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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流南农细胞生物学5.精品文档. 第七章细胞的能量转换-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。 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。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。它们的形态特征主要是封闭的双层单位膜结构，且内膜经过折叠并演化为表面积极大扩增的内膜特化结构系统。内膜在能量转换功能中起着主要作用。大量扩增的内膜不仅为线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化反应提供了结构框架。 线粒体和叶绿
2、体有着相似的基本结构，而且以类似的方式合成ATP。线粒体和叶绿体都是半自主性的细胞器。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。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，或称核外基因及其表达体系。第一节线粒体与氧化磷酸化 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合成ATP,为细胞提供能量。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，一、 线粒体的形态结构 (一) 线粒体的形态、大小、数量和分布线粒体的形态、大小、数量与分布，在不同细胞内变动很大，就是同一细胞,在
3、不同生理状态下也不一样。许多哺乳动物成熟的红细胞缺少线粒体；线粒体具有多形性、易变性、运动性和适应性。其形状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。在一定条件下线粒体的形状变化是可逆的。线粒体一般直径为0.51.0mm，长1.53.0mm。 线粒体的数目与细胞的生理功能及生理状态有关，在新陈代谢旺盛的细胞中线粒体多，如人和哺乳动物的心肌、小肠、肝等内脏细胞中线粒体很丰富；飞翔鸟类胸肌细胞线粒体的数目比不飞翔鸟类的多；运动员的肌细胞线粒体比不常运动的人的多。 线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，例如，肠上皮细胞中的线粒体呈两极性分布，集中于顶部和基部。线粒体往往在细胞代谢旺盛的
4、需能部位比较集中，如分泌细胞的线粒体聚集在分泌物合成的区域；线粒体的这种分布有利于需能部位的能量供应。 (二)线粒体的超微结构 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 space)及基质(matrix)或内室(inner chamber)4部分组成。 1外膜 外膜是包围在线粒体最外面的一层光滑而有弹性的单位膜。外膜上有排列整齐的筒状圆柱体，圆柱体上有直径为23 nm的小孔。相对分子质量为10X103以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。 2内膜 内膜位于外膜内侧，把膜间
5、隙与基质(内室)分开。内膜对物质的通透性很低，能严格地控制分子和离子通过，这种“不透性”在ATP的生成过程中起重要作用。 内膜的“不透性”特性与结构组成有关，内膜含有大量的心磷脂(cadiolipin)，形成通透性屏障，如H+、ATP、丙酮酸等不能自由透过内膜，必须在载体或通透酶(permease)系统的协助下才能实现跨膜运输。内膜向线粒体内室褶叠形成嵴(cristae)，嵴使内膜的表面积大大扩增。这对线粒体进行高速率的生化反应是极为重要的。嵴的形状和数量与细胞种类及生理状况密切相关，需能多的细胞，不但线粒体多，嵴的数量也多。 线粒体内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄的球状小体，称为基粒。
6、基粒由头部和基部组成。头部又称F1，为球形颗粒。基部又称 F0，嵌入线粒体内膜。 3膜间隙 膜间隙是内外膜之间封闭的腔隙，其中充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴内间隙(intracristal space)与膜间隙相通，实际上是膜间隙的延伸。 4基质或内室 基质为内膜所包围的嵴外空间，腔内充满可溶性蛋白质性质的胶状物质，呈均质状，具有一定的pH和渗透压。二、 线粒体的化学组成及酶的定位 (一) 线粒体的化学组成 线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂质。其中蛋白质占线粒体干重的 6570，脂质占2530。 线粒体内、外膜在化学组成上的根本区别是脂质和蛋白质的比值不同，内膜的脂质与蛋
