第六章线粒体与疾病线粒体（mitochondrion，复数mitochondria）广泛存在于真核细胞中，是物质氧化分解的场所和能量供应基地。细胞内大约95%直接利用的能源一ATP是由线粒体通过氧化磷酸化将物质氧化分解所产生的，所以线粒体被誉为细胞内的“动力工厂第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态结构线粒体的形态结构（一）线粒体的形态、数量、分布电镜下线粒体呈短棒状、线状或粒状，故名线粒体（图6-1）。线粒体直径一般为0.5~1.0μm，长1.5~3.0μm。在不同类型或生理状态的细胞中，线粒体的形态、大小、数目各不相同。例如，在低渗环境下，线粒体膨胀如泡；在高渗环境下，则又伸长为线状。不同渗透压、pH和温度等条件下还可产生体积异常膨大的线粒体，称为巨线粒体（megamitochondria）。如胰外分泌细胞中的线粒体可长达10~20μm。图6-1电镜下线粒体的亚显微结构线粒体数量因细胞种类或生理状态不同而不同，一般取决于该细胞的新陈代谢水平，即代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。人类成熟红细胞内不具有线粒体，一些细胞有一个线粒体，许多细胞拥有数千个线粒体，如肝细胞中有1000~2000个线粒体，而最多的可达50万个线粒体。线粒体的分布随细胞的形态和功能不同而异，通常分布在细胞功能旺盛的区域和需要能量较多的部位，分布方向与微管一致。如在柱状上皮细胞中，线粒体分布在细胞的94医学细胞正文.indd2018-5-18 17:31:28
www.hep.com.cn 94 第六章 线粒体与疾病 线粒体（mitochondrion，复数 mitochondria）广泛存在于真核细胞中，是物质氧化分 解的场所和能量供应基地。细胞内大约 95% 直接利用的能源——ATP 是由线粒体通过 氧化磷酸化将物质氧化分解所产生的，所以线粒体被誉为细胞内的“动力工厂”。 第一节 线粒体的基本特征 一、线粒体的形态结构 （一）线粒体的形态、数量、分布 电镜下线粒体呈短棒状、线状或粒状，故名线粒体（图 6-1）。线粒体直径一般为 0.5～1.0 μm，长 1.5～3.0 μm。在不同类型或生理状态的细胞中，线粒体的形态、大小、 数目各不相同。例如，在低渗环境下，线粒体膨胀如泡；在高渗环境下，则又伸长为线 状。不同渗透压、pH 和温度等条件下还可产生体积异常膨大的线粒体，称为巨线粒体 （megamitochondria）。如胰外分泌细胞中的线粒体可长达 10～20 μm。 图 6-1 电镜下线粒体的亚显微结构 线粒体数量因细胞种类或生理状态不同而不同，一般取决于该细胞的新陈代谢水 平，即代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。人类成熟红细胞内不具有线粒体，一些细胞 有一个线粒体，许多细胞拥有数千个线粒体，如肝细胞中有 1 000～2 000 个线粒体，而 最多的可达 50 万个线粒体。 线粒体的分布随细胞的形态和功能不同而异，通常分布在细胞功能旺盛的区域和需 要能量较多的部位，分布方向与微管一致。如在柱状上皮细胞中，线粒体分布在细胞的 线粒体的形态结构 医学细胞-正文.indd 94 2018-5-18 17:31:28
