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粒線體

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「粒線體」的各地常用名稱
穿透式電子顯微鏡（TEM）下哺乳動物肺組織中的兩個粒線體。
中國大陸線粒體
臺灣粒線體
港澳線粒體
細胞生物學
動物細胞的基本結構：
  1. 核仁
  2. 細胞核
  3. 核糖體
  4. 囊泡
  5. 粗糙內質網
  6. 高基氏體
  7. 細胞骨架
  8. 平滑內質網
  9. 粒線體
  10. 液胞
  11. 胞質溶膠
  12. 溶體
  13. 中心體
  14. 細胞膜
粒線體的基本結構：

1 粒線體外膜
2 膜間隙

3 皺褶內間隙
4 皺褶外間隙

5 內層

8 粒線體內膜
9 內界膜
10 皺褶膜
6 基質
7 粒線體皺褶

11 粒線體DNA
12 基質顆粒
13 核糖體
14 ATP 合酶
15 孔蛋白


粒線體（mitochondrion）是一種存在於大多數真核細胞中的由兩層膜包被的胞器，[1]直徑在0.5到10微米左右。除了痢疾阿米巴、藍氏賈第鞭毛蟲以及幾種微孢子蟲外，大多數真核細胞或多或少都擁有粒線體，但它們各自擁有的粒線體在大小、數量及外觀等方面上都有所不同。[2]這種胞器擁有自身的遺傳物質和遺傳體系，但因其基因組大小有限，所以粒線體是一種半自主胞器。粒線體是細胞內氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷（ATP）的主要場所，為細胞的活動提供了化學能量，所以有「細胞的發電站」（the powerhouse of the cell）之稱。[3]除了為細胞供能外，粒線體還參與諸如細胞分化、細胞資訊傳遞和細胞凋亡等過程，並擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。[4]

英文中的「粒線體」（mitochondrion，複數形式為「mitochondria」）一詞是由希臘語中的「線」（「μίτος」或「mitos」）和「顆粒」（「χονδρίον」或「chondrion」）組合而成的。在「粒線體」這一名稱出現前後，「粒體」「球狀體」等眾多名字曾先後或同時被使用。[5][注 1]

概況

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大小

粒線體直徑一般為0.5-1.0μm，長1.5-3.0μm，在光學顯微鏡下可見。[6]在動物細胞中，粒線體大小受細胞代謝水平限制。[7]不同組織在不同條件下可能產生體積異常膨大的粒線體，稱為「巨粒線體（英語：megamitochondria）」（megamitochondria）：胰臟外分泌細胞中可長達10-20μm；神經元胞體中的粒線體尺寸差異很大，有的也可能長達10μm；人類纖維母細胞的粒線體則更長，可達40μm。[8]有研究表明在低氧氣分壓的環境中，某些如菸草的植物的粒線體能可逆地變為巨粒線體，長度可達80μm，並形成網絡。[9]

形狀

粒線體一般呈短棒狀或圓球狀，但因生物種類和生理狀態而異，還可呈環狀、線狀、啞鈴狀、分杈狀、扁盤狀或其它形狀。成型蛋白（shape-forming protein）介導粒線體以不同方式與周圍的細胞骨架接觸或在粒線體的兩層膜間形成不同的連接可能是粒線體在不同細胞中呈現出不同形態的原因。[10]

數量

不同生物的不同組織中粒線體數量的差異是巨大的。[11]有許多細胞擁有多達數千個的粒線體（如肝臟細胞中有1000-2000個粒線體），而一些細胞則只有一個粒線體（如酵母菌細胞的大型分支粒線體）。大多數哺乳動物的成熟紅血球不具有粒線體。[12]一般來說，細胞中粒線體數量取決於該細胞的代謝水平，代謝活動越旺盛的細胞粒線體越多。

分布

粒線體分布方向與微管一致，[13]通常分布在細胞功能旺盛的區域：如在腎臟細胞中靠近微血管，呈平行或柵狀排列；在腸表皮細胞中呈兩極分布，集中在頂端和基部；在精子中分布在鞭毛中區。在卵母細胞體外培養中，隨著細胞逐漸成熟，粒線體會由在細胞周邊分布發展成均勻分布。[14][15]粒線體在細胞質中能以微管為導軌、由馬達蛋白提供動力向功能旺盛的區域遷移。

