線粒體與過氧化物酶體

線粒體與過氧化物酶體

Mitochondrion&Peroxisom細(xì)胞的生存需要兩個(gè)基本的要素∶構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化學(xué)元件和能量。生物從食物中獲取能量，根據(jù)對(duì)氧的需要情況分為兩種類型∶厭氧的，即不需要氧；好氧的，即需要氧的參與。在真核生物中，需氧的能量轉(zhuǎn)化過程與線粒體有關(guān)，并且伴隨著一系列的化學(xué)反應(yīng)；而在原核生物中，能量轉(zhuǎn)化與細(xì)胞質(zhì)膜相關(guān)。

線粒體(mitochondrion)是1850年發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)胞器，1898年命名。是細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和形成ATP的主要場所(圖)。過氧化物酶體是細(xì)胞內(nèi)另一個(gè)需要氧的細(xì)胞器，不過過氧化物酶體需要氧不是用于ATP的合成而是用于有毒物質(zhì)的氧化，對(duì)線粒體具有氧調(diào)節(jié)作用。線粒體結(jié)構(gòu)及功能示意圖7.1線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

7.1.1線粒體的發(fā)現(xiàn)與功能研究●1850年，德國生物學(xué)家RudolphK?lliker第一個(gè)發(fā)現(xiàn)線粒體，并推測∶這種顆粒是由半透性的膜包被的?！?/p>

1898年對(duì)線粒體進(jìn)行命名。●1900年，LeonorMichaelis用染料Janusgreen對(duì)肝細(xì)胞進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞消耗氧之后，線粒體的顏色逐漸消失了，從而提示線粒體具有氧化還原反應(yīng)的作用。1948

Green證實(shí)線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶，Kennedy和Lehninger（1949）發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內(nèi)完成的。7.1.2形態(tài)、結(jié)構(gòu)線粒體形態(tài)分布粒狀或桿狀。蛋白占干重的65-70%，脂類占25-30%。直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細(xì)胞中可長達(dá)10~20μm，稱巨線粒體。肝細(xì)胞約1300個(gè)線粒體，占細(xì)胞體積的20%，許多哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞無線粒體。管狀嵴線粒體●數(shù)量:在不同類型的細(xì)胞中線粒體的數(shù)目相差很大，但在同一類型的細(xì)胞中數(shù)目相對(duì)穩(wěn)定。有些細(xì)胞中只有一個(gè)線粒體，有些則有幾十、幾百、甚至幾千個(gè)線粒體?！穹植?在多數(shù)細(xì)胞中，線粒體均勻分布在整個(gè)細(xì)胞質(zhì)中，但在某些些細(xì)胞中，線粒體的分布是不均一的。線粒體較多分布在需要ATP的部位(如肌細(xì)胞和精細(xì)胞);或較為集中分布在有較多氧化反應(yīng)底物的區(qū)域，如脂肪滴

肌細(xì)胞和精子的尾部聚集較多的線粒體，以提供能量線粒體包圍著脂肪滴，內(nèi)有大量要被氧化的脂肪

●存在方式線粒體在細(xì)胞中并非都是單個(gè)存在的，有時(shí)可形成由幾個(gè)線粒體構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有些線粒體具有分支,可以相互交錯(cuò)在一起。如通過相差顯微鏡檢查完整的肝細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)線粒體并非是單個(gè)存在的,而是以交織的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)存在細(xì)胞中線粒體分支交織連接而成的網(wǎng)狀二維結(jié)構(gòu)7.2線粒體的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成

7.2.1線粒體的結(jié)構(gòu)由彼此平行和高度特化的內(nèi)、外兩層膜包圍，都是典型的單位膜。外膜起界膜作用，內(nèi)膜向內(nèi)皺折形成嵴(cristae)，嵴上有一些顆粒朝向線粒體基質(zhì)，稱為F1顆粒(F1particle)，似把手狀。外膜和內(nèi)膜將線粒體分成兩個(gè)不同的區(qū)室:一個(gè)是膜間間隙，是兩個(gè)膜之間的空隙;另一個(gè)是線粒體基質(zhì)(matrix)，它是由內(nèi)膜包裹的空間線粒體結(jié)構(gòu)模式圖7.2.2線粒體膜通透性線粒體的膜具有半透性■線粒體通透性研究將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進(jìn)入線粒體的膜間間隙；然后測定線粒體內(nèi)部蔗糖的平均濃度，結(jié)果只有50mM，比環(huán)境中蔗糖的濃度低。據(jù)此推測:線粒體外膜對(duì)蔗糖是通透的，而內(nèi)膜對(duì)蔗糖是不通透的。線粒體通透性測定左:將線粒體置于含有100mM的蔗糖溶液中;中:蔗糖穿過線粒體外膜，達(dá)到平衡;右:將線粒體從蔗糖溶液中取出，測定線粒體中蔗糖的濃度。■線粒體各組分的分離由于線粒體外膜的通透性比內(nèi)膜高，利用這一性質(zhì)，DonalParsons

