《细胞生物学》-细胞7章 线粒体和叶绿体1-12

Chapter7MitochondriaandChloroplasts第一节线粒体与氧化磷酸化第二节叶绿体与光合作用第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源第一节线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的基本形态及动态特征二、线粒体的超微结构三、氧化磷酸化四、线粒体与疾病1890年R.Altaman首次发现，命名为生命小体（bioblast）；1897年vonBenda提出mitochondrion；1900年L.Michaelis(米凯利斯)用JanusGreenB(詹纳斯绿B，詹姆斯绿B）染色，发现线粒体具有氧化作用；1904年，Meves在植物细胞中发现了线粒体；Green（1948）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；Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体；Mitchell提出氧化磷酸化的化学耦连学说；1950s，电镜观察线粒体精细结构；1960s，确定线粒体内有DNA存在；1980s,“线粒体学”学科；1990s，“线粒体医学”人口腔上皮细胞的线粒体分布（10×40）洋葱内表皮细胞线粒体分布（10×40）染过色但没有染上的细胞染色的细胞未染色细胞线粒体洋葱鳞茎细胞线粒体死亡的染色细胞一、线粒体的基本形态及动态特征（一）线粒体的形态、分布及数目

外形：具有多变性，可呈线状、粒状、哑铃状、环形和圆柱形等

大小：直径为0.5～1μm，长为2～3μm

数目：动物细胞较植物细胞多，但人成熟红细胞中无线粒体；代谢旺盛的细胞中较多

分布：集中在细胞功能旺盛区域；迁移时以微管为导轨，由马达蛋白提供动力线粒体的大小和数量反映了细胞的活动对能量需求例如：骨骼肌横纹肌细胞；精子的头部和尾部；肌纤维中间夹杂的线粒体；肌纤维周围围绕着大量线粒体

（二）线粒体的融合和分裂线粒体在细胞中通过频繁分裂和融合来调控其形态和数目融合分裂小颗粒状线粒体线条状或片层状线粒体易于沿细胞骨架运动适合在特定区域静态存在不同线粒体间可通过分裂和融合来共享遗传信息洋葱表皮细胞内线粒体在1min时间内相继发生融合与分裂的偶联图Arimura等使用可变色荧光蛋白(Kaide)标记线粒体频繁的融合与分裂可能帮助线粒体共享遗传信息（三）线粒体融合和分裂的分子及细胞生物学基础线粒体融合和分裂的分子生物学基础

（1）调控线粒体融合的基因(Fzo:fuzzyonion,模糊的葱头）在酵母和哺乳动物中（线粒体融合素）普遍存在，其编码跨线粒体外膜的大分子GTPase，介导线粒体融合；

突变，导致线粒体只分裂不聚合，造成线粒体数目增加、体积减小，出现线粒体片段化现象。线粒体融合和分裂的分子生物学基础（2）调控线粒体分裂的基因在动植物中普遍存在，其编码的一类发动蛋白（dynamin）也是一类大分子GTPase，它们多以可溶性蛋白的形式存在于细胞质中。这类发动蛋白通过Mdv1这一“桥”蛋白连接到线粒体外膜蛋白Fis1上，组装成环线粒体的纤维状结构，在其他膜间隙及内膜蛋白的协同作用下，使内膜发生环形缢裂，从而使线粒体一分为二。线粒体融合和分裂的细胞生物学基础线粒体融合装置：当线粒体融合时，线粒体融合素家族的GTPase均匀分布于线粒体外膜之外，但并未观察到实际结构线粒体分裂环分为外环和内环，外环位于线粒体外膜的细胞质面，内环则位于线粒体内膜的线粒体基质内。分裂时内、外膜同时发生内陷，并在内陷处断裂。二、线粒体的超微结构结构组成及特征标志酶功能外膜平整光滑，含孔蛋白，通透性高单胺氧化酶

磷脂合成、脂肪酸链的延长和脂肪酸链的去饱和膜间隙

内、外膜间的腔隙，成分接近胞质溶胶腺苷酸激酶核苷的磷酸化内膜

不含胆固醇，流动性增强；富含心磷脂，通透性低；内折形成嵴，扩大膜面积；含转运蛋白、呼吸链、ATP合成酶细胞色素氧化酶

电子传递、氧化磷酸化、代谢物转运基质

呈凝胶态，内含多种酶、脂类和核糖体、tRNA和rRNA苹果酸脱氢酶TCA循环、脂肪酸β氧化、丙酮酸氧化、蛋白质合成、DNA复制和RNA合成

人淋巴细胞线粒体（A）、拟南芥幼叶线粒体（B）的超微结构及线粒体超微结构的模式图（C）“袋状嵴”“管状嵴”亚线粒体小泡形成（A）及

ATP合酶的分子结构模型（B）三、氧化磷酸化线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。（一）ATP合酶F1具有合成ATP酶的功能

证明F1在内膜上的功能主要看两个方面：一是有无电子传递的功能；二是是否催化ATP的合成；

ATP酶的结合变构模型和旋转催化(Boyer,1979)

L:松弛构象T:紧密构象O:开放构象旋转催化的直接证据

ATP合成酶是逆时针旋转，质子从膜间空间到基质；ATP水解酶是顺时针旋转，质子从基质到膜间空间；（二）质子驱动力线粒体产能（ATP）的原理示意图氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说提出：1961年英国生物化学家P.Mitchell主要论点：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP，电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。主要证据：电子传递形成的电子流能从线粒体内膜逐出H+；携带质子过膜的载体如2,4-二硝基苯酚可消除跨膜的质子浓度梯度差；实际测算膜间隙的pH值较线粒体基质中低1.4个单位；人工构建的含ATP合成酶和细菌视紫红质（一种光驱动的质子泵）的脂质体，在提供光、ADP、Pi和H+条件下可合成ATP支持化学渗透假说的实验证据生物氧化产生ATP统计

一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP?糖酵解：底物水平磷酸化产生4个ATP（细胞质）；己糖分子活化消耗2ATP（细胞质）；产生2NADH，经电子传递产生3或5ATP（线粒体）净积累5或7ATP;丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH（线粒体），生成5ATP；三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP；产生6NADH(线粒体)，生成15ATP；产生2FADH2(线粒体)，生成3ATP.总计:生成30或32ATP（三）电子传递链复合物Ⅰ：NADH脱氢酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白作用：使NADH脱氢变成NAD+;使四个质子通过质子泵从基质到膜间空间；复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶（是电子传递体而非质子移位体）

组成：含FAD辅基，2Fe-S中心作用：催化2低能电子

FAD

Fe-S

泛醌

(无H+泵出)复合物Ⅲ：细胞色素还原酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从UQH2

cytc；泵出4H+（2个来自UQ，2个来自基质）复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，三维构象，cyta,cyta3,Cu,Fe

作用：催化电子从cytc

分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水注：从复合物I到复合物IV一共转运10个质子（4+2+2+2）线粒体内膜电子传递复合物的排列及电子和质子传递四、线粒体