线粒体基因组结构与疾病mitochondria
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mt基质加工肽酶（matrix processing peptidase）： 切除导肽
加工肽酶激酶（processing-enhancing protein， PEP）：可提高MPP活性至50倍
基质中间肽酶（matrix intermediate peptidase， MIP）：切除第二段导肽
受体
蛋白前体输入mt，首先与mt外膜表面的受体相 结合
受体类型： MOM19和MOM72（moitochondrial outer membrane，MOM）从粗糙脉孢菌（neurospore crassa）中分离出来
MOM19能与大多数具有导肽的前体蛋白识别与 结合，是主要的受体蛋白质，用抗MOM19抗体 阻断MOM19，线粒体四个亚区（外膜、膜间隙、 内膜和基质）的蛋白输入均受抑制。MOM19均 匀分布在整个mt外膜表面
1963年，Nass观察到线粒体内存在DNA分子， 随后发现线粒体具备自主遗传信息传递的酶类， 如DNA聚合酶、RNA聚合酶、核蛋白酶、氨基 酸活化酶等。
1981年，Anderson完成了人类线粒体基因组 全部序列的测定。
1986年，Chomyn等明确了mtDNA编码的所 有基因及其定位。
1988年，Holt发表文章证实mt DNA缺失与线粒体 肌病的关系；Wallace发表文章证实mt DNA错义 突变与Leber´s 母系遗传性视神经病变（LHON） 的关系。由此提出了“线粒体DNA病” （mitochondrial DNA diseases)的概念。研究发现 mt DNA异常与许多重大疾病相关，比如心脏病、 糖尿病、早老性痴呆（Alzheimer´s Diseases）、 帕金森氏病（Parkinson´s Diseases）和衰老 （ageing）。
与受体结合的前体蛋白最终经共同输 入通道进入mt，MOM38（酵母ISP42） 是外膜输入通道蛋白质
广义的受体复合物包括受体蛋白和GIP， 或称receptor-GIP复合体
转位接触点 （translocation contact site ， membrane adhesion site）
mt DNA上插入一段核苷酸片段形成 mt DNA基因序列的重复。
二、mt DNA异常所致的经典疾病——线粒体肌病 （mitochondrial myopathy）
三、mt DNA异常与衰老和神经退行性疾病
1. Mt DNA异常与衰老
衰老的自由基学说
氧自由基积累——mt DNA损伤，超过一定阈值 （threshold）——细胞中线粒体结构、功能退化—— 细胞OXPHS（oxidative phosphorylation）能力下降， ATP生成减少——细胞衰老或死亡，主要累及代谢旺 盛器官：脑、肌肉、心脏等。
受体间可形成复合体：如 MAS37-MAS70亚复合体
MAS20-MAS22亚复合体
两种亚复合体可形成四聚体复合体，与前体分子的 不同区域结合。
共同输入通道（common import site ，channel， pore or general insertion protein， GIP ）
干细胞mt DNA异常导致家族性疾病；体细胞 mt DNA异常导致散发性疾病和年龄相关性疾 病。
类型：点突变：（编码基因：结构基因、tRNA和
rRNA基因；非编码区）
缺失： 缺失类型多样，最常见是
4997bp（5kb普通缺失）。
插入重复（insertions and duplication）：
和mRNA，不含信息的其余90%很快被分解。 转录后加工：
tRNA -CCA尾；mRNA -polyA尾 mRNA 5’端无帽子结构 基因无内含子，mRNA不需剪接（低等酵母有内含子)
线粒体转录因子（mTF1）：增强RNA聚合酶 对启动区域序列的辨认。
