第七章线粒体西北农林科技大学生命科学学院李绍军17334040@本章概要：7.1线粒体的形态与结构7.2线粒体的化学组成7.3线粒体的功能7.4线粒体质量控制与线粒体自噬7.5线粒体损伤与疾病7.6线粒体与细胞凋亡7.7线粒体的自主性问题7.8线粒体的分裂与增殖7.9线粒体的起源学习重点：1、线粒体的结构与功能。

2、线粒体与疾病、细胞凋亡之间的关系。

线粒体和叶绿体是能量转换的细胞器，细胞内各项生化活动所需的能量，主要由线粒体和叶绿体提供，故有细胞“动力厂”之称。

线粒体是在动物细胞中首先由本达（Benda，1897）发现的，命名为“mitochondria,mitochondrion”（来源于希腊字mitos=线，chondrion=粒），其后，在植物细胞（Meves，1904）中也看到了。

它们普遍地存在于真核生物的所有细胞中。

7.1线粒体的形态与结构7.1.1 形状、大小、数目和分布线粒体是细胞中最丰富的细胞器之一，通常占细胞质容积的20%~25%，其数目、形态受细胞对能量的需求的调节，因而是动态变化的。

线粒体各种结构类型模式图线粒体形状在一定的条件下是可以可逆的转变的，其转变方式有3种：①由线状断裂成小球或颗粒，②颗粒膨大呈中空的球状，③由球状、粒状或短棒状转变为线状。

6The Fusion and Fission of Mitochondria7.1.2 结构线粒体的基本结构可分为4 部分，①线粒体表面的外膜（outer membrane），内含脂肪和蛋白质，各占一半；②内膜（inner membrane），向内折叠伸出许多形式不同的嵴，形成复杂的内部膜系统，嵴内为嵴内腔；③内外膜间为8.5nm 厚的电子透明层，称为膜间隙（intermembrane space）它与嵴内腔相贯通；④在内膜以内的基质（matrix），为含有可溶性蛋白质和含钙的基质颗粒（matirx granule）等物质的溶液。

●外膜外膜的平均厚度5.5nm。

有排列整齐的筒状膜孔蛋白，使得分子质量小于5000Da的小分子可以透过外膜，进入膜间隙中。

所以，外膜通透性比内膜好。

●内膜内膜向内折叠深入基质形成许多嵴，内膜蛋白质主要有3 大类：①进行氧化磷酸化的呼吸链；②特异的运输蛋白；③ATP 酶，●膜间隙只有6% 的线粒体蛋白存在于膜间隙中，其中含有一些酶。

