第七章線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換第一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

第一節(jié)線粒體的基本特征

一、線粒體的中含有眾多參與能量代謝的酶系

除去水分之外，線粒體的主要成分是蛋白質(zhì)，約占組分總量的65%～70%，多數(shù)分布于內(nèi)膜和基質(zhì)。第三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體蛋白質(zhì)(兩類)：一、可溶性蛋白包括基質(zhì)中的酶和膜外周蛋白；二、不溶性蛋白為膜結(jié)構(gòu)蛋白或膜鑲嵌酶蛋白。線粒體含有眾多酶系，目前已確認(rèn)有120余種第四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四二、線粒體的形態(tài)、數(shù)量與分布

光鏡下的線粒體呈線狀、粒狀或桿狀等，直徑0.5～1.0μm。

不同類型或不同生理狀態(tài)的細(xì)胞，其線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目及排列分布常不相同。最少的細(xì)胞只含1個(gè)線粒體，最多的達(dá)50萬個(gè)，其總體積可占細(xì)胞體積的25%第五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體在細(xì)胞內(nèi)的分布第六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四三、線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)第七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（一）外膜（outermembrane）：?jiǎn)挝荒ぷ钔鈱铀@的一層單位膜，厚約5～7nm，光滑平整。組成：脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分各占1/2。外膜中含有整合蛋白孔蛋白（porin），它們以β片層結(jié)構(gòu)形式形成直徑2～3nm桶狀通道，跨越脂質(zhì)雙層，可以通過相對(duì)分子質(zhì)量在5000以下的物質(zhì)。第八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（二）內(nèi)膜（innermembrane）：?jiǎn)挝荒?/p>

比外膜稍薄，平均厚4.5nm，也是一層單位膜。組成：20%是脂類，80%是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)的含量明顯高于其他膜成分。第十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

內(nèi)腔：含有基質(zhì)，也稱基質(zhì)腔（matrixspace）；外腔：或膜間腔（intermembranespace）。

嵴（cristae）：內(nèi)膜上有大量向內(nèi)腔突起的折疊（infolding）。嵴間腔（intercristalspace）：嵴內(nèi)空間（intracristalspace）：嵴的形成大大擴(kuò)大了內(nèi)膜的面積，提高了內(nèi)膜的代謝效率。

第十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

基粒（elementaryparticle)

基粒分為頭部、柄部和基片三部分，是由多種蛋白質(zhì)亞基組成的復(fù)合體。基粒頭部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又稱ATP合酶復(fù)合體（ATPsynthasecomplex）。第十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四管狀嵴線粒體第十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四基粒

內(nèi)膜內(nèi)表面許多排列規(guī)則的球形小體

ATP合酶（F0F1ATP合酶）：最小的分子馬達(dá)構(gòu)成：頭部、柄部、基部第二十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體：該圖為大鼠心肌用ODO法制備的樣品，顯示其中的線粒體割斷面及外表面（*）。圖中央系線粒體的割斷面。其嵴橫貫全徑，可見其上的內(nèi)膜亞單位（↑）突向嵴間腔（△）。線粒體間有呈網(wǎng)狀排列的滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（SER）。×80,000。

第二十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第二十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第二十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第二十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

（三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)（translocationcontactsite）內(nèi)膜與外膜相互接觸的地方是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道例：鼠肝細(xì)胞直徑1μm的線粒體有100個(gè)第二十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第二十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（四）基質(zhì)（matrix）

特性：電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分主要成分：三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等有關(guān)的酶。其他成分：線粒體相對(duì)獨(dú)立的遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體第二十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四四、線粒體相對(duì)獨(dú)立的遺傳體系（一）線粒體的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)

