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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 。
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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。 • 1948Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，1949Kennedy和Lehninger发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，1976Hatefi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 • 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。 • 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。 • 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 • 位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜， 厚5～6nm。 • 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。 • 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。 • 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。 • 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。 • 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。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。
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- -F1、柄部和基片- -F0三部分组成 。
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。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?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
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。
糖 蛋白质 脂肪 电子传递和氧化磷酸化 乙酰辅酶A生成 三羧酸循环 酵解
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。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。
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。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。
