南农细胞生物学.ppt

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1、第七章 线粒体和叶绿体,产能细胞器。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。封闭的双层单位膜结构，经过折叠并演化为特化结构系统内膜在能量转换功能中起着主要作用。具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系。是半自主性的细胞器。,第一节 线粒体与氧化磷酸化,研究历史,1890年，德国生物学家Altmann首先观察到颗粒状的结构，称作生命小体(bioblast)。1897年Benda将之命名为线粒体(mitochondrion，源于希腊字mito：线，chondrion：颗粒)。1904年Meves在植物细胞中也发现了线粒体，确认线粒体是普遍存在于真核生物。1900年Mic

2、haelis证实了线粒体可进行氧化还原反应。1912年Kingsbury第一个提出线粒体是细胞内氧化还原反应的场所。1913年Engel-hardt证明磷酸化和氧的消耗偶联在一起。19431950年，Kennedy和 Lehninger进一步证明，柠檬酸循环、氧化磷酸化和脂肪酸氧化均发生在线粒体内。19521953年，Palade和Sjostrand各自利用电镜技术观察到线粒体的精细结构，19631964年又确定线粒体内有DNA存在。,一、线粒体的形态结构,（一)线粒体的形态、大小、数量和分布,多形性、易变性、运动性和适应性线状和颗粒状最常见。数目由数百到数千个不等植物细胞较动物细胞的少。分布

3、不均匀的，在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中,(二)线粒体的超微结构,两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构。外膜(outer membrane)、内膜(inner membrane)、膜间隙(intermembrane space)基质(matrix)或内室(inner chamber)4部分组成。,1外膜,线粒体最外面单位膜光滑而有弹性，厚约6 nm。膜上有排列整齐的筒状圆柱体孔蛋白(porin)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,位于外膜内侧，厚约68 nm。含有大量心磷脂，形成通透性屏障向线粒体内室褶叠形成嵴(cristae)内膜和嵴上有许多排列规则的带

4、柄的球状小体，称为基粒。,3膜间隙,内外膜之间封闭的腔隙，宽约68 nm，充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴内间隙与膜间隙相通,4基质或内室,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,二、线粒体的化学组成,(一)线粒体的化学组成,蛋白质 占线粒体干重的 65一70，脂质 占2530。主要成分是磷脂 外膜-主要是磷脂酰胆碱 内膜-主要含心磷脂。蛋白质：脂质内膜(1：0.3)，外膜(1：1),三、线粒体的功能,进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。氧自由基的生成细胞程序性死亡细胞的信号转导细胞内多种离子的跨膜转运电解质稳态平衡的调控,(一)氧化磷酸

5、化的分子结构基础,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的这一过程。生成ATP的主要方式。,1电子传递链(呼吸链),电子传递链(electrontransport chain)或呼吸链(respiratory chain)。在线粒体内膜上，一系列能可逆地接受和释放电子或H+脂蛋白复合物，在内膜上相互关联地有序排列，组成传递电子的酶体系典型的呼吸链 NADH呼吸链 FADH2呼吸链。线粒体内膜中的呼吸链，在电子经呼吸链传递给氧的过程中，可把基质中的H+泵至膜间隙，相当于质子泵。,呼吸链的氧化还原酶,烟酰胺脱氢酶类(以NAD+或NADP+为

6、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硫，通过铁的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，通过铁的化合价的互变传递电子。细胞色素有a、a3、b、c、c1等。,呼吸链的组成,包埋在线粒体内膜中 4种功能复合物(1)，可流动的递氢体或递电子体 辅酶Q和细胞色素cNADH呼吸链 复合物I、组成，催化NADH的氧化；FADH2呼吸链 复合物、组成,催化琥珀酸的氧化。呼吸链各

