第1节　线粒体

线粒体（mitochondria）是细胞内氧化磷酸化的场所，是与能量代谢相关的细胞器，同时也参与细胞分化、细胞凋亡的过程，并调控细胞生长和细胞周期。在线粒体的遗传学研究中，已知线粒体具有母系遗传的独立基因，有其自己的遗传物质及遗传体系，即线粒体DNA（mitochondrial DAN，mtDNA），线粒体DNA是人体细胞中唯一的核外DNA。mtDAN编码的蛋白质只有十几种，主要是细胞色素b、细胞色素c、NADH脱氢酶和氧化酶的亚单位，并具有全套的呼吸链酶体系，其功能主要是氧化底物，利用呼吸链电子传递合成ATP。线粒体的寿命为10天左右，电镜下常可见到细胞内线粒体退变以及线粒体的分裂及融合。线粒体再生有两种方式，一种是以出芽的方式在原有线粒体上生出小线粒体，另一种是杆状线粒体的中央部分收缩变细，最后分出两个线粒体。衰老退变的线粒体在溶酶体作用下，形成髓样结构，部分小分子物质被重新利用，其余残留物质通过细胞的自噬作用加以排除。

线粒体有内外双层单位膜，线粒体外膜厚度为6nm，包围着线粒体，外膜与内膜不连续，内外膜之间的间隙称为外腔。线粒体的形态可以有杆状、球形或椭圆形，长度为0.5～1μm，偶见巨大线粒体的长度可达8μ m，在不同类型的组织中其线粒体的形态及数量有很大差别。线粒体内膜相对较厚为7nm，内膜有高度的选择通透性，内膜向线粒体内腔反复折叠形成线粒体嵴增加内膜的面积，嵴的形态、数量、长度及排列方向随细胞的种类、生理及病理状态而不同。嵴的形态有板层状及小管状，多数细胞为板层状嵴，如神经细胞、肝细胞等，而管状线粒体嵴则可见于分泌固醇类激素的细胞，如肾上腺皮质细胞等。线粒体嵴将线粒体分隔成内室和外室，内室中充满无定形的线粒体基质物质，线粒体嵴间基质的电子密度通常比细胞基质略高，线粒体基质中含有蛋白质、脂类、核糖体、DNA分子及电子致密的嗜锇基质颗粒，这些颗粒集中了大量的钙、镁离子，可以调节线粒体内部离子环境的动态平衡。线粒体嵴的多少与细胞氧化代谢率成正比，在代谢率高的心肌细胞、骨骼肌细胞、肝细胞及肾小管上皮细胞内线粒体嵴数量多，嵴的面积也大，嵴排列紧密。但是也有例外，在生长快速的肿瘤细胞中，由于其能量代谢方式以糖酵解供能为主，因此肿瘤细胞内线粒体数量反而不发达。

细胞在生命活动中的生理生化反应均需要消耗能量，其中90%的能量来自线粒体，线粒体的主要功能是通过氧化磷酸化合成ATP来供能，因此线粒体有细胞内“动力站”“钙库”和“酶贮存库”之称。机体内糖、蛋白质、脂肪的代谢中间产物乙酰辅酶A在线粒体内进入三羧酸循环，这些物质在氧化后脱下的氢和电子，通过呼吸链传递，最终与氧结合生成水，在这一过程中释放的能量，以高能磷酸键的形式，通过二磷酸腺苷ADP磷酸化生成含高能磷酸键的三磷酸腺苷ATP进而储存在细胞内。氧化（放能）及磷酸化（储能）是同时进行并偶联在一起的，即所谓的氧化磷酸化偶联反应。当ATP水解为ADP时，高能磷酸键断裂释放出能量以供应机体做功使用，比如肌细胞的收缩、神经冲动的传递、细胞的合成代谢及细胞膜的物质运输等，因此线粒体是细胞内呼吸及供能的动力站。线粒体内还含有多种酶系：如三羧酸循环酶系、脂肪酸氧化酶系、呼吸链电子传递酶系及氧化磷酸化酶系等几十种酶系。当线粒体损伤时，与这些酶系相关的代谢都将受到影响而发生相应的功能障碍，如三磷酸腺苷生成减少，导致ATP阈值较高的器官如脑组织、骨骼肌和心肌等高度依赖氧化磷酸化代谢的高耗氧组织出现功能衰竭，并引起多器官受累。此外，线粒体还参与了活性氧产生和诱导凋亡的病理过程，当线粒体内膜上细胞色素c激活caspase蛋白通道时即可导致细胞凋亡。

