第三章 线粒体功能及其相关毒性作用

线粒体功能及其与人类疾病的关系线粒体是细胞内的一种特殊结构，是细胞内能量代谢的中心，也是一种重要的内质网。

线粒体在细胞内能量代谢、细胞信号转导、钙离子调节、凋亡等方面扮演着重要的角色。

然而，当线粒体的功能发生异常时，就会导致一些人类常见的疾病。

线粒体基础结构线粒体是由多个不同的成分组成的，包括线粒体DNA，线粒体质膜和线粒体基质等。

线粒体DNA采用环状双链DNA的形式存在，大小约为16.5 kb，编码了多种线粒体蛋白以及RNA（包括tRNA和rRNA）。

线粒体基质是由细胞质基底矩组成的空间，富含线粒体酶和膜蛋白。

线粒体质膜由内膜和外膜两部分组成，它们之间形成间隙，也称作线粒体内外间隙。

线粒体质膜上存在多个重要的转运体，用于维持线粒体代谢、呼吸链和ATP合成。

线粒体的功能线粒体是维持生命的必要结构，它的功能主要集中在两个方面，即能量代谢和细胞凋亡。

能量代谢线粒体在能量代谢方面的功能主要表现为其参与体内细胞的氧化磷酸化作用，在这一过程中合成形成ATP（三磷酸腺苷）。

ATP是一个高能化合物，通过酸解反应将底物（葡萄糖、脂肪、蛋白质等）转化为ATP来实现能量代谢。

其中线粒体在氧化磷酸化的过程中起着至关重要的作用。

具体来说，在线粒体内，通过呼吸链将氧分解为单个电子，电子通过NADH和FADH2转移到呼吸链上的复合物中去，完成电子传递过程，产生了梯度，并提供了能量，促成ATP的合成。

此外，线粒体代谢过程中还涉及到各种酶、激素和离子通道的参与。

细胞凋亡细胞凋亡是指细胞在死亡前检测到一些不正常的情况（如DNA损伤、化学物质和病毒攻击等）并采取自行破坏的过程。

线粒体在细胞凋亡方面也起着关键作用，它会在一定条件下发挥负面作用，触发细胞自毁的过程。

很多反死因子和药物可以通过调节线粒体膜的渗透性和线粒体毒性通道来激活凋亡，这是由于线粒体内部有释放死亡因子所需的各种分子机制。

线粒体与人类疾病线粒体功能异常可以导致不同的人类疾病，包括巨细胞肌炎症病、肌病性眼外肌麻痹、多系统萎缩综合症和线粒体脑肌病等。

线粒体的细胞生物学功能
1.线粒体的主要功能是高效的将有机物中储存的能量转换为细胞生命活动的直接能源ATP,线粒体是真核生物进行氧化代谢的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。

线粒体负责的最终氧化的共同途径是三羧酸循环与氧化磷酸化，分别对应有氧呼吸的第二、三阶段。

细胞内储能的大分子化合物和脂肪经糖酵解或分解形成丙酮酸和脂肪酸，脂肪酸进入线粒体后进一步分解为乙酰CoA。

三羧酸循环酶系存在于线粒体基质中，乙酰CoA在线粒体基质中通过三羧酸循环，产生含有高能电子的NADH和FADH，这两种分子中的高能电子通过电子传递链最终传递给氧，生成水。

在电子传递过程中，内膜上的电子传递复合物将基质中的质子转运至膜间隙，形成ATP合酶工作所需的质子浓度梯度。

2.细胞凋亡调控：在细胞凋亡的内源途径中，线粒体处于中心地位。

当细胞受到凋亡信号刺激时，胞内线粒体的外膜通透性会发生改变，向细胞质中释放出凋亡相关因子，如Cyt c。

Cyt c 再与另一个凋亡因子Apaf-1结合，诱导细胞发生凋亡。

线粒体释放的另一个因子:限制性内切核酸酶G也能引发caspases非依赖性的细胞凋亡。

3.线粒体可以储存钙离子，与内质网、细胞外基质共同作用，调节细胞内钙离子浓度，从而调节与钙离子有关的细胞生命活动，如在细胞信号转导过程中，线粒体释放钙离子能激活第二信使IP3和DAG作为双信使G蛋白偶联受体介导的信号通路。

