第七章 线粒体与细胞的能量转换

内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔
的颗粒称为基粒（elementary particle)
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）。
（三）内外膜转位接触点形成核编码蛋白质进入 线粒体的通道
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。
（二）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，蛋白质的含量明显高于 其他膜成分。
动物细胞实现这一能量转换的细胞内结
构就是线粒体（单数mitochondrion；复数
mitochondria）。
第一节
线粒体的基本特征
一、线粒体的中含有众多参与能量代谢 的酶系
除去水分之外，线粒体的主要成分是蛋白质， 约占组分总量的65%～70%，多数分布于内膜和 基质。
线粒体蛋白质分为两类：
线粒体与核密码子编码氨基酸比较
核密码子 编码氨基 酸 终止密码 子 精氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 线粒体密码子编码氨基酸 哺乳动物 色氨酸 终止密码 子 甲硫氨酸 异亮氨酸 果 蝇 色氨酸 丝氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸 链孢酶菌 色氨酸 精氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 酵 母 色氨酸 精氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 植 物 终止密码 子 精氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸
内膜将线粒体的内部空间分成两部分，其中由 内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质 腔（matrix space）；内膜与外膜之间的空间称为 外腔，或膜间腔（intermembrane space）。内膜上 有大量向内腔突起的折叠（infolding），形成嵴 （cristae）。嵴与嵴之间的内腔部分称嵴间腔 （intercristal space），而由于嵴向内腔突进造成的 外腔向内伸入的部分称为嵴内空间（intracristal space）。嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高 了内膜的代谢效率。
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。
一类是可溶性蛋白，包括基质中的酶和膜外周
蛋白；
另一类是不溶性蛋白，为膜结构蛋白或膜镶嵌
酶蛋白。
线粒体含有众多酶系，目前已确认有120余种，
是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶分别位于线
粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时
起重要的作用。
二、线粒体的形态、数量与分布与线粒 体的类型和功能状态有关
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。
第七章 线粒体与细胞的能量转换 （mitochondria and cell energy conversion）
内容
概述 第一节 线粒体的基本特征 第二节 细胞呼吸与能量转换 第三节 细胞的能量转换 第四节 线粒体与人类学、医学研究
概 述
地球上一切生命活动所需要的能量主要来源于 太阳能。 但不同生物代谢时吸收能量的机制不同，光能 转变为化学能只发生在具有叶绿素的植物和一些 有光合能力的细菌中，它们能通过光合作用，将 无机物（如CO2和H2O）转化成可被自身利用的有 机物，这种生物是自养生物（autotroph）。 而动物细胞不具有叶绿体，它们以自养生物合 成的有机物为营养，通过分解代谢而取得能量， 因而被称为异养生物（heterotroph）。
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（matrix-targeting
sequence，MTS），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）
体变形移位现象。
三、线粒体是由双层单位膜套叠而成的 封闭性膜囊结构
电镜下，线粒体是由双层单位膜套叠而成的封
闭性膜囊结构。两层膜将线粒体内部空间与细胞
质隔离，并使线粒体内部空间分隔成两个膜空间，
构成线粒体的支架。
（一）外膜是一层单位膜
外膜（outer membrane）是线粒体最外层所包
绕的一层单位膜，厚约5～7nm，光滑平整。在组
（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。
Simon等提出一种作用机制，即布朗棘轮模型 （Brownian Rachet model）：
（三）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是从两个主要的启动子处 开始转录的，分别为重链启动子（heavy-strand promoter，HSP）和轻链启动子（light-strand promoter，LSP）
与核合成mRNA不同，线粒体mRNA不含内含
子，也很少有非翻译区。每个mRNA5ˊ端的起始
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。
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。
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。
（四）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。
由这13个基因所编码的蛋白质均已确定，其中 3个为构成细胞色素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）；2个为ATP合酶复合体（复合 体Ⅴ）F0部分的2个亚基（A6和A8）；7个为 NADH-CoQ还原酶复合体（复合体Ⅰ）的亚基 （ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和 ND6）；还有1个编码的结构蛋白质为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。
密码或三个碱基为AUG（或AUA），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mRNA翻译的起始氨基酸为甲酰甲硫氨 酸，这点与原核生物类似。另外线粒体的遗传密 码也与核基因不完全相同，例如UGA在核编码系 统中为终止密码，但在人类细胞的线粒体编码系 统中，它编码色氨酸。
四、线粒体有自己相对独立的遗传体系
（一）线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统
线粒体虽然有自己的遗传系统和自己的蛋白质
翻译系统，且部分遗传密码也与核密码有不同的
编码含义，但它与细胞核的遗传系统构成了一个
整体。
线粒体的基因组只有一条DNA，称为线粒体 DNA（mtDNA），mtDNA是裸露的。 在一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子， 平均为5~10个。它主要编码线粒体的tRNA、 rRNA及一些线粒体蛋白质，如电子传递链酶复合 体中的亚基。 但由于线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核编码， 所以它们在细胞质中合成后经特定的方式转送到 线粒体中。
线粒体的数量可因细胞种类而不同，最少的细 胞只含1个线粒体，最多的达50万个，其总体积可 占细胞体积的25%。这与细胞本身的代谢活动有 关，代谢旺盛需要能量较多时，线粒体数目较多； 反之线粒体的数目则较少。
线粒体在很多细胞中呈弥散均匀分布状态，但
一般较多聚集在生理功能旺盛、需要能量供应的
区域，如在肌细胞中，线粒体集中分布在肌原纤 维之间；在精子细胞中，线粒体围绕鞭毛中轴紧 密排列，以利于精子运动尾部摆动时的能量供应； 有时，同一细胞在不同生理状况下，可发现线粒
密码子 UGA AGA、 AGG AUA AUU CUU、 CUC CUA、 CUG
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，一个是复合物Ⅰ
的ND4L和ND4，另一个是复合物Ⅴ的ATP酶8和
ATP酶6。
（四）线粒体DNA的复制是一个缓慢而复杂的过程
人类mtDNA也是单一的复制起始，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；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。
（二）线粒体基因组为一条双链环状的DNA 分子
人线粒体基因组的全序列测定早已完成，线 粒体基因组的序列（又称剑桥序列）共含16569个
碱基对（bp），为一条双链环状的DNA分子。双
链中一为重链（H），一为轻链（L ） 。
Hale Waihona Puke Baidu
重链和轻链上的编码物各不相同,人类线粒体基因 组共编码了37个基因。 重链编码12SrRNA、16SrRNA、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、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）及14个 tRNA等（图中用小写字母表示，表示其对应的氨 基酸）； 轻链编码了ND6及8个tRNA。
五、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，在 细胞质核糖体合成后运入线粒体的。 线粒体含有4个蛋白质输入的亚区域：线粒体 外膜、线粒体内膜、膜间隙和基质。而在这些核 编码蛋白在进入线粒体的过程中，需要一类被称 为分子伴侣（molecular chaperon）的蛋白质的协 助，其中绝大多数线粒体蛋白被输入到基质，少 数输入到膜间腔以及插入到内膜和外膜上。