线粒体药学细胞学.ppt
线 粒 体,授 课 内 容,线粒体概论 线粒体的结构 线粒体的功能 线粒体在药学研究中的应用,第一节、线粒体概论,线粒体是真核细胞内由双层膜包被的产能细胞器，占细胞质量的1/5以上。线粒体是半自主性细胞器，拥有独特的基因组（mtDNA）及复制、转录和翻译系统(蛋白质合成系统)。线粒体是真核细胞内能量转换的细胞器，也是动物细胞生成ATP的主要场所，是生命活力之源，与生老病死密切相关。线粒体是一个结构复杂而敏感多变的细胞器，随细胞的类型和状态不同而有复杂的动态变化。,1850s已观察到线粒体，被描述为细胞中的线和粒。1888，Kollicker分离肌线粒体，认为线粒体有脂质被膜。1890，Altman猜测线粒体（bioplast）是胞内的菌样克隆，是自治的基本生命单元。1897，Benda命名mitochondrion，沿用至今。1940s应用离心和电镜发现脂肪酸氧化、三羧酸循环、ATP合成都位于线粒体。1961，Mitchell提出ATP合成的化学渗透假说。1963，Nass M和Nass S发现线粒体DNA。1981，剑桥大学Anderson等完成人线粒体基因组测序。,Krebs和Mitchell,第二节、线粒体的形态结构,一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布,直径约0.51um,线状,颗粒状,故名线粒体,（一）形态、大小,依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。利什曼原虫:一个巨大的线粒体；海胆卵母细胞：30多万个。随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小 肠、肝等内脏细胞；飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目比不飞翔鸟多；运动员肌细胞：线粒体数目比不常运动人的多。,（二）数量,（三）分布,分布:不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。肌细胞:线粒体沿肌原纤维规则排列；精子细胞:线粒体集中在鞭毛中区；分泌细胞：线粒体聚集在分泌物合成的区域；肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利于细胞需能部位的能量供应。,线粒体的分布（三重染色）,二、线粒体的亚微结构,(a)扫描电镜照片：示线粒体立体结构；,(b)透射电镜照片：示线粒体内部结构,电镜下可见，线粒体是由外膜和内膜套叠而成的膜囊结构，内有两个封闭空间：膜间隙和基质。外膜光滑，有孔蛋白和转运酶，以及单胺氧化酶等特殊酶类，可进行脂类合成和代谢物初步氧化。膜间隙含有腺苷酸激酶、细胞色素c和凋亡因子，参与ADP合成、电子传递和凋亡调控。内膜折叠形成嵴，内表面有上万个基粒，是ATP合酶复合体。内膜上还有呼吸链复合体。基质含有多种代谢酶类，还有mtDNA及其复制、转录和翻译系统。,线粒体的基本结构,1.含酶最多的细胞器；2.内膜为膜蛋白最丰富的膜；3.唯一含DNA,核糖体的细胞器。,第三节 线粒体的功能,能量供应氧化应激凋亡钙储池细胞周期、信号转导肿瘤发育等,一、线粒体与能量供应,线粒体功能:氧化磷酸化,合成ATP 通过对营养物质(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)与ADP磷 酸化(储能)的偶联反应完成能量转换，合成ATP，直接提供细 胞生命活动所需能量的95%以上。包括：细胞氧化（细胞呼吸）ADP磷酸化,细胞的能量利用形式 ATP,去磷酸化 A-PPP A-PP+Pi+7.3千卡 磷酸化,ATP是一种高能磷酸化合物，能量储存于其高能磷酸键中，可去磷酸化释放能量供细胞利用，又可磷酸化储存能量。,高能磷酸键,食物中的能量如何转换为 ATP?食物（线粒体）ATP,细胞氧化(细胞呼吸),在氧气的参与下，线粒体内分解各种大分子物质，产生二氧化碳，同时，分解代谢所释放的能量储存于ATP中，又称生物氧化。,1.糖酵解,1葡萄糖 2分子丙酮酸+2ATP+2NADH+2H反应地点:细胞质,2分子丙酮酸 2乙酰辅酶A+2NADH+2H+2CO2,2.