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1、细胞生物学课件第六章线粒细胞生物学课件第六章线粒体和叶绿体体和叶绿体内容提要内容提要第一节第一节 线粒体线粒体一、结构一、结构二、氧化磷酸化的分子基础二、氧化磷酸化的分子基础三、氧化磷酸化的作用机理三、氧化磷酸化的作用机理四、线粒体的半自主性四、线粒体的半自主性五、线粒体的增殖五、线粒体的增殖第二节第二节 叶绿体叶绿体一、形态与结构一、形态与结构二、光合磷酸化作用机理二、光合磷酸化作用机理三、叶绿体的半自主性三、叶绿体的半自主性四、叶绿体的增殖四、叶绿体的增殖第三节第三节 蛋白质定向转运蛋白质定向转运一、线粒体蛋白质的转运一、线粒体蛋白质的转运二、叶绿体的蛋白质转运二、叶绿体的蛋白质转运第一节
2、第一节 线粒体线粒体1890年年R. Altaman首次发现，命名为首次发现，命名为bioblast。1898年年von Benda提出提出mitochondrion。1900年年L. Michaelis用用Janus Green B染染色色，发发现现线线粒粒体具有氧化作用。体具有氧化作用。Green（1948）证证实实线线粒粒体体含含所所有有三三羧羧酸酸循循环环的的酶酶，Kennedy和和Lehninger（1949）发发现现脂脂肪肪酸酸氧氧化化为为CO2的过程是在线粒体内完成的。的过程是在线粒体内完成的。一、结构一、结构粒状或杆状。粒状或杆状。蛋白占干重的蛋白占干重的65-70%，脂类占，
3、脂类占25-30%。直直 径径 0.51m， 长长 ， 在在 胰胰 脏脏 外外 分分 泌泌 细细 胞胞 中中 可可 长长 达达1020m，称，称巨线粒体巨线粒体。肝肝细细胞胞约约1300个个线线粒粒体体，占占细细胞胞体体积积的的20%，许许多多哺哺乳乳动动物成熟的红细胞无线粒体。物成熟的红细胞无线粒体。（一）形态（一）形态通常分布在细胞功能旺盛的区域。通常分布在细胞功能旺盛的区域。在肾细胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中区。在肾细胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。马达蛋
4、白提供动力。 （二）分布（二）分布分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。（三）超微结构（三）超微结构 Structures of the mitochondrion 1、外膜、外膜 (out membrane)具具有有porin构构成成的的亲亲水水通通道道，允允许许分分子子量量5KD以以下下的的分分子子通过，通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。2、内膜、内膜 （inner membrane）含含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷。心磷脂含量高（达
5、脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌质膜。）、缺乏胆固醇，类似于细菌质膜。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质自由通过。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质自由通过。氧氧化化磷磷酸酸化化的的电电子子传传递递链链位位于于内内膜膜。标标志志酶酶为为细细胞胞色色素素C氧化酶。氧化酶。内膜向线粒体内室褶入形成嵴（内膜向线粒体内室褶入形成嵴（cristae），能扩大内膜表），能扩大内膜表面积（达面积（达510倍），嵴有两种：倍），嵴有两种：板层状、板层状、管状。管状。嵴上覆有基粒。基粒由头部（嵴上覆有基粒。基粒由头部（F1）和基部（）和基部（F0）构成）构成 。3、膜膜间间隙隙 (inter
6、membrane space)：是是内内外外膜膜之之间间的的腔腔隙隙，宽约宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。标志酶为腺苷酸激酶。4、基质（、基质（matrix）为内膜和嵴包围的空间。含有：为内膜和嵴包围的空间。含有：催催化化三三羧羧酸酸循循环环，脂脂肪肪酸酸、丙丙酮酮酸酸和和氨氨基基酸酸氧氧化化的的酶酶类类。标标志志酶酶为为苹果酸脱氢酶。苹果酸脱氢酶。线线粒粒体体DNA（mtDNA），及及线线粒粒体体特特有有的的核核糖糖体体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。聚合酶、氨基酸活化酶等。纤纤维维丝丝和和电电子子密密度度很很大大的的致致密密颗颗粒粒状状物物质质，内内含含Ca2+
7、、Mg2+、Zn2+等离子。等离子。管状嵴线粒体管状嵴线粒体小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻人黑色素瘤细胞线粒体人黑色素瘤细胞线粒体二、氧化磷酸化的分子基础二、氧化磷酸化的分子基础动动物物细细胞胞中中80%的的ATP来来源源于于线线粒粒体体，糖糖、脂脂肪肪和和氨氨基基酸酸彻彻底底氧氧化化，电电子子经经过过一一系系列列的的传传递递，传传至至氧氧分分子子，逐逐级释放能量，合成级释放能量，合成ATP。（一）电子载体（一）电子载体NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。等。1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nico
