第三节　线粒体

线粒体(mitochondrion，复数mitochondria)是一个敏感而多变的细胞器，普遍存在于除哺乳动物成熟红细胞以外的所有真核细胞中。细胞生命活动所需能量的80％是由线粒体提供的，所以它是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，也有人将线粒体比喻为细胞的“动力工厂”。此外，近年来的研究也显示线粒体与细胞内氧自由基的生成、细胞死亡以及许多人类疾病的发生有密切关系。

一、线粒体的结构

(一)线粒体的形态、数目与组织分布

光镜下的线粒体呈线状、粒状或杆状等，直径为0．5～1．0μm。不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数目及排列分布常不相同。例如，在低渗环境下，线粒体膨胀如泡状;在高渗环境下，线粒体又伸长为线状。线粒体的形态也随细胞发育阶段不同而异，如人胚肝细胞的线粒体，在发育早期为短棒状，在发育晚期为长棒状。细胞内的渗透压和pH对线粒体形态也有影响，酸性时线粒体膨胀，碱性时线粒体为粒状。

线粒体的数量可因细胞种类而不同，最少的细胞只含1个线粒体，最多的达50万个，其总体积可占细胞总体积的25％。这与细胞本身的代谢活动有关，代谢旺盛时，线粒体数目较多，反之线粒体的数目则较少。

线粒体在很多细胞中呈弥散均匀分布状态，但一般聚集在生理功能旺盛、需要能量供应的区域，如在精子细胞中，线粒体沿鞭毛紧密排列。有时同一细胞在不同生理状况下，可发现线粒体变形移位现象。如肾小管细胞，当其主动交换功能旺盛时，线粒体常大量集中于膜内缘，这与主动运输时需要能量有关;有丝分裂时线粒体均匀集中在纺锤丝周围，分裂终了，它们大致平均分配到两个子细胞中。

(二)线粒体的超微结构

电镜下，线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。两层膜将线粒体内部空间与细胞质隔离，并使线粒体内部空间分隔成两个膜空间，构成线粒体的支架(图3-17，3-18)。

1．外膜　外膜(outer membrane)是线粒体最外层所包绕的一层单位膜，厚5～7nm，光滑平整。在组成上，外膜的1/2为脂类，1/2为蛋白质。外膜的蛋白质包括多种转运蛋白，它们形成较大的水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直径2～3 nm的小孔，允许通过相对分子质量在10000以下的物质，包括一些小分子多肽。

2．内膜和内部空间　内膜(inner membrane)比外膜稍薄，平均厚4．5nm，也是一层单位膜。内膜将线粒体的内部空间分成两部分，其中由内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔(matrix space);内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔(intermembrane space)。内膜上有大量向内腔突起的折叠(infolding)，形成嵴(cristae)。嵴与嵴之间的内腔部分称为嵴间腔(intercristae space)，而由于嵴向内腔突进造成的外腔向内伸入的部分称为嵴内空间(intracristae space)。内膜的化学组成中20％是脂类，80％是蛋白质，蛋白质的含量明显高于其他膜成分。内膜通透性很小，相对分子质量＞150的物质便不能通过。但内膜有高度的选择通透性，膜上的转运蛋白控制内外腔的物质交换，以保证活性物质的代谢。

图3-17　扫描电镜下的线粒体

内膜(包括嵴)的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体有10⁴～10⁵个，称为基粒(elementary particle)。基粒是由多种蛋白质亚基组成的，分为头部、柄部和基片3部分。圆球形的头部突入内腔中，基片嵌于内膜中，柄部将头部与基片相连。基粒头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP。因此，基粒又称ATP酶复合体。

3．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着一些内膜与外膜相互接触的地方，在这些地方，膜间隙变狭窄，称为转位接触点(translocation contact site)。有研究估计，鼠肝直径1μm的线粒体有100个左右的转位接触点。用免疫电镜的方法可观察到转位接触点处有蛋白质前体的积聚，显示它是蛋白质等物质进出线粒体的通道。

图3-18　线粒体超微结构模式图

4．基质　线粒体内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分，称之为基质(matrix)。线粒体中催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中。此外还含有线粒体独特的双链环状DNA、核糖体，这些结构构成了线粒体相对独立的遗传信息复制、转录和翻译系统。因此，线粒体是人体细胞除细胞核外唯一含有DNA的细胞器，每个线粒体中可有一个或多个DNA拷贝。

