第六章线粒体

第六章线粒体

第一节线粒体的生物学特征 1890年，R. Altaman发现线粒体，命名为bioblast。 1898年，Benda将这种颗粒命名为mitochondrion。 1900年，L. Michaelis用Janus Green B 对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。 1904年，在植物细胞中发现了线粒体。至20世纪50年代，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。

一、线粒体的形态结构 （一）形态、数量与分布形状：线粒体一般呈粒状或杆状。大小：一般直径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。数量及分布：植物细胞少于动物细胞；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。通常结合在微管上，分布在细胞功能旺盛的区域。

（二）超微结构 线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。包括：外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙（intermembrane）和基质（matrix）四个功能区隔。

外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道，允许小分子物质自由通外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道，允许小分子物质自由通过。标志酶为单胺氧化酶。内膜：内膜内陷形成嵴（cristae）来扩大内膜表面积。嵴有两种类型，板层状和管状。心磷脂含量高，通透性很低，H+和ATP等不能自由通过，必需有载体蛋白和通透酶参与。嵴膜上有基粒，基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成。膜间隙：内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部。标志酶为腺苷酸激酶。基质：可溶性蛋白质的胶状物质。标志酶为苹果酸脱氢酶。

二、线粒体的化学组成及酶的定位 （一）化学组成： 1、蛋白质。可溶性蛋白:基质中的酶和膜的外周蛋白不溶性蛋白:膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白 2、脂质：主要是磷脂内膜蛋白含量高（多数催化反应在此发生），外膜脂质含量高。

3、辅酶 CoQ、FMN、FAD、NAD 参与电子传递 4、核外遗传信息表达体系基质：环状DNA、RNA、核糖体特有的核外遗传与蛋白质合成体系，赋予线粒体一定的自主性

（二）线粒体中酶的分布与定位 P241表6-1

三、线粒体的增殖方式 • 间壁或隔膜分离：内膜向中心内摺，或线粒体的某一个嵴对向延伸，形成腔内间隔或隔膜，将线粒体一分为二，使之成为只有外膜相连的两个独立细胞器。 • 收缩分离：线粒体中部缢缩并向两端拉长，整个线粒体呈哑铃形，最后分开成为两个独立的线粒体。 • 出芽分离：先从线粒体上出现球形小芽，然后与母体分离，小芽不断长大而形成新的线粒体。

四、线粒体的半自主性 （一）线粒体DNA与线粒体蛋白质的合成 1、线粒体DNA 动物细胞核外惟一存在的DNA，不与组蛋白结合，存在于线粒体基质中或附着于线粒体内膜，可独立进行复制、转录和翻译，具有非常活跃的自我复制能力。全部是外显子，复制时间不局限于S期，贯穿于整个细胞周期，复制周期与线粒体增殖平行。突变率比禾DNA高10倍。

2、线粒体蛋白质 • 线粒体内蛋白质合成独立进行，翻译系统的遗传密码与通用遗传密码存在部分差别。 • 线粒体核糖体蛋白质有核DNA编码。 • 线粒体DNA转录时的RNA聚合酶，复制时的DNA聚合酶由核DNA编码，并在细胞质核糖体上合成。 • 线粒体中蛋白质合成与原核生物相似：mRNA转录和翻译在时空上连续；起始tRNA与原核细胞相同；蛋白质合成系统对药物的敏感性与细菌一致。 • 20种左右的蛋白质由线粒体DNA编码，并在线粒体核糖体上完成。

3、核编码的线粒体蛋白质转运 • 线粒体蛋白质后转运：先合成蛋白质前体，再转运到线粒体中。 • 线粒体蛋白质的跨膜转运：由导肽牵引，通过内膜后，立即被线粒体基质中的导肽水解酶和导肽水解激活酶水解。 • 前体蛋白的成熟过程：分子伴侣参与下进行一个去折叠和重折叠过程

