线粒体中的氧化代谢
线粒体是活细胞生物氧化产生能量的主要结构。人们对于线粒体的研究已有100多年的历史。早在1850年光镜下就已经观察到不同动物细胞的细胞中有小颗粒结构的存在。1890年德国学者Altman通过较系统研究，将其命名为bioblast。1898年Benda将其命名为线粒体（mitochondrion）。1900年Michaelis用詹纳斯绿B（Janus green B）通过活体染色证明线粒体是具有氧化还原能力的结构。
（一）线粒体的基本特征
细胞中的线粒体光镜下观察通常呈细线状、颗粒状或短杆状，还有呈圆形、哑铃形、星形等，其形态多种多样。线粒体形态因细胞的种类和生理状态不同而有差异（图1-6-1）。如肝细胞和脂肪细胞的线粒体多为球状，肾小管上皮细胞和成纤维细胞的线粒体多呈环状等。
图1-6-1 光镜下线粒体的形态
线粒体直径一般为0.5～1.0 μm，长度为1.5～3.0 μm。个别的还可见到巨大线粒体，如骨骼肌细胞中的线粒体长度可达8～10 μm.细胞类型和生理状态的不同，渗透压、pH和温度的改变，都可引起线粒体形态、大小的变化。
线粒体的数目在不同类型的细胞中差异很大。哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体，正常细胞中线粒体有1 000～2 000个，精子中线粒体较少，约25个。线粒体的数目多少与细胞的生理功能密切有关。一般来说，新陈代谢旺盛、需要能量较多的细胞，线粒体的数目就较多，如心肌细胞、肝细胞、骨骼肌细胞、肾小管上皮细胞等；反之，新陈代谢较低，需要能量较少的细胞，线粒体的数目就较少，如淋巴细胞、精子细胞。当细胞处于病变、体温过高或细胞基质酸性过高的环境下，线粒体易溶解或因过度膨胀破裂而使其数目减少。在同一类型细胞中，线粒体的数目是相对稳定的，若功能发生变化，其数量也会发生变化，如腺细胞在分泌活动旺盛时，线粒体数目增多，运动员肌细胞内的线粒体比不运动的人的肌细胞内的线粒体多。
线粒体在细胞内通常是均匀分布在胞质中，如肝细胞，但也因细胞形态和类型的不同而存在差别。线粒体通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。如蛋白质合成活跃的细胞，线粒体被包围在粗面内质网中；分泌活动旺盛的细胞，线粒体总是分布在分泌物合成的区域；肌细胞中线粒体沿肌原纤维规则排列；肠上皮细胞中线粒体分布在两极；肾小管细胞中当主动运输功能活跃时，线粒体就大量集中于质膜的内缘；精子细胞的线粒体集中于鞭毛区；处于分裂的细胞，线粒体均匀地集中在纺锤丝的周围。
细胞中线粒体的寿命大约为1周，无论是处于增殖还是高度分化的细胞中线粒体都在自我增殖。线粒体的增殖方式存在争议，一般认为是通过已有的线粒体的分裂形成，有以下几种形式：①间壁分离，分裂时先由线粒体内膜向中心皱褶，形成间壁，最后外膜在间壁处一分为二，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。②收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长，整个呈哑铃型，最后分裂为两个。③出芽分裂，见于酵母和藓类植物，先从线粒体上长出小芽，脱落后长大，发育为线粒体。
（二）线粒体与氧化代谢有关的结构
线粒体的化学组分主要是由蛋白质、脂类、水分等组成。蛋白质占线粒体干重的65%～70%，分为可溶性和不溶性蛋白，可溶性的蛋白质主要包括基质中的酶和膜的外周蛋白，不溶性蛋白质为膜镶嵌蛋白，也有一些是酶蛋白。线粒体的脂类只占干重的20%～30%，多数是磷脂，占总脂的3/4以上。在组成上线粒体膜与细胞其他膜结构的明显差别是含丰富的心磷脂和少量的胆固醇。此外，线粒体还含有DNA、维生素和各种无机离子。在电镜下观察，线粒体是由两层单位膜围成的封闭囊状结构，两层膜套叠形成囊中之囊，主要由外膜、内膜、膜间腔和基质腔组成（图1-6-2）。
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图1-6-2 线粒体的结构
（a）纵切面；（b）横切面；（c）线粒体立体结构
