线粒体与过氧化物酶体

线粒体与过氧化物酶体

Mitochondrion&Peroxisom细胞的生存需要两个基本的要素∶构成细胞结构的化学元件和能量。生物从食物中获取能量，根据对氧的需要情况分为两种类型∶厌氧的，即不需要氧；好氧的，即需要氧的参与。在真核生物中，需氧的能量转化过程与线粒体有关，并且伴随着一系列的化学反应；而在原核生物中，能量转化与细胞质膜相关。

线粒体(mitochondrion)是1850年发现的一种细胞器，1898年命名。是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所(图)。过氧化物酶体是细胞内另一个需要氧的细胞器，不过过氧化物酶体需要氧不是用于ATP的合成而是用于有毒物质的氧化，对线粒体具有氧调节作用。线粒体结构及功能示意图7.1线粒体的形态结构

7.1.1线粒体的发现与功能研究●1850年，德国生物学家RudolphKölliker第一个发现线粒体，并推测∶这种颗粒是由半透性的膜包被的。●

1898年对线粒体进行命名。●1900年，LeonorMichaelis用染料Janusgreen对肝细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。1948

Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的。7.1.2形态、结构线粒体形态分布粒状或杆状。蛋白占干重的65-70%，脂类占25-30%。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。肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。管状嵴线粒体●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。●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

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细胞中线粒体分支交织连接而成的网状二维结构7.2线粒体的结构与化学组成

7.2.1线粒体的结构由彼此平行和高度特化的内、外两层膜包围，都是典型的单位膜。外膜起界膜作用，内膜向内皱折形成嵴(cristae)，嵴上有一些颗粒朝向线粒体基质，称为F1颗粒(F1particle)，似把手状。外膜和内膜将线粒体分成两个不同的区室:一个是膜间间隙，是两个膜之间的空隙;另一个是线粒体基质(matrix)，它是由内膜包裹的空间线粒体结构模式图7.2.2线粒体膜通透性线粒体的膜具有半透性■线粒体通透性研究将线粒体放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50mM，比环境中蔗糖的浓度低。据此推测:线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的。线粒体通透性测定左:将线粒体置于含有100mM的蔗糖溶液中;中:蔗糖穿过线粒体外膜，达到平衡;右:将线粒体从蔗糖溶液中取出，测定线粒体中蔗糖的浓度。■线粒体各组分的分离由于线粒体外膜的通透性比内膜高，利用这一性质，DonalParsons

和他的同事最先建立了分离线粒体内膜、外膜及其他组分的方法线粒体组分的分离首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。7.2.3线粒体各部分的化学组成和特性■线粒体的化学组成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%。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%。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。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)。■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(见下表)。

外膜膜间隙内膜基质细胞色素b5腺苷酸激酶NADH脱氢酶丙酮酸脱氢酶NADH-细胞色素还原酶核苷琥珀酸脱氢酶

细胞色素氧化酶脂肪酸β氧化酶

Krebs循环酶系单胺氧化酶二磷酸激酶细胞色素CDNA聚合酶脂酰辅酶A合酶

磷酸甘油酰基转移酶

核苷二磷酸激酶单磷酸激酶ATP合成酶

(F0F1

复合物)

