第三章 线粒体功能及其相关毒性作用

低。
线粒体膜势能的检测
1. 线粒体在细胞凋亡的过程中起着枢纽作用，多种细胞凋亡刺激因子均可诱导不
同的细胞发生凋亡，而线粒体跨膜电位的下降，被认为是细胞凋亡级联反应过
程中最早发生的事件，它发生在细胞核凋亡特征(染色质浓缩、DNA断裂)出现 之前，一旦线粒体崩溃，则细胞凋亡不可逆转。
2.
线粒体跨膜电位的存在，使一些亲脂性阳离子荧光染料可结合到线粒
作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出4 H+ （2个来自UQ，2个来自基质） 复合物Ⅳ：细胞色素c氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成： 二聚体，每一单体含13个亚基，三维构象， cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出， 2 H+ 参与形成水
线粒体损伤的检测
线粒体膜势能检测
1. 线粒体在细胞凋亡的过程中起着枢纽作用，多种细胞凋亡刺激因子
均可诱导不同的细胞发生凋亡，而线粒体跨膜电位的下降，被认为
是细胞凋亡级联反应过程中最早发生的事件，它发生在细胞核凋亡 特征(染色质浓缩、DNA断裂)出现之前，一旦线粒体崩溃，则细胞凋
亡不可逆转。
2. 线粒体跨膜电位的存在，使一些亲脂性阳离子荧光染料可结合到线 粒体基质，其荧光的增强或减弱说明线粒体内膜电负性的增高或降
下降，出现动脉粥样硬化等，同样线粒体膜和溶酶体膜的脂
质过氧化反应也会出现相同的后果，并且脂质过氧化会诱发 新的自由基的产生。 • 对蛋白质的作用：会造成蛋白质的交联、聚合和肽链的断裂， 也可以使蛋白质和脂类结合形成聚合物，是蛋白质丧失功能。
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自由基损害作用
• 对核酸的作用：自由基作用于DNA，与碱基发生加成反应，造成对碱 基的修饰，从而引起基因突变；也可以引起DNA链的断裂，以及染色 体畸变和染色体断裂。 • 对细胞外基质的破坏：氧自由基可以使细胞外基质中胶原纤维的胶原 蛋白发生交联，使透明质酸降解，从而引起基质变得疏松，弹性下降， 出现皱纹。
超载时，引起线粒体功能障碍。
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Ca2+浓度的持续升高
1. 高血压：Ca2+释放的增加使更多的钙离子进入平滑肌细胞，同时还 促进了细胞内储存Ca2+的释放，细胞内储存钙的释放再加上细胞外
钙离子的内流可引起血管平滑肌的收缩，且影响细胞的生长，造成
血管肥大，导致结构性和功能性外周阻力增高，血压增高。 2. 帕金森病：在正常情况下，神经元中持久的钙离子信号转到的影响 是受到线粒体Ca2+释放和累积的调节，定位于线粒体内膜上的呼吸 链蛋白复合体，从线粒体机制排出质子，产生一个150v-180mv（内 侧负）的线粒体膜电位，这个电化学梯度驱动了ATP的合成并且提供 了Ca2+在线粒体内侧的转运。在PD病人中，线粒体功能异常使钙离 子超载，导致多巴胺神经元更加兴奋。
线 粒 体 产 能 （ ATP ） 示 意 图
糖 丙酮酸
脂肪 脂肪酸
CoA
三羧酸循环TCA NADH或FADH2 电子传递到 形成质子电化 氧生成水 学梯度
线粒体内膜 丙酮酸载体
ATP合成酶 合成ATP
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（一）线粒体中的氧化代谢
线粒体是糖类、
脂类和蛋白质最终氧
化释能的场所，TCA
是物质氧化的最终共
线粒体的基本结构
高度动态的细胞器：线粒体的大小、数量和分布反应了细胞对能量的需求。
线粒体及其相关毒性作用
线粒体外膜
外膜上分布有孔蛋白（porin）构成的桶装通道，直径2-3nm，当孔蛋白通道完全打开时，可以通 过相对分子质量高达5000的分子。 ATP 、NAD、辅酶A等相对分子质量小于1000的物质均可自由通过外膜。因此，外膜的通透性很高，
ATP合酶的工作特点：可逆性复合酶 ATP耗竭
1. 主要的能量物质，参与生物合成以及磷酸化、肌肉收缩、细胞骨架
聚合、细胞运动、细胞分裂、膜泡转运。
2. 3. 质膜和内质网膜上的钙泵、溶酶体膜质子泵等多种离子泵功能失常。 线粒体功能的异常：氧化磷酸化过程受到损害，ADP堆积，ATP耗竭，
细胞内酸中毒、离子堆积，细胞容量调节失控，最终导致细胞膜的
细胞中线粒体的数量随年龄增长而减少，而体积却随年龄增长而增大。
人类线粒体疾病其原发机制都是mtDNA异常（突变、缺失、重排）引 起的遗传性疾病，表现为电子传递酶系和氧化磷酸化酶系的异常。 诱导因素之一为氧自由基，机体衰老即退行性疾病时，Mn-SOD活性降 低，氧自由基就积累在线粒体中，从而导致多种疾病的发生。 氧自由基造成mtDNA氧化损伤的积累量可比核DNA高16倍，同时 mtDNA不具有核基因的修复装置，因此mtDNA发生突变的频率比细胞 核高10倍以上。
（三）质子转移与驱动力的形成 Ca2+调控
线粒体承担的能量转换实质 上就是把H+跨膜电位差和质 子浓度梯度形成的质子驱动
力转换成ATP分子中的高能
