张小春
娄底市中心医院 湖南娄底 417000
摘要：细胞凋亡是指为维持内环境的稳定，细胞自主有序的死亡，在多细胞生物清除异常细胞及更新正常细胞等方面发挥着重要作用。大量的分子和途径参与了细胞凋亡的过程，而线粒体是细胞凋亡的调控中心，也是细胞凋亡的重要场所。随着人们对细胞凋亡过程的不断了解，认为线粒体在细胞凋亡中起着关键作用。且线粒体膜电位的改变又是引起细胞凋亡的重要环节。线粒体内跨膜电位的降低，是细胞凋亡级联反应过程中最早发生的事件，它可引起线粒体膜发生一连串的生物化学变化，导致细胞凋亡一系列的级联反应。
关键词：细胞凋亡；线粒体膜电位
1.线粒体结构和膜电位
1.1线粒体的结构
线粒体因细胞种类和功能不同，具有不同形态和大小，通常呈粒状、杆状或线状，直径为0.5?m-3.0?m。主要由蛋白质和脂质组成，其中蛋白质含量占65%～70%，脂质占25%～30%。“线粒体是由双层单位膜套叠封闭性膜囊结构”[1]，可分为四个部分，即外膜、内膜、膜间腔和内室基质[2]。外膜是位于线粒体最外面的一层膜，厚度为5nm-7nm，外膜中脂质和蛋白质大约各占1/2，外膜中的多种转运蛋白跨越脂质层，形成一直径2-3nm的小孔，即内部通道，使线粒体外膜允许分子量在10 000以下的分子完全通透，包括一些小分子多肽[3]。外膜具有较高的通透性，使胞质与膜间隙中的环境几乎接近。由于线粒体外膜内部通道的存在，便于膜间隙的多种蛋白通过，使得致死性蛋白也可以进入细胞质基质，促使细胞凋亡发生。内膜是位于外膜内层的单位膜结构，平均厚度为4.5nm，蛋白质和脂质分别占80%和20%，心磷脂含量高达20%[4]。离子的不可渗透性与心磷脂有关，心磷脂越多，通透性越差。线粒体内膜富含的心磷脂形成了通透性很低的离子通透性屏障，将分子量大于150的物质阻挡在外，只允许水、氧气及二氧化碳透过。线粒体内膜的通透性屏障对建立质子电化学梯度及ATP合成有极其重要的作用[5]。内膜上还有一些由多种蛋白质亚基组成的基粒，如ATP合酶复合体，腺苷酸转位子和电子传递链等；另外还包括由多种蛋白质亚基组成的通道，如通透性转化孔、钙离子转运孔和内膜阴离子通道等[6]。这些基粒和通道的存在，方便了细胞内的物质传输[7]。线粒体内膜是细胞代谢、氧化磷酸化的重要场所，内模上还存在许多凋亡蛋白如细胞色素C（Cyt C）、凋亡诱导因子（AIF）等。90%的Cyt C位于内膜的囊泡中，余下10%位于膜间隙。Cyt C的功能是作为电子传递蛋白参与氧化还原过程。
1.2线粒体内膜跨膜电位
由于线粒体的特殊囊状结构，在线粒体的内外膜之间形成了一个空隙，即为外室；而内膜围成的空隙即为线粒体基质，或称为内室。线粒体内膜存在质子泵，质子泵将质子由基质泵入内膜与外膜之间的腔隙，使得腔间隙内积累了大量不均匀发布的质子，形成质子梯度，使内膜外室存在大量正电荷，内室存在大量负电荷，因此在内膜两侧产生了外正内负的电位差，由此形成线粒体内膜跨膜电位[8]。该电位是线粒体进行氧化磷酸化、产生三磷酸腺苷的基础[9]。
2.线粒体膜电位在细胞凋亡中的改变
对于维持线粒体功能而言，正常的跨膜电位是必不可少的，并且跨膜电位还是线粒体产生ATP的前提所在。近年来陆续有报道表明，线粒体跨膜电位降低并消耗完毕后，细胞就会开始凋亡，并且此过程是不可逆的，线粒体跨膜电位降低发生在细胞凋亡的早期，研究表明线粒体跨膜电位的损耗比核酸酶的激活、磷酯酰丝氨酸暴露于细胞表面等细胞凋亡迹象出现的时间要早。因此，如果尽早抑制了线粒体跨膜电位的降低，就可以早期阻止细胞凋亡的发生，提示线粒体跨膜电位的降低是细胞凋亡的特性改变。
