细胞生物学 06 线粒体和叶绿体

第六章
线粒体和叶绿体
氧化与磷酸化偶联部位
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
电子传递链将NADH和FADH2上的电子传递给
氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其
中释放大量自由能的部位有3处，即复合物Ⅰ、
Ⅲ、Ⅳ ，这3个部位就是ATP合成的部位，称为
偶联部位。
第六章
线粒体和叶绿体
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
第六章
线粒体和叶绿体
二、线粒体与叶绿体蛋白质的运送与组装
第 三 节 线 粒 体 和 叶 绿 体 是 半 自 主 性 的 细 胞 器
线粒体蛋白运送的特点
分子伴侣：细胞中的某些分子，可
需要受体
从接触点进入
蛋白质要解折叠
需要分子伴侣 需要能量 需要导肽水解酶
以识别正在合成的多肽或部分折叠 的多肽，并与多肽的某些部位结合， 从而帮助这些多肽转运、折叠或装 配，但其本身不参与最终产物的形 成。 细胞质中Hsp蛋白家族的某些成员、 信号识别颗粒、Bip、PDI、核质蛋 白等。
第六章
线粒体和叶绿体
第六章
线粒体和叶绿体
NADPH在叶绿体基质中形成。 ③循环式光合磷酸化过程中只生成ATP，没有NADPH和氧气产生。 ④原初反应与电子传递光合磷酸化属于光反应
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（三）光合碳同化
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
光合碳同化：在叶绿体的基质进行
碳同化的三条途径： – 卡尔文循环（C3途径） – C4途径或Hatch-Slack循环 – 景天科代谢途径。
叶绿体的形态结构与组成 叶绿体的功能——光合作用
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线粒体和叶绿体
一、叶绿体的形态结构 叶绿体大多呈香蕉形、球形、椭圆形。
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
由叶绿体被膜、类囊体和基质三部分组成。
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二、叶绿体的功能——光合作用 光合作用是能量及物质的转化过程。
第 三 节 线 粒 体 和 叶 绿 体 是 半 自 主 性 的 细 胞 器
核基因编码的蛋白质以后转移的方式，实现进入线粒
体和叶绿体的跨膜运输。
蛋白质前体形式：成熟蛋白+导肽
导肽：位于蛋白质前体N端的一段序列，含有丰富的
带正电荷的碱性氨基酸，几乎不含带负电荷的酸性氨 基酸，可形成两性的α 螺旋结构，能决定蛋白质的运 送方向，但对被运送的蛋白质无特异性要求。
外膜主要脂类是卵磷脂， 脂类：蛋白=1:1 标志酶:单胺氧化酶
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线粒体和叶绿体
二、线粒体的化学组成——内膜
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化 2、线粒体内膜 高度不通透性，向内折叠形成嵴。
含有与能量转换相关的蛋白。
内膜和嵴的基质面有许多基粒。 含有大量的心磷脂,与内膜的疏水 性有关,保证对离子的高度不通透 基粒：结合在线粒体内膜和 嵴上的排列规则的带柄的球 脂类:蛋白=0.3:1 状小体，为ATP合酶的头部。 标志酶:细胞色素氧化酶 头部又称F1，为球形，具有 ATP合酶的活性。 ATP合酶基 部又称F0，嵌入线粒体内膜。
固定CO2的最初产物是草酰乙酸
对CO2的固定由两类细胞协同完成
– 叶肉细胞固定CO2
– 在维管束鞘细胞中四碳酸脱羧，进入C3途径。 3、景天科代谢 – 景天科类植物夜晚固定CO2 ，白天进行光合碳同化
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线粒体和叶绿体
第 三 节 线 粒 体 和 叶 绿 体 是 半 自 主 性 的 细 胞 器
光合色素分子从被光激发到引起第一个光化学
反应为止的过程，包括光的吸收、传递和转换。
分子基础：光合色素分子
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线粒体和叶绿体
1、光合色素 叶绿体色素：叶绿素、类胡萝卜素、藻胆素
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
– 吸收光能的主要是叶绿素
– 捕光色素：吸收传递光能。由大部分的叶绿素a和全 部的叶绿素b 、胡萝卜素及叶黄素组成。 – 反应中心色素：将光能转换为电能。一对特殊的叶 绿素a分子 2、光化学反应
酶 复 合 物 总 数 亚 成 细胞色素氧化酶 细 胞 色 素 b-c 1 复 合 物 ATP 酶 核糖体大亚基 核糖体小亚基 7 7 9 30 22 4 6 5 30 21 基 数 目 成 3 1 4 0 1 胞质核糖体合 线粒体核糖体合
酵母线粒体主要酶复合物的生物合成
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线粒体和叶绿体
二、线粒体与叶绿体蛋白质的运送与组装
第四节 线粒体和叶绿体的增殖和起源
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线粒体和叶绿体
第一节 线粒体和氧化磷酸化
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
线粒体的形态结构、化学组成 线粒体的功能——氧化磷酸化
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线粒体和叶绿体
一、线粒体的形态结构——显微结构
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化 多形性：以线状、颗粒状最常见，也可呈环状、哑铃状、 枝状或其他形状。 大小可变：因细胞种类和生理状况的不同而不同。一般情 况下直径为0.5~1um，长1.5~3.0um 数量和分布不同：不同细胞中，数目不等；在细胞内的分 布可以是不均匀的。 可塑性和适应性：线粒体可在细胞中运动、变形和分裂增 殖。 具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。
氧化的共同途径是三羧酸循环和呼吸链的氧化磷酸化.
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1、TCA和氧化磷酸化分子基础
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
三羧酸循环：线粒体基质中的酶