和他的同事最先建立了分離線粒體內(nèi)膜、外膜及其他組分的方法線粒體組分的分離首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時(shí)線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)(線粒體質(zhì))仍結(jié)合在一起，通過離心可將線粒體質(zhì)分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質(zhì)，破壞線粒體內(nèi)膜，釋放線粒體基質(zhì)，破裂的內(nèi)膜重新閉合形成小泡，其表面有F1顆粒。7.2.3線粒體各部分的化學(xué)組成和特性■線粒體的化學(xué)組成線粒體的化學(xué)組分主要是由蛋白質(zhì)、脂類、水份等組成?！竦鞍踪|(zhì)

占線粒體干重的65～70%。分為可溶性和不溶性的?？扇苄缘牡鞍踪|(zhì)主要是基質(zhì)的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白質(zhì)構(gòu)成膜的本體，其中一部分是鑲嵌蛋白，也有一些是酶蛋白?！裰?/p>

線粒體的脂類只占干重的20～30%。脂類中多數(shù)是磷脂，占總脂的3/4以上。含豐富的心磷脂和較少的膽固醇是線粒體在組成上與細(xì)胞其他膜結(jié)構(gòu)的明顯差別。內(nèi)、外膜在化學(xué)組成上的主要區(qū)別是脂類和蛋白質(zhì)的比例不同，內(nèi)膜上的脂類與蛋白質(zhì)的比值低(0.3:1)，外膜中的比值較高(接近1:1)。■線粒體各部分的特性和功能●蛋白分布:

線粒體由四個(gè)部分組成，在能量轉(zhuǎn)換過程中分別起不同的作用。各部分功能的差異主要是化學(xué)組成的差異，特別是蛋白和酶分布的差異(見下表)。

外膜膜間隙內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞色素b5腺苷酸激酶NADH脫氫酶丙酮酸脫氫酶NADH-細(xì)胞色素還原酶核苷琥珀酸脫氫酶

細(xì)胞色素氧化酶脂肪酸β氧化酶

Krebs循環(huán)酶系單胺氧化酶二磷酸激酶細(xì)胞色素CDNA聚合酶脂酰輔酶A合酶

磷酸甘油?；D(zhuǎn)移酶

核苷二磷酸激酶單磷酸激酶ATP合成酶

(F0F1

復(fù)合物)

運(yùn)輸?shù)鞍識(shí)NA聚合酶

核糖體

轉(zhuǎn)移RNAs

孔蛋白

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.9

心磷脂/磷脂=0.03

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.3

心磷脂/磷脂=0.22

醌●功能由于線粒體各部分結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成和性質(zhì)的不同，它們的功能各異部位功能外膜磷脂的合成;脂肪酸鏈去飽和;脂肪酸鏈延伸內(nèi)膜電子傳遞，氧化磷酸化，代謝物質(zhì)運(yùn)輸膜間隙核苷的磷酸化基質(zhì)丙酮酸氧化，TCA循環(huán)，脂肪的β氧化，DNA復(fù)制，RNA合成，蛋白質(zhì)合成●標(biāo)志酶通過細(xì)胞化學(xué)分析，線粒體各部位有特征性的酶，稱為標(biāo)志酶:外膜:單胺氧化酶內(nèi)膜:細(xì)胞色素氧化酶膜間隙:腺苷酸激酶基質(zhì):蘋果酸脫氫酶●外膜線粒體外膜是最外的一層全封閉的單位膜結(jié)構(gòu)，是線粒體的界膜，厚6～7nm,平整光滑。外膜含有孔蛋白,所以外膜的通透性非常高,使得膜間隙中的環(huán)境幾乎與胞質(zhì)溶膠相似。外膜含有一些特殊的酶類，如單胺氧化酶(monoamineoxidase),這種酶能夠終止胺神經(jīng)遞質(zhì),如降腎上腺素和多巴胺的作用?！駜?nèi)膜位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜結(jié)構(gòu)，厚5～6nm。內(nèi)膜的通透性較低，一般不允許離子和大多數(shù)帶電的小分子通過。線粒體內(nèi)膜通常要向基質(zhì)折褶形成嵴(cristae)，其上有ATP合酶(ATPsynthase)，又叫F0-F1ATP酶復(fù)合體，是一個(gè)多組分的復(fù)合物?！衲らg隙線粒體內(nèi)膜和外膜之間的間隙稱為膜間隙，寬6～8nm，由于外膜通透性很強(qiáng)，而內(nèi)膜的通透性又很低，所以膜間隙中的化學(xué)成分很多，幾乎接近胞質(zhì)溶膠。功能是建立和維持氫質(zhì)子梯度。●線粒體基質(zhì)內(nèi)膜和嵴包圍著的線粒體內(nèi)部空間是線粒體基質(zhì)，與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有關(guān)的酶都存在于基質(zhì)之中；此外還含有DNA、tRNAs、rRNA、以及線粒體基因表達(dá)的各種酶和核糖體。線粒體外膜的通透性差,又沒有電子傳遞裝置,所以沒有什么作用,此說正確嗎?不正確。雖然外膜中外膜含有孔蛋白,最大可允許5,000道爾頓的分子通過,由于ATP、NAD、輔酶A等的相對(duì)分子質(zhì)量都小于1,000道爾頓,因此這些分子都能自由通過外膜。所以外膜的通透性非常高,使得膜間隙中的環(huán)境幾乎與胞質(zhì)溶膠相似。但是它有兩個(gè)重要的作用:一是建立了膜間隙,有利于建立電化學(xué)梯度；第二是外膜含有一些特殊的酶類，如參與色氨酸降解、脂肪酸鏈延伸的酶,表明外膜不僅參與膜磷脂的合成，同時(shí)對(duì)那些將在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行徹底氧化的物質(zhì)先行初步分解。外膜上含有單胺氧化酶(monoamineoxidase),該酶是外膜的標(biāo)志酶,這種酶能夠終止胺神經(jīng)遞質(zhì),如降腎上腺素和多巴胺的作用。7.2.4線粒體內(nèi)膜的主動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)由于線粒體對(duì)于大多數(shù)親水物質(zhì)的透性極低，所以它須特殊的主動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)，完成下列運(yùn)輸作用:①糖酵解產(chǎn)生的NADH必須進(jìn)入電子傳遞鏈參與有氧氧化；②線粒體產(chǎn)生的代謝物質(zhì)如草酰輔酶A和乙酰輔酶A必須運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中，它們分別是細(xì)胞質(zhì)中葡萄糖和脂肪酸的前體物質(zhì);③線粒體產(chǎn)生的ATP必須進(jìn)入到胞質(zhì)溶膠，以便供給細(xì)胞反應(yīng)所需的能量，同時(shí)，ATP水解形成的ADP和Pi又要被運(yùn)入線粒體作為氧化磷酸化的底物?！霰?、脂肪酸、Pi等的運(yùn)輸在線粒體內(nèi)膜上具有完善的運(yùn)輸系統(tǒng),主要是運(yùn)輸?shù)鞍缀鸵恍┢鸫龠M(jìn)運(yùn)輸作用的脂類(如心磷脂)。運(yùn)輸系統(tǒng)也包括參與電子傳遞和氫質(zhì)子傳遞的復(fù)合物,內(nèi)膜上有運(yùn)輸丙酮酸、脂肪酸和特殊氨基酸的運(yùn)輸?shù)鞍?其中某些運(yùn)輸?shù)鞍?包括同向和逆向)的運(yùn)輸作用是靠質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)的線粒體內(nèi)膜中的運(yùn)輸系統(tǒng)■線粒體對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的調(diào)節(jié)線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞外基質(zhì)都是Ca2+的儲(chǔ)藏地，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、肌質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞質(zhì)膜上都有Ca2+泵的存在。線粒體內(nèi)膜上有兩種類型的Ca2+運(yùn)輸系統(tǒng)，能夠?qū)a2+輸入到線粒體基質(zhì)中，或?qū)a2+從線粒體基質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥らg隙線粒體的兩種Ca2+離子運(yùn)輸系統(tǒng)系統(tǒng)1是由膜動(dòng)力勢引起的Ca2+離子流向線粒體基質(zhì);系統(tǒng)2是通過與Na+離子的交換將Ca2+離子輸出到胞質(zhì)溶膠