第一节线粒体的基本特征两极；在球状细胞中，线粒体为弥散状排列；肾细胞中靠近微血管，呈栅状或平行排列；在精子中分布在鞭毛区。（二）线粒体的超微结构和化学组成电镜下，可见线粒体是由内、外两层单位膜围成的封闭膜相结构。由外至内可划分为线粒体外膜、线粒体膜间隙、线粒体内膜和线粒体基质4个功能区（图6-2）。核糖体嗜内腔膜间隙mtDNA外膜“JOUUUATP合酶曙内膜基质图6-2线粒体的超微结构模式图1.外膜（outermembrane）是位于线粒体最外面的一层光滑平整的单位膜，厚6~7nm。外膜中50%为蛋白质，50%为脂质。外膜上面分布着许多排列整齐的孔蛋白，其内部亲水性筒状通道宽2~3nm。这种筒状蛋白构成的通道可根据细胞的生理状态进行调节，便于小分子进人外膜，相对分子质量小于10000的小分子物质完全通透相对分子质量达50000的分子可以选择性通过，所以说外膜的通透性很高。线粒体外膜中酶的含量相对较少，标志酶为单胺氧化酶。2.膜间隙（intermembranespace）是线粒体外膜与线粒体内膜之间的封闭腔隙。其可以延伸到嗜的轴心部，宽6~8nm，其中充满无定形液体，含有多种可溶性酶、辅助因子和众多生化反应底物。线粒体膜间隙中含有单磷酸激酶、二磷酸激酶和腺苷酸激酶等激酶，其中腺苷酸激酶是其标志酶。3.内膜（innermembrane）是位于线粒体外膜内侧、包裹着线粒体基质的一层厚约6~8nm的封闭性单位膜。内膜中80%为蛋白质，20%为脂质。内膜的通透性很低，具有高度的选择透过性，借助膜上的载体蛋白控制膜两侧的物质交换，仅相对分子质量小于150的非极性分子能自由通过。这种高度的选择通透性是氧化磷酸化的基础。线粒体内膜中含有NADH脱氢酶、ATP合酶、琥珀的脱氢酶等酶类，其中细胞色素氧化酶是标志酶。线粒体内膜向内折叠形成线粒体嗜（cristae）。嗜的形成增大了内膜的表面积。线粒体嗜的数目和细胞本身的生理状态具有密切的关系，需要较多能量的细胞，线粒体和其嗜的数目一般也较多。线粒体内膜和嗜的基质面上有大量规则排列的带柄的纽扣状小球体，称为基粒（elementaryparticle）。基粒由头、柄、基片组成。头部具有酶活性，能够95医学细胞-正文.indd2018-5-1817:31:2
www.hep.com.cn 95 第一节 线粒体的基本特征 两极；在球状细胞中，线粒体为弥散状排列；肾细胞中靠近微血管，呈栅状或平行排 列；在精子中分布在鞭毛区。 （二）线粒体的超微结构和化学组成 电镜下，可见线粒体是由内、外两层单位膜围成的封闭膜相结构。由外至内可划分 为线粒体外膜、线粒体膜间隙、线粒体内膜和线粒体基质 4 个功能区（图 6-2）。 图 6-2 线粒体的超微结构模式图 1. 外膜（outer membrane） 是位于线粒体最外面的一层光滑平整的单位膜，厚 6～7 nm。外膜中 50% 为蛋白质，50% 为脂质。外膜上面分布着许多排列整齐的孔蛋 白，其内部亲水性筒状通道宽 2～3 nm。这种筒状蛋白构成的通道可根据细胞的生理状 态进行调节，便于小分子进入外膜，相对分子质量小于 10 000 的小分子物质完全通透， 相对分子质量达 50 000 的分子可以选择性通过，所以说外膜的通透性很高。线粒体外膜 中酶的含量相对较少，标志酶为单胺氧化酶。 2. 膜间隙（intermembrane space） 是线粒体外膜与线粒体内膜之间的封闭腔隙。 其可以延伸到嵴的轴心部，宽 6～8 nm，其中充满无定形液体，含有多种可溶性酶、辅 助因子和众多生化反应底物。线粒体膜间隙中含有单磷酸激酶、二磷酸激酶和腺苷酸激 酶等激酶，其中腺苷酸激酶是其标志酶。 3. 内膜（inner membrane） 是位于线粒体外膜内侧、包裹着线粒体基质的一层厚 约 6～8 nm 的封闭性单位膜。内膜中 80% 为蛋白质，20% 为脂质。内膜的通透性很低， 具有高度的选择透过性，借助膜上的载体蛋白控制膜两侧的物质交换，仅相对分子质量 小于 150 的非极性分子能自由通过。这种高度的选择通透性是氧化磷酸化的基础。线粒 体内膜中含有 NADH 脱氢酶、ATP 合酶、琥珀的脱氢酶等酶类，其中细胞色素氧化酶是 标志酶。 线粒体内膜向内折叠形成线粒体嵴（cristae）。嵴的形成增大了内膜的表面积。线粒 体嵴的数目和细胞本身的生理状态具有密切的关系，需要较多能量的细胞，线粒体和其 嵴的数目一般也较多。线粒体内膜和嵴的基质面上有大量规则排列的带柄的纽扣状小球 体，称为基粒（elementary particle）。基粒由头、柄、基片组成。头部具有酶活性，能够 医学细胞-正文.indd 95 2018-5-18 17:31:29