运输蛋白RNA聚合酶

核糖体

转移RNAs

孔蛋白

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.9

心磷脂/磷脂=0.03

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.3

心磷脂/磷脂=0.22

醌●功能由于线粒体各部分结构的化学组成和性质的不同，它们的功能各异部位功能外膜磷脂的合成;脂肪酸链去饱和;脂肪酸链延伸内膜电子传递，氧化磷酸化，代谢物质运输膜间隙核苷的磷酸化基质丙酮酸氧化，TCA循环，脂肪的β氧化，DNA复制，RNA合成，蛋白质合成●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●外膜线粒体外膜是最外的一层全封闭的单位膜结构，是线粒体的界膜，厚6～7nm,平整光滑。外膜含有孔蛋白,所以外膜的通透性非常高,使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化酶(monoamineoxidase),这种酶能够终止胺神经递质,如降肾上腺素和多巴胺的作用。●内膜位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜结构，厚5～6nm。内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴(cristae)，其上有ATP合酶(ATPsynthase)，又叫F0-F1ATP酶复合体，是一个多组分的复合物。●膜间隙线粒体内膜和外膜之间的间隙称为膜间隙，宽6～8nm，由于外膜通透性很强，而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学成分很多，几乎接近胞质溶胶。功能是建立和维持氢质子梯度。●线粒体基质内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之中；此外还含有DNA、tRNAs、rRNA、以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。线粒体外膜的通透性差,又没有电子传递装置,所以没有什么作用,此说正确吗?不正确。虽然外膜中外膜含有孔蛋白,最大可允许5,000道尔顿的分子通过,由于ATP、NAD、辅酶A等的相对分子质量都小于1,000道尔顿,因此这些分子都能自由通过外膜。所以外膜的通透性非常高,使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。但是它有两个重要的作用:一是建立了膜间隙,有利于建立电化学梯度；第二是外膜含有一些特殊的酶类，如参与色氨酸降解、脂肪酸链延伸的酶,表明外膜不仅参与膜磷脂的合成，同时对那些将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解。外膜上含有单胺氧化酶(monoamineoxidase),该酶是外膜的标志酶,这种酶能够终止胺神经递质,如降肾上腺素和多巴胺的作用。7.2.4线粒体内膜的主动运输系统由于线粒体对于大多数亲水物质的透性极低，所以它须特殊的主动运输系统，完成下列运输作用:①糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；②线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质;③线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。■丙酮酸、脂肪酸、Pi等的运输在线粒体内膜上具有完善的运输系统,主要是运输蛋白和一些起促进运输作用的脂类(如心磷脂)。运输系统也包括参与电子传递和氢质子传递的复合物,内膜上有运输丙酮酸、脂肪酸和特殊氨基酸的运输蛋白,其中某些运输蛋白(包括同向和逆向)的运输作用是靠质子梯度驱动的线粒体内膜中的运输系统■线粒体对细胞内Ca2+的调节线粒体、内质网和细胞外基质都是Ca2+的储藏地，在内质网、肌质网和细胞质膜上都有Ca2+泵的存在。线粒体内膜上有两种类型的Ca2+运输系统，能够将Ca2+输入到线粒体基质中，或将Ca2+从线粒体基质运输到膜间隙线粒体的两种Ca2+离子运输系统系统1是由膜动力势引起的Ca2+离子流向线粒体基质;系统2是通过与Na+离子的交换将Ca2+离子输出到胞质溶胶

7.3导向信号与线粒体蛋白定位线粒体中的蛋白质绝大多数都是核基因编码，在细胞质的游离核糖体上合成后运输到线粒体的线粒体定位

蛋白质线粒体基质F1ATPase:α亚基(植物除外)、β，γ亚基、δ亚基(某些真菌)

RNA聚合酶、DNA聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸合成酶、TCA酶系、乙醇脱氢酶(酵母)、鸟氨酸氨基转移酶(哺乳动物)内膜DP-ATP逆向运输蛋白、磷酸-OH-逆向运输蛋白、细胞色素c氧化酶亚基4，5，6，7、F0

ATPase的蛋白质、CoQH2-细胞色素c还原酶复合物亚基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜间隙细胞色素c、细胞色素c过氧化物酶、细胞色素b2、CoQH2-细胞色素c还原酶复合物亚基4(细胞色素c1)外膜线粒体孔蛋白7.3.1蛋白质寻靶和蛋白质分选■蛋白质的两种转运方式

