第三章 線粒體功能及其相關(guān)毒性作用

1、線粒體及其相關(guān)毒性作用高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器：線粒體的大小、數(shù)量和分布反應(yīng)了細(xì)胞對(duì)能量的需求。 線粒體的基本結(jié)構(gòu) 線粒體外膜 外膜上分布有孔蛋白（porin）構(gòu)成的桶裝通道，直徑2-3nm，當(dāng)孔蛋白通道完全打開(kāi)時(shí)，可以通過(guò)相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)5000的分子。 ATP 、NAD、輔酶A等相對(duì)分子質(zhì)量小于1000的物質(zhì)均可自由通過(guò)外膜。因此，外膜的通透性很高，膜間空間中的離子環(huán)境幾乎與胞質(zhì)相同。線粒體內(nèi)膜 內(nèi)膜具有很高的蛋白質(zhì)/脂質(zhì)比，缺乏膽固醇，富含心磷脂。 內(nèi)膜具有極高的不透性，因此限制了所有分子和離子的自由通過(guò)，是質(zhì)子電化學(xué)梯度的建立以及ATP合成所必須的。 線粒體內(nèi)膜上的蛋白主要執(zhí)行三種功能： 1）

2、電子傳遞鏈；2）ATP合成；3）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。線粒體膜間隙膜間隙的寬度通常為6-8nm，在呼吸活躍時(shí)，膜間隙可顯著擴(kuò)大。含有可溶性酶類(lèi)、底物以及輔助因子。其含有的腺苷酸激酶可以催化ATP分子末端磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到AMP，生成ADP。線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)富含可溶性蛋白膠狀物，具有穩(wěn)定的pH和滲透壓。具有催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化和氨基酸降解的相關(guān)酶類(lèi)。含有DNA、RNA 、核糖體。 線粒體的分離外膜磷脂合成脂肪酸的去飽和化脂肪酸鏈的延伸標(biāo)志酶：?jiǎn)伟费趸竷?nèi)膜電子傳遞氧化磷酸化代謝中間物的轉(zhuǎn)運(yùn)標(biāo)志酶：細(xì)胞色素氧化酶基質(zhì)丙酮酸氧化三羧酸循環(huán)脂肪酸的氧化DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯標(biāo)志酶：蘋(píng)果酸脫氫酶膜間

3、空間核苷酸的磷酸化標(biāo)志酶：腺苷激酶線粒體產(chǎn)能（ATP）示意圖6糖糖丙酮酸丙酮酸脂肪脂肪脂肪酸脂肪酸CoA三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)TCANADH或或FADH2電子傳遞到電子傳遞到氧生成水氧生成水形成質(zhì)子電化形成質(zhì)子電化學(xué)梯度學(xué)梯度ATP合成酶合成酶合成合成ATP線粒體內(nèi)膜丙酮酸載體 線粒體是糖類(lèi)、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)最終氧化釋能的場(chǎng)所，TCA是物質(zhì)氧化的最終共同途徑，氧化磷酸化是生物體獲得能量的主要途徑。（一）線粒體中的氧化代謝n在電子傳遞的過(guò)程中，接受和釋放的電子的分子和原子被稱(chēng)為電子載體。n由電子載體組成的電子傳遞序列被稱(chēng)為電子傳遞鏈。n五種類(lèi)型電子載體：黃素蛋白、細(xì)胞色素、泛醌、 鐵硫蛋白和銅原子。除

4、泛醌外，其他氧化還原中心都是與蛋白質(zhì)相連的輔基。n呼吸鏈中的電子載體有嚴(yán)格的排列順序和方向，按氧化還原電位由低向高排列(NAD+/NADH最低，O2/H2O最高）。（二）電子傳遞鏈與電子傳遞9n電子傳遞復(fù)合物，組成兩種呼吸鏈：NADH呼吸鏈, FADH2呼吸鏈，電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜上不對(duì)稱(chēng)分布。電子傳遞復(fù)合物n復(fù)合物：NADH-CoQ還原酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體） 組成：含42個(gè)蛋白亞基，至少6個(gè)Fe-S中心和1個(gè)黃素蛋白。 作用：催化1對(duì)電子從NADH輔酶Q； 泵出4 H+n復(fù)合物：琥珀酸-CoQ還原酶（是電子傳遞體而非質(zhì)子移位體） 組成：含F(xiàn)AD輔基，2Fe-S中心， 作用

