细胞器生物化学

细胞器生物化学教学内容细胞器生物化学概述生物膜的生物化学线粒体的生物化学叶绿体的生物化学核糖体的生物化学一、概述生命体结构和功能的基本单位是细胞，生命反应的主要过程，包括物理过程、化学过程和能量过程都定位发生在细胞中。细胞生物学的主体内容应该包括结构、生物化学、功能三个体系。生物化学体系是学习和理解细胞结构与功能的基础，是认识和掌握细胞在分子水平上生命活动本质和规律的基础。细胞生物化学是认识和研究细胞生命科学的重要基础和内容。1、细胞生物化学的定义及研究内容细胞生物化学是研究细胞结构的化学组成和细胞生命过程中区域定位的化学变化的一个科学领域。系统论述定位于细胞各种主要结构中的生物化学代谢及其协同，这种区域化生物化学反应体系直接反映出细胞亚显微结构特征和功能机制。它具有一个与细胞结构相对应的生物化学理论体系，包括细胞质膜、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体、核糖体、细胞核、细胞纤维系统、细胞溶质以及胞外基质等生物化学。细胞生物化学的特点在于阐明各种生命化学反应与细胞结构和功能的内在联系，有助于理解细胞结构的生物学意义、生命化学反应的区域定位和协调、生命有序化进程的机制以及细胞结构与功能的统一。本章内容主要介绍：各种细胞结构的化学组成及功能定位、生化反应及代谢特点。2、各种细胞结构及其化学组成（1）细胞质膜（plasmamembrane，plasmalemma,又称细胞膜cellmembrane），是指包围在细胞最外层的，由脂类和蛋白质等成分组成的半透性薄膜。质膜不仅是细胞结构的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境，同时在细胞与环境进行物质、能量交换、以及信息传递等过程中也起着决定性作用。化学组成：主要由脂类（50％）和蛋白质（包括酶，40％）组成，少量糖类（1～10％）、水分、无机盐、微量核酸。细胞质膜模式图（2）线粒体（mitochondria）是广泛存在于真核细胞里的一种颗粒状或线状的细胞器。是糖、氨基酸、脂肪酸最终氧化的场所，是一种共生于细胞的半自主性的细胞器。线粒体的主要成分是蛋白质和脂类，少量DNA、RNA、无机盐、辅助因子（NAD+、ADP、CoA、维生素等）。线粒体的功能组分包括膜运输酶系、三羧酸循环酶系、脂肪酸β－氧化酶系、电子传递链酶系、氧化磷酸化酶系、氨基酸代谢酶系、蛋白质和核酸合成酶系等。37％为氧化还原酶类，10％为合成酶类，9％为水解酶类。酶系主要分布在线粒体的四个结构组分中，即内膜、外膜、膜间腔、基质。线粒体模式图（3）叶绿体（chloroplast）是高等植物中质体（plastid）的一种，是进行光合作用的细胞器。其形态各异，表现为凸形、凹形、网状、带状、星形等，大小在5～10μm，在藻类可达到100μm。一般地，叶绿体含约75％水分，干物质中以蛋白质、类脂、色素、无机盐等为主。此外，还有贮藏的糖类和各种维生素（A、C、E、K等），也存在DNA、RNA成分。质体是真核细胞重要的细胞器之一，所含色素和功能有所不同，分为白色体（leucoplast）、叶绿体、有色体（chromoplast），均来自一种前质体（proplastid），即前质体→白色体→叶绿体→有色体。白色体按功能分为造粉体（amyloplast）、造蛋白体（proteinnplast）、造油体（elaioplast）。有色体含有叶黄素、胡萝卜素、类胡萝卜素等，基本没有光合能力。叶绿体模式图（4）核糖体（ribosome）是核糖核蛋白体的简称，是一种非膜颗粒状细胞器，是细胞合成蛋白质的重要机构，由RNA和蛋白质组成。核糖体结构与功能示意图（5）内质网（endoplasmicreticulum，ER）是真核细胞重要的细胞器，是细胞内膜系统（endomembranesystem）的主要组成部分，通常占细胞膜系统的50％左右，体积约占细胞总体积的10％以上，为多种酶特别是多酶体系提供了大面积的结合位点，同时其完整的封闭体系将内质网上合成的物质与细胞质基质中合成的物质分隔开来。内质网是细胞内除核酸外的一系列重要的生物大分子如蛋白质、脂类和糖类合成的基地，分为粗面型内质网（roughendoplasmicreticulum，RER）、滑面内质网（smoothendoplasmicreticulum，SER）。内质网构成整个细胞质量的15～20％，其中包含细胞RNA的50～60%。内质网膜中含60～70％蛋白质，30～40％磷脂，元素分析C、H、N最多，少量P、S、Fe、Cu。将组织或细胞匀浆破碎、离心，得到直径约100nm的近似球形的封闭囊泡结构，称为微粒体（microsome），是破碎的细胞膜系统。