細(xì)胞器生物化學(xué)

細(xì)胞器生物化學(xué)教學(xué)內(nèi)容細(xì)胞器生物化學(xué)概述生物膜的生物化學(xué)線粒體的生物化學(xué)葉綠體的生物化學(xué)核糖體的生物化學(xué)一、概述生命體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位是細(xì)胞，生命反應(yīng)的主要過(guò)程，包括物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和能量過(guò)程都定位發(fā)生在細(xì)胞中。細(xì)胞生物學(xué)的主體內(nèi)容應(yīng)該包括結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)、功能三個(gè)體系。生物化學(xué)體系是學(xué)習(xí)和理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)，是認(rèn)識(shí)和掌握細(xì)胞在分子水平上生命活動(dòng)本質(zhì)和規(guī)律的基礎(chǔ)。細(xì)胞生物化學(xué)是認(rèn)識(shí)和研究細(xì)胞生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)和內(nèi)容。1、細(xì)胞生物化學(xué)的定義及研究?jī)?nèi)容細(xì)胞生物化學(xué)是研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成和細(xì)胞生命過(guò)程中區(qū)域定位的化學(xué)變化的一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。系統(tǒng)論述定位于細(xì)胞各種主要結(jié)構(gòu)中的生物化學(xué)代謝及其協(xié)同，這種區(qū)域化生物化學(xué)反應(yīng)體系直接反映出細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)特征和功能機(jī)制。它具有一個(gè)與細(xì)胞結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的生物化學(xué)理論體系，包括細(xì)胞質(zhì)膜、線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、核糖體、細(xì)胞核、細(xì)胞纖維系統(tǒng)、細(xì)胞溶質(zhì)以及胞外基質(zhì)等生物化學(xué)。細(xì)胞生物化學(xué)的特點(diǎn)在于闡明各種生命化學(xué)反應(yīng)與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的內(nèi)在聯(lián)系，有助于理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義、生命化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域定位和協(xié)調(diào)、生命有序化進(jìn)程的機(jī)制以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一。本章內(nèi)容主要介紹：各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成及功能定位、生化反應(yīng)及代謝特點(diǎn)。2、各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成（1）細(xì)胞質(zhì)膜（plasmamembrane，plasmalemma,又稱細(xì)胞膜cellmembrane），是指包圍在細(xì)胞最外層的，由脂類和蛋白質(zhì)等成分組成的半透性薄膜。質(zhì)膜不僅是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的邊界，使細(xì)胞具有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，同時(shí)在細(xì)胞與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量交換、以及信息傳遞等過(guò)程中也起著決定性作用?；瘜W(xué)組成：主要由脂類（50％）和蛋白質(zhì)（包括酶，40％）組成，少量糖類（1～10％）、水分、無(wú)機(jī)鹽、微量核酸。細(xì)胞質(zhì)膜模式圖（2）線粒體（mitochondria）是廣泛存在于真核細(xì)胞里的一種顆粒狀或線狀的細(xì)胞器。是糖、氨基酸、脂肪酸最終氧化的場(chǎng)所，是一種共生于細(xì)胞的半自主性的細(xì)胞器。線粒體的主要成分是蛋白質(zhì)和脂類，少量DNA、RNA、無(wú)機(jī)鹽、輔助因子（NAD+、ADP、CoA、維生素等）。線粒體的功能組分包括膜運(yùn)輸酶系、三羧酸循環(huán)酶系、脂肪酸β－氧化酶系、電子傳遞鏈酶系、氧化磷酸化酶系、氨基酸代謝酶系、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系等。37％為氧化還原酶類，10％為合成酶類，9％為水解酶類。酶系主要分布在線粒體的四個(gè)結(jié)構(gòu)組分中，即內(nèi)膜、外膜、膜間腔、基質(zhì)。線粒體模式圖（3）葉綠體（chloroplast）是高等植物中質(zhì)體（plastid）的一種，是進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。其形態(tài)各異，表現(xiàn)為凸形、凹形、網(wǎng)狀、帶狀、星形等，大小在5～10μm，在藻類可達(dá)到100μm。一般地，葉綠體含約75％水分，干物質(zhì)中以蛋白質(zhì)、類脂、色素、無(wú)機(jī)鹽等為主。此外，還有貯藏的糖類和各種維生素（A、C、E、K等），也存在DNA、RNA成分。質(zhì)體是真核細(xì)胞重要的細(xì)胞器之一，所含色素和功能有所不同，分為白色體（leucoplast）、葉綠體、有色體（chromoplast），均來(lái)自一種前質(zhì)體（proplastid），即前質(zhì)體→白色體→葉綠體→有色體。白色體按功能分為造粉體（amyloplast）、造蛋白體（proteinnplast）、造油體（elaioplast）。有色體含有葉黃素、胡蘿卜素、類胡蘿卜素等，基本沒有光合能力。葉綠體模式圖（4）核糖體（ribosome）是核糖核蛋白體的簡(jiǎn)稱，是一種非膜顆粒狀細(xì)胞器，是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的重要機(jī)構(gòu)，由RNA和蛋白質(zhì)組成。