●基质基质中含有脂质、蛋白质、核糖体、tRNA和几个完全相同的线粒体基因组。

其中含有百多种不同的酶。

ATP 酶（ATPase，或称F 1F0 ATPase）是一个跨膜蛋白复合体，分子质量约为500kDa，含有8 种不同的多肽。

由F1 和F0 两个主要组分构成。

F1 为催化组分，其头颈部是由α3β3γδε组成，共5 种多肽。

F0 则埋在膜中，为膜内在蛋白。

疏水的F0 亚单位有3 个组分，1 个a 和9~12 个 c 被埋在膜内，2 个b 具有极性，部分位于脂双层之外，通过与δ 亚单位接触，把F1 连接到膜上。

ε 亚单位结合到γ 上，起到稳定结构的作用。

膜上的a 亚单位形成了横跨膜的质子通道，使质子能顺利地通过。

7.2线粒体的化学组成线粒体的化学组成主要是蛋白质和脂质。

其他还含有少量核酸、无机盐和辅助因子（cofactor），如NAD+、ADP、CoA 等。

总脂质和蛋白质●在线粒体中，脂质和蛋白质的比例是每1g蛋白质有200~300mg的脂质。

约有90%以上的脂质是磷脂，并与膜组合在一起。

●外膜有相对高的脂质含量。

磷脂的主要种类是卵磷脂，其次是磷脂酸乙醇胺，磷脂酸肌醇则较少。

●内膜磷脂的组成与外膜明显不同，磷脂酰肌醇很少，而心磷脂很多，酸性磷脂也不少。

不含胆固醇。

膜蛋白●在线粒体的外膜上存在一类不溶解的蛋白质，称为结构蛋白（structural protein）。

这些蛋白质除少数具有催化的功能外，大部分没有催化作用。

●在内膜上约有一半的蛋白质具有催化功能的组分。

这些组分如细胞色素、黄素蛋白等。

呼吸链各组分在内膜上的分布状况7.3线粒体的功能线粒体是细胞进行呼吸作用的主要场所。

催化三羧酸循环、氨基酸代谢、脂肪酸分解、电子传递、能量转换、DNA复制和RNA 合成等过程所需要的各种酶和辅酶，都分布在线粒体中。

它们的主要功能是：①参加三羧酸循环中的氧化反应；②电子传递和能量转换。

线粒体内主要代谢反应活细胞吸取能量的机制有自养与异养二种，并由此可将细胞分为自养细胞和异养细胞两大类。

自养细胞（antotrophic cell）主要是绿色植物细胞，它们依靠光合作用来摄取太阳光的能量，并在叶绿体内利用光能把能量少的CO2 和水合成为能量丰富的葡萄糖分子。

异养细胞（heterotrophic cell）通常包括人体在内的动物细胞，它们是依靠呼吸作用氧化其他细胞制成的燃料（糖、蛋白质和脂肪）来获得能量，这个过程在线粒体中进行。

线粒体能量转换与细胞活动光合作用和呼吸作用的换能物质是腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）。

它由含氮的腺嘌呤、核糖和三个串联的磷酸基团所组成。

ATP 的分子结构及能量的储存7.3.1线粒体功能的定位●外膜只有少数酶在外膜上。

其中重要的有辅酶I（NAD）、细胞色素c还原酶和单胺氧化酶。

在外膜上还有一些辅助的酶（如犬尿氨酸羟化酶、脂肪酸激活酶和脂质代谢作用的酶），以及构成外膜孔的膜孔蛋白等。

●膜间隙膜间隙中通常含有一系列激酶，如腺苷酸激酶、二磷酸核苷激酶、一磷酸核苷激酶和肌酸激酶等。

●内膜氧化磷酸化主要是在线粒体内膜上进行的。

其组分可分为两大类：①呼吸链（电子传递链）酶系统；②ATP 酶复合体●基质所有三羧酸循环需要的酶都位于基质中，还有氨基酸代谢作用的酶、脂肪酸降解用的脂肪酸氧化酶等。

除此以外，在基质中还有mtDNA复制、转录和RNA 翻译的各种蛋白质。

7.3.2 线粒体蛋白质的跨膜运输线粒体中有1000 多种蛋白质，它本身的DNA 及核糖体只能合成其中少数蛋白质，其余的线粒体蛋白质都是由核DNA 编码的，在胞质游离核糖体上合成后运输到线粒体中。

由线粒体的核糖体合成的蛋白，以共翻译运输（co-translational transport）的方式插入到线粒体内膜，在细胞质核糖体上合成的蛋白，以翻译后运输（post-translational transport）的方式转运到线粒体中。

