细胞生物学第六章.ppt

第六章细胞的能量转换 线粒体和叶绿体 线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器 线粒体与氧化磷酸化 叶绿体与光合作用 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 线粒体和叶绿体的增殖与起源 第一节线粒体与氧化磷酸化 线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化 一 线粒体的形态结构 1 1线粒体的发现与功能研究 1890年R Altaman首次动物细胞内发现线粒体 命名为bioblast 1897年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion 1900年L Michaelis用JanusGreenB对线粒体进行活体染色 发现线粒体中可进行氧化 还原反应 1948年 Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶1943 1950年 Kennedy和Lehninger发现线粒体内完成的 脂肪酸氧化 氧化磷酸化 在Hatefi等 1976 纯化了呼吸链四个独立的复合体 Mitchell 1961 1980 提出了氧化磷酸化的化学偶联学说 1994年 Boyer因提出ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制获得诺贝尔化学奖 1 2线粒体的形态结构 线粒体的形态 大小 数量与分布线粒体一般呈粒状或杆状 但因生物种类和生理状态而异 可呈环形 哑铃形 线状 分杈状或其它形状 数目一般数百到数千个 线粒体通常分布在细胞功能旺盛的区域 线粒体的超微结构 外膜 outermembrane 含孔蛋白 porin 通透性较高 内膜 innermembrane 高度不通透性 向内折叠形成嵴 cristae 嵴能显著扩大内膜表面积 达5 10倍 含有与能量转换相关的蛋白 执行氧化反应的电子传递链酶系 ATP合成酶 线粒体内膜转运蛋白 膜间隙 intermembranespace 含许多可溶性酶 底物及辅助因子 基质 matrix 含三羧酸循环 脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系 线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA RNA 核糖体 内膜向线粒体基质褶入形成嵴 cristae 嵴能显著扩大内膜表面积 达5 10倍 嵴有两种类型 板层状 图7 1 管状 图7 3 但多呈板层状 嵴上覆有基粒 elementaryparticle 基粒由头部 F1偶联因子 和基部 F0偶联因子 构成 F0嵌入线粒体内膜 二 线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的化学组成 蛋白质 线粒体干重的65 70 线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的 可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白 不溶性的蛋白质构成膜的本体 其中一部分是镶嵌蛋白 也有一些是酶蛋白 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 线粒体酶的定位 线粒体主要酶的分布 线粒体膜通透性 很早就认识到线粒体的膜具有半透性 通过对半透性的研究导致线粒体各组分分离方法的建立 线粒体通透性研究 将线粒体放在100mM蔗糖溶液中 蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙 然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度 结果只有50mM 比环境中蔗糖的浓度低 线粒体外膜对蔗糖是通透的 而内膜对蔗糖是不通透的 图7 7 左 将线粒体置于含有100mM的蔗糖溶液中 中 蔗糖穿过线粒体外膜 达到平衡 右 将线粒体从蔗糖溶液中取出 测定线粒体中蔗糖的浓度 如果测得线粒体的蔗糖平均浓度是50mM 就可以推测 100mM的蔗糖仅仅穿过了线粒体外膜 而线粒体中有一半流动的液体在线粒体基质 由于内膜对蔗糖不通透 所以测得的线粒体平均浓度只有50mM 线粒体各组分的分离 首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂 此时线粒体内膜和基质 线粒体质 仍结合在一起 通过离心可将线粒体质分离 用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质 破坏线粒体内膜 释放线粒体基质 破裂的内膜重新闭合形成小泡 其表面有F1颗粒 由于线粒体外膜的通透性比内膜高 利用这一性质 DonalParsons和他的同事最先建立了分离线粒体内膜 外膜及其他组分的方法 图7 8 线粒体的功能 氧化磷酸化 细胞凋亡 细胞的信号转导 电解质稳态平衡调控 钙的稳态调控 进行氧化磷酸化 合成ATP 