線粒體與氧化磷酸化細(xì)胞生物學(xué)韓貽仁版

第十章線粒體與氧化磷酸化

*能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器—ATP*半自主性細(xì)胞器—DNA對(duì)線粒體認(rèn)識(shí)過(guò)程：1857年Kollicker首次觀察：昆蟲(chóng)橫紋肌1888年Kollicker首次分離1890年P(guān)etzius命名：肌粒(sarcosome）1890年Altman命名：細(xì)胞質(zhì)活粒（bioblast）1897年Benda命名：線粒體（mitochondrion）

1900年L.Michaelis用JanusGreenB對(duì)線粒體進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用。1943-1950年發(fā)現(xiàn)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(nèi)。50年代，G.Palade,K.Porter用電鏡觀察并定義了線粒體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，至此便有可能將線粒體的生理活動(dòng)和生化變化同線粒體的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。G.Palade對(duì)線粒體功能認(rèn)識(shí)過(guò)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(jié)構(gòu)第三節(jié)線粒體的化學(xué)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(diǎn):

線粒體的超微結(jié)構(gòu)線粒體的能量轉(zhuǎn)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(lèi)和生理狀態(tài)而異。大?。褐睆?.5～1μm，長(zhǎng)2～8μm。數(shù)目：一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)。分布：常集中在細(xì)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(guān)，常與微管的分布相對(duì)應(yīng)精子尾巴橫紋肌線粒體

哺乳類(lèi)培養(yǎng)細(xì)胞的線粒體光鏡照片用活性熒光染料rhodamine123染色，示線粒體長(zhǎng)棒狀。上一細(xì)胞用熒光素標(biāo)記的微管結(jié)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(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：兩層單位膜圍成的封閉囊包括：線粒體外膜、線粒體內(nèi)膜、膜間隙、線粒體基質(zhì)一、線粒體外膜厚約6nm膜上有小孔孔蛋白（porin）通透性高通過(guò)分子允許分子量5000以下的小分子通過(guò)，ATP、NAD（分子量小于1000）均可通過(guò)

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

分子量大于150的物質(zhì)不能通過(guò)內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成嵴

嵴大大增加了內(nèi)膜表面積，代謝越活越嵴越多嵴上有球狀顆?！狝TP合成酶

線粒體內(nèi)膜上有球狀顆?！狝TP合成酶右圖：牛心臟線粒體的負(fù)染電鏡照片ATP合成酶的結(jié)構(gòu)F1

:

5種亞基比例3:3:1:1:1F0

:

1a：2b：12c

頭部（F1或F1因子）基粒——柄部基部（F0因子）F1—柄—F0

總稱

呼吸集合體

ATP合成酶

ATP酶復(fù)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(wú)酶活性使F1對(duì)寡酶素敏感—寡酶素敏感授予蛋白（簡(jiǎn)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(zhì)子有關(guān)，是質(zhì)子載體，可專(zhuān)一性地傳遞質(zhì)子。ATP合成酶具有雙向功能：

有質(zhì)子流時(shí)合成ATP，無(wú)質(zhì)子流時(shí)分解ATP，將質(zhì)子泵到膜間腔中

ATP合成酶（ATP

synthetase）也稱FoF1-ATP酶：

線粒體內(nèi)膜內(nèi)表面上的結(jié)構(gòu),由頭部(F1)、膜部(Fo)組成。是將電子傳遞鏈傳遞電子過(guò)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(nèi)外膜之間——6-8nm膜間隙與嵴內(nèi)隙相通內(nèi)外膜接觸處無(wú)膜間隙——蛋白質(zhì)運(yùn)輸通道含大量與氧化磷酸化有關(guān)的酶、底物四、內(nèi)室（線粒體基質(zhì)）蛋白質(zhì)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(zhì)：環(huán)狀DNA、RNA核糖體：酵母—70S；哺乳動(dòng)物—55S致密顆粒狀物質(zhì)：Ca2+——磷酸鈣沉淀—儲(chǔ)存Ca2+脂類(lèi)內(nèi)膜頭部第三節(jié)線粒體的化學(xué)組成與酶的定位線粒體各部分的分離線粒體的化學(xué)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(nèi)膜和基質(zhì)（線粒體質(zhì)體）*Lubrol——內(nèi)膜與基質(zhì)分開(kāi)二、線粒體的化學(xué)組成蛋白質(zhì)（各種酶）：含量：65%-70%包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白脂類(lèi)（磷脂等）：含量：25%~30%核酸：DNA、RNA內(nèi)膜

蛋白質(zhì)：脂類(lèi)=4：1外膜

蛋白質(zhì)：脂類(lèi)=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(nèi)膜：呼吸鏈氧化磷酸化基質(zhì):檸檬酸循環(huán)酶類(lèi)脂肪酸氧化酶類(lèi)蛋白質(zhì)合成酶類(lèi)

線粒體主要酶的分布

各大組成部分有標(biāo)志酶:外膜:單胺氧化酶膜間隙:腺苷酸激酶內(nèi)膜:細(xì)胞色素氧化酶基質(zhì):蘋(píng)果酸還原酶第四節(jié)線粒體的功能與氧化磷酸化能量轉(zhuǎn)換：將食物的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成細(xì)胞直接利用的ATP形式Ca++儲(chǔ)存參與細(xì)胞凋亡的調(diào)控起始凋亡的主開(kāi)關(guān)內(nèi)膜：線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔（mtPTP）膜間隙：死亡促進(jìn)因子細(xì)胞色素c凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）切冬酶（caspase）本節(jié)主要內(nèi)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制ATP的合成與穿膜機(jī)制線粒體與疾?。ㄒ唬┭趸姿峄倪^(guò)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(xì)胞質(zhì)中）第二階段（基質(zhì)中）第三階段（內(nèi)膜：提供一對(duì)電子和一個(gè)H+）

