第七章 7.1 线粒体

1 电子传递链 (呼吸链 ) 的组成
电子传递链(electron-transport chain) :由供体到受体 进行电子传递的一组电子载体，链上每一步都伴 随能量释放。
1）呼吸链的氧化还原酶系：
• • • • • 烟酰胺脱氢酶； 黄素相关的脱氢酶/黄素蛋白； 铁硫蛋白(iron-sulfur protein); 泛醌/辅酶Q(ubiquinone/CoQ):Q, QH2, QH 细胞色素(cytochrome，Cyt)：以铁卟啉为辅基。
P211
三 线粒体的功能
功能： • 是糖、脂肪和氨基酸最终彻底氧化放能的 场所，进行氧化磷酸化反应是其主要功能； • 参与氧自由基生成； • 参与细胞程序性死亡(通过开启内膜上非特 异性通道－线粒体通透性转变孔实现)； • 胞内Ca++调节、信号转导； • 离子跨膜转运等；
线粒体的存在状况反映了细胞对能量的需求
基粒(elementary particle)
• 内膜和嵴的基质面上带柄的颗 粒； • 由头部（F1）和基部（F0）构 成。 (F1-F0 ATP酶)
长 轴 垂 直 板 层 状 嵴
管状嵴
纵行排列板层状嵴
心肌细胞排列紧密的板层状嵴
3 膜间腔
• 线粒体外膜与内膜之间的空腔，由于外膜通透
性很强，而内膜的通透性又很低，所以膜间隙
电子传递链可作为质子泵，将线粒体 基质中的H+泵至膜间腔
膜内外质子浓度差和电势差构成质子动力势，驱 动质子穿过ＡＴＰ酶，促使ＡＴＰ合成；
（三）ATP合成酶作用机制

以 P ． D ． Boyer 为代表，提出了通过 ATP 合酶合成 ATP 的“结合变化” (binding change mechanism) 和“旋转 模型”(rotational model)。
H+ 通过a和c亚基形成的通道，推动转子的旋转
a和c产生/失去瞬间盐桥 c的Asp 结合/解离H+ c极性环和转子结合/分离 产生扭力距使转子转动
a的质子通道由两个半质子通道 组成(I,II)， H+通路： 膜间腔 I c上的Asp II ，象水轮发电机 一样将质子动力势推动的H+流来 驱动c环和γ转子旋转；
生物氧化的分区和定位
氧化磷酸化过程是能量 转换过程，即有机分子 中的能量高能电子 质子动力势ATP 多糖、蛋白和脂肪最初 的分解（细胞质基质） TCA循环 (线粒体基质) 电子传递、氧化磷酸化 (线粒体内膜)
（一）氧化磷酸化作用的分子结构基础
氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸 化 (ADP+Pi ，储能 ) 同时进行，密切偶 连，分别由两个不同的结构体系执行。
1 外膜
• 一层厚约6nm的单位膜，包围 在线粒体最外面； • 脂类组成与内质网相似；
外膜
• 含大量孔蛋白(Porin)，允许 <10KDa 分子通过，具高通透 性，使得膜间隙环境几乎与胞 质溶胶相似。
• 含一些特殊的酶（单胺氧化酶 monoamine oxidase)
2 内膜
• 外膜内侧的一层单位膜
化学渗透假说
• 主要内容
在呼吸链电子传递过程中，通过线粒体内膜上呼吸 链组分间氢与电子的交替传递，使H+从内膜内侧向 外侧定向转移。由于线粒体内膜对 H+高度不通透， 造成内膜两侧跨膜质子梯度，形成质子动力势 (H+ 浓度差&膜电位)。其中蕴藏的能量驱使H+穿过ATP 合酶，驱动ADP与Pi形成ATP。
◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（既是电子传递 体又是质子移位体） 组成：包括1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白 作 用 ： 催 化 电 子 从 UQH2cyt c ； 泵 出 4H+ （2个来自UQ，2个来自基质） ◆复合物Ⅳ：细胞色素 C 氧化酶（既是电子传递 体又是质子移位体） 组成： 二聚体，每一单体含13个亚基，cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出，
• 迁移时以微管为导轨、由马达蛋白提供动力。
线粒体
鞭毛髓部
心肌细胞 精子尾部
（二）线粒体的超微结构
电镜下是由两层单位膜围成的封闭囊状结构 由外向内分为4个部分： • 外 膜 (outer membrane) • 膜间腔（intermembrane space） • 内 膜（inner membrane） • 基质/内 室 （matrix/inner chamber）
一 线粒体的形态结构
（一）线粒体的形态、大小、数量和分布 随细胞种类和生理状态变 化而变化； • 外形：线状、颗粒状、哑 铃状、环形、圆柱形等。 • 大小：直径为0.5~1μm，长 约2～3μm。
显微镜下一个线粒体的变形
• 数目：
动物细胞较植物细胞多； 代谢旺盛的细胞中较多，人成熟红细胞中无线粒体； • 分布： • 集中在细胞功能旺盛区域；
3）呼吸链的电子传递及其抑制剂和作用部位
鱼藤酮 ×
氰化物 叠氮钠 CO
×
×
抗霉素A
氧化还原电位
琥珀酸 脱氢酶
通过电子传递链实现了跨膜的H＋浓度差
2 ATP合成酶 (ATP synthase)
• 一个大的多亚基蛋白复 合物，由水溶性F1头部 和疏水性F0基部所组成， 也叫F1F0 ATPase。
P．D．Boyer荣获1997年诺贝尔化学奖。


