线粒体-讲义系统解剖学.pdf

第三讲 细胞的能量代谢 本讲内容： 1. 线粒体细胞的发电厂； 2. 线粒体的形态与结构发电厂的构造； 3. ATP 合成酶世界上最小最精巧的发电机； 4. 线粒体的前世今生线粒体的起源； 5. 线粒体与人类健康。 第一节 线粒体细胞的发电厂 我们都知道，人类社会生产生活的各种活动，无时无刻不依赖于能量的供应。 多数情况下，我们所直接利用的能量是电能，它可以通过火力发电厂、水电站、 风力发电装置、太阳能发电设备等将煤炭燃烧释放的热能、水位差形成的势能、 风能、太阳能等转化为电能。 构成我们机体的细胞要完成各种各样的任务，比如：运动，分裂，大分子的 合成等，所有这些功能的执行都离不开能量的支持。那么细胞所能利用的能量是 什么？它来源于哪里呢？这就是我们首先要学习的内容：线粒体细胞的发电 厂。 如果说人类社会生产生活中多数情况下直接利用的能量是电能，那么对于细 胞来说，无论是动物细胞、植物细胞；无论是高等生物还是低等生物的细胞，唯 一可以直接利用的能量是储存在一个叫做ATP 的分子中的化学能，因此ATP 被 形象地称为：细胞的能量通货。那么让我们对 ATP 这个分子有一个更深入的了 解。 ATP 的中文名称为：腺苷三磷酸，由1 分子腺嘌呤，一分子核糖和三分子磷 酸基团组成。其中，腺嘌呤和核酸组成的化合物被称为腺苷，因此，ATP 被称为 腺苷三磷酸。ATP 分子中连接第三个磷酸基团的化学键是一种特殊的化学键，称 为高能磷酸键，该键中储存着大量能量。 如果把ATP 形象地比喻为细胞内各种生命活动所需的电能，那么细胞内什么 结构相当于细胞的发电厂呢？让我们回顾一下典型的动物细胞所具有的结构： 细胞膜构成细胞的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境。细胞膜内为细 胞质和细胞核，细胞质由细胞质基质以及由膜围成的细胞器两大部分组成。动物 细胞的细胞器包括内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体等，它们在结构和功能上 彼此联系。那么，细胞能量的发电厂就是细胞中被称为线粒体的这种细胞器。 线粒体的数目在不同类型的细胞中差异很大，可以从几百个到数千个不等。 越是活跃的细胞，所含的线粒体数目就越多。例如，时刻跳动的心脏细胞、经常 思考问题的大脑神经细胞和快速运动的精子细胞所需能量都比较大，所以线粒体 的含量就非常高；而皮肤细胞中含有线粒体的数目就相对较少，哺乳动物成熟的 红细胞中则没有线粒体。线粒体在细胞内分布也具有显著特点：主要集中在能量 需求较多的区域。如肌细胞的线粒体是沿肌原纤维排列的，精子细胞的线粒体集 中在鞭毛中轴周围，形成精子鞭毛的外鞘。 现在，我们了解了线粒体是细胞的“发电厂”；ATP 是发电厂生产的“电能”。 接下来的问题是：细胞用什么来“发电”？也就是说细胞用以“发电”的原材料 是什么？ 我们可能都知道动物机体细胞所需的能量来源于我们所摄入的食物。食物可 以是植物、动物或是其他（如真菌）；但从营养成分的角度来说，我们的食物包 括有机大分子（如脂肪、糖类、蛋白质）；有机小分子（如各种维生素）；以及无 机矿物质即微量元素。在这些不同化学属性的营养成分中，细胞所需能量主要来 源于有机大分子中的脂肪和糖类。 而食物中有机大分子中含有的化学能，终之所极，是来源于太阳能的。在太 阳能的驱动下，植物通过叶片中一种叫做“叶绿体”的细胞器进行“光合作用”， 将无机的CO 分子和水分子合成含有多个碳原子的有机大分子碳水化合物（也 2 就是糖类），同时将太阳能转化为化学能贮存于有机大分子的化学键中。动物通 过食用植物而获得储存于植物中的化学能。细胞中线粒体的作用，简单来说，就 是把食物有机大分子中的贮存化学能提取出来，再转存到ATP 分子中。 有机大分子中的化学能提取的反应过程，本质上就是将光合作用反应逆转过 来：这一过程需要氧分子参与进来，因此是一种氧化反应；反应生成了 CO 分 2 子，因而又被形象地称为“呼吸作用”。通过线粒体中的“呼吸作用”，含有多个 碳原子的有机大分子经过逐步“拆解”，变成 CO 分子和水分子， 贮存于有机