第六章 线粒体与叶绿体

本章内容提要 第一节 线粒体 线粒体的形态与结构，氧化磷酸化的分子基础、作用机理，线粒体的发生。 第二节 叶绿体 叶绿体的形态与结构，光合磷酸化作用机理，叶绿体的发生。 第三节线粒体和叶绿体的半自主性和起源

第一节 线粒体于氧化磷酸化 1890，Altaman首次发现，命名为bioblast； 1898，von Benda提出mitochondrion； 1900，Michaelis发现线粒体具有氧化作用； 1948，Green，1949，Kennedy和Lehninger分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的。

一、基本形态与动态特征 （一）形态与数目 粒状或杆状; 直径0.5-1，长1.5-3.0μm；胰外分泌细胞中可达10-20μm，称巨线粒体。 肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，人类红细胞无线粒体。 心肌细胞活跃，其中线粒体多 精细胞中线粒体相对较少。

线粒体TEM图

（二）分布 多分布在细胞功能旺盛的区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。 分布在骨骼肌肉的线粒体

（三）融合与分裂 融合和分裂是线粒体数量和形态调控的基本方式。 融合与分裂比值处于平衡时，细胞内线粒体数目保持不变。 拟南芥分生细胞的三维重构照片。在细胞分裂的周期中，线粒体一度融合形成环核的片层 状线粒体（蓝色）。同时细胞中也保留常见的颗粒状线粒体（绿色）。左图：G1-S期细胞；右图： G2期细胞；n：细胞核（紫色）。

频繁的融合与分裂把线粒体融合为一个动态整体。 频繁的融合与分裂让线粒体共享mtDNA的信息。 线粒体的融合与分裂。（a）洋葱表皮细胞内线粒体在51秒和69秒时间段内相继发生融合和分裂的荧光显微照片。（b）烟草悬浮培养细胞中的线粒体以及90秒和40秒时间段内线粒体发生分裂的荧光显微照片。用MitoTracker (red) 标记线粒体，同时用SybrGreen标记线粒体DNA。在重合的照片中，红色和绿色叠加出现的黄色区域为线粒体DNA所在的位置。注意在线粒体分裂过程中，线粒体DNA并不被均分。箭头指示没有线粒体DNA的线粒体。

（三）融合与分裂的分子与细胞生物学基础 调控线粒体融合的是FZO基因，位于线粒体外膜。 fuzzy onion “模糊的葱头”与跨膜大分子GTPase（Fzo）的模式结构。（WT）野生型果蝇精细胞发育过程中线粒体融合形成的大体积球形线粒体。（fzo）突变体中聚集但不融合的小线粒体。（OM）线粒体外膜；（IMS）膜间隙；（IM）线粒体内膜。Bar = 2微米。

调控哺乳动物线粒体融合的叫做线粒体融合素Mfn(mitofusin),为GTPase,动物进化中高度保守。 植物细胞内未发现FZO和Mfn基因。 线粒体融合基因突变导致的线粒体片段化。（a）Fzo1基因野生型（WT）和突变体（fzo1）酵母细胞中的线粒体。（b）Mfn1基因野生型（上排）和突变体（下排）小鼠细胞内的线粒体。注意野生型细胞中蓝色标出的细长线粒体在相对运动中接触并融合，而突变体细胞中的线粒体高度片段化，无规则运动和融合现象发生。Bar = 3微米（a）， 10微米（b）。

线粒体的分裂依赖于发动蛋白（dynamin),其相关基因的突变抑制分裂。 发动蛋白（dynamin)、也是一类GTPase。 线粒体分裂必需基因（Dnm1、Drp1）的作用及产物定位。（a）Dnm1基因野生型（WT）和突变体（dnm1）酵母细胞中的线粒体。（b）Drp1基因野生型（WT）和突变体（drp1）线虫细胞内的线粒体。、（c）线虫细胞中Drp1的活细胞定位（上排荧光照片。线粒体标记为红色，Drp1标记为绿色。（d)dynamin 纤维组装及分解驱动线粒体分裂的模式图。注意线粒体分裂的位点上出现Drp1。Bar = 2微米（a）， 5微米（b），2微米（c上）， 0.1微米（c下）。

