線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件

授課內(nèi)容線粒體概論線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的功能線粒體在藥學(xué)研究中的應(yīng)用授課內(nèi)容線粒體概論1第一節(jié)、線粒體概論線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)由雙層膜包被的產(chǎn)能細(xì)胞器，占細(xì)胞質(zhì)量的1/5以上。線粒體是半自主性細(xì)胞器，擁有獨(dú)特的基因組（mtDNA）及復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)(蛋白質(zhì)合成系統(tǒng))。線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞器，也是動(dòng)物細(xì)胞生成ATP的主要場(chǎng)所，是生命活力之源，與生老病死密切相關(guān)。線粒體是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而敏感多變的細(xì)胞器，隨細(xì)胞的類型和狀態(tài)不同而有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。第一節(jié)、線粒體概論線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)由雙層膜包被的產(chǎn)能細(xì)胞21850s已觀察到線粒體，被描述為細(xì)胞中的線和粒。1888，Kollicker分離肌線粒體，認(rèn)為線粒體有脂質(zhì)被膜。1890，Altman猜測(cè)線粒體（bioplast）是胞內(nèi)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(yīng)用離心和電鏡發(fā)現(xiàn)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(xué)滲透假說。1963，NassM和NassS發(fā)現(xiàn)線粒體DNA。1981，劍橋大學(xué)Anderson等完成人線粒體基因組測(cè)序。1850s已觀察到線粒體，被描述為細(xì)胞中的線和粒。3Krebs和MitchellKrebs和Mitchell4第二節(jié)、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及分布直徑約0.5~1um線狀顆粒狀故名線粒體（一）形態(tài)、大小第二節(jié)、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及5依細(xì)胞類型而異，動(dòng)物細(xì)胞一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)。利什曼原蟲:一個(gè)巨大的線粒體；海膽卵母細(xì)胞：30多萬個(gè)。隨細(xì)胞生理功能及生理狀態(tài)變化需能細(xì)胞：線粒體數(shù)目多，如哺乳動(dòng)物心肌、小腸、肝等內(nèi)臟細(xì)胞；飛翔鳥類胸肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不飛翔鳥多；運(yùn)動(dòng)員肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不常運(yùn)動(dòng)人的多。（二）數(shù)量（二）數(shù)量6（三）分布分布:不均，細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。肌細(xì)胞:線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列；精子細(xì)胞:線粒體集中在鞭毛中區(qū)；分泌細(xì)胞：線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域；腎細(xì)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(xì)胞的需能部位，有利于細(xì)胞需能部位的能量供應(yīng)。（三）分布分布:不均，細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中7線粒體的分布（三重染色）線粒體的分布（三重染色）8二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)9(a)掃描電鏡照片：示線粒體立體結(jié)構(gòu)；(b)透射電鏡照片：示線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)(a)掃描電鏡照片：(b)透射電鏡照片：10電鏡下可見，線粒體是由外膜和內(nèi)膜套疊而成的膜囊結(jié)構(gòu)，內(nèi)有兩個(gè)封閉空間：膜間隙和基質(zhì)。外膜光滑，有孔蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)酶，以及單胺氧化酶等特殊酶類，可進(jìn)行脂類合成和代謝物初步氧化。膜間隙含有腺苷酸激酶、細(xì)胞色素c和凋亡因子，參與ADP合成、電子傳遞和凋亡調(diào)控。內(nèi)膜折疊形成嵴，內(nèi)表面有上萬個(gè)基粒，是ATP合酶復(fù)合體。內(nèi)膜上還有呼吸鏈復(fù)合體?；|(zhì)含有多種代謝酶類，還有mtDNA及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。線粒體的基本結(jié)構(gòu)電鏡下可見，線粒體是由外膜和內(nèi)膜套疊而成的膜囊結(jié)構(gòu)，內(nèi)有兩個(gè)111.含酶最多的細(xì)胞器；2.內(nèi)膜為膜蛋白最豐富的膜；3.唯一含DNA,核糖體的細(xì)胞器。1.含酶最多的細(xì)胞器；12第三節(jié)線粒體的功能能量供應(yīng)氧化應(yīng)激凋亡鈣儲(chǔ)池細(xì)胞周期、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)腫瘤發(fā)育等第三節(jié)線粒體的功能能量供應(yīng)13一、線粒體與能量供應(yīng)

※

線粒體功能:氧化磷酸化,合成ATP

通過對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)與ADP磷酸化(儲(chǔ)能)的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換，合成ATP，直接提供細(xì)

胞生命活動(dòng)所需能量的95%以上。包括：細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸）

ADP磷酸化 一、線粒體與能量供應(yīng)14線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件15細(xì)胞的能量利用形式——ATP

去磷酸化

A--P~P~PA-P~P+Pi+7.3千卡

磷酸化

ATP是一種高能磷酸化合物，能量?jī)?chǔ)存于其高能磷酸鍵中，可去磷酸化釋放能量供細(xì)胞利用，又可磷酸化儲(chǔ)存能量。高能磷酸鍵細(xì)胞的能量利用形式——ATP16食物中的能量如何轉(zhuǎn)換為ATP?