組成

粒線體的化學組分主要包括水、蛋白質和脂質，此外還含有少量的輔酶等小分子及核酸。蛋白質占粒線體乾重的65-70%。粒線體中的蛋白質既有可溶的也有不溶的。可溶的蛋白質主要是位於粒線體基質的酶和膜的外周蛋白；不溶的蛋白質構成膜的本體，其中一部分是鑲嵌蛋白，也有一些是酶。粒線體中脂類主要分布在兩層膜中，占乾重的20-30%。在粒線體中的磷脂占總脂質的3/4以上。同種生物不同組織粒線體膜中磷脂的量相對穩定。[16]含豐富的心磷脂和較少的膽固醇是粒線體在組成上與細胞其他膜結構的明顯差別。

結構

粒線體由外至內可劃分為粒線體外膜（OMM）、粒線體膜間隙、粒線體內膜（IMM）和粒線體基質四個功能區。處於粒線體外側的膜彼此平行，都是典型的單位膜。其中，粒線體外膜較光滑，起胞器界膜的作用；粒線體內膜則向內皺褶形成粒線體皺褶，負擔更多的生化反應。這兩層膜將粒線體分出兩個區室，位於兩層粒線體膜之間的是粒線體膜間隙，被粒線體內膜包裹的是粒線體基質。

發現及研究的歷史

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阿爾伯特·馮·科立克，瑞士科學家，粒線體的發現者。

粒線體的研究是從19世紀50年代末開始的。

1857年，瑞士解剖學家及生理學家阿爾伯特·馮·科立克在肌肉細胞中發現了顆粒狀結構。[17]另外的一些科學家在其他細胞中也發現了同樣的結構，證實了科立克的發現。普魯士王國病理學家及組織學家理察·阿爾特曼將這些顆粒命名為「原生粒」（bioblast）並於1886年發明了一種鑑別這些顆粒的染色法。阿爾特曼猜測這些顆粒可能是共生於細胞內的獨立生活的細菌。[18]

1898年，德國科學家卡爾·本達（英語：Carl Benda）因這些結構時而呈線狀時而呈顆粒狀[注 2]，所以用希臘語中「線」和「顆粒」對應的兩個詞——「mitos」和「chondros」——組成「mitochondrion」來為這種結構命名，這個名稱被沿用至今。[19]一年後，美國化學家萊昂諾爾·米歇利斯（英語：Leonor Michaelis）開發出用具有還原性的健那綠染液為粒線體染色的方法，並推斷粒線體參與某些氧化反應。[20]這一方法於1900年公布，並由美國細胞學家埃德蒙·文森特·考德里（Edmund Vincent Cowdry）推廣。[21]1913年，德國生物化學家奧托·海因里希·沃伯格成功完成粒線體的粗提取且分離得到一些催化與氧有關的反應的呼吸酶，並提出這些酶能被氰化物（如氫氰酸）抑制的猜想。[22]

英國生物學家大衛·基林（英語：David Keilin）在1923年至1933年這十年間對粒線體內的氧化還原鏈（redox chain）的物質基礎進行探索，辨別出反應中的電子載體——細胞色素。[23]

沃伯格於1931年因「發現呼吸酶的性質及作用方式」被授予諾貝爾生理學或醫學獎。[24]

結構

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粒線體剖面圖

外膜

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主條目：粒線體外膜

粒線體外膜是位於粒線體最外圍的一層單位膜，厚度約為6-7nm。其中磷脂與蛋白質的質量為0.9:1，與真核細胞細胞膜的同一比例相近。粒線體外膜中酶的含量相對較少，其標誌酶為單胺氧化酶。粒線體外膜包含稱為「孔蛋白」的整合蛋白，其內部通道寬約2-3nm，這使粒線體外膜對分子量小於5000Da的分子完全通透。分子量大於上述限制的分子則需擁有一段特定的信號序列以供識別並通過外膜轉運酶（translocase of the outer membrane，TOM）的主動運輸來進出粒線體。[25]

粒線體外膜主要參與諸如脂肪酸鏈延伸、腎上腺素氧化以及色胺酸生物降解等生化反應，它也能同時對那些將在粒線體基質中進行徹底氧化的物質先行初步分解。細胞凋亡過程中，粒線體外膜對多種存在於粒線體膜間隙中的蛋白的通透性增加，[26]使致死性蛋白進入細胞質基質，促進了細胞凋亡。[27]高分辨三維X射線攝影可見內質網及粒線體之間的有20%膜是緊密接觸的，[28]在這些接觸位點上粒線體外膜與內質網膜通過某些蛋白質相連，形成稱為「粒線體結合內質網膜」（mitochondria-associated ER-membrane，MAM）的結構。該結構在脂質的相互交換和粒線體與內質網間的鈣離子信號傳導等過程中都有重要作用。[29]