线粒体分裂与线粒体分裂环有关，包括外环（发动蛋白）和内环（FtsZ招募内环蛋白）。 2、细胞生物学基础 线粒体分裂与线粒体分裂环有关，包括外环（发动蛋白）和内环（FtsZ招募内环蛋白）。 分裂分为三个阶段：早期、中期、后期。 垂环 切面 平环 切面

二、线粒体的超微结构（功能区隔） 分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。 膜间隙 DNA 外膜 脊 内膜 核糖体 线粒体图解

1、外膜 (out membrane) 具有porin构成的亲水通道，允许小分子物质通过，标志酶为单胺氧化酶。 2、内膜 （inner membrane） 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。 内膜具有嵴，能扩大表面积（5-10倍） 。 3、膜间隙 ：是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。

线粒体的膜结构图 脊 膜间隙 外膜 脊交汇点 基质 核糖体 内膜 ATP合酶粒 微粒

层状嵴

管状嵴

4、基质（matrix） 含三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类；mtDNA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。

三、氧化磷酸化 动物细胞95%的ATP来源于线粒体。

脂肪酸 丙酮酸 乙酰辅酶 脱羧 三羧酸循环 细胞母体 外膜 内膜 ATP 线粒体的功能

（一）电子载体 1、NADH：连接三羧酸循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。 2、黄素蛋白：含FMN或FAD，可接受2个电子,2个质子。相关脱氢酶：①NADH脱氢酶(FMN)；②琥珀酸脱氢酶( FAD)。

3、细胞色素：含血红素铁，通过Fe3+/ Fe2+变化传递电子，包括细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。

4、铁硫蛋白：分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe3+/Fe2+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。

自由基半醌QH 5、辅酶Q：有3种形 式，即：氧化型醌 Q，还原型氢醌QH2 和自由基半醌QH。 氧化型醌Q 还原型氢醌QH2

（二）电子传递复合物 呼吸链组分按氧化还原电位由低向高排列。 用脱氧胆酸处理线粒体内膜、分离出4种呼吸链复合物。 -0.32 0.82

1、复合物I：NADH脱氢酶。 组成：42条肽链，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，以二聚体形式存在。 作用：催化NADH的2个电子至辅酶Q，同时由M侧转移4个质子至C侧。 NADH→FMN→Fe-S→Q NADH + 5H+M + Q→NAD+ + QH2 + 4H+C

2、复合物II：琥珀酸脱氢酶 组成：至少4条肽链，含1个FAD，2个铁硫蛋白。 作用：催化琥珀酸的低能电子至辅酶Q，不转移质子。 琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。 琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2

组成：至少11条肽链，二聚体，含细胞色素b566 、 b562、1个铁硫蛋白和1个细胞色素c1 。 3、复合物III：细胞色素c还原酶。 组成：至少11条肽链，二聚体，含细胞色素b566 、 b562、1个铁硫蛋白和1个细胞色素c1 。 作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子转移4个H＋至C侧。 2还原态cyt c1 + QH2 + 2H+M→2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C

Q循环

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。 4、复合物IV：细胞色素c氧化酶 组成：二聚体，每个单体至少13条肽链。 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。 cyt c→CuA→heme a→a3- CuB→O2 4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O

（三）两条主要的呼吸链 ①复合物I-III-IV组成，催化NADH的脱氢氧化。 ②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Ⅰ，约需3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，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。

NADH电子的转移 细胞溶胶 膜间隙 电子对通过复合物I进入电子传递链 电子对通过复合物I进入电子传递链 基质

FADH2电子的转移 细胞溶胶 膜间隙 琥珀酸盐 基质

三、氧化磷酸化的作用机理 （四）质子动力势 Mitchell(1961)提出“化学渗透假说”。认为： 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(C侧)，形成质子动力势（ △P）。 △P=Ψ-(2.3RT/F)△pH 其中：△pH= pH梯度， Ψ =电位梯度，T=绝对温度，R=气体常数，F为法拉第常数，当温度为25℃时△P的值为220mV左右。 (Peter Dennis Mitchell，1978）