第六章线粒体与疾病利用呼吸链产生的能量合成腺苷三磷酸，因此基粒又称为ATP合酶。4.基质（matrix）是线粒体中由线粒体内膜包裹的内部封闭空间，其间富含高浓度的电子密度较低的无定形水溶性蛋白质，呈凝胶状，较细胞质基质黏稠、包含参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等生化反应的酶类。苹果酸脱氢酶是线粒体基质的标志酶。线粒体基质中还含有线粒体自身的闭环双链DNA、RNA聚合酶、核糖体和tRNA等，构成线粒体相对独立的遗传体系。二、线粒体的功能线粒体是真核生物细胞进行氧化代谢的部位，是糖类、脂质和蛋白质等能源物质最终氧化释放能量的场所，是细胞呼吸的场所和细胞内的能量转换器。线粒体还可以储存Ca，可以与内质网、细胞外基质等结构协同作用，控制细胞中Ca2+浓度的动态平衡。迅速吸收Ca2的能力使线粒体成为细胞中Ca2+的缓冲区。线粒体也参与细胞调亡时Ca2的信号转导。除以上功能外，线粒体还承担许多其他生理功能，如合成胆固醇及某些血红素，细胞增殖与细胞代谢的调控，调节膜电位并控制细胞程序性死亡等。第二节线粒体的遗传体系人类细胞线粒体DNA（mitochondrialDNA，mtDNA）是人类基因组的组成部分，被称为“第25号染色体”，约为16.6kb，不到细胞核DNA的1%。一、线粒体基因组的构成?人类mtDNA不与组蛋白结合，为裸露、双链闭合环状分子，附着于线粒体内膜或者存在于线粒体的基质内。一个线粒体中有一个或者多个mtDNA分子，平均为5~10个。其碱基组成、基因结构和遗传行为等都有别于核DNA（nDNA）。人类mtDNA共含16569个碱基对，即16569bp，长约4.81×10~m。mtDNA外环为重链（H链），G含量较高；内环为轻链（L链），C含量较高。人类mtDNA共编码37个基因，分别为22种线粒体中合成多肽链所需要的tRNA，13种蛋白质亚基和2种线粒体核糖体中的rRNA（12SrRNA和16SrRNA）。L链仅编码呼吸链复合体I（NADH脱氢酶）的一种亚基ND6以及8个tRNA（图6-3）。人类线粒体的基因排列比核基因组紧凑的多，除与mtDNA复制起始有关的一段1~2kb的区域外，无内含子序列。在37个基因之间，基因间隔区总共只有87bp，有些基因之间没有间隔，甚至有基因重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠。因此，mtDNA的任何突变都会累及基因组中一个重要的功能区域。二、线粒体基因组的复制mtDNA复制有何特点？人类mtDNA的复制为半保留复制，从复制起始区开始，沿5'→3'方向复制。其上共有2个复制起始点，包含重链复制起始点（originofheavy-strandreplication，O）和轻链复制起始点（originof light-strandreplication，O,）。O位于重链环的顶部，处于“12点钟”的位置，处于tRNAPb基因（557）和tRNAP基因（16023）之间的区域，这导致人类mtDNA的复制为单一的复制起始，并在不同的时间和部位开始。O，与O相距96医学细胞--正文.indd201885817:3
