第七章 能量转换叶绿体和线粒体(4学时)
第七章 线粒体与叶绿体
3．光系统Ⅱ（PSⅡ） 吸收高峰为波长680nm处，又称P680。位于基粒与 基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合 体（light-hawesting comnplex Ⅱ，LHC Ⅱ）、一个 反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygen evolving complex）。D1和D2为两条核心肽链，结 合中心色素P680、去镁叶绿素(pheophytin)及质体 醌(plastoquinone)。 4．光系统Ⅰ（PSI） 能被波长700nm的光激发，又称P700。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Ⅰ和作用中心构成。
酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。
现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。
一、形态结构
（一）形态与分布 形状：线粒体一般呈粒状或杆状。 化学组成：蛋白质和脂类。 大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏 外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。 数量及分布：植物细胞少于动物细胞；许多哺乳动 物成熟的红细胞中无线粒体。通常结合在微管上， 分布在细胞功能旺盛的区域。
2S和4Fe-4S两种类型。
辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化
和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，
QH2和自由基半醌（QH）。
电子传递链的复合物
利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）
处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合
物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。 辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶 于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的 外周蛋白。
F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基 质，比较容易从膜上脱落。它可以利用质子动 力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属 于F型质子泵。
高中生物 细胞的能量转换器—线粒体与叶绿体
细胞的能量转换器——线粒体与叶绿体线粒体与叶绿体是真核细胞内两种重要的细胞器，线粒体是有氧呼吸的主要场所，在线粒体内有机物被彻底氧化分解成无机物，其中的能量被转移到ATP 中，所以线粒体是细胞内供应能量的“动力工厂”。
叶绿体是绿色植物光合作用的场所，通过光合作用太阳光能转变成有机物中的化学能，可以进一步被各种生物所利用。
所以，线粒体与叶绿体是真核细胞内的能量转换器。
此外，线粒体与叶绿体内都有少量的DNA，与细胞质遗传有关。
线粒体与叶绿体外包双层生物膜，叶绿体内还有生物膜构成的基粒。
围绕线粒体与叶绿体可以把细胞呼吸、光合作用、细胞质遗传、生物膜等重要知识综合起来。
1 基础知识线粒体与叶绿体都是真核细胞内具有双层膜结构的细胞器，都与细胞内的能量代谢有关，都含有少量DNA和RNA。
1.1在细胞内的分布线粒体普遍存在于各种真核细胞内，绿色植物细胞内的线粒体普遍少于细胞。
在正常的细胞中，一般在需要能量较多的部位比较密集：细胞的新陈代谢越旺盛的部位，线粒体的含量就越多。
而哺乳动物成熟的红细胞（没有细胞核和各种细胞器）、蛔虫等寄生虫，细菌等原核生物没有线粒体。
叶绿体只存在于绿色植物细胞内，如叶肉细胞，植物幼嫩的茎、幼嫩的果实等绿色器官。
叶绿体在细胞中的分布与光照强度有关：在强光下常以侧面对着光源，避免被强光灼伤；在弱光下，均匀分布在细胞质基质中，并以正面（最大面积）对着光源，以利于吸收更多的光能。
而蓝藻等进行光合作用的原核生物、植物的根细胞没有叶绿体。
1.2 结构显微观察形态：线粒体一般呈球状、粒状、棒状，并且随细胞类型及生理条件的不同而存在较大的差别。
叶绿体一般呈扁平的球形或椭球形。
线粒体大致有外膜、内膜和基质(线粒体基质)三部分构成。
外膜平整无折叠，内膜向内折叠凹陷而形成突起的嵴，从而扩大了化学反应的膜面积。
叶绿体由外膜、内膜两层膜包被，内含有几个到几十个基粒，每个基粒都是由很多个类囊体(囊状结构)堆叠而成，基粒与基粒之间充满叶绿体基质。
第七章 线粒体和叶绿体
ATP合成酶(磷酸化的分子基础)
◆分子结构 ◆线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个
不 同的结构体系执行, F1颗粒具有ATP酶活性 ◆工作特点：可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成
ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙 ◆ATP合成机制—Banding Change Mechanism (Boyer 1979) ◆亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据