细胞质中的核糖体在合成蛋白质时有两种可能的存在状态，一种是在蛋白质合成的全过程一直保持游离状态（实际上是与细胞骨架结合在一起的），这种核糖体称为游离核糖体(freeribosomes)。另一种情况是核糖体在合成蛋白质的初始阶段处于自由状态，但是随着肽链的合成，核糖体被引导到内质网上与内质网结合在一起，这种核糖体称为膜结合核糖体(membrane-boundribosomes)。这两种核糖体上合成的蛋白质不仅在细胞内的去向不同，它们的转运方式也是不同的。●翻译后转运(translocation)与蛋白质寻靶游离核糖体上合成的蛋白质释放到胞质溶胶后被运送到不同的部位，即先合成，后运输。由于在游离核糖体上合成的蛋白质在合成释放之后需要自己寻找目的地，因此又称为蛋白质寻靶蛋白质翻译后转运定位在线粒体、叶绿体、细胞核、细胞质、过氧化物酶体的蛋白质在游离核糖体上合成后释放到胞质溶胶中，进入细胞核的蛋白质通过核孔运输，与定位到其他翻译后转运的细胞器蛋白的运输机制不同。●共翻译转运与蛋白质分选膜结合核糖体上合成的蛋白质通过定位信号，一边翻译，一边进入内质网，由于这种转运定位是在蛋白质翻译的同时进行的，故称为共翻译转运。在膜结合核糖体上合成的蛋白质通过信号肽，经过连续的膜系统转运分选才能到达最终的目的地，这一过程又称为蛋白质分选。

蛋白质的共翻译转运膜结合核糖体合成的蛋白质经内质网、高尔基体进行转运，运输的目的地包括内质网、高尔基体、溶酶体、细胞质膜、细胞外基质等。■导向序列(targeting)与信号序列●导向序列将游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号称为导向信号(targetingsignal)，或导向序列(targetingsequence)，由于这一段序列是氨基酸组成的肽，所以又称为转运肽(transitpeptide)，或导肽(leadingpeptide)。●信号序列将膜结合核糖体上合成的蛋白质的N-端的序列称为信号序列(signalsequence)，将组成该序列的肽称为信号肽（signalpeptide)。在不需要特别区分时，可将它们统称为信号序列或信号肽。比较引导序列与信号序列有什么不同?无论是在游离核糖体合成的蛋白质还是在膜结合核糖体合成的蛋白质，它们的转运都是由信号引导的，这种信号一般存在于蛋白质的N-端，这就是蛋白质的定位信号。由于游离核糖体合成的蛋白质与膜结合核糖体合成的蛋白质的运输信号不同导致运输机制的不同，为了便于区别它们，将游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号统称为导向信号(targetingsignal)，或导向序列(targetingsequence)，由于这一段序列是氨基酸组成的肽，所以又称为转运肽(transitpeptide)，或导肽(leadingpeptide)。将膜结合核糖体上合成的蛋白质的N-端的序列称为信号序列(signalsequence)，将组成该序列的肽称为信号肽（signalpeptide)。在不需要特别区分时，可将它们统称为信号序列或信号肽。虽然转运到细胞核中的蛋白质也是在游离核糖体上合成的，由于此类蛋白的运输机制特别，所以将这些蛋白中的定位引导序列称为核定位信号(nuclearlocalizationsignal，NLS)。

7.3.2线粒体蛋白转运构成线粒体的蛋白主要是核基因编码的,少量是线粒体基因编码的,无论是核基因还是线粒体基因编码的蛋白质都要转运定位。线粒体有四个组成部分,其中有两层膜,所以由细胞质核糖体合成的蛋白质转运到线粒体基质必须穿过两层膜障碍线粒体蛋白转运的部位■线粒体基质蛋白(matrixprotein)转运线粒体基质蛋白，除极少数外，都是游离核糖体合成，并通过转运肽转运进来的，转运过程十分复杂蛋白质输入线粒体基质■线粒体膜间隙蛋白的转运线粒体膜间隙蛋白，如细胞色素c的定位需要两个导向序列，位于N端最前面的为基质导向序列(matrix-targetingsequence)，其后还有第二个导向序列，即膜间隙导向序列(intermembrane-space-targetingsequence)，功能是将蛋白质定位于内膜或膜间隙，这类蛋白有两种转运定位方式。●保守性寻靶(conservativetargeting)

