全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 4期
2008年 8月
Vol. 20, No.4
Aug., 2008
文章编号 ：1004-0374(2008)04-0514-05
收稿日期：2008-07-10
基金项目：“973”计划（2004CB720000，2006CB
9110011）
通讯作者：E-mail: yangfy@sun5.ibp.ac.cn
线粒体拥有自己的DNA，并具备DNA复制、
转录、翻译系统，但它的自主性很小。据估计，
线粒体内含的 1 000－ 1 500种蛋白质，除 13种多
肽外，98％以上都是由细胞核DNA编码经转录翻译
并在细胞质核糖体合成后运入线粒体的。因此，这
些蛋白质如何跨越线粒体膜运入内部一直是令人感
兴趣的问题。线粒体可粗分为外膜、内膜、基质
(matrix)以及内外膜间隔(intermembrane space, IMS)
四个部分(图 1)。在细胞质核糖体合成的蛋白质成
千上万，线粒体蛋白质合成后是如何定向运抵线粒
体并经选分后各就各位发挥各自的功能的？在线粒
体研究中，这无疑是一个很重要又很有趣的问题。
近十年以来，生物膜膜蛋白的分离、纯化、
蛋白质跨线粒体膜运送的研究进展
杨福愉
（中国科学院生物物理所生物大分子国家重点实验室，北京 100101）
摘　要：线粒体拥有约 1000种蛋白质，其中 98%以上系由细胞核编码，在细胞质核糖体上以前体形式
合成，之后再运至线粒体，经跨膜运送并分选定位于各部分。现对定位于外膜、基质和内膜的蛋白质
的运送途径的研究进展作一扼要介绍。脱血红素细胞色素 c 是细胞色素 c 的前体，它不含导肽，对其
转运的研究概况也作了评述。
关键词：线粒体；蛋白质运送；跨外膜转位酶复合体；跨内膜转位酶复合体；脱血红素细胞色素 c
中图分类号：Q7 31　　文献标识码：A
Progress in the study of protein translocation across
mitochondrial membranes
YANG Fu-yu
(National Laboratory of Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100101, China)
Abstract: There are about 1000 proteins in mitochondria, 98% of which are encoded in the nucleus and
synthesized in cytosol as precursors. The precursors are then imported into mitochondria. The import machin-
ery of mitochondrial proteins which are located in the outer membrane, matrix or inner membrane is described in
this review. One quite unique translocation pathway of apocytochrome c, which is the precursor of cytochrome
c and does not contain the cleavable N-terminal mitochondrial targeting peptide is also reviewed here.
Key words: mitochondria; protein translocation; trans-outer membrane (TOM); trans-inner membrane (TIM);
apocytochrome c
重组以及三维结构与功能研究方面有较快的进展，
有力促进了对蛋白质跨线粒体膜运送的研究，本文
拟就这方面作一扼要的介绍。
1　蛋白质合成后导向线粒体的信号
大部分线粒体蛋白质在细胞质核糖体上合成时，
其N端都带有一肽段，称为导肽，内含定向运往线
粒体的信息，导肽一般含10－ 80个氨基酸残基，它
们的长短与被引导的蛋白质定位在线粒体的不同部位
515第4期 杨福愉：蛋白质跨线粒体膜运送的研究进展
有一定的关系，定位于基质中的蛋白质一般具有较
短的导肽，有的线粒体蛋白质在合成时没有导肽，
它们导向线粒体的信息可能位于分子内部的某些肽
段。但有些蛋白质(如细胞色素 c的前体蛋白——脱
血红素细胞色素 c)导向线粒体的信息迄今尚不清楚。
2　蛋白质合成后的结构状态与复合体的形成
运往线粒体的蛋白质合成后一般都以非折叠形
式的前体形成存在，它们往往与细胞质内的一些辅
助分子(如分子伴侣：热休克蛋白Hsp70或Hsp90)形