8、tinamide adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。 2、黄素蛋白：含、黄素蛋白：含FMN或或FAD的蛋白，可接受的蛋白，可接受2个电子个电子2个质个质子。黄素相关的脱氢酶类主要有：子。黄素相关的脱氢酶类主要有：以以FMN为辅基的为辅基的NADH脱氢酶。脱氢酶。以以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸脱氢酶。NAD NADPFlavin mononucleotide(FMN)& Flavin adenine dinucleotide3、细胞色素：分子中含有
9、血红素铁，以共价形式与蛋白结、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，合，Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有形式变化传递电子，呼吸链中有5类，类，即：细胞色素即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中，其中a、a3含有铜原含有铜原子。子。4、铁铁硫硫蛋蛋白白：在在其其分分子子结结构构中中每每个个铁铁原原子子和和4个个硫硫原原子子结结合合，通通过过Fe2+、Fe3+互互变变进进行行电电子子传传递递，有有2Fe-2S和和4Fe-4S两种类型。两种类型。5、辅酶、辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有传递电子。
10、有3种氧化还原形式，即：氧化型醌种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原，还原型氢醌（型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。）。（二）呼吸链的复合物（二）呼吸链的复合物呼吸链组分按氧化还原电呼吸链组分按氧化还原电位位由低向高由低向高的方向排列。的方向排列。利用利用deoxycholate处理处理线粒体内膜、分离出呼吸线粒体内膜、分离出呼吸链的链的4种复合物。辅酶种复合物。辅酶Q和细胞色素和细胞色素C不属于任何不属于任何一种复合物。一种复合物。1、复合物、复合物I：NADH脱氢酶。脱氢酶。组成：组成：42条肽链组成，呈条肽链组成，呈L型，含一个型，含一个F
11、MN和至少和至少6个铁个铁硫蛋白，分子量接近硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。，以二聚体形式存在。作用：作用：催化催化NADH的的2个电子传递至辅酶个电子传递至辅酶Q，同时将，同时将4个质个质子由线粒体基质（子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（侧）转移至膜间隙（C侧）侧）。NADHFMNFe-SQNADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C2、复合物、复合物II：琥珀酸脱氢酶：琥珀酸脱氢酶组成：至少由组成：至少由4条肽链，含有一个条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。个铁硫蛋白。作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质
12、但不转移质子。子。琥珀酸琥珀酸FADFe-SQ。琥珀酸琥珀酸+Q延胡索酸延胡索酸+QH2 3、复合物、复合物III：细胞色素：细胞色素c还原酶。还原酶。组成：至少组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素个细胞色素c1 。作用：催化电子从辅酶作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素传给细胞色素c，每转移一对电每转移一对电子，同时将子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙个质子由线粒体基质泵至膜间隙。2还原态还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+
13、M2氧化态氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C复合物复合物的电子传递比较复杂，和的电子传递比较复杂，和“Q循环循环”有有关关 4、复合物、复合物IV：细胞色素：细胞色素c氧化酶氧化酶组成：为二聚体，每个单体含至少组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚条肽链，分为三个亚单位。单位。 作用：作用：将从细胞色素将从细胞色素c接受的电子传给氧接受的电子传给氧，每转移一对电子，每转移一对电子，在基质侧消耗在基质侧消耗2个质子，同时转移个质子，同时转移2个质子至膜间隙个质子至膜间隙。cyt cCuAheme aa3- CuBO24还原态还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态氧化
