線粒體的形態和分布線粒體的形態和分布線粒體的形態和分布●大小：線粒體的形狀多種多樣，一般呈線狀（圖7-2），也有粒狀或短線狀。圖7-2電子顯微鏡觀察的蝙蝠胰腺細胞線粒體●數量：在不同類型的細胞中線粒體的數目相差很大，但在同一類型的細胞中數目相對穩定。有些細胞中只有一個線粒體，有些則有幾十、幾百、甚至幾千個線粒體。●分布在多數細胞中，線粒體均勻分布在整個細胞質中，但在某些些細胞中，線粒體的分布是不均一的。線粒體較多分布在需要ATP的部位（如肌細胞和精細胞，圖7-3）；或較為集中分布在有較多氧化反應底物的區域，如脂肪滴（圖7-4），因為脂肪滴中有許多要被氧化的脂肪。圖7-3肌細胞和精子的尾部聚集較多的線粒體，以提供能量圖7-4線粒體包圍著脂肪滴，內有大量要被氧化的脂肪●存在方式線粒體在細胞中并非都是單個存在的，有時可形成由幾個線粒體構成的網絡結構，有些線粒體具有分支，可以相互交錯在一起。如通過相差顯微鏡檢查完整的肝細胞，發現線粒體并非是單個存在的，而是以交織的網絡狀態存在（圖7-5）。圖7-5細胞中線粒體分支交織連接而成的網狀二維結構線粒體膜通透性線粒體膜通透性線粒體膜通透性很早就認識到線粒體的膜具有半透性，通過對半透性的研究導致線粒體各組分分離方法的建立。■線粒體通透性研究將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進入線粒體的膜間間隙；然后將線粒體取出測定線粒體內部蔗糖的平均濃度，結果只有50mM，比環境中蔗糖的濃度低。據此推測：線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內膜對蔗糖是不通透的（圖7-7）。圖7-7線粒體通透性測定左：將線粒體置于含有100mM的蔗糖溶液中；中：蔗糖穿過線粒體外膜，達到平衡；右：將線粒體從蔗糖溶液中取出，測定線粒體中蔗糖的濃度。如果測得線粒體的蔗糖平均濃度是50mM，就可以推測：100mM的蔗糖僅僅穿過了線粒體外膜，而線粒體中有一半流動的液體在線粒體基質，由于內膜對蔗糖不通透，所以測得的線粒體平均濃度只有50mM。■線粒體各組分的分離由于線粒體外膜的通透性比內膜高，利用這一性質，DonalParsons和他的同事最先建立了分離線粒體內膜、外膜及其他組分的方法（圖7-8），圖7-8線粒體組分的分離首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時線粒體內膜和基質（線粒體質）仍結合在一起，通過離心可將線粒體質分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質，破壞線粒體內膜，釋放線粒體基質，破裂的內膜重新閉合形成小泡，其表面有F1顆粒。圖的本次總結的有氧化葡萄糖和脂肪酸。圖解圖解階段1:在胞質中，葡萄糖轉化為丙酮酸(糖酵解)和脂肪酸脂酰輔酶a。丙酮酸和脂酰輔酶a然后進入線粒體。線粒體孔蛋白允許外膜膜滲透這些代謝物,但具體的內膜運輸蛋白(彩色橢圓)需要向基質輸入丙酮酸(黃色}和脂肪酸(藍色)。脂酰團體從脂酰輔酶a轉移到一個中間載體,運輸穿過內膜(藍色橢圓形),然后在基質連接CoA。第二階段:在線粒體基質,丙酮酸和脂肪酰基輔酶a轉換為乙酰輔酶a,然后氧化,釋放二氧化碳。丙酮酸轉化為乙酰輔酶a，形成NADH和CO2的形成；兩個脂酰輔酶a的碳轉換為乙酰輔酶a形成FADH2和NADH。氧化三羧酸循環生成乙酰輔酶a的NADH和FADH2，GTP和CO2。階段3:電子傳遞減少水和氧氣，生成一個proton-motive動力。