5、：催化1對(duì)低能電子FADFe-S輔酶Q (無(wú)H+泵出)n復(fù)合物：CoQ- Cyt c還原酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體） 組成：包括1個(gè)cyt c1、1個(gè)cyt b、1個(gè)Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2cyt c；泵出4 H+ （2個(gè)來(lái)自UQ，2個(gè)來(lái)自基質(zhì)） n復(fù)合物：細(xì)胞色素c氧化酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體）組成： 二聚體，每一單體含13個(gè)亞基，三維構(gòu)象， cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化電子從cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出， 2 H+ 參與形成水n 線粒體承擔(dān)的能量轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上就是把H+跨膜電位差和質(zhì)子濃度梯度形成的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換成ATP分子中的高

6、能磷酸鍵。n TCA循環(huán)提供的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力和高能電子是線粒體合成ATP的基本能源。（三）質(zhì)子轉(zhuǎn)移與驅(qū)動(dòng)力的形成Ca2+調(diào)控n 氧化(電子傳遞、放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲(chǔ)能)同時(shí)進(jìn)行，密切耦聯(lián)，分別由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)。n 用超聲波將線粒體破碎，線粒體內(nèi)膜碎片可自然卷成顆粒朝外的小膜泡，這種小膜泡稱(chēng)為亞線粒體小泡或亞線粒體顆粒。（四）ATP形成機(jī)制氧化磷酸化ATP合酶的結(jié)構(gòu)與組成n ATP合酶是最終生成ATP的裝置。它分布于細(xì)菌質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體類(lèi)囊體膜上。n ATP合酶的分子由球形的頭部和基部組成。 線粒體主要功能是高效地將有機(jī)物中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源ATP；與

7、細(xì)胞中氧自由基的生成，調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原電位和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)控細(xì)胞凋亡、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡。 線粒體功能小結(jié) 線粒體的損傷線粒體滲透轉(zhuǎn)變細(xì)胞內(nèi)Ca2+異常ATP合成酶異常自由基的產(chǎn)生和積累原發(fā)性代謝紊亂的相互作用線粒體DNA異常線粒體滲透轉(zhuǎn)變(MPT)1.線粒體攝取Ca2+、滲透勢(shì)下降，ROS和RNS生成、ATP耗竭和原發(fā)性代謝紊亂都會(huì)引起線粒體內(nèi)膜通透性（MPT）突然升高。2.MPT是一種跨越線粒體內(nèi)外膜間的蛋白質(zhì)孔（巨通道）開(kāi)放引起的。這個(gè)通道對(duì)于分子質(zhì)量小于1500的溶質(zhì)可通透，它的開(kāi)放使質(zhì)子自由的內(nèi)流進(jìn)入，引起膜電位迅速和完全耗散、ATP合成的中斷以及水的滲透內(nèi)流，導(dǎo)

8、致線粒體膨脹，已經(jīng)蓄積于基質(zhì)間隙的Ca2+通過(guò)此孔大量流出，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。這樣的線粒體不僅不能合成ATP，而且由于內(nèi)膜的去極化迫使ATP合酶以相反的模式（水解ATP）將余留的能源全部耗盡。如果細(xì)胞中大部分或全部的線粒體都發(fā)生滲透轉(zhuǎn)變，細(xì)胞溶解壞死將達(dá)到巔峰。在動(dòng)物細(xì)胞線粒體膜上存在滲透性轉(zhuǎn)換孔（PTP），當(dāng)PTP開(kāi)放時(shí)，線粒體內(nèi)膜對(duì)中低分子量的化合物的滲透性會(huì)突然增加，從而導(dǎo)致線粒體基質(zhì)中分子量小于1.5kD的游離物質(zhì)滲透進(jìn)入膜間空間，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為線粒體滲透性轉(zhuǎn)換（mitochondrion permeability transition,MPT）。細(xì)胞內(nèi)的鈣庫(kù)細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+庫(kù)包括肌質(zhì)網(wǎng)、線

