第七章 线粒体与细胞的能量转换

第七章线粒体与细胞的能量转换第一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

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。第三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体蛋白质(两类)：一、可溶性蛋白包括基质中的酶和膜外周蛋白；二、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余种第四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四二、线粒体的形态、数量与分布

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。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%第五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体在细胞内的分布第六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四三、线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构第七页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（一）外膜（outermembrane）：单位膜最外层所包绕的一层单位膜，厚约5～7nm，光滑平整。组成：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5000以下的物质。第八页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第九页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（二）内膜（innermembrane）：单位膜

比外膜稍薄，平均厚4.5nm，也是一层单位膜。组成：20%是脂类，80%是蛋白质，蛋白质的含量明显高于其他膜成分。第十页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

内腔：含有基质，也称基质腔（matrixspace）；外腔：或膜间腔（intermembranespace）。

嵴（cristae）：内膜上有大量向内腔突起的折叠（infolding）。嵴间腔（intercristalspace）：嵴内空间（intracristalspace）：嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高了内膜的代谢效率。

第十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

基粒（elementaryparticle)

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（ATPsynthasecomplex）。第十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期四管状嵴线粒体第十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期四基粒

内膜内表面许多排列规则的球形小体

ATP合酶（F0F1ATP合酶）：最小的分子马达构成：头部、柄部、基部第二十页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体：该图为大鼠心肌用ODO法制备的样品，显示其中的线粒体割断面及外表面（*）。图中央系线粒体的割断面。其嵴横贯全径，可见其上的内膜亚单位（↑）突向嵴间腔（△）。线粒体间有呈网状排列的滑面内质网（SER）。×80,000。

第二十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第二十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第二十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第二十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

（三）内外膜转位接触点（translocationcontactsite）内膜与外膜相互接触的地方是蛋白质等物质进出线粒体的通道例：鼠肝细胞直径1μm的线粒体有100个第二十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第二十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（四）基质（matrix）

特性：电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分主要成分：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。其他成分：线粒体相对独立的遗传信息复制、转录和翻译系统，双链环状DNA、核糖体第二十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期四四、线粒体相对独立的遗传体系（一）线粒体的遗传系统和蛋白质翻译系统

线粒体DNA（mtDNA）：线粒体的基因组只有一条DNA，是裸露的。一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子，平均为5~10个。大多数酶或蛋白质仍由核编码，它们在细胞质中合成后经特定的方式转送到线粒体中。第二十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（二）线粒体基因组：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）。第二十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期四人类线粒体基因组共编码了37个基因

2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白质基因第三十页，共七十三页，编辑于2023年，星期四重链编码：28个基因12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化还原酶1（ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5细胞色素C氧化酶1（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）14个tRNA

轻链编码：9个基因ND68个tRNA第三十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第三十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第三十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（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：重链启动子（heavy-strandpromoter，HSP）轻链启动子（light-strandpromoter，LSP）第三十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体转录因子1（mtTFA):

与HSP与LSP上游的DNA特定序列结合类似于原核生物的转录产生多顺反子第三十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四密码子核密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物果

蝇链孢酶菌酵

母植

物UGA终止密码子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止密码子AGA、AGG精氨酸终止密码子丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸AUU异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸CUU、CUCCUA、CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸线粒体与核密码子编码氨基酸比较第三十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

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。第三十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期四转基因动物与线粒体由于转基因动物受遗传镶嵌性和杂合性的影响，其有性生殖后代变异较大，难以形成稳定遗传的转基因品系。尝试从受体动物细胞中分离出线粒体，以外源基因对其进行离体转化，再将转基因线粒体导入受精卵，所发育成的转基因动物雌性个体外培养的卵细胞与任一雄性个体交配或体外人工授精，由于线粒体的细胞质遗传，其有性后代可能全都是转基因个体。第三十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期四五、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

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。

分子伴侣（molecularchaperon）

第三十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期四基质导入顺序（matrix-targetingsequence，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。第四十页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第四十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体定位蛋白质基质乙醇脱氢酶（酵母）氨甲酰磷酸合酶（哺乳动物）柠檬酸合酶（citratesynthase）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聚合酶内膜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4，5，6，7F0ATP酶生热蛋白（thermogenin）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）外膜线粒体孔蛋白（porin）P70

部分核编码的线粒体蛋白第四十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（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

(solubleprecursorofmitochondrialproteins)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(nascent-associatedcomplex，NAC)的分子伴侣蛋白相互作用。第四十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

在哺乳动物的胞质中存在：

前体蛋白的结合因子（presequence-bindingfactor，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（mitochondrialimportstimulatoryfactor，MSF）：常单独发挥着ATP酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。第四十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四