7、组分有严格的排列顺序和方向。电子是按氧化还原电位从低向高传递。,复合物I,NADHCoQ还原酶，又称NADH脱氢酶，含黄素单核苷酸(FMN)和铁硫蛋白。催化NADH的2个电子传给辅酶Q，同时发生质子的跨膜输送既是电子传递体又是质子移位体。,复合物,琥珀酸CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，含有黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、2个铁硫蛋白和细胞色素b。催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q。不能使质子跨膜移位。,复合物,CoQ细胞色素c还原酶，含有细胞色素b)、细胞色素c1和铁硫蛋白。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既是电子传递体，又是质子移位体。,复合物,细胞色素氧化酶

8、，含有细胞色素a和铜原子。催化电子从细胞色素c传给氧。同时发生质子的跨膜输送既是电子传递体又是质子移位体。,2.ATP合成酶的分子结构与组成,由多亚基装配形成的。由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的Fo基部两部分组成。位于线粒体内膜、类囊体膜或质膜上参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。,F1(偶联因子F1),水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内。由 3a、3b、1g、1d、1e亚基组成3个a亚基和3个b亚基交替排列，形成“橘瓣”状结构g与e亚基结合在一起形成“转子”(rotor)，位于a3b3的中央,F0(偶联因子F0),疏水蛋白复合体，嵌合在内膜上形成跨膜质子通道。

9、由1a、2b、12c 3种亚基组成c亚基形成12聚体环状结构a亚基b亚基二聚体和d亚基，在c亚基环外侧共同组成“定子”。,功能,“定子”将F0与a3b3连接固定起来。F0 是将质子动力势转换成扭力矩，推动“转子”旋转。“转子”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，合成或水解ATP,3氧化磷酸化作用与电子传递的偶联,(二)氧化磷酸化的偶联机制,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)

10、等。1961年英国生物化学家Mitchell提出来的，他因此获得了1978年诺贝尔化学奖。,呼吸链的各组分在线粒体内膜中分布不对称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(m H+)，也称为质子动力势。在质子动力势驱动下，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(P)由两部分组成：一是膜内外H+浓度差(pH)，二是膜电位(y)。,化学渗透假说,化学渗透假说特点：,一是强调线粒体膜结构的完整性。二是定向的化学反应。,(三)ATP合成

11、酶的作用机制,1994年Walker等发表了0.28 nm分辨率的牛心线粒体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与Boyer分享了1997年的诺贝尔化学奖。,结合变化机制(binding change mechanics),ATP合成酶在任一时刻，F1上3个b催化亚基的构象总是不同的，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，每一个催化亚基要经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子。,结合变化机制(bindin

12、g change mechanics,ADP和Pi与b结合，在质子动力势的作用下，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。,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，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)。,克山病,是一种心肌线粒体病(mitochondria

13、l cardiomyopathy)。以心肌损伤为主要病变，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1/2，亚急性者为正常量的12.5。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；,线粒体与衰老,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。随着年龄的增长，损伤mtDNA的积累愈来愈多。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。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 叶绿体是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

14、状、大小和数目,叶绿体的形状、大小和数目因植物种类环境条件不同而不同。多呈香蕉形，一般直径36um，厚约 23um。叶肉细胞内叶绿体，可占细胞质体积的40一 90。叶绿体的总表面积比叶面积大得多，,二、叶绿体的结构和化学组成,叶绿体膜(chloroplast membrane)类囊体(thylakoid)基质,(一)叶绿体膜,由双层单位膜即外膜和内膜所组成。每层膜厚约68 nm，内外膜之间为1020 nm宽膜间隙(intermembrane space)外膜通透性大，内膜对物质透过的选择性强，主要成分是蛋白质和脂质。脂质中以磷脂和糖脂最多。,(二)类囊体,在叶绿体基质中由单位膜封闭形成的扁平小

15、囊，称为类囊体。基粒类囊体:圆饼状的类囊体叠置成垛，称为基粒,组成基粒的类囊体，其片层称为基粒片层 基质类囊体:贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛叠的类囊体其片层称为基质片层,1类囊体的结构,基粒类囊体的直径约为0.250.8m，厚约0.01m。一个叶绿体含有4060个基粒，一个基粒约由530个基粒类囊体组成，数目有很大变化 类囊体的垛叠是动态的，即垛叠与非垛叠是可逆发生的。相邻基粒经网管状或扁平状的基质类囊体相连，使类囊体腔彼此相通。,类囊体膜中膜蛋白复合物,光系统I(PS I)、光系统(PS)：由核心复合物和捕光复合物组成胞色素bfCF0CF1ATP酶：由跨膜的H+通道CF0和起催化作

