線粒體

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線粒體是1850年發現的,1898年命名。線粒體由兩層膜包被,外膜平滑,內膜向內摺疊形成嵴,兩層膜之間有腔,線粒體中央是基質。基質內含 有與三羧酸循環所需的全部酶類,內膜上具有呼吸鏈酶系及ATP酶複合體。線粒體能為細胞的生命活動提供場所,是細胞內氧化磷酸化和形成ATP的主要場所,有細胞"動力工廠" (power plant)之稱。另外,線粒體有自身的DNA和遺傳體系, 但線粒體基因組的基因數量有限,因此,線粒體只是一種半自主性細胞器

簡介

  線粒體[1],是一種存在於大多數細胞中的由兩層膜包被的細胞器,直徑在0.5到10微米左右。大多數真核細胞擁有線粒體,但它們各自擁有的線粒體在大小、數量及外觀等方面上都有所不同。線粒體擁有自身的遺傳物質和遺傳體系,但因其基因組大小有限,所以線粒體是一種半自主細胞器。線粒體是細胞內氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(ATP)的主要場所,為細胞的活動提供了能量,所以有「細胞動力工廠」之稱。除了為細胞供能外,線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程,並擁有調控細胞生長細胞周期的能力。英文中的「線粒體」(mitochodrion複數形式為「mitochondria」)一詞是由希臘語中的「線」(「μίτος」或「mitos」)和「顆粒」(「χονδρίον」或「chondrion」)組合而成的。在「線粒體」這一名稱出現前後,「粒體」、「球狀體」等眾多名字曾先後或同時被使用

概況

大小

  線粒體的直徑一般為0.5-1.0μm,長1.5-3.0μm,在光學顯微鏡下可見。在動物細胞中,線粒體大小受細胞代謝水平限制。不同組織在不同條件下可能產生體積異常膨大的線粒體,稱為「巨線粒體」(megamitochondria):胰臟分泌細胞中可長達10-20μm;神經元胞體中的線粒體尺寸差異很大,有的也可能長達10μm;人類成纖維細胞的線粒體則更長,可達40μm。有研究表明在低氧氣分壓的環境中,某些如煙草的植物的線粒體能可逆地變為巨線粒體,長度可達80μm,並形成網路。

形狀

  線粒體一般呈短棒狀或圓球狀,但因生物種類和生理狀態而異,還可呈環狀、線狀、啞鈴狀、分杈狀、扁盤狀或其它形狀。成型蛋白(shape-forming protein)介導線粒體以不同方式與周圍的細胞骨架接觸或在線粒體的兩層膜間形成不同的連接可能是線粒體在不同細胞中呈現出不同形態的原因。

數量

  不同生物的不同組織中線粒體數量的差異是巨大的。有許多細胞只擁有多達數千個的線粒體(如肝臟細胞中有1000-2000個線粒體),而一些細胞則只有一個線粒體(如酵母菌細胞的大型分支線粒體)。大多數哺乳動物的成熟紅細胞不具有線粒體。一般來說,細胞中線粒體數量取決於該細胞的代謝水平,代謝活動越旺盛的細胞線粒體越多。

分佈

  線粒體分佈方向與微管一致,通常分佈在細胞功能旺盛的區域:如在腎臟細胞中靠近微血管,呈平行或柵狀排列;在腸表皮細胞中呈兩極分佈,集中在頂端和基部;在XX中分佈在鞭毛中區。在卵母細胞體外培養中,隨著細胞逐漸成熟,線粒體會由在細胞周邊分佈發展均勻分佈。線粒體在細胞質中能以微管為導軌、由馬達蛋白提供動力向功能旺盛的區域遷移

組成

  線粒體的化學組分主要包括水、蛋白質和脂質,此外還含有少量的輔酶等小分子核酸。蛋白質佔線粒體干重的65-70%。線粒體中的蛋白質既有可溶的也有不溶的。可溶的蛋白質主要是位於線粒體基質的酶和膜的外周蛋白;不溶的蛋白質構成膜的本體,其中一部分是鑲嵌蛋白,也有一些是酶。線粒體中脂類主要分佈在兩層膜中,占干重的20-30%。在線粒體中的磷脂占總脂質的3/4以上。同種生物不同組織線粒體膜中磷脂的量相對穩定。含豐富的心磷脂和較少的膽固醇是線粒體在組成上與細胞其他膜結構的明顯差別。

結構

  線粒體由外至內可劃分為線粒體外膜(OMM)、線粒體膜間隙、線粒體內膜(IMM)和線粒體基質四個功能區。處於線粒體外側的膜彼此平行,都是典型的單位膜。其中,線粒體外膜較光滑,起細胞器界膜的作用;線粒體內膜則向內皺褶形成線粒體嵴,負擔更多的生化反應。這兩層膜將線粒體分出兩個區室,位於兩層線粒體膜之間的是線粒體膜間隙,被線粒體內膜包裹的是線粒體基質。