核糖體結(jié)構(gòu)與功能示意圖（5）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmicreticulum，ER）是真核細(xì)胞重要的細(xì)胞器，是細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（endomembranesystem）的主要組成部分，通常占細(xì)胞膜系統(tǒng)的50％左右，體積約占細(xì)胞總體積的10％以上，為多種酶特別是多酶體系提供了大面積的結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)其完整的封閉體系將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的物質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的物質(zhì)分隔開來(lái)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)除核酸外的一系列重要的生物大分子如蛋白質(zhì)、脂類和糖類合成的基地，分為粗面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（roughendoplasmicreticulum，RER）、滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（smoothendoplasmicreticulum，SER）。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)構(gòu)成整個(gè)細(xì)胞質(zhì)量的15～20％，其中包含細(xì)胞RNA的50～60%。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中含60～70％蛋白質(zhì)，30～40％磷脂，元素分析C、H、N最多，少量P、S、Fe、Cu。將組織或細(xì)胞勻漿破碎、離心，得到直徑約100nm的近似球形的封閉囊泡結(jié)構(gòu)，稱為微粒體（microsome），是破碎的細(xì)胞膜系統(tǒng)。生化研究中常把微粒體等同于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。體外實(shí)驗(yàn)中，微粒體具有蛋白質(zhì)合成、蛋白質(zhì)糖基化、脂類合成等內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的基本功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖（6）溶酶體（lysosome）是由單層膜圍繞的內(nèi)含多種高濃度酸性水解酶類的囊泡狀細(xì)胞器，是細(xì)胞進(jìn)行內(nèi)消化作用的主要場(chǎng)所。溶酶體膜在成分上有特點(diǎn)，一是在膜上嵌有質(zhì)子泵，能借助水解ATP釋放出的能量將H+泵入溶酶體內(nèi)，使溶酶體中的H+濃度比細(xì)胞質(zhì)中高100倍以上，從而形成和維持酸性的內(nèi)環(huán)境；二是溶酶體膜上具有多種載體蛋白用于水解后的產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)；三是其膜蛋白高度糖基化，使溶酶體膜內(nèi)表面帶負(fù)電性，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶體的酶大多數(shù)是糖蛋白，帶負(fù)電荷，包括各種蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、脂酶、磷脂酶、硫酸酶等，可作用于幾乎所有的生物大分子。溶酶體是一種異質(zhì)性（heterogenous）的細(xì)胞器，不僅形態(tài)、大小不相同，而且所含水解酶的種類和數(shù)量也不同。如精子頂體內(nèi)所含的特殊蛋白水解酶稱為頂體素；單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞溶酶體內(nèi)則含有溶菌素。溶酶體結(jié)構(gòu)與功能示意圖（7）細(xì)胞核（nucleus）是真核細(xì)胞中最重要的細(xì)胞器，是細(xì)胞遺傳與代謝的控制中心，由核被膜、染色質(zhì)、核仁、核基質(zhì)或核骨架組成。核被膜（nuclearenvelope）是細(xì)胞核的界膜，包括外核膜、內(nèi)核膜、核周腔（與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔相通）、核孔（核孔復(fù)合體）。核仁（nucleolus）一般為單一或多個(gè)勻質(zhì)的球形小體，是rRNA合成、加工和核糖體亞單位的裝配場(chǎng)所，可被染色質(zhì)包圍，含有DNA、RNA和蛋白質(zhì)與極微量的脂類。細(xì)胞核模式圖2012年諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)——細(xì)胞核重新編程研究日本科學(xué)家山中伸彌(ShinyaYamanaka)與英國(guó)科學(xué)家約翰-格登(JohnGurdon)“發(fā)現(xiàn)成熟細(xì)胞可以被重新編程為多功能的干細(xì)胞（即誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞）”（8）細(xì)胞纖維系統(tǒng)是由一些蛋白質(zhì)纖絲組成的，它們互相交叉重疊組成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又稱細(xì)胞骨架（cytoskeleton），與維持細(xì)胞形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的特性等直接相關(guān)。細(xì)胞纖維結(jié)構(gòu)分子成分是微絲（microfilament，MF）、微管（microtubule，MT）、中等纖維（intermediatefilament，IF）、核骨架纖維（kryosketelonfilament）。因此由細(xì)胞纖維系統(tǒng)構(gòu)成的骨架分為狹義和廣義兩種，前者指細(xì)胞質(zhì)骨架，后者還包括細(xì)胞核骨架、細(xì)胞膜骨架、細(xì)胞外基質(zhì)。對(duì)細(xì)胞骨架纖維系統(tǒng)的研究主要涉及纖維蛋白及其結(jié)合蛋白的分離、純化、鑒定、結(jié)構(gòu)分析、基因表達(dá)調(diào)節(jié)、纖維蛋白裝配動(dòng)態(tài)及功能分析等。細(xì)胞骨架模式圖細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)與功能示意圖（9）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)（cytoplasmicmatrix）是真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中除去可分辯的細(xì)胞器以外的膠狀物質(zhì)，是細(xì)胞的重要結(jié)構(gòu)成分，其體積約占細(xì)胞質(zhì)的50％。細(xì)胞與環(huán)境、細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核以及細(xì)胞器之間的物質(zhì)運(yùn)輸、能量交換、信息傳遞等過(guò)程都是通過(guò)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)來(lái)完成的，很多重要的中間代謝反應(yīng)也是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行。從生化角度，常被稱為胞質(zhì)溶膠（cytosol）。在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中主要含有與中間代謝有關(guān)的數(shù)千種酶類以及與維持細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)的細(xì)胞質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)如微絲、微管、中間纖維和由纖絲組成的微梁系統(tǒng)等。