線粒體-藥學(xué)細(xì)胞學(xué)

線粒體-藥學(xué)細(xì)胞學(xué)第一頁，共46頁。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，也是動物細(xì)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(guān)。線粒體是一個結(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)雜的動態(tài)變化。第二頁，共46頁。1850s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序。第三頁，共46頁。Krebs和Mitchell第四頁，共46頁。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)、大小第五頁，共46頁。依細(xì)胞類型而異，動物細(xì)胞一般數(shù)百到數(shù)千個。利什曼原蟲:一個巨大的線粒體；海膽卵母細(xì)胞：30多萬個。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；運動員肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不常運動人的多。（二）數(shù)量第六頁，共46頁。（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)。第七頁，共46頁。線粒體的分布（三重染色）第八頁，共46頁。二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)第九頁，共46頁。(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)第十頁，共46頁。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)有兩個封閉空間：膜間隙和基質(zhì)。外膜光滑，有孔蛋白和轉(zhuǎn)運酶，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)第十一頁，共46頁。1.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。第十二頁，共46頁。第三節(jié)線粒體的功能能量供應(yīng)氧化應(yīng)激凋亡鈣儲池細(xì)胞周期、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)腫瘤發(fā)育等第十三頁，共46頁。一、線粒體與能量供應(yīng)

※

線粒體功能:氧化磷酸化,合成ATP

通過對營養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)與ADP磷酸化(儲能)的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換，合成ATP，直接提供細(xì)

胞生命活動所需能量的95%以上。包括：細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸）

ADP磷酸化 第十四頁，共46頁。第十五頁，共46頁。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，能量儲存于其高能磷酸鍵中，可去磷酸化釋放能量供細(xì)胞利用，又可磷酸化儲存能量。高能磷酸鍵第十六頁，共46頁。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，分解代謝所釋放的能量儲存于ATP中，又稱生物氧化。第十七頁，共46頁。

1.糖酵解1葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+2NADH+2H反應(yīng)地點: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:線粒體基質(zhì)例:葡萄糖的生物氧化過程第十八頁，共46頁。乙酰輔酶A徹底氧化分解,生成1分子ATP,4對H,2CO2反應(yīng)地點: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H必須進(jìn)一步氧化為水，整個有氧氧化才告結(jié)束，但H不能與O2直接結(jié)合，實際上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:線粒體內(nèi)膜第十九頁，共46頁。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)胞呼吸的四個主要步驟第二十頁，共46頁。二、線粒體與氧化應(yīng)激線粒體是細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧的一個重要部位，消耗氧用于合成ATP的同時不可避免地產(chǎn)生活性氧。氧化應(yīng)激作用下，膜轉(zhuǎn)運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。第二十一頁，共46頁。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?；钚匝踉趩雍驼{(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的過程中扮演著重要的角色?；钚匝醯姆e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。這些都是啟動細(xì)胞凋亡的因素。第二十二頁，共46頁。三、線粒體與細(xì)胞凋亡第二十三頁，共46頁。第二十四頁，共46頁。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第二十五頁，共46頁。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)胞凋亡線粒體DNA修復(fù)抑制抑制形成凋亡小體(apoptosome)第二十六頁，共46頁。線粒體與細(xì)胞凋亡小結(jié)第二十七頁，共46頁。第二十八頁，共46頁。四、線粒體與信號轉(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。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５诙彭?，共46頁。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(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯,有其自已的遺傳特點(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)第三十頁，共46頁。第三十一頁，共46頁。(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RNA）

13種多肽（只形成呼吸酶復(fù)合體的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(zhì)、氨基酸活化酶等仍由核基因編碼。2.自主性的限制第三十二頁，共46頁。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。第三十三頁，共46頁。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：C47H51NO4二萜類化合物第三十四頁，共46頁。獨特的抗腫瘤作用機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。第三十五頁，共46頁。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(zhǔn)上市，是目前治療乳腺癌和卵巢癌的特效藥。第三十六頁，共46頁。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(jìn)口：紫杉醇注射液(百時美-US)30mg/ml1329.93元平均每個病人費用約88000元國產(chǎn)：紫杉醇注射液(京雙鷺)30mg/ml163.87元平均每個名人費用約10000元第三十七頁，共46頁。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＋的動態(tài)平衡，維持細(xì)胞的電勢平衡作用，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。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(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。第三十八頁，共46頁。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π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帶正電荷的原因第三十九頁，共46頁。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，需要細(xì)胞提供更多能量來滿足細(xì)胞的生長，所以腫瘤細(xì)胞的電勢梯度（即線粒體膜電位ΔΨm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常上皮細(xì)胞。第四十頁，共46頁。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左右的推動力，使腫瘤細(xì)胞為DLC所提供的推動力是正常細(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。第四十一頁，共46頁。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(rèn)識。目前已發(fā)現(xiàn)，與mtDNA突變有關(guān)的人類