細胞器生物化學教學內容細胞器生物化學概述生物膜的生物化學線粒體的生物化學葉綠體的生物化學核糖體的生物化學一、概述生命體結構和功能的基本單位是細胞，生命反應的主要過程，包括物理過程、化學過程和能量過程都定位發生在細胞中。細胞生物學的主體內容應該包括結構、生物化學、功能三個體系。生物化學體系是學習和理解細胞結構與功能的基礎，是認識和掌握細胞在分子水平上生命活動本質和規律的基礎。細胞生物化學是認識和研究細胞生命科學的重要基礎和內容。1、細胞生物化學的定義及研究內容細胞生物化學是研究細胞結構的化學組成和細胞生命過程中區域定位的化學變化的一個科學領域。系統論述定位于細胞各種主要結構中的生物化學代謝及其協同，這種區域化生物化學反應體系直接反映出細胞亞顯微結構特征和功能機制。它具有一個與細胞結構相對應的生物化學理論體系，包括細胞質膜、線粒體、葉綠體、內質網、高爾基體、溶酶體、核糖體、細胞核、細胞纖維系統、細胞溶質以及胞外基質等生物化學。細胞生物化學的特點在于闡明各種生命化學反應與細胞結構和功能的內在聯系，有助于理解細胞結構的生物學意義、生命化學反應的區域定位和協調、生命有序化進程的機制以及細胞結構與功能的統一。本章內容主要介紹：各種細胞結構的化學組成及功能定位、生化反應及代謝特點。2、各種細胞結構及其化學組成（1）細胞質膜（plasmamembrane，plasmalemma,又稱細胞膜cellmembrane），是指包圍在細胞最外層的，由脂類和蛋白質等成分組成的半透性薄膜。質膜不僅是細胞結構的邊界，使細胞具有一個相對穩定的內環境，同時在細胞與環境進行物質、能量交換、以及信息傳遞等過程中也起著決定性作用?；瘜W組成：主要由脂類（50％）和蛋白質（包括酶，40％）組成，少量糖類（1～10％）、水分、無機鹽、微量核酸。細胞質膜模式圖（2）線粒體（mitochondria）是廣泛存在于真核細胞里的一種顆粒狀或線狀的細胞器。是糖、氨基酸、脂肪酸最終氧化的場所，是一種共生于細胞的半自主性的細胞器。線粒體的主要成分是蛋白質和脂類，少量DNA、RNA、無機鹽、輔助因子（NAD+、ADP、CoA、維生素等）。線粒體的功能組分包括膜運輸酶系、三羧酸循環酶系、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結構組分中，即內膜、外膜、膜間腔、基質。線粒體模式圖（3）葉綠體（chloroplast）是高等植物中質體（plastid）的一種，是進行光合作用的細胞器。其形態各異，表現為凸形、凹形、網狀、帶狀、星形等，大小在5～10μm，在藻類可達到100μm。一般地，葉綠體含約75％水分，干物質中以蛋白質、類脂、色素、無機鹽等為主。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。質體是真核細胞重要的細胞器之一，所含色素和功能有所不同，分為白色體（leucoplast）、葉綠體、有色體（chromoplast），均來自一種前質體（proplastid），即前質體→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稱，是一種非膜顆粒狀細胞器，是細胞合成蛋白質的重要機構，由RNA和蛋白質組成。核糖體結構與功能示意圖（5）內質網（endoplasmicreticulum，ER）是真核細胞重要的細胞器，是細胞內膜系統（endomembranesystem）的主要組成部分，通常占細胞膜系統的50％左右，體積約占細胞總體積的10％以上，為多種酶特別是多酶體系提供了大面積的結合位點，同時其完整的封閉體系將內質網上合成的物質與細胞質基質中合成的物質分隔開來。內質網是細胞內除核酸外的一系列重要的生物大分子如蛋白質、脂類和糖類合成的基地，分為粗面型內質網（roughendoplasmicreticulum，RER）、滑面內質網（smoothendoplasmicreticulum，SER）。內質網構成整個細胞質量的15～20％，其中包含細胞RNA的50～60%。內質網膜中含60～70％蛋白質，30～40％磷脂，元素分析C、H、N最多，少量P、S、Fe、Cu。將組織或細胞勻漿破碎、離心，得到直徑約100nm的近似球形的封閉囊泡結構，稱為微粒體（microsome），是破碎的細胞膜系統。生化研究中常把微粒體等同于內質網。體外實驗中，微粒體具有蛋白質合成、蛋白質糖基化、脂類合成等內質網的基本功能。內質網結構示意圖（6）溶酶體（lysosome）是由單層膜圍繞的內含多種高濃度酸性水解酶類的囊泡狀細胞器，是細胞進行內消化作用的主要場所。