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的化學(xué)組成：水（75～85％）、蛋白質(zhì)（10～20％）、脂類（2～5％）、糖類（1％）、鹽類（1％）、酶、DNA、RNA等。（10）細(xì)胞外基質(zhì)（extracellularmatrix）是細(xì)胞膜外側(cè)分布的縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)多細(xì)胞生物體的分工與協(xié)調(diào)起著重要作用，即相鄰細(xì)胞的相互作用或相關(guān)信息的傳遞使組織或器官表現(xiàn)出整體功能。細(xì)胞外基質(zhì)是由細(xì)胞合成和分泌的生物大分子如蛋白質(zhì)、多糖等交叉密布在細(xì)胞表面形成的有高度組織的結(jié)構(gòu)體系，直接影響細(xì)胞的發(fā)育、遷移、識(shí)別、極性、增殖、分化和組建等。主要分子有：膠原（collagens）、纖粘連蛋白（fibronectin）、層粘連蛋白（laminin）、彈性蛋白（elastin）、整聯(lián)蛋白（integrin)、蛋白聚糖（protoglycans）、氨基聚糖（glycosaminoglycan）等，具有組織細(xì)胞特異性。細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖整聯(lián)蛋白（integrin)屬整合蛋白家族，是細(xì)胞外基質(zhì)受體蛋白。整聯(lián)蛋白是一種跨膜的異質(zhì)二聚體，由兩個(gè)非共價(jià)結(jié)合的跨膜亞基，即α和β亞基組成，都是糖基化的。整聯(lián)蛋白的細(xì)胞粘著作用。整聯(lián)蛋白作為跨膜接頭在細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白骨架之間起雙向聯(lián)絡(luò)作用，將細(xì)胞外基質(zhì)同細(xì)胞內(nèi)的骨架網(wǎng)絡(luò)連成一個(gè)整體。整聯(lián)蛋白的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。當(dāng)整聯(lián)蛋白的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域同細(xì)胞外配體如纖粘連蛋白或?qū)诱尺B蛋白結(jié)合時(shí)會(huì)誘導(dǎo)整聯(lián)蛋白細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的末端發(fā)生構(gòu)型變化，進(jìn)而改變整聯(lián)蛋白的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域同相鄰蛋白的相互作用，如同粘著斑激酶（FAK）的作用，引起信號(hào)放大的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，可啟動(dòng)一些基因的表達(dá)。整聯(lián)蛋白（以及其他的一些細(xì)胞表面分子）進(jìn)行的信號(hào)轉(zhuǎn)到對(duì)細(xì)胞的許多行為造成影響，包括運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)等。整聯(lián)蛋白同細(xì)胞外基質(zhì)中的粘著蛋白的識(shí)別與結(jié)合有同RGD區(qū)域結(jié)合和不需要RGD區(qū)域兩類。二、細(xì)胞質(zhì)膜生物化學(xué)目前，有關(guān)細(xì)胞質(zhì)膜的研究資料，主要來(lái)自于人或哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞、神經(jīng)髓鞘、成纖維細(xì)胞、肝細(xì)胞、橫紋肌細(xì)胞、變形蟲、海膽卵等。細(xì)胞質(zhì)膜中，脂類和蛋白質(zhì)比例有很大的差別，這種含量的變化與膜的功能有密切的聯(lián)系。一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)膜的功能越復(fù)雜，其蛋白質(zhì)含量就越高。糖在膜中形成糖脂和糖蛋白。

表：部分質(zhì)膜內(nèi)蛋白質(zhì)、脂類和糖的含量（％）比較1、膜脂（membranelipids）細(xì)胞質(zhì)膜中的脂類大多是極性脂質(zhì)，具有雙親性特點(diǎn)，主要包括磷脂（phospholipid）、糖脂（glycolipid）和膽固醇（cholesterol）三種類型。膜脂分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：膜脂分子上親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)共存，稱為雙型性分子（amphipathicmolecules）。疏水尾部一般由脂肪酸、醛、醇或神經(jīng)鞘氨醇衍生物或固醇分子的長(zhǎng)脂肪酸鏈組成，這些疏水尾部成分和結(jié)構(gòu)的不同，影響和控制類脂雙層膜的物理性質(zhì)，特別是膜的流動(dòng)性。膜脂分子的多態(tài)性：膜脂分子的兩性性質(zhì)，使得其在水溶液中的溶解度很有限。如磷脂，當(dāng)將其加入水中，只有極少數(shù)的分子以單體形式存在，而傾向于在水－空氣界面形成單分子層的磷脂薄膜；隨著溶液中加入更多的磷脂，會(huì)產(chǎn)生分子團(tuán)粒（micelle）和雙層（bilayer），且水溶液中的磷脂雙層結(jié)構(gòu)實(shí)際上是以球形的微囊（vesicle）形式存在。單層、團(tuán)粒、雙層都是磷脂在水溶液中的有利形式。類脂在細(xì)胞膜中的分布不對(duì)稱性：細(xì)胞膜脂雙層的兩個(gè)單層是不對(duì)稱的，其類脂成分具有很大區(qū)別。如人紅細(xì)胞膜，極性頭部是膽堿的類脂分子多數(shù)分布在外單層，而極性頭部有一氨基的磷脂分子多數(shù)位于內(nèi)單層；疏水尾部也有不對(duì)稱性，外單層的碳?xì)滏滐柡投缺葍?nèi)單層的烴鏈的飽和度更高。磷脂酰絲氨酸帶負(fù)電，大多位于膜內(nèi)單層一側(cè)，使兩個(gè)單層間的電荷有顯著區(qū)別。所有膜蛋白與膜的連接是高度不對(duì)稱的，這與脂雙層的不對(duì)稱性有重要關(guān)系。

圖：膜脂的多態(tài)性表：類脂分子在紅細(xì)胞膜的分布在生物膜的研究中，常采用脂－水體系和脂－蛋白體系制備人工膜以進(jìn)行各種模擬研究，特別是近年來(lái)發(fā)展了一系列把生物活性分子嵌入或包入人工膜體系中的技術(shù)，使人工膜在生物膜結(jié)構(gòu)與功能等研究中的應(yīng)用得到更為廣泛的重視。目前應(yīng)用較多的人工膜體系包括平板雙分子層脂膜（bilayerlipidmembrane,BLM）和脂質(zhì)體（liposome）。平板雙分子層脂膜是由脂在兩邊均為水相的小孔中形成的雙分子層膜結(jié)構(gòu)。為了模擬生物膜的脂組分，多數(shù)研究在制備BLM時(shí)采用的脂是從所需模擬的組織細(xì)胞中提取的，也可采用純的PC、PE、PS、膽固醇及氧化膽固醇等、BLM的制備液要求不含雜質(zhì)，一般將高純化的磷脂溶于碳?xì)淙軇┤绻锿?、辛烷、苯、氯仿或乙醇等，碳?xì)滏滈L(zhǎng)以C6~C16為宜，脂濃度應(yīng)在飽和或接近飽和狀態(tài)，有時(shí)直接用純脂制備制備。