第六章线粒体
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。
细胞生物学之笔记--第6章
第六章线粒体mitochondion与细胞的能量转换第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量&结构（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关线状、粒状、杆状etc 直径0.5~1.0μm。
（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构1.外膜是线粒体外层单位膜outer membrane5~7nm厚，50%脂类、50%蛋白（重量）外膜蛋白多为转运蛋白，形成跨膜水相通道（直径2~3μm），允许分子量10kD以下分子通过，包括小分子多肽（氨基酸平均分子量128D）2.内膜的内表面附着许多颗粒inner membrane4.5nm厚，20%脂类、80%蛋白✧内腔/基质腔（matrix space）由内膜包裹的空间✧外腔/膜间腔（intermembrane space）内、外膜之间的空间✧嵴（cristae）内膜大量向内腔突起性折叠形成✧嵴间腔（intercristae space）嵴与嵴之间的内腔部分✧嵴内空间（intracristae space）由于嵴向内腔突起，造成的外腔向内伸入的部分内膜通透性很小，分子量大于150D，就不能通过内膜有高度的选择通透性，膜上转运蛋白控制内外腔的物质交换内膜内表面附着许多颗粒，数目：104~105个/线粒体，称基粒elementary particle =A TP合酶复合体（A TP synthase complex）3.内外膜相互接近所形成的转位接触点是物质转运到线粒体的临时性结构转位接触点translocation contact site 电镜观察揭示内外膜有些接触点转位接触点分布有蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体，称内膜转位子translocon of the inner membrane, Tim; 和外膜转位子translocon of the outer membrane, Tom4.基质是氧化代谢的场所✧基质matrix 内腔中充满的电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分✧基质中含各种酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成✧基质中含有双链环状DNA、70S核糖体有1~多个DNA拷贝，有独立遗传物质复制、转录、翻译5.基质的化学本质是ATP合酶基粒，又称A TP合酶复合体，头部直径9nm，柄部长5nm，宽4nm二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组mtDNA(mitochondrial DNA) 裸露、不与组蛋白结合，基质内一个线粒体平均5~10个DNA分子，编码线粒体的t RNA、rRNA及一些线粒体蛋白质但大多数酶和蛋白质仍由细胞核DNA编码，在细胞质中合成，转送到线粒体中线粒体基因组共16 569 bp，双链环状DNA，一条重链，一条轻链。
第六章 线粒体
（分布：多靠近需 耗能多的位置，如 rER附近，精子尾部 等。）
如有促进脂肪酸进入线粒体代谢的酶。
⑵组成：２０％是脂类，８０％是蛋白质 内膜上约有60多种蛋白质 三种主要功能蛋白质： ①电子传递链酶系：呼吸链电子传递系统氧化反应 的蛋白质： ②ATP合成酶系：基质中合成ATP（氧化磷酸化） ③特异转运蛋白：小分子物质转出基质 ⑶特点： 通透性小，分子量大于１５０的物质不能通过。 选择通透性高，膜上的转运蛋白质控制内、外腔的 物质交换，以保证活性物质的代谢。
ATP合酶复合体 生物氧化 细胞氧化 细胞呼吸 嵴 基粒 糖酵解 内膜 嵴间腔 膜间腔 嵴内空间
matrix 基质 matrix space 基质腔 matrix-targeting sequence .MTS 基质导入序列 Outer membrane 外膜 Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化 Translocation contact site 转位接触点 Translocon of the inner membrane, Tim 内膜转位子 Translocon of the outer membrane .Tom 外膜转位子 Tricarboxylic acid cycle ,TAC 三羧酸循环
:细胞液 :线粒体基质 :线粒体基质
第06章-线粒体遗传病
Complex Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
Subunits 41 4 11 13
Nuclear 34 4 10 10
mtDNA 7 0 1 3
ATPase
14
12
2
合计
87
70
13
（二）线粒体基因组所用的遗传密码
和通用密码不完全等同
Codon UGG UGA AGG AGA AUG AUA
Universal code Trp Stop Arg Arg Met Ile
含16569个碱基对。 外环为重链（H）富含G
12种多肽链 12S rRNA 16S rRNA 14种tRNA
内环为轻链（L）富含C
1种多肽链 8种tRNA
mtDNA共有37个 基2因种 编码
rRNA(12S和16S ）基因
22种 编码 tRNA 基因
13种 编码 蛋白质 基因
Human mtDNA, a circular molecule that has been completely sequenced, is among the smallest known mtDNAs, containing 16,569 base pairs. It encodes the two rRNAs found in mitochondrial ribosomes and the 22 tRNAs used to translate mitochondrial mRNAs.
