第六章 细胞的能量转换-线粒体和叶绿体(1)

第一节 线粒体与氧化磷酸化
一、线粒体的形态结构 1、线粒体的形态、大小、数量与分布
（线粒体的形态、大小、数量、分布在 不同细胞中和细胞的不同生理状态下变化 很大，具有多形性、易变性、运动性、适 应性等特点）
• 形态：线状和颗粒状最为常见，也可呈环状、哑
铃状与枝状。
• 大小：一般直径为0.5 ～ 1μm，长1.5～
第六章
细胞的能量转换 ——线粒体和叶绿体
线粒体和叶绿体是细胞内两个能量转换细 胞器，它们能高效地将能量转换成ATP。线 粒体广泛存在于各尖真核细胞，而叶绿体 仅存在于植物细胞中。
它们的形态结构都呈封闭的双层结构，内 膜都演化为极其扩增的特化结构，并在能 量转换中起主要作用。
线粒体和叶绿体以类似的方式合成ATP。 线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器。
小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻
人黑色素瘤细胞线粒体
二、线粒体的化学组成及酶定位
1、线粒体的化学组成 线粒体的主要组成是蛋白质和脂类。线
粒体的干重中蛋白质占65%-70%，脂质占 25%-30%。
线粒体膜上的蛋白可分为可溶性与不溶性 两类。可溶性蛋白质大多数是基质中的酶 和膜外周蛋白；不溶性蛋白是膜的镶嵌蛋 白、结构蛋白和部分酶蛋白。 (线粒体外膜上含有14种蛋白质，内膜上 含有21种蛋白质)
质子动力势（proton motive force）：
–由于高能电子沿呼吸链的传递，所释放的 能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，而膜对 H+又不是通透的，从而使膜间隙的H+浓度高 于基质，因而在内膜两侧形成电化学质子梯 度，也称为质子动力势。
质子动力势由膜内外H+浓度差和膜电 位两部分组成，推动H+通过ATP合成酶 装置进入基质。
小结1：
电子传递链由4种脂蛋白复合物组成： • 黄素蛋白 • 细胞色素（含血红素辅基） • Fe-S中心 • 辅酶Q （前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性酶）
电子传递链的四种复合物(哺乳类) 复合物Ⅰ 复合物Ⅱ 复合物Ⅲ 复合物Ⅳ
复合物Ⅰ
• NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递 体又是质子移位体）
板层状嵴线粒体
管状嵴线粒体
（3）膜间隙（intermembrane space）： • 内外膜之间的封闭腔隙，宽约6-8nm。 • 内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。 • 内膜嵴内间隙是膜间隙的延伸。
（4）基质（matrix）或内室（inner chamber）：
• 基质为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，呈均质状，具 有一定的pH值和渗透压。
2、线粒体的超微结构
电镜下可见线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭 囊状结构，由外膜、内膜、膜间隙及基质4部分构成。
（1）外膜 (outer membrane) 厚约6nm，通透性高。上面有整齐排列的 桶状孔蛋白，孔蛋白上有直径2-3nm的小孔， 相对分子量为1KD以下的小分子可通过小孔 进入膜间隙。
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。
电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH 氧化，形成高能电子 (能量转化)， 终止于O2形成水。
电子传递链各组分在膜上不对称分布
2、ATP合成酶的分子结构与组成 • ATP合成酶或F1F0－ATP酶（或H+-ATP酶）广
氧化代谢 电子传递链与电子传递 氧化磷酸化
真核细胞线粒体中代谢反应图解
（一）氧化磷酸化的分子结构基础
氧化磷酸化是有氧呼吸中同电子传递相 耦联的ATP合成。
氧化（放能）和磷酸化（贮能）是同时 进行并密切耦联在一起的，但却是两个不 同的结构系统。电子传递链的各种组分均 存在于线粒体内膜中，而基粒则是ATP合成 的关键结构。
复合物Ⅲ
• CoQ-细胞色素C还原酶（既是电子传递 体又是质子移位体）
–组成：包括1cyt c1、2cyt b、1Fe-S蛋 白
–作用：催化电子从CoQH2 → cyt c；泵 出4 H+ （2个来自CoQ，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，包含cyt a, cyt a3 ,Cu原子
每进入2个H+可驱动合成1个ATP分子。
化学渗透假说的特点：
