线粒体药学细胞学学习教案

1、会计学1第一页，共46页。第一节第一节 、线粒体概论、线粒体概论(giln)(giln)o线粒体是真核细胞内由双层膜包被的产能细胞器，占细胞质量的1/5以上。o线粒体是半自主性细胞器，拥有独特的基因组（mtDNA）及复制、转录和翻译系统(蛋白质合成系统)。o线粒体是真核细胞内能量转换的细胞器，也是动物细胞生成ATP的主要场所，是生命活力之源，与生老病死密切相关。o线粒体是一个结构复杂而敏感多变的细胞器，随细胞的类型和状态(zhungti)不同而有复杂的动态变化。第1页/共46页第二页，共46页。o1850s已观察到线粒体，被描述为细胞中的线和粒。o1888，Kollicker分离肌线粒体，认为

2、线粒体有脂质被膜。o1890，Altman猜测线粒体（bioplast）是胞内的菌样克隆，是自治的基本生命单元。o1897，Benda命名mitochondrion，沿用至今。o1940s应用离心和电镜发现脂肪酸氧化、三羧酸循环(xnhun)、ATP合成都位于线粒体。o1961，Mitchell提出ATP合成的化学渗透假说。o1963，Nass M和Nass S发现线粒体DNA。o1981，剑桥大学Anderson等完成人线粒体基因组测序。第2页/共46页第三页，共46页。第3页/共46页第四页，共46页。第二节第二节 、线粒体的形态、线粒体的形态(xngti)(xngti)结构结构直径约直径

3、约0.51um线状线状颗粒状颗粒状故名线粒体故名线粒体（一）形态（一）形态(xngti) 、大小、大小第4页/共46页第五页，共46页。 依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。 利什曼原虫利什曼原虫: :一个巨大的线粒体；一个巨大的线粒体； 海胆卵母细胞：海胆卵母细胞：3030多万个。多万个。 随细胞生理功能及生理状态变化随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞：线粒体数目需能细胞：线粒体数目(shm)(shm)多，如哺乳动物心多，如哺乳动物心肌、小肌、小 肠、肝等内脏细胞；肠、肝等内脏细胞； 飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目

4、(shm)(shm)比不飞翔比不飞翔鸟多；鸟多； 运动员肌细胞：线粒体数目运动员肌细胞：线粒体数目(shm)(shm)比不常运动人比不常运动人的多。的多。 （二）数量（二）数量(shling)(shling)第5页/共46页第六页，共46页。（三）分布（三）分布(fnb)(fnb) 分布分布: : 不均，细胞代谢旺盛的需能部位不均，细胞代谢旺盛的需能部位(bwi)(bwi)比较集比较集中。中。 肌细胞肌细胞: : 线粒体沿肌原纤维规则排列；线粒体沿肌原纤维规则排列； 精子细胞精子细胞: : 线粒体集中在鞭毛中区；线粒体集中在鞭毛中区； 分泌细胞：线粒体聚集在分泌物合成的区域；分泌细胞：线粒体聚

5、集在分泌物合成的区域； 肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。 线粒体的分布多集中在细胞的需能部位线粒体的分布多集中在细胞的需能部位(bwi)(bwi)，有利，有利于细胞需能部位于细胞需能部位(bwi)(bwi)的能量供应。的能量供应。 第6页/共46页第七页，共46页。线粒体的分布线粒体的分布(fnb)(fnb)（三（三重染色）重染色）第7页/共46页第八页，共46页。二、线粒体的亚微结构二、线粒体的亚微结构第8页/共46页第九页，共46页。(a)(a)扫描电镜照片：扫描电镜照片：示线粒体立体示线粒体立体(lt)(lt)结结构；构；(b) (b)

