细胞生物学第06章线粒体
医学细胞生物学-6 线粒体
第六章线粒体与细胞的能量转换1化学组成和遗传体系。
2第一节线粒体的基本特征●一、线粒体的形态、数量和结构●二、线粒体的化学组成●三、线粒体的遗传体系●四、线粒体核编码蛋白质的转运●五、线粒体的起源●六、线粒体的分裂与融合●七、线粒体的功能 3一、线粒体的形态、数量和结构1.线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关形态：光镜下，线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等●低渗情况下，膨胀如泡状；高渗情况下，伸长为线状●胚胎肝细胞线粒体：发育早期短棒状，发育晚期长棒状●酸性环境下膨胀，碱性环境下粒状4大小：细胞内较大的细胞器。
一般直径：0.5—1.0um;长度：3um。
骨骼肌细胞中可见巨大线粒体，长达7—10微米数目：不同类型的细胞中差异较大。
最少的细胞含1个线粒体，最多的达50万个。
正常细胞中：1000—2000个。
●单细胞鞭毛藻中1个线粒体●巨大变形虫中约50万个线粒体●哺乳动物肝细胞中约2000个线粒体，肾细胞中约300个5分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。
通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。
●精细胞中，沿鞭毛紧密排列；肌细胞中，包装在邻近肌原纤维中间●细胞内线粒体分布可因细胞的生理状态改变产生移位现象●肾小管细胞内交换功能旺盛时，线粒体集中于质膜近腔面内缘；●有丝分裂过程中线粒体均匀分布在纺锤丝周围。
总之：线粒体的形态、大小、数目和分布在不同形态和类型的细胞可塑性较大。
67 2. 超微结构：线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构☆内膜与外膜套叠形成囊中之囊☆内、外囊膜不相通☆内外膜组成线粒体的支架 8(1) 外膜（outer membrane ）：包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚5—7nm ，平整、光滑。
外膜的1/2为脂类，1/2为蛋白质。
外膜含有多种转运蛋白，形成较大的水相通道跨越脂质双层，φ：2-3nm ，允许分子量为10 K 以内的物质可以自由通过。
细胞生物学 线粒体
Arg
H+通道I
γ和ε的转动引起β构象变化，催化ATP生成
结合变化机制：
β三种状态:
O 空置状态
ADP＋Pi ATP
T 紧密结合态
L 松散结合态
转子旋转的试验学证据：
• 在嗜热菌的 F1ATPase β的N端 添加10个His，固定 在Ni-NTA膜上； • 将γN端的一个Ser换 为Cys，以连上肌动 蛋白丝(荧光标记)； • 加ATP后可观察到 肌动蛋白丝旋转；
基粒(elementary particle)
• 内膜和嵴的基质面上带柄的颗 粒； • 由头部（F1）和基部（F0）构 成。 (F1-F0 ATP酶)
长 轴 垂 直 板 层 状 嵴
管状嵴
纵行排列板层状嵴
心肌细胞排列紧密的板层状嵴
3 膜间腔
• 外膜与内膜间的空腔，由于外膜通透性很强，
而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学
3）呼吸链的电子传递及其抑制剂和作用部位
鱼藤酮 ×
氰化物 叠氮钠 CO
×
×
抗霉素A
氧化还原电势
琥珀酸 脱氢酶
通过电子传递链实现了跨膜的H＋浓度差
2 ATP合成酶 (ATP synthase)
F1：亲水性头部，易分离，催 线粒体基质 化ATP ,含3α、3β、γ、δ和ε； • 水解 的多亚基蛋白复合物， β:催化 ATP合成 水解； 由水溶性 F1/ 头部和疏水 ε:抑制 水解,堵塞H＋通道； 性ATP F0基部所组成，也叫 F1F0 ATPase。 F0：疏水性基部，传送H＋到F1, F0 含1a, 2b, 10-14c。 a: H＋通道； “转子” ：γ，ε
◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（电子传递 体和H+ 移位体） 组成：含42个亚基，至少6Fe-S中心和1黄素蛋白。 作用：氧化NADH，将2e-CoQ；泵出4 H+ ◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（电子传递体而 非H+移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，1Cytb 作用：氧化琥珀酸，2e-FADFe-SCoQ
细胞生物学：第6章 线粒体和叶绿体
透射电镜
1. 外膜：包围在线粒体最外面的一层单位膜
结构特点： 光滑而有弹性；
具直径2～3nm的小孔
含有孔蛋白,所以外膜的通透性 非常高,可允许所有相对分子量小 外膜 于5x103以下的小分子通过，使 得膜间隙中的环境几乎与胞质溶 胶相似 ；
脂质与蛋白质比值为1:1，比内
膜高（0.3:1），即：外膜中的蛋
是电子传递释放能量驱动的一种质子泵
复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶 组成： 含有四个氧化还原中 心（细胞色素a和a3以及两个铜 离子）
