细胞生物学课程第6章(线粒体与细胞的能量代谢)2015

（2）转位接触点
在线粒体内外膜上存在一些相互接触的位点，称为转位 接触点，主要用于蛋白质等物质进出线粒体的通道。 外膜转位子（Tom）：受体蛋白 内膜转位子（Tim）：通道蛋白
3.基质

多种酶类： 三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合 成的酶系。
遗传系统： 线粒体基因表达酶系、线粒体双链环状 DNA, RNA， 核糖体。
酵母线粒体主要酶复合物的生物合成
2.线粒体蛋白的合成对核基因具有依赖性




复制与转录需胞质 提供核基因编码的 多聚酶。 翻译需要胞质提供 核糖体大亚单位和 小亚单位的大部分 蛋白质与氨基酸。 tRNA上氨基酸的连 接需要的氨酰化合 成酶也是由胞质提 供。 基质内的三羧酸循 环酶系、内膜上的 电子传递链蛋白都 是胞质合成。
（一）形状
形状: 以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。
（二）分布


线粒体在细胞中的分布往往靠近ATP用量高的位置，例如：
心肌细胞中，线粒体位于靠近收缩器的部位，提供收缩所需的ATP. 精子中线粒体位于尾部，围绕鞭毛的中轴，鞭毛运动需要ATP.
（三）超微结构

线粒体是由双层单位膜套叠形成的封闭性膜囊结构。线粒体的超微结构按照功能可分为以下几 部分空间区隔： 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，允许10000以下的分子通过，通透性较高。 内膜(inner membrane ）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae ），含有与能量转换相关的 蛋白。 膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子，利用ATP 使其他核苷酸磷 酸化。 基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。
（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运
需要条件：
（1）基质导入序列（MTS)：
所有在细胞质合成的前体蛋白输入到线粒体 基质的N-端一段序列，富含精氨酸、赖氨酸、丝 氨酸和苏氨酸的。
（2）分子伴侣：保持前体蛋白的非折叠状态

NAC:新生多肽复合物，与少数前体蛋白相互作用，增加蛋 白质转运的准确性。 hsp70：热休克蛋白70，和大多数前体蛋白结合，打开折 叠，防止聚集。

细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径分解生成2分子丙酮酸， 形成2分子NADH+H+,并通过底物水平磷酸化方式净生成2个 ATP分子。
1.底物水平磷酸化

底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键 从底物转移到ADP上生成ATP。
2. NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体
糖酵解过程产生的还原当量（NADH+H+）本身不能通过线 粒体内膜，必须借助线粒体内膜上的特异性穿梭系统进入线 粒体。（图中显示了NADH的穿梭机制：苹果酸——天冬氨酸 穿梭和a-磷酸甘油穿梭系统（存在于脑和昆虫肌肉））
（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 进入线粒体其他部位（膜间隙、内膜 和外膜）的蛋白质，除了具有基质导入序 列（MTS)外，一般还有第二类信号序列， 它们通过与进入线粒体基质类似的机制进 入线粒体其它部位。
1.进入线粒体膜间隙
进入线粒体膜间隙的多肽， 有三种情况： 具有膜间隙导入序列 （ISTS）, 在基质导入序 列MTS引导下进入基质后， 再在ISTS引导下进入膜间 隙。 ISTS作为转移终止序列， 蛋白前体侧向运动插入内 膜后切除终止序列进入膜 间隙。 直接通过外膜上的特定通 道进入膜间隙（如细胞色 素C通过外膜上的类孔蛋 白P70进入膜间隙。
1.转运过程

前体蛋白合成后与胞质hsp70蛋白结合，然后结合到线粒体受体蛋白上。 前体蛋白在受体帮助下前导序列进入内外膜连接处的蛋白通道内。 线粒体内的hsp70蛋白与进入线粒体腔的前导肽链交联结合，阻止了肽链退回细胞质（布 朗棘轮模型） 线粒体内的基质作用蛋白酶（MPP)切除前导肽序列，肽段在hsp70和hsp10及hsp60的协助 下重新折叠成有活性的蛋白。
2.线粒体具有与核基因不同的遗传密码
（二）线粒体蛋白质合成
●线粒体合成蛋白质的种类十分有限
●线粒体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性
●不同来源的线粒体基因，表达产物既有共性，也存在差异
1.线粒体合成蛋白质的种类十分有限

