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第六章 线粒体
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第一节 线粒体的生物学特征 1890年，R. Altaman发现线粒体，命名为bioblast。
第一节 线粒体的生物学特征 1890年，R. Altaman发现线粒体，命名为bioblast。 1898年，Benda将这种颗粒命名为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。 1904年，在植物细胞中发现了线粒体。 至20世纪50年代，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。 现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。
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一、线粒体的形态结构 （一）形态、数量与分布 形状：线粒体一般呈粒状或杆状。
大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌 细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。 数量及分布：植物细胞少于动物细胞；许多哺乳动物成熟的 红细胞中无线粒体。通常结合在微管上，分 布在细胞功能旺盛的区域。
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（二）超微结构 线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。
包括：外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙（intermembrane）和基质（matrix）四个功能区隔 。
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外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道，允许小分子物质自由通
过。标志酶为单胺氧化酶。 内膜：内膜内陷形成嵴（cristae）来扩大内膜表面积。嵴 有两种类型，板层状和管状。心磷脂含量高，通透性 很低，H+和ATP等不能自由通过，必需有载体蛋白 和通透酶参与。嵴膜上有基粒，基粒由头部（F1偶 联因子）和基部（F0偶联因子）构成。 膜间隙：内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部。标志酶为 腺苷酸激酶。 基质：可溶性蛋白质的胶状物质。标志酶为苹果酸脱氢酶。
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二、线粒体的化学组成及酶的定位 （一）化学组成： 1、蛋白质。 可溶性蛋白:基质中的酶和膜的外周蛋白
不溶性蛋白:膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白 2、脂质：主要是磷脂 内膜蛋白含量高（多数催化反应在此发生），外膜脂质含量高。
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3、辅酶 CoQ、FMN、FAD、NAD 参与电子传递 4、核外遗传信息表达体系 基质：环状DNA、RNA、核糖体 特有的核外遗传与蛋白质合成体系，赋予线粒体一定的自主性
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（二）线粒体中酶的分布与定位 P241表6-1
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三、线粒体的增殖方式 间壁或隔膜分离：内膜向中心内摺，或线粒体的某一个嵴对向延伸，形成腔内间隔或隔膜，将线粒体一分为二，使之成为只有外膜相连的两个独立细胞器。 收缩分离：线粒体中部缢缩并向两端拉长，整个线粒体呈哑铃形，最后分开成为两个独立的线粒体。 出芽分离：先从线粒体上出现球形小芽，然后与母体分离，小芽不断长大而形成新的线粒体。
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四、线粒体的半自主性 （一）线粒体DNA与线粒体蛋白质的合成 1、线粒体DNA
动物细胞核外惟一存在的DNA，不与组蛋白结合，存在于线粒体基质中或附着于线粒体内膜，可独立进行复制、转录和翻译，具有非常活跃的自我复制能力。全部是外显子，复制时间不局限于S期，贯穿于整个细胞周期，复制周期与线粒体增殖平行。突变率比禾DNA高10倍。
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2、线粒体蛋白质 线粒体内蛋白质合成独立进行，翻译系统的遗传密码与通用遗传密码存在部分差别。 线粒体核糖体蛋白质有核DNA编码。
线粒体DNA转录时的RNA聚合酶，复制时的DNA聚合酶由核DNA编码，并在细胞质核糖体上合成。 线粒体中蛋白质合成与原核生物相似：mRNA转录和翻译在时空上连续；起始tRNA与原核细胞相同；蛋白质合成系统对药物的敏感性与细菌一致。 20种左右的蛋白质由线粒体DNA编码，并在线粒体核糖体上完成。
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3、核编码的线粒体蛋白质转运 线粒体蛋白质后转运：先合成蛋白质前体，再转运到线粒体中。
线粒体蛋白质的跨膜转运：由导肽牵引，通过内膜后，立即被线粒体基质中的导肽水解酶和导肽水解激活酶水解。 前体蛋白的成熟过程：分子伴侣参与下进行一个去折叠和重折叠过程
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（二）线粒体的半自主性 mtDNA的复制、转录、翻译等活动虽具有一定的自主性和独立性，但却无一不依赖于核DNA的协同作用，受核遗传系统的影响和控制。 线粒体合成的蛋白质约占线粒体全部蛋白质的10%，多数靠核基因编码。 线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，有一定的自主性和独立性，但自主性有限，绝大部分蛋白质依赖于核基因编码，转录和翻译过程依赖核基因，自我繁殖及一系列功能活动受核基因和自身基因组两套遗传系统的控制，是一个半自主性细胞器。
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第二节 线粒体的主要功能 糖、脂肪和氨基酸最终的分解氧化是在线粒体中完成，伴随物质氧化分解的能量释放与转换也在线粒体中实现。