溶酶體膜在成分上有特點，一是在膜上嵌有質子泵，能借助水解ATP釋放出的能量將H+泵入溶酶體內，使溶酶體中的H+濃度比細胞質中高100倍以上，從而形成和維持酸性的內環境；二是溶酶體膜上具有多種載體蛋白用于水解后的產物向外轉運；三是其膜蛋白高度糖基化，使溶酶體膜內表面帶負電性，可能有利于防止自身膜蛋白的降解。溶酶體的酶大多數是糖蛋白，帶負電荷，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。溶酶體是一種異質性（heterogenous）的細胞器，不僅形態、大小不相同，而且所含水解酶的種類和數量也不同。如精子頂體內所含的特殊蛋白水解酶稱為頂體素；單核細胞和中性粒細胞溶酶體內則含有溶菌素。溶酶體結構與功能示意圖（7）細胞核（nucleus）是真核細胞中最重要的細胞器，是細胞遺傳與代謝的控制中心，由核被膜、染色質、核仁、核基質或核骨架組成。核被膜（nuclearenvelope）是細胞核的界膜，包括外核膜、內核膜、核周腔（與內質網腔相通）、核孔（核孔復合體）。核仁（nucleolus）一般為單一或多個勻質的球形小體，是rRNA合成、加工和核糖體亞單位的裝配場所，可被染色質包圍，含有DNA、RNA和蛋白質與極微量的脂類。細胞核模式圖2012年諾貝爾生理學/醫學獎——細胞核重新編程研究日本科學家山中伸彌(ShinyaYamanaka)與英國科學家約翰-格登(JohnGurdon)“發現成熟細胞可以被重新編程為多功能的干細胞（即誘導多功能干細胞）”（8）細胞纖維系統是由一些蛋白質纖絲組成的，它們互相交叉重疊組成復雜的網狀結構，又稱細胞骨架（cytoskeleton），與維持細胞形狀、內部結構及細胞運動的特性等直接相關。細胞纖維結構分子成分是微絲（microfilament，MF）、微管（microtubule，MT）、中等纖維（intermediatefilament，IF）、核骨架纖維（kryosketelonfilament）。因此由細胞纖維系統構成的骨架分為狹義和廣義兩種，前者指細胞質骨架，后者還包括細胞核骨架、細胞膜骨架、細胞外基質。對細胞骨架纖維系統的研究主要涉及纖維蛋白及其結合蛋白的分離、純化、鑒定、結構分析、基因表達調節、纖維蛋白裝配動態及功能分析等。細胞骨架模式圖細胞骨架結構與功能示意圖（9）細胞質基質（cytoplasmicmatrix）是真核細胞細胞質中除去可分辯的細胞器以外的膠狀物質，是細胞的重要結構成分，其體積約占細胞質的50％。細胞與環境、細胞質與細胞核以及細胞器之間的物質運輸、能量交換、信息傳遞等過程都是通過細胞質基質來完成的，很多重要的中間代謝反應也是在細胞質基質中進行。從生化角度，常被稱為胞質溶膠（cytosol）。在細胞質基質中主要含有與中間代謝有關的數千種酶類以及與維持細胞形態和細胞內物質運輸有關的細胞質骨架結構如微絲、微管、中間纖維和由纖絲組成的微梁系統等。細胞質基質的化學組成：水（75～85％）、蛋白質（10～20％）、脂類（2～5％）、糖類（1％）、鹽類（1％）、酶、DNA、RNA等。（10）細胞外基質（extracellularmatrix）是細胞膜外側分布的縱橫交錯的網絡體系，對多細胞生物體的分工與協調起著重要作用，即相鄰細胞的相互作用或相關信息的傳遞使組織或器官表現出整體功能。細胞外基質是由細胞合成和分泌的生物大分子如蛋白質、多糖等交叉密布在細胞表面形成的有高度組織的結構體系，直接影響細胞的發育、遷移、識別、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）、整聯蛋白（integrin)、蛋白聚糖（protoglycans）、氨基聚糖（glycosaminoglycan）等，具有組織細胞特異性。細胞外基質結構示意圖細胞外基質結構示意圖整聯蛋白（integrin)屬整合蛋白家族，是細胞外基質受體蛋白。整聯蛋白是一種跨膜的異質二聚體，由兩個非共價結合的跨膜亞基，即α和β亞基組成，都是糖基化的。整聯蛋白的細胞粘著作用。整聯蛋白作為跨膜接頭在細胞外基質和細胞內肌動蛋白骨架之間起雙向聯絡作用，將細胞外基質同細胞內的骨架網絡連成一個整體。整聯蛋白的信號轉導作用。當整聯蛋白的細胞外結構域同細胞外配體如纖粘連蛋白或層粘連蛋白結合時會誘導整聯蛋白細胞內結構域的末端發生構型變化，進而改變整聯蛋白的細胞質結構域同相鄰蛋白的相互作用，如同粘著斑激酶（FAK）的作用，引起信號放大的級聯反應，可啟動一些基因的表達。整聯蛋白（以及其他的一些細胞表面分子）進行的信號轉到對細胞的許多行為造成影響，包括運動、生長等。整聯蛋白同細胞外基質中的粘著蛋白的識別與結合有同RGD區域結合和不需要RGD區域兩類。二、細胞質膜生物化學目前，有關細胞質膜的研究資料，主要來自于人或哺乳動物的紅細胞、神經髓鞘、成纖維細胞、肝細胞、橫紋肌細胞、變形蟲、海膽卵等。細胞質膜中，脂類和蛋白質比例有很大的差別，這種含量的變化與膜的功能有密切的聯系。一般來說，質膜的功能越復雜，其蛋白質含量就越高。糖在膜中形成糖脂和糖蛋白。

