线粒体的结构与功能

1、线粒体的结构与功能生命科学与食品工程系，050601030, 易永洁摘要：线粒体是细胞质中重要的细胞器之一，普遍存在于真核细胞中。它是生物氧化和能量转换的主要场所，以氧化磷酸化(OXPHOS)方式将食物内蕴藏的能量转变为可被机体直接利用的ATP高能磷酸键。细胞生命活动所需能量的80来源于线粒体，因此线粒体在细胞的生长代谢和人类的遗传中都有重要的作用。关键词：线粒体；结构；功能；遗传病；mtDNA自1890年Altaman首次发现线粒体以来，生物学家就一直以极大的热情给予关注，到目前为止，其结构和功能方面的研究已经越来越深入明了。1线粒体的结构外膜 (out membrane)含40%的脂类和6

2、0%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。内膜 （inner membrane）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。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入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍），

3、嵴有两种类型：板层状、管状，但多呈板层状。膜间隙(intermembrane space)是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。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。标志酶为腺苷酸激酶。基质（matrix）为内膜和嵴包围的空间。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。催化三羧酸循环，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（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。2线位体的功能生命要存活就必须要有源源不断

4、的能量供应，线粒体扮演着能量供应站的角色。糖、脂肪、氨基酸，最终氧化放能的场所是线粒体。线粒体内膜上含有呼吸链酶组，它是由5个酶复合体(-)组成的，分别是：NADH-Q还原酶（复合体），琥珀酸-Q还原酶（复合体），细胞色素还原酶（复合体），细胞色素氧化酶（复合体），及ATP合酶（复合体）。糖、脂肪、氨基酸，最终氧化的共同途径是三羧酸循环和氧化磷酸化；三羧酸循环是在线粒体基质中进行的，氧化磷酸化过程是在呼吸链酶组分参与下完成的。三羧酸循环的最终产物为CO2、NADH和FADH2。后两者的电子进入内膜呼吸链并沿呼吸链酶组分传递，其间释放的能量用以将基质中的H+定向转运至内膜外，从而形成跨线粒体内膜

5、两侧的H+梯度和电位梯度，电子在呼吸链的终端将O2还原成H2O，H+借助电化学梯度从内膜外进入基质的过程中释放能量，在内膜的ATP合成酶作用下促使ADP和Pi结合生成ATP。生物体能量的储存和利用以ATP为中心，细胞生命活动所需能量的95是以ATP的形式直接提供的。除产生ATP外，线粒体跨内膜电化学梯度还执行另一个重要的功能，即摄取Ca2+，以维持胞浆中游离钙离子的低浓度（<10-7摩尔）和精确地调整其浓度，以保持细胞内环境的稳定性。线粒体膜上的协同转运体(uniporter)实现对钙摄取，它由线粒体内外膜间的电化学梯度来驱动；2Na+/Ca2+交换系统（2Na+/Ca2+exchang

6、er，NCE）和大分子通透性转移孔道（mitochondrial permeablizetransition pore，MPTP）将线粒体内累积的Ca2+释放到胞浆中去。此外，线粒体在一定条件下所释放出的Ca2+，除满足维持内环境稳定的需要外，还用以激发一些细胞机能，如细胞的胞吞、胞吐及收缩作用等。 3线位体遗传病线粒体病(mitochondriopathy)是指因遗传缺损引起线粒体代谢酶的缺陷，导致ATP合成障碍、能量来源不足而出现的一组多系统疾病，也被称为线粒体细胞病(mitochondrla cytopathy) 。线粒体病主要由mtDNA的突变造成，包括点突变、缺失、重复及丢失等。迄今

7、为止，共发现50余种病理性DNA点突变及数百种重排方式，同一种mtDNA突变对于不同患者可造成不同的临床表现， 31线粒体遗传病的特点 半自主性 mtDNA能够独立地复制、转录和翻译，但维持线粒体结构与功能的主要大分子复合物和大多数酶的亚单位由核DNA编码，故线粒体遗传表现为半自主性。母系遗传 受精卵中大多胞质来自卵细胞所致。异质性 分裂过程中线粒体不均等分配使得同一组织或个体中(如同卵双生子)可具有不同的细胞质基因型，从而具有不同的表现型。有阈值效应 突变的mtDNA数量达到一定程度时才引起某种组织或器官的功能异常，各组织器官对能量的依赖性是不同的，脑、骨胳肌、心、肾、肝对能量的依赖性逐渐降