为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能 什么是氧化磷酸化 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 这一过程称为氧化磷酸化 什么是呼吸链 在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物 它们是传递电子的酶体系 由一系列可逆地接受和释放电子或H 的化学物质组成 在内膜上相互关联地有序排列 称为电子传递链 electron transportchain 或呼吸链 respiratorychain 三 氧化磷酸化 一 氧化磷酸化的分子基础 电子载体 呼吸链电子载体主要有 黄素蛋白 细胞色素 铜原子 铁硫蛋白 辅酶Q等 1 NAD 即烟酰胺嘌呤二核苷酸 nicotinamideadeninedinucleotide 图7 4 是体内很多脱氢酶的辅酶 连接三羧酸循环和呼吸链 其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白 图7 4NAD的结构和功能 NAD R H NADP R PO3H2 2 黄素蛋白 含FMN 图7 5 或FAD 图7 6 的蛋白质 每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子 呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶 以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶 图7 5FMN flavinadeninemononucleotide 的分子结构 图7 6FAD flavinadeninedinucleotide 的分子结构 3 细胞色素 分子中含有血红素铁 图7 7 以共价形式与蛋白结合 通Fe3 Fe2 形式变化传递电子 呼吸链中有5类 即 细胞色素a a3 b c c1 其中a a3含有铜原子 图7 7血红素c的结构 4 铁硫蛋白 在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合 通过Fe2 Fe3 互变进行电子传递 有2Fe 2S和4Fe 4S两种类型 图7 8 图7 8铁硫蛋白的结构 引自Lodish等1999 5 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 图7 9 有3种氧化还原形式即氧化型醌Q 还原型氢醌 QH2 和介于两者之者的自由基半醌 QH 图7 9辅酶Q 二 呼吸链的复合物 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 和 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 1 复合物 即NADH脱氢酶 哺乳动物的复合物 由42条肽链组成 呈L型 含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白 分子量接近1MD 以二聚体形式存在 其作用是催化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 电子传递的方向为 NADH FMN Fe S Q 总的反应结果为 NADH 5H M Q NAD QH2 4H C 2 复合物 即琥珀酸脱氢酶 至少由4条肽链组成 含有一个FAD 2个铁硫蛋白 其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q 但不转移质子 电子传递的方向为 琥珀酸 FAD Fe S Q 反应结果为 琥珀酸 Q 延胡索酸 QH2 3 复合物 即细胞色素c还原酶 由至少11条不同肽链组成 以二聚体形式存在 每个单体包含两个细胞色素b b562 b566 一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白 其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 2个来自UQ 2个来自基质跨膜 总的反应结果为 2还原态cytc1 QH2 2H M 2氧化态cytc1 Q 4H C 复合物 的电子传递比较复杂 和 Q循环 有关 图7 10 辅酶Q能在膜中自由扩散 在内膜C侧 还原型辅酶Q 氢醌 将一个电子交给Fe S 细胞色素c1 细胞色素c 被氧化为半醌 并将一个质子释放到膜间隙 半醌将电子交给细胞色素b566 b562 释放另外一个质子到膜间隙 细胞色素b566得到的电子为循环电子 传递路线为 半醌 b566 b562 辅酶Q 在内膜M侧 辅酶Q可被复合体 复合体 或细胞色素b562还原为氢醌 一对电子由辅酶Q到复合物 的电子传递过程中 共有四个质子被转移到膜间隙 其中两个质子是辅酶Q转移的 Qcycle 组成 即细胞色素c氧化酶 二聚体 每个单体至少13条肽链 分为三个亚单位 亚单位I subunitI 包含两个血红素 a1 a3 和一个铜离子 Cu2 血红素a3和Cu2 形成双核的Fe Cu中心 