医学细胞生物学(中山大学)第六章线粒体与细胞的能量转换

第六章 线粒体与细胞的能量转换

第一节 线粒体的基本特征

一、线粒体的形态、数量和结构

（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关（细胞类型、生理状

态、代谢需求）

1.光镜下的线粒体成线状、粒状或杆状。

2.在低渗环境下，线粒体膨胀如泡状，在高渗环境下，线粒体又伸长为线状

3.酸性时线粒体膨胀，碱性时线粒体为粒状

（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构

1.外膜是线粒体外层单位膜

在组成上，外模的1/2为脂类，1/2位蛋白质，外膜上镶嵌的蛋白质包括多种

转运蛋白，允许通过分子量在10000以下的物质（通透性大）

2.内膜的内表面附着许多颗粒

①内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔；内膜与外膜之间的空间

称为外腔，或膜间腔。

②嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高了内膜的代谢效率

③内膜的化学组成中20%是脂类（心磷脂占20%），80%是蛋白质

④内膜的通透性很小，但内膜有高度的选择通透性

⑤基粒分为头部、柄部、基片三部分，由多种蛋白质亚基组成。机理头部具有

酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合成酶或ATP合酶

复合体

3.内外膜相互接近所形成的转为接触点是物质转运到线粒体的临时性结构

线粒体的内外膜上存在着一些内膜与外模相互接触的地方，在这些地方膜间

隙变狭窄，称为转位接触点

4.基质是氧化代谢的场所

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，参与物质的代谢

5.基粒的化学本质是ATP合成酶

二、线粒体的化学组成

1.线粒体的主要成分是蛋白质，且多数分布于内膜和基质，分为两类：可溶性蛋

白和不可溶性蛋白或膜镶嵌酶蛋白（线粒体是细胞中含酶最多的细胞器）

2.线粒体内外膜的标志酶分别是细胞色素氧化酶和单胺氧化酶等；基质和膜间腔

的标志酶分别为苹果酸脱氢酶和腺苷酸激酶

三．线粒体的遗传体系

（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组

1.线粒体基因组序列（也称剑桥序列）共16569个碱基对，为一条裸露的，不与

组蛋白结合的双链环状的DNA分子。双链中一为重链（H）（编码合成物质较

多），一为轻链（I）（编码了ND6及8个tRNA）

2.线粒体的DNA序列中有37个基因，仅13个是编码蛋白质的基因，都以ATG

（甲硫氨酸）为起始密码；其他24个基因编码两种rRNA分子（用于构成线粒

体的核糖体）和22种tRNA分子（用于线粒体mRNA的翻译）

（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录

1.重链上的转录起始位点有两个，形成两个初级转录物，因为每个mRNA的5’

端与tRNA的3’端是紧密相连的。转录物I比转录物II的转录要频繁得多

2.与核合成mRNA不同，线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区

3.线粒体基因中两个重叠基因，一个是复合物I的ND4L和ND4，另一个是复合

物V的ATP酶8和ATP酶6

4.线粒体mRNA翻译的起始氨基酸为甲腺甲硫氨酸，人类细胞的线粒体编码系统

中UGA编码色氨酸

（三）线粒体DNA的两条链有各自的复制起始点

1.重链的复制起始点位于环的顶部，tRNA^Phe基因和tRNA^Pro基因

2.轻链的复制要晚于重链

3.一般情况下，重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的

4.线粒体中mtDNA的复制比一般的复制时间要长

的复制特点还包括它的复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期

的禁止期或间期，甚至可以分布在整个细胞周期

四 线粒体核编码蛋白质的转运

线粒体中约有1000个基因产物，仅有37个为线粒体基因组编码，所以线粒体内大多数参与

电子传递链的蛋白都为核编码。

核编码蛋白向线粒体基质中转运

核编码蛋白进入线粒体时需要分子伴侣蛋白协助

蛋白在胞质中合成，靠分子伴侣协助，多数输入线粒体基质，少数输入膜间腔或插入内膜、

外膜。

基质导入序列（MTS）：输入到线粒体的蛋白质在其N-端都具有一段MTS，线粒体内外膜

上的受体能识别并结合特定序列；富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸、苏氨酸，少见天冬氨酸、

