第六章 线粒体

第六章线粒体
名词解释
1、电子传递链electron-transport chain
膜上一系列由电子载体组成的电子传递途径。

这些电子载体接受高能电子，并在传递过程中逐步降低电子的能量，最终将释放的能量用于合成ATP或以其他能量形式储存。

2、化学渗透学说chemiosmosis
氧化磷酸化的耦联机制。

电子经电子传递链传递后，形成跨线粒体内膜的质子动力势，用以驱动ATP合成酶合成ATP。

3、结合变构模型binding change model
利用质子动力势驱动ATP合成酶构象发生改变，将ADP和无机磷合成ATP的模型。

4、孔蛋白porin
存在于线粒体和叶绿体外膜上的整合膜蛋白，形成非选择性的通道。

5、内共生学说endosysmbiont theory
关于叶绿体和线粒体起源的假说，认为叶绿体和线粒体起源于被原始真核细胞吞噬的共生原核生物。

6、线粒体mitochondrion
将储存在有机物中的能量通过氧化磷酸化过程形成ATP的细胞器。

线粒体是一种能量转换细胞器，还参与细胞凋亡等重要生理过程。

7、氧化磷酸化oxidative phosphorylation
底物在氧化过程中产生高能电子，通过线粒体内膜电子传递链，将高能电子的能量释放出来转换成质子动力势进而合成ATP的过程。

8、ATP合酶ATP synthase
位于线粒体内膜或叶绿体的类囊体膜上，通过氧化磷酸化或光合磷酸化催化ADP和无机磷合成ATP的酶，由F1头部和嵌入膜内的F0基部组成，也常见于细菌膜上。

9、线粒体膜间隙intermembrane space
线粒体内膜和外膜之间的间隙，约6～8nm，其中充满无定形的液体，含有可溶性的酶、底物和辅助因子。

膜间隙的标志酶是腺苷酸激酶。

10、嵴cristae
线粒体内膜向基质折褶形成的结构称作嵴(cristae), 嵴的形成使内膜的表面积大大增加。

11、电子载体electron carriers
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物质称为电子载体。

参与传递的电子载体有四种∶黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q。

12、黄素蛋白flavoprotein
是由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD紧密结合组成的结合蛋白。

13、细胞色素cytochrome
是一种带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白。

14、泛醌ubiquinone，UQ
或称辅酶Q，是一种脂溶性的、带有一条长的类异戊二烯侧链的苯醌。

15、铁硫蛋白iron-sulfur protein
是一类含非血红素铁的蛋白质。

在铁硫蛋白分子的中央结合的是铁和硫。

16、复合物I complex I
复合物I又称NADH 脱氢酶(NADH dehydrogenase)或NADH-CoQ 还原酶复合物, 功能是催化一对电子从NADH传递给CoQ，它是线粒体内膜中最大的蛋白复合物,是跨膜蛋白，也是呼吸链中了解最少的复合物。

哺乳动物的复合物Ⅰ含有42种不同的亚基,总相对分子质量差不多有1000kDa。

其中有7个亚基都是疏水的跨膜蛋白,由线粒体基因编码。

复合物Ⅰ含有黄素蛋白(FMN)和至少6个铁硫中心(iron-sulfur centers)。

一对电子从复合物Ⅰ传递时伴随着4个质子被传递到膜间隙。

17、复合物Ⅱcomplex Ⅱ
又称为琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)或琥珀酸-CoQ 酶复合物,功能是催化电子从琥珀酸传递给辅酶Q，由几个不同的多肽组成,其中有两个多肽组成琥珀酸脱氢酶，并且是膜结合蛋白。

复合物Ⅱ参与的是低能电子传递途径，将琥珀酸的电子经FAD传给CoQ。

复合物Ⅱ传递电子时不伴随氢的传递。

18、复合物Ⅲcomplex Ⅲ
又称CoQH2-细胞色素c 还原酶复合物, 总相对分子质量为250kDa。

含1个细胞色素c1、1个细胞色素b(有两个血红素基团)、1个铁硫蛋白,其中细胞色素b由线粒体基因编码。

复合物Ⅲ催化电子从辅酶Q向细胞色素c传递,并且每传递一对电子,同时传递4个H+到膜间隙。

19、复合物Ⅳcomplex Ⅳ
又称细胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase)。

总相对分子质量为200kDa。

复合物Ⅳ是以二聚体的形式存在，它的亚基Ⅰ和Ⅱ都含有4个氧化还原中心(redox-active centers)和两个a型细胞色素(含有1个a、1个a3)和两个Cu。

主要功能是将电子从细胞色素c传递给O2 分子, 生成H2O∶4cyt c2+ + O2 + 4H+ →4cyt c3+ + 2H2O。

每传递一对电子,要从线粒体基质中摄取4个质子,其中两个质子用于水的形成,另两个质子被跨膜转运到膜间隙。

20、半自主性细胞器semiautonomous organelle
线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核基因组及其自身的基因组两套遗传系统的控制，所以称为半自主性细胞器。

思考题
1、怎样理解线粒体和叶绿体是细胞内的两种能量转换细胞器？
线粒体是发生生物氧化反应的主要场所，其中含有催化三羧酸循环，脂肪酸氧化和氨基酸氧化所需的各种酶类，通过生物氧化作用，可以将储存在有机物中的能量转化为细胞生命活动的直接能量ATP并释放出来。

在此过程中储存于有机物中的稳定化学能转变成为活跃的化学能ATP。

叶绿体中含有的捕光色素可吸收光，并将其传递给光反应中心色素，激发反应中心释放电子，将光能转变成电能，接着通过电子传递链和ATP合酶讲点能转变成活跃的化学能ATP合NADPH，在通过暗反应，利用光反应产生的ATP喝 NADPH将CO2还原为糖等物质将活跃的化学能转变成储存在有机物中的稳定化学能，从而供植物合其他动物所利用。