7.3導(dǎo)向信號(hào)與線粒體蛋白定位線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后運(yùn)輸?shù)骄€粒體的線粒體定位

蛋白質(zhì)線粒體基質(zhì)F1ATPase:α亞基(植物除外)、β，γ亞基、δ亞基(某些真菌)

RNA聚合酶、DNA聚合酶、核糖體蛋白、檸檬酸合成酶、TCA酶系、乙醇脫氫酶(酵母)、鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(哺乳動(dòng)物)內(nèi)膜DP-ATP逆向運(yùn)輸?shù)鞍?、磷?OH-逆向運(yùn)輸?shù)鞍?、?xì)胞色素c氧化酶亞基4，5，6，7、F0

ATPase的蛋白質(zhì)、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜間隙細(xì)胞色素c、細(xì)胞色素c過氧化物酶、細(xì)胞色素b2、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基4(細(xì)胞色素c1)外膜線粒體孔蛋白7.3.1蛋白質(zhì)尋靶和蛋白質(zhì)分選■蛋白質(zhì)的兩種轉(zhuǎn)運(yùn)方式

細(xì)胞質(zhì)中的核糖體在合成蛋白質(zhì)時(shí)有兩種可能的存在狀態(tài)，一種是在蛋白質(zhì)合成的全過程一直保持游離狀態(tài)（實(shí)際上是與細(xì)胞骨架結(jié)合在一起的），這種核糖體稱為游離核糖體(freeribosomes)。另一種情況是核糖體在合成蛋白質(zhì)的初始階段處于自由狀態(tài)，但是隨著肽鏈的合成，核糖體被引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合在一起，這種核糖體稱為膜結(jié)合核糖體(membrane-boundribosomes)。這兩種核糖體上合成的蛋白質(zhì)不僅在細(xì)胞內(nèi)的去向不同，它們的轉(zhuǎn)運(yùn)方式也是不同的。●翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)(translocation)與蛋白質(zhì)尋靶游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)釋放到胞質(zhì)溶膠后被運(yùn)送到不同的部位，即先合成，后運(yùn)輸。由于在游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)在合成釋放之后需要自己尋找目的地，因此又稱為蛋白質(zhì)尋靶蛋白質(zhì)翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)定位在線粒體、葉綠體、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、過氧化物酶體的蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成后釋放到胞質(zhì)溶膠中，進(jìn)入細(xì)胞核的蛋白質(zhì)通過核孔運(yùn)輸，與定位到其他翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)的細(xì)胞器蛋白的運(yùn)輸機(jī)制不同?！窆卜g轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)分選膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)通過定位信號(hào)，一邊翻譯，一邊進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，由于這種轉(zhuǎn)運(yùn)定位是在蛋白質(zhì)翻譯的同時(shí)進(jìn)行的，故稱為共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)。在膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)通過信號(hào)肽，經(jīng)過連續(xù)的膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)分選才能到達(dá)最終的目的地，這一過程又稱為蛋白質(zhì)分選。

