线粒体蛋白质输入基质的途径
(二) 蛋白质输入到内膜中的途径
蛋白质前体具有一个N末端基质靶向序列和一个
相隔不远的肽链内的停止移行序列
基质靶向序列穿过内外膜接触点进入基质中，然
后被切除；
当其疏水性的停止移行序列穿入Tim通道时，肽
链的移行被中止并锚定于内膜中，从而使肽链的 C端保留在膜间隙；
允许分子量小于6kDa 的
孔蛋白
分子通过。
外膜特征性酶是单胺氧
化酶。
内膜
(二) 内膜(inner membrane)
厚约5nm。内膜向线粒体内室突出形成嵴
(cristae)。嵴的形成增加了内膜的表面积。
内膜含有三类不同功能的蛋白质
– 呼吸链的酶复合体 – ATP合酶(ATP synthase)复合体 – 特异性转运蛋白质
一、线粒体DNA的结构、功能和差异
mtDNA复制的特点
– mtDNA 的 复 制 所 需 要 的 mtDNA 聚 合 酶 、 mtRNA聚合酶(催化合成RNA引物)等，都是 由核基因组所编码的。 – mtDNA复制不受细胞周期的影响，在细胞周 期的各个阶段都能复制。
一、线粒体DNA的结构、功能和差异
二、ATP合酶(ATP Synthase)
ATP合酶：又称F0-F1ATP酶，是大的跨膜复合体；
F1 由5个不同的亚单位组成——3 3 1 1 1。与
交替环状排列，形成球形头部；
X射线晶体衍射分析 左：侧面观， 右：顶面观
二、ATP合酶(ATP Synthase)
亚单位具有与ATP、ADP结合位点，催化ADP和Pi
出芽形成
线粒体增殖有几种方式:
– 间壁分离 – 收缩后分裂 – 出芽分裂
肝细胞中的线粒体
(二) 线粒体的起源
被人们普遍接受的学说是内共生起源学说(1970):
– 细胞的祖先是一种体积巨大的，具有吞噬能力的细胞； – Mi的祖先即原Mi是一种革兰氏阴性菌，不仅能进行糖酵 解，而且能利用氧气，把糖酵解产物丙酮酸进一步氧化分 解产生更多的能量； – 当真核细胞吞噬这种细菌后，两者形成“互利”的共生关 系，真核细胞利用细菌供给充分的能量，而细菌也依赖于 宿主细胞获得更多的原料，在长期共生过程中，原Mi逐 渐演变为真核细胞的Mi。
膜质子通道。
细菌的F0 已被确定，由a、b、c三种亚单位组成；
数量关系为a1b2c9-12。
– a、b和F1 的亚单位共同组成 “定子”，以防止亚单位顶 上的、六聚体转动。
第三节 线粒体DNA与线粒体病
线粒体是具有一定自主性的细胞器， 它含有自己的DNA(mtDNA)和核糖体具有 独立编码、合成蛋白质的能力。 一、线粒体DNA的结构、功能和差异 二、线粒体病
二、线粒体的超微结构和组成
在电镜下，线粒体
是由两层单位膜套 叠而成的封闭性囊 状结构，主要由外 膜、内膜、膜间隙 和基质腔组成。
(一) 外膜 (Outer membrane)
膜厚约67nm。用磷钨酸
外膜
负染，外膜有排列整齐 的筒状圆柱体。中央有 孔，孔径为2nm，称为孔 蛋白(porin)。
一、胞质中合成的蛋白质向线粒体 内输入的共同特点
3.蛋白质前体与Tom中的受体特异性结合后， 被转位进入线粒体膜间隙或在内外膜接触 点处转位而进入到基质中。
– 受体和转位子总称为外膜转位子(translocon of the outer membrane, Tom)复合物和内膜转位 子(translocon of the inner membrane，Tim)复 合物。
一、胞质中合成的蛋白质向线粒体 内输入的共同特点
1. 以前体形式运输，蛋白质前体向线粒体输 入需要靶向序列(targeting sequence)(亦称 导肽或信号肽)引导和/或锚定。
导肽 成熟的Pr
一、胞质中合成的蛋白质向线粒体 内输入的共同特点
导肽：蛋白质前体的N端或近N端具有一
个或数个由20～50个aa残基组成的靶向序 列，称之为导肽。
一、线粒体DNA的结构、功能和差异
mtDNA的结构特点
– mtDNA是一个封闭的双链环状分子，裸露而不 与组蛋白结合； – 不同种属mtDNA的大小不同，所含遗传信息量 少；
• 人线粒体DNA由16569bp组成，含有37个基 因：2个rRNA基因、22个tRNA基因和13个编 码蛋白质的基因。
合成ATP； 与亚基有很强的亲和力，结合在一起形成“转 子”(rotor)，通过旋转调节3个亚单位催化位点的 开放和关闭。
F1 部 分 还 有 一 个 10kDa 的
多肽，称为ATP酶的抑制 多肽，可能具有调节酶活 性的作用。
二、ATP合酶(ATP Synthase)
F0是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨
一、胞质中合成的蛋白质向线粒体 内输入的共同特点
导肽的作用：
– 引导蛋白质前体与线粒体外膜的受体特异性结 合并穿过线粒体外膜； – 使肽链的穿膜移行停止并作为锚定在膜中的序 列。
有的导肽被剪切，有的则不被剪切。
一、胞质中合成的蛋白质向线粒体 内输入的共同特点
2. 蛋白质前体进入线粒体一般需要外膜中的 特异性受体及位于内、外膜中的输入通道, 即线粒体蛋白转位子(translocon)
mtDNA编码蛋白质的特点 –蛋白质合成的起始氨基酸一细菌的一样， 是甲酰蛋氨酸(f-met)。 – 放线菌酮可选择性地抑制细胞质中的蛋白质 合成，但不影响线粒体中的蛋白质合成。 – 氯霉素、红霉素和四环素可抑制线粒体中的 蛋白质合成，而对细胞质中的蛋白质合成没 有影响或影响很小。
二、线粒体病
(一) 蛋白质输入到基质中的途径
蛋白质前体与胞液中的Hsp70结合呈解折叠
状态；
N端的基质靶向序列与其特异性受体相结合
并在内外膜接触点同时穿过对接的Tom和Tim 转位子直接进入线粒体基质；
经基质蛋白酶切除N端的基质靶向序列； 在基质中mHsp70的协助下重新折叠为有功能
的蛋白质。
在膜间隙中存在与内膜疏松结合的细胞色素C。
– 一旦细胞色素C释放到细胞质中，则参与细胞凋亡的 的启动作用。
(四) 基质(matrix)
– 含有许多重要的酶系
• 三羧酸循环酶系、脂肪酸氧化酶系、蛋白质和 核酸合成的酶系等；
嵴之间形成的间隙，内含很多蛋白质和脂类。
– 含有DNA、核糖核蛋白体等。
第二节 呼吸链与ATP合酶
线粒体内膜主要存在两个重要的体系
– 呼吸链：电子传递体系，它们按一定的顺序排列 在内膜上 ；
– 基粒：又称为ATP合酶，是磷酸化体系，起着催 化ADP和Pi生成ATP的作用。
呼吸链的氧化作用和磷酸化耦联才能产生
ATP。
– 氧化磷酸化是生成ATP一种主要方式，是细胞内 能量转换的主要环节。
第十一章 线粒体
基础医学院 细胞生物学系 刘羿男
第十一章 线粒体
第一节 线粒体的形态结构和组成 第二节 呼吸链与ATP合酶 第三节 线粒体DNA和线粒体病 第四节 线粒体蛋白质的输入 第五节 线粒体的增殖和起源
第一节 线粒体的形态结构和组成
一、线粒体的形状、大小、数目和分布 二、线粒体的超微结构和组成 (一) 外膜(outer membrane) (二) 内膜(inner membrane) (三) 膜间隙(intermembrane space) (四) 基质(matrix)
线粒体的起源
重点掌握的内容
1. 线粒体的超微结构；
2. 内膜的大分子结构与组成及功能；
3. Targeting sequence、线粒体的半自主
性；
4. 胞质中合成的蛋白质向线粒体内输入的
共同特点；
5. 核基因编码的蛋白质输入到线粒体基质
内的过程。
内膜富含心磷脂(cardiolipin)，使内膜具有对
离子不能渗透的性质。
(二) 内膜(inner membrane)
内膜和嵴的基质面有许多带柄的小体称为基
粒 (elementary particle) 或 称 F1 颗 粒 (F1 particle)。
– 每个线粒体有104~105 个F1颗粒。 – 形似棒糖，分头、柄 和基部三部分组成。
由于线粒体功能缺陷引发的疾病目前已知
近百种，并仍在增加。
目前研究较明确的线粒体DNA病，可分
三种类型：
– mtDNA缺失
– mtDNA点突变
– nDNA异常所致mtDNA改变
第四节 线粒体蛋白质的输入
线粒体的半自主性
– 线粒体含有自己的DNA(mtDNA)和核糖体， 能够自主进行蛋白质的合成，但只有少数蛋 白质是由mtDNA编码，在线粒体的核糖体上 合成，大多数蛋白质是由核基因编码，在细 胞质游离核糖体合成后再输入到线粒体，因 此线粒体是一个半自主性细胞器。
特点：当形成-螺旋结构时，其一侧具有
带正电荷的碱性氨基酸残基(Arg,Lys), 另 一侧为疏水性氨基酸残基。
– 可形成即具亲水性又具疏水性的，有利于穿 越线粒体的双层膜。
பைடு நூலகம்
细胞色素氧化酶线粒体蛋 白输入的信号序列 • IV 亚 单 位 信 号 序 列 (18aa)
•
当信号序列形成螺旋 时，带正电荷的aa残基 ( red) 位 于 一 侧 ， 而 疏 水 性 ( yellow) 位 于 另 一 侧。
嵴的形态
垂直排列的板层状嵴 如：胰腺泡细胞和 肾小管上皮细胞
平行排列的板层状嵴 如：神经细胞
管泡状嵴 如：肾上腺皮质细胞
(三) 膜间隙(intermembrane space)
是外膜与内膜之间的狭窄的腔隙，宽约6~8nm。 由于外膜的通透性大，膜间隙内的基本成分与胞
液相同。