第六章 线粒体

▪ 英国生物化学家P.Mitchell 1961年提出
2021
■ ATP合酶合成ATP的机理
▪ ● 结合变构模 型
▪ O型为空载结构; ▪ L型同ADP和Pi
的结合较强; ▪ T型与ADP和Pi
的结合很紧， 并能自动形成 ATP，并紧密 结合ATP。
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▪ 1979年代Boyer P提出构象耦联假说。其要点如下：
）cy。ta、a3、
▪ 在氧化还原过程中， 血红素基团的铁原 子可以传递单个电 子。血红素中的铁 通过Fe3+和 Fe2+ 两种状态的变化传 递电子。
图中所示是细胞色素c,血红素与多肽 的两个半胱氨酸共价结合,但在大多 数细胞色素分子中,血红素并不与多
肽共价结合。
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▪ ● 铁硫蛋白 (Fe/Sprotein)
大量的负电荷，使内膜两侧形成电位差； ▪ 第二是两侧氢离子浓度的不同因而产生pH梯度(ΔpH),
这两种梯度合称为电化学梯度。
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（四）、氧化磷酸化:ATP形成机制
▪ ■ 呼吸链含有三个氧化磷酸化偶联位点 ▪ ● 氧化磷酸化偶联位点 ▪ 根据对呼吸链中不同复合物间氧化还原电位的
研究，发现复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ每传递一对电子， 释放的自由能都足够合成一分子ATP，因此将 复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ看成是呼吸链中电子传递与 氧化磷酸化偶联的三个位点。 ▪ 如果以FADH2作为电子供体，则只有两个ATP 合成偶联位点。
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▪ ● 膜间隙 ：宽6～8 nm，膜间隙中的化学 成分很多，几乎接近胞质溶胶。膜间隙的 功能是建立和维持氢质子梯度。
▪ ● 线粒体基质 ：与三羧酸循环、脂肪酸氧 化、氨基酸降解等有关的酶都存在于基质 之中；此外还含有DNA、tRNAs、rRNA、 以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。

叶绿体的增殖

从原质体分化而来。以幼龄叶绿体分裂繁 殖。分裂受环境因素影响较大。
线粒体的间壁分裂 出芽增殖
线粒体的收缩分裂
5. The proliferation and origin of Mit and Chl.
A. Organelle growth and division determine the number of Mitochondria and Plastids in a cell
碳 同 化
The ห้องสมุดไป่ตู้tructure and function in C4 plants
景天酸代谢途径 (CAM途径)
CAM途径与C4 途径有许多 相似之处， 只是将CO2 的固定和还 原在时间上 分开了。 景天科、仙人 掌科、凤梨 科、兰科
第三节 线粒体和叶绿体 是半自主性细胞器
一、线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
++eH→H e
氧化能 能级逐渐 降低，释 放出来的 自由能部 分转化为 ATP，其 余以热能 释放
ADP+Pi
O2是呼吸链 的最后一环！
呼 吸 链
1/2 O2
H2O ATP
A. Molecular basis of oxidation: Electron-transport chain
氧化磷酸化作用与电子传递的偶联
叶绿体的个体发生
线粒体和叶绿体的起源


内共生起源学说
认为线粒体来源于细菌、叶绿体来源于蓝藻，即细菌被真核生 物吞噬后，在长期的共生过程中，通过演变，形成了线粒体。 革兰氏阴性菌



非共生起源学说
又称细胞内分化学说。认为线粒体的发生是质膜内陷的结果。

第六章 细胞的能量转换──线粒 体和叶绿体
概述
生物的能量来源：太阳光的辐射能。 植物细胞的叶绿体和蓝藻的光和片层：光能转换为 化学能，并储存在糖类，脂类和蛋白质中。 线粒体将生物大分子中的化学能转换为细胞可直接 利用的能源，储存在NTP（如ATP，GTP）中。 线粒体和叶绿体：封闭的双层膜结构，其内膜 反复 折叠形成内膜特化结构系统—是能量转换的场所。 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器，有自己的环状 DNA和转录、翻译体系，是真核细胞的第二遗传信 息系统。
光反应-原初反应
光合单位：大约300个叶绿素分子组成一个功
能单位，是进行光合作用的最小结构单位。 在光合单位中只有一对特殊的叶绿素分子能将 光能转变为化学能，及反应中心色素，而其余 的光合色素称为天线色素或捕光色素分子。
光化学反应：反应中Байду номын сангаас色
素吸收光能所引起的氧化还 原反应。产生原初电子。
光反应-电子传递和光合磷酸化
利用电子传递释放的能量，将H+由基质侧运输到膜间隙， 形成线粒体内膜两侧的电化学梯度。
ATP形成机制-氧化磷酸化
• ADP+Pi ATP,是酶促的磷酸化过程，分为底物水平 磷酸化和氧化磷酸化。 • ATP合酶（ATP synthase）：F-型质子泵，分为球形的F1 （头部）和嵌入膜中的F0（基部）。 • F1：α3β3γεδ复合体，具有3个ATP合成的催化位点（每个
β亚基1个）。
• F0：ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形 结构，具有质子通道。
ATP合酶（ATP synthase）
氧化磷酸化的耦联机制
◆化学渗透假说：
电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分
布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+