化学渗透假说 细胞溶胶 膜间隙 基质 基质

（五）ATP合酶（ATP synthase） F型质子泵；分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。 F1：α3β3γδε复合体，具有3个ATP合成的催化位点（每个β亚基1个）。 F0：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。

ATP合酶 F1偶联因子 F0偶联因子

1979年Boyer提出构象耦联假说。 1．ATP酶利用质子动力势，催化ATP合成。 2．F1有3个催化位点，催化位点有3种构象。 3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，带动γ亚基旋转，γ亚基端部高度不对称，引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化L(loose)、T(tight)、O(open)，不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。

ATP合酶作用机制

1997年，美国科学家博耶Paul D. Boyer、英国科学家沃克尔John E. Walker、丹麦科学家斯科Jens C 1997年，美国科学家博耶Paul D.Boyer、英国科学家沃克尔John E.Walker、丹麦科学家斯科Jens C.Skou因在“生命能量通货——ATP”

ATP synthase as a reversible coupling device

P/O值 指每消耗一个氧原子所产生的ATP分子数， 它表示氧化磷酸化的效率 通常认为NADH／3，FADH2／2；也有人认 为前者为2.5，后者为1.5

四、线粒体与疾病 1、克山病：地方性心肌病（缺硒）；线粒体突变（能量不够了，心脏就可能会无法正常跳动，出现心律减慢、心血管疾病等。还有，像肌肉会出现无力不耐受，这些都与线粒体提供能量有密切关系） 2、耳聋与线粒体基因突变（耳蜗是能量代谢依赖型组织 ） 3、糖尿病与线粒体：1992年发现线粒体基因的某些片段缺失或某些位点的突变与糖尿病发病有关。 本病于1935年首先发现于黑龙江省克山县，故名克山病。在黑龙江、吉林、内蒙、河北、陕西、甘肃、四川、云南等地的荒僻地区有流行，农民及其家属患病率高，南方地区亚急型6~8月发病率高。黑龙江省各重病区地理条件的共同特征是：气候，湿润多雨；地形，多低山丘陵；土壤，富含腐殖质，偏酸性；均为农耕区。中国的重病区多位于海拔200—2000米之间，大体上沿兴安岭、长白山、太行山、六盘山到云贵高原的山地分布。此外，朝鲜、日本亦曾有报导。克山病：本病可分四型：急型.亚急型.慢型和潜在型.急型：多冬季发病.常因寒冷.暴饮.暴食分娩等而诱发.恶心.呕吐.头晕.严重者数小时内死亡.常有心源性休克.各种严重心律失常.心脏扩大.舒张期奔马律.急型发病后出现浮肿.肝肿大等体征三个月以上不消退者已由急型转为慢型;亚急型是小儿克山病的一种类型.春夏发病多.精神不振.食欲减退.面色灰暗.全身浮肿.心脏向两侧扩大.舒张期奔马律.肝脏肿大.三个月不缓解者.已转为慢型.慢型表现为充血性心力衰竭.心脏向两侧扩大.心尖部收缩期杂音.肝脏肿大.下肢浮肿.极似扩张型心肌病.潜在型是各型治疗之后.或是克山病的早期改变.克山病有流行症学特点.即地区.季节及人群发病特点.心脏扩大.心律失常.心力衰竭.奔马律及心功能有关的杂音.在克山病流行区诊断不难.