16、用的CF1组成,类囊体膜中复合物分布,PS分布在基粒类囊体膜中的非基质接触区；PSI主要分布在基粒类囊体膜中的基质接触区及基质类囊体细胞色素bf在膜上分布较为均匀；ATP合成酶位于膜中基质接触区及基质类囊体。,2类囊体膜的化学组成,蛋白质和脂质(比例约60：40)。外在蛋白 CF1,与光反应有关的酶；内在蛋白 叶绿素蛋白质复合物CPI和CP,质体醌(PQ)、细胞色素(Cyt)、质体蓝素(PC)(含有铜的蛋白质)、铁氧还蛋白(Fd)以及黄素蛋白。脂质中 磷脂和糖脂，色素、醌化合物等。脂质中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸。,(三)基质,基质的主要成分是可溶性蛋白质和环状DNA、RNA(rRNA、tR

17、NA、mRNA)、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒可溶性蛋白质中核酮糖1，5二磷酸羧化酶(RuBPase)是光合作用重要作用的酶系统，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。,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。,光合作用步骤,原初反应电子传递和光合磷酸化碳同化。光合作用的前两步属于光反应(light reaction)，碳同化属于暗反应(dark reaction)，,光反应(light reacti

18、on)暗反应(dark reaction),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。,在叶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。,光合作用单位,光合作用的最小结构单位由捕光色素及反应中心构成。反应中心由一个反应中心色素分子Chl和一个原初电子供体D及一个原初电子受体A组成。反应中心色素直接吸收光量子或从其他色素分子传递来的激发能。激发产生电荷分离和能量转换

19、。,捕光色素 反应中心色素(light harvesting pigment)(reaction centre 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。,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。,(一)原初反应,原初反应(prima

20、ry reaction)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。,原初反应过程,在光照条件下，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Chl，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

21、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,光合作用的电子传递是由PS I及PS两个光系统协同接力完成。PS把电子从低于H20的能量水平提高到一个中间点(midway point)，PSI又把电子从中间点提高到高于NADP的水平。,电子的传递路线,当阳光被捕光色素吸收，分别激发反应中心P680和P700P680夺取水中的1对电子供给Ph-，产生4个H+释放到类囊体腔中，导致O2的形成；Ph-将电子传递给质体醌QA，QA将电子传给另一个质体醌 Qb，Qb接受2个电子成为还原态Qb2-，再从基质中吸收2个H+形成PQH2，从

22、核心复合物上解离下来将电子传给 Cytbf，而2个H+释放到类囊体腔Cytbf将电子传给质体蓝素(PC)，PC又将电子传给P700。P700捕获电子激发高能电子从Ao-经A1和铁硫蛋白(FeS)传给铁氧还蛋白(Fd)，NADP+从Fd接受电子，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+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)。,(1)光合磷酸化的

23、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(noncyclic photophosphorylation)。它包括PSI和PS，其产物除2.4个ATP外，还有NADPH(在绿色植物)或NADH(在光合细菌)。,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PS。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

24、循环式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation)。只有ATP的产生，不伴随NADPH的生成，PS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。,(1)光合磷酸化的类型,(2)光合磷酸化的作用机制,水的光解所产生的H+，电子传递体中PQ产生H+形成了类囊体膜内外两侧的H+浓度差。膜两侧存在的质子动力势，推动H+通过膜中的 CF0到膜外的CFl发生磷酸化作用，使ADP与Pi形成ATP。新合成的ATP和NADPH被释放到基质中，便于被随后进行的碳同化的暗反应所利用,叶绿体与线粒体ATP合成的机制,相同点在光合磷酸化和氧化磷酸化中，ATP的形成都是由