应
辅
酶
最终获得ATP -1 -1
6-磷酸果糖→1,6-二磷酸果糖
2×3-磷酸甘油醛→2×1,3-二磷酸甘油酸
2×1,3-二磷酸甘油酸→2×3-磷酸甘油酸 2×磷酸烯醇式丙酮酸→2×丙酮酸 第二阶段（线粒体基质）
2NADH
3或5*
2 2
2×丙酮酸→2×乙酰CoA
第三阶段（线粒体基质） 2×异柠檬酸→2×α-酮戊二酸 2×α-酮戊二酸→2×琥珀酰CoA 2×琥珀酰CoA→2×琥珀酸 2×琥珀酸→2×延胡索酸 2×苹果酸→2×草酰乙酸 由一个葡糖糖总共获得
糖原
糖原合成
肝糖原分解
酵解 途径
ATP 丙 酮 H+
磷酸戊 糖途径
H2O及CO2
葡萄糖
消化与吸收
糖异生途径
无氧
乳酸
淀粉
乳酸、氨基酸、甘油
目录
α －磷酸甘油穿梭
反 第一阶段（胞浆） 葡糖糖→6-磷酸葡糖糖
第六章 线粒体和细胞的能量转化
The size and number of mitochondria reflect the energy requirements of the cell.
Inner and outer mitochondrial membranes enclose two spaces: the matrix and intermembrane space.
2NADH
5
2NADH 2NADH 2FADH2 2NADH
5 5 2 3 5 30或32
*获得ATP的数量取决于还原当量进入线粒体的穿梭机制
经糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH2是两种还原性的电子载体，他们 所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级定向传递给O2，本身则被氧化。 由于电子传递所产生的质子（H+）浓度梯度和电位差，其中所蕴藏的能量被 F0F1ATP合酶用来催化ADP磷酸化而合成ATP，这就是氧化磷酸化作用。

1) 内膜结构

单层膜，比外膜厚； 通透性较外膜小； 向内折叠成嵴，表面积极大增加，代谢效率 极大提高;

嵴的形状与数量和细胞种类与生理状况有关
2) 线粒体分类（根据嵴的形态结构）
（a）板层形 （b）管形 （a）,（b）为基本形 （c）羽冠形 （d）网膜形 （e）绒毛形 （f）平行形 （g）同心圆形
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第二节 叶绿体与光合作用
●一.叶绿体(Chloroplast)的形态结构

二.叶绿体的结构与化学组成
●三.叶绿体的功能—光合作用
(photosynthesis)
一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构
●叶绿体与线粒体形态结构比较
叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电
子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。 ●叶绿体超微结构

1964年由Paul Boyer最先提出来的。此学
说认为电子沿电子传递链传递使线粒体 内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成 一种高能形式。这种高能形式通过ATP 的合成而恢复其原来的构象。未能找到 有力的证据。
（３）化学渗透学说 1961 由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出来
的。此学说认为电子传递释放出的自由能和ATP合成
＋
个H 泵出内膜。
ｃ 内膜对H+不能自由通过，泵出
膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，
因而造成H+浓度的跨膜浓度梯度。
此梯度包含的能量可驱使ADP和Pi 生成ATP。
ｄ.氢通过ATP合成酶上 的特殊的途径，返回基 质。H+浓度梯度所释放
的自由能，偶联ADP和

第六章线粒体一、A型题（删除1、2、8题）1.细胞氧化过程中，糖酵解发生在A、线粒体基质B、线粒体内膜C、线粒体外膜D、细胞基质E、核基质2.线粒体中三羧酸循环反应进行的场所是A、基质B、内膜C、基粒D、嵴膜E、膜间腔3.下列哪一个不是线粒体的光镜形态A、线状B、粒状C、网状D、杆状E、针尖样4.基粒头部具有什么酶活性A、细胞色素氧化酶B、腺苷激酶C、网状苹果酸脱氢酶D、ATP合成酶E、丙酮酸脱氢酶5.下列关于线粒体的描述错误的是A、含有自己的DNAB、细胞的动力工厂C、能完全合成自己的DNAD、为双层膜结构E、主要由蛋白质组成6.由两层单位膜围成的细胞器是A、GCB、LyC、MitD、ERE、过氧化物酶体7.前导肽引导蛋白质运送时，先要将被运送的蛋白质（），运送到位后，再进行（）。

