线粒体结构与功能

线粒体
（mitochondria）
线粒体的研究历史
1890: R.Altman（亚特曼）在动物细胞中首次发现线粒体,命名为生命小体(bioblast)。

1897: Von Benda 命名为线粒体(Mitochondrion)
1900：L.Michaelis（米凯利斯) 用詹姆斯绿B对线粒体进
行活体染色，发现线粒体存在大量的细胞色素氧
化酶系。

1913：Engelhardt（恩格尔哈特）证明细胞内ATP磷酸化与
细胞内氧消耗相偶联。

1943-1950：Kennedy等证明糖最终氧化场所在线粒体。

1952-1953：Palade（帕拉登）等用电镜观察线粒体的形
态结构。

1976： Hatefi等纯化呼吸链四个独立的复合体。

1961-1980：Mitchell（米切尔）氧化磷酸化的化学渗透
假说。

1963年：Nass首次发现线粒体存在DNA。

Contents
线粒体的形态结构
线粒体的化学组成及酶的定位
线粒体的功能
线粒体的半自主性
线粒体的生物发生（自学）
第一节线粒体的形态结构
一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布
（一）形态、大小
光镜下常见线粒体呈线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，随细胞生理状况而变。

一般直径0.5～1.0μm，长1.5～3.0μm。

不同细胞线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长5μm; 胰腺外分泌细胞线粒体长10～20μm，人成纤维细胞线粒体长40μm。

线粒体形态、大小因细胞种类和生理状况不同而异。

光镜下:线状、杆状、粒状
二）数量
依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。

利什曼原虫:一个巨大的线粒体；
海胆卵母细胞：30多万个。

随细胞生理功能及生理状态变化
需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小
肠、肝等内脏细胞；
飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目比不飞翔鸟多；
运动员肌细胞：线粒体数目比不常运动人的多。

（三）分布
分布: 不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。

肌细胞: 线粒体沿肌原纤维规则排列；
精子细胞: 线粒体集中在鞭毛中区；
分泌细胞：线粒体聚集在分泌物合成的区域；
肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。

线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利
于细胞需能部位的能量供应。

二、线粒体的亚微结构
(一) 外膜 Outer membrane
包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6-7nm，平整、光滑，封闭成囊。

外膜含运输蛋白（通道蛋白），形态上为排列
整齐的筒状小体，中央有孔，孔径1-3nm，允许分
子量1KD以内的物质自由通过，构成外膜的亲水通道。

(二) 内膜 inner membrane
结构特征：
高度特化的单位膜，厚4.5nm，膜上蛋白质占膜总重量 76%；
通透性小，具通透屏蔽作用，许多物质不能自由透过；
（例如：H+ 、ATP、丙酮酸等）物质透过必须借助膜上
的载体或通透酶。

向内褶叠形成嵴，嵴的存在增大线粒体内膜的表面积；
两种类型的嵴：
板层状: 高等动物细胞线粒体嵴。

管状: 原生动物和低等动物细胞线粒体嵴。

(三) 外室（outer chamber）
也称膜间腔，外膜与内膜之间的腔隙,与嵴内
腔相通,宽约20nm，含多种酶、底物及辅助因子。

(四) 内室（inner chamber）
内膜封裹形成的囊腔，或称嵴间腔，是线粒
体细胞氧化中进行三羧酸循环的场所。

基质包括了催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、
核酸与蛋白质合成的各种酶系及线粒体DNA、线
粒体RNA、线粒体核糖体等。

(五) 基粒（质子泵ATP合成酶）
与线粒体内膜内表面及嵴膜基质面垂直排列，形
态上分为
头部：可溶性ATP酶（F1），水溶性球蛋白，从内
膜突出于基质内，易从膜表面脱落。

柄部：对寡酶素敏感的蛋白质（OSCP），调控质子
通道。

基片（F0）：疏水蛋白（HP)，横跨内膜，质子通道。

一、线粒体的化学组成
化学成分:蛋白质
脂类
（一）蛋白质:占线粒体干重的65～70％
（可溶性蛋白、不溶性蛋白）
（二）脂类:占线粒体干重的25%-30%，
90%为磷脂，
胆固醇含量极少。

二、线粒体中酶的定位分布 (140多种酶)
外膜：合成线粒体脂类的酶
内膜：呼吸链酶系、ATP合成酶系
基质：三羧酸循环反应酶系、丙酮酸与脂肪酸氧
化酶系、蛋白质与核酸合成酶系（半自主性）
线粒体中酶的定位分布
线粒体主要酶的分布
外膜:单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶特征酶：单胺氧化酶
膜间隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶
内膜:细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉毒碱酰基转移酶、 -羟丁酸和 -羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。

特征酶：细胞色素氧化酶
基质:柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索
酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系
特征酶：苹果酸脱氢酶
第三节线粒体的功能
※线粒体功能:氧化磷酸化, 合成ATP
通过对营养物质(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)与ADP磷酸化(储能)的偶联反应完成能量转换，合成ATP，直接提供细
胞生命活动所需能量的95%以上。