（一）线粒体蛋白输入缺陷 （二）底物运输缺陷 （三）底物利用缺陷 （四）铁运输缺陷 （五）电子传递链缺陷
mtDNA Trp Trp Stop Stop Met Met
（三）mtDNA为母系遗传
母亲将她的mtDNA 传递给儿子和女儿， 但只有女儿能将其 mtDNA传递给下一代。
第六章线粒体和叶绿体(共80张PPT)
复合物IV：细胞色素c氧化酶
• 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。
• 作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧形成水，每转移一对电子，在基
质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。（2 H+泵出， 2 H+ 参与 形成水）
• cyt c→CuA→heme a→a3- CuB→O2
Transport of electrons from NADH
Transport of electrons from FADH2
在电子传递过程中，有几点需要说明
• 四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、铁硫蛋白、辅酶 Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。
• 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。
• 4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O
两条主要的呼吸链
• ①由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。
• ②由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。
• 对应于每个复合物Ⅰ，大约需要3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，任 何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色 素c这样的可扩散性分子连接。
（二） 线粒体的超微结构（两膜两室）
基质
膜间隙
外膜
嵴
内膜
A three-dimensional diagram of a mitochondrion cut longitudinally
•线粒体的超微结构
◆外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。外膜的 标志酶是单胺氧化酶。 ◆内膜（inner membrane）：富含心磷脂，高度不通透性，向内折叠
第六章 线粒体和叶绿体
1) 内膜结构
单层膜，比外膜厚； 通透性较外膜小； 向内折叠成嵴，表面积极大增加，代谢效率 极大提高;
嵴的形状与数量和细胞种类与生理状况有关
2) 线粒体分类（根据嵴的形态结构）
（a）板层形 （b）管形 （a）,（b）为基本形 （c）羽冠形 （d）网膜形 （e）绒毛形 （f）平行形 （g）同心圆形
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第二节 叶绿体与光合作用
●一.叶绿体(Chloroplast)的形态结构
二.叶绿体的结构与化学组成
●三.叶绿体的功能—光合作用
(photosynthesis)
一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构
●叶绿体与线粒体形态结构比较
叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电
子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。 ●叶绿体超微结构
1964年由Paul Boyer最先提出来的。此学
说认为电子沿电子传递链传递使线粒体 内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成 一种高能形式。这种高能形式通过ATP 的合成而恢复其原来的构象。未能找到 有力的证据。
（３）化学渗透学说 1961 由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出来
的。此学说认为电子传递释放出的自由能和ATP合成
＋
个H 泵出内膜。
ｃ 内膜对H+不能自由通过，泵出
膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，
因而造成H+浓度的跨膜浓度梯度。
此梯度包含的能量可驱使ADP和Pi 生成ATP。
ｄ.氢通过ATP合成酶上 的特殊的途径，返回基 质。H+浓度梯度所释放
的自由能，偶联ADP和
第六章 线粒体