A、解折叠，折叠B、变性，复性C、修饰，去修饰D、水解，合成E、糖基化，去糖基化8.真核生物线粒体呼吸链的各成员定位于A、内膜上B、外膜上C、线粒体基质D、外室中E、细胞质9.关于线粒体蛋白的描述哪一个是正确的A、所有线粒体蛋白都是由线粒体编码和合成的B、一些线粒体蛋白由线粒体编码和合成，而其他的则从细胞质运入C、所有的线粒体蛋白都是由细胞质输入的D、线粒体蛋白是从其他线粒体蛋白生成的E、线粒体蛋白都在粗面内质网上合成的10. 与核编码线粒体蛋白向线粒体基质腔中转运无关的是A、MTSB、SRP（信号识别颗粒）C、外膜转位子D、分子伴侣E、内膜转位子A型题答案：1. D2.A3.C4.D5.C6.C7.A8.A9.B 10.B四、简答题1.画出线粒体的结构简图，并标明各部位名称简答题答案：1.线粒体的结构简图：。

> 11多肽链
细胞色素氧 化酶复合体
> 13多肽链 c 2 血红素 O2 2 Cu
电子传递 路线
NADH Flavin Q 2 血红素、Ⅳ组成，催化琥珀酸的 脱氢氧化
氧化磷酸化的作用机理
• （一）质子动力势（P91）
能量以电化学质子浓度梯度 （Electrochemical Proton Gradient）的形式储存
电子传递过程中， H+ 被有关的酶复合体从线粒体基质中 排抽到膜间间隙 由此造成: 1. 在内膜两侧产生pH 梯度（pH gradient ，DpH ），基质 内的pH 高于膜间间隙（细胞溶胶）的pH • 在内膜两侧产生电压梯度（ voltage gradient ，DV）， 基质内为负电荷，基质外为正电荷 DpH 和 DV 共同形成电化学质子梯度 “Electrochemical Proton Gradient” 电化学质子梯度产生 “质子动力” （proton-motive force）
心磷脂（Cardiolipin）
3.膜间间隙 (Inter-membrane space): 是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。 含有利用ATP来磷酸化其它核苷酸的酶 标志酶为腺苷酸激酶 4.基质 (Matrix), 含有: 线粒体 DNA (mt-DNA) 线粒体核糖体, 线粒体 tRNAs 数百种酶, 包括催化以下反应的酶系统: -丙酮酸和脂肪酸的氧化 (产生乙酰辅酶A [acetyl CoA] -柠檬酸循环 (产生 NADH) -线粒体基因的表达（转录、翻译等） 标志酶为苹果酸脱氢酶
第六章 细胞的能量转换—线粒体与叶绿体
主要内容：
第一节 线粒体与氧化磷酸化 第二节 叶绿体与光合作用 第三节 线粒体与叶绿体是半自主性细胞器及其起源

2. 电子载体排列顺序
1. 电子载体
电子传递链是由一系列特殊的电子载体构成的。 在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递 下去的化合物称为电子载体（electron carrier）。
电子载体有五种： 黄素蛋白（flavoprotein） 细胞色素(cytochrome) 泛醌(ubiquinone, UQ) 铁硫蛋白(iron-sulfur protein) 铜原子(copper atom)
Fis1和Mdv1 2. 参与作用
endophilin B1 Mff(mitochondrial fission factor) GDAP1(ganglioside-induced
fifferentiation associated protein 1)
2. 线粒体融合与分裂的细胞生物学基础
二、线粒体的超微结构
复合物Ⅱ
复合物Ⅲ
复合Ⅳ
在电子传递过程中，有几点需要说明
◆ 五种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、 Fe-S中心、铜原子、辅酶Q。前四种与蛋白质结合，辅 酶Q为脂溶性醌。
◆ 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高 能电子(能量转化)， 终止于O2形成水。
◆ 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递 (NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)
叶肉细胞
维管束 维管束鞘细胞
第三节 线粒体和叶绿体的半自主性及其起源
线粒体和叶绿体的功能主要受细胞核 基因组调控，但同时又受到自身基因组的 调控，被称为半自主性细胞器。
线粒体和叶绿体以非孟德尔方式遗传。
一、线粒体和叶绿体的半自主性 二、线粒体和叶绿体的起源
一、线粒体和叶绿体的半自主性
（一）线粒体和叶绿体DNA （二）线粒体和叶绿体中的蛋白质 （三）线粒体和叶绿体基因组与细胞核