一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构
●叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电
子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。 ●叶绿体超微结构
二、叶绿体的功能—光合作用 (photosynthesis)
Photosynthesis:(1)光合电子传递反应—光反应(Light Reaction) (2)碳固定反应—暗反应(Dark Reaction)
氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说
◆化学渗透假说内容： 电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子
沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化 学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时 合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。 ◆质子动力势(proton motive force) ◆支持化学渗透假说的实验证据该实验表明：
(Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961) ●质子动力势的其他作用 ●线粒体能量转换过程略图
氧化磷酸化的分子基础
◆氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机 分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP
细胞生物学第七章线粒体与叶绿体知识点整理
细胞生物学第七章线粒体与叶绿体知识点整理线粒体和叶绿体是细胞中两个重要的细胞器。
它们在细胞代谢和能量转换中发挥着重要的作用。
以下是关于线粒体和叶绿体的一些重要知识点：线粒体：1.结构：线粒体是一个由两层膜包围的细胞器。
它包含一个外膜和一个内膜，内膜形成了许多内突起，称为线粒体内膜嵴。
2.能量转换：线粒体是细胞中的能量生产中心。
它通过细胞呼吸过程中的氧化磷酸化来产生能量，将食物分子中的化学能转化为细胞可以使用的三磷酸腺苷（ATP）。
3. 基因组：线粒体具有自己的基因组，称为线粒体DNA（mtDNA）。
它主要编码细胞呼吸过程中所需的蛋白质。
mtDNA由母亲遗传给子代，因此线粒体DNA有助于研究人类的遗传和进化。
4.线粒体疾病：线粒体功能障碍可以导致许多疾病，如线粒体脑肌病、线粒体糖尿病和阿尔茨海默病。
这些疾病通常会影响能量的产生和细胞的正常功能。
叶绿体：1.结构：叶绿体是植物和一些原生生物中的细胞器。
它也是由两层膜包围，并且内膜形成了一系列叫做叶绿体嵴的结构。
2.光合作用：叶绿体是光合作用的主要场所，其中光能转化为化学能以供细胞使用。
叶绿体中的叶绿素能够吸收太阳能，并将其转化为光合作用的产物，如葡萄糖。
3. 基因组：叶绿体也具有自己的基因组，称为叶绿体DNA（cpDNA）。
它主要编码参与光合作用和叶绿体功能的蛋白质。
4.叶绿体疾病：类似于线粒体疾病，叶绿体功能障碍也会导致一系列疾病，在植物中称为叶绿体遗传病。
这些疾病通常会导致叶绿体的正常结构和功能受损。
1.起源：线粒体起源于古代原核生物，而叶绿体起源于古代蓝藻细菌。
这些细菌进化成为现代细胞中的线粒体和叶绿体。
2.功能：线粒体主要参与能量转换，而叶绿体主要参与光合作用。
它们在细胞代谢中的角色不同，但都与能量生产和细胞功能密切相关。
3.基因组：线粒体和叶绿体都有自己的基因组，具有其中一种程度的自主复制和表达能力。
不过，线粒体基因组比较小，叶绿体基因组比较大。
细胞生物学第七章线粒体与叶绿体知识点整理
《第七章 线粒体与叶绿体》知识点整理一、线粒体与氧化磷酸化 1． 形态结构 外膜：标志酶：单胺氧化酶 是线粒体最外面一层平滑的单位膜结构; 通透性高；50％蛋白，50％脂类； 内膜：标志酶:细胞色素氧化酶 是位于外膜内侧的一层单位膜结构；缺乏胆固醇，富含心磷脂-—决定了内膜的不透性（限制所有分子和离子的自由通过)；蛋白质/ 脂类:3:1； 氧化磷酸化的关键场所 膜间隙:标志酶:腺苷酸激酶 其功能是催化ATP 大分子末端磷酸基团转移到AMP ，生成ADP 嵴：内膜内折形成,增加面积；需能大的细胞线粒体嵴数多 片状(板状）:高等动物细胞中，垂直于线粒体长轴 管状：原生动物和植物中 基粒（ATP 合成酶)：位于线粒体内膜的嵴上的规则排列的颗粒 基质：标志酶：苹果酸脱氢酶 为内膜和嵴包围的空间,富含可溶性蛋白质的胶状物质，具有特定的pH 和渗透压； 三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化进行场所 含有大量蛋白质和酶，DNA,RNA ，核糖体，Ca2+ 2． 功能 (1) 通过基质中的三羧酸循环，进行糖类、脂肪和氨基酸的最终氧化 (2) 通过内膜上的电子传递链，形成跨内膜的质子梯度 (3) 通过内膜上的ATP 合成酶，合成ATP ATP 合成酶的结合变化和旋转催化机制（书P90）头部F 1(α3β3γδε) 亲水性 α、β亚基具有ATP 结合位点，β亚基具有催化ATP 合成的活性 γε结合为转子,旋转以调节β亚基的3种构象状态δ与a 、b 亚基结合为定子基部F 0(a 1b 2c 10-12） 疏水性 C 亚基12 聚体形成一个环状结构定子在一侧将α3β3与F 0连接起来>〉氧化磷酸化的具体过程① 细胞内的储能大分子糖类、脂肪经酵解或分解形成丙酮酸和脂肪酸,氨基 酸可被分解为丙酮酸,脂肪酸或氨基酸进入线粒体后进一步分解为乙酰CoA;② 乙酰CoA 通过基质中的TCA 循环,产生含有高能电子的NADH 和FADH2； ③ 这两种分子中的高能电子通过电子传递链，在过程中形成跨内膜的质子梯度； 氧化磷酸化*Delta *epsilon《第七章 线粒体与叶绿体》知识点整理④ 质子梯度驱动ATP 合成酶将ADP 磷酸化成ATP,势能转变为化学能。