◆ 辅酶Q（CoQ）、黄素单核苷酸（FMN）、 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、烟酰胺腺 嘌呤二核苷酸（NAD）等。它们作为辅酶 （或辅基）参与电子传递的氧化还原过程。
◆ 基质中含有催化三羧酸循环、脂肪酸β-氧 化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上 百种酶和其他成分， 如环状DNA、RNA、 核糖体及较大的致密颗粒，这些颗粒是含 磷酸钙的沉积物，其作用是储存钙离子， 也可结合镁离子。基质中还有许多可溶性 代谢中间物。
化学渗透假说有两个特点：
A. 强调线粒体膜结构的完整性
如果膜不完整，H+ 便能自由通过膜，则无法在内 膜两侧形成质子动力势，那么氧化磷酸化就会解 偶联。一些解偶联剂的作用就在于改变膜对H+ 的 通透性，从而使电子传递所释放的能量不能转换 合成ATP。
B. 定向化学反应
ATP水解时，H+从线粒体内膜基质侧抽提到膜间 隙，产生电化学质子梯度。ATP合成的反应也是 定向的，在电化学质子梯度推动下，H+ 由膜间隙 通过内膜上的ATP合成酶进入基质，其能量促使 ADP和Pi合成ATP。
◆ 复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶
组成： 二聚体，每一单体含13个亚基，含cyt a, a3 ,Cu, Fe。既是电子传递体又是质子移位 体。 作用： 催化电子从cyt c分子O2 形成水，2 H+泵 出， 2 H+ 参与形成水。
在电子传递过程中，有几点需要说明
◆ 四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素（含血红 素辅基）、 Fe-S 中心和辅酶 Q。前三种与蛋白质 结合，辅酶Q为脂溶性醌。 ◆ 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。 ◆ 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递 (NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)。
医学遗传学 第六章 线粒体遗传病 知识点
医学遗传学第六章线粒体遗传病线粒体基因组的结构特征：不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状。
分为重链H链和轻链L 链。
重链富含鸟嘌呤G。
轻链富含胞嘧啶C。
编码区：线粒体基因排列紧密，部分会重叠。
没有启动子和内含子。
有的基因没有完整的三连体终止密码。
基因间隔区短，只有87bp。
两条链都有编码功能。
非编码区（D环区/控制区）：与线粒体复制及转录有关。
包括H链复制的起始点。
H、L链转录的启动子。
四个高度保守序列（可通过此结构判定物种）。
两个高变区。
编码区的保守序列包含37个基因：2个rRNA基因，22个tRNA基因以及是13个氧化磷酸化有关的蛋白质编码基因。
线粒体基因组的遗传特征：半自主性遗传密码和通用密码不同母系遗传：母亲将mtDNA传递给她的所有子女，但只有她的女儿们能将其mtDNA传递给下一代。
mtDNA的突变率极高：原因是--mtDNA的特殊结构（缺乏酪蛋白和其他DNA组结合蛋白的保护。
无DNA损伤的修复系统，没有内含子。
独特的复制方式和复制错配。
mtDNA处于高度氧化的环境。
（ROS和自由基导致氧化损伤或诱导突变。
）同质性与异质性：同质性：一个组织或细胞中所有的线粒体具有相同的基因组，全部为野生型或全部为突变型mtDNA。
异质性：一个细胞或组织具有突变型，也有野生型mtDNA，基金组不同。
异质性的发生率：中枢神经系统＞肌肉组织＞血液。
成人大于儿童。
阀值效应：突变的mtDNA达到一定的比例，超过阀值时能引起某些器官或组织功能异常，导致能量产生急剧下降。
对ATP依赖程度：中枢神经系统＞骨骼肌＞心脏＞胰腺＞肾脏＞肝脏。
遗传瓶颈与复制分离：遗传瓶颈：卵母细胞中的线粒体数目从10万个锐减到少于100个的过程。
复制分离：细胞分裂时进行随机分配，导致mtDNA异质性变化的过程。
线粒体基因组突变类型：点突变：2/3的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有关的tRNA和rRNA基因上，这些突变会导致tRNA和rRNA的结构异常，从而影响mtDNA编码的多肽链的翻译过程。
第六章 线粒体
（nascent-associated complex 新生多肽相关复合物） 与前体相互作用，能增加前体蛋白转运的 准确性。
前体蛋白结合因子（presequence-binding factor, PBF） 增加hsc70对线粒体蛋白的转运； 线粒体输入刺激因子（mitochondrial import stimulatory factor, MSF）ATP酶，为蛋白解聚供能
二、线粒体的化学组成
蛋白质：占线粒体干重的65% -70% (如：大鼠肝细胞线粒体蛋白质
67%在基质内，21%在内膜，6%在外膜，6%在膜间腔)
