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细胞生物学

课程论文

题目线粒体通透性转换与细胞凋亡的研究进展

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摘要人们对细胞凋亡的认识逐渐深入，对细胞凋亡发生机理的了解越来越透彻，在细胞凋亡的调控等方面都取得了显著的进展。尤其是对线粒体在细胞凋亡过程中重要作用的发现，更是引人注目。线粒体首先感受到能量的变化从而影响核基因的表达。本文在综述了线粒体通透性转换与细胞凋亡的研究概况。

关键词线粒体通透性细胞凋亡能量变化基因表达

1 前言

自1850年发现线粒体、1898年命名、1963年发现线粒体DNA(mtDNA)后，人们

又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶，tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录、蛋白质翻译的全套装备，表明线粒体具有独立的遗传体系。虽然线粒体也能合成蛋白质，但是合成能力有限。线粒体的1000多种蛋白质中，mtDNA基因编码的仅十余种。线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶、许多结构蛋白，都是核基因编码，在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此线粒体是一种

为半自主性细胞器。真核细胞的线粒体是重要细胞器，是动物细胞生成ATP的主要场所。线粒体基质的三羧酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成NADH，NADH通过线

粒体内膜呼吸链氧化。与此同时，导致跨膜质子移位形成跨膜质子梯度和／或跨膜电位。线粒体内膜上的ATP合成酶利用跨膜质子梯度能量合成ATP。合成的ATP通过线粒体内膜ADP／ATP载体与细胞质中ADP交换进入细胞质，参与细胞的各种需能过程。

2 PT的生理学特征

正常生理情况下，PT允许相对分子质量〈1500的离子自由通过，通过氧化磷酸化来驱动ATP合成酶，维持线粒体膜电位及细胞内外的离子平衡。但在凋亡信号刺激下，PT 完全开放，直径约3.0nm，使相对分子质量〉1500的与可溶物质非选择性地自由通过，这样就破坏了内膜的完整性，引起两种结局：①离子平衡紊乱，如胞质内的质子增多，pH下降，钙超载，氧化磷酸化解耦联，ATP水平迅速下降等一系列凋亡事件的发生。②膜电位去极化，基质肿胀，使膜间蛋白如细胞色素C、凋亡诱导和因子、核酸内切酶等释放入胞质，通过启动半胱天冬氨酸蛋白酶依赖性或非依赖性的级联反应机制，诱导细胞凋亡或者坏死。凋亡是一个ATP依赖的过程。

3 线粒体功能改变引起细胞凋亡的机制"

3．1 线粒体释放细胞色素C细胞色素C是线粒体呼吸链的重要组成部分，它是由两个无活性的前体分子合成的：前细胞色素C(该蛋白质由细胞核基因编码，然后被转运至线粒体)和亚铁血红素(由线粒体合成)。由于细胞色素c具有亚铁血红素基团，它可以在呼吸链复合酶III(细胞色素还原酶)和IV(细胞色素氧化酶)之间传递电子。细胞色素C 缺乏时，电子传递链被阻断，将导致两方面的后果：ATP合成减少及不完全氧化造成的超氧阴离子(ROS)过度生成，而ROS是诱导凋亡的重要因素。

线粒体是细胞生命活动控制中心，它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化的中心，而且是细胞凋亡调控中心。研究表明细胞色素C从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤”1。释放到细胞质中的细胞色素c在dATP存在的条件下能与凋亡蛋白酶活化因子1(apoptosis protease activating factor l，Apaf一1)结合¨1，使其形成多聚体，并促使半胱天冬蛋白酶与其结合形成凋亡小体(apoptosome)，现已能确定半胱天冬蛋白酶即Caspase 在凋亡过程中是起着必不可少的作用。细胞凋亡的过程实际上是Caspase不可逆有限水解底物的级联放大反应过程。目前，至少有10多种Caspase被发现，Caspase分子间的同源性很高，结构相似，都是半胱氨酸家族蛋白酶，根据功能可把Caspase基本分为2类：一类参与细胞的jJn-r；另一类参与细胞凋亡。Caspase家族一般以酶原的形式存在，并具有半胱氨酸激活位点和底物裂解位点。细胞色素c在dATP存在的条件下与凋亡蛋白酶活化因子1(apoptosis protease activating factor 1，Apaf一1)结合形成的多聚体主要与caspase一9结合形成凋亡小体。其结果是caspase一9被激活，激活的caspase-9能够激活其他的caspase如caspase一3等，从而诱导凋亡。

3．2 线粒体释放凋亡诱导因子凋亡诱导因子 AIF(apoptosis inducing factor，AIF)是一种主要的凋亡效应蛋白，在体外它可以诱导染色质凝聚以及DNA大规模片段化的形成。激光共聚焦荧光显微

镜和电子显微镜观察显示，在正常的细胞内，AIF定位于线粒体，被线粒体外膜保留在膜间隙，并与热休克蛋白60(heat stock protein 60，hsp60)共同定位于

线粒体，hsp60被线粒体内膜保留于基质。当细胞受到诱导凋亡的刺激，如癌基因抑制药物神经酰胺等作用时，AIF而不是hsp60由线粒体转位至细胞核。这表明仅仅是线粒体外膜成为有通透性的蛋白。

AIF由线粒体至细胞核的再分配，可以被Bcl一2阻止，Bcl一2特异性地保护线粒体膜稳定性，从而阻止AIF由线粒体转位至细胞核。Caspase的广谱抑制物N一苄氧羰基一缬氨酸一丙氨酸一门冬氨酰氟甲基酮(N—benzyloxycarbonyl—Val—Ala—Asp—fluoromethylketone，Z—VAD．fmk)不能阻止AIF的转位。ATP的过度消耗可以引起AIF 转位至细胞核，神经酰胺加速AIF的转位。

3．3 线粒体释放Smac／DIABLO Smac (the second mitochondria—derived activator of caspase)又称为DIABLO(direct IAP binding protein)，是一种线粒体蛋白，能够促进细胞凋亡，它通过拮抗或中和一种或几种凋亡抑制蛋白(IAP)家族成员而发挥其促凋亡作用¨0|。当细胞受到紫外线或1一射线照射时，

Smac／DIABLO由线粒体进入细胞质，Smac／DIABLO的这种位移可被Bcl一2抑制。可见，Bcl一2除了通过抑制细胞色素c的释放来抑制凋亡以外，还可以通过抑制Smac／DIABLO 的位移而抑制凋亡。

Smac／DIABLO由线粒体移位至细胞质，依赖于细胞色素c的释放，即首先细胞色素C 从线粒体释放至细胞质。然后Smac／DIABLO才从线粒体释放，发生位移。与细胞色素c