细胞线粒体状态的热力学分析.pdf

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1、专题论坛 关于化学热力学和动力学发展方向的讨论 收稿:2006年3月,收修改稿:2006年4月3 国家自然科学基金项目(No.20331020)和教育部北京大学985项目(No.9852220062113)资助3 3 通讯联系人email:xyang 细胞线粒体状态的热力学分析3刘 莎 刘会雪 杨晓改 杨晓达3 3(北京大学药学院化学生物学系 北京100083)摘 要 近年来,线粒体在一些重大的代谢性疾病如糖尿病和神经退行性病变中的作用备受关注。由于线粒体是细胞生产能量的“工厂”,线粒体的能量代谢理论研究带动了线粒体热力学研究的进展,也向化学热力学研究提出新的问题。本文在总结了化学渗透理论和近

2、年来与线粒体有关的生物化学研究新结果的基础上,对线粒体的工作及其调节机制进行了分析,提出了线粒体工作状态受化学热力学机制控制的新观点。关键词 线粒体 化学渗透理论 质子动势 离子通道 化学热力学中图分类号:O642,Q591,Q731 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2006)0620841208Thermodynamic Analysis of Mitochondria Working StateLiu Sha,Liu Huixue,Yang Xiaogai,Yang Xiaoda3 3(Department of Chemical Biology&Laboratories o

3、f Preventive Pharmaceutics,School ofPharmaceutical Sciences,Peking University Health Sciences Center,Bejing 100083,China)AbstractMitochondria,the“plant”of energy in cells,has recently received great attention for its roles inmetabolic diseases,e.g.diabetes and neural degenerative diseases.In this re

4、view,we briefly summarize the majorrecent progress in the biochemical and relevant studies of mitochondria and discuss comprehensively the workingmechanisms and regulations of mitochondria,i.e.the chemiosmosis theory.A novel hypothesis of thermodynamicregulation of mitochondria function is proposed

5、based on the reported results.Key wordsmitochondria;chemiosmotic theory;proton motive force;ion channels;thermodynamic analysis 线粒体是真核细胞的一种重要细胞器,其核心功能是氧化代谢。它集合了三羧酸循环、氧化电子传递以及磷酸化,将食物进行可控氧化,用氧分子为氧化剂,将有机物氧化成二氧化碳和水。在这个过程中按照生物体的需要合成三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP),以ATP形式储存和供给生命运作所需要的能量,以实现自由能的直接利用,因此被称为细

6、胞的“能量工厂”。此外,在线粒体内进行上述氧化代谢的同时产生活性氧物种(reactive oxygenspecies,ROS),占体内产生的ROS总量的95%以上。它们起着调节细胞内氧化还原平衡和参与细胞内钙的内稳态控制的作用1,并且和细胞钙离子稳态有关14。但另一方面,由于钙离子和ROS是细胞信号转导中的重要信使分子,而线粒体是钙离子和ROS介导的细胞增殖和凋亡的工作中枢,线粒体具有调控细胞生死的功能36。目前已经知道有许多疾病因与线粒体的功能变化有关,被归纳为“线粒体病”,如 糖 尿 病7,8、老 年 痴 呆 症9、Parkinson症10,11、衰老12等。因此,线粒体已经成为药物设计的

7、新靶点13。第18卷 第6期2006年6月化 学 进 展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.18 No.6June,2006对线粒体生理和病理生理学的关注,带动了线粒体有关研究特别是分子生物学和生物化学研究的发展。2001年Mitochondrion创刊;2006年BiochimBiophys.Acta为 线 粒 体 研 究 发 行 了 专 刊:Mitochondria in Diseases and Therapeutics(Vol.1762,Issue 2)。本文在近年来线粒体生物学研究基础上,从化学的观点讨论细胞线粒体的化学过程的基本问题。1 线粒体的结构1.1 线粒体的蛋