线粒体的蛋白质来源两部分： 绝大部分（1000多种蛋白质）是由核DNA编码，在细胞质基质的核糖 体上合成，再转运到线粒体各部分； 少数是由mtDNA编码，在线粒体的核糖体上合成（仅十余种）。 人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚 基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。
四、核编码蛋白质的线粒体转运


线粒体DNA编码37个基因，其它约1000个基因产物需由核基 因编码并在胞质中合成后转运到线粒体。 翻译后转运，胞质合成的线粒体蛋白质由游离的核糖体合 成。在转运前，以非折叠的前体形式（N端的导肽+ 成熟蛋 白）存在。 线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽（导肽）牵引 蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基 质。

二、线粒体的化学组成
（一) 线粒体组分分离方法 （二）线粒体的化学组成 （三）线粒体酶的定位
（一）线粒体组分分离方法
低渗溶液中，水引 起外膜崩裂，释放 出膜间隙物质。 离心得到不能沉 淀的部分为膜间 隙物质 沉淀转移到高渗溶 液中引起收缩。
膜间隙物质
密度梯度离心分 离出外膜
裂解并离心分离 出内膜和基质。
的特征。
（二）内共生假说的不足之处
从进化角度，不能解释在代谢上明显占优势的共生体
反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？
线粒体基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因
组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点， 那么线粒体内含子从何发生？
第二节 细胞呼吸与能量转换
一、细胞呼吸
细胞呼吸的概念： 在特定细胞器（主要是线粒体）内，在 O2的参与下，分解各种大分子物质，产生 CO2；同时，分解代谢释放的能量储存于ATP 中的过程，称为细胞呼吸，也称生物氧化 或细胞氧化。
（三）线粒体酶的定位与标志酶
线粒体是含酶最多的细胞器：120多种，分布不同的部位。
部 位
外膜
酶 的 名 称
单胺氧化酶 NADH-细胞色素c还原酶（ 对鱼藤酮不敏感） 犬尿酸羟化酶 酰基辅酶A合成酶
部
位 内膜
酶 的 名 称
细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶 ATP合成酶系 琥珀酸脱氢酶 β -羟丁酸和β -羟丙酸脱氢酶 肉毒碱酰基转移酶 丙酮酸氧化酶 NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感） 柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系、 天冬氨酸转氨酶、 蛋白质和核酸合成酶系、 丙酮酸脱氢酶复合物
执行氧化反应的电子传递链 ATP合成酶 线粒体内膜转运蛋白
（1）线粒体内膜嵴上的亚单位

内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴有两种类型：①板层 状、②管状，但多呈板层状。 嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子） 和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。基粒又称为ATP合 成酶
线粒体DNA（mtDNA）形状、大小、数量等特征：
◆双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) ◆mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大（高等植 物：120kbp~200kbp） ◆ 人 mtDNA ： 16,569bp ， 37 个 基 因 ( 编 码 12S,16S rRNA ； 22 种
膜间隙
腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶
基质
三、线粒体的遗传与表达体系

线粒体是半自主性的细胞器： 自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗 传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构 建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息 (自主性有限)。
（一）线粒体有自己的基因组 ——线粒体DNA
（一）细胞呼吸的特点
（二）细胞的能量转换
（三）有氧呼吸三个阶段的比较
有氧呼吸 场所 反应物 葡萄糖 产物 释能
第一阶段
（糖酵解）
细胞质 基质 线粒体
线粒体
丙酮酸 [H]
少量
第二阶段
（三羧酸循环）
丙酮酸
[H]、O2
CO2、[H] 少量
H 2O 大量
第三阶段
（氧化磷酸化）
（四）第一阶段——糖酵解
内膜形成的囊泡 基质物质 外膜形成的囊泡
（二）线粒体的化学组成
◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)-内膜和基质上 ◆脂类(线粒体干重的25～30％)：
·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，
内膜主要是心磷脂。
·线粒体脂类和蛋白质的比值:
内膜 1: 4 外膜 1: 1 ◆DNA、RNA、维生素和各类无机离子
1.外膜

膜厚约5-7nm，含 50%的脂类和50%的 蛋白质，具有多种 转运蛋白，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，1KD以 下的分子可自由通 过。标志酶为单胺 氧化酶。
2.内膜



厚约4.5nm，含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高 于4:1。 心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。 通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子 和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，内膜的标志酶 为细胞色素C氧化酶。 线粒体膜上与能量转换相关的蛋白：
◆线粒体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。 ◆有自己完整的蛋白质合成系统，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真 核生物。 ◆两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌 质膜相似。 ◆以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。