作用：催化电子从细胞色素c 传给O2；每传递一对电子要从 基质中摄取4H+，其中2 H+转移 到膜间隙，2 H+ 用于水的形成
线 粒 体 内 膜 中 的 运 输 系 统 丙酮酸
3. 膜间隙：内外膜之间的腔隙 宽约6-8nm，含许多可溶性酶、底物及辅助因子；
由于外膜的通透性非常高,使得膜间隙中的环境几 乎与胞质溶胶相似 ；
4. 基质或内室：内膜所包围的脊外空间 含有大量的酶：参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨 基酸降解等有关的酶都存在于基质之中 ；
作用：催化琥珀酸（FADH2）中的2个低能电子 通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q。电子传递时不伴 随质子的跨膜转移
只是电子传递体而非质子泵
复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物
或称CoQ-细胞色素c还原酶、细胞色素还原酶
组成：包括1个细胞色素c1、1个细胞色素b和1个 铁硫蛋白 作用：催化电子从辅酶Q传递给 细胞色素c。每传递一对电子会伴 随4H+泵出（通过Q循环的途径实 现）
占细胞质比例的50%以上
线粒体的融合与分裂 可能是细胞应对生命活动需求进行合理分布的手 段之一
线粒体经常包围 着含脂肪酸的油滴， 从中获取大量的用 于氧化反应的原料
细胞生物学_06细胞的能量转换
⒊氧化磷酸化作用与电子传递的偶联
当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形
成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过
程称为氧化磷酸化。
NADH呼吸链生成ATP的3个部位是：①NADH 至辅酶Q；②细胞色素b至细胞色素c；③细胞色 素aa3至氧之间。但FADH2呼吸链只生成2个ATP 分子。
三、线粒体的功能
线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化，合成 ATP，为细胞生命活动提供直接能量。 线粒体是糖、脂肪、和氨基酸最终释能的场所。 糖和脂肪等营养物质在细胞质中经过酵解作用
产生丙酮酸和脂肪酸。这些物质选择性地从细胞质
进入线粒体基质中，经过一系列分解代谢形成乙酰
CoA，即可进入三羧酸循环。
三羧酸循环脱下来的氢经线粒体内膜上的电子 传递链（呼吸链），最后传递给氧，生成水。
其意义：提供了氧化反 应所需的氢离子，通过 递氢体NAD+ 、 FAD将其 传递到呼吸链→氧化磷 酸化 。
-酮戊二酸 NADH2 2 NAD
NADH2
三羧酸循环开始。 总反应式：
2乙酰辅酶A+6NAD++2FAD++2ADP+2Pi+6H2O
4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2辅酶A+2ATP
糖酵解
在细胞质中， 脂肪和葡萄糖 降解生成丙酮 酸进入线粒体 基质
三羧酸循环
在线粒体基质中，在丙酮脱氢酶体系作用下，丙酮酸进 一步分解为乙酰辅 酶A，NAD+作为受氢体被还原。 丙酮酸+辅酶A+2NAD+ 2乙酰辅酶A+CO2+2NADH+2H+ 乙酰辅酶A与草酰乙酸结合生成柠檬酸
医学-细胞生物学线粒体
二、线粒体的超微结构
两层单位膜 围成的
封闭的囊状结构。
分为四部分 外膜 内膜 膜间隙 基质
线粒体的结构
线粒体的超微结构
1.外膜 (outer membrane)
膜间隙 （外室）
外膜 嵴 内膜
嵴间腔 嵴内腔 （内室）
2.内膜（inner membrane）
由一层单位膜构成， 膜间隙 厚5nm，通透性差， （外室） 有高度选择通透性， 借助载体蛋白控制 内外物质的交换。
细胞氧化
一分子葡萄糖 酵解：2个
彻底氧化生成
三羧酸循环：2个
38个ATP 线粒体：36个
内膜呼吸氧化过程：
34个
本章重点
1. 掌握：线粒体的形态、超微结构、 线粒体的半自主性。
2. 熟悉：线粒体的功能。
标志酶—苹果酸脱氢酶
– 线粒体DNA（mtDNA），线粒体核糖体，
tRNA 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质， Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
线粒体的化学组成
三、线粒体的化学组成
1. 蛋白质：占线粒体干重的65% -70%，内膜含量 较多。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白； 不溶性蛋白：为膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。
4nm 长 4.5-6 nm
6-11.5nm 高5-6nm
F1抑制蛋白 头部: 合成ATP
F1
柄部 : 调节质子通道
OSCP
基部: 质子通道
F0
基粒 （ATP酶复合体）
ATP 合酶
F1 柄部OSCP F0
3. 膜间隙 (intermembrane space)
细胞生物学线粒体
需能较多的部位。
二、线粒体的超微结构
两层单位膜 围成的
封闭的囊状结构。 分为四部分
线粒体的结构
外膜
