第十七章线粒体 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握 线粒体的超微结构及酶的定位分布，线粒体DNA的结构特点和遗传 特性。 熟悉线粒体DNA突变类型，线粒体DNA突变与线粒体疾病、人类衰老的关系 了解线粒体的增殖方式，线粒体基因组与细胞核基因组的协同作用。 线粒体(mitochondrion)是可以在光学显微镜下观察到的膜性细胞器，它普遍存在于真核细胞中，是 动物细胞中唯一带有核外遗传信息系统的结构。通过氧化磷酸化，高效地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,大约95%的ATP是由线粒体产生的，故被称为细胞内的“能量工厂” 除此之外，线粒体还参与细胞中氧自由基的生成、细胞调亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转 运及电解质平衡的调控，线粒体结构功能异常与人类衰老、疾病等密切相关。 第一节线粒体的形态结构 一、线粒体的显微结构及分布 线粒体是一个敏感多变的细胞器，不同类型或不同生理状态的细胞，其线粒体的形态、大小、数目及 排列分布都有变化。 光镜下的线粒体大多呈线状，粒状或杆状，一般直径0.5~1μm,长度1.5~3m,还有巨大的线粒 体，如人的成纤维细胞、骨酪肌细胞的线粒体，长可达8~10m。 线粒体的数目在不同类型的细胞中差异很大。哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。一般正常细 胞内线粒体有数百到数千个，最少的是细胞只含一个线粒体（如酵母细胞），最多的达50万个。这与 细胞本身的代谢活动状态有关。代谢旺盛、需要能量较多的细胞，线粒体数量较多，如哺乳动物的心 肌细胞、小肠上皮细胞、肝细胞等；反之则较少，如淋巴细胞、皮肤细胞、精子细胞。细胞处于病变、环 境温度过高或细胞基质酸性过高时，线粒体易溶解或膨胀破裂而使其数目减少。而同一类型的细胞 功能状态发生变化时，其线粒体数量也会发生变化，如飞翔鸟类胸肌细胞的线粒体数目比不飞翔鸟 多；运动员肌细胞的线粒体数目比不常运动人的多；腺细胞在分泌活动旺盛时，线粒体数目有所 增多。 线粒体在细胞内分布不均匀，往往集中在细胞代谢旺盛的需能部位，如分泌细胞的线粒体分布在分 泌物合成的区域：肌细胞中的线粒体沿肌原纤维规则排布；小肠上皮细胞中呈两极性分布，集中在细胞 418
第十七章线粒体人 腔面顶端和基底部：在精子中分布在鞭毛杆部中区。根据细胞代谢的需要，线粒体在细胞质中可以向生 理功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。 二、线粒体的超微结构和酶的定位分布 电子显微镜下，线粒体是由内、外两层单位膜套叠形成的封闭性囊中囊结构。两层膜将线粒体内部 空间与细胞质隔离，外膜(outer membrane)起界膜作用，内膜(inner membrane)向内折叠形成 (cristae),嵴上有一些蛋白质颗粒结构朝向线粒体基质，这些颗粒称为F,颗粒(F,particle)。线粒体的 外膜和内膜将线粒体分成两个不同的区室：一个是膜间隙(intermembrane space),是两层膜之间的腔隙 另一个是线粒体基质(matrix),它是由内膜包围的空间（图17-1）。 1一1外造 外 DNAF粒 线粒体外围的一层单位膜结构，厚约5~7m 平整光滑。在化学组成上，外膜中蛋白质和脂质约 各占一半，蛋白质和脂类含量的比值为1。膜上有 孔蛋白(poim)(图17-2)，它是蛋白质B链形成的桶 状结构，中心是孔径2-3m的亲水通道。