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1、 第六章 线粒体与细胞的能量转换 第一节 线粒体的基本特征1、 线粒体的形态、数量和结构（1） 线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关（细胞类型、生理状态、代谢需求）1. 光镜下的线粒体成线状、粒状或杆状。2. 在低渗环境下，线粒体膨胀如泡状，在高渗环境下，线粒体又伸长为线状3. 酸性时线粒体膨胀，碱性时线粒体为粒状（2） 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 在组成上，外模的1/2为脂类，1/2位蛋白质，外膜上镶嵌的蛋白质包括多种转运蛋白，允许通过分子量在10000以下的物质（通透性大）2.内膜的内表面附着许多颗粒 内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，
2、也称基质腔；内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔。嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高了内膜的代谢效率内膜的化学组成中20%是脂类（心磷脂占20%），80%是蛋白质内膜的通透性很小，但内膜有高度的选择通透性基粒分为头部、柄部、基片三部分，由多种蛋白质亚基组成。机理头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合成酶或ATP合酶复合体3.内外膜相互接近所形成的转为接触点是物质转运到线粒体的临时性结构 线粒体的内外膜上存在着一些内膜与外模相互接触的地方，在这些地方膜间隙变狭窄，称为转位接触点4.基质是氧化代谢的场所 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
3、关的酶都在基质中，参与物质的代谢5.基粒的化学本质是ATP合成酶二、线粒体的化学组成1.线粒体的主要成分是蛋白质，且多数分布于内膜和基质，分为两类：可溶性蛋白和不可溶性蛋白或膜镶嵌酶蛋白（线粒体是细胞中含酶最多的细胞器）2.线粒体内外膜的标志酶分别是细胞色素氧化酶和单胺氧化酶等；基质和膜间腔的标志酶分别为苹果酸脱氢酶和腺苷酸激酶三线粒体的遗传体系（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组1.线粒体基因组序列（也称剑桥序列）共16569个碱基对，为一条裸露的，不与组蛋白结合的双链环状的DNA分子。双链中一为重链（H）（编码合成物质较多），一为轻链（I）（编码了ND6及8个tRNA）2.线粒体的DNA序
4、列中有37个基因，仅13个是编码蛋白质的基因，都以ATG（甲硫氨酸）为起始密码；其他24个基因编码两种rRNA分子（用于构成线粒体的核糖体）和22种tRNA分子（用于线粒体mRNA的翻译）（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录1.重链上的转录起始位点有两个，形成两个初级转录物，因为每个mRNA的5端与tRNA的3端是紧密相连的。转录物I比转录物II的转录要频繁得多2.与核合成mRNA不同，线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区3.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64.线粒体mRNA翻译的起始氨基酸为甲腺甲硫氨酸，
5、人类细胞的线粒体编码系统中UGA编码色氨酸（三）线粒体DNA的两条链有各自的复制起始点1.重链的复制起始点位于环的顶部，tRNAPhe基因和tRNAPro基因2.轻链的复制要晚于重链3.一般情况下，重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的4.线粒体中mtDNA的复制比一般的复制时间要长5.mtDNA的复制特点还包括它的复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的禁止期或间期，甚至可以分布在整个细胞周期四 线粒体核编码蛋白质的转运线粒体中约有1000个基因产物，仅有37个为线粒体基因组编码，所以线粒体内大多数参与电子传递链的蛋白都为核编码。核编码蛋白向线粒体基质中转运核编码蛋白进入线粒体