成复合物以免受到分解或相互凝聚。一旦到达线粒
体表面后它们即与辅助分子解离并进行跨膜运送。
3　定位于线粒体外膜蛋白质的运送途径
线粒体外膜嵌有一种跨外膜转位酶复合体
( trans-outer membrane, TOM)，它由 TOM40、
TOM70、TOM22、TOM20、TOM5、TOM6、
TOM7等亚单位组成(图 2)，TOM40是核心亚单
位，可能含有 1 － 2 个跨膜运送通道。
凡是运送到或分选至线粒体各部分的蛋白质首
先必须与 TOM复合体发生相互作用。它具有使运
送蛋白质的前体与其保护分子相分离，或使被运送
蛋白质进一步去折叠的功能，以便于穿越通道进行
运送。有些靶向并定位于线粒体外膜的蛋白质也需
要TOM复合体发挥作用，它们或通过膜脂 -膜蛋白
相互作用使其插入外膜，或与线粒体外膜另一跨外
膜转位酶复合体TOB协同将β桶型膜蛋白(如porin)
嵌入外膜(图 3 )。很有意思的是除格兰氏细菌膜
图 3　β桶型蛋白质运送并定位于线粒体外膜示意图［2］
TOB复合体由 TOB55、TOB37、TOB38和N微区组成，其中 TOB55是核心单位，由 14－ 16个 β 折叠组成 β 桶结构
图2　跨外膜转位酶复合体各亚单位的跨膜分布示意图［2］
T OM 70、T O M2 2、T O M2 0 为表面受体；
T O M 4 0、T O M 7、T O M 6、T O M 5 组成运送孔道；
TOM40是核心亚单位
图1　线粒体经典Baffle模型[1]
516 生命科学 第20卷
外，这种类型的膜蛋白复合体仅在真核细胞的线粒
体或叶绿体膜有分布。这也许是对这两种细胞器由
原核细胞共生演化而来的假说又一个有力的支持。
TOB复合体由 TOB55、TOB37、TOB38和N微区
组成。TOB55是由 14－ 16个 β折叠组成的 β桶结
构。各亚单位的功能尚不十分清楚，看来 TOB55
是核心单位，在 β桶型膜蛋白插入外膜过程中先与
TOM复合体的 TOM20相互作用，之后移动通过
TOM复合体的孔道进入 IMS。在这里经过跨内膜移
位酶复合体TIM的小分子蛋白质的帮助与导向以及
TOB复合体N微区的促进而最终定位外膜(图 3)。
4　蛋白质输入内外膜间隔
迄今为止，已知位于内外膜间隔的蛋白质共约
20余个，虽然相对讲为数并不算多，但它们或与
内膜电子传递(如细胞色素 c1、c等)或与细胞凋亡过
程(如细胞色素 c、细胞凋亡抑制剂等)有关，因此
对它们的定向运送机理也是人们十分关注的问题。
以细胞色素 c为例，它也是由细胞核基因编码，先
在细胞质的游离核糖体上合成前体——脱血红素细胞
色素 c(Apocyt c)，之后输入 IMS，并在细胞色素
c血红素裂合酶(cytochrome c heme lyase, CCHL)催
化下，共价结合血红素，形成完整的细胞色素 c。
虽然Apocyt c只含有 104个氨基酸残基，相对分子
质量很小，又具有水溶性，但它的跨膜运送机理比
较特殊。它既不含可被酶切的导肽，跨膜运送也不
需要ATP或跨膜电位△ϕ提供能量，迄今未发现外
膜上有它的受体，也不需要有“分子伴侣”的帮
助。对这个重要分子的定向运送的分子机理很多著
名实验室都曾进行过较长期的研究［3-8］。开始阶段
大多以人工膜——脂质体(liposome)为模型，发现
Apocyt c能自发通过脂双层而被内包的水解酶(如胰
蛋白酶)所裂解。但对其机理长期以来始终未能获得
满意的阐释。2001年，德国Neupert实验室与荷兰
Kruijff实验室协作将纯化的线粒体跨外膜移位酶复合
体重组于脂质体形成脂酶体，纯化的TOM已不再含
有能被蛋白水解酶除去、具有受体功能的部分。这
种脂酶体如果内包CCHL，CCHL就能将Apocyt c从
外部跨脂双层而输入。值得指出的是，如果将已知
能通过TOM的其他前体蛋白质同时加入，Apocyt c
的运送仍能进行。这暗示 Apocyt c的运送既需要
TOM，但又可能不通过它的孔道，他们认为这种运
送很可能是沿着TOM与脂双层之间的边缘进入脂酶
体的(图 4)，其具体细节仍有待进一步研究。
关于Apocyt c跨线粒体膜过程中膜脂的作用我
们实验室也曾做过不少工作［9-14］。我们以人工膜
——脂质体为模型，内包胰蛋白酶，根据Apocyt c
的酶解程度来判断它跨膜运送的情况，围绕膜脂 -
膜蛋白相互作用，分别对两者影响运送的作用做了
比较系统的研究。结果表明，非双层脂——磷脂酰
乙醇胺 PE与磷脂酸 PA对脱血红素细胞色素 c跨人
工膜的运送具有重要作用。值得注意的是，与其他
酸性磷脂相比较，磷脂酸 PA由于能加强 PE的非双
层脂结构形成的倾向性，对Apocyt c的跨膜运送速
率具有明显的促进作用。Apocyt c的跨膜运送与形成
两亲性的α-螺旋结构有十分密切的关系，通过缺失
与人工合成方法我们发现Apocyt c的 68－ 88片段是