铜原子
电子传递链与电子传递
电子载体的排列顺序
复合物1-辅酶q-复合物111-复合物1111 复合物11-辅酶q-复合物111-复合物1111
线粒体的功能
电子转运复合物
复合物1=nadh-辅酶q还原酶=nadh脱氢酶
复合物11=琥珀酸-辅酶q还原酶=琥珀酸脱氢酶
复合物111=辅酶q-细胞色素c还原酶=细胞色素还 原酶=细胞色素bc1复合体=bc1
细胞的能量转换-线粒体 和叶绿体
线粒体与氧化磷酸化
线粒体的形态与分布
线粒体的形态结构
线粒体的结构与化学组成
外膜
单胺氧化酶
内膜
细胞色素氧化酶
膜间隙
腺苷酸激酶
线粒体基质
线粒体中的氧化代谢
黄素蛋白
电子载体
在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子 传递下去的复合物称为电子载体
细胞色素 泛醌=辅酶q 铁硫蛋白
由光照引起的电子传递与磷酸化相偶联而生成 ATP的过程，称为光合磷酸化
卡尔文循环
形成糖类
光合碳同化
c4途径
草酰乙酸
景天酸代谢
线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
线粒体和叶绿体的DNA 线粒体和叶绿体的蛋白质合成 线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装
线粒体和叶绿体的增殖与起源
线粒体和叶绿体的增殖 线粒体和叶绿体的起源
复合物1111=细胞色素氧化酶=细胞色素c氧化酶
质子转移与质子驱动力的形成
质子动力势
高能电子释放的能量驱动线粒体内膜复合物将氢 离子从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜氢 离子梯度及电位差，在内膜两侧形成的电化学质 子梯度称为质子动力势
ATP合酶的结构与组成
f1头部 f0基部

第六章线粒体一．选择题（一）A型题1、下列那种细胞不含线粒体A、肝细胞B、表皮细胞C、分泌细胞D、人成熟的红细胞E、肌肉细胞2、有关线粒体说法不正确的是A、嵴通常垂直纵轴B、内、外膜组成线粒体的支架C、所有线粒体均含有DNAD、内室与外室不相通E、内、外囊相通3、线粒体外膜不含有的特点是A、外膜含有多套运输蛋白质B、由暗、明、暗一层单位膜组成C、脂类与蛋白质的组成与内膜也显然不同D、通常没有内陷与突起E、分子量在10000以上的物质均能通透4、有关线粒体内膜说法错误的是A、膜厚度约6-7纳米B、嵴内的空隙称为嵴内腔C、哺乳动物细胞线粒体的嵴大多呈板层状D、需要能量多的细胞，不仅线粒体数目多，线粒体的嵴也较多。