前体蛋白在N-端的基质导向序列引导下采用与线粒体基质蛋白同样的运输方式，将前体蛋白转运到线粒体基质，在基质中由转肽酶切除基质导向序列后，膜间隙导向序列就成了N端的导向序列，它能够识别内膜的受体和转运通道蛋白，引导蛋白质穿过内膜，进入线粒体膜间隙，然后由线粒体膜间隙中的转肽酶将膜间隙导向序列切除线粒体内膜蛋白的保守性寻靶●非保守性寻靶(nonconservativetargeting)与保守性寻靶不同,蛋白质的非保守性寻靶首先在线粒体基质导向序列的引导下,通过线粒体的外膜和内膜,但是疏水的膜间隙导向序列作为停止转运序列(stop-transfersequence)锚定在内膜上,从而阻止了蛋白质的C-末端穿过内膜进入线粒体基质；然后通过蛋白质的扩散作用,锚定在内膜上的蛋白逐渐离开转运通道,最后在转肽酶的作用下,将膜间隙导向序列切除,蛋白质释放到膜间隙,结合血红素后,蛋白质折叠成正确的构型线粒体膜间隙蛋白的非保守性寻靶■线粒体内膜和外膜蛋白的转运图显示线粒体内膜蛋白的N-端只有一个基质导向序列，内膜蛋白在基质导向序列的引导下，按基质蛋白的转运方式进入线粒体基质后，由转肽酶切除导向序列，然后通过构型的变化或与别的蛋白结合形成复合物后再插入到内膜中，详细机理尚不清楚。P70是线粒体外膜的一个重要的蛋白质。在P70的N-端有一个短的基质导向序列,紧随其后是一段较长的、强疏水性氨基酸序列。实验中,如果将疏水性氨基酸序列缺失,P70进入线粒体基质,并且其基质导向序列依然连接在一起。这一结果提示,长的疏水性氨基酸序列可作为停止转运信号,既防止了外膜蛋白进入线粒体基质,又作为锚定序列将外膜蛋白锚定在外膜上。正常情况下,外膜蛋白N-端的基质导向序列和长的疏水性序列都不会被切除。线粒体内膜、外膜的导向序列7.3.3线粒体蛋白转运的实验研究上面所讨论的线粒体蛋白的转运方式已得到许多实验的支持。■线粒体蛋白转运的实验证明通过脉冲示踪研究发现酵母线粒体蛋白合成之后存在于胞质溶胶中,后来逐渐进入线粒体各部位,通过无细胞系统进一步证明这一结果。■转运中间体与导向序列的特异性研究在线粒体蛋白转运中一个很重要的中间过程是基质导向序列穿过内外膜，如果能够证明线粒体基质蛋白正在穿过内外膜通道形成的中间体的存在则是对上述转运机制的最有力的证明。另外，线粒体导向序列对所引导的蛋白质是否具特异性也是人们所关心的问题。科学家通过实验证明了中间体的存在,同时也证明了导肽没有特异性。7.4线粒体的功能----氧化磷酸化作用线粒体是真核生物氧化代谢的部位，是糖、脂肪和氨基酸最终氧化放能的场所。最终氧化的共同途径是三羧酸循环和呼吸链的氧化磷酸化。7.4.1真核细胞中的氧化作用(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源，细胞通过对葡萄糖的代谢获取能量。葡萄糖进入细胞后先在细胞质中通过酵解作用生成丙酮酸，如果有氧存在时，丙酮酸进入线粒体基质经过三羧酸循环、电子传递和氧化磷酸化，最后生成ATP和水。如果没有氧，丙酮酸经过发酵生成乳酸。真核细胞中碳水化合物代谢俯瞰7.4.2呼吸链与电子传递■电子载体(electroncarriers)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。参与传递的电子载体有四种∶黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q，在这四类电子载体中，除了辅酶Q以外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基。●黄素蛋白(flavoproteins)

黄素蛋白是由一条多肽结合1个辅基组成的酶类，每个辅基能够接受和提供两个质子和电子。●细胞色素(cytochromes)

