第六章线粒体mitochondion与细胞的能量转换
第一节线粒体的基本特征
一、线粒体的形态、数量&结构
（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关
线状、粒状、杆状etc 直径0.5~1.0μm。
（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构
1.外膜是线粒体外层单位膜outer membrane
5~7nm厚，50%脂类、50%蛋白（重量）
外膜蛋白多为转运蛋白，形成跨膜水相通道（直径2~3μm），允许分子量10kD以下分子通过，包括小分子多肽（氨基酸平均分子量128D）
2.内膜的内表面附着许多颗粒inner membrane
4.5nm厚，20%脂类、80%蛋白
✧内腔/基质腔（matrix space）由内膜包裹的空间
✧外腔/膜间腔（intermembrane space）内、外膜之间的空间
✧嵴（cristae）内膜大量向内腔突起性折叠形成
✧嵴间腔（intercristae space）嵴与嵴之间的内腔部分
✧嵴内空间（intracristae space）由于嵴向内腔突起，造成的外腔向内伸入的部分
内膜通透性很小，分子量大于150D，就不能通过
内膜有高度的选择通透性，膜上转运蛋白控制内外腔的物质交换
内膜内表面附着许多颗粒，数目：104~105个/线粒体，称基粒elementary particle =A TP合酶复合体（A TP synthase complex）
3.内外膜相互接近所形成的转位接触点是物质转运到线粒体的临时性结构
转位接触点translocation contact site 电镜观察揭示内外膜有些接触点
转位接触点分布有蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体，称内膜转位子translocon of the inner membrane, Tim; 和外膜转位子translocon of the outer membrane, Tom
4.基质是氧化代谢的场所
✧基质matrix 内腔中充满的电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分
✧基质中含各种酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成
✧基质中含有双链环状DNA、70S核糖体有1~多个DNA拷贝，有独立遗传物质复制、
转录、翻译
5.基质的化学本质是ATP合酶
基粒，又称A TP合酶复合体，头部直径9nm，柄部长5nm，宽4nm
二、线粒体的化学组成
三、线粒体的遗传体系
（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组
mtDNA(mitochondrial DNA) 裸露、不与组蛋白结合，基质内
一个线粒体平均5~10个DNA分子，编码线粒体的t RNA、rRNA及一些线粒体蛋白质但大多数酶和蛋白质仍由细胞核DNA编码，在细胞质中合成，转送到线粒体中
线粒体基因组共16 569 bp，双链环状DNA，一条重链，一条轻链。只含少量非编码序列两条链编码物不同，共编码37个基因（线粒体中约有1000个基因产物）
13个蛋白质
37个基因
24个其他：2种rRNA分子（12S& 16S 重链）& 22种tRNA分子（14个重链8个轻链）
（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录
✧线粒体基因组的转录从两个主要启动子处开始：重链启动子heavy- strand promoter, HSP
和轻链启动子light-strand promoter, LSP
✧线粒体转录因子1(mitochondrial transcription factor 1, mtTFA) 参与线粒体转录调节
✧线粒体基因转录类似原核生物，产生一个多顺反子（polycistron）
reactive oxygen species名词解释✧线粒体mRNA不含内含子，少有非翻译区
✧起始密码AUG/AUA，起始氨基酸甲酰甲硫氨酸(原核) 终止密码UAA
✧线粒体DNA基因在线粒体内的核糖体上进行翻译，线粒体编码的RNA、蛋白质不运出线
粒体
✧线粒体核糖体蛋白质，在细胞质中合成，转入线粒体内
✧线粒体的所有tRNA都由mtDNA编码（线粒体的遗传密码和核基因的不完全相同）
（三）线粒体DNA的两条链有各自的复制起点
✧重链复制起始点origin of heavy-strand replication, OH 控制重链的自我复制，先复制
✧轻链复制起始点origin of light-stand replication, OL 控制轻链的自我复制，后复制
✧mtDNA的复制需要ＲＮＡ引物作为DNA合成的起始
✧线粒体的环状DNA复制过程持续2个小时；其复制周期不受细胞周期影响，可分布在整
个细胞周期
四、线粒体核编码蛋白质的转运
（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运
1.