歷史

  線粒體的研究是從19世紀50年代末開始的。   1857年,瑞士解剖學家及生理學家阿爾伯特·馮·科立克在肌肉細胞中發現了顆粒狀結構。另外的一些科學家在其他細胞中也發現了同樣的結構,證實了科立克的發現。德國病理學家及組織學家理查德·阿爾特曼將這些顆粒命名為「原生粒」(bioblast)並於1886年發明了一種鑒別這些顆粒的染色法。阿爾特曼猜測這些顆粒可能是共生於細胞內的獨立生活的細菌。   1898年,德國科學家卡爾·本達因這些結構時而呈線狀時而呈顆粒狀,所以用希臘語中「線」和「顆粒」對應的兩個詞——「mitos」和「chondros」——組成「mitochondrion」來為這種結構命名,這個名稱被沿用至今。一年後,美國化學家萊昂諾爾·米歇利斯開發出用具有還原性的健那綠染液為線粒體染色的方法,並推斷線粒體參與某些氧化反應。這一方法于1900年公布,並由美國細胞學家埃德蒙·文森特·考德里推廣。德國生物化學家奧托·海因里希·沃伯格成功完成線粒體的粗提取且分離得到一些催化與氧有關的反應的呼吸酶,並提出這些酶能被氰化物(如氫氰酸抑制猜想。   英國生物學家大衛·基林在1923年至1933年這十年間對線粒體內的氧化還原鏈(redox chain)的物質基礎進行探索,辨別出反應中的電子載體——細胞色素。   沃伯格於1931年因「發現呼吸酶的性質及作用方式」被授予諾貝爾生理學或醫學獎

結構

外膜

  線粒體外膜是位於線粒體最外圍的一層單位膜,厚度約為6-7nm。其中磷脂與蛋白質的質量為0.9:1,與真核細胞細胞膜的同一比例相近。線粒體外膜中酶的含量相對較少,其標誌酶為單胺氧化酶。線粒體外膜包含稱為「孔蛋白」的整合蛋白,其內部通道寬約2-3nm,這使線粒體外膜對分子量小於5000Da的分子完全通透。分子量大於上述限制的分子則需擁有一段特定的信號序列以供識別並通過外膜轉運酶(translocase of the outer membrane,TOM)的主動運輸來進出線粒體。

線粒體剖面圖

線粒體外膜主要參與諸如脂肪酸鏈延伸、腎上腺素氧化以及色氨酸生物降解等生化反應,它也能同時對那些將在線粒體基質中進行徹底氧化的物質先行初步分解細胞凋亡過程中,線粒體外膜對多種存在於線粒體膜間隙中的蛋白的通透性增加,使致死性蛋白XX細胞質基質,促進了細胞凋亡。高分辨三維XXX線攝影可見內質網及線粒體之間的有20%膜是緊密接觸的,在這些接觸位點上線粒體外膜與內質網膜通過某些蛋白質相連,形成稱為「線粒體結合內質網膜」(mitochondria-associated ER-membrane,MAM)的結構。該結構在脂質的相互交換和線粒體與內質網間的離子信號傳導等過程中都有重要作用。

膜間隙

  線粒體膜間隙是線粒體外膜與線粒體內膜之間的空隙,寬約6-8nm,其中充滿無定形液體。由於線粒體外膜含有孔蛋白,通透性較高,而線粒體內膜通透性較低,所以線粒體膜間隙內容物的組成與細胞質基質十分接近,含有眾多生化反應底物、可溶性的酶和輔助因子等。線粒體膜間隙中還含有比細胞質基質中濃度更高的腺苷酸激酶、單磷酸激酶和二磷酸激酶等激酶,其中腺苷酸激酶是線粒體膜間隙的標誌酶。線粒體膜間隙中存在的蛋白質可統稱為「線粒體膜間隙蛋白質」,這些蛋白質全部在細胞質基質中合成。

內膜

  線粒體內膜是位於線粒體外膜內側、包裹著線粒體基質的單位膜。線粒體內膜中蛋白質與磷脂的質量比約為0.7:0.3,並含有大量的心磷脂(心磷脂常為細菌細胞膜的成分)。線粒體內膜的某些部分會向線粒體基質摺疊形成線粒體嵴。線粒體內膜的標誌酶是細胞色素氧化酶。   線粒體內膜含有比外膜更多的蛋白質(超過151種,約佔線粒體所含所有蛋白質的五分之一),所以承擔著更複雜的生化反應。存在於線粒體內膜中的幾類蛋白質主要負責以下生理過程:特異性載體運輸磷酸、谷氨酸鳥氨酸、各種離子及核苷酸代謝產物和中間產物;內膜轉運酶(translocase of the inner membrane,TIM)運輸蛋白質;參與氧化磷酸化中的氧化還原反應;參與ATP的合成;控制線粒體的分裂與融合