8、白质组成不同细胞的线粒体在功能和结构上有所不同,但是具有共同特点。一般地,线粒体由内外两层平行且高度特异化的膜封闭而成,分别称为内膜和外膜。这两层膜形成了线粒体功能各异的内部空间。外膜与内膜之间的狭窄空间为膜间隙,内膜内的空间为基质(matrix)部分。外膜上含有大量的孔蛋白,使得较大的分子可以通过,因此外膜的通透性较高。而内膜的通透性很低,只允许一些不带电的小分子进入。内膜上有序组装的蛋白质包括推进氧化代谢的一系列蛋白,以及调控膜两侧离子浓度和离子梯度的转运蛋白和离子通道等。图1 线粒体结构和一些已知的功能蛋白示意图14,15Fig.1Illustration of structure an

9、d some important proteins ofmitochondria14,15蛋白质占线粒体干重的70%左右。通过蛋白组学的方法,Taylor等14研究了人心脏线粒体的蛋白物种。研究发现线粒体内主要存在615种蛋白,其中498种是功能明确的蛋白。而在这些蛋白中,有大约9%是各种分子转运和离子通道蛋白,还有许多直接参与氧化磷酸化。在线粒体内膜上的蛋白许多都与转运以及能量转换功能相关。图1中总结了线粒体中一些已知的功能蛋白。特别值得注意的是处于病理状态下的细胞和正常细胞之间有时在蛋白质组成和结构上有明显的差异。这也是各种与线粒体功能异常有关的疾病的特征。112 具有电子传递功能和质子泵

10、功能的蛋白质构成电子传递链电子传递链(图2)由依一定顺序排列在线粒体内膜上的一系列酶复合体构成。电子传递链又名呼吸链15。呼吸链上的4种酶复合物按照相对还原电势的高低排列,依次命名为复合物、和。它们具有传递电子和将质子泵出内膜的双重功能。复合物、组成主要的呼吸链,催化还原性底物NADH的脱氢氧化,复合物、组成次呼吸链,催化琥珀酸的脱氢氧化。线粒体内膜呼吸链中有3个酶复合体具有质子泵功能:复合体(NADH2辅酶Q还原酶)、复合体(辅酶Q2细胞色素c氧化还原酶)和复合体(细胞色素c氧化酶)。质子泵实际上是可逆性ATP酶功能的表现,能在每步电子传递过程所释放的自由能驱动下将H+由内腔转运到外腔,形成

11、跨线粒体内膜的电化学梯度,包括跨膜电势差()和质子浓度梯度(pH)。这两个梯度是维持线粒体以及细胞正常运作的根本条件。图2 线粒体电子传递链以及标准氧还电位15Fig.2Illustration of respiration chain of mitochondria and thestandard electric potential for each redox step15113 线粒体内膜上的离子通道线粒体内膜存在对各种金属离子具有选择性的通道蛋白16,17(见图1),离子通道对维持线粒体膜两侧离子梯度,维持跨膜电势差,参与离子浓度的涨落,启动信号传导功能有重要作用。以下是近年来,一些

12、受到关注的重要的线粒体离子通道。11311ATP敏感的K+通道(KATP),也称选择性钾离子通道虽然1991年就从大鼠肝细胞线粒体内膜中发现了可以被ATP抑制的选择性钾离子通道18,19,但248化 学 进 展第18卷直到最近才了解它的功能。选择性钾离子通道的功能可能包括:(1)通过控制钾离子线粒体分布参与正常线粒体质子梯度的形成和维持。理论计算表明,跨内膜净转运1nmol H+mgprotein可以产生200mV的跨膜电势差(),但仅能使膜间隙pH值升高0105个单位20。大多数活跃的线粒体的 为150170mV,pH为015110。这意味着除H+之外,还需要其他离子进行重新分布。阴离子是通