食物——（線粒體）——ATP

細(xì)胞氧化(細(xì)胞呼吸)在氧氣的參與下，線粒體內(nèi)分解各種大分子物質(zhì)，產(chǎn)生二氧化碳，同時(shí)，分解代謝所釋放的能量?jī)?chǔ)存于ATP中，又稱生物氧化。食物中的能量如何轉(zhuǎn)換為ATP?細(xì)胞氧化(細(xì)胞呼吸)在氧氣的17

1.糖酵解1葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+2NADH+2H反應(yīng)地點(diǎn):細(xì)胞質(zhì)2分子丙酮酸2乙酰輔酶A+2NADH+2H

+2CO22.乙酰輔酶A（CH3COSCOA）的生成反應(yīng)地點(diǎn):線粒體基質(zhì)例:葡萄糖的生物氧化過程1.糖酵解1葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+218乙酰輔酶A徹底氧化分解,生成1分子ATP,4對(duì)H,2CO2反應(yīng)地點(diǎn):線粒體基質(zhì)3.三羧酸循環(huán)4.電子傳遞和氧化磷酸化上述階段產(chǎn)生的12對(duì)H必須進(jìn)一步氧化為水，整個(gè)有氧氧化才告結(jié)束，但H不能與O2直接結(jié)合，實(shí)際上H離解為H+和e-（高能電子），電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞，最終使1/2O2還原為O2-與基質(zhì)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(yīng)地點(diǎn):線粒體內(nèi)膜反應(yīng)地點(diǎn):線粒體基質(zhì)3.三羧酸循環(huán)4.電子傳遞和氧化磷19細(xì)胞呼吸（細(xì)胞氧化）過程三羧酸循環(huán)電子傳遞和氧化磷酸化乙酰輔酶A的形成糖酵解圖示細(xì)胞呼吸的四個(gè)主要步驟細(xì)胞呼吸（細(xì)胞氧化）過程三羧酸電子傳遞和乙酰輔酶A的形成糖酵20二、線粒體與氧化應(yīng)激線粒體是細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧的一個(gè)重要部位，消耗氧用于合成ATP的同時(shí)不可避免地產(chǎn)生活性氧。氧化應(yīng)激作用下，膜轉(zhuǎn)運(yùn)孔道開放造成線粒體基質(zhì)內(nèi)的高滲透壓，使線粒體內(nèi)外H+梯度消失，呼吸鏈脫偶聯(lián)，能量產(chǎn)生中斷。還會(huì)由于水和溶質(zhì)的進(jìn)入使基質(zhì)腫脹并導(dǎo)致外膜破裂，通透性增高，釋放出包括細(xì)胞色素C在內(nèi)的各種活性蛋白。二、線粒體與氧化應(yīng)激線粒體是細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧的一個(gè)重要部位，21過多自由基的產(chǎn)生可導(dǎo)致mtDNA的損傷，氧化損傷是mtDNA突變的主要原因。線粒體本身也極易受氧化應(yīng)激的攻擊。活性氧在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的過程中扮演著重要的角色。活性氧的積累可以導(dǎo)致：線粒體膨大，線粒體內(nèi)膜非特異性孔道產(chǎn)生；細(xì)胞色素C從內(nèi)膜脫落并進(jìn)入到胞質(zhì)中；BAX表達(dá)，caspase活化等。這些都是啟動(dòng)細(xì)胞凋亡的因素。過多自由基的產(chǎn)生可導(dǎo)致mtDNA的損傷，氧化損傷是mtDNA22三、線粒體與細(xì)胞凋亡三、線粒體與細(xì)胞凋亡23線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件24線粒體影響細(xì)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(xì)胞色素c)3、產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)(ROS)線粒體具有大導(dǎo)電通道-線粒體的滲透轉(zhuǎn)變孔(permeabilitytransitionpores,PTpores)（二）滲透性轉(zhuǎn)變孔——起始凋亡的主開關(guān)線粒體內(nèi)膜跨膜電位的崩潰是細(xì)胞凋亡的變化之一。ROSCyt.c電子傳遞鏈和能量代謝受到破壞線粒體影響細(xì)胞凋亡1、電子傳遞鏈和能量代謝受到破壞線粒體具有25DNA斷片化起始胱冬肽酶執(zhí)行胱冬肽酶破壞細(xì)胞骨架細(xì)胞凋亡線粒體DNA修復(fù)抑制抑制形成凋亡小體(apoptosome)DNA斷片化起始胱冬肽酶執(zhí)行胱冬肽酶破壞細(xì)胞骨架細(xì)胞凋亡26線粒體與細(xì)胞凋亡小結(jié)線粒體與細(xì)胞凋亡小結(jié)27線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件28四、線粒體與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)線粒體已經(jīng)從細(xì)胞內(nèi)的寄生者演化為細(xì)胞代謝、應(yīng)激和死亡的關(guān)鍵調(diào)控者。線粒體通過動(dòng)態(tài)行為、外膜功能和產(chǎn)物變化（如ATP和ROS），在細(xì)胞死亡、抗病毒、抗炎、自噬等信導(dǎo)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(hào)。呼吸鏈蛋白、轉(zhuǎn)位蛋白、凋亡誘導(dǎo)因子等參與調(diào)控多種生理和病理過程。最近發(fā)現(xiàn)，線粒體Sirt3、4、5可感應(yīng)乙酰輔酶A等的濃度，反饋調(diào)控線粒體蛋白的乙?；?。四、線粒體與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)線粒體已經(jīng)從細(xì)胞內(nèi)的寄生者演化為細(xì)胞代29第四節(jié)、線粒體的半自主性(1)有mtDNA(約16569bp，環(huán)狀、裸露)可獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯,有其自已的遺傳特點(diǎn)(2)有自已特殊的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(mtDNA,線粒體核糖體,線粒體tRNA等)(3)其核糖體結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)合成起始過程及對(duì)藥物的敏感性都與細(xì)菌相似、不同于核(4)有其特殊的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),不與細(xì)胞質(zhì)交換DNA和RNA,不輸出蛋白質(zhì)1.自主性表現(xiàn)第四節(jié)、線粒體的半自主性(1)有mtDNA(約16569b30線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件31(1)mtDNA信息量少，只能合成5%的內(nèi)膜蛋白。