6、 透射电镜照片透射电镜照片(zhopin)(zhopin)：示线粒体内部结构示线粒体内部结构第9页/共46页第十页，共46页。线粒体的基本(jbn)结构第10页/共46页第十一页，共46页。1.1.含酶最多的细胞器；含酶最多的细胞器；2.2.内膜为膜蛋白最丰富内膜为膜蛋白最丰富(fngf)(fngf)的膜；的膜；3.3.唯一含唯一含DNA,DNA,核糖体的细胞器。核糖体的细胞器。第11页/共46页第十二页，共46页。第三节第三节 线粒体的功能线粒体的功能(gngnng)(gngnng)o 能量供应能量供应o 氧化应激氧化应激o 凋亡凋亡(dio wn)o 钙储池钙储池o 细胞周期、信号转细胞周

7、期、信号转导导o 肿瘤肿瘤o 发育等发育等第12页/共46页第十三页，共46页。一一 、线粒体与能量、线粒体与能量(nngling)(nngling)供应供应 线粒体功能线粒体功能(gngnng):(gngnng):氧化磷酸化氧化磷酸化, , 合成合成ATP ATP 通过对营养物质通过对营养物质( (糖、脂肪、氨基酸等糖、脂肪、氨基酸等) )氧化氧化( (放能放能) )与与ADPADP磷磷 酸化酸化( (储能储能) )的偶联反应完成能量转换，合成的偶联反应完成能量转换，合成ATPATP，直接，直接提供细提供细 胞生命活动所需能量的胞生命活动所需能量的95%95%以上。以上。 包括：包括： 细胞

8、氧化（细胞呼吸）细胞氧化（细胞呼吸） ADP ADP磷酸化磷酸化 第13页/共46页第十四页，共46页。第14页/共46页第十五页，共46页。细胞的能量细胞的能量(nngling)利用形式利用形式 ATP 去磷酸化 A-PPP A-PP+Pi+7.3千卡(qink) 磷酸化 ATP ATP是一种高能是一种高能磷酸磷酸(ln sun)(ln sun)化合物，能量储化合物，能量储存于其高能磷酸存于其高能磷酸(ln sun)(ln sun)键中，键中，可去磷酸可去磷酸(ln (ln sun)sun)化释放能量化释放能量供细胞利用，又供细胞利用，又可磷酸可磷酸(ln sun)(ln sun)化储存能量

9、。化储存能量。高能磷酸键高能磷酸键第15页/共46页第十六页，共46页。l食物食物(shw)(shw)中的能量如何转换中的能量如何转换为为 ATP? ATP?l l 食物食物(shw)(shw)（线粒体（线粒体）ATPATPl 细胞细胞(xbo)(xbo)氧化氧化( (细胞细胞(xbo)(xbo)呼吸呼吸) )在氧气的参与下，线粒体内分解各种大分子物质，在氧气的参与下，线粒体内分解各种大分子物质，产生二氧化碳，同时，分解代谢所释放的能量储产生二氧化碳，同时，分解代谢所释放的能量储存存(chcn)(chcn)于于ATPATP中，又称生物氧化。中，又称生物氧化。第16页/共46页第十七页，共46页

10、。 1. 糖酵解糖酵解1葡萄糖葡萄糖 2分子丙酮酸分子丙酮酸+2ATP+2NADH+2H反应反应(fnyng)地点地点:细胞质细胞质2 2分子分子(fnz)(fnz)丙酮酸丙酮酸 2 2乙酰辅酶乙酰辅酶A+2NADH+2H +2CO2A+2NADH+2H +2CO22. 乙酰辅酶乙酰辅酶(f mi)A（ CH3COSCOA）的生成）的生成反应地点反应地点: :例例:葡萄糖的葡萄糖的生物氧化过程生物氧化过程第17页/共46页第十八页，共46页。乙酰辅酶乙酰辅酶A彻底氧化彻底氧化(ynghu)分解分解,生成生成1分子分子ATP,4对对H,2CO2反应反应(fnyng)(fnyng)地点地点: :线

