线粒体药学细胞学.pptx

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1、第一节第一节、线粒体概论、线粒体概论o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。o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)。o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。o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。第1页/共46页o1850s已观察到线粒体，被描述为细胞中的线和粒。o1888，Kollicker分离肌线粒体，认为线粒体有脂质被膜。o1890，Altman猜测线粒体（bioplast）是胞内的菌样克隆

2、，是自治的基本生命单元。o1897，Benda命名mitochondrion，沿用至今。o1940s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。o1961，Mitchell提出ATP合成的化学渗透假说。o1963，Nass M和Nass S发现线粒体DNA。o1981，剑桥大学Anderson等完成人线粒体基因组测序。第2页/共46页Krebs和和Mitchell第3页/共46页第二节第二节、线粒体的形态结构、线粒体的形态结构一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布一、光镜下线粒体形态、大小、数量及

3、分布直径约直径约0.51um线状线状颗粒状颗粒状故名线粒体故名线粒体（一）形态、大小第4页/共46页u 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：3030多万个。u 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）数量第5页/共46页（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，

4、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。第6页/共46页线粒体的分布（三重染色）线粒体的分布（三重染色）第7页/共46页二、线粒体的亚微结构二、线粒体的亚微结构第8页/共46页(a)(a)扫描电镜照片：扫描电镜照片：示线粒体立体结构；示线粒体立体结构；(b)(b)透射电镜照片：透射电镜照片：示线粒体内部结构示线粒体内部结构第9页/共46页电镜下可见，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

5、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。线粒体的基本结构第10页/共46页1.含酶最多的细胞器；含酶最多的细胞器；2.内膜为膜蛋白最丰富的膜；内膜为膜蛋白最丰富的膜；3.唯一含唯一含DNA,核糖体的细胞器。核糖体的细胞器。第11页/共46页第三节 线粒体的功能o能量供应o氧化应激o凋亡o钙储池o细胞周期、信号转导o肿瘤o发育等第12页/共46页一 、线粒体与能量供应 线粒体功能:氧化磷酸化,合成ATPATP 通过对营养物质(糖、脂肪、氨基酸等)氧化(放能)与AD

6、PADP磷 酸化(储能)的偶联反应完成能量转换，合成ATPATP，直接提供细 胞生命活动所需能量的95%95%以上。包括：细胞氧化（细胞呼吸）ADPADP磷酸化 第13页/共46页第14页/共46页细胞的能量利用形式细胞的能量利用形式 ATP 去磷酸化去磷酸化 A-PPP A-PP+Pi+7.3千卡千卡 磷酸化磷酸化 ATPATP是一种高能是一种高能磷酸化合物，能磷酸化合物，能量储存于其高能量储存于其高能磷酸键中，可去磷酸键中，可去磷酸化释放能量磷酸化释放能量供细胞利用，又供细胞利用，又可磷酸化储存能可磷酸化储存能量。量。高能磷酸键高能磷酸键第15页/共46页l食物中的能量如何转换为食物中的能

7、量如何转换为 ATP?ATP?食物食物（线粒体）（线粒体）ATPATP 细胞氧化细胞氧化(细胞呼吸细胞呼吸)在氧气的参与下，线粒体内分解各种大分子在氧气的参与下，线粒体内分解各种大分子物质，产生二氧化碳，同时，分解代谢所释物质，产生二氧化碳，同时，分解代谢所释放的能量储存于放的能量储存于ATPATP中，又称生物氧化。中，又称生物氧化。第16页/共46页 1.糖酵解糖酵解1葡萄糖葡萄糖 2 2分子丙酮酸分子丙酮酸+2+2ATP+2NADH+2HATP+2NADH+2H反应地点反应地点:细胞质细胞质2 2分子丙酮酸分子丙酮酸 2乙酰辅酶乙酰辅酶A+2NADH+2HA+2NADH+2H +2CO+2

8、CO2 22.乙酰辅酶乙酰辅酶A A（CH3COSCOACH3COSCOA）的生成）的生成反应地点反应地点:线粒体基质线粒体基质例:葡萄糖的生物氧化过程生物氧化过程第17页/共46页乙酰辅酶乙酰辅酶A A彻底氧化分解彻底氧化分解,生成生成1 1分子分子ATP,ATP,4 4对对H,H,2 2COCO2 2反应地点反应地点:线粒体基质线粒体基质3.三羧酸循环三羧酸循环4.电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化上述阶段产生的上述阶段产生的1212对对H H必须进一步氧化为水，整必须进一步氧化为水，整个有氧氧化才告结束，但个有氧氧化才告结束，但H H不能与不能与O O2 2直接结合，直接结合，实际