14、态cyt c + 4H+C + 2H2O由复合物由复合物I、III、IV组成，催化组成，催化NADH的脱氢氧化。的脱氢氧化。由复合物由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。对应于每个复合物对应于每个复合物，大约需要，大约需要3个复合物个复合物，7个复合物个复合物，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅，而是由辅酶酶Q和细胞色素和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。这样的可扩散性分子连接。 （三）两条主要的呼吸链（三）两条主要的呼吸链Transport of electrons from NADHTranspor
15、t of electrons from FADH2两条呼吸链两条呼吸链鱼藤酮、阿米妥鱼藤酮、阿米妥抗霉素抗霉素ACN、CO呼吸链组分及呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布。酶在线粒体内膜上呈不对称分布。 -亚线粒体颗粒和冰冻蚀刻技术确定呼吸链组分的分布。亚线粒体颗粒和冰冻蚀刻技术确定呼吸链组分的分布。用超声波破碎线粒体，形成用超声波破碎线粒体，形成颗粒朝外的小膜泡颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体，称亚线粒体颗粒，具有正常的电子传递和磷酸化的功能。颗粒，具有正常的电子传递和磷酸化的功能。细胞色素细胞色素c的抗体能够抑制的抗体能够抑制完整线粒体完整线粒体的氧化磷酸化，但不的氧化磷酸化，但不能
16、抑制能抑制亚线粒体颗粒亚线粒体颗粒的氧化磷酸化。的氧化磷酸化。P. Mitchell（1961）提出）提出“化学渗透假说化学渗透假说”。认为：。认为：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（侧）泵至膜间隙（C侧），形成质子动力势侧），形成质子动力势（ P）。）。P= - (2.3RT / F) pH其中：其中：pH= pH梯度，梯度， =电位梯度，电位梯度，T=绝对温度，绝对温度，R=气体常数，气体常数，F为法拉第常数，当温度为为法拉第常数，当温度为25时时P的值为的值为220mV左右。左右。1.质子动力势，质子动
17、力势，proton-motive forceChemiosmotic Theory状如蘑菇，属状如蘑菇，属F型质子泵。型质子泵。分为球形的分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。（基部）。F1：由由5种多肽组成种多肽组成33复合体，具有复合体，具有三个三个ATP合成的合成的催化位点催化位点（每个（每个亚基具有一个）。亚基具有一个）。F0：由三种多肽组成由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，复合体，嵌入内膜，12个个c亚基亚基组成一个环形结构，具有组成一个环形结构，具有质子通道质子通道。2. ATP合酶（合酶（ATP synthetase）ATP 合酶合酶 p9
18、01979年年Boyer P提出提出构象耦联假说构象耦联假说。其要点如下其要点如下：1ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物的亲和力，催化的亲和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。2F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同（点的构象不同（L、T、O），与核苷酸的亲和力不同。），与核苷酸的亲和力不同。3质子通过质子通过F0时，引起时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转亚基的端部是高度不对称的，它
19、的旋转引起引起亚基亚基3个催化位点构象的周期性变化（个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），），不断将不断将ADP和和Pi加合在一起，形成加合在一起，形成ATP。支持构象耦联假说的实验：支持构象耦联假说的实验：ATP synthase as a reversible coupling device3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂1电子传递抑制剂电子传递抑制剂A：抑制：抑制NADHCoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。B：抑制复合物：抑制复合物III。抗霉素。抗霉素A 。C：抑制复合物：抑制复合物IV。如：。如：CO、CN、NaN3、H2S。电子传递抑制剂可用来研