7、白质的比值低(0.3：1)，外膜的比值较高(1：1)。内膜富含酶蛋白和辅酶，外膜仅含少量酶蛋白。 粒体的基质中含有催化三羧酸循环、脂肪酸9氧化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上百种酶和其他成分，如环状DNA、RNA、核糖体及较大的致密颗粒，这些颗粒是含磷酸钙的沉积物，其作用是贮存钙离子，也可结合镁离子。 (二)线粒体酶的定位 线粒体约有140余种酶，其中37是氧化还原酶， 10是合成酶，水解酶不到9。线粒体中一些主要酶的分布列于表71。 (一)氧化磷酸化的分子结构基础 氧化(放能)和磷酸化(贮能)是同时进行并密切偶联在一起的，但却是由两个不同的结构系统实现的。 1电子传递链(呼吸链)在线粒体内
8、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，由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链(electrontransport chain)或呼吸链(respiratory chain)。细胞内有两条典型的呼吸链，即NADH呼吸链和 FADH2呼吸链。这是氢的原初受体不同而区分的。 线粒体内膜上的呼吸链由多个组分组成。包括：烟酰胺脱氢酶类(以NAD+或NADP+为辅酶)；黄素脱氢酶类(以黄素单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD为辅基)；铁硫蛋白类(或称铁硫中心，FeS)，分子中含非血红素铁和对酸不稳定的硫，其作用是通过铁的
9、化合价的互变进行电子传递；辅酶Q类，是一种脂溶性的醌类化合物，它具有3种不同的氧化还原状态，即氧化态Q、还原态QH2和介于两者之间的半醌QH；细胞色素类，是一类以铁卟啉为辅基的色蛋白，其主要功能是通过铁的化合价的互变传递电子。目前发现的细胞色素有a、a3、b、c、c1等。在aa3分子中，除含血红素铁外，尚含有2个铜原子，依靠其化合价的变化，把电子从a，传递到氧。 呼吸链可人为地分为4种功能复合物(1)以及辅酶Q和细胞色素c。4种复合物包埋在线粒体内膜中，辅酶Q和细胞色素c是呼吸链中可流动的递氢体或递电子体。复合物的组分和定位列于表72。 复合物I：是NADHCoQ还原酶，又称NADH脱氢酶，其
10、作用是催化NADH的2个电子传给辅酶Q，同时发生质子的跨膜输送，故复合物I既是电子传递体又是质子移位体。 复合物：是琥珀酸CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q。复合物不能使质子跨膜移位。 复合物：是CoQ细胞色素c还原酶，其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，同时发生质子的跨膜输送，故复合物既是电子传递体，又是质子移位体。 复合物：是细胞色素氧化酶，其作用是催化电子从细胞色素c传给氧。同时发生质子的跨膜输送，故复合物既是电子传递体又是质子移位体。 复合物I、组成主要的NADH呼吸链，催化NADH的氧化；复合物、组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸
11、的氧化。 呼吸链各组分有严格的排列顺序和方向。从NADH到分子氧之间的电子传递过程中，电子是按氧化还原电位从低向高传递。电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动。 2 ATP合成酶(ATPsynthetase)或FlFoATP酶(或HATP酶) 位于线粒体内膜上，是生物体进行能量转换的核心酶。参与氧化磷酸化，催化合成ATP。 其分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0基部两部分组成。F1(偶联因子F1)：为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。F0(偶联因子F0)：是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。牛心线粒体ATP酶： Fl部分(F1ATPase)由
