一 线粒体的形态结构

线粒体在生活细胞中具有多形性、易变性、运动性和适应性，其形态、大小、数量与分布在不同细胞内变动很大，就是同一细胞在不同生理状态下也不一样。

形状：线状和颗粒状最常见，也有环形、哑铃形、枝状，在一定条件下线粒体的形状变化是可逆的

大小：因细胞种类和生理状况而异，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：动物细胞内数百到数千不等，植物细胞的较动物细胞的少，如肝细胞约1700个

分布：不均匀，在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中，并可在细胞质中运动、变形和分裂增殖

1 超微结构

在电镜下，线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。主要包括外膜、内膜、膜间隙及基质或内室(innerchamber) 4 部分.

（1）外膜(outer membrane)

是包围在线粒体最外面的一层单位膜，光滑而有弹性，厚约6 nm；

含50%的脂类和50%的蛋白质；

含孔蛋白(porin), 由β链形成的桶状结构，中孔直径2~3 nm，可逆开闭, 开启时可通过相对分子质量达5×103 的分子，ATP、NAD、辅酶A等小于1×103 的分子可自由通过外膜；

由于外膜通透性高，膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似；

含有参与肾上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸链延长的酶类，标志酶为单胺氧化酶 (monoamineoxidase)；

（2）内膜(inner membrane)

位于外膜内侧，把膜间隙与基质分开，厚约6~8 nm；

蛋白质和脂类的比例高于3:1，心磷脂含量高(占磷脂20%)；

所有分子和离子的运输都需要借助内膜上的特异转运蛋白，这种高度不透性(impermeability)对于建立质子电化学梯度、驱动ATP的合成起重要作用；

内膜向基质褶入形成嵴(cristae)，能显著扩大内膜表面积(达5~10倍)，嵴有板层状和管状两种类型，但多呈板层状；

嵴内面覆有线粒体基粒(elementary particle), 又称耦联因子1 (coupling factor 1, F1), 实际是ATP合酶(ATP synthase)的头部，其尾部F0嵌入内膜；

含有与能量转换相关的蛋白：电子传递链、ATP合成酶、内膜转运蛋白；

内膜的标志酶为细胞色素氧化酶；

(3)膜间隙(intermembrane space)

是内外膜之间封闭的腔隙，腔隙宽约6~8 nm，但在细胞进行活跃呼吸时可扩大;

充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子;

标志酶为腺苷酸激酶;

(4)基质(matrix)或内室(inner chamber)

由内膜所包围的嵴外空间，具有一定的pH和渗透压;

含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化、氨基酸降解的酶系;

具有一套完整的转录和翻译体系，包括线粒体DNA (mtDNA)、70S型核糖体、tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等;

标志酶为苹果酸脱氢酶;

2 化学组成

蛋白质(占线粒体干重的65%～70%): 可溶性蛋白(基质中的酶、外在蛋白)\不溶性蛋白(膜中镶嵌蛋白、结构蛋白、部分酶)

脂质(占25%～30%)，磷脂占3/4，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂

3 酶的定位

约有140余种酶，37%是氧化还原酶，10%是合成酶，水解酶不到9%

主要标志酶：
外膜——单胺氧化酶，膜间隙——腺苷酸激酶
内膜——细胞色素氧化酶，基质——苹果酸脱氢酶

二 线粒体的功能

主要功能是进行三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA) 及氧化磷酸化合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成有关；调节细胞氧化还原电位和信号转导；调控细胞凋亡、基因表达；调控细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡，如Ca2+的稳态调节等。

1 线粒体中的氧化代谢

线粒体是氧化代谢的中心，是糖类、脂质和蛋白质最终氧化释能的场所，TCA是物质氧化的最终共同途径；糖类、脂肪、氨基酸等经糖酵解产生丙酮酸和脂肪酸；进入线粒体后形成乙酰CoA进入TCA；TCA脱下的氢经内膜上的电子传递链，最后传至氧生成水；释放的能量通过ADP的磷酸化生成ATP；

（1）电子传递链

线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列成传递链，即电子传递链 (electron transport chain) 或呼吸链 (respiratory chain)，是典型的多酶体系。