在正常的活细胞中，线粒体内膜的可通透性原本就较低，而在细胞发生凋亡早期，内膜的不可通透性降至更低，线粒体外室和内室的质子梯度发生改变，使外正内负的电位差缩小，导致跨膜电位降低。线粒体跨膜电位改变的机制可能为：（1）线粒体膜通透性改变。线粒体膜通透性的改变与通透性转化孔的开放有关，该孔位于外室，是由线粒体的多个蛋白质及细胞质中的蛋白质联合组成的复合通道，又称为线粒体大通道。此复合体的构成目前尚不明确，但是有报道表明此复合体包括细胞液蛋白：如己糖激酶、外周型苯并二嗪受体、电压依赖阴离子通道；线粒体内膜蛋白：如ADP-ATP载体、线粒体基质蛋白（如亲环蛋白D等）；外室的肌酸激酶等组成。内膜的腺苷酸转运蛋白的构象处于c态时，通透性转化孔开放，当处于m态时，通透性转化孔关闭。当通透性转化孔处于不可逆的高水平开放状态时，分子量小于1500D的物质均可通过内膜，导致线粒体跨膜电位不可逆的降低[10]。这种状态下会使内膜两侧电势差减小，呼吸链与氧化链酸化且失去偶联，ATP水平下降，内室内的钙离子水平下降，抗氧化物质还原性谷胱甘肽减少，活性氧自由基增加，释放AIF以及Cyt C，最终导致细胞凋亡；此外，线粒体通透性转化孔开放后，线粒体基质的高渗透压性增高，引起线粒体基质膨胀，外膜皱襞减小；同时由于内膜褶脊多，内膜表面积大于外膜表面积，易导致外膜破裂，引起细胞凋亡[11]。多种因素可调节通透性转化孔的开放，如促进线粒体通透性转化孔开放的物质如苍术苷、pk11195、二酰胺和一氧化氮，可促进细胞凋亡，而抑制开放的物质如含巯基的多肽、米酵菌酸、环孢素菌A可阻止细胞凋亡。（2）线粒体供能机制障碍。ATP合成酶是由5个亚基组成的F1和3个亚基组成的F0两部分构成，F1在细胞膜的外侧，F0是一个跨膜蛋白，来自F0的质子与跨膜质子本身的能量诱导F1构象由低亲和力的非质子化形式转化成高亲和力的质子化形式，这种构象的改变，使得F1对催化部位上的底物亲和力增强，催化底物ADP、Pi发生磷酸化形成ATP。ATP合成后，F1再次发生构象的改变，将质子解离出来，同时伴随自由能的释放，释放的自由能进入细胞质以满足机体生命活动需要，如线粒体此供能过程出现障碍，通过一连串的级联反应，引发细胞线粒体跨膜电位的降低，最终导致细胞凋亡发生[12]。
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3.线粒体结构和功能变化是细胞凋亡的枢纽环节
细胞凋亡是细胞程序性死亡的形式之一，指细胞在特定条件下，由一系列酶参与、基因控制、受机体严密调控的细胞自杀行为。凋亡遵循特定的模式，如细胞染色质收缩、核分裂等。细胞凋亡在个体发育、机体损伤修复、神经细胞发育、机体自身免疫调节、肿瘤发生等方面起着关键性的作用。线粒体被视为细胞的能量加工厂，是细胞内绝大部分ATP的产生者，为机体的各项生命运动提供基础能量来源，是一切多细胞生物生存的根本。研究表明，线粒体蛋白在细胞凋亡信号传导中有着特殊作用，肯定了线粒体在细胞凋亡的中心角色[13]。线粒体结构和功能变化是细胞凋亡的枢纽环节，是限制细胞凋亡进程中关键的一步[14]。
由于细胞凋亡机制的复杂性，过去的探索发现几十种凋亡刺激因子。随着对该机制研究的不断深入，普遍认为外在刺激及内在刺激的共同作用引起了细胞凋亡的级联反应，其中主要有3条通路参与，即线粒体Cyt C通路、死亡受体通路以及内质网通路，其中线粒体Cyt C被称为最经典的通路。
