线粒体与氧化磷酸化细胞生物学韩贻仁版

第十章线粒体与氧化磷酸化

*能量转换细胞器—ATP*半自主性细胞器—DNA对线粒体认识过程：1857年Kollicker首次观察：昆虫横纹肌1888年Kollicker首次分离1890年Petzius命名：肌粒(sarcosome）1890年Altman命名：细胞质活粒（bioblast）1897年Benda命名：线粒体（mitochondrion）

1900年L.Michaelis用JanusGreenB对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。1943-1950年发现三羧酸循环，脂肪酸氧化为CO2，氧化磷酸化发生在线粒体内。50年代，G.Palade,K.Porter用电镜观察并定义了线粒体的内部结构，至此便有可能将线粒体的生理活动和生化变化同线粒体的结构联系起来。G.Palade对线粒体功能认识过程：目录第一节线粒体的形态、大小与分布第二节线粒体的超微结构第三节线粒体的化学组成与酶的定位第四节线粒体的功能与氧化磷酸化第五节线粒体的半自主性第六节线粒体的发生重点:

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、大小和分布形态：一般呈粒状、线状或杆状，因生物种类和生理状态而异。大小：直径0.5～1μm，长2～8μm。数目：一般数百到数千个。分布：常集中在细胞功能旺盛区域，可向功能旺盛的区域迁移。分布于迁移往往与微管有关，常与微管的分布相对应精子尾巴横纹肌线粒体

哺乳类培养细胞的线粒体光镜照片用活性荧光染料rhodamine123染色，示线粒体长棒状。上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与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列

第二节线粒体的超微结构基本结构：两层单位膜围成的封闭囊包括：线粒体外膜、线粒体内膜、膜间隙、线粒体基质一、线粒体外膜厚约6nm膜上有小孔孔蛋白（porin）通透性高通过分子允许分子量5000以下的小分子通过，ATP、NAD（分子量小于1000）均可通过

二线粒体的内膜比外膜略厚，6-8nm内膜通透性低（内膜缺胆固醇，富含心磷脂）

分子量大于150的物质不能通过内膜向内腔折叠形成嵴

嵴大大增加了内膜表面积，代谢越活越嵴越多嵴上有球状颗粒—ATP合成酶

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ATP合成酶的结构F1

:

5种亚基比例3:3:1:1:1F0

:

1a：2b：12c

头部（F1或F1因子）基粒——柄部基部（F0因子）F1—柄—F0

总称

呼吸集合体

ATP合成酶

ATP酶复合物（1）头部（F1）*具有ATP酶活性分子组成：3α、3β、γδε九条肽链ATP酶活性可被寡酶素抑制F1抑制蛋白，抑制ATP酶水解ATP

（2）柄部：连接作用，无酶活性使F1对寡酶素敏感—寡酶素敏感授予蛋白（简称OSCP）（3）膜部（膜部、F0）

：F0因子，多条多肽链。F0因子的功能和传递质子有关，是质子载体，可专一性地传递质子。ATP合成酶具有双向功能：

有质子流时合成ATP，无质子流时分解ATP，将质子泵到膜间腔中

ATP合成酶（ATP

synthetase）也称FoF1-ATP酶：

线粒体内膜内表面上的结构,由头部(F1)、膜部(Fo)组成。是将电子传递链传递电子过程释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的重要部位。三、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——蛋白质运输通道含大量与氧化磷酸化有关的酶、底物四、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+脂类内膜头部第三节线粒体的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—分离外膜去垢剂外膜*毛地黄苷——

内膜和基质（线粒体质体）*Lubrol——内膜与基质分开二、线粒体的化学组成蛋白质（各种酶）：含量：65%-70%包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白脂类（磷脂等）：含量：25%~30%核酸：DNA、RNA内膜