线 粒 体 的 化 学 组 成
脂 类：占线粒体干重的25% -30%，其中大部分为磷脂 ：磷脂酰胆 碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、心磷脂（主要存 在内 膜中占其总脂20% ） 外膜：脂类占52%、蛋白质占48%，胆固醇和磷脂含量比 内膜高。 内膜：脂类占24%、蛋白质占76%，胆固醇含量极少，心磷 脂含量比任何膜都高。 DNA和完整的遗传系统
外膜
内膜
平整、光滑。外膜的1/2
为脂类，1/2为蛋白质。
外膜含有多种转运蛋白，
形成较大的水相通道跨 越脂质双层，φ：2-3nm，
允许分子量为10 K以内
的物质可以自由通过。
2、内膜（inner membrane）：
位于外膜内侧，由一层单位膜构成，平均厚4.5nm。含100种 以上的多肽，蛋白质和脂类的比例约4:1。心磷脂含量高（达 20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。其通透性很差，但有高 度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。
（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组
1.mtDNA: 是双链闭合环状分子、裸露不与组蛋白结合,
第六章 线粒体与叶绿体
●ATP水解酶的活性
●ATP合成酶的活性
故 F0-F1 颗 粒 又 称 为 ATP 合 酶 (ATP synthase )。
Structure of ATP synthase
◆结构
● Head section: 即 F1, 由 5 种多肽组成九聚 体 , 含有 3 个催化 ATP 合成的位点 , 每个β亚 基一个。 ● Stalk section: 由 F1 的γ亚基和ε亚基构 成,γ亚基穿过头部作为头部旋转的轴。 ● Membrane section: 即 F0, 由 3 种不同的亚 基组成的十五聚体(1a∶2b∶12c)。
一、线粒体和叶绿体的DNA
●mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
●mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制
●mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，
DNA 先复制，随后线粒体分裂。 ctDNA 复制的时
间在G1期。 复制仍受核控制
mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
◆双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) ◆mtDNA 大小在动物中变化不大，但在植物中变化 较大高等植物，120kbp~200kbp； ◆ 人 mtDNA ： 16,569bp ， 37 个 基 因 ( 编 码 12S,16S rRNA ； 22 种 tRNA ； 13 种多肽： NADH 脱氢酶 7 个
性等特点. 线粒体的形状多种多样,但以线状和粒状最常见.
线粒体在不同类型细胞中,其数目相差很大，但在同一类型细胞中的数目
是相对比较 稳定的.
●线粒体的超微结构 ◆外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)， 通透性较高。标志酶是
单胺氧化酶
◆内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折 叠形成嵴。 含有与能量转换相关的蛋白.标志酶是细胞色素氧化酶.
第六章 线粒体与叶绿体
个质子，同时转移2个质子至膜间隙。所以复合物Ⅳ既是电子
传递体又是质子移位体。
•呼吸链中复合物的排列及功能
线粒体呼吸链中四种复合物的性质
复合物 序号 名称 Ⅰ Ⅱ NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 多肽数 22～26 4～5 电子传递 辅基 1个FMN 6-9个Fe/S 中心 1个FAD 3个Fe/S中心 2个细胞色素bc 1个细胞色素c1 1个 Fe/S中心 1个细胞色素a 细胞 色素c 氧(O2) 1个细 胞色素a3 2个Cu中 心(其中 细胞色素a3 是Fe/Cu中心) 接收自 NADH 琥珀酸 (经由酶结 合的FAD) 辅酶Q 传递给 辅酶Q 辅酶Q 传递 质子 是 否
细胞色素
三个铜原子：类似于铁硫蛋白的结构，通过
Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
铁硫蛋白：在其分子结构中有2Fe-2S和4Fe4S两种类型。 通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子 传递。 辅酶Q：是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）。
复合物Ⅲ