表：部分質膜內蛋白質、脂類和糖的含量（％）比較1、膜脂（membranelipids）細胞質膜中的脂類大多是極性脂質，具有雙親性特點，主要包括磷脂（phospholipid）、糖脂（glycolipid）和膽固醇（cholesterol）三種類型。膜脂分子的結構特點：膜脂分子上親水基團和疏水基團共存，稱為雙型性分子（amphipathicmolecules）。疏水尾部一般由脂肪酸、醛、醇或神經鞘氨醇衍生物或固醇分子的長脂肪酸鏈組成，這些疏水尾部成分和結構的不同，影響和控制類脂雙層膜的物理性質，特別是膜的流動性。膜脂分子的多態性：膜脂分子的兩性性質，使得其在水溶液中的溶解度很有限。如磷脂，當將其加入水中，只有極少數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，會產生分子團粒（micelle）和雙層（bilayer），且水溶液中的磷脂雙層結構實際上是以球形的微囊（vesicle）形式存在。單層、團粒、雙層都是磷脂在水溶液中的有利形式。類脂在細胞膜中的分布不對稱性：細胞膜脂雙層的兩個單層是不對稱的，其類脂成分具有很大區別。如人紅細胞膜，極性頭部是膽堿的類脂分子多數分布在外單層，而極性頭部有一氨基的磷脂分子多數位于內單層；疏水尾部也有不對稱性，外單層的碳氫鏈飽和度比內單層的烴鏈的飽和度更高。磷脂酰絲氨酸帶負電，大多位于膜內單層一側，使兩個單層間的電荷有顯著區別。所有膜蛋白與膜的連接是高度不對稱的，這與脂雙層的不對稱性有重要關系。

圖：膜脂的多態性表：類脂分子在紅細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行各種模擬研究，特別是近年來發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，使人工膜在生物膜結構與功能等研究中的應用得到更為廣泛的重視。目前應用較多的人工膜體系包括平板雙分子層脂膜（bilayerlipidmembrane,BLM）和脂質體（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構。為了模擬生物膜的脂組分，多數研究在制備BLM時采用的脂是從所需模擬的組織細胞中提取的，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，一般將高純化的磷脂溶于碳氫溶劑如癸烷、辛烷、苯、氯仿或乙醇等，碳氫鏈長以C6~C16為宜，脂濃度應在飽和或接近飽和狀態，有時直接用純脂制備制備。試驗證明，人工BLM具有與天然生物膜相似的物理化學性質，利用BLM可以模擬生物膜進行各項研究，如在BLM兩側的溶液中插入電極研究膜的導電性；加入離子和電壓可測定離子透過膜時的電流變化；在BLM中導入特定的蛋白質或生物活性分子，可進行動作電位的模擬、膜受體和膜通道等作用機理以及光能轉換等一系列研究。脂質體是由脂雙分子層組成的內部為水相的閉合囊泡。當將磷脂分子分散于水相時，通常會形成各種大小不同的囊泡結構，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可變為直徑25～50nm的小單片層囊泡（SUV），該結構僅含單個雙分子層。作為模擬和載體系統，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）。脂質體制劑有兩個重要參數，一個是俘獲容積，是指一定量的脂質體所包封的容積，單位是每摩爾總脂質俘獲的升數，該參數與脂質體囊泡的半徑有關，而囊泡半徑又受脂質組分和介質的離子組成的影響；另一個參數是包裹效率，它是指脂雙層包裹的水室所占的比例，與脂質濃度成正比。表：三種脂質體的結構大小與主要參數比較由于脂質體在理化性質上十分接近天然膜，近年來已被廣泛用于生物膜的基礎研究，如膜結構的流動性、膜脂與蛋白質在膜中的相互作用規律等；利用脂質體與細胞的融合，可定向修飾膜的成分，改變脂和蛋白質在膜中的比例，或導入特定的功能蛋白，以研究膜蛋白的功能與作用機制等；另一方面，脂質體作為一種良好的載體，可導入各種藥物、遺傳缺失酶、特異抗原、抗體、激素或外界基因等而被廣泛應用于醫學和生物工程領域。