www.hep.com.cn 96 第六章 线粒体与疾病 利用呼吸链产生的能量合成腺苷三磷酸，因此基粒又称为 ATP 合酶。 4. 基质（matrix） 是线粒体中由线粒体内膜包裹的内部封闭空间，其间富含高浓 度的电子密度较低的无定形水溶性蛋白质，呈凝胶状，较细胞质基质黏稠，包含参与三 羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等生化反应的酶类。苹果酸脱氢酶是 线粒体基质的标志酶。线粒体基质中还含有线粒体自身的闭环双链 DNA、RNA 聚合酶、 核糖体和 tRNA 等，构成线粒体相对独立的遗传体系。 二、线粒体的功能 线粒体是真核生物细胞进行氧化代谢的部位，是糖类、脂质和蛋白质等能源物质最 终氧化释放能量的场所，是细胞呼吸的场所和细胞内的能量转换器。线粒体还可以储存 Ca2+，可以与内质网、细胞外基质等结构协同作用，控制细胞中 Ca2+ 浓度的动态平衡。 迅速吸收 Ca2+ 的能力使线粒体成为细胞中 Ca2+ 的缓冲区。线粒体也参与细胞凋亡时 Ca2+ 的信号转导。除以上功能外，线粒体还承担许多其他生理功能，如合成胆固醇及某些血 红素，细胞增殖与细胞代谢的调控，调节膜电位并控制细胞程序性死亡等。 第二节 线粒体的遗传体系 人类细胞线粒体 DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是人类基因组的组成部分，被 称为“第 25 号染色体”，约为 16.6 kb，不到细胞核 DNA 的 1%。 一、线粒体基因组的构成 人类 mtDNA 不与组蛋白结合，为裸露、双链闭合环状分子，附着于线粒体内膜或 者存在于线粒体的基质内。一个线粒体中有一个或者多个 mtDNA 分子，平均为 5～10 个。其碱基组成、基因结构和遗传行为等都有别于核 DNA（nDNA）。人类 mtDNA 共含 16 569 个碱基对，即 16 569 bp，长约 4.81×10-6m。mtDNA 外环为重链（H 链），G 含量 较高；内环为轻链（L 链），C 含量较高。人类 mtDNA 共编码 37 个基因，分别为 22 种 线粒体中合成多肽链所需要的 tRNA，13 种蛋白质亚基和 2 种线粒体核糖体中的 rRNA （12S rRNA 和 16S rRNA）。L 链仅编码呼吸链复合体Ⅰ（NADH 脱氢酶）的一种亚基 ND6 以及 8 个 tRNA（图 6-3）。 人类线粒体的基因排列比核基因组紧凑的多，除与 mtDNA 复制起始有关的一段 1～2 kb 的区域外，无内含子序列。在 37 个基因之间，基因间隔区总共只有 87 bp，有些 基因之间没有间隔，甚至有基因重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因 的第一段碱基相重叠。因此，mtDNA 的任何突变都会累及基因组中一个重要的功能区域。 二、线粒体基因组的复制 人类 mtDNA 的复制为半保留复制，从复制起始区开始，沿 5′ → 3′ 方向复制。其上 共有 2 个复制起始点，包含重链复制起始点（origin of heavy-strand replication，OH）和轻 链复制起始点（origin of light-strand replication，OL）。OH 位于重链环的顶部，处于“12 点钟”的位置，处于 tRNAPhe 基因（557）和 tRNAPro 基因（16 023）之间的区域，这导 致人类 mtDNA 的复制为单一的复制起始，并在不同的时间和部位开始。OL 与 OH 相距 mtDNA 复制有何特点？ 医学细胞-正文.indd 96 2018-5-18 17:31:29