亚单位 subunit 包含两个铜离子 CuA 构成的双核中心 其结构与2Fe 2S相似 亚单位 subunit 的功能尚不了解 作用 将从细胞色素c接受的电子传给氧 每转移一对电子 在M侧消耗2个质子 同时转移2个质子至C侧 电子传递的路线为 cytc CuA hemea a3 CuB O24还原态cytc 8H M O2 4氧化态cytc 4H C 2H2O 4 复合物IV 细胞色素c氧化酶 wzf 细胞色素C是内膜的外周蛋白 wzf CoQ和细胞色素C是呼吸链中可移动的递氢体 不是复合物中的组成成分 wzf 氧化型CoQ趋向于内膜的基质侧 还原型CoQ趋向于内膜的间隙侧 三 两条主要的呼吸链 复合物I III IV组成 催化NADH的脱氢氧化 复合物II III IV组成 催化琥珀酸的脱氢氧化 对应于每个复合物 约需3个复合物 7个复合物 两个复合物之间由辅酶Q或细胞色素c这样的可扩散性分子连接 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 在NADH至CoQ之间 部位 在细胞色素b和细胞色素c之间 部位 在细胞色素a和氧之间 NADH FMNFe S FADFe S 琥珀酸 CytbFe SCytc1 Cytaa3 CoQ Cytc ADP Pi ATP ADP Pi ATP ADP Pi ATP 呼吸链组分按氧化还原电位由低到高排列 四 ATP合成酶 磷酸化的分子基础 分子结构基粒 elementaryparticle 基粒由头部 F1偶联因子 和基部 F偶联因子 构成 F0嵌入线粒体内膜 F1由5种多肽组成 3 3 复合体 具有三个ATP合成的催化位点 每个 亚基具有一个 和 单位交替排列 状如桔瓣 贯穿 复合体 相当于发电机的转子 并与F0接触 帮助 与F0结合 与F0的两个b亚基形成固定 复合体的结构 相当于发电机的定子 F0由三种多肽组成ab2c12复合体 嵌入内膜 12个c亚基组成一个环形结构 具有质子通道 可使质子由膜间隙流回基质 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 氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透假说 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 M侧 泵至膜间隙 胞质侧或C侧 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 两者共同构成电化学梯度 图7 9 即质子动力势 proton motiveforce P 质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质 使ATP酶的构象发生改变 将ADP和Pi合成ATP 电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键 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 构象耦联假说 1 ATP酶利用质子动力势 产生构象的改变 改变与底物的亲和力 催化ADP与Pi形成ATP 2 F1具有三个催化位点 L构象 loose ADP Pi与酶疏松结合在一起 T构象 tight 底物 ADP Pi 与酶紧密结合在一起 O构象 open ATP与酶的亲和力很低 被释放出去 ATP合成机制 构象耦联假说 Boyer1979 3 质子通过F0时 引起c亚基构成的旋转 从而带动 亚基旋转 由于 亚基的端部是高度不对称的 它的旋转引起 亚基3个催化位点构象的周期性变化 L T O 不断将ADP和Pi加合在一起 形成ATP 第二节叶绿体与光合作用 叶绿体 Chloroplast 的形态结构 叶绿体的功能 光合作用 一 叶绿体 Chloroplast 的形态结构 形态 数目 在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜 叶肉细胞一般含50 200个叶绿体 可占细胞质的40 叶绿体的数目因物种细胞类型 生态环境 生理状态而有所不同 叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体超微结构 外被 chloroplastenvelope 叶绿体外被由双层膜组成 膜间为10 20nm的膜间隙 外膜的渗透性大 如核苷 无机磷 蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙 内膜对通过物质的选择性很强 CO2 O2 Pi H2O 磷酸甘油酸 丙糖磷酸 双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜 ADP ATP已糖磷酸 葡萄糖及果糖等透过内膜较慢 蔗糖 NADP 及焦磷酸等不能透过内膜 需要特殊的转运体translator 才能通过内膜 类囊体 thylakoid 是单层膜围成的扁平小囊 沿叶绿体的长轴平行排列 膜上含有光合色素和电子传递链组分 又称光合膜 许多类囊体象圆盘一样叠在一起 称为基粒 组成基粒的类囊体 叫做基粒类囊体 