mtDNA編碼：2種rRNA（構(gòu)成線粒體核糖體）22種tRNA（線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）

13種多肽（只形成呼吸酶復(fù)合體的6個(gè)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(zhì)、氨基酸活化酶等仍由核基因編碼。2.自主性的限制(1)mtDNA信息量少，只能合成5%的內(nèi)膜蛋白。2.32第四節(jié)線粒體與藥物開發(fā)一、腫瘤細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)劑隨著線粒體調(diào)控細(xì)胞凋亡的發(fā)現(xiàn)，開始尋找一些可以通過線粒體而改變腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)活性甚至誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡達(dá)到治療腫瘤的藥物，如：紫杉醇、白樺脂酸、氯尼達(dá)明等。第四節(jié)線粒體與藥物開發(fā)一、腫瘤細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)劑隨著33紫杉醇現(xiàn)代天然藥物研究開發(fā)的典范英文名：Paclitaxel,Taxol?分子式：C47H51NO4二萜類化合物紫杉醇現(xiàn)代天然藥物研究開發(fā)的典范英文名：Paclitaxel34獨(dú)特的抗腫瘤作用機(jī)制紫杉醇可破壞腫瘤細(xì)胞線粒體的超微結(jié)構(gòu)，引起其跨膜電位的降低，從而誘導(dǎo)乳腺癌、卵巢癌、宮頸癌等腫瘤細(xì)胞的凋亡，導(dǎo)致細(xì)胞在有絲分裂時(shí)不能形成紡錘體和紡錘絲，抑制了細(xì)胞分裂和增殖，使癌細(xì)胞停止在G2期和M期，直至死亡，進(jìn)而起到抗癌作用。獨(dú)特的抗腫瘤作用機(jī)制紫杉醇可破壞腫瘤細(xì)胞線粒體的超微35紫杉醇的應(yīng)用紫杉醇是過去數(shù)十年里最好的天然抗腫瘤藥物之一，由于其獨(dú)特的作用機(jī)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(dú)特抗癌活性，作為晚期卵巢癌的治療藥，至今已在40多個(gè)國(guó)家獲準(zhǔn)上市，是目前治療乳腺癌和卵巢癌的特效藥。紫杉醇的應(yīng)用紫杉醇是過去數(shù)十年里最好的天然抗腫瘤藥物之36市場(chǎng)需求國(guó)際紫杉醇原料藥需求走勢(shì)圖（單位：公斤）國(guó)際紫杉醇銷售額（億美元）進(jìn)口：紫杉醇注射液(百時(shí)美-US)30mg/ml1329.93元平均每個(gè)病人費(fèi)用約88000元國(guó)產(chǎn)：紫杉醇注射液(京雙鷺)30mg/ml163.87元平均每個(gè)名人費(fèi)用約10000元市場(chǎng)需求國(guó)際紫杉醇原料藥需求走勢(shì)圖（單位：公斤）國(guó)際紫杉醇銷37二、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(xì)胞器。它提供了細(xì)胞所需能量，調(diào)節(jié)細(xì)胞Ca2＋的動(dòng)態(tài)平衡，維持細(xì)胞的電勢(shì)平衡作用，參與細(xì)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(diǎn)。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(dòng)下，聚集于細(xì)胞線粒體部位。