第六章 线粒体和叶绿体

线粒体和叶绿体

第一节线粒体与氧化磷酸化

一、线粒体形态、大小、数目和分布

二、线粒体的超微结构

本世纪50年代后，在电镜下观察研究线粒体的结构问题。是由双层单位膜套叠成的所谓“囊中之囊”，在空间结构上人为地划分为四大部分，即外膜、内膜、外室、内室。（一）外膜

指包围在线粒体最外面的一层膜，看上去平整光滑而具有弹性，膜厚约6nm。对各种小分子物质（分子量在10000 doldon以内，如电解质、水、蔗糖等）的通透性较高，有人认为外膜上具有小孔（ф2~3nm）。

（二）内膜

也是一单位膜，约厚6~8nm。内膜不同于外膜。首先是在结构上，内膜不是平滑的，而是由许多向线粒体腔内的突起（褶叠或小管），被称为“线粒体嵴”，是线粒体最富有标志性的结构，它的存在大大扩大了内膜的表面积，增加了内膜的代谢效率。

（三）外室（outer space）（膜间隙）

指内、外膜之间的窄小空隙，宽约6~8 nm，又称膜间隙。

（四）内室

指由内膜包围的空间，其内充满蛋白质性质的物质，称线粒体基质。

三、线粒体的化学组成及定位

（一）蛋白质外膜含量（60%）低于内膜含量（80%），主要为酶类（约120余种）。外膜：单胺氧化酶（标记酶）、NADH—细胞色素C还原酶、脂肪酸辅酶A连接酶等等；内膜：呼吸链酶系（细胞色素氧化酶为标记酶）、ATP合成酶、琥珀酸脱H酶等等；

外室：腺苷酸激酶（标记酶）、核苷二磷酸激酶；

内室：三羧酸循环酶系（其中苹果酸脱H酶是标记酶）、脂肪酸氧化酶、蛋白质合成酶系等等

（二）脂类外膜中含量（40%）高于内膜中的含量（20%）。其中内膜不含胆固醇，而含心磷脂较多。

（三）核酸基质中有DNA，称mt—DNA

四、线粒体的功能——生物氧化

亦称细胞呼吸（cellular respiration），指各类有机物质在细胞内进行氧化分解，最终产生CO2和H2O，同时释放能量（ATP）的过程。包括TCA环、电子传递和氧化磷酸化三个步骤，分别是在线粒体的不同部位进行的。

（一）生物氧化的分区和定位

（二）电子传递和氧化磷酸化的结构基础

虽然电子传递和氧化磷酸化偶连在一起，但它们又是通过不同的结构完成的。1968年，E.Racker等的亚线粒体小泡重建实验说明了这一问题（图示）。

由此可见，电子传递是在线粒体内膜上，氧化磷酸化由基粒承担。

1 电子传递链（呼吸链）

呼吸链是由存在于线粒体内膜上的众多酶系和其它分子组成的电子传递链。

（1）复合物I NADH—Q还原酶，催化NADH的2个电子→辅酶Q

（2）复合物Ⅱ琥珀酸—Q还原酶，催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传至辅酶Q

（3）复合物Ⅲ细胞色素还原酶，催化电子从辅酶Q传至CytC

（4）复合物Ⅳ细胞色素氧化酶，将电子从CytC→氧。

2 基粒（F1—FO复合物）的超微结构

F1—FO复合物，又称内膜亚单位、呼吸集合体、ATP酶复合物、ATP合成酶等。这一结构最初是在1962年，由Fernadezmoran经负染色在电镜下观察到的，后来D.Green 将其称为线粒体基粒，后改称基粒，实际上是一种ATP酶复合体，分子量约在448000。它是由多条多肽链构成的复合结构，可分为三部分，即头、柄、膜三部。在ATP形成过程中共同发挥作用。

3 氧化磷酸化的偶联机制

（1）化学偶联假说（Chemieal coupling hypothesis）

（2）构象偶联假说（Conformational coupling hypothesis）

（3）化学渗透学说（Chemiosmotic coupling hypothesis）

亦称电化学偶联学说，是1961年英国生化学家P.Mitchell提出的。对电子传递和氧化磷酸化问题作了较为另人信服的解释，故普遍为人接受，米切尔因此而获1978年诺贝尔化学奖。

