第 七 节第 七 节 线 粒 体 是 1850 年发现的一种细胞器， 1898 年命名。是细胞内氧化磷酸化和 形成 ATP 的主要场所。

 1850 年，德国生物学家 Rudolph Kölliker 第一个发现线 粒体， 并推测 -- 这种颗粒是由半透性的膜包被的。  1898 年对线粒体进行命名。  1900 年， Leonor Michaelis 用染料 Janus green 对肝细胞 进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消 失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。  1948 Green 证实线粒体含所有三羧酸循环的酶， 1949 Kennedy 和 Lehninger 发现脂肪酸氧化为 CO 2 的过程是在 线粒体内完成的， 1976 Hatefi 等纯化了呼吸链四个独立的 复合体， Mitchell （ 1961 － 1980 ）提出了氧化磷酸化的化 学偶联学说，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转 换的主要部位。

一、线粒体的形态 线粒体的形状多种 多样。有的呈线状、 粒状或短杆状；有 的呈圆形、哑铃形、 星形；还有的呈分 枝状、环状等。但 以圆柱状与椭圆球 形为最多。

新陈代谢旺盛、需要能量较多的细胞, 线粒体的数目就较多, 如心肌细胞、肝细 胞、骨骼肌细胞、肾小管上皮细胞等。 新陈代谢较低, 需要能量较少的细胞, 线粒体的数目就较少, 如淋巴细胞、精子 细胞。 当细胞处于病变、体温过高或细胞基 质酸性过高的环境下, 线粒体易溶解或因 过度膨胀破裂而使其数目减少。

二、线粒体的超微结构 在电镜下观察, 线 粒体是由两层单 位膜围成的封闭 的囊状结构。主 要由外膜、内膜、 膜间腔和基质组 成 。

1 、外膜 s 包围在线粒体外表面的一层单位膜 ，厚 6 ～ 7nm ， 平整光滑, 与内膜不连接。 s 含有多套运输蛋白 -- 孔蛋白，它们构成脂 类双分子层上水溶性物质可以穿过的通 道，所以外膜的通透性非常高, 使得膜间 隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。 s 外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化 酶，这种酶能够终止胺神经递质, 如降肾 上腺素和多巴胺的作用。

2 、内膜 s 位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜， 厚 5 ～ 6nm 。 s 内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电 的小分子通过。 s 线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了 内膜的表面积。嵴上有 ATP 合酶，又叫基粒。 s 内膜的酶类可以粗略地分为三类∶运输酶类、合成 酶类、电子传递和 ATP 合成酶类。 s 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部 位。 s 标志酶为细胞色素 C 氧化酶

线粒体通透性研究 将线粒体放在 100 mM 蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线 粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部 蔗糖的平均浓度，结果只有 50 mM ， 比环境中蔗糖的 浓度低。据此推测 : 线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内 膜对蔗糖是不通透的

首先将线粒体置于低渗 溶液中使外膜破裂，此 时线粒体内膜和基质 ( 线 粒体质 ) 仍结合在一起， 通过离心可将线粒体质 分离。用去垢剂毛地黄 皂苷处理线粒体质，破 坏线粒体内膜，释放线 粒体基质，破裂的内膜 重新闭合形成小泡，其 表面有 F1 颗粒。

线粒体内膜的主动运输系统 内膜含 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。 ①糖酵解产生的 NADH 必须进入电子传递链参与有氧氧化； ②线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶 A 和乙酰辅酶 A 必须运输 到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体 物质 ; ③线粒体产生的 ATP 必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应 所需的能量，同时， ATP 水解形成的 ADP 和 Pi 又要被运入 线粒体作为氧化磷酸化的底物。 利用膜间隙形成的 H+ 梯度协同运输。

线粒体中的蛋白质绝大多数都是核基因编 码，在细胞质的游离核糖体上合成后运输 到线粒体的。 线粒体定位蛋白质 线粒体基质 F 1 ATPase:α 亚基 ( 植物除外 ) 、 β ， γ 亚基、 δ 亚基 ( 某些真菌 ) RNA 聚合酶、 DNA 聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸合成酶、 TCA 酶 系、乙醇脱氢酶 ( 酵母 ) 、鸟氨酸氨基转移酶 ( 哺乳动物 ) 内膜 DP-ATP 逆向运输蛋白、磷酸 -OH - 逆向运输蛋白、细胞色素 c 氧 化酶亚基 4 ， 5 ， 6 ， 7 、 F 0 ATPase 的蛋白质、 CoQH 2 - 细 胞色素 c 还原酶复合物亚基 1 ， 2 ， 5(Fe-S) ， 6 ， 7 ， 8 膜间隙 细胞色素 c 、细胞色素 c 过氧化物酶、细胞色素 b 2 、 CoQH 2 - 细胞 色素 c 还原酶复合物亚基 4( 细胞色素 c 1 ) 外膜 线粒体孔蛋白