线粒体DNA是致癌物作用的重要靶点，因此，不可忽视线粒体DNA的突变在导致细胞癌变中的作用。 4、线粒体与肿瘤： 线粒体DNA是致癌物作用的重要靶点，因此，不可忽视线粒体DNA的突变在导致细胞癌变中的作用。 5、线粒体与人的寿命：最新研究表明，部分线粒体突变也是寿命的标志之一。 ，部分人到了70岁时，就会出现决定生与死的坎口，如果跨过去了，柳暗花明又一村，人体会启动另一套生命机制，所以线粒体与人的寿命是很有关系的。 线粒体疾病是指病变发生在细胞的线粒体内，是线粒体基因组（mtDNA）和/或核基因组（nDNA）编码线粒体蛋白的基因变异引起的线粒体结构和氧化磷酸化功能的损伤,而引起的疾病。线粒体病通常表现为ATP能量减少、活性氧自由基（ROS）增多和乳酸中毒等造成细胞损伤或细胞凋亡等。线粒体疾病可发生在身体某一部位或多个部位，形成多系统疾病，患者常有两种或更多病症的综合表现，形成综合症。临床症状十分复杂多样和明显个体差异，这与线粒体遗传的异质性（Heteroplasmy）和在体内的特定分布有关。线粒体疾病独特的临床表型多表现为肌无力运动不耐受、听力伤失、共济失调、症状突发（中风）、学习障碍、白内障、心衰、糖尿病和生长缓慢等，但如果一患者兼有三种以上的上述病症，或累及多器官和多系统，很可能就是线粒体病。但由于它没有标志性诊断标准，尚需在临床上作出进一步测试和确诊水平。根据流行病学调查，线粒体疾病的流行率和死亡率都很高（流行率达1/8500），是代谢病中最常见的疾病之一。对原发性线粒体呼吸链疾病目前尚缺乏有效治疗手段，随着病程发展，必然导致严重丧失活动能力和早期死亡（Chinnrey 2003）。表1和图2示已知人类线粒体疾病及其临床症状（刘树森2001，2005，Chinnery，2003）：

第二节 叶绿体与光合作用 光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。 绿色植物年产干物质达1014公斤。

一、基本形态与动态特征 （一）形态、数目与分布 状如透镜，长径5-10，短径2-4，厚2-3um。 叶肉细胞含20-200个，占细胞质的40%。 光学显微镜及荧光显微镜下观察到的叶绿体：左图：拟南芥叶肉细胞原生质体。右图：将原生质体细胞质平铺并经DAPI染色后的荧光显微照片。红色为叶绿素的自发荧光

成熟的叶片体积和数目保持不变，环境条件不变化时，叶绿体不发生融合和分裂。 （一）形态、数目与分布 成熟的叶片体积和数目保持不变，环境条件不变化时，叶绿体不发生融合和分裂。 叶绿体在细胞内位置和分布受到光的动态调控。（叶绿体定位） 躲避响应（avoidance response） 积聚响应(accumulation response)

Chup1: chloroplast unusual positioning 1 光照强度对叶绿体分布及位置的影响。野生型（WT）拟南芥叶片呈深绿色。对叶片的一部分（整体遮光，中部留出一条窄缝）强光照射1小时后，被照射的窄缝处变成浅绿色。这是由于细胞中的叶绿体发生了位置和分布的变化，以减少强光的伤害。叶绿体通过位移避开强光的行为称为躲避相应（avoidance response）。相反，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）。在一种叶绿体定位异常的突变体（chup1）中，光照对叶绿体的位置和分布失去影响。箭头指示光照的方向（小箭头：弱光；大箭头：强光）。 Chup1, 叶绿体外膜蛋白，与actin结合 Chup1: chloroplast unusual positioning 1

（二）叶绿体间的动态连接 叶绿体通过基质小管实现叶绿体之间的相互联系。 叶绿体及原质体膜向外延伸形成的柔性管状结构（箭头指示）。该结构具双层膜，分别为叶绿体内膜和外膜的直接延伸。由于叶绿体（或质体）基质随小管延伸，基质小管故而得名（stroma-filled tubule → stromule）。（a）光学显微镜下叶绿体表面出现基质小管的连续过程；（b）GFP标记叶绿体膜后荧光显微镜下观察到的基质小管；（c）三维重构显示的拟南芥卵细胞原质体及复杂的基质小管网络。CP：叶绿体；PP：原质体。Bar = 10微米（a， b）， 2微米（c）。

（三）叶绿体的分化与去分化 分化：原质体在光的诱导下形成叶绿体 去分化：叶肉细胞组织培养成愈伤组织形成原质体。 叶绿体分化及分化异常的表现。在烟草中，叶绿体基因atpA基因氨基酸突变异常可引起植株白化（WAT-9）。野生型拟南芥（WT）叶肉细胞中原质体分化为叶绿体，而花叶突变体（var2）叶片白斑部分的叶肉细胞内质体形成白色体（绿色区域内质体形成正常的叶绿体）。Bar = 2微米。