二、電子傳遞和氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)氧化磷酸化與電子傳遞分別進(jìn)行——2，4--二硝基苯酚——解偶聯(lián)劑實(shí)驗(yàn)證據(jù)：線粒體內(nèi)膜重組實(shí)驗(yàn)——“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(jié)論：電子傳遞鏈—內(nèi)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(nèi)外膜均破內(nèi)膜自然形成內(nèi)翻外小泡

亞線粒體小泡

蛋白酶處理

亞線粒體小泡調(diào)節(jié)條件基本顆粒(耦聯(lián)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：由NADH脫氫酶至細(xì)胞色素氧化酶的整個(gè)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(fù)合物）來(lái)承擔(dān)。

電子傳遞鏈（electrontransportchain）

：

按一定順序排列在線粒體內(nèi)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(xì)胞攝取氧有關(guān)，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(xì)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(lèi)：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(gè)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(xì)胞色素四類(lèi)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(fù)合物Ⅰ即NADH脫氫酶，含F(xiàn)MN和6個(gè)鐵硫蛋白，傳遞電子：NADH→輔酶Q，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移至膜間隙。復(fù)合物Ⅱ即琥珀酸脫氫酶，含F(xiàn)AD和2個(gè)鐵硫蛋白，傳遞電子從琥珀酸至輔酶Q。

復(fù)合物Ⅲ即細(xì)胞色素c還原酶，以二聚體形式存在，每個(gè)單體包含細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素c1和鐵硫蛋白。催化電子從輔酶Q→細(xì)胞色素c，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移至膜間隙。復(fù)合物Ⅳ即細(xì)胞色素c氧化酶，以二聚體形式存在，將電子從細(xì)胞色素c→氧，并轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)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(jīng)呼吸鏈傳遞給O2，在電子傳遞過(guò)程中，電子攜帶的能量被ATP合成酶用來(lái)催化ADP磷酸化，合成ATP

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)產(chǎn)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(guò)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(guò)程所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)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(lián)*NADH釋放能量O2*ADP+磷酸(Pi)利用能量ATP偶聯(lián)的三個(gè)部位：

(1)NADHCoQ(2)CytbCytc形成3個(gè)ATP分子

(3)Cytaa3O2NADH—FMN—CoQ—b—c1—c—aa3—O2氧化磷酸化耦聯(lián)機(jī)制：

（1）化學(xué)耦聯(lián)假說(shuō)（2）構(gòu)象耦聯(lián)假說(shuō)（3）化學(xué)滲透假說(shuō)

電子傳遞釋放的能量——跨膜的氫離子濃度梯度勢(shì)能——氧化磷酸化反應(yīng)，合成ATP*電子傳遞過(guò)程*電子傳遞結(jié)果：

內(nèi)膜外——H+高內(nèi)膜內(nèi)——H+低ΔΨ+ΔPH（質(zhì)子動(dòng)力ΔP）*外室H+ATP酶復(fù)合物基質(zhì)2H+：ADPATP化學(xué)滲透假說(shuō)的要點(diǎn)：5個(gè)要點(diǎn)（P304-305）①NADH提供一對(duì)電子，經(jīng)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(dāng)電子由載氫體傳向電子傳遞體時(shí)，載氫體的氫即以H+的形式釋放到內(nèi)膜外，1對(duì)電子在呼吸鏈中3次穿膜運(yùn)動(dòng)，向外室排放了3對(duì)質(zhì)子。③內(nèi)膜對(duì)H+和OH-具有不可透性，所以隨著電子傳遞過(guò)程的進(jìn)行，H+在外室中積累，造成了膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度差，從而保持了一定的勢(shì)能差。④外室中的質(zhì)子有順濃度差返回基質(zhì)的傾向，當(dāng)H+通過(guò)F1-F0復(fù)合物進(jìn)入基質(zhì)時(shí)，ATP酶利用這種勢(shì)能合成了ATP。⑤F1-F0復(fù)合物需要2個(gè)質(zhì)子合成一個(gè)ATP分子。化學(xué)滲透假說(shuō)的證據(jù)：A：隨電子傳遞進(jìn)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(guò)纈氨霉素到基質(zhì)中，使基質(zhì)中的[K+]升高，消除了內(nèi)膜兩邊的電荷差，結(jié)果不能合成ATP。C：鹽細(xì)菌的視紫質(zhì)（H+泵）和F1-F0因子同時(shí)組裝到脂質(zhì)體中，能合成ATP。四、ATP的合成和穿膜機(jī)制P.Boyer——構(gòu)象變化假說(shuō)F1因子——兩個(gè)催化部位兩催化部位交替結(jié)合和釋放

ADP+Pi和ATP*ADP+Pi由線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)一性運(yùn)輸?shù)鞍讖募?xì)胞質(zhì)運(yùn)到線粒體r軸旋轉(zhuǎn)引起F1的β亞基發(fā)生構(gòu)象變化(120度）β－O(open)β