25、H+移动所推动的；叶绿体的CF1因子与线粒体的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。不同点叶绿体中通过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个H+，每3个H+穿过CF1CF0ATP酶，生成1个ATP分子；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,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：卡尔文循环、C4途径和景天科酸代谢途径。卡尔文循环

26、是碳同化最重要最基本的途径，具有合成淀粉的能力。C4途径和景天科酸代谢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 C3途径包括3个阶段，即羧化、还原和 RuBP再生阶段。,羧化阶段：在RuBP羧化酶的催化下，C02与核酮糖1，5二磷酸（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。RuBP再生阶段：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

27、ATP。C3途径每循环一次能固定一个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,某些热带或亚热带起源的植物中，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植物固定C02的途径称为C4途径(C4 path way)或Hatch-Slack循环。C4植物利用C02的效率特别高，即使C02浓度很低时，还可固定C02。这类植物为高产型植物。,3景天科酸代谢,景天科(Crassulaceae)等肉质植物夜间吸进C02，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)催化下，与磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)结合，生成草酰乙酸，进一

28、步还原为苹果酸。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。植物体在夜间有机酸含量很高，而糖含量下降；白天有机酸含量下降，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)。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 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；1963年MNass和SNass在鸡胚肝细胞线粒体中也发现有DNA；进一步研究发现，线粒体和叶绿体中还

29、有RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、核糖体、氨基酸活化酶等。具有独立进行转录和翻译的功能。线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核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,一、线粒体和叶绿体的DNA,线粒体DNA(mtDNA)叶绿体DNA(ctDNA)呈双链环状，与细菌的DNA相似。每个线粒体中约含6个mtDNA分子，每个叶绿体中约含12个ctDNA分子。大多数动物细胞 mtDNA比核 DNA相对分子质量小1001 000倍；人mtDNA有16 569 bp，这是迄今为止所知最小的mtDNA。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

30、核的控制,二、线粒体和叶绿体的蛋白质,由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成 由mtDNA ctDNA编码，在叶绿体线粒体核糖体上合成；由核DNA编码，在叶绿体线粒体核糖体上合成。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)。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90种多肽。,三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与装配,核基因编码的蛋白向线粒体跨膜运送与糙面内质网合成的分泌蛋白不同前者先合成前体形式，然后通过后转移运

31、输到线粒体内后者则是通过边翻译边转移的共转移方式实现跨膜运输的。,线粒体蛋白质的运送,导肽(leader peptide),蛋白质导肽约含2080个氨基酸残基。可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋结构，有利于穿越线粒体的双层膜。导肽内含有识别线粒体的信息，并且有牵引蛋白质通过线粒体膜进行运送的功能。不同的导肽所含的信息不同，可使不同的线粒体蛋白质运送至线粒体的基质中，或定位于内膜或膜间隙。导肽决定运送的方向，它对被运送的蛋白质并无特异性要求。并非所有线粒体蛋白质合成时都含有导肽。有些蛋白的靶向信息很可能蕴藏于这些分子内的氨基酸序列中。,分子伴侣”(molecular chaperone),分子伴侣

32、具有解折叠酶(unfoldase)的功能，与解折叠之后暴露出的疏水面结合，防止产生凝聚或错误折叠，同时参与蛋白质跨膜运送后分子的重折叠以及装配(assembly)过程。分子伴侣很大一部分是属于热休克蛋白(heat shock protein，Hsp)，在进化上十分保守，广泛存在于各种生物体内在正常生理条件下，Hsp对蛋白质跨膜运送及复合物的装配起着重要作用。这种作用没有专一性。,蛋白质的运送机制,在分子伴侣的帮助下，细胞质内含导肽的前体蛋白解开折叠的结构域，解开折叠的前体蛋白首先被线粒体表面的受体识别，在位于外膜上的GIP蛋白的参与下，前体蛋白从内外膜的接触点通过内膜。在通过内膜之后，前体蛋白