第二节 线粒体的主要功能 糖、脂肪和氨基酸最终的分解氧化是在线粒体中完成，伴随物质氧化分解的能量释放与转换也在线粒体中实现。 线粒体是细胞有氧呼吸的场所和能量供应的基地，通过氧化磷酸化的偶联进行能量转换。氧化磷酸化分为3个步骤：TCA、电子传递和ATP合成。
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一、真核细胞中的氧化作用 细胞呼吸即细胞氧化：指细胞物质耗氧氧化分解，最终生成二氧化碳和水并释放能量的分解代谢过程，是细胞内提供生物能源的主要途径。 细胞呼吸的主要特点： 1、本质上是线粒体中进行的一系列由酶催化的氧化还原反应； 2、所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中； 3、整个反应过程分步进行，能量逐步释放； 4、反应在生理条件下进行 5、反应过程需要水的参与
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（一）糖酵解 1分子葡萄糖 → 2分子丙酮酸+2分子ATP+2分子NADH 细胞质中进行 丙酮酸被转移到线粒体中
丙酮酸 → 乙酰辅酶A+1分子NADH+1分子二氧化碳
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（二）三羧酸循环 线粒体基质中进行 两分子丙酮酸最后生成6分子NADH，2分子FADH2和2分子ATP
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（三）氧化磷酸化 利用电子传递链，将NADH 和FADH2氧化，释放的能量转化成ATP
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二、氧化磷酸化是代谢能量转换的主要环节
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（一）氧化磷酸化的分子结构基础 超声波 亚线粒体小泡或颗粒 线粒体 胰蛋白酶 颗粒解离，只能传递电子，而不能发生磷酸化 颗粒重新装配上
电子传递和氧化磷酸化 电子传递的组分位于线粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化偶联的因子
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1、呼吸链的结构 概念：有序排列在线粒体的内膜，能可逆的接受和释放电子或H+的酶体系称为电子传递链或呼吸链。
呼吸链电子载体主要有：烟酰胺、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。 黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。 细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子。呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1，其中aa3含有铜原子。
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三个铜原子：类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。 辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，QH2和自由基半醌（QH）。
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电子传递链的复合物 利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。 辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。
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NADH脱氢酶，以二聚体形式存在，作用是催化NADH的2个电 子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至
复合物Ⅰ NADH脱氢酶，以二聚体形式存在，作用是催化NADH的2个电 子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至 膜间隙（C侧）。 电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q 复合物Ⅱ 琥珀酸脱氢酶，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，作用是催化电 子从琥珀酸转至辅酶Q。 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
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复合物Ⅲ 细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。 复合物Ⅳ 细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，将细胞色素c接受的电子传给氧，每转移1对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。
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两条主要的呼吸链 根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。 呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之间。部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。部位Ⅲ在细胞色素a和氧之间。
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2、ATP合成酶的结构和作用机理 ATP合成酶（ATP synthetase）或F1 F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷酸化是指当电子从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的过程。
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结构组成 ATP合成酶是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙 。
ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部两部分组成。
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F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，比较容易从膜上脱落。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。
F1是由9个亚基组成的α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（一个/β亚基）。α和β单位交替排列成桔瓣状结构。γ贯穿αβ复合体，发挥转子的作用来调节三个β 亚基催化位点的开放和关闭，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（相当于定子）。
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F0基部：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜的
质子通道。
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（二）氧化磷酸化的机制 （一）质子动力势 对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。 “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。 内容是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泵至膜间隙，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（proton-motive force, △P）。
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作用机理 1979年代Boyer P提出构象偶联假说，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。 2．F1具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不 同，与核苷酸的亲和力也不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶 紧密结合在一起，并形成ATP；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。
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支持构象偶联假说的实验 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。 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。
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第三节 线粒体与医药学 一、病理过程中的线粒体变化及线粒体病的诊断 （一）病理过程中的线粒体变化 1、数量的改变 线粒体平均寿命10天
第三节 线粒体与医药学 一、病理过程中的线粒体变化及线粒体病的诊断 （一）病理过程中的线粒体变化 1、数量的改变 线粒体平均寿命10天 慢性损伤时线粒体逐渐增生 急性损伤时线粒体急剧减少，线粒体崩解或自溶。
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2、大小的改变 线粒体肿胀分为基质型肿胀和嵴型肿胀。 基质型肿胀常见 嵴型肿胀少见，一般为可复性，严重损伤时可过渡为基质型肿胀 缺氧、毒素、射线都可导致肿胀，损伤不严重时肿胀可恢复
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3、结构的改变 嵴的膜和酶平行增多反映细胞功能负荷加重 嵴的膜和酶增多不平行时胞浆适应功能障碍的表现 中毒或缺氧急性细胞损伤时，线粒体的嵴被破坏
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4、病变情况 病毒感染情况下线粒体可发生肿胀破裂。 缺血性损伤，线粒体肿胀 维生素C缺乏，线粒体融合 微波照射，线粒体超微结构变化 生长迅速的肿瘤细胞中线粒体数量和嵴都减少
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（二）线粒体病的诊断 1、基因诊断和生化检测相结合 2、区分病理性与正常衰老所致的线粒体基因突变
3、线粒体基因异常与临床表现严重程度之间存在量效关系 4、疾病与遗传的相关性
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二、药物与毒物对线粒体的影响 （一）药物与毒物对线粒体的损伤 溴化乙啶可专一性抑制线粒体RNA的转录 氯霉素可抑制线粒体蛋白质的合成
氯丙嗪、环丙沙星、甲状腺素和顺铂等的作用原理或不良反应往往与线粒体有关
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氧化磷酸化抑制剂 1．电子传递抑制剂 ① 抑制NADH→CoQ的电子传递。如：阿米妥(amytal)、鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶素A（piericidin）。 ② 抑制Cyt b→Cyt c1的电子传递。如：抗霉素A(antinomycin A)。 ③ 抑制细胞色素氧化酶→O2。如：CO、CN、NaN3、H2S。 2．磷酸化抑制剂 与F0结合结合，阻断H+通道，从而抑制ATP合成。如：寡霉素、二环己基 碳化二亚胺(DCC)。 3．解偶联剂（uncoupler） 质子载体： 2,4-二硝基酚(DNP，图7-13)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼。 质子通道：增温素（thermogenin）。 其它离子载体：如缬氨霉素。 某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升 高。
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（二)药物对线粒体的保护 1、抗衰老药物对线粒体的保护作用
线粒体中许多与内膜有关的酶随着年龄增加酶活性均有所下降。细胞色素氧化酶活性下降导致氧自由基的堆积，会损伤线粒体膜。 枸杞、微生物C、维生素E、菊花、丹皮酚、麦角等中药能改善线粒体的损伤