膜間隙

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主條目：粒線體膜間隙

粒線體膜間隙是粒線體外膜與粒線體內膜之間的空隙，寬約6-8nm，其中充滿無定形液體。由於粒線體外膜含有孔蛋白，通透性較高，而粒線體內膜通透性較低，所以粒線體膜間隙內容物的組成與細胞質基質十分接近，含有眾多生化反應受質、可溶性的酶和輔助因子等。粒線體膜間隙中還含有比細胞質基質中濃度更高的腺苷酸激酶、單磷酸激酶和二磷酸激酶等激酶，其中腺苷酸激酶是粒線體膜間隙的標誌酶。粒線體膜間隙中存在的蛋白質可統稱為「粒線體膜間隙蛋白質」，這些蛋白質全部在細胞質基質中合成。[30]

內膜

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主條目：粒線體內膜

粒線體內膜是位於粒線體外膜內側、包裹著粒線體基質的單位膜。粒線體內膜中蛋白質與磷脂的質量比約為0.7:0.3，並含有大量的心磷脂（心磷脂常為細菌細胞膜的成分[31]）。粒線體內膜的某些部分會向粒線體基質摺疊形成粒線體皺褶。粒線體內膜的標誌酶是細胞色素氧化酶。

粒線體內膜含有電子傳遞鏈（ETC）以及比外膜更多的蛋白質（超過151種，約占粒線體所含所有蛋白質的五分之一），所以承擔著更複雜的生化反應。存在於粒線體內膜中的幾類蛋白質主要負責以下生理過程：特異性載體運輸磷酸、麩胺酸、鳥胺酸、各種離子及核苷酸等代謝產物和中間產物；內膜轉運酶（translocase of the inner membrane，TIM）運輸蛋白質；參與氧化磷酸化中的氧化還原反應；參與ATP的合成；控制粒線體的分裂與融合。[32]

皺褶

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主條目：粒線體皺褶

粒線體皺褶簡稱「皺褶」，是粒線體內膜向粒線體基質折褶形成的一種結構。粒線體皺褶的形成增大粒線體內膜的表面積。在不同種類的細胞中，粒線體皺褶的數目、形態和排列方式可能有較大差別。粒線體皺褶主要有幾種排列方式，分別稱為「片狀皺褶」（lamellar cristae）、「管狀皺褶」（tubular cristae）和「泡狀皺褶」（vesicular cristae）。[33]片狀排列的粒線體皺褶主要出現在高等動物細胞的粒線體中，這些片狀皺褶多數垂直於粒線體長軸；管狀排列的粒線體皺褶則主要出現在原生動物和植物細胞的粒線體中。有研究發現，睪丸間質細胞中既存在層狀皺褶也存在管狀皺褶。[34]粒線體皺褶上有許多有柄小球體，即粒線體基粒，基粒中含有ATP合酶，能利用呼吸鏈產生的能量合成三磷酸腺苷。所以需要較多能量的細胞，粒線體皺褶的數目一般也較多。但某些形態特殊的粒線體皺褶由於沒有ATP合酶，所以不能合成ATP。[35]

基質

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主條目：粒線體基質

粒線體基質是粒線體中由粒線體內膜包裹的內部空間，其中含有參與三羧酸循環、脂肪酸氧化、胺基酸降解等生化反應的酶等眾多蛋白質，所以較細胞質基質黏稠。[注 3][36]蘋果酸去氫酶是粒線體基質的標誌酶。粒線體基質中一般還含有粒線體自身的DNA（即粒線體DNA）、RNA和核糖體（即粒線體核糖體）。

粒線體DNA是粒線體中的遺傳物質，呈雙鏈環狀，並可與多種蛋白質結合成高度緊密的粒線體擬核。一個粒線體中可有一個或數個粒線體DNA分子。粒線體RNA是粒線體DNA的表現產物，RNA編輯也普遍存在於粒線體RNA中，是粒線體產生功能蛋白所必不可少的過程。[37]粒線體核糖體是存在於粒線體基質內的一種核糖體，負責完成粒線體內進行的轉譯工作。粒線體核糖體的沉降係數介干55S-56S之間。一般的粒線體核糖體由28S核糖體亞基（小亞基）和39S核糖體亞基（大亞基）組成。[38]在這類核糖體中，rRNA約占25%，核糖體蛋白質約占75%。粒線體核糖體是已發現的蛋白質含量最高的一類核糖體。粒線體基質中存在的蛋白質統稱為「粒線體基質蛋白質」，包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、檸檬酸合成酶以及三羧酸循環酶系中的酶類。大部分粒線體基質蛋白是由核基因編碼的。粒線體基質蛋白不一定只在粒線體基質中表現，它們也可以在粒線體外表現。[39]