线粒体转录终止因子（mTERF）：结合在 16s rRNA基因和tRNA leu基因之间，阻断 HSP1启动的转录，而对HSP2无效。
小部分由mt DNA编码
大部分由核DNA编码，合成之后输入mt
由核基因编码的mt蛋白质见下表
蛋白质输入线粒体过程中需要的重要成分
蛋白质前体（precursor）分子中的导肽 （presequences）
通常位于前体分子的N末端，约20到80氨基 酸。
导肽分子内含有靶向信号（targeting signal） 负责靶向和辨认线粒体膜受体；有的导肽分 子中在靶向信号下游尚含定位信号 （localization signal），决定蛋白质分子在线 粒体中的具体定位，如内膜、膜间腔等）
1900年，Michacles用Janus green B染色细胞， 发现Mt可借氧化还原反应使染料变色，提出 Mt是细胞氧化的场所。
1946年 Claude用差速离心法获得线粒体组 分。
1950年，Schneider和Hogeboom用蔗糖密 度梯度离心法分离得到Mt细胞器。
1952年，Palad和Sjostrand用电镜观察到Mt超微 结构。
1948年Green证明了Mt含有全部三羧循环的酶。
1949年，Kennedy和Lehninger发现脂肪酸的氧 化在线粒体进行。
1965年，Racher证实线粒体内膜突出的 球形颗粒为ATP合酶。
1976年，Hatcfi纯化了呼吸链四个独立的 复合体，明确了Mt内膜的酶系组成。
1980年，Mitchell提出了氧化磷酸化偶联的化 学渗透学说（chemiosmotic theory）。
MW 小，较易纯化
一、mt DNA基因组结构
裸露的闭合环状DNA分子，占细胞总DNA 的1%
人全长16569 bp（14-18kb）
不与组蛋白结合，不含内含子
由重链（H）和轻链（L）二链组成，H富 含嘌呤，L富含嘧啶，密度离心分为两条带 而得名
编码37个基因：22个tRNA编码基因
2个rRNA编码基因
MOM72定位与MOM19相似，位于外膜，N-末端 疏水序列锚定于外膜，其余部分亲水片段游离于 胞液中。MOM72能与不含可切除导肽的蛋白质 分子特异性结合。
MAS20和MAS70（mitochondrial assembly，MAS） 从酵母中分离得到，其结构和功能与MOM19和 MOM72相同。
内膜蛋白酶I（inner membrane peptidase I）：切 除位于膜间隙和内膜的蛋白质前体第二段导肽
线粒体蛋白质输入过程中的重要分子（图示）
§ 3 Mt 基因组结构异常与疾病
线粒体病： mt异常影响细胞能量供应，从而影响细胞的正常
功能，所致疾病称为线粒体病（mitochondrial diseases）。常累及脑、肌肉和眼等对能量需求 较高的组织和器官。
欢迎
绪论 线粒体的功能：真核细胞的重要细胞器，
能量转换系统或细胞动力站 线粒体的发现及其研究：
1894年，Altmann用显微镜观察到动物细胞中 存在颗粒状，杆状结构，命名为生命小体， 认为系细菌共生于细胞内产生（内共生假说）
1897年，Benda将其命名为线粒体 （mitochondrion）
线粒体DNA病：mt病的研究已从mt的形态功能变化进入到
分子水平，mt 基因组（DNA）结构的异常所导 致的疾病，或相关疾病称为线粒体DNA病。
一、mt DNA结构异常的主要类型
mt DNA易受损伤：无组蛋白和DNA结合蛋 白的保护；复制快速但无校读功能（proofreading）；缺乏修复机制；mt DNA突变率较 核DNA高17倍
四、mt 蛋白质合成 所有RNA，均由mt DNA编码，无 RNA输入 Pr合成在mt独有的55s核糖体上进行，并形成 多聚体
28s 39s 12s 16s rRNA
mt遗传密码表与通用密码表不同——见书表 22种tRNA（细胞质中存在32种），反密码子与密码子配对不
严格
