细胞生物学 细胞的能量转换器

线粒体的功能：
氧化磷酸化、细胞凋亡、细胞的信号转导、 电解质稳态平衡调控、钙的稳态调控
进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量 是线粒体的主要功能。
三、氧化磷酸化
什么是氧化磷酸化：
– 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，这一过程称为氧化磷酸化。
– 线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形， 哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，线粒体通常 分布在细胞功能旺盛的区域。
• 线粒体的超微结构
– 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。 – 内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴 （cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍）。含有与能量转换 相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP合成酶、线粒体内 膜转运蛋白）。 – 膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 – 基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体 基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。
■ 线粒体各组分的分离
由于线粒体外膜的通透性比内膜高， 利用这一性质，Donal Parsons 和他的 同事最先建立了分离线粒体内膜、外 膜及其他组分的方法(图7-8)，
图7-8 线粒体组分的分离
首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜 破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒 体质)仍结合在一起，通过离心可将 线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷 处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释 放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合 形成小泡，其表面有F1颗粒。
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（electrontransport chain）或呼吸链（respiratory chain）。
（一）氧化磷酸化的分子基础
线粒体膜通透性**
很早就认识到线粒体的膜具有半透性，通过对半透性的研究导致线粒体各组 分分离方法的建立。
■ 线粒体通透性研究
将线粒体放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜 进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线 粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM， 比 环境中蔗糖的浓度低。线粒体外膜对蔗糖是通透的， 而内膜对蔗糖是不通透的(图7-7)。
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的两种产能细胞器。 ●线粒体与氧化磷酸化 ●叶绿体与光合作用 ●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 ●线粒体和叶绿体的增殖与起源
第一节 线粒体与氧化磷酸化
●线粒体的形态结构 ●线粒体的化学组成及酶的定位 ●氧化磷酸化
一、线粒体的形态结构
1.1 线粒体的发现与功能研究
化、氧化磷酸化。 • 在Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。 • Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。 • 1994年，Boyer 因提出ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制获得诺贝
尔化学奖
1.2 线粒体的形态结构
• 线粒体的形态、大小、数量与分布
–脂类(线粒体干重的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。 • 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）
• 线粒体酶的定位：
线粒体主要酶的分布
部位 外膜
内膜
酶的名称 单胺氧化酶 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
图7-1线粒体的TEM照片
图7-3 管状嵴线粒体
嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基 部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。
二、线粒体的化学组成及酶的定位
• 线粒体的化学组成：
–蛋白质(线粒体干重的65～70％)。线粒体的蛋
白质分为可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白质主要是 基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成膜的 本体，其中一部分是镶嵌蛋白， 也有一些是酶蛋白。
图7-1线粒体的TEM照片
图 7-3 肌细胞和精子的尾部聚 集较多的线粒体， 以提供能量
图7-4 线粒体包围着脂肪滴，内有大 量要被氧化的脂肪
内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积 （达5~10倍），嵴有两种类型：①板层状（图7-1）、②管状（图7-3）， 但多呈板层状。
电子载体
呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫 蛋白、辅酶Q等。
左:将线粒体置于含有 100 mM的蔗糖溶液中; 中:蔗糖穿过线粒体外膜， 达到平衡;右:将线粒体从 蔗糖溶液中取出，测定 线粒体中蔗糖的浓度。 如果测得线粒体的蔗糖 平均浓度是50 mM，就 可以推测:100mM的蔗 糖仅仅穿过了线粒体外 膜，而线粒体中有一半 流动的液体在线粒体基 质，由于内膜对蔗糖不 通透，所以测得的线粒 体平均浓度只有50 mM。
细氢酶 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）
部位
酶的名称
腺苷酸激酶
膜间隙 二磷酸激酶
核苷酸激酶
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
• 1890年R. Altaman首次动物细胞内发现线粒体，命名为bioblast。 • 1897年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion。 • 1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进行活体染色，发现线
粒体中可进行氧化-还原反应。 • 1948年，Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶 • 1943-1950年，Kennedy和Lehninger 发现线粒体内完成的，脂肪酸氧