线粒体功能精品文稿.ppt

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1、线粒体功能线粒体功能第1页，本讲稿共41页线 粒 体 结 构第2页，本讲稿共41页n n线粒体是真核细胞的一种细胞器，包括四个功能区隔线粒体是真核细胞的一种细胞器，包括四个功能区隔 :外膜、内膜、膜间隙和基质。外膜、内膜、膜间隙和基质。n n主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占65-65-70%70%，脂类占，脂类占25-30%25-30%。第3页，本讲稿共41页外膜外膜(out membrane)n n膜孔蛋白（膜孔蛋白（porinporin）、离子通道蛋白以及）、离子通道蛋白以及Bcl-2 Bcl-2 家族蛋家族蛋白。白。n n由膜孔蛋白构成的亲

2、水通道，允许分子量为由膜孔蛋白构成的亲水通道，允许分子量为5KD5KD以下的分子通过，以下的分子通过，1KD1KD以下的分子可自由通过。以下的分子可自由通过。第4页，本讲稿共41页内膜内膜（inner membrane）n n电子传递链电子传递链(呼吸链呼吸链)复合物复合物IIV IIV 和复合物和复合物V(ATP V(ATP 合成酶合成酶)。n n通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。第5页，本讲稿共41页膜间隙膜间隙(intermembrane space)

3、n n细胞色素细胞色素C Cn n电压依赖性阴离子通道电压依赖性阴离子通道(VDAC)(VDAC)、ADP/ATPADP/ATP转换蛋转换蛋白。白。n n线粒体膜转运孔道线粒体膜转运孔道(mitochondrial permeable transition(mitochondrial permeable transition porepore，MPTP)MPTP)存在于内外膜接触点。存在于内外膜接触点。n n凋亡诱导因子凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor(apoptosis inducing factor，AIF)AIF)和和Procaspase 2Procasp

4、ase 2、3 3、9 9 及其他酶蛋白。及其他酶蛋白。第6页，本讲稿共41页基质（基质（matrix）n n三羧酸循环：除糖酵解在细胞质中进行外，其他的三羧酸循环：除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中。脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中。n n线粒体基因组：基质具有一套完整的转录和翻译体系。线粒体基因组：基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体包括线粒体DNADNA（mtDNAmtDNA），），70S70S型核糖体，型核糖体，tRNAs tRNAs、rRNArRN

5、A、DNADNA聚合酶等。聚合酶等。n n存储钙离子的致密颗粒。存储钙离子的致密颗粒。第7页，本讲稿共41页线粒体线粒体DNA第8页，本讲稿共41页线粒体基因组线粒体基因组n n哺乳动物的线粒体基因哺乳动物的线粒体基因DNADNA没有内含子，几乎每一对没有内含子，几乎每一对核苷酸都参与一个基因的组成。核苷酸都参与一个基因的组成。n n线粒体基因组能够单独进行复制、转录及合成蛋白质。线粒体基因组能够单独进行复制、转录及合成蛋白质。n n仅有少数线粒体蛋白质是由仅有少数线粒体蛋白质是由mtDNAmtDNA编码，大多数线粒编码，大多数线粒体蛋白质（体蛋白质（90%90%）还是由核）还是由核DNADN

6、A编码。编码。第9页，本讲稿共41页mtDNA n n环状，编码环状，编码2 2 种种rRNArRNA、22 22 种种tRNAtRNA和和13 13 种参与呼吸种参与呼吸链形成的多肽。链形成的多肽。n n通常裸露且不含内含子，既缺乏组蛋白保护和完善的通常裸露且不含内含子，既缺乏组蛋白保护和完善的自我修复系统，又靠近内膜呼吸链，极易受环境影响，自我修复系统，又靠近内膜呼吸链，极易受环境影响，突变频率比突变频率比nDNA nDNA 高高1020 1020 倍。倍。n n如果线粒体如果线粒体DNADNA发生突变，不能产生足够发生突变，不能产生足够ATPATP而导致而导致细胞功能减退甚至死亡，临床上