构成内膜系统的基粒片层 granalamella 基粒由10 100个类囊体组成 贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体称为基质类囊体 它们形成了内膜系统的基质片层 stromalamella 类囊体膜的内在蛋白主要有细胞色素b6 f复合体 质体醌 PQ 质体蓝素 PC 铁氧化还原蛋白 黄素蛋白 光系统 光系统 复合物等 基质 stroma 主要成分包括 碳同化相关的酶类 如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60 叶绿体DNA 蛋白质合成体系 如 ctDNA 各类RNA 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 wzf 一个叶绿体内的全部类囊体实际上是一个完整连续的封闭膜囊 脂质中的脂肪酸主要是不饱和的脂肪酸 Wzf个复合物在类囊体膜上呈不对称成分布 光系统 基粒与基质接触区及基质类囊体的膜中 光系统 基粒与基质非接触区的膜中 二 叶绿体的功能 光合作用 photosynthesis 光合作用 绿色植物利用体内的叶绿素吸收光能 把二氧化碳和水转化为有机物 并释放氧气的过程称为光合作用 Photosynthesis 1 光合电子传递反应 光反应 LightReaction 2 碳固定反应 暗反应 DarkReaction 一 光合色素和电子传递链组分 1 光合色素 类囊体中含两类色素 叶绿素 图7 21 和橙黄色的类胡萝卜素 通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3 1 chla与chlb也约为3 l 全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中 与蛋白质以非共价键结合 一条肽链上可以结合若干色素分子 各色素分子间的距离和取向固定 有利于能量传递 图7 21叶绿体分子结构 2 集光复合体 lightharvestingcomplex 由大约200个叶绿素分子和一些肽链构成 图7 22 大部分色素分子起捕获光能的作用 并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素 因此这些色素被称为天线色素 叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素 另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用 叫做辅助色素 3 光系统 PS P150 吸收高峰为波长680nm处 又称P680 至少包括12条多肽链 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 hawestingcomnplex LHC 一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体 oxygenevolvingcomplex 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 细胞色素b6 f复合体 cytb6 fcomplex 可能以二聚体形成存在 每个单体含有四个不同的亚基 细胞色素b6 b563 细胞色素f 铁硫蛋白 以及亚基 被认为是质体醌的结合蛋白 5 光系统 PSI P151 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 和作用中心构成 结合100个左右叶绿素分子 除了几个特殊的叶绿素为中心色素外外 其它叶绿素都是天线色素 三种电子载体分别为A0 一个chla分子 A1 为维生素K1 及3个不同的4Fe 4S 二 光反应与电子传递 在类囊体膜上由光引起的光化学反应 通过叶绿素等光合色素分子吸收 传递光能 水光解 并将光能转换为电能 生成高能电子 进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能 形成ATP和NADPH并放出O2的过程 包括原初反应 电子传递和光合磷酸化 原初反应 原初反应 叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程 包括光能的吸收 传递 与转换 反应过程 光能 捕光色素分子 反应中心 光能的吸收与传递 光能 化学能 捕光色素 天线色素组成 叶绿素a b c d 藻胆素 叶黄素 胡萝卜素作用 只具有捕捉 吸收 聚集光能和传递激发能给反应中心的作用 无光化学活性 原初反应 光合作用单位 结合在类囊体膜上 能进行光合作用的最小结构单位 固定一个分子的CO2所需的叶绿素约2500个 反应中心色素 Chl 组成 特殊状态的叶绿素a P700P680作用 既是光能的捕捉器 具有光化学活性可将光能转换为化学能 原初反应供体 doner D光系统 水光系统 质体蓝素 PC 原初反应受体 acceptor A光系统 脱镁叶绿素 Ph 光系统 特殊的叶绿素a A0 反应中心 两个 原初反应 光系统 叶绿素 蛋白复合物 捕光色素 反应中心 反应中心色素 Chl P700原初反应受体 acceptor 