细胞生物学第六章 细胞的能量转换器

（一）氧化磷酸化的分子基础
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。
• 线粒体的超微结构
– 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。
– 内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴 （cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍）。含有与能量转换 相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP合成酶、线粒体内 膜转运蛋白）。 – 膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 – 基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体 基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。
消耗2个质子，同时转移2个质子至C侧。
• 电子传递的路线为 :cyt c→CuA→heme a→a3- CuB→O2 • 4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O
wzf:细胞色素C是内膜的外
周蛋白。
wzf: CoQ和细胞色素C是呼吸链中可移动
的递氢体，不是复合物中的组成成分。
第六章 细胞的能量转换
─线粒体和叶绿体
线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。
●线粒体与氧化磷酸化
●叶绿体与光合作用
●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
●线粒体和叶绿体的增殖与起源
第一节 线粒体与氧化磷酸化
●线粒体的形态结构
●线粒体的化学组成及酶的定位
●氧化磷酸化
一、线粒体的形态结构
1.1 线粒体的发现与功能研究
线粒体膜通透性**
很早就认识到线粒体的膜具有半透性，通过对半透性的研究导致线粒体各组 分分离方法的建立。
■ 线粒体通透性研究
将线粒体放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进 入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒 体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM， 比环境
左:将线粒体置于含有 100 mM的蔗糖溶液中; 中:蔗糖穿过线粒体外膜， 达到平衡;右:将线粒体 从蔗糖溶液中取出，测 定线粒体中蔗糖的浓度。 如果测得线粒体的蔗糖 平均浓度是50 mM，就可 以推测:100mM的蔗糖仅 仅穿过了线粒体外膜， 而线粒体中有一半流动 的液体在线粒体基质， 由于内膜对蔗糖不通透， 所以测得的线粒体平均 浓度只有50 mM。
图7-1线粒体的TEM照片
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。
二、线粒体的化学组成及酶的定位
• 线粒体的化学组成： –蛋白质(线粒体干重的65～70％)。线粒体的蛋
白质分为可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白质主要是
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7-4 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 adenine mononucleotide) 的分子结构
• Q cycle
4.复合物IV：细胞色素c氧化酶
• 组成：即细胞色素c氧化酶,二聚体，每个单体至少13条肽链。分为三
个亚单位：亚单位I（subunit I）：包含两个血红素（a1、a3）和一
个铜离子(Cu2+)，血红素a3和Cu2+形成双核的Fe-Cu中心。亚单位Ⅱ （subunit Ⅱ），包含两个铜离子(CuA)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。 • 作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在M侧
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）
5. 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）。
琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。反应结果为： 琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2
3、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（b562、b566）、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（2个来自UQ，2个来自基质跨膜）。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）
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）
三、氧化磷酸化
什么是氧化磷酸化：
– 当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP 磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。
什么是呼吸链：
– 在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电 子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成， 在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（electrontransport chain）或呼吸链（respiratory chain）。
中蔗糖的浓度低。线粒体外膜对蔗糖是通透的，而
内膜对蔗糖是不通透的(图7-7)。
■ 线粒体各组分的分离
由于线粒体外膜的通透性比内膜高，
利用这一性质，Donal Parsons 和他的 同事最先建立了分离线粒体内膜、外
膜及其他组分的方法(图7-8)，
首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜
Hale Waihona Puke Baidu
破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒
呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递， 呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成 ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之间。部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。 部位Ⅲ在细胞色素a和氧之间。 琥珀酸
FAD Fe-S NADH FMN Fe-S CoQ Cytb Fe-S Cytc1
wzf:氧化型CoQ趋向于内膜的基质侧，
还原型CoQ趋向于内膜的间隙侧。
(三）两条主要的呼吸链
• ①复合物I-III-IV组成，催化NADH的脱氢氧化。 • ②复合物II-III-IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。
• 对应于每个复合物Ⅰ，约需3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，两个复合
物之间由辅酶Q或细胞色素c这样的可扩散性分子连接。
基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成膜的
本体，其中一部分是镶嵌蛋白， 也有一些是酶蛋白。
–脂类(线粒体干重的25～30％)：
• 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 • 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）
• 线粒体酶的定位：
线粒体主要酶的分布
部位 单胺氧化酶 外膜 NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感） 犬尿酸羟化酶 酰基辅酶A合成酶 细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶 ATP合成酶系 琥珀酸脱氢酶 内膜 β -羟丁酸和β -羟丙酸脱氢酶 肉毒碱酰基转移酶 丙酮酸氧化酶 NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感） 基质 柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系、 天冬氨酸转氨酶、 蛋白质和核酸合成酶系、 丙酮酸脱氢酶复合物 膜间隙 酶 的 名 称 部 位 酶 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶 的 名 称
ADP+Pi
Cytc
ATP
Cytaa3 ATP
ADP+Pi
ATP
ADP+Pi
呼吸链组分按氧化还原电位由低到高排列
（四）ATP合成酶(磷酸化的分子基础)
• 分子结构
– 基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F 偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。 – F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点 （每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ
• 1994年，Boyer 因提出ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制获得诺贝 尔化学奖
1.2 线粒体的形态结构
• 线粒体的形态、大小、数量与分布
– 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。数目一般数百到数千个，线粒体通常 分布在细胞功能旺盛的区域。
图 7-3 肌细胞和精子的尾部聚 集较多的线粒体， 以提供能量 图7-1线粒体的TEM照片
图7-4 线粒体包围着脂肪滴，内有大
量要被氧化的脂肪
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7-6 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。
图7-7 血红素c的结构
4.铁硫蛋白：
体质)仍结合在一起，通过离心可将 线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷
处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释
放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合 形成小泡，其表面有F1颗粒。 图7-8 线粒体组分的分离
线粒体的功能：
氧化磷酸化、细胞凋亡、细胞的信号转导、 电解质稳态平衡调控、钙的稳态调控
进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量 是线粒体的主要功能。
• 1890年R. Altaman首次动物细胞内发现线粒体，命名为bioblast。 • 1897年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion。 • 1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进行活体染色，发现线 粒体中可进行氧化-还原反应。 • 1948年，Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶 • 1943-1950年，Kennedy和Lehninger 发现线粒体内完成的，脂肪酸氧 化、氧化磷酸化。 • 在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。
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+（C）
2、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：