蛋白質(zhì)的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，運(yùn)輸?shù)哪康牡匕▋?nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞外基質(zhì)等?！鰧?dǎo)向序列(targeting)與信號(hào)序列●導(dǎo)向序列將游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)的N-端信號(hào)稱為導(dǎo)向信號(hào)(targetingsignal)，或?qū)蛐蛄?targetingsequence)，由于這一段序列是氨基酸組成的肽，所以又稱為轉(zhuǎn)運(yùn)肽(transitpeptide)，或?qū)щ?leadingpeptide)?！裥盘?hào)序列將膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)的N-端的序列稱為信號(hào)序列(signalsequence)，將組成該序列的肽稱為信號(hào)肽（signalpeptide)。在不需要特別區(qū)分時(shí)，可將它們統(tǒng)稱為信號(hào)序列或信號(hào)肽。比較引導(dǎo)序列與信號(hào)序列有什么不同?無論是在游離核糖體合成的蛋白質(zhì)還是在膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)，它們的轉(zhuǎn)運(yùn)都是由信號(hào)引導(dǎo)的，這種信號(hào)一般存在于蛋白質(zhì)的N-端，這就是蛋白質(zhì)的定位信號(hào)。由于游離核糖體合成的蛋白質(zhì)與膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)的運(yùn)輸信號(hào)不同導(dǎo)致運(yùn)輸機(jī)制的不同，為了便于區(qū)別它們，將游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)的N-端信號(hào)統(tǒng)稱為導(dǎo)向信號(hào)(targetingsignal)，或?qū)蛐蛄?targetingsequence)，由于這一段序列是氨基酸組成的肽，所以又稱為轉(zhuǎn)運(yùn)肽(transitpeptide)，或?qū)щ?leadingpeptide)。將膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)的N-端的序列稱為信號(hào)序列(signalsequence)，將組成該序列的肽稱為信號(hào)肽（signalpeptide)。在不需要特別區(qū)分時(shí)，可將它們統(tǒng)稱為信號(hào)序列或信號(hào)肽。雖然轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核中的蛋白質(zhì)也是在游離核糖體上合成的，由于此類蛋白的運(yùn)輸機(jī)制特別，所以將這些蛋白中的定位引導(dǎo)序列稱為核定位信號(hào)(nuclearlocalizationsignal，NLS)。

7.3.2線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)構(gòu)成線粒體的蛋白主要是核基因編碼的,少量是線粒體基因編碼的,無論是核基因還是線粒體基因編碼的蛋白質(zhì)都要轉(zhuǎn)運(yùn)定位。線粒體有四個(gè)組成部分,其中有兩層膜,所以由細(xì)胞質(zhì)核糖體合成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)必須穿過兩層膜障礙線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的部位■線粒體基質(zhì)蛋白(matrixprotein)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體基質(zhì)蛋白，除極少數(shù)外，都是游離核糖體合成，并通過轉(zhuǎn)運(yùn)肽轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)來的，轉(zhuǎn)運(yùn)過程十分復(fù)雜蛋白質(zhì)輸入線粒體基質(zhì)■線粒體膜間隙蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體膜間隙蛋白，如細(xì)胞色素c的定位需要兩個(gè)導(dǎo)向序列，位于N端最前面的為基質(zhì)導(dǎo)向序列(matrix-targetingsequence)，其后還有第二個(gè)導(dǎo)向序列，即膜間隙導(dǎo)向序列(intermembrane-space-targetingsequence)，功能是將蛋白質(zhì)定位于內(nèi)膜或膜間隙，這類蛋白有兩種轉(zhuǎn)運(yùn)定位方式。●保守性尋靶(conservativetargeting)

