圖解（二）電子傳遞和光合磷酸化1、最初電子供體是H2O，最終電子受體是NADP+2、電子傳遞鏈中唯一的H+-pump是cytb6f復(fù)合物。類囊體腔的質(zhì)子濃度比葉綠體基質(zhì)高，該濃度梯度產(chǎn)生的原因歸于：H2O光解、cytb6f的H+-pump、NADPH的形成。ATP、NADPH在葉綠體基質(zhì)中形成。

3、電子沿光合電子傳遞鏈傳遞時，分為非循環(huán)式光合磷酸化和循環(huán)式光合磷酸化兩條通路。循環(huán)式傳遞的高能電子在PSⅠ被光能激發(fā)后經(jīng)cytb6f復(fù)合物回到PSⅠ。結(jié)果是不裂解H2O、產(chǎn)生O2，不形成NADPH，只產(chǎn)生H+跨膜梯度，合成ATP。

1.電子傳遞PSⅡ的結(jié)構(gòu)

PSⅡ捕光復(fù)合物（LHCⅡ):由蛋白質(zhì)、色素分子和脂類分子組成，吸收并傳遞光給P680,還可調(diào)節(jié)PSⅡ和PSⅠ之間的激發(fā)能分配

P680：特殊狀態(tài)的Chla，吸收光能被激發(fā)，產(chǎn)生高能電子和P680*，P680*可奪取水中電子，將水氧化成O2

脫鎂葉綠素(Pheo)：接收P680產(chǎn)生的電子，并向下傳遞給PQ功能：利用光能在類囊體膜腔面一側(cè)裂解水并在基質(zhì)側(cè)還原質(zhì)體醌，使類囊體膜的兩側(cè)形成質(zhì)子梯度。Cytb6f復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能質(zhì)體醌（PQ)：一種脂溶性分子，接收電子并傳遞給Cytb6f，同時轉(zhuǎn)移質(zhì)子到類囊體腔Cytb6f復(fù)合物：由Cytb6，Cytf和Fe-S組成，接收并傳遞電子給PC，連接PSⅡ和PSⅠ質(zhì)體藍素（PC）：含Cu的水溶性外周膜蛋白，接收電子后結(jié)合并傳遞電子給PSⅠ中的P700*PSⅠ的結(jié)構(gòu)

PSⅠ捕光復(fù)合物(LHCⅠ)：吸收并傳遞光能給P700P700：Chla二聚體，接收光能，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子和P700*，P700*奪取來自PC的電子。功能:利用吸收的光能或傳遞來的激發(fā)能在類囊體膜的基質(zhì)側(cè)將NADP+還原為NADPH葉綠體中的光系統(tǒng)及電子傳遞途徑2光合磷酸化光合磷酸化：是由光照所引起的電子傳遞和磷酸化作用相偶聯(lián)生成ATP的過程。其機制和過程類似氧化磷酸化CF0-CF1ATP酶的結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)機制與線粒體F0-F1ATP酶類似分類：非循環(huán)光合磷酸化：產(chǎn)物為ATPNADPHO2

循環(huán)光合磷酸化：產(chǎn)物僅為ATP循環(huán)光合磷酸化：通過光系統(tǒng)I的電子交給鐵氧環(huán)蛋白Fd，然后經(jīng)過細胞色素b6f交給質(zhì)體藍素PC，然后又交給光系統(tǒng)I，是電子循環(huán)的過程，也可以產(chǎn)生ATP；只涉及一個光系統(tǒng)I葉綠體類囊體膜中進行的電子傳遞和H+跨膜轉(zhuǎn)移（三）光合碳同化利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH,使CO2還原為糖類等有機物，即將活躍的化學(xué)能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的化學(xué)能，積存于有機物中，這一過程不需要光(在葉綠體基質(zhì)中進行），也稱為暗反應(yīng)。分類：卡爾文循環(huán)(Calvincycle)(C3

途徑）

C4途徑景天酸代謝途徑卡爾文循環(huán)的3個階段示意圖C4途徑其固定CO2的最初產(chǎn)物是草酰乙酸，是四碳化合物某些熱帶或亞熱帶起源的植物中，如甘蔗、玉米、高粱等；CO2的固定是在葉肉細胞進行，在維管束鞘細胞中釋放，參加卡爾文循環(huán)景天酸代謝（CAM)發(fā)現(xiàn)于生長在干旱地區(qū)的景天科及其他一些肉質(zhì)植物與C4途徑非常相似與C4植物不同的是，景天酸代謝過程中的初級固碳產(chǎn)物（蘋果酸）合成和卡爾文循環(huán)均在葉肉細胞中進行，不需要細胞間的轉(zhuǎn)移第三節(jié)線粒體和葉綠體的

半自主性及其起源一、線粒體和葉綠體的半自主性二、線粒體和葉綠體的起源半自主性細胞器： 自身含有遺傳表達系統(tǒng)(自主性)；但編碼的遺傳信息十分有限，其RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、自身構(gòu)建和功能發(fā)揮等必須依賴核基因組編碼的遺傳信息(自主性有限)一、線粒體和葉綠體的半自主性（一）線粒體和葉綠體DNA

線粒體和葉綠體DNA均呈雙鏈環(huán)狀，不含組蛋白，以半保留方式自我復(fù)制。一般線粒體中含有的DNA分子數(shù)較葉綠體中的少。mitDNA大小在動物中變化不大，但在植物中變化較大mitDNA:<6000bp(惡性瘧原蟲)～>300000bp(somelandplants).DNAofMitgenomeinmammals≈16500bp人mitDNA：16,569bp，37個基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；