12、3a、3b、1g、1d、1e等9个亚基组成， 3个a亚基和3个b亚基交替排列，形成一个“橘瓣”状结构，各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。a和b亚基上均具有核苷酸结合位点，其中b亚基结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。g与e亚基结合在一起形成“转子”(rotor)，位于a3b3的中央，共同旋转以调节三个b亚基催化位点的开放和关闭。e亚基有抑制酶水解ATP的活性，同时还 有堵塞H+通道、减少H+泄漏的功能。细菌F0(偶联因子F0)：在细菌中，F0由a、b、c 3种亚基组成,各亚基的数量关系为alb2C1012，多拷贝的c亚基形成一个环状结构，a亚基与b亚基二聚体排列在c亚基形成的环的外侧，
13、a亚基、b亚基二聚体和d亚基共同组成“定子”(stator)(图75)。 F1和F0通过“转子”和“定子”将两部分连接起来，F0的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩(torsion)，推动“转子”旋转。在合成或水解ATP的过程中，“转子”在通过F0的H+流推动下旋转，依次与3个b亚基作用，调节b亚基催化位点的构象变化； 3氧化磷酸化作用与电子传递的偶联当电子从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。氧化磷酸化是生成ATP的一种主要方式。NADH呼吸链生成ATP的3个部位是：NADH至辅酶Q；细胞色素b至细胞色素c；细胞色素a
14、a3至氧之间。3处各生成一分子 ATP，共生成3个ATP分子。但FADH2呼吸链只生成2个ATP分子，这是因为电子从FADH2至辅酶Q间传递所释放的能量不足以形成高能磷酸键所致。 (二)氧化磷酸化的偶联机制 20多年来，氧化磷酸化的偶联机制提出了各种假说，主要有：化学偶联假说(chemical coupling hypothesis)、构象偶联假说(conformational coupling hypothesis)、化学渗透假说(chemiosmotic coupling hypothesis)等。 现在，化学渗透假说成为最为流行的一种假说。该假说是1961年英国生物化学家Mitchell
15、提出来的，他因此获得了1978年诺贝尔化学奖。化学渗透假说的主要内容是：呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+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(electrochemicalprotongradient， Dm H+)，也称为质子动力势(protonmotiveforce，DP)。在这个梯度驱动下，H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。质子动力势 (DP)由两部分组成：一是膜内外H+浓度差(DpH)，二是膜电位(Dy)。
16、化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的完整性。如果膜不完整，H+便能自由通过膜，则无法在内膜两侧形成质子动力势，那么氧化磷酸化就会解偶联。二是定向的化学反应。ATP合成的反应是定向的，在电化学质子梯度推动下，H+由膜间隙通过内膜上的ATP合成酶进入基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。 根据化学渗透假说， H+通过ATP合成酶进入基质，每进入2个H+可驱动合成1个ATP分子。电子及质子通过呼吸链上电子载体和氢载体的交替传递，在线粒体内膜上形成3次回路，导致3对H+由基质抽提至膜间隙，生成3个ATP分子。 (三)ATP合成酶的作用机制 ATP合成酶可能是已发现的自然界最小的分子“马达”
17、，其运转效率几乎达100。美国生物化学家Boyer早期提出的ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制，经过20多年的实验研究， 1994年Walker等发表了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构。为 Boyer提出的结合变化和旋转催化机制提供了结构基础，他也因此与Boyer分享了1997年的诺贝尔化学奖。ATP合成酶结合变化机制(binding change mechanics)的主要内容：即在任一时刻，F1上3个b催化亚基的构象总是不同的，与核苷酸结合也不一样，每个催化位点与核苷酸的结合按顺序经过三种构象状态：紧密结合态(T态)、松散结合态(L态)和空置状态(不与任何核苷酸结合的O态)。在ATP合