試驗(yàn)證明，人工BLM具有與天然生物膜相似的物理化學(xué)性質(zhì)，利用BLM可以模擬生物膜進(jìn)行各項(xiàng)研究，如在BLM兩側(cè)的溶液中插入電極研究膜的導(dǎo)電性；加入離子和電壓可測(cè)定離子透過(guò)膜時(shí)的電流變化；在BLM中導(dǎo)入特定的蛋白質(zhì)或生物活性分子，可進(jìn)行動(dòng)作電位的模擬、膜受體和膜通道等作用機(jī)理以及光能轉(zhuǎn)換等一系列研究。脂質(zhì)體是由脂雙分子層組成的內(nèi)部為水相的閉合囊泡。當(dāng)將磷脂分子分散于水相時(shí)，通常會(huì)形成各種大小不同的囊泡結(jié)構(gòu)，其中最多的是呈同心球殼的多層脂雙層，稱為多片層囊泡（MLV），其大小為200～1000nm，很不均勻。如果將上述懸浮液作超聲處理，MLV可變?yōu)橹睆?5～50nm的小單片層囊泡（SUV），該結(jié)構(gòu)僅含單個(gè)雙分子層。作為模擬和載體系統(tǒng)，MLV和SUV都有一定的局限性，而較理想的是一種直徑200～1000nm的單片層囊泡，稱為大單片層囊泡（LUV）。脂質(zhì)體制劑有兩個(gè)重要參數(shù)，一個(gè)是俘獲容積，是指一定量的脂質(zhì)體所包封的容積，單位是每摩爾總脂質(zhì)俘獲的升數(shù)，該參數(shù)與脂質(zhì)體囊泡的半徑有關(guān)，而囊泡半徑又受脂質(zhì)組分和介質(zhì)的離子組成的影響；另一個(gè)參數(shù)是包裹效率，它是指脂雙層包裹的水室所占的比例，與脂質(zhì)濃度成正比。表：三種脂質(zhì)體的結(jié)構(gòu)大小與主要參數(shù)比較由于脂質(zhì)體在理化性質(zhì)上十分接近天然膜，近年來(lái)已被廣泛用于生物膜的基礎(chǔ)研究，如膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性、膜脂與蛋白質(zhì)在膜中的相互作用規(guī)律等；利用脂質(zhì)體與細(xì)胞的融合，可定向修飾膜的成分，改變脂和蛋白質(zhì)在膜中的比例，或?qū)胩囟ǖ墓δ艿鞍?，以研究膜蛋白的功能與作用機(jī)制等；另一方面，脂質(zhì)體作為一種良好的載體，可導(dǎo)入各種藥物、遺傳缺失酶、特異抗原、抗體、激素或外界基因等而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域。2、膜蛋白膜中蛋白質(zhì)的含量和類型反映膜的功能，大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)膜的蛋白質(zhì)含量在40％左右，有一個(gè)蛋白質(zhì)分子就約有50個(gè)脂分子。根據(jù)蛋白質(zhì)從膜上分離釋放的方法及其與膜脂的相互作用方式和蛋白質(zhì)在膜中的排列部位，可將膜蛋白分為三類：外周蛋白（peripheralprotein）或外在蛋白（extrinsicprotein）、整合蛋白（integralprotein）或內(nèi)在蛋白（intrinsicprotein）、糖肌醇磷脂結(jié)合蛋白（glycosphosphoinositolcombinedprotein）或膜錨蛋白。膜蛋白的分離：外周蛋白（20～30％）分布在膜的內(nèi)外表面，通過(guò)極性基團(tuán)或電荷基團(tuán)間的靜電作用或范德華引力與脂雙層膜結(jié)合，易于分離。外周蛋白分離下來(lái)后呈水溶性，不能再與類脂聚合重新形成膜結(jié)構(gòu)。整合蛋白（70～80％）一般呈水不溶性，通過(guò)非極性氨基酸與脂雙層疏水相互作用而牢固地結(jié)合于膜上，只能用較劇烈的條件才能從膜上溶解下來(lái)，一旦去除有機(jī)溶劑或表面活性劑，膜整合蛋白又能重新聚合為水不溶性或與類脂形成膜結(jié)構(gòu)。膜內(nèi)在蛋白的基本類型：膜內(nèi)在蛋白以部分或全部肽鏈嵌入膜脂雙分子層中，在細(xì)胞的調(diào)節(jié)和代謝過(guò)程中起著重要作用，如：細(xì)胞間的相互作用與識(shí)別、激素的調(diào)節(jié)、離子或代謝物的定向運(yùn)輸、氧化與光合磷酸化反應(yīng)等。根據(jù)膜內(nèi)在蛋白的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其在膜的拓?fù)鋱D形，可將其分為5種基本類型：1）單螺旋跨膜蛋白質(zhì)，即肽鏈以單個(gè)α－螺旋跨越膜，肽鏈兩末端區(qū)段分別位于膜兩側(cè)，如人紅細(xì)胞血型糖蛋白、鼠胸腺細(xì)胞W3/3抗原、與膜結(jié)合的免疫球蛋白，且多數(shù)N-末端均位于膜外非細(xì)胞質(zhì)區(qū)、C-末端位于胞質(zhì)區(qū)，N-末端具有寡糖鏈，其功能都與細(xì)胞識(shí)別有關(guān)；2）雙螺旋跨膜蛋白類，即肽鏈以兩個(gè)螺旋嵌入膜中，以反平行方式排列成發(fā)夾狀，常稱為螺旋發(fā)夾，其N-和C-末端均位于膜的同側(cè)，如細(xì)胞色素b5、ATP合酶的C亞基等；3）多螺旋跨膜蛋白類，由具有兩個(gè)以上基本垂直于膜平面的跨膜螺旋以及連接這些跨膜螺旋的環(huán)組成，有人稱為“鋸齒樣蛋白”，如細(xì)菌視紫紅質(zhì)、人紅細(xì)胞膜帶Ⅲ蛋白、肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATPase等，這些實(shí)例給人的印象是，它們都有“孔”、“泵”、“通道”的功能；4）多個(gè)一次跨膜的亞基組成一個(gè)跨膜通道，嵌入膜蛋白是以其寡聚肽結(jié)構(gòu)來(lái)發(fā)揮功能的，如具有“孔”功能的E.coli外膜脂蛋白；5）是一種特殊的膜內(nèi)在蛋白，具有跨膜部分，N-端伸入胞內(nèi)，多肽鏈多次穿過(guò)膜，而C-端又有糖脂，以脂肪酸插入膜，蛋白的兩端都固定在膜上。如膜橋蛋白（ponticulin），是一個(gè)17kD的糖蛋白，胞漿面內(nèi)側(cè)與胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白纖絲相連，介導(dǎo)成核作用。肌醇磷脂結(jié)合蛋白：一些膜蛋白不是通過(guò)疏水的穿膜結(jié)構(gòu)固定于膜上，而是通過(guò)與糖鏈結(jié)合直接連接到糖基磷脂酰肌醇（glycan-phosphatidyl-inositol,GPI）上，成為一種蛋白質(zhì)在膜上錨著的新型方式，這類蛋白質(zhì)也稱為膜錨蛋白。目前已發(fā)現(xiàn)近百種，包括錐蟲和蠕蟲的一些表面蛋白、哺乳動(dòng)物中的細(xì)胞粘附分子、免疫球蛋白、補(bǔ)體調(diào)節(jié)蛋白、受體等。肌醇磷脂結(jié)合蛋白通過(guò)與GPI直接連接而錨在膜上，沒有胞內(nèi)肽斷，其活動(dòng)度大、流動(dòng)性強(qiáng)，使膜上有限的蛋白質(zhì)分子可接觸大量的配體并足以進(jìn)行反應(yīng)。如紅細(xì)胞膜上的DAF（衰老加速因子）只有2000個(gè)分子而對(duì)補(bǔ)體的調(diào)節(jié)效率很高。該類蛋白容易從膜上脫落。這類蛋白在結(jié)構(gòu)上有共同特點(diǎn)，以最早分離的錐蟲膜錨蛋白為例，其肌醇磷脂的兩個(gè)脂肪酸都是豆蔻酸，以這兩個(gè)脂肪酸作為“錨”插入脂雙層，肌醇磷脂與氨基葡萄糖相連，然后再結(jié)合三個(gè)甘露糖，最后一個(gè)甘露糖與乙醇胺相連，通過(guò)乙醇胺的氨基與蛋白質(zhì)C端的羧基結(jié)合。近年研究發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)甘露糖上還綴著一個(gè)以四個(gè)半乳糖組成的“天線”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中組裝的，而是當(dāng)糖脂的“錨”組裝好后再另外結(jié)合的。