從輔酶減少的電子(藍色)通過電子傳遞復合物(藍盒子}傳輸到02，伴隨H離子(紅色)從基質傳輸到膜間隙,生成proton-motive動力。電子從NADH流直接從復合物I到復合物III，繞過復合物II。電子從FADH2流直接從復合物II到復合物III,繞過復合物I。第四階段:ATP合酶,F0F1復合物(橙色),利用proton-motive動力在基質合成ATP。逆向轉運蛋白(紫色和綠色橢圓)向基質運輸ADP和P,輸出ATP。在細胞溶質中生成的NADH不會直接傳輸給基質因為內膜不允許通過NAD+和NADH；代替地，一個航天飛機系統（紅）從內容物NADH傳輸電子，在基質中變為NAD+。O2擴散到基質中，CO2擴散出去。線粒體的功能——氧化磷酸化作用線粒體的功能——氧化磷酸化作用線粒體的功能——氧化磷酸化作用線粒體是真核生物氧化代謝的部位，是糖、脂肪和氨基酸最終氧化放能的場所。最終氧化的共同途徑是三羧酸循環和呼吸鏈的氧化磷酸化。真核細胞中的氧化作用（oxidation）葡萄糖和脂肪酸是真核細胞能量的主要來源，細胞通過對葡萄糖的代謝獲取能量。葡萄糖進入細胞后先在細胞質中通過酵解作用生成丙酮酸，如果有氧存在時，丙酮酸進入線粒體基質經過三羧酸循環、電子傳遞和氧化磷酸化，最后生成ATP和水。如果沒有氧，丙酮酸經過發酵生成乳酸（圖7-18）。圖7-18真核細胞中碳水化合物代謝俯瞰■葡萄糖酵解生成丙酮酸細胞質中的葡萄糖（或糖原）在一系列酶的催化下生成丙酮酸的過程稱為糖酵解（glycolysis）。反應的主要過程包括∶①葡萄糖在磷酸化酶的作用下形成1，6二磷酸果糖，此過程需要消耗兩個ATP；②二磷酸6-碳糖被裂解生成兩個3-碳糖；③三碳糖被逐步轉變成丙酮酸（圖7-19）。圖7-19葡萄糖經糖酵解生成丙酮酸的過程■線粒體中乙酰CoA的生成●丙酮酸生成乙酰CoA細胞質膜中由糖酵解生成的丙酮酸分子經過線粒體外膜的孔蛋白進入線粒體膜間隙，然后在運輸蛋白的作用下穿過內膜進入線粒體基質。在基質中，丙酮酸被丙酮酸脫氫酶（pyruvatedehydrogenase）氧化成乙酰輔酶A，同時生成一分子NADH和一分子CO2.●脂肪酸在線粒體基質中通過β氧化途徑（β-oxidationpathway）循環氧化生成乙酰輔酶A.生物需要能量時首先利用多糖，必要時也會利用脂肪。脂肪被水解生成脂肪酸后進入線粒體。每兩個脂肪酸碳產生一分子乙酰輔酶A，同時產生一分子NADH、一分子FADH2（圖7-20）。圖7-20脂肪酸氧化脂肪酸氧化的第一步是與輔酶A的巰基（-SH）結合而被激活。這一反應發生在脂肪酸的脂酰基團在線粒體內膜運輸蛋白幫助下穿過內膜之后。在線粒體中，脂酰CoA經過β氧化循環，每循環一次，脫去兩個C，產生一分子乙酰CoA進入TCA循環，同時產生一分子NADH、一分子FADH2。［醫學教育網搜集整理］●乙酰輔酶A是線粒體能量代謝的核心分子，無論是糖還是脂肪酸作為能源，都要在線粒體中被轉變成乙酰輔酶A才能進入三羧酸循環徹底氧化。■三羧酸循環（tricarboxylicacidcycle，TCAcycle）乙酰CoA一旦形成，立即進入線粒體基質的循環氧化途徑，即TCA循環。TCA循環又稱Krebs循環、檸檬酸循環（圖7-21）。每循環一次生成兩分子的CO2、一分子GTP、四分子的NADH（連同丙酮酸脫羧形成乙酰CoA時產生的一分子NADH在內）和一分子的FADH2，釋放5對電子。圖7-21TCA循環，特別標出從丙酮酸氧化開始釋放的5對用于ATP合成的電子形成部位■輔酶在能量傳遞中的作用●能量傳遞中的輔酶催化細胞的氧化還原反應中的酶常常利用輔酶作為電子供體或受體，具有這種作用的輔酶是NAD+、NADP+、FAD和FMN（圖7-22）。