孔蛋白是 外膜物质转运的通道蛋白，依细胞的不同生理状态 作出反应从而能可逆地开闭，允许相对分子质量小 基质 于50O0的物质如ATP、NAD,辅酶A等自由通过，相 围171线粒体超微结构模式图 对分子质量大于5000的蛋白质则需要特定的信号 序列（前导肽）并通过外膜和内膜蛋白质转运体协助方能进行转运。由于孔蛋白的存在，外膜的通透性 非常高，使得膜间隙中的环境几乎与细胞质基质相似 转运蛋白 图172线粒体外膜孔蛋白结构模式图 外膜含有一些特殊的酶类，如参与脂肪酸链延长、肾上腺素氧化、色氨酸降解的酶，表明外膜参与了 膜磷脂的合成，也对那些将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解。外膜的标志酶为单胺 氧化馥。 419
第四篇细胞的结构与功能 (二)内膜 位于外膜的内侧且包裹线粒体基质的一层单位膜结构，比外膜稍薄，平均厚4.5m。相对外膜而 言，其蛋白质和脂类含量的比值达到3.2。内膜中胆固醇含量低，富含心磷脂（双磷脂酰甘油），这是线 粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别。心磷脂与离子的不可渗透性有关。内膜通透性很差，仅 允许不带申街相对分子质量小干150的小分子物质诵时，大分子物质和离子常要借助多种载体蛋白酱 膜运输，如丙酮酸、焦磷酸是通过载体蛋白与OH协同运输穿越内膜的。同时，内膜的低通透性有助于 线粒体质子电化学梯度的建立，以驱动ATP的合成。 内膜向线粒体基质内折叠形成嵴，极大地扩大了内膜的功能面积（可达5~10倍）。嵴是线粒体中 形态学变化最大的结构组成，不同细跑种类、不同细胞功能状态或是细胞病理状态下，绣的形状和排列 方式、数量等都有相应的改变。 线粒体内膜除含有多种转运系统外，主要含有与氧化磷酸化及能量转换相关的蛋白，称为氧化磷酸 化复合酶体系，包括执行氧化反应的电子传递链(electron transport chain)和酶促磷酸化反应的ATP合 酶(ATP 内膜的标志酶为细胞色素©氧化酶。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的 主要部位，在这个过程中，线粒体将氧化过程中释放出来的能量转变成ATP。 1.由子传递链中叫评吸结(espiratory chain)。其结物与功能在第四章“生物氧化”已有介绍。简 单说，呼吸链包括复合物I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，以及辅酶Q和细胞色素©。细胞供能物质中储藏的能量通过 系列反应储存在脱下的高能电子中，伴随着电子在呼吸链的传递，完成供能物质的彻底氧化，同时呼吸 链上的质子泵（复合物I、Ⅲ，V)在线粒体内膜两侧建立起质子电化学梯度，最后驱动ATP合酶合成 ATP。因此，电子传递的本质是能量的转换过程。 2ATP合。在内膜的基质面上附若有许多带柄的球状小题粒，称为基粒(elementary particle) 实际上就是ATP合酶，有人称之为复合物V。据估计，每个线粒体基粒数目可达到10°~10'个。它是 生物能量转换的核心酶，参与氧化磷酸化，在跨膜质子电化学梯度推动下催化合成ATP。它也广泛存在 于叶绿体的类囊体膜、异养菌及光合细菌的细胞膜上，让我们看到不同生物利用能量的相同机制 AP合酶是与ATP合成和水解都有关的双向酶复合体。在线粒体中，它既能利用质子电化学梯度 储存的能量通过磷酸化合成ATP,又能催化ATP水解产生能量，将质子从基质泵到膜间隙。ATP合酶 可以进行ATP合成和水解的双向反应，这是该酶独特有趣的一个性质。 不同来源的ATP合酶结构基本相同，都是由多亚基装配而成，形态上由头部、柄和基片三部分构 成。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶，每个酶每秒钟可产生100多个ATP。 