乙酰辅酶A（CH3COSCOA）的生成,反应地点:线粒体基质,例:葡萄糖的生物氧化过程,乙酰辅酶A彻底氧化分解,生成1分子ATP,4对H,2CO2,反应地点:线粒体基质,3.三羧酸循环,4.电子传递和氧化磷酸化,上述阶段产生的12对H必须进一步氧化为水，整个有氧氧化才告结束，但H不能与O2直接结合，实际上H离解为 H+和e-（高能电子），电子经过呼吸链传递，最终使1/2 O2还原为O2-与基质中的2H+化合生成水,电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化为ATP。反应地点:线粒体内膜,细胞呼吸（细胞氧化）过程,二、线粒体与氧化应激,线粒体是细胞中产生活性氧的一个重要部位，消耗氧用于合成ATP的同时不可避免地产生活性氧。氧化应激作用下，膜转运孔道开放造成线粒体基质内的高渗透压，使线粒体内外H+梯度消失，呼吸链脱偶联，能量产生中断。还会由于水和溶质的进入使基质肿胀并导致外膜破裂，通透性增高，释放出包括细胞色素C在内的各种活性蛋白。,过多自由基的产生可导致mtDNA的损伤，氧化损伤是mtDNA突变的主要原因。线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。,活性氧在启动和调节细胞凋亡的过程中扮演着重要的角色。活性氧的积累可以导致：线粒体膨大，线粒体内膜非特异性孔道产生；细胞色素C从内膜脱落并进入到胞质中；BAX表达，caspase活化等。这些都是启动细胞凋亡的因素。,三、线粒体与细胞凋亡,线粒体影响细胞凋亡,1、电子传递链和能量代谢受到破坏2、释放胱冬肽酶激活蛋白(细胞色素c)3、产生活性氧类物质(ROS),线粒体具有大导电通道-线粒体的渗透转变孔(permeability transition pores,PT pores),（二）渗透性转变孔起始凋亡的主开关,线粒体内膜跨膜电位的崩溃是细胞凋亡的变化之一。,电子传递链和能量代谢受到破坏,DNA断片化,起始胱冬肽酶,执行胱冬肽酶,破坏细胞骨架,细胞凋亡,线粒体,DNA修复,抑制,抑制,形成凋亡小体(apoptosome),线粒体与细胞凋亡小结,四、线粒体与信号转导,线粒体已经从细胞内的寄生者演化为细胞代谢、应激和死亡的关键调控者。线粒体通过动态行为、外膜功能和产物变化（如ATP和ROS），在细胞死亡、抗病毒、抗炎、自噬等信导途径中发挥重要作用。线粒体是能量状态的灯塔，NAD:NADH、AMP:ATP及乙酰辅酶A浓度都是线粒体活性状态的信号。呼吸链蛋白、转位蛋白、凋亡诱导因子等参与调控多种生理和病理过程。最近发现，线粒体Sirt3、4、5可感应乙酰辅酶A等的浓度，反馈调控线粒体蛋白的乙酰化水平。,第四节、线粒体的半自主性,(1)有mtDNA(约16569bp，环状、裸露)可独立进行复制、转录、翻译,有其自已的遗传特点(2)有自已特殊的蛋白质合成系统(mtDNA,线粒体核糖体,线粒体tRNA等)(3)其核糖体结构、蛋白质合成起始过程及对药物的敏感性都与细菌相似、不同于核(4)有其特殊的物质转运系统,不与细胞质交换DNA和RNA,不输出蛋白质,1.自主性表现,(1)mtDNA 信息量少，只能合成5%的内膜蛋白。mtDNA编码：2种rRNA（构成线粒体核糖体）22种tRNA（线粒体转运 RNA）13种多肽（只形成呼吸酶复合体的6个亚单位）(2)其蛋白合成系统中的DNA聚合酶，RNA聚合酶，核糖体蛋白质、氨基酸活化酶等仍由核基因编码。,2.自主性的限制,第四节 线粒体与药物开发,一、肿瘤细胞凋亡诱导剂,随着线粒体调控细胞凋亡的发现，开始寻找一些可以通过线粒体而改变肿瘤细胞的生长活性甚至诱导肿瘤细胞凋亡达到治疗肿瘤的药物，如：紫杉醇、白桦脂酸、氯尼达明等。,紫杉醇,现代天然药物研究开发的典范,英文名：Paclitaxel,Taxol,分子式：C47H51NO4 二萜类化合物,独特的抗肿瘤作用机制,紫杉醇可破坏肿瘤细胞线粒体的超微结构，引起其跨膜电位的降低，从而诱导乳腺癌、卵巢癌、宫颈癌等肿瘤细胞的凋亡，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝，抑制了细胞分裂和增殖，使癌细胞停止在G2期和M期，直至死亡，进而起到抗癌作用。,紫杉醇的应用,紫杉醇是过去数十年里最好的天然抗肿瘤药物之一，由于其独特的作用机制使之成为继环磷酰胺、阿霉素、顺铂后又一重要的抗肿瘤药物。