第二节线粒体的遗传体系OHD环12SrRNACvtb16SrRNApND5ND6ND116569bpLSHMDN4ND2OLWDN4LRCOXIGDN3COXIIDCOXIATPase8&6tRNAsATPase8&6Complex1rRNAsCytochromebComplex4ND:NADH脱氢酶；COX：细胞色素氧化酶；OH：H链复制起始点；OL：L链复制起始点：tRNA基因单字母符号标出图6-3人类mtDNA的结构和电镜图ND：NADH脱氢酶；COX：细胞色素氧化酶：O：H链复制起始点；Oi：L链复制起始点：IRNA基因单字母符号标出约2/3个mtDNA，处于“8点钟”的位置。这两个复制起始点的分离导致mtDNA特殊的D环复制（D-loopreplication）方式（图6-4）。复制过程需要一系列进入线粒体的核编码蛋白的协助。mtDNA进行复制时，线粒体RNA聚合酶首先与O.和tRNAPhe基因之间的3个上游保守序列区段之一相结合，以L链为模板，合成一段相对分子质量较大的RNA引物。同时，部分解离的亲代H链游离为单链，形成“泡”状结构，称为D环（displacementloop，D-loop）。之后，DNA聚合酶从RNA引物处催化延伸子代H链，随着新H链图6-4D环复制模式图的合成，D环也在延伸，直到越过L链的复制起始点O，时，新的L链开始以暴露的亲代H链为模板反向合成。H链的合成提前完成，L链的合成随后结束。两条链全部复制完成后，起始点的RNA引物才被切除，缺口封闭、两条子代DNA彻底分离。整个复制过程约持续2h，其速率远低于其他DNA的复制过程。一般情况下，H链的合成是顺时针的，L链的合成是逆时针的。另外，mtDNA的复制过程基本不受细胞周期的影响。三、线粒体基因组的转录mtDNA的两条链均可以作为模板进行转录。H、L链各含有一个转录启动子，分97医学细胞-正文.indd972018-5-1817:31:29
www.hep.com.cn 97 第二节 线粒体的遗传体系 约 2/3 个 mtDNA， 处 于“8 点 钟” 的 位 置。 这 两 个复制起始点的分离导致 mtDNA 特殊的 D 环复制 （D-loop replication）方式（图 6-4）。复制过程需 要一系列进入线粒体的核编码蛋白的协助。 mtDNA 进行复制时，线粒体 RNA 聚合酶首 先与 OH 和 tRNAphe 基因之间的 3 个上游保守序列 区段之一相结合，以 L 链为模板，合成一段相对 分子质量较大的 RNA 引物。同时，部分解离的亲 代 H 链游离为单链，形成“泡”状结构，称为 D 环（displacement loop，D-loop）。之后，DNA 聚合 酶从 RNA 引物处催化延伸子代 H 链，随着新 H 链 的合成，D 环也在延伸，直到越过 L 链的复制起 始点 OL 时，新的 L 链开始以暴露的亲代 H 链为模板反向合成。H 链的合成提前完成，L 链的合成随后结束。两条链全部复制完成后，起始点的 RNA 引物才被切除，缺口封闭， 两条子代 DNA 彻底分离。整个复制过程约持续 2 h，其速率远低于其他 DNA 的复制过 程。一般情况下，H 链的合成是顺时针的，L 链的合成是逆时针的。另外，mtDNA 的复 制过程基本不受细胞周期的影响。 三、线粒体基因组的转录 mtDNA 的两条链均可以作为模板进行转录。H、L 链各含有一个转录启动子，分 图 6-3 人类 mtDNA 的结构和电镜图 ND：NADH 脱氢酶；COX：细胞色素氧化酶；OH：H 链复制起始点； OL：L 链复制起始点；tRNA 基因单字母符号标出 图 6-4 D 环复制模式图 医学细胞-正文.indd 97 2018-5-18 17:31:29