13、过阴离子 阴离子交换来穿过线粒体内膜,这种电中性的交换不会对电势产生影响。在细胞质的阳离子中,钙离子的浓度(10-7molL)极低,与钾离子浓度(011molL)相差106数量级。(2)通过控制钾离子分布,调节线粒体的渗透压,从而保持线粒体的容积。(3)选择性钾离子通道开放可以引起一系列的细胞信号,这些细胞信号可能与心肌细胞的缺血预适应有关。因此,选择性钾离子通道的激活剂可能用于心脏保护。11312 解偶联蛋白家族解偶联蛋白是一类质子通道。第一个发现的是解偶联蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1),它位于棕色脂肪组织中21,22。之后的研究中又相继发现了解偶联蛋白2和3(

14、UCP2,UCP3)23,24,UCP1的解偶联作用远较UCP23为强。UCP主要分布于线粒体内膜。激活的UCP使质子从间质绕过了ATP合成酶渗漏回基质,因此,UCPs的功能被认为和细胞产热能量代谢有关,通过它的开放消耗跨内膜的质子电化学梯度而释放热能。解偶联消耗的能量在基础代谢中占有很大的比例。在实验中发现,骨骼肌通过质子渗漏所消耗的能量可以占到总能量的20%50%25。不同的解偶联蛋白有不同的功能。棕色脂肪组织中的UCP1在生物体适应环境的产热过程中起作用;其他UCP的功能不十分清楚,可能在控制免疫应答、ROS形成和胰岛素分泌中起作用。在具有先天性对肥胖饮食有耐受能力的妇女中,发现她们骨骼

15、肌细胞的UCP3表达水平偏低。有实验表明胰岛中的UCP2表达增加时,会致使ATP的产生减少,ATPADP值下降,对KATP通道的抑制减少,从而抑制Ca2+内流、减少胰岛素的分泌。因此,UCP2可能与2型糖尿病有关26。但在另一个研究中,在骨骼肌细胞过表达UCP1可以使实验动物对胰岛素的敏感性增加,防止高脂饮食下的肥胖发生。11313钙 单 向 转 运 载 体(mitochondrialCa2+uniporter,MCU)线粒体介入的细胞内钙的内稳态在调控细胞过程中起关键作用。线粒体的钙吸收和释放的主要途径如图3所示。外膜一般认为是钙通透的,但近来一些研究表明位于电位敏感的阴离子通道(volta

16、gedependent anion channel,VDAC)具有钙通道功能,可能调节钙离子向线粒体间质空间的转运过程1。钙离子跨越内膜进入线粒体内有两条转运途径:钙单向转运体转运模式和快速摄取模式2,主要依赖前者进行钙摄入。钙单向转运载体介导的钙摄入是由膜电势驱动的,不与其他离子进行交换或偶联,因此Ca2+的摄入会消耗一部分膜电势。Ca2+的释放则可能通过Na+Ca2+交换进行,然后Na+再通过Na+H+交换排出线粒体1,3,4,16。值得注意的是,线粒体的Ca2+吸收和释放都依靠了线粒体膜电势的推动。这样,线粒体内钙离子浓度成为内膜电势的函数;这一调节机制对于维持线粒体钙的内稳态和推动Ca

17、2+离子浓度变化适应外来刺激有重要意义。图3 线粒体的钙吸收和释放的主要途径及钙的可能作用14,16Fig.3The pathways of Ca2+influx and efflux and possibleroles of mitochondrial Ca2+14,162 化学渗透理论和线粒体的工作机制化学渗透理论15,27已经获得了越来越多的实验证据支持,因此得到了广泛的认可。化学渗透理论通过跨膜质子梯度和ATP合成的偶联,成功地解释了线粒体的工作机制。211 氧化电子传递反应通过跨内膜质子电化学梯度和ATP合成偶联从热力学理论可知,化学反应总是向G小于0的方向进行。但是生物体是热力学耗