圖7-22輔酶NAD+、NADP+、FAD和FMN在氧化和還原狀態下的結構在NAD+和NADP+還原期間轉移一個質子和兩個電子，FAD和FMN還原過程中轉移兩個質子和兩個電子。盡管它們轉移的質子數量不同，但是每次轉移的電子數量是相同的，都是兩個電子。●TCA循環產生還原型的輔酶［醫學教育網搜集整理］一次TCA循環共產生1分子FADH2、4分子NADH，它們總共接受了5對電子。這些電子可用于ATP的合成。●蘋果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttle）與甘油磷酸穿梭（glycerol-phosphateshuttle），將胞質溶膠中產生的1分子NADH的電子傳遞到線粒體內膜參與電子傳遞（圖7-23）。圖7-23甘油-磷酸穿梭在甘油-磷酸穿梭過程中，電子從NADH轉移給二羥丙酮磷酸（DHAP）生成甘油-3-磷酸，進入線粒體膜間隙，甘油3-磷酸被線粒體內膜中的甘油3-磷酸脫氫酶脫氫，使內膜中FAD還原成FADH2.脫氫的甘油3-磷酸又穿梭回到胞質溶膠。FADH2中的電子再轉移給線粒體內膜的電子傳遞鏈中的電子載體。呼吸鏈與電子傳遞呼吸鏈與電子傳遞呼吸鏈與電子傳遞在三羧酸循環中，乙酰CoA氧化釋放的大部分能量都儲存在輔酶（NADH和FADH2）分子中。細胞利用線粒體內膜中一系列的電子載體（呼吸鏈），伴隨著逐步電子傳遞，將NADH或FADH2進行氧化，逐步收集釋放的自由能最后用于ATP的合成，將能量儲存在ATP的高能磷酸鍵。■電子載體（electroncarriers）在電子傳遞過程中與釋放的電子結合并將電子傳遞下去的物質稱為電子載體。參與傳遞的電子載體有四種∶黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。●黃素蛋白（flavoproteins）黃素蛋白是由一條多肽結合1個輔基組成的酶類，每個輔基能夠接受和提供兩個質子和電子（圖7-22）。●細胞色素（cytochromes）細胞色素是含有血紅素輔基（圖7-24）的一類蛋白質。在氧化還原過程中，血紅素基團的鐵原子可以傳遞單個的電子。血紅素中的鐵通過Fe3+和Fe2+兩種狀態的變化傳遞電子；在還原反應時，鐵原子由Fe3+狀態轉變成Fe2+狀態；在氧化反應中，鐵由Fe2+轉變成Fe3+.圖7-24細胞色素c的血紅素基團的結構及氧化還原狀態的變化四個卟啉環都含有側鏈，不同的細胞色素所含側鏈不同。圖中所示是細胞色素c，血紅素與多肽的兩個半胱氨酸共價結合，但在大多數細胞色素分子中，血紅素并不與多肽共價結合。●鐵硫蛋白（iron-sulfurproteins，Fe/Sprotein）鐵硫蛋白是含鐵的蛋白質，也是細胞色素類蛋白。在鐵硫蛋白分子的中央結合的不是血紅素而是鐵和硫，稱為鐵-硫中心（iron-sulfurcenters，圖7-25）。圖7-25兩種類型的鐵硫蛋白的結構（a）2Fe-2S型鐵硫蛋白；（b）4Fe-4S型鐵硫蛋白醌（uniquinoneUQ）或輔酶Q（coenzymeQ）輔酶Q是一種脂溶性的分子，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構成。如同黃素蛋白，每一個醌能夠接受和提供兩個電子和質子（圖7-26），部分還原的稱為半醌，完全還原的稱為全醌（UQH2）。圖7-26輔酶Q的氧化和還原形式輔酶Q的氧化還原分兩步進行，先接受一個電子，得到部分還原，稱為半醌，再得到一個電子，成為完全還原的醌，稱為全醌。全醌失去一個電子是部分氧化，成為半醌，兩個電子全部失去，即完全氧化則稱為還原型的醌。