線粒體與氧化磷酸化細胞生物學韓貽仁版

第十章線粒體與氧化磷酸化

*能量轉換細胞器—ATP*半自主性細胞器—DNA對線粒體認識過程：1857年Kollicker首次觀察：昆蟲橫紋肌1888年Kollicker首次分離1890年Petzius命名：肌粒(sarcosome）1890年Altman命名：細胞質活粒（bioblast）1897年Benda命名：線粒體（mitochondrion）

1900年L.Michaelis用JanusGreenB對線粒體進行染色，發(fā)現線粒體具有氧化作用。1943-1950年發(fā)現三羧酸循環(huán)，脂肪酸氧化為CO2，氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內。50年代，G.Palade,K.Porter用電鏡觀察并定義了線粒體的內部結構，至此便有可能將線粒體的生理活動和生化變化同線粒體的結構聯系起來。G.Palade對線粒體功能認識過程：目錄第一節(jié)線粒體的形態(tài)、大小與分布第二節(jié)線粒體的超微結構第三節(jié)線粒體的化學組成與酶的定位第四節(jié)線粒體的功能與氧化磷酸化第五節(jié)線粒體的半自主性第六節(jié)線粒體的發(fā)生重點:

線粒體的超微結構線粒體的能量轉換功能線粒體的半自主性第一節(jié)線粒體的形態(tài)、大小和分布形態(tài)：一般呈粒狀、線狀或桿狀，因生物種類和生理狀態(tài)而異。大?。褐睆?.5～1μm，長2～8μm。數目：一般數百到數千個。分布：常集中在細胞功能旺盛區(qū)域，可向功能旺盛的區(qū)域遷移。分布于遷移往往與微管有關，常與微管的分布相對應精子尾巴橫紋肌線粒體

哺乳類培養(yǎng)細胞的線粒體光鏡照片用活性熒光染料rhodamine123染色，示線粒體長棒狀。上一細胞用熒光素標記的微管結合抗體染色的免疫熒光照片與上一照片相比，可知線粒體傾向于沿著微管排列

第二節(jié)線粒體的超微結構基本結構：兩層單位膜圍成的封閉囊包括：線粒體外膜、線粒體內膜、膜間隙、線粒體基質一、線粒體外膜厚約6nm膜上有小孔孔蛋白（porin）通透性高通過分子允許分子量5000以下的小分子通過，ATP、NAD（分子量小于1000）均可通過

二線粒體的內膜比外膜略厚，6-8nm內膜通透性低（內膜缺膽固醇，富含心磷脂）

分子量大于150的物質不能通過內膜向內腔折疊形成嵴

嵴大大增加了內膜表面積，代謝越活越嵴越多嵴上有球狀顆粒—ATP合成酶

線粒體內膜上有球狀顆?！狝TP合成酶右圖：牛心臟線粒體的負染電鏡照片ATP合成酶的結構F1

:

5種亞基比例3:3:1:1:1F0

:

1a：2b：12c

頭部（F1或F1因子）基?！炕浚‵0因子）F1—柄—F0

總稱

呼吸集合體

ATP合成酶

ATP酶復合物（1）頭部（F1）*具有ATP酶活性分子組成：3α、3β、γδε九條肽鏈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：連接作用，無酶活性使F1對寡酶素敏感—寡酶素敏感授予蛋白（簡稱OSCP）（3）膜部（膜部、F0）