第六章线粒体与疾病别为重链启动子（heavy-strandpromoter，HSP）和轻链启动子（light-strandpromoter，LSP）。转录从位于D环区的启动子HSP和LSP处分别开始，两条链同时进行，方向相反，速率大致相等，故线粒体RNA转录是对称转录，经修饰剪切后释放出各种RNA和mRNA转录产物。mtDNA在线粒体转录因子I的调节下，并在mtRNA聚合酶的作用下启动转录过程。线粒体和细菌相似，其基因的转录产物为多顺反子。转录产物往往在tRNA处发生剪切，从而使得不同的mRNA和tRNA被分离和释放。HSP含有2个转录起始位点，即H和H，而L链只有1个转录起始位点L。H链可以从H开始转录出只包含tRNAbe、tRNAl、12SrRNA、16SrRNA的多顺反子。线粒体RNA聚合酶还可从H,和L开始，分别转录出一条几乎覆盖全长mtRNA的初始转录产物，之后可被剪切为各基因RNA而被释放。H比H稍微靠下一些，约在12SrRNA基因的5'端，其转录可以通过初级转录物I的终止的位置，连续转录几乎整条重链。需要指出的是，转录物ⅡI中没有rRNA。剪切往往在新生的转录链上便开始进行了，由于每个mRNA的5'端与tRNA的3'端是紧密相连的，所以剪切的往往十分精确。转录物I的转录比转录物IⅡ要频繁的多，这导致tRNAPhe、tRNAl、12SrRNA、16SrRNA的表达量比其他高约10倍。轻链的转录物经过剪切后生成1个mRNA和8个tRNA。参与线粒体基因转录过程中的NRF-1、NRF-2、CREB、SP-1、YY1等转录活化因子及PRC、PGC-1等协同活化因子是由核基因编码，故线粒体基因的转录同时要受到核基因组的调控。四、线粒体基因组的翻译线粒体内拥有自身合成蛋白质的系统，蛋白质的合成在线粒体的核糖体上翻译，且与线粒体mRNA的转录几乎同时进行。线粒体所编码的RNA和蛋白质不被运出线粒体外，相反的，组成线粒体核糖体的蛋白质却是由nDNA编码，在细胞质核糖体上合成，再运入线粒体内的。与核合成的mRNA不同，线粒体的mRNA没有内含子，很少有非编码区。五、线粒体核编码蛋白质的转运线粒体蛋白质在细胞质中合成后，需定向转运到线粒体执行其功能。绝大多数的线粒体蛋白被输人线粒体的基质内，少数输入膜间腔或者插入外膜和内膜上。这些蛋白质在被运输到线粒体前，以未折叠的前体形式存在，其N端具有一段特殊的基质导入序列（matrix-targetingsequence，MTs）。该序列约由20个氨基酸组成，富含精氨酸、赖氨酸、苏氨酸及丝氨酸的碱性氨基酸，不含或基本不含带负电荷的天冬氨酸和谷氨酸的酸性氨基酸。MTS包含了介导在细胞质中合成的前体蛋白输入线粒体基质的信号，能与线粒体外膜和内膜上的受体相识别并结合，牵引前体蛋白质跨膜转运到线粒体。前体蛋白形成后，绝大多数要和分子伴侣热休克蛋白70（heatshockprotein70，Hsp70）结合，防止前体蛋白形成不可解开的构象或防止已松弛的前体蛋白聚集；少数前体蛋白与分子伴侣新生多肽相关复合物（nascent-associatedcomplex，NAC）相互作用，增加蛋白质转运的准确性。哺乳动物的细胞质中还存在前体蛋白质的结合因子和线粒体输人刺激因子，前者可以增加Hsp70对线粒体蛋白质的转运能力，后者则可以不依赖Hsp70，单独发挥ATP酶的作用，为蛋白质的聚集提供能量。前体蛋白质一旦与线粒体外膜上的载体蛋白结合，便要与外膜及内膜上的膜通道发生作用，从而进人线粒体。目前介导线粒体蛋白质98医学细胞.-正文.ind5-18 17:3
