线粒体及疾病

一般动物细胞内线粒体数目从数百到数千个，在代谢旺盛的细胞中相对较多：如人和哺乳动物的小肠、心肌和肝细胞等内脏细胞中线粒体很丰富。除了红细胞外，人类所有体细胞都含有线粒体。线粒体——动力工厂线粒体是真核细胞内的重要细胞器，人体内的细胞每天要合成数千克的ATP，大约95%的ATP是由线粒体产生的。线粒体通过氧化磷酸化作用进行能量交换，为细胞进行各种生命活动提供能量。因此，线粒体有细胞“动力工厂”之称，或被誉为细胞的“电力站”（powerplant）线粒体的功能：线粒体主要功能是进行三羧酸循环和氧化磷酸化合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；此外，线粒体还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，细胞凋亡、基因表达、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。线粒体病线粒体病是遗传缺损引起线粒体代谢酶缺陷，使ATP合成障碍、能量来源不足导致的一组异质性病变。第一节线粒体疾病原因线粒体疾病的病因某种或几种复合体的缺乏是导致线粒体病的根本原因。因此，线粒体病有时也可以称为特殊酶缺乏症，比如复合体Ⅰ复合症。当某个细胞内充满病变线粒体后，它不仅无法合成ATP——而且会导致未使用原料分子和氧的堆积，使之产生病理性损伤。Holt在1988年首次做线粒体病患者发现mtDNA缺失，证实mtDNA突变是人类疾病的重要病因之一。不管是核内DNA（nDNA）还是线粒体DNA（mtDNA）发生点突变都可能导致线粒体病的发生mtDNA:线粒体DNA，双链环状的DNA分子、裸露不与组蛋白结合,分散在线粒体基质中，长约5um、含16569个碱基对。mtDNA可以独立编码线粒体中的一些蛋白质，是核外遗传物质mtDNA？mtDNA的几个特点有助于解释其致病机理：①mtDNA半自主复制，没有内含子；②mtDNA所用的遗传密码与核基因通用密码，但存在差异。③mtDNA为母系遗传；④mtDNA具有阈值效应；⑤暴露于氧化磷酸化所产生的氧自由基中,突变发生风险较核DNA大10－20倍。（一）mtDNA具有半自主性mtDNA仅编码13种蛋白质，绝大部分蛋白质亚基和其他维持线粒体结构和功能的蛋白质都依赖于nDNA编码，在细胞质中合成后，经特定转运方式进入线粒体。mtDNA基因的表达受nDNA的制约，线粒体氧化磷酸酶化系统的组装和维护需要nDNA和mtDNA的协调，二者共同作用参与机体代谢调节。线粒体是一种半自主细胞器，受线粒体基因组和核基因组两套遗传系统共同控制。（二）mtDNA所用的遗传密码与核基因通用密码，但存在差异。1.UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。2.AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA,UAG,AGA,AGG）。3.tRNA兼并性较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子MetIleAUAMetMetAUGStopArgAGAStopArgAGGTrpStopUGATrpTrpUGGmtDNAUniversalcodeCodon（三）mtDNA为母系遗传母系遗传：人类受精卵中的线粒体来自卵母细胞，精子很少提供线粒体给受精卵。这种传递方式称为母系遗传。母亲将她的mtDNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。（四）mtDNA具有阈值效应线粒体病发病有一阈值，只有当异常的mtDNA超过阈值时才发病。女性携带者的细胞内突变的mtDNA未达到阈值或在某种程度上受核影响而未发病，但仍可以通过mtDNA突变体向下代传递。①mtDNA中基因排列紧凑，任何突变都可能会影响到其基因组内的某一重要功能区域。②mtDNA是裸露的分子，不与组蛋白结合。