谈谈物质出入线粒体的方式

       线粒体是具有两层单位膜结构的细胞器，作为需氧呼吸的主要场所，作为一种半自主的细胞器，它势必需要和细胞溶胶之间进行频繁的物质交换。那么，这些物质究竟是如何通过线粒体膜的呢？  

       首先，我们需要了解的是：外膜和内膜的通透性具有较大差异。外膜含有孔蛋白（筒状结构，中心为直径2-3nm的小孔，即内部通道），当孔蛋白通道完全打开时，可以通过相对分子质量高达5000的分子，像ATP、NADH、辅酶A等相对分子质量小于1000的所有物质都能自由通过，所以外膜通透性很高。 内膜则通透性很低，能严格控制分子和离子通过，形成线粒体的通透性屏障。      

    线粒体外膜透性大，葡萄糖可自由透过，但线粒体内膜上缺乏葡萄糖转运载体，故葡萄糖无法透过线粒体内膜。它在细胞溶胶中经糖酵解产生丙酮酸，由丙酮酸进入线粒体进而脱羧进入三羧酸循环。那么，丙酮酸又是如何透过线粒体内膜的呢？答案是：主动转运。但这种主动转运并非直接以ATP驱动的，而是由膜间隙与线粒体基质之间的氢离子电化学势梯度驱动的，当氢离子穿过内膜顺浓度进入线粒体基质时，同时将丙酮酸运入。由于氢离子梯度的建立是耗能的，因此，丙酮酸的这种跨膜方式可以看做一类间接耗能的主动转运，称继发性主动转运或协同转运。

     葡萄糖在细胞溶胶中进行糖酵解的过程中产生的还原氢（NADH）自由透过线粒体外膜自然不成问题，然而它却无法透过内膜。不过没关系，它老人家自己进不去，却可以通过两种“穿梭”途径把氢和电子传递进去。

    （1）苹果酸-天冬氨酸穿梭途径：

看起来挺复杂的是吧，其实很简单，大概意思就是：NADH进不去，于是把草酰乙酸还原成苹果酸，这个过程就等于把氢和电子给了苹果酸了，苹果酸可借助载体转运（顺浓度，不耗ATP）进去；进去后苹果酸在被氧化成草酰乙酸，这个过程中又重新生成NADH。草酰乙酸出不去，要先转化为天冬氨酸出去，出去后再重新生成草酰乙酸。

    （2）甘油-3-磷酸穿梭途径：

这个就更简单了，大意是：NADH进不去，于是把二羟丙酮磷酸还原为甘油-3-磷酸，把氢和电子传给了甘油-3-磷酸。甘油-3-磷酸可以进去，然后再被氧化为二羟丙酮磷酸，这个过程中生成了FADH2，这另一种形式的还原氢。

    值得注意的是，FADH2与NADH分别进入不同类型的呼吸链进行电子传递，产生的ATP数是不同的，1分子FADH2可产生1.5分子ATP，而NADH则为2.5分子ATP。也就是说NADH通过甘油-3-磷酸穿梭途径将氢和电子传递到线粒体内会有ATP的损失。

   线粒体内膜上存在一类整合蛋白可将ADP和ATP对向转运，称为腺苷酸转运体，是内膜上含量最丰富的蛋白质。它的作用是把基质中的ATP运出，同时把线粒体外的ADP运入（特殊情况下，比如当呼吸链受阻时，也可能把ADP从基质运向细胞溶胶，ATP则运入线粒体），此过程也是耗能的，属主动转运，而且，它也不是ATP直接驱动的，而是借助内膜的膜电位驱动的。腺苷酸转运体能够以1:1的方式和1500-2000次/min的频率进行ADP、ATP交换，这种转运具有高度的选择性和受膜电位的调控——膜电位高于-100mv时，其转运速率随膜电位升高而增大；低于-100mv时则发生转运方向的逆转。

     线粒体为半自主细胞器，已知线粒体基因组仅能编码20种线粒体膜和基质蛋白，也就意味着多数蛋白质由核基因编码，在细胞质中由核糖体合成后再转运进线粒体。蛋白质作为大分子，如何穿过线粒体外膜和内膜呢？

    简单来说，在细胞质中合成的线粒体蛋白的N端有一段序列称为前导肽，它不但含有识别线粒体的信息，并且有牵引蛋白质通过线粒体膜进行运送的功能。不同的导肽具有不同的信息，可使线粒体蛋白分别运送到基质，定位在内膜或膜间隙。形象地说，导肽就像火车头，被牵引的蛋白质就像车厢，导肽决定运送的方向，对于车厢装的是什么货物，并没有特异性要求。含导肽的蛋白在跨膜运输时，需要一系列功能蛋白的辅助，这其中有识别受体、有加工蛋白所需的酶、帮助蛋白质正确折叠的分子伴侣等等，此处不一一细谈。蛋白质穿过膜的部位为内外膜相接触的部位，蛋白质进入线粒体后，导肽则完成使命进而被酶切下。

    大概过程可以借下图感受一下：