20、究呼吸链各组分的排列顺序，当电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。2磷酸化抑制剂磷酸化抑制剂与与F0结合结合，结合结合，阻断阻断H+通道通道。如：寡霉素。如：寡霉素。3解偶联剂（解偶联剂（uncoupler）解偶联蛋白解偶联蛋白(uncoupling proteins, UCPs)：位于动物棕：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。质子载体：质子载体： DN
21、P、FCCP。质子通道：增温素（质子通道：增温素（thermogenin）。）。其它离子载体：如缬氨霉素。其它离子载体：如缬氨霉素。某些药物：如过量的阿斯匹林。某些药物：如过量的阿斯匹林。四、线粒体的半自主性四、线粒体的半自主性1963年年M. & S. Nass发现线粒体发现线粒体DNA。线粒体类似于细菌的特征：线粒体类似于细菌的特征： 环形环形DNA； 70S核糖体；核糖体； RNA聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素D所抑制；所抑制； tRNA和氨酰基和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；合成酶不同于细胞质中的； 蛋蛋白白质质合合成成的的起起始始氨氨酰
22、酰基基tRNA是是N-甲甲酰酰甲甲硫硫氨氨酰酰tRNA；对对细细菌菌蛋蛋白白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。mtDNA的遗传密码的遗传密码与与通用的遗传密码通用的遗传密码的区别：的区别：1.UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。不是终止信号，而是色氨酸的密码。2.多肽内部的甲硫氨酸多肽内部的甲硫氨酸由由AUG和和AUA两个密码子编码；两个密码子编码；起起始甲硫氨酸始甲硫氨酸由由AUG,AUA,AUU和和AUC四个密码子编码；四个密码子编码；3.AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因不是精氨酸的
23、密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。）。五、线粒体的增殖五、线粒体的增殖线粒体线粒体来源于已有的线粒体的分裂来源于已有的线粒体的分裂。1.间间壁壁分分离离：分分裂裂时时先先由由内内膜膜向向中中心心皱皱褶褶，将将线线粒粒体体分分为为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。2.收缩后分离：通过收缩后分离：通过中部缢缩分裂中部缢缩分裂为两个。为两个。3.出出芽芽：见见于于酵酵母母和和藓藓类类植植物物，线线粒粒体体出出现现小小芽芽，脱脱落落后后长大，发育为线粒体。长大，发育为
24、线粒体。1.线粒体分裂线粒体分裂2.狗心肌细胞线粒体狗心肌细胞线粒体3.新生鼠肝细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213第二节第二节 叶绿体叶绿体绿色植物通过叶绿体（绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达物年产干物质达1014公斤。公斤。光合作用是地球上有机体生存和发展的光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉根本源泉。一、形态与结构一、形态与结构双双凸凸或或平平凸凸透透镜镜形形，长长径径510um，短短径径24um，厚厚23um。叶肉细胞一般含
25、叶肉细胞一般含50200个叶绿体，占细胞质的个叶绿体，占细胞质的40%。由由外外被被（chloroplast envelope）、类类囊囊体体（thylakoid）和和基基质质（stroma）3部部分分组组成成。含含有有3种种不不同同的的膜膜：外外膜膜、内内膜膜、类囊体膜，类囊体膜，3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。 Chloroplast双层膜组成，膜间为双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。的间隙。外膜的渗透性大。外膜的渗透性大。内内膜膜对对通通过过物物质质的的选选择择性性很很强强，CO2、O2、Pi、H2O、等等可可以以透透过过内内膜膜，A
26、DP、ATP、 NADP+、葡葡萄萄糖糖等等及及焦焦磷磷酸酸不不能能透透过过内内膜膜，需需要要特特殊殊的的转转运运体体（translator）才才能能通过内膜。通过内膜。（一）叶绿体外被（一）叶绿体外被是是膜膜围围成成的的扁扁平平囊囊。主主要要成成分分是是蛋蛋白白质质和和脂脂类类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。），膜流动性高。基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含4060个。个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。膜膜的的内内在在蛋蛋白白主主要要有有：细细胞胞色色