9、粒體，負(fù)責(zé)肌細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中鈣離子的調(diào)節(jié)，心肌細(xì)胞去極化時(shí)釋放鈣離子，復(fù)極化時(shí)攝取鈣離子。心衰時(shí)，肌質(zhì)網(wǎng)功能障礙的原因之一是能量的缺乏，ATP依賴(lài)的Ca2+泵功能降低，導(dǎo)致心肌復(fù)極化時(shí)不能有效攝取鈣離子，去極化時(shí)又不能及時(shí)釋放鈣離子。線粒體在正常情況下可以攝取細(xì)胞總Ca2+量的20%，這與線粒體中生物氧化酶的功能有關(guān)，在心衰出現(xiàn)時(shí)，細(xì)胞內(nèi)pH的改變影響線粒體內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)，使線粒體攝取鈣離子增多，當(dāng)Ca2+超載時(shí)，引起線粒體功能障礙。19Ca2+濃度的持續(xù)升高1.高血壓：Ca2+釋放的增加使更多的鈣離子進(jìn)入平滑肌細(xì)胞，同時(shí)還促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+的釋放，細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存鈣的釋放再加上細(xì)胞外鈣離子的內(nèi)流

10、可引起血管平滑肌的收縮，且影響細(xì)胞的生長(zhǎng)，造成血管肥大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性和功能性外周阻力增高，血壓增高。2.帕金森病：在正常情況下，神經(jīng)元中持久的鈣離子信號(hào)轉(zhuǎn)到的影響是受到線粒體Ca2+釋放和累積的調(diào)節(jié)，定位于線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈蛋白復(fù)合體，從線粒體機(jī)制排出質(zhì)子，產(chǎn)生一個(gè)150v-180mv（內(nèi)側(cè)負(fù)）的線粒體膜電位，這個(gè)電化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)了ATP的合成并且提供了Ca2+在線粒體內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)。在PD病人中，線粒體功能異常使鈣離子超載，導(dǎo)致多巴胺神經(jīng)元更加興奮。ATP合酶的工作特點(diǎn)：可逆性復(fù)合酶ATP耗竭1.主要的能量物質(zhì)，參與生物合成以及磷酸化、肌肉收縮、細(xì)胞骨架聚合、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分裂、膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)。2.質(zhì)膜

11、和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵、溶酶體膜質(zhì)子泵等多種離子泵功能失常。3.線粒體功能的異常：氧化磷酸化過(guò)程受到損害，ADP堆積，ATP耗竭，細(xì)胞內(nèi)酸中毒、離子堆積，細(xì)胞容量調(diào)節(jié)失控，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜的不可逆損傷。自由基的產(chǎn)生 自由基：自由基是指能夠獨(dú)立存在的具有一個(gè)或者多個(gè)不配對(duì)電子的任何核素（原子、原子團(tuán)、分子，species），具有很高的化學(xué)活性。在生物體中最重要的自由基是活性氧（ROS, reactive xoxygen species），尤其是超氧陰離子（O2-）和羥自由基（OH.）以及分子氧，自由基極易給出電子或者俘獲電子。 分類(lèi)： 可以分為氧自由基和脂自由基。 從活性氧角度可以分成氧自由基、過(guò)氧化