哺乳類及人在肌醇分子的第二位羥基上又結(jié)合了一個(gè)棕櫚酸，它也插入膜雙層中；沒有半乳糖組成的“天線”結(jié)構(gòu)，只是在氨基葡萄糖上結(jié)合三個(gè)六碳糖，這在不同的細(xì)胞中有區(qū)別。圖：錐蟲膜肌醇磷脂結(jié)合蛋白3、細(xì)胞膜物質(zhì)運(yùn)輸?shù)纳瘷C(jī)制人工脂雙層與生物膜對(duì)物質(zhì)的通透特性被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸?shù)纳A(chǔ)與特征被動(dòng)運(yùn)輸中離子載體的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制（纈氨霉素、離子載體A23187、短桿菌肽A）離子及小分子的主動(dòng)跨膜運(yùn)輸機(jī)制（Na+、K+－泵，Ca2+－泵，H+－泵，糖或氨基酸的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是“伴隨運(yùn)輸”（co-transport）等）大分子物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸機(jī)制（內(nèi)吞作用/endocytosia，外排作用/exocytosis）表：哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的比較三、線粒體生物化學(xué)線粒體是細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”，為各種生命活動(dòng)提供能量。目前對(duì)線粒體的自主性（autonomy）、生物發(fā)生（biogensis）等研究非?；钴S。一般的，線粒體長(zhǎng)約2～8μm，粗0.5～1.0μm，體積與細(xì)菌類似。在不同細(xì)胞中線粒體的數(shù)量不一，一個(gè)哺乳動(dòng)物肝細(xì)胞的線粒體約為500～600個(gè)，植物細(xì)胞中的線粒體數(shù)目要比動(dòng)物細(xì)胞少。線粒體在細(xì)胞中往往分布在代謝旺盛的需能部位。線粒體由兩層“單位膜”包圍而成，其外膜（outermembrane）厚約6nm，帶有小孔，通透性較大；內(nèi)膜（innermembrane）厚約7nm，通透性低，對(duì)物質(zhì)運(yùn)輸具有選擇性，其上含有電子傳遞系統(tǒng)；膜間腔（intermembranespace）約8nm；內(nèi)膜以內(nèi)為基質(zhì)（maxtrix）；內(nèi)膜向內(nèi)皺褶形成的突起嵴（cristae）；嵴的兩層膜間的空間為嵴內(nèi)腔（intracristalspace）；內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面附有許多帶柄的直徑約為9nm的小顆粒，稱為基粒（elementaryparticle），每個(gè)線粒體約104～5×105個(gè)基粒。1、線粒體功能組分的定位：外膜在線粒體代謝作用中居次要地位，其主要的酶類有細(xì)胞色素c還原酶和單胺氧化酶，還有構(gòu)成外膜孔的膜孔蛋白；內(nèi)膜是線粒體的重要功能部位，是氧化磷酸化的主要場(chǎng)所，包括屬于放能裝置的電子傳遞鏈酶系與屬于轉(zhuǎn)能裝置的氧化磷酸化酶系（腺苷三磷酸酶復(fù)合體），細(xì)胞色素氧化酶是內(nèi)膜的標(biāo)志酶；線粒體的膜間腔中重要的酶有腺苷酸激酶、核苷酸激酶、肌酸激酶等；基質(zhì)中包含三羧酸循環(huán)酶系、脂肪酸分解酶系、氨基酸分解代謝酶系、核酸復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)譯酶系等，蘋果酸脫氫酶是基質(zhì)的標(biāo)志酶。2、線粒體膜與分子的轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體在行使呼吸作用、能量轉(zhuǎn)換與自身代謝時(shí)，是需要各種物質(zhì)不斷地穿越其內(nèi)外膜而進(jìn)出線粒體，參與反應(yīng)的底物必需進(jìn)入線粒體，反應(yīng)產(chǎn)物則需運(yùn)出線粒體。線粒體內(nèi)膜存在著許多特異的轉(zhuǎn)運(yùn)載體，如磷酸載體、核苷酸載體、氨基酸載體、單（二、三）羧酸載體、肉毒堿轉(zhuǎn)移酶等。這些運(yùn)載蛋白或酶分為兩種，一種是異向轉(zhuǎn)運(yùn)體（antiporter），如ADP/ATP載體，一種是同向轉(zhuǎn)運(yùn)體（symporter），如磷酸和丙酮酸的轉(zhuǎn)運(yùn)載體。3、線粒體膜與蛋白質(zhì)分子的轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體的蛋白除少數(shù)多肽（約13種）是自己合成，其他幾百種蛋白質(zhì)是由細(xì)胞核基因編碼，需要跨膜運(yùn)送至線粒體各部分進(jìn)行更新和組裝。如F1的五種不同多肽亞單位的前體是細(xì)胞質(zhì)的核糖體合成的，然后再轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)，與埋入內(nèi)膜的FO連接在一起。對(duì)進(jìn)入線粒體不同部位的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是不盡相同的。外膜蛋白質(zhì)的氨基酸末端就有識(shí)別受體的能力而直接插入膜上，不需要酶參加，也不耗能，如70kD蛋白質(zhì)，其本身N-末端的41個(gè)氨基酸殘基序列（成熟時(shí)不被水解），分為11個(gè)氨基酸組成的“面向基質(zhì)肽段”和12～39個(gè)不帶電荷的氨基酸殘基組成“停止運(yùn)入（外膜）肽段”兩個(gè)部分，起到導(dǎo)肽的作用。膜間腔和內(nèi)膜的蛋白質(zhì)在運(yùn)送前多以前體形式存在，包括成熟部分和N-末端引伸出的導(dǎo)肽或引肽（leadersequence，targettingsequence），導(dǎo)肽內(nèi)含有識(shí)別線粒體的信息，并具有牽引蛋白質(zhì)通過(guò)線粒體膜的運(yùn)輸功能。導(dǎo)肽一般含16～70個(gè)氨基酸殘基，組成具有特殊性，一般帶羥基的氨基酸（如絲氨酸）比例高，帶正電呈堿性的精氨酸含量豐富，而帶負(fù)電的酸性氨基酸含量很少，且肽鏈有明顯形成雙親媒性（親水性與疏水性）的α－螺旋的傾向。蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)膜是耗能過(guò)程。例：細(xì)胞色素c1的導(dǎo)肽長(zhǎng)度為61個(gè)氨基酸殘基，包括35個(gè)堿性氨基酸、19個(gè)不帶電荷氨基酸（36～54）和7個(gè)酸性氨基酸。其氨基酸各部分可分為導(dǎo)向等功能信息肽段，是導(dǎo)向基質(zhì)肽段（sequenceofleadingtomatrix）、停止運(yùn)入（內(nèi)膜）肽段（sequenceofstoppingtransfer）和水解部分（hydrolysissequence）等三個(gè)區(qū)域段。細(xì)胞色素c1的前體在導(dǎo)肽牽引下，其“導(dǎo)向基質(zhì)肽段”通過(guò)內(nèi)膜而進(jìn)入基質(zhì)后，由“停止運(yùn)入（內(nèi)膜）肽段”本身結(jié)合并定位于內(nèi)膜，從而阻止其被牽引的蛋白質(zhì)肽鏈繼續(xù)進(jìn)入基質(zhì)而被定位于內(nèi)外膜之間，而“導(dǎo)向基質(zhì)肽段”則被基質(zhì)中的水解酶水解。細(xì)胞色素c1進(jìn)入線粒體實(shí)際上包括兩次跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，第一次是導(dǎo)肽跨內(nèi)膜基質(zhì)，其N-端中的一部分被水解，之后其又從內(nèi)膜運(yùn)送至內(nèi)外膜之間，此時(shí)導(dǎo)肽的殘留部分被膜上的另一水解酶水解，至此細(xì)胞色素c1成熟并被定位于內(nèi)膜的外表面。蛋白質(zhì)在跨膜運(yùn)送前要從折疊狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻庹郫B的狀態(tài)，以利于跨膜運(yùn)送，跨膜之后，解折疊狀態(tài)又要重新折疊，以形成成熟的蛋白質(zhì)。這需要“分子伴侶”（molecularchaperone）的參加，大多數(shù)分子伴侶屬于熱休克蛋白（heatshockprotein,