有机物氧化脱氢，氢含有高能电子，储存有机物氧 化释放的能量。
氧化：线粒体内膜上呼吸链

传递有机物脱下的氢中的高能电子，释放能量，形
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线粒体和叶绿体
ATP的合成机制
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
氧化磷酸化偶联的分子基础：ATP合酶
ATP合酶的三维结构、结合变构假说、旋转催
化机制
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线粒体和叶绿体
ATP合酶的三维结构
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
分子结构：
– 分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0
成H+跨Mit内膜的浓度梯度
磷酸化：线粒体内膜上的基粒

利用H+跨膜的浓度梯度合成ATP
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2、线粒体内膜的电子传递链
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化 是传递电子的酶体系，由一系列的递氢体和递电子体按一定的
顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原
子交给氧生成水，同时有ATP生成。 电子载体： 黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白、铜原子 电子转运复合物：
第二步,紧密结合的ADP和Pi被转化成ATP; 第三步,就是ATP的释放。
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线粒体和叶绿体

The ATP synthase is a reversible coupling device
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线粒体和叶绿体
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线粒体和叶绿体
第二节 叶绿体与光合作用
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
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线粒体和叶绿体
ATP
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线粒体和叶绿体
循环式的光合磷酸化
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线粒体和叶绿体
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线粒体和叶绿体
电子传递与光合磷酸化过程总结
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
①最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+。
②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 、
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氧化磷酸化偶联机制——化学渗透假说
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
1961年由英国生物化学家Peter Michell最先提出。
认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨
线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的
自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从 而形成跨线粒体内膜的H+离子的电化学梯度梯度，这 个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
1. 吸收光能并将光能转化成电能
2. 产生ATP以及NADPH形式的不稳定化学能
3. 储存在糖类化合物中的稳定化学能。
光合作用的过程
1. 原初反应 2. 电子传递和光合磷酸化 3. 光合碳同化
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线粒体和叶绿体
（一）原初反应
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
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线粒体和叶绿体
二、线粒体的化学组成——膜间隙
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
3、线粒体膜间隙 内膜和外膜之间的间隙，充满无定形的液体，含许 多可溶性酶、底物及辅助因子。 膜间隙的成分很多,几乎接近胞质溶胶. 标志酶：腺苷酸激酶
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二、线粒体的化学组成——基质
