細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體與葉綠體

關(guān)于細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體與葉綠體第1頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五一、形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成在高等植物中葉綠體大多呈凸透鏡狀或香蕉形，寬2~4μm，長5~10μm。高等植物的葉肉細(xì)胞一般含50~200個(gè)葉綠體，可占細(xì)胞質(zhì)的40%~90%，葉綠體的形狀、大小和數(shù)目因物種、細(xì)胞類型、生態(tài)環(huán)境、生理狀態(tài)而有所不同。在藻類中通常只有一個(gè)巨大的葉綠體（長達(dá)100μm），形態(tài)多樣，有帶狀、螺旋狀和星狀等。第2頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五葉綠體的結(jié)構(gòu)：①葉綠體膜或稱葉綠體被膜②類囊體(thylakoid)③基質(zhì)(stroma)葉綠體含有3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類囊體膜和3種彼此分開的腔：膜間隙、基質(zhì)和類囊體腔（圖6-1）。第3頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五圖6-1葉綠體的結(jié)構(gòu)第4頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第5頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第6頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五（一）葉綠體膜葉綠體膜由雙層膜組成，厚6～8nm，內(nèi)外膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機(jī)磷、磷酸衍生物、羧酸類化合物等均可透過。內(nèi)膜對(duì)通過物質(zhì)的選擇性很強(qiáng)，是細(xì)胞質(zhì)和葉綠體基質(zhì)間的功能性屏障，磷酸甘油酸、蘋果酸、草酰乙酸等不能直接透過，需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體（translator）才能通過內(nèi)膜。第7頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五（二）類囊體是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，每個(gè)葉綠體中有40~60個(gè)。組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構(gòu)成內(nèi)膜系統(tǒng)的基粒片層（granalamella）。貫穿在兩個(gè)或兩個(gè)以上基粒之間的沒有發(fā)生垛疊的類囊體稱為基質(zhì)類囊體，它們形成了內(nèi)膜系統(tǒng)的基質(zhì)片層（stromalamella）。第8頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五內(nèi)囊體膜有光合作用能量轉(zhuǎn)換功能的組分：捕光色素、2個(gè)光反應(yīng)中心、電子載體、合成ATP的系統(tǒng)和從水中抽取電子的系統(tǒng)。它們分別裝配在PSI、PSII、細(xì)胞色素bf、CF0-CF1ATP酶等主要的膜蛋白復(fù)合物中。PSI和PSII復(fù)合物都是由核心復(fù)合物和捕光復(fù)合物（LHC）組成，但在組分、結(jié)構(gòu)和功能上存在差異。CF0-CF1ATP酶，在亞基組分、結(jié)構(gòu)和功能上與線粒體ATP合成酶相似。第9頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五內(nèi)囊體膜的主要成分是蛋白質(zhì)和脂類（60：40）脂類：含磷脂很少，富含含半乳糖的糖脂，其不飽脂肪酸（亞麻酸）含量高（約87%），所以膜流動(dòng)性高。蛋白質(zhì)：①外在蛋白：在內(nèi)囊體基質(zhì)側(cè)分布較多，如CF1和一些與光反應(yīng)有關(guān)的酶類。②內(nèi)在蛋白：如葉綠素-蛋白質(zhì)復(fù)合物（CPI和CPII）、質(zhì)體醌（PQ）、細(xì)胞色素（Cyt）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧還蛋白（Fd）、黃素蛋白等。第10頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五（三）基質(zhì)是內(nèi)膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：①碳同化相關(guān)的酶類：如RuBP羧化酶/加氧酶，占內(nèi)囊體可溶性蛋白質(zhì)的80%和葉片可溶性蛋白質(zhì)的50%。②葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。③一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。第11頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五二、葉綠體與光合作用在《植物生理學(xué)》中講授。第12頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第三節(jié)線粒體和葉綠體是