HSP）,是機(jī)體細(xì)胞應(yīng)付不良環(huán)境時(shí)使熱致變性蛋白質(zhì)復(fù)性，而在正常生理?xiàng)l件下對(duì)蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)送起重要作用。運(yùn)入到基質(zhì)中的蛋白質(zhì)一般是從內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)一步插入到基質(zhì)中，這種前體蛋白質(zhì)被基質(zhì)中的水解酶水解并發(fā)生構(gòu)象變化（重折疊）而成為成熟的蛋白質(zhì)。4、線粒體基因的結(jié)構(gòu)和功能線粒體有一套自己的遺傳控制系統(tǒng)，同時(shí)也受到細(xì)胞核DNA的控制。線粒體DNA（mtDNA）位于基質(zhì)中，有時(shí)也發(fā)現(xiàn)它附于內(nèi)膜上。mtDNA是雙鏈裸露的超螺旋共價(jià)閉合環(huán)狀分子（原生生物草履蟲與四膜蟲的mtDNA是雙鏈線性分子），分子量多在1×106～200×106bp，堿基的組成也是A、T、G、C。線粒體DNA的含量一般僅為細(xì)胞核DNA含量的1％左右，不與組蛋白結(jié)合。mtDNA的復(fù)制屬于半保留復(fù)制，復(fù)制時(shí)間一般在細(xì)胞核DNA復(fù)制之后，即在G2期進(jìn)行，接著線粒體分裂。mtDNA中兩條鏈據(jù)其密度不同而稱為重鏈H與輕鏈L。其復(fù)制方式可以是θ型復(fù)制、滾環(huán)復(fù)制，還有特殊的mtDNA的D環(huán)復(fù)制。D環(huán)復(fù)制：雙螺旋的兩條鏈并不同時(shí)進(jìn)行復(fù)制，輕鏈先開始復(fù)制，稍后重鏈再開始復(fù)制，當(dāng)復(fù)制沿輕鏈開始時(shí)，重鏈上產(chǎn)生了D環(huán)，隨環(huán)形輕鏈復(fù)制的進(jìn)行，D環(huán)增大，重鏈隨后亦開始復(fù)制，最后兩條鏈完成復(fù)制形成兩條新的DNA雙螺旋。1.H鏈?zhǔn)紫群铣桑涸趶?fù)制起點(diǎn)處以L鏈為模板，合成RNA引物，然后由DNA聚合酶γ催化合成一個(gè)500-600bp長(zhǎng)的H鏈片段。該片段與L鏈以氫鍵結(jié)合，將親代的H鏈置換出來(lái)，產(chǎn)生D環(huán)復(fù)制中間物。2.H鏈片段的繼續(xù)合成：上述產(chǎn)生的H鏈片段由于太短而很容易被擠出去恢復(fù)線粒體DNA完整的雙螺旋結(jié)構(gòu)。但有時(shí)這個(gè)片段會(huì)繼續(xù)合成，這需要依靠拓?fù)洚悩?gòu)酶和螺旋酶的作用將雙鏈打開。3.L鏈合成開始：以被置換下來(lái)的親代H鏈為模板，離H鏈合成起點(diǎn)60%基因組的位置開始合成L鏈DNA，合成也需要RNA引物。4.復(fù)制的完成：H鏈的合成提前完成，L鏈的合成隨后結(jié)束。線粒體DNA合成速度相當(dāng)緩慢，約每秒10個(gè)核苷酸，整個(gè)復(fù)制過(guò)程需要1個(gè)小時(shí)。剛剛合成的線粒體DNA是松弛型的，需要40分鐘將其變成超螺旋型。線粒體基因的編碼特點(diǎn)：基因在DNA分子上排列緊湊，相鄰之間沒有或只有很少幾個(gè)非編碼的堿基間隔，甚至有基因重疊現(xiàn)象。線粒體DNA編碼其行使功能所必需的部分蛋白質(zhì)或酶，也編碼蛋白質(zhì)生物合成所必需的各種rRNA、tRNA、mRNA。如人的mtDNA全長(zhǎng)16569bp，外環(huán)為重鏈，內(nèi)環(huán)為輕鏈?；蚪M含有37個(gè)基因，包含13個(gè)呼吸鏈的蛋白質(zhì)基因、2個(gè)rRNA基因和22種tRNA基因。只有一個(gè)為各基因所共有的啟動(dòng)子，位于不編碼的D環(huán)中，轉(zhuǎn)錄從此開始，沿著順時(shí)針合成一條多基因的RNA分子。在這條多基因的前體RNA分子中，tRNA序列可作為核酸酶切割RNA前體的識(shí)別信號(hào)，而且還可以像內(nèi)切酶那樣在tRNA兩端把RNA切開，起到核酶（ribozyme）的作用，經(jīng)加工為成熟的tRNA、rRNA和mRNA.線粒體核糖體：以多聚核糖體的形式游離在線粒體基質(zhì)中，或與內(nèi)膜結(jié)合。果蠅線粒體DNA與串聯(lián)成珠狀排列的多聚核糖體相連，其線粒體中的轉(zhuǎn)錄與翻譯是緊密相連的。但其核糖體蛋白質(zhì)都是在細(xì)胞質(zhì)中合成后輸入到線粒體中的（酵母線粒體例外）。低等真核細(xì)胞線粒體的核糖體為70～80S，植物為78S左右，動(dòng)物只有50～60S。線粒體遺傳密碼及其反密碼特征：線粒體DNA的遺傳密碼不僅與通用密碼有差異，而且不同種屬的線粒體所使用的遺傳密碼也有區(qū)別。線粒體的蛋白質(zhì)合成過(guò)程并無(wú)細(xì)胞質(zhì)tRNA的參與。遺傳密碼的特點(diǎn)：1）UGA不是終止密碼，而與UGG一起編碼Trp；2）多肽鏈內(nèi)部Met由AUG和AUA編碼，而起始Met由AUG、AUA、AUU和AUC四個(gè)密碼子編碼；3）AGA、AGG是終止密碼，而不是Arg密碼子，線粒體密碼系統(tǒng)中有4個(gè)終止密碼子，UAA、UAG、AGA、AGG；4）密碼子的簡(jiǎn)并性而使一個(gè)tRNA分子可識(shí)別4種密碼子。線粒體再生裝置的獨(dú)立性與依賴性：線粒體的再生早就引起研究者的關(guān)注。它與細(xì)菌很像，兩者在形態(tài)、染色反應(yīng)、化學(xué)組成、物理性質(zhì)和活動(dòng)狀況等方面都很相似，如線粒體蛋白質(zhì)合成的起始是N－甲酰甲硫氨酸、蛋白質(zhì)合成受氯霉素的抑制，而不受放線菌酮影響。從線粒體再生裝置看，它具有閉合環(huán)狀DNA及其所載基因，還有自己的核糖體、氨基酰－tRNA合成酶等蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，是有能力一代一代遺傳下去。線粒體的自主性在很多方面受細(xì)胞核基因的限制，一方面線粒體合成蛋白質(zhì)的量非常有限，其合成的蛋白只占其所有蛋白的5～10％，其余均為核DNA編碼，另一方面線粒體基因產(chǎn)物的功能行使必須依賴細(xì)胞核基因產(chǎn)物的共同表達(dá)，線粒體基因表達(dá)是建立在核基因表達(dá)的基礎(chǔ)上，但二者之間的DNA分子并不交換，因而兩套遺傳系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)，共同行使相互作用的。