化學線粒體:線粒體是1850年發現的，1898年命名。線粒體由兩層膜包被 -百科知識中文網

線粒體(mitochondrion)

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的細胞器。

化學線粒體

線粒體（mitochondrion，來源於希臘語mitos“線” + khondrion“顆粒”，又譯為粒線體），在細胞生物學中是存在於大多數真核生物（包括植物、動物、真菌和原生生物）細胞中的細胞器。一些細胞，如原生生物錐體蟲中，只有一個大的線粒體，但通常一個細胞中有成百上千個。細胞中線粒體的具體數目取決於細胞的代謝水平，代謝活動越旺盛，線粒體越多。線粒體可占到細胞質體積的25%。可看作是“細胞能量工廠”，因其主要功能是將有機物氧化產生的能量轉化為ATP。線粒體的形狀多種多樣, 一般呈線狀,也有粒狀或短線狀。線粒體的直徑一般在0.5～1.0 μm, 在長度上變化很大, 一般為1.5～3μm, 長的可達10μm ,人的成纖維細胞的線粒體則更長,可達40μm。不同組織在不同條件下有時會出現體積異常膨大的線粒體, 稱為巨型線粒體(megamitochondria)

在多數細胞中,線粒體均勻分布在整個細胞質中,但在某些些細胞中,線粒體的分布是不均一的,有時線粒體聚集在細胞質的邊緣。在細胞質中,線粒體常常集中在代謝活躍的區域,因為這些區域需要較多的ATP，如肌細胞的肌纖維中有很多線粒體。另外, 在精細胞、鞭毛、纖毛和腎小管細胞的基部都是線粒體分布較多的地方。線粒體除了較多分布在需要ATP的區域外，也較為集中的分布在有較多氧化反應底物的區域,如脂肪滴,因為脂肪滴中有許多要被氧化的脂肪。通俗的講：細胞必須有能量的供給才會有活性，線粒體就是細胞中製造能量的器官，科學界也給線粒體起了一個別名叫做“power house”，即細胞的發電廠。一個細胞內含有線粒體的數目可以從十幾個到數百個不等，越活躍的細胞含有的線粒體數目越多，如時刻跳動的心臟細胞和經常思考問題的大腦細胞含有線粒體的數目最大，皮膚細胞含有線粒體的數目比較少。科學家發現農民皮膚細胞的線粒體因常年在室外勞動受到損傷的程度遠遠高於其他室內職業者，線粒體受到損傷，細胞就會缺乏能量而死亡。我們的面部常年暴露在外，時時刻刻都在經受風吹雨打和各種污染顆粒的侵襲，因此面部細胞經常是因為過度的磨難而早夭。

形態與分布

線粒體一般呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理狀態而異，可呈環形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。主要化學成分是蛋白質和脂類，其中蛋白質占線粒體乾重的65-70%，脂類占25-30%。一般直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細胞中可長達10~20μm，稱巨線粒體。數目一般數百到數千個，植物因有葉綠體的緣故，線粒體數目相對較少；肝細胞約1300個線粒體，占細胞體積的20%；單細胞鞭毛藻僅1個，酵母細胞具有一個大型分支的線粒體，巨大變形中達50萬個；許多哺乳動物成熟的紅細胞中無線粒體。通常結合在維管上，分布在細胞功能旺盛的區域。如在肝細胞中呈均勻分布，在腎細胞中靠近微血管，呈平行或柵狀排列，腸表皮細胞中呈兩極性分布，集中在頂端和基部，在精子中分布在鞭毛中區。線粒體在細胞質中可以向功能旺盛的區域遷移，微管是其導軌，由馬達蛋白提供動力。

超微結構

線粒體由內外兩層膜封閉，包括外膜、內膜、膜間隙和基質四個功能區隔。在肝細胞線粒體中各功能區隔蛋白質的含量依次為：基質67%，內膜21%，外8%膜，膜間隙4%。
1、外膜 (out membrane)含40%的脂類和60%的蛋白質，具有孔蛋白（porin）構成的親水通道，允許分子量為5KD以下的分子通過，1KD以下的分子可自由通過。標誌酶為單胺氧化酶。它是包圍線上粒體外面的一層單位膜結構。厚6nm, 平整光滑, 上面有較大的孔蛋白, 可允許相對分子質量在5kDa左右的分子通過。外膜上還有一些合成脂的酶以及將脂轉變成可進一步在基質中代謝的酶。
2、內膜（inner membrane）含100種以上的多肽，蛋白質和脂類的比例高於3:1。心磷脂含量高（達20%）、缺乏膽固醇，類似於細菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質通過，大分子和離子通過內膜時需要特殊的轉運系統。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度協同運輸。線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位於內膜，因此從能量轉換角度來說，內膜起主要的作用。內膜的標誌酶為細胞色素C氧化酶。它是位於外膜內層的一層單位膜結構, 厚約6nm。內膜對物質的通透性很低, 只有不帶電的小分子物質才能通過。內膜向內折褶形成許多嵴, 大大增加了內膜的表面積。內膜含有三類功能性蛋白:①呼吸鏈中進行氧化反應的酶; ②ATP合成酶複合物; ③一些特殊的運輸蛋白, 調節基質中代謝代謝物的輸出和輸入。
3、膜間隙(intermembrane space)是內外膜之間的腔隙，延伸至嵴的軸心部，腔隙寬約6-8nm。由於外膜具有大量親水孔道與細胞質相通，因此膜間隙的pH值與細胞質的相似。標誌酶為腺苷酸激酶。它是內膜和嵴包圍著的線粒體內部空間, 含有很多蛋白質和脂類,催化三羧酸循環中脂肪酸和丙酮酸氧化的酶類, 也都存在於基質中。此外, 還含有線粒體DNA、線粒體核糖體、tRNAs、rRNAs以及線粒體基因表達的各種酶。基質中的標誌酶是蘋果酸脫氫酶。

