线粒体与氧化磷酸化

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。
细胞用荧光素标记的微 管结合抗体染色的免疫 荧光照片
线粒体倾向于沿着微管排列
二、 线粒体的超微结构
电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构。
包括：
线粒体外膜、 线粒体内膜、 膜间隙、 线粒体基质


同心圆：SP2/0-Ag14骨髓瘤细胞
嵴表面— 基本颗粒（简称基粒）
线粒体内膜上有球状颗粒—ATP合成酶 右图：牛心脏线粒体的负染电镜照片
3、外室（膜间隙）

内外膜之间——6-8nm 膜间隙与嵴内隙相通


内外膜接触处无膜间隙——蛋白质运输通道
含无定形液体，可溶性酶和底物、辅助因子等。
第十一章 线粒体与氧化磷酸化
重点: 线粒体的超微结构 线粒体的能量转换功能 线粒体的半自主性
第一节
线粒体的形态结构
一、 线粒体的形态
形态

线状、圆柱状或椭球状，向内伸出“嵴” 两栖类卵母细胞—卵黄晶体：球拍状
大小

直径0.5－1um，长度约2-8um； 胰腺外分泌细胞—巨大线粒体—10-20um
举例：肝细胞线粒体各功能区蛋白质含量依次为
基质67%，内膜21%，膜间隙6%，外膜6%

脂类占干重的25～30%。
富含心磷脂和极少胆固醇是线粒体膜与其他膜的
明显差别。
3、线粒体中各种酶的定位
线粒体中约含120多种酶。主要为: 氧化还原酶：37% 合成酶：10%
水解酶：9%
苹果酸脱氢酶
第二节 线粒体的功能与氧化磷酸化
1、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 外膜 *毛地黄苷— 内膜和基质（线粒体质体） *Lubrol— 内膜与基质分开
2、线粒体的化学组成
线粒体主要成分是：蛋白质，脂类。

蛋白质占线粒体干重的65～70%。
来承担。
（一）电子传递链（呼吸链）

黄素蛋白
NADH脱氢酶
琥珀酸脱氢酶
一条多肽+1个辅基 FMN—黄素腺苷单核苷酸
FAD—黄素腺苷二核苷酸

铁硫蛋白（FeS）：Fe2+，Fe3+之间传递电子


辅酶Q（CoQ）
细胞色素：b、c1、c、a、a3

复合物Ⅰ
即NADH脱氢酶，含FMN和6个铁硫蛋白，
传递电子：NADH 膜间隙。 复合物Ⅱ 即琥珀酸脱氢酶，含FAD和2个铁硫蛋白， 传递电子从FAD至辅酶Q。 → 辅酶Q，同时将质子转移至

NADH—FMN—CoQ—b—c1 — c—aa3 — O2 NADH和FMNH2是还原性的电子载体，它们携带 的电子经呼吸链传递给O2，在电子传递过程中， 电子携带的能量被ATP合成酶用来催化ADP磷 酸化，合成ATP
电子传递链（electron transport chain） ： 按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢和
四个功能区隔。
1、线粒体外膜

厚约6nm 膜上有小孔 孔蛋白（porin） 通透性高 通过小分子（<5000） ATP、NAD（分子量小于1000）均可通过
2、线粒体内膜

膜厚：6-8nm


通透性低,缺胆固醇，富含心磷脂
向内伸出“嵴”


板层状：高等动物细胞
管状：原生动物和大多数植物细胞
线粒体的功能：
氧化磷酸化：
糖和脂肪 丙酮酸和脂肪酸 储积Ca2+ 起始凋亡的主开关

氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：
经糖酵解和三羧酸循环产生的还原性电子载体
（NADH、FADH2）所携带的电子在呼吸链电
子传递过程中释放能量，在FoF1ATP合酶催化
下使ADP磷酸化生成ATP，这种伴随电子传递
（一）头部（F1）


具有ATP酶活性，催化ADP和Pi合成ATP。
分子组成：3α、3β、γ、δ、ε九条肽链
（二）膜部（F0） ：
4、内室（线粒体基质）

蛋白质

酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化

有形成分

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+

脂类
三、 化学组成与酶的定位

线粒体各部分的分离 线粒体的化学组成 线粒体中各种酶的定位
链的氧化过程所发生的能量转换和ATP的形成
称为氧化磷酸化。
一、 生物氧化的过程（或分区）
蛋白、糖、脂 循环 NADH 丙酮酸，脂肪酸 呼吸链 三羧酸
第一阶段（细胞质中） 第二阶段（基质中）
第三阶段（内膜 ：提供一对电子和一个H+）
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 2，4--二硝基苯酚——解偶联剂 实验证据：线粒体内膜重组实验——“亚线粒体小泡” 完整：具氧化磷酸化与电子传递作用 去掉基粒：只能电子传递，不能合成ATP
递电子的酶体系称电子传递链。
由于电子传递链以氧作为电子接受体，与
细胞摄取氧有关，又称呼吸链。
（二） 质子动力的产生

质子电化学梯度积蓄的能量总称为质子动力
内膜内外形成电势能差（膜电位）
内膜内外的pH梯度 质子动力是驱动ATP合成的能量直接来源。
第三节
ATP的合成

一、 ATP合酶的分子结构 在氧化磷酸化过程中起偶联作用的结构是 内膜上的ATP合成酶或ATP酶复合物，即 F0-F1偶联因子。


复合物 Ⅲ
即细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体 包含细胞色素b、细胞色素c1和铁硫蛋白。
催化电子从辅酶Q → 细胞色素c，同时将质子转移 至膜间隙。

复合物 Ⅳ
即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，
将电子从细胞色素c → 氧，并转移质子至膜间隙。
两条主要的呼吸链

Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成主要的呼吸链，催化NADH的 脱氢氧化 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的 脱氢氧化
结论：电子传递链—内膜上；氧化磷酸化—基本颗粒




研究工具——亚线粒体小泡。
超声波
Mt
段
内外膜均破
内膜自然形成小膜泡 亚线粒体小泡 蛋白酶处理
电子传递+氧化磷酸化
电子传递+氧化磷酸化
调节条件
亚线粒体小泡
电子传递
基本颗粒
实验结论：
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）