■氧化還原電位與載體排列順序●氧還電位（oxidation-reductionpotentials，redoxpotentials）不同的還原劑具有不同的電子傳遞電位，而氧化與還原又是偶聯的，如NAD+和NADH.它們的差別主要是電子數量不同，所以二者間就有一個電位差，即氧還電位。●呼吸鏈中電子載體的氧還電位氧還電位在標準條件下測定，即得標準氧化還原電位（standardoxidationreductionpotentials，E0＇）。表7-4是測得的某些電子載體的標準氧還電位。表7-4某些電子載體的標準氧還電位氧化型還原型xE0＇（伏特）NAD+NADH+

H+2-0.32FMNFMNH22-0.30FADFADH22-0.22丙酮酸乳酸2-0.19輔酶QUQH22+0.04細胞色素b（Fe3+）細胞色素b（Fe2+）1+0.07細胞色素c1（Fe3+）細胞色素b（Fe2+）1+0.23細胞色素c（Fe3+）細胞色素b（Fe2+）1+0.25細胞色素a（Fe3+）細胞色素b（Fe2+）1+0.29細胞色素a3（Fe3+）細胞色素b（Fe2+）1+0.551/2O2

+H+H2O2+0.82注：n=傳遞的電子數。●呼吸鏈中電子載體的排列順序標準氧化還原電位的值越小，提供電子的能力越強。因此只要分別測定電子載體的氧化還原電位，再進行比較，可初步推斷它們在呼吸鏈中的排列順序。根據測得的標準氧化還原電位，按氧還電位的大小可排出電子載體在呼吸鏈中的位置（圖7-27）。圖7-27電子傳遞鏈中幾種電子載體及電子傳遞圖中給出各電子載體近似的氧還電位，并標出了電子對沿呼吸鏈向分子氧傳遞形成的自由能，垂直箭頭線表示產生的能量足夠驅使質子穿過線粒體內膜，其后可為ATP合成提供能量。圖中每一個載體都是從呼吸鏈中上一個載體獲得電子被還原，而上一個載體由于失去電子被氧化，因此電子是從一個載體傳向另一個載體，直至最終的受體被還原為止，在該呼吸鏈中的最終的受體是O2，接收電子后生成水。■呼吸鏈的組成和排列呼吸鏈由四種復合物、細胞色素c和輔酶Q組成。輔酶Q和細胞色素c是獨立存在的，四種復合物又都是由幾種不同的蛋白組成的多蛋白復合體（圖7-28，表7-5），功能是參與氧化還原作用，由于這些復合物在線粒體內膜中不停地移動，所以它們沒有穩定的結構。●復合物I（complexI）復合物I又稱NADH脫氫酶（NADHdehydrogenase）或NADH-CoQ還原酶復合物，功能是催化一對電子從NADH傳遞給CoQ，一對電子從復合物Ⅰ傳遞時伴隨著4個質子被傳遞到膜間隙。●復合物Ⅱ（complexⅡ）復合物Ⅱ又稱為琥珀酸脫氫酶（succinatedehydrogenase）或琥珀酸-CoQ酶復合物，功能是催化電子從琥珀酸傳遞給輔酶Q，復合物Ⅱ傳遞電子時不伴隨氫的傳遞。●復合物Ⅲ（complexⅢ）復合物Ⅲ又稱CoQH2-細胞色素c還原酶復合物，每傳遞一對電子，同時傳遞4個H+到膜間隙。●復合物Ⅳ（complexⅣ）復合物Ⅳ又稱細胞色素c氧化酶（cytochromecoxidase）。主要功能是將電子從細胞色素c傳遞給O2分子，每傳遞一對電子，要從線粒體基質中攝取4個質子，其中兩個質子用于水的形成，另兩個質子被跨膜轉運到膜間隙。圖7-28呼吸鏈中復合物的排列及功能表7-5線粒體呼吸鏈中四種復合物的性質復合物電子傳遞序號名稱多肽數輔基接收自傳遞給傳遞質子ⅠNADH脫氫酶22～261個FMN6-9個Fe/S中心NADH輔酶Q是Ⅱ琥珀酸脫氫酶4～51個FAD琥珀酸輔酶Q否3個Fe/S中心（經由酶結合的FAD）Ⅲ細胞色素b-c18～102個細胞色素bc輔酶Q細胞色素是復合物1個細胞色素c11個Fe/S中心Ⅳ細胞色素c氧化酶91個細胞色素a細胞色素c氧（O2）1個細胞色素a32個Cu中心（其中細胞色素a3是Fe/Cu中心）是●主、次呼吸鏈由于線粒體中需要經呼吸鏈氧化和電子傳遞的主要是NADH，而FADH2較少，可將呼吸鏈分為主、次呼吸鏈。