目前认为细胞内有2 条典型的呼吸链：①复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成主要的NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化；②复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的氧化。

（2）电子载体

电子通过呼吸链进行有序的流动，称为电子传递。

电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物称为电子载体 (electron carrier)。

参与电子传递链的电子载体有 5种：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白、铜原子，都有氧化还原作用，除泛醌外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白质相连的辅基(prosthetic group)。

黄素蛋白 (flavoprotein)是由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸(FMN) 或黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 紧密结合组成的结合蛋白，辅基是核黄素(维生素B2) 的衍生物，每个辅基传递2 个质子和2 个电子，电子传递链中的NADH 脱氢酶和TCA中的琥珀酸脱氢酶属于黄素蛋白。

细胞色素 (cytochrome)是一种带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白，通过血红素中卟啉环结合的Fe3+和Fe2+的变换传递单个电子。有细胞色素b, c, c1, a, a3。

泛醌 (ubiquinone,UQ) 或称辅酶Q(coenzyme Q, CoQ)或简称为Q，是一种脂溶性的、带有一条长的类异戊二烯侧链的苯醌，能接受1个电子成为半醌自由基(QH*)或接受2个电子成为氢醌(QH2)，在双电子供体和单电子受体之间发挥作用。泛醌携带电子和质子，可在脂双分子层中自由扩散，耦联电子流动和质子运动。

铁硫蛋白 (iron-sulfurprotein) 是一类含非血红素铁的蛋白质，中央结合的铁和硫称为铁硫中心 (iron-sulfur center)，常见的是 [2Fe-2S]和 [4Fe-4S]，通过硫与蛋白质的半胱氨酸残基相连，也靠Fe3+ 和Fe2+变换传递单个电子。

铜原子 (copperatom) 位于内膜的单个蛋白质分子内，通过Cu2+和Cu+两种状态的变换传递单个电子。

呼吸链中的电子载体有严格的排序和方向。

电子传递起始于NADH脱氢酶催化的NADH氧化，形成高能电子(能量转化)，终止于O2形成水  。 

电子按氧化还原电势递增的方向传递，NAD+/NADH的氧化还原电位值最低(-0.32V), O2/H2O的最高(+0.82V)，呼吸链的最终受体氧接受电子后与H+结合生成水。

高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化)。

电子传递链各组分在膜上不对称分布。

（3）复合物

电子传递链中各组分并非游离存在，线粒体内膜破坏后可分离出4 种膜蛋白复合物，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位于线粒体内膜基质侧，属于膜外周蛋白。

复合物Ⅰ，即NADH-CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶；

      组成：呼吸链中最复杂的酶系，25个以上亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白(FMN)；

     作用：催化NADH的2个电子传至辅酶Q，伴随4个质子(H+)从基质转移到膜间隙；

    既是电子传递体又是质子移位体；

复合物Ⅱ，即琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶；

    组成：含FAD辅基、2个Fe-S中心、1个细胞色素b；

    作用：催化琥珀酸的2个电子经FAD、Fe-S传至辅酶Q，无H+泵出；

   是电子传递体而非质子移位体；

复合物Ⅲ，即CoQ-细胞色素c还原酶，又称细胞色素还原酶、细胞色素bc1复合物或简称bc1；

    组成：10条肽链，1个细胞色素b (2个不同血红素基团b562,  b566)、1个细胞色素c1、1个Fe-S蛋白；

    作用：催化电子从辅酶QH2至cytc，泵出4H+(2个来自UQ，2个来自基质) ，电子和质子穿越复合物III的路径成为Q循环(Q cycle)；

    既是电子传递体又是质子移位体；

复合物Ⅳ，即细胞色素氧化酶，又称细胞色素c氧化酶；

    组成：13条多肽链，1个cyta, 1个cyt a3, 2个Cu (CuA, CuB)；

    作用：催化电子从cytc至分子O2形成水，2 个H+泵出，2个H+参与形成水；

    既是电子传递体又是质子移位体；

2 质子转移与质子驱动力形成

电子沿呼吸链传递过程中，复合物I、III、IV都能利用电子传递释放的自由能将线粒体基质中的H+转移到膜间隙，形成膜两侧的质子浓度差即pH 梯度(ΔpH) 及电位差即膜电位(Δψ)，统称为电化学梯度(electrochemicalgradient)，可用质子驱动力或质子动力势 (proton motive force, ΔP) 来表示