1.外膜（outer membrane）是包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6～7 nm，平整光滑，与内膜不连接。外膜含有多种运输蛋白，它们构成脂类双分子层上水溶性物质可以穿过的通道。分离的外膜用磷钨酸负染时，可见外膜上有排列整齐的筒状圆柱体，中央有直径2～3 nm的小孔，相对分子质量在10 000 Da以内的物质分子可以自由通过，包括一些小分子的多肽。外膜上还分布参与肾上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸链延长的特殊酶类，单胺氧化酶可以催化各种胺类氧化物，被视为外膜的标志酶。这表明外膜可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。
2.内膜（inner membrane）位于外膜的内侧，也是由一层单位膜组成，厚5～6 nm。内膜将线粒体内部空间分为两部分，由内膜包围形成的空间称为内腔，内含有基质（matrix），又称基质腔（matrix space）；内膜与外膜之间的腔隙则称为外腔。内膜中蛋白质的含量非常丰富，约占70%，脂类的含量相对低，并且脂质中富含心磷脂（cardiolipin），胆固醇则较少，导致内膜通透性很低，相对分子质量大于150 Da的物质就不能通过。但内膜有高度的选择通透性，借助膜上的载体蛋白控制内、外腔间的物质交换。内膜上还有参与电子传递、氧化磷酸化、的酶，内膜的标志酶是细胞色素氧化酶，它是组成呼吸链的成分之一。
内膜向线粒体内部突伸形成很多褶襞性的结构称为嵴（cristae），嵴是线粒体富有标志性的结构。嵴的出现大大增加了内膜的表面积，这对线粒体进行高速率的生化反应是极为重要的。嵴与嵴之间的间隙，称为嵴间腔（inter-cristal space），外腔伸入嵴内的部分称为嵴内腔（intercristae space）。线粒体嵴的形态、嵴的数目以及嵴的排列则与细胞种类、细胞本身所处的生理状态有密切关系。一般需要能量较多的细胞，胞内线粒体数量多，线粒体内嵴也多；需要能量较少的细胞，其线粒体数量少，嵴也少。如心肌细胞代谢率高、耗能多，线粒体嵴较多；相反，代谢率低的肝细胞和小肠上皮细胞嵴就疏少。在病理情况下，线粒体嵴的形态往往明显减少。
在内膜和嵴膜的基质面上有许多带柄的小颗粒，称为基粒（elementary particle）。基粒与膜面垂直而规则排列，可将呼吸链电子传递中释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP，是ATP的重要形成部位，其化学本质就是ATP合成酶，因此基粒也称ATP酶复合体。基粒由头部、柄部和基片三部分组成。头部与柄部相连凸出在内膜表面，柄部则与嵌入内膜的基片相连。头部也称F1偶联因子，是由5种多肽构成的复合体，是偶联磷酸化（ADP磷酸化生成ATP）的关键部位。柄部是对寡霉素敏感蛋白（oligornycin-sensitivity conferring protein，OSCP），其作用是调控质子通道。基片嵌入内膜中，为疏水蛩白（HP），又称F0偶联因子，构成质子通道，是偶联磷酸化抑制剂寡霉素或二环己基亚胺（DCCD）作用的部位（图1-6-3）。
图1-6-3 基粒结构示意图
3.膜间腔（intermembrane space）是外膜与内膜之间封闭的腔隙，体积较小，宽为6～8 nm。但在细胞活跃呼吸条件下，该腔隙可扩大。膜间隙中充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。膜间隙中的酶多为催化核苷磷酸化的激酶，标志酶是腺苷酸激酶，其功能为催化ATP分子末端磷酸集团转移到AMP生成ADP。
4.基质腔（matrix space）由内膜包围形成的空腔，充满电子密度较低的可溶性蛋白和脂类等基质成分。基质蛋白中富含酶类，三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解和蛋白质合成等有关的酶以及核酸合成酶系，还含有线粒体DNA、线粒体mRNA和tRNA及其线粒体核蛋白体。此外，基质中还含有一些较大的致密颗粒，直径为30～50 nm，称为基质颗粒（matrical granule），内含有钙、镁、磷等元素。基质颗粒可能具有调节线粒体内离子环境的功能。
线粒体是细胞中含酶种类最多的结构之一，已经发现的酶就达120多种，组成三羧酸循环酶系、脂肪酸氧化酶系、氧化磷酸化酶系等，分布于线粒体的各个结构组分中，尤其以内膜和基质中含酶最为丰富，这也决定了线粒体是细胞中物质氧化代谢的主要场所。