7、表现复杂多样，细胞功能减退甚至死亡，临床上表现复杂多样，即线粒体病。即线粒体病。n n母系遗传。母系遗传。第10页，本讲稿共41页线粒体功能线粒体功能第11页，本讲稿共41页n n能量供应n n氧化应激n n凋亡n n钙储池n n细胞周期、信号转导n n肿瘤n n发育等第12页，本讲稿共41页线粒体与能量供应线粒体与能量供应第13页，本讲稿共41页n n细胞有氧呼吸和供能的场所，供应细胞生命活细胞有氧呼吸和供能的场所，供应细胞生命活动动95%95%的能量。的能量。n n线粒体的主要功能是把氧化各种底物产生的自由线粒体的主要功能是把氧化各种底物产生的自由能转化为可被细胞直接利用的形式能转化为可被

8、细胞直接利用的形式ATPATP。n n线粒体具有能量代谢与自由基代谢两条途径。线粒体具有能量代谢与自由基代谢两条途径。第14页，本讲稿共41页燃料分燃料分解解（胞质（胞质中）中）乙酰乙酰CoA生成生成三羧酸循三羧酸循环环(线粒体基线粒体基质质)电子传递和氧电子传递和氧化磷酸化化磷酸化(内膜上内膜上)生成生成ATP葡萄糖葡萄糖脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸第15页，本讲稿共41页线粒体与氧化应激线粒体与氧化应激第16页，本讲稿共41页n n线粒体是细胞中产生活性氧的一个重要部位，消耗氧线粒体是细胞中产生活性氧的一个重要部位，消耗氧用于合成用于合成ATPATP的同时不可避免地产生活性氧。的同时不可避免地

9、产生活性氧。n n氧化应激作用下，膜转运孔道开放造成线粒体基质内氧化应激作用下，膜转运孔道开放造成线粒体基质内的高渗透压，使线粒体内外的高渗透压，使线粒体内外H H+梯度消失，呼吸链脱偶梯度消失，呼吸链脱偶联，能量产生中断。联，能量产生中断。n n还会由于水和溶质的进入使基质肿胀并导致外膜破裂，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通透性增高，释放出包括细胞色素C C在内的各种活性在内的各种活性蛋白。蛋白。第17页，本讲稿共41页n n过多自由基的产生可导致过多自由基的产生可导致mtDNAmtDNA的损伤，氧化损伤的损伤，氧化损伤是是mtDNAmtDNA

10、突变的主要原因。突变的主要原因。n n线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。第18页，本讲稿共41页n n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。活性氧在启动和调节细胞凋亡的过程中扮演着重要的角色。n n活性氧的积累可以导致：活性氧的积累可以导致：n n线粒体膨大，线粒体内膜非特异性孔道产生；线粒体膨大，线粒体内膜非特异性孔道产生；n n细胞色素细胞色素C C从内膜脱落并进入到胞质中；从内膜脱落并进入到胞质中；n nBAXBAX表达，表达，caspasecaspase活化等。活化等。这些都是启动细胞凋亡的因素。这些都是启动细胞凋亡的因素。第19页，本讲

11、稿共41页线粒体与凋亡第20页，本讲稿共41页n n从线粒体释放的细胞色素从线粒体释放的细胞色素C C与凋亡诱导因子、与凋亡诱导因子、Procaspase Procaspase 9 9结合在一起形成结合在一起形成“凋亡体凋亡体”（ApoptosomeApoptosome），导致），导致Caspase 9Caspase 9和和Caspase 3Caspase 3的激活。的激活。n n内膜内膜Bcl-2 Bcl-2 家族蛋白调控紊乱。家族蛋白调控紊乱。n nCaspasesCaspases激活、胞浆激活、胞浆CaCa+水平升高、产生神经酰胺，直水平升高、产生神经酰胺，直接或间接地引发膜转运孔道持续