生化研究中常把微粒体等同于内质网。体外实验中，微粒体具有蛋白质合成、蛋白质糖基化、脂类合成等内质网的基本功能。内质网结构示意图（6）溶酶体（lysosome）是由单层膜围绕的内含多种高浓度酸性水解酶类的囊泡状细胞器，是细胞进行内消化作用的主要场所。溶酶体膜在成分上有特点，一是在膜上嵌有质子泵，能借助水解ATP释放出的能量将H+泵入溶酶体内，使溶酶体中的H+浓度比细胞质中高100倍以上，从而形成和维持酸性的内环境；二是溶酶体膜上具有多种载体蛋白用于水解后的产物向外转运；三是其膜蛋白高度糖基化，使溶酶体膜内表面带负电性，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶体的酶大多数是糖蛋白，带负电荷，包括各种蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷脂酶、硫酸酶等，可作用于几乎所有的生物大分子。溶酶体是一种异质性（heterogenous）的细胞器，不仅形态、大小不相同，而且所含水解酶的种类和数量也不同。如精子顶体内所含的特殊蛋白水解酶称为顶体素；单核细胞和中性粒细胞溶酶体内则含有溶菌素。溶酶体结构与功能示意图（7）细胞核（nucleus）是真核细胞中最重要的细胞器，是细胞遗传与代谢的控制中心，由核被膜、染色质、核仁、核基质或核骨架组成。核被膜（nuclearenvelope）是细胞核的界膜，包括外核膜、内核膜、核周腔（与内质网腔相通）、核孔（核孔复合体）。核仁（nucleolus）一般为单一或多个匀质的球形小体，是rRNA合成、加工和核糖体亚单位的装配场所，可被染色质包围，含有DNA、RNA和蛋白质与极微量的脂类。细胞核模式图2012年诺贝尔生理学/医学奖——细胞核重新编程研究日本科学家山中伸弥(ShinyaYamanaka)与英国科学家约翰-格登(JohnGurdon)“发现成熟细胞可以被重新编程为多功能的干细胞（即诱导多功能干细胞）”（8）细胞纤维系统是由一些蛋白质纤丝组成的，它们互相交叉重叠组成复杂的网状结构，又称细胞骨架（cytoskeleton），与维持细胞形状、内部结构及细胞运动的特性等直接相关。细胞纤维结构分子成分是微丝（microfilament，MF）、微管（microtubule，MT）、中等纤维（intermediatefilament，IF）、核骨架纤维（kryosketelonfilament）。因此由细胞纤维系统构成的骨架分为狭义和广义两种，前者指细胞质骨架，后者还包括细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质。对细胞骨架纤维系统的研究主要涉及纤维蛋白及其结合蛋白的分离、纯化、鉴定、结构分析、基因表达调节、纤维蛋白装配动态及功能分析等。细胞骨架模式图细胞骨架结构与功能示意图（9）细胞质基质（cytoplasmicmatrix）是真核细胞细胞质中除去可分辩的细胞器以外的胶状物质，是细胞的重要结构成分，其体积约占细胞质的50％。细胞与环境、细胞质与细胞核以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等过程都是通过细胞质基质来完成的，很多重要的中间代谢反应也是在细胞质基质中进行。从生化角度，常被称为胞质溶胶（cytosol）。在细胞质基质中主要含有与中间代谢有关的数千种酶类以及与维持细胞形态和细胞内物质运输有关的细胞质骨架结构如微丝、微管、中间纤维和由纤丝组成的微梁系统等。细胞质基质的化学组成：水（75～85％）、蛋白质（10～20％）、脂类（2～5％）、糖类（1％）、盐类（1％）、酶、DNA、RNA等。（10）细胞外基质（extracellularmatrix）是细胞膜外侧分布的纵横交错的网络体系，对多细胞生物体的分工与协调起着重要作用，即相邻细胞的相互作用或相关信息的传递使组织或器官表现出整体功能。细胞外基质是由细胞合成和分泌的生物大分子如蛋白质、多糖等交叉密布在细胞表面形成的有高度组织的结构体系，直接影响细胞的发育、迁移、识别、极性、增殖、分化和组建等。主要分子有：胶原（collagens）、纤粘连蛋白（fibronectin）、层粘连蛋白（laminin）、弹性蛋白（elastin）、整联蛋白（integrin)、蛋白聚糖（protoglycans）、氨基聚糖（glycosaminoglycan）等，具有组织细胞特异性。细胞外基质结构示意图细胞外基质结构示意图整联蛋白（integrin)属整合蛋白家族，是细胞外基质受体蛋白。整联蛋白是一种跨膜的异质二聚体，由两个非共价结合的跨膜亚基，即α和β亚基组成，都是糖基化的。