ATP合成酶的结构
ATP合成酶作用机制的内容（ P．D．Boyer 提出）： 与ATP合酶活性密切相关的3个β 亚基各自具有一定的构 象，不同构象与核苷酸结合的亲和力也不同。在 ATP合 成过程中，在H+流驱动γ 和ε 旋转1200的情况下，3个β 亚基的构象也相互发生转变，从而引起 β 亚基对 ATP、 ADP和Pi亲和力的改变，导致了ATP的合成和释放。
• 心磷脂（一个分子含4个非极性链）含量高（达
20%） 通透性很低，仅允许不带电荷的小分子
透过,利于ATP形成；
• 含转运蛋白，以进行物质运输；
• 向内折叠形成嵴（cristae），
嵴上有基粒。
嵴（cristae）：
线粒体内膜向基质侧折叠形成的向内的突起；可扩大 内膜表面积（达5～10倍），嵴有两种：板层状和管状； 嵴的形态、数量因细胞类型而异。
膜间腔 组分
去垢剂（Lubrol） 裂解内膜并离心ຫໍສະໝຸດ 内膜基质外膜
线粒体主要酶的分布（第一个为各部分标志酶）
部位 单胺氧化酶 外膜 NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感） 犬尿酸羟化酶 酰基辅酶A合成酶 细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶 ATP合成酶系 琥珀酸脱氢酶 内膜 β -羟丁酸和β -羟丙酸脱氢酶 肉毒碱酰基转移酶 丙酮酸氧化酶 NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感） 基质 柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系、 天冬氨酸转氨酶、 蛋白质和核酸合成酶系、 丙酮酸脱氢酶复合物 膜间隙 酶 的 名 称 部 位 酶 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶 的 名 称
超声波
尿素或 胰蛋白酶 完整线粒体 电子传递＋ ATP合成＋
亚线粒体颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 ＋ ATP酶活性+
分离颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 － ATP酶活性＋
F1颗粒 电子传递 － ATP合成 － ATP酶活性 ＋ 重组颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 ＋ ATP酶活性+
光滑线粒体小泡 电子传递 ＋ ATP合成 － ATP酶活性 －
Arg
II I
γ和ε组成的转子的转动导致β构象的变化， 催化ATP生成
结合变化机制：
β三种状态:
O 空置状态
ADP＋Pi ATP
T 紧密结合态
L 松散结合态
转子旋转的试验学证据：
• 在嗜热菌的 F1ATPase的β的N 端添加10个His， 以使其固定在NiNTA膜上； • 将γN端的一个Ser 换为Cys，以连上 肌动蛋白丝(荧光 标记)； • 加ATP后可观察到 肌动蛋白丝旋转；
中的化学成分很多，几乎接近胞质溶胶，功能
是建立和维持H＋梯度。
4 基质（matrix)
• 内膜所包围的嵴外空间又称内室（inner
chamber）,其中充满基质； • 内含多种酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化及蛋白合 成所需酶等； • 基质颗粒：内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子； • 线粒体DNA、 RNA及核糖体。
线粒体基质
F0
膜间腔
ATP合成酶是一个可逆的偶联装置，它可利用质子动力势合成ATP，又可 利用ATP水解的能量将质子由基质中泵出内膜
（二） 氧化磷酸化的偶联机制
• 1953年由Slater E.C.提出“化学偶联学说”。 • 1961年Mitchell P.提出“化学渗透假说”。 • 1964年Boyer P.D.提出“构象假说”。 • 至20世纪70年代，化学渗透假说在取得大量实 验结果证实的基础上，已成为氧化磷酸化作用 中较为流行的一种假说。
Noji H et al. 1997, Nature
四、线粒体与疾病

线粒体疾病多由 MtDNA 突变与功能缺陷所致； 其突变率比核DNA大10～20倍。


自1997年以来，已知由人类线粒体疾病引起的遗传疾 病已达百种以上。线粒体疾病常包含在一些高能量需 求的组织中，如心脏、肌肉和中枢神经系统等。 肌阵挛羊癫风；地方性心肌病 (克山病)。
二 线粒体的化学组成及酶定位
◆蛋白质(干重的65～70％)
◆脂类(干重的25～30％)：
·磷脂占3/4以上，
外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。
·脂类/蛋白质: 内膜：0.3:1； 外膜：1:1
线粒体组分的分离技术