第6章 线粒体和叶绿体

Ø mtDNA 和cpDNA均以半保留方式进行复制。其复制 受细胞核的控制。复制所需的DNA聚合酶、解旋酶 等均由核基因组编码。
（二）线粒体和叶绿体中的蛋白质
Ø 线粒体和叶绿体基因组编码的蛋白质在线 粒体和叶绿体的生命活动中是重要和不可 缺少的；
Ø 这些蛋白质还远远不足以支撑线粒体和叶 绿体的基本功能。
Ø 叶绿体内膜上有很多转运蛋白，选择性转 运较大分子。
（二）类囊体
Ø 叶绿体内部由内膜衍生而来的封闭的扁平膜囊，称 类囊体。类囊体囊内的空间称为类囊体腔（thylakoid
umen）；
Ø 在叶绿体中，许多圆饼状的类囊体有序叠置成基粒 （grana）。
Ø 基粒膜囊系统独立于基质，在电化学梯度的建立和 ATP 的合成中起重要作用。
Ø 孔蛋白（porin）构成的桶状通道，直径为2～3 nm，可以 通过相对分子质量高达5×103 的分子，可根据细胞的状 态可逆性地开闭。ATP、NAD、辅酶A 等相对分子质量小 于1×103 的物质均可自由通过外膜。
Ø 由于外膜的通透性很高，膜间隙中的离子环境几乎与胞质 相同。
Ø 外膜上还分布有一些特殊的酶类，如参与肾上腺素氧化、 色氨酸降解、脂肪酸链延长的酶等，表明外膜不仅参与膜 磷脂的合成，还可对将在线粒体基质中彻底氧化的物质进 行先行初步分解。
和PSⅡ捕光复合物（LHCⅡ ）组成。其功能是利用光 能在类囊体膜腔面一侧裂 解水并在基质侧还原质体 醌，使类囊体膜的两侧形 成质子梯度。
（2）Cytb6f复合物的结构与功能 ØCyt b6f 复合物含有一个Cyt b6、一个Fe-S
和一个Cyt f (c 型细胞色素)，在电子传递过 程中，Cyt b6f 复合物在PSⅡ和PSⅠ之间承 担重要的联系；
1.光合色素 2.光化学反应 Ø 光化学反应是指反应中心
色素分子吸收光能而引发 的氧化还原反应。
（二）电子传递和光合磷酸化
1.电子传递
Ø 光合电子传递链（photosynthetic electron transfer chain）由 一系列的电子载体构成。
（1）PSII的结构与功能 Ø PSⅡ由反应中心复合物
控与细胞类型相关，随着细胞分化而变化。
（二）线粒体的融合与分裂
➢动、植物细胞中均可观察到频繁的线粒体融 合与分裂现象，这被认为是线粒体形态调控 的基本方式，也是线粒体数目调控的基础。
（三）线粒体融合与分裂的分 子及细胞生物学基础
1．线粒体融合与分裂的 分子生物学基础
➢果蝇调控线粒体融合
基因Fzo
Ø 嵴上存在许多规则排列的颗粒，称为线粒体基粒 （elementary particle），即ATP 合酶（ATP synthase）
Ø 内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。
（三）膜间隙 Ø宽约6～8 nm。 Ø 膜间隙内的液态介质含有可溶性的
酶、底物和辅助因子。
Ø 腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶，可 催化ATP 分子末端磷酸基团转移到 AMP生成ADP。
Ø已知的人类线粒体病有100 多种，常见的有 脑坏死、心肌病、肿瘤、不育、帕金森综 合征等。
克山病；Leigh 综合征；氧自由基的过 度积累；农业生产中广为利用的细胞质雄 性不育 。
第二节 叶绿体与光合作用
一、叶绿体的基本形态及动态特征
（一）叶绿体的形态、分布及数目 ➢ 在高等植物的叶肉细胞中，叶绿
（一）线粒体和叶绿体DNA
Ø 绝大多数真核细胞的线粒体DNA (mitochondrial NA，mtDNA) 呈双链环状；线粒体需要通过频繁的 融合与分裂共享细胞内的遗传信息；被子植物的 mtDNA呈现出丰富的分子多态性。
Ø 叶绿体DNA（cpDNA）或称质体DNA（ptDNA）亦呈环 状，分子大小依物种的不同呈现较大差异，在200 ～2500kb之间；
Ø 该途径固定CO2 的最初产物为草酰乙酸( 四碳化 合物)，因而被称为C4 途径
3．景天酸代谢(crassulacean acid metabolism
，CAM)
Ø 发现于生长在干旱地区的景天科及其他一 些肉质植物。
