细胞生物学 第七章

起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸
3. 线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同 4. UAA的终止密码位于mRNA的3ˊ端。某些情况下， 一个碱基U就是mtDNA体系中的终止密码子。
线粒体与核密码子编码氨基酸比较
密码子
UGA AGA AGG 核密码子编 码氨基酸 终止密码子 精氨酸 线粒体密码子编码氨基酸
哺乳动物
线粒体的内、外膜上存在着一些内膜与外膜相互接触的
地方为转位接触点（translocation contact site）。是蛋白质等
物质进出线粒体的通道。
线粒体相对独立的遗传体系
线粒体基因组：双链环状的DNA分子
人线粒体基因组
（剑桥序列） 16569 bp， 重链（H） 轻链（L ）
37 基因： 2 rRNA 22 tRNA 13蛋白质
1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进 行染色，发现线粒体具有氧化作用。
具有脂溶性，有染色能力 的基团带正电，结合在负 电性的线粒体内膜上。 内膜的细胞色素c氧化酶使 染料保持氧化状态，呈现 蓝绿色， 在胞质内，染料被还原成 无色。
詹纳斯绿B染色后，光学显微镜下（放大100倍） 线粒体的大小、形状、数量和结构。
（三）分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜
前体蛋白一旦和受体结合后，就要和外膜及内 膜上膜通道发生作用才可进入线粒体。在此过程中， 一种也为分子伴侣的线粒体基质hsc70（mthsp70） 可与进入线粒体腔的前导肽链交联，提示mthsp70参 与了蛋白质的转运。
1940年 Claude A (1940) Particulate components of normal and tumor cells. Science 91: 77-78.
1946 年Albert Claude concluded that cytochrome oxidase and other enzymes responsible for the respiratory chain were isolated to the mitchondria by tissue fractionation。 1948年Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，
images.yahoo.com
Transmission electron micrograph of mitochondria in a brown adipose cell from a bat. These spherical mitochondria are large, as seen when compared to the nucleus at UP of the image. Despite the size of the mitochondria, the cristae still span the entire. images.yahoo.com
在哺乳动物的胞质中存在着： 前体蛋白的结合因子（presequence-binding factor，PBF），它能够增加hsc70对线粒体蛋白的
转运；
线粒体输入刺激因子（mitochondrial import
stimulatory factor，MSF），常单独发挥着ATP酶
的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。
1931年Otto Heinrich Warburg因“发现呼吸酶的性 质及作用方式”被授予诺贝尔生理学或医学奖。
"discovery of the nature and mode of action of the respiratory enzyme."
While working at the Marine Biological Station, Warburg performed research on oxygen consumption in sea urchin eggs after fertilization, and proved that upon fertilization, the rate of respiration increases by as much as sixfold.
线粒体的形态学
Meissner Barbara
显微结构
詹纳斯绿 Janus Green B
一种活体染色剂，专一用于线粒体的染色。它可以和线粒体中的细胞 色素C氧化酶结合，从而出现蓝绿色。
光镜下的线粒体呈线状、粒状或杆状等，直径 0.5～1.0μm。不同类型或不同生理状态的细胞，其 线粒体的形态、大小、数目及排列分布常不相同。
线粒体基因编码的蛋白质
13个基因
NADH-CoQ还原酶复合体（复合体Ⅰ）亚基（ND1、 ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6） 7个基因 CoQH2-细胞色素c还原酶复合体（复合体Ⅲ）中细 胞色素b 的亚基。 1个基因 细胞色素c氧化酶（COX）复合体（复合体Ⅳ）催 化活性中心的亚单位（COXⅠ、COXⅡ和 COXⅢ）；3个基因 ATP合酶复合体（复合体Ⅴ）F0部分的2个亚基 （A6和A8） 2个基因。
基质为物质氧化代谢提供场所
线粒体内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等
成分，称之为基质（matrix）。线粒体中催化三羧酸循环、脂肪
酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中。
还含有线粒体独特的双链 环状DNA、核糖体，这些构成 了线粒体相对独立的遗传信息 复制、转录和翻译系统。
内外膜转位接触点：核编码蛋白质进入线粒体的通道
腔以及插入到内膜和外膜上。
基质导入顺序 （matrix-targeting sequence，MTS）
输入到线粒体的蛋白质都在其N-端具有一段线粒体
靶序列称为基质导入顺序
线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合各种不同
的但相关的MTS。
部分核编码的线粒体蛋白
线粒体定位
基质
蛋白质
乙醇脱氢酶（酵母） 氨甲酰磷酸合酶（哺乳动物） 柠檬酸合酶（citrate synthase）与其他柠檬酸酶 DNA聚合酶 F1ATP酶亚单位α（除植物外），β、γ、δ（某些真菌） Mn2+超氧物岐化酶 鸟氨酸转氨酶（哺乳动物） 鸟氨酸转氨甲酰酶（哺乳动物） 核糖体蛋白质 RNA聚合酶 ADP/ATP 反向转运体（antiporter） 复合体Ⅲ亚基1、2、5（铁-硫蛋白）、6、7 复合体Ⅳ（COX）亚基4，5，6，7 F0ATP酶 生热蛋白（thermogenin）