12、物（過(guò)氧化氫、氫過(guò)氧化物）、激發(fā)態(tài)氧。22自由基的產(chǎn)生 線粒體：是氧自由基生成的主要場(chǎng)所之一，作為線粒體正常代謝的副產(chǎn)品，自由基在線粒體內(nèi)會(huì)不斷積累產(chǎn)生。在氧化磷酸化的過(guò)程中，有1%-5%的氧會(huì)逃離正常的細(xì)胞色素氧化酶催化過(guò)程，經(jīng)過(guò)非催化形式，逐步的非共價(jià)還原形成自由基，主要是超氧陰離子和過(guò)氧化氫，在線粒體呼吸鏈中，還原性的CoQ、黃素蛋白、細(xì)胞色素C等均可產(chǎn)生超氧陰離子。23自由基的正常功能代謝儲(chǔ)能：體內(nèi)約17%的自由基是在氧代謝的過(guò)程中產(chǎn)生的。如ATP合成。轉(zhuǎn)化排泄：體內(nèi)代謝產(chǎn)物、外源性的藥物及毒物從體內(nèi)清除是，均需在加單氧酶系作用下經(jīng)過(guò)羥化反應(yīng)，經(jīng)尿或者膽汁排出。防御殺菌和抗腫瘤：吞噬細(xì)

13、胞在吞噬活動(dòng)中被激活，耗氧量增加顯著，即所謂呼吸爆發(fā)。所攝取的氧大部分產(chǎn)生過(guò)氧化氫、超氧陰離子以殺滅微生物、寄生蟲(chóng)并且可以破壞癌細(xì)胞，進(jìn)一步氧化，可以消化被吞噬的異物。阿霉素通過(guò)轉(zhuǎn)化形成自由基破壞癌細(xì)胞DNA（同時(shí)損傷正常細(xì)胞）。24自由基損害作用對(duì)脂類(lèi)的作用：生物膜中的不飽和脂肪酸受到自由基的作用而轉(zhuǎn)變成過(guò)氧化脂質(zhì)，從而導(dǎo)致膜的流動(dòng)性改變，膜流動(dòng)性下降導(dǎo)致細(xì)胞脆性增加、膜受體、離子通道異常，變形能力下降，出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化等，同樣線粒體膜和溶酶體膜的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)相同的后果，并且脂質(zhì)過(guò)氧化會(huì)誘發(fā)新的自由基的產(chǎn)生。對(duì)蛋白質(zhì)的作用：會(huì)造成蛋白質(zhì)的交聯(lián)、聚合和肽鏈的斷裂，也可以使蛋白質(zhì)和脂類(lèi)

14、結(jié)合形成聚合物，是蛋白質(zhì)喪失功能。25自由基損害作用對(duì)核酸的作用：自由基作用于DNA，與堿基發(fā)生加成反應(yīng)，造成對(duì)堿基的修飾，從而引起基因突變；也可以引起DNA鏈的斷裂，以及染色體畸變和染色體斷裂。對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的破壞：氧自由基可以使細(xì)胞外基質(zhì)中膠原纖維的膠原蛋白發(fā)生交聯(lián)，使透明質(zhì)酸降解，從而引起基質(zhì)變得疏松，彈性下降，出現(xiàn)皺紋。心肌缺血再灌注：狗冠狀動(dòng)脈結(jié)扎-突然松開(kāi)恢復(fù)灌流-室顫死亡。缺血為自由基的形成提供了有利條件，再灌流則像是加入了催化劑使自由基瞬時(shí)大量生成。應(yīng)預(yù)先給予自由基清除劑。26三種原發(fā)性代謝紊亂的相互作用促進(jìn)產(chǎn)生ROS/RNS 線粒體的損傷n 在醫(yī)學(xué)上，由線粒體功能障礙引起的疾病