前體蛋白在N-端的基質(zhì)導(dǎo)向序列引導(dǎo)下采用與線粒體基質(zhì)蛋白同樣的運(yùn)輸方式，將前體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)，在基質(zhì)中由轉(zhuǎn)肽酶切除基質(zhì)導(dǎo)向序列后，膜間隙導(dǎo)向序列就成了N端的導(dǎo)向序列，它能夠識(shí)別內(nèi)膜的受體和轉(zhuǎn)運(yùn)通道蛋白，引導(dǎo)蛋白質(zhì)穿過內(nèi)膜，進(jìn)入線粒體膜間隙，然后由線粒體膜間隙中的轉(zhuǎn)肽酶將膜間隙導(dǎo)向序列切除線粒體內(nèi)膜蛋白的保守性尋靶●非保守性尋靶(nonconservativetargeting)與保守性尋靶不同,蛋白質(zhì)的非保守性尋靶首先在線粒體基質(zhì)導(dǎo)向序列的引導(dǎo)下,通過線粒體的外膜和內(nèi)膜,但是疏水的膜間隙導(dǎo)向序列作為停止轉(zhuǎn)運(yùn)序列(stop-transfersequence)錨定在內(nèi)膜上,從而阻止了蛋白質(zhì)的C-末端穿過內(nèi)膜進(jìn)入線粒體基質(zhì)；然后通過蛋白質(zhì)的擴(kuò)散作用,錨定在內(nèi)膜上的蛋白逐漸離開轉(zhuǎn)運(yùn)通道,最后在轉(zhuǎn)肽酶的作用下,將膜間隙導(dǎo)向序列切除,蛋白質(zhì)釋放到膜間隙,結(jié)合血紅素后,蛋白質(zhì)折疊成正確的構(gòu)型線粒體膜間隙蛋白的非保守性尋靶■線粒體內(nèi)膜和外膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)圖顯示線粒體內(nèi)膜蛋白的N-端只有一個(gè)基質(zhì)導(dǎo)向序列，內(nèi)膜蛋白在基質(zhì)導(dǎo)向序列的引導(dǎo)下，按基質(zhì)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)方式進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，由轉(zhuǎn)肽酶切除導(dǎo)向序列，然后通過構(gòu)型的變化或與別的蛋白結(jié)合形成復(fù)合物后再插入到內(nèi)膜中，詳細(xì)機(jī)理尚不清楚。P70是線粒體外膜的一個(gè)重要的蛋白質(zhì)。在P70的N-端有一個(gè)短的基質(zhì)導(dǎo)向序列,緊隨其后是一段較長的、強(qiáng)疏水性氨基酸序列。實(shí)驗(yàn)中,如果將疏水性氨基酸序列缺失,P70進(jìn)入線粒體基質(zhì),并且其基質(zhì)導(dǎo)向序列依然連接在一起。這一結(jié)果提示,長的疏水性氨基酸序列可作為停止轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào),既防止了外膜蛋白進(jìn)入線粒體基質(zhì),又作為錨定序列將外膜蛋白錨定在外膜上。正常情況下,外膜蛋白N-端的基質(zhì)導(dǎo)向序列和長的疏水性序列都不會(huì)被切除。線粒體內(nèi)膜、外膜的導(dǎo)向序列7.3.3線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)驗(yàn)研究上面所討論的線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)方式已得到許多實(shí)驗(yàn)的支持。■線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)驗(yàn)證明通過脈沖示蹤研究發(fā)現(xiàn)酵母線粒體蛋白合成之后存在于胞質(zhì)溶膠中,后來逐漸進(jìn)入線粒體各部位,通過無細(xì)胞系統(tǒng)進(jìn)一步證明這一結(jié)果?！鲛D(zhuǎn)運(yùn)中間體與導(dǎo)向序列的特異性研究在線粒體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)中一個(gè)很重要的中間過程是基質(zhì)導(dǎo)向序列穿過內(nèi)外膜，如果能夠證明線粒體基質(zhì)蛋白正在穿過內(nèi)外膜通道形成的中間體的存在則是對(duì)上述轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的最有力的證明。另外，線粒體導(dǎo)向序列對(duì)所引導(dǎo)的蛋白質(zhì)是否具特異性也是人們所關(guān)心的問題?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證明了中間體的存在,同時(shí)也證明了導(dǎo)肽沒有特異性。7.4線粒體的功能----氧化磷酸化作用線粒體是真核生物氧化代謝的部位，是糖、脂肪和氨基酸最終氧化放能的場所。最終氧化的共同途徑是三羧酸循環(huán)和呼吸鏈的氧化磷酸化。7.4.1真核細(xì)胞中的氧化作用(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核細(xì)胞能量的主要來源，細(xì)胞通過對(duì)葡萄糖的代謝獲取能量。葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后先在細(xì)胞質(zhì)中通過酵解作用生成丙酮酸，如果有氧存在時(shí)，丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)經(jīng)過三羧酸循環(huán)、電子傳遞和氧化磷酸化，最后生成ATP和水。如果沒有氧，丙酮酸經(jīng)過發(fā)酵生成乳酸。真核細(xì)胞中碳水化合物代謝俯瞰7.4.2呼吸鏈與電子傳遞■電子載體(electroncarriers)在電子傳遞過程中與釋放的電子結(jié)合并將電子傳遞下去的物質(zhì)稱為電子載體。參與傳遞的電子載體有四種∶黃素蛋白、細(xì)胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基?！顸S素蛋白(flavoproteins)

黃素蛋白是由一條多肽結(jié)合1個(gè)輔基組成的酶類，每個(gè)輔基能夠接受和提供兩個(gè)質(zhì)子和電子?！窦?xì)胞色素(cytochromes)

細(xì)胞色素是含有血紅素輔基的一類蛋白質(zhì)。在氧化還原過程中，血紅素基團(tuán)的鐵原子可以傳遞單個(gè)的電子。血紅素中的鐵通過Fe3+和Fe2+兩種狀態(tài)的變化傳遞電子；在還原反應(yīng)時(shí)，鐵原子由Fe3+狀態(tài)轉(zhuǎn)變成Fe2+狀態(tài)；在氧化反應(yīng)中，鐵由Fe2+轉(zhuǎn)變成Fe3+?！耔F硫蛋白(iron-sulfurproteins，F(xiàn)e/Sprotein)