6、时需要分子伴侣蛋白协助蛋白在胞质中合成，靠分子伴侣协助，多数输入线粒体基质，少数输入膜间腔或插入内膜、外膜。基质导入序列（MTS）：输入到线粒体的蛋白质在其N-端都具有一段MTS，线粒体内外膜上的受体能识别并结合特定序列；富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸、苏氨酸，少见天冬氨酸、谷氨酸，序列包含了所有介导前体蛋白输入到线粒体基质的信号。前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态少数线粒体蛋白可溶前体与新生多肽相关复合物（NAC，分子伴侣）相互作用，增加了蛋白转运的准确性；多数前体蛋白与热休克蛋白70（hsc70,分子伴侣）结合，防止了蛋白形成不可解开的构象和已松弛前体蛋白的聚集（aggregation）；前体蛋
7、白与前体蛋白结合因子（PBF）结合，增加了hsc70对线粒体蛋白的转运；前体蛋白与线粒体输入刺激因子（MSF）结合，常单独发挥ATP酶作用，为聚集蛋白的解聚提供能量；某些前体蛋白（如内膜ATP/ADP反向转运体）与MSF所形成复合体与外膜受体Tom37和Tom70结合，再转移到受体Tom20和Tom22，同时释放MSF；多数与hsc70结合的前体蛋白直接与受体Tom20和Tom22结合，受体与外膜上的通道蛋白Tom40耦联，后者与内膜接触点组成直径为1.5-2.5纳米的tim17受体系统（跨膜通道），用于将前体蛋白转移到线粒体基质。分子运动产生的动力协助多肽链穿过线粒体膜前体蛋白与受体结合后与
8、线粒体内外膜上通道发生作用进入线粒体，其中线粒体基质hsc70（mthsp70,分子伴侣）与进入线粒体腔的前导肽链交联；（1）布朗棘轮模型：由S.M.Simon等提出，将mthsp70描绘成“转运发动机”，类似于肌球蛋白和肌动蛋白的牵拉作用；认为在蛋白质转运孔道内多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前导肽链自发进入线粒体腔，立即有mthsp70结合上去以免其退回细胞质，并随肽链伸入线粒体结合越来越多；（2）布朗棘轮模型的预测：一条折叠肽链的转运应不慢于其自发解链；（3）布朗棘轮模型的解释：mthsp70同时附着在肽链和线粒体膜上，可通过变构产生拖力以拖拽前导肽链：先以高能构象结合前导肽链，然后松弛为
9、低能构象，促使前导肽链进入，迫使后面的肽链解链以进入转运轨道。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质当蛋白穿过线粒体膜后，大多数蛋白的基质导入序列被定位在线粒体内膜上的基质作用蛋白酶（MPP）移除；大多数情况下，其最后折叠还需要另一套基质分子伴侣（如hsc60、hsc10）的协助；hsc60突变体不影响前体蛋白进入线粒体，但前体蛋白不形成低聚复合物hsc70就无法发挥作用；由此前体蛋白形成天然构象行使其功能。核编码蛋白向线粒体其他部位的转运包括膜间腔、内膜、外膜，此类蛋白除了都具有MTS，一般还具有第二类信号序列，其进入线粒体基质的机理同上述。蛋白质向线粒体膜间腔转运（1）膜间腔
10、蛋白质分别携带有功能相似但序列不完全相同的膜间腔导入序列（ISTS），以引导前体蛋白进入膜间腔；（2）绝大多数情况下，蛋白N-端进入基质，在蛋白酶作用下切去MTS，据ISTS的不同有两种转运方式：整个蛋白（如细胞色素c1）进入基质与mthsp70结合，ISTS引导多肽链通过内模上的通道进入膜间腔；前体蛋白（如细胞色素b2）的ISTS用于转移终止序列，阻止前体蛋白的C端通过内膜通道向基质转运，固定于内膜上并发生侧向运动而扩散，最后在膜间腔蛋白酶的作用下切去ISTS，并使C端脱落于膜间腔；（3）少数膜间腔蛋白通过直接扩散从胞质通过外膜进入膜间腔，如：辅细胞色素c从外膜上的特定通道（如类孔蛋白P70