这一假说的中心思想是：在电子传递过程中所释放的能量转化成了跨膜的氢离子浓度梯度的势能，这种势能驱动氧化磷酸化反应，合成ATP。

（1）NADH提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受。

（2）电子传递链中的载氢体和电子传递体相间排列，每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的H+便释放到内膜外。一对电子在呼吸链三次穿膜运动，向外室排放三对H+ 。

（3）内膜对H+具有不可透性，故随电子传递过程的不断进行，H+ 在外室中积累，造成膜两侧的质子浓度差。

（4）外室中H+有顺浓度梯度返回基质的倾向，当H+通过F1—FO复合物时，ATP酶

利用这一势能合成ATP。

（5）F1—FO复合物需2个质子合成一个ATP。

第二节叶绿体与光合作用

叶绿体是植物细胞特有的双层膜围成的细胞器，它对生物界的存在和进化有着重大贡献（三个最初：一是人类、动物、多数微生物的食物的最初来源；二是人类社会利用的古生物燃料——煤、石油、天然气的最初来源；三是地球上氧气的最初来源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同时产生分子氧，总称为光合作用

一、叶绿体的形状、大小、数目、分布

二、超微结构

近年来，先后有许多学者采用超薄切片、负染色和冰冻蚀刻等先进技术，研究叶绿体的形态和组成，揭示叶绿体囊状膜系统的超微结构。

1 叶绿体膜

是两层光滑的单位膜（内、外膜）6-8nm，也称外被，是一个有选择的屏障，控制着叶绿体代谢物质的进入和排出。

2 基质

指叶绿体膜包围的，无结构，呈流动状态的物质。即叶绿体内膜与类囊体之间无定形物质，在基质中存在：

（1）叶绿体DNA 环状，每一叶绿体内可含有几十个拷贝；（2）70S核糖体；（3）mRNA、tRNA；（4）酶类；（5）RUBP羧化酶；（6）各种离子。

3 类囊体

类囊体在基质中有两种形式存在，一种是较小的扁囊，多个5—30（10—100个）相互叠置成一摞，形成的结构称基粒。每一叶绿体中约含有40—80个基粒。组成基粒的

类囊体称基粒类囊体或基粒片层。另一种是较大的扁囊，贯穿于基粒之间，称基粒间类囊体或基质类囊体或基质片层。它们顺着叶绿体的纵轴彼此平行排列。其存在意义在于，使膜片层的总面积大大超出叶绿体的面积。

可见基粒中有PSI和PSII的机能单位，并分布在膜内表面，是PSII核心颗粒和捕光复合物结合成的。

而基质中多有PSI的机能单位，多布于膜外侧。

除上述内在蛋白外，还有组成电子传递链的众多载体，包括○1PQ（质体醌）、○2PC （质体兰素，、○3细胞素（Cytb—559，Cytf—553，Cytb6—563等）、○4铁硫蛋白（铁氧还蛋白ferrdoxin，Fd）、○5黄素蛋白。故将类囊体称为光合膜。

三、化学组成

四、叶绿体的功能——光合作用

绿色植物细胞，吸收光能，还原CO2，并利用水提供氢合成碳水化合物，同时放出分子氧的过程，称为光合作用。总过程分为两个阶段：光反应和暗反应。

（一）光反应

叶绿素等色素分子捕获光能，将光能转化为ATP和NADPH的化学能，并放出氧的过程，是在类囊体膜上进行的，为能量转换过程。

光反应包括三个基本反应：原初反应、电子传递反应、光合磷酸化。

（1）原初反应：指聚光色素分子吸收光量子传到反应中心进行光化学反应的物理过程。包括光能的吸收、传递与转换。

（2）电子传递反应：包括三个阶段：NADP+的还原反应；PSII与PSI之间的传递；放氧反应。

（3）光合磷酸化反应：在有光存在下，当电子沿电子传递链传递时，形成ATP的过程

称为光合磷酸化。

当电子从还原势高处（Q）向还原势低的PSI传递时，能量下降，利用这一能量将ADP 磷酸化形成ATP，这一过程称非循环式光合磷酸化。

当NADPH NADP+比值大时（缺少NADP+时），铁氧还蛋白（Fd）则将电子通过cytb6、cytf、pc传给P700+，利用这一能量使ADP磷酸化形成ATP，称循环式光合磷酸化（电子通路是闭合的）。

