第六章 线粒体与叶绿体

• ■ 线粒体各部分的特性和功能 • ● 蛋白分布: • 线粒体由四个部分组成，在能量转换过程 中分别起不同的作用。各部分功能的差异 主要是化学组成的差异，特别是蛋白和酶 分布的差异。
线粒体各部分蛋白的分布
外膜
细胞色素b5 NADH-细胞色素还原 酶 单胺氧化酶 脂酰辅酶A合酶 磷酸甘油酰基转移酶 核苷二磷酸激酶 孔蛋白 膜脂含量∶ 磷脂/蛋白=0.9 心磷脂/磷脂=0.03
两种类型的铁硫蛋白的结构 (a)2Fe-2S型铁硫蛋白; (b)4Fe-4S型铁硫蛋白
电子传递链的复合物
利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒
体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和
Ⅳ。四种复合物包埋在线粒体内膜中，辅酶Q和细胞色素C是呼 吸链中可流动的递氢体或递电子体。 辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，
• ● 标志酶 • 通过细胞化学分析， 线粒体各部位有特征 性的酶， 称为标志酶: • • • • 外膜: 单胺氧化酶 内膜: 细胞色素氧化酶 膜间隙: 腺苷酸激酶 基质: 苹果酸脱氢酶
二、线粒体的功能
线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的 生命活动提供能量。
糖、脂肪
细胞质
丙酮酸
线粒体 乙酰coA（三羧酸循环）
电子传递链
• 在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放的大 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的电 子载体(呼吸链)，伴随着逐步电子传递，将 NADH或FADH2进行氧化，逐步收集释放 的自由能最后用于ATP的合成，将能量储 存在ATP的高能磷酸键。
电子传递链
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 接收自 NADH 琥珀酸 (经由酶结 合的FAD) 传递给 辅酶Q 辅酶Q 传递 质子 是 否
膜间隙
腺苷酸激酶 核苷 二磷酸激酶 单磷酸激酶
内膜
NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 细胞色素氧化酶 细胞色素C ATP合成酶 (F0 F1 复合物) 运输蛋白 膜脂含量∶ 磷脂/蛋白=0.3 心磷脂/磷脂=0.22 醌
基质
苹果酸脱氢酶 脂肪酸β氧化酶 Krebs循环酶系 DNA聚合酶 RNA聚合酶 核糖体 转移RNAs
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）。
腺苷酸激酶。
基质：可溶性蛋白质的胶状物质。标志酶为苹果酸脱氢酶。
• ■ 线粒体的化学组成 • 经过对线粒体各结构组分的生化分析， 线粒体的化学组 分主要是由蛋白质、脂类、水份等组成。 • ● 蛋白质 占线粒体干重的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。 • ● 脂类 线粒体的脂类只占干重的20～30%。在线粒体的 脂类中多数是磷脂， 占总脂的3/4以上。含丰富的心磷脂 和较少的胆固醇是线粒体在组成上与细胞其他膜结构的明 显差别。 • 线粒体内、外膜在化学组成上的主要区别是脂类和蛋白质 的比例不同， 内膜上的脂类与蛋白质的比值低(0.3:1)， 外膜中的比值较高(接近1:1)。 •
色，发现线粒体具有氧化作用。
1904年，在植物细胞中发现了线粒体。 至20世纪50年代，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸 氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。 现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。
一、形态结构
（一）形态与分布
形状：线粒体一般呈粒状或杆状。
化学组成：蛋白质和脂类。 大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌 细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。 数量及分布：植物细胞少于动物细胞；许多哺乳动物成熟的
概念：在线粒体的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
系列能可逆的接受和释放电子或H+的化学物质所
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。 呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、
铁硫蛋白、辅酶Q等。
• 黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个 FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸 链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以 FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。 • 细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过 Fe3+、Fe2+形式变化传递电子。呼吸链中 有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1，其 中aa3含有铜原子。
• ● 呼吸链中电子载体的排列顺序
• 1.根据测得的标准氧化还原电位，按氧还电位的大 小可排出电子载体在呼吸链中的位置。标准氧化还 原电位的值越小，提供电子的能力越强，越易成为 还原剂。故电子是按氧化还原电位从低向高传递。
• 2.通过利用呼吸抑制剂（鱼藤酮、抗霉菌素A、 CN-或CO等)阻断电子传递的实验也可以帮助确定 传递链各组分的排列顺序。 • 下图为现在一般公认的排列顺序即电子流的路径。
细胞中线粒体分支交织连接而成的网状二维结构
（二）超微结构
线粒体（mitochondrion）由内、外两层彼此平
行和高度特化的膜包围而成的封闭的囊状结构，
源自文库
内外膜都是典型的单位膜。
包括：外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙（intermembrane）和基 质（matrix）四个功能区隔 。
肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体， 以提供能量
线粒体包围着脂肪滴，内有大量要被氧化的脂肪
• ● 存在方式 • 线粒体在细胞中并非都是单个存在的，有 时可形成由几个线粒体构成的网络结构， 有些线粒体具有分支,可以相互交错在一起。 如通过相差显微镜检查完整的肝细胞,发现 线粒体并非是单个存在的,而是以交织的网 络状态存在。
MITOCHONDRION AND CHLOROPAST