因此，線粒體是半自主性的細(xì)胞器（semiautonomousorganella）。線粒體異常與疾?。壕€粒體數(shù)量、嵴變形、呼吸氧化與ATP磷酸化不偶聯(lián)、膜轉(zhuǎn)運(yùn)異常、酶缺乏或活性變化；線粒體與衰老有關(guān)；有些遺傳病如Leber遺傳性視神經(jīng)病、肌陣攣性癲癇、糖尿病-耳聾綜合征、MELAS綜合征等與線粒體基因突變有關(guān)。四、葉綠體生物化學(xué)葉綠體是利用光能進(jìn)行光合作用的一種特殊細(xì)胞器。近年關(guān)于葉綠體的分子生物學(xué)研究包括其基因結(jié)構(gòu)與功能的闡明及轉(zhuǎn)基因葉綠體的研究等。葉綠體的功能組分定位：葉綠體內(nèi)外被膜的主要成分為蛋白質(zhì)與脂類，其所含蛋白質(zhì)只占葉綠體總蛋白的0.3～0.5％，其余蛋白質(zhì)分布在基質(zhì)和類囊體中，被膜中的脂類主要為糖脂與磷脂，膜上嵌合或結(jié)合的蛋白酶類主要是ATP酶、腺苷酸激酶、半乳糖基轉(zhuǎn)移酶與參與糖脂合成代謝的?；o酶A等。類囊體是膜狀結(jié)構(gòu)，膜中蛋白質(zhì)與脂類之比大約為6：4，膜囊中約10％為磷脂，約60％為糖脂，硫脂占10％左右，20％左右的色素，脂肪酸主要是亞麻酸。類囊體膜蛋白包括嵌合蛋白與外周蛋白，包括由光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能所需要的功能成分，如光天線色素、兩個(gè)光反應(yīng)中心、各種電子載體、從水相中攝取電子的酶與合成ATP的系統(tǒng)等。葉綠體基質(zhì)的主要成分為可溶性蛋白質(zhì)，催化暗反應(yīng)的酶類存在于基質(zhì)中。葉綠體膜的分子轉(zhuǎn)運(yùn)：在膜的通透性與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制方面，葉綠體與線粒體有許多相同之處。外膜對(duì)小分子物質(zhì)的透性較大，而內(nèi)膜有特異性的選擇轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制存在，有專一的運(yùn)輸載體系統(tǒng)參加各種物質(zhì)的運(yùn)輸過(guò)程，兩者都有向環(huán)境排出質(zhì)子的傾向。葉綠體內(nèi)膜對(duì)各種有機(jī)酸和氨基酸有不同的透性，如能透過(guò)草酰乙酸、蘋果酸，而α－酮戊二酸和谷氨酸則不能通過(guò)，因此它們的還原力系統(tǒng)只有通過(guò)草酰乙酸和蘋果酸所組成的“梭”來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此之間還原轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)運(yùn)。葉綠體內(nèi)膜上無(wú)腺苷酸載體，其高能磷酸鍵只能通過(guò)磷酸二羥丙酮和磷酸甘油酸穿梭在內(nèi)膜內(nèi)外之間運(yùn)輸。類囊體膜上有受光激活的質(zhì)子泵，能把質(zhì)子從葉綠體基質(zhì)一側(cè)向類囊體腔內(nèi)主動(dòng)運(yùn)輸，質(zhì)體醌是穿梭體系的組分。與質(zhì)子運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，有陽(yáng)離子（Mg2+）的反向運(yùn)輸和陰離子（Cl-）的同向運(yùn)輸，維持類囊體膜內(nèi)外的電荷平衡。葉綠體自己能合成部分蛋白質(zhì)，但大部分蛋白質(zhì)也是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)的核糖體合成后，轉(zhuǎn)運(yùn)到葉綠體中的各個(gè)部位。其運(yùn)輸機(jī)制也屬于轉(zhuǎn)譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（post-translational），需要能量，是以疏水性氨基酸作為導(dǎo)肽，并在作用后被切除。但是線粒體是利用內(nèi)膜兩側(cè)電化學(xué)梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，而葉綠體內(nèi)膜并無(wú)電化學(xué)梯度（其存在于類囊體膜兩側(cè)），只有利用ATP水解來(lái)驅(qū)動(dòng)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)穿越雙層的被膜。其轉(zhuǎn)運(yùn)方式通過(guò)兩步轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，先穿越內(nèi)外被膜進(jìn)入葉綠體基質(zhì)，然后再轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入類囊體膜與類囊體腔。這些蛋白質(zhì)的前體具有一段疏水性的類囊體信號(hào)肽，結(jié)在葉綠體蛋白質(zhì)氨基端的導(dǎo)肽的內(nèi)側(cè)，當(dāng)此蛋白前體被導(dǎo)肽轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體后，此導(dǎo)肽片斷被基質(zhì)中蛋白酶切除，使類囊體信號(hào)肽暴露，啟動(dòng)此亞基穿越類囊體的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，使蛋白質(zhì)插入類囊體膜中或進(jìn)入類囊體腔內(nèi)。葉綠體DNA（chloroplast,cpDNA）與基因結(jié)構(gòu)：高等植物cpDNA一般是以共價(jià)雙鏈的環(huán)狀分子存在，長(zhǎng)度約為46μm，不與組蛋白結(jié)合，不含5＇－甲基胞嘧啶，其中GC的比例為37％，可隨種類而不同。cpDNA存在于葉綠體的基質(zhì)中，堿基數(shù)平均120～160kb，與細(xì)菌DNA分子大小相似。cpDNA含量水平變化很大，每個(gè)葉綠體一般為20～60拷貝數(shù)，而一個(gè)細(xì)胞中由20～50個(gè)葉綠體，細(xì)胞中cpDNA分子數(shù)目可高達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)份。cpDNA在基質(zhì)中并不是隨機(jī)分布，而是有組織地聚集成類似于擬核的結(jié)構(gòu)。cpDNA可進(jìn)行自我的半保留復(fù)制，但其復(fù)制酶、DNA聚合酶是細(xì)胞質(zhì)中核糖體合成后轉(zhuǎn)入的，也受核的控制。cpDNA合成一般比核DNA復(fù)制時(shí)間長(zhǎng)一些。分子雜交實(shí)驗(yàn)證明，cpDNA與核DNA沒有同源性，而親緣關(guān)系越近，cpDNA的同源性也越高，隨著種屬的不同，cpDNA的保守性大大降低。cpDNA的結(jié)構(gòu)（水稻的cpDNA為134525bp，煙草的cpDNA為155939bp），含有一對(duì)大型的反向重復(fù)序列（invertedrepeatsequence,IR，長(zhǎng)約22～28kb），它把環(huán)狀葉綠體基因組分為大單拷貝（Largesinglecopy,LSC，長(zhǎng)約80～100kb）區(qū)和小單拷貝（Smallsinglecopy,SSC，長(zhǎng)約18～20kb）區(qū)。在漫長(zhǎng)的演變進(jìn)化過(guò)程中，這幾個(gè)部分的結(jié)構(gòu)順序保持不變，不同物種葉綠體基因組之間的差異主要表現(xiàn)在IR區(qū)域的長(zhǎng)度和方向變化上.