线粒体膜应具有完整性； 定向的化学反应； 来自百度文库 电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的
事件。
• 氧化磷酸化过程实际上是能量转换过 程，即有机分子中储藏的能量高能 电子质子动力势ATP
四、线粒体与疾病 线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。 人的细胞中线粒体的数量随年龄↑而↓，而体
–作用：催化电子从cytc →分子O2形成水， 2H+泵出，2H+参与形成水
小结2：
电子传递链组分的比较
名称
功能
构成
作用
复合物 NADH- 电子传递体 含1个黄素蛋
Ⅰ CoQ还原 质子移位体 白和至少6个
酶复合物
Fe-S中心
催化NADH氧化， 从中获得2高能电 子→辅酶Q；泵出 4 H+
复合物 琥珀酸脱 电子传递体 含FAD辅基， 催化2低能电子→
成扭力矩（torsion）,推动“转子”旋转。）
(2)ATP合成酶的工作特点： –可逆性复合酶，即既能利用质子电化学 梯度储存的能量合成 ATP, 又能水解ATP 将质子从基质泵到膜间隙。
（二）氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说
化学渗透假说内容：
–电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当 高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到 膜间隙，形成H+电化学梯度。
NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）
丙酮酸脱氢酶复合物
三、线粒体的功能 线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化，合成
ATP，为细胞生命活动提供直接能量。
线粒体是糖、脂肪和氨基酸最终释能的场所。 线粒体还与细胞中氧自由基的生成、细胞凋
亡、细胞信号转导、细胞内多种离子的跨膜 转运及电解质平衡的调控有关。
线粒体的功能
犬尿酸羟化酶
核苷酸激酶
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
柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶
琥珀酸脱氢酶
顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶
内膜 β -羟丁酸和β -羟丙酸脱氢酶
基质 脂肪酸氧化酶系、
肉毒碱酰基转移酶
天冬氨酸转氨酶、
丙酮酸氧化酶
蛋白质和核酸合成酶系、
Ⅱ 氢酶复合
2Fe-S中心， FAD → Fe-S →辅酶
物
1个cytb
Q (无H+泵出)
复合物 Ⅲ
CoQ-细 胞色素C 还原酶
电子传递体 包括1cyt c1、 催化电子从CoQH2 → 质子移位体 2cyt b、 cyt c；泵出4 H+ （2
1Fe-S蛋白 个来自CoQ，2个来 自基质）
复合物 细胞色素 电子传递体 Ⅳ C氧化酶 质子移位体
–组成：含1个黄素蛋白和至少6个Fe-S中心。 –作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电
子→辅酶Q；泵出4 H+
复合物Ⅱ
• 琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体 而非质子移位体）
–组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，1个cyt b。
–作用：催化2低能电子→ FAD → Fe-S →辅酶Q (无H+泵出)
线粒体的脂质主要是磷脂。磷脂在内 外膜上的组成不同，外膜主要是磷脂 酰胆碱，内膜主要是心磷脂。
线粒体内、外膜在化学组成上的根本区别 是脂质和蛋白质的比值不同。内膜的脂质 与蛋白质的比值低（0.3：1），外膜中比 值较高（1：1）。
（内膜富含酶蛋白和辅酶，外膜仅含少 量酶蛋白）
线粒体中富含酶类，以及线粒体自身的遗 传物质，如环状DNA、RNA和核糖体等。此 外还有磷酸钙颗粒和多种可溶性代谢中间 产物。
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。
• ATP合成酶分别位于线粒体内膜、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。
ATP合成酶是线粒体氧化磷酸化和叶绿体光合磷 酸化偶联的关键装置，也是合成能源物质ATP的
关键装置。
（1）ATP合成酶的分子结构
b亚基二聚体排列在c亚基12聚体形成的环的 外侧，a亚基与b亚基二聚体和亚基共同组 成“定子”。
ATP合成酶的分子结构
F1和F0通过“转子”和“定子”将两部分连接 起来。
