线粒体

氧化磷酸化
• 氧化磷酸化过程可看作电子传递过程中偶联ADP 磷酸化，生成ATP。
• 过程由两部分组成：电子传递链和和ATP合酶 • 生物体内95%的ATP来自这种方式。
化学渗透学说
英国生物化学家P.Mitchell 于1961年提出的解释释氧化磷酸化偶联机理的假说。
• 1）呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜中有着特定的不对 称分布，递氢体和电子传递体是间隔交替排列的，催化反应 是定向的。
氧化还原电位值越低，提供电子的能 力越强，越易成为还原剂。
电子转运复合物
破坏线粒体内膜后，可分离出4种膜蛋 白复合物。线粒体中氧化过程是由这四种 膜蛋白复合物相继作用来完成的。
电子转运复合物
复合物I（质子泵）
• 即NADH脱氢酶 • 催化１对电子从NADH传递给泛醌，每传一
递１对电子，伴随４个质子从基质转移到 膜间隙
× 磷酸转运蛋白
Phospholipid Exchange Protein
二者水解导肽
GIP
MPP+PEP
内膜膜电位启动
• 前体蛋白靠近线粒体（布朗运动） • Hsp70解折叠 • 蛋白结构松散适合跨膜 • GIP蛋白受体识别 • 内膜两侧膜电位启动 • 内外膜接触部位入腔 • MPP、PEP “去导肽” • 同时重新卷曲折叠(mHsp70 Hsp60) • 放出能量使蛋白与伴侣分离
质子转移与质子驱动力的形成
• 质子转移：在电子沿呼吸链传递的过程中， 质子H+随电子传递所释放的自由能从线粒 体基质中转移到膜间隙。
• 质子驱动力：在质子跨膜转移过程中，会 形成电化学梯度。这种电化学梯度可以用 质子驱动力或质子电动势表示
呼吸链Ⅰ——NADH呼吸链
• NADH 2个电子 黄素单核苷酸（FMN） 还原 1对H+
动物细胞线粒体内膜上的NADH脱氢酶只接受来自线粒体基质上的NADH上的电
子。
NADH上电子进入线粒体的途径：
①苹果酸-天冬氨酸 ②甘油-3-磷酸穿梭途
Байду номын сангаас
穿梭途径
径
传递对象
NAD+
FAD
还原产物
NADH
P/O比值（1对 2.5 (10/4)
电子通过呼吸 链传至氧产生 ATP分子数）
FADH2 1.5 (6/4)
电子载体
• 铜原子 位于线粒体内膜的单个蛋白质分子内。 通过Cu2+和Cu+两种状态的变换，传递
单个电子。
电子载体排列顺序
呼吸链中的电子载体有严格的排列顺序 和方向。它们是按氧化还原电位从低向高 排序，NAD+/NADH的氧化还原电位值最低 （E0´=-0.32V），O2/H2O的最高 （ E0´=+0.82V）。
线粒体的DNA
•1963年发现线粒体DNA（mtDNA） •之后在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、 tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质 翻译的全套装备。 •说明线粒体具有独立的遗传体系。 •合成能力有限（线粒体1000多种蛋白质，自身合成十余种） •线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA 合成酶、许多结构蛋白，都 是核基因编码。在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的。 •称线粒体为半自主细胞器。
证据： 1、基因组大小、形态、结构与细菌相似。由裸露、环状双链DNA构成，无组蛋白。 2、有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成一部分自己需要的蛋白质。 3、内外膜结构成分差异大，外膜与细胞内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。 4、与细菌一样能用二分裂自我繁殖。 5、能在异源细胞内长期生存，鸡胚线粒体引入小鼠体外培养至第四代仍有鸡的线粒体。 6、祖先很有可能是反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。它们磷脂成分，呼吸类型、细胞 色素c的初级结构与线粒体相似。
• ②黄素蛋白（flavoprotein）
连中提都 的心供是
• ③细胞色素（cytochrome）
辅都电蛋 基是子白
•
④铁硫蛋白（iron-sulfur
protein）
。与 蛋
的 氧
质 。
• ⑤铜原子（copper atom）