CoQ-细胞色素c还原酶，由10条多肽链组成，以二聚体形式存 在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁 硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对 电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。所以复合物
Ⅲ既是电子传递体又是质子移位体。
复合物Ⅳ 细胞色素氧化酶，由6-13条多肽链组成，以二聚体形式存在， 每个单体含有细胞色素a和细胞色素a3及2个铜原子。作用是催 化电子从细胞色素c传给氧，每转移1对电子，在基质侧消耗2
电子传递链
• 在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放癿大部分能 量都储存在辅酶(NADH和FADH2)分子中。细胞 利用线粒体内膜中一系列癿电子载体(呼吸链)， 伴随着逐步电子传递，将NADH戒FADH2迚行氧 化，逐步收集释放癿自由能最后用于ATP癿合成， 将能量储存在ATP癿高能磷酸键。
第六章线粒体
↑
↓
苹果酸←延胡索酸←琥珀酸
该过程底物水平磷酸化生成2ATP
④氧化磷酸化
（oxidative phosphorylation）
——定义：伴随电子传递链的氧化过程所 进行的能量转换和ATP的生成就是氧化磷 酸化。该过程产生34ATP。 线粒体内形成ATP，并贮存能量。1 分子葡萄糖彻底氧化生成CO2和H2O，净 产生 38 ATP。
（2）底物水平磷酸化只占细胞ATP 来源的10~20%以上。
（三）呼吸链 （respiratory chain)与电子传递 及能量释放
NADH和FADH2中的能量是如何转换合成ATP的？
1、呼吸链概念、组成及其定位
电子传递链（呼吸链）可比做放能装置——它是一 组酶的复合体，分布并镶嵌在线粒体内膜上，它 包括递氢体（复合物I、III、IV ）、和递电子体 （辅酶Q、细胞色素b、c1、c、a、a3和铁硫蛋 白），在线粒体内膜上电子逐级传递过程中，完 成氧化还原并释放能量。
线粒体中约有140多种酶（参见表8-1）其中氧化
还原酶约占37%，连接酶占10%，水解酶仅占9%。
线粒体各部分的标志酶
外膜——单胺氧化酶 膜间腔——腺苷酸激酶 内膜——琥珀酸脱氢酶 基质——苹果酸脱氢酶
三、 线粒体的超微结构
电镜下：线粒体是由两层单 位膜围成的封闭的囊状结构。 主要分为外膜、内膜、膜间 隙和基质四部分。 还有内膜上的嵴和基粒以及
形成柄的一部分。 帮助与F0结合 。 与F0的两个b亚基共同形成定子。
• F0 由3个不同的亚单位组成—— 1a 2b 12c。 c 亚单位形成膜上可移动的环； a 亚单位可作为质子的通道； b 亚单位嵌入脂质双层，并延伸 到F1， 形成柄的一部分。
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D.γ亚基中心轴每旋转120度即与不同的β亚 基接触，迫使其转变为β-排空构象
4、ATP的穿膜运输机制 ATP合成酶合成的ATP最初存在 于线粒体基质中，然而绝大部分ATP
要在细胞质溶质中发挥作用，因此
需要把合成的ATP运出线粒体。
腺苷转移酶，利用质子 梯度驱动ADP/ATP交换
磷酸转移酶
线粒体内膜上的运输体蛋白保证了氧化磷酸化产物及所需底物的穿膜运输
第六章 线粒体
能量转换细胞器
广泛存在于各类真 核细胞，通过氧化磷酸 化将质子浓度梯度转换 为ATP, 为细胞生命活
动提供能量。
半自主性细胞器 自身含有DNA，功能
活动和装配受核基因和
自身基因的共同控制。
线粒体的发现及生理活动的认识过程：
1897年Benda发现了线粒体
1912年，Kingsbury认为线粒体是氧化作用的部位。 1913年，Engelhardt 证明了磷酸化与氧的消耗是耦联在
第一节线粒体的形态、大小和分布
一、形态大小
线粒体一般呈条形或椭圆形，有内伸的“嵴”， 但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃 形、蛇形、分支状等。
大小因细胞类型和生理状态而异，一般横切面直 径0.5~1.0μm，长2~8μm。在大鼠胰脏外分泌细胞 中可长达10~20μm，称巨大线粒体。
二、数量
辅酶Q：脂溶性醌类化合物，为递氢体和电子传递体。
细胞色素：又名细胞色素氧化酶，为电子传递体
这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中， 4种复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 。
复合物Ⅰ：NADH-CoQ-还原酶
复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ-还原酶
传递电子、质子移位
传递电子 传递电子、质子移位
线粒 体
鞭毛芯 肌原纤维
横纹 肌
精子 尾巴
线粒体的分布与迁移和微管有关，常呈链形，与微管分
