全 文 ：生物技术通报
· 综述与专论 · 刀了口百付 口乙 乙 年增刊
线粒体的生理生化功能概述
刘晓华‘ 董纬婷 , 金尔光 ‘ 孙仁利 ‘ 王定发 , 夏瑜‘ 陈橙 , 凌明湖‘
’武汉市畜牧兽医科研所 , 武汉 暨南大学生命科学学院 , 广州
摘 要 线粒体是细胞 内重要的细胞器 ,参与细胞内三梭酸循环 、脂肪酸代谢 、氧化磷酸化等多项 重要的生
理和生化过程。 就线粒体的结构 、功能 、研究概况等进行阐述 , 阐明研究线粒体的意义 。
关键词 线粒体 生理生化功能 研究现状
卯 !
, , 砂
, ,
线粒体 , 简称 是真核细胞的
重要细胞器 , 是动物细胞生成 的主要场所 。 它
们内部基本上是空的 , 但具有复杂的膜结构 。 线粒
体基质的三梭酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成
! 。 ! 通过线粒体内膜呼吸链氧化 , 与此
同时合成 。 合成的 进人细胞质后参与细
胞的各种需能过程 。 线粒体的遗传基因 跟
人的细胞核的 有质的不同 , 线粒体独立自主地
复制繁衍 ,跟它寄主的细胞的繁衍没有关系 。 如果
线粒体 发生突变 , 则细胞不能产生足够的
而导致细胞功能减退甚至坏死 , 从而使临床上表现
为复杂多样的症状 , 即线粒体病 。 正是由于线粒体
的特殊性及在人体细胞中的重要作用使得它一直是
科学家关注的焦点 。
线粒体的发现与功能研究
人们对线粒体的研究有一个多世纪的历史 。
! 年 , 德国生物学家 第一个系统地研究
了线粒体 ,发现在肌细胞的细胞质中存在着一种规
则排列的颗粒 ,并且从肌细胞中分离到这些颗粒 , 为
此推测 这种颗粒是由半透性的膜包被的 。 很快 , 在
其他一些组织的细胞中也发现了这种颗粒 , 并取了
很多不同的名称 。 年 , 有人首次将这种颗粒命
名为线粒体 , 意思是 “类似线状的颗粒 ” , 并很快被
大家所接受 。
年 , 在线粒体的功能研究方面取
得了突破性的进展 。 他用染料 对肝细
胞进行染色 , 这种染料将线粒体染成绿色 。 当细胞
消耗氧之后 , 线粒体的颜色逐渐消失了 , 当时已经了
解这种颜色的变化是颜料的氧化还原状态改变的结
果 ,从而提示线粒体具有氧化还原反应 的作用 。
年 , 从细胞匀浆质里分离了线粒体 , 并
发现它能够消耗氧。 但是 , 这些发现当时并没有引
起生物学家足够的重视 , 因为人们普遍认为线粒体
的作用主要是参与分化细胞遗传特性的转变 。
人们真正注意线粒体在能量代谢中的作用是分
离纯化方法的发展和线粒体独立功能的研究川 。
在 世纪 年代早期 , ! 开创了细胞组分分
离技术 , 能够将线粒体与其它细胞组分分开 。 但他
使用的是盐法 , 而盐会破坏线粒体的作用 , 所以用这
种方法分离的线粒体看不到有关 循环 , 以及
呼吸链 的成分 。 年 , 、 和
等终于分离了具有生物活性的线粒体 。 他们
采用的分离介质是蔗糖而不是盐 。 因此不会破坏线
粒体 , 这种分离方法的突破使得 和 晚
证明了线粒体具有 循环 、电子传递 、氧
化磷酸化的作用 , 从而证明了线粒体是真核生物进
行能量转化的主要部位〔’〕。
近年来 , 动物线粒体 的进化遗传
作者简介 刘晓华 一 , 女 , 九三学社社员 , 正高职畜牧师 , 武汉市农科院畜牧兽医科研所 , 主要从事动物 、水产营养生理生化研究
年增刊 刘晓华等 线粒体的生理生化功能概述
学方 面 的研 究成 为分子进化遗传学领 域 的热
点〔’,’ , 线粒体基因组由于其具有的遗传特点 , 成为
研究真核生物分子遗传学 、发育生物学和分子系统
进化的一种重要的模式体系 。 近年来 , 昆虫系统演
化热点已转人分子水平 , 特别是基于线粒体基因组 ,
果蝇 、蝴蝶 、飞蝗等线粒体基因的分子系统进化研究
已有报道 。
研究表明 ’〕, 线粒是是介导细胞凋亡的重要细
胞器〔’ 。 线粒体中的一系列代谢过程与细胞凋亡
密切相关 , 如呼吸链 中氧自由基 的过度生
成 ’ 、线粒体膜通透性转运孔 刊 异常开放 、凋亡
诱导因子 与线粒体细胞色素 释放等〔 。 此
外 , 线粒体膜具有多种离子通道来介导离子转运 , 离
子通道的调节可能影响线粒体甚至细胞的功能 。 随
着线粒体上述功能的逐步阐明 , 发现多种药物的作
用靶点位于线粒体膜或线粒体内酶复合物 , 其药理
作用主要通过调节线粒体呼吸链功能 、代谢酶活性 、
膜通透性来实现 , 同时 , 利用线粒体靶点原理’〕, 一
些研究者已经设计出靶向性较强的线粒体靶点药