11、粒线粒体基质体基质3. 三羧酸三羧酸(su sun)循环循环4.电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化上述阶段产生的上述阶段产生的1212对对H H必须进一步氧化为水，整个有必须进一步氧化为水，整个有氧氧化才告结束，但氧氧化才告结束，但H H不能与不能与O O2 2直接结合，实际上直接结合，实际上H H离解为离解为 H H+ +和和e e- -（高能电子），电子经过呼吸链传（高能电子），电子经过呼吸链传递，最终使递，最终使1/2 1/2 O O2 2还原为还原为O O2-2-与基质中的与基质中的2 2H H+ +化合生化合生成水成水, ,电子传递过程中释放的能量被用于电子传递过程中释放的能量

12、被用于ADPADP磷酸化磷酸化为为ATP。反应地点反应地点: :线粒体内膜线粒体内膜第18页/共46页第十九页，共46页。三羧酸三羧酸循环循环电子传递和电子传递和氧化磷酸化氧化磷酸化乙酰辅酶乙酰辅酶A的形成的形成糖酵解糖酵解图示 细胞呼吸的四个主要步骤第19页/共46页第二十页，共46页。二、二、o 线粒体是细胞中产生线粒体是细胞中产生(chnshng)活性氧的一个重要部活性氧的一个重要部位，消耗氧用于合成位，消耗氧用于合成ATP的同时不可避免地产生的同时不可避免地产生(chnshng)活性氧。活性氧。o 氧化应激作用下，膜转运孔道开放造成线粒体基质内的高氧化应激作用下，膜转运孔道开放造成线粒

13、体基质内的高渗透压，使线粒体内外渗透压，使线粒体内外H+梯度消失，呼吸链脱偶联，能梯度消失，呼吸链脱偶联，能量产生量产生(chnshng)中断。中断。o 还会由于水和溶质的进入使基质肿胀并导致外膜破裂，通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透性增高，释放出包括细胞色素C在内的各种活性蛋白。在内的各种活性蛋白。 第20页/共46页第二十一页，共46页。o过多自由基的产生可导致过多自由基的产生可导致mtDNA的损伤，氧化损伤是的损伤，氧化损伤是mtDNA突变的主要突变的主要(zhyo)原因。原因。o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

14、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：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；线粒体膨大，线粒体内膜非特异性孔道产生；细胞色素细胞色素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；BAX表达，表达，caspase活化活化(huhu)等。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21页/共46页第二十二页，共46页。三、线粒体与细胞三、线粒体与细胞(xbo)(xbo)凋亡凋亡第22页/共46页第二十三页，共46页。第23页/共46页第二十四页，共46

15、页。线粒体内膜跨膜电位的崩溃是细胞凋亡的变化之一线粒体内膜跨膜电位的崩溃是细胞凋亡的变化之一。电子传递链和能电子传递链和能量代谢受到破坏量代谢受到破坏第24页/共46页第二十五页，共46页。线粒体线粒体第25页/共46页第二十六页，共46页。第26页/共46页第二十七页，共46页。第27页/共46页第二十八页，共46页。线粒体已经从细胞内的寄生者演化为细胞代谢、应激和死亡的关键调控者。线粒体通过动态行为、外膜功能和产物(chnw)变化（如ATP和ROS），在细胞死亡、抗病毒、抗炎、自噬等信导途径中发挥重要作用。线粒体是能量状态的灯塔，NAD:NADH、AMP:ATP及乙酰辅酶A浓度都是线粒体活

16、性状态的信号。呼吸链蛋白、转位蛋白、凋亡诱导因子等参与调控多种生理和病理过程。最近发现，线粒体Sirt3、4、5可感应乙酰辅酶A等的浓度，反馈调控线粒体蛋白的乙酰化水平。第28页/共46页第二十九页，共46页。(1)(1)有有mtDNA (mtDNA (约约16569bp16569bp，环状、裸露，环状、裸露) ) 可独立进可独立进行复制、转录、翻译行复制、转录、翻译, ,有其自已的遗传特点有其自已的遗传特点(2)(2)有自已特殊的蛋白质合成有自已特殊的蛋白质合成(hchng)(hchng)系统系统(mtDNA, (mtDNA, 线粒体核糖体线粒体核糖体, , 线粒体线粒体tRNAtRNA等等

