7 第七章线粒体与叶绿体

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一、线粒体的形态结构
大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm， 在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。 人类成纤维细胞中可达40μm。 数量及分布：动物中数百到数千不等 植物细胞少于动物细胞 红细胞中无线粒体
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（二）线粒体的结构与组成
线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。 包括：外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙 （intermembrane）和基质（matrix）四个功能区隔 。
Cyt. c
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铁硫蛋白（iron-sulfur protein）
其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+ 互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。
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泛醌（ubiquinone, UQ）或 辅酶Q（coenzyme Q, CoQ）
脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。 有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原态QH2和自由基半醌 （QH）。 Q
基质
苹果酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶 天冬氨酸转氨酶 蛋白质和核酸合成酶系等
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三、线粒体的功能
主要功能是三羧酸循环及氧化磷酸化, 合成ATP, 为细胞生命活动提供直接能量.
其他功能：氧自由基生成，调节细胞氧化还原电位，调控 细胞凋亡，基因表达，离子跨膜转运，电解质平衡


三羧酸循环 三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、蛋白质） 的最终代谢通路。 氧化磷酸化=氧化+磷酸化 氧化产生电子转移 电子可在具有氧化还原性质的不同化合物之间传递 电子传递过程可耦连磷酸化：ADPATP


NADHNAD+ 泵出10H+ FADH2FAD 泵出6H+ 合成一个ATP需4H+ 因此 NADHNAD+ 产生2.5ATP FADH2FAD 产生1.5ATP
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糖类，脂肪，蛋白质氧化代谢/糖类氧化代谢
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三羧酸循环（TCA）
琥珀酸脱氢酶 FADH2 FAD
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NADH的去向（线粒体外/内）
Inter membrane
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1.外膜





外层单位膜，厚 约 6 nm。 含50%的脂类和 50%的蛋白质 孔蛋白(porin) ATP, NAD,CoA 可自由通过 酶类，初步分解 待氧化物质 标志酶：单胺氧 化酶
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2.内膜

内层单位膜，厚约 6-8 nm。 含20%的脂类和80%的蛋白质 通透性很低，只允许150D以下不带电小分子通过 含大量心磷脂（20%） 所有分子及离子需通过载体蛋白才可通过 标志酶：细胞色素氧化酶
抗霉素
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3.电子转运复合物
利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线 粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和 Ⅳ。四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。 辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内 膜，细胞色素C位于线粒体内膜的外侧，属于膜的外周蛋白， 能被盐溶液抽提 ，除此之外，其他的细胞色素都紧紧地与线粒 体内膜相结合,需要高浓度的去垢剂才能把它们增溶下来。
糖酵解
丙酮酸 发酵
乳糖
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线粒体外生成的NADHNAD+过程中电子传入线 粒体基质的途径I 苹果酸-天冬氨酸穿梭途径（malate-aspartate shuttle）
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线粒体外生成的NADHNAD+过程中电子传入线 粒体基质的途径II

甘油-3-磷酸穿梭途径（glycerol-3-phosphate shuttle）
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(3)复合物Ⅲ（CoQ-细胞色素c还原酶，细胞色素还原酶，细 胞色素bc1复合物） 组成：2个细胞色素b、1个细胞色素c1、1 个Fe-S。 作用：催化泛醌的2个电子传递至细胞色素c，泵出4个H+ 电子传递方向为：QH2 →QH → Cyt c 总反应： 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M→2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C (4)复合物Ⅳ（细胞色素氧化酶，细胞色素c氧化酶） 组成：1个细胞色素a，1个细胞色素a3，2个铜离子 作用：催化Cyt c的2个电子传递至O2，泵出2个H+，反应2个H+ 电子传递的路线为：Cyt c→CuA→Cyt a→Cyt a3 → CuB→O2 总反应：4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O
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3.膜间隙


膜间隙（intermembrane）：是内外膜之间的腔隙， 延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。 膜间隙的pH值与细胞质的相似。 标志酶：腺苷酸激酶 基质(matrix) 为内膜和嵴包围的空间。 催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体
双磷脂酰甘油
O O CH2 O C R1 O O OH CH2 C H CH2 O O O CH2 O C R3
R2 C O CH CH2
P OH O O
P OH R4 C O CH O CH2
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线粒体膜通透性实验
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嵴（cristae），作用：增加内膜表面积 形态：板层状，管状

基粒（elementary particle） 内膜和嵴上的带柄球状小体 头部F1，基部F0
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（二）电子传递链和电子传递

电子传递链（electron transport chain）或呼吸链（respiratory chain）：线粒体内膜上由一系列可接受和释放电子或质子的 化学物质所构成的传递电子的一组有序排列的酶的复合体。