15、稱(chēng)為線粒體病。n 線粒體疾病都為母系遺傳。n 外界環(huán)境因素對(duì)線粒體功能的影響：克山病。n 細(xì)胞中線粒體的數(shù)量隨年齡增長(zhǎng)而減少，而體積卻隨年齡增長(zhǎng)而增大。n 人類(lèi)線粒體疾病其原發(fā)機(jī)制都是mtDNA異常（突變、缺失、重排）引起的遺傳性疾病，表現(xiàn)為電子傳遞酶系和氧化磷酸化酶系的異常。n 誘導(dǎo)因素之一為氧自由基，機(jī)體衰老即退行性疾病時(shí)，Mn-SOD活性降低，氧自由基就積累在線粒體中，從而導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生。n 氧自由基造成mtDNA氧化損傷的積累量可比核DNA高16倍，同時(shí)mtDNA不具有核基因的修復(fù)裝置，因此mtDNA發(fā)生突變的頻率比細(xì)胞核高10倍以上。 線粒體損傷的檢測(cè)線粒體膜勢(shì)能檢測(cè)1.線粒體在

16、細(xì)胞凋亡的過(guò)程中起著樞紐作用，多種細(xì)胞凋亡刺激因子均可誘導(dǎo)不同的細(xì)胞發(fā)生凋亡，而線粒體跨膜電位的下降，被認(rèn)為是細(xì)胞凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中最早發(fā)生的事件，它發(fā)生在細(xì)胞核凋亡特征(染色質(zhì)濃縮、DNA斷裂)出現(xiàn)之前，一旦線粒體崩潰，則細(xì)胞凋亡不可逆轉(zhuǎn)。2.線粒體跨膜電位的存在，使一些親脂性陽(yáng)離子熒光染料可結(jié)合到線粒體基質(zhì)，其熒光的增強(qiáng)或減弱說(shuō)明線粒體內(nèi)膜電負(fù)性的增高或降低。線粒體膜勢(shì)能的檢測(cè)1.線粒體在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中起著樞紐作用，多種細(xì)胞凋亡刺激因子均可誘導(dǎo)不同的細(xì)胞發(fā)生凋亡，而線粒體跨膜電位的下降，被認(rèn)為是細(xì)胞凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中最早發(fā)生的事件，它發(fā)生在細(xì)胞核凋亡特征(染色質(zhì)濃縮、DNA斷裂)出現(xiàn)之前

17、，一旦線粒體崩潰，則細(xì)胞凋亡不可逆轉(zhuǎn)。2.線粒體跨膜電位的存在，使一些親脂性陽(yáng)離子熒光染料可結(jié)合到線粒體基質(zhì)，其熒光的增強(qiáng)或減弱說(shuō)明線粒體內(nèi)膜電負(fù)性的增高或降低。3.JC-1是一種廣泛用于檢測(cè)線粒體膜電位的理想熒光探?？梢詸z測(cè)細(xì)胞、組織或純化的線粒體膜電位。在線粒體膜電位較高時(shí)，JC-1聚集在線粒體的基質(zhì)中，形成聚合物，可以產(chǎn)生紅色熒光；在線粒體膜電位較低時(shí)，JC-1不能聚集在線粒體的基質(zhì)中，此時(shí)JC-1為單體，可以產(chǎn)生綠色熒光。這樣就可以非常方便地通過(guò)熒光顏色的轉(zhuǎn)變來(lái)檢測(cè)線粒體膜電位的變化。常用紅綠熒光的相對(duì)比例來(lái)衡量線粒體去極化的比例。線粒體膜勢(shì)能的檢測(cè)4. JC-1單體的最大激發(fā)波長(zhǎng)為514nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)為529nm；JC-1聚合物(J-aggregates)的最大激發(fā)波長(zhǎng)為585nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)為590nm。實(shí)際觀察時(shí)，使用常規(guī)的觀察紅色熒光和綠色熒光的設(shè)置即可。通?？梢訡CCP作為誘導(dǎo)線粒體膜電位下降的陽(yáng)性對(duì)照。5. 線粒體膜電位的下降是細(xì)胞凋亡早期的一個(gè)標(biāo)志性事件。通過(guò)JC-1