细胞生物学 线粒体

H+通II
Arg
H+通道I
γ和ε的转动引起β构象变化，催化ATP生成
结合变化机制：
β三种状态:
O 空置状态
ADP＋Pi ATP
T 紧密结合态
L 松散结合态
转子旋转的试验学证据：
• 在嗜热菌的 F1ATPase β的N端 添加10个His，固定 在Ni-NTA膜上； • 将γN端的一个Ser换 为Cys，以连上肌动 蛋白丝(荧光标记)； • 加ATP后可观察到 肌动蛋白丝旋转；
基粒(elementary particle)
• 内膜和嵴的基质面上带柄的颗 粒； • 由头部（F1）和基部（F0）构 成。 (F1-F0 ATP酶)
长 轴 垂 直 板 层 状 嵴
管状嵴
纵行排列板层状嵴
心肌细胞排列紧密的板层状嵴
3 膜间腔
• 外膜与内膜间的空腔，由于外膜通透性很强，
而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学
3）呼吸链的电子传递及其抑制剂和作用部位
鱼藤酮 ×
氰化物 叠氮钠 CO
×
×
抗霉素A
氧化还原电势
琥珀酸 脱氢酶
通过电子传递链实现了跨膜的H＋浓度差
2 ATP合成酶 (ATP synthase)
F1：亲水性头部，易分离，催 线粒体基质 化ATP ,含3α、3β、γ、δ和ε； • 水解 的多亚基蛋白复合物， β:催化 ATP合成 水解； 由水溶性 F1/ 头部和疏水 ε:抑制 水解,堵塞H＋通道； 性ATP F0基部所组成，也叫 F1F0 ATPase。 F0：疏水性基部，传送H＋到F1, F0 含1a, 2b, 10-14c。 a: H＋通道； “转子” ：γ，ε
◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（电子传递 体和H+ 移位体） 组成：含42个亚基，至少6Fe-S中心和1黄素蛋白。 作用：氧化NADH，将2e-CoQ；泵出4 H+ ◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（电子传递体而 非H+移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，1Cytb 作用：氧化琥珀酸，2e-FADFe-SCoQ
P．D．Boyer和J．E．Walker荣获1997年诺贝尔化
学奖(各1/4，另1/2由Na+-K+泵学说提出者获得)。
H+ 通过a和c亚基形成的通道，推动转子旋转
a和c产生/失去瞬间盐桥 c的Asp 结合/解离H+ c极性环和转子结合/分离 产生扭力距使转子转动
质子动力势推动H+沿膜间 腔Ic-AspII 流动， 驱动c和γ旋转；象水轮发 电机一样工作。

线粒体中的多数蛋白由核基因编码、在细胞质 核糖体中合成。故线粒体基因在转录与转译过程 中受核基因控制，对核基因具很大依赖性。
3
线粒体蛋白的跨膜分选
• 在游离核糖体合成，以包含“成熟” 蛋白和N 端导肽 (1eader peptide)的前体 (precursor) 存在。
• 导肽引导蛋白通过内外膜的接触点进入线粒体， 指导蛋白进入线粒体特定部位后被切除。 • 蛋白前体跨膜时需解折叠(unfolding)；跨膜后 需重新折叠(refolding) ，需 “分子伴侣”参与。
成分几乎接近细胞质基质，功能是建立和维持
H＋梯度。
4 基质（matrix)
• 充斥在内膜包围的嵴外空间（又称内室inner
chamber） 中，内有： 酶：参与三羧酸循环、脂肪酸氧化及蛋白合成; 基质颗粒：内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子； 线粒体DNA、 RNA及核糖体。
二
线粒体的化学组成及酶定位
化学渗透假说
• 主要内容
在呼吸链电子传递过程中，通过线粒体内膜上呼吸 链组分间氢与电子的交替传递，使H+从内膜内侧向 外侧定向转移。由于线粒体内膜对 H+高度不通透， 造成内膜两侧跨膜质子梯度，形成质子动力势 (H+ 浓度差&膜电位)。其中蕴藏的能量驱使H+穿过ATP 合酶，驱动ADP与Pi形成ATP。
1 线粒体DNA的结构