2、为什么说三羧酸循环是真核细胞能量代谢的中心？
三羧酸循环的起始物乙酰辅酶A，不仅是糖类的分解物，还可以来自脂肪的甘油，脂肪酸和某些氨基酸代谢，因此它是糖脂肪蛋白质三种主要有机物在体内彻底氧化的共同代谢途径。

体内大多有机物是通过三羧酸循环而被分解的。

由三羧酸循环脱氢过程中氢经呼吸传递体传递，在此过程中伴随电子传递和质子的跨线粒体内膜运转，最终在膜间隙中积累质子，建立质子动力势，驱动ATP合成，而ATP是生物体内进行各种生命活动的直接能量来源。

所以说三羧酸循环是真核细胞能量代谢的中心。

3、电子传递链和氧化磷酸化之间有何关系？
线粒体内膜上的电子传递链将生物氧化作用和磷酸化作用联系起来，及生物氧化作用形成的电子可以通过电子传递链传递，在电子传递过程中通时发生一系列的氧化还原反应，呼吸链中的质子载体可将质子由基质转移到膜间隙中，建立跨膜的质子电化学梯度，当质子通过ATP合酶上的质子通道由膜间隙流到线粒体基质中，催化ADP磷酸化形成ATP。

在氧化磷酸化中，磷酸化所需能量由氧化作用供给，氧化作用形成的能量通过磷酸化作用储存。

4、氧化磷酸化偶联机制的化学渗透假说的主要论点是什么？由哪些证据？
化学渗透假说：在电子传递过程中，伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应，合成了ATP。

证据：电子传递形成的电子流能从线粒体内膜逐出H+；携带质子过膜的载体如2，4-二硝基苯酚可消除跨膜的质子浓度梯度差；实际测算膜间隙的pH值较线粒体基质中低1.4个单位；人工构建的含ATP合成酶和细菌视紫红质的脂质体，在提供光、ADP、Pi和H+条件下可合成ATP。

5、有核基因编码，在细胞质核糖体上合成的蛋白质是如何运送至线粒体和叶绿体的功能部位上的？
细胞质核糖体上合成的线粒体蛋白运送至线粒体时，多以前体存在，尤其成熟蛋白质和N 端的一段导肽共同组成。

导肽识别线粒体表面的受体，在外膜上GIP蛋白的参与下引导蛋白有内外膜的接触点通过内膜，导肽最终被水解酶切除。

前体蛋白在跨膜运送时，分子伴侣协助其从折叠状态转变为解折叠状态，利于跨膜。

前体蛋白再通过内膜后，再重新折叠为成熟的蛋白质。

蛋白质进入线粒体特定部位时所需的信号序列如下。

进入外膜的蛋白
（1）具有不被切除的N端信号序列，其后还有疏水的停止转义序列，蛋白质被转运复合体安装到外膜上。

（2）进入线粒体内膜和膜间隙的蛋白
a、蛋白N端具有两个信号序列，先被运送到基质，然后N端导肽被切除，暴露出第二段导
向内膜的信号序列，再插入内膜。

若信号序列被内膜外表面的异二聚体内膜蛋白酶切除，则成为膜间隙的蛋白。

B、N端信号序列的后面有一段疏水停止转移序列，能与膜上的通道复合体结合，当进入基
质的信号序列被切除后，脱离转位因子复合体而进入内膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，则成为定位于膜间隙的蛋白。

c、线粒体内膜上负责代谢底物产物转运的蛋白，如腺苷转位酶是多次跨膜蛋白，其N端没
有可被切除的信号序列，但包含3~6个内部信号序列，可被TIM22复合体插到内膜上。

6、为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？
叶绿体、线粒体中既存在DNA，又有蛋白合成系统，可以编码并合成自身某些蛋白，具有自主性。

但是它们自身的遗传系统储存信息很少，不能完全完成自身蛋白的合成，还需要大量来自于细胞核DNA的遗传信息。

所以，它们的生物合成涉及两个彼此分开的遗传系统，遗传上由自身基因组和核基因共同控制，故称为半自主性细胞器。

7、简述线粒体与叶绿体的内共生起源学说和非共生起源学说的主要论点及其实验证据。

（1）内共生起源学说
线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻。

线粒体来源于细菌，既细菌被真核生物吞噬后，在长期共生过程中通过演变形成线粒体。

叶绿体来源于蓝藻，蓝藻被原始真核细胞摄入胞内，在共生关系中形成叶绿体。

实验证据
A、线粒体和叶绿体基因组的大小、形态和结构方面与细菌相似；
B、线粒体和叶绿体有的蛋白质合成系统，其合成机制与细菌类似；
C、线粒体与叶绿体的外膜与细胞内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似；
D、二者都以分裂的方式进行繁殖，与细菌相同；
E、能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有自主性和共生性的特征；
F、反硝化副球菌和紫色非硫光合细菌的磷脂成分、呼吸类型核细胞色素C的初级结构与线粒体很接近；
G、发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构——蓝小体，可做为蓝藻向叶绿体演化的佐证。

（2）非共生起源学说
真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加呼吸作用的膜表面。

开始是通过细菌细胞膜的内陷、扩张和分化（形成的双层膜分别将基因组包围在其中），形成了线粒体和叶绿体细胞核的雏形，后逐渐形成独立的细胞器。

此学说解释了真核细胞核被摸的形成与演化的逐进过程。

实验证据不多，无法解释线粒体和叶绿体同细菌在DNA分子结构核蛋白合成性能上的相似之处，以及线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体来源。