E、产生向内的板状突起5、下列对基本微粒描述不对的是A、每个基本微粒由头、柄和基部组成B、是电子通道C、是线粒体中能量转化单位D、在内膜内侧分布E、是氧化磷酸化的关键装置6、对F1头部抑制蛋白说法不正确的是A、它是ATP酶的天然抑制剂B、是热稳定的小分子蛋白质C、抑制专一性不强D、可起生理调节作用E、分子量约100007、电子传递链位于A、细胞膜B、线粒体外膜C、膜间腔D、线粒体内膜E、线粒体基质8、不在线粒体中进行的细胞呼吸过程是A、磷酸烯醇式丙酮酸转化成丙酮酸B、乙酰辅酶A的形成C、柠檬酸最终转化为草酰乙酸D、电子传递和质子梯度的形成E、磷酸化过程9、一分子的葡萄糖经彻底氧化其中在线粒体中所形成的ATP数目是A、26个B、28个C、30个D、32个E、34个10、线粒体的增殖方式是A、有丝分裂B、一分为二的通过原有线粒体生长分裂而增殖C、一分为多个增殖D、受核基因指导在细胞质内组装成为新线粒体E、都不是11、线粒体的DNA合成的蛋白质A、有的运输到细胞质B、均可由核基因合成代替C、全部都定位在线粒体上D、数量和种类众多E、为线粒体所需的大部分12、线粒体蛋白质运输至线粒体起关键作用的是A、信号肽B、导肽C、核定位序列D、信号斑E、都不是13、下列疾病中有关线粒体的特征正确的是A、肿瘤细胞中线粒体内嵴异常增多B、血栓组织的细胞线粒体A TP合成水平上升C、一氧化碳中毒时肝细胞线粒体变为巨线粒体D、老年性痴呆中枢神经元线粒体突变较少E、都不对14、可溶性ATP酶指的是A、基本微粒的头部B、基本微粒的柄部C、基本微粒的基部D、基本微粒E、都不是15、糖酵解净生成A、38个ATPB、36个A TPC、34个A TPD、4个ATPE、2个A TP（二）B型题1-5题A、线粒体B、高尔基体C、溶酶体D、过氧化物酶体E、内质网1、细胞氧化中心2、细胞还原中心3、细胞的动力站4、细胞的运转中心5、细胞的垃圾站6-11题A、外膜B、内膜C、膜间腔D、嵴E、基质6、对质子不通透7、含有DNA8、镶嵌基本微粒9、含有大量孔蛋白10、与外室相通11、与内室相通12-15题A、糖酵解B、腺苷酸磷酸化C、电子传递D、三羧酸循环E、磷酸化12、细胞质基质进行13、线粒体基质进行14、线粒体内膜发生15、线粒体膜间腔发生16-17题A、复合物Ⅰ、Ⅱ、ⅢB、复合物Ⅰ、Ⅲ、ⅣC、复合物Ⅱ、Ⅲ、ⅣD、复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、ⅣE、都不是16、NADH的电子传递17、FADH2 的电子传递18-21题A、单氨氧化酶B、腺甘酸激酶C、细胞色素氧化酶D、苹果酸脱氢酶E、不含酶18、线粒体基质19、线粒体内膜20、线粒体膜间腔21、线粒体外膜22-25题A、供能作用B、分解作用C、浓缩作用D、还原作用E、加工作用22、溶酶体23、过氧化物酶体24、高尔基复合体25、线粒体（三）C型题A、mtDNA编码B、基因组DNA编码C、两者都是D、两者都不是1、ATP酶2、细胞色素b部分亚基3、线粒体自身的rRNA4、NADH5、线粒体大部分蛋白质A、相同B、不相同C、两者都是D、两者都不是6、线粒体基因与核基因密码子7、线粒体与溶酶体的增殖方式8、溶酶体与过氧化物酶体的增殖方式9、细胞呼吸与人体呼吸A、四环素B、红霉素C、两者都是D、两者都不是10、抑制真核生物核基因的翻译11、抑制真核生物线粒体基因的翻译12、抑制原核生物基因翻译13、抑制线粒体蛋白的运转A、电子传递B、能量转换C、两者都是D、两者都不是14、辅酶Q15、ATP合成酶16、线粒体产生ATP17、细胞色素系统18、底物水平磷酸化A、葡萄糖B、丙酮酸C、两者都是D、两者都不是19、能量分子20、可进入三羧酸循环（四）X型题1、线粒体是细胞的A、氧化中心B、动力站C、能量转化中心D、还原中心E、A TP发生中心2、线粒体的大小范围是A、0.1-0.5 微米B、0.5- 1.0 微米C、1.0-8.0 微米D、8.0-10.0 微米E、10.0-20.0微米3、有关线粒体数目说法正确的是A、肝细胞2000个B、肾细胞300个C、精子25个D、成熟的红细胞20个E、一般的细胞在数百个4、对基本微粒说法不正确的是A、头部含有可溶性ATP酶，具有分解ATP的功能B、柄部含有对寡霉素敏感的蛋白C、基部嵌入线粒体内膜，为疏水性蛋白D、不具有可调控性E、是能量产生的部位5、根据细胞氧化过程的特点及发生的功能部位，细胞呼吸包括A、糖酵解B、乙酰辅酶A的形成C、三羧酸循环D、电子传递和化学渗透偶联磷酸化E、A TP的合成6、下列复合物搭配正确能形成电子传递的是A、复合体1、2、3、4搭配B、复合体1、2、3搭配C、复合体2、3、4搭配D、复合体1、3、4搭配E、复合体1、2、4搭配7、下列有关化学渗透假说说法正确的是A、线粒体内膜中的呼吸链起着质子泵的作用B、膜内侧的电势为负，膜外侧的电势为正C、膜内侧的电势为正，膜外侧的电势为负D、泵出的质子有返回基质的趋势，当它们经过ATP酶复合体时，其动能促使ATP酶合成ATPE、泵入的质子有返回膜间腔的趋势，当它们经过ATP酶复合体时，其动能促使ATP酶合成ATP8、对导肽描述正确的是A、一般含有20—80个氨基酸残基B、在线粒体蛋白质的N末端C、长度不一，信息量不一样，决定线粒体蛋白运输至线粒体的不同部位D、具有两性分子的性质，既有亲水性又有疏水性E、与线粒体表面受体可以相互识别9、细胞色素C为治疗组织缺氧的急救用药和辅助用药，主要用来治疗A、心绞痛B、肺功能不全C、高山缺氧D、肝癌E、肌肉萎缩10、线粒体膜成分与其它细胞器膜及细胞膜成分的区别是A、胆固醇含量较低B、心磷脂较丰富C、脑磷脂较少D、卵磷脂较少E、胆固醇较高二．填空1、电镜下，线粒体是由两层单位膜围成的的囊状结构。