翻译后转运与 蛋白质寻靶 共翻译转运与 蛋白质分选

3 、基粒 基粒与膜面垂直 而规则排列, 粒 间相距 10nm 。 基粒由头部 - -F 1 、 柄部和基片 - - F 0 三部分组成 。

头部含有可溶性 ATP 酶， 功能是合成 ATP 。在 头部还有一个多肽, 称为 ATP 酶复合体抑 制多肽, 可能具有调 节酶活性的作用。 柄部是对寡霉素敏感的蛋白，作用是调控质 子通道。 基片为疏水蛋白，是调控磷酸化作用的部位

基粒的发现及功能预测 在二十世纪七十年代初， Humberto- Fernandez Moran 用负染技术检查分离 的线粒体时发现 : 线粒体内膜的基质一侧 的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通 过柄与内膜相连。几年后， Efraim Racker 分离到内膜上的颗粒，称为偶联 因子 1 ，简称 F1 。

牛心脏线粒体的负染电镜照片 可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上

 Racker 发现这种颗粒很像水解 ATP 的酶，即 ATPase ，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒 体内膜需要如此多的水解 ATP 的酶 ?  如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题, 似 难理解线粒体内膜上需要 ATP 水解酶, 如果将 ATP 的水解看成是 ATP 合成的相反过程,F1 球形颗粒的 功能就显而易见了 : 它含有 ATP 合成的功能位点, 即 ATPase 既能催化 ATP 的水解, 又能催化 ATP 的合成, 到底行使何种功能, 视反应条件而定。  在分离状态下具有 ATP 水解酶的活性，在结合 状态下具有 ATP 合成酶的活性。

ATP 合酶合成 ATP 的机理？ 结合变构模型

4 、膜 间 隙 线粒体内膜和外膜之间的间隙称为膜间隙， 宽 6 ～ 8 nm ，由于外膜通透性很强，而内 膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化 学成分很多，几乎接近胞质溶胶。功能 是建立和维持氢质子梯度。 标志酶为腺苷酸激酶

5 、基质 内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒 体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、 氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之 中；此外还含有 DNA 、 tRNAs 、 rRNA 、 以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。 标志酶为苹果酸脱氢酶

线粒体各部分蛋白的分布 外膜膜间隙内膜基质 细胞色素 b 5 腺苷酸激酶 NADH 脱氢酶丙酮酸脱氢酶 NADH- 细胞色素还 原酶 核苷琥珀酸脱氢酶 细胞色素氧化酶 脂肪酸 β 氧化酶 Krebs 循环酶系 单胺氧化酶二磷酸激酶细胞色素 CDNA 聚合酶 脂酰辅酶 A 合酶 磷酸甘油酰基转移 酶 核苷二磷酸激酶 单磷酸激酶 ATP 合成酶 (F 0 F 1 复合物 ) 运输蛋白 RNA 聚合酶 核糖体 转移 RNAs 孔蛋白 膜脂含量∶ 磷脂 / 蛋白 =0.9 心磷脂 / 磷脂 =0.03 膜脂含量∶ 磷脂 / 蛋白 =0.3 心磷脂 / 磷脂 =0.22 醌

三、线粒体的功能 线粒体的主要功能是对糖、脂肪、氨基酸等 能源物质的氧化, 进行能量的转换。 细胞氧化是指依靠酶的催化, 氧将细胞内各种 供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞 氧化过程中, 要消耗 O2 并放出 CO2 和 H20, 所 以又称为细胞呼吸 。 在细胞生命活动中,95% 的能量来自线粒体, 因 此人们又将线粒体喻为细胞的动力工厂。

酵解酵解 乙酰 辅酶 A 生 成 三羧 酸循 环 电子 传递 和氧 化磷 酸化

能量产生过程

呼吸链是一组酶的复合体, 分布并嵌在 线粒体内膜上，细胞吸入的氧，在这 条链上被利用与氢结合，由于呼吸链 在递氢时也同时传递电子，也称为电 子传递呼吸链。 伴随电子传递链的氧化过程所进 行的能量转换和 ATP 的生成, 称为 氧化磷酸化。

部位功能 外膜磷脂的合成 ; 脂肪酸链去饱和 ; 脂肪酸链延伸 内膜电子传递，氧化磷酸化，代谢物质运输 膜间隙核苷的磷酸化 基质 丙酮酸氧化， TCA 循环，脂肪的 β 氧化， DNA 复制， RNA 合成，蛋白质合成

四、线粒体的半自主性 （一）线粒体的自主性 1 、线粒体中含有 DNA （ mtDNA ） 2 、线粒体含有自身特有的蛋白质合成体系 (mRNA 、 rRNA 、 tRNA 、核蛋白体和氨 基酸活化酶等）。 （二）线粒体的依赖性 但由于 mtDNA 的基因数量不多, 因此由它编 码合成的蛋白质有限, 只占线粒体全部蛋 白质的 10%, 约 10 种左右, 并多为疏水蛋白, 其余 90% 的蛋白质是由核基因编码的。

通过离体实验发现两套遗传体系 的遗传机制不同。如放线菌酮是 细胞质蛋白质合成抑制剂，但是 对细胞器蛋白质的翻译却没有作 用。另外，一些抗生素，如氯霉 素、四环素、红霉素等能够抑制 线粒体蛋白质的合成，但对细胞 质蛋白质合成没有多大影响。通 过对转录的抑制研究，发现线粒 体基因转录的 RNA 聚合酶也是 特异的。