由于腫瘤細(xì)胞的線粒體膜電位高于正常細(xì)胞，可提供推動(dòng)力使DLC在腫瘤細(xì)胞線粒體內(nèi)選擇性地積聚，而DLC在高濃度下將表現(xiàn)出線粒體毒性，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡。二、新型線粒體靶向抗腫瘤藥物電子移位親脂性陽離子（DLC）38電子移位親脂性陽離子具備親油、親水和帶有正電荷的特性，在結(jié)構(gòu)上有兩點(diǎn)共同之處：（1）由一個(gè)親水的帶電中心與一個(gè)疏水的核心連接而成；（2）其π電子云的密度擴(kuò)展至3個(gè)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帶正電荷的原因電子移位親脂性陽離子具備親油、親水和帶有正電荷的特性，在結(jié)構(gòu)39腫瘤細(xì)胞線粒體膜電位高于正常細(xì)胞的原因線粒體生產(chǎn)ATP的主要機(jī)理是靠線粒體不斷地從內(nèi)膜泵出質(zhì)子（H+、Na+、K+等）。質(zhì)子通過線粒體膜的正向推動(dòng)力產(chǎn)生ATP，從而產(chǎn)生了化學(xué)梯度（外側(cè)呈酸性，內(nèi)側(cè)呈堿性）、電勢(shì)梯度（外側(cè)帶正電荷，內(nèi)側(cè)帶負(fù)荷），導(dǎo)致線粒體的電勢(shì)差（內(nèi)膜與外膜的電位差ΔΨm）。由于癌細(xì)胞的分生能力比正常細(xì)胞強(qiáng)，需要細(xì)胞提供更多能量來滿足細(xì)胞的生長(zhǎng)，所以腫瘤細(xì)胞的電勢(shì)梯度（即線粒體膜電位ΔΨm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常上皮細(xì)胞。腫瘤細(xì)胞線粒體膜電位高于正常細(xì)胞的原因線粒體生產(chǎn)ATP的主40科學(xué)家觀察了200多種細(xì)胞系，包括腺癌、黑色素瘤、轉(zhuǎn)移癌、鱗狀上皮癌和正常上皮細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞ΔΨm高于正常上皮細(xì)胞，只有2%的細(xì)胞不遵循這一規(guī)律。研究還發(fā)現(xiàn)：一些腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞膜電位也高于正常上皮細(xì)胞，為DLC在細(xì)胞質(zhì)的預(yù)先積聚提供推動(dòng)力，進(jìn)一步促進(jìn)其在線粒體基質(zhì)內(nèi)的積聚。DLC類分子穿過細(xì)胞膜和線粒體膜的疏水屏障，并在膜電位的推動(dòng)下，積聚于線粒體基質(zhì)內(nèi)。根據(jù)線粒體膜電位差ΔΨm=60mV左右的推動(dòng)力，使腫瘤細(xì)胞為DLC所提供的推動(dòng)力是正常細(xì)胞的10倍以上，這將意味著DLC在腫瘤細(xì)胞線粒體內(nèi)的濃度是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)濃度的100倍～1000倍?？茖W(xué)家觀察了200多種細(xì)胞系，包括腺癌、黑色素瘤、轉(zhuǎn)移癌、41第五節(jié)線粒體與醫(yī)學(xué)一、mtDNA突變與疾病1987年Wallace通過對(duì)mtDNA突變和Leber遺傳性視神經(jīng)?。↙ebershereditaryopticneuropathy,LHON）關(guān)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(duì)線粒體基因組研究的發(fā)展，人們對(duì)mtDNA在疾病發(fā)生中的作用，有了更深入、更明確的認(rèn)識(shí)。目前已發(fā)現(xiàn)，與mtDNA突變有關(guān)的人類疾病多達(dá)百余種以上。第五節(jié)線粒體與醫(yī)學(xué)一、mtDNA突變與疾病42mtDNA突變類型及線粒體病