内膜 膜间隙 基质Βιβλιοθήκη 线粒体的超微结构外膜
嵴 内膜
1.外膜 (outer membrane)
膜间隙 （外室）
嵴间腔 （内室）
嵴内腔
外膜
嵴 内膜
2.内膜（inner membrane）
由一层单位膜构成， 膜间隙 厚5nm，通透性差， （外室） 有高度选择通透性， 借助载体蛋白控制 内外物质的交换。
⑵ 起始密码子为AUA，与原核细胞相同。
⑶ 蛋白质合成系统药物敏感性与细菌一致与胞质不同。 ⑷ 蛋白质合成数量有限。
⑸ tRNA 、 rRNA和核糖体用于自身。
线粒体蛋白质合成
三. 线粒体的半自主性
（1）有一定的自主性 线粒体有DNA和蛋白质合成系统—独立的遗传系统。 （2）自主性不完全：mtDNA分子量小、基因少、编码 的蛋白质只占线粒体蛋白质的10%， 90%线粒体蛋白质 由核基因编码、在细胞质合成后转运到线粒体中去。
头部 : 合成ATP
F1
柄部 : 调节质子通道
4nm 长 4.5-6 nm 6-11.5nm 高5-6nm
OSCP
基部: 质子通道 F0
基粒 （ATP酶复合体）
ATP 合酶
F1
柄部OSCP
F0
外膜
嵴 内膜
3. 膜间隙 (intermembrane space) 内外膜之间的腔隙， 宽约6-8nm，又称外室。
并释放能量的过程。
偶联磷酸化的关键装置———— 基粒（ATP酶复合体）
F1— 合成ATP
细胞生物学之笔记--第6章
第六章线粒体mitochondion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&结构（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关线状、粒状、杆状etc 直径0.5~1.0μm。
（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outer membrane5~7nm厚，50%脂类、50%蛋白（重量）外膜蛋白多为转运蛋白，形成跨膜水相通道（直径2~3μm），允许分子量10kD以下分子通过，包括小分子多肽（氨基酸平均分子量128D）2.内膜的内表面附着许多颗粒inner membrane4.5nm厚，20%脂类、80%蛋白✧内腔/基质腔（matrix space）由内膜包裹的空间✧外腔/膜间腔（intermembrane space）内、外膜之间的空间✧嵴（cristae）内膜大量向内腔突起性折叠形成✧嵴间腔（intercristae space）嵴与嵴之间的内腔部分✧嵴内空间（intracristae space）由于嵴向内腔突起，造成的外腔向内伸入的部分内膜通透性很小，分子量大于150D，就不能通过内膜有高度的选择通透性，膜上转运蛋白控制内外腔的物质交换内膜内表面附着许多颗粒，数目：104~105个/线粒体，称基粒elementary particle =A TP合酶复合体（A TP synthase complex）3.内外膜相互接近所形成的转位接触点是物质转运到线粒体的临时性结构转位接触点translocation contact site 电镜观察揭示内外膜有些接触点转位接触点分布有蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体，称内膜转位子translocon of the inner membrane, Tim; 和外膜转位子translocon of the outer membrane, Tom4.基质是氧化代谢的场所✧基质matrix 内腔中充满的电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分✧基质中含各种酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成✧基质中含有双链环状DNA、70S核糖体有1~多个DNA拷贝，有独立遗传物质复制、转录、翻译5.基质的化学本质是ATP合酶基粒，又称A TP合酶复合体，头部直径9nm，柄部长5nm，宽4nm二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组mtDNA(mitochondrial DNA) 裸露、不与组蛋白结合，基质内一个线粒体平均5~10个DNA分子，编码线粒体的t RNA、rRNA及一些线粒体蛋白质但大多数酶和蛋白质仍由细胞核DNA编码，在细胞质中合成，转送到线粒体中线粒体基因组共16 569 bp，双链环状DNA，一条重链，一条轻链。
细胞生物学第六章 线粒体和叶绿体
F1和γ旋转的实验证明
氧化磷酸化抑制剂
1．电子传递抑制剂： 抑制NADH→CoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。
抑制复合物III。抗霉素A 。
抑制复合物IV。如：CO、CN、H2S。
电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当
呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，