2) ATP合成酶的作用机理
ATP合成酶据认为是通过结合变化和旋转催化的机制来合成ATP的。 F1中的β亚基有三种构型： ① 紧密结合态（T态）：可与ADP和Pi的结合很紧，能生成ATP,并能与 ATP牢牢结合。 ② 松散结合态（L态）：同ADP和Pi的结合较强。
③ 空置状态（O态）： 几乎不与ATP、ADP和Pi结合。
（二）线粒体和叶绿体的起源
1 内共生起源学说 2 非共生起源学说
（二）线粒体的化学组成及酶的定位
外膜主要是卵磷脂， 内膜主要是心磷脂。 线粒体不同部位标志酶： 1 外 膜－标志酶：单胺氧化酶。 2 内 膜－标志酶：细胞色素氧化酶。 3 膜间隙－标志酶：腺苷酸激酶。 4 基 质－标志酶：苹果酸脱氢酶。
（三）氧化磷酸化
1 线粒体的主要功能－－氧化磷酸化。 2 有机物氧化、呼吸链（电子传递链）与ATP产生之间的关系。
光能→使叶绿体色素分子激发释放电子→电子传递和光合磷 酸化→产生ATP和NADPH2→通过卡尔文循环CO2和H2O被 ATP和NADPH2还原为糖类物质。 1 光反应－包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。 2 暗反应－即碳同化。
1 原初反应
原初反应是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为 止的过程。包括光能的吸收、传递与转换，即光能被捕光色素分 子吸收，并传至反应中心，在反应中心发生最初的光化学反应， 使电荷分离从而将光能转换为电能的过程。 （1）捕光色素：包括大部分叶绿素a，叶绿素b，胡萝卜素和叶黄 素等。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是 绿色光。 （2）反应中心色素：由一种特殊状态的叶绿素a分子组成，可分为 P700(PⅠ的中心色素)和P680（PⅡ的中心色素). （3）反应中心：由一个中心色素分子和一个原初电子供体D及一个 原初电子受体A组成。 （4）光合作用单位：由捕光色素和反应中心构成。

[竞赛辅导细胞]第六章线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体是细胞内两个能量转换的细胞器。

线粒体广泛存在于各类真核细胞中,而叶绿体仅存在于植物细胞中。

它们能将能量转换成驱动细胞进行生命活动所需要的能源。

它们的形态特征主要是呈现封闭的双层膜结构,且内膜经过折叠并演化为极大扩增的内膜为线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合作用的复杂的化学反应提供了基地与框架。

其次,它围成了一个包含能催化其它细胞生命化学反应的多种酶的内腔（基质）。

线粒体和叶绿体都是高效的产生ATP的精密装置。

尽管它们最初的能量来源有所不同,但却有着相似的基本结构,而且以类似的方式合成A TP。

线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转录RNA与转译蛋白质的体系。

很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息统称为真核细胞的第二遗传信息系统,或称核外基因及其表达体系。

虽然线粒体和叶绿体具有自己的遗传物质和进行蛋白质合成的全套机构,但组成线粒体和叶绿体的各种蛋白质成分是由核DNA和线粒体DNA 或叶绿体DNA分别编码的。

所以线粒体和叶绿体都是半自主性的细胞器。

第一节线粒体与氧化磷酸化1890年,德国科学家Altmann首先在光学显微镜下观察到动物细胞内存在着一种颗粒状的结构,称作生命小体。

1987年Benda重复了以上实验,并将之命名为线粒体。

1904年Meves在植物细胞中也发现了线粒体,从而确认线粒体是普遍存在于真核生物所有细胞中的一种重要细胞器。

1900年Michaelis用詹纳斯绿B（Janus green B）对线粒体进行活体染色,证实了线粒体可进行氧化还原反应。

1912年Kingsbury第一个提出线粒体是细胞内氧化还原反应的场所。

1913年Engelhardt证明磷酸化和氧的消耗耦联在一起。

1943～1950年,Knnedy 和Lehninger进一步证明,柠檬酸循环、氧化磷酸化和脂肪酸氧化均发生在线粒体内。

次年,Lehninger又发现磷酸化需要电子传递。

在光合作用中能够利用光能并将其转变成其他能量形式的多聚蛋白复合体。分为光系统I和II（PSI和PSII），PSI反应中心色素P700（最大吸收峰为700nm）将NADP+还原成NADPH，PSII反应中心色素P680（最大吸收峰为680nm），利用光能裂解水，使类囊体膜两侧形成质子差
光合磷酸化数据
2H2O光解生成1分子O2和4H+，PSI和PSII分别吸收4个光子（共8个光子）传递4e-，造成12H+（水光解产生4H+，PQ释放4H+，PSI消耗基质中4H+）=3ATP，生成2NADPH
电子传递链
electron transport chain
膜上一系列由电子载体组成的电子传递途径。这些电子载体接受高能电子，并在传递过程中逐步降低电子的能量，最终将释放的能量用于合成ATP或以其他能量形式储存。
捕光复合体Ⅱ
light harvesting complex Ⅱ，LHCⅡ
位于光系统Ⅰ之外的色素蛋白复合，含有大量天线色素为光系统Ⅱ（PSⅡ）收集光子。
ATP合酶
ATP synthase
位于线粒体内膜或叶绿体的类囊体膜上，通过氧化磷酸化或光合磷酸化催化ADP和无机磷合成ATP的酶，由F1头部和嵌入膜内的F0基部组成，也常见于细菌膜上。
F1头部组成
α3β3γεδ，α3β3形成橘瓣，β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性，γε形成转子，调节3个β亚基催化位点的开放和关闭；δ亚基为F1和Fo相连接所必须的。
电子从PS I开始经过Fd后传给Cytb6f，再经PC回到PS I，由PSI单独完成，电子传递呈现闭合的回路，只产生ATP，不产生NADPH和O2。
作用：当植物缺乏NADP+时，启动循环光合磷酸化，以调节ATP与NADPH的比例，适应碳同化对ATP与NADPH的比例需求（3:2）