跨膜运送的关键片段。此外，N端 1－19与 68－ 88
片段对整个分子的跨膜运送还有协同作用。用人工
膜进行体外实验结果显然不能等同线粒体 in vivo的
情况。但是参考Neupert与Kruijff两个实验室提示
的关于Apocyt c 沿着 TOM与脂双层之间的边缘运
送模型也说明Apocyt c在运送过程中膜脂 -膜蛋白
相互作用仍然起着比较重要的作用。这方面的深入
研究看来对于阐明Apocyt c跨线粒体膜运送的分子
机理还是很重要的。定位于线粒体 IMS的蛋白质除
细胞色素 c外，还有细胞色素 c1、细胞色素 b2以及
与细胞凋亡有关的凋亡酶(caspases)、AIF(apoptosis
inhibitor factor)等等，它们在细胞质核糖体合成后
如何靶向并跨膜运送进入 IMS的分子机理是互不相
同的，这方面的研究都还不够深入，在此不拟作一
一介绍。
5　定位于线粒体基质的蛋白质的运送
线粒体的大多数蛋白质均定位于基质，它们的
图4　细胞色素c跨线粒体膜运送示意图(根据[3]并稍
加修改)
517第4期 杨福愉：蛋白质跨线粒体膜运送的研究进展
运送可粗分为两个步骤：首先通过 TOM，之后再
穿越内膜的跨膜转位酶复合体(TIM)到达基质定位。
定位于基质的蛋白质在细胞质核糖体合成时都带有
导肽，在定向向线粒体运送时都处于去折叠状态，
需细胞质内的“分子伴侣”与之结合并伴随运向线
粒体。到达线粒体后首先与外膜 TOM的 TOM20、
TOM22、TOM70相识别，然后通过由 TOM40、
TOM5、TOM6、TOM7组成的通道(图 2)伸进至
IMS并立即进入 TIM进行运送(图 5)。TIM复合体
由两部分组成：构成运送蛋白质跨膜通道(TIM50、
TIM23、TIM21、TIM17)部分和驱动运送的部分
[ T I M 4 4、T I M 1 6、T I M 1 4、线粒体 H s p 7 0
(mtHsp70)、Mge1］。这一过程需要ATP或跨内膜
的膜电位△ϕ提供能量。整个过程可分为五个步骤
(图 5)　：(Ａ)拥有导肽的前体蛋白质与暴露于 IMS的
TIM21、TIM50、TIM23相接触并被导向由 TIM23
组成的运送通道；(Ｂ)在内膜△ϕ提供能源的条件下
被运送蛋白质逐步进入基质；(Ｃ)被运送蛋白质与
基质的 mt H s p 7 0 (结合 A T P 状态)相作用；(Ｄ)
mtHsp70结合的ATP被Mge1酶解为ADP后，它们
即与 TIM复合体分离，同时将运送蛋白质拉进基
质；(Ｅ)结合ATP的mtHsp70不断替代结合ADP的
mtHsp并进行同样的酶解反应，这样就逐步将被运
送的蛋白质拉进基质，最终其导肽被线粒体加工肽
酶(mitochondrial-processing peptidase, MPP)水解而成
为成熟型蛋白质定位于基质。
图6　线粒体内膜蛋白质的靶向运送及定位的几种模式
示意图(根据[2]有所删减)。
图5　定位于线粒体基质的蛋白质从细胞质经跨外膜转位酶复合体进入内外膜间隔后通过跨内膜转位复合体运送进
入基质的过程［2］
6　定位于线粒体内膜蛋白质的靶向运送
定位于线粒体内膜蛋白质的运送途径约可分为
几种形式，现举两例如下：
(Ａ)带有导肽的蛋白质前体先后通过外膜TOM
复合体与内膜 TIM23复合体运至基质，经mtHsp70
的保护与线粒体加工肽酶MPP催化移去导肽，并经
位于内膜的细胞色素氧化酶组合蛋白 1(Oxa1)的促
进，最后以多次跨膜形式定位于内膜疏水区(图 6
Ａ)。粗糙脉胞菌(Neurospora crassa)FoF1-ATP酶的
9亚基就是采用这种运送途径定位于内膜的。
(Ｂ)带有导肽的运送蛋白前体首先通过外膜
TOM复合体，接着进入内膜 TIM23复合体，再从
内膜疏水区弯进内膜以单次跨膜形式定位于内膜，
之后其伸进基质部分的导肽被MPP降解(图6Ｂ)。整
518 生命科学 第20卷
个运送过程的分子机理尚待深入研究。酵母细胞色素
氧化酶的 5a亚基等内膜蛋白质的运送属于这一类。
综上所述，虽然蛋白质跨线粒体膜运送的研究
已经积累了不少成果，但在分子机理方面尚有待进一
步深入，何况线粒体内含新的蛋白质还在不断地被发
现，因此，这仍然是一个不容忽视的研究领域。
[参　考　文　献]
[1] Nicholls DG, Hamster brown-adipose-tissue mito chrondria,
purine nucleotide control of the ion con ductance of the inner
membrane, the nature of the nucleotide binding site. Eur J
Biochem, 1976, 62: 223-8
[2] Neupert W, Herrman JM. Translocation of proteins into