Ø 初级固碳产物是苹果酸。
第三节 线粒体和叶绿体的半自主性及其起源
一、线粒体和叶绿体的半自主性
（三）线粒体、叶绿体基因组与细胞核的关系
Ø 线粒体和叶绿体的生命活动受到细胞核以及它们 自身基因组的双重调控；
Ø 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
不同真核生物线粒体基因组（DNA）大小及其表达产物
二、线粒体和叶绿体的起源
➢ATP 合酶的头部被称为偶联因子1（coupling factor 1， F1），由5种类型的9个亚基组成，组分为α3β3γεδ。
➢在空间上，3个α亚基和3个β亚基交替排列，形成一个 “橘瓣”状结构,其中α和β亚基具有核苷酸结合位点，但
只有β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。
➢F1的功能是催化ATP合成，在缺乏质子梯度情况下则呈现水 解ATP的活性。
（四）线粒体基质
Ø 富含可溶性蛋白质的胶状物质，具有特定的 pH 和渗透压。
Ø 催化线粒体重要生化反应，如三羧酸循环、 脂肪酸氧化、氨基酸降解等
Ø 还含有DNA、RNA、核糖体以及转录、翻译 所必需的重要分子。
三、氧化磷酸化
（一）ATP合酶
Ø ATP 合酶的分子由球形的头部（F1）和基部（F0） 组成，头部朝向线粒体基质，规则性地排布在内膜 下并以基部与内膜相连。
（二）叶绿体的分化和去分化
Ø 叶绿体是原质体的一种分化方式；
Ø 叶绿体的分化表现为形态上和在生化与分子生 物学上；
Ø 在特定情况下，叶绿体的分化是可逆的，叶绿 体可去分化再次形成原质体。
（三）叶绿体的分裂 Ø 质体和叶绿体通过分裂而实现增殖。
Ø 叶绿体的分裂与线粒体分裂具有相同的细 胞动力学机制。
（三）电子传递链
Ø 由电子载体组成的电子传递序列被称为电子传递 链（electron transport chain），也称作呼吸链（ 。 respiratory chain）
ATP形成机制—氧化磷酸 化
基质 膜间隙
羧酸循环
ATP合成器 丙酮酸
（四）电子传递复合物
1. 复合物Ⅰ即NADH-CoQ 还原酶， 又称 NADH 脱氢酶。
第6章 线粒体和叶绿体
讲授内容： 线粒体与氧化磷酸化 叶绿体与光合作用 线粒体和叶绿体的半自主性及其起源
第一节 线粒体与氧化磷酸化
一、线粒体的基本形态及动态特征
（一）线粒体的形态、分布及数目 ➢呈颗粒或短线状，直径为0.3～1.0 μm，
长度为1.5～3.0 μm； ➢分布与细胞内的能量需求密切相关； ➢线粒体的数目同样呈现动态变化并接受调
➢ 多拷贝的c 亚基形成一个环状结构。 ➢ a 亚基和b 亚基形成的二聚体排列在c
亚基12 聚体形成的环的外侧。 ➢ 同时，a 亚基、b 亚基及F1 的δ亚基共
同组成“定子”（stator），也称外周 柄。
① 质子梯度的作用并不是生成ATP，而是 使ATP 从酶分子上解脱下来。
② ATP 合酶上的3 个β 的构象不同,在任一 时刻，3 个β 催化亚基以3 种不同的构象 CF0-CF1ATP 合酶 （2）光合磷酸化的类型 （3）光合磷酸化的作用机制 （4）ATP 合成机制
叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H＋跨膜转移
（三）光合碳同化 1．卡尔文循环
（1）羧化阶段 （2）还原阶段 （3）RuBP再生阶段
2. C4 途径
Ø存在于一些热带或亚热带起源的植物(C4 植 物)中，如甘蔗、玉米、 高粱等。
Ø 外膜的标志酶是单胺氧化酶（monoamine oxidase）。
（二）内膜 Ø 单位膜结构， 厚6～8 nm。
Ø 内膜的不透性（impermeability）----有很高的蛋白质/ 脂质比（质量比≥3∶1），缺乏胆固醇，富含心磷 脂。从而限制了所有分子和离子的自由通过；
Ø 线粒体内膜是氧化磷酸化的关键场所，内膜向内 延伸形成嵴，大大增加了内膜的表面积。其形状 、数量和排列与细胞种类及生理状况密切相关；
ØCyt b6f 复合物将电子从双电子载体PQB 转 运到单电子载体PC，形成一个Q 循环。在 这个循环中，电子从PQBH2 一次一个地传 递到PC，引起H+ 的跨膜转移。