www.hep.com.cn 98 第六章 线粒体与疾病 别 为 重 链 启 动 子（heavy-strand promoter，HSP） 和 轻 链 启 动 子（light-strand promoter， LSP）。转录从位于 D 环区的启动子 HSP 和 LSP 处分别开始，两条链同时进行，方向相 反，速率大致相等，故线粒体 RNA 转录是对称转录，经修饰剪切后释放出各种 tRNA 和 mRNA 转录产物。mtDNA 在线粒体转录因子Ⅰ的调节下，并在 mtRNA 聚合酶的作用 下启动转录过程。线粒体和细菌相似，其基因的转录产物为多顺反子。转录产物往往 在 tRNA 处发生剪切，从而使得不同的 mRNA 和 tRNA 被分离和释放。HSP 含有 2 个转 录起始位点，即 H1 和 H2，而 L 链只有 1 个转录起始位点 L。H 链可以从 H1 开始转录出 只包含 tRNAphe、tRNAval、12S rRNA、16S rRNA 的多顺反子。线粒体 RNA 聚合酶还可 从 H2 和 L 开始，分别转录出一条几乎覆盖全长 mtRNA 的初始转录产物，之后可被剪切 为各基因 RNA 而被释放。H2 比 H1 稍微靠下一些，约在 12S rRNA 基因的 5′ 端，其转录 可以通过初级转录物Ⅰ的终止的位置，连续转录几乎整条重链。需要指出的是，转录物 Ⅱ中没有 rRNA。剪切往往在新生的转录链上便开始进行了，由于每个 mRNA 的 5′ 端与 tRNA 的 3′ 端是紧密相连的，所以剪切的往往十分精确。转录物Ⅰ的转录比转录物Ⅱ要 频繁的多，这导致 tRNAphe、tRNAval、12S rRNA、16S rRNA 的表达量比其他高约 10 倍。 轻链的转录物经过剪切后生成 1 个 mRNA 和 8 个 tRNA。参与线粒体基因转录过程中的 NRF-1、NRF-2、CREB、SP-1、YY1 等转录活化因子及 PRC、PGC-1 等协同活化因子 是由核基因编码，故线粒体基因的转录同时要受到核基因组的调控。 四、线粒体基因组的翻译 线粒体内拥有自身合成蛋白质的系统，蛋白质的合成在线粒体的核糖体上翻译，且 与线粒体 mRNA 的转录几乎同时进行。线粒体所编码的 RNA 和蛋白质不被运出线粒体 外，相反的，组成线粒体核糖体的蛋白质却是由 nDNA 编码，在细胞质核糖体上合成， 再运入线粒体内的。与核合成的 mRNA 不同，线粒体的 mRNA 没有内含子，很少有非 编码区。 五、线粒体核编码蛋白质的转运 线粒体蛋白质在细胞质中合成后，需定向转运到线粒体执行其功能。绝大多数的线 粒体蛋白被输入线粒体的基质内，少数输入膜间腔或者插入外膜和内膜上。这些蛋白质 在被运输到线粒体前，以未折叠的前体形式存在，其 N 端具有一段特殊的基质导入序列 （matrix-targeting sequence，MTS）。该序列约由 20 个氨基酸组成，富含精氨酸、赖氨酸、 苏氨酸及丝氨酸的碱性氨基酸，不含或基本不含带负电荷的天冬氨酸和谷氨酸的酸性氨 基酸。MTS 包含了介导在细胞质中合成的前体蛋白输入线粒体基质的信号，能与线粒体 外膜和内膜上的受体相识别并结合，牵引前体蛋白质跨膜转运到线粒体。前体蛋白形成 后，绝大多数要和分子伴侣热休克蛋白 70（heat shock protein 70，Hsp70）结合，防止前 体蛋白形成不可解开的构象或防止已松弛的前体蛋白聚集；少数前体蛋白与分子伴侣新 生多肽相关复合物（nascent-associated complex，NAC）相互作用，增加蛋白质转运的准 确性。哺乳动物的细胞质中还存在前体蛋白质的结合因子和线粒体输入刺激因子，前者 可以增加 Hsp70 对线粒体蛋白质的转运能力，后者则可以不依赖 Hsp70，单独发挥 ATP 酶的作用，为蛋白质的聚集提供能量。前体蛋白质一旦与线粒体外膜上的载体蛋白结 合，便要与外膜及内膜上的膜通道发生作用，从而进入线粒体。目前介导线粒体蛋白质 医学细胞-正文.indd 98 2018-5-18 17:31:29