线粒体普遍存在于哺乳动物除成熟红细胞之外的所有体细胞 中。其形态、大小、数量和分布因细胞的类型、生理功能以 及环境的不同而存在较大的差异。
Part one
The structure of mitochondrion
1. the morphology of mitochondrion under LM
复合物I——NADH-CoQ还原酶
复合物II——琥珀酸-CoQ还原酶 复合物III——CoQ-细胞色素c还原酶
复合物IV——细胞色素c氧化酶
ATP
ADP+Pi
NADH FMN—FeS I
ATP
ADP+Pi
CoQ
琥珀酸 FAD—FeS II
Cytb-FeS-Cyc1 III
ATP
ADP+Pi H2O
内膜 细胞色素氧化酶 ATP合成酶 亚铁鳌合酶 丙酮酸氧化酶
基质 苹果酸脱氢酶 蛋白质和核酸合成酶 丙酮酸脱氢酶复合物 天冬氨酸转氨酶
膜间隙 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶
Part three
The function of mitochondria
1. 线粒体是细胞内物质代谢的主要场所, 糖, 脂肪,氨基酸的最终氧化分解,在线粒体中完 成。 2. 伴随物质分解氧化的能量释放与能量转 换,主要在线粒体中实现。
of mitochondria
化学组成
外膜
内膜
蛋白质 脂类 脂质：蛋白质 心磷脂 胆固醇
50% 50% 1：1 少 较少
80% 20% 0.3：1 丰富 极少
❖Water, ions, CoQ, FMN, FAD, NAD
线粒体主要酶的分布
外膜 单胺氧化酶 NADH-细胞色素c还原酶 酰基CoA合成酶
丙酮酸
NAD
CO2
NADH2
乙酸
CoA
注：
NAD（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 FAD（黄酶）: 黄素腺嘌呤二核苷酸
NADH2 3
NAD 苹果酸
乙酰CoA
草酰乙酸
柠檬酸
延胡索酸
三羧酸循环 顺乌头酸 （柠檬酸循环）
FADH2 1
异柠檬酸
FAD

琥珀酸
CO2
CO2
-酮戊二酸
NAD 1
NADH2
NADH2 2 NAD
2. 在任何时刻，ATP合酶上的3个β亚基以3种不同的构象存在, 从而使它们对核苷酸有不同的亲和性。 每一个β亚基催化合成1分子ATP时，均要顺序经历与核苷酸结 合的三种不同构象状态：紧密结合态（T态）；松散结合态（L 态）；空置态（O态）。
3.在质子流的推动下，α3β3 6聚体相对于转子旋转1200时，各β
ATP酶的分子结构
γ亚基从F1顶端到F0穿过ATP合成酶中心，形成中央柄，ε亚基 协助γ亚基附着到F0基部。γ与ε亚基有很强的亲和力，结合在一 起形成“转子”（rotor），位于α3β3的中央。
②基部（F0偶联因子） F0是嵌合在内膜的疏水性蛋白复合体， 真核细胞线粒体中F0由a、b、c三种亚基以ab2c12的方式组成。 多拷贝的c亚基形成一个可动环状结构，a亚基与b亚基二聚体 排列在c亚基12聚体形成的环的外侧，F0基部中一对b亚基和a 亚基和F1头部的δ亚基组成一个外周柄，相当于一个“定子” （stator）将α/β亚基的位置固定。
在质子动力势的驱动下，外室高浓度H+通过 内膜ATP合成酶装置回流，并促使ATP合成 酶催化ADP与Pi合成ATP，完成氧化磷酸化 的偶联过程，实现能量的转换。
化学渗透假说的特点
❖ 强调膜结构的完整性与功能的统一。完整的 膜结构，在功能上对H+具有非自由的通透性， 这是质子梯度形成的必要条件之一。
由于线粒体内膜对H+离子是高度不通透的，当电子沿着 呼吸链传递时，所释放出的能量可将H+由内膜基质侧跨膜 泵向外室，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的 两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构 成电化学质子梯度（electrochemical proton gradient）。 即质子动力势（△P）。
的 F0基部，,为疏水 蛋白，是质子(H+) 流通道。）
ATP
合 成 酶 复 合 体 的 分 子
①头部（F1偶联因子） F1是由5种类型的9个亚基组成，其组分为α3β3γδε。
结 3个α亚基和3个β亚基交替排列，形成一个 “橘瓣”状结构，组成颗粒的头部。 构 每个F1含有3个ATP合成催化位点，每个β亚基上各有一个。
嵴内腔
头部: 合成ATP
基粒 （ATP酶复合体）
柄部: 调节质子通道
基片 ：质子的通道
