第六章线粒体

第六章线粒体
一、名词解释
1、ATP synthetase(ATPase) ATP合成酶
2、biological oxidation 生物氧化
3、chemiosmotic coupling hypothesis 化学渗透学说
4、cristae 嵴
5、elementary particle 基本颗粒
6、leader peptide(sequence) 导肽
7、mitochondria 线粒体
8、oxidative phosphorylation 氧化磷酸化
9、respiratory chain 呼吸链
10、semiautonomous organelle 半自主性细胞器
11、submitochondrial particle 亚线粒体小泡
二、是非判断
1、1890年Altmann在肝细胞内首次发现命名为bioblast，他认为细胞中这类颗粒与细菌相似，可能是共生于细胞内能够独立自主生活的有机体。

的功能是质子传递的通道并产生ATP。

2、F
3、动物细胞所含的线粒体一般较植物细胞少。

4、动物细胞嵴排列成小管状，植物及低等动物排列成板层。

5、线粒体外膜可允许1万Dalton以下的分子进出。

6、线粒体疾病主要分为遗传性和获得性疾病两大类。

7、线粒体释放的cytC不参与细胞凋亡。

8、动物细胞线粒体内的核糖体小些约55S，植物细胞和酵母菌的大些接近78S。

期进行。

9、植物细胞MtDNA较动物为大，一般其复制是在G
2
10、线粒体的遗传密码与核基因的遗传密码稍有不同,不同物种的线粒体遗传密码都是相同的。

11、导肽运送的蛋白质都是分泌性的。

12、线粒体内膜和外膜在化学组成上的区别是内膜的脂和蛋白质的比值不同，前者为1:1, 后者则为0.3:1。

13、导肽是引导新生肽进行转运和定位的一段序列，转运后不一定都要被
切除。

14、线粒体基因表达过程中的密码系统与通用的密码系统完全一样。

15、线粒体一般以棒状和粒状为主，在一定条件下可以转变并且是可逆的。

16、嵴的存在大大扩大了内膜的面积。

三、填空
1、原核细胞的呼吸链定位在 上，而真核细胞则位于 上。

2、线粒体内膜上参与电子传递的四个复合物分别称之为： 、琥珀
酸－辅酶Q还原酶、 、 。

3、嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度呈 ，在内膜和嵴上有许
多圆球形颗粒，Ф80～90Å。

经研究发现它是一个很复杂的复合体，是 的
关键装置，与 形成有关，这个颗粒称为 。

4、线粒体中蛋白质的合成类似于 ，起始氨基酸为 。

5、线粒体的分裂，大约有 、 、 几种方式。

6、RuBP羧化酶有 个小亚单位、 个大亚单位。

小亚单位由 编码、大亚单位由 编码。

7、线粒体外膜的标志酶是 、内膜的标志酶 、膜间隙的标
志酶是 、基质的标志酶是 。

8、F
0－F
1
ATP酶的头部称为，
由 、 、 、 、
五种亚基组成。

四、选择
1、一般说线粒体的形状、大小是不固定的，会随（ ）而变化。

A、细胞的种类
B、细胞内渗透压
C、pH的不同
D、都对
2、化学渗透假说已成为氧化磷感化机制研究中最为流行的一种假说。

该假说是1961年英国生物化学家（ ）提出来的。

A、Mitchell
B、Michaelis
C、Margulis
D、Benda
3、下面关于线粒体外膜的描述中不正确的的是（ ）。

A、外膜对于小分子的物质是高度通透的
B、外膜对于H＋是不通透性的
C、外膜上具有许多孔蛋白
D、蛋白质和脂类的组成比例1:1
4、在以下四个线粒体呼吸链成员中，（ ）不是氧化磷酸化的偶联部位。

A、复合物Ⅰ
B、复合物Ⅱ
C、复合物Ⅲ
D、复合物Ⅳ
5、在线粒体遗传密码系统中，有4个终止密码子，它们是（ ）。

A、UAA、UAG、AGG、UGA
B、UAA、UAG、UGG、AGA
C、UAA、UAG、AGG、AGA C、UAA、UGA、AGG、AGA
6、导肽在进行蛋白质运送时,先要将被运送的蛋白质（ ），运送到预定区域后, 蛋白质再进行（ ）。