细胞色素是含有血红素辅基的一类蛋白质。在氧化还原过程中，血红素基团的铁原子可以传递单个的电子。血红素中的铁通过Fe3+和Fe2+两种状态的变化传递电子；在还原反应时，铁原子由Fe3+状态转变成Fe2+状态；在氧化反应中，铁由Fe2+转变成Fe3+。●铁硫蛋白(iron-sulfurproteins，Fe/Sprotein)

铁硫蛋白是含铁的蛋白质，也是细胞色素类蛋白。在铁硫蛋白分子的中央结合的不是血红素而是铁和硫，称为铁-硫中心(iron-sulfurcenters，醌(uniquinoneUQ)或辅酶Q(coenzymeQ)

辅酶Q是一种脂溶性的分子，含有长长的疏水链，由五碳类戊二醇构成。如同黄素蛋白，每一个醌能够接受和提供两个电子和质子，部分还原的称为半醌，完全还原的称为全醌(UQH2)。■氧化还原电位与载体排列顺序●氧还电位(oxidation-reductionpotentials，redoxpotentials)不同的还原剂具有不同的电子传递电位，而氧化与还原又是偶联的，如NAD+和NADH.它们的差别主要是电子数量不同，所以二者间就有一个电位差，即氧还电位。●呼吸链中电子载体的氧还电位氧还电位在标准条件下测定,即得标准氧化还原电位(standardoxidationreductionpotentials,E0‘)。●呼吸链中电子载体的排列顺序标准氧化还原电位的值越小，提供电子的能力越强。因此只要分别测定电子载体的氧化还原电位，再进行比较，可初步推断它们在呼吸链中的排列顺序。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

线粒体内膜主次呼吸链■递氢体与电化学梯度的建立●递氢体组成呼吸链的成员中除了电子载体外,有些还具有将氢质子跨膜传递到膜间隙的作用,将能够传递氢质子的复合物称为递氢体,或称递质子体。在呼吸链的四个复合物中,复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ既是电子载体,又是递氢体;复合物Ⅱ只是电子载体,而不是递氢体。●电化学梯度(electrochemicalgradient)质子跨膜转运使得膜间隙积累了大量的质子，建立了质子梯度。由于膜间隙质子梯度的建立，使内膜两侧发生两个显著的变化∶线粒体膜间隙产生大量的正电荷，而线粒体基质产生大量的负电荷，使内膜两侧形成电位差；第二是两侧氢离子浓度的不同因而产生pH梯度(ΔpH)，这两种梯度合称为电化学梯度(electrochemicalgradient)。

7.4.3氧化磷酸化:ATP形成机制氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。■偶联因子1(couplingfactor1)的发现及功能●发现:

在20世纪70年代初，Humberto-FernandezMoran用负染技术检查分离的线粒体时发现:线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连。几年后，Efraim

Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子1，简称F1。●功能预测Racker发现这种颗粒很像水解ATP的酶，即ATPase，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理解线粒体内膜上需要ATP水解酶,如果将ATP的水解看成是ATP合成的相反过程,F1球形颗粒的功能就显而易见了:它含有ATP合成的功能位点,即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何种功能,视反应条件而定。■ATP合酶(ATPsynthase)的结构和功能●电镜下的结构从电镜照片看，线粒体内膜内侧的F1颗粒结构可分为两个基本部分:F1(头部，headsection)、F0(基部，basesection)，在F1和F0之间有一个细细的柄部(stalksection)。●组成F1颗粒是一个多组分的结构，将它称为F0F1ATP酶复合物，或ATP合酶，在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在结合状态下具有ATP合成酶的活性。除了线粒体中有ATP合酶外，植物叶绿体的类囊体和好氧细菌都有ATP合酶的同源物，线粒体ATP合酶有F0和F1两部分组成，主要功能是进行ATP的合成。也有学者将它看成是线粒体内膜呼吸链的第五个复合物(Ⅴ)。