18、散体系,维持生命过程必须靠进行大量G 0的化学反应。这些G 0的化学反应之所以能够进行,靠与一个G 0的反应配合进行,使得两个反应的净G0。在生物学中,把两个互相依存的反应称为反应间348第6期刘 莎等 细胞线粒体状态的热力学分析的偶联(coupling)。在细胞能量代谢中,参与这类偶联的G 0的化学反应进行;而在线粒体中则相反,G0的反应是三羧酸循环和氧化电子传递反应,这些反应释放的自由能推动合成ATP的磷酸化过程。一般地,化学反应间的偶联通过共同反应物进行,如糖酵解的终产物乙酰辅酶A是下一步三羧酸循环的起点,三羧酸循环的产物NADH(reduced formof nicotinamide2

19、adenine dinucleotide)是呼吸链氧化电子传递反应的起点。三个过程的偶联是一种自然的化学平衡联系的机制。但是,氧化电子传递过程和ATP合成缺乏共同的反应物,因此,氧化和磷酸化反应的偶联必须通过其它的特殊机制进行。化学渗透理论15,27指出在线粒体的氧化电子传递反应中,电子从NADH开始,经过复合体 传递至复合体 最后传给电子受体O2,所释放的自由能推动复合体的质子泵将质子从基质转移到线粒体间质中,形成内膜的跨膜质子电化学梯度。而这种质子电化学梯度能量储存的形式被ATP合成酶利用。上述能量偶联的特点是:ATP合成进行时,呼吸链的电子传递进行;而当ATP合成停止时,电子传递的氧化反

20、应中断。与偶联作用对应的解偶联过程(uncoupling),即跨内膜的电化学梯度通过其它方式消耗,因此,呼吸链进行氧化反应时并不进行合成ATP的磷酸化反应。在自然状态下,解偶联蛋白(UCP)将质子绕过了ATP合成酶渗漏回基质,实现解偶联,将质子的跨膜电势能转变成热能释放,这可能是细胞产热的方式。其它导致解偶联的原因是加入各种膜质子阳离子通道分子(如2,4-二硝基苯酚DNP等)。偶联和解偶联构成一对相辅相成的机制,相互配合以调制能量的转化和维持细胞的内稳态。212 质子泵建立跨膜质子电化学梯度跨内膜质子电化学梯度是氧化磷酸化过程偶联的关键环节。电子沿呼吸链蛋白传递过程所释放的自由能推动质子泵将H

21、+由线粒体内腔的基质转运到内膜和外膜之间的间质中。间质积累的大量质子使得内膜两侧出现了两个显著的特点:首先是两侧电荷的差异,间质一侧有大量的净的正电荷,而基质一侧有大量净的负电荷,形成跨内膜的电势差 线粒体膜电势();其次,两侧氢离子浓度的差异产生了pH梯度(pH)。这两种电化学梯度之合称为质子势(p)28。因此,在线粒体中,质子梯度形成的自由能为:G=-Fp=-21303RTpH内-pH外-F 或在室温条件下:p=+01059pH跨膜质子梯度是线粒体的一个关键性质,它至少在下列3个方面有重要意义:(1)质子势所储存的能量通过ATP合成酶来合成ATP。(2)质子势能推动跨内膜的一些重要分子的转

22、运,如ADP2ATP移位体,它将氧化磷酸化产生的ATP运出基质,同时将ADP转运进基质。由于ATP4-和ADP3-的对输,使得每次转运都输出一个负电荷。这种电荷对输是由线粒体内膜的膜电势差所驱动。(3)启动一些重要的细胞信号。质子势直接反映了线粒体的氧化磷酸化合成ATP的能力。在早先提出的临床外科氧化还原理论中29,氧化磷酸化能力可以反映身体的健康状态(图4)。近 年 来,有 研 究 提 出 线 粒 体 临 界 点(mitochandrial criticality)的概念6,30,指出当膜电势低于某一临界点时,会启动一系列的细胞信号,导致线粒体网络膜电势的整体崩溃和细胞的凋亡。图4 生物体能