CytC位于线粒体外室，与内膜松弛相连，是首个被发现从线粒体释放至细胞之中的凋亡蛋白，是线粒体电子传递链复合物Ⅲ（复合物Cyt b-c1）以及复合物Ⅳ（复合物Cyt c氧化酶）的重要组成部分。Cyt C除了参与线粒体电子传递，也是细胞凋亡的一个始动因子，Cyt C的释放是线粒体凋亡途径的标志。在细胞凋亡早期阶段，位于线粒体外室的Cyt C经外膜进入胞浆。对于Cyt C的释放机制尚无定论，主要有两种观点，一种认为Bak与Bax参与了Cyt C的释放[15]，或者说促进了Cyt C的释放；另一种观点认为通透性转化孔开放后引起线粒体肿胀、外膜破裂释放Cyt C[16]。众多研究表明，Cyt C释放核心是半胱氨酸蛋白酶的参与，即Caspase途径。Caspase家族中共有13中caspase，其中第1、3种与线粒体跨膜电位有关。Caspase 3 的激活与AIF、凋亡蛋白酶激活因子和caspase 9 有关。当caspase 3 活化后将切割并激活DNA片段化因子，引起核凋亡[17]。
Bcl-2是其家族蛋白中最重要的抗凋亡蛋白，在细胞凋亡过程中起着关键作用。位于线粒体上的Bcl-2具有4个短的BH结构域（BH1～4）和一个疏水性C端尾状结构，前者末端朝向胞质，后者末端位于内膜，两者合成跨膜结构域。此结构域对于稳定线粒体功能具有重要作用，此外还能阻止线粒体释放凋亡蛋白（CytC、AIF及Caspases），防止细胞凋亡。Bcl-2通过以下三个途径抑制细胞凋亡，最主要是通过调节与Bax和Bak抑制凋亡发生。在Bcl-2家族成员中，Bax、Bak和Bid缺少BH4结构域，可插入线粒体外膜形成通道，释放凋亡活性物质，诱导线粒体膜电势降低，促进细胞凋亡。而Bcl-2的BH4结构则能够与Bax、Bak相互作用，促凋亡蛋白与抗凋亡蛋白相互作用形成同源或异源二聚体，且可在相互作用中中和，从而抑制细胞凋亡。Bcl-2的抗凋亡能力大小还体现在它是否与线粒体膜结合，研究表明，丧失膜定位能力的Bcl-2的抗凋亡能力会削弱很多。其次是通过调控线粒体跨膜电位调控细胞凋亡。此外，Bcl-2还能抑制线粒体通透性转化孔的开放，阻止凋亡蛋白释放，从而抑制细胞凋亡[18]。
线粒体通透性转化孔的开放与闭合对细胞凋亡有着至关重要的作用，它能调控线粒体跨膜电位，被称为细胞生死开关。该孔主要由位于外膜的电压依赖性阴离子通道和位于内膜的腺苷转位因子等蛋白组成。在凋亡因子的刺激下，线粒体通透性转化孔将聚集Bax，造成通透性转化孔增大，因而膜通透性转化孔开放，使内膜离子梯度消失、呼吸链失偶联，导致跨膜电位降低或耗散，从促凋亡活性物质，如AIF和Cytc等从线粒体基质中释放，进入胞质，激活Caspase级联反应，导致细胞凋亡[19]。当凋亡蛋白与抗凋亡蛋白相互作用，形成一个复杂的调控网络[20]。当抗凋亡蛋白占优势时，便可调节线粒体膜通透性，保持线粒体膜电位，抑制凋亡发生。
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论文作者:张小春
论文发表刊物:《健康世界》2015年14期供稿
论文发表时间:2015/11/19
标签：线粒体论文; 凋亡论文; 细胞论文; 内膜论文; 电位论文; 通透论文; 蛋白论文; 《健康世界》2015年14期供稿论文;