mitochondria. Annu Rev Biochem, 2007, 76: 723-49
[3] Diekert K, de Kroon AI, Ahting U, et al. Apocytochrome c
requires the TOM complex for translocation across the mito-
chondrial outer membrane. EMBO J, 2001, 20(20): 5626-36
[4] Rietveld A, De kruijff B. Is the mitochondrial precusor pro-
tein apocytochrome c able to pass a lipid barrier? J Biol Chem,
1984, 259: 6704-7
[5] Rietveld A, Jordi W, de Kruijff B. Studies on the lipid de-
pendency and mechanisim of the translocation of mitochon-
drial precursor protein apocytochrome c across model
membranes. J Biol Chem, 1986, 261: 3846-56
[6] Zhou LX, Jordi W, De Kruijff B. Influence of heme and
importantce of the N-terminal part of the protein and physi-
cal state of model membranes for the apocytochrome c-lipid
interaction. Biochim Biophys Acta, 1998, 942: 115-24
[7] Stuart RA, Nicholson DW, Wienhues U, et al. Import of
apocytochrome c into the mitochondrial intemembrane space
along a cytochrome c1 sorting pathway. J Biol Chem, 1990,
265: 20210-9
[8] Hakvort TB, Sprinkle TR, Margoliash E. Reversible import
of apocytochrome c into mitochondria. Proc Natl Acad Sci
USA, 1990, 87: 4996-5000
[9] Yang FY, Wang XS, Tong JC, et al. Study on the transloca-
tion of chicken heart apocytochrome c with different un-
folded states. Biochem Mol Biol Int, 1993, 30: 867-76
[10] 王贤树, 童俊超, 杨福愉. 鸡心脱血红素细胞色素 c的构象
与跨膜运送能力的相关性. 科学通报,1993, 38: 1631-2
[11] Tong JC, Zhu LQ, Yang FY. V92A mutation altered the
folding propensity of chicken apocytochrome c and its in-
teraction with phospholipids. Biochemistry, 1996, 35:
9460-8
[12] Miao Q, Han XH, Yang FY. Phosphatidic acid-phosphati-
dylethanolamine interaction and apocytochrome c transloca-
tion across model membranes. Biochem J, 2001, 345:681-8
[13] Wang XP, Han XH, Jia ST, et al. Change of apocytochrome c
translocation across membrane in consequence of hydrophobic
segment deletion. Mol Cell Biochem, 2002, 233: 39-47
[14] Wang XP Han XH, Yang FY. Critical segment of
apocytochrome c for its insertion into membrane. Mol Cell
Biochem, 2004, 262: 61-9