整联蛋白的细胞粘着作用。整联蛋白作为跨膜接头在细胞外基质和细胞内肌动蛋白骨架之间起双向联络作用，将细胞外基质同细胞内的骨架网络连成一个整体。整联蛋白的信号转导作用。当整联蛋白的细胞外结构域同细胞外配体如纤粘连蛋白或层粘连蛋白结合时会诱导整联蛋白细胞内结构域的末端发生构型变化，进而改变整联蛋白的细胞质结构域同相邻蛋白的相互作用，如同粘着斑激酶（FAK）的作用，引起信号放大的级联反应，可启动一些基因的表达。整联蛋白（以及其他的一些细胞表面分子）进行的信号转到对细胞的许多行为造成影响，包括运动、生长等。整联蛋白同细胞外基质中的粘着蛋白的识别与结合有同RGD区域结合和不需要RGD区域两类。二、细胞质膜生物化学目前，有关细胞质膜的研究资料，主要来自于人或哺乳动物的红细胞、神经髓鞘、成纤维细胞、肝细胞、横纹肌细胞、变形虫、海胆卵等。细胞质膜中，脂类和蛋白质比例有很大的差别，这种含量的变化与膜的功能有密切的联系。一般来说，质膜的功能越复杂，其蛋白质含量就越高。糖在膜中形成糖脂和糖蛋白。

表：部分质膜内蛋白质、脂类和糖的含量（％）比较1、膜脂（membranelipids）细胞质膜中的脂类大多是极性脂质，具有双亲性特点，主要包括磷脂（phospholipid）、糖脂（glycolipid）和胆固醇（cholesterol）三种类型。膜脂分子的结构特点：膜脂分子上亲水基团和疏水基团共存，称为双型性分子（amphipathicmolecules）。疏水尾部一般由脂肪酸、醛、醇或神经鞘氨醇衍生物或固醇分子的长脂肪酸链组成，这些疏水尾部成分和结构的不同，影响和控制类脂双层膜的物理性质，特别是膜的流动性。膜脂分子的多态性：膜脂分子的两性性质，使得其在水溶液中的溶解度很有限。如磷脂，当将其加入水中，只有极少数的分子以单体形式存在，而倾向于在水－空气界面形成单分子层的磷脂薄膜；随着溶液中加入更多的磷脂，会产生分子团粒（micelle）和双层（bilayer），且水溶液中的磷脂双层结构实际上是以球形的微囊（vesicle）形式存在。单层、团粒、双层都是磷脂在水溶液中的有利形式。类脂在细胞膜中的分布不对称性：细胞膜脂双层的两个单层是不对称的，其类脂成分具有很大区别。如人红细胞膜，极性头部是胆碱的类脂分子多数分布在外单层，而极性头部有一氨基的磷脂分子多数位于内单层；疏水尾部也有不对称性，外单层的碳氢链饱和度比内单层的烃链的饱和度更高。磷脂酰丝氨酸带负电，大多位于膜内单层一侧，使两个单层间的电荷有显著区别。所有膜蛋白与膜的连接是高度不对称的，这与脂双层的不对称性有重要关系。

图：膜脂的多态性表：类脂分子在红细胞膜的分布在生物膜的研究中，常采用脂－水体系和脂－蛋白体系制备人工膜以进行各种模拟研究，特别是近年来发展了一系列把生物活性分子嵌入或包入人工膜体系中的技术，使人工膜在生物膜结构与功能等研究中的应用得到更为广泛的重视。目前应用较多的人工膜体系包括平板双分子层脂膜（bilayerlipidmembrane,BLM）和脂质体（liposome）。平板双分子层脂膜是由脂在两边均为水相的小孔中形成的双分子层膜结构。为了模拟生物膜的脂组分，多数研究在制备BLM时采用的脂是从所需模拟的组织细胞中提取的，也可采用纯的PC、PE、PS、胆固醇及氧化胆固醇等、BLM的制备液要求不含杂质，一般将高纯化的磷脂溶于碳氢溶剂如癸烷、辛烷、苯、氯仿或乙醇等，碳氢链长以C6~C16为宜，脂浓度应在饱和或接近饱和状态，有时直接用纯脂制备制备。试验证明，人工BLM具有与天然生物膜相似的物理化学性质，利用BLM可以模拟生物膜进行各项研究，如在BLM两侧的溶液中插入电极研究膜的导电性；加入离子和电压可测定离子透过膜时的电流变化；在BLM中导入特定的蛋白质或生物活性分子，可进行动作电位的模拟、膜受体和膜通道等作用机理以及光能转换等一系列研究。脂质体是由脂双分子层组成的内部为水相的闭合囊泡。当将磷脂分子分散于水相时，通常会形成各种大小不同的囊泡结构，其中最多的是呈同心球壳的多层脂双层，称为多片层囊泡（MLV），其大小为200～1000nm，很不均匀。如果将上述悬浮液作超声处理，MLV可变为直径25～50nm的小单片层囊泡（SUV），该结构仅含单个双分子层。作为模拟和载体系统，MLV和SUV都有一定的局限性，而较理想的是一种直径200～1000nm的单片层囊泡，称为大单片层囊泡（LUV）。脂质体制剂有两个重要参数，一个是俘获容积，是指一定量的脂质体所包封的容积，单位是每摩尔总脂质俘获的升数，该参数与脂质体囊泡的半径有关，而囊泡半径又受脂质组分和介质的离子组成的影响；另一个参数是包裹效率，它是指脂双层包裹的水室所占的比例，与脂质浓度成正比。