物 , 用于抗肿瘤或清除自由基 ’。 。
线粒体的结构
线粒体一般呈粒状或杆状 , 但因生物种类和生
理状态而异 , 可呈环形 , 哑铃形 、线状 、分权状或其它
形状 。 主要化学成分是蛋白质和脂类 , 其中蛋白质
占线粒体干重的 一 , 脂类占 一 。
一般直径 一 林 , 长 一 林 , 在胰脏外分
泌细胞中可长达 一 林 , 称巨线粒体 。 数 目一
般数百到数千个 ,植物因有叶绿体的缘故 , 线粒体数
目相对较少 肝细胞约 , 个线粒体 , 占细胞体积
的 单细胞鞭毛藻仅 个 , 酵母细胞具有一个
大型分支的线粒体 , 巨大变形中达 万个 许多哺
乳动物成熟的红细胞中无线粒体〔川 。
线粒体通常结合在维管上 , 分布在细胞功能旺
盛的区域 。 如在肝细胞中呈均匀分布 , 在肾细胞中
靠近微血管 ,呈平行或栅状排列 , 肠表皮细胞中呈两
极性分布 , 集中在顶端和基部 ,在精子中分布在鞭毛
中区 。 线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁
移 , 微管是其导轨 , 由马达蛋白提供动力 。
线粒体由内外两层膜封闭 , 包括外膜 、内膜 、膜
间隙和基质四个功能区隔 。 在肝细胞线粒体中各功
能区隔蛋白质的含量依次为 基质 67 % , 内膜 21 % ,
外 8% 膜 , 膜间隙4% 【”〕。
外膜含40 % 的脂类和 60 % 的蛋白质 , 具有孔蛋
白构成的亲水通道 , 允许分子量为skD 以下的分子
通过 , I k D 以下的分子可 自由通过 。 标志酶为单胺
氧化酶 。
内膜含 ro o 种以上的多肤 , 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。 如:丙酮酸和焦磷酸是利用 H + 梯度协同
运输。 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜 ,
因此从能量转换角度来说 , 内膜起主要的作用 。 内
膜的标志酶为细胞色素 C 氧化酶 。
内膜向线粒体基质褶人形成晴 , 峪能显著扩大
内膜表面积(达 5 一 ro 倍) , 峙有两种类型:板层状
和管状 ,但多呈板层状 。 线粒岭上覆有基粒 , 基粒由
头部(F , 偶联因子 )和基部(F。 偶联因子 )构成 , F0
嵌人线粒体内膜 。
膜间隙是内外膜之间的腔隙 , 延伸至峙的轴心
部 , 腔隙宽约 6 一 s n m 。 由于外膜具有大量亲水孔道
与细胞质相通 , 因此膜间隙的 pH 值与细胞质的相
似。 ‘ 标志酶为腺昔酸激酶 。
基质为内膜和岭包围的空间 。 除糖酵解在细胞
质中进行外 , 其他的生物氧化过程都在线粒体中进
行 。 催化三梭酸循环 , 脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类
均位于基质中 ,其标志酶为苹果酸脱氢酶 。 基质具
有一套完整的转录和翻译体系 。 包括线粒体 DNA
(m tD NA ) , 7 0 5 型核糖体 , t R N A 、 rR N A 、 D N A 聚合
酶 、氨基酸活化酶等 。 基质中还含有纤维丝和电子
密度很大的致密颗粒状物质 , 内含 Ca , ‘ 、 M g , + 、 z n , +
等离子 。
3 线粒体的功能
线粒体是糖 、脂肪 、和氨基酸最终氧化放能的场
所 。 共同途径是三梭酸循环和呼吸链 的氧化磷酸
化[6: 。 该过程分为 3 个步骤 :三梭酸循环 、 电子传
递和 A TP 的生成〔” , ’4 〕。
3
.
1 三梭酸循环
葡萄糖(或糖原 )在正常有氧的条件下 , 氧化
后 , 产生 C02 和水 。 这个总过程称为糖的有氧氧
生物杖术通报 刀勿te chn oto gy 20 08 年增刊
化 , 又称细胞氧化或生物氧化。 整个过程分为三个
阶段进行:糖氧化为丙酮酸(在细胞质 中进行) , 丙
酮酸进人线粒体 , 在基质中脱梭生成乙酞 CoA; 乙酞
C oA 进人三梭酸循环 , 彻底氧化 。 第一阶段在细胞
质中进行 , 二 、三阶段在线粒体中进行 。
三竣酸循环 (TCA) , 又称 Kre bs 循环 、柠檬酸循
环 。 由乙酞 COA 和草酞乙酸所和成有三个梭酸的
柠檬酸 , 柠檬酸经一系列反应 , 一再氧化脱梭 , 经酮
戊二酸 、墟拍酸 ,再降解成草酞乙酸 。 而参与这一循
环的丙酮酸的 3 个碳原子 , 每循环一次 ,仅用去一分
子乙酞基中的二碳单位 ,最后生成两分子的 CO :, 并
释放出大量的能量 。
3
.