前体蛋白与MSF所形成的复合体外膜上第一套受体Tom37和Tom70

第二套受体Tom20和Tom22

第三套受体通道蛋白Tom40

内膜上与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。第四十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第四十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（三）分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜

线粒体基质hsc70（mthsp70）：与进入线粒体腔的前导肽链交联第四十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期四Simon等提出一种作用机制，即布朗棘轮模型（BrownianRachetmodel）：

第四十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（四）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

基质作用蛋白酶（matrixprocessingprotease,MPP）：移除大多数定位于基质的蛋白基质分子伴侣如hsc60、hsc10的协助第四十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（五）线粒体蛋白进入线粒体其他部位

膜间腔、内膜和外膜的转运：具有MTS外，一般还都具有第2类信号顺序。1.膜间隙蛋白质的转运ISTS2.外膜和内膜蛋白的转运第五十页，共七十三页，编辑于2023年，星期四六、线粒体介导了某些类型的细胞死亡

细胞凋亡：细胞核控制凋亡过程线粒体控制凋亡过程第五十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（一）线粒体是控制细胞死亡的中心环节之一①细胞死亡（包括凋亡和坏死）的共同特征是在细胞死亡前都有线粒体膜通透性改变；②线粒体通透性的改变是预测细胞死亡更有价值的指标；③加大原凋亡效应物的作用剂量可通过作用于线粒体膜而诱导线粒体膜通透性的改变；第五十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四④Bcl-2家族中抑制凋亡的成员Bcl-2、Bcl-XL能与线粒体膜蛋白产生交叉反应抑制细胞凋亡；⑤通过特异性药物抑制线粒体膜的通透性可阻止或延缓细胞死亡；⑥无细胞系统已分离出一些线粒体蛋白，它们具有水解酶活性。第五十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（二）线粒体的改变构成了细胞死亡的原因或表现自由基代谢线粒体产生大量超氧阴离子，并通过链式反应形成活性氧（ROS），当ROS水平较低时，可促进细胞增生；而当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，不仅导致跨膜电位崩溃，也使cytoc外漏，再启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动凋亡。第五十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（三）线粒体控制着某些细胞死亡过程的中心环节

与线粒体有关的细胞死亡的三个时限（phase）：

线粒体前期：私有途径（privatepathway）；

第五十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体期：线粒体膜的通透性发生改变，这是线粒体控制细胞死亡的关键时期，一旦进入这一点，细胞将不可避免地发生后续过程，故也称为效应期（effectorphase）或决定期（decisivephase）

第五十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体后期：也称为降解期，从线粒体释放的蛋白质，激活蛋白酶和核酸酶，后者进一步介导后续的死亡机制。由于第二期和第三期是不同因素导致细胞死亡的共同途路，因此也称为共有途径（commonpathway）第五十七页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第五十八页，共七十三页，编辑于2023年，星期四Figure18-10MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)第五十九页，共七十三页，编辑于2023年，星期四Figure18-11aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)第六十页，共七十三页，编辑于2023年，星期四Figure18-11bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)第六十一页，共七十三页，编辑于2023年，星期四Figure18-12aMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)第六十二页，共七十三页，编辑于2023年，星期四Figure18-12bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)第六十三页，共七十三页，编辑于2023年，星期四七、线粒体的起源与发生尚有争论（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的

对于现代真核细胞中的线粒体发生（biogenesis）机制，目前有三种关于线粒体生物发生的观点，即重新合成、起源于非线粒体的亚细胞结构以及通过原有线粒体的分裂形成。

Attardi等认为，线粒体的生物发生过程分两个阶段。在第一阶段，线粒体的膜进行生长和复制，然后分裂增殖；第二阶段包括线粒体本身的分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的机构。线粒体的生长和分化阶段分别接受细胞核和线粒体两个独立的遗传系统控制。第六十四页，共七十三页，编辑于2023年，星期四（二）线粒体的起源尚无定论线粒体可能起源于古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。在之后的长期进化过程中，二者共生联系更加密切，共生物的大部分遗传信息转移到细胞核上，这样留在线粒体上的遗传信息大大减少，即线粒体起源的内共生学说。许多证据支持这一假说：线粒体的遗传系统与细菌相似，如DNA呈环状、不与组蛋白结合；线粒体的蛋白质合成方式与细菌相似，如核糖体为70S，抑制蛋白质合成的机制等。但这一机制也有不足之处，所以有学者提出了非共生假说。第六十五页，共七十三页，编辑于2023年，星期四第六十六页，共七十三页，编辑于2023年，星期四线粒体与人类学、医学研究

每一个人类细胞中带有数百个线粒体，每个线粒体中又含有若干个mtDNA分子。线粒体通过合成ATP而为细胞提供能