ATP合酶的分子结构和功能在“生物氧化”一章已介绍。 (三】内外膜转位接触点 利用电镜技术可以观察到在线粒体的内、外膜上存 在一些两层膜相互接触的地方，在这里膜间隙变狭窄，称 为转位接触点(translocation c tact site)(图17-3)。通过 免疫电镜的方法观察到转位接触点处有前体蛋白质的积 聚，显示它是蛋白质等物质进出线粒体的通道。 (四)膜间隙 线粒体内、外膜之间的间隙，宽6~8nm。膜间隙含 有多种反应底物、可溶性蛋白质（酶）及辅助因子等。其 中腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶。主要功能之一是建立 和维持质子电化学梯度。 (五)线粒体基质 内膜和嵴包围着的线粒体内部空间就是线粒体基 质。基质中的酶类最多，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨 图173·线粒体内外膜转位接触点
第十七接娘拉体☑ 基酸降解等有关的酶都在其中，此外还含有线粒体的遗传系统，包括DNA、RNA,线粒体基因组表达所 需的各种酶和核糖体等。基质的标志酶是苹果酸脱氢酶。 第二节线粒体的功能与氧化磷酸化 线粒体的主要功能是氧化磷酸化合成ATP,为细胞生命活动提供能量。简单说，依靠酶的催化，将 细胞内各种营养供能物质（糖类、脂肪和蛋白质等）彻底氧化分解，合成生物体可利用的能源ATP,这 时程需要呼吸耗氧，故称生物氧化(biological oxidation)或细胞呼吸(cellular respiration)。在牛物氧化的 同时偶联磷酸化反应，整个过程就是氧化磷酸化(),氧化（电子传递、消耗氧、释 放能量)与磷酸化(ADP+P,储存能量)同时进行，密切偶联，分别由线粒体内膜上两个不同的结构体系 (呼吸链和ATP合酶)执行。经一系列代谢驱动ATP合成。氧化磷酸化实际上是能量转换过程，即供能 有机分子中储藏的能量传递给高能电子，再形成质子电化学梯度，最后合成ATP。 供能物质氧化的基本过程 供能物质氧化的基本过程可分为：大分子供能物质的降解及乙酰辅酶A的生成、三羧酸循环、电子 传递偶联磷酸化三个阶段。 (一)大分子供能物质的降解及乙酰辅酶A的生成 糖、脂肪、蛋白质等供能物质首先要经过消化，分解为葡萄糖、脂肪酸和甘油、氨基酸等小分子，才能 被细胞摄入。在细胞质内进一步分解成相应代谢中间产物如丙酮酸和脂肪酸，然后在氧气充足的条件 下进入线粒体基质，转变为乙酰辅酶A(乙酰CA)。如果没有氧气，丙酮酸在细胞质基质中则经过发酵 生成乳酸或乙醇。 (二)三羧酸循环 乙酰CA在三羧酸循环酶系作用下，开始一系列循环的化学反应，结果是每循环一次，1分子乙酰 CoA脱下4对氢原子和2分子C0,的释放 脱下的4对氢原子，其中有3对交给NAD(烟酰胺腺骠吟二核苷酸)生成NADH,另1对交给FAD (黄素腺嘌吟二单核苷酸)生成FADH2。形成的CO,则逐渐扩散到线粒体外，再转移至胞外。 (三)电子传递偶联磷酸化 三羧酸循环中脱下的氢解离为质子和电子，电子由线粒体内膜上的呼吸链顺序传递，最后传递给氧 气生成水。在此过程中释放的能量，通过ADP磷酸化合成ATP,从而把能量储存在ATP的高能磷酸 键中。 二、氧化磷酸化的机制 (一）氧化磷酸化偶联机制 关于氧化磷酸化的偶联机制，为大家广泛接受的是1961年英国生物化学家Peter Mithchell提出来 的化学渗透学说(chemiosmotic coupling hypothesis)。这个内容在“生物氧化”中有详尽叙述。 化学渗透假说的特点之一是强调了线粒体膜结构的完整性，这种膜结构在功能上对质子具有非自 由的通透性，这是质子电化学梯度形成的必要条件。另一个特点是强调了线粒体化学反应的方向性，即 主动的质子向外跨膜泵出和浓度梯度驱动的质子向内回流。 质子动力势的维持还可以帮助进行物质转运，还能使线粒体产生大量热量，帮助冬眠动物与新生儿 的体温维持。 (二)ATP合酶的工作机制 质子回流到线粒体基质如何驱动ATP合成？ATP合酶各亚基之间如何协同作用？目前大家公认 421