《细胞生物学》课程教学大纲
《细胞生物学》课程教学大纲（Cell Biology）课程编号：1922011（1923011）课程类别：学科基础课（专业课）适用专业：生物技术、生物科学、生物科学（师范）、生物工程先修课程：动物生物学、植物生物学、生物化学后续课程：分子生物学、发育生物学、细胞工程、基因工程总学分：3.5 其中实验学分：1总学时：72 （其中理论40学时、实验32学时）教学目的和要求：细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，是生命科学的四大基础学科之一，它在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，细胞信号传递，真核细胞基因表达与调控，细胞起源与进化等为主要内容。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握细胞的结构与功能，阐明细胞生命活动的基本规律，并为细胞的生命活动提供理论基础，为今后从事该领域及其相关领域的科学研究提供必要的基础。
教学内容与学时安排结论（1学时）一、课程介绍与要求二、细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科三、细胞生物学的主要研究内容四、当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域本章重点：细胞生物学的主要研究内容。
难点：细胞生物学研究的总趋势与重点领域。
教学基本要求：了解当前细胞生物学研究的总趋势，理解细胞生物学是生命科学的重要基础课，掌握细胞生物学的主要研究内容。
第一章细胞概述（3学时）第一节细胞的发现及细胞学说的创立一、细胞的发现二、细胞学说的创立三、细胞学理论对细胞学发展的推动作用第二节细胞的共性一、细胞结构的共性二、细胞功能的共性三、细胞的形态四、细胞的大小及体积的恒定五、细胞及细胞器的计量单位第三节细胞的分子基础一、细胞中的水二、无机盐三、有机小分子四、生物分子及其功能五、细胞结构体系的组装第四节细胞的类型和结构体系一、原核细胞二、真核细胞的两种主要类型：动物细胞和植物细胞三、真核细胞的结构体系四、真核细胞与原核细胞的比较第五节病毒：非细胞的生命体一、病毒是比细胞更小的生命体二、病毒只能在细胞中增殖三、冠状病毒与SARS第六节细胞生命的进化一、细胞生命的起源二、真核细胞的起源三、从单细胞向多细胞进化本章重点：细胞学说的内容；细胞的共性；细胞的类型和结构体系；细胞生命的进化。
细胞能量转换-叶绿体和线粒体
◆外膜(outer membrane）：6nm,具有porin（可逆开闭）构成的亲 水通道，通透性较高, 允许小分子物质通过，标志酶为单胺氧化酶。
◆内膜（inner membrane）：6-8nm,类似细菌质膜；心磷脂含量高
(达20%)、缺乏胆固醇，通透性很低。内膜的标志酶为细胞色素C氧 化酶。
宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。含许多可溶性酶、 底物及辅助因子。 ◆基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨
基酸氧化的酶类；DNA及核酸、蛋白合成体系；纤维
丝和致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。 标志酶为苹果酸脱氢酶。
3. 化学组成
蛋白质(线粒体干重的65～70％) 脂类(线粒体干重的25～30％)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）
（1）移位酶：特异性载体，运输磷酸、Ca2+、核苷酸、－酮戊二酸、
谷氨酸、鸟氨酸等代谢产物 （2）生物合成酶类：参与Mit DNA、RNA、蛋白质合成、脂肪酸、血 红素合成 （3）呼吸链酶： 构成内膜的主要成份 NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、 CoQ-细胞色素C还原酶、细胞色素氧 化酶、铁硫蛋白、细胞色素b、c1、c、a和a3等
组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁 硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。 作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质 子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。 NADH→FMN→Fe-S→Q NADH + 5H+M + Q→NAD+ + QH2 + 4H+C
第七章细胞的能量转换—线粒体与叶绿体
第七章细胞的能量转换—线粒体和叶绿体一．教学目标：1．深刻明白得线粒体和叶绿体是真核细胞两种重要的产能细胞器。
线粒体普遍存在于各类真核细胞中，而叶绿体仅存在于植物细胞中。
2．深刻明白得线粒体和叶绿体的超微结构，明白得氧化磷酸化和光合磷酸化的特点和不同点。
3．深刻明白得线粒体和叶绿体都是半自主性的细胞器。