33、的导肽即被基质中的线粒体导肽水解酶与导肽水解激活酶水解，在分子伴侣的帮助下，重新卷曲折叠为成熟的蛋白质分子。,布朗棘轮模型,Simon等提出该模型在蛋白质转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有一分子mHsp70结合上去，这样就防止了前导肽退回细胞质，随着肽链进一步伸人线粒体腔，肽链结合更多的mHsp70分子。mHsp70同时附着在肽链和线粒体膜上，通过改变构象产生拖力。促使导肽进入线粒体腔，并迫使后面的肽链解链以进入转运孔道。,叶绿体蛋白质的运送及装配,转运肽,细胞质中合成的叶绿体前体蛋白，在N端也含有一个额外的氨基酸序列，称为转运肽(transit pepti

34、des，or transitsequences)。转运肽能引导其穿过叶绿体膜进入基质，在基质中由特异的蛋白酶加工切去转运肽成为成熟蛋白质。,类囊体中的蛋白转运机制,定位于类囊体中的蛋白，其前体蛋白N端的转运肽可分为两个区域，分别引导两步转运N端含有导向基质的序列，引导其穿过叶绿体膜上由孔蛋白形成的通道进入基质C端含有导向类囊体的序列又引导其穿过类囊体膜，进人类囊体腔转运肽经历两次水解，一次在基质内，另一次在类囊体腔中,第四节线粒体和叶绿体的增殖与起源,一、线粒体和叶绿体的增殖,线粒体的分裂方式：间壁或隔膜分离：线粒体分裂时，先由内膜向中心内褶，或是线粒体的某一个嵴延伸到对缘的内膜而形成贯通嵴，

35、把线粒体一分为二，使之成为只有外膜相连的两个独立的细胞器，接着线粒体完全分离。这种分裂方式常出现在鼠肝和植物分生组织中。收缩分离：分裂时线粒体中部缢缩并向两端拉长，整个线粒体约呈哑铃形，最后分开成为两个线粒体。这种分裂方式常见于蕨类和酵母中。出芽：一般是先从线粒体上出现球形小芽，然后与母体分离，不断长大而形成新的线粒体。这种分裂方式见于酵母和藓类植物中。叶绿体分裂增殖叶绿体的近中部处向内收缩，最后分开成为两个子叶绿体。叶绿体数目的增多主要靠幼龄叶绿体的分裂，成熟叶绿体通常不再分裂，,二、线粒体和叶绿体的起源,内共生起源学说非共生起源学说(或分化学说)两个学说各有其实验证据和支持者。,(一)内共

36、生起源学说,线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻。1线粒体和叶绿体的基因组在大小、形态和结构方面与细菌的相似，能进行独立的复制和转录。2线粒体和叶绿体有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质。蛋白质合成机制有很多类似细菌之处，而不同于真核生物。3线粒体和叶绿体的两层被膜有不同的进化来源，外膜与内膜的结构和成分差异很大。内膜与细菌质膜相似4线粒体和叶绿体能以分裂的方式进行繁殖。这与细菌的繁殖方式相同。5线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期生存。这些都说明线粒体和叶绿体的自主性与共生性的特征。6线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。这两种菌的磷脂成分、呼吸类型和细

37、胞色素c的初级结构与线粒体的更为接近。7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。,(二)非共生起源学说,认为真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加具有呼吸功能的膜表面，开始是通过细菌细胞膜的内陷、扩张和分化，后逐渐形成了线粒体和叶绿体的雏形。在进化的最初阶段，原核细胞的基因组进行复制并不伴有细胞分裂，然后基因组附近的质膜内陷形成双层膜，分别将基因组包围在这些双层膜的结构中，从而形成了原始的线粒体、叶绿体和细胞核等细胞器。后来在进化过程中进一步发生了分化，如线粒体和叶绿体的基因组丢失一些基因；细胞核的基因组则有了高度发展；质体发展了光合作用功能；线粒体则演变为专具呼吸功能的细胞器，于是逐渐形成了现在的真核细胞。,