A、变性、复性
B、解折叠、折叠
C、磷酸化、去磷酸化
D、甲基化、去甲基化
7、下列过程中，（ ）不发生在线粒体。

A、Krebs循环
B、糖酵解
C、ATP合成
D、电子传递系统
8、1900年（ ）发现线粒体可借氧化还原反应使Janus Green B进行活体染色。

A、Mitchell
B、Michaelis
C、Altmann
D、Benda
9、（ ）含心磷脂高达20％，比任何膜的都高。

A、细胞膜
B、线粒体外膜
C、线粒体内膜
D、核膜
五、简答
1、简述F
0－F
1
ATP酶复合体各部分结构及其功能？
2、线粒体的遗传密码与通用遗传密码的基本区别？
3、如何测定呼吸链组分在内膜的分布位置？
4、怎样解释含有氯霉素的培养液中线粒体内的RNA聚合酶活力比对照组高？
5、引导序列与信号序列有什么不同?
六、论述
1、ATP合成酶是如何合成ATP的？
2、化学渗透假说的主要内容有哪些?有哪些实验支持这一假说？
3、细胞质中合成的线粒体蛋白是怎样转运到线粒体的？转运过程有何特点?
4、如何评价内共生假说？
第六章答案
一、名词解释
1、ATP synthetase(ATPase) ATP合成酶
又称为F
1-F
-ATP酶，广泛存在于线粒体、叶绿体、异养菌和光合细菌中，
是生物体能量转换的核心酶。

该酶分别位于线粒体内膜、类囊体膜或质膜上，是跨膜的通道蛋白，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，或者说在它的引导下，质子通过膜来驱动从ADP和无机磷酸合成ATP。

2、biological oxidation 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CO
2和H
2
O，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。

3、chemiosmotic coupling hypothesis 化学渗透学说
亦称电化学偶联学说，是1961年英国生化学家P.Mitchell提出的。

中心思想是：线粒体内膜中的电子传递链起着质子泵的作用，电子沿电子传递链传递过程中所释放的能量可转化成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。

米切尔因此而获1978年诺贝尔化学奖。

化学渗透假说有两个特点：—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，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。

一些解偶联剂的作用机理就在于改变膜对H+的通透性，从而使电子传递所释放的能量不能转换合成ATP；二是定向的化学反应，ATP水解时，H+从线粒体内膜基质侧抽提到膜间隙，产生电化学质子梯度。

ATP合成的反应也是定向的，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。

4、cristae 嵴
是线粒体内膜向基质折褶形成的结构,嵴的形成使内膜的表面积大大增加。

嵴有两种排列方式:一是片状(lamellar),另一是管状(tubular)。

在高等动物细胞中主要是片状的排列。

在原生动物和植物中常见的是管状排列。

线粒体嵴的数目、形态和排列在不同种类的细胞中差别很大。

一般说需能多的细胞,不仅线粒体多,而且线粒体嵴的数目也多。

5、electron transport chain 电子传递链
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体系。

包括氢载体和电子传递体，其中酶类达几十种之多，分为四类：黄素蛋白（由一条多肽和FAD、FMN两个辅基组成）、铁流蛋白、辅酶Q、细胞色素。

6、elementary particle 基本颗粒
附着在嵴表面伸向内室的颗粒状结构，简称基粒或F
1
因子，是由头、柄和基
部三部分组成。

头部称F
1
，直径约8～9 nm。

借助一短柄与内膜相连，此内膜部
位的跨膜蛋白质称膜因子或F
O 。

故又称F
1
—F
O
复合物或呼吸集合体（respiratory
assembly），实际上是一种ATP合成酶（ATP-synthetase）。

7、leader peptide(sequence) 导肽
是细胞质游离核糖体上合成的蛋白质的N-端导向序列，长度大约20～80个氨基酸，由它牵引蛋白质前体跨膜运送进入线粒体、叶绿体或其它细胞器,与此同时这一短肽被水解，前体蛋白质成为成熟蛋白质。

又有转运肽(transit peptide)之称。

导肽一般具有如下共性：①带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸）含量较为丰富，分布于不带电荷的氨基酸序列之间；②不含或基本上不含带负电荷的酸性氨基酸；③羟基氨基酸（特别是丝氨酸）含量较高；④有形成两亲（既有亲水又有疏水部分）的α-螺旋结构倾向。

8、mitochondria 线粒体
线粒体是各类真核细胞中存在的一种双层膜围成的能量转换细胞器，细胞活动所需能量的大部分（80～90%）是靠线粒体中合成的ATP提供的，故线粒体有细胞的“动力站”、“动力工厂”之称。