●线粒体 ●叶绿体 ●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
●线粒体和叶绿体蛋白质的运送与装配
第一节 线粒体
1890年，R. Altaman发现线粒体，命名为bioblast。 1898年，Benda将这种颗命名为mitochondrion。 1900年，L. Michaelis用Janus Green B 对线粒体进行染
超声波
线粒体 亚线粒体小泡或颗粒 胰蛋白酶 颗粒解离，只能传递电子，而不能发生磷酸化 颗粒重新装配上 电子传递和氧化磷酸化
NADH脱氢酶至细胞色素氧化酶电子传递的组分位于线 粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化偶联的因子，位于内膜 的基质侧，它是基粒（ATP酶复合体）的组分之一。
亚线粒体小泡的分离与重组
吸链和FADH2呼吸链。复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，
催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链， 催化琥珀酸的脱氢氧化。 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，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。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。
基质
真核细胞中碳水化合物代谢
（一）氧化磷酸化的分子结构基础
• 如何证明氧化（放能）和磷酸化（贮 能）是同时进行并密切偶联在一起的， 但却是由两个不同的结构系统实现的？
•
1968年E.Racker等人用超声波将 线粒体破碎，线粒体内膜碎片可自然 卷成颗粒朝外的小膜泡，这种小膜泡 称为亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒。
电子传递链中几种电子载体及电子传递
三、氧化磷酸化的作用机理
（一）质子动力势 对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构 象偶联假说、化学渗透假说等。 “化学渗透假说”，是1961年 英国生物化学家Mitchell提出来的，取得大量实验结果的支持，
成为一种较为流行的假说。 内容：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）及电位梯度（Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质 子动力势（proton-motive force, △P）。 △P=Ψ-(2.3RT/F)△pH 其中T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉第常数。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使 ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。
细胞色素C位于线粒体内膜的外侧，属于膜的外周蛋白，能被
盐溶液抽提 ，除此之外，其他的细胞色素都紧紧地与线粒体内 膜相结合,需要高浓度的去垢剂才能把它们增溶下来。
复合物Ⅰ NADH脱氢酶，由25条以上多肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体含 有一个黄素单核苷酸（FMN)和至少6个铁硫蛋白。它是呼吸链中最大最复杂的
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
红细胞中无线粒体。通常结合在微管上，分
布在细胞功能旺盛的区域。
电子显微镜观察的蝙蝠胰腺细胞线粒体
• ● 数量: • 在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大， 但 在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中 只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几 千个线粒体。植物细胞少于动物细胞。许多哺乳 动物成熟的红细胞中无线粒体。 • ● 分布 • 在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中， 但在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的。 线粒体较多分布在需要ATP的部位(如肌细胞和精 细胞， 或较为集中分布在有较多氧化反应底物的 区域，如脂肪滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化 的脂肪。
线粒体结构模式图
外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道，允许小分子物质自由通 过。标志酶为单胺氧化酶。
内膜：内膜内陷形成嵴（cristae）来扩大内膜表面积。嵴
有两种类型，板层状和管状。心磷脂含量高，通透性 很低，H+和ATP等不能自由通过，必需有载体蛋白
和通透酶参与。嵴膜上有基粒，基粒由头部（F1偶
联因子）和基部（F0偶联因子）构成。 膜间隙：内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部。标志酶为
Ⅲ
细胞色素b-c1 复合物
细胞色素c氧 化酶
8～10
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)
辅酶Q
细胞色素 c
是
Ⅳ
9
是
两条主要的呼吸链
根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼
氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP
● 功能 由于线粒体各部分结构的化学组成和性质的不同， 它们的功能各异。 线粒体各部分的功能
部位 功能
外膜
内膜 膜间隙
磷脂的合成;脂肪酸链去饱和;脂肪酸链延伸
电子传递，氧化磷酸化，代谢物质运输 核苷的磷酸化 丙酮酸氧化，TCA循环，脂肪的β氧化， DNA复制，RNA合成，蛋白质合成
酶复合物。作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时发生质子的跨膜
输送，将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。所以复合物 Ⅰ既是电子传递体又是质子移位体。
电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q
复合物Ⅱ 琥珀酸-CoQ还原酶又称琥珀酸脱氢酶，有4条多肽链组成。含有一个FAD， 2个铁硫蛋白和一个细胞色素b，作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋 白传给辅酶Q。复合物Ⅱ不能使质子跨膜移位。 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q