2、膜蛋白膜中蛋白質的含量和類型反映膜的功能，大多數細胞質膜的蛋白質含量在40％左右，有一個蛋白質分子就約有50個脂分子。根據蛋白質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）或內在蛋白（intrinsicprotein）、糖肌醇磷脂結合蛋白（glycosphosphoinositolcombinedprotein）或膜錨蛋白。膜蛋白的分離：外周蛋白（20～30％）分布在膜的內外表面，通過極性基團或電荷基團間的靜電作用或范德華引力與脂雙層膜結合，易于分離。外周蛋白分離下來后呈水溶性，不能再與類脂聚合重新形成膜結構。整合蛋白（70～80％）一般呈水不溶性，通過非極性氨基酸與脂雙層疏水相互作用而牢固地結合于膜上，只能用較劇烈的條件才能從膜上溶解下來，一旦去除有機溶劑或表面活性劑，膜整合蛋白又能重新聚合為水不溶性或與類脂形成膜結構。膜內在蛋白的基本類型：膜內在蛋白以部分或全部肽鏈嵌入膜脂雙分子層中，在細胞的調節和代謝過程中起著重要作用，如：細胞間的相互作用與識別、激素的調節、離子或代謝物的定向運輸、氧化與光合磷酸化反應等。根據膜內在蛋白的結構、性質及其在膜的拓撲圖形，可將其分為5種基本類型：1）單螺旋跨膜蛋白質，即肽鏈以單個α－螺旋跨越膜，肽鏈兩末端區段分別位于膜兩側，如人紅細胞血型糖蛋白、鼠胸腺細胞W3/3抗原、與膜結合的免疫球蛋白，且多數N-末端均位于膜外非細胞質區、C-末端位于胞質區，N-末端具有寡糖鏈，其功能都與細胞識別有關；2）雙螺旋跨膜蛋白類，即肽鏈以兩個螺旋嵌入膜中，以反平行方式排列成發夾狀，常稱為螺旋發夾，其N-和C-末端均位于膜的同側，如細胞色素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組成，有人稱為“鋸齒樣蛋白”，如細菌視紫紅質、人紅細胞膜帶Ⅲ蛋白、肌質網Ca2+-ATPase等，這些實例給人的印象是，它們都有“孔”、“泵”、“通道”的功能；4）多個一次跨膜的亞基組成一個跨膜通道，嵌入膜蛋白是以其寡聚肽結構來發揮功能的，如具有“孔”功能的E.coli外膜脂蛋白；5）是一種特殊的膜內在蛋白，具有跨膜部分，N-端伸入胞內，多肽鏈多次穿過膜，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17kD的糖蛋白，胞漿面內側與胞內肌動蛋白纖絲相連，介導成核作用。肌醇磷脂結合蛋白：一些膜蛋白不是通過疏水的穿膜結構固定于膜上，而是通過與糖鏈結合直接連接到糖基磷脂酰肌醇（glycan-phosphatidyl-inositol,GPI）上，成為一種蛋白質在膜上錨著的新型方式，這類蛋白質也稱為膜錨蛋白。目前已發現近百種，包括錐蟲和蠕蟲的一些表面蛋白、哺乳動物中的細胞粘附分子、免疫球蛋白、補體調節蛋白、受體等。肌醇磷脂結合蛋白通過與GPI直接連接而錨在膜上，沒有胞內肽斷，其活動度大、流動性強，使膜上有限的蛋白質分子可接觸大量的配體并足以進行反應。如紅細胞膜上的DAF（衰老加速因子）只有2000個分子而對補體的調節效率很高。該類蛋白容易從膜上脫落。這類蛋白在結構上有共同特點，以最早分離的錐蟲膜錨蛋白為例，其肌醇磷脂的兩個脂肪酸都是豆蔻酸，以這兩個脂肪酸作為“錨”插入脂雙層，肌醇磷脂與氨基葡萄糖相連，然后再結合三個甘露糖，最后一個甘露糖與乙醇胺相連，通過乙醇胺的氨基與蛋白質C端的羧基結合。近年研究發現，在第一個甘露糖上還綴著一個以四個半乳糖組成的“天線”結構，該結構不是在內質網中組裝的，而是當糖脂的“錨”組裝好后再另外結合的。哺乳類及人在肌醇分子的第二位羥基上又結合了一個棕櫚酸，它也插入膜雙層中；沒有半乳糖組成的“天線”結構，只是在氨基葡萄糖上結合三個六碳糖，這在不同的細胞中有區別。圖：錐蟲膜肌醇磷脂結合蛋白3、細胞膜物質運輸的生化機制人工脂雙層與生物膜對物質的通透特性被動運輸和主動運輸的生化基礎與特征被動運輸中離子載體的轉運機制（纈氨霉素、離子載體A23187、短桿菌肽A）離子及小分子的主動跨膜運輸機制（Na+、K+－泵，Ca2+－泵，H+－泵，糖或氨基酸的主動轉運是“伴隨運輸”（co-transport）等）大分子物質的跨膜運輸機制（內吞作用/endocytosia，外排作用/exocytosis）表：哺乳動物細胞內外離子濃度的比較三、線粒體生物化學線粒體是細胞的“動力工廠”，為各種生命活動提供能量。目前對線粒體的自主性（autonomy）、生物發生（biogensis）等研究非?；钴S。