9、上实际上H H离解为离解为 H H+和和e e-（高能电子），电子经过（高能电子），电子经过呼吸链传递，最终使呼吸链传递，最终使1/2 1/2 O O2 2还原为还原为O O2-2-与基质中的与基质中的2 2H H+化合生成水化合生成水,电子传递过程中释放的能量被用电子传递过程中释放的能量被用于于ADPADP磷酸化为磷酸化为ATP。反应地点反应地点:线粒体内膜线粒体内膜第18页/共46页细胞呼吸（细胞氧化）过程三羧酸循环电子传递和电子传递和氧化磷酸化氧化磷酸化乙酰辅酶乙酰辅酶A的形成的形成糖酵解糖酵解图示 细胞呼吸的四个主要步骤第19页/共46页二、线粒体与氧化应激o线粒体是细胞中产生活性氧的

10、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。o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。o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。第20页/共46页o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。o线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。o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。o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

11、些都是启动细胞凋亡的因素。第21页/共46页三、线粒体与细胞凋亡第22页/共46页第23页/共46页线粒体影响细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡1 1 1 1、电子传递链和能量代谢受到破坏、电子传递链和能量代谢受到破坏、电子传递链和能量代谢受到破坏、电子传递链和能量代谢受到破坏2 2 2 2、释放胱冬肽酶激活蛋白、释放胱冬肽酶激活蛋白、释放胱冬肽酶激活蛋白、释放胱冬肽酶激活蛋白(细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素c)c)c)c)3 3 3 3、产生活性氧类物质、产生活性氧类物质、产生活性氧类物质、产生活性氧类物质(ROS)(ROS)(ROS)(ROS)线线线线粒粒粒粒

12、体体体体具具具具有有有有大大大大导导导导电电电电通通通通道道道道-线线线线粒粒粒粒体体体体的的的的渗渗渗渗透透透透转转转转变变变变孔孔孔孔(permeability transition pores,PT pores)(permeability transition pores,PT pores)（二）渗透性转变孔（二）渗透性转变孔（二）渗透性转变孔（二）渗透性转变孔起始凋亡的主开关起始凋亡的主开关起始凋亡的主开关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线粒体内膜跨膜电位的崩溃是细胞凋亡的变化之一。ROSROSCyt.cCyt.c电电子子传传递递链链和和能能量量代代谢谢受受

13、 到到 破破 坏坏第24页/共46页DNADNA断片化断片化断片化断片化起始胱冬肽酶起始胱冬肽酶起始胱冬肽酶起始胱冬肽酶 执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶 破坏细胞骨架破坏细胞骨架破坏细胞骨架破坏细胞骨架细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡线粒体线粒体DNADNA修复修复修复修复抑制抑制抑制抑制形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体(apoptosome)(apoptosome)(apoptosome)(apoptosome)(apoptosome)(apoptosome)第25页/共46页线线粒粒体体与与细细胞胞凋凋亡亡小

14、小结结第26页/共46页第27页/共46页四、四、线粒体与信号转导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28页/共46页第四节、线粒体的半自主性第四节、线粒体的半自主性(1)(1)有有

15、mtDNA mtDNA(约约1 16569bp6569bp，环环状状、裸裸露露)可可独独立立进进行复制、转录、翻译行复制、转录、翻译,有其自已的遗传特点有其自已的遗传特点(2)(2)有有自自已已特特殊殊的的蛋蛋白白质质合合成成系系统统(mtDNA,mtDNA,线线粒粒体体核糖体核糖体,线粒体线粒体tRNAtRNA等等)(3)(3)其其核核糖糖体体结结构构、蛋蛋白白质质合合成成起起始始过过程程及及对对药药物物的敏感性都与细菌相似、不同于核的敏感性都与细菌相似、不同于核 (4)(4)有有其其特特殊殊的的物物质质转转运运系系统统,不不与与细细胞胞质质交交换换DNADNA和和RNA,RNA,不输出蛋白

16、质不输出蛋白质1.1.自主性表现自主性表现第29页/共46页第30页/共46页(1)mtDNA(1)mtDNA 信息量少，只能合成信息量少，只能合成5%5%的内膜蛋白。的内膜蛋白。mtDNAmtDNA编码：编码：2 2种种rRNArRNA（构成线粒体核糖体）（构成线粒体核糖体）22 22种种tRNAtRNA（线粒体转运（线粒体转运 RNARNA）1313种多肽（只形成呼吸酶复合体的种多肽（只形成呼吸酶复合体的6 6个亚单位）个亚单位）(2)(2)其其蛋蛋白白合合成成系系统统中中的的DNADNA聚聚合合酶酶，RNARNA聚聚合合酶酶，核糖体蛋白质、氨基酸活化酶等仍由核基因编码。核糖体蛋白质、氨基