4.线粒体是半自主细胞器，它能储存遗传物质。

线粒体的作用
线粒体是细胞内的一个重要器官，也被称为“细胞的动力站”。

它在细胞内负责产生能量，并参与多种细胞代谢过程。

下面我们来详细介绍线粒体的重要作用：
1. 能量产生：线粒体通过细胞呼吸过程产生能量，主要通过氧化磷酸化反应来合成三磷酸腺苷（ATP），这是细胞能量的重要币种。

在线粒体的内膜上有一系列的蛋白质组成ATP合成酶，通过运动过程中的质子梯度来合成ATP。

这个过程称为氧化磷酸化。

2. 脂肪酸代谢：线粒体还参与脂肪酸的代谢过程，脂肪酸通过β-氧化分解成较小的单位，并最终与辅酶A结合进入线粒体的三羧酸循环（Krebs循环）。

脂肪酸的氧化代谢也可以提供细胞能量。

3. 糖代谢：线粒体还参与糖的代谢过程。

葡萄糖分子先进入细胞胞质内，通过糖酵解分解为丙酮酸和磷酸底物。

丙酮酸进一步进入线粒体内，通过CoA的催化，转化为乙酰辅酶A，能进入三羧酸循环提供能量。

4. 钙离子调节：线粒体内外浓度差异差异可通过线粒体内部的特殊蛋白质：线粒体钙离子携带蛋白（MCU）来调节。

膜电位的改变将钙离子从线粒体外摄取到线粒体内，并通过调节线粒体内的钙离子浓度，参与细胞凋亡和细胞信号传导等。

5. 热量产生：线粒体还可以分解食物，产生一种叫做褐色脂肪
组织的物质，这种物质可以将食物中的化学能转化为热能，用于保持体温平衡。

总结起来，线粒体的作用主要包括能量产生、脂肪酸和糖的代谢、钙离子调节和热量产生。

它们在细胞内起到重要的能量供应和代谢调节的作用，维持细胞的正常功能。

线粒体的功能异常或损伤常常与一些疾病和衰老过程相关，因此对于研究和了解线粒体的作用机制具有重要意义。

线粒体的功能
线粒体是细胞内常见的细胞器，其主要功能是参与细胞的能量代谢和合成ATP（三磷酸腺苷）。

1. ATP合成：线粒体是细胞内能量产生的中心，通过氧化磷
酸化过程（细胞呼吸）生成ATP。

在线粒体内存在线粒体内膜，内膜上有很多呼吸链酶和ATP酶，负责将营养物质（如
葡萄糖、脂肪和氨基酸）氧化分解，释放出的能量转化为ATP，供细胞进行各种生物学活动。

2. 脂肪酸氧化：线粒体内还有脂肪酸氧化的酶系统，可以将脂肪酸分解为乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环进行进一步代谢。