  線粒體嵴簡稱「嵴」,是線粒體內膜向線粒體基質折褶形成的一種結構。線粒體嵴的形成XX了線粒體內膜的表面積。在不同種類的細胞中,線粒體嵴的數目、形態和排列方式可能有較大差別。線粒體嵴主要有幾種排列方式,分別稱為「片狀嵴」(lamellar cristae)、「管狀嵴」(tubular cristae)和「泡狀嵴」(vesicular cristae)。片狀排列的線粒體嵴主要出現在高等動物細胞的線粒體中,這些片狀嵴多數垂直于線粒體長軸;管狀排列的線粒體嵴則主要出現在原生動物和植物細胞的線粒體中。有研究發現,XX間質細胞中既存在層狀嵴也存在管狀嵴。線粒體嵴上有許多有柄小球體,即線粒體基粒,基粒中含有ATP合酶,能利用呼吸鏈產生的能量合成三磷酸腺苷。所以需要較多能量的細胞,線粒體嵴的數目一般也較多。但某些形態特殊的線粒體嵴由於沒有ATP合酶,所以不能合成ATP。

基質

  線粒體基質是線粒體中由線粒體內膜包裹的內部空間,其中含有參與三羧酸循環、脂肪酸氧化、氨基酸降解等生化反應的酶等眾多蛋白質,所以較細胞質基質黏稠。蘋果酸脫氫酶是線粒體基質的標誌酶。線粒體基質中一般還含有線粒體自身的DNA(即線粒體DNA)、RNA和核糖體(即線粒體核糖體)。   線粒體DNA是線粒體中的遺傳物質,呈雙鏈環狀。一個線粒體中可有一個或數個線粒體DNA分子。線粒體RNA是線粒體DNA的表達產物,RNA編輯也普遍存在於線粒體RNA中,是線粒體產生功能蛋白所必不可少的過程。線粒體核糖體是存在於線粒體基質內的一種核糖體,負責完成線粒體內進行的翻譯工作。線粒體核糖體的沉降係數介干55S-56S之間。一般的線粒體核糖體由28S核糖體亞基(小亞基)和39S核糖體亞基(大亞基)組成。在這類核糖體中,rRNA約占25%,核糖體蛋白質約占75%。線粒體核糖體是已發現的蛋白質含量最高的一類核糖體。線粒體基質中存在的蛋白質統稱為「線粒體基質蛋白質」,包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、檸檬酸合成酶以及三羧酸循環酶系中的酶類。大部分線粒體基質蛋白是由核基因編碼的。線粒體基質蛋白不一定只在線

膜結構

粒體基質中表達,它們也可以在線粒體外表達。

功能

能量轉化

  線粒體是真核生物進行氧化代謝的部位,是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負責的最終氧化的共同途徑是三羧酸循環與氧化磷酸化,分別對應有氧呼吸的第二、三階段。細胞質基質中完成的糖酵解和在線粒體基質中完成的三羧酸循環在會產還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinarnide adenine dinucleotide,NADH)和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸(reduced flavin adenosine dinucleotide,FADH2)等高能分子,而氧化磷酸化這一步驟的作用則是利用這些物質還原氧氣釋放能量合成ATP。在有氧呼吸過程中,1分子葡萄糖經過糖酵解、三羧酸循環和氧化磷酸化將能量釋放后,可產生30-32分子ATP(考慮到將NADH運入線粒體可能需消耗2分子ATP)。如果細胞所在環境缺氧,則會轉而進行無氧呼吸。此時,糖酵解產生的丙酮酸便不再XX線粒體內的三羧酸循環,而是繼續在細胞質基質中反應(被NADH還原成乙醇乳酸發酵產物),但不產生ATP。所以在無氧呼吸過程中,1分子葡萄糖只能在第一階段產生2分子ATP。

三羧酸循環

  糖酵解中生成的每分子丙酮酸會被主動運輸轉運穿過線粒體膜。XX線粒體基質后,丙酮酸會被氧化,並與輔酶A結合生成CO2、還原型輔酶Ⅰ乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是三羧酸循環(也稱為「檸檬酸循環」或「Krebs循環」)的初級底物。參與該循環的酶除位於線粒體內膜的琥珀酸脫氫酶外都遊離于線粒體基質中。在三羧酸循環中,每分子乙酰輔酶A被氧化的同時會產生起始電子傳遞鏈的還原型輔因子(包括3分子NADH和1分子FADH2)以及1分子三磷酸鳥苷(GTP)。

