线粒体－王金发细胞生物学讲义

7. 线 粒 体 与 过 氧 化 物 酶 体 细 胞 的 生 存 需 要 两 个 基 本 的 要 素 构 成 细 胞 结 构 的 化 学 元 件 和 能 量 。 生 物 从 食 物中 获 取 能 量 ， 根 据 对 氧 的 需 要 情 况 分 为 两 种 类 型 厌 氧 的 ， 即 不 需 要 氧 ； 好 氧 的 ，即 需 要 氧 的 参 与 。 在 真 核 生 物 中 ， 需 氧 的 能 量 转 化 过 程 与 线 粒 体 有 关 ， 并 且 伴 随 着 一 系 列的 化 学 反 应 ； 而 在 原 核 生 物 中 ， 能 量 转 化 与 细 胞 质 膜 相 关 。线 粒 体 ( 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 主 要 场 所 (图 7过 氧 化 物 酶 体 是 细 胞 内 另 一 个 需 要 氧 的 细 胞 器 ， 不 过 过 氧 化 物 酶 体 需 要 氧 不 是 用 于 合 成 而 是 用 于 有 毒 物 质 的 氧 化 ， 对 线 粒 体 具 有 氧 调 节 作 用 。图 7 粒 体 结 构 及 功 能 示 意 粒 体 的 形 态 结 构线 粒 体 是 能 够 在 光 学 显 微 镜 进 行 观 察 的 显 微 结 构 ， 它 具 有 渗 透 性 ， 在 低 渗 溶 液 中 会 膨胀 ， 而 在 高 渗 溶 液 中 能 够 收 缩 。 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 。 1850 年 ， 德 国 生 物 学 家 ö 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 ， 染 料 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 。后 又 经 过 几 十 年 的 研 究 , 逐 步 证 明 了 线 粒 体 具 有 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 换 的 主 要 部 位 。从 线 粒 体 的 发 现 和 功 能 鉴 定 的 简 史 ， 你 有 何 体 会 ? 粒 体 的 形 态 结 构 线 粒 体 的 形 态 和 分 布 大 小 : 线 粒 体 的 形 状 多 种 多 样 ， 一 般 呈 线 状 (图 7 也 有 粒 状 或 短 线 状 。图 7 子 显 微 镜 观 察 的 蝙 蝠 胰 腺 细 胞 线 粒 体 数 量 :在 不 同 类 型 的 细 胞 中 线 粒 体 的 数 目 相 差 很 大 ， 但 在 同 一 类 型 的 细 胞 中 数 目 相 对稳 定 。 有 些 细 胞 中 只 有 一 个 线 粒 体 ， 有 些 则 有 几 十 、 几 百 、 甚 至 几 千 个 线 粒 体 。 分 布在 多 数 细 胞 中 ， 线 粒 体 均 匀 分 布 在 整 个 细 胞 质 中 ， 但 在 某 些 些 细 胞 中 ， 线 粒 体 的 分 布是 不 均 一 的 。线 粒 体 较 多 分 布 在 需 要 部 位 (如 肌 细 胞 和 精 细 胞 ， 图 7或 较 为 集 中分 布 在 有 较 多 氧 化 反 应 底 物 的 区 域 ， 如 脂 肪 滴 (图 7 因 为 脂 肪 滴 中 有 许 多 要 被 氧化 的 脂 肪 。 图 7 细 胞 和 精 子 的 尾 部 聚 集 较 多 的 线 粒 体 ， 以 提 供 能 量图 7 粒 体 包 围 着 脂 肪 滴 ， 内 有 大 量 要 被 氧 化 的 脂 肪 存 在 方 式线 粒 体 在 细 胞 中 并 非 都 是 单 个 存 在 的 ， 有 时 可 形 成 由 几 个 线 粒 体 构 成 的 网 络 结 构 ， 有些 线 粒 体 具 有 分 支 ,可 以 相 互 交 错 在 一 起 。 如 通 过 相 差 显 微 镜 检 查 完 整 的 肝 细 胞 ,发 现 线 粒 体 并 非 是 单 个 存 在 的 ,而 是 以 交 织 的 网 络 状 态 存 在 (图 7图 7 胞 中 线 粒 体 分 支 交 织 连 接 而 成 的 网 状 二 维 结 粒 体 的 结 构 与 化 学 组 粒 体 的 结 构线 粒 体 由 内 、 外 两 层 彼 此 平 行 和 高 度 特 化 的 膜 包 围 而 成 ， 内 外 膜 都 是 典 型 的单 位 膜 。 线 粒 体 外 膜 ( 界 膜 作 用 ， 线 粒 体 内 膜 ( 内 皱 折 形 成 嵴 ( 嵴 上 有 一 些 颗 粒 朝 向 线 粒 体 基 质 ， 这 些 颗 粒 称 为 粒 (F1 似 把 手 状 。 