磷酸键。 TCA循环提供的质子驱动力 和高能电子是线粒体合成 ATP的基本能源。
（四）ATP形成机制—氧化磷酸化
氧化(电子传递、放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，密切耦
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Байду номын сангаас
自由基的正常功能
• 代谢储能：体内约17%的自由基是在氧代谢的过程中产生的。如ATP合 成。 • 转化排泄：体内代谢产物、外源性的药物及毒物从体内清除是，均需 在加单氧酶系作用下经过羟化反应，经尿或者胆汁排出。 • 防御杀菌和抗肿瘤：吞噬细胞在吞噬活动中被激活，耗氧量增加显著，
即所谓呼吸爆发。所摄取的氧大部分产生过氧化氢、超氧阴离子以杀
灭微生物、寄生虫并且可以破坏癌细胞，进一步氧化，可以消化被吞 噬的异物。阿霉素通过转化形成自由基破坏癌细胞DNA（同时损伤正
常细胞）。
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自由基损害作用
• 对脂类的作用：生物膜中的不饱和脂肪酸受到自由基的作用 而转变成过氧化脂质，从而导致膜的流动性改变，膜流动性 下降导致细胞脆性增加、膜受体、离子通道异常，变形能力
联，分别由两个不同的结构体系实现。
用超声波将线粒体破碎，线粒体内膜碎片可自然卷成颗粒朝外的小 膜泡，这种小膜泡称为亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒。
ATP合酶的结构与组成
ATP合酶是最终生成ATP的装置。它分布于细菌质膜、线粒体内 膜和叶绿体类囊体膜上。 ATP合酶的分子由球形的头部和基部组成。
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电子传递复合物
电子传递复合物，组成两种呼吸链：NADH呼吸链, FADH2呼吸链， 电子传递链各组分在线粒体内膜上不对称分布。
复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。 作用：催化1对电子从NADH辅酶Q； 泵出4 H+ 复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶（是电子传递体而非质子移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心， 作用：催化1对低能电子FADFe-S辅酶Q (无H+泵出) 复合物Ⅲ：CoQ- Cyt c还原酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：包括1个cyt c1、1个cyt b、1个Fe-S蛋白
线粒体功能小结
线粒体主要功能是高效地将有机物中储存的能量转换为细
胞生命活动的直接能源ATP；与细胞中氧自由基的生成，调节细
胞氧化还原电位和信号转导、调控细胞凋亡、细胞内多种离子 的跨膜转运及电解质稳态平衡。
线粒体的损伤
线粒体渗透转变
细胞内Ca2+异常
ATP合成酶异常
自由基的产生和积累
原发性代谢紊乱的相互作用
细胞内的钙库
• 细胞内储存Ca2+库包括肌质网、线粒体，负责肌细胞细胞质中 钙离子的调节，心肌细胞去极化时释放钙离子，复极化时摄 取钙离子。心衰时，肌质网功能障碍的原因之一是能量的缺
乏，ATP依赖的Ca2+泵功能降低，导致心肌复极化时不能有效
摄取钙离子，去极化时又不能及时释放钙离子。 • 线粒体在正常情况下可以摄取细胞总Ca2+量的20%，这与线粒 体中生物氧化酶的功能有关，在心衰出现时，细胞内pH的改 变影响线粒体内Ca2+稳态，使线粒体摄取钙离子增多，当Ca2+
的渗透内流，导致线粒体膨胀，已经蓄积于基质间隙的Ca2+通过此
孔大量流出，进入细胞质。这样的线粒体不仅不能合成ATP，而且由 于内膜的去极化迫使ATP合酶以相反的模式（水解ATP）将余留的能
源全部耗尽。如果细胞中大部分或全部的线粒体都发生渗透转变，
细胞溶解坏死将达到巅峰。
在动物细胞线粒体膜上存在渗透性转换孔（PTP），当PTP开放时， 线粒体内膜对中低分子量的化合物的渗透性会突然增加，从而导致 线粒体基质中分子量小于1.5kD的游离物质渗透进入膜间空间，这个 过程称为线粒体渗透性转换（mitochondrion permeability transition,MPT）。
同途径，氧化磷酸化
是生物体获得能量的
主要途径。
（二）电子传递链与电子传递
在电子传递的过程中，接受和释放的电子的分子和原子被称 为电子载体。 由电子载体组成的电子传递序列被称为电子传递链。
五种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、 铁硫蛋
白和铜原子。除泛醌外，其他氧化还原中心都是与蛋白质相 连的辅基。 呼吸链中的电子载体有严格的排列顺序和方向，按氧化还原 电位由低向高排列(NAD+/NADH最低，O2/H2O最高）。
线粒体DNA异常
线粒体渗透转变(MPT)
1. 线粒体摄取Ca2+、渗透势下降，ROS和RNS生成、ATP耗竭和原发性代 谢紊乱都会引起线粒体内膜通透性（MPT）突然升高。
2.