功能

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能量轉化

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粒線體是真核生物進行氧化代謝的部位，是醣類、脂肪和胺基酸最終氧化釋放能量的場所。粒線體負責的最終氧化的共同途徑是三羧酸循環與氧化磷酸化，分別對應有氧呼吸的第二、三階段。[注 4]細胞質基質中完成的糖解和在粒線體基質中完成的三羧酸循環在會產還原型菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinarnide adenine dinucleotide，NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenosine dinucleotide，FADH2）等高能分子，而氧化磷酸化這一步驟的作用則是利用這些物質還原氧氣釋放能量合成ATP。在有氧呼吸過程中，1分子葡萄糖經過糖解、三羧酸循環和氧化磷酸化將能量釋放後，可產生30-32分子ATP（考慮到將NADH運入粒線體可能需消耗2分子ATP）。[40]如果細胞所在環境缺氧，則會轉而進行無氧呼吸。此時，糖解產生的丙酮酸便不再進入粒線體內的三羧酸循環，而是繼續在細胞質基質中反應（被NADH還原成乙醇或乳酸等發酵產物），但不產生ATP。所以在無氧呼吸過程中，1分子葡萄糖只能在第一階段產生2分子ATP。

三羧酸循環

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主條目：三羧酸循環

糖解中生成的每分子丙酮酸會被主動運輸轉運穿過粒線體膜。進入粒線體基質後，丙酮酸會被氧化，並與輔酶A結合生成CO2、還原型輔酶Ⅰ和乙醯輔酶A。乙醯輔酶A是三羧酸循環（也稱為「檸檬酸循環」或「Krebs循環」）的初級受質。參與該循環的酶除位於粒線體內膜的琥珀酸去氫酶外都游離於粒線體基質中。[41]在三羧酸循環中，每分子乙醯輔酶A被氧化的同時會產生起始電子傳遞鏈的還原型輔因子（包括3分子NADH和1分子FADH2）以及1分子三磷酸鳥苷（GTP）。

氧化磷酸化

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主條目：氧化磷酸化

NADH和FADH2等具有還原性的分子（在細胞質基質中的還原當量可從由逆向轉運蛋白構成的蘋果酸-天門冬胺酸穿梭系統或通過磷酸甘油穿梭作用進入電子傳遞鏈）在電子傳遞鏈裡面經過幾步反應最終將氧氣還原並釋放能量，其中一部分能量用於生成ATP，其餘則作為熱能散失。在粒線體內膜上的酶複合物（NADH-泛醌還原酶、泛醌-細胞色素c還原酶、細胞色素c氧化酶）利用過程中釋放的能量將質子逆濃度梯度泵入粒線體膜間隙。雖然這一過程是高效的，但仍有少量電子會過早地還原氧氣，形成超氧化物等活性氧（ROS），這些物質能引起氧化應激反應使粒線體性能發生衰退。[42]

當質子被泵入粒線體膜間隙後，粒線體內膜兩側便建立起了電化學梯度，質子就會有順濃度梯度擴散的趨勢。質子唯一的擴散通道是ATP合酶（呼吸鏈複合物V）。當質子通過複合物從膜間隙回到粒線體基質時，電勢能被ATP合酶用於將ADP和磷酸合成ATP。這個過程被稱為「化學滲透」，是一種協助擴散。彼得·米切爾就因為提出了這一假說而獲得了1978年諾貝爾獎。1997年諾貝爾獎獲得者保羅·博耶和約翰·沃克闡明了ATP合酶的機制。

儲存鈣離子

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軟骨細胞中粒線體（字母M附近的黑斑）經鈣離子染料染色後得到的電鏡照片。

粒線體可以儲存鈣離子，可以和內質網、細胞外基質等結構協同作用，[43]從而控制細胞中的鈣離子濃度的動態平衡。[44]粒線體迅速吸收鈣離子的能力使其成為細胞中鈣離子的緩衝區。[45]鈣離子可通過粒線體外膜上的電壓依賴性陰離子選擇性通道蛋白(voltage-dependent anion-selective channel protein, VDAC)及內膜上的粒線體Ca2+單向轉運體(mitochondrial Ca2+ uniporter, MCU)輸送進入粒線體受質； 排出粒線體受質時則需要經由粒線體鈉鈣交換器(mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger, mNCX)和粒線體氫鈣交換器(mitochondrial H+/Ca2+ exchanger, mHCX)釋放鈣離子。