蛋白质：脂类=4：1外膜

蛋白质：脂类=1：1三、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%

内膜：呼吸链氧化磷酸化基质:柠檬酸循环酶类脂肪酸氧化酶类蛋白质合成酶类

线粒体主要酶的分布

各大组成部分有标志酶: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:苹果酸还原酶第四节线粒体的功能与氧化磷酸化能量转换：将食物的化学能转变成细胞直接利用的ATP形式Ca++储存参与细胞凋亡的调控起始凋亡的主开关内膜：线粒体通透性转变孔（mtPTP）膜间隙：死亡促进因子细胞色素c凋亡诱导因子（AIF）切冬酶（caspase）本节主要内容：生物氧化的分区与定位电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础氧化磷酸化的偶联机制ATP的合成与穿膜机制线粒体与疾病（一）氧化磷酸化的过程（或分区）

蛋白、糖、脂丙酮酸三羧酸循环NADH呼吸链第一阶段（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。

超声波段内外膜均破内膜自然形成内翻外小泡

亚线粒体小泡

蛋白酶处理

亚线粒体小泡调节条件基本颗粒(耦联因子F）Mt电子传递+氧化磷酸化电子传递电子传递+氧化磷酸化实验结论：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）来承担。

电子传递链（electrontransportchain）

：

按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢和递电子的酶体系称电子传递链。由于电子传递链以氧作电子接受体，与细胞摄取氧有关，又称呼吸链。（一）电子传递链（呼吸链）电子传递链又称呼吸链，其组成为：NADH脱氢酶或琥珀酸脱氢酶

铁硫蛋白（FeS）辅酶Q（CoQ）细胞色素b、c1、c、a、a3（NADH:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,NAD+）总的分为四类：黄素蛋白电子传递链中NADH脱氢酶TCA循环中的琥珀酸脱氢酶

一条多肽+1个辅基（FAD

orFMN）FAD—黄素腺苷二核苷酸、

FMN—黄素单核苷酸铁硫蛋白辅酶Q细胞色素四类均为电子载体黄素蛋白和辅酶Q为氢载体

FMN——FMNH——FMNH2CoQ——泛醌、氧化型醌QH——半醌醌循环QH2——全醌、还原型醌

复合物Ⅰ即NADH脱氢酶，含FMN和6个铁硫蛋白，传递电子：NADH→辅酶Q，同时将4个质子转移至膜间隙。复合物Ⅱ即琥珀酸脱氢酶，含FAD和2个铁硫蛋白，传递电子从琥珀酸至辅酶Q。

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4个质子转移至膜间隙。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2个质子至膜间隙。

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NADH和FADH2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

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：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。电子传递链（呼吸链）三、氧化磷酸化与电子传递的偶联*NADH释放能量O2*ADP+磷酸(Pi)利用能量ATP偶联的三个部位：

(1)NADHCoQ(2)CytbCytc形成3个ATP分子

(3)Cytaa3O2NADH—FMN—CoQ—b—c1—c—aa3—O2氧化磷酸化耦联机制：

（1）化学耦联假说（2）构象耦联假说（3）化学渗透假说

电子传递释放的能量——跨膜的氢离子浓度梯度势能——氧化磷酸化反应，合成ATP*电子传递过程*电子传递结果：

内膜外——H+高内膜内——H+低ΔΨ+ΔPH（质子动力ΔP）*外室H+ATP酶复合物基质2H+：ADPATP化学渗透假说的要点：5个要点（P304-305）①NADH提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受。②电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列。每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以H+的形式释放到内膜外，1对电子在呼吸链中3次穿膜运动，向外室排放了3对质子。③内膜对H+和OH-具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，H+在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差。④外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当H+通过F1-F0复合物进入基质时，ATP酶利用这种势能合成了ATP。⑤F1-F0复合物需要2个质子合成一个ATP分子。化学渗透假说的证据：A：随电子传递进行，外室酸性增加。（H+)B：消除[H+]差后，不能合成ATP。如何消除[H+]差？使用K+离子载体（缬氨霉素）。K+离子通过缬氨霉素到基质中，使基质中的[K+]升高，消除了内膜两边的电荷差，结果不能合成ATP。C：盐细菌的视紫质（H+泵）和F1-F0因子同时组装到脂质体中，能合成ATP。四、ATP的合成和穿膜机制P.Boyer——构象变化假说F1因子——两个催化部位两催化部位交替结合和释放

ADP+Pi和ATP*ADP+Pi由线粒体内膜转一性运输蛋白从细胞质运到线粒体r轴旋转引起F1的β亚基发生构象变化(120度）β－O(open)β