布相对应。线粒体在胞质中可向功能旺盛的区域迁移，微管 是其导轨、由马达蛋白提供动力。
哺乳类培养细胞的线粒体 光镜照片 用活性荧光染料rhodamine 123染色，示线粒体长棒状。
同一细胞用荧光素标记的微管结 合抗体染色的免疫荧光照片 两个照片相比，可知线粒体倾向 于沿着微管排列
NADH—FMN—CoQ—b—c1 — c—aa3 — O2
目前关于氧化磷酸化的偶联机制的解 释有化学渗透假说和结合变构模型假说。
（1）化学渗透假说
Mitchell P.1961 提 出 “ 化 学 渗 透 假 说
(Chemiosmotic Coupling 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
基质时，使ATP酶的构象发生改变，催化ADP磷酸化合 成ATP。
度（Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。
（2）结合变构模型
A.F1上有3个活性部位轮替催化ATP的合成，β 亚基开始处于β-ADP构象，可与介质中的ADP 和Pi结合。
B. β亚基转变为β-ATP构象,与ATP紧密结合。 C.最后β亚基转变为β-排空构象，释放ATP.
三、线粒体中各种酶的定位
线粒体中约含120多种酶，其中氧化还原
酶37%；合成酶10%；水解酶9%
内膜：
呼吸链和氧化磷酸化酶 基质： 柠檬酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化及 蛋白质和核酸合成相关酶类
各组成部分有标志酶:
外膜: 单胺氧化酶 膜间隙: 腺苷酸激酶 内膜: 细胞色素氧化酶 基质: 苹果酸脱氢酶
得1978年诺贝尔化学奖。
根据“化学渗透假说”，电子传递链不对称分布，起 质子泵的作用，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能 量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜 对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高
于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯 当质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回
第二节 线粒体的超微结构
电镜下，线粒体是由双层膜围成的一个封闭的香肠状囊
式结构。包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。
一、线粒体外膜
包围在线粒体最
外层的一层单位膜， 厚 约 6nm ， 其 上 有 孔 蛋 白 （ porin ） 组 成 的圆筒状通道，通透 外膜
性高，允许相对分子
量 5000 Da 以 下 的 小 分子进入膜间隙。
三、膜间隙（外室）
内外膜间的空隙，宽 6-8nm。嵴内的空间 称为嵴内间隙，两者相通，充满液体，并 含有可溶性酶、底物和辅助因子。
某些部位内外膜紧密接触，无膜间隙，为 胞质中合成蛋白进入线粒体的部位。
四、线粒体基质
内膜包围的空间，充满胶状物质。
蛋白质
酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化 丝状物质：环状DNA、RNA 核糖体：酵母—70S；哺乳动物—55S 致密颗粒状物质：Ca2+——磷酸钙沉淀—储存 Ca2+，具有控制细胞质中钙离子浓度的作用。
现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。
进化来源：内共生假说。
第七节 细菌的氧化磷酸化
细菌无线粒体，但能进行氧化磷酸化， 呼吸链存在于质膜中，工作原理基本与真 核生物线粒体内膜的呼吸链相同。主要差 别是细菌质膜中的呼吸链比线粒体中的简 单，细菌细胞中每对电子通过呼吸链只输 出4个质子，合成2个ATP.
二、电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础
氧化磷酸化与电子传递分别进行 由NADH脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传 递链存在于膜本身，而氧化磷酸化作用却由基本 颗粒（ATP酶复合物）来承担。
1、电子传递链（呼吸链）和内膜内外质子梯度的形成
电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，承 担着电子传递的作用。组成该链的分子可分成4大类：
电子传递过程中，复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ将 质子从基质中运输到膜间隙，形成质子 梯度，造成电化学梯度势能，为合成ATP 奠定了能量基础。
由质子浓度差和电荷 分离所产生的电化学 势能代表将电子传递 的能量暂时贮存。 当质子顺电化学梯度 流动时，在ATP酶作 用下合成ATP.