粒線體和ER間存在類似於神經突觸的間隙（10-60nm），稱為ER-粒線體連結(ER-mitochondria tethering)，當ER表面之Ins(1,4,5)P3R開啟釋出鈣離子，OMM表面[Ca2+]比細胞質[Ca2+]高十倍，確保MCU複合物可被活化而允許鈣離子進入粒線體，此構造稱為粒線體相關膜(mitochondria-associated membrane, MAM)；粒線體也可和細胞膜形成類似的間隙，在voltage-gated Ca2+ channel開啟後OMM表面[Ca2+]比細胞質[Ca2+]高三倍，稱為細胞膜相關粒線體(plasma membrane-associated mitochondria, PAM)。 當細胞去極化而使細胞膜中的電壓敏感型鈣離子通道開啟，細胞外的鈣離子會大量湧入細胞，PAM感應高[Ca2+]後透過MCU吸收鈣離子，產生ATP促進細胞分泌激素或供給肌肉收縮；同時高[Ca2+]也促進ER中鈣離子累積，經Ryanodine receptor(RyR)釋放（calcium-induced calcium release, CICR）後粒線體在MAM處吸收鈣離子，增強反應。 [46]

在鈣離子釋放時會引起伴隨著較大膜電位變化的「鈣波」（calcium wave），能活化某些第二信使系統蛋白，協調諸如突觸中神經傳導物質的釋放及內分泌細胞中激素的分泌。粒線體也參與細胞凋亡時的鈣離子訊息傳遞。[47]

粒線體自噬

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粒線體自噬（mitophagy）是一種在演化中保留的細胞損傷控制機制，與細胞自噬（autophagy）並列為人體兩個最重要的清理機制。其作用是去除功能失調和多餘的粒線體，以調控粒線體數量和能量代謝，並與粒線體新生一同構成粒線體的動態平衡。隨著粒線體老化，功能逐漸受損，粒線體自噬在這些情況下必須啟動，以回收並更新粒線體。

細胞內有許多不同的資訊傳遞途徑和機制調控粒線體自噬，其調控途徑可分為泛素依賴（ubiquitin-dependent）和非泛素依賴（ubiquitin-independent）。近年來的研究還顯示出傳遞途徑和執行路徑之間有著錯綜複雜的關係，並強調粒線體凋亡因子是一經過長期演化保留下來的調控機制。多種類型的受體和適應器分子強調了在調控粒線體數量中反饋和補償機制的重要性，確保能量代謝功能的正常，並維持粒線體的功能和品質與數量，這些都與細胞和生命的存活密切相關。其常見的作用機制有PINK1-Parkin介導的粒線體自噬、Parkin非介導的粒線體自噬以及粒線體自噬受體介導的粒線體自噬。

粒線體自噬在生理中主要可分為三個種類，分別是基礎型（basal mitophagy）、壓力誘導型（stress-induced）以及計劃型（programmed）。基礎型粒線體自噬為持續性的維持作用，用以確保老舊粒線體的更新和淘汰；壓力誘導型粒線體自噬受到細胞外的壓力信號影響而被激發，因而促成急性的粒線體清除；而計劃型粒線體自噬則是會在生長發育的過程中，根據不同的細胞類型而分別啟動。

粒線體自噬功能缺陷也與老化及許多病理狀況都有關聯，例如神經退化性疾病、肌肉病變、代謝性疾病、發炎和癌症等。心臟是身體中最耗能的器官之一，因此粒線體的功能和心臟的功能息息相關。若粒線體自噬系統缺陷，會引起心肌病變並加劇老化的心臟衰退現象。此外，粒線體自噬也調控血小板的活化，使因缺氧/灌流而造成的心臟損傷能受到保護。因此，粒線體自噬與心血管功能有著極大的關聯，並且具有保護作用。除了功能缺陷外，過度活躍的自噬也會造成問題，如骨髓細胞結構減少、缺血型貧血及B淋巴球細胞減少等症狀。因此，無論是功能缺陷還是過度活躍對身體均會造成負面影響，能達到與粒線體生成的平衡才是最佳的。

其他功能

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除了合成ATP為細胞提供能量等主要功能外，粒線體還承擔了許多其他生理功能。

  • 細胞增殖與細胞代謝的調控；
  • 合成膽固醇及某些血基質[51]。

粒線體的某些功能只有在特定的組織細胞中才能展現。例如，只有肝臟細胞中的粒線體才具有對氨氣（蛋白質代謝過程中產生的廢物）造成的毒害解毒的功能。[52]

