線粒體-藥學細胞學.ppt

1、線 粒 體,授 課 內 容,線粒體概論 線粒體的結構 線粒體的功能 線粒體在藥學研究中的應用,第一節(jié) 、線粒體概論,線粒體是真核細胞內由雙層膜包被的產能細胞器，占細胞質量的1/5以上。 線粒體是半自主性細胞器，擁有獨特的基因組（mtDNA）及復制、轉錄和翻譯系統(tǒng)(蛋白質合成系統(tǒng))。 線粒體是真核細胞內能量轉換的細胞器，也是動物細胞生成ATP的主要場所，是生命活力之源，與生老病死密切相關。 線粒體是一個結構復雜而敏感多變的細胞器，隨細胞的類型和狀態(tài)不同而有復雜的動態(tài)變化,1850s已觀察到線粒體，被描述為細胞中的線和粒。 1888，Kollicker分離肌線粒體，認為線粒體有脂質被膜。 1890

2、，Altman猜測線粒體（bioplast）是胞內的菌樣克隆，是自治的基本生命單元。 1897，Benda命名mitochondrion，沿用至今。 1940s應用離心和電鏡發(fā)現脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)、ATP合成都位于線粒體。 1961，Mitchell提出ATP合成的化學滲透假說。 1963，Nass M和Nass S發(fā)現線粒體DNA。 1981，劍橋大學Anderson等完成人線粒體基因組測序,Krebs和Mitchell,第二節(jié) 、線粒體的形態(tài)結構,一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數量及分布,直徑約0.51um,線狀,顆粒狀,故名線粒體,一）形態(tài) 、大小,依細胞類型而異，動物細胞一般數百到數

3、千個。 利什曼原蟲:一個巨大的線粒體； 海膽卵母細胞：30多萬個。 隨細胞生理功能及生理狀態(tài)變化 需能細胞：線粒體數目多，如哺乳動物心肌、小 腸、肝等內臟細胞； 飛翔鳥類胸肌細胞：線粒體數目比不飛翔鳥多； 運動員肌細胞：線粒體數目比不常運動人的多,二）數量,三）分布,分布: 不均，細胞代謝旺盛的需能部位比較集中。 肌細胞: 線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列； 精子細胞: 線粒體集中在鞭毛中區(qū)； 分泌細胞：線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域； 腎細胞：線粒體靠近微血管，呈平行或柵狀列。 線粒體的分布多集中在細胞的需能部位，有利 于細胞需能部位的能量供應,線粒體的分布（三重染色,二、線粒體的亞微結構,a)掃描電

4、鏡照片： 示線粒體立體結構,b) 透射電鏡照片： 示線粒體內部結構,電鏡下可見，線粒體是由外膜和內膜套疊而成的膜囊結構，內有兩個封閉空間：膜間隙和基質。 外膜光滑，有孔蛋白和轉運酶，以及單胺氧化酶等特殊酶類，可進行脂類合成和代謝物初步氧化。 膜間隙含有腺苷酸激酶、細胞色素c和凋亡因子，參與ADP合成、電子傳遞和凋亡調控。 內膜折疊形成嵴，內表面有上萬個基粒，是ATP合酶復合體。內膜上還有呼吸鏈復合體。 基質含有多種代謝酶類，還有mtDNA及其復制、轉錄和翻譯系統(tǒng),線粒體的基本結構,1.含酶最多的細胞器； 2.內膜為膜蛋白最豐富的膜； 3.唯一含DNA,核糖體的細胞器,第三節(jié) 線粒體的功能,能量

5、供應 氧化應激 凋亡 鈣儲池 細胞周期、信號轉導 腫瘤 發(fā)育等,一 、線粒體與能量供應,線粒體功能:氧化磷酸化, 合成ATP 通過對營養(yǎng)物質(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)與ADP磷 酸化(儲能)的偶聯(lián)反應完成能量轉換，合成ATP，直接提供細 胞生命活動所需能量的95%以上。 包括： 細胞氧化（細胞呼吸） ADP磷酸化,細胞的能量利用形式 ATP,去磷酸化 A-PPP A-PP+Pi+7.3千卡 磷酸化,ATP是一種高能磷酸化合物，能量儲存于其高能磷酸鍵中，可去磷酸化釋放能量供細胞利用，又可磷酸化儲存能量,高能磷酸鍵,食物中的能量如何轉換為 ATP? 食物（線粒體）ATP,細胞氧化(細胞呼吸

6、,在氧氣的參與下，線粒體內分解各種大分子物質，產生二氧化碳，同時，分解代謝所釋放的能量儲存于ATP中，又稱生物氧化,1. 糖酵解,1葡萄糖 2分子丙酮酸+2ATP+2NADH+2H 反應地點:細胞質,2分子丙酮酸 2乙酰輔酶A+2NADH+2H +2CO2,2. 乙酰輔酶A（ CH3COSCOA）的生成,反應地點:線粒體基質,例:葡萄糖的生物氧化過程,乙酰輔酶A徹底氧化分解,生成1分子ATP, 4對H,2CO2,反應地點:線粒體基質,3. 三羧酸循環(huán),4.電子傳遞和氧化磷酸化,上述階段產生的12對H必須進一步氧化為水，整個有氧氧化才告結束，但H不能與O2直接結合，實際上H離解為 H+和e-（高