深刻明白得分子伴娘在跨膜运输蛋白质进入线粒体和叶绿体的进程中所发挥的作用。
4．明白得线粒体和叶绿体的增殖主若是通过割裂进行的。
明白得关于线粒体和叶绿体起源的内共生学说和分化学说。
二．重点：1.线粒体、叶绿体的超微结构；2. 线粒体、叶绿体的自主性3. 线粒体、叶绿体的增殖。
三．难点：线粒体、叶绿体的超微结构及功能的关系。
四．讲课方式与教学方式：教学、讨论、多媒体辅助教学。
五．教学内容:线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。
线粒体普遍存在于各类真核细胞中，叶绿体仅存在于植物细胞中。
线粒体和叶绿体都是高效的产生ATP的周密装置，尽管它们最初能量的来源不同，但却有着相似的大体结构，以类似的方式合成ATP。
线粒体和叶绿体都有环状DNA及自身转录的RNA与翻译蛋白质的体系。
组成线粒体和叶绿体的各类蛋白质成份是由核DNA和线粒体DNA或叶绿体DNA别离编码的，因此线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器。
第一节线粒体与氧化磷酸化一、线粒体形态、大小、数目和分布二、线粒体的超微结构本世纪50年代后，在电镜下观看研究线粒体的结构问题。
是由双层单位膜套叠成的所谓“囊中之囊”，在空间结构上人为地划分为四大部份，即外膜、内膜、外室、内室。
（一）外膜（outer membrane）指包围在线粒体最外面的一层膜，看上去平整滑腻而具有弹性，膜厚约6nm。
对各类小分子物质（分子量在10000 doldon之内，如电解质、水、蔗糖等）的通透性较高，有人以为外膜上具有小孔（ф2~3nm）。
（二）内膜（inner membrane）也是一单位膜，约厚6~8nm。
第七章 细胞的能量转换 —线粒体与叶绿体 基础篇
第七章 细胞的能量转换—线粒体与叶绿体
第七章 细胞的能量转换
—线粒体与叶绿体
基础篇
一、名词解释
1. 泛醌(uniqueinone, coenzyme Q)
2. 氧化磷酸化
(oxidative phosphorylation)
3.所有的微体蛋白质都是在游离核糖体上
合成的。
4.线粒体内膜的惟一功能是产生ATP。
5.由线粒体核糖体合成的线粒体膜蛋白是
通过共翻译定位的。
6.线粒体虽然是半自主性细胞器，有自身的
遗传物质，但所用的遗传密码却与核基因
的完全相同。
7.乙醛酸循环体的功能是通过乙酰CoA和
乙醛酸循环合成碳水化合物和其它细胞成
A．PSⅡ B．PSⅠ C．ATP合成酶 D．细胞色素b6 /f复合物 27． 下列哪一种叙述是正确的？
A．类囊体膜不能透过质子 B．ATP合酶定位于叶绿体外膜 C．ATP合酶定位于叶绿体内膜 D．以上都对 28．光子的能量依赖于（ ）。
A．波长 B．温度 C．激发态 D．是否是在真空中发射 29．CF0 CF1 -ATP合酶是光合磷酸化的偶联 因子，位于（ ）。
的功能。
8. 当由核基因编码的线粒体蛋白进入线粒
体时，需要
和
提供能
量来推动。
9. 线粒体内膜的主要功能有：
①
；
②
；
③
。
10.在F0F1ATP酶复合体中γ-亚基的作用
是
。
11.铁硫蛋白是含铁的蛋白质,也是细胞色素
类蛋白质。在铁硫蛋白分子的中央结合的不
细胞的能量转换器——线粒体和叶绿体
细胞内重要的能量转换器——线粒体和叶绿体真核细胞就像一座复杂的工厂，工厂的内部被分成许多不同的车间，这些车间就是细胞内的各种细胞结构，这些车间各自行使着不同的功能，使得整个细胞有条不紊地进行复杂的生命活动。
这些车间中，有两个重要的能量转换场所，它们就是线粒体和叶绿体。
线粒体是真核生物生命活动所需能量的主要产生场所，被誉为“细胞的动力车间”，没有了线粒体，细胞或生物体的生命就将终结。
叶绿体是大多数植物进行光合作用的场所，被誉为“细胞的养料制造车间”，光能是生物界赖以生存的最根本的能量来源，绿色植物通过光合作用，利用光能将CO2和H2O合成为有机物，这些有机物不仅为植物自身所用，动物和微生物也要直接或间接以之为食，因此叶绿体对整个生物界都有重要作用。
线粒体和叶绿体在外观和构造上都有很多相似的地方，但它们所行使的功能却存在着很大的区别，要弄清线粒体和叶绿体的功能具有很大差别的原因，就必须从它们的亚显微结构入手。
一．叶绿体和线粒体的膜叶绿体和线粒体结构上的相同点之一就是它们都具有双层膜结构，这两层膜和细胞膜一样，都由磷脂双分子层作为基本支架，其上结合各种蛋白质分子，具有一定的流动性，在物质运输方面也都有选择透过性。
叶绿体除了含有表面的两层膜外，其内部的囊状结构也是由一层膜围成的，囊状结构膜也具有上述特点。
但是如果进一步分析这些膜上的各成分的含量，尤其是蛋白质的含量，就不难发现其中的差异。
相关的研究结果如下表：为什么会出现上述结果呢？我们知道蛋白质是生命活动的主要承担者，细胞内的各种膜要行使其功能，也离不开蛋白质。
线粒体内膜上蛋白质含量高，原因是线粒体进行有氧呼吸所需要的各种酶有很多都位于其内膜上，而其外膜并不直接参与有氧呼吸。
叶绿体的双层膜蛋白质含量都很低，也是因为它们并不直接参与光合作用，而囊状结构膜却是光合作用的重要场所，其上含有大量与光合作用有关的酶。
通过上面的分析可以看出，叶绿体和线粒体的各种膜，由于它们的结构组成不同，功能也就不同。
细胞内重要的能量转换器——线粒体和叶绿体
细胞或生物体的生命就将终结。叶绿体是大多数植物进行光合作用的场所，被誉为“细胞的
养料制造车间”，光能是生物界赖以生存的最根本的能量来源，绿色植物通过光合作用，利
用光能将 CO2 和 H2O 合成为有机物，这些有机物不仅为植物自身所用，动物和微生物也要
直接或间接以之为食，因此叶绿体对整个生物界都有重要作用。线粒体和叶绿体在外观和构
基质
都含有丰富的酶，且都含有少量的 DNA、RNA 和核糖体