（四）叶绿体的分裂 在个体发育中叶绿体由原质体发 育而来，分化中的叫前叶绿体。 在有光条件下原质体融合形成片 层，发育为基粒，形成叶绿体。 叶绿体数目的调控主要发生在 细胞分化和生长的早期。

分裂的分子机制：与线粒体类似，都有分裂环装置： 外环和内环及相关蛋白。 电子显微镜下观察到的红藻（a， b）及被子植物天竺葵（c）的叶绿体分裂环。在SEM下，红藻叶绿体分裂环的外环（a中双箭头指示）为一环形索状结构，位于叶绿体表面，随着叶绿体分裂的进行而变粗。在叶绿体的垂环切面上，分裂环的一对横切面出现在叶绿体的缢缩处，呈较高电子密度（b中双箭头指示）。将分裂环的切面放大（b中下图）后，在外环切面（大箭头）的下面可以清楚地区分辨出形状宽扁的内环（小箭头）断面。外环与内环的断面之间由叶绿体膜相隔。高等植物的分裂环在超微结构上与红藻相同。随着分裂的进行（I → III），分裂环外环（c中箭头指示）变粗，截面积增大（c中右图分别为左图的局部放大）。CP：叶绿体；MP：线粒体；N：细胞核。Bar = 0.5微米（a，b上，c左）， 0.1微米（b下，c右）。

Z环：决定分裂位置和召集外环蛋白的组装(Ftsz蛋白质) 外环:dynamin蛋白（发动蛋白）:ARC5（accmumlation and replication of chloroplasts-5） Z环：决定分裂位置和召集外环蛋白的组装(Ftsz蛋白质) 被子植物叶绿体分裂装置的定位 (dynamin) 天竺葵叶绿体分裂过程中的Z环（a）及拟南芥叶绿体分裂装置相关基因的突变表型（b）。注意内环的免疫荧光在在叶绿体膜尚未发生缢陷的分裂早期最强，随着叶绿体分裂的进行而减弱。同时，与野生型（WT）相比，编码ARC5、ARC6、PDV1的基因突变（arc5，arc6，pdv1-1和pdv1-2）后叶肉细胞内出现大体积的叶绿体。Bar = 1微米（a）， 10微米（b）。 FtsZ

二、叶绿体的超微结构 由外被、类囊体和基质3部分组成。 含3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜； 3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。

叶肉细胞 叶片横截面 叶绿粒 叶脉 叶肉 气孔 叶绿粒 膜间隙 外膜 叶绿体基粒 内膜 叶绿体基粒 基质 基质 类囊体 类囊体空间

叶绿体

（一）叶绿体外被 双层膜组成，膜间为10-20nm的间隙。 外膜的通透性大，内膜通透性低；ADP、ATP、 葡萄糖透过较慢。 蔗糖、焦磷酸、NADP+、等需要特殊的转运体才能通过内膜。

（二） 类囊体 类囊体膜：流动性高，内在蛋白有：细胞色素b6／f复合体、集光复合体(LHC)、质体醌(PQ)、质体蓝素(PC)、铁氧化还原蛋白(FD)、黄素蛋白、光系统I、II复合物。 基粒：扁平小囊堆叠而成，含40-60个。 基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。

（三）基质 内膜与类囊体之间的空间，主要成分包括： 碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶。 叶绿体DNA、蛋白质合成体系。 一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。

三、光合作用机理 光 光反应 NADP+ NADPH ATP ADP+Pi 暗反应: CO2 糖类

光反应 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（primary reaction) 光能的吸收、传递与转换，形成高能电子 由光系统复合物完成， 电子传递与光合磷酸化

