第六章线粒体与细胞能量转换
一、基本特征
1.詹纳斯绿Janus Green B
一种活体染色剂，专一用于线粒体的染色。
它可以和线粒体中的细胞色素C氧化酶结合，从而出现蓝绿色。
2.结构
1)外膜（outer membrane）：线粒体最外层所包绕的一层单位膜，厚约5～7nm，光滑平整。
在组成上，外膜的脂质和蛋白质成分各占1/2。
2)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。
（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）
3)基质为物质氧化代谢提供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。
4)内外膜转位接触点：核编码蛋白质进入线粒体的通道
3.相对独立的遗传体系
1)线粒体基因的转录
i.线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区
ii.每个mRNA5ˊ端的起始密码为AUG（或AUA），起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸
iii.线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同
iv.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
v.线粒体与核密码子编码氨基酸三联体密码有差异
2)线粒体DNA的复制
mtDNA的复制起始点被分成两半，个是在重链上，称为重链复制起始点（O H），位于环的顶部，顺时针合成；一个是在轻链上，称为轻链复制起始点（O L），位于环L的“8点钟”位置，逆时针合成。
D型复制。
mtDNA复制不受细胞周期影响。
4.线粒体靶序列引导核编码蛋白质向线粒体转运
1)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
膜间隙基质
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。
2)前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态
3)分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜
布朗棘轮模型
4)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
5)线粒体蛋白以类似的机制进入线粒体其他部位
二、细胞呼吸与能量转换
1.细胞呼吸
细胞氧化分解物质获取能量的过程，也称称为生物氧化（biological oxidation) 或细胞氧化(cellular oxidation)。
1)生物氧化特点：
温和环境（37C°中性）
酶催化
逐步释放能量
有机酸脱羧生成CO2
有机物脱氢经呼吸链生成H2O
2)
3)以葡萄糖为例，有氧氧化大致分为三个步骤：糖酵解，三羧酸循环，氧化磷酸化
i.葡萄糖在细胞质中进行糖酵解
一分子葡萄糖经过十多步反应，生成2分子丙酮酸，同时脱下2对H交给受
氢体NAD+携带，形成2分子NADH+H+。
净生成2分子ATP。
这种由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，称为底物水平磷酸化（substrate-level
phosphorylation）。
ii.三羧酸循环在线粒体基质中实现
三羧酸循环中，反应物葡萄糖或者脂肪酸会变成乙酰辅酶A，在循环中分解生成最终产物二氧化碳并脱氢，质子将传递给辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和黄素腺嘌呤（FAD），使之成为NADH + H+和FADH2。
NADH + H+和FADH2会继续在呼吸链中被氧化成NAD+和FAD，并生成水。
TCA循环消耗了3个H2O，
生成1分子的GTP（可转变为1分子的ATP）、
4对H和2分子CO2
脱下的4对H，其中3对以NAD+为受氢体，另1对以FAD为受氢体。
ATP/ADP及NADH/NAD+比值高时均能降低TAC循环的速度。
iii.氧化磷酸化偶联是能量转换的关键
呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础，这一传递电子的酶和辅酶体系是由一系列能够可逆地接受和释放H+和e-的化学物质所组成，它
们在内膜上有序地排列成相互关联的链状，称为呼吸链（respiratory chain）
或电子传递呼吸链（electron transport respiratory chain）。
体内两条呼吸链
•N ADH氧化呼吸链
•琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）
•电子传递过程中释放出的能量催化ADP磷酸化而合成ATP实现氧化磷酸化偶联•1分子NADH+H+经过电子传递，释放的能量可以形成3分子ATP；
•1分子FADH2所释放的能量则能够形成2分子ATP
iv.F0F1 ATP合酶
线粒体内膜（包括嵴）上附有许多圆球形基粒。
基粒由头部、柄部和基片3
部分组成。
基粒是将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADP磷酸化生
成ATP的关键装置，是由多种多肽构成的复合体，其化学本质是ATP合酶复合
体（原理：化学渗透假说——H+穿膜传递转变为横跨线粒体内膜的电化学质子
梯度驱动结合在内膜上的ATP合酶催化ADP磷酸化合成ATP，即电化学梯度
所包含的能量转换成ATP的化学能）
三、线粒体介导了某些类型的细胞死亡
线粒体是控制细胞死亡（包括凋亡和坏死）的中心环节之一
细胞死亡前线粒体膜通透性改变，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Cyto c外漏
启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动凋亡
四、线粒体与人类学、医学研究
1.mtDNA突变导致疾病
2.mtDNA用于人种起源研究
3.线粒体的起源与发生尚有争论
1)线粒体是通过分裂方式实现增殖的
2)起源内共生（但仍无定论）。