■ATP合酶合成ATP的机理●结合变构模型(binding-changemodel)ATP合酶合成ATP的分子机理的研究一直是研究的热点，为多数人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“结合变构模型”。该模型认为F1中的γ亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆，旋转时会引起αβ复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具有不同的结合能力:①O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合;②L型同ADP和Pi的结合较强;③T型与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合。当γ亚基旋转并将αβ复合物转变成O型则会释放ATP。●定子（stator）和转子（rotor）Timothy等人提出了一个ATP合酶中能量转化过程的模型，该模型认为由abα3β3δ组成了“定子（stator）”，cγε则形成“转子（rotor）”。当H+质子穿过a和c之间的通道时产生了力矩，从而推动了转子与定子间的相对转动，这样在F1中合成了ATP。●γ亚基旋转的离体培养证明目前已经可以在光学显微镜下观察到F1中γ亚基的旋转运动，但现在还没有直接的证据显示在F0中有某些亚基作旋转运动。F1和γ旋转的实验证明实验中对F1进行人工改造，使之带上组氨酸(每个亚基一个)，由于组氨酸能够同覆盖有金属还原剂(Ni)的玻片结合，因此可使F1固定到这种玻片上。通过人工的方法将γ结合上一条荧光标记的肌动蛋白纤维，然后在供给ATP的情况下用荧光显微镜观察γ亚基的转动。7.5线粒体的遗传、增殖和起源7.5.1线粒体遗传线粒体是一种半自主性的细胞器，它除了有自己的遗传物质--线粒体DNA外，还有蛋白质合成系统(mRNA、rRNA、tRNA)和线粒体核糖体等。线粒体中的蛋白质只有少数几种是线粒体基因编码的，大多数线粒体蛋白质还是由核基因编码。所以线粒体的生物合成涉及两个彼此分开的遗传系统。■线粒体的基因组线粒体DNA(mtDNA)是双链环状分子，基因组的大小变化很大，动物细胞线粒体基因组较小，约～16.5kb，每个细胞中有几百个线粒体，每个线粒体有多个DNA拷贝，mtDNA通常与线粒体内膜结合在一起。人的线粒体基因没有发现内含子，但在酵母线粒体至少两个基因中发现有内含子，如细胞色素氧化酶复合物亚基Ⅰ蛋白基因中就有9个内含子。■线粒体基因及线粒体DNA的复制和转录●线粒体基因在人的线粒体DNA中有两个线粒体rRNA基因:12SrRNA和16SrRNA