光化学反应 D · Chl · A D · Chl* · A D · Chl+ · A- D + · Chl · A- H2O 1/2O2

1937年，希尔用体外的叶绿体和水反应得到了O2，为光反应的研究打开了大门。 希尔反应 1937年，希尔用体外的叶绿体和水反应得到了O2，为光反应的研究打开了大门。 光 4Fe3++2H2O 4Fe2++4H++O2 叶绿体 ？？ 　说明叶绿体在光下可分解H2O，产生电子，产生还原能力，使物质还原，即光反应可产生电子将物质还原。

1951年，发现体内物质NADP＋可被光合作用还原为NADPH。 希尔反应 1951年，发现体内物质NADP＋可被光合作用还原为NADPH。 光 NADPH+H++1/2O2 NADP++H2O 叶绿体 这是一个振奋人心的消息，因为科学家们早已知道，NADPH是生物体内的重要的还原剂。

（一）光合色素和电子传递链组分 1．光合色素 包括：叶绿素、类胡萝卜素，比例约3:1。 叶绿素分为a、b，比例约3:1。

天线色素：约200个叶绿素分子和一些肽链构成。 2．集光复合体 天线色素：约200个叶绿素分子和一些肽链构成。 辅助色素：类胡萝卜素、叶黄素 光子 PSII 电子转移 电子转移 能量响应转移 天线色素分子

3．光系统Ⅱ（PSⅡ）：P680 至少包括12条肽链。 包括一个集光复合体Ⅱ、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体。

4．细胞色素b6/f复合体 可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。（b563,Fe-S,cytbf，IV) 5．光系统Ⅰ（PSI）：P700 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和反应中心构成。

（二）光合磷酸化与电子传递 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。 非环式光合磷酸化:一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔增加4个H+，在基质中1个H+被用于还原NADP+，使类囊体腔有较高的H+（pH≈5），形成质子动力势。 2ADP+Pi+4NADP++2H2O 2ATP+4NADPH+O2 光

非环式光合磷酸化 初级接受者 初级接受者 铁氧化还原蛋白 ＮＡＤＰ＋还原酶 细胞色素复合体 质体蓝素 电子流动供给化学渗透合成ＡＴＰ的能量

电子在类囊体胞膜转移 基质 光子 光子 铁氧化还原蛋白 ＮＡＤＰ＋还原酶 质体蓝素 类囊体腔

ADP+Pi ATP H+经ATP合酶（ CF1-F0 偶联因子）渗入基质、推动ATP合成。 光合磷酸化与电子传递 环式光合磷酸化: ADP+Pi ATP H+经ATP合酶（ CF1-F0 偶联因子）渗入基质、推动ATP合成。 仅涉及PSI过程。 光

环式光合磷酸化 铁氧化还原蛋白 铁氧化还原蛋白 初级接受者 初级接受者 ＮＡＤＰ＋还原酶 细胞色素复合体 质体蓝素 化学渗透合成ＡＴＰ的能量

（三）光合磷酸化与氧化磷酸化异同 1.相同： ATP合成由质子移动形成。 两个酶的头均可以催化ATP，结构相似。 都需要完整的膜系统。

2、不同 氧化磷酸化发生在线粒体内膜上，光合磷酸化发生在类囊体膜上。 需要条件不同。 电子的传递途径不同：线粒体中1对电子3次跨膜传递→10个质子到膜间隙，2H+ =1ATP 叶绿体中1对电子2次跨膜传递→基质摄取3质子→类囊体膜生成4个质子， 3H+ =1ATP

（四）光合碳同化 C3途径:卡尔文循环,CO2受体为RUBP,最初产物为PGA。 C4途径:CO2受体为PEP,最初产物为草酰乙酸。 暗反应 （四）光合碳同化 C3途径:卡尔文循环,CO2受体为RUBP,最初产物为PGA。 C4途径:CO2受体为PEP,最初产物为草酰乙酸。 景天酸代谢途径:夜间固定CO2产生有机酸,白天有机酸脱羧释放CO2,进行CO2固定。

RUBP脱羧酶 PGA激酶 甘油醛-3磷酸脱氢酶

C4途径 苹果酸脱氢酶 磷酸烯醇式 丙酮酸

景天科酸代谢途径（CAM） 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)+ CO2 夜间气孔开放 草酰乙酸(OAA) 酸多糖少 苹果酸（积累于液泡中） 苹果酸酶 白天气孔关闭 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（图3-12）。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（crassulacean acid metabolism,CAM）途径（ 丙酮酸 卡尔文循环 酸少糖多 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)