功能
都在生物体能量转换方面发挥重要作用
蛋白质含量较叶绿体内膜 蛋白质含量相对较低，与光
内膜
高，是因为其上含有大量与 合作用无直接联系
有氧呼吸有关的酶
发达，由一层膜构成，形成
类囊体
无
大量的基，其上含有大量
与光合作用有关的色素和酶
色素
无
含有四种与光合作用有关的 色素
细胞内重要的能量转换器——线粒体和叶绿体
真核细胞就像一座复杂的工厂，工厂的内部被分成许多不同的车间，这些车间就是细胞
内的各种细胞结构，这些车间各自行使着不同的功能，使得整个细胞有条不紊地进行复杂的
生命活动。这些车间中，有两个重要的能量转换场所，它们就是线粒体和叶绿体。线粒体是
真核生物生命活动所需能量的主要产生场所，被誉为“细胞的动力车间”，没有了线粒体，
所，其上含有大量与光合作用有关的酶。
通过上面的分析可以看出，叶绿体和线粒体的各种膜，由于它们的结构组成不同，功能
也就不同。
二．叶绿体和线粒体的基质的化学成分
叶绿体和线粒体结构的第二个相同点是：它们的双层膜内侧，都分布有丰富的基质成分，
它们和细胞质基质一样，并含有大量的酶，各种原料和 ATP 等物质，都在不停地流动着， 进行着旺盛的生命活动。但是，很明显，线粒体和叶绿体所行使的生命活动是不同的，这又
南开大学细胞生物学7第七章 线粒体和叶绿体 复习题
第七章线粒体和叶绿体学习要求：掌握线粒体的分离与鉴定、结构与功能的知识。
掌握氧化磷酸化的过程原理和区别，掌握线粒体和叶绿体蛋白质合成及其转运知识点。
理解线粒体与叶绿体的半自主性及其增殖与起源的相关知识。
了解叶绿体的结构和功能。
本章的难点与重点：氧化磷酸化的机制；线粒体和叶绿体蛋白的运送与装配。
基本概念：呼吸链：也称电子传递链，是位于线粒体内膜上的有一系列电子传递提案一定顺序排列起来形成的呼吸电子传递轨道。
电子传递体是一些氧化还原迅速而可逆的分子，其在电子传递链中是按氧化还原电位由低到高的顺序依次排列的。
呼吸底物氧化分解过程脱出的电子经呼吸电子传递链最终传递给分子氧，将氧还原成水。
氧化磷酸化：呼吸链上氧化作用释放出的能量与ADP的磷酸化作用偶联起来形成ATP的过程称为氧化磷酸化。
因此氧化磷酸化特指呼吸链上磷酸化作用，有别于底物水平的磷酸化和光合磷酸化。
ATP合成酶：又称为F1F0-ATP酶，广泛存在于线粒体、叶绿体、异养菌和光合细菌中，是生物体能量转换的核心酶。
该酶分别位于线粒体内膜、类囊体膜或质膜上，是跨膜的通道蛋白，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下，或者说在他的引导下，质子通过膜来驱动从ADP和无机磷合成ATP。
化学渗透假说：是1961年由Mitchell等提出的，用来解释氧化磷酸化耦连机理学说。
该假说的主要内容是：呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布式不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量能将H+从膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对质子是不通透的，从而使膜间隙的H+浓度高于基质，因而在内膜的两侧形成电化学质子梯度。
在这个梯度驱动下，H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质中，其能量促使ADP和Pi合成ATP,从而使体内能源物质氧化释放的化学能通过转变成渗透后，再转移到ATP中的过程。
半自主性细胞器：指线粒体和叶绿体两种细胞器具有自我增殖所需要的基本组分，具有独立进行转录和翻译的功能；但两种细胞器基因组信息量是有限的，绝大多数蛋白质是由核基因组编码，在细胞质核糖体上合成后转运至之，即两种细胞器的自主性是有限的，基因在转录和翻译过程中在很大程度上要依赖于核质遗传系统，故称为半自主性细胞器。
细胞生物学 第7章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体
第七章细胞的能量转换――线粒体和叶绿体生物的基本能量来源于太阳光的辐射能。
但生物体不能直接利用太阳光的辐射能，必须先使之转换成化学能，再为生物体利用。
叶绿体通过光合作用把光能转换为化学能，并储存于糖类、脂肪和蛋白质等大分子有机物中。
线粒体是一种高效地将有机物转换为细胞生命活动的直接能源ATP的细胞器。
因此，线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。
线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质体系。
很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息系统称为真核细胞的第二遗传信息系统，或称为核外基因及其表达体系。
线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器。
第一节线粒体与氧化磷酸化人体内的细胞每天要合成几千克的ATP，且95%的ATP是由线粒体中的呼吸链所产生，因此线粒体被称为细胞内的“能量工厂”（power plants）。
线粒体通过氧化磷酸化作用，进行能量转换，为所需要的细胞进行各种生命活动提供能量。
一、线粒体的形态结构1、线粒体的形态、大小、数量与分布1)线粒体的形状线粒体的形状各种各样，以线状和颗粒状最常见。
也可呈环形、哑铃形、枝状或其他形状。
2)线粒体的大小线粒体的一般直径为0.5-1.0um,长,1.5-3.0um。
有的长达5um（如肝细胞）或10－20 um（胰腺细胞）或40 um（人的成纤维细胞）。
3)线粒体的数量线粒体的数目由数百――数千个不等。