这一过程产生的NADH和FADH2可以通过呼吸链产生更多
的ATP。

3. 三羧酸循环：线粒体内存在三羧酸循环，也称为柠檬酸循环。

该循环将乙酰辅酶A完全氧化为二氧化碳和高能物质（NADH，FADH2和GTP），并将这些高能物质用来合成ATP。

4. ATP转运：线粒体内膜具有丰富的载体蛋白携带ATP和亚
硝酸盐等离子通过膜。

这些载体蛋白可以将线粒体内的ATP
转运到细胞质，供细胞其他部分使用。

5. 钙离子调节：线粒体还参与细胞内钙离子的调节。

线粒体内存在多种钙离子通道蛋白，可以通过调控充电水平来控制线粒体内钙离子浓度的动态平衡，维持细胞内钙离子的稳态。

总之，线粒体的功能是非常重要的，它是维持细胞正常代谢和生命活动的关键细胞器。

通过参与能量合成、氧化代谢和调控细胞内离子平衡等多种功能，线粒体能够为细胞提供足够的能量，并维持细胞内环境的平衡，从而保证细胞正常工作和生存。

线粒体（mitochondria）线粒体的研究历史1890: R.Altman（亚特曼）在动物细胞中首次发现线粒体,命名为生命小体(bioblast)。

1897: Von Benda 命名为线粒体(Mitochondrion)1900：L.Michaelis（米凯利斯) 用詹姆斯绿B对线粒体进行活体染色，发现线粒体存在大量的细胞色素氧化酶系。

1913：Engelhardt（恩格尔哈特）证明细胞内ATP磷酸化与细胞内氧消耗相偶联。

1943-1950：Kennedy等证明糖最终氧化场所在线粒体。

1952-1953：Palade（帕拉登）等用电镜观察线粒体的形态结构。

1976： Hatefi等纯化呼吸链四个独立的复合体。

1961-1980：Mitchell（米切尔）氧化磷酸化的化学渗透假说。

1963年：Nass首次发现线粒体存在DNA。

Contents线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的功能线粒体的半自主性线粒体的生物发生（自学）第一节线粒体的形态结构一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布（一）形态、大小光镜下常见线粒体呈线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，随细胞生理状况而变。

一般直径0.5～1.0μm，长1.5～3.0μm。

不同细胞线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长5μm; 胰腺外分泌细胞线粒体长10～20μm，人成纤维细胞线粒体长40μm。

线粒体形态、大小因细胞种类和生理状况不同而异。

光镜下:线状、杆状、粒状二）数量依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。

利什曼原虫:一个巨大的线粒体；海胆卵母细胞：30多万个。

随细胞生理功能及生理状态变化需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小肠、肝等内脏细胞；飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目比不飞翔鸟多；运动员肌细胞：线粒体数目比不常运动人的多。

（三）分布分布: 不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。

肌细胞: 线粒体沿肌原纤维规则排列；精子细胞: 线粒体集中在鞭毛中区；分泌细胞：线粒体聚集在分泌物合成的区域；肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。

线粒体的作用
线粒体是细胞中的一个重要细胞器，具有许多关键功能。

1. ATP产生：线粒体通过细胞呼吸作用产生三磷酸腺苷（ATP），这是细胞的主要能量来源。

线粒体的内膜包含许多酶，可以将葡萄糖等有机分子氧化成CO2和H2O，并释放出能够储存的能量。

这个过程中所产生的氧化还包括三个关键步骤：糖解、三羧酸循环和呼吸链。

ATP会储存在线粒体的内膜内，在合适的时间释放出来供给细胞的能量需要。

2. 钙离子调节：线粒体与调节细胞内钙离子浓度密切相关。

它可以吸收和释放细胞内的钙离子，通过调整钙离子的浓度，线粒体在细胞内维持了一个合适的钙离子平衡，从而参与细胞的许多生物过程，如细胞分裂、凋亡和信号传导等。

3. 脂质代谢：线粒体也参与脂质代谢过程。

在线粒体内，脂肪酸被氧化为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环，从而提供给细胞储存的能量。

此外，线粒体还参与胆固醇合成、血管紧张素生成等脂质代谢过程。

4. 胃酸分泌：位于胃黏膜上皮细胞内的线粒体参与产生胃酸的过程，它具有负责合成胃酸的酶体，从而维持正常的胃酸分泌和胃内环境。

5. 细胞凋亡：线粒体在细胞凋亡中起到重要作用。

在细胞凋亡过程中，线粒体内的某些因子，如细胞色素C和凋亡诱导因子等，会被释放出来，引发细胞程序性死亡。

总的来说，线粒体在细胞内发挥着多种多样的作用，包括能量供应、钙离子调节、脂质代谢、胃酸分泌和细胞凋亡等。

这些功能对于维持细胞正常运作和生存至关重要。