1890年R. Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。 1898年Benda首次将这种颗命名为mitochondrion。 1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。

Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，Hatefi等（1976）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。

（二）氧化磷酸化的偶联 质子动力势 Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。 根据“化学渗透假说”，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（△P）。

（三）ATP合成酶的作用机制 ATP合酶（ATP synthetase， ），分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。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个ATP。 F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）。

图7-13 ATP合酶的结构（引自Lodish等1999）                                                                                              

A model in which proton diffusion is coupled to the rotation of the c ring of the Fo complex.

F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。 1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下： 1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP（图7-14）。

2．F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。

3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。

支持构象耦联假说的实验有： 1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。

Direct observation of rotational catalysis.

2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。

四 关于线立体病 1、线立体肌病（mitochondrial myopathy) 和劳累性肌病不同。1962年一位瑞典医生Luft对一位患有多发性肌炎病人的骨骼肌线立体结构与功能进行了研究。病人主诉为贪食、怕热、易疲劳。电镜观察，肌细胞线立体变形

线立体变形、数量增多。1980年后科学家才将 肌细胞线立体异常的病称为线立体肌病。 患者肌细胞 线立体有下列异常表现， 1）蛋白质跨线立体膜运送功能异常 2）呼吸链异常，包括呼吸链组分的缺少。 3）能量转换异常，包括氧化磷酸化效率异常，ATP酶异常等。 原因一般都是遗传性线立体DNA缺失引起的。

有的是基因表达的问题。如有的呱呱坠地的婴儿就发现肌细胞线立体细胞色素氧化酶缺失。而到2-3岁时发现肌细胞线立体细胞色素氧化酶已达到正常值，这是由于基因表达迟缓的原因。 运动精英的线立体肌病 第一名被诊断出的是 著名环法自行车赛冠军的法国人LeMond,33岁。 克山病是一种“心肌线立体病”

线立体病的至病机制 1988年以来已在病人的线立体中发现有30个以上的缺失和更多的点突变。 1） 线立体DNA与核DNA不同，没有和组蛋 白的结合。DNA暴露，经常受到氧自由基的 攻击。 2）母系遗传的积累 据估计线立体耗氧量的1-4%是由于电子 从黄素脱氢酶、辅酶Q或细胞色素b直接

与氧作用而产生氧自由基。这就是为什么 氧化损伤的mtDNA的积累量要比核DNA高出16倍。经一定时间的积累，导致线立体内膜 能量转换酶系功能异常。

三 线立体蛋白质的运送与组装 1 大多数线粒体蛋白质是在细胞质合成后再转运至线粒体的。这个蛋白质前体的N-末端含有前导序列，被称为导肽。 2 前体蛋白跨膜之前要解折叠，这有利于通过线粒体膜。

3 大多数线粒体蛋白是在线粒体内外膜的接触点处实行跨膜。 4 跨膜蛋白跨膜时首先被线粒体膜上的受体识别。在线粒体外膜的GIP蛋白可促进线粒体蛋白在内外膜接触点处跨膜。 5 跨膜后的蛋白，其导肽被导肽水解酶和导肽水解激活酶水解。并重新折叠，从而形成成熟的蛋白质。 6 线粒体蛋白跨膜前后的解折叠和折叠可能都有“分子伴娘”的参与。 以细胞色素B为例说明线粒体摸蛋白的跨膜运输过程。

第四节 线立体的增殖和起源 线粒体的增殖 线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式： 1、间壁分离（图7-17），分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。

2、收缩后分离（图7-18），分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。

3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。

线粒体的起源 一 线立体的DNA

1962 Ris 发现在叶绿体中也有DNA1963年M. 和 S. Nass发现线粒体DNA（mtDNA）后，人们又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、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装备，说明线粒体具有独立的遗传体系。 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。

mtDNA复制时间在细胞周期的S期和G2期 ctDNA复制时间在细胞周期的G1期 现在知道,由线立体DNA编码的RNA和蛋白质 有线立体核糖体的2种rRNA(12和16S),22种 tRNA和13种多肽.

线粒体在形态，染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面，都很像细菌，所以人们推测线粒体起源于内共生。按照这种观点，需氧细菌被原始真核细胞吞噬以后，有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。

线粒体遗传体系确实具有许多和细菌相似的特征，如：①DNA为环形分子，无内含子；②核糖体为70S型；③RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制；④tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；⑤蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。

此外哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用遗传密码有以下区别：①UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；②多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四个密码子编码；③AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。

mtDNA表现为母系遗传。其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力。有些遗传病，如Leber遗传性视神经病，肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关。