特殊的叶绿素a A0原初反应供体 doner 质体蓝素 PC 多个还原中心 Fe S中心 铁氧还蛋白 Fd 核心复合物 捕光复合物 光系统 反应过程 捕光色素分子 光能 P700 光能 P700 PC A0 原初反应 光系统 叶绿素 蛋白复合物 捕光色素 反应中心 反应中心色素 Chl P680原初反应受体 acceptor 去镁叶绿素 Ph原初反应供体 doner 水叶绿素 蛋白复合体 Mn Z D1 光系统 反应过程 捕光色素分子 光能 P680 光能 P680 H2O Ph 核心复合物 捕光复合物 光合磷酸化 光合磷酸化 由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相偶连而生成ATP的过程 一对电子从P680经P700传至NADP 在类囊体腔中增加4个H 2个来源于H2O光解 2个由PQ从基质转移而来 在基质外一个H 又被用于还原NADP 所以类囊体腔内有较高的H pH 5 基质pH 8 形成质子动力势 H 经ATP合酶 渗入基质 推动ADP和Pi结合形成ATP 图7 26 非循环光合磷酸化光系统 光系统 收到光激发 使水中的电子传递给NADP 电子经过两个系统 在传递过程中产生的质子梯度驱动ATP的形成 同时产生还原力NADPH 电子传递是一个开放的通道 故称 磷酸化部位 H2O与PQ之间 PQ与Cytbf复合物之间 放出一分子氧形成2 4个ATP 循环式光合磷酸化 光系统 接受远红光后 产生的电子经过A0 A1 Fe S和Fd 又传给Cytbf复合物和PC而回流到PS 的过程 电子循环流动 产生质子梯度 驱动ATP的形成 小结 电子传递引起三个光化学变化 1 H2O光解放出O22 ATP的生成 3 NADPH的生成 暗反应 碳固定 暗反应是指叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能 将CO2还原合成糖 CO2还原成糖的反应不需要光 故这一反应称为暗反应 暗反应是在叶绿体基质中进行的 在C3途中 由于反应的最初产物3 磷酸甘油酸含三碳化合物 因此 又称三碳循环 这是卡尔文 Calvin 等在50年代用14C示踪法研究出来的 故称卡尔文循环 可分为三个阶段 羧化 还原和RuBP的再生 CO2的羧化CO2被还原之前 首先被固定形成羧基 以RuBP作为CO2接受体 在RuBP羧化酶的作用下使RuBP与CO2反应形成两分子的3 磷酸甘油酸 PGA C3途径 还原阶段3 磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化下被ATP磷酸化形成1 3二磷酸甘油酸 然后在甘油醛磷酸脱氢酶的催化下被NADPH还原成3 磷酸甘油醛 这是一个吸能反应 光反应中形成的ATP和NADPH主要是在这一阶段被利用 所以 还原反应是光反应和暗反应的连接点 一旦CO2被还原成3 磷酸甘油醛 光合作用的贮能过程便完成 RuBP的再生利用已形成的3 磷酸甘油醛经一系列的相互转变最终再生成5 磷酸核酮糖 然后在磷酸核酮糖激酶的作用下 发生磷酸化作用生成RuBP 再消耗一个ATP 综上所述 三碳循环是靠光反应形成的ATP机NADPH作能源 推动CO2的固定 还原 每循环一次只能固定一个CO2 循环6次 才能把6个CO2分子同化成一个己糖分子 实际上 通过卡尔文循环 将CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH 维管束鞘细胞 叶脉周围有一圈含叶绿体的维管束鞘细胞 维管束鞘细胞比较大 其中含有许多比较大的叶绿体 C4植物的卡尔文循环是在维管束鞘细胞中进行的 所以 C4植物进行光合作用时 只有维管束鞘细胞中形成淀粉 而叶肉细胞中不形成淀粉 相反 C3植物通过光合作用产生的淀粉只存在于叶肉细胞中 维管束鞘细胞中则没有淀粉 叶肉细胞 在维管束鞘细胞外的一圈 呈环状或近似环状排列的细胞 这层细胞通过大量的胞间连丝与维管束鞘细胞紧密相连 C4植物叶片内的维管束鞘细胞和这层叶肉细胞组成 花环型 的结构 这种结构是C4植物叶片所特有的 C4途径 C4途径 CO2受体 代表植物 反应部位 固定部位叶肉细胞淀粉合成部位维管束鞘细胞C4植物同化CO2途径包括C4 C3途径 C4途径只起CO2固定作用 而C3途径起固定和还原CO2的作用 把利用这两条途径同化CO2的植物叫C4植物 玉米 高粱 甘蔗 在干旱地区生长的景天科 仙人掌科等植物有一个特殊的CO2同化方式 夜间气孔开放 吸收CO2 在PEPC作用下与糖酵解过程中产生的PEP结合形成OAA OAA在NADP 苹果酸脱氢酶作用下进一步还原为苹果酸 积累于液胞中 表现出夜间淀粉 糖减少 苹果酸增加 细胞液变酸 白天气孔关闭 液胞中的苹果酸运至细胞质在NAD 或ANDP 苹果酸酶 或PEP羧激酶催化下氧化脱羧释放CO2 再由C3途径同化 脱羧后形成的丙酮酸和PEP则转化为淀粉 丙酮酸也可进入线粒体 也被氧化脱羧生成CO2进入C3途径 同化为淀粉 所以白天表现出苹果酸减少 淀粉 糖增加 酸性减弱 这种有机酸合成日变化的光合碳代谢类型称为景天科酸代谢 crassulaceanacidmetabolism CAM 途径 景天科酸代谢途径 Crassulaceanacidmetabolismpathway