一般的，線粒體長約2～8μm，粗0.5～1.0μm，體積與細菌類似。在不同細胞中線粒體的數量不一，一個哺乳動物肝細胞的線粒體約為500～600個，植物細胞中的線粒體數目要比動物細胞少。線粒體在細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；內膜（innermembrane）厚約7nm，通透性低，對物質運輸具有選擇性，其上含有電子傳遞系統；膜間腔（intermembranespace）約8nm；內膜以內為基質（maxtrix）；內膜向內皺褶形成的突起嵴（cristae）；嵴的兩層膜間的空間為嵴內腔（intracristalspace）；內膜和嵴的基質面附有許多帶柄的直徑約為9nm的小顆粒，稱為基粒（elementaryparticle），每個線粒體約104～5×105個基粒。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，其主要的酶類有細胞色素c還原酶和單胺氧化酶，還有構成外膜孔的膜孔蛋白；內膜是線粒體的重要功能部位，是氧化磷酸化的主要場所，包括屬于放能裝置的電子傳遞鏈酶系與屬于轉能裝置的氧化磷酸化酶系（腺苷三磷酸酶復合體），細胞色素氧化酶是內膜的標志酶；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；基質中包含三羧酸循環酶系、脂肪酸分解酶系、氨基酸分解代謝酶系、核酸復制、轉錄、蛋白質轉譯酶系等，蘋果酸脫氫酶是基質的標志酶。2、線粒體膜與分子的轉運線粒體在行使呼吸作用、能量轉換與自身代謝時，是需要各種物質不斷地穿越其內外膜而進出線粒體，參與反應的底物必需進入線粒體，反應產物則需運出線粒體。線粒體內膜存在著許多特異的轉運載體，如磷酸載體、核苷酸載體、氨基酸載體、單（二、三）羧酸載體、肉毒堿轉移酶等。這些運載蛋白或酶分為兩種，一種是異向轉運體（antiporter），如ADP/ATP載體，一種是同向轉運體（symporter），如磷酸和丙酮酸的轉運載體。3、線粒體膜與蛋白質分子的轉運線粒體的蛋白除少數多肽（約13種）是自己合成，其他幾百種蛋白質是由細胞核基因編碼，需要跨膜運送至線粒體各部分進行更新和組裝。如F1的五種不同多肽亞單位的前體是細胞質的核糖體合成的，然后再轉運到線粒體基質，與埋入內膜的FO連接在一起。對進入線粒體不同部位的蛋白質轉運是不盡相同的。外膜蛋白質的氨基酸末端就有識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，其本身N-末端的41個氨基酸殘基序列（成熟時不被水解），分為11個氨基酸組成的“面向基質肽段”和12～39個不帶電荷的氨基酸殘基組成“停止運入（外膜）肽段”兩個部分，起到導肽的作用。膜間腔和內膜的蛋白質在運送前多以前體形式存在，包括成熟部分和N-末端引伸出的導肽或引肽（leadersequence，targettingsequence），導肽內含有識別線粒體的信息，并具有牽引蛋白質通過線粒體膜的運輸功能。導肽一般含16～70個氨基酸殘基，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。蛋白質進入內膜是耗能過程。例：細胞色素c1的導肽長度為61個氨基酸殘基，包括35個堿性氨基酸、19個不帶電荷氨基酸（36～54）和7個酸性氨基酸。其氨基酸各部分可分為導向等功能信息肽段，是導向基質肽段（sequenceofleadingtomatrix）、停止運入（內膜）肽段（sequenceofstoppingtransfer）和水解部分（hydrolysissequence）等三個區域段。細胞色素c1的前體在導肽牽引下，其“導向基質肽段”通過內膜而進入基質后，由“停止運入（內膜）肽段”本身結合并定位于內膜，從而阻止其被牽引的蛋白質肽鏈繼續進入基質而被定位于內外膜之間，而“導向基質肽段”則被基質中的水解酶水解。細胞色素c1進入線粒體實際上包括兩次跨膜轉運過程，第一次是導肽跨內膜基質，其N-端中的一部分被水解，之后其又從內膜運送至內外膜之間，此時導肽的殘留部分被膜上的另一水解酶水解，至此細胞色素c1成熟并被定位于內膜的外表面。蛋白質在跨膜運送前要從折疊狀態轉變為解折疊的狀態，以利于跨膜運送，跨膜之后，解折疊狀態又要重新折疊，以形成成熟的蛋白質。這需要“分子伴侶”（molecularchaperone）的參加，大多數分子伴侶屬于熱休克蛋白（heatshockprotein,