（二）线粒体的半自主性 • mtDNA的复制、转录、翻译等活动虽具有一定的自主性和独立性，但却无一不依赖于核DNA的协同作用，受核遗传系统的影响和控制。 • 线粒体合成的蛋白质约占线粒体全部蛋白质的10%，多数靠核基因编码。 • 线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，有一定的自主性和独立性，但自主性有限，绝大部分蛋白质依赖于核基因编码，转录和翻译过程依赖核基因，自我繁殖及一系列功能活动受核基因和自身基因组两套遗传系统的控制，是一个半自主性细胞器。

第二节线粒体的主要功能 • 糖、脂肪和氨基酸最终的分解氧化是在线粒体中完成，伴随物质氧化分解的能量释放与转换也在线粒体中实现。 • 线粒体是细胞有氧呼吸的场所和能量供应的基地，通过氧化磷酸化的偶联进行能量转换。氧化磷酸化分为3个步骤：TCA、电子传递和ATP合成。

一、真核细胞中的氧化作用 • 细胞呼吸即细胞氧化：指细胞物质耗氧氧化分解，最终生成二氧化碳和水并释放能量的分解代谢过程，是细胞内提供生物能源的主要途径。 • 细胞呼吸的主要特点： 1、本质上是线粒体中进行的一系列由酶催化的氧化还原反应； 2、所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中； 3、整个反应过程分步进行，能量逐步释放； 4、反应在生理条件下进行 5、反应过程需要水的参与

（一）糖酵解 1分子葡萄糖 → 2分子丙酮酸+2分子ATP+2分子NADH 细胞质中进行丙酮酸被转移到线粒体中丙酮酸 → 乙酰辅酶A+1分子NADH+1分子二氧化碳

（二）三羧酸循环 • 线粒体基质中进行两分子丙酮酸最后生成6分子NADH，2分子FADH2和2分子ATP

（三）氧化磷酸化 • 利用电子传递链，将NADH 和FADH2氧化，释放的能量转化成ATP

二、氧化磷酸化是代谢能量转换的主要环节

超声波 亚线粒体小泡或颗粒线粒体胰蛋白酶颗粒解离，只能传递电子，而不能发生磷酸化颗粒重新装配上电子传递和氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的分子结构基础电子传递的组分位于线粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化偶联的因子

1、呼吸链的结构 概念：有序排列在线粒体的内膜，能可逆的接受和释放电子或H+的酶体系称为电子传递链或呼吸链。呼吸链电子载体主要有：烟酰胺、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子。呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1，其中aa3含有铜原子。

三个铜原子：类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。 铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，QH2和自由基半醌（QH）。

电子传递链的复合物 利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。

复合物Ⅰ NADH脱氢酶，以二聚体形式存在，作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q 复合物Ⅱ 琥珀酸脱氢酶，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q。电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q

复合物Ⅲ 细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。复合物Ⅳ 细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，将细胞色素c接受的电子传给氧，每转移1对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。

两条主要的呼吸链 根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之间。部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。部位Ⅲ在细胞色素a和氧之间。

2、ATP合成酶的结构和作用机理 ATP合成酶（ATP synthetase）或F1 F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程。

结构组成 ATP合成酶是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。 ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部两部分组成。

F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，比较容易从膜上脱落。它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。 F1是由9个亚基组成的α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（一个/β亚基）。α和β单位交替排列成桔瓣状结构。γ贯穿αβ复合体，发挥转子的作用来调节三个β 亚基催化位点的开放和关闭，并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于定子）。

F0基部：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜的F0基部：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜的质子通道。

（二）氧化磷酸化的机制 （一）质子动力势对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。 “化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（proton-motive force, △P）。

作用机理 1979年代Boyer P提出构象偶联假说，其要点如下： 1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。 2．F1具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不同，与核苷酸的亲和力也不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，并形成ATP；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。 3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP 和Pi加合在一起，形成ATP。

支持构象偶联假说的实验 1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。 2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。

第六章 线粒体