包括：细胞氧化（细胞呼吸）
ADP磷酸化
细胞氧化及基本过程
1、细胞氧化
2、基本过程
（1）糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸）
（2）乙酰辅酶A生成
（3）三羧酸循环（产生H+、e-、CO2 ）
二、氧化磷酸化的分子基础
(一) 呼吸链
呼吸链：
指一系列能够可逆地接受及释放电子或 H+的脂蛋
白质复合体，存在于线粒体内膜，形成相互关联、有序
排列的功能结构体系（一组酶系），并以此偶联线粒体
中的氧化磷酸化过程，称之为呼吸链（respiratory
chain）或电子传递链（electron transport chain)。

电子传递链（呼吸链）的组成
由四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc)组成。

（1）复合体Ⅰ：NADH - CoQ还原酶
（2）复合体Ⅱ：琥珀酸 - CoQ还原酶
（3）复合体Ⅲ： CoQ - 细胞色素C还原酶
（4）复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶
两条典型的呼吸链：
①NADH呼吸链：由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cytc组成
②FADH2呼吸链：由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cytc组成
(二) 线粒体质子泵ATP合成酶(H+ -ATPase)
1. 形态结构
位于线粒体内膜和嵴的基质面,与膜表面垂直排列，由
头部、柄部、基片构成。

2、分子结构
F0质子通道:跨线粒体内膜的疏水蛋白质，由4种多肽链组成.
F0和Fl之间的柄:包含有两种蛋白质。

一种为寡霉素敏感蛋白(OSCP) ，一种为偶合因子6（F6）.
Fl蛋白：是球状结构，由5种不同的多肽链组成，其组分为α3β3γδε，催化ATP合成的部位在β亚基上.
(1) F1因子
F1：为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较
易脱落。

由3α、3β、1γ、1δ和1ε等9个亚基组成，3
个α亚基和3个β亚基交替排列，形成一个“桔瓣”状结
构。

各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。

从膜平面看，α和β亚基交替排列，形成一个环
状结构。

γ亚基在a 和β亚基之间形成一个支柱“shaft”
γ和ε共同形成“转子”
(2) F0 因子
F0：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。

F0的亚基类型和组成在不同物种中差别很大，在细菌中，F0由a、b、c 3种亚基组成；蓝藻中为a、b、b’、c亚基；
F0多拷贝的c亚基形成一个环状结构，a亚基与b亚基二聚
体排列在c亚基12聚体形成的环的外侧，a亚基、b亚基二聚体和
δ亚基共同组成“定子”。

其中a亚基有跨膜转运的质子通道的
作用。

F1和F0通过“转子”（γ和ε共同形成）和“定子”
将两部分连接起来，在合成或水解ATP的过程中，“转子”在
通过F0的H+流推动下旋转，依次与3个β亚基作用，调节β亚基
催化位点的构象变化；“定子”在一侧将α3β3与F0连接来。

F0
的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力（torgue），
推动“转子”旋转。

三、线粒体质子泵ATP合成酶的工作机制
问题:ATP合成酶各亚基如何协同作用利用跨膜质子梯度合成
ATP?
Paul Boyer提出“结合变化机制”假说和“旋转催化模型”
(a)ATP合成酶利用质子动力势产生构象变化，改变与底物亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。

(b) F1因子β亚基有三个催化位点，这三个催化位点的构象不同（L、T、O），与核苷酸的亲和力不同，在ATP合成过程中，这三个催化位点构象发生周期变化，每个催化位点经过三次构象改变合成1个ATP分子。

(c)质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，带动γ亚基旋
转，γ亚基的旋转引起β亚基3个催化位点构象发生周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi结合在一起，形成ATP。

线粒体质子泵ATP合成酶的工作机制的证据
支持证据1
1994年Walker等发表了0.28nm分辨率的牛心线粒
体F1-ATP酶的晶体结构。

Walker利用核苷酸底物类似物，观察ATP合成酶的3
个催化亚基结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，
发现ATP合成酶由于结合不同的底物类似物而呈现不同
的构象，有力地支持了Boyer提出的结合变化机制，证
明在催化循环的任一时刻，3个催化亚基处于不同的构
象状态，构象的变化与位于α3β3中央的γ亚基的转动
相关。

支持证据 1：
F1的晶体结构
(John Walker，MRC， Cambridge 1994)
β亚基被固定在载玻片上
γ亚基(shaft)与荧光标记的肌动蛋白纤维相连
供给ATP时，肌动蛋白发生旋转（每消耗1分子ATP，旋转120°，消耗3分子ATP旋转360°）
因在“生命能量通货——三磷酸腺苷ATP”方面的研究而获得1997年诺贝尔化学奖。

三、电子传递偶联的氧化磷酸化
氧化磷酸化：供能物质的氧化过程伴随电子传递链所进行的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化。