23、荷(氧化磷酸化能力)和健康状态的关系。能荷用肝动脉血酮体比来表示29Fig.4The correlation of health state of individual with energycharge described by arsterial ketone body ratio,AK BR29213 线粒体中ATP合成、ROS代谢和钙的内稳态的互动关系近年来的研究发现,线粒体的ATP合成、钙稳态及ROS生成可能形成一个互动的三角关系1。线粒体基质游离钙离子浓度Ca2+m升高激活柠檬酸循环和氧化磷酸化途径的许多酶,如丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、酮戊二酸脱氢酶、甘油磷酸脱氢酶、腺嘌呤核苷

24、酸移位酶(ANT)、ATP合成酶等,可以增强线粒体的ATP合成。但另一方面,呼吸链电子传递的增加也同时增加了ROS的生成。此外,Ca2+可刺激的一氧化氮合成酶(NOS)产生NO,抑制复合物 的活性,进而加强ROS生成。如果ROS因其它原因升高,造成线粒体氧化损伤时,会导致线粒448化 学 进 展第18卷体钙过度积累。这将启动线粒体膜PTP孔的开放,释放线粒体内容物包括细胞色素c,进而激活细胞凋亡过程。3 未解决的线粒体过程的基本化学问题线粒体的诸多作用可以围绕ATP合成和产热等能量代谢功能联系在一起来研究。化学渗透理论基本解决了氧化磷酸化的能量偶联问题,其中线粒体内膜电势(或称线粒体质子势)及

25、其调节机制是核心问题之一。迄今仍有许多困惑的问题,包括:(1)内膜质子势的形成机制。如上所述,线粒体的质子势组成为=170mV,pH=015。如果 是由某离子扩散电势形成,则有下式:=(RTzF)Ln Mz+iMz+o计算在内膜内外两侧的Mz+的浓度梯度约为10218z倍;假设离子为K+、Na+或Ca2+,计算得到的线粒体基质内的离子浓度分别为95 molL(K+)、3 molL(Na+)和0104 molL(Ca2+)。这显然在细胞内是不可能达到的数值。因此,膜电势的建立并非离子的扩散电势,而是靠质子泵转运净的正电荷。那么,这种净的电荷转运又如何形成线粒体实际膜电势呢?(2)化学渗透学说明了

26、氧化和磷酸化过程通过膜质子势偶联,但并没有进一步说明偶联调节的具体机理。对于通过反应物偶联的反应,如果总反应是自发的(G0),那么合理的控制机制是对关键步骤反应速度的调节 即动力学的方式:如ATP调节磷酸果糖激酶的变构作用(糖酵解);ATP、NADH等对柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和a2酮戊二酸脱氢酶活性的调节(柠檬酸循环)。但在氧化和磷酸化偶联关系中,跨膜质子势如何调节氧化以及磷酸化反应并不清楚。这里类似糖酵解和柠檬酸循环中的酶活性控制方式在理论上不可能控制一种势能状态。此外,跨膜质子势仅仅调节电子传递吗?是否可能也同时调节柠檬酸循环乃至糖酵解过程呢?(3)许多研究表明了线粒体的离子通道对线

27、粒体的功能和状态有至关重要,甚至发挥主宰生死(gatekeepers of life and death)31的作用。那么离子通道如何调节线粒体状态呢?是否通过调节内膜质子势的机制呢?4线粒体化学热力学分析和热力学控制假设我们对上述问题进行了分析认为,既然线粒体作为细胞能量代谢的中心,所用功能和作用都围绕通用的细胞能量供体ATP合成进行,因此线粒体的各种行为可能是以热力学因素控制的,即ATP合成和线粒体的其它能量生产过程(柠檬酸循环和呼吸链电子传递)以及内稳态(钙稳态和ROS代谢等)可能都通过了内膜质子电化学梯度相偶联。下面,我们用化学热力学观点对线粒体的工作和调节机制进行分析。一点说明是,虽