表：三种脂质体的结构大小与主要参数比较由于脂质体在理化性质上十分接近天然膜，近年来已被广泛用于生物膜的基础研究，如膜结构的流动性、膜脂与蛋白质在膜中的相互作用规律等；利用脂质体与细胞的融合，可定向修饰膜的成分，改变脂和蛋白质在膜中的比例，或导入特定的功能蛋白，以研究膜蛋白的功能与作用机制等；另一方面，脂质体作为一种良好的载体，可导入各种药物、遗传缺失酶、特异抗原、抗体、激素或外界基因等而被广泛应用于医学和生物工程领域。2、膜蛋白膜中蛋白质的含量和类型反映膜的功能，大多数细胞质膜的蛋白质含量在40％左右，有一个蛋白质分子就约有50个脂分子。根据蛋白质从膜上分离释放的方法及其与膜脂的相互作用方式和蛋白质在膜中的排列部位，可将膜蛋白分为三类：外周蛋白（peripheralprotein）或外在蛋白（extrinsicprotein）、整合蛋白（integralprotein）或内在蛋白（intrinsicprotein）、糖肌醇磷脂结合蛋白（glycosphosphoinositolcombinedprotein）或膜锚蛋白。膜蛋白的分离：外周蛋白（20～30％）分布在膜的内外表面，通过极性基团或电荷基团间的静电作用或范德华引力与脂双层膜结合，易于分离。外周蛋白分离下来后呈水溶性，不能再与类脂聚合重新形成膜结构。整合蛋白（70～80％）一般呈水不溶性，通过非极性氨基酸与脂双层疏水相互作用而牢固地结合于膜上，只能用较剧烈的条件才能从膜上溶解下来，一旦去除有机溶剂或表面活性剂，膜整合蛋白又能重新聚合为水不溶性或与类脂形成膜结构。膜内在蛋白的基本类型：膜内在蛋白以部分或全部肽链嵌入膜脂双分子层中，在细胞的调节和代谢过程中起着重要作用，如：细胞间的相互作用与识别、激素的调节、离子或代谢物的定向运输、氧化与光合磷酸化反应等。根据膜内在蛋白的结构、性质及其在膜的拓扑图形，可将其分为5种基本类型：1）单螺旋跨膜蛋白质，即肽链以单个α－螺旋跨越膜，肽链两末端区段分别位于膜两侧，如人红细胞血型糖蛋白、鼠胸腺细胞W3/3抗原、与膜结合的免疫球蛋白，且多数N-末端均位于膜外非细胞质区、C-末端位于胞质区，N-末端具有寡糖链，其功能都与细胞识别有关；2）双螺旋跨膜蛋白类，即肽链以两个螺旋嵌入膜中，以反平行方式排列成发夹状，常称为螺旋发夹，其N-和C-末端均位于膜的同侧，如细胞色素b5、ATP合酶的C亚基等；3）多螺旋跨膜蛋白类，由具有两个以上基本垂直于膜平面的跨膜螺旋以及连接这些跨膜螺旋的环组成，有人称为“锯齿样蛋白”，如细菌视紫红质、人红细胞膜带Ⅲ蛋白、肌质网Ca2+-ATPase等，这些实例给人的印象是，它们都有“孔”、“泵”、“通道”的功能；4）多个一次跨膜的亚基组成一个跨膜通道，嵌入膜蛋白是以其寡聚肽结构来发挥功能的，如具有“孔”功能的E.coli外膜脂蛋白；5）是一种特殊的膜内在蛋白，具有跨膜部分，N-端伸入胞内，多肽链多次穿过膜，而C-端又有糖脂，以脂肪酸插入膜，蛋白的两端都固定在膜上。如膜桥蛋白（ponticulin），是一个17kD的糖蛋白，胞浆面内侧与胞内肌动蛋白纤丝相连，介导成核作用。肌醇磷脂结合蛋白：一些膜蛋白不是通过疏水的穿膜结构固定于膜上，而是通过与糖链结合直接连接到糖基磷脂酰肌醇（glycan-phosphatidyl-inositol,GPI）上，成为一种蛋白质在膜上锚着的新型方式，这类蛋白质也称为膜锚蛋白。目前已发现近百种，包括锥虫和蠕虫的一些表面蛋白、哺乳动物中的细胞粘附分子、免疫球蛋白、补体调节蛋白、受体等。肌醇磷脂结合蛋白通过与GPI直接连接而锚在膜上，没有胞内肽断，其活动度大、流动性强，使膜上有限的蛋白质分子可接触大量的配体并足以进行反应。如红细胞膜上的DAF（衰老加速因子）只有2000个分子而对补体的调节效率很高。该类蛋白容易从膜上脱落。这类蛋白在结构上有共同特点，以最早分离的锥虫膜锚蛋白为例，其肌醇磷脂的两个脂肪酸都是豆蔻酸，以这两个脂肪酸作为“锚”插入脂双层，肌醇磷脂与氨基葡萄糖相连，然后再结合三个甘露糖，最后一个甘露糖与乙醇胺相连，通过乙醇胺的氨基与蛋白质C端的羧基结合。近年研究发现，在第一个甘露糖上还缀着一个以四个半乳糖组成的“天线”结构，该结构不是在内质网中组装的，而是当糖脂的“锚”组装好后再另外结合的。哺乳类及人在肌醇分子的第二位羟基上又结合了一个棕榈酸，它也插入膜双层中；没有半乳糖组成的“天线”结构，只是在氨基葡萄糖上结合三个六碳糖，这在不同的细胞中有区别。图：锥虫膜肌醇磷脂结合蛋白3、细胞膜物质运输的生化机制人工脂双层与生物膜对物质的通透特性被动运输和主动运输的生化基础与特征被动运输中离子载体的转运机制（缬氨霉素、离子载体A23187、短杆菌肽A）离子及小分子的主动跨膜运输机制（Na+、K+－泵，Ca2+－泵，H+－泵，糖或氨基酸的主动转运是“伴随运输”（co-transport）等）大分子物质的跨膜运输机制（内吞作用/endocytosia，外排作用/exocytosis）表：哺乳动物细胞内外离子浓度的比较三、线粒体生物化学线粒体是细胞的“动力工厂”，为各种生命活动提供能量。