4、基質（matrix）為內膜和嵴包圍的空間。除糖酵解在細胞質中進行外，其他的生物氧化過程都線上粒體中進行。催化三羧酸循環，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶類均位於基質中，其標誌酶為蘋果酸脫氫酶。基質具有一套完整的轉錄和翻譯體系。包括線粒體DNA（mtDNA），70S型核糖體，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、胺基酸活化酶等。基質中還含有纖維絲和電子密度很大的緻密顆粒狀物質，內含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。線粒體內膜向基質折褶形成的結構稱作嵴(cristae), 嵴的形成使內膜的表面積大大增加。嵴有兩種排列方式:一是片狀(lamellar), 另一是管狀(tubular)。在高等動物細胞中主要是片狀的排列, 多數垂直於線粒體長軸。在原生動物和植物中常見的是管狀排列。線粒體嵴的數目、形態和排列在不同種類的細胞中差別很大。一般說需能多的細胞,不僅線粒體多,而且線粒體嵴的數目也多。線粒體內膜的嵴上有許多排列規則的顆粒稱為線粒體基粒(elementary particle)，每個基粒間相距約10 nm。基粒又稱偶聯因子1(coupling factor 1),簡稱F1,實際是ATP合酶(ATP synthase),又叫F0 F1 ATP酶複合體, 是一個多組分的複合物。

線粒體的半自主性

1963年M. 和 S. nass發現線粒體DNA（mtDNA）後，人們又線上粒體中發現了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體、胺基酸活化酶等進行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，自身合成的僅十餘種。線粒體的核糖體蛋白、氨醯tRNA 合成酶、許多結構蛋白，都是核基因編碼，在細胞質中合成後，定向轉運到線粒體的，因此稱線粒體為半自主細胞器。
利用標記胺基酸培養細胞，用氯黴素和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和一條多肽鏈。mtDNA上的基因相互連線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後加工時加上去的。
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、氨醯基-tRNA合成酶不同於細胞質中的；⑤蛋白質合成的起始氨醯基tRNA是N-甲醯甲硫氨醯tRNA，對細菌蛋白質合成抑制劑氯黴素敏感對細胞質蛋白合成抑制劑放線菌酮不敏感。
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，肌陣攣性癲癇等均與線粒體基因突變有關。

線粒體的增殖

線粒體的增殖是通過已有的線粒體的分裂，有以下幾種形式：
1、間壁分離，分裂時先由內膜向中心皺褶，將線粒體分類兩個，常見於鼠肝和植物產生組織中
2、收縮後分離，分裂時通過線粒體中部縊縮並向兩端不斷拉長然後分裂為兩個，見於蕨類和酵母線粒體中。
3、出芽，見於酵母和蘚類植物，線粒體出現小芽，脫落後長大，發育為線粒體。
線粒體為線狀、長桿狀、卵圓形或圓形小體，外被雙層界膜。外界膜平滑，內界膜則折成長短不等的嵴並附有基粒。內外界膜之間為線粒體的外室，與嵴內隙相連，內界膜內側為內室（基質室）。在合成甾類激素的內分泌細胞（如腎上腺皮質細胞、卵甾濾泡細胞、睪丸的Leydig細胞等)，線粒體嵴呈小管狀。內外界膜的通透性不同，外界膜的通透性高，可容許多種物質通過，而內界膜則構成明顯的通透屏障，使一些物質如蔗糖和NADH全然不能通過，而其他物質如Na+ 和Ca 2+等也只有藉助於主動運輸才能通過。線粒體的基質含有電子緻密的無結構顆粒（基質顆粒），與二價陽離子如Ca2+及Mg2+具有高度親和力。基質中進行著β氧化、氧化脫羧、枸櫞酸循環以及尿素循環等過程。線上粒體的外界膜內含有單胺氧化酶以及糖和脂質代謝的各種轉移酶；在內界膜上則為呼吸鏈和氧化磷酸化的酶類。
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：
1.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性反應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或自溶的情況下，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。
2.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、射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。
線粒體的增大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。
3.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，可線上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），如線上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樣層狀結構的形成，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。