基因、22种线粒体合成蛋白质所需的tRNA基因和13种编码蛋白质的基因。

●mtDNA复制线粒体DNA在核基因编码的DNA聚合酶的作用下以D-环方式进行复制，这种DNA聚合酶是线粒体特异的。线粒体的复制期主要在细胞周期的S期和G2期，与细胞周期同步。●mtDNA转录线粒体DNA是对称转录的，即在线粒体DNA的H链(重链)和L链(轻链)上各有一个启动区，从各自的启动区开始全长对称转录合成前体RNA，经切割加工后履行生物学功能。■线粒体密码●特异密码：线粒体使用核基因的通用密码，但也有些例外：UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码；AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。●线粒体的蛋白质合成基本上属于原核类型,具有原核生物蛋白质合成的特点，如∶mRNA的转录和翻译是在同一时间和地点进行、蛋白质合成的起始tRNA与原核生物的相同、蛋白质合成对药物的敏感性与细菌一样。如氯霉素可抑制线粒体的蛋白质合成,而不抑制细胞质的蛋白质合成;放线菌酮可抑制细胞质蛋白质的合成而不抑制线粒体蛋白质的合成。■两套遗传体系的协同性离体实验发现两套遗传体系的遗传机制不同。如放线菌酮是细胞质蛋白质合成抑制剂，但是对细胞器蛋白质的翻译却没有作用。另外，一些抗生素，如氯霉素、四环素、红霉素等能够抑制线粒体蛋白质的合成，但对细胞质蛋白质合成没有多大影响。通过对转录的抑制研究，发现线粒体基因转录的RNA聚合酶也是特异的。线粒体蛋白的生物合成粗箭头所指是蛋白质合成抑制剂作用位点，线粒体与细胞核基因转录的抑制剂是不同的。7.5.2线粒体的增殖与起源■线粒体增殖的方式●线粒体增殖的几种假说曾提出过三种解释:①现有线粒体生长到一定的大小就要开始分裂，形成两个小的、新的线粒体;②旧的线粒体被吞噬，细胞内利用脂、蛋白、DNA等重新合成线粒体;③利用其他的膜，如质膜、核膜、内质网膜等重新装配新的线粒体。●显微镜观察的结果在显微镜下观察到生活细胞中线粒体的分裂，支持了第一种观点:线粒体通过分裂进行增殖。脂肪细胞中正在分裂的线粒体电镜照片线粒体的分裂方式：间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个。出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。●实验证明为了证明显微镜下观察到的线粒体分裂增殖的可靠性，1965年DavidLuck通过放射性标记实验，进一步支持了线粒体分裂增殖的观点。1965年DavidLuck通过放射性标记实验证明线粒体分裂增殖的观点。首先将脉胞菌(胆碱缺陷突变株)培养在加有3H标记的胆碱(一种磷脂的前体物)培养基中,使线粒体的膜带上放射性标记。然后收集放射性标记的细胞,转入非同位素的培养基中继续培养,分别在不同培养时间收集菌体,再通过放射自显影检查经过不同时期培养的细胞中同位素的分布。并预测同位素的分布应是下述三种模式中的一种:①如果新的线粒体是由已有线粒体的生长和分裂而来,那么每分裂一次,线粒体中的放射性就会减少一半；②如果新的线粒体是重新合成的,那么,新线粒体应该没有放射性,而老的线粒体的放射性应与原初的线粒体相同；③如果新线粒体是由其他的膜重新装配而来,那么原有的线粒体仍然保持原有的放射性,而新的线粒体在开始阶段应具有放射性,随着时间的延长,放射性会消失。结果发现，随分裂次数的增加,放射性的线粒体数量增多,放射性均匀分布到新的线粒体中,并逐渐减弱,若是重新合成,那么就应发现有未标记的线粒体。但实际上从未测到过。实验结果证明线粒体是通过分裂增殖的。■线粒体起源关于线粒体的起源有两种假说:内共生学说和非内共生学说。●内共生学说endosymbionthypothesis)认为线粒体来源于细菌，即细菌被真核生物吞噬后，在长期的共生过程中，通过演变，形成了线粒体。线粒体的进化途径●非内共生学说

又称细胞内分化学说。认为线粒体的发生是质膜内陷的结果。2137.6过氧化物酶体(peroxisome)1954年，在电子显微镜下检查肾小管时发现一种膜结合的颗粒，直径约为0.5～1.0μm。由于不知道这种颗粒的功能，将它称为微体(microbody)，并有两种主要类型∶过氧化物酶体和乙醛酸循环体(glyoxysomes)，后者只在植物中发现。7.6.1过氧化物酶体的发现及所含酶类■过氧化物酶体的发现●离心分离实验deDuve和他的同事通过梯度离心分离到溶酶体之后发现至少有一种酶与溶酶体酶的性质不同:尿酸氧化酶不是酸性水解酶，但离心时总是与酸性水解酶在一起，只是沉降行为稍有不同。通过蔗糖密度梯度离心，发现尿酸氧化酶、线粒体和溶酶体存在的密度区分别是1.25g/cm3，1.19g/cm3和1.20g/cm3～1.24g/cm3，由于密度差异太小，而溶酶体自身的密度范围又很宽。然后，设计实验：用去垢剂TritonWR1339注射小鼠，这种去垢剂在细胞内主要积累在溶酶体中，并使溶酶体的浮力密度降低到1.1-1.14g/cm3，这样就可以将尿酸氧化酶与溶酶体和线粒体分开。●酸性磷酸酶和过氧化氢酶的释放实验用去垢剂(毛地黄皂