12、开放。接或间接地引发膜转运孔道持续开放。ROS膜转运孔道持续开放凋亡膜转运孔道持续开放凋亡第21页，本讲稿共41页钙储池钙储池第22页，本讲稿共41页n n线粒体感受到钙微区，通过膜上协同转运体将钙摄线粒体感受到钙微区，通过膜上协同转运体将钙摄入基质，然后以磷酸钙的形式储存在一些较大的致入基质，然后以磷酸钙的形式储存在一些较大的致密颗粒中。密颗粒中。n n积累的积累的CaCa2+2+又可以通过钠钙交换系统和膜转运孔又可以通过钠钙交换系统和膜转运孔道再次释放到胞质，从而调节胞浆中钙离子的动态道再次释放到胞质，从而调节胞浆中钙离子的动态平衡，影响细胞内许多相关的生理活动，如信号传平衡，影响细胞内许

13、多相关的生理活动，如信号传导、能量代谢和细胞凋亡。导、能量代谢和细胞凋亡。n nCaCa2+2+能结合线粒体膜转运孔道上的金属结合位点，开放膜能结合线粒体膜转运孔道上的金属结合位点，开放膜转运孔道，从而诱导渗透压的改变、转运孔道，从而诱导渗透压的改变、ATPATP的耗竭和线粒体的耗竭和线粒体的皱缩，细胞色素的皱缩，细胞色素 C C释放，活化释放，活化 Caspase 9Caspase 9和和Caspase 3Caspase 3，诱发细胞凋亡。诱发细胞凋亡。第23页，本讲稿共41页线粒体功能紊乱线粒体功能紊乱 第24页，本讲稿共41页n n线粒体病（primary genetic defects

14、）n n线粒体病理性损伤第25页，本讲稿共41页线粒体病 第26页，本讲稿共41页n nmtDNAmtDNA突变突变(点突变、缺失、插入）导致线粒体功能点突变、缺失、插入）导致线粒体功能缺陷。如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病、老年性缺陷。如线粒体肌病和脑肌病、线粒体眼病、老年性痴呆、帕金森病、糖尿病等。痴呆、帕金森病、糖尿病等。n nmtDNAmtDNA突变随着年龄累积。突变随着年龄累积。第27页，本讲稿共41页n nmtDNAmtDNA突变突变n n呼吸链复合体呼吸链复合体I IIVIV活性下降活性下降n nATPATP合成减少合成减少n n氧自由基产生增多氧自由基产生增多n n钙稳态失衡钙

15、稳态失衡n n脂质氧化增强脂质氧化增强线粒体功能变化线粒体功能变化第28页，本讲稿共41页线粒体病理性损伤 第29页，本讲稿共41页II型糖尿病型糖尿病n n胰岛胰岛 细胞线粒体参与胰岛素分泌、胰岛素抵抗的形成。细胞线粒体参与胰岛素分泌、胰岛素抵抗的形成。n n线粒体是高血糖时细胞线粒体是高血糖时细胞ROSROS的重要来源。的重要来源。n n线粒体氧自由基增多与糖尿病微血管并发症的发病机线粒体氧自由基增多与糖尿病微血管并发症的发病机制相关。制相关。n n线粒体本身受氧化应激攻击，导致线粒体本身受氧化应激攻击，导致mtDNA mtDNA 合成减少、合成减少、发生突变。发生突变。第30页，本讲稿共

16、41页n nglucose-induced ROS initiates mesangial cells apoptosis glucose-induced ROS initiates mesangial cells apoptosis n nglucose-induced ROS initiates podocyte apoptosis glucose-induced ROS initiates podocyte apoptosis and depletion and depletion n nglucose-induced ROS initiates endothelial cell glu

17、cose-induced ROS initiates endothelial cell apoptosisapoptosisn nglucose-induced ROS initiates tubular cells apoptosisglucose-induced ROS initiates tubular cells apoptosis糖尿病肾病糖尿病肾病High glucosemitochondrial ROSkidney cells apoptosis第31页，本讲稿共41页n nNitrotyrosine level(Nitrotyrosine level(硝基酪氨酸硝基酪氨酸,ma