最早发现这种细胞器的是Kollicker，他于1857年在昆虫横纹肌中看到这种颗粒状结构，1890年，另一学者Petzins将其命名为“肌粒”（sarcosome）。

1894年Altman认为细胞中一切生命现象都受这种小体的支配，命名为“生命体”或“细胞质活粒”（bioblast）。

1897年，Benda根据自己的研究认识水平，将“生命体”这一颇具玄学意味的名词改为线粒体一直沿用至今。

mitochondria来自希腊字，mito线条，chondria颗粒。

9、oxidative phosphorylation 氧化磷酸化
呼吸链上氧化作用释放出的能量与ADP的磷酸化作用偶联起来形成ATP的过程称为氧化磷酸化。

因此氧化磷酸化特指呼吸链上的磷酸化作用，它不同于底物水平的磷酸化和光合磷酸化。

10、respiratory chain 呼吸链
是由一系列的递氢体(hydrogen transfer)和递电子体(eletron transfer)按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧
生成水，同时有ATP生成。

呼吸链中的递氢体和递电子体就是能传递氢原子或电子的载体，由于氢原子可以看作是由H+和e组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的化学本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。

呼吸链的主要成分是：黄素脱氢酶、铁硫蛋白、辅酶Q、细胞色素。

实验证明这些组分以多分子复合物的形式存在于线粒体的内膜中（除CoQ和cytC外，CoQ溶于脂双层，cytC为外周蛋白），复合物I、Ⅲ、IV组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化；复合物Ⅱ、Ⅲ、IV组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。

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Ⅰ在NADH至CoQ之间，部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间，部位Ⅲ在细胞色素a和氧之间。

11、submitochondrial particle 亚线粒体颗粒
又称亚线粒体小泡，是线粒体用超声波破碎，线粒体内膜碎片可形成颗粒朝外的小膜泡，这种小泡具有正常的电子传递和磷酸化的功能。

二、是非判断
1、√；
2、×；
3、×；
4、×；
5、√；
6、√；
7、×；
8、√；
9、√
10、×；11、×；12、×；13、√；14、×；15、√；16、√
三、填空
1、细胞膜；线粒体内膜
2、NADH-辅酶Q还原酶；辅酶Q细胞色素还原酶；细胞色素氧化酶
3、正相关；偶联磷酸化；ATP；ATP酶复合体
4、细菌；N-甲酰Met
5、间壁分离；收缩后分离；出芽
6、8；8；核DNA；叶绿体DNA
7、单胺氧化酶；细胞色素氧化酶；腺苷酸激酶；苹果酸脱氢酶
8、偶联因子F
1
；α；β；γ；δ；ε
四、选择
1、D；
2、A；
3、B；
4、D；
5、C；
6、B；
7、B；
8、B；
9、C
五、简答
1、F
0－F
1
ATP酶复合体各部分结构及其功能是①头部 偶联因子F
1
（可溶性
腺苷三磷酸酶）由α
3、β
3
、γ、δ、ε组成，α、β是结合ATP或其它核苷酸
的位点，γ为质子移动的通道，δ是F
1附着于膜上所必需，ε可能参与调节F
1
的活性。

②基部（膜部或F
连接蛋白），至少有四种亚基组成，多为疏水性，
其中有一种小的脂蛋白、对寡霉素、DCCD（NN双环已基二亚胺）敏感，结合后
能抑制ATP的形成，F
的功能是质子传递的通道。

③柄部 原来认为有一种称为寡霉素敏感性转授蛋白（oligomycin sensitivity conferring protein，OSCP）
组成，这种蛋白质能使F
1
因子对寡霉素敏感从而阻止形成ATP。

现认为柄部是
由F
1、F
各一部分共同构成的，由F
1
的γ亚基和ε亚基及F
的b亚基构成,γ
亚基穿过头部作为头部旋转的轴。

2、线粒体的遗传密码与通用遗传密码的基本区别有①UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。

因此，线粒体tRNAtrp可以识别UGG和UGA两个密码子。

②多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；而起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码。

③AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA,UAG,AGA,AGG）。

3、用完整的线粒体很难达到这一研究目的，一般用超声波处理使外膜破碎，使内膜产生许多亚线粒体小泡，这样就可用专一性的抗体对呼吸链组分进行定位、定量的研究。

如用cytC抗体处理时，可抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体的氧化磷酸化，说明cytC靠近内膜的外侧（膜间隙），也可以用不能通透内膜的标记物如35S－DABS（重氮苯磺酸）与线粒体和亚线粒体的作用测定掺入量并与分离状态的呼吸链组分进行比较进行间接定位。