1、堿基替換：

與腦、脊髓性及神經(jīng)性疾病有關(guān)

2、mtDNA缺失、插入突變：

與眼肌疾病有關(guān)

3、蛋白質(zhì)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(shù)目突變：少見mtDNA突變類型及線粒體病43二、線粒體與疾病診斷（一）線粒體與腫瘤

腫瘤細(xì)胞常伴線粒體數(shù)目與嵴數(shù)量減少。（二）線粒體對(duì)代謝變化的反應(yīng)

細(xì)胞代謝受干擾時(shí)，線粒體表現(xiàn)腫脹和結(jié)構(gòu)改變。（三）線粒體對(duì)射線和微波照射的反應(yīng)

表現(xiàn)為亞微結(jié)構(gòu)異常。

（四）藥物和毒物對(duì)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等毒物阻斷呼吸鏈，使氧化磷酸化中斷，

ATP合成受阻，導(dǎo)致機(jī)體死亡。二、線粒體與疾病診斷（一）線粒體與腫瘤（四）藥44三、線粒體某些組分的治療作用

用線粒體的一些特殊組分來治療疾病，已越來越多地受到人們的關(guān)注。細(xì)胞色素C：治療一氧化炭中毒、新生兒窒息、肺功能不全、高山缺氧、心肌炎及心絞痛；輔酶（NAD＋）：治療進(jìn)行性肌萎縮、肝炎；

CoQ：牙周病、高血壓、肌肉萎縮及急性黃膽性肝炎等。三、線粒體某些組分的治療作用45總結(jié)1.線粒體的超微結(jié)構(gòu)2.線粒體的功能生物氧化及其過程糖酵解,乙酰輔酶A的生成,三羧酸循環(huán),電子傳遞和氧化磷酸化發(fā)生的場(chǎng)所3.線粒體的半自主性線粒體的DNA特點(diǎn),半自主性的表現(xiàn)總結(jié)46授課內(nèi)容線粒體概論線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的功能線粒體在藥學(xué)研究中的應(yīng)用授課內(nèi)容線粒體概論47第一節(jié)、線粒體概論線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)由雙層膜包被的產(chǎn)能細(xì)胞器，占細(xì)胞質(zhì)量的1/5以上。線粒體是半自主性細(xì)胞器，擁有獨(dú)特的基因組（mtDNA）及復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)(蛋白質(zhì)合成系統(tǒng))。線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞器，也是動(dòng)物細(xì)胞生成ATP的主要場(chǎng)所，是生命活力之源，與生老病死密切相關(guān)。線粒體是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而敏感多變的細(xì)胞器，隨細(xì)胞的類型和狀態(tài)不同而有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。第一節(jié)、線粒體概論線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)由雙層膜包被的產(chǎn)能細(xì)胞481850s已觀察到線粒體，被描述為細(xì)胞中的線和粒。1888，Kollicker分離肌線粒體，認(rèn)為線粒體有脂質(zhì)被膜。1890，Altman猜測(cè)線粒體（bioplast）是胞內(nèi)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(yīng)用離心和電鏡發(fā)現(xiàn)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(xué)滲透假說。1963，NassM和NassS發(fā)現(xiàn)線粒體DNA。1981，劍橋大學(xué)Anderson等完成人線粒體基因組測(cè)序。1850s已觀察到線粒體，被描述為細(xì)胞中的線和粒。49Krebs和MitchellKrebs和Mitchell50第二節(jié)、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及分布直徑約0.5~1um線狀顆粒狀故名線粒體（一）形態(tài)、大小第二節(jié)、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及51依細(xì)胞類型而異，動(dòng)物細(xì)胞一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)。利什曼原蟲:一個(gè)巨大的線粒體；海膽卵母細(xì)胞：30多萬個(gè)。隨細(xì)胞生理功能及生理狀態(tài)變化需能細(xì)胞：線粒體數(shù)目多，如哺乳動(dòng)物心肌、小腸、肝等內(nèi)臟細(xì)胞；飛翔鳥類胸肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不飛翔鳥多；運(yùn)動(dòng)員肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不常運(yùn)動(dòng)人的多。（二）數(shù)量（二）數(shù)量52（三）分布分布:不均，細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。肌細(xì)胞:線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列；精子細(xì)胞:線粒體集中在鞭毛中區(qū)；分泌細(xì)胞：線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域；腎細(xì)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(xì)胞的需能部位，有利于細(xì)胞需能部位的能量供應(yīng)。（三）分布分布:不均，細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中53線粒體的分布（三重染色）線粒體的分布（三重染色）54二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)55(a)掃描電鏡照片：示線粒體立體結(jié)構(gòu)；(b)透射電鏡照片：示線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)(a)掃描電鏡照片：(b)透射電鏡照片：56電鏡下可見，線粒體是由外膜和內(nèi)膜套疊而成的膜囊結(jié)構(gòu)，內(nèi)有兩個(gè)封閉空間：膜間隙和基質(zhì)。外膜光滑，有孔蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)酶，以及單胺氧化酶等特殊酶類，可進(jìn)行脂類合成和代謝物初步氧化。膜間隙含有腺苷酸激酶、細(xì)胞色素c和凋亡因子，參與ADP合成、電子傳遞和凋亡調(diào)控。內(nèi)膜折疊形成嵴，內(nèi)表面有上萬個(gè)基粒，是ATP合酶復(fù)合體。內(nèi)膜上還有呼吸鏈復(fù)合體?；|(zhì)含有多種代謝酶類，還有mtDNA及其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。線粒體的基本結(jié)構(gòu)電鏡下可見，線粒體是由外膜和內(nèi)膜套疊而成的膜囊結(jié)構(gòu)，內(nèi)有兩個(gè)571.含酶最多的細(xì)胞器；2.內(nèi)膜為膜蛋白最豐富的膜；3.唯一含DNA,核糖體的細(xì)胞器。1.含酶最多的細(xì)胞器；58第三節(jié)線粒體的功能能量供應(yīng)氧化應(yīng)激凋亡鈣儲(chǔ)池細(xì)胞周期、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)腫瘤發(fā)育等第三節(jié)線粒體的功能能量供應(yīng)59一、線粒體與能量供應(yīng)