第四篇细胞的结构与功能 的是美国生物化学家Paul Boye©r在1979年提出的“结合变构机制”和“旋转催化模型”。具体见“生物 氧化”一章。 有意思的是几年后两个模型假说都已得到最新实验证据的支持。 1994年，英国化学家John Walker等发表了0.28nm分辨率的牛心线粒体的E,-ATP的晶体结构（图 17-4),他们观察ATP合酶的3个催化亚基(B)结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，发现它们由 于结合不同的核苷酸底物而呈现不同的构象。第一个B亚基（βm)可结合ATP,此刻称为紧密型构象 (ight,T):第二个B亚基(Bm)结合ADP,即松弛型构象(loose,L):第三个B亚基(B)处于空的状态 叫做开放型构象(open,0)。该结果有力地支持了Paul Boyer提出的结合变构机制，证明在催化循环的 任一时刻，3个B亚基处于不同的构象状态中 1997年，日本科学家Hirovuki Noji等观察到了水解ATP使得v亚基相对于a、B亚基的旋转（图 17-5)。他们首先在离体条件下重组F,(含aBY),再把Y亚基与荧光标记的肌动蛋白纤维相连，将 F,通过B亚基固定在玻片上，在供给ATP的情况下用荧光显微镜观察到肌动蛋白纤维沿一个方向发 生旋转，表明Y亚基也同样发生旋转，这种转动使中心的Y亚基能够与三个B亚基按顺序与0、L、T 位点接触。这个实验使我们清楚地看到F,-ATP酶确实是一个分子马达，证明了旋转催化模型的正确 性。最近还有研究表明ATP秀导的旋转以120°为步骤进行，中间有停顿。其至每个120°步骤又含有 90°及30°的小步骤，其中间也有停顿，这些小的步骤可能与反应循环的特定阶段有关，如ADP结合或 ATP释放。 肌动蛋白纤维 图174牛心线粒体F,的晶体结构 图175Y亚基的旋车 第三节线粒体的半自主性 1963年，Margit Nass及Sylvan Nass夫妇首先发现线粒体中存在DNA,随即在线粒体中相继发现 DNA聚合酶、RNA,RNA聚合酶，核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套系 统。在人体细胞中，有人将线粒体DNA称为人类第25号染色体。但是，线粒体含有1000多种蛋白质 99%由核基因组编码，在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体，剩下少数线粒体蛋白质（哺乳动物仅 I3种)由线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)编码、由线粒体自己的核糖体合成。这表明线粒体的 自我整殖、基因表达等一系列功能活动受到两套贵传系统共同控制，线粒体的结构和功能既受核基因组 控制，又受自身基因组调节，所以线粒体是一个半自主性细胞器(semiautonomous organelle)