NADH呼吸链/FADH2呼吸链。

3 ATP形成机制(氧化磷酸化)

ADP转变为ATP的过程称为磷酸化 (phosphorylation)。

底物水平的磷酸化：相关酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上生成ATP。

氧化磷酸化 (oxidativephosphorylation)：呼吸链上与电子传递相耦联的由ADP生成ATP的酶促过程；

复合物I、III、IV是呼吸链中电子传递与氧化磷酸化耦联的3个位点；ATP的合成由ATP合酶 (复合物V, complex V) 来完成；

ATP合酶也称F1F0-ATP酶、H+-ATP酶。线粒体内膜、叶绿体的类囊体膜、异氧菌和好氧菌的质膜上都已发现ATP合酶的同源部分。功能：是生物体能量转换的核心酶，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。组成：由多亚基装配而成，包括两个基本组分——突出于膜外的球状F1头部(直径约90 nm) 和嵌于膜内的F0基部。

线粒体F1(耦联因子F1) 为水溶性蛋白复合物，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。牛心线粒体F1-ATPase由9 个亚基组成(3α3β1γ1δ1ε)，3α与3β交替排列成“橘瓣”状结构。α, β均有核苷酸结合位点，β的结合位点有催化ATP合成或水解的活性。γ, ε有强的亲和力, 结合在一起形成“转子”(rotor)，位于α3β3的中央, 共同旋转以调节β亚基催化位的开放和关闭。ε抑制ATP水解，还可堵塞H+通道而减少H+泄漏。

F0是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成跨膜质子通道。F0的亚基类型和组成在不同物种中差别很大，细菌的F0由a、b、c 3种亚基组成(alb2c10～12) 。多拷贝的c亚基形成环状结构，a、b亚基二聚体和F1的δ亚基共同组成“定子”(stator)，排列在 c亚基所形成环的外侧，将F1和F0连接起来。H+流通过F0形成跨膜质子动力势， F0将其转换成扭力矩（torsion)，驱动“转子”旋转，调节β亚基催化位点的构象变化，合成或水解ATP。

关于氧化磷酸化的耦联机制曾有多种假说：20世纪50年代提出化学偶联假说，60年代提出构象偶联假说、化学渗透假说等，70年代大量实验支持化学渗透假说，1978年英国生物化学家Mitchell因此获诺贝尔化学奖。

化学渗透假说内容：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度，也称为质子动力势。在其驱动下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP，电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。

但化学渗透假说并没有说明ATP合成酶利用跨膜质子梯度合成ATP的具体机制，目前多数人接受的是美国人Boyer于1979年提出的结合变构机制(binding change mechanism)。

质子梯度的作用不是生成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来。F1上3个β催化亚基序列相同，构象不同，与核苷酸结合经过三种构象状态：紧密结合态(T)、松散结合态(L)、空置状态(O)，从而使它们对核苷酸具有不同的亲和性。ATP通过旋转催化而生成。

ATP合成酶为可逆性复合酶，既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP，又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙 。

ATP合成酶可能是已发现的自然界最小的分子“马达”，其运转效率几乎达100％。

3 线粒体与疾病

线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变——线粒体病 (mitochondrial diseases, MD)

克山病就是一种心肌线粒体病(mitochondrial cardiomyopathy)，是以心肌损伤为主要病变的地方性性心肌病，于1935年在黑龙江省克山县首先发现，临床表现主要有心脏增大、急性或慢性心功能不全和各种类型的心律失常，急重病人可发生猝死。目前认为是因缺硒而引起，缺硒影响线粒体膜稳定性，导致心肌线粒体膨胀、嵴稀少和不完整。

人细胞中线粒体数量随年龄增长而减少，体积则增大；线粒体是细胞内自由基的主要来源；许多常见的由年龄增长而引发的神经性疾病如帕金森病可能是线粒体功能退行性变化的结果。