7、能電子），電子經過呼吸鏈傳遞，最終使1/2 O2還原為O2-與基質中的2H+化合生成水,電子傳遞過程中釋放的能量被用于ADP磷酸化為ATP。 反應地點:線粒體內膜,細胞呼吸（細胞氧化）過程,二、線粒體與氧化應激,線粒體是細胞中產生活性氧的一個重要部位，消耗氧用于合成ATP的同時不可避免地產生活性氧。 氧化應激作用下，膜轉運孔道開放造成線粒體基質內的高滲透壓，使線粒體內外H+梯度消失，呼吸鏈脫偶聯(lián)，能量產生中斷。 還會由于水和溶質的進入使基質腫脹并導致外膜破裂，通透性增高，釋放出包括細胞色素C在內的各種活性蛋白,過多自由基的產生可導致mtDNA的損傷，氧化損傷是mtDNA突變的主要原因。 線粒體

8、本身也極易受氧化應激的攻擊,活性氧在啟動和調節(jié)細胞凋亡的過程中扮演著重要的角色。 活性氧的積累可以導致： 線粒體膨大，線粒體內膜非特異性孔道產生； 細胞色素C從內膜脫落并進入到胞質中； BAX表達，caspase活化等。 這些都是啟動細胞凋亡的因素,三、線粒體與細胞凋亡,線粒體影響細胞凋亡,1、電子傳遞鏈和能量代謝受到破壞 2、釋放胱冬肽酶激活蛋白(細胞色素c) 3、產生活性氧類物質(ROS,線粒體具有大導電通道-線粒體的滲透轉變孔(permeability transition pores, PT pores,二）滲透性轉變孔起始凋亡的主開關,線粒體內膜跨膜電位的崩潰是細胞凋亡的變化之一,電

9、子傳遞鏈和能量代謝受到破壞,DNA斷片化,起始胱冬肽酶,執(zhí)行胱冬肽酶,破壞細胞骨架,細胞凋亡,線粒體,DNA修復,抑制,抑制,形成凋亡小體(apoptosome,線粒體與細胞凋亡小結,四、 線粒體與信號轉導,線粒體已經從細胞內的寄生者演化為細胞代謝、應激和死亡的關鍵調控者。線粒體通過動態(tài)行為、外膜功能和產物變化（如ATP和ROS），在細胞死亡、抗病毒、抗炎、自噬等信導途徑中發(fā)揮重要作用。 線粒體是能量狀態(tài)的燈塔，NAD:NADH、AMP:ATP及乙酰輔酶A濃度都是線粒體活性狀態(tài)的信號。 呼吸鏈蛋白、轉位蛋白、凋亡誘導因子等參與調控多種生理和病理過程。 最近發(fā)現，線粒體Sirt3、4、5可感應乙

10、酰輔酶A等的濃度，反饋調控線粒體蛋白的乙?；?第四節(jié)、線粒體的半自主性,1)有mtDNA (約16569bp，環(huán)狀、裸露) 可獨立進行復制、轉錄、翻譯,有其自已的遺傳特點 (2)有自已特殊的蛋白質合成系統(tǒng)(mtDNA, 線粒體核糖體, 線粒體tRNA等) (3)其核糖體結構、蛋白質合成起始過程及對藥物的敏感性都與細菌相似、不同于核 (4)有其特殊的物質轉運系統(tǒng),不與細胞質交換DNA和RNA,不輸出蛋白質,1.自主性表現,1)mtDNA 信息量少，只能合成5%的內膜蛋白。 mtDNA編碼： 2種rRNA（構成線粒體核糖體） 22種tRNA（線粒體轉運 RNA） 13種多肽（只形成呼吸酶復合體

11、的6個亞單位） (2)其蛋白合成系統(tǒng)中的DNA聚合酶，RNA聚合酶，核糖體蛋白質、氨基酸活化酶等仍由核基因編碼,2. 自主性的限制,第四節(jié) 線粒體與藥物開發(fā),一、腫瘤細胞凋亡誘導劑,隨著線粒體調控細胞凋亡的發(fā)現，開始尋找一些可以通過線粒體而改變腫瘤細胞的生長活性甚至誘導腫瘤細胞凋亡達到治療腫瘤的藥物，如：紫杉醇、白樺脂酸、氯尼達明等,紫杉醇,現代天然藥物研究開發(fā)的典范,英文名：Paclitaxel, Taxol,分子式：C47H51NO4 二萜類化合物,獨特的抗腫瘤作用機制,紫杉醇可破壞腫瘤細胞線粒體的超微結構，引起其跨膜電位的降低，從而誘導乳腺癌、卵巢癌、宮頸癌等腫瘤細胞的凋亡，導致細胞在有