3. 内外膜转位接触点（translocation contact site)： 利用电镜技术可以观察到线粒体的内外膜上存在一 些内膜与外膜互相接触的地方，称为转位接触点。 这些地方，膜间隙变窄。
4. Matrix
Cytc Cytaa3 2H+ IV
1/2O2
NADH 可以产 生3分子ATP； FAD则可以产 生2分子ATP。
三、电子传递偶联的氧化磷酸化
氧化磷酸化是线粒体中代谢能释放和转换的主
要环节。氧化，即NADH和FADH2把它们从上述
糖氧化3个阶段中所捕获的电子经由呼吸链渐 次传递，最终转移到O2而生成水，同时释放出 大量能量的过程；
磷酸化，即在ATP合成酶的催化下，把通过呼
吸链电子传递的氧化还原过程中所释放的能量， 用以ADP的磷酸化作用，生成ATP的过程。
四、氧化磷酸化的偶联机制
关于氧化磷酸化的偶联机制，先后曾提出过 多种假说。其中主要有： 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）
一、细胞氧化及其基本过程
细胞氧化的主要步骤：
1．糖酵解：在细胞质内进行
葡萄糖 糖酵解酶系 2丙酮酸
（C6H12O6）
（C3H4O3) + 2H + 2ATP
2．丙酮酸 乙酰CoA：在线粒体基质或内膜上进行
3. 进行三羧酸循环：在线粒体基质内进行 4．电子传递偶联的氧化磷酸化
1
3
2
4
三羧酸循环
葡萄糖
2. Inner membrane
内膜的厚度约为6-8nm，具有极低 的物质通透性，使许多物质如：丙 酮酸，H+，ATP等均不能自由通过 内膜，必须借助载体或通透酶系统 的协助，才能进行跨膜运输。
嵴 内膜
内膜向内折叠，延伸，形 成许多突起，叫做嵴。嵴 能显著扩大内膜表面积， 嵴有多种类型。
嵴间腔 嵴内腔 （内室）
2、Respiratory chain
FeS FMN NADH
Respiratory chain
呼吸链由一系列能够可逆地接受和释放电子或H+的 化学物质组成。他们存在于线粒体的内膜，形成互 相关联，有序排列的脂蛋白复合物功能结构体系， 并以此偶联氧化磷酸化过程，称之为呼吸链或电子 传递链。
Respiratory chain includes four complex
shape
size number distribution
粒状或杆状; 一般直径： 数目一般数 通常结合在微
但因生物种 0.2~1μm， 百到数千个，管上，常与含
类和生理状 长：1~4μm。植物因有叶 脂肪酸的脂滴
态而异。
绿体，数目 结合，或分布
相对较少。 在能量需求旺
盛的区域。
2. the ultrastructure of mitochondria
化学渗透假说
Mitchell P.1961 提出“化学渗透假 说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70 年代关于化学渗透 假说取得大量实验 结果的支持，成为 一种较为流行的假 说，Mitchell本人也 因此获得1978年诺 贝尔化学奖。
外室
1. 线粒体内膜中的呼吸链可视为质子泵。它在电子 传递过程中，不断地将基质中的H+泵向外室。
mitochondria. The width is 6nm. Its surface
is smooth and elastical.
1.具有整联蛋白，即孔蛋白 （porin）构成的亲水通道，允许 分子量为5KD以下的分子通过。
2.具有一些特殊的酶，可以对部 分物质进行初步分解。其标志酶： 单胺氧化酶。
3. 与细胞内离子跨膜转运,电解质稳态平衡调节, 细胞信号转导等生理活动密切相关。 4. 还与细胞内氧自由基的生成与细胞程序性死亡 有关。
细胞氧化：机体摄入的营养物质含有大量的化学能，机体所
需的能量是通过酶将这些物质氧化释放出来的，这一过程称为 细胞氧化。由于细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O所以 又称细胞呼吸。
ATP合成酶的作用机制
结合变构机制（binding change mechanism)
美国生化学家Boyer 提出“结合变构机制” 假说，Walker通过实验 观察提供了极具说服力 的实验证据，二人因此 而分享了1997年的诺贝 尔化学奖。
1. 质子运动释放的能量并不直接用于ADP的磷酸化，而是主 要用于改变活性位点与ATP产物的结合亲和力。
亚基随之而发生一次构象改变，使对ATP、ADP和Pi的亲和力 产生变化：或结合，或发生解离。
Part four
semiautomous organelle- mitochondrion
mtDNA
转录
RNA聚 合酶
氨
tRNA
rRNA
基
酸
氨酰tRNA mRNA 核糖体小、大亚基