▪ 线粒体与癌症的发生：mtDNA易突变，内膜缺损，mtDNA片段 游离在胞质中并整合到核基因组中
▪ 线粒体与细胞凋亡
The release of cytochrome C from the mitochondria is a particularly important event in the induction of apoptosis. Once cytochrome C has been released into the cytosol it is able to interact with a protein called Apaf-1. This leads to the recruitment of procaspase 9 into a multi-protein complex with cytochrome C and Apaf-1 called the apoptosome. Formation of the apoptosome leads to activation of caspase 9 and the induction of apoptosis.
基质导入序列（MTS）是输入到线粒体蛋白质都具有的一段序列 位于N-端 包含介导蛋白质向线粒体转运的信号
▪ 转运目的地：线粒体基质 膜间腔 外膜 内膜
核编码蛋白向线粒体基质中的转运
前体蛋白在胞浆中游离核糖体上合成 前体蛋白在多种分子伴侣的作用下保持非折叠状态 前体蛋白的MTS序列与线粒体膜上的受体识别并结合 非折叠的前体蛋白通过转位接触点转运到线粒体基质中
▪ 16569bp ▪ 一个双链、环状DNA分子 ▪ 两条链上编码物不相同 ▪ 37个基因的编码产物
2个rRNA分子 22种tRNA分子 13种蛋白质

●ATP水解酶的活性
●ATP合成酶的活性
故 F0-F1 颗 粒 又 称 为 ATP 合 酶 (ATP synthase )。
Structure of ATP synthase
◆结构
● Head section: 即 F1, 由 5 种多肽组成九聚 体 , 含有 3 个催化 ATP 合成的位点 , 每个β亚 基一个。 ● Stalk section: 由 F1 的γ亚基和ε亚基构 成,γ亚基穿过头部作为头部旋转的轴。 ● Membrane section: 即 F0, 由 3 种不同的亚 基组成的十五聚体(1a∶2b∶12c)。
一、线粒体和叶绿体的DNA
●mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
●mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制
●mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，
DNA 先复制，随后线粒体分裂。 ctDNA 复制的时
间在G1期。 复制仍受核控制
mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
◆双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) ◆mtDNA 大小在动物中变化不大，但在植物中变化 较大高等植物，120kbp~200kbp； ◆ 人 mtDNA ： 16,569bp ， 37 个 基 因 ( 编 码 12S,16S rRNA ； 22 种 tRNA ； 13 种多肽： NADH 脱氢酶 7 个
性等特点. 线粒体的形状多种多样,但以线状和粒状最常见.
线粒体在不同类型细胞中,其数目相差很大，但在同一类型细胞中的数目
是相对比较 稳定的.
●线粒体的超微结构 ◆外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)， 通透性较高。标志酶是
单胺氧化酶
◆内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折 叠形成嵴。 含有与能量转换相关的蛋白.标志酶是细胞色素氧化酶.

个质子，同时转移2个质子至膜间隙。所以复合物Ⅳ既是电子
传递体又是质子移位体。
•呼吸链中复合物的排列及功能
线粒体呼吸链中四种复合物的性质
复合物 序号 名称 Ⅰ Ⅱ NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 多肽数 22～26 4～5 电子传递 辅基 1个FMN 6-9个Fe/S 中心 1个FAD 3个Fe/S中心 2个细胞色素bc 1个细胞色素c1 1个 Fe/S中心 1个细胞色素a 细胞 色素c 氧(O2) 1个细 胞色素a3 2个Cu中 心(其中 细胞色素a3 是Fe/Cu中心) 接收自 NADH 琥珀酸 (经由酶结 合的FAD) 辅酶Q 传递给 辅酶Q 辅酶Q 传递 质子 是 否
细胞色素
三个铜原子：类似于铁硫蛋白的结构，通过
Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
铁硫蛋白：在其分子结构中有2Fe-2S和4Fe4S两种类型。 通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子 传递。 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。有3种氧化还原形式即 氧化型醌Q，还原态QH2和自由基半醌（QH）。
复合物Ⅲ
CoQ-细胞色素c还原酶，由10条多肽链组成，以二聚体形式存 在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁 硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对 电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。所以复合物
Ⅲ既是电子传递体又是质子移位体。
复合物Ⅳ 细胞色素氧化酶，由6-13条多肽链组成，以二聚体形式存在， 每个单体含有细胞色素a和细胞色素a3及2个铜原子。作用是催 化电子从细胞色素c传给氧，每转移1对电子，在基质侧消耗2
电子传递链
• 在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放癿大部分能 量都储存在辅酶(NADH和FADH2)分子中。细胞 利用线粒体内膜中一系列癿电子载体(呼吸链)， 伴随着逐步电子传递，将NADH戒FADH2迚行氧 化，逐步收集释放癿自由能最后用于ATP癿合成， 将能量储存在ATP癿高能磷酸键。