18、成过程中，3个b催化亚基的构象发生顺序变化，每一个催化亚基经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子。图中所示，ADP和Pi与b2结合，ADP与Pi形成ATP；在质子流推动下，a3b3亚基相对于“转子”旋转120，3个b亚基随即发生构象改变，使b亚基对ATP、ADP和Pi的亲和力产生变化，从而引起ATP从b2上释放出来，空出的结合位点又可与新的ADP和Pi结合。由此看出，结合变化机制主要涉及的是3个b催化亚基在合成或水解ATP过程中的构象变化，其构象变化由转子的转动来实现。 当H+流跨膜转运时，带动ATP合成酶基部的车轮结构和与之连接的轴进行转动，就像水流带动水轮机一样。这一转动继而引起与轴相连
19、的三个叶片(即3个 b亚基)发生一定的构象变化，结果使ADP和Pi合成ATP分子并将其释放出来。ATP合成酶的催化循环犹如一部精密的分子“水轮机”。四、线粒体与疾病 线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器，它可显示细胞受损伤的程度。许多研究工作表明，线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关，线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。有人将这一类疾病称为“线粒体病”(mitochondrial diseases，MD)。线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。 克山病就是一种心肌线粒体病(mitochondrial cardiomyopathy)。它是以心肌
20、损伤为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏(缺硒)而引起。患者线粒体硒含量明显降低，慢性者为正常量的12，亚急性者为正常量的125。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整；膜电位下降，膜流动性减低；对电子传递和氧化磷酸化偶联均有明显影 响。随着研究工作的不断深入，发现人的细胞中线粒体的数量随年龄增长而减少，而体积却随年龄增长而增大。有些学者认为，线粒体是细胞内自由基的源泉，它们是决定细胞衰老的生物钟，机体95以上的氧自由基都来自线粒体的呼吸链，正常情况下，氧自由基可被线粒体中的 Mn2+SOD所清除，机体衰老及退行性疾病时Mn2+SOD活性降低，氧自由基就积累
21、在线粒体中。，经过一定时间的累积就会导致线粒体内膜参与能量转换的酶系功能异常。此外，线粒体还与细胞凋亡有关。线粒体是通过释放细胞色素c参与细胞凋亡的。第二节 叶绿体与光合作用 植物细胞与动物细胞的一个重要差别，是它具有自己独特的质体细胞器。质体通常分为叶绿体(chloroplast)、有色体(chromoplast)和白色体(1eucoplast)3大类。其中叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器，其主要功能是进行光合作用。 一、叶绿体的形状、大小和数目叶绿体的形状、大小和数目因植物种类不同而有很大差别，而且叶绿体并不是一种稳定的细胞器，它能够伴随着不同的环境条件，如光照条件，产生不同的适应性
22、变化。高等植物的叶绿体大多数呈香蕉形，一般直径为36mm，厚约 23mm。叶肉细胞内一般含有50200个叶绿体，可占细胞质体积的4090。叶绿体的总表面积比叶面积大得多，这有利于植物对太阳光辐射能和空气中C02的吸收和利用。二 叶绿体的结构和化学组成 叶绿体是由叶绿体膜(chloroplast membrane)或称叶绿体被膜(chloroplast envelope)、类囊体(thylakoid)和基质3部分构成 (一)叶绿体膜由外膜和内膜所组成。每层膜厚约68 nm，内外膜之间为1020 nm宽的膜间隙(intermembrane space)。外膜通透性大，许多化合物如核苷、无机磷、磷酸
23、衍生物、羧酸类化合物等均可透过；内膜对物质透过的选择性强。有些化合物如磷酸甘油酸、苹果酸、草酰乙酸等不能直接透过内膜，需由内膜上的特殊载体转运体 (translocator)的协助才能通过。(二) 类囊体 在叶绿体基质中，有许多由单位膜封闭形成的扁平小囊，称为类囊体。类囊体一般沿叶绿体长轴平行排列。 1类囊体的结构组成在某些部位，许多圆饼状的类囊体叠置成垛，称为基粒(grana)。组成基粒的类囊体称为基粒类囊体(granumthylakoid)，其片层称为基粒片层(granalamella)。类囊体垛叠成基粒，是高等植物细胞所特有的膜结构，这种结构大大增加了膜片层的总面积，更有效地捕获光能，加