鐵硫蛋白是含鐵的蛋白質(zhì)，也是細(xì)胞色素類蛋白。在鐵硫蛋白分子的中央結(jié)合的不是血紅素而是鐵和硫，稱為鐵-硫中心(iron-sulfurcenters，醌(uniquinoneUQ)或輔酶Q(coenzymeQ)

輔酶Q是一種脂溶性的分子，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構(gòu)成。如同黃素蛋白，每一個(gè)醌能夠接受和提供兩個(gè)電子和質(zhì)子，部分還原的稱為半醌，完全還原的稱為全醌(UQH2)。■氧化還原電位與載體排列順序●氧還電位(oxidation-reductionpotentials，redoxpotentials)不同的還原劑具有不同的電子傳遞電位，而氧化與還原又是偶聯(lián)的，如NAD+和NADH.它們的差別主要是電子數(shù)量不同，所以二者間就有一個(gè)電位差，即氧還電位?！窈粑溨须娮虞d體的氧還電位氧還電位在標(biāo)準(zhǔn)條件下測定,即得標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位(standardoxidationreductionpotentials,E0‘)?！窈粑溨须娮虞d體的排列順序標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位的值越小，提供電子的能力越強(qiáng)。因此只要分別測定電子載體的氧化還原電位，再進(jìn)行比較，可初步推斷它們在呼吸鏈中的排列順序。根據(jù)測得的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位，按氧還電位的大小可排出電子載體在呼吸鏈中的位置

線粒體內(nèi)膜主次呼吸鏈■遞氫體與電化學(xué)梯度的建立●遞氫體組成呼吸鏈的成員中除了電子載體外,有些還具有將氫質(zhì)子跨膜傳遞到膜間隙的作用,將能夠傳遞氫質(zhì)子的復(fù)合物稱為遞氫體,或稱遞質(zhì)子體。在呼吸鏈的四個(gè)復(fù)合物中,復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ既是電子載體,又是遞氫體;復(fù)合物Ⅱ只是電子載體,而不是遞氫體?！耠娀瘜W(xué)梯度(electrochemicalgradient)質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)使得膜間隙積累了大量的質(zhì)子，建立了質(zhì)子梯度。由于膜間隙質(zhì)子梯度的建立，使內(nèi)膜兩側(cè)發(fā)生兩個(gè)顯著的變化∶線粒體膜間隙產(chǎn)生大量的正電荷，而線粒體基質(zhì)產(chǎn)生大量的負(fù)電荷，使內(nèi)膜兩側(cè)形成電位差；第二是兩側(cè)氫離子濃度的不同因而產(chǎn)生pH梯度(ΔpH)，這兩種梯度合稱為電化學(xué)梯度(electrochemicalgradient)。

7.4.3氧化磷酸化:ATP形成機(jī)制氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在活細(xì)胞中伴隨著呼吸鏈的氧化作用所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和ATP的形成過程?！雠悸?lián)因子1(couplingfactor1)的發(fā)現(xiàn)及功能●發(fā)現(xiàn):

在20世紀(jì)70年代初，Humberto-FernandezMoran用負(fù)染技術(shù)檢查分離的線粒體時(shí)發(fā)現(xiàn):線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過柄與內(nèi)膜相連。幾年后，Efraim

Racker分離到內(nèi)膜上的顆粒，稱為偶聯(lián)因子1，簡稱F1?！窆δ茴A(yù)測Racker發(fā)現(xiàn)這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，這似乎是一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn)，為什么線粒體內(nèi)膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定?！鯝TP合酶(ATPsynthase)的結(jié)構(gòu)和功能●電鏡下的結(jié)構(gòu)從電鏡照片看，線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的F1顆粒結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)基本部分:F1(頭部，headsection)、F0(基部，basesection)，在F1和F0之間有一個(gè)細(xì)細(xì)的柄部(stalksection)。●組成F1顆粒是一個(gè)多組分的結(jié)構(gòu)，將它稱為F0F1ATP酶復(fù)合物，或ATP合酶，在分離狀態(tài)下具有ATP水解酶的活性，在結(jié)合狀態(tài)下具有ATP合成酶的活性。除了線粒體中有ATP合酶外，植物葉綠體的類囊體和好氧細(xì)菌都有ATP合酶的同源物，線粒體ATP合酶有F0和F1兩部分組成，主要功能是進(jìn)行ATP的合成。也有學(xué)者將它看成是線粒體內(nèi)膜呼吸鏈的第五個(gè)復(fù)合物(Ⅴ)。

