第四章 线粒体和叶绿体

第四章线粒体和叶绿体内容简介 (1)第一节线粒体 (3)第二节叶绿体 (20)内容简介存在于所有真核细胞中的线粒体 (mitochondrion) 和存在于植物细胞中的质体（ plastid ），特别是质体中的叶绿体，都是由双层膜围成的细胞结构。

在结构中含有自己的 DNA ，这些 DNA 规定着其功能所必需的部分机构。

虽然这些细胞结构比细胞核小得多，但它们数量众多，因而在细胞内通常占据很大的容积。

这两类细胞结构都能把能量转变成细胞可以利用的形式，供细胞的生命活动的需要。

它们特殊的功能是由超微结构上内膜及发展变化的特殊结构来完成的。

这些膜是细胞中能量转换的中心，起着两种决定性的作用：第一，电子传递过程所需的构架，转变氧化反应的能量为更有用的形式——特别是转变为 ATP 。

第二，在每个细胞器内形成分室的内部区域，其中集中了催化其他重要的细胞反应的各种特殊的酶。

如果没有线粒体，动物细胞将依赖于厌氧酵解，以产生它们所需的全部 ATP 。

但分解葡萄糖为丙酮酸的酵解作用，只能从糖的氧化释放出全部可利用的自由能的一小部分。

在线粒体中，由于分子氧的作用，糖和脂肪酸的代谢，最终氧化成 CO 2 和 H 2 O ，所得到的能量可被有效地利用，每个葡萄糖分子产生约 36 个分子的 ATP ，而只进行酵解作用只产生 2 分子的 ATP 。

叶绿体同线粒体一样，都是有效产生 ATP 的机器，虽然它们的能量来源完全不同。

叶绿体依赖于太阳光，而不是糖或脂肪酸，因此可以预料到它们组织结构方式上是有差别的。

但是事实上，线粒体和叶绿体两者均按相同的基本原理和相同的方式形成 ATP 。

现在已证明能量被利用于生物学目的的主要途径不仅在线粒体和叶绿体中是相同的，而且在细菌中也是相同的。

这一过程由英国生物化学家 P.Mitchell 化学渗透作用（ chemiosmosis ）的假说来解释。

图 4 － 1 化学渗透学说（在线粒体中应用）的示意图在学说中，能量的形成起始于高能电子，它们或是受太阳光所激发、或捕获含高能电子的食物进行反应，形成能传递的电子，这些电子沿着一条由叶绿体或线粒体内膜变化而出现的特殊的膜结构上称为电子传递链的一系列蛋白质运行，在沿着这条链传递的过程中，这些电子逐次地降落到较低的能量水平。

在电子传递过程中伴随着质子的转移，由于质子不能自由通过膜，就利用电子传递时释放出来的能量，将质子从膜的一侧泵到另一侧，结果形成了跨膜的电化学质子梯度（ electrochemical proton gradient ），并贮存在极小的空间中（如叶绿体的类囊体基质、线粒体的嵴内空间），这些质子梯度的能量又被膜中的其他蛋白质（如 ATP 酶复合体）所利用，形成蛋白质的的构象能。

构象能是一种不稳定的能量形式，这种能量在线粒体和叶绿体中，又大部分转变 ADP 和 Pi 为 ATP 的形式。

ATP 这种稳定的化学能推动运输特殊的代谢原料和产物进出细胞器和参与许多的生命活动，为各种活动提供最好利用的能量。

一般认为真核生物转换能量的器官――线粒体和叶绿体，是直接由原核生物演化来的。

在进化史的早期，原始真核细胞吞下原核生物，并和它们以共生关系发展。

这将可解释为什么线粒体和叶绿体含有它们自己的 DNA 。

但是自第一个真核细胞出现以来的亿万年进化过程中，线粒体和叶绿体失去了它们自己的许多基因组，从而变成牢固地依赖于在细胞质基质合成的、然后输入每个细胞结构中的核基因组编码的蛋白质。