目前对线粒体的自主性（autonomy）、生物发生（biogensis）等研究非常活跃。一般的，线粒体长约2～8μm，粗0.5～1.0μm，体积与细菌类似。在不同细胞中线粒体的数量不一，一个哺乳动物肝细胞的线粒体约为500～600个，植物细胞中的线粒体数目要比动物细胞少。线粒体在细胞中往往分布在代谢旺盛的需能部位。线粒体由两层“单位膜”包围而成，其外膜（outermembrane）厚约6nm，带有小孔，通透性较大；内膜（innermembrane）厚约7nm，通透性低，对物质运输具有选择性，其上含有电子传递系统；膜间腔（intermembranespace）约8nm；内膜以内为基质（maxtrix）；内膜向内皱褶形成的突起嵴（cristae）；嵴的两层膜间的空间为嵴内腔（intracristalspace）；内膜和嵴的基质面附有许多带柄的直径约为9nm的小颗粒，称为基粒（elementaryparticle），每个线粒体约104～5×105个基粒。1、线粒体功能组分的定位：外膜在线粒体代谢作用中居次要地位，其主要的酶类有细胞色素c还原酶和单胺氧化酶，还有构成外膜孔的膜孔蛋白；内膜是线粒体的重要功能部位，是氧化磷酸化的主要场所，包括属于放能装置的电子传递链酶系与属于转能装置的氧化磷酸化酶系（腺苷三磷酸酶复合体），细胞色素氧化酶是内膜的标志酶；线粒体的膜间腔中重要的酶有腺苷酸激酶、核苷酸激酶、肌酸激酶等；基质中包含三羧酸循环酶系、脂肪酸分解酶系、氨基酸分解代谢酶系、核酸复制、转录、蛋白质转译酶系等，苹果酸脱氢酶是基质的标志酶。2、线粒体膜与分子的转运线粒体在行使呼吸作用、能量转换与自身代谢时，是需要各种物质不断地穿越其内外膜而进出线粒体，参与反应的底物必需进入线粒体，反应产物则需运出线粒体。线粒体内膜存在着许多特异的转运载体，如磷酸载体、核苷酸载体、氨基酸载体、单（二、三）羧酸载体、肉毒碱转移酶等。这些运载蛋白或酶分为两种，一种是异向转运体（antiporter），如ADP/ATP载体，一种是同向转运体（symporter），如磷酸和丙酮酸的转运载体。3、线粒体膜与蛋白质分子的转运线粒体的蛋白除少数多肽（约13种）是自己合成，其他几百种蛋白质是由细胞核基因编码，需要跨膜运送至线粒体各部分进行更新和组装。如F1的五种不同多肽亚单位的前体是细胞质的核糖体合成的，然后再转运到线粒体基质，与埋入内膜的FO连接在一起。对进入线粒体不同部位的蛋白质转运是不尽相同的。外膜蛋白质的氨基酸末端就有识别受体的能力而直接插入膜上，不需要酶参加，也不耗能，如70kD蛋白质，其本身N-末端的41个氨基酸残基序列（成熟时不被水解），分为11个氨基酸组成的“面向基质肽段”和12～39个不带电荷的氨基酸残基组成“停止运入（外膜）肽段”两个部分，起到导肽的作用。膜间腔和内膜的蛋白质在运送前多以前体形式存在，包括成熟部分和N-末端引伸出的导肽或引肽（leadersequence，targettingsequence），导肽内含有识别线粒体的信息，并具有牵引蛋白质通过线粒体膜的运输功能。导肽一般含16～70个氨基酸残基，组成具有特殊性，一般带羟基的氨基酸（如丝氨酸）比例高，带正电呈碱性的精氨酸含量丰富，而带负电的酸性氨基酸含量很少，且肽链有明显形成双亲媒性（亲水性与疏水性）的α－螺旋的倾向。蛋白质进入内膜是耗能过程。例：细胞色素c1的导肽长度为61个氨基酸残基，包括35个碱性氨基酸、19个不带电荷氨基酸（36～54）和7个酸性氨基酸。其氨基酸各部分可分为导向等功能信息肽段，是导向基质肽段（sequenceofleadingtomatrix）、停止运入（内膜）肽段（sequenceofstoppingtransfer）和水解部分（hydrolysissequence）等三个区域段。细胞色素c1的前体在导肽牵引下，其“导向基质肽段”通过内膜而进入基质后，由“停止运入（内膜）肽段”本身结合并定位于内膜，从而阻止其被牵引的蛋白质肽链继续进入基质而被定位于内外膜之间，而“导向基质肽段”则被基质中的水解酶水解。细胞色素c1进入线粒体实际上包括两次跨膜转运过程，第一次是导肽跨内膜基质，其N-端中的一部分被水解，之后其又从内膜运送至内外膜之间，此时导肽的残留部分被膜上的另一水解酶水解，至此细胞色素c1成熟并被定位于内膜的外表面。蛋白质在跨膜运送前要从折叠状态转变为解折叠的状态，以利于跨膜运送，跨膜之后，解折叠状态又要重新折叠，以形成成熟的蛋白质。这需要“分子伴侣”（molecularchaperone）的参加，大多数分子伴侣属于热休克蛋白（heatshockprotein,