输入到线粒体基质的蛋白质N（或名：导肽）
富含带正电荷的精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸(缺少酸性氨基酸)，20～80个氨基酸2.前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态
线粒体蛋白可溶性前体在核糖体内形成以后，
1)新生多肽相关复合物（nascent-associated complex，NAC）少数与之结合。NAC增加了蛋
白转运的准确性
2)热休克蛋白70（constitutive heat shock protein 70，hsc70）大多与之结合。防止前体蛋白形
成不可解开的构象，防止已疏松的前体蛋白聚集（aggregation）
3)导肽结合因子（presequence-binding factor，PBF）增加hsc70对线粒体蛋白的转运
4)线粒体输入刺激因子（mitochondrial import stimulatory factor，MSF）不依赖hsc70，单独发
挥ATP酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量
3.分子运动产生的动力协助多肽链穿过线粒体膜
布朗棘轮模型Brownian Rachet model（S.M.Simon提出作用机制）：转移多肽在线粒体膜上的蛋白孔道内，做布朗运动摇摆不定，一旦自发进入线粒体腔，立即有线粒体内的mtHsp70结合上去，防止肽链退回细胞质中；随着肽链进一步伸入线粒体腔，更多mtHsp70结合 mtHsp70（被描述为“转运发动机”，有牵拉作用）以一种高能构象结合前导肽，然后松弛为一种低能构象，促使前导肽进入，并迫使后面的肽链解链并进入
4.多肽链需要在线粒体基质内重新折叠才形成有活性的蛋白
✧肽链进入线粒体基质后，其导肽序列被基质作用蛋白酶matrix
processing protease, MPP 所切除
✧mtHsp70、mtHsp60、mtHsp10 协助肽链重新折叠，形成天
然构象
（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运
包括转进膜间腔、内膜上、外膜上；除含有MTS（matrix-targeting sequence），还有额外信号序列
1.蛋白质向线粒体膜间腔转运
膜间腔导入序列intermembrane space-targeting sequence, ISTS 膜间腔蛋白质均有，引导肽链进入膜间腔
膜间腔蛋白质N端先进入基质，并被酶切去MTS序列，然后依照ISTS的不同，有两种转运方式：
①整个肽链进入基质，结合mtHsp70折叠，并在ISTS引导下，通过内膜上通道，进入膜间腔
②ISTS起转移终止序列的作用，肽链C端不能转入内膜，并固定于内膜上，在膜间腔蛋白酶作用下，切除内膜上的ISTS部分，C端落于膜间腔（在此发挥作用）
第③种膜间腔蛋白质的转运方式：以直接扩散的方式，从胞质中通过
线粒体外膜上的类孔蛋白P70——类似原核生物孔蛋白，进入膜间腔
2.蛋白质向线粒体外膜和内膜转运
外膜蛋白类孔蛋白P70 研究较多，其MTS后有一段长的疏水序列，起着转移终止序列的作用，使之固定于外膜上
内膜上的蛋白质转运基质尚不清楚
五、线粒体的起源
线粒体可能起源于与古厌氧真核细胞共生的早期细菌。（共生假说）还有非共生学说。
六、线粒体的分裂&融合
（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的
自从线粒体DNA发现后，普遍接受线粒体是以分裂方式进行增殖的
线粒体的发生分两个阶段(接受细胞核、线粒体遗传系统的调控)：①分裂增殖②新生线粒体的分化
线粒体的分裂增殖方式：①出芽分裂②收缩分裂③间壁分裂
无论哪种增殖方式，线粒体分裂都不绝对均等，受细胞分裂一定影响
（二）mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒体中
同一个线粒体内，mtDNA可能有天然的野生型，还有少量突变型
复制分离：分裂时，mtDNA随机分配到新的线粒体中，导致mtDNA 异质性变化
①在分裂旺盛的细胞中，野生型与突变型比例发生遗传漂变，向同质性方向发展，只有野生型存在（分裂旺盛的细胞往往有排斥突变mtDNA的趋势）
②在分裂不旺盛的细胞中，突变型mtDNA具有复制优势，在胞质中积累越来越多，形成突变型的同质性细胞
（三）线粒体融合是有一系列相关蛋白介导的过程
线粒体的融合有利于促进线粒体的相互协作，可以使不同的线粒体之间的信息和物质得到相互交换。
七、线粒体的功能
1)主要功能：营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP
2)在摄取Ca2+和释放Ca2+起着重要的作用，线粒体和内质网共同调节胞质中Ca2+浓度
3)与细胞死亡有关。有时，线粒体是细胞死亡的启动环节；有时，是其一条通路（access）。
线粒体在能量代谢和自由基代谢过程中产生大量朝氧阴离子，并通过链式反应形成活性氧（reactive oxy
gen species，ROS），当ROS水平较低时，可促进细胞增生；当ROS水平较高时，使得线粒体内膜非特异性通透性孔道开放，不仅使得跨膜电位崩溃，也是细胞素c外漏，在启动caspase的级联活化，启动凋亡。
第二节细胞呼吸与能量转换
在细胞内线粒体的参与下，利用O 2，分解各种大分子，产生CO 2，并将代谢释放的能量储存于ATP 的过程，称 细胞呼吸，或 生物氧化 /细胞氧化
细胞呼吸是细胞内产生能量的主要途径，本质同燃烧一样，终产物都是：CO 2和H 2O ，释放的能量也相等
细胞呼吸的特点：
①线粒体中进行的 一系列由酶系催化的 氧化还原反应
②产生的能量储存于A TP 的高能磷酸键中
③整个反应分步进行，能量逐步释放
④反应在 恒温（37℃）恒压条件下进行（体内生理条件下）
⑤反应需要H 2O 的参与
细胞能量的转换分子——A TP
ATP 是一种 高能磷酸化合物，细胞呼吸释放的能量 储存于A TP 的高能磷酸键中
当细胞活动需要能量时，去磷酸化，断裂一个（或两个）高能磷酸键，释放能量
去磷酸化
A-P~P~P                A-P~P + Pi + 能量
磷酸化
随着细胞内能量的释放、储存，能量转换的 中间携带者，在ATP 与ADP 之间 不断进行互变 ATP 是 细胞内 直接供能者，是细胞内 能量获得、转换、储存、利用的 联系纽带 产生ATP 大概分为糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化三大过程.    图6-10
一、葡萄糖在细胞质中的糖酵解