并且，现在作为宿主的真核细胞也依赖这些细胞结构来供应 ATP 能量，完成细胞的生命活动。

虽然线粒体和叶绿体都是由双层膜围成的细胞结构，它们的内膜都很发达，都能在内膜及发展变化的结构上进行电子传递并生成能量A TP ，但它们在结构和功能上还有许多不同，我们分别予以介绍。

第一节线粒体一、线粒体的结构及性质虽然线粒体的大小在光学显微镜下足以见到，并在 19 世纪已经确证它的存在，而阐明它的结构与功能的真正进展，一直到 1948 年在分离完整线粒体的操作程序被建立之后才开始的。

由于技术上的原因，大多数生物化学研究是用从肝脏中提取出的纯化的线粒体进行研究，每个肝细胞内有线粒体约 1000 — 2000 个，占整个细胞体积的大约五分之一。

线粒体通常被描绘为坚硬的长形圆柱体，直径为 0.5 一 1.0um ，然而，活细胞的显微缩时摄影图象表明它们是可移动的和有可塑性的细胞内结构。

与电子显微镜所看到的静止的图象不相符合。

当它们在细胞质中运动时，线粒体常常表现与细胞骨架的微管联系在一起。

从这种联系可以确定，不同种类细胞中线粒体的独特方向性和分布。

这样，某些细胞的一些线粒体形成长的可运动的纤丝或链；而在其他种类细胞中，它们固定在 ATP 消耗量异常高的部位。

如在心肌中它们堆积在相邻的肌原纤维之间；它们也牢牢地缠绕在精细胞鞭毛的周围。

因细胞的种类和细胞的生理状况不同，线粒体在细胞内的形状、大小、数目和分布情况都会发生变化。

在某些细胞中，特别是在表现某种功能的时期有的是环形（生长期的四膜虫线粒体）、哑铃形（蕨类植物愈伤组织）、星形和 Y 形等。

也有的一端膨大呈棒状，形如网球拍。

另一种是在蛙卵母细胞的线位体中出现的膨大部分，含有卵黄结晶（ yolkcrystal ），这种晶体可能是铁蛋白。

这些形状在一定的条件下是可以转变的，而且是可逆的。

它的转变有 3 种方式：第一种是由线状断裂成小球或颗粒；第二种是颗粒膨大呈中空的球状；第三种是由球状、粒状或短棒状转变为线状。

例如，在百合花粉囊的造胞细胞中，线粒体呈短棒状和粒状；在花粉母细胞中仅能找到粒状；到进行第一次减数分裂时，粒状延长为杆状；其后，在花粉粒形成时，由杆状断裂为粒状，这样一直到成熟的花粉粒中都呈粒状。

这种形状转变还可在相差显微镜下进行活体观察。

在各种不同细胞类型和不同的生理状态下，不仅线粒体的形状会改变，就是大小也不一样。

有时杆状线粒体的直径可由最小的0.2um 到达最大的 2um 。

线粒体的形状和大小的差别是依细胞内的渗透压和 PH 的不同为转移的，如在酸性 PH 中线粒体趋向囊状，这是用缓冲溶液作固定液得出的结果；如渗透压发生变动，线粒体就可以从细胞质基质中吸收水分或排除水分，其形状和大小也很快改变。

当吸收水分过多时，外膜因膨胀而破裂，而内膜因有嵴膜的缓冲而增加表面积，使线粒体变成球状。

这样就可利用渗透压的变动，将线粒体的组分，经过密度梯度离心，把外膜、内膜和基质分离、纯化，对它们进行分析研究。

在各种不同种类和组织中线粒体的数目也不同，相差很大。

每个细胞中的数量由 1 到50 万个不等。

比如：巨大变形虫中就含有大约 50 万个线粒体，而大鼠肝细胞平均有 800 个线粒体，植物细胞的线粒体含量一般比动物细胞要少一些。

线粒体在细胞内分布的位置，也因细胞的形状而异。

一般说是均匀的分布，但也有一些细胞（肾脏）的线粒体集中在基部靠近微血管呈平行的栅状排列。

肠的上皮细胞中线粒体的分布呈两极性，集中在顶端和基部。

当细胞进行分裂时，线粒体分布在纺锤体之间，细胞分裂终了时，它们又几乎平均分配到两个子细胞中。

用高倍电子显微镜和负染色法，线粒体被两层高度特化的膜所包围，分别叫线粒体的内膜（ inner membrane ）和外膜 (outer membrane) ，这双层膜对线粒体的活动起着关键的作用。