線粒體DNA（mtDNA）：線粒體的基因組只有一條DNA，是裸露的。一個(gè)線粒體內(nèi)往往有1至數(shù)個(gè)mtDNA分子，平均為5~10個(gè)。大多數(shù)酶或蛋白質(zhì)仍由核編碼，它們?cè)诩?xì)胞質(zhì)中合成后經(jīng)特定的方式轉(zhuǎn)送到線粒體中。第二十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（二）線粒體基因組：一條雙鏈環(huán)狀的DNA分子

人線粒體基因組的全序列測(cè)定早已完成線粒體基因組的序列（又稱劍橋序列）共含16569個(gè)堿基對(duì)（bp），為一條雙鏈環(huán)狀的DNA分子，雙鏈中一為重鏈（H），一為輕鏈（L）。第二十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四人類線粒體基因組共編碼了37個(gè)基因

2個(gè)rRNA基因22個(gè)tRNA基因13個(gè)蛋白質(zhì)基因第三十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四重鏈編碼：28個(gè)基因12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化還原酶1（ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5細(xì)胞色素C氧化酶1（COXⅠ）、COXⅡ、COXⅢ細(xì)胞色素b的亞基ATP合酶的第6亞單位和第8亞單位（A6、A8）14個(gè)tRNA

輕鏈編碼：9個(gè)基因ND68個(gè)tRNA第三十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第三十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第三十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（三）重鏈和輕鏈各有一個(gè)啟動(dòng)子啟動(dòng)線粒體基因的轉(zhuǎn)錄

線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄是從兩個(gè)主要的啟動(dòng)子處開始轉(zhuǎn)錄的：重鏈啟動(dòng)子（heavy-strandpromoter，HSP）輕鏈啟動(dòng)子（light-strandpromoter，LSP）第三十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體轉(zhuǎn)錄因子1（mtTFA):

與HSP與LSP上游的DNA特定序列結(jié)合類似于原核生物的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生多順反子第三十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四密碼子核密碼子編碼氨基酸線粒體密碼子編碼氨基酸哺乳動(dòng)物果

蠅鏈孢酶菌酵

母植

物UGA終止密碼子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸終止密碼子AGA、AGG精氨酸終止密碼子絲氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸異亮氨酸異亮氨酸異亮氨酸AUU異亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸異亮氨酸CUU、CUCCUA、CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸蘇氨酸亮氨酸線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較第三十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

線粒體基因中兩個(gè)重疊基因，一個(gè)是復(fù)合物Ⅰ的ND4L和ND4，另一個(gè)是復(fù)合物Ⅴ的ATP酶8和ATP酶6。第三十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四轉(zhuǎn)基因動(dòng)物與線粒體由于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物受遺傳鑲嵌性和雜合性的影響，其有性生殖后代變異較大，難以形成穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因品系。嘗試從受體動(dòng)物細(xì)胞中分離出線粒體，以外源基因?qū)ζ溥M(jìn)行離體轉(zhuǎn)化，再將轉(zhuǎn)基因線粒體導(dǎo)入受精卵，所發(fā)育成的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物雌性個(gè)體外培養(yǎng)的卵細(xì)胞與任一雄性個(gè)體交配或體外人工授精，由于線粒體的細(xì)胞質(zhì)遺傳，其有性后代可能全都是轉(zhuǎn)基因個(gè)體。第三十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四五、線粒體靶序列引導(dǎo)核編碼蛋白質(zhì)向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)（一）核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體需要分子伴侶蛋白的協(xié)助線粒體內(nèi)含有1000～1500種蛋白質(zhì)

線粒體含有4個(gè)蛋白質(zhì)輸入的亞區(qū)域：線粒體外膜、線粒體內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)。

分子伴侶（molecularchaperon）

第三十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四基質(zhì)導(dǎo)入順序（matrix-targetingsequence，MTS）

