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粒線體內膜(英語:inner mitochondrial membrane,縮寫為「IMM」)是位於粒線體外膜內側,包裹著粒線體基質的一層單位膜。粒線體內膜比外膜稍薄,厚約5-6nm。粒線體內膜中蛋白質與磷脂的質量比較高(約為0.7:0.3),並含有大量的心磷脂(心磷脂與磷脂的質量比約為0.22:0.78)。粒線體內膜的某些部分會向粒線體基質摺疊形成嵴,嵴的形成可大大增加該膜的表面積。粒線體內膜的標誌酶是細胞色素氧化酶。
粒線體內膜的脂質組成與細菌細胞膜的相似,這一現象可利用內共生假說解釋。該假說認為粒線體是由被真核細胞胞吞後內化的原核細胞衍變而來的。
粒線體內膜含有比外膜更多的蛋白質,所以承擔著更複雜的生化反應。存在於粒線體內膜中的蛋白質主要可分為如下幾類,它們分別負責不同的生理過程:
粒線體內膜不含有孔蛋白,所以通透性較粒線體外膜低。此外,粒線體內膜中的心磷脂與離子的不可滲透性有關。相對於外膜而言,內膜對於大多數的核苷、糖類以及較小的離子等都是不通透的,這些物質進出粒線體內膜需要利用各自對應的特異性載體。線粒體內膜對大多數離子的低滲透性為其建立質子梯度、驅動ATP合成並行駛其他正常功能提供了保證。
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