二、线粒体的化学组成

线粒体干重的主要成分是蛋白质，占65％～70％，多数分布于内膜和基质。线粒体蛋白质分为两类:一类是可溶性蛋白，包括基质中的酶和膜外周蛋白;另一类是不溶性蛋白，为膜结构蛋白或膜镶嵌酶蛋白。脂类占线粒体干重的25％～30％，大部分是磷脂。此外，线粒体还含有DNA和完整的遗传系统，多种辅酶(如CoQ、FMN、FAD和NAD⁺等)、维生素和各类无机离子。

线粒体含有众多酶系，目前已确认有120余种，是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。有些酶可作为线粒体不同部位的标志酶，如内外膜的标志酶分别是细胞色素氧化酶和单胺氧化酶，基质和膜间腔的标志酶分别为苹果酸脱氢酶和腺苷酸激酶。

三、线粒体基因组

线粒体虽然有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统，且部分遗传密码也与核密码有不同的编码含义(表3-2)，但它与细胞核的遗传系统构成了一个整体。线粒体的基因组只有一条DNA，称为线粒体DNA(mtDNA)。mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合，存在于线粒体的基质内或依附于线粒体内膜。在一个线粒体内往往有一至数个mtDNA分子，平均为5～10个mtDNA分子。它主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质，如电子传递链酶复合体中的亚基。但由于线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核编码，所以它们在细胞质中合成后经特定的方式转送到线粒体中。

表3-2　线粒体与核密码子编码氨基酸比较

线粒体基因组的全序列测定早已完成，线粒体基因组的序列(又称剑桥序列)共含16569个bp，为一条双链环状的DNA分子。双链中一为重链(H)，一为轻链(L)，这是根据它们的转录本在氯化铯(CsCl)中密度的不同而区分的。重链和轻链上的编码物各不相同(图3-19)，人类线粒体基因组共编码了37个基因。重链编码了12S rRNA(小rRNA)、16S rRNA(大rRNA)、NADH-CoQ氧化还原酶I(NADH-CoQ oxidoreductase 1，ND1)、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、细胞色素C氧化酶Ⅰ(cytochrome C oxidaseⅠ，COXⅠ)、COXⅡ、COXⅢ、细胞色素b的亚基、ATP合酶的第6亚单位和第8亚单位(A6、A8)及14个tRNA等(图中用小写字母表示，表示其对应的氨基酸);轻链则编码了ND6及8个tRNA。

图3-19　线粒体基因组序列

在这37个基因中，仅13个是编码蛋白质的基因，13个序列都以ATG(甲硫氨酸)为起始密码，并有终止密码结构，长度均超过可偏码50个氨基酸多肽所必需的长度。由这13个基因所编码的蛋白质均已确定，其中3个为构成细胞色素C氧化酶(COX)复合体(复合体Ⅳ)催化活性中心的亚单位(COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ)，这3个亚基与细菌细胞色素C氧化酶是相似的，其序列在进化过程中是高度保守的;还有2个为ATP合酶复合体(复合体Ⅴ)F⁰部分的2个亚基(A6和A8);7个为NADH-CoQ还原酶复合体(复合体Ⅰ)的亚基(ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6);还有1个编码的结构蛋白质为CoQH²-细胞色素C还原酶复合体(复合体Ⅲ)中细胞色素b的亚基;其他24个基因编码2种rRNA分子(用于构成线粒体的核糖体)和22种tRNA分子(用于线粒体mRNA的翻译)。

线粒体基因组与核基因组相比，经济或紧凑了许多，核基因组中编码功能的序列还不足10％，而在线粒体基因组中只有很少非编码的序列。转录之后，在mRNA转录物的特定区域加上多聚腺嘌呤核苷酸。

