第十七章线粒体 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握 线粒体的超微结构及酶的定位分布，线粒体DNA的结构特点和遗传 特性。 熟悉线粒体DNA突变类型，线粒体DNA突变与线粒体疾病、人类衰老的关系 了解线粒体的增殖方式，线粒体基因组与细胞核基因组的协同作用。 线粒体(mitochondrion)是可以在光学显微镜下观察到的膜性细胞器，它普遍存在于真核细胞中，是 动物细胞中唯一带有核外遗传信息系统的结构。通过氧化磷酸化，高效地将有机物中储存的能量转换 为细胞生命活动的直接能源ATP,大约95%的ATP是由线粒体产生的，故被称为细胞内的“能量工厂” 除此之外，线粒体还参与细胞中氧自由基的生成、细胞调亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转 运及电解质平衡的调控，线粒体结构功能异常与人类衰老、疾病等密切相关。 第一节线粒体的形态结构 一、线粒体的显微结构及分布 线粒体是一个敏感多变的细胞器，不同类型或不同生理状态的细胞，其线粒体的形态、大小、数目及 排列分布都有变化。 光镜下的线粒体大多呈线状，粒状或杆状，一般直径0.5~1μm,长度1.5~3m,还有巨大的线粒 体，如人的成纤维细胞、骨酪肌细胞的线粒体，长可达8~10m。 线粒体的数目在不同类型的细胞中差异很大。哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。一般正常细 胞内线粒体有数百到数千个，最少的是细胞只含一个线粒体（如酵母细胞），最多的达50万个。这与 细胞本身的代谢活动状态有关。代谢旺盛、需要能量较多的细胞，线粒体数量较多，如哺乳动物的心 肌细胞、小肠上皮细胞、肝细胞等；反之则较少，如淋巴细胞、皮肤细胞、精子细胞。细胞处于病变、环 境温度过高或细胞基质酸性过高时，线粒体易溶解或膨胀破裂而使其数目减少。而同一类型的细胞 功能状态发生变化时，其线粒体数量也会发生变化，如飞翔鸟类胸肌细胞的线粒体数目比不飞翔鸟 多；运动员肌细胞的线粒体数目比不常运动人的多；腺细胞在分泌活动旺盛时，线粒体数目有所 增多。 线粒体在细胞内分布不均匀，往往集中在细胞代谢旺盛的需能部位，如分泌细胞的线粒体分布在分 泌物合成的区域：肌细胞中的线粒体沿肌原纤维规则排布；小肠上皮细胞中呈两极性分布，集中在细胞 418
第十七章线粒体人 腔面顶端和基底部：在精子中分布在鞭毛杆部中区。根据细胞代谢的需要，线粒体在细胞质中可以向生 理功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。 二、线粒体的超微结构和酶的定位分布 电子显微镜下，线粒体是由内、外两层单位膜套叠形成的封闭性囊中囊结构。两层膜将线粒体内部 空间与细胞质隔离，外膜(outer membrane)起界膜作用，内膜(inner membrane)向内折叠形成 (cristae),嵴上有一些蛋白质颗粒结构朝向线粒体基质，这些颗粒称为F,颗粒(F,particle)。线粒体的 外膜和内膜将线粒体分成两个不同的区室：一个是膜间隙(intermembrane space),是两层膜之间的腔隙 另一个是线粒体基质(matrix),它是由内膜包围的空间（图17-1）。 1一1外造 外 DNAF粒 线粒体外围的一层单位膜结构，厚约5~7m 平整光滑。在化学组成上，外膜中蛋白质和脂质约 各占一半，蛋白质和脂类含量的比值为1。膜上有 孔蛋白(poim)(图17-2)，它是蛋白质B链形成的桶 状结构，中心是孔径2-3m的亲水通道。孔蛋白是 外膜物质转运的通道蛋白，依细胞的不同生理状态 作出反应从而能可逆地开闭，允许相对分子质量小 基质 于50O0的物质如ATP、NAD,辅酶A等自由通过，相 围171线粒体超微结构模式图 对分子质量大于5000的蛋白质则需要特定的信号 序列（前导肽）并通过外膜和内膜蛋白质转运体协助方能进行转运。由于孔蛋白的存在，外膜的通透性 非常高，使得膜间隙中的环境几乎与细胞质基质相似 转运蛋白 图172线粒体外膜孔蛋白结构模式图 外膜含有一些特殊的酶类，如参与脂肪酸链延长、肾上腺素氧化、色氨酸降解的酶，表明外膜参与了 膜磷脂的合成，也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。外膜的标志酶为单胺 氧化馥。 419