一、mtDNA的结构及遗传特点 在真核细胞中，除绿藻、草履虫mtDNA为开放的双链结构外，大多数生物的mtDNA是一条闭合的 双链环状分子（图17-6）。和细菌DNA相似.DNA不与组蛋白结合呈裸露状态。不同生物细胞中 mDNA分子数目不同，其大小也不同。 ,个线粒体中可有2~I0个DNA分子，每个动物细胞中mtDNA 约有数千个拷贝。动物细胞线粒体基因组较小，大多数动物细胞mtDNA的周长约为5μm,一般15.7~ 19.5千碱基对(kp)。 1981年，到桥大学的Anderson小组测定 了完整的人mtDNA全部核苷酸序列，称为剑 桥序列。人的mtDNA是一个长为16569碱 对(bp)双链闭合环状分子，外环含G较多，称 重链(H链)，内环含C较多，称轻链(L链) ntDNA基因排列紧凑，不含内含子，难一的 编码区是D环区(displacementloop,D-loop),长 122bp左右，D环区包括mtDNA重链复制起 始点及重、轻链转录的启动子。人类的mtDNA 编码13条多肽链，22种RNA和2种rRNA (12 SrRNA、16 S rRNA)。13种蛋白质分别是 呼吸链复合物I的7个亚基(ND1-6、4L)、易 合物Ⅲ的1个亚基(cyb)、复合物N的3个亚 图17-6牛肝细胞mDNA分子铺展的透射电镜照片 基(C0I、Ⅱ、Ⅲ)及ATP合酶即复合物V的2 个Fo亚基(ATPasec6,8)。两条链的编码不对称，L链产生8种tRNA分子及1种蛋白质(ND6),其余都 在H链上（图17-7）。 与细胞核基因组(nuclear DNA,nDNA)相比较，mtDNA有其独特的遗传特性：①母系遗传(maternal inheritance),母亲将她的mtDNA传递给所有子女，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代，故mtDNA Th 小核糖体 人mtDNA ND6 ND3 图17-7人线粒体DNA结构 423
】#长监的内与地 的遗传表现为母系遗传。发生在生殖细胞系中的DNA突变能通过女儿传递给子代，引起母系家族性 疾病，而在个体发育过程中体细胞发生的突变则会引起散发性疾病和与年龄相关的氧化磷酸化活性降 低。人们还发现mtDNA有不完全母系遗传现象，即子女们不能得到母亲的全部mtDNA类型，原因是某 些突变的线粒体基因组不能够通时遗传瓶须(genetic bottleneck)。贵传瓶须是母亲卵细胞形成讨程中 线粒体数量急剧减少(10万到少于100个)的现象。这使得只有少数线粒体真正传给后代，同时也是 成子代差异的原因。如果通过遗传瓶颈保留的一个线粒体携带一种突变，这种突变就会在个体细胞中 占有一定的数量：②异质性(heterog©neity),线粒体几乎存在于人体的所有细胞中，且每个细胞中含有成 百上千个线粒体，有害的突变类型常常仅影响部分mDNA,这就使细胞中同时存在野生型和突变型 mtDNA,称为异质性：③阔值效应(threshold effect),当mtDNA突变数目达到某一数量时，方可引起某细 胞、组织或器官的功能异常而出现临床症状，这就是阈值效应。阈值的高低与该细胞、组织或器官对线 粒体合成ATP的依赖程度有关。在有突变型DNA的细胞及组织或器官其表现型是突变型在全部 mDA分子中所占比例以及此种细胞及组织或器官对线粒体功能依赖程度的综合表现。在人体中，对 线粒体功能依赖程度从高到低为中枢神经系统、骨骼肌、心脏、肝和肾、内分泌系统：④广谱性，mDNA 的突变可影响细胞的多种功能；⑤高突变频率，mtDNA的突变率比nDNA高10倍以上。线粒体编码 基因排列紧凑、几乎无间隔区且部分区域存在重叠，因此，任何突变都会累及到基因组中的重要功能 区域。同时，mtDNA复制频率高，缺乏有效的DNA修复系统及组蛋白的保护，加之mtDNA对突变的 固定也比nDNA来得快，而且体细胞mtDNA新生突变会随着年龄的上升而逐渐积累，因此其突变频 率较高 mtDNA的结构特点及遗传特性可以帮助人们了解许多事物真相或轨迹，如物种起源及其分化、物 种种内及种间的系统发生、群体遗传结构及迁移流动、生物学考古、法医学检验等。比如随着时间的推 移，线粒体基因组积累的突变越来越多，后代个体之间线粒体基因序列的差异也就越大。 