线粒体的结构与功能.

线粒体的结构与功能

生命科学与食品工程系，050601030, 易永洁

摘要：线粒体是细胞质中重要的细胞器之一，普遍存在于真核细胞中。它是生物氧化和能量转换的主要场所，以氧化磷酸化(OXPHOS)方式将食物内蕴藏的能量转变为可被机体直接利用的ATP高能磷酸键。细胞生命活动所需能量的80％来源于线粒体，因此线粒体在细胞的生长代谢和人类的遗传中都有重要的作用。

关键词：线粒体；；结构；功能；遗传病；mtDNA

自1890年Altaman首次发现线粒体以来，生物学家就一直以极大的热情给予关注，到目前为止，其结构和功能方面的研究已经越来越深入明了。

1线粒体的结构

1.1外膜(out membrane)

含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。

1.2内膜（inner membrane）

含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。

线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。

内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍），嵴有两种类型：①板层状、②管状，但多呈板层状。

1.3膜间隙(intermembrane space)

是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。

1.4基质（matrix）

为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。

基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。

2线位体的功能

生命要存活就必须要有源源不断的能量供应，线粒体扮演着能量供应站的角色。糖、脂肪、氨基酸，最终氧化放能的场所是线粒体。线粒体内膜上含有呼吸链酶组，它是由5个酶复合体(Ⅰ-Ⅴ)组成的，分别是：NADH-Q还原酶（复合体Ⅰ），琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ），细胞色素还原酶（复合体Ⅲ），细胞色素氧化酶（复合体Ⅳ），及ATP合酶（复合体Ⅴ）。糖、脂肪、氨基酸，最终氧化的共同途径是三羧酸循环和氧化磷酸化；三羧酸循环是在线粒体基质中进行的，氧化磷酸化过程是在呼吸链酶组分参与下完成的。三羧酸循环的最终产物为CO2、NADH和FADH2。后两者的电子进入内膜呼吸链并沿呼吸链酶组分传递，其间释放的能量用以将基质中的H+定向转运至内膜外，从而形成跨线粒体内膜两侧的H+梯度和电位梯度，电子在呼吸链的终端将O2还原成H2O，H+借助电化学梯度从内膜外进入基质的过程中释放能量，在内膜的A TP合成酶作用下促使ADP和Pi结合生成A TP。生物体能量的储存和利用以A TP为中心，细胞生命活动所需能量的95％是以ATP的形式直接提供的。除产生ATP外，线粒体跨内膜电化学梯度还执行另一个重要的功能，即摄取Ca2+，以维持胞浆中游离钙离子的低浓度（<10-7摩尔）和精确地调整其浓度，以保持细胞内环境的稳定性。线粒体膜上的协同转运体(uniporter)实现对钙摄取，它由线粒体内外膜间的电化学梯度来驱动；2Na+/Ca2+交换系统（2Na+/Ca2+exchanger，NCE）和大分子通透性转移孔道（mitochondrial permeablizetransition pore，MPTP）将线粒体内累积的Ca2+释放到胞浆中去。此外，线粒体在一定条件下所释放出的Ca2+，除满足维持内环境稳定的需要外，还用以激发一些细胞机能，如细胞的胞吞、胞吐及收缩作用等。

3线位体遗传病

线粒体病(mitochondriopathy)是指因遗传缺损引起线粒体代谢酶的缺陷，导致ATP合成障碍、能量来源不足而出现的一组多系统疾病，也被称为线粒体细胞病(mitochondrla cytopathy) 。线粒体病主要由mtDNA的突变造成，包括点突变、缺失、重复及丢失等。迄今为止，共发现50余种病理性DNA点突变及数百种重排方式，同一种mtDNA突变对于不同患者可造成不同的临床表现，

3．1线粒体遗传病的特点

3.1.1半自主性mtDNA能够独立地复制、转录和翻译，但维持线粒体结构与功能的主要大分子复合物和大多数酶的亚单位由核DNA编码，故线粒体遗传表现为半自主性。

3.1.2母系遗传受精卵中大多胞质来自卵细胞所致。

3.1.3异质性分裂过程中线粒体不均等分配使得同一组织或个体中(如同卵双生子)可具有不同的细胞质基因型，从而具有不同的表现型。

3.1.4有阈值效应突变的mtDNA数量达到一定程度时才引起某种组织或器官的功能异常，各组织器官对能量的依赖性是不同的，脑、骨胳肌、心、肾、肝对能量的依赖性逐渐降低，所以，线粒体遗传病很多都属于脑部与肌肉的疾病。每一器官都有其能量阈值效应，故线粒体基因突变点也有相应的阈值效应。

3.2几种常见的线粒体遗传病

3.2.1 Leber遗传性视神经病

Leber遗传性视神经病(LHON)是一种罕见的眼部线粒体疾病，是人类母系遗传的典型病例，也是第一种在分子水平上研究请楚的母系遗传病，至今尚未发现有男性患者将此病传给后代。该病产生的病因是mtDNA的11778位点的G_+A突变，突变使NADH脱氢酶异常，影响了线粒体内能量的产生，此外还有其他位点的突变，它们的累加效应可不同程度地使电子传递功能受阻从而影响视觉功能，核基因异常也可引起LHON的发生。患者临床上先表现为急性眼球后神经炎，导致双侧视神经萎缩，开始视觉模糊，接着几个月内出现无痛性、完全或接近完全的失明，两眼同时失明或一眼失明后另一眼很快失明，伴随症状包括反射亢进、小脑失调、心律紊乱，男女患者比为4：1。

3.2.2线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征

约80％的线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征(MELAS)患者的mtDNA编码的tRNA基因3243位点存在A G点突变，也有其他位点突变，使得mtDNA转录活性降低并影响线粒体功能。主要是丙酮酸代谢受影响，大量丙酮酸生成乳酸积累在血，导致丙酮酸中毒。患者常在40岁以前出现如下异常：突发呕吐、复发性休克、肌肉组织病变等，少数患者伴痴呆、耳聋、偏头痛、肌无力等，MELAS患者在脑和骨肉的小动脉和毛细血管壁中有大量形态异常的线粒体聚集。

3.2.3糖尿病

随着对线粒体遗传病的认识不断深入，线粒体基因突变被认为是糖尿病的一种新的遗传缺陷。线粒体基因突变导致的糖尿病是一种新的类型，约占全球糖尿病人群中的1．5％。近年来发现有20余种线粒体基因突变与糖尿病有关，其中最常见的mtDNA的tRNA基因3243位点A G突变，可能导致胰岛B细胞缺陷不能正常分泌胰岛素，该位点突变引起的糖尿病占线粒体突变所致糖尿病的50％。