①主呼吸鏈由復合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ構成，從NADH來的電子依次經過這三個復合物，進行傳遞。②次呼吸鏈由復合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ構成，來自FADH2的電子不經過復合物Ⅰ。■含銅的電子載體：細胞色素c氧化酶的作用機制在電子呼吸鏈中的細胞色素氧化酶c（復合物Ⅳ）分子中心不是鐵，也不是鐵硫，而是鐵銅。該酶13個亞基中有3個多肽是線粒體基因編碼，并都含有蛋白的氧還中心。另外，與其它四種電子載體不同的是，它接收的電子不再傳遞給別的復合物，而是直接還原分子氧生成水（圖7-29）。圖7-29細胞色素氧化酶對電子與質子傳遞（a）細胞色素氧化酶c中電子傳遞路線；（b）推測的O2被還原成水的中間過程■遞氫體與電化學梯度的建立●遞氫體組成呼吸鏈的成員中除了電子載體外，有些還具有將氫質子跨膜傳遞到膜間隙的作用，將能夠傳遞氫質子的復合物稱為遞氫體，或稱遞質子體。在呼吸鏈的四個復合物中，復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ既是電子載體，又是遞氫體；復合物Ⅱ只是電子載體，而不是遞氫體。●電化學梯度（electrochemicalgradient）質子跨膜轉運使得膜間隙積累了大量的質子，建立了質子梯度。由于膜間隙質子梯度的建立，使內膜兩側發生兩個顯著的變化∶線粒體膜間隙產生大量的正電荷，而線粒體基質產生大量的負電荷，使內膜兩側形成電位差；第二是兩側氫離子濃度的不同因而產生pH梯度（ΔpH），這兩種梯度合稱為電化學梯度（electrochemicalgradient）。■ATP合酶（ATPsynthase）的結構和功能■ATP合酶（ATPsynthase）的結構和功能■ATP合酶（ATPsynthase）的結構和功能●電鏡下的結構從電鏡照片（圖7-31）看，線粒體內膜內側的F1顆粒結構可分為兩個基本部分：F1（頭部，headsection）、F0（基部，basesection），在F1和F0之間有一個細細的柄部（stalksection）。圖7-31ATP合酶的形態（a）電鏡照片；（b）根據電鏡照片繪制的模式圖和各部分的大小。●組成F1顆粒是一個多組分的結構，將它稱為F0F1ATP酶復合物，或ATP合酶，在分離狀態下具有ATP水解酶的活性，在結合狀態下具有ATP合成酶的活性。除了線粒體中有ATP合酶外，植物葉綠體的類囊體和好氧細菌都有ATP合酶的同源物，線粒體ATP合酶有F0和F1兩部分組成（圖7-32），主要功能是進行ATP的合成。也有學者將它看成是線粒體內膜呼吸鏈的第五個復合物（complexⅤ）。圖7-32ATP合酶的結構和組成■氧化磷酸化偶聯機理：化學滲透假說關于氧化磷酸化的偶聯機理，先后提出過幾種假說，如化學偶聯假說（chemicalcouplinghypothesis）和構象偶聯假說（conformationalcouplinghypothesis），這些假說由于證據不足得不到公認。英國生物化學家P.Mitchell于1961年提出了化學滲透偶聯假說（chemiosmoticcouplinghypothesis）解釋氧化磷酸化的偶聯機理。該學說認為：在電子傳遞過程中，伴隨著質子從線粒體內膜的里層向外