谷氨酸，序列包含了所有介导前体蛋白输入到线粒体基质的信号。

前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态

①少数线粒体蛋白可溶前体与新生多肽相关复合物（NAC，分子伴侣）相互作用，增加了

蛋白转运的准确性；

②多数前体蛋白与热休克蛋白70（hsc70,分子伴侣）结合，防止了蛋白形成不可解开的构

象和已松弛前体蛋白的聚集（aggregation）；

③前体蛋白与前体蛋白结合因子（PBF）结合，增加了hsc70对线粒体蛋白的转运；

④前体蛋白与线粒体输入刺激因子（MSF）结合，常单独发挥ATP酶作用，为聚集蛋白的

解聚提供能量；

⑤某些前体蛋白（如内膜ATP/ADP反向转运体）与MSF所形成复合体与外膜受体Tom37

和Tom70结合，再转移到受体Tom20和Tom22，同时释放MSF；

⑥多数与hsc70结合的前体蛋白直接与受体Tom20和Tom22结合，受体与外膜上的通道

蛋白Tom40耦联，后者与内膜接触点组成直径为1.5-2.5纳米的tim17受体系统（跨膜通

道），用于将前体蛋白转移到线粒体基质。

分子运动产生的动力协助多肽链穿过线粒体膜

前体蛋白与受体结合后与线粒体内外膜上通道发生作用进入线粒体，其中线粒体基质hsc70

（mthsp70,分子伴侣）与进入线粒体腔的前导肽链交联；

（1）布朗棘轮模型：由等提出，将mthsp70描绘成“转运发动机”，类似于

肌球蛋白和肌动蛋白的牵拉作用；认为在蛋白质转运孔道内多肽链做布朗运动摇摆不定，一

旦前导肽链自发进入线粒体腔，立即有mthsp70结合上去以免其退回细胞质，并随肽链伸

入线粒体结合越来越多；

（2）布朗棘轮模型的预测：一条折叠肽链的转运应不慢于其自发解链；

（3）布朗棘轮模型的解释：mthsp70同时附着在肽链和线粒体膜上，可通过变构产生拖力

以拖拽前导肽链：先以高能构象结合前导肽链，然后松弛为低能构象，促使前导肽链进入，

迫使后面的肽链解链以进入转运轨道。

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

当蛋白穿过线粒体膜后，大多数蛋白的基质导入序列被定位在线粒体内膜上的基质作用蛋白

酶（MPP）移除；大多数情况下，其最后折叠还需要另一套基质分子伴侣（如hsc60、hsc10）

的协助；hsc60突变体不影响前体蛋白进入线粒体，但前体蛋白不形成低聚复合物hsc70

就无法发挥作用；由此前体蛋白形成天然构象行使其功能。

核编码蛋白向线粒体其他部位的转运

包括膜间腔、内膜、外膜，此类蛋白除了都具有MTS，一般还具有第二类信号序列，其进

入线粒体基质的机理同上述。

蛋白质向线粒体膜间腔转运

（1）膜间腔蛋白质分别携带有功能相似但序列不完全相同的膜间腔导入序列（ISTS），以

引导前体蛋白进入膜间腔；

（2）绝大多数情况下，蛋白N-端进入基质，在蛋白酶作用下切去MTS，据ISTS的不同有

两种转运方式：①整个蛋白（如细胞色素c1）进入基质与mthsp70结合，ISTS引导多肽

链通过内模上的通道进入膜间腔；②前体蛋白（如细胞色素b2）的ISTS用于转移终止序

列，阻止前体蛋白的C端通过内膜通道向基质转运，固定于内膜上并发生侧向运动而扩散，

最后在膜间腔蛋白酶的作用下切去ISTS，并使C端脱落于膜间腔；

（3）少数膜间腔蛋白通过直接扩散从胞质通过外膜进入膜间腔，如：辅细胞色素c从外膜

上的特定通道（如类孔蛋白P70）进入膜间腔，于血红素结合形成细胞色素c。

蛋白质向线粒体内膜和外膜的转运

外膜蛋白转运中，类孔蛋白（porin-like）P70研究最多；P70的MTS后有一段长疏水序列

用于转移终止序列，使之固定于外膜；

内膜蛋白质转运机制尚不明确。

线粒体的起源

1.线粒体起源的内共生学说：认为，线粒体起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌，在