它具有独特抗癌活性，作为晚期卵巢癌的治疗药，至今已在40多个国家获准上市，是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。,市场需求,国际紫杉醇原料药需求走势图（单位：公斤）,国际紫杉醇销售额（亿美元）,进口：紫杉醇注射液(百时美-US)30mg/ml 1329.93元平均每个病人费用约88000元国产：紫杉醇注射液(京双鹭)30mg/ml 163.87元平均每个名人费用约10000元,二、新型线粒体靶向抗肿瘤药物,电子移位亲脂性阳离子（DLC）,线粒体是半自主性的细胞器。它提供了细胞所需能量，调节细胞Ca2的动态平衡，维持细胞的电势平衡作用，参与细胞凋亡过程及衰老等多种病理生理的代谢过程。线粒体是有效地治疗癌症和其它疾病的作用靶点。电子移位亲脂性阳离子（DLC）是一类具有亲油和亲水双亲性阳离子化合物。它能够在线粒体跨膜电位的推动下，聚集于细胞线粒体部位。由于肿瘤细胞的线粒体膜电位高于正常细胞，可提供推动力使DLC在肿瘤细胞线粒体内选择性地积聚，而DLC在高浓度下将表现出线粒体毒性，导致肿瘤细胞死亡。,电子移位亲脂性阳离子具备亲油、亲水和带有正电荷的特性，在结构上有两点共同之处：（1）由一个亲水的带电中心与一个疏水的核心连接而成；（2）其 电子云的密度扩展至3 个原子，而不是局限于杂原子和邻近碳原子间的核间区域，这种电子的移位，使分子带上正电荷。,DLC带正电荷的原因,肿瘤细胞线粒体膜电位高于正常细胞的原因,线粒体生产ATP 的主要机理是靠线粒体不断地从内膜泵出质子（H+、Na+、K+等）。质子通过线粒体膜的正向推动力产生ATP，从而产生了化学梯度（外侧呈酸性，内侧呈碱性）、电势梯度（外侧带正电荷，内侧带负荷），导致线粒体的电势差（内膜与外膜的电位差m）。由于癌细胞的分生能力比正常细胞强，需要细胞提供更多能量来满足细胞的生长，所以肿瘤细胞的电势梯度（即线粒体膜电位m）远远高于正常上皮细胞。,科学家观察了200 多种细胞系，包括腺癌、黑色素瘤、转移癌、鳞状上皮癌和正常上皮细胞，肿瘤细胞m 高于正常上皮细胞，只有2%的细胞不遵循这一规律。研究还发现：一些肿瘤细胞的细胞膜电位也高于正常上皮细胞，为DLC 在细胞质的预先积聚提供推动力，进一步促进其在线粒体基质内的积聚。DLC 类分子穿过细胞膜和线粒体膜的疏水屏障，并在膜电位的推动下，积聚于线粒体基质内。根据线粒体膜电位差m=60mV 左右的推动力，使肿瘤细胞为DLC 所提供的推动力是正常细胞的10 倍以上，这将意味着DLC 在肿瘤细胞线粒体内的浓度是细胞质内浓度的100 倍1000 倍。,第五节 线粒体与医学,一、mtDNA突变与疾病 1987年Wallace通过对mtDNA突变和Leber遗传 性视神经病（Lebers hereditary optic neuropathy,LHON）关系的研究，第一次明确地提出，mtDNA突变可引起人类疾病。近10多年来，随着对线粒体基因组研究的发展，人们对mtDNA在疾病发生中的作用，有了更深入、更明确的认识。目前已发现，与mtDNA突变有关的人类疾病多达百余种以上。,mtDNA突变类型及线粒体病 1、碱基替换：与脑、脊髓性及神经性疾病有关 2、mtDNA缺失、插入突变：与眼肌疾病有关 3、蛋白质生物合成基因突变：均为tRNA突变，常引发癫伴碎红纤维病 4、拷贝数目突变：少见,二、线粒体与疾病诊断,（一）线粒体与肿瘤 肿瘤细胞常伴线粒体数目与嵴数量减少。（二）线粒体对代谢变化的反应 细胞代谢受干扰时，线粒体表现肿胀和结构改变。（三）线粒体对射线和微波照射的反应 表现为亚微结构异常。,（四）药物和毒物对线粒体的作用 甲状腺素、磷化物等使线粒体发生肿胀破裂。氰化物、叠氮钠及CO等毒物阻断呼吸链，使氧化磷酸化中断，ATP合成受阻，导致机体死亡。,三、线粒体某些组分的治疗作用 用线粒体的一些特殊组分来治疗疾病，已越来越多地受到人们的关注。细胞色素C：治疗一氧化炭中毒、新生儿窒息、肺功能 不全、高山缺氧、心肌炎及心绞痛；辅酶（NAD）：治疗进行性肌萎缩、肝炎；CoQ：牙周病、高血压、肌肉萎缩及急性黄胆性肝炎等。,总结1.线粒体的超微结构2.线粒体的功能生物氧化及其过程糖酵解,乙酰辅酶A的生成,三羧酸循环,电子传递和氧化磷酸化发生的场所3.线粒体的半自主性线粒体的DNA特点,半自主性的表现,