在合成ATP的过程中，“转子”在通过F0的H+ 推动下旋转，依次与3个亚基作用，调节催 化位点的构象变化；
“定子”在一侧将33与F0连接起来。 （F0的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换
2、线粒体酶的定位
线粒体约有140种酶，分布在各个结构 组分中，有的可作为某一部位所特有的标 志酶，如外膜的单胺氧化酶，膜间隙的腺 苷酸激酶，内膜的细胞色素氧化酶，基质 中的苹果酸脱氢酶。
线粒体主要酶的分布
部位
酶的名称
部位
酶的名称
单胺氧化酶
腺苷酸激酶
外膜 NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感） 膜间隙 二磷酸激酶
二聚体，包 含cyta, cyt a3 ,Cu原子
催化电子从cytc →分 子O2形成水，2H+泵 出，2H+参与形成水
细胞内有两条典型的呼吸链： NADH呼吸链（复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化
NADH的氧化）
FADH2呼吸链（复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催
化琥珀酸的氧化）
小结3
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：
–在这个梯度的驱使下， H+穿过ATP合成酶回到基质， 同时合成ATP，电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高 能磷酸键。
–电子及质子通过呼吸链上电子载体和氢载体的交替 传递，在线粒体内膜上形成3次回路，导致3对H+抽提 至膜间隙，生成3个ATP分子。
• Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”， 70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流 行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。
3.0μm 。
• 数量：一般动物细胞中线粒体有几百到几千个不
等，植物细胞中的线粒体数量少于动物细胞，而 许多哺乳动物成熟的红细胞缺少线粒体。（线粒 体的数目与细胞类型、细胞的生理功能及生理状 态有关，新陈代谢旺盛的细胞中线粒体多）
• 分布：分布不均匀，要满足细胞的能量供应需要，
代谢旺盛的部位线粒体比较集中。
（2）内膜（inner membrane）：
• 把膜间隙与基质分开。
• 厚约6－8nm，通透性低，只有不带电荷的小 分子才能通过。
• 内膜向内褶叠形成嵴（cristae），使内膜表 面积增加。嵴分为板层状和管状两种类型。
（高等动物中多为板层状嵴）
• 内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄球状小 体，即基粒，在线粒体氧化磷酸化的过程中作为ATP 合成酶发挥作用。
• ATP合成酶由头部（F1因子）和基部(F0因子) 组成。
突出于膜外
嵌于膜内
F1（偶联因子F1）：为水溶性球蛋白，牛心
线粒体ATP 酶的F1部分由3、3、1、1、1 等9个亚基组成。3和3交替排列，形成一个 “菊瓣”状结构。
• 亚基的核苷酸结合位点具有催化ATP合成或水 解的活性；
亚线粒体小泡的分离与重组
1、电子传递链（呼吸链）
什么是呼吸链：
–在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的 脂蛋白复合物，它们是传递电子的酶体 系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+ 的化学物质组成，在内膜上相互关联地
有序排列，称为电子传递链或呼吸链。
呼吸链上进行电子传递的载体主要有： NAD、黄素蛋白、细胞色素、铜原子、 铁硫蛋白、辅酶Q等。
• 与亚基有很强的亲和力，结合在一起形成 “转子”，参与调节亚基催化位点的开放和关 闭；
• 亚基有抑制酶水解ATP的作用，同时可以减少 H+的泄漏。
F0（偶联因子F0）：为疏水蛋白复合体，
形成一个跨膜质子通道。
• 在细菌中，F0由a、b、c三种亚基组成。 • 多拷贝的c亚基形成一个环状结构，a亚基与
积却随年龄↑而↑ 。 （线粒体病的研究已与线粒体DNA的损伤、缺
失相联系，随着年龄的↑ ，损伤mtDNA的积 累↑ ）
线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的
线粒体极为明显异常的病理变化。
• 克山病就是一种心肌线粒体病，是以心肌损伤 为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏（缺 硒）而引起。