一般说来，两 位个体之间线粒体基因序列差别越大表明他们与共同祖先分离的时间越长，亲缘越疏，反之则越战近 比如通过追踪线粒体基因的谱系，发现在大约14万年前出现了交叉点，表明现存所有人的线粒体基因 都来自14万年前的一名女性，她被形象地称为“线粒体夏娃”。 二、mtDNA的功能 同nDNA一样，mtDNA以半保留方式进行自我复制，由于复制所需的各种酶是由nDNA编码的，因 此受到细胞核基因组的控制 线粒体内蛋白质的合成是独立进行的，和细胞质中蛋白质合成相比较有其独特之处。如线粒体核 糖体的沉降系数介于55S~56S之间，是已发现的沉降系数最小的核糖体，也是蛋白质含量最高的一类 核糖体。线粒体翻译系统的遗传密码与通用密码子存在部分差异，包括起始密码子与终止密码子也不 同（表17-1）。 表17，哺乳动物线粒体遗传密码与通用密码的差异 遗传密码 线粒体密码 通用密码 UGA 色氨酸(TD》 终止信号 AGA、AGG 终止信号 精氨酸(Ag) AUA 甲硫氨酸(Me) 异亮氨酸(e) DNA的复制、基因表达等一系列功能活动过程都显示出一定的自主性和独立性，同时又依赖 DNA的协同作用，并受到细胞核遗传系统的影响与控制。 44
第十七章线粒体 三、线粒体蛋白质的跨膜转运 线粒体中99%的蛋白质由核基因编码，在细胞质核糖体上合成，再经跨膜转运并分选定位于线粒 体外膜、膜间隙、内膜及基质 线粒体蛋白质跨膜转运有如下特点（图17-8） TOM复合体 TIM23复合体 成熟蛋白 前导肱切除 图178线粒体蛋白质的跨膜转运 1.线粒体蛋白质是通过翻译后转运的方式实现单向跨线粒体膜转移的，即先合成蛋白质前体，再 转运至线粒体，这不同于在粗面内质网合成蛋白时边合成边跨内质网膜转移的共翻译转运方式。 2.大部分线粒体蛋白质在细胞质核糖体上合成时，其N端都带有的 一段可以被剪切的信号序列 称为前导肽(leading peptide),内含定向运往线粒体的信息。导肽一般含20~80个氨基酸残基，其长短 与被引导的蛋白质定位在线粒体的不同部位有一定的关系。定位于基质中的蛋白质一般具有较短的导 肽。导肽没有共同的保守序列，但有一些共有的结构特点，如带较多的碱性氨基酸，尤其是精氨酸，这有 助于导肽进入带负电荷的线粒体基质中：富含疏水性氨基酸（如丝氨酸和苏氨酸），可形成两亲性α螺 旋的结构，有利于它穿越线粒体的双层膜。 前导肽决定蛋白质的运送方向，它对被运送的蛋白质并无特异性要求。前导肽的不同片段含有不 同的导向信息，可使不同的线粒体蛋白质运送至线粒体不同部位。然而发现有的线粒体蛋白质在合成 时并没有前导肽，如外膜蛋白质的孔蛋白、内膜蛋白质ADP/ATP载体、内膜外侧的细胞色素c等，这些 蛋白质的定向运输可能有其他的机制。 含前导肽的蛋白质前体在跨膜转运时，首先被线粒体表面的受体识别，同时在热激蛋白水解ATP 和跨内膜电化学梯度的动力共同作用下，还与外膜、内膜上的膜通道发生作用，方可进入线粒体。这些 膜通道蛋白分布在线粒体内、外膜转位接触点，包括嵌入线粒体外膜的蛋白质转运体(ofth outer mitochondrial membran,TOM复合体)和位于内膜上的线粒体内膜蛋白质转运体(translocator of the inner mitochondrial membran23,TIM23复合体)。TOM复合体由7个亚基组成，介导核基因编码的线粒 体蛋白定位于外膜或进入膜间隙。T23复合体也是由多亚基组成，转运所有的线粒体基质蛋白、大部 分的内膜定位蛋白及一些膜间隙定位的蛋白。 前导肽在牵引蛋白质前体进人线粒体基质后，立即被线粒体基质信号肽酶(mitochondrial processing peptidase,MPP)水解，成为成熟蛋白质。 3.线粒体的蛋白质前体在跨膜转运前后，需要经历一个解折叠(unfolding)与重折叠(refolding)的 成熟过程，期间有分子伴侣蛋白协同作用。细胞质中的分子伴侣如热激蛋白HSP70具有解折叠酶的功 能，能识别线粒体蛋白质前体解折叠后暴露出的疏水面并与之结合，使蛋白质前体免受分解或相互凝 聚，到达线粒体表面后即与蛋白质前体解离，方便其跨膜运送。某些分子伴侣还参与进入线粒体基质的 蛋白质分子的重折叠及装配过程。分子伴侣在进化上十分保守，普遍存在于各种生物体内。 425