线 粒 体 的 外 膜 和 内 膜 将 线 粒 体 分 成 两 个 不 同 的 区 室 :一 个 是 膜 间 间 隙 ( 是 两 个 膜 之 间 的 空 隙 ;另 一 个 是 线 粒 体 基质 ( 它 是 由 内 膜 包 裹 的 空 间 (图 7图 7 粒 体 结 构 模 式 粒 体 膜 通 透 性很 早 就 认 识 到 线 粒 体 的 膜 具 有 半 透 性 ， 通 过 对 半 透 性 的 研 究 导 致 线 粒 体 各 组 分 分 离 方法 的 建 立 。 线 粒 体 通 透 性 研 究将 线 粒 体 放 在 100 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 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 (图 7图 7 粒 体 通 透 性 测 定左 :将 线 粒 体 置 于 含 有 100 蔗 糖 溶 液 中 ; 中 :蔗 糖 穿 过 线 粒 体 外 膜 ， 达 到 平衡 ;右 :将 线 粒 体 从 蔗 糖 溶 液 中 取 出 ， 测 定 线 粒 体 中 蔗 糖 的 浓 度 。 如 果 测 得 线 粒 体 的 蔗 糖 平均 浓 度 是 50 就 可 以 推 测 :100 蔗 糖 仅 仅 穿 过 了 线 粒 体 外 膜 ， 而 线 粒 体 中 有一 半 流 动 的 液 体 在 线 粒 体 基 质 ， 由 于 内 膜 对 蔗 糖 不 通 透 ， 所 以 测 得 的 线 粒 体 平 均 浓 度 只 有50 线 粒 体 各 组 分 的 分 离由 于 线 粒 体 外 膜 的 通 透 性 比 内 膜 高 ， 利 用 这 一 性 质 ， 他 的 同事 最 先 建 立 了 分 离 线 粒 体 内 膜 、 外 膜 及 其 他 组 分 的 方 法 (图 7图 7 粒 体 组 分 的 分 离首 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 粒 。请 根 据 线 粒 体 外 膜 比 内 膜 通 透 性 高 这 一 行 特 性 ， 设 计 分 离 线 粒 体 各 组 份 的 方 粒 体 各 部 分 的 化 学 组 成 和 特 性 线 粒 体 的 化 学 组 成经 过 对 线 粒 体 各 结 构 组 分 的 生 化 分 析 ， 线 粒 体 的 化 学 组 分 主 要 是 由 蛋 白 质 、 脂类 、 水 份 等 组 成 。 蛋 白 质 占 线 粒 体 干 重 的 65 70%。 线 粒 体 的 蛋 白 质 分 为 可 溶 性 和 不 溶 性 的 。可 溶 性 的 蛋 白 质 主 要 是 基 质 的 酶 和 膜 的 外 周 蛋 白 ； 不 溶 性 的 蛋 白 质 构 成 膜 的 本 体 ， 其 中 一部 分 是 镶 嵌 蛋 白 ， 也 有 一 些 是 酶 蛋 白 。 脂 类 线 粒 体 的 脂 类 只 占 干 重 的 20 30%。 在 线 粒 体 的 脂 类 中 多 数 是 磷 脂 ， 占 总 脂 的 3/4 以 上 。 含 丰 富 的 心 磷 脂 和 较 少 的 胆 固 醇 是 线 粒 体 在 组 成 上 与 细 胞 其 他 膜 结构 的 明 显 差 别 。线 粒 体 内 、 外 膜 在 化 学 组 成 上 的 主 要 区 别 是 脂 类 和 蛋 白 质 的 比 例 不 同 ， 内 膜上 的 脂 类 与 蛋 白 质 的 比 值 低 ()， 外 膜 中 的 比 值 较 高 (接 近 1:1)。 线 粒 体 各 部 分 的 特 性 和 功 能 蛋 白 分 布 : 线 粒 体 由 四 个 部 分 组 成 ， 在 能 量 转 换 过 程 中 分 别 起 不 同 的 作 用 。 各 部 分 功 能 的 差 异 主要 是 化 学 组 成 的 差 异 ， 特 别 是 蛋 白 和 酶 分 布 的 差 异 (表 7 表 7 粒 体 各 部 分 蛋 白 的 分 布外膜 膜间隙 内膜 基质细胞色素 苷酸激酶 氢酶 丙酮酸脱氢酶珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶 脂肪酸 氧化酶环酶系 单胺氧化酶 二磷酸激酶 细胞色素 C 合酶脂酰辅酶 A 合酶磷酸甘油酰基转移酶 核苷二磷酸激酶 单磷酸激酶 成酶(1 复合物) 运输蛋白 合酶核糖体 转移 蛋白膜脂含量磷脂/蛋白=脂/蛋白=磷脂/磷脂=心磷脂/磷脂= 功 能由 于 线 粒 体 各 部 分 结 构 的 化 学 组 成 和 性 质 的 不 同 ， 它 们 的 功 能 各 异 (表 7表 7 粒 体 各 部 分 的 功 能 部位 功能外膜 磷脂的合成;脂肪酸链去饱和;脂肪酸链延伸内膜 电子传递，氧化磷酸化，代谢物质运输膜间隙 核苷的磷酸化基质 丙酮酸氧化，环，脂肪的 氧化，制，成，蛋白质合成 标 志 酶通 过 细 胞 化 学 分 析 ， 线 粒 体 各 部 位 有 特 征 性 的 酶 ， 称 为 标 志 酶 :外 膜 : 单 胺 氧 化 酶内 膜 : 细 胞 色 素 氧 化 酶膜 间 隙