第四篇细胞的结构与功能 (二)内膜 位于外膜的内侧且包裹线粒体基质的一层单位膜结构，比外膜稍薄，平均厚4.5m。相对外膜而 言，其蛋白质和脂类含量的比值达到3.2。内膜中胆固醇含量低，富含心磷脂（双磷脂酰甘油），这是线 粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别。心磷脂与离子的不可渗透性有关。内膜通透性很差，仅 允许不带申街相对分子质量小干150的小分子物质诵时，大分子物质和离子常要借助多种载体蛋白酱 膜运输，如丙酮酸、焦磷酸是通过载体蛋白与OH协同运输穿越内膜的。同时，内膜的低通透性有助于 线粒体质子电化学梯度的建立，以驱动ATP的合成。 内膜向线粒体基质内折叠形成嵴，极大地扩大了内膜的功能面积（可达5~10倍）。嵴是线粒体中 形态学变化最大的结构组成，不同细跑种类、不同细胞功能状态或是细胞病理状态下，绣的形状和排列 方式、数量等都有相应的改变。 线粒体内膜除含有多种转运系统外，主要含有与氧化磷酸化及能量转换相关的蛋白，称为氧化磷酸 化复合酶体系，包括执行氧化反应的电子传递链(electron transport chain)和酶促磷酸化反应的ATP合 酶(ATP 内膜的标志酶为细胞色素©氧化酶。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的 主要部位，在这个过程中，线粒体将氧化过程中释放出来的能量转变成ATP。 1.由子传递链中叫评吸结(espiratory chain)。其结物与功能在第四章“生物氧化”已有介绍。简 单说，呼吸链包括复合物I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，以及辅酶Q和细胞色素©。细胞供能物质中储藏的能量通过 系列反应储存在脱下的高能电子中，伴随着电子在呼吸链的传递，完成供能物质的彻底氧化，同时呼吸 链上的质子泵（复合物I、Ⅲ，V)在线粒体内膜两侧建立起质子电化学梯度，最后驱动ATP合酶合成 ATP。因此，电子传递的本质是能量的转换过程。 2ATP合。在内膜的基质面上附若有许多带柄的球状小题粒，称为基粒(elementary particle) 实际上就是ATP合酶，有人称之为复合物V。据估计，每个线粒体基粒数目可达到10°~10'个。它是 生物能量转换的核心酶，参与氧化磷酸化，在跨膜质子电化学梯度推动下催化合成ATP。它也广泛存在 于叶绿体的类囊体膜、异养菌及光合细菌的细胞膜上，让我们看到不同生物利用能量的相同机制 AP合酶是与ATP合成和水解都有关的双向酶复合体。在线粒体中，它既能利用质子电化学梯度 储存的能量通过磷酸化合成ATP,又能催化ATP水解产生能量，将质子从基质泵到膜间隙。ATP合酶 可以进行ATP合成和水解的双向反应，这是该酶独特有趣的一个性质。 不同来源的ATP合酶结构基本相同，都是由多亚基装配而成，形态上由头部、柄和基片三部分构 成。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶，每个酶每秒钟可产生100多个ATP。 ATP合酶的分子结构和功能在“生物氧化”一章已介绍。 (三】内外膜转位接触点 利用电镜技术可以观察到在线粒体的内、外膜上存 在一些两层膜相互接触的地方，在这里膜间隙变狭窄，称 为转位接触点(translocation c tact site)(图17-3)。通过 免疫电镜的方法观察到转位接触点处有前体蛋白质的积 聚，显示它是蛋白质等物质进出线粒体的通道。 (四)膜间隙 线粒体内、外膜之间的间隙，宽6~8nm。膜间隙含 有多种反应底物、可溶性蛋白质（酶）及辅助因子等。其 中腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶。主要功能之一是建立 和维持质子电化学梯度。 (五)线粒体基质 内膜和嵴包围着的线粒体内部空间就是线粒体基 质。基质中的酶类最多，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨 图173·线粒体内外膜转位接触点
第十七接娘拉体☑ 基酸降解等有关的酶都在其中，此外还含有线粒体的遗传系统，包括DNA、RNA,线粒体基因组表达所 需的各种酶和核糖体等。基质的标志酶是苹果酸脱氢酶。 第二节线粒体的功能与氧化磷酸化 线粒体的主要功能是氧化磷酸化合成ATP,为细胞生命活动提供能量。简单说，依靠酶的催化，将 细胞内各种营养供能物质（糖类、脂肪和蛋白质等）彻底氧化分解，合成生物体可利用的能源ATP,这 时程需要呼吸耗氧，故称生物氧化(biological oxidation)或细胞呼吸(cellular respiration)。在牛物氧化的 同时偶联磷酸化反应，整个过程就是氧化磷酸化(),氧化（电子传递、消耗氧、释 放能量)与磷酸化(ADP+P,储存能量)同时进行，密切偶联，分别由线粒体内膜上两个不同的结构体系 (呼吸链和ATP合酶)执行。经一系列代谢驱动ATP合成。氧化磷酸化实际上是能量转换过程，即供能 有机分子中储藏的能量传递给高能电子，再形成质子电化学梯度，最后合成ATP。 供能物质氧化的基本过程 供能物质氧化的基本过程可分为：大分子供能物质的降解及乙酰辅酶A的生成、三羧酸循环、电子 传递偶联磷酸化三个阶段。 (一)大分子供能物质的降解及乙酰辅酶A的生成 糖、脂肪、蛋白质等供能物质首先要经过消化，分解为葡萄糖、脂肪酸和甘油、氨基酸等小分子，才能 被细胞摄入。在细胞质内进一步分解成相应代谢中间产物如丙酮酸和脂肪酸，然后在氧气充足的条件 下进入线粒体基质，转变为乙酰辅酶A(乙酰CA)。如果没有氧气，丙酮酸在细胞质基质中则经过发酵 生成乳酸或乙醇。 (二)三羧酸循环 乙酰CA在三羧酸循环酶系作用下，开始一系列循环的化学反应，结果是每循环一次，1分子乙酰 CoA脱下4对氢原子和2分子C0,的释放 脱下的4对氢原子，其中有3对交给NAD(烟酰胺腺骠吟二核苷酸)生成NADH,另1对交给FAD (黄素腺嘌吟二单核苷酸)生成FADH2。形成的CO,则逐渐扩散到线粒体外，再转移至胞外。 (三)电子传递偶联磷酸化 三羧酸循环中脱下的氢解离为质子和电子，电子由线粒体内膜上的呼吸链顺序传递，最后传递给氧 气生成水。在此过程中释放的能量，通过ADP磷酸化合成ATP,从而把能量储存在ATP的高能磷酸 键中。 二、氧化磷酸化的机制 (一）氧化磷酸化偶联机制 关于氧化磷酸化的偶联机制，为大家广泛接受的是1961年英国生物化学家Peter Mithchell提出来 的化学渗透学说(chemiosmotic coupling hypothesis)。这个内容在“生物氧化”中有详尽叙述。 化学渗透假说的特点之一是强调了线粒体膜结构的完整性，这种膜结构在功能上对质子具有非自 由的通透性，这是质子电化学梯度形成的必要条件。另一个特点是强调了线粒体化学反应的方向性，即 主动的质子向外跨膜泵出和浓度梯度驱动的质子向内回流。 质子动力势的维持还可以帮助进行物质转运，还能使线粒体产生大量热量，帮助冬眠动物与新生儿 的体温维持。 (二)ATP合酶的工作机制 质子回流到线粒体基质如何驱动ATP合成？ATP合酶各亚基之间如何协同作用？目前大家公认 421
第四篇细胞的结构与功能 的是美国生物化学家Paul Boye©r在1979年提出的“结合变构机制”和“旋转催化模型”。具体见“生物 氧化”一章。 有意思的是几年后两个模型假说都已得到最新实验证据的支持。 1994年，英国化学家John Walker等发表了0.28nm分辨率的牛心线粒体的E,-ATP的晶体结构（图 17-4),他们观察ATP合酶的3个催化亚基(B)结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，发现它们由 于结合不同的核苷酸底物而呈现不同的构象。第一个B亚基（βm)可结合ATP,此刻称为紧密型构象 (ight,T):第二个B亚基(Bm)结合ADP,即松弛型构象(loose,L):第三个B亚基(B)处于空的状态 叫做开放型构象(open,0)。该结果有力地支持了Paul Boyer提出的结合变构机制，证明在催化循环的 任一时刻，3个B亚基处于不同的构象状态中 1997年，日本科学家Hirovuki Noji等观察到了水解ATP使得v亚基相对于a、B亚基的旋转（图 17-5)。他们首先在离体条件下重组F,(含aBY),再把Y亚基与荧光标记的肌动蛋白纤维相连，将 F,通过B亚基固定在玻片上，在供给ATP的情况下用荧光显微镜观察到肌动蛋白纤维沿一个方向发 生旋转，表明Y亚基也同样发生旋转，这种转动使中心的Y亚基能够与三个B亚基按顺序与0、L、T 位点接触。这个实验使我们清楚地看到F,-ATP酶确实是一个分子马达，证明了旋转催化模型的正确 性。最近还有研究表明ATP秀导的旋转以120°为步骤进行，中间有停顿。其至每个120°步骤又含有 90°及30°的小步骤，其中间也有停顿，这些小的步骤可能与反应循环的特定阶段有关，如ADP结合或 ATP释放。 肌动蛋白纤维 图174牛心线粒体F,的晶体结构 图175Y亚基的旋车 第三节线粒体的半自主性 1963年，Margit Nass及Sylvan Nass夫妇首先发现线粒体中存在DNA,随即在线粒体中相继发现 DNA聚合酶、RNA,RNA聚合酶，核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套系 统。在人体细胞中，有人将线粒体DNA称为人类第25号染色体。但是，线粒体含有1000多种蛋白质 99%由核基因组编码，在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体，剩下少数线粒体蛋白质（哺乳动物仅 I3种)由线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)编码、由线粒体自己的核糖体合成。这表明线粒体的 自我整殖、基因表达等一系列功能活动受到两套贵传系统共同控制，线粒体的结构和功能既受核基因组 控制，又受自身基因组调节，所以线粒体是一个半自主性细胞器(semiautonomous organelle)