※

線粒體功能:氧化磷酸化,合成ATP

通過對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)與ADP磷酸化(儲(chǔ)能)的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換，合成ATP，直接提供細(xì)

胞生命活動(dòng)所需能量的95%以上。包括：細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸）

ADP磷酸化 一、線粒體與能量供應(yīng)60線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件61細(xì)胞的能量利用形式——ATP

去磷酸化

A--P~P~PA-P~P+Pi+7.3千卡

磷酸化

ATP是一種高能磷酸化合物，能量?jī)?chǔ)存于其高能磷酸鍵中，可去磷酸化釋放能量供細(xì)胞利用，又可磷酸化儲(chǔ)存能量。高能磷酸鍵細(xì)胞的能量利用形式——ATP62食物中的能量如何轉(zhuǎn)換為ATP?

食物——（線粒體）——ATP

細(xì)胞氧化(細(xì)胞呼吸)在氧氣的參與下，線粒體內(nèi)分解各種大分子物質(zhì)，產(chǎn)生二氧化碳，同時(shí)，分解代謝所釋放的能量?jī)?chǔ)存于ATP中，又稱生物氧化。食物中的能量如何轉(zhuǎn)換為ATP?細(xì)胞氧化(細(xì)胞呼吸)在氧氣的63

1.糖酵解1葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+2NADH+2H反應(yīng)地點(diǎn):細(xì)胞質(zhì)2分子丙酮酸2乙酰輔酶A+2NADH+2H