8、低，所以，线粒体遗传病很多都属于脑部与肌肉的疾病。每一器官都有其能量阈值效应，故线粒体基因突变点也有相应的阈值效应。几种常见的线粒体遗传病 Leber遗传性视神经病Leber遗传性视神经病(LHON)是一种罕见的眼部线粒体疾病，是人类母系遗传的典型病例，也是第一种在分子水平上研究请楚的母系遗传病，至今尚未发现有男性患者将此病传给后代。该病产生的病因是mtDNA的11778位点的G_+A突变，突变使NADH脱氢酶异常，影响了线粒体内能量的产生，此外还有其他位点的突变，它们的累加效应可不同程度地使电子传递功能受阻从而影响视觉功能，核基因异常也可引起LHON的发生。患者临床上先表现为急性眼球后神经炎

9、，导致双侧视神经萎缩，开始视觉模糊，接着几个月内出现无痛性、完全或接近完全的失明，两眼同时失明或一眼失明后另一眼很快失明，伴随症状包括反射亢进、小脑失调、心律紊乱，男女患者比为4：1。线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征约80的线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合征(MELAS)患者的mtDNA编码的tRNA基因3243位点存在A G点突变，也有其他位点突变，使得mtDNA转录活性降低并影响线粒体功能。主要是丙酮酸代谢受影响，大量丙酮酸生成乳酸积累在血，导致丙酮酸中毒。患者常在40岁以前出现如下异常：突发呕吐、复发性休克、肌肉组织病变等，少数患者伴痴呆、耳聋、偏头痛、肌无力等，MEL

10、AS患者在脑和骨肉的小动脉和毛细血管壁中有大量形态异常的线粒体聚集。糖尿病随着对线粒体遗传病的认识不断深入，线粒体基因突变被认为是糖尿病的一种新的遗传缺陷。线粒体基因突变导致的糖尿病是一种新的类型，约占全球糖尿病人群中的15。近年来发现有20余种线粒体基因突变与糖尿病有关，其中最常见的mtDNA的tRNA基因3243位点A G突变，可能导致胰岛B细胞缺陷不能正常分泌胰岛素，该位点突变引起的糖尿病占线粒体突变所致糖尿病的50。 4线粒体基因组（mtDNA）线粒体DNA结构特点线粒体DNA自发现以来，其形态结构，基因组成，复制，转录与翻译，与核基因组的关系，以及其遗传特点，进化特点和分子系统学方面

11、研究都积累了大量的资料。线粒体是真核细胞内重要的细胞器，能量生成的场所，还参与脂肪酸的合成及某些蛋白质的合成。线粒体DNA是细胞内相对独立的基因组。线粒体DNA是细胞内较小而又较易纯化的复制转录单位，基因组结构比较简单，并具有很高的专一性，独特性，它的传递、重组、分离、复制、转录都可应用分子生物学的许多手段和方法进行分析。因此，线粒体DNA不仅是研究DNA结构与DNA复制、转录的良好模型，也是研究真核细胞核酸与蛋白质合成等一般问题非常合适的模型系统。从Anderson等(1981)测定人线粒体基因组的全序列以来，已有70多种动物的线粒体基因组全序列被测定出来从已进行全序列测定的各动物线粒体基因

12、组来看，其是共价闭合的双链DNA，分子量较小，一般长度在157195kb，核酸序列和组成比较保守，以它作为模板制作的PCR反应引物的通用性比较强。根据碱性氯化铯密度梯度离心中双链密度不同分为重链(H链)和轻链(L链。哺乳动物mtDNA中除一个蛋白质基因(ND6)和8个tRNA基因由L链编码外，其余的大部分基因都由H链编码嘲。线粒体基因组的结构及基因成分Anderson(1990)、DOClary(1985)和JSLee(1999)等先后对人、果蝇和家蚕的mtDNA进行了完整的序列分析，人的mtDNA由16569个碱基组成，果蝇由16019个碱基组成，家蚕由15634个碱基组成。现已知线粒体的基