第三节 线粒体和叶绿体的半自主性和起源 一、线粒体和叶绿体的半自主性 鹅膏素 放线菌酮 吖啶橙 和EB 氯霉素、红霉素 、四环素 第三节 线粒体和叶绿体的半自主性和起源 一、线粒体和叶绿体的半自主性 鹅膏素 放线菌酮 Figure 14-62. An overview of the biosynthesis of mitochondrial and chloroplast proteins. Each red arrow indicates the site of action of an inhibitor that is specific for either organelle or cytosolic protein synthesis. 吖啶橙 和EB 氯霉素、红霉素 、四环素

（一）、线粒体和叶绿体的DNA 线粒体DNA：双链环状，与细菌的相似；1600bp~7800bp 均可自我复制，以半保留方式进行 3H-嘧啶核苷标记证明：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。 复制所需要的DNA聚合酶是由核DNA编码。

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 mtDNA:2种RNA，22种tRNA,13种多肽（I的7个亚基， III中的1个亚基，IV中的3个亚基） ctDNA:4种rRNA，30种tRNA,100多种多肽(RUBP羧化酶 的大亚基，PSI的2个亚基，PSII的8个亚基，ATP合酶 的6个亚基，细胞色素b6f的3个亚基) 线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖 性

Electron micrograph of an animal mitochondrial DNA molecule Figure 14-65. Electron micrograph of an animal mitochondrial DNA molecule caught during the process of DNA replication. The circular DNA genome has replicated only between the two points marked by arrows (yellow strands). (Courtesy of David Clayton.) Electron micrograph of an animal mitochondrial DNA molecule caught during the process of DNA replication

人类基因组 细胞核基因组 线粒体基因组（16596bp ）37个基因 2个rRNA基因 13个蛋白编码基因 22个tRNA基因 编码大量维护线粒体结构和功能的大分子，如DNA复制和转录的酶和氧化磷酸化亚单位

（二）、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 线粒体： 叶绿体： 1. mtDNA编码mt中合成 2. 核DNA编码细胞质中合成 1. ctDNA编码，ct中合成 2. 核DNA编码，细胞质中合成 3. 核DNA编码， ct中合成 Figure 14-71. The origins of mitochondrial RNAs and proteins. The proteins imported from the cytosol play a major part in creating the genetic system of the mitochondrion in addition to contributing most of the organelle protein. The mitochondrion itself contributes only mRNAs, rRNAs, and tRNAs to its genetic system. Not indicated in this diagram are the additional nucleus-encoded proteins that regulate the expression of individual mitochondrial genes at posttranscriptional levels.

（二）、叶绿体、线粒体基因组和细胞核的关系 核质互作：共进化的遗传信息和基因表达的分子协作关系。 核质冲突：当三者中协作关系相关基因突变出现。 自发变异 诱发突变 RNA编辑

二、线粒体和叶绿体的起源 （一） 内共生起源学说 早期厌氧的 原核细胞 形成细胞核 需氧的 厌氧的 原核细胞 真核细胞 真核细胞通过胞吞作用吞食需氧的原核细胞 真核细胞 携带者需氧 的内共生的 原核细胞 Figure 14-70. A suggested evolutionary pathway for the origin of mitochondria. Microsporidia and Giardia are two present-day anaerobic single-celled eucaryotes (protozoa) without mitochondria. Because they have an rRNA sequence that suggests a great deal of evolutionary distance from all other known eucaryotes, it has been postulated that their ancestors were also anaerobic and resembled the eucaryote that first engulfed the precursors of mitochondria. 向细胞核中转移了基因 今天需氧 真核细胞 今天厌氧 真核细胞

内共生起源学说 叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻： Mereschkowsky，1905年 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生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。 内共生起源学说的主要论据： 不足之处

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。 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的特征。 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？ 不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为真核细胞？ 线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子从何发生？