氧化磷酸化

  NADH和FADH2等具有還原性的分子(在細胞質基質

中的還原當量可從由逆向轉運蛋白構成的蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統或通過磷酸甘油穿梭作用XX電子傳遞鏈)在電子傳遞鏈裡面經過幾步反應最終將氧氣還原並釋放能量,其中一部分能量用於生成ATP,其餘則作為熱能散失。在線粒體內膜上的酶複合物(NADH-泛醌還原酶、泛醌-細胞色素c還原酶、細胞色素c氧化酶)利用過程中釋放的能量將質子逆濃度梯度泵入線粒體膜間隙。雖然這一過程是高效的,但仍有少量電子會過早地還原氧氣,形成超氧化物活性氧(ROS),這些物質能引起氧化應激反應使線粒體性能發生衰退。   當質子被泵入線粒體膜間隙后,線粒體內膜兩側便建立起了電化學梯度,質子就會有順濃度梯度擴散的趨勢。質子唯一的擴散通道是ATP合酶(呼吸鏈複合物V)。當質子通過複合物從膜間隙回到線粒體基質時,電勢能被ATP合酶用於將ADP和磷酸合成ATP。這個過程被稱為「化學滲透」,是一種協助擴散。彼得·米切爾就因為提出了這一假說而獲得了1978年諾貝爾獎。1997年諾貝爾獎獲得者保羅·博耶和約翰·瓦克闡明了ATP合酶的機制。

儲存鈣離子

  線粒體可以儲存鈣離子,可以和內質網、細胞外基質等結構協同作用,從而控制細胞中的鈣離子濃度的動態平衡。線粒體迅速吸收鈣離子的能力使其成為細胞中鈣離子的緩衝區。在線粒體內膜膜電位的驅動下,鈣離子可由存在於線粒體內膜中的單向運送體輸送XX線粒體基質;排出線粒體基質時則需要鈉-鈣交換蛋白的輔助或通過鈣誘導鈣釋放(calcium-induced-calcium-release,CICR)機制。在鈣離子釋放時會引起伴隨著較大膜電位變化的「鈣波」(calcium wave),能激活某些第二信使系統蛋白,協調諸如突觸中神經遞質的釋放及內分泌細胞中激素的分泌。線粒體也參與細胞凋亡時的鈣離子信號轉導

其他功能

  除了合成ATP為細胞提供能量等主要功能外,線粒體還承擔了許多其他生理功能。   ·調節膜電位並控制細胞程序性死亡:當線粒體內膜與外膜接觸位點處生成了由己糖激酶(細胞質基質蛋白)、外周苯並二氮受體電壓依賴陰離子通道(線粒體外膜蛋白)、肌酸激酶(線粒體膜間隙蛋白)、ADP-ATP載體(線粒體內膜蛋白)和親環蛋白D(線粒體基質蛋白)等多種蛋白質組成的通透性轉變孔道(PT孔道)后,會使線粒體內膜通透性提高,引起線粒體跨膜電位的耗散,從而導致細胞凋亡。線粒體膜通透性增加也能使誘導凋亡因子(AIF)等分子釋放XX細胞質基質,破壞細胞結構。   ·細胞增殖與細胞代謝的調控;   ·合成膽固醇及某些血紅素。   線粒體的某些功能只有在特定的組織細胞中才能展現。例如,只有肝臟細胞中的線粒體才具有對氨氣(蛋白質代謝過程中產生的廢物)造成的毒害解毒的功能。

半自主性及內共生學說

  1963年M.和 S. Nass發現線粒體DNA(mtDNA)后,人們又在線粒體中發現了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體、氨基酸活化酶等進行DNA複製、轉錄和蛋白質翻譯的全套裝備,說明線粒體具有獨立的遺傳體系。   雖然線粒體也能合成蛋白質,但是合成能力有限。線粒體1000多種蛋白質中,自身合成的僅十余種。線粒體的核糖體蛋白、氨酰tRNA 合成酶、許多結構蛋白,都是核基因編碼,在細胞質中合成后,定向轉運到線粒體的,因此稱線粒體為半自主細胞器。