半自主的細(xì)胞器1962年，Ris和Plant在衣藻葉綠體中發(fā)現(xiàn)DNA；1963年，M.Nass和S.Nass在雞胚肝細(xì)胞線粒體中發(fā)現(xiàn)DNA；線粒體和葉綠體中還有各種RNA、核糖體、氨基酸活化酶等。線粒體和葉綠體由自身編碼合成的蛋白質(zhì)分別為約20和60余種；大部分是由核基因編碼，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)合成，然后轉(zhuǎn)移至線粒體和葉綠體的。第13頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五一、線粒體和葉綠體的DNAmtDNA呈雙鏈環(huán)狀，裸露，與細(xì)菌DNA相似。人的mtDNA為16569bp，含37個(gè)結(jié)構(gòu)基因。ctDNA亦呈雙鏈環(huán)狀。每個(gè)線粒體和葉綠體中DNA的數(shù)量分別為約6個(gè)和12個(gè)。mtDNA16569bp37個(gè)基因2種

編碼

rRNA(12S和16S)基因22種

編碼

tRNA基因13種

編碼

蛋白質(zhì)基因第14頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五mtDNA和ctDNA均可自我復(fù)制（半保留方式）。mtDNA的復(fù)制時(shí)間主要在S期和G2期；ctDNA的復(fù)制時(shí)間在G1期。復(fù)制所需的DNA聚合酶由核基因編碼并在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)核糖體上合成。第15頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五線粒體與葉綠體的相似性均由兩層膜包被，內(nèi)外膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有顯著的差異。均為半自主性細(xì)胞器，具有自身的DNA及轉(zhuǎn)錄翻譯體系。因此綠色植物細(xì)胞內(nèi)存在3個(gè)遺傳系統(tǒng)。線粒體和葉綠體的DNA都不足以編碼其所需的全部蛋白質(zhì)，必須依靠核基因來編碼其余的蛋白質(zhì)。通過定向轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入線粒體和葉綠體的各部分。第16頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第17頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五二、線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成組成線粒體各部分的蛋白質(zhì)，絕大多數(shù)都是由核DNA編碼并在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成后再轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體各自的功能位點(diǎn)上。由mtDNA編碼的RNA和多肽有：線粒體核糖體中的2種rRNA(12S和16S)、22種tRNA、13種多肽（復(fù)合物I中7個(gè)亞基、復(fù)合物III中1個(gè)亞基、復(fù)合物IV中3個(gè)亞基、F0中2個(gè)亞基）。第18頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五組成葉綠體的蛋白質(zhì)有3種來源：①ctDNA編碼，葉綠體核糖體上合成；②核DNA編碼，細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成；③核DNA編碼，葉綠體核糖體上合成。第19頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五由ctDNA編碼的RNA和多肽有：葉綠體核糖體中的4種rRNA（23S、16S、4.5S、5S），30種（煙草）或31種（地錢）tRNA，100多種多肽。由葉綠體核糖體合成的重要蛋白質(zhì)有：RuBP羧化酶的大亞基、PSI的2個(gè)亞基、PSII的8個(gè)亞基、ATP合酶的6個(gè)亞基、Cytb6f復(fù)合物的3個(gè)亞基）。第20頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與裝配線粒體前體蛋白質(zhì)在運(yùn)輸以前，以未折疊的形式存在，N端有一段信號(hào)序列稱為導(dǎo)肽（leaderpeptide），完成轉(zhuǎn)運(yùn)后被信號(hào)肽酶（signalpeptidase）切除，就成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象就叫做后轉(zhuǎn)移（post-translocation）。第21頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五導(dǎo)肽的特點(diǎn)：多位于肽鏈的N端，由大約20~80個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成；形成一個(gè)既具親水性又具疏水性的兩性α螺旋，帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺旋的兩側(cè)；對(duì)所牽引的蛋白質(zhì)沒有特異性要求。帶正電荷的氨基酸（如Arg）和羥基氨基酸（如Ser）含量高。第22頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第23頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)涉及多種蛋白復(fù)合體，即轉(zhuǎn)位因子（translocator），由兩部分構(gòu)成：受體和蛋白質(zhì)通過的孔道。主要包括：TOM復(fù)合體：負(fù)責(zé)通過外膜，進(jìn)入膜間隙。TIM復(fù)合體：TIM23負(fù)責(zé)將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到基質(zhì)，或安裝在內(nèi)膜上；TIM22負(fù)責(zé)將某些轉(zhuǎn)運(yùn)器蛋白質(zhì)插入內(nèi)膜。OXA復(fù)合體：負(fù)責(zé)將線粒體合成的蛋白和某些進(jìn)入基質(zhì)的蛋白插到內(nèi)膜上。第24頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五TOM和TIM復(fù)合體