③mtDNA位于线粒体内膜附近，直接暴露于呼吸链代谢产生的超氧离子和电子传递产生的羟自由基中，极易受氧化损伤。④mtDNA复制频率较高，复制时不对称,缺乏有效的DNA损伤修复能力。（五）mtDNA的突变率极高第二节线粒体疾病的分类根据线粒体病变部位不同可分为：①线粒体肌病：线粒体病变侵犯骨骼肌为主。②线粒体脑肌病：病变同时侵犯骨骼肌和中枢神经系统。③线粒体脑病：病变侵犯中枢神经系统为主。线粒体病的分类：（1）线粒体遗传病（2）核基因突变引起的线粒体疾病一、线粒体遗传病：Leber遗传性视神经病（Leberhereditaryopticneuropathy,LHON）Kearns－Sayre综合征（KSS）MERRFSyndrom（myoclonnusepilepsyandragged-redfibers)—肌阵挛性癫痫和破碎性红纤维病MELASSyndrom（mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidosisandstroke-likeepisodes）—线粒体肌病脑病伴乳酸中毒及中风样发作综合症神经源性肌软弱，共济失调并发色素性视网膜炎（NARP）和Leigh综合征（Leighsyndrom）Leber遗传性视神经病CPEO患者眼外肌慢性进行性瘫痪肌阵挛性癫痫和破碎性红纤维病Leigh综合征患者二、核基因突变引起的线粒体疾病线粒体具有自己的遗传体系并能独立合成部分蛋白质，但是，线粒体的生长增殖必需高度依赖于核基因和细胞内的蛋白质合成。核DNA编码的蛋白质进入线粒体后，行使多种功能，例如，在膜间隙和基质间转运分子、通过氧化磷酸化产生ATP、调节线粒体对铁的摄入、控制线粒体的复制和维持线粒体结构的完整性等。因此，核基因的突变可能会影响线粒体的正常功能，而导致相应的疾病。（一）线粒体蛋白输入缺陷（二）底物运输缺陷（三）底物利用缺陷（四）铁运输缺陷（五）电子传递链缺陷核基因突变引起的线粒体疾病：1.线粒体蛋白输入缺陷突变发生在线粒体输入蛋白的信号序列。如位于染色体Xp22.1的PHDA1基因，编码蛋白参与丙酮酸的代谢，已发现其靶序列的突变导致的疾病。信号序列长度可达85个氨基酸残基，序列不完全一致，但有相似的构象。临床症状表现为眼部异常和中枢神经系统退变。2.底物运输缺陷如与脂肪酸转运有关蛋白的缺陷，可导致多系统异常；模式动物人工致腺苷酸转运蛋白的异常，出现线粒体肌病类似症状。3.底物利用缺陷线粒体参与物质代谢的多种酶类由核基因编码，突变失活将影响相应功能。其突变可产生两种表型：剧烈运动或饥饿后疼痛无力是成年期发作型的共同特点；幼儿期发作型病情严重，通常是致死性的，可累及肝、心肌和骨骼肌。4.铁运输缺陷Friedreich共济失调是由三核苷酸重复序列的拷贝数增多导致铁运输缺陷所引起的致死性疾病，呈常染色体隐性遗传，基因产物定位于线粒体内膜和基质。临床表现：进行性肢体活动障碍、轻度失明、耳聋和糖尿病，在成人前发生的死亡多由于肥厚性心肌病。5.电子传递链缺陷患儿表现为严重呕吐，肌张力减退，常死于心衰和呼吸衰竭第三节线粒体与细胞凋亡线粒体跨膜电位的耗散与细胞凋亡有密切关系近年来陆续有报道说明线粒体跨膜电位的耗散早于核酸酶的激活，也早于磷酯酰丝氨酸暴露于细胞表面。而一旦线粒体跨膜电位耗散，细胞就会进入不可逆的凋亡过程。而如果能稳定线粒体跨膜电位就能防止细胞凋亡。线粒体跨膜电位与PT孔道在细胞凋亡过程中线粒体跨膜电位的耗散主要是由于线粒体内膜的通透性转变，这是由于生成了动态的由多个蛋白质组成的位于线粒体内膜与外膜接触位点的通透性转变孔道(PT孔道)。细胞凋亡线粒体跨膜电位线粒体内膜通透性改变PT孔道PT孔道的开放与关闭PT孔道有开放与关闭二种构象。PT孔道开放导致细胞凋亡。而PT孔道关闭能防止细胞凋亡。从线粒体释放的细胞色素C是一种细胞凋亡诱导因子。线粒体在细胞凋亡作用中的进一步证据(1)若将纯化的正常的线粒体与纯化的细胞核在一起保温，并不导致细胞核的变化。但若将诱导生成PT孔道的线粒体与纯化的细胞核一同保温，细胞核即开始凋亡变化。