HSP）,是機體細胞應付不良環境時使熱致變性蛋白質復性，而在正常生理條件下對蛋白質的跨膜運送起重要作用。運入到基質中的蛋白質一般是從內外膜的接觸點一步插入到基質中，這種前體蛋白質被基質中的水解酶水解并發生構象變化（重折疊）而成為成熟的蛋白質。4、線粒體基因的結構和功能線粒體有一套自己的遺傳控制系統，同時也受到細胞核DNA的控制。線粒體DNA（mtDNA）位于基質中，有時也發現它附于內膜上。mtDNA是雙鏈裸露的超螺旋共價閉合環狀分子（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的含量一般僅為細胞核DNA含量的1％左右，不與組蛋白結合。mtDNA的復制屬于半保留復制，復制時間一般在細胞核DNA復制之后，即在G2期進行，接著線粒體分裂。mtDNA中兩條鏈據其密度不同而稱為重鏈H與輕鏈L。其復制方式可以是θ型復制、滾環復制，還有特殊的mtDNA的D環復制。D環復制：雙螺旋的兩條鏈并不同時進行復制，輕鏈先開始復制，稍后重鏈再開始復制，當復制沿輕鏈開始時，重鏈上產生了D環，隨環形輕鏈復制的進行，D環增大，重鏈隨后亦開始復制，最后兩條鏈完成復制形成兩條新的DNA雙螺旋。1.H鏈首先合成：在復制起點處以L鏈為模板，合成RNA引物，然后由DNA聚合酶γ催化合成一個500-600bp長的H鏈片段。該片段與L鏈以氫鍵結合，將親代的H鏈置換出來，產生D環復制中間物。2.H鏈片段的繼續合成：上述產生的H鏈片段由于太短而很容易被擠出去恢復線粒體DNA完整的雙螺旋結構。但有時這個片段會繼續合成，這需要依靠拓撲異構酶和螺旋酶的作用將雙鏈打開。3.L鏈合成開始：以被置換下來的親代H鏈為模板，離H鏈合成起點60%基因組的位置開始合成L鏈DNA，合成也需要RNA引物。4.復制的完成：H鏈的合成提前完成，L鏈的合成隨后結束。線粒體DNA合成速度相當緩慢，約每秒10個核苷酸，整個復制過程需要1個小時。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：基因在DNA分子上排列緊湊，相鄰之間沒有或只有很少幾個非編碼的堿基間隔，甚至有基因重疊現象。線粒體DNA編碼其行使功能所必需的部分蛋白質或酶，也編碼蛋白質生物合成所必需的各種rRNA、tRNA、mRNA。如人的mtDNA全長16569bp，外環為重鏈，內環為輕鏈?；蚪M含有37個基因，包含13個呼吸鏈的蛋白質基因、2個rRNA基因和22種tRNA基因。只有一個為各基因所共有的啟動子，位于不編碼的D環中，轉錄從此開始，沿著順時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前體的識別信號，而且還可以像內切酶那樣在tRNA兩端把RNA切開，起到核酶（ribozyme）的作用，經加工為成熟的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中，或與內膜結合。果蠅線粒體DNA與串聯成珠狀排列的多聚核糖體相連，其線粒體中的轉錄與翻譯是緊密相連的。但其核糖體蛋白質都是在細胞質中合成后輸入到線粒體中的（酵母線粒體例外）。低等真核細胞線粒體的核糖體為70～80S，植物為78S左右，動物只有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別。線粒體的蛋白質合成過程并無細胞質tRNA的參與。遺傳密碼的特點：1）UGA不是終止密碼，而與UGG一起編碼Trp；2）多肽鏈內部Met由AUG和AUA編碼，而起始Met由AUG、AUA、AUU和AUC四個密碼子編碼；3）AGA、AGG是終止密碼，而不是Arg密碼子，線粒體密碼系統中有4個終止密碼子，UAA、UAG、AGA、AGG；4）密碼子的簡并性而使一個tRNA分子可識別4種密碼子。線粒體再生裝置的獨立性與依賴性：線粒體的再生早就引起研究者的關注。它與細菌很像，兩者在形態、染色反應、化學組成、物理性質和活動狀況等方面都很相似，如線粒體蛋白質合成的起始是N－甲酰甲硫氨酸、蛋白質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合成酶等蛋白質合成系統，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胞核基因的限制，一方面線粒體合成蛋白質的量非常有限，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物的功能行使必須依賴細胞核基因產物的共同表達，線粒體基因表達是建立在核基因表達的基礎上，但二者之間的DNA分子并不交換，因而兩套遺傳系統是相互協調，共同行使相互作用的。