第四篇细胞的结构与功能 第四节线粒体的增殖 解释线粒体增殖的“重新合成说”和“非线粒体结构起源说”等都曾产生过一定的影响。但mtDNA 发现后，多数生物学家接受了分裂增殖的观点，同位素标记示踪研究及电镜观察结果也为这一观点提供 了充分的证据 线粒体分增硝的形式，可以归敏为以下一种 1.出芽分裂增殖多见于蕨类植物和酵母细胞中，先由线粒体长出膜性球状小体，随后该小体与 母体线粒体分离并逐渐长大，成为新的线粒体。 2.收缩后分离增殖也见于蕨类植物和酵母细胞中，这种分裂方式是线粒体在其中部发生收缩】 最后断裂，形成两个子线粒体。 3.间壁分离增殖见于哺乳动物和植物分生组织细胞中，是线粒体内膜的嵴对向延伸，形成线粒 体基质间隔或隔膜，然后在此处一分为二，成为两个子线粒体。 尽管不同生物、不同组织及细胞的线粒体分裂增殖方式有不同，但基本机制是相似的，都要经过线 粒体膜生长、mDNA复制、线粒体分裂、线粒体功能重建等几个阶段。无论哪一种方式，线粒体的分裂 都不是绝对均等的，例如mDNA在分裂后的线粒体中的数目、分布就是不均等的。线粒体分裂还受到 细胞分裂的影响。 第五节线粒体异常与疾病 线粒体是细胞内重要而敏感的细胞器，其结构与功能异常必然导致细胞多种功能活动的异常，引发 系列与之相关的临床疾病、引起衰老等。由于遗传缺损（包括mDNA及nDNA突变）造成线粒体代谢 酶缺陷，致使ATP合成障碍，能量来源不足引起的一组多系统疾病称为线粒体病(mitochondrial diseases,MD)。线粒体疾病的遗传方式包括母系遗传、孟德尔遗传或者二者组合。 一、mtDNA突变与疾病 l988年，Douglas Wallace等通过对mtDNA突变与Leber遗传性视神经病(Leber heredita y optic neu ropathy,LHON)关系的研究，第一次明确提出mtDNA突变可引起人类疾病，从此开启了在分子水平上对 线粒体疾病的探时。至2015年10月已发现招时1000种mDNA窄变卷型 mtDNA突变主要可分为四种类型：①错义突变（氨基酸替换突变），涉及mtDNA中13种蛋白质基 因序列单个碱基突变，结果引起一个密码子错误，导致蛋白质一级结构中单个氨基酸的改变。主要与脑 脊髓性及神经性疾病有关，常见有Lbr遗传性视神经病、神经肌病等；②蛋白质生物合成基因突变，均 为RNA突变，使线粒体蛋白质合成缺陷。常引发癫痫伴碎红纤维病(MERRF综合征)、线粒体脑肌 病合并乳酸中毒及脑卒中(MELAS综合征)、母系遗传的肌病、心肌病等线粒体肌病：③片段缺失、重 复、插入突变，绝大多数眼肌疾病由该类突变所致：④拷贝数异常，表现为mDNA拷贝数远远低于正 常。发现于乳酸中毒、肌肉或肝或肾衰竭及一些致死性婴儿呼吸障碍的病例，是一种较为少见的 突变 由mtDNA突变所导致的疾病称为线粒体遗传病(mitochondrial genetics),这类疾病随同线粒体传 递，表现出母系遗传的特征，临床上主要表现在脑神经骨骼肌方面的异常，患者脑组织和肌肉中可 发现线粒体形态及酶学成分异常，有时还伴有心血管系统和内分泌系统的异常。现举两个病例加以 介绍。 4g6