MPT是一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔（巨通道）开放引起的。
这个通道对于分子质量小于1500的溶质可通透，它的开放使质子自 由的内流进入，引起膜电位迅速和完全耗散、ATP合成的中断以及水
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自由基的产生
• 线粒体：是氧自由基生成的主要场所之一，作为线粒体正 常代谢的副产品，自由基在线粒体内会不断积累产生。在 氧化磷酸化的过程中，有1%-5%的氧会逃离正常的细胞色素
氧化酶催化过程，经过非催化形式，逐步的非共价还原形
成自由基，主要是超氧阴离子和过氧化氢，在线粒体呼吸 链中，还原性的CoQ、黄素蛋白、细胞色素C等均可产生超 氧阴离子。
不可逆损伤。
自由基的产生
• 自由基：自由基是指能够独立存在的具有一个或者多个不 配对电子的任何核素（原子、原子团、分子，species）， 具有很高的化学活性。在生物体中最重要的自由基是活性
氧（ROS, reactive xoxygen species），尤其是超氧阴离子
（O2-）和羟自由基（OH.）以及分子氧，自由基极易给出电 子或者俘获电子。 • 分类： ①可以分为氧自由基和脂自由基。 ②从活性氧角度 可以分成氧自由基、过氧化物（过氧化氢、氢过氧化物）、 激发态氧。
线粒体的分离
外膜 磷脂合成 脂肪酸的去饱和化 脂肪酸链的延伸 标志酶：单胺氧化酶 基质 丙酮酸氧化 三羧酸循环 脂肪酸的β 氧化 DNA复制、RNA转录 蛋白质翻译 标志酶：苹果酸脱氢酶 内膜 电子传递 氧化磷酸化 代谢中间物的转运 标志酶：细胞色素氧化酶 膜间空间 核苷酸的磷酸化 标志酶：腺苷激酶
线粒体膜间隙
膜间隙的宽度通常为6-8nm，在呼吸活跃时，膜间隙可显著扩大。
含有可溶性酶类、底物以及辅助因子。其含有的腺苷酸激酶可以
催化ATP分子末端磷酸基团转移到AMP，生成ADP。
线粒体基质
线粒体基质富含可溶性蛋白胶状物，具有稳定的pH和渗透压。具有催化三羧酸循环、脂肪 酸氧化和氨基酸降解的相关酶类。含有DNA、RNA 、核糖体。
• 心肌缺血再灌注：狗冠状动脉结扎-突然松开恢复灌流-室颤死亡。缺
血为自由基的形成提供了有利条件，再灌流则像是加入了催化剂使自 由基瞬时大量生成。应预先给予自由基清除剂。
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三种原发性代谢紊乱的相互作用
促进产生 ROS/RNS
线粒体的损伤
在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病称为线粒体病。
线粒体疾病都为母系遗传。 外界环境因素对线粒体功能的影响：克山病。
膜间空间中的离子环境几乎与胞质相同。
线粒体内膜
内膜具有很高的蛋白质/脂质比，缺乏胆固醇，富含心磷脂。 内膜具有极高的不透性，因此限制了所有分子和离子的自由通过，是质子 电化学梯度的建立以及ATP合成所必须的。 线粒体内膜上的蛋白主要执行三种功能： 1）电子传递链；2）ATP合成；3）转运蛋白。