17、) )(3)(3)其核糖体结构、蛋白质合成其核糖体结构、蛋白质合成(hchng)(hchng)起始过起始过程及对药物的敏感性都与细菌相似、不同于核程及对药物的敏感性都与细菌相似、不同于核 (4)(4)有其特殊的物质转运系统有其特殊的物质转运系统, ,不与细胞质交换不与细胞质交换DNADNA和和RNA,RNA,不输出蛋白质不输出蛋白质1.1.自主性表现自主性表现(bioxin)(bioxin)第29页/共46页第三十页，共46页。第30页/共46页第三十一页，共46页。(1)mtDNA (1)mtDNA 信息量少，只能合成信息量少，只能合成5%5%的内膜蛋白。的内膜蛋白。 mtDNA mtDNA

18、编码：编码： 2 2种种rRNArRNA（构成（构成(guchng)(guchng)线粒体核糖体）线粒体核糖体） 22 22种种tRNAtRNA（线粒体转运（线粒体转运 RNA RNA） 13 13种多肽（只形成呼吸酶复合体的种多肽（只形成呼吸酶复合体的6 6个亚单位）个亚单位）(2)(2)其蛋白合成系统中的其蛋白合成系统中的DNADNA聚合酶，聚合酶，RNARNA聚合酶，核糖聚合酶，核糖体蛋白质、氨基酸活化酶等仍由核基因编码。体蛋白质、氨基酸活化酶等仍由核基因编码。第31页/共46页第三十二页，共46页。第四节第四节 线粒体与药物线粒体与药物(yow)(yow)开开发发一、肿瘤细胞一、肿瘤细

19、胞(xbo)(xbo)凋亡诱导剂凋亡诱导剂 随着线粒体调控细胞凋亡的发现，开始寻找一些可以通随着线粒体调控细胞凋亡的发现，开始寻找一些可以通过线粒体而改变肿瘤细胞的生长活性甚至诱导过线粒体而改变肿瘤细胞的生长活性甚至诱导(yud(yudo)o)肿瘤肿瘤细胞凋亡达到治疗肿瘤的药物，如：紫杉醇、白桦脂酸、氯细胞凋亡达到治疗肿瘤的药物，如：紫杉醇、白桦脂酸、氯尼达明等。尼达明等。第32页/共46页第三十三页，共46页。紫杉醇紫杉醇现代(xindi)天然药物研究开发的典范英文名：Paclitaxel, Taxol分子式：C47H51NO4 二萜类化合物第33页/共46页第三十四页，共46页。 紫杉醇可

20、破坏肿瘤细胞线粒体的超微结构，引起紫杉醇可破坏肿瘤细胞线粒体的超微结构，引起(ynq)其其跨膜电位的降低，从而诱导乳腺癌、卵巢癌、宫颈癌等肿瘤跨膜电位的降低，从而诱导乳腺癌、卵巢癌、宫颈癌等肿瘤细胞的凋亡，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤细胞的凋亡，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝，抑制了细胞分裂和增殖，使癌细胞停止在丝，抑制了细胞分裂和增殖，使癌细胞停止在G2期和期和M期，期，直至死亡，进而起到抗癌作用。直至死亡，进而起到抗癌作用。第34页/共46页第三十五页，共46页。紫杉醇的应用(yngyng) 紫杉醇是过去数十年里最好的天然抗肿瘤药紫杉醇是过去数十年里最好的天然抗肿瘤