如利什曼原虫中只有一个巨大的线粒体，海胆卵细胞则多达30万个。
4)线粒体的分布线粒体在细胞中的分布一般是不均匀的。
二、线粒体的超微结构在电镜下观察到线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。
主要由外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙（intermembrane）、基质（matrix）或内室（inner chamber）4部分组成。
图7－11.外膜外膜是包围在线粒体最外面的一层单位膜，光滑而有弹性，厚约6 um。
《细胞生物学》课程教学大纲精选全文
可编辑修改精选全文完整版《细胞生物学》课程教学大纲课程名称：细胞生物学课程类别：专业主干课适用专业：生物科学、生物技术、生物工程考核方式：考试总学时、学分：48学时3学分其中实验学时： 0 学时一、课程教学目的1、通过理论、实验和自学等教学与实践活动，使学生较全面掌握细胞的形态结构及细胞生命活动规律的基本知识和基本概念。
2、在学习过程中，注重培养学生运用发展观点思考问题的能力，将细胞结构与细胞重大生命活动相结合，理论联系实际，指导学生《细胞生物学》课程的学习与实践。
3、帮助学生理解掌握细胞基本结构和功能之间的联系，，培养学生生物学的科学思想，了解细胞生物学最新研究进展和动态，从而使学生能够从细胞的角度去理解生命的本质。
4、使学生了解细胞生物学的研究方法和手段，并学会细胞生物学基本实验方法，结合实验，训练学生显微测量、细胞活体染色、细胞器分级分离、显微观察等综合能力，使学生在创新精神、科学态度、实验技能、自主探究、团结协作等方面获得初步训练。
5、在上述基础上，引导和培养学生学会使用教材、教学参考书、实验指导，不断提高学生的自学能力、动手能力、语言表达能力，同时，培养学生运用辩证唯物主义观点，以及不同学科之间的联系与相溶，提高分析问题、解决问题的能力，以适应本专业培养目标对人才培养规格的需要。
二、课程教学要求1、培养和训练学生坚持用辩证唯物主义的观点，分析和解释细胞的结构与细胞重大生命活动问题，使之具有较好的人文社会科学素养、较强的社会责任感和良好的从教职业道德；2、根据本课程特点，结合细胞器分离观察、显微测量、显微观察、活细胞染色等，使学生具有从事教学及相关工作必须的基础生物学知识和教学管理知识；3、通过细胞结构特点，细胞增殖、分化、衰老与凋亡，细胞信号传递，基因表达与调控等细胞重大生命活动规律的学习，细胞生物学研究方法和手段的基本实验方法训练，使学生具有理论和实验方法创新意识，能结合课程发展动态开展相关研究和实验设计的能力；4、掌握文献检索、资料查询以及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；5、本课程是一门实验性学科，在教学过程中，培养学生小组合作的意识和团队协作的组织管理能力，着重训练学生的语言表达能力与人际沟通能力，提高学生毕业后在工作中的适应能力。
线粒体的能量转换
线粒体的能量转换线粒体是细胞中的一个重要器官，它在细胞内负责能量的转换和供应。
线粒体通过氧化磷酸化过程将有机物质转化为细胞能量的主要形式——三磷酸腺苷（ATP）。
本文将详细介绍线粒体的结构和功能，以及能量转换的过程。
一、线粒体的结构线粒体是一个双层膜结构的细胞器，它由外膜、内膜、内膜间隙和基质组成。
外膜是线粒体的外层，具有较为松散的结构，内膜则是线粒体的内层，具有较为严密的结构。
内膜上有许多褶皱，称为线粒体内膜嵴，增加了内膜的表面积，有利于能量转换的进行。
内膜间隙是外膜和内膜之间的空间，基质则是线粒体内膜的内部空间。
二、线粒体的功能线粒体的主要功能是进行能量转换和供应。
它通过氧化磷酸化过程将有机物质转化为ATP，为细胞提供能量。
此外，线粒体还参与细胞的呼吸作用、钙离子的调节、细胞凋亡等重要生物学过程。
三、线粒体的能量转换过程线粒体的能量转换过程主要包括三个步骤：糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化。
1. 糖酵解糖酵解是线粒体能量转换的起始步骤，它将葡萄糖分解为丙酮酸和乳酸。
这个过程在细胞质中进行，产生少量的ATP和NADH。
2. 三羧酸循环三羧酸循环是线粒体能量转换的第二步，它将丙酮酸氧化为二氧化碳和水，并释放出大量的能量。
这个过程发生在线粒体的基质中，产生少量的ATP、NADH和FADH2。
3. 氧化磷酸化氧化磷酸化是线粒体能量转换的最后一步，也是最重要的一步。
它将NADH和FADH2在线粒体内膜嵴上的电子传递链中释放出的电子转化为能量，并将其与ADP结合形成ATP。
这个过程需要氧气的参与，因此也被称为有氧呼吸。
氧化磷酸化是线粒体能量转换的主要方式，产生大量的ATP。
四、线粒体能量转换的意义线粒体能量转换对细胞的生存和功能发挥起着至关重要的作用。
细胞需要大量的能量来维持其正常的生理活动，如细胞分裂、蛋白质合成、细胞运动等。
线粒体通过能量转换过程提供了细胞所需的ATP，为这些生理活动提供了动力。
总结：线粒体是细胞中的一个重要器官，它通过氧化磷酸化过程将有机物质转化为ATP，为细胞提供能量。
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几种线粒体的结构形态
(A)高等动物细胞的常见线粒体； (B)蜗牛黏液腺细胞长蛇形线粒体； (C)酵母细胞的网状线粒体。
线粒体向需能部位的集中
(A)在心肌中，线粒体紧密排列在肌原纤维之间 (B)在精子的轴丝部位，线粒体呈环状紧绕在轴丝周围
（二）线粒体的融合与分裂
图示：洋葱表皮细胞内线粒体在约1分钟内相继发生融合和 分裂的模式图 Arimura等使用可变色荧光蛋白（Kaide）标记线粒体，红 色和绿色为不同线粒体，叠加后变成黄色