分子伴侶(molecularchaperone)：細(xì)胞中某些蛋白質(zhì)分子可以識(shí)別正在合成或部分折疊的多肽，并與之結(jié)合，幫助其轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊或裝配，本身并不參與最終產(chǎn)物的形成。如Hsp60,Hsp70第25頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五TOM復(fù)合體的通道被稱為GIP（generalimportpore)第26頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五線粒體具有四個(gè)功能區(qū)隔，即外膜、內(nèi)膜、膜間隙、基質(zhì)。進(jìn)入不同部位的蛋白具有不同的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。進(jìn)入外膜的蛋白：具有不被切除的N端信號(hào)序列，其后還有疏水性序列作為停止轉(zhuǎn)移序列，然后蛋白質(zhì)被TOM復(fù)合體安裝到外膜上，如線粒體的各類孔蛋白。進(jìn)入基質(zhì)的蛋白：可以先通過TOM復(fù)合體進(jìn)入膜間隙，然后通過TIM復(fù)合體進(jìn)入基質(zhì)。也可以通過線粒體內(nèi)、外膜間的接觸點(diǎn)（鼠肝直徑1μm線粒體上約115個(gè)接觸點(diǎn)），一步進(jìn)入基質(zhì)。（圖）第27頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第28頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五進(jìn)入線粒體內(nèi)膜和膜間隙的蛋白，具有以下幾種情況：①蛋白N端具有兩個(gè)信號(hào)序列，首先被運(yùn)送到基質(zhì)，然后N端信號(hào)肽被切除，暴露出導(dǎo)向內(nèi)膜的信號(hào)序列，在OXA的幫助下插入內(nèi)膜。如果第二段信號(hào)序列被內(nèi)膜外表面的異二聚體內(nèi)膜肽酶(heterodimericinnermembranepeptidase,Imp1/imp2)切除，則成為膜間隙蛋白（圖A）。第29頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五②N端信號(hào)序列的后面有一段疏水序列，扮演停止轉(zhuǎn)移序列的角色，能與TIM23復(fù)合體結(jié)合，當(dāng)進(jìn)入基質(zhì)的信號(hào)序列被切除后，脫離轉(zhuǎn)位因子復(fù)合體而進(jìn)入內(nèi)膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，則成為定位于膜間隙的蛋白（圖B、C）。第30頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五③線粒體內(nèi)膜上負(fù)責(zé)代謝底物／產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白，如腺苷轉(zhuǎn)位酶是多次跨膜蛋白，其N端沒有可被切除的信號(hào)序列，但包含3～6個(gè)內(nèi)部信號(hào)序列，可被TIM22復(fù)合體插到內(nèi)膜上（圖D）。第31頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第32頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五蛋白質(zhì)的輸入是一個(gè)耗能過程：1.在線粒體外解除與前體蛋白質(zhì)結(jié)合的分子伴侶，需要通過水解ATP獲得能量。2.在通過TIM復(fù)合體時(shí)利用質(zhì)子動(dòng)力勢作為動(dòng)力。3.前體蛋白進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，線粒體hsp70一個(gè)接一個(gè)的結(jié)合在蛋白質(zhì)線性分子上，像齒輪一樣將蛋白質(zhì)“鉸進(jìn)（handoverhand）”基質(zhì)，這一過程也需要消耗ATP。然后線粒體hsp70將蛋白質(zhì)交給hsp60，完成折疊。第33頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸機(jī)理與線粒體的相似。如：①后轉(zhuǎn)移；②每一種膜上有特定的轉(zhuǎn)位因子；③具有接觸點(diǎn)（contactsite）；④需要能量，同樣利用ATP和質(zhì)子動(dòng)力勢；⑤前體蛋白N端有信號(hào)序列（轉(zhuǎn)運(yùn)肽），使用后被信號(hào)肽酶切除。但兩者的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體系中除了某些hsp分子相同外，轉(zhuǎn)位因子復(fù)合體是不同的。第34頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第35頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五葉綠體有6個(gè)區(qū)隔：①外膜、②膜間隙、③內(nèi)膜、④基質(zhì)、⑤類囊體膜、⑥類囊體腔。因此葉綠體的蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)途徑更復(fù)雜一些。葉綠體前體蛋白（precursorprotein）的N端信號(hào)序列長為20～150個(gè)氨基酸殘基，同一植物不同前體蛋白的N端序列不具有同源性，分為3個(gè)部分：N端缺乏帶正電荷的氨基酸，以及甘氨酸和脯氨酸；C端形成兩性β折疊；中間富含羥基化的氨基酸，如絲氨酸和蘇氨酸。第36頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體基質(zhì)的前體蛋白具有典型的N端序列。轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體內(nèi)膜和類囊體的前體蛋白含有兩個(gè)N端信號(hào)序列，第一個(gè)被切除后，暴露出第二個(gè)信號(hào)序列，將蛋白導(dǎo)向內(nèi)膜或類囊體膜（圖）。轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體外膜上的蛋白分兩類：一類含內(nèi)部信號(hào)序列；另一類蛋白的N端序列被切除后，其后的停止轉(zhuǎn)移序列使蛋白質(zhì)定位在外膜。第37頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第38頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五第四節(jié)線粒體和葉綠體