輸入到線粒體的蛋白質(zhì)都在其N-端具有一段線粒體靶序列線粒體外膜和內(nèi)膜上的受體能識(shí)別并結(jié)合各種不同的但相關(guān)的MTS。第四十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第四十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體定位蛋白質(zhì)基質(zhì)乙醇脫氫酶（酵母）氨甲酰磷酸合酶（哺乳動(dòng)物）檸檬酸合酶（citratesynthase）與其他檸檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亞單位α（除植物外），β、γ、δ（某些真菌）Mn2+超氧物岐化酶鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶（哺乳動(dòng)物）鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（哺乳動(dòng)物）核糖體蛋白質(zhì)RNA聚合酶內(nèi)膜ADP/ATP反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（antiporter）復(fù)合體Ⅲ亞基1、2、5（鐵-硫蛋白）、6、7復(fù)合體Ⅳ（COX）亞基4，5，6，7F0ATP酶生熱蛋白（thermogenin）膜間腔細(xì)胞色素c細(xì)胞色素c過氧化物酶細(xì)胞色素b2和c1（復(fù)合體Ⅲ亞基）外膜線粒體孔蛋白（porin）P70

部分核編碼的線粒體蛋白第四十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)

當(dāng)線粒體蛋白可溶性前體

(solubleprecursorofmitochondrialproteins)在核糖體內(nèi)形成以后，少數(shù)前體蛋白與一種稱為新生多肽相關(guān)復(fù)合物(nascent-associatedcomplex，NAC)的分子伴侶蛋白相互作用。第四十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

在哺乳動(dòng)物的胞質(zhì)中存在：

前體蛋白的結(jié)合因子（presequence-bindingfactor，PBF）：它能夠增加hsc70對(duì)線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)

線粒體輸入刺激因子（mitochondrialimportstimulatoryfactor，MSF）：常單獨(dú)發(fā)揮著ATP酶的作用，為聚集蛋白的解聚提供能量。第四十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四

前體蛋白與MSF所形成的復(fù)合體外膜上第一套受體Tom37和Tom70

第二套受體Tom20和Tom22

第三套受體通道蛋白Tom40

內(nèi)膜上與接觸點(diǎn)共同組成一個(gè)直徑為1.5~2.5nm的越膜通道（tim17受體系統(tǒng)）：非折疊的前體蛋白通過這一通道轉(zhuǎn)移到線粒體基質(zhì)。第四十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第四十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（三）分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜

線粒體基質(zhì)hsc70（mthsp70）：與進(jìn)入線粒體腔的前導(dǎo)肽鏈交聯(lián)第四十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四Simon等提出一種作用機(jī)制，即布朗棘輪模型（BrownianRachetmodel）：

第四十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（四）多肽鏈需要在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊才形成有活性的蛋白質(zhì)

基質(zhì)作用蛋白酶（matrixprocessingprotease,MPP）：移除大多數(shù)定位于基質(zhì)的蛋白基質(zhì)分子伴侶如hsc60、hsc10的協(xié)助第四十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（五）線粒體蛋白進(jìn)入線粒體其他部位

膜間腔、內(nèi)膜和外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)：具有MTS外，一般還都具有第2類信號(hào)順序。1.膜間隙蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)ISTS2.外膜和內(nèi)膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)第五十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四六、線粒體介導(dǎo)了某些類型的細(xì)胞死亡