线粒体分布的部位与某些细胞的功能及ATP消耗的数量是有规律的，线粒体主要分布于能量需求较多的部位，例如在肌细胞中，线粒体主要分布在肌丝之间，这与肌原纤维的收缩舒张耗能有关；在纤毛基部往往见较多线粒体聚集；在蛋白质合成旺盛的浆细胞中可见到粗面内质网环绕在线粒体周围；在神经突触部位线粒体与神经递质传递关系密切；在细胞分泌及胞饮、胞吐活跃的细胞内可见大量线粒体；在大脑颅底发生的脊索瘤中，瘤细胞内有粗面内质网包绕线粒体的特殊结构，形成线粒体-粗面内质网复合体结构（Mito-RER）等均与功能需求有关。

在病理状态下，线粒体的形态、结构和功能会由于细胞内外环境的改变而引起其体积、数量及形态的变化，如缺氧、毒素、射线及渗透压改变等。①线粒体肥大和增生，例如长时间在高原缺氧的环境下，心肌细胞代偿增生肥大，线粒体的功能也增强，细胞内线粒体的数量及体积增加甚至可见巨大线粒体。这种现象也可发生于组织器官代偿肥大和细胞功能负荷增强的情况下，如妊娠子宫的肌细胞。在内分泌肿瘤中有一类嗜酸细胞腺瘤（oncocytoma），它可发生在腺垂体、甲状腺、唾液腺及肾上腺等，其特征性的结构就是瘤细胞内充满大量增生的线粒体，同时线粒体体积增大、线粒体嵴数量增多，如脑垂体的瘤样细胞瘤中即充满大量线粒体，不过在这种线粒体内很少见到嵴间基质颗粒，因此认为这种线粒体有生化缺陷，从而造成线粒体大量的无效增生。②线粒体浓缩凝聚，可见于器官萎缩及功能退化的组织。在组织发生缺氧变性时，线粒体中的离子和水分丢失、体积缩小、线粒体数量减少、嵴间基质电子密度加深、嵴结构紊乱等，此时线粒体本身的蛋白质合成功能降低，特别是在损伤早期，线粒体呼吸停止，可出现线粒体凝聚，不过这种凝聚的变化在恢复供血供氧后是可以逆转的。③在细胞损伤的过程中，特别是神经组织缺血、缺氧造成线粒体功能障碍ATP生成减少，引起细胞膜离子泵功能下降导致线粒体肿胀，线粒体基质电子密度减低呈电子透亮的空泡，基质颗粒消失，嵴结构变得短小移至线粒体膜周边甚至断裂，线粒体内腔出现絮状无定形的蛋白崩解产物，甚至成为球形空泡化肿胀的线粒体，此时被认为是不可逆的细胞坏死标志。线粒体膜的通透性增高时会引起线粒体膜的跨膜电位发生改变使诱导凋亡的因子进入细胞质，引起细胞程序性死亡。此外，自然衰老和坏死崩解的线粒体，最终需经过细胞的自噬过程形成线粒体自噬而被降解。（这里需要强调：在电镜标本制备过程中，若组织固定不及时或缓冲液的渗透压低均可能造成线粒体肿胀的假象）

由于线粒体DNA（mtDNA）不与组蛋白结合，因此其编码的蛋白质容易受到活性氧自由基的损害，当mtDNA损害积累增多时会造成线粒体结构和功能异常，继而引起线粒体病。此外，由于mtDNA没有修复系统，因此当线粒体DNA突变、重复或缺失时，可导致线粒体病的发生。线粒体病主要由线粒体基因病变引起，确切病因难以诊断，需要通过酶学活性检测再结合遗传学基因分析进行确定。此外，恶性肿瘤细胞中的线粒体可以产生过多的超氧离子自由基，该物质会促进癌细胞的迁移，导致恶性肿瘤细胞发生侵袭和转移。在临床电镜诊断工作中，可以见到特征性线粒体病变的结构，例如中枢神经系统的线粒体脑肌病，该病患者在做肌肉电镜活检时，可见线粒体内出现停车坪样的结晶包涵物；在帕金森病、早老性痴呆症等发病机制中也与mtDNA损伤有关。临床电镜检查工作中还可见到线粒体内出现糖原、脂肪包涵物及同心环状排列的线粒体嵴等，这些结构对某些特定的疾病具有重要的诊断意义。因此，线粒体结构及功能的改变，可以作为诊断某些疾病或判断疾病发生发展过程的指标之一（图2-1-1～图2-1-6）。