2、ATP合成酶
在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜
一起的，即氧化作用与磷酸化作用是偶联。
1943-1950年，Kennedy 和Lehninger 证明了柠檬酸循环、 氧化磷酸化和脂肪酸氧化均发生在线粒体； 次年， Lehninger又发现氧化磷酸化需要电子传递。 20世纪50年代后，人们用电镜对线粒体超微结构进行了 细致观察，将其生理活动同结构联系起来，并证明了柠 檬酸循环,氧化磷酸化等是在线粒体的不同部位进行的。
1、间壁分裂 分裂时先由内膜向中心皱褶形成隔，将 线粒体分成两部分，随后外膜有一部分内陷， 插入到隔的双层膜之间将线粒体分成两个子 线粒体。常见于鼠肝和植物组织中。
2、收缩后分离：分裂时通过线粒体中部缢缩 并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类 和酵母线粒体中。
3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出
膜间隙
内膜
二、线粒体内膜
厚约6-8nm，对物质透性低，只允许不带电荷的小 分子通过，大分子和离子经专一性运载系统穿膜 运输。内膜向内室伸出许多褶皱或小管称为嵴， 其作用是增大内膜的表面积和内膜的代谢效率。
其形状和数量可变，一般有如下板层状（高等动
物细胞）和管状（原生动物和大多数植物细胞）
嵴朝向线粒体基质面上规则地排列有许多圆球状 颗粒称为基本颗粒或F1颗粒或F1因子，它具有ATP 酶活性，故也称为F1-ATP酶。
上的ATP合成酶，即F0-F1耦联因子。
作用：合成ATP
能量来源：电子传递中释放的能量
由16条肽链组成，分子量500 kD。结构上分为 头部（F1 ATP酶）和膜部（F0因子）。 ATP合 成酶中构成了一条亲水性通道，允许质子顺电 化学梯度通过。
（ 1 ）头部：即 F1 因子， 9 条多肽构成，分离下 来后，仍可以水解ATP，即具有ATP酶活性。 （2）柄部：连接F1和F0的脂蛋白，是F0因子的 伸出部分，为寡霉素敏感授予蛋白，寡霉素与 其结合后会阻塞质子通道，进而阻止ATP的合成。 （3）膜部： F0因子，多条多肽链。 F0因子的
有形成分
脂类
第三节 线粒体的化学组成与酶的定位
一、线粒体各部分的分离
差速离心——完整线粒体 密度梯度离心——线粒体亚组分 低渗处理——吸水膨胀—分离外膜 去垢剂 Lubrol---内膜与基质分开
毛地黄苷---外膜与内膜和基质（线粒体质体）分开
二、线粒体的化学组成
蛋白质（各种酶）：含量占线粒体干重的65%70%，包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白。 脂类：25%~30% ，大部分为磷脂。 核酸：DNA、RNA 辅酶、维生素、金属离子及核糖体等。 内膜 蛋白质：脂类=4：1 大部分Pr为ATP酶复合物 外膜 蛋白质：脂类=1：1
功能和传递质子有关，是质子载体，可专一性
地传递质子。
质子的转运方向取决于细胞的净自由能（Δ G），当电化学梯度 降低到一定程度时， ΔG不足以让质子进入基质合成ATP,这时 ATP被水解，提供能量将质子泵到膜间隙，以恢复质子梯度。
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3、氧化磷酸化的耦联机制
NADH和FADH2 将所携带电子经呼吸链传 递给 O2 电子传递过程中，电子携带的能量被ATP 酶用来催化 ADP磷酸化，生成 ATP。 偶联的三个部位： (1) NADH CoQ 每个部位释放的能量均 (2) Cytb Cytc 可使ADP磷酸化生成1个 ATP (3) Cytaa3 O2