12、絲分裂時不能形成紡錘體和紡錘絲，抑制了細胞分裂和增殖，使癌細胞停止在G2期和M期，直至死亡，進而起到抗癌作用,紫杉醇的應用,紫杉醇是過去數十年里最好的天然抗腫瘤藥物之一， 由于其獨特的作用機制使之成為繼環(huán)磷酰胺、阿霉素、順鉑后又一重要的抗腫瘤藥物。 它具有獨特抗癌活性，作為晚期卵巢癌的治療藥，至今已在40多個國家獲準上市，是目前治療乳腺癌和卵巢癌的特效藥,市場需求,國際紫杉醇原料藥需求走勢圖（單位：公斤,國際紫杉醇銷售額（億美元,進口：紫杉醇注射液(百時美-US) 30mg/ml 1329.93元 平均每個病人費用約88000元 國產：紫杉醇注射液(京雙鷺) 30mg/ml 163.87元 平

13、均每個名人費用約10000元,二、新型線粒體靶向抗腫瘤藥物,電子移位親脂性陽離子（DLC,線粒體是半自主性的細胞器。它提供了細胞所需能量，調節(jié)細胞Ca2的動態(tài)平衡，維持細胞的電勢平衡作用，參與細胞凋亡過程及衰老等多種病理生理的代謝過程。線粒體是有效地治療癌癥和其它疾病的作用靶點。 電子移位親脂性陽離子（DLC）是一類具有親油和親水雙親性陽離子化合物。它能夠在線粒體跨膜電位的推動下，聚集于細胞線粒體部位。 由于腫瘤細胞的線粒體膜電位高于正常細胞，可提供推動力使DLC在腫瘤細胞線粒體內選擇性地積聚，而DLC在高濃度下將表現出線粒體毒性，導致腫瘤細胞死亡,電子移位親脂性陽離子具備親油、親水和帶有正電

14、荷的特性，在結構上有兩點共同之處：（1）由一個親水的帶電中心與一個疏水的核心連接而成；（2）其 電子云的密度擴展至3 個原子，而不是局限于雜原子和鄰近碳原子間的核間區(qū)域，這種電子的移位，使分子帶上正電荷,DLC帶正電荷的原因,腫瘤細胞線粒體膜電位高于正常細胞的原因,線粒體生產ATP 的主要機理是靠線粒體不斷地從內膜泵出質子（H+、Na+、K+等）。質子通過線粒體膜的正向推動力產生ATP，從而產生了化學梯度（外側呈酸性，內側呈堿性）、電勢梯度（外側帶正電荷，內側帶負荷），導致線粒體的電勢差（內膜與外膜的電位差m）。 由于癌細胞的分生能力比正常細胞強，需要細胞提供更多能量來滿足細胞的生長，所以腫瘤

15、細胞的電勢梯度（即線粒體膜電位m）遠遠高于正常上皮細胞,科學家觀察了200 多種細胞系，包括腺癌、黑色素瘤、轉移癌、鱗狀上皮癌和正常上皮細胞，腫瘤細胞m 高于正常上皮細胞，只有2%的細胞不遵循這一規(guī)律。 研究還發(fā)現：一些腫瘤細胞的細胞膜電位也高于正常上皮細胞，為DLC 在細胞質的預先積聚提供推動力，進一步促進其在線粒體基質內的積聚。 DLC 類分子穿過細胞膜和線粒體膜的疏水屏障，并在膜電位的推動下，積聚于線粒體基質內。根據線粒體膜電位差m =60mV 左右的推動力，使腫瘤細胞為DLC 所提供的推動力是正常細胞的10 倍以上，這將意味著DLC 在腫瘤細胞線粒體內的濃度是細胞質內濃度的100 倍1

16、000 倍,第五節(jié) 線粒體與醫(yī)學,一、mtDNA突變與疾病 1987年Wallace通過對mtDNA突變和Leber遺傳 性視神經?。↙ebers hereditary optic neuropathy,LHON）關系的研究，第一次明確地提出，mtDNA突變可引起人類疾病。 近10多年來，隨著對線粒體基因組研究的發(fā)展，人們對mtDNA在疾病發(fā)生中的作用，有了更深入、更明確的認識。目前已發(fā)現，與mtDNA突變有關的人類疾病多達百余種以上,mtDNA突變類型及線粒體病 1、堿基替換： 與腦、脊髓性及神經性疾病有關 2、mtDNA缺失、插入突變： 與眼肌疾病有關 3、蛋白質生物合成基因突變： 均為tRNA突變， 常引發(fā)癲伴碎紅纖維病 4、拷貝數目突變：少見,二、線粒體與疾病診斷,一）線粒體與腫瘤 腫瘤細胞常伴線粒體數目與嵴數量減少。 （二）線粒體對代謝變化的反應 細胞代謝受干擾時，線粒體表現腫脹和結構改變。 （三）線粒體對射線和微波照射的反應 表現為亞微結構異常,四）藥物和毒物對線粒體的作用 甲狀腺素、磷化物等使線粒體發(fā)生腫脹破裂。氰化物 、疊氮鈉及CO等毒物