■ATP合酶合成ATP的機(jī)理●結(jié)合變構(gòu)模型(binding-changemodel)ATP合酶合成ATP的分子機(jī)理的研究一直是研究的熱點(diǎn)，為多數(shù)人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“結(jié)合變構(gòu)模型”。該模型認(rèn)為F1中的γ亞基作為C亞基旋轉(zhuǎn)中心中固定的轉(zhuǎn)動(dòng)桿，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起αβ復(fù)合物構(gòu)型的改變。有三種不同的構(gòu)型，對(duì)ATP和ADP具有不同的結(jié)合能力:①O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結(jié)合;②L型同ADP和Pi的結(jié)合較強(qiáng);③T型與ADP和Pi的結(jié)合很緊，并能自動(dòng)形成ATP，并能與ATP牢牢結(jié)合。當(dāng)γ亞基旋轉(zhuǎn)并將αβ復(fù)合物轉(zhuǎn)變成O型則會(huì)釋放ATP。●定子（stator）和轉(zhuǎn)子（rotor）Timothy等人提出了一個(gè)ATP合酶中能量轉(zhuǎn)化過程的模型，該模型認(rèn)為由abα3β3δ組成了“定子（stator）”，cγε則形成“轉(zhuǎn)子（rotor）”。當(dāng)H+質(zhì)子穿過a和c之間的通道時(shí)產(chǎn)生了力矩，從而推動(dòng)了轉(zhuǎn)子與定子間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在F1中合成了ATP?！瘭脕喕D(zhuǎn)的離體培養(yǎng)證明目前已經(jīng)可以在光學(xué)顯微鏡下觀察到F1中γ亞基的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但現(xiàn)在還沒有直接的證據(jù)顯示在F0中有某些亞基作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。F1和γ旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)中對(duì)F1進(jìn)行人工改造，使之帶上組氨酸(每個(gè)亞基一個(gè))，由于組氨酸能夠同覆蓋有金屬還原劑(Ni)的玻片結(jié)合，因此可使F1固定到這種玻片上。通過人工的方法將γ結(jié)合上一條熒光標(biāo)記的肌動(dòng)蛋白纖維，然后在供給ATP的情況下用熒光顯微鏡觀察γ亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)。7.5線粒體的遺傳、增殖和起源7.5.1線粒體遺傳線粒體是一種半自主性的細(xì)胞器，它除了有自己的遺傳物質(zhì)--線粒體DNA外，還有蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(mRNA、rRNA、tRNA)和線粒體核糖體等。線粒體中的蛋白質(zhì)只有少數(shù)幾種是線粒體基因編碼的，大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)還是由核基因編碼。所以線粒體的生物合成涉及兩個(gè)彼此分開的遺傳系統(tǒng)?！鼍€粒體的基因組線粒體DNA(mtDNA)是雙鏈環(huán)狀分子，基因組的大小變化很大，動(dòng)物細(xì)胞線粒體基因組較小，約～16.5kb，每個(gè)細(xì)胞中有幾百個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體有多個(gè)DNA拷貝，mtDNA通常與線粒體內(nèi)膜結(jié)合在一起。人的線粒體基因沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子，但在酵母線粒體至少兩個(gè)基因中發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子，如細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物亞基Ⅰ蛋白基因中就有9個(gè)內(nèi)含子?！鼍€粒體基因及線粒體DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄●線粒體基因在人的線粒體DNA中有兩個(gè)線粒體rRNA基因:12SrRNA和16SrRNA