24、速光反应。贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛叠的类囊体，称为基质类囊体(stroma thylakoid)，其片层称为基质片层(stroma lamella)。相邻基粒经基质类囊体相连，类囊体腔彼此相通，使叶绿体内的全部类囊体形成一个完整连续的封闭膜囊，膜囊与基质相隔开，有利于光合磷酸化过程中H+梯度的形成。在类囊体膜中镶嵌有光合作用能量转换功能的全部组分。这些组分包括：捕光色素(天线色素)、两个光反应中心、各种电子载体、合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统等。它们分别装配在光系统I(photosystem I，PSl)、光系统(photosystem，PS)、细胞色素bf、CF0Cf1
25、 ATP酶等主要的膜蛋白复合物中。PSI和PS复合物都是由核心复合物(corecomplex)和捕光复合物(1ight harvesting complex，LHC)组成，但它们在组分、结构甚至功能上是不同的。 CF0CF1 ATP酶是由跨膜的H+通道CF0和在类囊体膜基质侧起催化作用的CFl两部分所组成。在亚基组分、结构和功能上均与线粒体的 ATP合成酶很相似。 这些复合物在类囊体膜中呈不对称分布。PS几乎全部分布在基粒与基质非接触区的膜中；PSI主要分布在基粒与基质接触区及基质类囊体的膜中；细胞色素bf在类囊体膜上分布较为均匀；ATP合成酶位于基粒与基质接触区及基质类囊体的膜中。 2类囊体
26、的化学组成 类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂质(比例约60：40)。脂质中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸，约占87，因此类囊体膜的脂双分子层流动性较大。 类囊体膜的蛋白质可分为外在蛋白和内在蛋白两类。外在蛋白在类囊体膜的基质侧分布较多，CF1就是其中一种主要的外在蛋白，还有一些是与光反应有关的酶；内在蛋白主要有：与PSI和PS的活性有关的两种叶绿素蛋白质复合物(chlorophyllproteincomplex)，即CPI和CP。还有质体醌(plastoquinone，PQ)、细胞色素(cytochrome，Cyt)、质体蓝素(plasto cyanin，PC)(含有铜的蛋白质)、铁氧还蛋白(er
27、redoxin，Fd)(属铁硫蛋白)以及黄素蛋白(铁氧还蛋白NADP还原酶)等。 (三)基质叶绿体内膜与类囊体之间是流动性的基质。基质的主要成分是可溶性蛋白质，其中核酮糖1，5二磷酸羧化酶(ribulose1，5biphosphatecarboxylase，RuBPase)是光合作用中一个起重要作用的酶系统，亦是自然界含量最丰富的蛋白质，占类囊体可溶性蛋白质的 80和叶片可溶性蛋白质的50。基质中还含有环状DNA(通常是靠近或附着在叶绿体内膜上)、RNA(rRNA、tR NA、mRNA)、核糖体。三、叶绿体的主要功能光合作用 绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能，利用水和二氧化碳合成糖类等有机化合
28、物，同时放出氧的过程称为光合作用 (photosynthesis)。光合作用是自然界将光能转换为化学能的主要途径。光合作用的过程包括很多复杂的反应，根据现代资料，光合作用的过程可分为三大步骤：原初反应；电子传递和光合磷酸化；碳同化。这三步是一个连续的互相配合的过程，前两步属于光反应(light reaction)，碳同化属于暗反应(dark reaction)光反应(light reaction): 是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，并将光能转换为电能，进而转换为活跃的化学能，形成ATP和NADPH的过程。暗反应(dark reaction): 是在叶
29、绿体基质中进行的不需光(也可在光下)的酶促化学反应，利用光反应产生的ATP和NADPH，使C02还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。 (一)原初反应 原初反应(primaryreaction)是指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，即光能被捕光色素分子吸收，并传递至反应中心，在反应中心发生最初的光化学反应，使电荷分离从而将光能转换为电能的过程。 在绿色植物中，吸收光能的主要分子是叶绿素(chlorophyll)，包括叶绿素a和叶绿素b；另一类色素分子是类胡萝卜素(carotenoid)，包括胡萝卜素 (car