有两条呼吸链：NADH呼吸链和FADH2呼吸链
1. 电子载体（electron carrier） 在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的 化合物称为电子载体。 呼吸链电子载体主要有：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、黄素蛋白、 细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、泛醌（辅酶Q）等。
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93非共生起源学说非共生起源学说认为真核细胞的前身是一种好氧细菌这种细菌通过质膜内陷扩张形成的双层膜分别将基因组包围在其中后来者进化过程中发生了分化从而逐渐形成了线粒体叶绿体和细胞核等细胞无法解释为何线粒体叶绿体与细菌在dna分子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区
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(1)复合物Ⅰ（NADH-CoQ还原酶， NADH脱氢酶） 组成：一个FMN和至少6个Fe-S 作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，泵出4H+ 电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q 总反应：NADH + 5H+M + Q→NAD+ + QH2 + 4H+C (2)复合物Ⅱ（琥珀酸-CoQ还原酶，琥珀酸脱氢酶） 组成：一个FAD，2个Fe-S 。 作用：催化琥珀酸的2个电子传递至泛醌，无H+泵出 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q 总反应：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2
DNA(mtDNA)，核糖体， tRNAs 、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
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4. 基质或内室

线粒体的化学组成及酶的定位
（一）线粒体的化学组成
成分：主要是蛋白质（ 65%～ 70%）和脂质 （25%～30%）。而蛋白质有主要集中于基 质，其次是内膜。 蛋白质：可溶–基质中酶，膜外周蛋白 不可溶–膜内在蛋白，结构蛋白 脂类：主要为磷脂，占75%以上 外膜-主要为磷脂酰胆碱，磷脂酰乙醇胺， 磷脂酰肌醇和胆固醇少 内膜-主要为心磷脂20%，胆固醇含量极低 内膜比外膜蛋白质含量高，主要为酶。
第六章 细胞的能量转换─ 线粒体和叶绿体
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主要内容 第一节 线粒体与氧化磷酸化 第二节 叶绿体与光合作用 第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源
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第一节 线粒体与氧化磷酸化
线粒体发现与研究历史
1890年，R. Altaman在动物细胞发现线粒体，命名为生命小体（bioblast）。 1897年，Benda将这种颗粒命名为mitochondrion。 1900年，L. Michaelis用Janus Green B 对线粒体进行染色，发现线粒体具有 氧化作用。 1904年，在植物细胞中发现了线粒体。 1950年，证实柠檬酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均 发生在线粒体中。 20世纪90年代中期以来发现线粒体DNA变异与100多种人类疾病有关。 现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。
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MITO FACTS
- Mitochondrial diseases can affect any organ in the body and at any age. - Mitochondrial diseases are severely debilitating, often fatal and characteristically complex in nature. They are inherited through the mother, but can also be inherited from either parent. They can also be sporadic or induced by the environment. - In the United States, more than 50 million adults suffer from diseases in which mitochondrial dysfunction is involved. Mitochondrial dysfunction is found in diseases as diverse as cancer, infertility, diabetes, heart diseases, blindness deafness, kidney disease, liver disease, stroke, migraine, and the toxicity of HIV and other drugs. Mitochondrial dysfunction is also involved in aging and neurodegenerative diseases such as Parkinson and Alzheimer dementia. - It is estimated that of the 4 million children born each year in the United States, up to 4000 develop mitochondrial diseases. - Many mitochondrial diseases are so new that they have not yet been mentioned in the medical textbooks or in to the medical literature. - To date, there is no cure for mitochondrial diseases 4
一、线粒体的形态结构
（一）形态、大小、数量、分布
形状：多种形态，线状，颗粒状较常见，可能存在环形， 哑铃，枝状 •多形性 •易变性 •运动性 •适应性
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Figure 7-3 Mitochondrial plasticity. Rapid changes of shape are observed when a mitochondrion is visualized in a living cell.
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（一）线粒体中的氧化代谢

Nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+ 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I

Flavin adenine dinucleotide, FAD 黄素腺嘌呤二核苷酸
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每个NADH和FADH2在氧化磷酸化过程中被氧化 时可产生几个ATP？
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（二）线粒体酶的定位

140余种，其中37%氧化还原酶，10%合成酶， 9%水解酶
部位 外膜 酶的名称 部位 膜间隙 酶的名称 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶
单胺氧化酶 NADH-细胞色素还原酶 犬尿酸羟化酶 酰基辅酶Ａ合成酶 内膜 细胞色素ｂ,ｃ,c1,a,a3 ＡＴＰ合成酶系 琥珀酸脱氢酶 NADH脱氢酶等
QH QH2
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铜原子（copper atom）
位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结 构， 通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
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电子载体排列顺序

按氧化还原电 位由低向高排 NAD+/NADH最 低（E’0=0.32V） O2/H2O最高（ E’0=+0.82V）
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如何确定电子载体在呼吸链上的位置？
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烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
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黄素蛋白（flavoprotein）
FMN， Flavin mononucleotide，黄素单核苷酸
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细胞色素（cytochrome）
分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+ 形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、 c、c1，其中a、a3含有铜原子。