(2)细胞死亡调节蛋白不论是抑制死亡的bcl-2家族还是促进细胞死亡的Bax家族均以线粒体作为靶细胞器。bcl-2蛋白的C端的疏水肽段能插入线粒体外膜。事实上相当量的bcl-2位于线粒体内外膜的接触位点。(3)高表达bcl-2能防止ΔΨm的耗散，从而导致对苍术苷、原卟啉IX与mClCCP的不敏感与AIF释放的抑制；反之，高表达Bax则导致ΔΨm的耗散。综上所述，细胞凋亡与线粒体的结构与功能有着密切的关系。线粒体有大量PT孔道形成，细胞ATP浓度很快下降，则在致凋亡的蛋白酶被活化前细胞就坏死了。而如果PT孔道的诱导生成是一种比较缓和与持续的状态，在细胞ATP浓度下降前专一的蛋白酶被激活。第四节线粒体与细胞衰亡衰老是一种复杂的病理生理现象,衰老机理的研究目前已从整体水平、器官水平、细胞水平发展到分子水平。近年来大量研究表明,衰老的发展过程与线粒体功能异常密切相关,目前自由基被视为引发衰老的一个重要因素1.线粒体自由基的产生自由基是只带有未配对电子的粒子,化学性质极为活跃,易对机体产生迅速而强烈的损伤,主要包括活性氧自由基（ROS）和活性氮基因(RNS)。氧自由基主要来源于线粒体呼吸链反应,这里可产生活细胞内90%以上的自由基。正常情况下，电子通过呼吸链传递给氧生成,如果线粒体功能下降,会使氧不能被有效利用,导致大量电子漏出,直接对氧进行单电子还原,生成氧气离子。2.线粒体自由基随年龄增长而增加的机制线粒体内随年龄增长不断积聚有三方面的原因：第一，由于线粒体电子传递链的活性下降,电子漏和质子漏不断增加;第二，与年龄相关的线粒体的突变可降低其编码的呼吸链成分的功能,为电子漏出提供条件,导致氧自由基产生增加;第三,线粒体内抗氧化酶活性不断下降,自由基清除减少亦是重要原因之一。3.线粒体自由基在细胞衰老中的作用3.1线粒体呼吸链复合物活性的下降在细胞衰老中发挥的作用3.2mtDNA的氧化损伤在细胞衰老中发挥的作用3.3线粒体膜的氧化损伤在细胞衰老中发挥的作用3.4线粒体能量代谢障碍在细胞衰老中发挥的作用综上所述,衰老相关的线粒体氧自由基的增多,使线粒体功能不断下降,不能发挥其正常的氧化和呼吸功能,从而使细胞逐步走向衰老、死亡,可见延缓线粒体功能衰退是一种有效的抗衰老途径。目前通过保护线粒体功能和抑制线粒体氧自由基增多从而发挥抗衰老功效的药物主要有褪黑素和一些抗氧化剂类中药。第五节线粒体疾病的治疗线粒体疾病的流行率和死亡率都很高（流行率达1/8500），是代谢病中最常见的疾病之一。如何治疗线粒体病？对原发性线粒体疾病目前尚缺乏有效的根治手段治疗措施：药物治疗饮食补充疗法改善生活方式等对原发性线粒体呼吸链疾病目前尚缺乏有效治疗手段，目前最新的方法是：基于人体内三种参与APT合成的自然物质而开发的饮食补充疗法——鸡尾酒疗法“鸡尾酒”疗法肌酸、L-肉毒碱和coQ10补充疗法通常混合为“鸡尾酒”来使用以治疗线粒体病。尽管科学上很难证明这种疗法有什么效用，但是许多线粒体病患者的确从中得到了疗效。最起码，适度采取这三种物质的补充疗法对人体几乎没有害处一、肌酸肌酸可以形成一种称为肌酸磷酸盐的高能化合物而成为ATP的储备产物。当某细胞对ATP的需求量超过其本身线粒体的负荷时，肌酸可释放磷酸盐（即ATP中的“P”）迅速加强ATP的供应。实际上，肌酸磷酸盐（亦称为磷酸肌酸）是肌肉做需要大量ATP的爆发运动时首要的供能物质。二、肉毒碱肉毒碱它通过改善运送特定原料分子入线粒体的途径以加强ATP生产的效率，同时它亦能清除ATP生产过程中毒性副产品。三、辅酶Q10辅酶Q10是电子传递链的组分之一，是使用氧生产ATP的重要组分。某些线粒体病是由于coQ10缺乏造成的，有充分的证据表明coQ10补充疗法对治疗这些疾病很有帮助。一些医生还认为coQ10补充疗法还可以减轻线粒体病带来的痛苦。总结1.线粒体疾病原因复合体缺乏（根本原因）mtDNA（重要病因）2.线粒体疾病核基因突变引起的线粒体疾病3.线粒体与细胞凋亡PT孔道线粒体跨膜电位4.线粒体与细胞衰老线粒体自由基5.线粒体疾病治疗