这两层脂双层膜的每一层含有一群独特的蛋白质集合体图 4 － 2 线粒体的超微结构模式图以及嵴和 ATP 酶复合体的模式图（ collection ），并且在一起包围和形成了两个独立的线粒体区域：内部的基质和一较狭小的膜间空隙。

如果把纯化的线粒体温和地破碎，然后分级分离成各个组分，线粒体不同部分的生化组成就可能被测定出来。

（一）外膜外膜包围着整个线粒体，厚约 5 ～ 7nm ，是一层单位膜。

组成外膜的蛋白质和脂类与线粒体内膜存在明显的差异，但与内质网膜相似，说明线粒体外膜与内质网膜可能有相同的起源。

并且，内膜与外膜是独立的，不连续。

外膜含有多套运输蛋白质，这些蛋白质构成脂类双分子层上排列整齐的筒状体，高 5 ～6nm ，直径 6nm ，筒状体中央有小孔，孔径 1 ～ 3nm ，这种结构可能有利于小分子物质进入外膜围成的空间，分子量在 10,000 以下的物质都可以通过外膜。

因此，外膜的上虽然缺乏一些传送系统，却有较大的通道，以利于物质的进出。

（二）内膜线粒体的内膜比外膜稍微厚一些，厚约 6 ～ 8nm ，也是一层单位膜。

内膜与外膜之间的空隙称为外室（ outer chamber ）或膜间腔（ intermembrane space ），宽约 6 ～ 8nm 。

由内膜围成的空间称为内室（ inter chamber ）。

内膜向内褶叠成褶皱或小管，称为嵴（ cristse ）。

嵴的存在，扩大了内膜的面积。

根据计算，大鼠肝细胞内线粒体嵴的面积约相当于细胞膜的面积的 10 倍，增大了内膜的代谢效率。

嵴间的空隙称为嵴间腔（ intercristal space ）或嵴内空间。

在嵴膜的向内室的面上存在着颗粒状的结构，称为基本颗粒（ elementary particle ） , 简称基粒，利用磷钨酸做负染色实验时，在电子显微镜下这种颗粒清晰可见。

基粒由三个部分组成，头部是球形的结构，直径为 8 ～ 10nm, 也称为 F 1 因子、 F 1 颗粒或 F 1 片段，是可溶性 ATP 酶；通过中间的柄部与内膜相连，柄部也叫柄片段，是一个对寡霉素敏感的蛋白质 OSCP ；在内膜上的部分叫膜部、膜片段或 F 0 因子或膜因子， F 0 因子的“ O ”是代表可同寡霉素（ oligomycin ）结合的部分，是疏水蛋白质（ HP ）。

基粒的头部、柄部、膜部总称为呼吸集合体（ respiratory assembly ），也称为 ATP 酶复合体（ ATPase complex ）或 ATP 合成酶（ ATP synthetase ）。

其中 F1 因子的分子量约为 360,000 、柄部的分子量约为18,000 膜部的分子量约为 70,000 。

后来，在头部的上面发现了分子量约为 10,000 的多肽，称为 ATP 酶复合体的抑制多肽，它的作用可能具有调节酶活性的功能。

线粒体的内膜与外膜不同，内膜对物质的通透性很小，只能让一些分子量在 100 ～ 150 的不带电荷的小分子穿过，如水和丙酮酸等等。

一些较大的分子则必须由专门的运载系统帮助才能通过内膜。

表 4 － 1 线粒体内膜与外膜的差别（三）线粒体的基质线粒体的内膜围成的内室里，充满了物质称为线粒体的基质（ matrix ）。

在线粒体基质中除了含有脂类、蛋白质、环状的 DNA 分子和核糖体以外，还含有一些电子密度高的颗粒，这些颗粒内有钙、镁、磷等元素，与线粒体内部的离子环境的调节有关，特别是钙对线粒体合成 ATP 有重要作用。