起源假說

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主條目：共生體學說

對於粒線體的起源有兩種假說，分別為內共生假說與非內共生假說：

內共生假說

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該假說認為粒線體起源於被另一個細胞吞噬的粒線體祖先——原粒線體——一種能進行三羧酸循環和電子傳遞的革蘭氏陰性菌。這種好氧細菌是變形菌門下的一個分支，與立克次氏體有密切關係。原粒線體被吞噬後，並沒有被消化，而是與宿主細胞形成了共生關係——寄主可以從宿主處獲得更多營養，而宿主則可使用寄主產生的能量——這種關係增加了細胞的競爭力，使其可以適應更多的生存環境。在長期對寄主和宿主都有利的互利共生中，原粒線體逐漸演變形成了粒線體，使宿主細胞中進行的糖解和原粒線體中進行的三羧酸循環和氧化磷酸化成功耦合。[53]有研究認為，這種共生關係大約發生在17億年以前，[54]，與進化趨異產生真核生物和古細菌的時期幾乎相同。[55]但粒線體與真核生物細胞核出現的先後關係仍存在爭議。[56]

現已發現支持內共生學說的證據包括：

  1. 粒線體有內膜，擁有自己的DNA，其形狀與細菌的環狀DNA類似；
  2. 粒線體的DNA上編碼了在粒線體中表現的特定蛋白質；
  3. 粒線體的遺傳密碼與變形菌門細菌的遺傳密碼更為相似[57]；
  4. 粒線體核糖體不論在大小還是在結構上都與細菌70S核糖體較為相似，而與真核細胞的80S核糖體差異較大。[58]

非內共生假說

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非內共生假說又稱為「細胞分化學說」，認為粒線體的發生是由細胞膜或內質網膜等生物膜系統中的膜結構演變而來的。非內共生學說有幾種模型，主流的模型認為在細胞進化的最初階段，原核細胞基因組複製後並不伴有典型的無絲分裂，而是擬核附近的細胞膜內陷形成雙層膜，將其中一個基因組包圍、隔離，進而發生細胞分裂。未分裂出來的子細胞則緩慢演化為細胞核、粒線體和葉綠體等高度特化的細胞結構。

遺傳學

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基因組

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粒線體的基因組中基因的數量很少，規模遠小於細菌基因組。但內共生學說認為粒線體源於被吞噬的細菌，那麼兩者基因組規模應該較為相似。為了解釋這一現象，有猜想認為原粒線體的基因除了丟失了一些外，大部分轉移到了宿主細胞的細胞核中，[59]所以核基因編碼了超過98%的粒線體蛋白質。[60]某些粒線體中不含DNA的生物（如隱孢子蟲等）的mtDNA可能已完全丟失或整合入核DNA中。[61]粒線體DNA（mtDNA）在粒線體中有2-10個備份，[62]呈雙鏈環狀（但也有呈線狀的特例存在[63]）。mtDNA長度一般為幾萬至數十萬鹼基對，人類mtDNA的長度為16,569bp，[64]擁有37個基因，編碼了兩種rRNA（12S rRNA和16S rRNA）、22種tRNA（同樣轉運20種標準胺基酸，只是白胺酸和絲胺酸都有兩種對應的tRNA）以及13種多肽（呼吸鏈複合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的亞基）。[65]mtDNA的長度和粒線體基因組的大小因物種而異，表一列出了幾種模式生物mtDNA的長度：

表一：幾種模式生物mtDNA的長度
生物 學名 mtDNA長度（bp）
芽殖酵母 Saccharomyces cerevisiae 85779[66]
裂殖酵母 Schizosaccharomyces pombe 19431[67]
阿拉伯芥 Arabidopsis thaliana 366924[68]
水稻 Oryza sativa 490520[69]
秀麗隱杆線蟲 Caenorhabditis elegans 13794[70]
黑腹果蠅 Drosophila melanogaster 19517[71]
非洲爪蟾 Xenopus laevis 17553[72]
小鼠 Mus musculus 16300[73]

mtDNA利用率極高，粒線體基因組各基因之間排列十分緊湊，部分區域還可能出現重疊（即前一個基因的最後一段鹼基與下一個基因的第一段鹼基相銜接）。人類mtDNA中基因間隔區總共只有87bp，占mtDNA總長的0.5%。[74]mtDNA的兩條DNA單鏈均有編碼功能，其中重鏈編碼兩個rRNA、12個mRNA和14個tRNA；輕鏈編碼一個mRNA和8個tRNA。[75]mtDNA一般沒有內含子（如人類的mtDNA等），[76]但也已發現某些真核生物的mtDNA擁有內含子，[77]這些生物包括：盤基網柄菌[78]等原生生物[79]和酵母菌（其OXi3基因有9個內含子）[80]。這些mtDNA中的內含子在基因轉錄產物的加工和轉譯中可能有一定功能。[81]

粒線體基因組通常都是存在於同一個mtDNA分子中，但少數生物的粒線體基因組卻分別儲存在多個不同的mtDNA中。例如，人虱的粒線體基因組就分開儲藏於18個長約3-4kb的微型環狀DNA中，每個DNA分子只分配到了1-3個基因。[82]這些微型環狀DNA之間也存在著同源或非同源的基因重組現象，但成因未知。[83]