2 电子传递
1 分子丙酮酸在三梭酸循环中脱去的 5 对 H +
分别与 N A D 十 、 N A D P + 和 FAD 结合 , 形成 3 分子的
N A DP + H +和 1 分子 FAD H Z。 在有氧条件下 , 载
氢体被氧化 , 在此过程中 , 经过电子传递链和氧化磷
酸化生成 ATP 。
电子传递链又称呼吸联 , 是线粒体内膜上一组
酶的复合体。 其功能是进行电子传递 , H + 的传递及
氧的利用 , 产生 H ZO 和 ATP 。 三梭酸循环产生的 H+ 经过呼吸链传递 , 电子最终传递给基质中的 0 2 ,
使其生成 0 :一 ,而 H +则被泵出内膜 , 进人膜间腔 。
3
.
3 氧化磷酸化
在活细胞中伴随着呼吸链的氧化过程所发生的
能量转换和 ATP 的形成 , 称为氧化磷酸化 。 关于氧
化和磷酸化藕联机理 , 普遍接受的是化学渗透假说 。
该假说是英国生物化学家 P.Mi tch el 于 1961 年提
出的 , 获得了 1978 年的诺贝尔奖 。 该学说的要点如
下 :电子传递从 N A D H 开始 , 还原型的 N A D H 提供
两个电子和一个 H 十传递给 NA D H 脱氢酶上的黄素
单核昔酸(FM N ) , 并从基质中摄取一个 H + ,将 FM N
还原成 FM N HZ ;FM N H Z 把一对 H + 质子释放到膜
间隙 , 同时将一对电子经铁硫蛋白传递给两个辅酶
Q ;两个辅酶 Q 又从基质中摄取两个 H + 被还原成
两个半醒(Q H ) ;醒在内膜中进行传膜循环 , 两个半
醒各从细胞色素 b 中获得一个电子 , 并从基质中摄
取两个 H + 质子 , 形成两个全醒 ;当全醒移到内膜外
侧时 ,便把两个电子交给细胞色素 cl , 并向膜间隙
释放一对 H + 质子 ,本身又变成半醒 ;当半醒移到接
近细胞色素 b 时 , 把携带的另外的两个电子交还给
b ,并向膜间隙释放一对 H +质子 , 细胞色素 b 的一
对电子又回到醒循环 ;细胞色素 cl把接受的一对电
子经细胞色素 C和细胞色素氧化酶 a , a3 传递给氧 ,
将氧还原成水;对电子经呼吸链传递给氧时 , 共把基
质中的3 对 H +泵到膜间隙 ,从而使膜间隙的H +浓
度高于基质 , 因而在内膜的两侧形成了质子动力势 。
这种质子动力势可驱动 H + 通过 A TP 复合物进人
基质 , 每进人两个 H + 可产生 1个 ATP 。
3
.
4 线粒体的半 自主性〔” ]
1 9 6 3 年 M . 和 5. Nass发现线粒体 DN A (m tD-
NA )后 , 人们又在线粒体中发现了 RN A 、 D N A 聚合
酶 、 R N A 聚合酶 、 tR N A 、核糖体 、氨基酸活化酶等进
行 DN A 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 1 , 0 0 多种蛋白质中 , 自身合成的仅十
余种【‘, 〕。 线粒体的核糖体蛋 白、氨酞 tR N A 合成
酶 、许多结构蛋白 , 都是核基因编码 〔’8 ] , 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 。
4 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[’9 ] :间壁分离 , 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;收缩后分离 , 分裂时通过线粒体中部溢缩并
向两端不断拉长然后分裂为两个 , 见于威类和酵母
线粒体中;出芽 ,见于酵母和醉类植物 , 线粒体出现
小芽 , 脱落后长大 , 发育为线粒体。
5 结束语
综上所述 , 由于线粒体的特殊性及在人体与动
植物细胞中的重要作用使得它一直是科学家关注的
焦点 。 线粒体的提取 , 是对它的生理生态进行研究
的必要准备 。 在动物试验中 , 建立线粒体模型 , 进行
离体试验可克服一般的动物试验成本高 、周期长且
受自然条件 (如温度 、气候 、水等)的限制的缺点 , 且
不受动物本身内在因素的干扰 , 能在亚细胞水平上
分析影响机制 ,所以该方法在营养学和毒理学等学
科有广泛应用前景 。 ( 下转第52 页)
生物杖术通报 B 勿te ehn oto 盯 Bu陇“n 20 8 年增刊
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( 上接第40 页)
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