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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 班 别 学号 姓 名 成 绩 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ADPATP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：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。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31 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。32 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(NbenzyloxycarbonylValAlaAspfluoromethylketone，ZVADfmk)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。33 线粒体释放SmacDIABLO Smac (the second mitochondriaderived 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，SmacDIABLO由线粒体进入细胞质，SmacDIABLO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SmacDIABLO的位移而抑制凋亡。SmacDIABLO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SmacDIABLO才从线粒体释放，发生位移。与细胞色素c相同的是，SmacDIABLO也是由比较大的核基因编码。合成后输送到线粒体。在输送过程中，SmacDIABLO的N端被切掉而成为成熟的蛋白质因子。成熟的SmacDIABLO以二聚体的形式存在，其单体在N端相互作用而形成分子量约100KD的二聚体，二聚体形式的SmacDIABLO才有促凋亡的作用。4 线粒体功能改变的机制线粒体膜上一种称为PI(Permeability Transition,PT)孔道的形成。促凋亡信号会使Caspase激活，而某些Caspase的底物就是位于线粒体膜上的蛋白；胞浆Ca2+水平升高；产生神经酰胺等，诸如此类的改变会直接或间接地引发明PT孔道。PT孔道是由线粒体一些内膜外蛋白组成的，定位于内外膜接触点，并可以无选择地允许15 kDa分子通过。这个孔道的开放会由于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导致外膜破裂，释放出包括细胞色素C在内的各种蛋白，而引起细胞凋亡。段秋红等通过缺血再灌注研究细胞色素c释放和跨膜压的改变判断线粒体的功能，其研究结果表明：线粒体功能失调在缺血再灌注引起的N2a细胞凋亡过程中可能起到凋亡早期的启动和随后的信号放大作用。5 线粒体通透性转换孔（MPTP）的意义线粒体是细胞生命活动的控制中心，它不仅是呼吸链和氧化磷酸化的中心，而且是细胞凋亡的控制中心。MPTP开放导致线粒体基质内的高渗透压，使线粒体内外氢离子梯度消失，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导致外膜破裂，释放出包括细胞色素C和AIF等线粒体凋亡因子在内的各种蛋白，从而启动细胞凋亡程序，引起细胞凋亡。参考文献1.沈方.沈倩细胞凋亡与线粒体通透性转变孔的研究进展期刊论文-浙江大学学报 2005(02)2.常青.王晓良细胞色素C、线粒体与凋亡期刊论文-中国药理学通报 2003(03)3.刘丽君.彭建新.洪华珠线粒体在细胞凋亡中的变化与作用期刊论文-细胞生物学杂志 2005(02)4.Mootha VK.Wei MC.Buttle KF A reversible component of mitochondrial respiratory dysfunction in apoptosis can be rescued y exogenous cytochrome c 2001(04)5.Srinivasa M.Srinivasula.Ramesh Hegde A conserved XIAP-interaction motif in caspase-9 and Smac/DIABLO regu