28、然线粒体总体上是非平衡的耗散体系,但我们认为局部的微观热力学平衡建立仍然是合理的。411 线粒体内膜电势的产生前面说过,膜电势的建立依靠质子泵从线粒体基质向间质转运净的正电荷H+。由于复合体、都有质子泵作用,我们分别进行热力学分析。复合体:在复合体 中发生的反应是辅酶CoQ氧化NADH。此反应的标准电势差 E10=0137V。这里,NADH将电子传递给辅酶Q时所释放的自由能用于质子转运,形成跨膜电势。假定在标准状态下,则有下列关系式:-G1=neFE10=nH+F+RTLn(aiam)其中ne代表氧化反应传递的电子数目,nH代表转运质子数目,F为Faraday常数,ai和am分别代表质子在线粒

29、体内膜外和内的浓度(活度)。上面说过,理论计算表明,跨内膜净转运1nmol H+mgprotein可以产生200mV的跨膜电势差(),但仅能使膜间隙pH值升高0105个单位20(相当于3 mV的质子势)。因此,质子浓度梯度的部分可以忽略不计,因此有:neFE10=nH+F+RTLn(aiam)nH+F,(nenH+)E10已知复合体 每传递一对电子时,将把4个质子由基质运送到膜间隙,因此ne为2,nH为4。计算得出在标准状态下,复合体I可形成190mV的膜电势。复合体:复合体 催化细胞色素c氧化CoQH,E20=0120V。复合体 每传递一对电子时,将4个质子运送到膜间隙,但其中有2个质子是以

30、CoQH2的形式被运送到膜间隙,而非净电荷形式,因此复合体 进行净转运的质子数目是2个。由此计算得到在标准状态下,复合体 可形成200mV的膜电势。复合体:复合体 催化电子受体O2氧化细胞色素c,此反应E30=0157V。研究发现当一对电子通过复合体 时,转运2个质子。如果仅仅如此,548第6期刘 莎等 细胞线粒体状态的热力学分析按上述计算得到复合体 可形成的线粒体膜电势0157V。这远高于前两个复合体所产生的膜电势。合理的推论是3个质子泵的转运能力应该形成接近的膜电势大小,因此两个H+可能只是复合体 净电荷转运的一部分。我们推测,复合体 在转运质子时,可能直接或与某个转运载体偶联的方式同时转

31、运了4个其它正电荷或向相反方向转运了4个负电荷;其中的机制究竟如何,还有待进一步的研究。在此假设下,复合体 可形成190mV的膜电势。由上可见,3个复合体通过调整净质子转运数量达到了基本相同的质子转运能力,即大约190200mV的最大跨膜电势或总质子势。虽然上述推理是在标准状态下,但与实际数值的差别并不大。此外,3个复合体相同的转运能力可以形成它们同时工作或停止的相互偶联的工作方式。412ATP的合成功率和跨膜质子浓度梯度pH前面说过,线粒体膜质子势包含膜电势 和质子浓度梯度pH。总质子势的大小通过复合体、的偶联方式限制在大约190200mV。既然总质子势大小一定,因此,和pH则此涨彼落。AT

32、P的合成是在膜电势驱动下,H+推动ATP合成酶工作的过程。ATP合成酶的工作方式很像一个分子马达。因此可以说ATP的合成是一个电动力学过程。线粒体利用H+电流的优势在于,由于细胞体系的缓冲作用,H+的游离浓度只需要微小的变化就可以获得较大的电流,这样使合成ATP的过程中线粒体不存在渗透压变化过大的问题。细胞维持生命活动需要一定的能量消耗,因此需要一定的ATP合成速率。分析可知,ATP合成速率应该正比于H+的电流功率(P)。而在一定的跨膜电势差下,H+的电流大小应该正比于膜两侧H+浓度差,即有:P=UI=i(H+)=b H+(b为常数)由于 p=+01059pH,于是:P=b(10-pHoute