27、素素b6f复复合合体体、集集光光复复合合体体（LHC）、质质体体醌醌（PQ）、质质体体蓝蓝素素（PC）、铁铁氧氧化还原蛋白（化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统）、黄素蛋白、光系统I、II复合物复合物等。等。（二）（二） 类囊体类囊体是内膜与类囊体之间的空间。是内膜与类囊体之间的空间。主要成分包括：主要成分包括：碳同化相关的酶类：如碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总羧化酶占基质可溶性蛋白总量的量的60%。叶绿体叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类、各类RNA、核糖体等。核糖体等。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。一些颗粒成分：
28、如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。（三）基质（三）基质二、光合磷酸化作用机理二、光合磷酸化作用机理光光能能 电电能能 不不稳稳定定化化学学能能(电电子子传传递递产产生生 ATP以以及及NADPH ) 稳稳定定的的化化学学能能(糖糖类类化合物化合物) 。分分光光反反应应和和暗暗反反应应，前前者者需需要要光光，涉涉及及水水的的光光解解和和光光合合磷磷酸酸化化。后后者者不不需需要要光光，涉涉及及CO2的的固固定定，分分为为C3和和C4两两类。类。（一）光合色素和电子传递链组分（一）光合色素和电子传递链组分1光合色素光合色素包括：包括：叶绿素、类胡萝卜叶绿素、类胡萝卜素素，比例约为，比例约为3:1。叶
29、绿素分为叶绿素分为a、b，比例，比例约为约为3:1。全部叶绿素和几乎所有的全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共体膜中，与蛋白质以非共价键结合。价键结合。-CHO in chl b2集光复合体（集光复合体（LHC）由大约由大约200个叶绿素分子个叶绿素分子和一些肽链构成。和一些肽链构成。全部叶绿素全部叶绿素b和大部分叶和大部分叶绿素绿素a都是天线色素。都是天线色素。3光系统光系统（PS）：）：P680 至少包括至少包括12条多肽链。位于基粒于基质非接触区域的条多肽链。位于基粒于基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体类囊体膜上。包括一个集
30、光复合体、一个反应中心和一、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体（个含锰原子的放氧复合体（oxygen evolving complex）。）。4细胞色素细胞色素b6/f复合体复合体(cyt b6/f complex) 可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基5光系统光系统（PSI）：）：P700 包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体膜中。由集光复合体I和作用中心构成。和作用中心构成。非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化电子循环流动
31、，产生质子梯度，驱动ATP合成。两个光系统两个光系统协调作用协调作用（二）光合磷酸化（二）光合磷酸化一对电子从一对电子从P680经经P700传至传至NADP+，在类囊体腔中增加，在类囊体腔中增加4个个H+。2个来源于个来源于H2O光解，光解，2个由个由PQ从基质转移而来，从基质转移而来，在基质中一个在基质中一个H+又被用于还原又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内，所以类囊体腔内有较高的有较高的H+（pH5，基质，基质pH8），形成质子动力势。），形成质子动力势。H+经经ATP合酶，渗入基质、推动合酶，渗入基质、推动ADP和和Pi结合形成结合形成ATP。ATP合酶，即合酶，即CF1-F0偶联因
32、子，结构类似于线粒体偶联因子，结构类似于线粒体ATP合酶。合酶。Electron transport in the thylakoid membrane线粒体与叶绿体的相似性：线粒体与叶绿体的相似性：均由两层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。均由两层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。均均为为半半自自主主性性细细胞胞器器，具具有有自自身身的的DNA及及转转译译体体系系。因因此绿色植物细胞内存在此绿色植物细胞内存在3个遗传系统。个遗传系统。叶叶绿绿体体的的ctDNA不不足足以以编编码码叶叶绿绿体体所所需需的的全全部部蛋蛋白白质质，因因此此必必须须依依靠靠于于核核基基因因来来编编码码其其
33、余余的的蛋蛋白白质质。通通过过定定向向转转运进入叶绿体的各部分。运进入叶绿体的各部分。三、叶绿体的半自主性三、叶绿体的半自主性四、叶绿体的增殖四、叶绿体的增殖在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。在在有有光光条条件件下下原原质质体体的的小小泡泡数数目目增增加加并并融融合合形形成成片片层层，发发育为基粒，形成叶绿体。育为基粒，形成叶绿体。在在黑黑暗暗生生长长时时，原原质质体体小小泡泡融融合合速速度度减减慢慢，并并转转变变为为排排列列成成网网格格的的三三维维晶晶格格结结构构，称称为为原原片片层层，这这种种质质体体称称为为黄黄色色体。在有光下仍可发育为叶绿体。体。在