17、酸活化酶等仍由核基因编码。2.自主性的限制自主性的限制第31页/共46页第四节 线粒体与药物开发一、肿瘤细胞凋亡诱导剂一、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、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。氯尼达明等。第32页/共46页紫杉醇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 二萜类化合物第33页/共4

18、6页独特的抗肿瘤作用机制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。第34页/共46页紫杉醇的应用 紫杉醇是过去数十年里紫杉醇是过去数十年里最好的天然抗肿瘤药最好的天然抗肿瘤药物之一物之一，由于其独特的作用机制使之成为继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环磷酰胺、阿霉素、顺铂后又一重要的抗肿瘤药物。瘤药物。它具有它具有独特抗癌活性独特抗癌活性，作为晚期卵巢

19、癌的治，作为晚期卵巢癌的治疗药，至今已在疗药，至今已在4040多个国家获准上市，是目多个国家获准上市，是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。第35页/共46页市场需求市场需求国际紫杉醇原料药需求走势图（单位：公斤）国际紫杉醇原料药需求走势图（单位：公斤）国际紫杉醇销售额（亿美元）国际紫杉醇销售额（亿美元）进口：紫杉醇注射液进口：紫杉醇注射液(百时美百时美-US)30mg/ml 1329.93-US)30mg/ml 1329.93元元平均每个病人费用约平均每个病人费用约8800088000元元国产：紫杉醇注射液国产：紫杉醇注射液(京双鹭京双鹭)30mg/ml 163.8

20、7)30mg/ml 163.87元元平均每个名人费用约平均每个名人费用约1000010000元元第36页/共46页二、新型线粒体靶向抗肿瘤药物二、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

21、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。第37页/共46页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带正电荷的原因带正电荷的原因第38页/共46页肿瘤细胞线粒体膜电位高于正常细胞的原因肿瘤细胞线粒体膜电位高于正常细胞的原因u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

22、（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）。u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。第39页/共46页u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。u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。uDLC 类分子穿过细胞膜和线粒体膜的疏水屏障，并在膜

23、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40页/共46页第五节 线粒体与医学一、mtDNAmtDNA突变与疾病 19871987年WallaceWallace通过对mtDNAmtDNA突变和LeberLeber遗传 性视神经病（Lebers hereditary optic Lebers hereditary optic neuropathy,LHONneuropathy,LHON）关系的研究，第一次明确地提出，

24、mtDNAmtDNA突变可引起人类疾病。近1010多年来，随着对线粒体基因组研究的发展，人们对mtDNAmtDNA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mtDNAmtDNA突变有关的人类疾病多达百余种以上。第41页/共46页mtDNAmtDNA突变类型及线粒体病 1 1、碱基替换：与脑、脊髓性及神经性疾病有关 2 2、mtDNAmtDNA缺失、插入突变：与眼肌疾病有关 3 3、蛋白质生物合成基因突变：均为tRNAtRNA突变，常引发癫伴碎红纤维病 4 4、拷贝数目突变：少见第42页/共46页二、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

25、）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（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、叠氮钠及COCO等毒物阻断呼吸链，使氧化磷酸化中断等毒物阻断呼吸链，使氧化磷酸化中断，ATPATP合成受阻，导致机体死亡。合成受阻，导致机体死亡。第43页/共46页三、线粒体某些组分的治疗作用三、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，已越来越多地受用线粒体的一些特殊组分来治疗疾病，已

26、越来越多地受到人们的关注。到人们的关注。细胞色素细胞色素C C：治疗一氧化炭中毒、新生儿窒息、肺功能治疗一氧化炭中毒、新生儿窒息、肺功能 不全、高山缺氧、心肌炎及心绞痛；不全、高山缺氧、心肌炎及心绞痛；辅酶（辅酶（NADNAD）：）：治疗进行性肌萎缩、肝炎；治疗进行性肌萎缩、肝炎；CoQCoQ：牙周病、高血压、肌肉萎缩及急性黄胆性肝炎等。牙周病、高血压、肌肉萎缩及急性黄胆性肝炎等。第44页/共46页总结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,半自主性的表现第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页