遺傳密碼

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線粒體中擁有一套獨特的遺傳系統。在進行人類粒線體遺傳學研究時，人們確認粒線體的遺傳密碼與通用遺傳密碼也有些許差異。[84]自從上述發現證明並不只存在單獨的一種遺傳密碼之後，許多有輕微不同的遺傳密碼都陸續被發現。[85]在粒線體的遺傳密碼中最常見的差異是：AUA由異白胺酸變為甲硫胺酸的密碼子、UGA由終止密碼子變為色胺酸的密碼子、AGA和AGG由精胺酸的密碼子變為終止密碼子（植物等生物的粒線體遺傳密碼另有差異，參見表二）。[86]此外，也有某些特例是只涉及終止密碼子的，在山羊支原體粒線體遺傳密碼的UGA由終止密碼子變為色胺酸的密碼子，而且使用頻率比UGG更高；[87]四膜蟲粒線體遺傳密碼里只有UGA一種終止密碼子，其UAA和UAG由終止密碼子變為麩醯胺酸的密碼子；而游仆蟲粒線體遺傳密碼里則只有UAA和UAG兩種終止密碼子，其UGA由終止密碼子變為半胱胺酸的密碼子。[88]通過粒線體遺傳密碼和通用遺傳密碼的對比，可以推導出遺傳密碼演化過程的可能模式。[89]

表二：粒線體遺傳密碼與通用遺傳密碼的差異
密碼子 通用密碼 粒線體遺傳密碼
真菌 植物 無脊椎動物 哺乳動物
UGA 終止密碼子 色胺酸 終止密碼子 色胺酸 色胺酸
AUA 異白胺酸 甲硫胺酸 異白胺酸 甲硫胺酸 甲硫胺酸
CUA 白胺酸 蘇胺酸 白胺酸 白胺酸 白胺酸
AGA、AGG 精胺酸 精胺酸 精胺酸 絲胺酸 終止密碼子

分裂與融合

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粒線體的融合是與分裂協同進行的，過程高度保守，需要在多種蛋白質的精確調控下完成。[90]兩者一般保持動態平衡，這種平衡對維持粒線體正常的形態、分布和功能十分重要。粒線體融合與分裂間的失衡可產生巨型粒線體，這種過大的粒線體常見於病變的肝細胞、惡性營養不良患者的胰臟細胞和白血病患者骨髓的巨噬細胞中。[91]分裂異常會導致粒線體破碎，而融合異常則會導致粒線體形態延長，兩者都會影響粒線體的功能。[92]分裂與融合活動異常的粒線體膜電位通常會降低，並最終經粒線體自噬作用清除。

粒線體的分裂在真核細胞內經常發生。為了保證在細胞發生分裂後每個子細胞都能繼承母細胞的粒線體，母細胞中的粒線體在一個細胞周期需要至少複製一次。即使是在不再分裂的細胞內，粒線體為了填補已老化的粒線體造成的空缺也需要進行分裂。[93]的粒線體以與細菌的無絲分裂類似的方式進行增殖，可細分為三種模式：[94]

  1. 間壁分離（見於部分動物和植物粒線體）：粒線體內部首先由內膜形成隔，隨後外膜的一部分內陷，插入到隔的雙層膜之間，將粒線體一分為二。
  2. 收縮分離（見於蕨類植物和酵母菌粒線體）：粒線體中部先縊縮同時向兩端不斷拉長然後一分為二。
  3. 出芽分離（見於蘚類植物和酵母菌粒線體）：粒線體上先出現小芽，小芽脫落後成長、發育為成熟粒線體。

粒線體的融合也是細胞中的基本事件，對粒線體正常功能的發揮具有非常重要的作用。人類細胞需要通過粒線體融合的互補作用來抵抗衰老；酵母細胞粒線體融合發生障礙會引起呼吸鏈缺陷。[95]粒線體間的融合需在一種分子量約為800kDa的蛋白質複合物——「融合裝置」（fusion machinery）的介導下進行，[96]該過程可大致分為四個步驟：錨定、外膜融合、內膜融合以及基質內含物融合。[97]

