线粒体

细胞动力工厂——线粒体

1. 线粒体的发现及命名

1980年，德国科学家Altmann首先在光学显微镜下观察到动物细胞内存在着一种颗粒状的结构，称做生命小体（bioblast）。1987年Benda重复了以上实验，并将之命名为线粒体（mitochondria）。1904年Meves在植物细胞中也发现了线粒体，从而确认线粒体是普遍存在于真核生物所有细胞中的一种重要细胞器。

2. 线粒体的形态结构和功能

2.1 线粒体的形态、大小、数量和分布

线粒体的形状多种多样, 一般呈线状,也有粒状或短线状。线粒体的直径一般在0.5～1.0 μm，在长度上变化很大, 一般为1.5～3μm，长的可达10μm。不同组织在不同条件下有时会出现体积异常膨大的线粒体, 称为巨型线粒体(megamitochondria)。

一般动物细胞内线粒体的数目由数百到数千个不等，肝细胞内约有1700个左右。植物细胞的线粒体数量一般较动物细胞的少。线粒体的数目还与细胞的生理功能和生理状态有关，在新陈代谢旺盛的细胞中线粒体居多，如人和哺乳动物的心肌、小肠、肝脏等细胞中线粒体很丰富；运动员的肌细胞线粒体比不常运动的人的多。

线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，往往在细胞代谢旺盛和需能的地方分布较多，因为这些区域需要较多的ATP。例如肠上皮细胞中的线粒体呈两极性分布，集中于顶部和基部；肌细胞的线粒体沿肌原纤维规则排列；精子细胞的线粒体集中在鞭毛中区。线粒体的这种分布显然更利于能量的传递和利用。

2.2 线粒体的结构

线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构。主要由外膜、内膜、膜间隙和基质4部分组成。外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴,两层膜之间即为膜间隙,线粒体中央是基质。

线粒体外膜光滑而有弹性，含40%的脂类和60%的蛋白质，厚度约为6 nm。具有孔蛋白构成的亲水通道，直径约为2-3nm。相对分子量为10×103以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。

线粒体内膜位于外膜内侧，是膜间隙和基质的分界线，厚约6-8nm。内膜对物质的通透性很低, 只有不带电的小分子物质才能通过，大分子和离子通过内膜需要特殊的转

运系统。这种“不透性”在ATP生成的过程中起重要作用。内膜向内折褶形成许多嵴, 大大增加了内膜的表面积，这对线粒体进行高速的生化反应是极为重要的。嵴的形状和数量与细胞种类及生理状况密切相关，需能多的细胞不但线粒体多，嵴的数量也多。嵴的形状

基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类,内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体。线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,有细胞"动力工厂" (power plant)之称。另外,线粒体有自身的DNA和遗传体系, 但线粒体基因组的基因数量有限,因此,线粒体只是一种半自主性的细胞器。

膜间隙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。

基质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。虽然线粒体也能合成蛋白质，但是合成能力有限。线粒体1000多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA 合成酶、许多结构蛋白，都是核基因编码，在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此称线粒体为半自主细胞器。

2.3 线粒体的功能

2.3.1 氧化磷酸化

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。线粒体是糖类、脂肪酸和氨基酸最终氧化释能的场所。线粒体内有两个主要部分参与能量的制造：电子传递链（呼吸链）和三磷酸腺苷酶（简称ATP酶）。糖类和脂肪等营养物质在细胞质中经过降解作用产生丙酮酸和脂肪酸，这些物质进入线粒体基质中，再经过一系列分解代谢形成乙酰CoA，即可进一步参加三羧酸循环。三羧酸循环中脱下的氢经过线粒体内膜上的电子传递链最终传递给氧，在此过程中释放的能量，通过ADP的磷酸化，生产高能量的化合物ATP，供给机体各种活动的需要。氧化磷酸化是细胞获得能量的主要途径。

2.3.2 其它功能

线粒体除了它最主要的功能氧化磷酸化之外，还参与到了许多其它的细胞活动中，如细胞中氧自由基的生成，细胞程序性死亡，细胞的信号转导，细胞内多种离子的跨膜转运及电

解质稳态的调控。

2.3.3瑞典研究发现线粒体功能控制机制

线粒体通常被称为“细胞的发电机”，线粒体内部的核糖体蛋白能够将食物中的能量转化成新的蛋白质，从而被人体加以吸收利用。

研究人员在新一期国际学术期刊《细胞新陈代谢》上发表论文说，通过老鼠实验发现，一种名为ＭＴＥＲＦ４的蛋白质非常关键，它与另一种名为ＮＳＵＮ４的蛋白质组合成一个复合体后，能控制线粒体核糖体的形成与功能。而在缺少ＭＴＥＲＦ４蛋白质的情况下，线粒体内的核糖体将无法形成，也无从产生核糖体蛋白，这导致老鼠肌体的能量制造能力下降。

项目研究负责人拉尔松教授说，有多种遗传疾病和老年病与线粒体功能衰退相关，因此彻底了解线粒体发挥作用的机理对治疗这些疾病有十分重要的意义。

3. 线粒体与疾病

线粒体是细胞内最容易受损的一个敏感的细胞器，它可以显示细胞受损伤的程度。许多研究工作表明，线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关，线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。这一类疾病成为“线粒体疾病”。

线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷，使ATP合成障碍、能量来源不足导致的一组异质性病变。Luft等（1962）首先报道一例线粒体肌病，生化严重证实为氧化磷酸化脱偶联引起。Anderson（1981）测定人类线粒体DNA（mtDNA）全长序列，Holt（1988）首次作线粒体病患者发现mtDNA缺失，证实mtDNA突变是人类疾病的重要病因，建立了有别于孟德尔遗传的线粒体遗传的新概念。根据线粒体病变部位不同可分为：①线粒体肌病：线粒体病变侵犯骨骼肌为主，主要症状是肌肉无力、肌肉萎缩以及运动不耐受；②线粒体脑肌病：病变同时侵犯骨骼肌和中枢神经系统，一般包括以上所述的肌病症状，同时伴有一至多项神经系统症状。

4.线粒体的DNA

4.1结构

线粒体DNA（mtDNA）呈双链环状，一个线粒体中可有1个或几个DNA分子。mtDNA 可自我复制，其复制也是以半保留方式进行的。用同位素标记证明，mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期和G2期。DNA先复制，随后线粒体分裂。其复制仍受细胞核的控制，复制所需要的DNA聚合酶是由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成的。mtDNA虽