細(xì)胞凋亡：細(xì)胞核控制凋亡過程線粒體控制凋亡過程第五十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（一）線粒體是控制細(xì)胞死亡的中心環(huán)節(jié)之一①細(xì)胞死亡（包括凋亡和壞死）的共同特征是在細(xì)胞死亡前都有線粒體膜通透性改變；②線粒體通透性的改變是預(yù)測(cè)細(xì)胞死亡更有價(jià)值的指標(biāo)；③加大原凋亡效應(yīng)物的作用劑量可通過作用于線粒體膜而誘導(dǎo)線粒體膜通透性的改變；第五十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四④Bcl-2家族中抑制凋亡的成員Bcl-2、Bcl-XL能與線粒體膜蛋白產(chǎn)生交叉反應(yīng)抑制細(xì)胞凋亡；⑤通過特異性藥物抑制線粒體膜的通透性可阻止或延緩細(xì)胞死亡；⑥無細(xì)胞系統(tǒng)已分離出一些線粒體蛋白，它們具有水解酶活性。第五十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（二）線粒體的改變構(gòu)成了細(xì)胞死亡的原因或表現(xiàn)自由基代謝線粒體產(chǎn)生大量超氧陰離子，并通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成活性氧（ROS），當(dāng)ROS水平較低時(shí)，可促進(jìn)細(xì)胞增生；而當(dāng)ROS水平較高時(shí)，使得線粒體內(nèi)膜非特異性通透性孔道（MPTP）開放，不僅導(dǎo)致跨膜電位崩潰，也使cytoc外漏，再啟動(dòng)caspase的級(jí)聯(lián)活化，最終由caspase-3啟動(dòng)凋亡。第五十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過程的中心環(huán)節(jié)

與線粒體有關(guān)的細(xì)胞死亡的三個(gè)時(shí)限（phase）：

線粒體前期：私有途徑（privatepathway）；

第五十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體期：線粒體膜的通透性發(fā)生改變，這是線粒體控制細(xì)胞死亡的關(guān)鍵時(shí)期，一旦進(jìn)入這一點(diǎn)，細(xì)胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過程，故也稱為效應(yīng)期（effectorphase）或決定期（decisivephase）

第五十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體后期：也稱為降解期，從線粒體釋放的蛋白質(zhì)，激活蛋白酶和核酸酶，后者進(jìn)一步介導(dǎo)后續(xù)的死亡機(jī)制。由于第二期和第三期是不同因素導(dǎo)致細(xì)胞死亡的共同途路，因此也稱為共有途徑（commonpathway）第五十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第五十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四Figure18-10MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)第五十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四Figure18-11aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)第六十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四Figure18-11bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)第六十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四Figure18-12aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)第六十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四Figure18-12bMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)第六十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四七、線粒體的起源與發(fā)生尚有爭(zhēng)論（一）線粒體是通過分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖的

對(duì)于現(xiàn)代真核細(xì)胞中的線粒體發(fā)生（biogenesis）機(jī)制，目前有三種關(guān)于線粒體生物發(fā)生的觀點(diǎn)，即重新合成、起源于非線粒體的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及通過原有線粒體的分裂形成。

Attardi等認(rèn)為，線粒體的生物發(fā)生過程分兩個(gè)階段。在第一階段，線粒體的膜進(jìn)行生長(zhǎng)和復(fù)制，然后分裂增殖；第二階段包括線粒體本身的分化過程，建成能夠行使氧化磷酸化功能的機(jī)構(gòu)。線粒體的生長(zhǎng)和分化階段分別接受細(xì)胞核和線粒體兩個(gè)獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)控制。第六十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四（二）線粒體的起源尚無定論線粒體可能起源于古老厭氧真核細(xì)胞共生的早期細(xì)菌。在之后的長(zhǎng)期進(jìn)化過程中，二者共生聯(lián)系更加密切，共生物的大部分遺傳信息轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核上，這樣留在線粒體上的遺傳信息大大減少，即線粒體起源的內(nèi)共生學(xué)說。許多證據(jù)支持這一假說：線粒體的遺傳系統(tǒng)與細(xì)菌相似，如DNA呈環(huán)狀、不與組蛋白結(jié)合；線粒體的蛋白質(zhì)合成方式與細(xì)菌相似，如核糖體為70S，抑制蛋白質(zhì)合成的機(jī)制等。但這一機(jī)制也有不足之處，所以有學(xué)者提出了非共生假說。第六十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四第六十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期四線粒體與人類學(xué)、醫(yī)學(xué)研究

每一個(gè)人類細(xì)胞中帶有數(shù)百個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體中又含有若干個(gè)mtDNA分子。線粒體通過合成ATP而為細(xì)胞提供能