如35S－DABS掺入完整线粒体的cytC数值接近分离状态，而掺入亚线粒体的cytC的数值则很低，说明cytC位于内膜的外侧。

4、氯霉素可抑制线粒体中的蛋白质的合成，但对细胞质中的蛋白质的合成无影响，而放射菌素酮则相反。

1973年Küntzel等以链孢霉为材料研究线粒体RNA聚合酶时发现，在有氯霉素的培养液中线粒体的所含RNA聚合酶活力高于对照组两倍，说明此酶在细胞质的核糖体上合成。

显然线粒体的蛋白质合成系统能合成一种阻遏物，它对核DNA的有关线粒体的蛋白质合成的酶的遗传转录起一定的阻抑作用。

含有氯霉素的培养液使阻遏物不再形成，使核DNA转录RNA聚合酶的过程得到促进；对照组中，线粒体内产生的阻遏物影响了核遗传系统的表达，抑制了RNA聚合酶的产生，所以含有氯霉素的培养液中线粒体内的RNA聚合酶活力比对照组高。

5、无论是在游离核糖体合成的蛋白质还是在膜结合核糖体合成的蛋白质,它们的转运都是由信号引导的,这种信号一般存在于蛋白质的N-端,这就是蛋白质的定位信号。

由于游离核糖体合成的蛋白质与膜结合核糖体合成的蛋白质的运
输信号不同导致运输机制的不同,为了便于区别它们,将游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号统称为导向信号(targeting signal),或导向序列(targeting sequence),由于这一段序列是氨基酸组成的肽,所以又称为转运肽(transit peptide)或导肽(leading peptide)。

将内质网结合的核糖体上合成的蛋白质的N-端的序列称为信号序列(signal sequence),组成该序列的肽称为信号肽（signal peptide)。

在不需要特别区分时,可将它们统称为信号序列或信号肽。

虽然转运到细胞核中的蛋白质也是在游离核糖体上合成的,由于此类蛋白的运输机制特别,所以将这些蛋白中的定位引导序列称为核定位信号(nuclear localization signal, NLS)。

六、论述
1、现为多数人接受的ATP合酶合成ATP的模型是结合变化模型(binding change model)。

该模型认为F
中的γ亚基作为C亚基旋转中心固定的转动杆，
1
复合物β亚基构型的改变。

β亚基与核苷酸的结合能力有3种旋转时会引起F
1
不同的构象状态，对ATP和ADP具有不同的结合能力：①空闲状态（O型），几乎不与ATP、ADP和Pi结合；②松散结合状态（L型），同ADP和Pi的结合较强；
③紧密结合状态（T型），与ADP和Pi的结合很紧，能生成ATP并能与ATP牢牢结合。

当γ亚基旋转并将F
复合物β亚基转变成O型则会释放ATP。

ATP合成
1
酶是如何催化合成ATP的，目前认为是按照“旋转催化(rotational catalysis)”的模式进行的：H+流跨膜转运时，带动ATP合成酶基部的类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的三个叶片(即3个β亚基)发生一定的构象变化，第一步，随着构象改变的出现，疏松结合的ADP和Pi被转换成ATP；第二步，ATP的结合变得更加疏松；第二步以后就可能出现ATP的释放。

由于构象改变是紧密相联的，这样在任何时候，3个β亚基都处在不同的构象状态，在某一时间只有一个位点处于紧密构象状态，在紧密状态下出现共价键的互变，每一次系统构象改变释放一个ATP，而每一个β亚基需要经过三次构象改变才形成一个ATP。

2、化学渗透学说的主要内容可综合如下：①NADH提供一对电子，经电子传
所接受；②电子传递链中的载氢体和电子传递体相间排列，每递链，最后为O
2
当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以H＋的形式释放到内膜外③完整的内膜对H+具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，H+在膜间隙中积累，造成了内膜两侧的质子浓度差，从而产生了一定的势能差；④膜间隙中的
H+有顺涕度差流回基质的倾向，当H+通过F
1—F
复合物进入基质时，ATP酶利用
了这种势能合成了ATP；⑤F
1—F
复合物需要两个质子合成一个ATP分子。