Pr合成体系与原核细菌相似： 由N-甲酰蛋氨酸tRNA起始 放线菌酮——抑制胞质蛋白合成，不抑制mt和细菌 氯霉素——抑制细菌和mt蛋白合成，不抑制胞质蛋白合 成
半保留方式——同核基因组，但不局限在S期
只有一个复制起始点——和原核生物一致 （质粒一个复制起始点，但为双向复制）
OH——位于D环区（12点至1点之间），顺时 针复制，循环一周，DNA聚合酶为核基因编 码
OL——位于9点，当H链复制到此处时，开始 复制，逆时循环一周
复制结束形成 2条H 2条L
导肽的氨基酸组成 ：
富含带正电荷的碱性氨基酸，有助于 于和mt表面受体结合并进入带负电荷 的mt基质
富含羟基氨基酸，如丝氨酸
缺乏或少见酸性氨基酸
此种氨基酸组成有利于形成双亲性的 螺旋结构，有利于穿过mt外膜脂质双 分子层
少数多肽没有可切除导肽：如ADP/ATP carrier （AAC），其定位信号位于三个同 源片段的C末端，将其定位于内膜；外膜 孔蛋白没有可切除导肽，但在N端有定位 信号；位于膜间隙的cyt C没有导肽，尚不 清楚其定位信号。
分子伴侣（molecular chaperones）
分子伴侣介导多肽链形成正确的组装和空 间构象，但它们本身并不参与最终构象的 组成。分子伴侣大多数是热休克蛋白 （heat shock protein，HSP）
mt蛋白质输入过程中分子伴侣起重要作用：导 肽转位；蛋白质前体胞液片段解折叠；蛋白前 体跨膜运动；新输入的蛋白质在mt基质中重新 折叠成自然构象。
转录、翻译紧密连接：多聚核糖体与DNA相连（二者均 在mt基质内，无核结构分隔）
五、mt 的半自主性 半自主性：只能合成自身需求的蛋白质等物质 的一部分
多数由核基因编码，在胞质合成然后转入Mt Mt复制、转录、翻译对核基因有一定的依赖 性，受到核基因的控制。
- 细胞质中蛋白质输入线粒体
组成 mt蛋白质来源
§ 1 Mt 的形态结构 一、形态、数目和分布
形态：多种多样，常见线状、颗粒状。 数目：每个细胞内含Mt数目差异很
大，需能多的细胞数目多。 分布：位于需能较多的部位
二、结构 Mt 的电子显微镜超微结构（ see next page） 内膜 外膜 嵴和基粒 基质：各种生物氧化的酶，mt DNA和其他信息 分子
当蛋白质前体进入mt时，从mt 外膜、内膜之 间接触点插入，外膜受体和输入通道位于或 接近于接触点处。
内膜蛋白质输入装置 主要由MIM17，23和44构成 MIM17，23形成通道 MIM44（酵母ISP45）和mit-Hsp 70合作 起转位作用将蛋白质推进至基质 前体蛋白质进入内膜需要ATP和膜电位 ψ
13个多肽基因：
复合体I （NADH-CoQ氧化还原酶，ND ）中7个基 因， ND 1，2，3，4，4L, 5，6
复合体IV （cyt 氧化酶，CO ） CO -I，II，III三个基 因
复合体III中的一个亚基cyt b 复合体V 中Fo二个亚基ATPase 6，ATPase 8
二、mt DNA 复制
参与mt蛋白质输送过程的HSP主要是ct-HSP70 和mt-HSP70。ct-HSP70具有解折叠酶活性，防 止新生肽链的结合，聚积；mt-HSP70在肽链未 进入mt基质前维持蛋白质的解折叠状态，推进 多肽链进入基质；进入基质后，mt-HSP70具有 使多肽链重新折叠成正确构象的作用。
新输入的蛋白质加工过程
2分子mtDNA
复制时间 ：2小时 只有一个共同的启动子，位于D环区——与 核基因不同 HSP和LSP分别启动各自链的转录 HSP1—— 生成两个r RNA，tRNA phe、 tRNA val HSP2——生成其他tRNA和mRNA
转录含有一条DNA链的全长拷贝 转录生成后在限制性内切酶作用下，裂解成rRNA、tRNA
三、再生和起源 1. 再生：重新合成 起源于非Mt结构 现存线粒体的分裂：同位素Mt膜标 记实验证实该学说。 2. 起源： 内共生假说及存在问题 分化假说及存在问题
§ 2 Mit 基因组结构与遗传信息传递