氧化还原的本质是电子的转移。

氢原子的转移其本质也是电子转移，因为H 原子可分解为H+与e-。

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。

四、氧化磷酸化的偶联机制
氧化磷酸化偶联机制一直是研究氧化磷酸化作的
关键，二十多年来提出了各种假说，主要有：化学偶联
假说（chemical coupling hypothesis）、构象偶联假说
(conformational coupling hypothesis）、化学渗透假说
（chemiosmotic coupling hypothesis)。

越来越多的实验证明：偶联机制在生化上来说是向
量的，在功能上来说是渗透性的。

化学渗透假说是氧化
磷酸化机制研究中最流行的一种假说。

该假说是1961年英国生物化学家Mitchell提出的，
他获得1978年诺贝尔化学奖。

（一）、化学渗透假说的主要论点：
呼吸链各组分在线粒体内膜中分布是不对称
的，当高能电子沿呼吸链传递时，所释放的能量
将H+ 从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对 H+
不通透，从而使膜间隙的 H+ 浓度高于基质，在
内膜两侧形成电化学质子梯度（electro-chemical
proton gradient），也称为质子动力（proton
motive force）。

在这个梯度驱动下，H+ 穿过内
膜上的ATP合成酶流回到基质，其能量促使ADP和
Pi合成ATP。

1、强调线粒体膜结构的完整性。

如果线粒体膜不完整，H+ 能自由通过膜，则无法在内膜两侧形成电化学梯度，氧化磷酸化就会解偶联。

一些解偶联剂的作用就在于改变膜对H+的通透性，使电子传递所释放的能量不能合成ATP。

2、定向的化学反应。

在电化学质子梯度推动下，H+由膜间隙通过内膜上ATP合成酶进入基质，其质子动力势驱动ADP和Pi结合形成ATP。

第四节线粒体的半自主性
线粒体含DNA，RNA（mRNA、tRNA、rRNA）、核糖
体、氨基酸活化酶等，具有独立进行转录和翻译功能。

迄今为止，线粒体仅能独立转录和翻译约20种线粒体膜和线
粒体基质蛋白；线粒体绝大多数蛋白质需由核基因编码，在
细胞质核糖体上合成，然后转移至线粒体。

细胞核与线粒体
之间存在着密切的、精确的、严格调控的生物学机制
在二者协同作用的关系中，细胞核的功能更重要。

一方面它提供了绝大部分遗传信息；
另一方面它具有关键的控制功能。

也就是说，线粒体的自主程度是有限的，对核遗传系统有很大的依赖性。

线粒体的生长和增殖是受核基因组及其自身的基因组两套遗传系统的控制，所以称为半自主性细胞器（semiautonomous organelle）。

一、mtDNA
含有16,569个碱基对的闭环合双链DNA分子。

有37个结构基因，编码13种与氧化磷酸化呼吸链有关的蛋白质、2种rRNA(12SrRNA及16SrRNA)和22种与线粒体蛋白质合成
有关的tRNA。

二、mtDNA的功能
1、复制
mtDNA复制是以半保留的形式自主地进行，主要发生在
细胞增殖周期的S期到G2期。

但是，它复制时所必需的DNA
聚合酶是由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成的。

2、编码（转录、翻译）
线粒体中mtDNA编码2种rRNA、13种多肽的mRNA和22
种tRNA。

然而，这些RNA转录时，亦需要来自于由核DNA
编码、并在细胞质中合成的RNA聚合酶的催化。

三、线粒体对核编码蛋白的转运
线粒体中的蛋白质少数由自主编码合成，多数由核基因编
码，并在细胞质中合成后转入线粒体。

线粒体蛋白质跨膜转运的的特点:
1、被转入线粒体的蛋白称为前体蛋白。

2、被转入蛋白的 N末端有一段20～80的氨基酸序列，多由
带正电荷的碱性氨基酸组成，这段序列具有识别和引导
蛋白从特定位点进入线粒体的作用，称为导肽（或信号
肽）。

3、外源蛋白进入线粒体时需要解折叠、穿膜和重新折叠等
过程才能完成。

既要消耗能量，还需要一组称为“分子
伴侣”蛋白的协助。

分子“伴侣”（molecular chaperones）
概念：细胞的某些蛋白质分子可以识别正在合成或部分折
叠的多肽链并与之结合，帮助这些多肽转运、折叠
或装配，这一类分子本身不参与最终产物的形成，
因此称为分子“伴侣”。

分子伴侣具有解折叠酶（unfoldase）的功能，并
能识别蛋白质解折叠后暴露出的疏水面并与之结合，防
止相互作用产生凝聚及错误折叠，并参与蛋白质跨膜运
送及分子的重折叠及装配（assembly）。

分子伴侣作用没有专一性
多肽链穿线粒体膜的过程:
导肽引导，与线粒体膜受体分子识别结合，通过膜上蛋白通道进入线粒体。

“分子伴侣”蛋白协同作用。