白化接 质还受
相原和
都 都具 是有 疏氧 水化 性还 分原 子作
用
电子载体
线粒体功能
线粒体中的 氧化代谢
电子传递链 和电子传递
质子转移与 质子驱动力
的形成
ATP的形成 机制—氧化
磷酸化
1、线粒体中的氧化代谢
线粒体是细胞氧化代谢的中心，是糖类、脂质和蛋白质最终氧化释能的场所。 线粒体中的三羧酸循环，简称TCA循环，是物质氧化的最终共同途径，氧化磷酸 化是生物体获得能量的主要途径。
于酵母和藓类植物。
线粒体的起源
内共生(1918 Porteir 1922 Wallin 1970 Margulis) 线粒体源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌（可能是G—细菌）；这种细菌和前真 核生物共生，在长期的共生过程中演化成了线粒体。 它像一个高效的迷你电池一样为宿主充电，促使宿主细胞向更复杂的方向进化。
• 2）在电子传递过程中，复合物I，III和IV的传氢体起质子泵 的作用，将H+从线粒体内膜基质侧定向地泵至内膜外侧空间 将电子传给其后的电子传递体。
• 3）线粒体内膜对质子具有不可自由透过的性质，泵到外侧 的H+不能自由返回。结果形成内膜内外的电化学势梯度(由 质子浓度差产生的电位梯度)。
• 4）线粒体F1-F0-ATPase复合物能利用ATP水解能量将质子 泵出内膜，但当存在足够高的跨膜质子电化学梯度时，强大 的质子流通过F1-F0-ATPase进入线粒体基质时，释放的自 由能推动ATP合成。
更多关键词 双链环状DNA mtDNA也是半保留复制 mtDNA先复制，随后线粒体分裂
线粒体的蛋白质合成
• 线粒体合成蛋白质，但种类十分有限
• 哺乳动物细胞mtDNA编码RNA和多肽 2种rRNA ，22种tRNA 和13种多肽 13种多肽：线粒体复合物Ⅰ中7个亚基， 复合物Ⅲ中1个亚基， 复合物Ⅳ中3个亚基， Fo中2个亚基
线粒体的增殖
间壁或隔膜分离 • 分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，成为只有外
膜相连的两个独立细胞器，接着线粒体完全分离，常见于鼠肝 和植物分生组织中。
收缩分离 • 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，
见于蕨类和酵母中。
出芽 • 线粒体出现球形小芽，与母体分离后长大，发育为线粒体，见
ADP磷酸化的两种类型
底物水平磷酸化
• 由相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接 转移到ADP分子上,生成ATP
氧化磷酸化
• 氧化磷酸化过程可看作电子传递过程中偶 联ADP磷酸化，生成ATP。
• 过程由两部分组成：电子传递链和和ATP合 酶
• 生物体内95%的ATP来自这种方式。
底物水平磷酸化
• 由相关的酶将底物 分子上的磷酸基团 直接转移到ADP分 子上,生成ATP
解折叠->识别->入腔->重折叠去导肽->离开伴侣
布朗棘轮模型 （mHsp70 as 转运发动机）
线粒体前体蛋白从粗面内质网转运到线粒体 内膜是由于前体蛋白的摆动性（即布朗运 动），可能会刚进入线粒体内膜即出膜，所 以有mHsp70与蛋白的N-导肽结合从而固定在 内膜的表面，mHsp70通过构想改变产生“拉 力”（高能构象----低能构想）
FMNH2
1对H+
膜间隙
1对电子
经Fe-S
细胞色素b 1个电子 1个H+ 基质
泛醌（UQ）
由内膜外侧 回到内侧
还原
半醌（UQH）
转移到内膜外侧
先后释放2个H+
1个电子
膜间隙
细胞色素c1
细胞色素c
电子
1个电子
细胞色素b
呼吸链Ⅱ——FADH2呼吸链
• 与呼吸链Ⅰ的电子传递不同，起始电子供 体是FADH2，电子通过复合物Ⅱ把电子传 给复合物Ⅲ。且不生成ATP。
• 大多数是核DNA编码，细胞质核糖体上合成，再运送进入线粒体
• 线粒体的生命活动仍然要依赖细胞核的遗传系统。
• 不同来源的线粒体基因表达产物有共性也有差异 DNA杂交技术分析，线粒体中有来自细胞核与叶绿体的DNA， 发生转移的线粒体基因，多数是编码核糖体蛋白的基因
线粒体的蛋白质运送和组装
• 核基因编码，细胞质核糖体上合成的蛋白质（成熟形式+N端前导肽） • 运送到线粒体功能部位上组装。
有４个H+从基质转移到膜间隙
电子转运复合物
复合物IV（质子泵）
• 即细胞色素c氧化酶 • 复合物IV是电子传递链的终点，氧气在此被