18、rker of oxidative,marker of oxidative stress)stress)n ncomplex I and complex Vcomplex I and complex Vn nATP/ADP ratioATP/ADP ration nUncoupling protein-2(UCP-2)expressionUncoupling protein-2(UCP-2)expressionn nmembrane potentialmembrane potentialM.Anello et al.Functional and morphological alteration

19、s of mitochondria in pancreatic beta cells from type 2 diabetic patients.Diabetologia,(2005)48:2822897 cases,clinical diabetes was 5.60.6 years胰岛组织:第32页，本讲稿共41页n n8-8-羟基脱氧鸟嘌呤羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG(8-OHdG，kidney and urine)kidney and urine)n nMitochondrial DNA DeletionMitochondrial DNA Deletionn nCOX I/COX IV

20、(mt DNA/nDNA)COX I/COX IV(mt DNA/nDNA)Maiko Kakimoto,Toyoshi Inoguchi,Toshiyo Sonta.Accumulation of 8-Hydroxy-2-Deoxyguanosine and Mitochondrial DNA Deletion in Kidney of Diabetic Rats.Diabetes 51:15881595,2002STZ rats,观察时间：4，8周肾组织:第33页，本讲稿共41页n nNADH dehydrogenase(complex I)NADH dehydrogenase(compl

21、ex I)n ncytochrome-c oxidase(complex IV)cytochrome-c oxidase(complex IV)n nCOX I COX I n n mtDNA levels mtDNA levelsn nmtDNA deletionmtDNA deletionDirk Lebrecht1,Bernhard Setzer1,Rolf Rohrbach,et al.Mitochondrial DNA and its respiratory chain products are defective in doxorubicin nephrosis.Nephrol D

22、ial Transplant,2004,19:329336doxorubicin nephrosis rats肾组织：第34页，本讲稿共41页n nATPATPn n膜转运通道开放程度膜转运通道开放程度n ncytochrome c cytochrome c n ncaspase 3 caspase 3 n nCaCa+Peraza MA,et al.Morphological and functional alterations in human proximal tubular cell line induced by low level inorganic arsenic:evidenc

23、e for targeting of mitochondria and initiated apoptosis.J Appl Toxicol.2006,26(4):356-67体外培养肾小管上皮细胞第35页，本讲稿共41页线粒体功能检测第36页，本讲稿共41页n nenzyme activity assays(enzyme activity assays(分光光度法分光光度法)NADH(complex I),NADH(complex I),succinate dehydrogenase(complex II)succinate dehydrogenase(complex II)细胞色素细胞色素

24、c c还原酶还原酶 (complex III)(complex III)COX(complex IV)COX(complex IV)n nATP ATP（luciferin/luciferase luciferin/luciferase发光法，核磁发光法，核磁 共共振法）振法）n n呼吸控制率呼吸控制率(ATP ATP 合成功能，氧电极法合成功能，氧电极法)能量供应能量供应第37页，本讲稿共41页氧化应激氧化应激n n8-8-羟基脱氧鸟嘌呤羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG(8-OHdG，ELISAELISA法法)n nROS(ROS(分光光度法分光光度法)n nglutathione and co

25、enzyme Q(glutathione and coenzyme Q(分光光度法分光光度法,HPLC)HPLC)第38页，本讲稿共41页n n细胞色素细胞色素C C含量（含量（western blot)western blot)n ncaspase-9 and caspase-3(caspase-9 and caspase-3(分光光度法分光光度法)n nBCL-2(BCL-2(免疫组化，免疫组化，western blot)western blot)n nBAX(BAX(免疫组化，免疫组化，western blot)western blot)n n膜转运通道开放程度膜转运通道开放程度(分光光度法分光光度法)n nCaCa+(分光光度法分光光度法)n n膜电位膜电位凋凋 亡亡第39页，本讲稿共41页n nlevels of mtDNA(PCR)levels of mtDNA(PCR)n nmtDNA deletion(PCR)mtDNA deletion(PCR)n nCOX I/COX IV(PCRCOX I/COX IV(PCR，免疫组化，免疫组化，western blot)western blot)mtDNA第40页，本讲稿共41页Thank you第41页，本讲稿共41页