因此，線粒體是半自主性的細胞器（semiautonomousorganella）。線粒體異常與疾?。壕€粒體數量、嵴變形、呼吸氧化與ATP磷酸化不偶聯、膜轉運異常、酶缺乏或活性變化；線粒體與衰老有關；有些遺傳病如Leber遺傳性視神經病、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。四、葉綠體生物化學葉綠體是利用光能進行光合作用的一種特殊細胞器。近年關于葉綠體的分子生物學研究包括其基因結構與功能的闡明及轉基因葉綠體的研究等。葉綠體的功能組分定位：葉綠體內外被膜的主要成分為蛋白質與脂類，其所含蛋白質只占葉綠體總蛋白的0.3～0.5％，其余蛋白質分布在基質和類囊體中，被膜中的脂類主要為糖脂與磷脂，膜上嵌合或結合的蛋白酶類主要是ATP酶、腺苷酸激酶、半乳糖基轉移酶與參與糖脂合成代謝的?；o酶A等。類囊體是膜狀結構，膜中蛋白質與脂類之比大約為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，包括由光能轉化為化學能所需要的功能成分，如光天線色素、兩個光反應中心、各種電子載體、從水相中攝取電子的酶與合成ATP的系統等。葉綠體基質的主要成分為可溶性蛋白質，催化暗反應的酶類存在于基質中。葉綠體膜的分子轉運：在膜的通透性與轉運機制方面，葉綠體與線粒體有許多相同之處。外膜對小分子物質的透性較大，而內膜有特異性的選擇轉運機制存在，有專一的運輸載體系統參加各種物質的運輸過程，兩者都有向環境排出質子的傾向。葉綠體內膜對各種有機酸和氨基酸有不同的透性，如能透過草酰乙酸、蘋果酸，而α－酮戊二酸和谷氨酸則不能通過，因此它們的還原力系統只有通過草酰乙酸和蘋果酸所組成的“梭”來實現彼此之間還原轉換與轉運。葉綠體內膜上無腺苷酸載體，其高能磷酸鍵只能通過磷酸二羥丙酮和磷酸甘油酸穿梭在內膜內外之間運輸。類囊體膜上有受光激活的質子泵，能把質子從葉綠體基質一側向類囊體腔內主動運輸，質體醌是穿梭體系的組分。與質子運輸的同時，有陽離子（Mg2+）的反向運輸和陰離子（Cl-）的同向運輸，維持類囊體膜內外的電荷平衡。葉綠體自己能合成部分蛋白質，但大部分蛋白質也是由核基因編碼，在細胞質的核糖體合成后，轉運到葉綠體中的各個部位。其運輸機制也屬于轉譯后轉運（post-translational），需要能量，是以疏水性氨基酸作為導肽，并在作用后被切除。但是線粒體是利用內膜兩側電化學梯度來驅動轉運，而葉綠體內膜并無電化學梯度（其存在于類囊體膜兩側），只有利用ATP水解來驅動蛋白質轉運穿越雙層的被膜。其轉運方式通過兩步轉運機制，先穿越內外被膜進入葉綠體基質，然后再轉運進入類囊體膜與類囊體腔。這些蛋白質的前體具有一段疏水性的類囊體信號肽，結在葉綠體蛋白質氨基端的導肽的內側，當此蛋白前體被導肽轉運進入葉綠體后，此導肽片斷被基質中蛋白酶切除，使類囊體信號肽暴露，啟動此亞基穿越類囊體的轉運機制，使蛋白質插入類囊體膜中或進入類囊體腔內。葉綠體DNA（chloroplast,cpDNA）與基因結構：高等植物cpDNA一般是以共價雙鏈的環狀分子存在，長度約為46μm，不與組蛋白結合，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中，堿基數平均120～160kb，與細菌DNA分子大小相似。cpDNA含量水平變化很大，每個葉綠體一般為20～60拷貝數，而一個細胞中由20～50個葉綠體，細胞中cpDNA分子數目可高達數千甚至上萬份。cpDNA在基質中并不是隨機分布，而是有組織地聚集成類似于擬核的結構。cpDNA可進行自我的半保留復制，但其復制酶、DNA聚合酶是細胞質中核糖體合成后轉入的，也受核的控制。cpDNA合成一般比核DNA復制時間長一些。分子雜交實驗證明，cpDNA與核DNA沒有同源性，而親緣關系越近，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的結構（水稻的cpDNA為134525bp，煙草的cpDNA為155939bp），含有一對大型的反向重復序列（invertedrepeatsequence,IR，長約22～28kb），它把環狀葉綠體基因組分為大單拷貝（Largesinglecopy,LSC，長約80～100kb）區和小單拷貝（Smallsinglecopy,SSC，長約18～20kb）區。在漫長的演變進化過程中，這幾個部分的結構順序保持不變，不同物種葉綠體基因組之間的差異主要表現在IR區域的長度和方向變化上.