34、有光下仍可发育为叶绿体。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。 第三节第三节 线粒体与叶绿体的线粒体与叶绿体的蛋白质定向转运蛋白质定向转运一、线粒体蛋白质的转运一、线粒体蛋白质的转运线粒体具有线粒体具有1000多种蛋白质，其自身合成的仅十余种，因此多种蛋白质，其自身合成的仅十余种，因此大量蛋白质是在细胞质中合成的。大量蛋白质是在细胞质中合成的。利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质蛋白质合成，发现粒体和细胞质蛋白质合成，发现人的线粒体人
35、的线粒体DNA编码的多肽编码的多肽为细胞色素为细胞色素c氧化酶的氧化酶的3个亚基，个亚基，F0的的2个亚基，个亚基，NADH脱氢脱氢酶的酶的7个亚基和细胞色素个亚基和细胞色素b等等13条多肽条多肽。 线粒体线粒体前体蛋白质在在运输以前，以未折叠的形式存在，前体蛋白质在在运输以前，以未折叠的形式存在，N端有一段信号序列称为导肽或引肽，完成转运后被信号端有一段信号序列称为导肽或引肽，完成转运后被信号肽酶（肽酶（signal peptidase）切除，就成为成熟蛋白，）切除，就成为成熟蛋白，这种这种现象叫后转译（现象叫后转译（posttranslation）。信号肽的特点是：）。信号肽的特点是：多位
36、于肽链的多位于肽链的N端，由大约端，由大约20个氨基酸构成；个氨基酸构成； 形成一个两性形成一个两性螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧；基酸残基分别位于螺旋的两侧；对所牵引的蛋白质没有特异性要求。对所牵引的蛋白质没有特异性要求。Mitochondrialer Import 蛋白质的转运涉及转位因子（蛋白质的转运涉及转位因子（translocator）等多种蛋白。）等多种蛋白。TOM复合体：负责通过外膜，进入膜间隙。复合体：负责通过外膜，进入膜间隙。TIM复合体：复合体：TIM23负责将蛋白质转运到基质，或安装在负责
37、将蛋白质转运到基质，或安装在内膜上；内膜上；TIM22负责将某些转运器蛋白质插入内膜。负责将某些转运器蛋白质插入内膜。OXA复合体：负责将线粒体合成的蛋白和某些进入基质的复合体：负责将线粒体合成的蛋白和某些进入基质的蛋白插到内膜上。蛋白插到内膜上。线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽牵引蛋白质前线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽牵引蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质。体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质。mitochondrial protein import machinery.Contact Sites of MitochondriaProtein Tran
38、sport into Inner Membrane and Intermembrane Space Requires Two Signal Sequences蛋白质的输入是一个耗能过程：蛋白质的输入是一个耗能过程：1.在线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴娘，需要通在线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴娘，需要通过水解过水解ATP获得能量。获得能量。2.在通过在通过TIM复合体时利用复合体时利用质子动力势质子动力势作为动力。作为动力。3.前体蛋白进入线粒体基质后，线粒体前体蛋白进入线粒体基质后，线粒体hsp70一个接一个一个接一个的结合在蛋白质线性分子上，像齿轮一样将蛋白质的结合在蛋白质线性分
39、子上，像齿轮一样将蛋白质“铰铰进（进（hand over hand）”基质，这一过程也需要消耗基质，这一过程也需要消耗ATP。然后线粒体。然后线粒体hsp70将蛋白质交给将蛋白质交给hsp60，完成折，完成折叠。叠。二、叶绿体的蛋白质转运二、叶绿体的蛋白质转运叶绿体蛋白转运运输机理与线粒体的相似。叶绿体蛋白转运运输机理与线粒体的相似。 如：如：都发生后转译；都发生后转译；每一种膜上有特定的转位因子；每一种膜上有特定的转位因子；具有接触点（具有接触点（contact site）；）；需要能量，同样利用需要能量，同样利用ATP和质子动力势；和质子动力势；前体蛋白前体蛋白N端有信号序列，使用后被信号肽酶切除。端有信号序列，使用后被信号肽酶切除。但两者的蛋白质转运体系中除了某些但两者的蛋白质转运体系中除了某些hsp分子相同外，转分子相同外，转位因子复合体是不同的。位因子复合体是不同的。Pathway for plastid entry. The general import machinery of the chloroplast envelope membranes. The components are explained in thetext.