顯微鏡下

利用標記氨基酸培養細胞,用氯黴素放線菌酮分別抑制線粒體和細胞質蛋白質合成的方法,發現人的線粒體DNA編碼的多肽為細胞色素c氧化酶的3個亞基,F0的2個亞基,NADH脫氫酶的7個亞基和細胞色素b等13條多肽。此外線粒體DNA還能合成12S和16SrRNA及22種tRNA。   mtDNA分子為環狀雙鏈DNA分子,外環為重鏈(H),內環為輕鏈(L )。基因排列非常緊湊,除與mtDNA複製及轉錄有關的一小段區域外,無內含子序列。每個線粒體含數個m tDNA,動物m tDNA 約16-20kb,大多數基因由H鏈轉錄,包括2個rRNA ,14個tRNA 和12個編碼多肽的mRNA ,L鏈編碼另外8個tRNA和一條肽鏈。mtDNA上的基因相互連接或僅間隔幾個核苷酸序列,一些多肽基因相互重疊,幾乎所有閱讀框都缺少非翻譯區域。很多基因沒有完整的終止密碼,而僅以T或TA 結尾,mRNA的終止信號是在轉錄后加工時加上去的。   線粒體在形態,染色反應、化學組成、物理性質、活動狀態、遺傳體系等方面,都很像細菌,所以人們推測線粒體起源於內共生。按照這種觀點,需氧細菌被原始真核細胞吞噬以後,有可能在長期互利共生中演化形成了現在的線粒體。在進化過程中好氧細菌逐步喪失了獨立性,並將大量遺傳信息轉移到了宿主細胞中,形成了線粒體的半自主性。   線粒體遺傳體系確實具有許多和細菌相似的特徵,如:①DNA為環形分子,無內含子;②核糖體為70S型;③RNA聚合酶被溴化乙錠抑制不被放線菌素D所抑制;④tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同於細胞質中的;⑤蛋白質合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA,對細菌蛋白質合成抑製劑氯黴素敏感對細胞質蛋白合成抑製劑放線菌酮不敏感。   此外哺乳動物mtDNA的遺傳密碼與通用遺傳密碼有以下區別:①UGA不是終止信號,而是色氨酸的密碼;②多肽內部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個密碼子編碼,起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四個密碼子編碼;③AGA,AGG不是精氨酸的密碼子,而是終止密碼子,線粒體密碼系統中有4個終止密碼子(UAA,UAG,AGA,AGG)。   mtDNA表現為母系遺傳。其突變率高於核DNA,並且缺乏修復能力。有些遺傳病,如Leber遺傳性視神經病肌陣攣癲癇等均與線粒體基因突變有關。   在各種細胞器中,線粒體具有特殊性,因其含有核糖體且自身帶有遺傳物質。線粒體DNA是環狀的,且有一些和標準真核生物遺傳密碼不同的變化。   這些特性導致了內共生學說——線粒體起源於內共生體。這種被廣泛接受的學說認為,原先獨立生活的細菌在真核生物的共同祖先中繁殖,形成今天的線粒體。   這種說法還被應用與科幻小說當中,其中小說《寄生前夜》說的是,在億萬年間,生物都在不停的進化。在生物的體內,直接提供能量的線粒體進化速率快于生物本身,以致現在線粒體已經有了意識,並且擁有強大的力量,甚至可以幻化出人形。於是在某個時刻,線粒體終於爆發了,它們要消滅人類,主宰這個世界。   事實上,在科幻領域中,線粒體是十分廣泛而流行的題材,不僅小說,在電視劇集《太空堡壘-卡拉狄加》中,人型賽昂人的基因最終XX人類的細胞,成為線粒體。片中那個"關係著人類與人形賽昂人生死存亡"的混血小女孩赫拉,正是生活在15萬年前的,當今人類的"線粒體夏娃"。

遺傳學

線粒體基因組

  線粒體基因組中基因的數量很少,規模遠小於細菌基因組。但內共生學說認為線粒體源於被吞噬的細菌,那麼兩者基因組規模應該較為相似。為了解釋這一現象,有猜想認為原線粒體的基因除了丟失了一些外,大部分轉移到了宿主細胞的細胞核中,所以核基因編碼了在超過98%的線粒體表達內的蛋白質。某些沒有線粒體中不含DNA的生物(如隱孢子蟲等)的mtDNA可能已完全丟失或整合入核DNA中。線粒體DNA(mtDNA)在線粒體中有2-10個備份,呈雙鏈環狀(但也有呈線狀的特例存在)。mtDNA長度一般為幾萬至數十萬鹼基對,人類mtDNA的長度為16,569bp,擁有有37個基因,編碼了兩種rRNA(12S rRNA和16S rRNA)、22種tRNA(同樣轉運20種標準氨基酸,只是亮氨酸絲氨酸都有兩種對應的tRNA)以及13種多肽(呼吸鏈複合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的亞基)。mtDNA的長度和線粒體基因組的大小因物種而異,表一列出了幾種模式生物mtDNA的長度:   
表一:幾種模式生物mtDNA的長度
生物學名mtDNA長度(bp)
芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae85779
裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe19431
擬南芥Arabidopsis thaliana366924
水稻Oryza sativa490520
秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans13794
黑腹果蠅Drosophila melanogaster19517
非洲爪蟾Xenopus laevis17553
小鼠Mus musculus16300
 mtDNA利用率極高,線粒體基因組各基因之間排列十分緊湊,部分區域還可能出現重疊(即前一個基因的最後一段鹼基與下一個基因的第一段鹼基相銜接)。人類mtDNA中基因間隔區總共只有87bp,占mtDNA總長的0.5%。mtDNA的兩條DNA單鏈均有編碼功能,其中重鏈編碼兩個rRNA、12個mRNA和14個tRNA;輕鏈編碼一個mRNA和8個tRNA。mtDNA一般沒有內含子(如人類的mtDNA等),但也已發現某些真核生物的mtDNA擁有內含子,這些生物包括:盤基網柄菌等原生生物和酵母菌(其OXi3基因有9個內含子)。這些mtDNA中的內含子在基因轉錄產物的加工和翻譯中可能有一定功能。   線粒體基因組通常都是存在於同一個mtDNA分子中,但少數生物的線粒體基因組卻分別儲存在多個不同的mtDNA中。例如,人虱的線粒體基因組就分開儲藏於18個長約3-4kb的微型環狀DNA中,每個DNA分子只分配到了1-3個基因。這些微型環狀DNA之間也存在著同源或非同源的基因重組現象,但成因未知。