21、药物之一，物之一， 由于其独特的作用机制使之成为由于其独特的作用机制使之成为继环磷酰胺、阿霉素、顺铂后又一重要的抗继环磷酰胺、阿霉素、顺铂后又一重要的抗肿瘤药物。肿瘤药物。 它具有它具有(jyu)(jyu)独特抗癌活性，作为晚期独特抗癌活性，作为晚期卵巢癌的治疗药，至今已在卵巢癌的治疗药，至今已在4040多个国家获准多个国家获准上市，是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药上市，是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。第35页/共46页第三十六页，共46页。市场需求市场需求国际紫杉醇原料药需求走势图（单位国际紫杉醇原料药需求走势图（单位(dnwi)(dnwi)：公斤）：公斤）国际国际(guj)(guj)紫杉

22、醇销售额（亿美元）紫杉醇销售额（亿美元）进口：紫杉醇注射液进口：紫杉醇注射液( (百时美百时美-US) 30mg/ml 1329.93-US) 30mg/ml 1329.93元元平均每个病人费用约平均每个病人费用约8800088000元元国产国产(guchn)(guchn)：紫杉醇注射液：紫杉醇注射液( (京双鹭京双鹭) 30mg/ml 163.87) 30mg/ml 163.87元元平均每个名人费用约平均每个名人费用约1000010000元元第36页/共46页第三十七页，共46页。二、新型二、新型(xnxng)(xnxng)线粒体靶向抗肿瘤药物线粒体靶向抗肿瘤药物电子电子(dinz)移位亲脂

23、性阳离子（移位亲脂性阳离子（DLC） 线粒体是半自主性的细胞器。它提供了细胞所需能量，调节细胞线粒体是半自主性的细胞器。它提供了细胞所需能量，调节细胞Ca2的动态平衡，维持的动态平衡，维持(wich)细胞的电势平衡作用，参与细胞凋亡过程及衰老等多种病理生理的代谢过程。线粒细胞的电势平衡作用，参与细胞凋亡过程及衰老等多种病理生理的代谢过程。线粒体是有效地治疗癌症和其它疾病的作用靶点。体是有效地治疗癌症和其它疾病的作用靶点。电子移位亲脂性阳离子（电子移位亲脂性阳离子（DLC）是一类具有亲油和亲水双亲性阳离子化合物。它能够在线）是一类具有亲油和亲水双亲性阳离子化合物。它能够在线粒体跨膜电位的推动下，

24、聚集于细胞线粒体部位。粒体跨膜电位的推动下，聚集于细胞线粒体部位。由于肿瘤细胞的线粒体膜电位高于正常细胞，可提供推动力使由于肿瘤细胞的线粒体膜电位高于正常细胞，可提供推动力使DLC在肿瘤细胞线粒体内选在肿瘤细胞线粒体内选择性地积聚，而择性地积聚，而DLC在高浓度下将表现出线粒体毒性，导致肿瘤细胞死亡。在高浓度下将表现出线粒体毒性，导致肿瘤细胞死亡。 第37页/共46页第三十八页，共46页。电子移位亲脂性阳离子具备亲油、亲水和带有正电荷的特性，在结构上有两点共同之处：电子移位亲脂性阳离子具备亲油、亲水和带有正电荷的特性，在结构上有两点共同之处：（1）由一个亲水的带电中心与一个疏水的核心连接而成；

25、（）由一个亲水的带电中心与一个疏水的核心连接而成；（2）其）其 电子云的密度扩展电子云的密度扩展(kuzhn)至至3 个原子，而不是局限于杂原子和邻近碳原子间的核间区域，这种电子的移位个原子，而不是局限于杂原子和邻近碳原子间的核间区域，这种电子的移位，使分子带上正电荷。，使分子带上正电荷。DLCDLC带正电荷的原因带正电荷的原因(yunyn)(yunyn)第38页/共46页第三十九页，共46页。肿瘤肿瘤(zh(zhngli)ngli)细胞线粒体膜电位高于正常细胞线粒体膜电位高于正常细胞的原因细胞的原因u线粒体生产线粒体生产ATP 的主要机理是靠线粒体不断地从内膜泵出质子（的主要机理是靠线粒体不