1963、64年发现 mt DNA 1981年，人、小鼠 mt DNA全序列测定 1989年，大鼠 mt DNA全序列测定 研究DNA结构及信息传递的良好模型——
加工肽酶激酶（processing-enhancing protein， PEP）：可提高MPP活性至50倍
基质中间肽酶（matrix intermediate peptidase， MIP）：切除第二段导肽
受体
蛋白前体输入mt，首先与mt外膜表面的受体相 结合
受体类型： MOM19和MOM72（moitochondrial outer membrane，MOM）从粗糙脉孢菌（neurospore crassa）中分离出来
MOM19能与大多数具有导肽的前体蛋白识别与 结合，是主要的受体蛋白质，用抗MOM19抗体 阻断MOM19，线粒体四个亚区（外膜、膜间隙、 内膜和基质）的蛋白输入均受抑制。MOM19均 匀分布在整个mt外膜表面
1963年，Nass观察到线粒体内存在DNA分子， 随后发现线粒体具备自主遗传信息传递的酶类， 如DNA聚合酶、RNA聚合酶、核蛋白酶、氨基 酸活化酶等。
1981年，Anderson完成了人类线粒体基因组 全部序列的测定。
1986年，Chomyn等明确了mtDNA编码的所 有基因及其定位。
1988年，Holt发表文章证实mt DNA缺失与线粒体 肌病的关系；Wallace发表文章证实mt DNA错义 突变与Leber´s 母系遗传性视神经病变（LHON） 的关系。由此提出了“线粒体DNA病” （mitochondrial DNA diseases)的概念。研究发现 mt DNA异常与许多重大疾病相关，比如心脏病、 糖尿病、早老性痴呆（Alzheimer´s Diseases）、 帕金森氏病（Parkinson´s Diseases）和衰老 （ageing）。
与受体结合的前体蛋白最终经共同输 入通道进入mt，MOM38（酵母ISP42） 是外膜输入通道蛋白质
广义的受体复合物包括受体蛋白和GIP， 或称receptor-GIP复合体
转位接触点 （translocation contact site ， membrane adhesion site）
mt DNA上插入一段核苷酸片段形成 mt DNA基因序列的重复。
二、mt DNA异常所致的经典疾病——线粒体肌病 （mitochondrial myopathy）
三、mt DNA异常与衰老和神经退行性疾病
1. Mt DNA异常与衰老
衰老的自由基学说
氧自由基积累——mt DNA损伤，超过一定阈值 （threshold）——细胞中线粒体结构、功能退化—— 细胞OXPHS（oxidative phosphorylation）能力下降， ATP生成减少——细胞衰老或死亡，主要累及代谢旺 盛器官：脑、肌肉、心脏等。
受体间可形成复合体：如 MAS37-MAS70亚复合体
MAS20-MAS22亚复合体
两种亚复合体可形成四聚体复合体，与前体分子的 不同区域结合。
共同输入通道（common import site ，channel， pore or general insertion protein， GIP ）
干细胞mt DNA异常导致家族性疾病；体细胞 mt DNA异常导致散发性疾病和年龄相关性疾 病。
类型：点突变：（编码基因：结构基因、tRNA和
rRNA基因；非编码区）
缺失： 缺失类型多样，最常见是
4997bp（5kb普通缺失）。
插入重复（insertions and duplication）：
和mRNA，不含信息的其余90%很快被分解。 转录后加工：
tRNA -CCA尾；mRNA -polyA尾 mRNA 5’端无帽子结构 基因无内含子，mRNA不需剪接（低等酵母有内含子)
线粒体转录因子（mTF1）：增强RNA聚合酶 对启动区域序列的辨认。
线粒体转录终止因子（mTERF）：结合在 16s rRNA基因和tRNA leu基因之间，阻断 HSP1启动的转录，而对HSP2无效。