HSP）,是机体细胞应付不良环境时使热致变性蛋白质复性，而在正常生理条件下对蛋白质的跨膜运送起重要作用。运入到基质中的蛋白质一般是从内外膜的接触点一步插入到基质中，这种前体蛋白质被基质中的水解酶水解并发生构象变化（重折叠）而成为成熟的蛋白质。4、线粒体基因的结构和功能线粒体有一套自己的遗传控制系统，同时也受到细胞核DNA的控制。线粒体DNA（mtDNA）位于基质中，有时也发现它附于内膜上。mtDNA是双链裸露的超螺旋共价闭合环状分子（原生生物草履虫与四膜虫的mtDNA是双链线性分子），分子量多在1×106～200×106bp，碱基的组成也是A、T、G、C。线粒体DNA的含量一般仅为细胞核DNA含量的1％左右，不与组蛋白结合。mtDNA的复制属于半保留复制，复制时间一般在细胞核DNA复制之后，即在G2期进行，接着线粒体分裂。mtDNA中两条链据其密度不同而称为重链H与轻链L。其复制方式可以是θ型复制、滚环复制，还有特殊的mtDNA的D环复制。D环复制：双螺旋的两条链并不同时进行复制，轻链先开始复制，稍后重链再开始复制，当复制沿轻链开始时，重链上产生了D环，随环形轻链复制的进行，D环增大，重链随后亦开始复制，最后两条链完成复制形成两条新的DNA双螺旋。1.H链首先合成：在复制起点处以L链为模板，合成RNA引物，然后由DNA聚合酶γ催化合成一个500-600bp长的H链片段。该片段与L链以氢键结合，将亲代的H链置换出来，产生D环复制中间物。2.H链片段的继续合成：上述产生的H链片段由于太短而很容易被挤出去恢复线粒体DNA完整的双螺旋结构。但有时这个片段会继续合成，这需要依靠拓扑异构酶和螺旋酶的作用将双链打开。3.L链合成开始：以被置换下来的亲代H链为模板，离H链合成起点60%基因组的位置开始合成L链DNA，合成也需要RNA引物。4.复制的完成：H链的合成提前完成，L链的合成随后结束。线粒体DNA合成速度相当缓慢，约每秒10个核苷酸，整个复制过程需要1个小时。刚刚合成的线粒体DNA是松弛型的，需要40分钟将其变成超螺旋型。线粒体基因的编码特点：基因在DNA分子上排列紧凑，相邻之间没有或只有很少几个非编码的碱基间隔，甚至有基因重叠现象。线粒体DNA编码其行使功能所必需的部分蛋白质或酶，也编码蛋白质生物合成所必需的各种rRNA、tRNA、mRNA。如人的mtDNA全长16569bp，外环为重链，内环为轻链。基因组含有37个基因，包含13个呼吸链的蛋白质基因、2个rRNA基因和22种tRNA基因。只有一个为各基因所共有的启动子，位于不编码的D环中，转录从此开始，沿着顺时针合成一条多基因的RNA分子。在这条多基因的前体RNA分子中，tRNA序列可作为核酸酶切割RNA前体的识别信号，而且还可以像内切酶那样在tRNA两端把RNA切开，起到核酶（ribozyme）的作用，经加工为成熟的tRNA、rRNA和mRNA.线粒体核糖体：以多聚核糖体的形式游离在线粒体基质中，或与内膜结合。果蝇线粒体DNA与串联成珠状排列的多聚核糖体相连，其线粒体中的转录与翻译是紧密相连的。但其核糖体蛋白质都是在细胞质中合成后输入到线粒体中的（酵母线粒体例外）。低等真核细胞线粒体的核糖体为70～80S，植物为78S左右，动物只有50～60S。线粒体遗传密码及其反密码特征：线粒体DNA的遗传密码不仅与通用密码有差异，而且不同种属的线粒体所使用的遗传密码也有区别。线粒体的蛋白质合成过程并无细胞质tRNA的参与。遗传密码的特点：1）UGA不是终止密码，而与UGG一起编码Trp；2）多肽链内部Met由AUG和AUA编码，而起始Met由AUG、AUA、AUU和AUC四个密码子编码；3）AGA、AGG是终止密码，而不是Arg密码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子，UAA、UAG、AGA、AGG；4）密码子的简并性而使一个tRNA分子可识别4种密码子。线粒体再生装置的独立性与依赖性：线粒体的再生早就引起研究者的关注。它与细菌很像，两者在形态、染色反应、化学组成、物理性质和活动状况等方面都很相似，如线粒体蛋白质合成的起始是N－甲酰甲硫氨酸、蛋白质合成受氯霉素的抑制，而不受放线菌酮影响。从线粒体再生装置看，它具有闭合环状DNA及其所载基因，还有自己的核糖体、氨基酰－tRNA合成酶等蛋白质合成系统，是有能力一代一代遗传下去。