进化过程中共生物大部分遗传信息转移到细胞核上；

2.内共生学说的证据：线粒体遗传系统与细菌相似，如DNA呈环状并不与组蛋白结合；线

粒体蛋白质合成方式与细菌相似，如：核糖体为70S、抑制蛋白质合成机制等；

3.非共生假说：原始真核细胞是进化程度较高的需氧细菌，其呼吸作用所需电子传递系统和

氧化磷酸化系统位于细胞膜上；随细胞进化呼吸功能同时进化，细胞膜表面积增大而不断内

陷、折叠、融合、被其他膜结构包裹而形成功能特殊的双层膜性囊泡，成为线粒体。

线粒体的分裂与融合

线粒体是通过分裂方式实现增殖的

1.三种线粒体生物发生的观点：①重新合成 ②起源于非线粒体的亚细胞结构 ③通过原有线

粒体的分裂形成；自从线粒体DNA发现后，普遍接受线粒体以分裂增殖方式形成；

2.1975年i等提出线粒体的生物发生过程分两个阶段：①分裂增殖 ②线粒体本身

分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的结构；两个阶段分别接受细胞核和线粒体两个独

立的遗传系统控制；

3.一般认为线粒体有三种分裂方式：①出芽分裂：先长出膜性突起“小芽”（budding），

随后小芽不断长大与原线粒体分离，再经过不断“发育”，形成新的线粒体 ②收缩分裂：

线粒体在其中央处收缩形成很细的“颈”，最后断裂形成两个线粒体 ③间壁分裂：线粒体

内膜向中心内褶形成分隔线粒体结构的间壁，随后一分为二；无论哪一种，其共同点是线粒

体分裂不均等，另一方面，线粒体分裂受细胞分裂的影响；

4.哺乳动物中，线粒体外膜分子Fis1蛋白招募胞质中的Drp1蛋白，再结合其他分子形成更

大的分裂装置，Drp1的多聚体指环结构逐步缩紧，线粒体一分为二。

mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒体中

同一细胞中，可能同时存在野生型线粒体和突变型线粒体，同一线粒体中，可能同时存在野

生型mtDNA和突变型mtDNA，分裂时线粒体和DNA随机分配；这种随机分离导致mtDNA

异质性变化的过程称为复制分离；

连续性分裂过程中，异质性细胞的突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变，向

同质性方向发展：①分裂旺盛的细胞往往排斥突变mtDNA，逐渐形成只有野生型的同质性

细胞 ②突变mtDNA有复制优势，在分裂不旺盛的细胞中逐渐积累，形成只有突变型的同

质性细胞；漂变的结果是细胞表型随之改变。

线粒体融合是有一系列相关蛋白介导的过程

线粒体融合的好处：有利于线粒体相互协作，不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换（如

膜电位快速传递和内容物交换）；有利于不同线粒体的基因组交换进行充分的DNA互补，

有效修复随细胞衰老累积的mtDNA突变，保证线粒体正常功能；

线粒体融合由一系列蛋白分子精确调控和介导，第一个被分离出的是人们在研究果蝇线粒体

时发现的，介导线粒体外膜融合的蛋白FZO1p/Mfns；另还有介导线粒体内膜融合的蛋白

Mgm1p/OPA1。

线粒体的功能

主要功能：营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP；

摄取与释放钙离子，与内质网共同调节胞质中钙离子浓度，从而调节细胞生理活动；

与细胞死亡有关，某些情况下线粒体是细胞死亡的启动环节，另一些情况下，线粒体仅仅是

细胞死亡的一条“通路”；

调节ROS含量的动态平衡：线粒体在能量代谢和自由基代谢过程中产生大量超氧阴离子，

通过链式反应形成活性氧（ROS），当ROS水平较低时促进细胞增生；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，导致跨膜电位崩溃，使细胞色素c