■ 呼吸链含有三个氧化磷酸化偶联位点 ● 氧化磷酸化偶联位点 根据对呼吸链中不同复合物间氧化还原电位的 研究，发现复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ每传递一对电子， 释放的自由能都足够合成一分子ATP，因此将 复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ看成是呼吸链中电子传递与 氧化磷酸化偶联的三个位点。 如果以FADH2作为电子供体，则只有两个ATP 合成偶联位点。
● 外膜
单位膜结构。外膜含有孔蛋白, 通透性高, 膜间隙中的环境与胞质溶胶相似。外膜含 有一些特殊的酶类，如单胺氧化酶,这种酶 能够终止胺神经递质,如降肾上腺素和多巴 胺的作用。 线粒体外膜的功能：建立膜间隙；对那些 将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先 行初步分解。
● 内膜
内膜富含心磷脂，通透性差，一般不允许 离子和大多数带电的小分子通过。 线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴， 其 上有ATP合酶（F0-F1 复合体）。 内膜的酶类可以粗略地分为三类∶运输酶 类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化 的主要部位。在电子传递和氧化磷酸化过 程中，线粒体将氧化过程中释放出来的能 量转变成ATP。
■ 线粒体各部分的特性和功能 ● 蛋白分布:
● 功能
由于线粒体各部分结构的化学组成和性质的不同，它们的 功能各异。
● 标志酶
通过细胞化学分析， 线粒体各部位有特征 性的酶， 称为标志酶。 外膜: 单胺氧化酶 内膜: 细胞色素氧化酶 膜间隙: 腺苷酸激酶 基质: 苹果酸脱氢酶
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呼吸链
Ⅳ
（Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ为膜上的转运载体）
3-磷酸甘油穿梭途径
NADH
（细胞质）
磷酸二羟丙酮
NAD+
3-磷酸甘油
磷酸二羟丙酮
线
粒
体
内
FADH2
膜
3-磷酸甘油
FAD
NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2
（线粒体基质）
(二)电子传递链与电子传递
电子传递链：在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由 一系列能可逆的接收和释放电子或H+的化学物质所组成，它们 在内膜上相互关联的有序排列成传递链,这一复杂传递体系即电子 传递链，又称呼吸链。
3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类)
◆复合物Ⅱ：琥 珀酸脱氢酶复合 物（是电子传递 体而非质子移位 体）
组 成 ： 含 FAD 辅基，2Fe-S中心，
作用：催化2 低能电子 FADFe-S 辅酶Q (无H+泵出)
猪心粒体膜蛋白复合物II的三维结构 （饶子和 等，2019，Cell）
3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类)
线粒体结构模式图
线粒体外膜孔蛋白
· 执行氧化反应的电子传递链 · ATP合成酶 · 线粒体内膜转运蛋白
线粒体内膜中的运输系统
二、线粒体的化学组成及酶的定位
● 线粒体组分分离方法 ● 线粒体的化学组成 ● 线粒体酶的定位
线粒体组分的分离
2.线粒体的化学组成与各部分功能
◆蛋白质(线粒体干重的65～70％) ◆脂类(线粒体干重的25～30％)： 白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）
Fe2+
2．电子载体的排列顺序
◆电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD 最低，H2O/O2最高)
◆ 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能 电子 (能量转化)， 终止于O2形成水。
◆ 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将 H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转 化)
酶的名称
腺苷酸激酶
膜间隙 二磷酸激酶
核苷酸激酶
基质
柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系、 天冬氨酸转氨酶、 蛋白质和核酸合成酶系、 丙酮酸脱氢酶复合物
三、线粒体的功能
线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞 生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细 胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运 及电解质稳态平衡的调控有关。
◆ 氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化(ADP+Pi， 储能)同时进行，分别由两个不同的结构体系执行.