（二）ATP合成酶（F-质子泵）
ATP合成酶（ATP synthetase）或F1 F0-ATP酶，成蘑菇状。 分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下， ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷
酸化是指当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，
同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程。
生物的蓝细菌，即蓝藻。
真核细胞的前身是一个体积巨大，不需要氧气，具有
吞噬能力的细胞，这要利用糖酵解获得能量
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
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。
本章重点内容回顾
重点： 线粒体和叶绿体的结构、功能 为什么说线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器？ 内共生起源假说
◆由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；
◆由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。
三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装
●线粒体蛋白质的运送与组装 ◆导肽(leader peptide/sequence) ◆定位于线粒体基质的蛋白质的运送 ●叶绿体蛋白质的运送及组装 转运肽(transit peptide)
隙和膜基质分开的一层单位膜结构，高度不通透性。
含有与能量转换相关的蛋白。细胞色素氧化酶是内
膜的标志酶。
F1 F0
F0F1-ATP酶 (ATP合成酶)
内膜
线粒体基粒
嵴(cristae) ：内膜向内折叠形成嵴，扩大内膜面积，
增加了内膜的代谢效率 嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！
需能多
需能少
◆膜间隙（ intermembrane space ）：内外膜之
由于线粒体各部位的功能不同, 因此所含的酶也不同：
内膜：电子传递链和氧化磷酸化的酶 线粒体基质：参与三羧酸循环、脂肪酸氧化和丙酮酸氧化的酶
二、线粒体的功能
线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的
生命活动提供能量。 其他：参与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡；
细胞质 线粒体 糖、脂肪 丙酮酸和脂肪酸 乙酰coA
三、氧化磷酸化的作用机理
（一）化学渗透假说内容 当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质 侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而 使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度 （△pH）及电位梯度（ △ Ψ），两者共同构成电化学梯度， 即质子动力势（proton-motive force, △P）。
二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成
● 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限
●线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性
●参加叶绿体组成的蛋白质来源： ◆由mtDNA编码，在线粒体核糖体上合成； ◆由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成； ●参加叶绿体组成的蛋白质来源有３种情况：
◆由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；
四、线粒体叶绿体基因组与细胞核的关系
在真核细胞中，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被称为 核质互作（nuclear-cytoplasmic interaction）
核质冲突（ nuclear-cytoplasmic incompatibility, nuclear-cytoplasmic conflict ）
第七章 细胞的能量转换─ 线粒体和叶绿体
●线粒体 ●叶绿体
●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
●线粒体和叶绿体蛋白质的增殖与起源
第一节 线粒体
一、线粒体的形态结构
(一)线粒体的形态、大小、数量与分布 形态：一般呈粒状或杆状，但也可呈环形，哑铃形、 线状、分杈状或其它形状。 大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm。 巨线粒体：在胰脏外分泌细胞中，长达10~20μm。 数目：一般数百到数千个，线粒体的数目还与细胞 的生理功能和生理状态有关，在新陈代谢旺盛的细胞 中线粒体较多。
电子传递的方向为：琥珀酸－FAD－Fe-S－Q