外漏，再启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动细胞凋亡。

第二节、细胞呼吸与能量转换

细胞呼吸是细胞内提供生物能源的主要途径。

细胞呼吸有以下特点：

① 本质上是一系列由酶系所催化的氧化还原反应；

② 所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中；

③ 反应分步进行，能量逐步释放；

④ 反应条件：恒温(37℃)、恒压；

⑤ 反应过程中需要H

2

O的参与。

ATP是细胞内能量转换的中间携带者:细胞呼吸所产生的能量并不像燃烧所产生的热能那

样散发出来，而是储存于细胞能量转换分子ATP中。

以葡萄糖氧化为例，从糖酵解到ATP的形成大体分为三个步骤：即糖酵解（glycolysis）、

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。

蛋白质和脂肪的彻底氧化只在第一步中与糖有所区别。

一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解

*底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation） ：

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。

注：①1个葡萄糖分子，经过十余步反应，生成2分子丙酮酸；形成2分子NADH+H

+

，净生

成2分子ATP

②如果从糖原开始糖酵解，不需要消耗1分子ATP，进行葡萄糖的磷酸化，则总反应净生成

3分子ATP

③有氧时， NADH+H

+

通过线粒体内膜的穿梭机制，进入线粒体

④NADH+H 进入线粒体的方式较为复杂，必须借助于线粒体内膜上特异性穿梭系统进入线

粒体内。

+

糖酵解产物丙酮酸，在供养充足时，进入线粒体

无氧情况下，则还原为乳酸或乙醇，并提供少量能量

丙酮酸进入线粒体，推断是靠自身的脂溶性，简单扩散入线粒体

丙酮酸在线粒体丙酮酸脱氢酶作用下，生成乙酰辅酶A

二、三羧酸循环在线粒体基质中实现

循环中，柠檬酸经过一系列酶促的氧化脱氢和脱羧反应，其中的2个碳原子氧化形成CO

2

，

从而削减了2个碳原子。在循环的末端，又重新生成草酰乙酸，而草酰乙酸又可和另1个乙

酰CoA结合，生成柠檬酸，开始下一个循环，如此周而复始。这个过程中，总共消耗了3

分子H

2

O，生成1分子的GTP（可转化为1分子的ATP）4对H和2分子CO

2

总反应式：

ATP/ADP及NADH/NAD

+

比值高时均能降低TCA循环的速度。

三、氧化磷酸化偶联与ATP的形成

氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，在这个过程中，NADH和FADH

2

分子把它们从食物氧化

得来的电子转移到氧分子。最终形成水并释放出的能量（ATP及热能）。

1.呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础

呼吸链（respiratory chain）或电子传递呼吸链（electron transport respiratory chain）：

传递电子的酶体系，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。呼吸链将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时产

生ATP。

呼吸链的主要成分：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个脂类蛋白质复合体

+-

电子在细胞色素间的传递顺序为：b→c1→c→aa3→O2

ATP合酶复合体

基粒的化学本质是ATP合酶复合体（ATP synthase complex），也称F

0

F

1

ATP合酶。

由头部、柄部和基片3部分组成：

头部呈球形，直径约8～9nm；偶联因子F1，球形，由5种亚基组成： α3β3δγε

柄部直径约4nm，长4.5～5nm；头部与柄部相连凸出在内膜表面。偶联因子F

0，

由3种亚基

组成：ab

2

c

12

基片：嵌入内膜，与柄部相连。

F

0

基部有一通道， 允许质子(即H)从膜间腔经F

1

头部进入基质。

2.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

经糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH

2

是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子

经线粒体内膜上的呼吸链逐级定向传递给O

2

，本身则被氧化。电子传递过程中释放出的能量

+

(质子浓度梯度和电位差）被ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化而合成ATP，这就是氧化磷

酸化作用

载氢体NADH和FADH

2

进入呼吸链的部位不同，所释放的自由能也有差异。1分子NADH+H

+

经

过电子传递，释放的能量可以形成2.5分子ATP；而1分子FADH

2

所释放的能量则能够形成

1.5分子ATP。

3.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（化学渗透假说）：

① NADH或FADH

2

提供一对电子，经电子传递链，最后为O

2

所接受；

② 电子传递链同时起H

+

泵的作用，在传递电子的过程中伴随着H

+

从线粒体基质到膜间隙的

转移；

③ 线粒体内膜对H和OH具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，H在膜间腔中积累，

造成了内膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差；

④ 膜间腔中的H

+

有顺浓度返回基质的倾向，能借助势能通过ATP酶复合体F

0

上的质子通道

渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动ATP合酶合成ATP。

4.电化学梯度所包含的能量转换成ATP的化学能

结合变构机制（binding-change mechanism）：

① 质子运动所释放的能量不直接用于ADP磷酸化，主要用于改变活性位点与ATP产物的结

合亲和力。

② 在任何时刻，ATP合酶上的3个β亚基以3种不同的构象存在。从而使它们对核苷酸有

不同的亲和性。

③ ATP通过旋转催化而合成，在此过程中，通过F

0

“通道”的质子流引起c亚基环和附着

与其上的γ亚基纵轴在α3β3的中央进行旋转，旋转是由F

0

质子通道所进行的质子跨膜

运动来驱动的。

+-+

O：开放状态

T：紧密状态

L：疏松状态

总结：

葡萄糖完全氧化所释放的能量主要通过两条途径形成ATP：

① 底物水平磷酸化生成4分子ATP，其中在糖酵解和TCA循环中分别生成2分子ATP;