线粒体的自主性在很多方面受细胞核基因的限制，一方面线粒体合成蛋白质的量非常有限，其合成的蛋白只占其所有蛋白的5～10％，其余均为核DNA编码，另一方面线粒体基因产物的功能行使必须依赖细胞核基因产物的共同表达，线粒体基因表达是建立在核基因表达的基础上，但二者之间的DNA分子并不交换，因而两套遗传系统是相互协调，共同行使相互作用的。因此，线粒体是半自主性的细胞器（semiautonomousorganella）。线粒体异常与疾病：线粒体数量、嵴变形、呼吸氧化与ATP磷酸化不偶联、膜转运异常、酶缺乏或活性变化；线粒体与衰老有关；有些遗传病如Leber遗传性视神经病、肌阵挛性癫痫、糖尿病-耳聋综合征、MELAS综合征等与线粒体基因突变有关。四、叶绿体生物化学叶绿体是利用光能进行光合作用的一种特殊细胞器。近年关于叶绿体的分子生物学研究包括其基因结构与功能的阐明及转基因叶绿体的研究等。叶绿体的功能组分定位：叶绿体内外被膜的主要成分为蛋白质与脂类，其所含蛋白质只占叶绿体总蛋白的0.3～0.5％，其余蛋白质分布在基质和类囊体中，被膜中的脂类主要为糖脂与磷脂，膜上嵌合或结合的蛋白酶类主要是ATP酶、腺苷酸激酶、半乳糖基转移酶与参与糖脂合成代谢的酰基辅酶A等。类囊体是膜状结构，膜中蛋白质与脂类之比大约为6：4，膜囊中约10％为磷脂，约60％为糖脂，硫脂占10％左右，20％左右的色素，脂肪酸主要是亚麻酸。类囊体膜蛋白包括嵌合蛋白与外周蛋白，包括由光能转化为化学能所需要的功能成分，如光天线色素、两个光反应中心、各种电子载体、从水相中摄取电子的酶与合成ATP的系统等。叶绿体基质的主要成分为可溶性蛋白质，催化暗反应的酶类存在于基质中。叶绿体膜的分子转运：在膜的通透性与转运机制方面，叶绿体与线粒体有许多相同之处。外膜对小分子物质的透性较大，而内膜有特异性的选择转运机制存在，有专一的运输载体系统参加各种物质的运输过程，两者都有向环境排出质子的倾向。叶绿体内膜对各种有机酸和氨基酸有不同的透性，如能透过草酰乙酸、苹果酸，而α－酮戊二酸和谷氨酸则不能通过，因此它们的还原力系统只有通过草酰乙酸和苹果酸所组成的“梭”来实现彼此之间还原转换与转运。叶绿体内膜上无腺苷酸载体，其高能磷酸键只能通过磷酸二羟丙酮和磷酸甘油酸穿梭在内膜内外之间运输。类囊体膜上有受光激活的质子泵，能把质子从叶绿体基质一侧向类囊体腔内主动运输，质体醌是穿梭体系的组分。与质子运输的同时，有阳离子（Mg2+）的反向运输和阴离子（Cl-）的同向运输，维持类囊体膜内外的电荷平衡。叶绿体自己能合成部分蛋白质，但大部分蛋白质也是由核基因编码，在细胞质的核糖体合成后，转运到叶绿体中的各个部位。其运输机制也属于转译后转运（post-translational），需要能量，是以疏水性氨基酸作为导肽，并在作用后被切除。但是线粒体是利用内膜两侧电化学梯度来驱动转运，而叶绿体内膜并无电化学梯度（其存在于类囊体膜两侧），只有利用ATP水解来驱动蛋白质转运穿越双层的被膜。其转运方式通过两步转运机制，先穿越内外被膜进入叶绿体基质，然后再转运进入类囊体膜与类囊体腔。这些蛋白质的前体具有一段疏水性的类囊体信号肽，结在叶绿体蛋白质氨基端的导肽的内侧，当此蛋白前体被导肽转运进入叶绿体后，此导肽片断被基质中蛋白酶切除，使类囊体信号肽暴露，启动此亚基穿越类囊体的转运机制，使蛋白质插入类囊体膜中或进入类囊体腔内。叶绿体DNA（chloroplast,cpDNA）与基因结构：高等植物cpDNA一般是以共价双链的环状分子存在，长度约为46μm，不与组蛋白结合，不含5＇－甲基胞嘧啶，其中GC的比例为37％，可随种类而不同。cpDNA存在于叶绿体的基质中，碱基数平均120～160kb，与细菌DNA分子大小相似。cpDNA含量水平变化很大，每个叶绿体一般为20～60拷贝数，而一个细胞中由20～50个叶绿体，细胞中cpDNA分子数目可高达数千甚至上万份。cpDNA在基质中并不是随机分布，而是有组织地聚集成类似于拟核的结构。cpDNA可进行自我的半保留复制，但其复制酶、DNA聚合酶是细胞质中核糖体合成后转入的，也受核的控制。cpDNA合成一般比核DNA复制时间长一些。分子杂交实验证明，cpDNA与核DNA没有同源性，而亲缘关系越近，cpDNA的同源性也越高，随着种属的不同，cpDNA的保守性大大降低。cpDNA的结构（水稻的cpDNA为134525bp，烟草的cpDNA为155939bp），含有一对大型的反向重复序列（invertedrepeatsequence,IR，长约22～28kb），它把环状叶绿体基因组分为大单拷贝（Largesinglecopy,LSC，长约80～100kb）区和小单拷贝（Smallsinglecopy,SSC，长约18～20kb）区。在漫长的演变进化过程中，这几个部分的结构顺序保持不变，不同物种叶绿体基因组之间的差异主要表现在IR区域的长度和方向变化上.

