第七章 线粒体与叶绿体.doc

第七章 线粒体与叶绿体第一节 线粒体1890 年 R. Altaman 首次发现线粒体，命名为 bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌1898 年 Benda 首次将这种颗命名为 mitochondrion1900 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 的过程是粒体内完成的，Hatefi 等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说一、结构（一）形态与分布线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的 65-70%，脂类占 25-30%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，称巨线粒体数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约1300 个线粒体，占细胞体积的 20%；单细胞鞭毛藻仅 1 个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形中达 50 万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。

通常结合在维管上，分布在细胞功能旺盛的区域如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中区线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力二）超微结构线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔（图 7-1、7-2 ） 在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质 67%，内膜 21%，外8%膜，膜间隙 4%图 7-1 线粒体的 TEM 照片图 7-2 线粒体结构模型1、外膜 (out membrane)含 40%的脂类和 60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin ）构成的亲水通道，允许分子量为 5KD 以下的分子通过， 1KD 以下的分子可自由通过 标志酶为单胺氧化酶2、内膜 （inner membrane）含 100 种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于 3:1心磷脂含量高（达 20%） 、缺乏胆固醇，类似于细菌通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统如：丙酮酸和焦磷酸是利用 H+梯度协同运输线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。

内膜的标志酶为细胞色素 C 氧化酶内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae） ，嵴能显著扩大内膜表面积（达 5~10 倍） ，嵴有两种类型：①板层状（图 7-1） 、②管状（图 7-3） ，但多呈板层状图 7-3 管状嵴线粒体嵴上覆有基粒（elementary particle） ，基粒由头部（F 1 偶联因子）和基部（ F0 偶联因子）构成，F 0 嵌入线粒体内膜3、膜间隙(intermembrane space)是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约 6-8nm由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的 pH 值与细胞质的相似标志酶为腺苷酸激酶4、基质（matrix ）为内膜和嵴包围的空间除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都粒体中进行催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶基质具有一套完整的转录和翻译体系包括线粒体 DNA（mtDNA） ，70S 型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA 聚合酶、氨基酸活化酶 等基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含 Ca2+、Mg 2+、Zn 2+等离子二、氧化磷酸化的分子基础（一）电子载体呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶 Q 等。

1. NAD即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，图 7-4） ，是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白图 7-4 NAD 的结构和功能（NAD ＋ ：R ＝H，NADP ＋ ：R＝－PO 3H2）2. 黄素蛋白：含 FMN（图 7-5）或 FAD（图 7-6）的蛋白质，每个 FMN 或 FAD 可接受 2 个电子 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图 7-5 FMN (flavin mononucleotide) 的分子结构图 7-6 FAD ( flavin adenine dinucleotide)的分子结构3. 细胞色素：分子中含有血红素铁（图 7-7） ，以共价形式与蛋白结合，通 Fe3+、Fe 2+形式变化传递电子，呼吸链中有 5 类，即：细胞色素 a、a 3、b、c、c 1，其中 a、a 3含有铜原子图 7-7 血红素 c 的结构4. 三个铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu 1+的变化传递电子。

5. 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+、Fe 3+互变进行电子传递，有 2Fe-2S 和 4Fe-4S 两种类型（图 7-8） 图 7-8 铁硫蛋白的结构（（引自 Lodish 等 1999） ）6. 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（图 7-9） 有3 种氧化还原形式即氧化型醌 Q，还原型氢醌（QH 2）和介于两者之者的自由基半醌（QH） 图 7-9 辅酶 Q（二）呼吸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1、复合物Ⅰ即 NADH 脱氢酶，哺乳动物的复合物Ⅰ由 42 条肽链组成，呈 L 型，含有一个 FMN和至少 6 个铁硫蛋白，分子量接近 1MD，以二聚体形式存在，其作用是催化 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，总的反应结果为：NADH + 5H+M + Q→NAD + + QH2 + 4H+C2、复合物Ⅱ即琥珀酸脱氢酶，至少由 4 条肽链组成，含有一个 FAD，2 个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶 Q，但不转移质子电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q反应结果为：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH 23、复合物 Ⅲ即细胞色素 c 还原酶，由至少 11 条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素 b（b 562、b 566） 、一个细胞色素 c1 和一个铁硫蛋白其作用是催化电子从辅酶 Q 传给细胞色素 c，每转移一对电子，同时将 4 个质子由线粒体基质泵至膜间隙总的反应结果为：2 还原态 cyt c1 + QH2 + 2 H+M→2 氧化态 cyt c1 + Q+ 4H+C复合物Ⅲ的电子传递比较复杂，和“Q 循环”有关（图 7-10） 辅酶 Q 能在膜中自由扩散，在内膜 C 侧，还原型辅酶 Q（氢醌） 将一个电子交给 Fe-S→细胞色素 c1→细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素 b566→b562，释放另外一个质子到膜间隙。