的增殖與起源一、線粒體和葉綠體的增殖第39頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五線粒體的增殖間壁分離收縮分離出芽分裂：線粒體的內(nèi)膜向中心內(nèi)褶形成間壁，或某一個(gè)嵴的延伸，當(dāng)延伸到對(duì)側(cè)內(nèi)膜時(shí)，線粒體一分為二，成為只有外膜相連的兩個(gè)獨(dú)立細(xì)胞器，接著線粒體就完全分離。：線粒體中央部分收縮并向兩端拉長，中央形成很細(xì)的頸，整個(gè)線粒體成啞鈴形，最后斷裂為二，形成兩個(gè)新線粒體。：先從線粒體上長出小芽，然后小芽與母線粒體分離，經(jīng)過不斷長大，形成新的線粒體。線粒體的增殖線粒體來源于已有的線粒體的分裂。第40頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五間壁分離收縮分離出芽分裂第41頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五在個(gè)體發(fā)育中葉綠體由原質(zhì)體發(fā)育而來。在有光條件下原質(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。在黑暗生長時(shí)，原質(zhì)體小泡融合速度減慢，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕谐删W(wǎng)格的三維晶格結(jié)構(gòu)，稱為原片層，這種質(zhì)體稱為白色體或黃化質(zhì)體。在有光下仍可發(fā)育為葉綠體。幼小葉綠體能靠分裂而增殖。成熟葉綠體一般不再分裂或很少分裂。葉綠體的增殖第42頁，共51頁，2022年，5月20日，19點(diǎn)14分，星期五二、線粒體和葉綠體的起源內(nèi)共生起源學(xué)說：1905年，Mereschkowsky提出葉綠體起源于細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻。1918年P(guān)orteir和1922年Wallin提出線粒體來自細(xì)胞內(nèi)共生的細(xì)菌（α-變形細(xì)菌）。第43頁，共51頁，2022年，5月20日，1