線粒體怎樣製造能量

我們每時每刻都在呼吸，目的是把氧氣吸入體內用於製造生物體可利用的能量分子ATP。氧氣被線粒體利用製造能量的過程如同發電廠燃燒煤發電。線粒體內有兩個主要部件參與能量的製造，一個部件叫做呼吸鏈，另一個部件叫做三磷酸腺苷酶（簡稱ATP酶）。顧名思義呼吸鏈是直接利用氧氣把食物燃燒的部件，食物中儲存有光合作用固化下來的太陽能，燃燒食物如同發電廠燃煤鍋爐的作用，目的是把固化的太陽能釋放出來推動發電機發電。ATP酶本質上是一個可以發電的分子馬達，像鍋爐燃煤推動發電機轉動生產電流一樣，固化的太陽能釋放出來推動分子馬達的轉動可以製造能量分子ATP。我們每人每天大約消耗相當於體重數量的能量分子ATP，因此，線粒體不斷製造ATP分子是維持生命活力所必需的。

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，擁有健康的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。

線粒體的起源

目前有兩種不同的假說，積內共生假說和分化假說

內共生假說：線粒體來源於被原始的前真核生物吞噬的好氧性細菌；這種細菌和前真核生物共生，在長期的共生過程中演化成了線粒體。

分化假說：線粒體在進化過程中的發生是由於質膜的內陷，再分化後形成的。

線粒體實驗

1染色觀察

線粒體——示教：3號片

小狗胰臟，Regaud氏液固定，石蠟切片，鐵蘇木素染色。

線粒體用鐵蘇木素染色呈黑色，分布於核周圍的細胞質中，線粒體在高倍鏡下呈粒狀、線狀或短棒狀，或直或曲，輪廓鮮明。

胰臟的分泌細胞呈錐形，核大而圓，位於細胞中央，細胞游離端聚集有許多大而圓的黑色顆粒為分泌顆粒。

2、提取觀察

線粒體是細胞中重要的細胞器，存在於絕大多數生活細胞中，它的主要功能是提供細胞內各種物質代謝所需要的能量。正由於這樣，對線粒體膜，呼吸鏈酶及線粒體DNA等成分的結構，功能以及物理化學性質的研究已經成為細胞生物學研究中的重要課題，所以提取線粒體的技術已經成為線粒體研究中必不可少的手段，線粒體大量存在於代謝旺盛的細胞中，如動物的心肌，肝，腎等器官和組織的細胞中，大量置備線粒體就是從這些器官組織中提取，當所用樣品較少時（如電鏡和光鏡的觀察）可採用從組織培養細胞中提取，本實驗就是介紹兩種材料製備用於光鏡觀察的線粒體。

一、目的與要求

了解提取線粒體的基本原理及其過程，通過光學顯微鏡的觀察了解體外分離的線粒體的一般形態

二、基本原理

線粒體具有完整的結構，一定的大小和質量，低溫條件下在等滲液中破碎細胞，差速離心後，獲得線粒體。經活性染料健那綠Janus green B染色，線粒體呈淺藍色。

三、實驗內容

1．線粒體的分離提取 2. 鼠肝的勻漿製備 3. 線粒體的活體染色

四、實驗步驟

（一）動物組織線粒體的分離，提取與觀察

顯微鏡檢查：將1％Janus green B溶液按1:1比例加入線粒體懸液中,在室溫或水浴中染15~20分鐘,用吸管吸取一滴線粒體懸液，滴於載玻片上，加蓋玻片後，放顯微鏡下進行觀察，線粒體為藍綠色圓形顆粒。

2．組織培養細胞的線粒體的提取與觀察

（三）操作中應該注意的問題

1．整個操作過程為保證線粒體的完整，應儘量使操作時的環境如溫度（0—4℃），pH (7.0左右)保持恆定，同時儘可能短操作時間。

2．組培細胞消化時要特別小心，防止損失或反覆。（損失指細胞脫落到消化液中）。

3．勻漿時，所用的介質一定是等滲緩衝液，常用的有0.25 mol/L蔗糖溶液或生理鹽水代替Hank’s液

4．勻漿次數依照勻漿器的鬆緊而定，次數過少，細胞破損不完全，就會影響線粒體產量。

5．所以取2/3上清夜用來製備線粒體是為防止細胞碎片過多影響觀察。

6．整個分離過程，一般最好在30—60分鐘內完成，不宜過長。

化學線粒體

線粒體(mitochondrion)