南农 细胞生物学 5
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第七章细胞的能量转换---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。
叶绿体通过光合作用把光能转换为化学能，并储存于糖类、脂肪和蛋白质等大分子有机物中。
线粒体是一种高效地将有机物转换为细胞生命活动的直接能源ATP的细胞器。
线粒体普遍存在于各类真核细胞中，而叶绿体仅存在于植物细胞中。
它们的形态特征主要是封闭的双层单位膜结构，且内膜经过折叠并演化为表面积极大扩增的内膜特化结构系统。内膜在能量转换功能中起着主要作用。大量扩增的内膜不仅为线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化反应提供了结构框架。
线粒体和叶绿体有着相似的基本结构，而且以类似的方式合成ATP。
线粒体和叶绿体都是半自主性的细胞器。线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系。很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息系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。
第一节线粒体与氧化磷酸化
线粒体被称为细胞内的“能量工厂”(power plants)。线粒体通过氧化磷酸化作用合成ATP,为细胞提供能量。人体内的细胞每天要合成几千克的ATP，且95％的ATP是由线粒体中的呼吸链所产生，
一、线粒体的形态结构
(一)线粒体的形态、大小、数量和分布
线粒体的形态、大小、数量与分布，在不同细胞内变动很大，就是同一细胞,在不同生理状态下也不一样。许多哺乳动物成熟的红细胞缺少线粒体；
线粒体具有多形性、易变性、运动性和适应性。其形状以线状和颗粒状最常见，也可呈环形、哑铃形、枝状或其他形状。在一定条件下线粒体的形状变化是可逆的。线粒体一般直径为0.5—1.0m，长1.5～3.0m。
线粒体的数目与细胞的生理功能及生理状态有关，在新陈代谢旺盛的细胞中线粒体多，如人和哺乳动物的心肌、小肠、肝等内脏细胞中线粒体很丰富；飞翔鸟类胸肌细胞线粒体的数目比不飞翔鸟类的多；运动员的肌细胞线粒体比不常运动的人的多。
线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，例如，肠上皮细胞中的线粒体呈两极性分布，集中于顶部和基部。线粒体往往在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中，如分泌细胞的线粒体聚集在分泌物合成的区域；线粒体的这种分布有利于需能部位的能量供应。
(二)线粒体的超微结构
线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。主要由外膜(outer
membrane)、内膜(inner membrane)、膜间隙(intermembrane space)及基质(matrix)或内室(inner chamber)4部分组成。
1．外膜
外膜是包围在线粒体最外面的一层光滑而有弹性的单位膜。外膜上有排列整齐的筒状圆柱体，圆柱体上有直径为2—3 nm的小孔。相对分子质量为10X103以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。
2．内膜
内膜位于外膜内侧，把膜间隙与基质(内室)分开。内膜对物质的通透性很低，能严格地控制分子和离子通过，这种“不透性”在ATP的生成过程中起重要作用。
内膜的“不透性”特性与结构组成有关，内膜含有大量的心磷脂(cadiolipin)，形成通透性屏障，如H+、ATP、丙酮酸等不能自由透过内膜，必须在载体或通透酶(permease)系统的协助下才能实现跨膜运输。
内膜向线粒体内室褶叠形成嵴(cristae)，嵴使内膜的表面积大大扩增。这对线粒体进行高速率的生化反应是极为重要的。
嵴的形状和数量与细胞种类及生理状况密切相关，需能多的细胞，不但线粒体多，嵴的数量也多。
线粒体内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄的球状小体，称为基粒。基粒由头部和基部组成。头部又称F1，为球形颗粒。基部又称 F0，嵌入线粒体内膜。
3．膜间隙
膜间隙是内外膜之间封闭的腔隙，其中充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴内间隙(intracristal space)与膜间隙相通，实际上是膜间隙的延伸。
4．基质或内室
基质为内膜所包围的嵴外空间，腔内充满可溶性蛋白质性质的胶状物质，呈均质状，具有一定的pH和渗透压。
二、线粒体的化学组成及酶的定位
(一)线粒体的化学组成
线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂质。其中蛋白质占线粒体干重的 65％～70％，脂质占25％～30％。
线粒体内、外膜在化学组成上的根本区别是脂质和蛋白质的比值不同，内膜的脂质与蛋白质的比值低(0.3：1)，外膜的比值较高(1：1)。内膜富含酶蛋白和辅酶，外膜仅含少量酶蛋白。
粒体的基质中含有催化三羧酸循环、脂肪酸9—氧化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上百种酶和其他成分，如环状DNA、RNA、核糖体及较大的致密颗粒，这些颗粒是含磷酸钙的沉积物，其作用是贮存钙离子，也可结合镁离子。
(二)线粒体酶的定位
线粒体约有140余种酶，其中37％是氧化还原酶， 10％是合成酶，水解酶不到9％。
线粒体中一些主要酶的分布列于表7—1。
(一)氧化磷酸化的分子结构基础
氧化(放能)和磷酸化(贮能)是同时进行并密切偶联在一起的，但却是由两个不同的结构系统实现的。
1．电子传递链(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，由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链(electron—transport chain)或呼吸链(respiratory