30、otene)和叶黄素(xanthophyll)。在一些细菌和藻类中还有藻胆素(phyco bilin)和叶绿素c或d等。这些色素分子按其作用可分为两类：一类为捕光色素 (light harvesting pigment)，这类色素只具有吸收聚集光能和传递激发能给反应中心的作用，而无光化学活性，故又称为天线色素(antenna pigment)，由全部的叶绿素b和大部分的叶绿素a、胡萝卜素及叶黄素等所组成。另一类属反应中心色素(reaction centre pigment)，由一种特殊状态的叶绿素a分子组成，按最大吸收峰的不同分为两类：吸收峰为700 nm者称为P700，为PS的中心色素；吸收
31、峰为680nm者称为P680，为PS的中心色素。它们既是光能的捕捉器，又是光能的转换器，具有光化学活性，可将光能转换为电能。捕光色素及反应中心构成了光合作用单位(photosynthetic unit)，它是进行光合作用的最小结构单位。反应中心由一个中心色素分子Chl和一个原初电子供体D及一个原初电子受体A组成。在原初反应过程中，捕光色素分子吸收的光能通过共振机制极其迅速地传递给反应中心的中心色素分子Chl，Chl被激发而成激发态Chl*，同时放出电子给原初电子受体A，这时Chl被氧化为带正电荷的Chl+，而A被还原为带负电荷的A。氧化的Chl+又可从原初电子供体D获得电子而恢复为原来状态的C
32、hl，原初电子供体D则被氧化为D+。这样不断地氧化还原，就不断地把电子传递给原初电子受体A，这就完成了光能转换为电能的过程，结果是 D被氧化而A被还原。 (二) 电子传递和光合磷酸化 1电子传递 实验证明，光合作用的电子传递是在两个不同的光系统中进行的，即由PS I及PS协同完成。这两个光系统的反应是接力进行的。虽然PS与PSI在类囊体膜中是分隔分布的，但电子传递体PQ、 PC、 Fd在膜中易流动，可沿膜的内外表面迅速扩散。电子还是能顺利的从PS传递到PS I。当阳光照射到类囊体膜上时，能量同时被PS和PSI的捕光色素吸收，并分别传递给各自的反应中心P680和P700，两个反应中心的电子被同时
33、激发而传给各自的原初电子受体；形成P680+和P700+在PS的反应中心,原初电子受体为Ph(脱镁叶绿素，为弱的还原剂)；P680+通过Z(Tyr残基)和 Mn中心从2个H2O夺取电子供给Ph，同时释放4个H+ 和1个O2到类囊体腔中；Ph-将电子传递给质体醌QA，QA传给质体醌 QB，QB成为带2个电子的还原态QB2-， QB2-从基质中吸收2个H+形成PQH2 后，即从核心复合物上解离下来，将从基质中吸收2个H+释放到类囊体腔，产生H+梯度；而将电子传给Cytbf，Cytbf将电子传给质体蓝素(PC)， PC又将电子传给带正荷的P700+。在PSI的反应中心,原初电子受体为 A0(A0是一
34、种特殊状态的叶绿素a，)，P700+从还原的质体蓝素(PC)捕获电子变成P700，可再一次激发出电子；高能电子从A0-经A1和铁硫蛋白(FeS)传给铁氧还蛋白(Fd)，在NADP还原酶的参与下，NADP+从Fd接受电子的同时，从基质中吸收一个 H+而还原为NADPH。这两个光系统互相配合，利用所吸收的光能把一对电子从水传递给NADP+。现在公认，电子的传递路线呈“Z”形故称为“Z链或光合链(photosyntheticchain) 2光合磷酸化 由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程，称为光合磷酸化(photophosphorylation)。光合磷酸化作用是与光合链电子传
35、递相偶联的 (1)光合磷酸化的类型 按照电子传递的方式可将光合磷酸化分为非循环式和循环式两种类型。非循环式光合磷酸化：PS接受红光后，激发态P680*从水光解得到电子，传递给NADP+，电子传递经过两个光系统，在传递过程中产生的H+梯度驱动 ATP的形成。在这个过程中，电子传递是一个开放的通道，故称为非循环式光合磷酸化(noncyclicphotophosphorylation)。它包括PSI和PS，其产物除ATP外，还有NADPH(在绿色植物)。目前比较公认的非循环式光合磷酸化有两个部位：H20与PQ之间，PQ与Cytbf之间。非循环式光合磷酸化每放出1分子O2只能形成2.4个ATP分子，但