從已知的一些葉綠體基因組，其所含的基因包括3～5個rRNA基因、30～31個tRNA基因和100左右的蛋白質基因，包括葉綠體的結構蛋白、光合作用所需的酶以及合成糖、脂、蛋白質的酶，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。葉綠體基因組的結構以及表達調控的研究對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立的學說，即內共生假說和分化假說。按照內共生假說，葉綠體的祖先是藍藻或光合細菌，它們在生物進化的早期被原始真核細胞捕獲(吞噬)，逐步進化為葉綠體。分化假說認為葉綠體是原始的真核細胞內質逐步分化而形成。已有的一些研究成果更有利于葉綠體起源的內共生假說，例如葉綠體DNA的大小及形狀類似于藍細菌DNA，DNA的組成中也都無5-甲基胞嘧啶，它們的DNA都不與組蛋白結合在一起。此外，它們的蛋白質合成都受氯霉素抑制，而對放線菌酮不敏感等。但是葉綠體基因具有內含子以及增強子的現象表明它具有核基因的一些特性，葉綠體中許多蛋白質也是由核基因編碼的，對此，石田政弘認為在葉綠體內共生起源進化過程中發生過核基因組和葉綠體基因組之間的DNA重組事件。

五、核糖體生物化學核糖體是一種具有自我裝配（self-assembly）能力的細胞器，核糖體蛋白質和rRNA可在一定條件下從核糖體中解離下來，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胞內裝配的過程有差異，表現在活體內的裝配更為迅速和有效，不需要體外重建時的高溫。活體內核糖體的組裝是在核仁內形成核糖體前體rRNA，核糖體顆粒產生于rRNA轉錄過程中，組裝是一個連續的過程，體內組裝還需要非核糖核蛋白體成分。rRNA的結構特點：對16srRNA結構研究較多。rRNA一級結構非常保守，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。16srRNA的二級結構具有更高的保守性，都折疊為相似的二級結構，即由多個臂環或莖環組成。如大腸桿菌16SrRNA的一級結構是1542個核苷酸直線排列而成的序列，約有46％的核苷酸配成堿基對呈臂狀螺旋。二級結構中包含50個螺旋結構，組成4個主要的結構域：1）5’端結構域，由1到556位核苷酸順序組成；2）中心結構域，包含堿基557～918，一些重要蛋白質與該區域相連接；3）3’結構域，自堿基920～1396，這一區域是位于30S亞單位的“頭”部，與一些蛋白質相結合；4）倒數第二個臂，自堿基1409～1491，通過1400區域連接到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的二級結構rRNA在亞基結合中的作用：核糖體RNA在核糖體中的分布是不均勻的，在大小亞基的結合面上rRNA比較富集，這提示rRNA在蛋白質合成時30S和50S亞基聯合成70S核糖體的過程中起著重要作用。現已鑒定16SrRNA中的一些堿基是亞基結合所必需：位于30S亞基平臺上的790～792區成環狀的幾個堿基恰好是和50S亞基結合的部位，具有高度的保守性；3’末端倒數第二個莖結構（1489～1491）的缺失和該結構中1416位G被置換，也會破壞亞基間的聯合，同時其3’端保守的二甲基化的A莖環結構也可能與亞基的聯合有關。核糖體蛋白質的結構與功能：原核生物核糖體蛋白質的分子量為5～60kD，真核生物核糖體的蛋白質要小些，兩者都以堿性蛋白質占多數，等電點在10～12之間，這種性質有利于蛋白質與rRNA的結合。核糖體蛋白質可通過可逆磷酸化在蛋白質合成中起調節作用,其中對小亞基S6蛋白質參與的這種調節機理研究得較為清楚。S6蛋白質位于小亞基的頭部,其磷酸化修飾可促進蛋白質的合成，提高核糖體的翻譯活性，特別是表現在促進蛋白質合成的起始過程。S6蛋白可與mRNA、eIF以及參與起始的核糖體蛋白質發生交聯,若用S6抗體封閉S6蛋白的活性位點，則可抑制起始三元復合物與核糖體的結合。此外，S6磷酸化還可導致大、小亞基構象發生變化，從而可能通過另一機制來調節蛋白質的合成。rRNA與mRNA的相互作用：在蛋白質合成的起始、延伸和終止等主要時期，都有特定的堿基對的相互作用出現在rRNA與mRNA之間，如果配對不適合，就會影響蛋白質的合成水平。如大腸桿菌16SrRNA對翻譯起始密碼子的識別，這種識別是通過mRNA5’末端的SD序列與rRNA3’末端的SD互補序列的相互作用而實現的。SD序列即Shine－Dalgarno序列，也稱核糖體結合位點。該序列長3到9個堿基，位于起始密碼子前面3到12個核苷酸，富含嘌呤堿基。SD互補序列即Anti-Shine-Dalgarno序列，亦稱反SD區,它是在16SrRNAY3’端的一組富含嘧啶的順序。如果在16SrRNA的反SD區1538堿基位置上，將C改變為U而使序列CCUCC變為CCUUC，就能改變細菌體內大多數蛋白質的合成水平。同樣，若在反SD區順序中的5個核苷酸改變其中3個，即CCUCC改變為ACACA(1535～1539)，也會降低這些核糖體對正常mRNA的識別能力。

E.colimRNA的SD序列現已證實，SD序列和反SD序列的相互作用不僅存在于蛋白質合成的起始階段，而且一直存在于肽鏈的延伸過程。延伸過程和起始階段一樣,在同一反SD順序區與mRNA形成堿基對，這是大腸桿菌RF2(releasefactor2)基因編制的核糖體移碼結構的關鍵組成部分。在RF2的mRNA中有一段15個核苷酸序列(5’-AGGGGGUAUCUUUGA-3’)是核糖體進行高效率移碼所必需的,其中CUUUGA序列是移碼位點,其上游序列AGGGGG對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,即由原來的AGGGGG改為AGCGGG,結果就破壞了與16SrRNA1534～1540區段間堿基的正常配對,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