细胞色素 b566 得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌→b566→b562→辅酶 Q在内膜 M 侧，辅酶 Q 可被复合体Ⅰ（复合体Ⅱ）或细胞色素b562 还原为氢醌一对电子由辅酶 Q 到复合物Ⅲ的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶 Q 转移的图 7-10 Q 循环示意图 引自 Lodish 等 1999 4、复合物 Ⅳ即细胞色素 c 氧化酶，以二聚体形式存在，其作用是将从细胞色素 c 接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗 2 个质子，同时转移 2 个质子至膜间隙每个单体由至少 13 条不同的肽链组成，分为三个亚单位：亚单位 I（ subunit I）：包含两个血红素（a 1、a 3）和一个铜离子(Cu B)，血红素 a3 和 CuB 形成双核的 Fe-Cu 中心亚单位Ⅱ（subunit Ⅱ ） ，包含两个铜离子(Cu A)构成的双核中心，其结构与 2Fe-2S 相似亚单位Ⅲ（subunit Ⅲ）的功能尚不了解电子传递的路线为：cyt c→Cu A→heme a→a 3- CuB→O 2，总的反应结果为：4 还原态 cyt c + 8 H+M + O2→4 氧化态 cyt c + 4H+C + 2H2O（三）两条主要的呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成主要的呼吸链，催化 NADH 的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化（图 7-11） 。

对应于每个复合物Ⅰ，大约需要3 个复合物Ⅲ， 7 个复合物Ⅳ ，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶 Q和细胞色素 c 这样的可扩散性分子连接呼吸链各组分有序，使电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势（proton-motive force） ，驱动 ATP 的合成，实验证明人为提高线粒体膜间隙的质子浓度，能使线粒体合成 ATP图 7-11 两条主要的呼吸链（引自 Lodish 等 1999）呼吸链组分及 ATP 酶粒体内膜上呈不对称分布，如细胞色素 C 位于线粒体内膜的 C 侧（向细胞质的一侧） ，而 ATP 酶位于内膜的 M 侧（向线粒体基质的一侧） 对于呼吸链组分在内膜上的分布主要依靠用亚线粒体颗粒和冰冻能刻电镜技术来研究将线粒体用超声波破碎，线粒体内膜碎片可形成颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒，这种小泡具有正常的电子传递和磷酸化的功能用细胞色素 c 的抗体能够抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体颗粒的氧化磷酸化，说明细胞色素c 位于线粒体内膜的 C 侧三、氧化磷酸化的作用机理（一）质子动力势Mitchell P.1961 提出“ 化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis)”，70 年代关于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，Mitchell 本人也因此获得1978 年诺贝尔化学奖。

图 7-12 化学渗透学说根据“化学渗透假说”，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（M 侧）泵至膜间隙（胞质侧或 C 侧） ，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（图 7-12） ，即质子动力势（△P） △P=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中 T 为绝对温度，R 为气体常数， F 为法拉第常数大量实验表明，当温度为25℃ 时△P=Ψ-59△pH，△P 的值为 220mV 左右质子沿电化学梯度穿过内膜上的 ATP 酶复合物流回基质，使 ATP 酶的构象发生改变，将 ADP 和 Pi 合成 ATP二）ATP 合酶的结构和作用机理ATP 合酶（ ATP synthetase， 图 7-13） ，分子量 500KD，状如蘑菇分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的 。