36、每同化一个分子C02需要3个分子的ATP，这就需要循环式光合磷酸化形成的ATP来补充，推动C02的同化过程。 循环式光合磷酸化：PSI接受远红光后，产生的电子经过A0、A1、FeS和 Fd，又传给Cytbf和PC而流回到PSI (图714)。电子循环流动，产生H+梯度，从而驱动ATP的形成。这种电子的传递是一个闭合的回路，故称为循环式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation)。在整个过程中，只有ATP的产生，不伴随NADPH的生成，PS也不参加，所以不产生氧。当植物缺乏NADP+时，就会发生循环式光合磷酸化。 (2)光合磷酸化的作用机制在类囊体膜中的电子传递体中，通过
37、PQ的氧化与还原，使H从膜外侧进入膜内侧，水的光解所产生的H也留在膜内侧，结果使膜内侧的H浓度增加，因而，形成了类囊体膜内外两侧的H浓度差。由于在膜两侧存在质子电动势差，而推动H通过膜中的 CF0而到膜外的CFl发生磷酸化作用，使ADP与Pi形成ATP。CFl在类囊体膜的基质侧，所以新合成的ATP立即被释放到基质中。同样光系统I所形成的 NADPH也在基质中，这样光合作用的光反应产物ATP和NADPH都处于基质中，便于被随后进行的碳同化的暗反应所利用。 由上述可知，叶绿体中ATP合成的机制与线粒体的十分相似。在光合磷酸化和氧化磷酸化中，ATP的形成都是由H移动所推动的；叶绿体的CF1因子与线粒
38、体的F1因子都具有催化ADP和Pi形成ATP的作用；在光合磷酸化和氧化磷酸化中都需要完整的膜等。但两者又有所不同，叶绿体中通过1对电子的 2次穿膜传递，在基质中摄取3个H，在类囊体腔中产生4(6)个H，每3个H穿过CFlCFoATP酶，生成1个ATP分子；而在线粒体中，1对电子3次穿膜传递，将基质中的3对H抽提到膜间隙中，每2个H穿过F1FoATP酶，生成1个ATP分子。 (三)光合碳同化二氧化碳同化(C02assimilation)是光合作用过程中的一个重要方面。碳同化是将光反应所生成的ATP和NADPH中的活跃的化学能，转换为贮存在糖类中稳定的化学能的过程。高等植物的碳同化有三条途径：卡尔
39、文循环、C4途径和景天科酸代谢途径。其中卡尔文循环是碳同化最重要最基本的途径，只有这条途径才具有合成淀粉等产物的能力。其他两条途径只能起固定和转运C02的作用，不能单独形成淀粉等产物。 1卡尔文循环 卡尔文循环(Calvincycle)固定C02的最初产物是3磷酸甘油酸(三碳化合物)，故也称c3途径。这是50年代卡尔文(Calvin)等人应用14C02示踪方法所进行的著名实验研究。由于Calvin在光合碳同化途径上作出了重大贡献，因此获得了1961年诺贝尔化学奖。C3途径是所有植物进行光合碳同化所共有的基本途径。它包括一系列复杂的反应，但可简化为3个阶段，即羧化、还原和 RuBP再生阶段。 羧
40、化阶段：核酮糖1，5二磷酸(RuBP)是C02的接受体，在RuBP羧化酶的催化下，C02与RuBP反应形成2分子3磷酸甘油酸(PGA)。 还原阶段：PGA在3磷酸甘油酸激酶催化下被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催化下被NADPH还原形成3磷酸甘油醛。这一阶段是一个吸能反应，光反应中形成的ATP和NADPH主要是在这一阶段被利用。一旦C02被还原成3磷酸甘油醛，光合作用的贮能过程便完成。RuBP再生阶段：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催化下发生磷酸化作用形成 RuBP，再消耗一分子ATP。综上所述，C3途径是靠
41、光反应合成的ATP及 NADPH作能源，推动C02的固定、还原。每循环一次只能固定一个C02分子，循环六次才能把6个C02分子同化成一个己糖分子。 2C4途径 20世纪60年代发现，某些热带或亚热带起源的植物中，还存在着另一个独特的固定C02的途径，它们固定C02的最初产物是草酰乙酸(四碳化合物)，所以称为四碳植物(C4植物)，如甘蔗、玉米、高梁等。C4植物利用C02的效率特别高,因此，这类植物积累干物质的速度很快，为高产型植物。C4植物固定C02的途径称为C4途径(C4path way)或Hatch-Slack循环。 3景天科酸代谢 生长在干旱地区的景天科(Crassulaceae)等肉质植
42、物的叶子，气孔白天关闭，夜间开放吸进C02，白天C02从贮存的苹果酸中经氧化脱羧释放出来，参与卡尔文循环，形成淀粉等。所以植物体在夜间有机酸含量很高，而糖含量下降；白天则相反，有机酸含量下降，而糖分增多。这种有机酸日夜变化的类型，称为景天科酸代谢(crassulaceae acid metabolism，CAM)。这些植物称为CAM植物，如景天，落地生根等。CAM途径与C4途径相似，只是C02固定与光合作用产物的生成，在时间及空间上与C4途径不同。 第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器1960年以前，普遍认为DNA只存在于细胞核中。1962年Ris和Plant在衣藻叶绿体中发现有DNA；19