1. ATP合酶的结构与组成
线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合 成是由两个不 同的结构体系执行, F1颗粒具有ATP酶活性
ATP合酶可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存 的能量合成 ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙
3. 线粒体主要酶的分布
部位 外膜
内膜
酶的名称 单胺氧化酶 NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感） 犬尿酸羟化酶 酰基辅酶A合成酶
细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶
ATP合成酶系 琥珀酸脱氢酶 β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶 肉毒碱酰基转移酶 丙酮酸氧化酶 NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）
部位
三维构象，cyt a,cyt a3 ,Cu,Fe 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2H+泵出，
2H+参与形成水。
细胞色素C氧化酶的三维结构与作用
（三）两条氧化呼吸链
1．NADH氧化呼吸链 2．琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)
（四）ATP形成机制——氧化磷酸化
磷酸化：将ADP转变为ATP的过程称为磷酸化。
氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的过程 中，释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称之氧化磷酸化，
即氢的氧化和ADP的磷酸化相耦联，又称为耦联磷酸化。 氧化磷
酸化偶联部位：
（四）ATP形成机制——氧化磷酸化
◆ 氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分 子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP
1. 电子载体
黄素蛋白：由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）或FAD组成的结 合蛋白，线粒体中主要的黄素蛋白有NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。 细胞色素：带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白。 泛醌：辅酶Q，唯一不与蛋白结合的电子载体，可在膜中自由扩散，在 单电子受体和双电子受体之间起作用。 Fe-S蛋白：一类含非血红素铁的蛋白质,靠Fe3+和Fe2+的变换传递电子。 铜原子：在线粒体内膜的单个蛋白质分子内，传递单个电子。
◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又 是质子移位体）
组成：包括1 cytc1、1 cytb、1 Fe-S蛋白 作用：催化电子从UQH2cytc；泵出4 H+ （2个来
自UQ，2个来自基质）
◆ 复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是 质子移位体）
组 成 ： 二 聚 体 ， 每 一 单 体 含 13 个 亚 基 ，
黄素蛋白酶类
特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白
递氢机理：FAD(FMN)+2H
FAD(FMN)H2
细胞色素血红素的结构 还原型Cytc的吸收光谱
波长/nm
+e
传递电子机理：Fe3+
Fe2+
-e
CoQ的结构和递氢原理
CoQ+2H
CoQH2
铁硫蛋白
传递电子机理：Fe3+
+e -e
◆ 电子传递链各组分在膜上不对称分布
3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类)
◆复合物Ⅰ： NADH-CoQ 还 原 酶 复合物（既是电子 传递体又是质子移 位体）
组 成 ： 含 42 个 蛋白亚基，至少6个 Fe-S 中 心 和 1 个 黄 素蛋白。
作用：催化 NADH 氧 化 ， 从 中 获得2高能电子辅 酶Q； 泵出4 H+
(一)线粒体中的氧化代谢 1.三大物质代谢 2.NADH的进入线粒体的两种“穿梭”途
径
细胞质
苹果酸-天冬氨酸穿梭途径
线粒体内膜
线粒体基质
NAD+ 苹果酸
苹果酸 脱氢酶
NADH+H+ 草酰乙酸 谷氨酸
谷草转氨酶
天冬氨酸 -酮戊二 酸
Ⅰ
苹果酸
NAD+
苹果酸 脱氢酶
Ⅱ
谷氨酸 草酰乙酸 NADH+H+
谷草转氨酶