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mitochondrion。1900年L.Michaelis用JanusGreenB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的过程是在线粒体内完成的，Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961一1980）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、分权状或其它形状。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2530%。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%
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 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。 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 的过程是在线粒体内完成的，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DNAF,particleInermembranespaceOutermembraneCristaeInnermembraneRibosome图7-2线粒体结构模型1、外膜（outmembrane)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（innermembrane）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
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（cristae），能显著扩大内膜表面积（达5~10倍），有两种类型：①板层状（图7-1）、②管状（图7-3），但多皇板层状。图7-3管状嘴线粒体上覆有基粒（elementaryparticle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（FO偶联因子）构成，FO嵌入线粒体内膜。3、膜间隙(intermembranespace)是内外膜之间的腔隙，延伸至的轴心部，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）为内膜和嗜包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。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），7OS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+、Mg2+、Zn2+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（nicotinamideadeninedinucleotide，图7-4），是体内很多脱氢酶
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（F1 偶联因子）和基部（F0 偶联因子） 构成，F0 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在线粒体中 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+、Mg2+、Zn2+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。CONHzCONH2NHzIH3-2H+2eOHOH图7-4NAD的结构和功能（NAD：R=H，NADP+：R=一PO3H2）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。0O=oHCH-(CHOH)3-OHCHz(CHOH)CHaBH:OHOHHaHa02H+2Ha图7-5FMN（flavinmononucleotide）的分子结构NHOCH 2(CHOH) HaOHOHOHHa(图7-6FAD（flavinadeninedinucleotide）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+、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a、a3含有铜原子
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＝－PO3H2） 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+、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 a、a3 含有铜原子
-CysCHCH3H3CHaCys-HaCHOCH2CH2CO0Hg0CH2CH2C00HC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+、Cu1+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+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型（图7-8）。(a)(b)Cys-sS-CVSProteinS-OysCys-S-CVsCVSV-Protein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醒类化合物，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醒Q，还原型氢醒（QH2）和介于两者之者的自由基半醒（QH）
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+、 Cu1+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+、Fe3+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（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）