+2CO22.乙酰輔酶A（CH3COSCOA）的生成反應(yīng)地點(diǎn):線粒體基質(zhì)例:葡萄糖的生物氧化過程1.糖酵解1葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+264乙酰輔酶A徹底氧化分解,生成1分子ATP,4對(duì)H,2CO2反應(yīng)地點(diǎn):線粒體基質(zhì)3.三羧酸循環(huán)4.電子傳遞和氧化磷酸化上述階段產(chǎn)生的12對(duì)H必須進(jìn)一步氧化為水，整個(gè)有氧氧化才告結(jié)束，但H不能與O2直接結(jié)合，實(shí)際上H離解為H+和e-（高能電子），電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞，最終使1/2O2還原為O2-與基質(zhì)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(yīng)地點(diǎn):線粒體內(nèi)膜反應(yīng)地點(diǎn):線粒體基質(zhì)3.三羧酸循環(huán)4.電子傳遞和氧化磷65細(xì)胞呼吸（細(xì)胞氧化）過程三羧酸循環(huán)電子傳遞和氧化磷酸化乙酰輔酶A的形成糖酵解圖示細(xì)胞呼吸的四個(gè)主要步驟細(xì)胞呼吸（細(xì)胞氧化）過程三羧酸電子傳遞和乙酰輔酶A的形成糖酵66二、線粒體與氧化應(yīng)激線粒體是細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧的一個(gè)重要部位，消耗氧用于合成ATP的同時(shí)不可避免地產(chǎn)生活性氧。氧化應(yīng)激作用下，膜轉(zhuǎn)運(yùn)孔道開放造成線粒體基質(zhì)內(nèi)的高滲透壓，使線粒體內(nèi)外H+梯度消失，呼吸鏈脫偶聯(lián)，能量產(chǎn)生中斷。還會(huì)由于水和溶質(zhì)的進(jìn)入使基質(zhì)腫脹并導(dǎo)致外膜破裂，通透性增高，釋放出包括細(xì)胞色素C在內(nèi)的各種活性蛋白。二、線粒體與氧化應(yīng)激線粒體是細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧的一個(gè)重要部位，67過多自由基的產(chǎn)生可導(dǎo)致mtDNA的損傷，氧化損傷是mtDNA突變的主要原因。線粒體本身也極易受氧化應(yīng)激的攻擊。活性氧在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的過程中扮演著重要的角色。活性氧的積累可以導(dǎo)致：線粒體膨大，線粒體內(nèi)膜非特異性孔道產(chǎn)生；細(xì)胞色素C從內(nèi)膜脫落并進(jìn)入到胞質(zhì)中；BAX表達(dá)，caspase活化等。這些都是啟動(dòng)細(xì)胞凋亡的因素。過多自由基的產(chǎn)生可導(dǎo)致mtDNA的損傷，氧化損傷是mtDNA68三、線粒體與細(xì)胞凋亡三、線粒體與細(xì)胞凋亡69線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件70線粒體影響細(xì)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(xì)胞色素c)3、產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)(ROS)線粒體具有大導(dǎo)電通道-線粒體的滲透轉(zhuǎn)變孔(permeabilitytransitionpores,PTpores)（二）滲透性轉(zhuǎn)變孔——起始凋亡的主開關(guān)線粒體內(nèi)膜跨膜電位的崩潰是細(xì)胞凋亡的變化之一。ROSCyt.c電子傳遞鏈和能量代謝受到破壞線粒體影響細(xì)胞凋亡1、電子傳遞鏈和能量代謝受到破壞線粒體具有71DNA斷片化起始胱冬肽酶執(zhí)行胱冬肽酶破壞細(xì)胞骨架細(xì)胞凋亡線粒體DNA修復(fù)抑制抑制形成凋亡小體(apoptosome)DNA斷片化起始胱冬肽酶執(zhí)行胱冬肽酶破壞細(xì)胞骨架細(xì)胞凋亡72線粒體與細(xì)胞凋亡小結(jié)線粒體與細(xì)胞凋亡小結(jié)73線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件74四、線粒體與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)線粒體已經(jīng)從細(xì)胞內(nèi)的寄生者演化為細(xì)胞代謝、應(yīng)激和死亡的關(guān)鍵調(diào)控者。線粒體通過動(dòng)態(tài)行為、外膜功能和產(chǎn)物變化（如ATP和ROS），在細(xì)胞死亡、抗病毒、抗炎、自噬等信導(dǎo)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(hào)。呼吸鏈蛋白、轉(zhuǎn)位蛋白、凋亡誘導(dǎo)因子等參與調(diào)控多種生理和病理過程。最近發(fā)現(xiàn)，線粒體Sirt3、4、5可感應(yīng)乙酰輔酶A等的濃度，反饋調(diào)控線粒體蛋白的乙?；健Ｋ?、線粒體與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)線粒體已經(jīng)從細(xì)胞內(nèi)的寄生者演化為細(xì)胞代75第四節(jié)、線粒體的半自主性(1)有mtDNA(約16569bp，環(huán)狀、裸露)可獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯,有其自已的遺傳特點(diǎn)(2)有自已特殊的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(mtDNA,線粒體核糖體,線粒體tRNA等)(3)其核糖體結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)合成起始過程及對(duì)藥物的敏感性都與細(xì)菌相似、不同于核(4)有其特殊的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),不與細(xì)胞質(zhì)交換DNA和RNA,不輸出蛋白質(zhì)1.自主性表現(xiàn)第四節(jié)、線粒體的半自主性(1)有mtDNA(約16569b76線粒體藥學(xué)細(xì)胞學(xué)課件77(1)mtDNA信息量少，只能合成5%的內(nèi)膜蛋白。

mtDNA編碼：2種rRNA（構(gòu)成線粒體核糖體）22種tRNA（線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）