從已知的一些葉綠體基因組，其所含的基因包括3～5個(gè)rRNA基因、30～31個(gè)tRNA基因和100左右的蛋白質(zhì)基因，包括葉綠體的結(jié)構(gòu)蛋白、光合作用所需的酶以及合成糖、脂、蛋白質(zhì)的酶，還存在一類有待鑒定的潛在的多肽基因。葉綠體基因組中存在著內(nèi)含子，且其位置不是固定的。還有假基因與重疊基因存在。葉綠體基因組的結(jié)構(gòu)以及表達(dá)調(diào)控的研究對(duì)葉綠體起源問題的探索具有重要意義。葉綠體的起源問題有兩種互相對(duì)立的學(xué)說(shuō)，即內(nèi)共生假說(shuō)和分化假說(shuō)。按照內(nèi)共生假說(shuō)，葉綠體的祖先是藍(lán)藻或光合細(xì)菌，它們?cè)谏镞M(jìn)化的早期被原始真核細(xì)胞捕獲(吞噬)，逐步進(jìn)化為葉綠體。分化假說(shuō)認(rèn)為葉綠體是原始的真核細(xì)胞內(nèi)質(zhì)逐步分化而形成。已有的一些研究成果更有利于葉綠體起源的內(nèi)共生假說(shuō)，例如葉綠體DNA的大小及形狀類似于藍(lán)細(xì)菌DNA，DNA的組成中也都無(wú)5-甲基胞嘧啶，它們的DNA都不與組蛋白結(jié)合在一起。此外，它們的蛋白質(zhì)合成都受氯霉素抑制，而對(duì)放線菌酮不敏感等。但是葉綠體基因具有內(nèi)含子以及增強(qiáng)子的現(xiàn)象表明它具有核基因的一些特性，葉綠體中許多蛋白質(zhì)也是由核基因編碼的，對(duì)此，石田政弘認(rèn)為在葉綠體內(nèi)共生起源進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生過(guò)核基因組和葉綠體基因組之間的DNA重組事件。

五、核糖體生物化學(xué)核糖體是一種具有自我裝配（self-assembly）能力的細(xì)胞器，核糖體蛋白質(zhì)和rRNA可在一定條件下從核糖體中解離下來(lái)，也可以將它們加回去而重新建成有生物活性的亞單位。但是重組核糖體在試管條件下與活體細(xì)胞內(nèi)裝配的過(guò)程有差異，表現(xiàn)在活體內(nèi)的裝配更為迅速和有效，不需要體外重建時(shí)的高溫?；铙w內(nèi)核糖體的組裝是在核仁內(nèi)形成核糖體前體rRNA，核糖體顆粒產(chǎn)生于rRNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，組裝是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，體內(nèi)組裝還需要非核糖核蛋白體成分。rRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：對(duì)16srRNA結(jié)構(gòu)研究較多。rRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)非常保守，有些序列甚至是完全一致的，往往分布在核糖體的表面，與核糖體的功能相關(guān)。16srRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更高的保守性，都折疊為相似的二級(jí)結(jié)構(gòu)，即由多個(gè)臂環(huán)或莖環(huán)組成。如大腸桿菌16SrRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是1542個(gè)核苷酸直線排列而成的序列，約有46％的核苷酸配成堿基對(duì)呈臂狀螺旋。二級(jí)結(jié)構(gòu)中包含50個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，組成4個(gè)主要的結(jié)構(gòu)域：1）5’端結(jié)構(gòu)域，由1到556位核苷酸順序組成；2）中心結(jié)構(gòu)域，包含堿基557～918，一些重要蛋白質(zhì)與該區(qū)域相連接；3）3’結(jié)構(gòu)域，自堿基920～1396，這一區(qū)域是位于30S亞單位的“頭”部，與一些蛋白質(zhì)相結(jié)合；4）倒數(shù)第二個(gè)臂，自堿基1409～1491，通過(guò)1400區(qū)域連接到930/1390的臂上而拴在一起，靠近小亞基的裂口處。

圖：部分不同生物體小亞基rRNA3’端的保守序列

圖：原核和真核生物核糖體小亞基rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)rRNA在亞基結(jié)合中的作用：核糖體RNA在核糖體中的分布是不均勻的，在大小亞基的結(jié)合面上rRNA比較富集，這提示rRNA在蛋白質(zhì)合成時(shí)30S和50S亞基聯(lián)合成70S核糖體的過(guò)程中起著重要作用?，F(xiàn)已鑒定16SrRNA中的一些堿基是亞基結(jié)合所必需：位于30S亞基平臺(tái)上的790～792區(qū)成環(huán)狀的幾個(gè)堿基恰好是和50S亞基結(jié)合的部位，具有高度的保守性；3’末端倒數(shù)第二個(gè)莖結(jié)構(gòu)（1489～1491）的缺失和該結(jié)構(gòu)中1416位G被置換，也會(huì)破壞亞基間的聯(lián)合，同時(shí)其3’端保守的二甲基化的A莖環(huán)結(jié)構(gòu)也可能與亞基的聯(lián)合有關(guān)。核糖體蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能：原核生物核糖體蛋白質(zhì)的分子量為5～60kD，真核生物核糖體的蛋白質(zhì)要小些，兩者都以堿性蛋白質(zhì)占多數(shù)，等電點(diǎn)在10～12之間，這種性質(zhì)有利于蛋白質(zhì)與rRNA的結(jié)合。核糖體蛋白質(zhì)可通過(guò)可逆磷酸化在蛋白質(zhì)合成中起調(diào)節(jié)作用,其中對(duì)小亞基S6蛋白質(zhì)參與的這種調(diào)節(jié)機(jī)理研究得較為清楚。S6蛋白質(zhì)位于小亞基的頭部,其磷酸化修飾可促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，提高核糖體的翻譯活性，特別是表現(xiàn)在促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的起始過(guò)程。S6蛋白可與mRNA、eIF以及參與起始的核糖體蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián),若用S6抗體封閉S6蛋白的活性位點(diǎn)，則可抑制起始三元復(fù)合物與核糖體的結(jié)合。此外，S6磷酸化還可導(dǎo)致大、小亞基構(gòu)象發(fā)生變化，從而可能通過(guò)另一機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成。rRNA與mRNA的相互作用：在蛋白質(zhì)合成的起始、延伸和終止等主要時(shí)期，都有特定的堿基對(duì)的相互作用出現(xiàn)在rRNA與mRNA之間，如果配對(duì)不適合，就會(huì)影響蛋白質(zhì)的合成水平。如大腸桿菌16SrRNA對(duì)翻譯起始密碼子的識(shí)別，這種識(shí)別是通過(guò)mRNA5’末端的SD序列與rRNA3’末端的SD互補(bǔ)序列的相互作用而實(shí)現(xiàn)的。SD序列即Shine－Dalgarno序列，也稱核糖體結(jié)合位點(diǎn)。該序列長(zhǎng)3到9個(gè)堿基，位于起始密碼子前面3到12個(gè)核苷酸，富含嘌呤堿基。SD互補(bǔ)序列即Anti-Shine-Dalgarno序列，亦稱反SD區(qū),它是在16SrRNAY3’端的一組富含嘧啶的順序。如果在16SrRNA的反SD區(qū)1538堿基位置上，將C改變?yōu)閁而使序列CCUCC變?yōu)镃CUUC，就能改變細(xì)菌體內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)的合成水平。同樣，若在反SD區(qū)順序中的5個(gè)核苷酸改變其中3個(gè)，即CCUCC改變?yōu)锳CACA(1535～1539)，也會(huì)降低這些核糖體對(duì)正常mRNA的識(shí)別能力。

E.colimRNA的SD序列現(xiàn)已證實(shí)，SD序列和反SD序列的相互作用不僅存在于蛋白質(zhì)合成的起始階段，而且一直存在于肽鏈的延伸過(guò)程。延伸過(guò)程和起始階段一樣,在同一反SD順序區(qū)與mRNA形成堿基對(duì)，這是大腸桿菌RF2(releasefactor2)基因編制的核糖體移碼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。在RF2的mRNA中有一段15個(gè)核苷酸序列(5’-AGGGGGUAUCUUUGA-3’)是核糖體進(jìn)行高效率移碼所必需的,其中CUUUGA序列是移碼位點(diǎn),其上游序列AGGGGG對(duì)核糖體高效移碼有重要影響,若將這段序列中的堿基G改為C,即由原來(lái)的AGGGGG改為AGCGGG,結(jié)果就破壞了與16SrRNA1534～1540區(qū)段間堿基的正常配對(duì),使移碼效率降低5倍。此外，rRNA與mRNA的相互作用在肽鏈的終止中也起一定的作用，如