复合物Ⅲ 细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，作用是催化 电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同 时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。
(CoQ bFe-Sc1 C )；
复合物Ⅳ 细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，作用是将从 细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在 基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。
三羧酸循环
氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP
电子载体
黄素蛋白（多肽与FMN或者FAD结合成复合体） 细胞色素（依赖于Fe）
泛醌（辅酶 Q）
铁硫蛋白（FeS）
铜原子
电子传递链的复合物
位于线粒体内膜参与呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。
辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶 于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的 外周蛋白。
一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构
●叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电 子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。
二、叶绿体的主要功能
叶绿体的主要功能是进行光合作用。 光合作用的过程分为：①原初反应、②电子传递和光合磷酸化、 ③碳同化。其中①和②属于光反应，在类囊体膜上进行； ③属 于暗反应（dark reaction），在叶绿体基质中进行。
（三）线粒体的超微结构
线粒体由两层彼此平行的单位膜套叠而成的 封闭的囊状结构。
线 粒 体 的 结 构
外膜
内膜
膜间隙
嵴
基质
◆外膜(outer membrane）：起界膜作用，含孔蛋白 (porin)，通透性较高。单胺氧化酶是外膜的标志酶。
◆内膜（inner membrane）：位于外膜内侧，把膜间
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？
◆线粒体和叶绿体的基因组中存在内含 子，
(c aa3-Cu2+ 1/2 O2 )
次呼吸链
1 2 O2
主呼吸链
既具有一定的流动性，又有一定的相对空间分布
电子传递链的组分及其排列次序图解
两条主要的呼吸链
根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼
吸链和FADH2呼吸链。复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，
催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链， 催化琥珀酸的脱氢氧化。 呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从 低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以 使ADP与无机磷结合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之间。 部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。部位Ⅲ在细胞色素a和 氧之间。
第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
半自主性细胞器的概念：
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)
●线粒体和叶绿体的DNA
●线粒体和叶绿体的蛋白质合成
●线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装
（二）叶绿体的发育和增殖
◆个体发育：由前质体（proplastid） 分化而来。 ◆增殖：分裂增殖
线粒体和叶绿体的起源
●内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)
●非共生起源学说
内共生起源学说
◆ Margulis，1970 年：线粒体的祖先 - 原线粒体
是一种革兰氏阴性细菌；叶绿体的祖先是原核
而真细菌原核生物基因组中不存在内含子， 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，需要增加具有呼吸作用的膜表面，细胞
膜内陷、扩细胞核被膜的形成 与演化的渐进过程。
◆不足之处
一、线粒体和叶绿体的DNA
● mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
环状双链；动物中：1个/细胞；植物中：0.1/细胞 ● mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制
● mtDNA 复制的时间主要在细胞周期的 S 期及 G2 期，DNA先复制，随后线粒体分裂。 ctDNA复制的时间在G1期。
ATP合成酶结构
ATP酶的“结合变构”模型
四、线粒体与疾病
与线粒体相关的疾病有100多种，脑坏死、心肌病、 肿瘤、不育、帕金森症等