CoQ细胞色 素还原酶 细胞 色素C 细胞色素 氧化酶
NADH
NADH-Q 还原酶
Q
O2
琥珀酸-Q还原酶
FADH2
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线粒体和叶绿体
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
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线粒体和叶绿体
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
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线粒体和叶绿体
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
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线粒体和叶绿体
1、卡尔文循环（C3途径）
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
卡尔文循环是碳同化最重要、最基本的途径
包括羧化、还原、RuBP再生阶段
– RuBPase
– 还原阶段: 是光反应与固碳反应的连接点。
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线粒体和叶绿体
2、 C4途径或Hatch-Slack循环
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
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线粒体和叶绿体
（二）电子传递链和光合磷酸化
第 二 节 叶 绿 体 与 光 合 作 用
1、电子传递
光合电子传递链 细胞色素、黄素蛋白、质体醌PQ、铁氧还蛋白Fd等 光系统I（PS I）、光系统II （PS II ）、 细胞色素复合物 光系统 光合磷酸化：由光照引起的电子传递与磷酸化相偶联而生成 ATP的过程 – CF1-CF0ATP合酶 – 非循环式、循环式光合磷酸化
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线粒体和叶绿体
一、线粒体的形态结构——超微结构
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
由内膜、外膜、膜间隙及基质4部分组成 具有双膜双腔结构的细胞器
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线粒体和叶绿体
二、线粒体的化学组成——外膜
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
1、线粒体外膜
平整光滑，厚约6nm，
有孔蛋白，通透性较高。
第六章
线粒体和叶绿体
细胞生物学
第六章
线粒体和叶绿体
主讲 李桂兰
第六章
线粒体和叶绿体
线粒体和叶绿体是细胞内的两种进行能量转换的细胞器。
第 六 章 线 粒 体 和 叶 绿 体
第六章
线粒体和叶绿体
第 六 章 线 粒 体 和 叶 绿 体
第一节 线粒体和氧化磷酸化
第二节 叶绿体与光合作用
第三节 线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器
旋转式分子马达。
ATБайду номын сангаас合成酶是一种旋转式分子马达，可以将质子势能
转变为化学能，或将化学能转变为质子势能。 线性分子马达包括肌球蛋白、胞质动力蛋白、驱动蛋 白等，可将化学能转变为物质运动的机械能。
第六章
线粒体和叶绿体
结合变构假说、旋转催化机制
第一步,随着酶的构象变化,在催化区上结合 的ADP和Pi由松散结合变为紧密结合;
第三节
线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器
线粒体和叶绿体的半自主性
线粒体和叶绿体蛋白质的运送
第六章
线粒体和叶绿体
一、线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器
第 三 节 线 粒 体 和 叶 绿 体 是 半 自 主 性 的 细 胞 器
半自主性细胞器：
– 自主性：自身含有遗传表达系统
– 自主性有限：自身编码的遗传信息十分有限， 细胞核一方面提供大部分遗传信息，一方面起关键的控制作用。
（基部）。
第六章
线粒体和叶绿体
ATP合酶
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
ATP合酶既可以催化ATP的合成，也可以催 化其水解。 ATP合酶是已发现的自然界最小的分子马达。
第六章
线粒体和叶绿体
分子马达
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
具有能量转换功能的生物大分子。有线性分子马达和
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化
4、线粒体基质 内膜包围的空间，含三羧酸循环酶系、脂肪酸氧化、 氨基酸降解的酶系，线粒体基因表达酶系等以及线 粒体DNA、RNA、核糖体。 标志酶是苹果酸脱氢酶。
第六章
线粒体和叶绿体
三、线粒体的功能
第 一 节 线 粒 体 和 氧 化 磷 酸 化 线粒体是糖类、氨基酸、脂肪最终氧化释能的场所，最终