细胞色素b 的亚基、
ATP合酶的第6亚单位和第8亚单位（A6、A8）
轻链编码
8个tRNA ND6
线粒体基因的转录
重链启动子（heavy-strand promoter，HSP）
轻链启动子（light-strand promoter，LSP）
1. 线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区
2. 每个mRNA5ˊ端的起始密码为AUG（或AUA），
线粒体基因组图谱
重链编码
12SrRNA、16SrRNA、
14个tRNA NADH-CoQ氧化还原酶1（NADH-CoQ oxidoreductase 1，
ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、
细胞色素C氧化酶1（cytochrome coxidase Ⅰ, COXⅠ）、 COXⅡ、COXⅢ、
线粒体靶序列引导核编码蛋白质向线粒体转运
（一）核编码蛋白在进入线粒体需要分子伴侣蛋白的协助
线粒体内含有1000～1500种蛋白质，除上述的13种多肽外， 98％以上是由细胞核DNA编码。 线粒体含有4个蛋白质输入的亚区域： 线粒体外膜 膜间隙 线粒体内膜 基质
其中绝大多数线粒体蛋白被输入到基质，少数输入到膜间
内膜向基质折叠形成特定的内部空间
内膜（inner membrane）比外膜稍薄，平均厚
4.5nm，也是一层单位膜。内膜的化学组成中20%是
脂类，80%是蛋白质。
基粒分为头部、柄部和基片三
部分，是由多种蛋白质亚基组 成的复合体。
基粒头部具有酶活性，能催化
ADP磷酸化生成ATP，因此， 基粒又称ATP合酶复合体 （ATP synthase complex）。
一个是在轻链上，称为轻链复制起始点（OL），位 于环L的“8点钟”位置，它控制轻链子链DNA的 自我复制。
Dividing Mitochondria
Who else divides like that?
What does this tell us about the evolution of eukaryotes?
Die Elementarorganismen und ihre Beziehungen zu den Zellen. 1898年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion。
The word mitochondrion comes from the Greek μίτος mitos, thread, + χονδρίον chondrion, granule. （复数mitochondria）
1949年Kennedy和Lehninger发现脂肪酸氧化成为CO2的过 程是在线粒体内完成的，
1968-1976年the genetic and physical map of yeast mitochondria
1976年Hatefi等纯化了呼吸链四个独立的复合体。
1961－1980年Mitchell提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。
前体蛋白与MSF所形成的复合体能进一步与外 膜上的一套受体Tom37和Tom70相结合。
Tom37和Tom70把前体蛋白转移到第二套受体 Tom20和Tom22，同时释放MSF。 与前体蛋白结合的受体Tom20和Tom22与外膜 上的通道蛋白Tom40（第三套受体）相偶联。 后者与内膜的接触点共同组成一个直径为 1.5~2.5nm的越膜通道（tim17受体系统, 非折叠的 前体蛋白通过这一通道转移到线粒体基质。
内膜
膜间腔
细胞色素c 细胞色素c过氧化物酶 细胞色素b2和c1（复合体Ⅲ亚基）
线粒体孔蛋白（porin）P70
外膜
（二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态 当线粒体蛋白可溶性前体 (soluble precursor of
mitochondrial proteins)在核糖体内形成以后，少数
前体蛋白与一种称为新生多肽相关复合物(nascentassociated complex，NAC)的分子伴侣蛋白相互作 用。
复合物Ⅰ的ND4L和ND4，
复合物Ⅴ的ATP酶8和ATP酶6。
线粒体DNA的复制
人类mtDNA是单一的复制起始，mtDNA的复 制起始点被分成两半， 一个是在重链上，称为重链复制起始点（OH），位 于环的顶部，tRNAPhe基因（557）和 tRNAPro基因 （16023）之间的控制区，它控制重链子链DNA 的自我复制；
超微结构：由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构
外膜（outer membrane）：线粒体最外层所包绕
的一层单位膜，厚约5～7nm，光滑平整。在组成上，
外膜的脂质和蛋白质成分各占1/2。
外膜中含有整合蛋白孔蛋白 （porin），它们以β片层结构
形式形成直径2～3nm桶状通道，
跨越脂质双层，可以通过相对 分子质量在5 000以下的物质。
线粒体与能量转换
（mitochondria and energy conversion）
线 粒 体
转换能量的细胞器
Carbohydrates
碳水化合物
ATP
叶绿体 植物细胞
线粒体 动物细胞
线粒体研究的里程碑事件
1890年R. Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它
可能是共生于细胞内独立生活的细菌。
线粒体在很多细胞中呈弥散均匀分布，但一般 较多聚集在生理功能旺盛、需要能量供应的区域，
分布状态
Transmission electron micrograph of mitochondria from snake adrenal gland adjacent to a highly ordered array of endoplasmic reticulum.
色氨酸 终止密码子
果 蝇
色氨酸 丝氨酸
链孢酶菌
色氨酸 精氨酸
酵 母
色氨酸 精氨酸
植 物
终止密码子 精氨酸
AUA
AUU CUU CUC CUA CUG
异亮氨酸
异亮氨酸
甲硫氨酸
异亮氨酸
甲硫氨酸
甲硫氨酸
Hale Waihona Puke Baidu
异亮氨酸
甲硫氨酸
异亮氨酸
甲硫氨酸
异亮氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
亮氨酸
亮氨酸
亮氨酸
苏氨酸
亮氨酸
线粒体基因中两个重叠基因，