② 氧化磷酸化生成28个ATP分子。

第三节、线粒体与疾病

一、疾病过程中的线粒体变化

线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能的异常。

1、体积增加、缺嵴（肝癌变）

2、凝集、肿胀、融合（缺血性损伤、坏血病）

3、基质颗粒增加、线粒体数目减少、脂肪积聚（某些病变）

4、呼吸链阻断，功能受阻（中毒、衰老）

二、mtDNA突变与疾病

线粒体含有自身独特的环状DNA，但其DNA是裸露的，易发生突变且很少能修复；同时线粒

体功能的完善还依赖于细胞核和细胞质的协调。当突变线粒体DNA进行异常复制时，机体的

免疫系统并不能对此予以识别和阻止，于是细胞为了将突变的线粒体迅速分散到子细胞中

去，即以加快分裂的方式对抗这种状态，以减轻对细胞的损害，但持续的损害将最终导致疾

病的发生。

三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病

线粒体融合和分裂异常或者编码参与线粒体融合和分裂蛋白的基因发生突变，就可能导致疾

病的发生。因此，细胞内线粒体不断进行的融合和分裂并保持动态平衡对维持细胞的正常生

命活动具有重要的意义。

四、线粒体疾病的治疗

1、补充疗法(补充呼吸链所需辅酶，如辅酶Q)

2、选择疗法(用促进细胞排斥突变线粒体的药物，以增加正常线粒体比例，比如用氯霉素对

抗ATP合酶)

3、基因疗法(将正常线粒体基因转入患者体内，以替代mtDNA发挥作用)

精选习题

1.（名词解释）转位接触点：

答：利用电镜技术观察到内、外膜上存在一些相互接触点吧地方，该处的膜间腔变狭窄，称

为转位接触点，是蛋白质等物质进出线粒体的通道。

2、（名词解释）底物水平磷酸化：

答：指在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高

能磷酸化合物，然后将高能磷酸集团转移到ADP形成ATP的过程。

3、（名词解释）电子传递链：

答;在线粒体内膜上有序地排列成相互关联的链状的传递电子的酶体系，它们能够可逆地接

受和释放质子和电子。

4、（填空题）葡萄糖完全氧化需要经过 、 、 步骤，其中放能形成

ATP数量最多的是 。

答;糖酵解 三羧酸循环 氧化磷酸化 氧化磷酸化

5、（判断题）所有生物呼吸作用的电子受体一定是氧

答：错

6、（判断题）线粒体内膜与外膜在化学组成上的区别是：内、外膜的蛋白质和脂类的比例

不同，前者蛋白质：脂类为3;1,后者为1;1

答：对

7、（单选题）在肿瘤细胞中，线粒体（）

A.数量增多，嵴数减少 B.数量减少，嵴数增多 C.数量和嵴数均减少

D.数量和嵴数均增多 E.数量和嵴数均不变

答：C

8、（单选题）线粒体半自主性的一个重要方面体现于下列哪一事实（）

能独立复制 B.线粒体含有核糖体 在G2期合成

与核DNA的遗传密码有所不同 E.在遗传上由线粒体基因组和细胞核基因组共同

控制

答：E

9、（单选题）组成ATP合酶复合体的F1亚基由几种多肽组成？（）

A.1 B.2 C.3 D.4 E.5

答：E

10、（简答题）试述线粒体的半自主性

答：线粒体有自身的DNA（mtDNA）和完善的遗传信息传递与表达系统。能合成自身的mRNA，

tRNA，rRNA 以及一些线粒体蛋白质，如电子传递链酶复合体中的亚基，具有遗传上的自主

性。mtDNA 为环状双链结构，裸露，不与组蛋白结合，遗传密码与核的遗传密码有差异。但

是，线粒体的自主性是有限的，其功能的实现有赖于两套遗传系统的协调作用。如人类线粒

体基因组共编码了37个基因，只有13个基因是编码蛋白质，仅占线粒体全部蛋白的10%，

其余90%的蛋白质由核DNA编码。mtDNA 的复制、转录和翻译所需的酶由核DNA编码；线粒

体基础支架的形成、线粒体的生长、增殖等高度依赖核基因编码的蛋白质；线粒体的生物发

生是核DNA和mtDNA 分别受控的过程。