CAM途径 磷酸烯醇式丙酮酸 PEP CO2 草酰乙酸 OAA 苹果酸 积累于液泡中 CO2 丙酮酸 夜间气孔开放 白天气孔关闭 磷酸烯醇式丙酮酸 PEP 酸多糖少 酸少糖多 第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 线粒体和叶绿体的相似点 线粒体和叶绿体都是双层膜细胞器功能都是转换能量线粒体 把储藏在有机物中稳定的化学能 转化成直接能源ATP 叶绿体 把光能转化成化学能ATP 还原力NADPH 同时把这些不稳定的化学能转化成稳定的化学能 储藏在有机物中 都是半自主细胞器 线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系 既具有核外基因及其表达体系 但组成线粒体和叶绿体蛋白绝大多数是由核基因编码 为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 1 两种细胞器含有DNA自我复制 转录 翻译所必需的基本组分 2 两种细胞器中的蛋白绝大多数是由核基因编码的 这些蛋白在细胞质基质中合成 然后被转运至细胞器中 3 细胞核与细胞器之间存在着密切的 精确的 严格调控的关系 线粒体和叶绿体的自主性是有限的 对核遗传系统有很大的依赖性 因此 线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因 自身基因两套遗传信息的控制 所以称半自主性细胞器 一 线粒体和叶绿体的DNA 均为环状双链DNA 与细菌相似 不同物种细胞中的mtDNA ctDNA大小不一 例如 mtDNA 动物细胞中周长多为5um 酵母菌26um 人类最短 ctDNA 赤松藻最小 衣藻最大 核中DNA远远大于mtDNA ctDNA半保留自我复制方式 受核基因调控 如 DNA聚合酶由核基因编码 在细胞质基质中合成 线粒体和叶绿体的核糖体70S 与细菌相似 二 线粒体和叶绿体的蛋白质合成 研究方法 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或叶绿体 细胞质基质蛋白质的合成 找出线粒体 叶绿体中合成的蛋白 在线粒体中合成的蛋白只有20多种 在叶绿体中合成的蛋白60多种 不同来源的细胞 表达的产物既有共性又有差异 叶绿体蛋白质组成的来源 ctDNA编码 叶绿体核糖体合成 核基因编码 细胞质中合成 核基因编码 叶绿体中合成 三 线粒体和叶绿体蛋白质的转运 线粒体蛋白质的转运 蛋白质合成定位的特点 后转移方式转运前的状态 伸展的前体蛋白N端的蛋白质信号序列称导肽前体蛋白 成熟蛋白 导肽 导肽的特点 1 多位于N端 约由20个氨基酸 富含精氨酸 带羟基的氨基酸 2 形成一个两性的 螺旋 带正电荷的亲水氨基酸和不带电荷的疏水氨基酸分别位于 的两侧 3 对转运的蛋白质无特异性的要求 转运后的状态 信号序列在导肽酶的作用下 被切除 形成的成熟蛋白重折叠 被转运蛋白所到达的特定部位 外膜 内膜 膜间隙 基质 进入不同部位的蛋白具有不同的转运途径 蛋白质的转运涉及转位因子 蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体 即转位因子 translocator 图7 28 由两部分构成的 受体和蛋白质通过的孔道 主要包括 TOM复合体 负责通过外膜 进入膜间隙 在酵母中TOM70负责转运内部具有信号序列的蛋白 TOM20负责转运N端具有信号序列的蛋白 这两种蛋白的功能都相当于内质网上的SPR受体 在人类线粒体中hTom34的功能与TOM70相当 TOM复合体的通道被称为GIP generalimportpore 就相当于内质网上的SEC61复合体 主要由Tom40构成 还包括Tom22 Tom7 Tom6和Tom5 TIM复合体 其中TIM23负责将蛋白质转运到基质 也可将某些蛋白质安插在内膜 TIM22负责将线粒体的代谢物运输蛋白 如ADP ATP和磷酸的转运蛋白插入内膜 OXA复合体 负责将线粒体自身合成的蛋白质插到内膜上 同样也可使经由TOM TIM复合体进入基质的蛋白质插入内膜 线粒体蛋白的运送过程蛋白质解折叠 转运 重折叠 Simon布朗棘轮模型主要观点 蛋白在转运孔道内 多肽链做布朗运动摇摆不定 一旦前体蛋白进入线粒体腔 立即有mHsp70结合上去 防止肽链退回细胞基质中 随着肽链的进一步延伸 有更多的mHsp结合 线粒体蛋白的运送过程是耗能的过程 解折叠重折叠转运过程 Hsp60 Hsp70 mHsp70 ATP ADP ATP 叶绿体蛋白质的转运 叶绿体与线粒体蛋白转运的相同点1 蛋白质合成定位的特点 后转移方式2 通常前体蛋白N端具有蛋白质信号序列 转运肽 完成转运后被信号肽酶切除3 每一种膜上有特定的转位因子外膜的转位因子被称为TOC复合体内膜的转位因子被称为TIC复合体 4 内外膜具有接触点 contactsite 5 需要能量 同样利用ATP和质子动力势 不同点 转运到叶绿体类囊体腔前体蛋白含有两个N端信号序列 第一个被切除后 暴露出第二个信号序列 将蛋白导向内膜或类囊体膜 转运到叶绿体类囊体膜前体蛋白 N端的导肽引导蛋白通过叶绿体膜进入基质 肽酶水解导肽 引导蛋白质到达类囊体膜的信息 蕴藏在