基因、22種線粒體合成蛋白質(zhì)所需的tRNA基因和13種編碼蛋白質(zhì)的基因。

●mtDNA復(fù)制線粒體DNA在核基因編碼的DNA聚合酶的作用下以D-環(huán)方式進(jìn)行復(fù)制，這種DNA聚合酶是線粒體特異的。線粒體的復(fù)制期主要在細(xì)胞周期的S期和G2期，與細(xì)胞周期同步?！駇tDNA轉(zhuǎn)錄線粒體DNA是對(duì)稱轉(zhuǎn)錄的，即在線粒體DNA的H鏈(重鏈)和L鏈(輕鏈)上各有一個(gè)啟動(dòng)區(qū)，從各自的啟動(dòng)區(qū)開始全長對(duì)稱轉(zhuǎn)錄合成前體RNA，經(jīng)切割加工后履行生物學(xué)功能?！鼍€粒體密碼●特異密碼：線粒體使用核基因的通用密碼，但也有些例外：UGA不是終止信號(hào)，而是色氨酸的密碼；多肽內(nèi)部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個(gè)密碼子編碼；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四個(gè)密碼子編碼；AGA,AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，因而，在線粒體密碼系統(tǒng)中的4個(gè)終止密碼子（UAA，UAG，AGA，AGG）?！窬€粒體的蛋白質(zhì)合成基本上屬于原核類型,具有原核生物蛋白質(zhì)合成的特點(diǎn)，如∶mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯是在同一時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行、蛋白質(zhì)合成的起始tRNA與原核生物的相同、蛋白質(zhì)合成對(duì)藥物的敏感性與細(xì)菌一樣。如氯霉素可抑制線粒體的蛋白質(zhì)合成,而不抑制細(xì)胞質(zhì)的蛋白質(zhì)合成;放線菌酮可抑制細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)的合成而不抑制線粒體蛋白質(zhì)的合成。■兩套遺傳體系的協(xié)同性離體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩套遺傳體系的遺傳機(jī)制不同。如放線菌酮是細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成抑制劑，但是對(duì)細(xì)胞器蛋白質(zhì)的翻譯卻沒有作用。另外，一些抗生素，如氯霉素、四環(huán)素、紅霉素等能夠抑制線粒體蛋白質(zhì)的合成，但對(duì)細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成沒有多大影響。通過對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制研究，發(fā)現(xiàn)線粒體基因轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶也是特異的。線粒體蛋白的生物合成粗箭頭所指是蛋白質(zhì)合成抑制劑作用位點(diǎn)，線粒體與細(xì)胞核基因轉(zhuǎn)錄的抑制劑是不同的。7.5.2線粒體的增殖與起源■線粒體增殖的方式●線粒體增殖的幾種假說曾提出過三種解釋:①現(xiàn)有線粒體生長到一定的大小就要開始分裂，形成兩個(gè)小的、新的線粒體;②舊的線粒體被吞噬，細(xì)胞內(nèi)利用脂、蛋白、DNA等重新合成線粒體;③利用其他的膜，如質(zhì)膜、核膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜等重新裝配新的線粒體。●顯微鏡觀察的結(jié)果在顯微鏡下觀察到生活細(xì)胞中線粒體的分裂，支持了第一種觀點(diǎn):線粒體通過分裂進(jìn)行增殖。脂肪細(xì)胞中正在分裂的線粒體電鏡照片線粒體的分裂方式：間壁分離：分裂時(shí)先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線粒體分為兩個(gè)，常見于鼠肝和植物分生組織中。收縮后分離：通過中部縊縮分裂為兩個(gè)。出芽：見于酵母和蘚類植物，線粒體出現(xiàn)小芽，脫落后長大，發(fā)育為線粒體。●實(shí)驗(yàn)證明為了證明顯微鏡下觀察到的線粒體分裂增殖的可靠性，1965年DavidLuck通過放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步支持了線粒體分裂增殖的觀點(diǎn)。1965年DavidLuck通過放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證明線粒體分裂增殖的觀點(diǎn)。首先將脈胞菌(膽堿缺陷突變株)培養(yǎng)在加有3H標(biāo)記的膽堿(一種磷脂的前體物)培養(yǎng)基中,使線粒體的膜帶上放射性標(biāo)記。然后收集放射性標(biāo)記的細(xì)胞,轉(zhuǎn)入非同位素的培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng),分別在不同培養(yǎng)時(shí)間收集菌體,再通過放射自顯影檢查經(jīng)過不同時(shí)期培養(yǎng)的細(xì)胞中同位素的分布。并預(yù)測同位素的分布應(yīng)是下述三種模式中的一種:①如果新的線粒體是由已有線粒體的生長和分裂而來,那么每分裂一次,線粒體中的放射性就會(huì)減少一半；②如果新的線粒體是重新合成的,那么,新線粒體應(yīng)該沒有放射性,而老的線粒體的放射性應(yīng)與原初的線粒體相同；③如果新線粒體是由其他的膜重新裝配而來,那么原有的線粒體仍然保持原有的放射性,而新的線粒體在開始階段應(yīng)具有放射性,隨著時(shí)間的延長,放射性會(huì)消失。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨分裂次數(shù)的增加,放射性的線粒體數(shù)量增多,放射性均勻分布到新的線粒體中,并逐漸減弱,若是重新合成,那么就應(yīng)發(fā)現(xiàn)有未標(biāo)記的線粒體。但實(shí)際上從未測到過。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明線粒體是通過分裂增殖的。■線粒體起源關(guān)于線粒體的起源有兩種假說:內(nèi)共生學(xué)說和非內(nèi)共生學(xué)說?！駜?nèi)共生學(xué)說endosymbionthypothesis)認(rèn)為線粒體來源于細(xì)菌，即細(xì)菌被真核生物吞噬后，在長期的共生過程中，通過演變，形成了線粒體。線粒體的進(jìn)化途徑●非內(nèi)共生學(xué)說

又稱細(xì)胞內(nèi)分化學(xué)說。認(rèn)為線粒體的發(fā)生是質(zhì)膜內(nèi)陷的結(jié)果。2137.6過氧化物酶體(peroxisome)1954年，在電子顯微鏡下檢查腎小管時(shí)發(fā)現(xiàn)一種膜結(jié)合的顆粒，直徑約為0.5～1.0μm。由于不知道這種顆粒的功能，將它稱為微體(microbody)，并有兩種主要類型∶過氧化物酶體和乙醛酸循環(huán)體(glyoxysomes)，后者只在植物中發(fā)現(xiàn)。7.6.1過氧化物酶體的發(fā)現(xiàn)及所含酶類■過氧化物酶體的發(fā)現(xiàn)●離心分離實(shí)驗(yàn)deDuve和他的同事通過梯度離心分離到溶酶體之后發(fā)現(xiàn)至少有一種酶與溶酶體酶的性質(zhì)不同:尿酸氧化酶不是酸性水解酶，但離心時(shí)總是與酸性水解酶在一起，只是沉降行為稍有不同。通過蔗糖密度梯度離心，發(fā)現(xiàn)尿酸氧化酶、線粒體和溶酶體存在的密度區(qū)分別是1.25g/cm3，1.19g/cm3和1.20g/cm3～1.24g/cm3，由于密度差異太小，而溶酶體自身的密度范圍又很寬。然后，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：用去垢劑TritonWR1339注射小鼠，這種去垢劑在細(xì)胞內(nèi)主要積累在溶酶體中，并使溶酶體的浮力密度降低到1.1-1.14g/cm3，這樣就可以將尿酸氧化酶與溶酶體和線粒體分開?！袼嵝粤姿崦负瓦^氧化氫酶的釋放實(shí)驗(yàn)用去垢劑(毛地黃皂