最近一二十年来，有许多实验支持了化学渗透学说。

具有代表性的实验有：(1)根据精确测定，随着线粒体呼吸作用的进行，外部介质的酸度也不断提高，证实H+由线粒体基质向外流出，从而造成质子梯度和相应的膜电位。

(2)缬氨霉素为K+的离子载体，有改变线粒体膜透性的作用，导致K+穿过内膜脂双层进入基质，结果降低或消除了内膜内外的电荷差。

因此，在有缬氨霉素存在时，内膜的电子传递功能虽然保持正常，但ATP的合成却受到抑制。

(3)紫膜在受到光照后，可起质子泵的作用，可在膜内外造成pH和电梯度，按照化学渗透假说，这种梯度可用来驱动ADP磷酸化；为了验证这一梯度是否是细胞的能源，Stoekenius 等把含脂类的紫膜和由牛心线粒体提取的ATP酶组装成人工小泡，当这种小泡受到照射时，ADP同Pi反应，合成了ATP。

该实验有力地证明了线粒体ATP酶利用了电化学梯度使ADP磷酸化。

3、构成线粒体的蛋白质主要是核基因编码，在细胞质中的核糖体上合成的，它们要进行转运定位，以便到达各自的预定地点。

①线粒体基质蛋白的转运，是通过导肽转运进来，其运输过程：前体蛋白在游离的核糖体合成释放后，在细胞质分子伴侣Hsp70的帮助下解折叠，然后通过N端的导肽同线粒体外膜的受体蛋白进行识别，在受体（或附近）的内外膜的接触点处利用ATP水解产生的能量经转运蛋白的运输通道进入线粒体基质。

在基质中，由mHsp70维持前蛋白的解折叠状态，在Hsp60的帮助下，前体蛋白重新折叠，切除导肽变成成熟的线粒体基质蛋白。

②线粒体外膜和内膜蛋白的转运，该转运过程与导肽后面的停止转运序列有关，如果停止转运序列与外膜转运酶（translocase of the outer membrane TOM）结合，则成为外膜蛋白，反之同内膜转运酶（translocase of the inter membrane TIM）结合则为内膜蛋白。

③线粒体膜间隙蛋白的转运，该过程较为复杂需要两个信号序列即基质导向序列和膜间隙导向序列的参与，有两种转运定位方式，一是保护性寻靶，另一是非保护性寻靶。

基因融合实验证明，导肽的不同片断含有不向的导向信息，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。

但是，并非所有线粒体蛋白质合成时都含有导肽。

例如，外膜蛋白Porin，内膜蛋白ADP／ATP载体等，这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。

转运过程的特点是①需要受体参与。

由于被转运的蛋白需要穿过(或插入)线粒体膜，导肽首先需要与线粒体膜上的受体识别，然后才能进行转运；②从接触点进入。

线粒体的内外膜要局部融合形成被运输蛋白进入的接触点；③需要分子伴侣的帮助进行蛋白质解折叠。

白质在合成时为防止降解，需要立即折叠成形成空间结构，但是在转运时，必须解折叠以便进入线粒体之后再重新折叠；④需要能量。

导肽引导的蛋白质转动是一个耗能过程，既要消耗ATP，又要膜电位的驱动；⑤需要酶切割。

由于导肽只是起蛋白质转运的引导作用，而非蛋白质的永久结构。

所以，当蛋白质到达目的地后，导肽即被基质中的线粒体导肽水解酶(MPP)与导肽水解激活酶(PEP)水解，导肽被切除；⑤需要分子伴侣的帮助进行蛋白质的重新折叠成为有活性的蛋白。

4、内共生假说是解释关于线粒体、叶绿体起源的一种学说。

目前支持此假说的证据：①基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似，DNA环状裸露②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而不同于真核生物 ③蛋白质合成的抑制剂的敏感性同细菌 ④形态上较小与细菌等相似，分裂也相似⑤两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞膜相似，内膜与细菌质膜相似。

⑥现仍有内共生现象。

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，并且现在发现线粒体、叶绿体都能在异源细胞内长期生存。

但该假说不足之处在于：①从进化观点上看不能解释在代谢上面明显优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞，特别是不能解释真核的出现。

②具有吞噬作用的前真核或原核生物均未找到。

③真核细胞的核、叶绿体、线粒体均含有内含子而原核生物的基因无插入顺序。

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？④线粒体中有密码的不通用性。

现在看叶绿体的内共生起源基本上得到肯定，而关于线粒体的起源可能不仅仅是一种革兰氏阴性细菌或者内共生体有不同的进化途径。