小部分由mt DNA编码
大部分由核DNA编码，合成之后输入mt
由核基因编码的mt蛋白质见下表
蛋白质输入线粒体过程中需要的重要成分
蛋白质前体（precursor）分子中的导肽 （presequences）
通常位于前体分子的N末端，约20到80氨基 酸。
导肽分子内含有靶向信号（targeting signal） 负责靶向和辨认线粒体膜受体；有的导肽分 子中在靶向信号下游尚含定位信号 （localization signal），决定蛋白质分子在线 粒体中的具体定位，如内膜、膜间腔等）
1900年，Michacles用Janus green B染色细胞， 发现Mt可借氧化还原反应使染料变色，提出 Mt是细胞氧化的场所。
1946年 Claude用差速离心法获得线粒体组 分。
1950年，Schneider和Hogeboom用蔗糖密 度梯度离心法分离得到Mt细胞器。
1952年，Palad和Sjostrand用电镜观察到Mt超微 结构。
1948年Green证明了Mt含有全部三羧循环的酶。
1949年，Kennedy和Lehninger发现脂肪酸的氧 化在线粒体进行。
1965年，Racher证实线粒体内膜突出的 球形颗粒为ATP合酶。
1976年，Hatcfi纯化了呼吸链四个独立的 复合体，明确了Mt内膜的酶系组成。
1980年，Mitchell提出了氧化磷酸化偶联的化 学渗透学说（chemiosmotic theory）。
MW 小，较易纯化
一、mt DNA基因组结构
裸露的闭合环状DNA分子，占细胞总DNA 的1%
人全长16569 bp（14-18kb）
不与组蛋白结合，不含内含子
由重链（H）和轻链（L）二链组成，H富 含嘌呤，L富含嘧啶，密度离心分为两条带 而得名
编码37个基因：22个tRNA编码基因
2个rRNA编码基因
MOM72定位与MOM19相似，位于外膜，N-末端 疏水序列锚定于外膜，其余部分亲水片段游离于 胞液中。MOM72能与不含可切除导肽的蛋白质 分子特异性结合。
MAS20和MAS70（mitochondrial assembly，MAS） 从酵母中分离得到，其结构和功能与MOM19和 MOM72相同。
内膜蛋白酶I（inner membrane peptidase I）：切 除位于膜间隙和内膜的蛋白质前体第二段导肽
线粒体蛋白质输入过程中的重要分子（图示）
§ 3 Mt 基因组结构异常与疾病
线粒体病： mt异常影响细胞能量供应，从而影响细胞的正常
功能，所致疾病称为线粒体病（mitochondrial diseases）。常累及脑、肌肉和眼等对能量需求 较高的组织和器官。
欢迎
绪论 线粒体的功能：真核细胞的重要细胞器，
能量转换系统或细胞动力站 线粒体的发现及其研究：
1894年，Altmann用显微镜观察到动物细胞中 存在颗粒状，杆状结构，命名为生命小体， 认为系细菌共生于细胞内产生（内共生假说）
1897年，Benda将其命名为线粒体 （mitochondrion）
线粒体DNA病：mt病的研究已从mt的形态功能变化进入到
分子水平，mt 基因组（DNA）结构的异常所导 致的疾病，或相关疾病称为线粒体DNA病。
一、mt DNA结构异常的主要类型
mt DNA易受损伤：无组蛋白和DNA结合蛋 白的保护；复制快速但无校读功能（proofreading）；缺乏修复机制；mt DNA突变率较 核DNA高17倍
四、mt 蛋白质合成 所有RNA，均由mt DNA编码，无 RNA输入 Pr合成在mt独有的55s核糖体上进行，并形成 多聚体
28s 39s 12s 16s rRNA
mt遗传密码表与通用密码表不同——见书表 22种tRNA（细胞质中存在32种），反密码子与密码子配对不
严格
Pr合成体系与原核细菌相似： 由N-甲酰蛋氨酸tRNA起始 放线菌酮——抑制胞质蛋白合成，不抑制mt和细菌 氯霉素——抑制细菌和mt蛋白合成，不抑制胞质蛋白合 成
半保留方式——同核基因组，但不局限在S期