四、核编码蛋白质的线粒体转运

线粒体中有大约1000个基因产物，其中仅37个基因产物由线粒体基因组编码，因此线粒体内大多数参与电子传递链的蛋白都是核编码的线粒体蛋白(表3-3)，而在这些核编码蛋白进入线粒体的过程中，需要分子伴侣蛋白的协助，其中绝大多数线粒体蛋白被输入基质，少数输入膜间腔以及插入内膜和外膜上。输入线粒体的蛋白质都在其N端具有一段基质导入序列(matrix-targeting sequence，MTS)，线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合各种不同但相关的MTS，在这些序列中，富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸，但少见天冬氨酸和谷氨酸。这些序列包含了所有介导在细胞质中合成的前体蛋白输入线粒体基质的信号。

表3-3　部分核编码的线粒体蛋白

当线粒体蛋白可溶性前体(the soluble precursor ofmitochondrial proteins)在核糖体内形成以后，少数前体蛋白与一种称为新生多肽相关复合物(nascent-associated complex，NAC)的分子伴侣蛋白相互作用。NAC的确切作用尚不清楚，但明显增加了蛋白转运的准确性;而绝大多数的前体蛋白都要和一种称为热休克蛋白70(heat shock protein70，hsc70)的分子伴侣结合，从而防止前体蛋白形成不可解开的构象，也可以防止已松弛的前体蛋白聚集(aggregation)。尽管hsc70的这种作用对于胞质蛋白并不是必需的，但对于要进入线粒体的蛋白质却是至关重要的，因为紧密折叠的蛋白根本不可能穿越线粒体膜。目前尚不清楚分子伴侣蛋白能否准确区分胞质蛋白和线粒体蛋白，不过胞质内某些因子显然在这种区分中发挥了作用。已经证实在哺乳动物的胞质中存在着两种能够准确结合线粒体前体蛋白的因子:前体蛋白的结合因子(presequence-binding factor，PBF)和线粒体输入刺激因子(mito-chondrial import stimulatory factor，MSF)，前者能够增加hsc70对线粒体蛋白的转运;后者能够不依赖于hsc70，常单独发挥ATP酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。

某些前体蛋白如内膜ATP/ADP反向转运体与MSF所形成的复合体能进一步与外膜上的一套受体Tom37和Tom70结合，然后Tom37和Tom70把前体蛋白转移到第2套受体Tom20和Tom22，同时释放MSF;绝大多数与hsc70结合的前体蛋白常不经过受体Tom37和Tom70，而直接与受体Tom20和Tom22结合。与前体蛋白结合的受体Tom20和Tom22与外膜上的通道蛋白Tom40(第3套受体)相偶联，后者与内膜的接触点共同组成一个直径为1．5～2．5nm的越膜通道，非折叠的前体蛋白通过这一通道转移到线粒体基质。

蛋白质跨膜转运至线粒体基质后，必须恢复其天然构象以行使功能。当蛋白跨过线粒体膜后，大多数定位于基质的蛋白被基质作用蛋白酶(matrix processing protease，MPP)所移除。人们还不知道确切的蛋白水解时间，但这种水解反应很可能是一种早期事件，因为此类MPP定位于线粒体内膜上。和转运过程不同，此时的蛋白质需要进行重新折叠，而在周围蛋白质浓度为500～600mg/ml的环境下，蛋白质要自发地重新折叠简直不可能。此时，mthsp70又发挥了其重要的作用，但这时mthsp70是作为折叠因子而不是去折叠因子，分子伴侣的这种从折叠因子到去折叠因子角色的转变很可能有线粒体Dna J家族的参与。实验显示，去除Dna J1P不会影响前体蛋白进入线粒体，但可以明显阻止其折叠。

在大多数情况下，输入多肽的最后折叠还需要另外一套基质分子伴侣如hsc60、hsc10的协助;hsc60的突变体并不影响前体蛋白进入线粒体，但进入的前体蛋白不能形成低聚复合物，因而hsc70就不能发挥作用，这一点已通过免疫共沉淀实验证实。

五、线粒体的生物发生

关于线粒体形成的机制，已经争论多年。自从线粒体DNA发现后，生物学家较普遍地接受这样的观点:线粒体是以分裂的方式进行增殖的。Attardi等(1975)认为，线粒体的生物发生过程分两个阶段。在第1阶段，线粒体的膜进行生长和复制，然后分裂增殖;第2阶段包括线粒体本身的分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的机构。线粒体的生长和分化阶段分别接受细胞核和线粒体两个独立的遗传系统控制。