第六章线粒体

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
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
第五节 线粒体的半自主性

线粒体是一种半自主性细胞器，在其基质中含 有环状 DNA 分子和蛋白质的合成机构。其 DNA 含 有为多种多肽以及所需 rRNA、tRNA 编码的基因。 线粒体在核 DNA 和线粒体 DNA 的双重控制下活动。

线粒体的生长与增殖所需要的大部分蛋白质是
由核基因编码、在细胞质中合成的，仅有少部
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。

黄素蛋白：常见的为NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。黄素蛋白
由一条多肽链和两个辅基组成，辅基为黄素腺苷单核苷酸
（FMN）和黄素腺苷二核苷酸（FAD）,两者均能够加氢和脱
氢反应，为递氢体和电子传递体。

铁硫蛋白：常见的为含有Fe2S2和Fe4S4的铁硫蛋白，通过Fe2+ 和Fe3+之间的转变传递电子。

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
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。
复合物Ⅲ：CoQ-细胞色素c-还原酶 复合物Ⅳ：细胞色素氧化酶
传递电子、质子移位
复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 组成一条主呼吸链，催化NADH的氧化；
NADH—FMN—CoQ—b—c1 — c—aa3 — O2

复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化。

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。
第四节 线粒体的功能与氧化磷酸化

功能：氧化磷酸化，产生ATP，储积钙离子。 动物细胞中 80% 以上的 ATP 是在线粒体中合 成的，是细胞能量来源的主要途径。
一、生物氧化的分区与定位
蛋白、糖、脂 丙酮酸 脂肪酸
第一阶段（细胞质中） 第二阶段（基质中） 第三阶段（内膜）
三羧酸循环
NADH
呼吸链
提供一对电子和一个H+
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
1 、与生理状况有关，处于不同状态的细胞对能 量的需求不同。 2、除哺乳动物红细胞无线粒体外，一般有数百 到几千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数 目相对动物细胞较少。
三、线粒体的分布
倾向于分布在细胞功能旺盛的区域。如在精子线粒体
呈环形围绕在鞭毛周围；肌肉细胞中，线粒体集中分布在
肌原纤维间，有利于需能部位的能量供用。

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

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
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。

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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
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
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
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.
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。
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
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.


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。
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
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：
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
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
分蛋白质是由其自身基因编码、在线粒体内合
成的。

哺乳动物的线粒体 DNA 除编码 rRNA 和 22 种氨 基酸tRNA外，仅能编码13种多肽链，这些多肽 链均为氧化磷酸化过程所需成分。其余的线粒
体蛋白均由核基因编码。
第六节 线粒体的来源
线粒体由原有线粒体分裂而来，与 细胞分裂不同步，在细胞间期分裂。