43、63年MNass和SNass在鸡胚肝细胞线粒体中也发现有DNA；以后又陆续从叶绿体和线粒体中分离出DNA。进一步研究发现，线粒体和叶绿体中还有RNA (mRNA、tRNA、rRNA)、核糖体、氨基酸活化酶等。说明这两种细胞器均有自我繁殖所必需的基本组分，具有独立进行转录和翻译的功能。迄今为止，已知线粒体基因组仅能编码约20种线粒体膜和基质蛋白并在线粒体核糖体上合成；叶绿体仅有60多种特有的蛋白质是在叶绿体内合成的。但参与组成线粒体和叶绿体的蛋白质各有上千种之多。线粒体和叶绿体的绝大多数蛋白质是由核基因编码，在细胞质核糖体上合成，然后转移至线粒体或叶绿体内。因此，线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核
44、基因组及其自身的基因组两套遗传系统的控制，所以称为半自主性细胞器(semiautonomous一、线粒体和叶绿体的DNA线粒体DNA(mtDNA)呈双链环状，与细菌的DNA相似。比核 DNA相对分子质量小1001 000倍；每个线粒体中约含6个mtDNA分子，叶绿体DNA(ctDNA)也呈双链环状，叶绿体中DNA的含量比线粒体中DNA含量(1X1016g)多。每个叶绿体中约含12个ctDNA分子。mtDNA和ctDNA均可自我复制，其复制也是以半保留方式进行的。它们的复制仍受核的控制，复制所需的DNA聚合酶是由核DNA编码合成二 线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体虽能合成蛋白质，但其种类
45、十分有限。迄今已知，mtDNA编码的RNA和多肽有：线粒体核糖体中2种rRNA(12S及16S)，22种tRNA， 13种多肽(每种约含50个氨基酸残基)。组成线粒体各部分的蛋白质，绝大多数都是由核DNA编码并在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体各自的功能位点上。线粒体的遗传系统仍然要依赖于细胞核的遗传系统。参加叶绿体组成的蛋白质来源有3种：由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；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。由ctDNA编码的RNA和多肽有：叶绿体核糖体中的4种rRNA(23S、16S、45S及5S)，30种(烟草)或31种(地钱)tRNA，约9
46、0种多肽。组成叶绿体的绝大多数蛋白质都是来自细胞质，估计至少70的叶绿体蛋白质是由核基因组编码的。 三 线粒体和叶绿体蛋白的运送 由核基因编码，在细胞质核糖体上合成的线粒体和叶绿体蛋白，需运送至线粒体和叶绿体各自的功能部位核基因编码的线粒体蛋白与糙面内质网合成的分泌蛋白相比较，跨膜运送不同，线粒体蛋白先合成前体形式，然后通过后转移运输到线粒体内，而内质网合成的分泌蛋白则是通过边翻译边转移的共转移方式实现跨膜运输的。线粒体前体蛋白的N端有一段称为导肽(1ead ersequences，leaderpeptide，precursorchain)的序列。导肽内不仅含有识别线粒体的信息，并且有牵引蛋白
47、质通过线粒体膜进行运送的功能。导肽约含2080个氨基酸残基。结构有以下特征：含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸，特别是精氨酸，带正电荷的氨基酸残基有助于前导肽序列进入带负电荷的基质中；羟基氨基酸如丝氨酸含量也较高；几乎不含带负电荷的酸性氨基酸；可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋结构，这种结构特征有利于穿越线粒体的双层膜。前体蛋白在跨膜运送之前需要解折叠为松散的结构，以利跨膜运送。前体蛋白在通过内膜之后，并同时重新卷曲折叠为成熟的蛋白质分子。跨膜运送的蛋白质在解折叠(unfolding)与重折叠(refolding)的过程中都需要某些被称为“分子伴侣”(molecular chaperone)的分子参与。分子伴侣具有解折叠酶(unfoldase)的功能，并能识别蛋白质解折叠之后暴露出的疏水面并与之结合，防止相互作用产生凝聚或错误折叠，同时还参与蛋白质跨膜运送后分子的重折叠以及装配(