遺傳密碼

  線粒體中擁有一套獨特的遺傳系統。在進行人類線粒體遺傳學研究時,人們確認線粒體的遺傳密碼與通用遺傳密碼也有些許差異。自從上述發現證明並不只存在單獨的一種遺傳密碼之後,許多有輕微不同的遺傳密碼都陸續連發現。在線粒體的遺傳密碼中最常見的差異是:AUA由終止密碼子變為甲硫氨酸的密碼子、UGA由終止密碼子變為色氨酸的密碼子、AGA和AGG由精氨酸的密碼子變為終止密碼子(植物等生物的線粒體遺傳密碼另有差異,參見表二)。此外,也有某些特例是只涉及終止密碼子的,在山羊支原體線粒體遺傳密碼的UGA由終止密碼子變為色氨酸的密碼子,而且使用頻率比UGG更高;四膜蟲線粒體遺傳密碼里只有UGA一種終止密碼子,其UAA和UAG由終止密碼子變為谷氨酰胺的密碼子;而游仆蟲線粒體遺傳密碼里則只有UAA和UAG兩種終止密碼子,其UGA由終止密碼子變為半胱氨酸的密碼子。通過線粒體遺傳密碼和通用遺傳密碼的對比,可以推導出遺傳密碼演化過程的可能模式。   
表二:線粒體遺傳密碼與通用遺傳密碼的差異
密碼子通用密碼線粒體遺傳密碼
真菌植物脊椎動物哺乳動物
UGA終止密碼子色氨酸終止密碼子色氨酸色氨酸
AUA異亮氨酸甲硫氨酸異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸
CUA亮氨酸蘇氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸
AGA、AGG精氨酸精氨酸精氨酸絲氨酸終止密碼子

分裂與融合

  線粒體的融合是與分裂協同進行的,過程高度保守,需要在多種蛋白質的精確調控下完成。兩者一般保持動態平衡,這種平衡對維持線粒體正常的形態、分佈和功能十分重要。線粒體融合與分裂間的失衡可產生巨型線粒體,這種過大的線粒體常見於病變的肝細胞惡性營養不良患者的胰臟細胞和白血病患者骨髓的巨噬細胞中。分裂異常會導致線粒體破碎,而融合異常則會導致線粒體形態延長,兩者都會影響線粒體的功能。分裂與融合活動異常的線粒體膜電位通常會降低,並最終經線粒體自噬作用清除。   線粒體的分裂在真核細胞內經常發生。為了保證在細胞發生分裂后每個子細胞都能繼承母細胞的線粒體,母細胞中的線粒體在一個細胞周期需要至少複製一次。即使是在不再分裂的細胞內,線粒體為了填補已老化的線粒體造成的空缺也需要進行分裂。的線粒體以與細菌的無絲分裂類似的方式進行增殖,可細分為三種模式:   間壁分離(見於部分動物和植物線粒體):線粒體內部首先由內膜形成隔,隨後外膜的一部分內陷,XX到隔的雙層膜之間,將線粒體一分為二。   收縮分離(見於蕨類植物和酵母菌線粒體):線粒體中部先縊縮同時向兩端不斷拉長然後一分為二。   出芽分離(見於蘚類植物和酵母菌線粒體):線粒體上先出現小芽,小芽脫落後成長、發育為成熟線粒體。   線粒體的融合也是細胞中的基本事件,對線粒體正常功能的發揮具有非常重要的作用。人類細胞需要通過線粒體融合的互補作用來抵衰老;酵母細胞線粒體融合發生障礙會引起呼吸鏈缺陷。線粒體間的融合需在一種分子量約為800kDa的蛋白質複合物——「融合裝置」(fision machinery)的介導下進行,該過程可大致分為四個步驟:錨定、外膜融合、內膜融合以及基質內含物融合。