只有一个复制起始点——和原核生物一致 （质粒一个复制起始点，但为双向复制）
OH——位于D环区（12点至1点之间），顺时 针复制，循环一周，DNA聚合酶为核基因编 码
OL——位于9点，当H链复制到此处时，开始 复制，逆时循环一周
复制结束形成 2条H 2条L
导肽的氨基酸组成 ：
富含带正电荷的碱性氨基酸，有助于 于和mt表面受体结合并进入带负电荷 的mt基质
富含羟基氨基酸，如丝氨酸
缺乏或少见酸性氨基酸
此种氨基酸组成有利于形成双亲性的 螺旋结构，有利于穿过mt外膜脂质双 分子层
少数多肽没有可切除导肽：如ADP/ATP carrier （AAC），其定位信号位于三个同 源片段的C末端，将其定位于内膜；外膜 孔蛋白没有可切除导肽，但在N端有定位 信号；位于膜间隙的cyt C没有导肽，尚不 清楚其定位信号。
分子伴侣（molecular chaperones）
分子伴侣介导多肽链形成正确的组装和空 间构象，但它们本身并不参与最终构象的 组成。分子伴侣大多数是热休克蛋白 （heat shock protein，HSP）
mt蛋白质输入过程中分子伴侣起重要作用：导 肽转位；蛋白质前体胞液片段解折叠；蛋白前 体跨膜运动；新输入的蛋白质在mt基质中重新 折叠成自然构象。
转录、翻译紧密连接：多聚核糖体与DNA相连（二者均 在mt基质内，无核结构分隔）
五、mt 的半自主性 半自主性：只能合成自身需求的蛋白质等物质 的一部分
多数由核基因编码，在胞质合成然后转入Mt Mt复制、转录、翻译对核基因有一定的依赖 性，受到核基因的控制。
- 细胞质中蛋白质输入线粒体
组成 mt蛋白质来源
§ 1 Mt 的形态结构 一、形态、数目和分布
形态：多种多样，常见线状、颗粒状。 数目：每个细胞内含Mt数目差异很
大，需能多的细胞数目多。 分布：位于需能较多的部位
二、结构 Mt 的电子显微镜超微结构（ see next page） 内膜 外膜 嵴和基粒 基质：各种生物氧化的酶，mt DNA和其他信息 分子
当蛋白质前体进入mt时，从mt 外膜、内膜之 间接触点插入，外膜受体和输入通道位于或 接近于接触点处。
内膜蛋白质输入装置 主要由MIM17，23和44构成 MIM17，23形成通道 MIM44（酵母ISP45）和mit-Hsp 70合作 起转位作用将蛋白质推进至基质 前体蛋白质进入内膜需要ATP和膜电位 ψ
13个多肽基因：
复合体I （NADH-CoQ氧化还原酶，ND ）中7个基 因， ND 1，2，3，4，4L, 5，6
复合体IV （cyt 氧化酶，CO ） CO -I，II，III三个基 因
复合体III中的一个亚基cyt b 复合体V 中Fo二个亚基ATPase 6，ATPase 8
二、mt DNA 复制
参与mt蛋白质输送过程的HSP主要是ct-HSP70 和mt-HSP70。ct-HSP70具有解折叠酶活性，防 止新生肽链的结合，聚积；mt-HSP70在肽链未 进入mt基质前维持蛋白质的解折叠状态，推进 多肽链进入基质；进入基质后，mt-HSP70具有 使多肽链重新折叠成正确构象的作用。
新输入的蛋白质加工过程
2分子mtDNA
复制时间 ：2小时 只有一个共同的启动子，位于D环区——与 核基因不同 HSP和LSP分别启动各自链的转录 HSP1—— 生成两个r RNA，tRNA phe、 tRNA val HSP2——生成其他tRNA和mRNA
转录含有一条DNA链的全长拷贝 转录生成后在限制性内切酶作用下，裂解成rRNA、tRNA
三、再生和起源 1. 再生：重新合成 起源于非Mt结构 现存线粒体的分裂：同位素Mt膜标 记实验证实该学说。 2. 起源： 内共生假说及存在问题 分化假说及存在问题
§ 2 Mit 基因组结构与遗传信息传递
1963、64年发现 mt DNA 1981年，人、小鼠 mt DNA全序列测定 1989年，大鼠 mt DNA全序列测定 研究DNA结构及信息传递的良好模型——