群體遺傳學

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因為mtDNA幾乎不發生基因重組，所以遺傳學家長期將其作為研究群體遺傳學與進化生物學的資訊來源。[98]所有mtDNA是以單一單元（單體型）進行遺傳的（而不像細胞核中的DNA儲存在多個染色體中），它們在親本與子代之間的傳遞關係並不複雜，因此不同個體間mtDNA的聯繫便可以利用系統發生樹來表現。[99]而從這些系統發生樹的形態中人們可以得知族群的進化史。人類進化遺傳學中運用分子鐘技術推算出了粒線體夏娃最晚出現的時間[100]（這個成果被認為是人類由非洲單地起源的有力依據[101]）是利用mtDNA研究群體遺傳學的典型例子。另外一個例子是對尼安德塔人骨骼化石中mtDNA定序。該定序的結果顯示，尼安德塔人與解剖學意義上的現代人在mtDNA序列上有較大差異，說明兩者間缺乏基因交流。[102]雖然mtDNA在遺傳學研究中占據了重要地位，但是mtDNA序列中的資訊只能反映所考察的群體中的雌性成員的演化進程，而不能代表整個族群。這一缺陷需要由對父系遺傳序列（如Y染色體上的非重組區）的定序彌補。[103]廣義上來說，只有既考慮了mtDNA又考慮了核DNA的遺傳學研究才能為族群的進化史提供全面的線索。[104]

機能障礙與疾病

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正常細胞含數個至千餘個相同的粒線體，如細菌大小。研究證實，在老人身上，其身體細胞內粒線體的含量有明顯減少。粒線體負責製造腺苷三磷酸ATP，如同發電機一般，是身體能量的來源，其在轉換為ATP能量的過程需動用電子傳遞。如果沒有正確捕捉到電子，逸出的電子會與氧分子結合成超氧自由基，很容易破壞鹼基而造成粒線體DNA突變，進而累積一些細胞的衰老或疾病因子，像是一些老年疾病：糖尿病、心臟病、關節炎等，都與粒線體DNA變異有關。另外，這些超氧自由基也會活化發炎反應，造成身體內其他的組織受損。[105] 除了超氧自由基之外，鈣離子失衡、粒線體本身的生長受阻、破壞粒線體分裂與融合的動態平衡、MPTP的誘導、不適當的活化細胞凋亡機制以及NAD+的消耗殆盡，都是造成粒線體功能障礙的原因，或是在粒線體失去功能後所看到的變化。由於代謝症候群或是神經退化障礙等病理變化都可以看到這些粒線體功能失調的蹤跡，現今科學界已聚焦在粒線體功能身上，為這些病理變化找出新的治療策略。[106]

粒線體缺陷疾病

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粒線體病（mitochondrial disorders）是遺傳缺損引起粒線體代謝酶缺陷，致使ATP合成障礙、能量來源不足導致的一組異質性病變。

粒線體是密切與能量代謝相關的胞器，無論是細胞的存活（氧化磷酸化）和細胞死亡（凋亡）均與粒線體功能有關，特別是呼吸鏈的氧化磷酸化異常與許多人類疾病有關。

Luft等（1962）首次報道一例粒線體肌病，生化研究證實為氧化磷酸化脫耦聯引起。Anderson（1981）測定人類粒線體DNA（mtDNA）全長序列，Holt（1988）首次發現粒線體病患者mtDNA缺失，證實mtDNA突變是人類疾病的重要病因，建立了有別於傳統孟德爾遺傳的粒線體遺傳新概念。

根據粒線體病變部位不同可分為：

  1. 粒線體肌病（mitochondrial myopathy）粒線體病變侵犯骨骼肌為主。
  2. 粒線體腦肌病（mitochondrial encephalomyopathy）病變同時侵犯骨骼肌和中樞神經系統。
  3. 粒線體腦病病變侵犯中樞神經系統為主。

參見

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注釋

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  1. ^ 這些現在已不再繼續使用的名稱包括：blepharoblast、condriokont、chondriomite、chondrioplast、chondriosome、chondrioshere、filum、fuchsinophilic granule、interstitial body、körner、fädenkörner、mitogel、parabasal body、plasmasome、plastochondria、plastome、sphereoplast和vermicle等（按首字母在英文字母表中的順序排列），其中「chondriosome」（可譯為「顆粒體」）直至1982年仍見諸歐洲各國的科學文獻。
  2. ^ 現在人們已經了解前人觀察細胞時發現粒線體呈現不同形狀的原因：一方面，粒線體自身形狀多變；另一方面，製備切片時切割細胞的角度不同也會影響到顯微鏡下觀察到的粒線體的形狀。
  3. ^ 粒線體基質中每1μL的水溶解了約1.25mg的蛋白質，而細胞質基質中每1μL的水中只溶解了約0.26mg蛋白質，所以粒線體基質較細胞質基質黏稠。
  4. ^ 有氧呼吸第一階段對應的是糖解，是醣類經過一系列酶促反應產生丙酮酸的hi過程。該過程在細胞質基質內完成，能釋放少量能量。

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外部連結

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