群體遺傳學

  因為mtDNA幾乎不發生基因重組,所以遺傳學家長期將其作為研究群體遺傳學與進化生物學的信息來源。所有mtDNA是以單一單元(單體型)進行遺傳的(而不像細胞核中的DNA儲存在多個染色體中),它們在親本與子代之間的傳遞關係並不複雜,因此不同個體間mtDNA的聯繫便可以利用系統發生樹來表現。而從這些系統發生樹的形態中人們可以得知種群的進化史。人類進化遺傳學中運用分子鍾技術推算出了線粒體夏娃最晚出現的時間(這個成果被認為是人類由非洲單地起源的有力依據)是利用mtDNA研究群體遺傳學的典型例子。另外一個例子是對尼安德特人骨骼化石中mtDNA測序。該測序的結果顯示,尼安德特人與解剖學意義上的現代人在mtDNA序列上有較大差異,說明兩者間缺乏基因交流。雖然mtDNA在遺傳學研究中佔據了重要地位,但是mtDNA序列中的信息只能反映所考察的群體中的雌性成員的演化進程,而不能代表整個種群。這一缺陷需要由對父系遺傳序列(如Y染色體上的非重組區)的測序彌補。廣義上來說,只有既考慮了mtDNA又考慮了核DNA的遺傳學研究才能為種群的進化史提供全面的線索。

病理

  線粒體是對各種損傷最為敏感的細胞器之一。在細胞損傷時最常見的病理改變可概括為線粒體數量、大小和結構的改變:

數量的改變

  線粒體的平均壽命約為10天。衰亡的線粒體可通過保留的線粒體直接分裂為二予以補充。在病理狀態下,線粒體的增生實際上是對慢性非特異性細胞損傷的適應XX或細胞功能升高的表現。例如心瓣膜病時的心肌線粒體、周圍血液循環障礙伴間歇性跛行時的骨骼肌線粒體的呈增生現象。   線粒體數量減少則見於急性細胞損傷時線粒體崩解自溶的情況下,持續約15分鐘。慢性損傷時由於線粒體逐漸增生,故一般不見線粒體減少(甚至反而增多)。此外,線粒體的減少也是細胞未成熟和(或)去分化的表現。

大小改變

  細胞損傷時最常見的改變為線粒體腫大。根據線粒體的受累部位可分為基質型腫脹和嵴型腫脹二種類型,而以前者為常見。基質型腫脹時線粒體變大變圓,基質變淺、嵴變短變少甚至消失(圖1-9)。在極度腫脹時,線粒體可轉化為小空泡狀結構。此型腫脹為細胞水腫的部分改變。光學顯微鏡下所謂的濁腫細胞中所見的細顆粒即腫大的線粒體。嵴型腫較少見,此時的腫脹局限於嵴內隙,使扁平的嵴變成燒瓶狀乃至空泡狀,而基質則更顯得緻密。嵴型腫脹一般為可復性,但當膜的損傷加重時,可經過混合型而過渡為基質型。   線粒體為對損傷極為敏感的細胞器,其腫脹可由多種損傷因子引起,其中最常見的為缺氧;此外,微生物毒素、各種毒物、XX線以及滲透壓改變等亦可引起。但輕度腫大有時可能為其功能升高的表現,較明顯的腫脹則恆為細胞受損的表現。但只要損傷不過重、損傷因子的作用不過長,腫脹仍可恢復。   線粒體的XX有時是器官功能負荷增加引起的適應性肥大,此時線粒體的數量也常增多,例如見於器官肥大時。反之,器官萎縮時,線粒體則縮小、變少。

結構的改變

  線粒體嵴是能量代謝的明顯指征,但嵴的增多未必均伴有呼吸鏈酶的增加。嵴的膜和酶平行增多反映細胞的功能負荷加重,為一種適應狀態的表現;反之,如嵴的膜和酶的增多不相平行,則是胞漿適應功能障礙的表現,此時細胞功能並不升高。   在急性細胞損傷時(大多為中毒或缺氧),線粒體的嵴被破壞;慢性亞致死性細胞損傷或營養缺乏時,線粒體的蛋白合成受障,以致線粒體幾乎不再能形成新的嵴。   根據細胞損傷的種類和性質,可在線粒體基質或嵴內形成病理性包含物。這些包含物有的呈晶形或副晶形(可能由蛋白構成),如在線粒體性肌病或進行性肌營養不良時所見,有的呈無定形的電子緻密物,常見於細胞趨於壞死時,乃線粒體成分崩解的產物(脂質和蛋白質),被視為線粒體不可復性損傷的表現。線粒體損傷的另一種常見改變為髓鞘層狀結構的形成,這是線粒體膜損傷的結果。   衰亡或受損的線粒體,最終由細胞的自噬過程加以處理並最後被溶酶體酶所降解消化

線粒體與衰老

  線粒體是直接利用氧氣製造能量的部位,90%以上吸入體內的氧氣被線粒體消耗掉。但是,氧是個「雙刃劍」,一方面生物體利用氧分子製造能量,另一方面氧分子在被利用的過程中會產生極活潑的中間體(活性氧自由基)傷害生物體造成氧毒性。生物體就是在不斷地與氧毒性進行鬥爭中求得生存和發展的,氧毒性的存在是生物體衰老的最原初的原因。線粒體利用氧分子的同時也不斷受到氧毒性的傷害,線粒體損傷超過一定限度,細胞就會衰老死亡。生物體總是不斷有新的細胞取代衰老的細胞以維持生命的延續,這就是細胞的新陳代謝