13種多肽：NADH脫氫酶7個亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個cytb，細胞色素C氧化酶3個亞基，ATP合成酶2個Fo亞基)chlDNA:70000～200000bp(genomeoflandplants)mitDNA在S期及G2期復(fù)制，而chlDNA在G1期復(fù)制。它們的復(fù)制受核控制，所需DNA聚合酶是由核基因編碼的，在細胞質(zhì)核糖體上進行。地錢chlgenome

（二）線粒體和葉綠體中的蛋白質(zhì)

線粒體基質(zhì)中除有DNA外，還有各種RNA、核糖體、氨基酸活化酶等，說明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但數(shù)量不多，只占線粒體全部蛋白質(zhì)的10%，約有13種（20個分子）左右。葉綠體中的蛋白質(zhì)（酶）一部分是在葉綠體中由它自己的DNA編碼，經(jīng)過mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯形成的，有一部分則是由核基因編碼，在細胞質(zhì)中形成后轉(zhuǎn)入葉綠體的。還有一部分是由核基因編碼，在葉綠體的核糖體上合成。（三）線粒體、葉綠體基因組與細胞核的關(guān)系核質(zhì)互作:細胞中細胞核與線粒體、葉綠體之間在遺傳信息和基因表達調(diào)控等層次上建立的分子協(xié)作機制核質(zhì)沖突：當(dāng)核質(zhì)互作相關(guān)的細胞核或線粒體、葉綠體基因單方面發(fā)生突變，引起細胞中分子協(xié)作機制出現(xiàn)嚴(yán)重障礙時，細胞或生物個體會表現(xiàn)出異常表型，這類表型背后的分子機制稱為核質(zhì)沖突。擬南芥RNA編輯障礙導(dǎo)致的白化苗不同真核生物線粒體基因組

大小及其表達產(chǎn)物二、線粒體和葉綠體的起源

關(guān)于個體發(fā)生：

線粒體：

電鏡及同位素示蹤實驗表明：線粒體來源于已有線粒體的分裂。增殖方式有三種：1.間壁分離2.收縮后分離。3.出芽葉綠體?在個體發(fā)育中葉綠體由前質(zhì)體發(fā)育而來。?在有光條件下前質(zhì)體的小泡數(shù)目增加并融合形成片層，發(fā)育為基粒，形成葉綠體。?幼小葉綠體能靠分裂而增殖。成熟葉綠體一般不再分裂。系統(tǒng)發(fā)生

內(nèi)共生起源學(xué)說：線粒體和葉綠體分別起源于原始真核細胞內(nèi)共生的行有氧呼吸的紫細菌和行光能自養(yǎng)的藍細菌。

內(nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細菌相似。有自己完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能獨立合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成機制有很多類似細菌而不同于真核生物。兩層被膜有不同的進化來源，外膜與細胞的內(nèi)膜系統(tǒng)相似，內(nèi)膜與細菌質(zhì)膜相似。以分裂的方式進行繁殖，與細菌的繁殖方式相同。能在異源細胞內(nèi)長期生存，說明線粒體和葉綠體具有的自主性與共生性的特征。線粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫光合細菌。發(fā)現(xiàn)介于胞內(nèi)共生藍藻與葉綠體之間的結(jié)構(gòu)--藍小體，其特征在很多方面可作為原始藍藻向葉綠體演化的佐證。不足之處從進化角度，如何解釋在代謝上明顯占優(yōu)勢的共生體反而將大量的遺傳信息轉(zhuǎn)移到宿主細胞中？不能解釋細胞核是如何進化來的，即原核細胞如何演化為真核細胞？線粒體和葉綠體的基因組中存在內(nèi)含子，而真細菌原核生物基因組中不存在內(nèi)含子，如果同意內(nèi)共生起源學(xué)說的觀點，那么線粒體和葉綠體基因組中的內(nèi)含子從何發(fā)生？非共生起源學(xué)說主要內(nèi)容：真核細胞的前身是一個進化上比較高等的好氧細菌。成功之處：解釋了真核細胞核被膜的形成與演化的漸進過程。不足之處：實驗證據(jù)不多無法解釋為何線粒體、葉綠體與細菌在DNA分子結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)合成性能上有那么多相似之處對線粒體和葉綠體的DNA酶、RNA酶和核糖體的來源也很難解釋。真核細胞的細胞核能否起源于細菌的核區(qū)？作業(yè)與思考經(jīng)低滲溶液處理后，線粒體內(nèi)膜和外膜將發(fā)生怎樣不同的變化?為什么？試比較線粒體的氧化磷酸化與葉綠體的光合磷酸化的異同點本章概要（一）線粒體和葉綠體是真核細胞內(nèi)兩種重要的能量轉(zhuǎn)換細胞器，線粒體廣泛存在于各類真核細胞中，而葉綠體僅存在于植物細胞中。線粒體和葉綠體都是高度動態(tài)的細胞器。除了細胞內(nèi)的分布接受動態(tài)的調(diào)控以外，線粒體通過頻繁的融合和分裂實現(xiàn)遺傳信息的互補；而葉綠體則通過基質(zhì)小管達到個體之間的互相聯(lián)系。線粒體和葉綠體都具有封閉的兩層單位膜結(jié)構(gòu)。外膜通透性高；內(nèi)膜通透性低且向內(nèi)折疊，構(gòu)成多酶體系的空間分布框架。線粒體和葉綠體的基質(zhì)中包含一些酶、DNA、RNA和核糖體等生命活動