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2、缺血引起的线粒体损伤与药物治疗 糖皮质激素稳定线粒体膜
钙通道阻滞剂阻止失血性休克所致的钙内流，减轻细胞内钙超载，避免线粒体内钙的过度积聚，保护线粒体功能 新型钙增敏剂延缓线粒体钙超载的进程，减轻线粒体H+——ATP酶活性的损伤程度，保护肝线粒体 莨菪类药物具有抗大鼠失血性休克，改善微循环和保护线粒体的作用
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外源性超氧化物歧化酶：清除自由基，直接或间接稳定线粒体内膜，改善细胞呼吸功能，增加能量供给，使休克细胞进入良性循环
一些中药：丹参改善微循环，对抗氧自由基的反应性损伤，抑制钙内流、改善线粒体的氧化代谢，恢复组织细胞的能量供应而发挥治疗作用。 人参皂苷可通过抗自由基和抑制钙内流二保护心肌线粒体，对于肝线粒体膜的稳定和功能有保护作用
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（2）缺血性脑血管疾病引起的线粒体损伤与药物治疗
线粒体的改变： 呼吸功能的改变 结构的改变 mtDNA表达紊乱 线粒体酶活性的改变 呼吸链的变化
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线粒体损伤与药物治疗 银杏叶提取物有较强的抗氧化和清除自由基的作用，可保护膜不饱和脂肪酸免受自由基的损伤，防止膜蛋白不可逆聚合； 氟桂嗪是一种选择性钙通道阻滞剂，阻滞过量的钙离子跨膜进入细胞内造成细胞损伤或死亡
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3、补充性药物治疗 （1）辅酶Q10 辅酶Q10在人体内呼吸链质子移位及电子传递中起作用，不仅可作为细胞代谢和细胞呼吸的激活剂，还可作为重要的抗氧化剂和非特异性免疫增强剂。
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（2）细胞色素c 细胞色素c时电子传递系统中的重要成分，已被用作治疗组织缺氧的急救用药或辅助治疗用药。
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（3）辅酶Ⅰ 辅酶Ⅰ系体内乙酰化反应的辅酶，参与体内乙酰化反应，对糖、脂肪和蛋白质的代谢起重要作用，可用于治疗进行性肌肉萎缩、肝炎、脂肪肝、新生儿缺氧、糖尿病等疾病。
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三、线粒体靶标药物制剂技术 （一）寻找以线粒体为靶标的抗癌新药
肿瘤病因与线粒体无关，但肿瘤细胞的特征之一是呼吸能力减弱，糖的无氧酵解增加，线粒体数量少，嵴少，电子传递链酶系及ATP酶含量减少。一些致癌物与mtDNA结合率高于核DNA，使mtDNA发生突变，是癌变原因之一。
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1、氯尼达明 能提高化疗药诱导的凋亡作用。不影响细胞的增生，主要作用于细胞的能量代谢，通过改变肿瘤细胞的线粒体超微结构，引起线粒体跨膜电位降低，释放凋亡因子，抑制恶变细胞的氧耗，达到抑杀肿瘤细胞的目的
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2、亚砷酸盐 通过线粒体参与诱导细胞凋亡。
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3、白桦脂酸 直接改变线粒体的通透性而诱导凋亡
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（二）线粒体靶向药物载运技术 1、利用亲脂性阳离子进行药物转运
线粒体内膜电位为 mV，电性内负外正，线粒体膜电位远高于细胞内其他细胞器膜电位，可富集阳离子型透膜物质，对阴离子形式的弱酸也具有亲和性。这些性质对于药物的线粒体靶向性至关重要。
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常用的亲脂性阳离子有三苯基甲基磷，四苯基磷和罗丹明123，使用时将抗氧化剂、维生素、毒素或抗癌药物与亲脂性阳离子共价结合，并与对照研究比较，发现给予亲脂性阳离子后，结合物很快在培养细胞核离体器官细胞的线粒体内积聚，并存在数小时以上，代谢较慢。
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多数癌细胞较正常细胞有较高的线粒体膜电位，可以使亲脂性阳离子抗癌药积聚发挥疗效。
抗氧化剂与亲脂性阳离子结合后可选择性保护线粒体。
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2、利用线粒体蛋白导入机制，进行药物的选择性载运
基因治疗时，将正确基因N端接上导肽序列，可成功将表达产物导入线粒体。
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线粒体靶向载运的意义 可将抗氧化剂等靶向载入线粒体以保护线粒体，阻止神经退行性疾病和老化；
设计出人为调节线粒体功能的策略，以达到调节细胞凋亡，即促进癌细胞凋亡，抑制正常细胞凋亡的目的。
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四、线粒体与糖尿病 糖尿病分为两类：非胰岛素依赖型（Ⅱ型）和胰岛素依赖型（Ⅰ型）。 mtDNA突变诱导糖尿病的机制：
1、有氧条件下，β胰岛细胞95%的能量合成来自于呼吸链，突变使呼吸链复合体酶活性部分降低，氧化磷酸化功能受损，ATP产生减少，影响ATP敏感的钾离子通道的关闭和β胰岛细胞膜去极化，导致胰岛素分泌降低； 2、含有受损线粒体的β细胞不稳定性增加，诱发自身免疫介导的β细胞损坏，削弱β细胞抵御免疫攻击的能力，导致糖尿病； 3、线粒体功能损害增加了肌肉中的糖酵解，促进肝脏经葡萄糖乳酸盐循环进行糖异生，当胰岛素进行糖原异生时，已经增加的糖原异生导致高血糖。
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五、线粒体与细胞凋亡 线粒体引起的细胞凋亡与多种因素有关： 1、活性氧在启动和调节细胞凋亡过程中扮演重要角色；
2、线粒体内膜非特异性通透性孔道开放是诱导细胞凋亡的环节之一； 3、细胞色素c渗漏到胞质可以导致细胞凋亡； 4、细胞凋亡蛋白Bcl-2家族抑制凋亡，以线粒体作为靶细胞器； 5、与P53相互作用，P53蛋白易位是控制细胞凋亡的重要途径 6、线粒体跨膜质子梯度/电位的消耗与细胞凋亡关系密切，一旦跨膜电位耗散，细胞就会进入不可逆的凋亡过程，如能稳定线粒体跨膜电位就能防止细胞凋亡。
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