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线粒体

线粒体(mitochondrion)是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器,是细胞中制造能量的结构,是细胞进行有氧呼吸的主要场所,被称为"power house"。其直径在0.5到10微米左右。

除了溶组织内阿米巴篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外,大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体,但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。

线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系,但其基因组大小有限,是一种半自主细胞器。除了为细胞供能外,线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程,并拥有调控细胞生长细胞周期的能力。

线粒体,是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器,直径在0.5到10微米左右。大多数真核细胞拥有线粒体,但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系,但因其基因组大小有限,所以线粒体是一种半自主细胞器。线粒体是细胞内氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(ATP)的主要场所,为细胞的活动提供了能量,细胞生命活动所需的能量95%来自线粒体。所以其又有“细胞动力工厂”之称。除了为细胞供能外,线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程,并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。英文中的“线粒体”(mitochodrion,复数形式为“mitochondria”)一词是由希腊语中的“线”(“μτο”或“mitos”)和“颗粒”(“χονδρον”或“chondrion”)组合而成的。在“线粒体”这一名称出现前后,“粒体”、“球状体”等众多名字曾先后或同时被使用。

除了合成ATP为细胞提供能量等主要功能外,线粒体还承担了许多其他生理功能。

调节膜电位并控制细胞程序性死亡:当线粒体内膜与外膜接触位点处生成了由己糖激酶(细胞质基质蛋白)、外周苯并二氮受体和电压依赖阴离子通道(线粒体外膜蛋白)、肌酸激酶(线粒体膜间隙蛋白)、ADP-ATP载体(线粒体内膜蛋白)和亲环蛋白D(线粒体基质蛋白)等多种蛋白质组成的通透性转变孔道(PT孔道)后,会使线粒体内膜通透性提高,引起线粒体跨膜电位的耗散,从而导致细胞凋亡。线粒体膜通透性增加也能使诱导凋亡因子(AIF)等分子释放进入细胞质基质,破坏细胞结构。

细胞增殖与细胞代谢的调控;

合成胆固醇及某些血红素。

线粒体的某些功能只有在特定的组织细胞中才能展现。例如,只有肝脏细胞中的线粒体才具有对氨气(蛋白质代谢过程中产生的废物)造成的毒害解毒的功能。

线粒体的研究是从19世纪50年代末开始的。

1857年,瑞士解剖学家及生理学家阿尔伯特冯科立克在肌肉细胞中发现了颗粒状结构。另外的一些科学家在其他细胞中也发现了同样的结构,证实了科立克的发现。德国病理学家及组织学家理查德阿尔特曼将这些颗粒命名为“原生粒”(bioblast)并于1886年发明了一种鉴别这些颗粒的染色法。阿尔特曼猜测这些颗粒可能是共生于细胞内的独立生活的细菌。

1898年,德国科学家卡尔本达因这些结构时而呈线状时而呈颗粒状,所以用希腊语中“线”和“颗粒”对应的两个词“mitos”和“chondros”组成“mitochondrion”来为这种结构命名,这个名称被沿用至今。一年后,美国化学家莱昂诺尔米歇利斯开发出用具有还原性的健那绿染液为线粒体染色的方法,并推断线粒体参与某些氧化反应。这一方法于1900年公布,并由美国细胞学家埃德蒙文森特考德里推广。德国生物化学家奥托海因里希沃伯格成功完成线粒体的粗提取且分离得到一些催化与氧有关的反应的呼吸酶,并提出这些酶能被氰化物(如氢氰酸)抑制的猜想。

英国生物学家大卫基林在1923年至1933年这十年间对线粒体内的氧化还原链(redox chain)的物质基础进行探索,辨别出反应中的电子载体细胞色素。

沃伯格于1931年因“发现呼吸酶的性质及作用方式”被授予诺贝尔生理学或医学奖。

1963年M. 和 S. Nass发现线粒体DNA(mtDNA)后,人们又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、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装备,说明线粒体具有独立的遗传体系。

虽然线粒体也能合成蛋白质,但是合成能力有限。线粒体1000多种蛋白质中,自身合成的仅十余种。线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶、许多结构蛋白,都是核基因编码, 在细胞质中合成后,定向转运到线粒体的,因此称线粒体为半自主细胞器。

利用标记氨基酸培养细胞,用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质蛋白质合成的方法,发现人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基,F0的2个亚基,NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。此外线粒体DNA还能合成12S和16S rRNA及22种tRNA。

mtDNA分子为环状双链DNA分子,外环为重链(H),内环为轻链(L )。基因排列非常紧凑,除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外,无内含子序列。每个线粒体含数个m tDNA,动物mtDNA 约16-20kb,大多数基因由H链转录,包括2个rRNA,14个tRNA 和12个编码多肽的mRNA , L链编码另外8个tRNA和一条多肽链。mtDNA上的基因相互连接或仅间隔几个核苷酸序列, 一些多肽基因相互重叠, 几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。很多基因没有完整的终止密码, 而仅以T或TA结尾,mRNA的终止信号是在转录后加工时加上去的。

线粒体在形态,染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面,都很像细菌,所以人们推测线粒体起源于内共生。按照这种观点,需氧细菌被原始真核细胞吞噬以后,有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性,并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中,形成了线粒体的半自主性。

线粒体遗传体系确实具有许多和细菌相似的特征,如:

① DNA为环形分子,无内含子;

② 核糖体为70S型;

③ RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制;

④ tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的;

⑤ 蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA,对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。

此外哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用遗传密码有以下区别:

① UGA不是终止信号,而是色氨酸的密码;

② 多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码,起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码;

③ AGA,AGG不是精氨酸的密码子,而是终止密码子,线粒体密码系统中有4个终止密码子(UAA,UAG,AGA,AGG)。

mtDNA表现为母系遗传。其突变率高于核DNA,并且缺乏修复能力。有些遗传病,如Leber遗传性视神经病,肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关。

复合物I又称NADH 脱氢酶(NADH dehydrogenase)或NADH-CoQ 还原酶复合物,功能是催化一对电子从NADH传递给CoQ,它是线粒体内膜中最大的蛋白复合物,是跨膜蛋白,也是呼吸链中了解最少的复合物。哺乳动物的复合物Ⅰ含有42 种不同的亚基,总相对分子质量差不多有1000kDa。其中有7个亚基都是疏水的跨膜蛋白,由线粒体基因编码。复合物Ⅰ含有黄素蛋白(FMN)和至少6个 铁硫中心(iron-sulfur centers)。一对电子从复合物Ⅰ传递时伴随着4个质子被传递到膜间隙。

1. 整个操作过程为保证线粒体的完整,应尽量使操作时的环境如温度(04℃),pH (7.0左右)保持恒定,同时尽可能短操作时间。

2. 组培细胞消化时要特别小心,防止损失或反复。(损失指细胞脱落到消化液中)。

3. 匀浆时,所用的介质一定是等渗缓冲液,常用的有0.25 mol/L蔗糖溶液或生理盐水代替Hank’s液

4. 匀浆次数依照匀浆器的松紧而定,次数过少,细胞破损不完全,就会影响线粒体产量。

5. 所以取2/3上清夜用来制备线粒体是为防止细胞碎片过多影响观察。

6. 整个分离过程,一般最好在3060分钟内完成,不宜过长。光合作用中放大太阳能那无声的轰鸣。

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