线粒体与叶绿体 1. 线粒体各部分的标志性酶  细胞外膜：单胺氧化酶  细胞内膜：细胞色素氧化酶（电子传递链的组成部分）  膜间隙：腺苷酸激酶  线粒体基质：苹果酸脱氢酶 外膜的结构特征是有孔蛋白，通透性较高；内膜的结构特征是缺乏胆固醇，富含心磷脂，形成通透性屏障，含有线粒体颗粒；基质中含有TCA循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等相关的酶以及线粒体遗传系统。 2. 为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？  半自主性细胞器：自身含有遗产物质表达系统，但编码的遗传信息很少，其RNA的转录，蛋白质的翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖和基因组编码的遗传信息，这样的细胞器称为半自主性细胞器。  线粒体和叶绿体的生长和增殖都是同时受到核基因组及其自身基因组两套遗传系统的控制，它们绝大多数蛋白质是核基因编码，在细胞质核糖体上合成，然后转移到线粒体或叶绿体内，与线粒体或叶绿体DNA编码的蛋白质协同作用，并且 细胞核的功能更为重要，它提供了绝大部分遗传信息并具有关键的控制功能。  叶绿体中蛋白质的三种来源：a、核基因组编码，细胞质核糖体合成；b、核基因组编码，线粒体核糖体合成；c、线粒体基因组编码，线粒体核糖体合成。 3. 线粒体和叶绿体中蛋白质的运送与组装  在细胞质中合成的线粒体和叶绿体中的前体蛋白N端含有前导肽，它含有识别线粒体的信息，并且由牵引蛋白质通过线粒体膜的功能。  含导肽的前体蛋白被线粒体表面的受体识别，在外膜上GIP蛋白的协助下，促进线粒体前体蛋白从内外膜接触的部位通过内膜。前体蛋白在跨膜之前解折叠。  前体蛋白通过内模之后，其导肽被基质中的线粒体加工肽酶和加工增强性蛋白水解去除。  去除前体的蛋白质从新折叠为成熟的蛋白质分子。  导肽的特征：含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸；含有较多的羟基氨基酸；几乎不含有带负电荷的酸性氨基酸；可形成既疏水又亲水的a-螺旋结构，利于穿越线粒体双层膜。 4. 何谓内共生起源学说？ 内共生起源学说认为线粒体来源于细菌，即早期好氧细菌被厌氧真核生物吞噬后,在长期的共生过程中,演变形成了线粒体。该学说认为:线粒体祖先原线粒体(一种可进行三羧酸循环和电子传递的好氧细菌)被原始真核生物吞噬后与宿主间形成共生关系：原线粒体可从宿主处获得更多的营养,而宿主可借用原线粒体具有的氧化分解功能获得更多的能量。  证据：  共生是生物界的普遍现象，例如根瘤菌与豆科植物的共生关系，蓝藻或绿藻与真菌共生形成地衣等。  叶绿体和线粒体都有其独特的DNA，可以自行复制，不完全受核DNA的控制。线粒体和叶绿体的DNA同细胞核的DNA有很大差别，但同细菌和蓝藻的DNA却很相似。  线粒体和叶绿体都有自己特殊的蛋白质合成系统，不受核的合成系统的控制。原核生物的核糖体由30S和50S两个亚基组成，真核生物的核糖体由40S和60S两个亚基组成。线粒体和叶绿体的核糖体分别与细菌和蓝藻的一致，说明细菌和线粒体、蓝藻和叶绿体是同源的。  线粒体、叶绿体的内、外膜有显著差异，外膜与宿主的膜比较一致，特别是和内质网膜很相似；内膜则分别同细菌和蓝藻的膜相似。 5. 什么是亚线粒体颗粒？ 用超声波破碎线粒体时，造成内膜外翻，自然卷成颗粒朝外的小膜泡，叫做亚线粒体颗粒。多用来研究线粒体的性质。  线粒体上的ATP核酶合成ATP的作用是可逆的，F1的正常功能是催化ATP合成，其水解ATP的功能是在缺乏质子梯度情况下表现出的非正常的生理功能。 6. 与线粒体相关的疾病有哪些? 线粒体病：由于线粒体的异常引起的整个细胞的功能失常，从而导致在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。  克山病：一种心肌线粒体病，由于缺硒引起，硒对线粒体膜有稳定作用。  帕金森氏综合症