chain)。
细胞内有两条典型的呼吸链，即NADH呼吸链和 FADH2呼吸链。这是氢的原初受体不同而区分的。
线粒体内膜上的呼吸链由多个组分组成。包括：①烟酰胺脱氢酶类(以NAD+或NADP+为辅酶)；②黄素脱氢酶类(以黄素单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD为辅基)；③铁硫蛋白类(或称铁硫中心，FeS)，分子中含非血红素铁和对酸不稳定的硫，其作用是通过铁的化合价的互变进行电子传递；④辅酶Q类，是一种脂溶性的醌类化
合物，它具有3种不同的氧化还原状态，即氧化态Q、还原态QH2和介于两者之间的半醌QH；⑤细胞色素类，是一类以铁卟啉为辅基的色蛋白，其主要功能是通过铁的化合价的互变传递电子。目前发现的细胞色素有a、a3、b、c、c1等。在aa3分子中，除含血红素铁外，尚含有2个铜原子，依靠其化合价的变化，把电子从a，传递到氧。
呼吸链可人为地分为4种功能复合物(1～Ⅳ)以及辅酶Q和细胞色素c。4种复合物包埋在线粒体内膜中，辅酶Q和细胞色素c是呼吸链中可流动的递氢体或递电子体。复合物的组分和定位列于表7—2。
复合物I：是NADH—CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶，其作用是催化NADH的2个电子传给辅酶Q，同时发生质子的跨膜输送，故复合物I既是电子传递体又是质子移位体。
复合物Ⅱ：是琥珀酸—CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q。复合物Ⅱ不能使质子跨膜移位。
复合物Ⅲ：是CoQ—细胞色素c还原酶，其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，同时发生质子的跨膜输送，故复合物Ⅲ既是电子传递体，又是质子移位体。
复合物Ⅳ：是细胞色素氧化酶，其作用是催化电子从细胞色素c传给氧。同时发生质子的跨膜输送，故复合物Ⅳ既是电子传递体又是质子移位体。
复合物I、Ⅲ、Ⅳ组成主要的NADH呼吸链，催化NADH的氧化；复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的氧化。
呼吸链各组分有严格的排列顺序和方向。从NADH到分子氧之间的电子传递过程中，电子是按氧化还原电位从低向高传递。电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动。
2 ATP合成酶(ATPsynthetase)或FlFo—ATP酶(或H’—ATP酶)
位于线粒体内膜上，是生物体进行能量转换的核心酶。参与氧化磷酸化，催化合成ATP。
其分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0基部两部分组成。
F1(偶联因子F1)：为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。
F0(偶联因子F0)：是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。
牛心线粒体ATP酶： Fl部分(F1—ATPase)
由 3、、、、等9个亚基组成， 3个亚基和3个亚基交替排列，形成一个“橘瓣”状结构，各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。和亚基上均具有核苷酸结合位点，其中亚基结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。与亚基结合在一起形成“转子”(rotor)，位于33的中央，共同旋转以调节三个亚基催化位点的开放和关闭。亚基有抑制酶水解ATP的活性，同时还 有堵塞H+通道、减少H+泄漏的功能。
细菌F0(偶联因子F0)：
在细菌中，F0由a、b、c 3种亚基组成,各亚基的数量关系为alb2C10～12，多拷贝的c亚基形成一个环状结构，a亚基与b亚基二聚体排列在c亚基形成的环的外侧，a亚基、b亚基二聚体和亚基共同组成“定子”(stator)(图7—5)。
F1和F0通过“转子”和“定子”将两部分连接起来，F0的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩(torsion)，推动“转子”旋转。在合成或水解ATP的过程中，“转子”在通过F0的H+流推动下旋转，依次与3个亚基作用，调节亚基催化位点的构象变化；
3．氧化磷酸化作用与电子传递的偶联
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。氧化磷酸化是生成ATP的一种主要方式。
NADH呼吸链生成ATP的3个部位是：①NADH至辅酶Q；②细胞色素b至细胞色素c；③细胞色素aa3至氧之间。3处各生成一分子 ATP，共生成3个ATP分子。但FADH2呼吸链只生成2个ATP分子，这是因为电子从FADH2至辅酶Q间传递所释放的能量不足以形成高能磷酸键所致。
(二)氧化磷酸化的偶联机制
20多年来，氧化磷酸化的偶联机制提出了各种假说，主要有：化学偶联假说(chemical coupling hypothesis)、构象偶联假说(conformational coupling
hypothesis)、化学渗透假说(chemiosmotic coupling hypothesis)等。
现在，化学渗透假说成为最为流行的一种假说。该假说是1961年英国生物化学家Mitchell提出来的，他因此获得了1978年诺贝尔化学奖。
化学渗透假说的主要内容是：呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+是不通透的，从而使膜间隙的H+浓度高于基质，因而在内膜的两侧形成电化学质子梯度(electrochemicalprotongradient， H+)，也称为质子动力势(protonmotiveforce，P)。在这个梯度驱动下，H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。质子动力势 (P)由两部分组成：一是膜内外H+浓度差(pH)，二是膜电位()。