13、因组至少含有13个蛋白质基因、22个tRNA基因和2个rRNA基因。蛋白质编码 基因动物线粒体基因组含有的13个蛋白基因，包括细胞色素b基因(Cvtb)、细胞色素氧化酶3个亚基基因(COXI，COXII，COXm)、NADH氧化还原酶7个亚基基因(ND1，ND2，ND3，ND4，ND4L，ND5，ND6)和ATP酶2个亚基基因(ATPase6，ATPase8)，这13个蛋白或亚基都是线粒体内膜呼吸链的组分。tRNA基因 动物线粒体基因组含有22个tRNA基因，可以满足线粒体蛋白质翻译中所有密码子的需要。其中tRNA-G1u，A1a，Asn，Cvs，Tvr，Ser，Gin，Pro由L链编码，其余

14、由H链编码。H链编码的tRNA基因散布于蛋白质基因和rRNA基因之间，相邻基因间隔130个碱基或紧密相连，甚至发生重叠。 rRNA基因 线粒体的12SrRNA和16SrRNA基因位于H链的tRNA-Phe和tRNA u(UUR)基因之间，以tRNA-Val基因为间隔，12SrRNA基因比16SrRNA基因更保守。rRNA基因的二级结构很保守，形成多个大小不一的茎环结构。环的核苷酸代替率高于茎，并且C-T转换是一种常见的形式。非编码区 线粒体基因组中主要存在两段非编码区，一段为控制区(controlregion)，又称D环区(displacement1oopregion)，另一段是L链复制起始区

15、。D环区位于tRNAPor和tRNA-Phe基因之间，是整个线粒体基因组序列和长度变异最大的区域，但其中也包含有保守片段。L链复制起始区长约3050bp，位于tRNA-Asn和tRNA-Cys基因之间，该段折叠成茎环结构。从总体上看，一般其包含有H链复制起始区OH，保守序列节段(conservedsequenceblocks，CSBI，CSBII，CSBIII)，L链启动子(L-strandpromoter，ISP)，H链启动子(H-strandpormoter，HSP)及终止结合序列(terminationassociatedsequences，TAS)。潜在的开放阅读框 两栖类和哺乳类线粒

16、体DNA中HSP的转录起始位点位于tRNA-Phe基因上游35nt处，这一段间隔区中存在一个潜在的开放阅读框(ORF)，编码一个含26个氨基酸的多肽，相应的RNA长155nt，包含起始密码子ATG和一个线粒体通用的终止密码子。在人的Hela细胞线粒体中发现了相似的RNA(7SRNA)，也含有一个线粒体通用的终止密码子及PolyA尾，是Hela细胞中含有PolyA尾最多的mtRNA，其间也有一个潜在的ORF，编码23或24个氨基酸的多肽。7SRNA的一部分被发现与线粒体核糖体有联系，但不知它是否被翻译。5展望随着科技的进步，不同学科在各自独立发展的同时又相互渗透；近年来，人们将线粒体与认知老化联

17、系起来。起初，对线粒体的研究只是停留在纯生物学的角度上，科学家们利用线粒体作为分子钟来推测人类的起源，研究线粒体在产能、代谢、细胞凋亡中的作用及线粒体基因等；而忽视了其在认知老化方面的作用。由于许多与老化相关的线粒体病，例如：线粒体脑肌病、老年性痴呆、帕金森病、衰老、型糖尿病、癫痫等，其患者都表现出认知损害，并且越来越多的研究发现，线粒体与衰老有关，国内外的科学家开始关注线粒体与认知老化。特别是学习和记忆的分子机制揭示之后，人们以更大的热情来研究认知老化的产生机制，并企图从分子水平上揭示整个认知老化过程。当然，在这个研究过程中，线粒体将是一个很好的突破口。另外，线粒体作为细胞整体功能结构不可缺少的重要组成部分；在对一些有行为和认知障碍的线粒体病患者进行治疗时，我们可以选择线粒体作为药物治疗的靶位点。已有报道，对线粒体基因突变的病人进行基因疗法，以取得很好的疗效。随着对线粒体基础研究的纵向深入及神经心理学家对该方面的关注，有关线粒体与认知老化的研究将会有突破性的进展。这样一来，不但对认知老化机制有了进一步的了解，而且也可为一些认知障碍性疾病的治疗提供新的线索