从已知的一些叶绿体基因组，其所含的基因包括3～5个rRNA基因、30～31个tRNA基因和100左右的蛋白质基因，包括叶绿体的结构蛋白、光合作用所需的酶以及合成糖、脂、蛋白质的酶，还存在一类有待鉴定的潜在的多肽基因。叶绿体基因组中存在着内含子，且其位置不是固定的。还有假基因与重叠基因存在。叶绿体基因组的结构以及表达调控的研究对叶绿体起源问题的探索具有重要意义。叶绿体的起源问题有两种互相对立的学说，即内共生假说和分化假说。按照内共生假说，叶绿体的祖先是蓝藻或光合细菌，它们在生物进化的早期被原始真核细胞捕获(吞噬)，逐步进化为叶绿体。分化假说认为叶绿体是原始的真核细胞内质逐步分化而形成。已有的一些研究成果更有利于叶绿体起源的内共生假说，例如叶绿体DNA的大小及形状类似于蓝细菌DNA，DNA的组成中也都无5-甲基胞嘧啶，它们的DNA都不与组蛋白结合在一起。此外，它们的蛋白质合成都受氯霉素抑制，而对放线菌酮不敏感等。但是叶绿体基因具有内含子以及增强子的现象表明它具有核基因的一些特性，叶绿体中许多蛋白质也是由核基因编码的，对此，石田政弘认为在叶绿体内共生起源进化过程中发生过核基因组和叶绿体基因组之间的DNA重组事件。

五、核糖体生物化学核糖体是一种具有自我装配（self-assembly）能力的细胞器，核糖体蛋白质和rRNA可在一定条件下从核糖体中解离下来，也可以将它们加回去而重新建成有生物活性的亚单位。但是重组核糖体在试管条件下与活体细胞内装配的过程有差异，表现在活体内的装配更为迅速和有效，不需要体外重建时的高温。活体内核糖体的组装是在核仁内形成核糖体前体rRNA，核糖体颗粒产生于rRNA转录过程中，组装是一个连续的过程，体内组装还需要非核糖核蛋白体成分。rRNA的结构特点：对16srRNA结构研究较多。rRNA一级结构非常保守，有些序列甚至是完全一致的，往往分布在核糖体的表面，与核糖体的功能相关。16srRNA的二级结构具有更高的保守性，都折叠为相似的二级结构，即由多个臂环或茎环组成。如大肠杆菌16SrRNA的一级结构是1542个核苷酸直线排列而成的序列，约有46％的核苷酸配成碱基对呈臂状螺旋。二级结构中包含50个螺旋结构，组成4个主要的结构域：1）5’端结构域，由1到556位核苷酸顺序组成；2）中心结构域，包含碱基557～918，一些重要蛋白质与该区域相连接；3）3’结构域，自碱基920～1396，这一区域是位于30S亚单位的“头”部，与一些蛋白质相结合；4）倒数第二个臂，自碱基1409～1491，通过1400区域连接到930/1390的臂上而拴在一起，靠近小亚基的裂口处。

图：部分不同生物体小亚基rRNA3’端的保守序列

图：原核和真核生物核糖体小亚基rRNA的二级结构rRNA在亚基结合中的作用：核糖体RNA在核糖体中的分布是不均匀的，在大小亚基的结合面上rRNA比较富集，这提示rRNA在蛋白质合成时30S和50S亚基联合成70S核糖体的过程中起着重要作用。现已鉴定16SrRNA中的一些碱基是亚基结合所必需：位于30S亚基平台上的790～792区成环状的几个碱基恰好是和50S亚基结合的部位，具有高度的保守性；3’末端倒数第二个茎结构（1489～1491）的缺失和该结构中1416位G被置换，也会破坏亚基间的联合，同时其3’端保守的二甲基化的A茎环结构也可能与亚基的联合有关。核糖体蛋白质的结构与功能：原核生物核糖体蛋白质的分子量为5～60kD，真核生物核糖体的蛋白质要小些，两者都以碱性蛋白质占多数，等电点在10～12之间，这种性质有利于蛋白质与rRNA的结合。核糖体蛋白质可通过可逆磷酸化在蛋白质合成中起调节作用,其中对小亚基S6蛋白质参与的这种调节机理研究得较为清楚。S6蛋白质位于小亚基的头部,其磷酸化修饰可促进蛋白质的合成，提高核糖体的翻译活性，特别是表现在促进蛋白质合成的起始过程。S6蛋白可与mRNA、eIF以及参与起始的核糖体蛋白质发生交联,若用S6抗体封闭S6蛋白的活性位点，则可抑制起始三元复合物与核糖体的结合。此外，S6磷酸化还可导致大、小亚基构象发生变化，从而可能通过另一机制来调节蛋白质的合成。rRNA与mRNA的相互作用：在蛋白质合成的起始、延伸和终止等主要时期，都有特定的碱基对的相互作用出现在rRNA与mRNA之间，如果配对不适合，就会影响蛋白质的合成水平。如大肠杆菌16SrRNA对翻译起始密码子的识别，这种识别是通过mRNA5’末端的SD序列与rRNA3’末端的SD互补序列的相互作用而实现的。SD序列即Shine－Dalgarno序列，也称核糖体结合位点。该序列长3到9个碱基，位于起始密码子前面3到12个核苷酸，富含嘌呤碱基。SD互补序列即Anti-Shine-Dalgarno序列，亦称反SD区,它是在16SrRNAY3’端的一组富含嘧啶的顺序。如果在16SrRNA的反SD区1538碱基位置上，将C改变为U而使序列CCUCC变为CCUUC，就能改变细菌体内大多数蛋白质的合成水平。同样，若在反SD区顺序中的5个核苷酸改变其中3个，即CCUCC改变为ACACA(1535～1539)，也会降低这些核糖体对正常mRNA的识别能力。

E.colimRNA的SD序列现已证实，SD序列和反SD序列的相互作用不仅存在于蛋白质合成的起始阶段，而且一直存在于肽链的延伸过程。延伸过程和起始阶段一样,在同一反SD顺序区与mRNA形成碱基对，这是大肠杆菌RF2(releasefactor2)基因编制的核糖体移码结构的关键组成部分。在RF2的mRNA中有一段15个核苷酸序列(5’-AGGGGGUAUCUUUGA-3’)是核糖体进行高效率移码所必需的,其中CUUUGA序列是移码位点,其上游序列AGGGGG对核糖体高效移码有重要影响,若将这段序列中的碱基G改为C,即由原来的AGGGGG改为AGCGGG,结果就破坏了与16SrRNA1534～1540区段间碱基的正常配对,使移码效率降低5倍。此外，rRNA与mRNA的相互作用在肽链的终止中也起一定的作用，如