：F0因子，多條多肽鏈。F0因子的功能和傳遞質子有關，是質子載體，可專一性地傳遞質子。ATP合成酶具有雙向功能：

有質子流時合成ATP，無質子流時分解ATP，將質子泵到膜間腔中

ATP合成酶（ATP

synthetase）也稱FoF1-ATP酶：

線粒體內膜內表面上的結構,由頭部(F1)、膜部(Fo)組成。是將電子傳遞鏈傳遞電子過程釋放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的重要部位。三、外室（膜間隙）內外膜之間——6-8nm膜間隙與嵴內隙相通內外膜接觸處無膜間隙——蛋白質運輸通道含大量與氧化磷酸化有關的酶、底物四、內室（線粒體基質）蛋白質酶：三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化有形成分絲狀物質：環(huán)狀DNA、RNA核糖體：酵母—70S；哺乳動物—55S致密顆粒狀物質：Ca2+——磷酸鈣沉淀—儲存Ca2+脂類內膜頭部第三節(jié)線粒體的化學組成與酶的定位線粒體各部分的分離線粒體的化學組成線粒體中各種酶的定位一、線粒體各部分的分離:差速離心——完整線粒體密度梯度離心——線粒體亞組分低滲處理——吸水膨脹—分離外膜去垢劑外膜*毛地黃苷——

內膜和基質（線粒體質體）*Lubrol——內膜與基質分開二、線粒體的化學組成蛋白質（各種酶）：含量：65%-70%包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白脂類（磷脂等）：含量：25%~30%核酸：DNA、RNA內膜

蛋白質：脂類=4：1外膜

蛋白質：脂類=1：1三、線粒體中各種酶的定位線粒體中約含120多種酶。主要為:氧化還原酶：37%合成酶：10%水解酶：9%

內膜：呼吸鏈氧化磷酸化基質:檸檬酸循環(huán)酶類脂肪酸氧化酶類蛋白質合成酶類

線粒體主要酶的分布

各大組成部分有標志酶:外膜:單胺氧化酶膜間隙:腺苷酸激酶內膜:細胞色素氧化酶基質:蘋果酸還原酶第四節(jié)線粒體的功能與氧化磷酸化能量轉換：將食物的化學能轉變成細胞直接利用的ATP形式Ca++儲存參與細胞凋亡的調控起始凋亡的主開關內膜：線粒體通透性轉變孔（mtPTP）膜間隙：死亡促進因子細胞色素c凋亡誘導因子（AIF）切冬酶（caspase）本節(jié)主要內容：生物氧化的分區(qū)與定位電子傳遞和氧化磷酸化的分子結構基礎氧化磷酸化的偶聯機制ATP的合成與穿膜機制線粒體與疾?。ㄒ唬┭趸姿峄倪^程（或分區(qū)）

蛋白、糖、脂丙酮酸三羧酸循環(huán)NADH呼吸鏈第一階段（細胞質中）第二階段（基質中）第三階段（內膜：提供一對電子和一個H+）

二、電子傳遞和氧化磷酸化的分子結構基礎氧化磷酸化與電子傳遞分別進行——2，4--二硝基苯酚——解偶聯劑實驗證據：線粒體內膜重組實驗——“亞線粒體小泡”完整：具氧化磷酸化與電子傳遞作用去掉基粒：只能電子傳遞，不能合成ATP結論：電子傳遞鏈—內膜上；氧化磷酸化—基本顆粒研究工具——亞線粒體小泡。

超聲波段內外膜均破內膜自然形成內翻外小泡

亞線粒體小泡

蛋白酶處理

亞線粒體小泡調節(jié)條件基本顆粒(耦聯因子F）Mt電子傳遞+氧化磷酸化電子傳遞電子傳遞+氧化磷酸化實驗結論：由NADH脫氫酶至細胞色素氧化酶的整個電子傳遞鏈存在于膜本身，而氧化磷酸化作用卻由基本顆粒（ATP酶復合物）來承擔。

電子傳遞鏈（electrontransportchain）

：

按一定順序排列在線粒體內膜上的遞氫和遞電子的酶體系稱電子傳遞鏈。由于電子傳遞鏈以氧作電子接受體，與細胞攝取氧有關，又稱呼吸鏈。（一）電子傳遞鏈（呼吸鏈）電子傳遞鏈又稱呼吸鏈，其組成為：NADH脫氫酶或琥珀酸脫氫酶

鐵硫蛋白（FeS）輔酶Q（CoQ）細胞色素b、c1、c、a、a3（NADH:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,NAD+）總的分為四類：黃素蛋白電子傳遞鏈中NADH脫氫酶TCA循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶

一條多肽+1個輔基（FAD

orFMN）FAD—黃素腺苷二核苷酸、

FMN—黃素單核苷酸鐵硫蛋白輔酶Q細胞色素四類均為電子載體黃素蛋白和輔酶Q為氫載體

FMN——FMNH——FMNH2CoQ——泛醌、氧化型醌QH——半醌醌循環(huán)QH2——全醌、還原型醌

復合物Ⅰ即NADH脫氫酶，含FMN和6個鐵硫蛋白，傳遞電子：NADH→輔酶Q，同時將4個質子轉移至膜間隙。復合物Ⅱ即琥珀酸脫氫酶，含FAD和2個鐵硫蛋白，傳遞電子從琥珀酸至輔酶Q。

復合物Ⅲ即細胞色素c還原酶，以二聚體形式存在，每個單體包含細胞色素b、細胞色素c1和鐵硫蛋白。催化電子從輔酶Q→細胞色素c，同時將4個質子轉移至膜間隙。復合物Ⅳ即細胞色素c氧化酶，以二聚體形式存在，將電子從細胞色素c→氧，并轉移2個質子至膜間隙。

兩條主要的呼吸鏈Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成主要的呼吸鏈，催化NADH的脫氫氧化Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成另一條呼吸鏈，催化琥珀酸的脫氫氧化NADH和FADH2是還原性的電子載體，它們攜帶的電子經呼吸鏈傳遞給O2，在電子傳遞過程中，電子攜帶的能量被ATP合成酶用來催化ADP磷酸化，合成ATP

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：經糖酵解和三羧酸循環(huán)產生的還原性電子載體（NADH、FADH2）所攜帶的電子在呼吸鏈電子傳遞過程中釋放能量，在FoF1ATP合酶催化下使ADP磷酸化生成ATP，這種伴隨電子傳遞鏈的氧化過程所發(fā)生的能量轉換和ATP的形成稱為氧化磷酸化。電子傳遞鏈（呼吸鏈）三、氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯*NADH釋放能量O2*ADP+磷酸(Pi)利用能量ATP偶聯的三個部位：

(1)NADHCoQ(2)CytbCytc形成3個ATP分子

(3)Cytaa3O2NADH—FMN—CoQ—b—c1—c—aa3—O2氧化磷酸化耦聯機制：

（1）化學耦聯假說（2）構象耦聯假說（3）化學滲透假說

電子傳遞釋放的能量——跨膜的氫離子濃度梯度勢能——氧化磷酸化反應，合成ATP*電子傳遞過程*電子傳遞結果：

內膜外——H+高內膜內——H+低ΔΨ+ΔPH（質子動力ΔP）*外室H+ATP酶復合物基質2H+：ADPATP化學滲透假說的要點：5個要點（P304-305）①NADH提供一對電子，經電子傳遞鏈，最后為O2所接受。②電子傳遞鏈中載氫體和電子傳遞體相間排列。每當電子由載氫體傳向電子傳遞體時，載氫體的氫即以H+的形式釋放到內膜外，1對電子在呼吸鏈中3次穿膜運動，向外室排放了3對質子。③內膜對H+和OH-具有不可透性，所以隨著電子傳遞過程的進行，H+在外室中積累，造成了膜兩側的質子濃度差，從而保持了一定的勢能差。④外室中的質子有順濃度差返回基質的傾向，當H+通過F1-F0復合物進入基質時，ATP酶利用這種勢能合成了ATP。⑤F1-F0復合物需要2個質子合成一個ATP分子?；瘜W滲透假說的證據：A：隨電子傳遞進行，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+離子載體（纈氨霉素）。K+離子通過纈氨霉素到基質中，使基質中的[K+]升高，消除了內膜兩邊的電荷差，結果不能合成ATP。C：鹽細菌的視紫質（H+泵）和F1-F0因子同時組裝到脂質體中，能合成ATP。四、ATP的合成和穿膜機制P.Boyer——構象變化假說F1因子——兩個催化部位兩催化部位交替結合和釋放

ADP+Pi和ATP*ADP+Pi由線粒體內膜轉一性運輸蛋白從細胞質運到線粒體r軸旋轉引起F1的β亞基發(fā)生構象變化(120度）β－O(open)β