线粒体功能..

①燃料分 解（胞质 中）
葡萄糖
②乙酰 CoA生成
③三羧酸循 环(线粒体基 质)
脂肪酸
氨基酸
Biblioteka Baidu
④电子传递和 氧化磷酸化(内 膜上)
生成ATP
线粒体与氧化应激

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ATP的同时不可避免地产生活性氧。

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。 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。
High glucose－mitochondrial ROS－kidney cells apoptosis
7 cases, clinical diabetes was 5.6±0.6 years 胰岛组织:


Nitrotyrosine level(硝基酪氨酸, marker of oxidative stress) complex I and complex V ATP/ADP ratio Uncoupling protein-2 (UCP-2) expression membrane potential
STZ rats, 观察时间：4，8周
肾组织:

8-羟基脱氧鸟嘌呤 (8-OHdG，kidney and urine) Mitochondrial DNA Deletion COX I/COX IV(mt DNA/nDNA)
Maiko Kakimoto, Toyoshi Inoguchi, Toshiyo Sonta. Accumulation of 8-Hydroxy2’-Deoxyguanosine and Mitochondrial DNA Deletion in Kidney of Diabetic Rats. Diabetes 51:1588–1595, 2002
线粒体功能检测
能量供应

enzyme activity assays(分光光度法)
NADH (complex I), succinate dehydrogenase (complex II) 细胞色素c还原酶 (complex III) COX (complex IV)


ATP （ luciferin/luciferase发光法，核磁 共振法） 呼吸控制率(ATP 合成功能，氧电极法)
mtDNA

levels of mtDNA(PCR) mtDNA deletion(PCR) COX I/COX IV(PCR，免疫组化， western blot)
Thank you

ROS－膜转运孔道持续开放－凋亡
钙储池

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 的致密颗粒中。
积累的Ca2+ 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 动态平衡，影响细胞内许多相关的生理活动，如 信号传导、能量代谢和细胞凋亡。 Ca2+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、ATP 的耗竭和线粒体的皱缩，细胞色素 C释放，活化 Caspase 9和Caspase 3，诱发细胞凋亡。


内膜 （inner membrane）

电子传递链(呼吸链)复合物I~IV 和复合物V(ATP 合成酶)。
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。

膜间隙(intermembrane space)




细胞色素C 电压依赖性阴离子通道(VDAC)、ADP/ATP转 换蛋白。 线粒体膜转运孔道(mitochondrial permeable transition pore，MPTP)存在于内外膜接触点。 凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor，AIF)和 Procaspase 2、3、9 及其他酶蛋白。
线粒体功能及其检测
线粒体结构

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。

主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占 65-70%，脂类占25-30%。
外膜 (out membrane)
膜孔蛋白（porin）、离子通道蛋白以及Bcl-2 家 族蛋白。
由膜孔蛋白构成的亲水通道，允许分子量为5KD 以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。
mtDNA突变 呼吸链复合体I～IV活性下降 ATP合成减少 氧自由基产生增多 钙稳态失衡 脂质氧化增强
线粒体病理性损伤
II型糖尿病



胰岛β细胞线粒体参与胰岛素分泌、胰岛素抵抗的 形成。 线粒体是高血糖时细胞ROS的重要来源。 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。 线粒体本身受氧化应激攻击，导致mtDNA 合成减 少、发生突变。


线粒体功能紊乱

线粒体病（primary genetic defects）

线粒体病理性损伤
线粒体病

mtDNA突变(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、 老年性痴呆、帕金森病、糖尿病等。 mtDNA突变随着年龄累积。

线粒体功能变化



基质（matrix）

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，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中。 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DNA（mtDNA），70S型核糖 体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶等。 存储钙离子的致密颗粒。


线粒体DNA
线粒体基因组

哺乳动物的线粒体基因DNA没有内含子，几乎 每一对核苷酸都参与一个基因的组成。
线粒体基因组能够单独进行复制、转录及合成蛋 白质。 仅有少数线粒体蛋白质是由mtDNA编码，大多 数线粒体蛋白质（90%）还是由核DNA编码。


mtDNA


环状，编码2 种rRNA、22 种tRNA和13 种参与呼 吸链形成的多肽。 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，突变频率比nDNA 高10~20 倍。 如果线粒体DNA发生突变，不能产生足够ATP 而导致细胞功能减退甚至死亡，临床上表现复杂 多样，即线粒体病。 母系遗传。


线粒体功能





能量供应 氧化应激 凋亡 钙储池 细胞周期、信号转导 肿瘤 发育等
线粒体与能量供应

细胞有氧呼吸和供能的场所，供应细胞生命活 动95%的能量。
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－ATP。 线粒体具有能量代谢与自由基代谢两条途径。


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。
线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。


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。
氧化应激
8-羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG，ELISA法) ROS(分光光度法) glutathione and coenzyme Q(分光光度法, HPLC)

凋 亡



细胞色素C含量（western blot) caspase-9 and caspase-3 (分光光度法) BCL-2(免疫组化，western blot) BAX (免疫组化，western blot) 膜转运通道开放程度(分光光度法) Ca++(分光光度法) 膜电位
体外培养肾小管上皮细胞


ATP 膜转运通道开放程度 cytochrome c caspase 3 Ca++
Peraza MA, et al.Morphological and functional alterations in human proximal tubular cell line induced by low level inorganic arsenic: evidence for targeting of mitochondria and initiated apoptosis. J Appl Toxicol. 2006, 26(4):356-67
糖尿病肾病




glucose-induced ROS initiates mesangial cells apoptosis glucose-induced ROS initiates podocyte apoptosis and depletion glucose-induced ROS initiates endothelial cell apoptosis glucose-induced ROS initiates tubular cells apoptosis



这些都是启动细胞凋亡的因素。
线粒体与凋亡

从线粒体释放的细胞色素C与凋亡诱导因子、 Procaspase 9结合在一起形成“凋亡体” （Apoptosome），导致Caspase 9和Caspase 3的激 活。 内膜Bcl-2 家族蛋白调控紊乱。 Caspases激活、胞浆Ca++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开放。
M. Anello et al. Functional and morphological alterations of mitochondria in pancreatic beta cells from type 2 diabetic patients. Diabetologia, (2005) 48: 282–289
doxorubicin nephrosis rats
肾组织：


NADH dehydrogenase(complex I) cytochrome-c oxidase (complex IV) COX I mtDNA levels mtDNA deletion
Dirk Lebrecht1, Bernhard Setzer1, Rolf Rohrbach, et al. Mitochondrial DNA and its respiratory chain products are defective in doxorubicin nephrosis. Nephrol Dial Transplant, 2004, 19: 329–336