（3）PSI的结构与功能 Ø PSⅠ由反应中心复合物和PSⅠ捕光复合物（LHCⅠ
）组成，其功能是利用吸收的光能或传递来的激 发能在类囊体膜的基质侧将NADP+ 还原为NADPH。
Ø 囊体膜富含具有半乳糖的糖脂和极少的磷脂。糖脂 中的脂肪酸若是不饱和的亚麻酸脂双分子层流动性 非常大，有益于光合作用过程中类囊体膜上的 PSⅡ、Cyt b6f 复合物、PSⅠ及CF0-CF1 ATP 合酶 复合物在膜上的侧向移动。
（三）叶绿体基质
Ø 叶绿体内膜与类囊体之间的液态胶体物质，称 为叶绿体基质。基质的主要成分是可溶性蛋白 质和其他代谢活跃物质，其中丰度最高的蛋白 质为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 / 加氧酶
➢γ亚基的一个结构域构成穿过F1的中央轴，另一结构域与3 个β亚基中的一个结合。
➢ε亚基协助γ亚基附着到ATP合酶的基部结构F0上。 ➢γ与ε亚基具有很强的亲和力，结合形成“转子”(rotor），
旋转于α3β3的中央，调节3个β亚基催化位点的开放和关 闭。
➢δ亚基为F1和F0相连接所必需的。
➢ ATP 合酶的基部结构被称作F0，是偶联 因子0 （coupling factor 0）的简称。与 亲水性的F1 相比，F0 是一个疏水性的 蛋白复合体，嵌合于线粒体内膜，由a、 b、c 3种亚基按照ab2c10～12 的比例组 成跨膜的质子通道。
(ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase ，简称Rubisco)。
ØRubisco 是光合作用中的一个重要的酶系统， 亦是自然界含量最丰富的蛋白质。
Ø 基质中还存在叶绿体DNA、核糖体、脂滴、植 物铁蛋白和淀粉粒等物质。
三、光合作用
（一）原初反应
ARC5蛋白在叶绿体表面开始缢陷时组装成 环状结构，出现于缢陷处，推动叶绿体膜深度 缢陷及分断。
二、叶绿体的超微结构
拟南芥幼叶中的叶绿体
水稻幼芒的叶绿体
（一）叶绿体膜 Ø 外膜、内膜和膜间隙构成；
Ø 外膜通透性大，含有孔蛋白，允许相对分 子质量高达104 的分子通过；而内膜则通透 性较低，仅允许O2、CO2 和H2O 分子自由 通过。
2.复合物Ⅱ即琥珀酸-CoQ 还原酶，又称琥珀 酸脱氢酶。
3.复合物Ⅲ复合物Ⅲ 即CoQ-Cyt c 还原酶， 又称细胞色素还原酶或Cyt bc1 复合物（简 称bc1）。
4.复合物Ⅳ即细胞色素氧化酶，又称Cyt c 氧 化酶。
四、线粒体与疾病 Ø 在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病
被称为线粒体病（mitochondrial disease）。
➢线粒体融合素（mitofusin）
线粒体分裂需要发动蛋白（dynamin）
2.线粒体融合与分裂的细胞生物学基础
Ø 线粒体分裂环（mitochondrial division ring）；
Ø 线粒体分裂过程的三个阶段：
早期
中期
后期
二、线粒体的超微结构 包括外膜、膜间隙、内膜、基质
（一）外膜 Ø 单位膜结构，厚约6 nm。外膜中蛋白质和脂质约各占50%
体呈凸透镜或铁饼状，直径为5 ～10 μm，厚2～4 μm。 ➢ 分布在细胞质膜与液泡间薄层的 细胞质中，呈平层排列。 ➢ 通常情况下，高等植物的叶肉细 胞含20～200 个叶绿体。
➢叶绿体通过位移避开 强光的行为称为躲避 响应（avoidance response）； ➢在光照较弱的情况下， 叶绿体会汇集到细胞 的受光面，这种行为 称作积聚响应 。 （accumulation response）
③ ATP 通过旋转催化（rotational catalysis）而 生成。
• 在此过程中，通过F0“通道”的质子流引 起c 亚基环和附着于其上的γ 亚基纵轴（中央轴 ）在α3 β3 的中央进行旋转。
• 旋转的动力来自于 F0 质子通道中的质子 跨膜运动。
（二）质子驱动力
Ø 基质中的质子则借助 高能电子释放的能量 被不断地定向转运到 膜间隙。