线粒体DNA (简称mtDNA) 较小，结构简单， 位于线粒体基质中和线粒体内膜上。 不含组蛋白，呈环形，与细菌基因组相似。 哺乳动物线粒体基因组大小为16 500 碱基对 (bp)。
2 线粒体基因组编码的RNA和蛋白质
线粒体DNA转录的rRNA、tRNA均通过线粒体核 糖体用于合成线粒体蛋白质（数目有限）。 真核生物线粒体核糖体的RNA组分和蛋白质的构 成、大小及对抗生素敏感性方面均不同于细胞质 核糖体，但某些方面类似原核生物核糖体。
三 线粒体的功能
• 氧化磷酸化:糖、脂和氨基酸彻底氧化放能； • 参与氧自由基ROS的生成； • 参与细胞程序性死亡(通过开启内膜上非特异性 通道而改变线粒体通透性实现)； • 胞内Ca++调节、信号转导； • 离子跨膜转运等；
线粒体的存在状况反映了细胞对能量的需求
生物氧化的分区和定位
氧化磷酸化过程是能量 转换过程，即有机分子 中的能量高能电子 质子动力势ATP 多糖、蛋白和脂肪最初 的分解（细胞质基质） TCA循环 (线粒体基质) 电子传递、氧化磷酸化 (线粒体内膜)
Noji H et al. 1997, Nature
四 半自主性的细胞器—线粒体
线粒体是一个含有 DNA 并能进行转录和
转译的细胞器。 线粒体中含有DNA 、 mRNA、tRNA、 核糖体、氨基酸活化酶等。 1966 年 Slonimski 证明了线粒体 DNA 具有 遗传功能，被认为是真核细胞的第二遗 传系统。
1 外膜
• 一层厚约6nm的单位膜，包围 在线粒体最外面； • 脂类组成与内质网相似；
外膜
• 含大量孔蛋白(Porin)，允许 <10KDa 分子通过，具高通透 性，使得膜间隙环境几乎与胞 质溶胶相似。
• 含一些特殊的酶（单胺氧化酶 monoamine oxidase)
2 内膜
• 外膜内侧的一层单位膜
◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（电子传递体和H+移 位体） 组成：二聚体，单体含1cyt c1、2cytb、1Fe-S蛋白 作用：催化CoQ氧化,2e- cytc；泵出4H+ (2个来自 UQ，2个来自基质）
◆复合物Ⅳ：Cytc氧化酶（电子传递体和H+移位体） 组成：二聚体，单体含1cyt a, 1cyt a3和2Cu 作用：氧化cyt c, 2e- O2 ,泵出2H+，
（一）氧化磷酸化作用的分子结构基础
氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化 (ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶连，分别由两 个不同的结构体系执行。
超声波
尿素或 胰蛋白酶 完整线粒体 电子传递＋ ATP合成＋
亚线粒体颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 ＋ ATP酶活性－
分离颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 － ATP酶活性＋
电子传递链可作为质子泵，将线粒体 基质中的H+泵至膜间腔
膜内外质子浓度差和电势差构成质子动力势，驱 动质子穿过ＡＴＰ酶，促使ＡＴＰ合成；
化学渗透假说的实验证据：
细菌视紫红质 质子泵
去垢剂
?
·ATP合成动力为质子动力势
ATP酶
加入磷脂并 去除去垢剂
脂质体
·完整性膜是维持质子动力 势的前提； · 电子传递和ATP合成是相关 但又不同的事件。
一 线粒体的形态结构
（一）线粒体的形态、大小、数量和分布 随细胞种类和生理状态变 化而变化； • 外形：线状、颗粒状、哑 铃状、环形、圆柱形等。 • 大小：直径为0.5~1μm，长 约2～3μm。
显微镜下一个线粒体的变形
• 数目：
动物细胞较植物细胞多； 代谢旺盛的细胞中较多，人成熟红细胞中无线粒体； • 分布： • 集中在细胞功能旺盛区域；
（三）ATP合成酶作用机制

以 PD Boyer 为代表，提出了通过 ATP 合酶合成 ATP 的 “ 结 合 变 化 ” (binding change mechanism) 和“旋转模型”(rotational model)。
内容： ATP 合酶 3 个 β 亚基各具一定构象，不同构 象与核苷酸亲和力不同。 H+ 流驱动 γ 和 ε 旋转 1200 的情况下， 3β 亚基构象发生相互转变，引 起 β 亚基对 ATP 、 ADP 和 Pi 亲和力的改变，使 ATP合成和释放。
1）呼吸链的氧化还原酶系：
• • • • • 烟酰胺脱氢酶； 黄素相关的脱氢酶/黄素蛋白； 铁硫蛋白(iron-sulfur protein); 泛醌/辅酶Q(ubiquinone/CoQ):Q, QH2, QH 细胞色素(cytochrome，Cyt)：以铁卟啉为辅基。
2）电子传递链的四种复合物(哺乳类)
氧化 电子传递链
磷酸化ATP合成酶 • • • • 1953年由Slater E.C.提出“化学偶联学说”。 1961年Mitchell P.提出“化学渗透假说”。 1964年Boyer P.D.提出“构象假说”。 至20世纪70年代，化学渗透假说在取得大量实 验结果证实的基础上，成为氧化磷酸化作用中 较为流行的一种假说。
“定子”： a，b，δ
膜间腔
F1ATPase 的晶体结构
γ 亚单位包含一个 弯曲的螺旋环， 由其组成“轴” 插入由α 和 β 组成 的环中.
α ,β ,γ ,δ ,ε
ATP合成酶是一个可逆的偶联装置，它可利用质子动力势合成ATP，又可 利用ATP水解的能量将质子由基质中泵出内膜
（二） 氧化磷酸化偶联机制
• 迁移时以微管为导轨、由马达蛋白提供动力。
线粒体
鞭毛髓部
心肌细胞 精子尾部
（二）线粒体的超微结构
电镜下是由两层单位膜围成的封闭囊状结构 由外向内分为4个部分： • 外 膜 (outer membrane) • 膜间腔（intermembrane space） • 内 膜（inner membrane） • 基质/内 室 （matrix/inner chamber）