（4）光合磷酸化机制在一对电子的传递过程中，膜外消耗了三个质子，膜内则增加了四个质子，随着过程的不断进行，膜内外便建立了质子梯度，有向膜外穿出的趋势，当每3对H+通过CF1-FO复合物时，在CF1的催化下，合成一个ATP。

（二）暗反应

利用光反应产生的ATP和NADPH还原CO2形成碳水化合物，将活跃化学能变为稳定化学能，是在叶绿体基质中进行的。为物质代谢过程。

在高等植物固定CO2有三条途径：卡尔文循环（C3途径）、C4途径（Hatch-slack途径）和景天科酸代谢。卡尔文循环是最基本、最普通的，只有这一途径具备合成淀粉之能力，又称C3途径。

第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器

一、线粒体与叶绿体的DNA

（一）线粒体DNA （mt-DNA）

（二）叶绿体DNA（ct-DNA）

二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成

（一）线粒体的蛋白质合成

线粒体基质中除有DNA外，还有各种RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明它能合成

自我繁殖所需的某些成分，但数量不多，只占线粒体全部蛋白质的10%，约有13种（20个分子）左右。有人估算：

×10（每周10个核苷酸）=14705对核苷酸，能编码4902个氨基酸（除以3），假设一个蛋白质分子由150个氨基酸组成，则能编码30个左右蛋白质分子，如果除去编码ｍRNA、rRNA、tRNA的信息量（占总信息量的30%），余下的信息量只能编码约20个左右的蛋白质分子。

综上所述，线粒体有自身的DNA，有一整套蛋白质合成系统，能够复制和再生，使其一代代传下去，所以具有一定的自主性。

（二）叶绿体蛋白质的合成

叶绿体中的蛋白质（酶）一部分是在叶绿体中由它自己的DNA编码，经过mRNA转录和翻译形成的，有一部分则是由核基因编码，在细胞质中形成后转入叶绿体的。还有一部分是由核基因编码，在叶绿体的核糖体上合成。

三、对细胞核和细胞质的依赖性大

无论是线粒体还是叶绿体，它们的自主性是有限的，下面以线粒体为例说明之。

核质蛋白质合成系统通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。在有氯霉素存在的条件下培养链孢霉细胞，这时线粒体的蛋白质合成受抑制，但线粒体的三羧酸循环酶类、电子传递链中的NADH脱氢酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖体蛋白质、各种氨基酸活化酶等有关线粒体DNA复制和基因表达的酶类依然存在。而这些酶是由核基因编码，在细胞质中合成，然后转移到线粒体的。这说明细胞质的蛋白质合成系统（或者说核——质蛋白质合成系统）通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。

又：在有放线菌酮存在下培养链孢霉细胞，由于细胞质蛋白质合成系统受抑制，结果培

养一段时间后，线粒体的合成活性也显著下降。这足以说明线粒体对细胞核和其他细胞质部分有很大依赖性。实际上也是这样，线粒体DNA所编码的蛋白质只有它自身全部蛋白质的10%，绝大部分是由核DNA编码的。

从上述看出，线粒体的生长增殖是受核基因组和线粒体基因组两套遗传系统的共同控制，故称线粒体为半自主性细胞器。

四、物质进出线粒体的穿膜机制

细胞质中合成的蛋白质运送至线粒体，大多数以前体的形式存在，而且是需能过程。

前体蛋白质包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段导肽（引肽，在叶绿体特称为“转运肽”）共同组成。导肽约含20~80个氨基酸，又叫氨基末端指导肽。进入线粒体的过程大致为：○1带有N-末端导肽的前体蛋白质首先与外膜上受体结合；○2蛋白质横跨外、内膜；○3N-末端导肽被基质中的蛋白酶切制；○4活化的成熟蛋白质进入基质。

五、线粒体、叶绿体的增殖与起源

（一）线粒体的增殖

（二）叶绿体的发育、增殖和起源