还原生成水。 • 每传递１对电子要从基质中摄取４个H+，
其中兩个H+用于水的形成，另２个被跨膜 转移到膜间隙
复合物Ⅰ和Ⅱ分别催化电子从两种不同的供体NADH和FADH2传递 到泛醌；复合物Ⅲ使电子从泛醌传递到细胞色素c；复合物Ⅳ将电子从 细胞色素c转移到O2，以此结束整个电子传递过程。
Hot
Shock
Protein
热休克蛋白Hsp（主要的分子伴侣）
体外Hsp70
解折叠
腔內Hsp60、mHsp70 重折叠、组装
识别蛋白质解折叠后暴露出的疏水面并与之结合
防止相互作用产生凝聚或错误折叠
MPP 线粒体加工肽酶 PEP 加工增强性蛋白
Processing Enhancing Protein
电子传递链与电子传递
• 电子传递链(electron transfer chain,ETC) ：
典型的多酶体系。在线粒体内膜上存在 传递电子的一组酶的复合体，由一系列能 可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所 组成，它们在内膜上相互关联地有序排列 成传递链。还伴随着营养物质的氧化放能。 称为电子传递链或呼吸链。
电子载体
• 细胞色素 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。 血红素中的铁通过Fe3+和Fe2+两种状态
的变换,传递单个电子。
电子载体
• 铁硫蛋白 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，
称为铁硫中心。最常见的是在蛋白质的中 央含有2个铁原子和2个硫原子或含有4个铁 和4个硫，分别称为[2Fe-2S]和[4Fe-4S]。 也是靠Fe3+和Fe2+两种状态的转换传递电子。
线粒体
一、形态与分布
线粒体是一个动态细胞器，具有多形性、易变性、运动性和适应性。形态、大小、数 量分布在不同细胞中变动很大，即使在同一细胞，随着代谢条件不同也会不同。多为 线状和粒状，直径0.5~1.0μm,长1.5~3.0μm。
二、结构和化学组成
外膜
含有孔蛋白 通透性高 标志酶：单胺氧化酶
膜间隙 充满无定形液体，与环境溶胶相似
• 泛醌 简称为Q，是一种脂溶性的，带有一条
长的类异戊二烯侧链的苯醌。 在双电子供体和单电子受体之间的接合
处扩散； 体积小，疏水，可以在线粒体内膜的脂
双分子层中自由扩散。
电子载体
• 黄素蛋白 由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸或黄
素腺嘌呤二核苷酸紧密结合组成的结合蛋 白。
它的辅基都是核黄素（维生素B2）的 衍生物，每个辅基可接受和提供2个质子和 2个电子。主要的黄素蛋白有NADH脱氢酶 和三磷酸循环中的琥珀酸脱氢酶。
关键词
• N端前导肽 • GIP蛋白（受体） • 膜电位启动 • 解折叠、重折叠 • 热休克蛋白（Hsp70、mHsp70、Hsp60) • MPP-PEP（切去N端前导肽） • 消耗能量 • 布朗棘轮模型
N端前导肽（一切为了进入线粒体）
• 含带丰富正电荷的aa ，便于和带负电荷的线粒体结合 • 羟基aa含量高 ，丝氨酸 • 几乎不含带负电的酸性aa • 可形成既亲水又疏水的α螺旋，有利于穿过双层膜 • 对被运送蛋白质无特异性要求
标志酶：腺苷酸激酶，催化ATP分子末端磷酸基团转移到AMP生成ADP
内膜
通透性低：有很高的蛋白质/脂质比，缺乏胆固醇，富含心磷酸 向基质内折叠成嵴：大大增加表面积，嵴上有线粒体基粒（F1） 标志酶：细胞色素氧化酶
基质
含有线粒体的遗传系统，包括DNA、RNA、核糖体和转录翻译信息所需装置 标志酶：苹果酸脱氢酶
• 电子传递：
电子通过呼吸链的流动，称为电子传递。
电子传递
电子载体
电子载体排列顺序
电子转运复合物
电子载体
• 概念：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化合物称为电子 载体。
电子载体
• 参与电子传递链的电子载体有5种：
• ①泛醌（ubiquinone,UQ）
或辅酶Q(coenzyme)
电子转运复合物
复合物II
• 即琥珀酸-辅酶Q还原酶 • 琥珀酸脱氢酶有两种，一种是以泛醌作为
受体的，另一种是作用于所有受体。 • 催化从琥珀酸来的１对低能电子经FAD和
Fe-S傳递给泛醌，使FADH2上的电子通过 还原泛醌进入呼吸链中。
电子转运复合物
复合物III（质子泵）
• 即细胞色素c • 催化电子从泛醌传给细胞色素c • 每１对电子穿过该复合物到达细胞色素c时