13種多肽（只形成呼吸酶復(fù)合體的6個(gè)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(zhì)、氨基酸活化酶等仍由核基因編碼。2.自主性的限制(1)mtDNA信息量少，只能合成5%的內(nèi)膜蛋白。2.78第四節(jié)線粒體與藥物開發(fā)一、腫瘤細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)劑隨著線粒體調(diào)控細(xì)胞凋亡的發(fā)現(xiàn)，開始尋找一些可以通過線粒體而改變腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)活性甚至誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡達(dá)到治療腫瘤的藥物，如：紫杉醇、白樺脂酸、氯尼達(dá)明等。第四節(jié)線粒體與藥物開發(fā)一、腫瘤細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)劑隨著79紫杉醇現(xiàn)代天然藥物研究開發(fā)的典范英文名：Paclitaxel,Taxol?分子式：C47H51NO4二萜類化合物紫杉醇現(xiàn)代天然藥物研究開發(fā)的典范英文名：Paclitaxel80獨(dú)特的抗腫瘤作用機(jī)制紫杉醇可破壞腫瘤細(xì)胞線粒體的超微結(jié)構(gòu)，引起其跨膜電位的降低，從而誘導(dǎo)乳腺癌、卵巢癌、宮頸癌等腫瘤細(xì)胞的凋亡，導(dǎo)致細(xì)胞在有絲分裂時(shí)不能形成紡錘體和紡錘絲，抑制了細(xì)胞分裂和增殖，使癌細(xì)胞停止在G2期和M期，直至死亡，進(jìn)而起到抗癌作用。獨(dú)特的抗腫瘤作用機(jī)制紫杉醇可破壞腫瘤細(xì)胞線粒體的超微81紫杉醇的應(yīng)用紫杉醇是過去數(shù)十年里最好的天然抗腫瘤藥物之一，由于其獨(dú)特的作用機(jī)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(dú)特抗癌活性，作為晚期卵巢癌的治療藥，至今已在40多個(gè)國(guó)家獲準(zhǔn)上市，是目前治療乳腺癌和卵巢癌的特效藥。紫杉醇的應(yīng)用紫杉醇是過去數(shù)十年里最好的天然抗腫瘤藥物之82市場(chǎng)需求國(guó)際紫杉醇原料藥需求走勢(shì)圖（單位：公斤）國(guó)際紫杉醇銷售額（億美元）進(jìn)口：紫杉醇注射液(百時(shí)美-US)30mg/ml1329.93元平均每個(gè)病人費(fèi)用約88000元國(guó)產(chǎn)：紫杉醇注射液(京雙鷺)30mg/ml163.87元平均每個(gè)名人費(fèi)用約10000元市場(chǎng)需求國(guó)際紫杉醇原料藥需求走勢(shì)圖（單位：公斤）國(guó)際紫杉醇銷83二、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(xì)胞器。它提供了細(xì)胞所需能量，調(diào)節(jié)細(xì)胞Ca2＋的動(dòng)態(tài)平衡，維持細(xì)胞的電勢(shì)平衡作用，參與細(xì)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(diǎn)。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(dòng)下，聚集于細(xì)胞線粒體部位。由于腫瘤細(xì)胞的線粒體膜電位高于正常細(xì)胞，可提供推動(dòng)力使DLC在腫瘤細(xì)胞線粒體內(nèi)選擇性地積聚，而DLC在高濃度下將表現(xiàn)出線粒體毒性，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡。二、新型線粒體靶向抗腫瘤藥物電子移位親脂性陽離子（DLC）84電子移位親脂性陽離子具備親油、親水和帶有正電荷的特性，在結(jié)構(gòu)上有兩點(diǎn)共同之處：（1）由一個(gè)親水的帶電中心與一個(gè)疏水的核心連接而成；（2）其π電子云的密度擴(kuò)展至3個(gè)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帶正電荷的原因電子移位親脂性陽離子具備親油、親水和帶有正電荷的特性，在結(jié)構(gòu)85腫瘤細(xì)胞線粒體膜電位高于正常細(xì)胞的原因線粒體生產(chǎn)ATP的主要機(jī)理是靠線粒體不斷地從內(nèi)膜泵出質(zhì)子（H+、Na+、K+等）。質(zhì)子通過線粒體膜的正向推動(dòng)力產(chǎn)生ATP，從而產(chǎn)生了化學(xué)梯度（外側(cè)呈酸性，內(nèi)側(cè)呈堿性）、電勢(shì)梯度（外側(cè)帶正電荷，內(nèi)側(cè)帶負(fù)荷），導(dǎo)致線粒體的電勢(shì)差（內(nèi)膜與外膜的電位差ΔΨ