26、断地从内膜泵出质子（H+、Na+、K+等）。质子通过线粒体膜的正向推动力产生等）。质子通过线粒体膜的正向推动力产生ATP，从而产生了化学梯度（外，从而产生了化学梯度（外侧呈酸性，内侧呈碱性）、电势梯度（外侧带正电荷，内侧带负荷），导致线侧呈酸性，内侧呈碱性）、电势梯度（外侧带正电荷，内侧带负荷），导致线粒体的电势差（内膜与外膜的电位差粒体的电势差（内膜与外膜的电位差m）。）。u由于癌细胞由于癌细胞(xbo)的分生能力比正常细胞的分生能力比正常细胞(xbo)强，需要细胞强，需要细胞(xbo)提供提供更多能量来满足细胞更多能量来满足细胞(xbo)的生长，所以肿瘤细胞的生长，所以肿瘤细胞(xbo)的

27、电势梯度（即线的电势梯度（即线粒体膜电位粒体膜电位m）远远高于正常上皮细胞）远远高于正常上皮细胞(xbo)。第39页/共46页第四十页，共46页。u科学家观察了科学家观察了200 多种细胞系，包括腺癌、黑色素瘤、转移癌、鳞状上皮癌和多种细胞系，包括腺癌、黑色素瘤、转移癌、鳞状上皮癌和正常正常(zhngchng)上皮细胞，肿瘤细胞上皮细胞，肿瘤细胞m 高于正常高于正常(zhngchng)上皮细胞上皮细胞，只有，只有2%的细胞不遵循这一规律。的细胞不遵循这一规律。u研究还发现：一些肿瘤细胞的细胞膜电位也高于正常研究还发现：一些肿瘤细胞的细胞膜电位也高于正常(zhngchng)上皮细胞上皮细胞，为，

28、为DLC 在细胞质的预先积聚提供推动力，进一步促进其在线粒体基质内的积聚在细胞质的预先积聚提供推动力，进一步促进其在线粒体基质内的积聚。uDLC 类分子穿过细胞膜和线粒体膜的疏水屏障，并在膜电位的推动下，积聚于类分子穿过细胞膜和线粒体膜的疏水屏障，并在膜电位的推动下，积聚于线粒体基质内。根据线粒体膜电位差线粒体基质内。根据线粒体膜电位差m =60mV 左右的推动力，使肿瘤细胞为左右的推动力，使肿瘤细胞为DLC 所提供的推动力是正常所提供的推动力是正常(zhngchng)细胞的细胞的10 倍以上，这将意味着倍以上，这将意味着DLC 在肿瘤细胞线粒体内的浓度是细胞质内浓度的在肿瘤细胞线粒体内的浓度

29、是细胞质内浓度的100 倍倍1000 倍。倍。第40页/共46页第四十一页，共46页。第五节第五节 线粒体与医学线粒体与医学(yxu)(yxu)一、一、mtDNAmtDNA突变与疾病突变与疾病 1987 1987年年WallaceWallace通过对通过对mtDNAmtDNA突变和突变和LeberLeber遗传遗传 性视神经病（性视神经病（Lebers hereditary optic Lebers hereditary optic neuropathy,LHONneuropathy,LHON）关系的研究，第一次明确地提出，）关系的研究，第一次明确地提出，mtDNAmtDNA突变可引起人类疾病。突变可引起人类疾病。 近近1010多年来，随着对线粒体基因组研究的发展，人们多年来，随着对线粒体基因组研究的发展，人们对对mtDNAmtDNA在疾病发生中的作用，有了更深入、更明确的认在疾病发生中的作用，有了更深入、更明确的认识。目前已发现，与识。目前已发现，与mtDNAmtDNA突变有关突变有关(yugun)(yu