蛋白质跨膜运输的一般特性（1）在胞质核糖体上合成的蛋白质，大都以前体形式存在。

多由N 端的一段导肽和成熟形式的蛋白质组成。

（2）蛋白质通过膜时，在外膜上有专一性不很强的受体参与作用。

（3）蛋白质通过膜需要水解ATP 和利用质子动势的能量过程。

（4）导肽引导蛋白质前体，在受体及转运子的作用下，通过内、外膜的接触点，运输到线粒体的基质中。

（5）导肽对所牵引的蛋白质无特异性。

（6）蛋白质运送时需要一些分子伴侣使蛋白进行折叠状态与解折叠状态的转变。

（7）前体蛋白运入线粒体后，需要蛋白酶切除导肽，再折叠成成熟蛋白。

导肽的性质导肽是含有20~80个氨基酸残基的一段肽链，它们具有下列共性。

（1）富含带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸和赖氨酸）。

（2）缺少或不含带负电荷的酸性氨基酸。

（3）羟基氨基酸，特别是丝氨酸和苏氨酸的含量也较丰富。

（4）形成一个两性α螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧，螺旋与移位酶的识别有关。

线粒体膜上的转运子线粒体膜上存在前体蛋白转运子，外膜上的TOM、SAM ，内膜上TIM23、TIM22、OXA 转运子。

TOM 转运子（translocase of the outer mitochondrial membrane）介导几乎所有线粒体蛋白通过外膜。

它能识别细胞质中的前体蛋白，并使之与胞质中的分子伴侣分离，以未折叠的构象通过TOM 的转运孔运入。

同时它还可以介导一些外膜蛋白插入外膜。

真菌的TOM 转运子由7 个亚基组成，分别是Tom70、Tom40、Tom22、Tom20、Tom7、Tom6、Tom5。

其中Tom70、Tom22、Tom20 为外膜的受体，Tom40、Tom7、Tom6、Tom5 在外膜上形成转运孔。

TIM转运子（translocase of the inner mitochondrial membrane）其中最主要的一个为TIM23。

TIM23 能够转运所有的线粒体基质前体蛋白，大多数内膜蛋白，以及许多膜间隙蛋白。

组成TIM23 的亚基分两类：膜组分和输入马达（import motor）。

膜组分包括Tim21、Tim50、Tim23 和Tim17。

SAM复合物位于外膜上，当线粒体外膜上的β桶状结构的前体蛋白（如孔蛋白），经TOM转运进入膜间隙后，SAM复合物可以将它们正确折叠并插入到外膜上。

TIM22复合物位于内膜上，结构与TIM23类似，由伸入膜间隙的受体亚基和嵌入内膜的孔道亚基组成。

它负责介导部分定位于内膜的转运蛋白的插入。

包括运输ATP、ADP、磷酸进出线粒体的转运蛋白，以及其他转运蛋白。

OXA复合物位于内膜上，负责介导由线粒体自身合成的内膜蛋白的插入，以及一些运入基质的内膜蛋白的插入。

蛋白质运进线粒体的路线主要有以下4 个途径：1、外膜蛋白的运输途径定位于外膜的蛋白质一般没有导肽，其末端的氨基酸序列就有识别受体的能力。

在胞质中它们与分子伴侣Hsp70 结合，呈伸展状态，到达线粒体外膜后，Hsp70 与之脱离。

接着，蛋白质通过TOM复合物进入外膜。

对于外膜上丰富的膜孔蛋白，首先由TOM 运入膜间隙，与其中的分子伴侣结合防止凝聚，然后由SAM 插入到外膜。

2、内膜的蛋白质的运输途径这类蛋白质的运输途径有３种。

第一类内膜蛋白，无导肽，但存在内部信号序列。

第二类内膜蛋白，有导肽和疏水（停止）序列。

第三类内膜蛋白，有导肽，停止序列被第二段信号序列取代。

3、膜间隙蛋白的运输途径这类蛋白质的运输途径有两种：一类蛋白质含有导肽和疏水序列，它们由TOM 和TIM23 运入膜间隙，同时导肽穿入基质，被基质中的蛋白酶水解，后面的疏水序列停留在内膜，并被膜间隙的蛋白酶水解，释放成熟蛋白到膜间隙中；另一类蛋白质含有导肽和第二段信号序列，它们先经TOM、TIM23 进入基质，并切掉导肽，随后，蛋白又经OXA运送到内膜和膜间隙，其第二段信号序列最后被膜间隙的蛋白酶水解，使得成熟蛋白留在膜间隙4、基质蛋白的运输途径基质蛋白都带有导肽。

在内外膜的接触点处，与Hsp70 结合的前体蛋白在ATP 作用下解离，并在导肽引导下经TOM 复合物进入膜间隙。

随后通过TIM23 复合物进入内膜。

最后，导肽被基质中的线粒体多肽酶水解，在基质Hsp60 的帮助下最终折叠成为成熟蛋白。

7.3.3 线粒体的主要功能7.3.3.1 参加三羧酸循环中的氧化反应糖的有氧氧化，可分为3 个阶段：①糖经磷酸化后氧化成丙酮酸，这个阶段与糖酵解途径完全相同；②丙酮酸进入线粒体，在其中氧化脱羧转变为乙酰CoA；③乙酰CoA 进入三羧酸循环彻底氧化。