11、）进入膜间腔，于血红素结合形成细胞色素c。蛋白质向线粒体内膜和外膜的转运外膜蛋白转运中，类孔蛋白（porin-like）P70研究最多；P70的MTS后有一段长疏水序列用于转移终止序列，使之固定于外膜；内膜蛋白质转运机制尚不明确。线粒体的起源1.线粒体起源的内共生学说：认为，线粒体起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌，在进化过程中共生物大部分遗传信息转移到细胞核上；2.内共生学说的证据：线粒体遗传系统与细菌相似，如DNA呈环状并不与组蛋白结合；线粒体蛋白质合成方式与细菌相似，如：核糖体为70S、抑制蛋白质合成机制等；3.非共生假说：原始真核细胞是进化程度较高的需氧细菌，其呼吸作用所需电子传递
12、系统和氧化磷酸化系统位于细胞膜上；随细胞进化呼吸功能同时进化，细胞膜表面积增大而不断内陷、折叠、融合、被其他膜结构包裹而形成功能特殊的双层膜性囊泡，成为线粒体。线粒体的分裂与融合线粒体是通过分裂方式实现增殖的1.三种线粒体生物发生的观点：重新合成 起源于非线粒体的亚细胞结构 通过原有线粒体的分裂形成；自从线粒体DNA发现后，普遍接受线粒体以分裂增殖方式形成；2.1975年G.Attardi等提出线粒体的生物发生过程分两个阶段：分裂增殖 线粒体本身分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的结构；两个阶段分别接受细胞核和线粒体两个独立的遗传系统控制；3.一般认为线粒体有三种分裂方式：出芽分裂：先长出膜
13、性突起“小芽”（budding），随后小芽不断长大与原线粒体分离，再经过不断“发育”，形成新的线粒体 收缩分裂：线粒体在其中央处收缩形成很细的“颈”，最后断裂形成两个线粒体 间壁分裂：线粒体内膜向中心内褶形成分隔线粒体结构的间壁，随后一分为二；无论哪一种，其共同点是线粒体分裂不均等，另一方面，线粒体分裂受细胞分裂的影响；4.哺乳动物中，线粒体外膜分子Fis1蛋白招募胞质中的Drp1蛋白，再结合其他分子形成更大的分裂装置，Drp1的多聚体指环结构逐步缩紧，线粒体一分为二。mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒体中同一细胞中，可能同时存在野生型线粒体和突变型线粒体，同一线粒体中，可能同时存在野
14、生型mtDNA和突变型mtDNA，分裂时线粒体和DNA随机分配；这种随机分离导致mtDNA异质性变化的过程称为复制分离；连续性分裂过程中，异质性细胞的突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向同质性方向发展：分裂旺盛的细胞往往排斥突变mtDNA，逐渐形成只有野生型的同质性细胞 突变mtDNA有复制优势，在分裂不旺盛的细胞中逐渐积累，形成只有突变型的同质性细胞；漂变的结果是细胞表型随之改变。线粒体融合是有一系列相关蛋白介导的过程线粒体融合的好处：有利于线粒体相互协作，不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换（如膜电位快速传递和内容物交换）；有利于不同线粒体的基因组交换进行充分的DNA互
15、补，有效修复随细胞衰老累积的mtDNA突变，保证线粒体正常功能；线粒体融合由一系列蛋白分子精确调控和介导，第一个被分离出的是人们在研究果蝇线粒体时发现的，介导线粒体外膜融合的蛋白FZO1p/Mfns；另还有介导线粒体内膜融合的蛋白Mgm1p/OPA1。线粒体的功能主要功能：营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP；摄取与释放钙离子，与内质网共同调节胞质中钙离子浓度，从而调节细胞生理活动；与细胞死亡有关，某些情况下线粒体是细胞死亡的启动环节，另一些情况下，线粒体仅仅是细胞死亡的一条“通路”；调节ROS含量的动态平衡：线粒体在能量代谢和自由基代谢过程中产生大量超氧阴离子，通过链式反应形成活性氧（ROS），当ROS水平较低时促进细胞增生；当ROS水平较高时使得线粒体内膜非特异性通透性孔道（MPTP）开放，导致跨膜电位崩溃，使细胞色素c外漏，再启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动细胞凋亡。第二节、细胞呼吸与能量转换细胞呼吸是细胞内提供生物能源的主要途径。细胞呼吸有以下特点： 本质上是一系列由酶系所催化的氧化还原反应； 所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中； 反应分步进行，能量逐步释放； 反应条件：恒温(37)、恒压； 反应过程中