線粒體與美容

  保持線粒體完好無損就是保持了細胞的活力,擁有健康肌膚細胞就是留住了青春。這個道理只有細細的品味,才能從中受益。皮膚細胞的新陳代謝就是自然的皮膚更新過程,新陳代謝旺盛細胞更新速率就快,總有一些新生的細胞出現在臉上,才有美麗青春的魅力

線粒體與疾病

  人類線粒體出現問題會導致線粒體病,線粒體病是一大類遺傳代謝病,線粒體病主要包括:母系遺傳Leigh綜合征,線粒體肌病,多系統疾病、心肌病、進行性眼外肌麻痹,Leer遺傳性視神經病,線粒體肌病,肌病,糖尿病耳聾共濟失調舞蹈病、細胞外基質慢性遊走性紅斑、進行性眼外肌麻痹、肌紅蛋白尿電機神經元疾病,鐵粒幼細胞貧血、MERRF-線粒體肌病、肌陣攣(癲癇)、線粒體腦肌病、、MERRF、線粒體肌病、共濟失調併發色素性視網膜炎、,家族性雙側紋狀體壞死、共濟失調併發色素性視網膜炎、家族性雙側紋狀體壞死、骨骼肌溶解症、嬰兒猝死綜合征等等疾病。   線粒體病遺傳方式複雜,導致疾病的原因主要由核基因和線粒體基因造成,臨床表現複雜,確切病因診斷十分困難,往往通過大分子酶學活性檢測分析並結合遺傳學基因分析的雙重手段確定病因。   線粒體基因組屬於母系遺傳,為了避免新生兒缺陷,產前媽媽的線粒體基因組分析十分必要。

相關名詞

  蛋白質尋靶(protein targeting)   遊離核糖體合成的蛋白質在細胞內的定位是由前體蛋白本身具有的引導信號決定的。不同類型的引導信號可以引導蛋白質定位到特定的細胞器,如線粒體、葉綠體、細胞核和過氧化物酶體等。這些蛋白質在遊離核糖體上合成釋放之後需要自己尋找目的地,因此稱為蛋白質尋靶。   翻譯後轉運(post-translational translocation)   遊離核糖體上合成的蛋白質必須等蛋白質完全合成並釋放到胞質溶膠后才能被轉運,所以將這種轉運方式稱為翻譯後轉運。通過這種方式轉運的蛋白質包 括線粒體、葉綠體和細胞核的部分蛋白,以及過氧化物酶體的全部蛋白等。在遊離核糖體上合成的蛋白質中有相當一部分直接存在於胞質溶膠中,包括細胞骨架蛋白、各種反應體系的酶或蛋白等。   蛋白質分選(protein sorting)   主要是指膜結合核糖體上合成的蛋白質,通過信號肽,在翻譯的同時XX內質網,然後經過各種加工和修飾,使不同去向的蛋白質帶上不同的標記,最後經過高爾基體反面網路進行分選,包裝到不同類型的小泡,並運送到目的地,包括內質網、高爾基體、溶酶體、細胞質膜、細胞外和核膜等。   廣義的蛋白質分選也包括在遊離核糖體上合成的蛋白質的定位。   共翻譯轉運(co-translational translocation)   膜結合核糖體上合成的蛋白質,在它們進行翻譯的同時就開始了轉運,主要是通過定位信號,一邊翻譯,一邊XX內質網,然後再進行進一步的加工和轉移。由於這種轉運定位是在蛋白質翻譯的同時進行的,故稱為共翻譯轉運。在膜結合核糖體上合成的蛋白質通過信號肽,經過連續的膜 系統轉運分選才能到達最終的目的地,這一過程又稱為蛋白質分選,或蛋白質運輸(protein trafficking)。   遊離核糖體(free ribosomes)   在蛋白質合成的全過程中,結合有mRNA的核糖體都是遊離存在的(實際上是與細胞骨架結合在一起的),不與內質網結合。這種核糖體之所以不與內質網結合,是因為被合成的蛋白質中沒有特定的信號,與核糖體無關。   膜結合核糖體(membrane-bound ribosomes)   結合有mRNA並進行蛋白質合成的核糖體在合成蛋白質的初始階段處於遊離狀態,但是隨著肽鏈的合成,核糖體被引導到內質網上與內質網結合在一起,這種核糖體稱為膜結合核糖體。   這種核糖體與內質網的結合是由合成的新生肽N端的信號序列決定的,而與核糖體自身無關。   導肽(leading peptide)   又