第十七章线粒体 l.Leber遗传性视神经病该病是人类母系遗传病的典型病例，l871年由德国眼科医生Theodor Lr首次报道，主要定状有视神经亚重菱缩引起的急性或亚急性中心视力丧失，可伴有神经、骨酪肌 心血管等系统异常，如头痛、痛南及心律失常等，通常在20一30岁发病.男女发病之比为4：1.1988年 Douglas Wallace最先发现患者mtDNA第11778位点的G转换成了A,使呼吸链复合物I亚基4(ND4 蛋白质中第340位氨基酸由精氨酸变成了组氨酸，而这一位点的精氨酸对维持ND4功能很重要，突变 后使NADH脱氢碑活性降低，影响了线粒体能量的产生，使最易受线粒体产能影响的前部视神经无髓 纤维、视网膜神经节细胞的轴突发生退行性变。这个点突变是Douglas Wallace首次发现的，称之为 Vallace突变。大约50%的LHON病是由它引起的。该突变在mtDNA上造成一个sfaN I酶切位点手 失，这为该病的诊断提供了一个有用的手段。除此之外，还发现10多种点突变可导致LHON的发生，它 们分布于ND1、ND2、ND3,ND4,ND6、Cytb等基因中，有些突变单独可引起LHON,有些则必须与其他突 变配合作用才发生HON。HON的研究也提出了线粒体疾病中的一个概念，即多种突变的相互作用 其中也包括核基因的作用，最终导致疾病的发生。 2.母系责传糖尿病伴耳整(maternally inherited diabetes and deafness,DD)也l叫线粒体糖尿病 主要临床表现为糖尿病伴神经性耳聋及胰岛B细胞分泌功能进行性衰退，呈现母系遗传的特点。199 年，Van den Ouweland发现第一个MIDD家系有mtDNA第3243位点的A转换成G的点突变，该突变位 于RNALeu(UUR)基因的双氢尿嘧啶环中，此处也是mtDNA 16 S rRNA和RNALeu(UUR)基因之间的 交界处，是促进转录终止的蛋白质因子的结合部位，在进化中是高度保守的。该突变不仅干扰了 rNALeu(UUR)的合成，而目也舫碍转录终止因子的结合，导致线粒体蛋白质合成缺陷，细胞能量供应 受损，最终影响胰岛中B细胞胰岛素合成及分泌。随后的研究还发现MIDD患者mDNA有近20个其 他碱基位点的突变、缺失等。 二、mtDNA突变与衰老 研究表明，mDNA突变的积累是衰老形成的重要因素，主要类型是mDNA的缺失突变，可累及脑、 心、骨酪肌、肝、肾、肺、皮肤、卵巢、精子等多种器官组织。最多见的是4977bp片段缺失，涉及8483 13460位点片段的缺失，称共有缺失片段。如人皮肤组织4977bp缺失突变发生率呈现明显的随龄增 长，在61-70岁年龄组为20%，71-80岁为46.9%，81-90岁则83.4%。mtDNA易受活性氧等自由基 侵害，依据氧化损伤理论，衰老进程中体内积累的氧化损伤作用是导致线粒体及mDNA突变的重要机 制之一 一些老年性退化性疾病也与mD八A突变有关系，如帕金森病、阿尔茨海默病、老年心脏病、骨质疏 松症、老年性精神病和老年性贫血等」 三、mtDNA-nDNA突变相互作用引起的疾病 有些DNA改变会引起线粒体疾病，这类疾病主要表现线粒体功能障碍，但不是母系遗传，而呈孟 德尔遗传。编码线粒体蛋白质的基因缺陷或与线粒体蛋白质转运有关的核基因突变，都会引起人类的 线粒体疾病。 在mtDNA突变引起的人类疾病中，有些现象难以完全用母系遗传来解释，那是mtDNA和nDNA 相互作用的结果。由于mtDNA与nDNA共同编码氧化磷酸化复合酶体系，而mtDNA复制、转录和翻 译所需的几十种酶均由DNA编码，所以线粒体在遗传上的自主性受到核基因组一定的制约，编码 这些蛋白质亚基或酶的nDNA突变也可产生类似的线粒体病的症状。如Lber遗传性视神经病患 者，男女性别的发病率有较大差异。有人曾用X染色体基因探针，对HON的多个家系进行连锁关 系研究，表明该病与X染色体某个基因有关，提示LHON的发生是mtDNA和nDNA共同作用的 结果。 47