33、r-10-pH inter)(p-01059pH)在细胞pH=7120的条件下,可以得到ATP合成的功率PATP pH曲线如图5所示。可见,ATP合成需要维持一定的质子浓度梯度,理想的状态在pH=018左右。在正常肝细胞中,线粒体膜电势的测量值为168 mV,pH为0175,这和我们的计算是基本吻合的。如果考虑质子电流的量子效应,及ATP合成必图5 合成ATP的功率PATP pH之间的拟合关系Fig.5The calculated dependency of ATP synthesis power(PATP)on mitochondrial pH gradient(pH)须对应于整数个质子的流

34、过,根据生理条件下ATP的自由能(44 kJmol),计算可知每个ATP的合成对应于在150mV的 下流过3个质子。这个数值和实际测定的每3个质子合成1个ATP分子是一致的。此外,考虑这种量子效应时,可以推断高于最佳pH后的ATP合成效率的降低将比图5中显示的更大有幅度的降低。413 跨膜质子浓度梯度pH的形成和调节上述计算说明,连续和稳定的ATP合成需要一个线粒体质子蓄积池,通常pH在015110的范围。前面说过pH的形成不能仅仅是质子泵的结果,因为每产生200 mV,仅能获得0105的pH。实验发现:线粒体pH的大小和溶液中K+浓度相关和 激活ATP敏感的K+通道(KATP)可以增加pH的

35、大小。因此,我们认为KATP可能是形成线粒体质子蓄积池的主要因素;其他阳离子通道也可能对pH梯度的形成有所贡献。尽管通过K+在基质分布的方式生成pH会造成一定程度的解偶联和消耗一些能量,但是它们的益处在于可以使ATP的合成处于较为平稳和高效的状态。另一方面,线粒体也可能通过解偶联蛋白UCPs和K+H+交换等机制使质子渗漏回基质从而下调pH。在UCPs中,UCP1比UCP23有更强的解偶联作用,可能预示UCP1与后两者的质子渗漏机制可能不同;UCP1的作用是产热,所以可能同时消耗 和pH两种质子势能。414 线粒体的热力学状态及调控机制化学渗透理论通过线粒体膜质子势的形成,成功地解释了氧化磷酸化

36、的偶联机制。通过上述分析,我们提出进一步的新假设(图6):线粒体的ATP合成和其它过程以及内稳态都通过了膜质子势相偶联;质子势形成 和pH一对平衡机制,而内膜648化 学 进 展第18卷离子通道调节这一平衡移动。图6 线粒体依靠膜质子势调控的假设机制Fig.6The proposed mechanism of regulation of mitochondrialfunction by cross membrane proton gradient这里可以清楚地看到呼吸链电子传递和ATP合成偶联的机制:在没有其它质子渗漏时,呼吸链电子传递过程中转运的质子将全部用于ATP合成。极化的线粒体膜的质子

37、势推动的是质子从高电势到低电势的转运,和3个复合物中的质子转运方向正好相反。因此在没有ATP的合成或合成被抑制时,3个复合物中的质子转运将推动线粒体膜的完全极化,并达到一个热力学的平衡。此时质子逆电势差的转运推动力(即每步氧化反应的自由能)和线粒体质子势的反向推动力相等而抵消,于是质子泵不能再转运质子,电子传递也同时中断。只有当ATP的合成开始,跨膜的质子势被消耗,氧化呼吸作用才得以进行。而当质子势以其它方式(如加入解偶联剂)被消耗时,电子传递可以得到恢复,但不会合成ATP。因此,氧化磷酸化的偶联仍然是一种热力学机制,而3个复合物平均化的质子转运能力是一个关键。由于线粒体的Ca2+吸收和释放都

38、依赖线粒体膜电势,因此我们推测线粒体内钙浓度Ca2+m可能由线粒体膜电势的变化调节。在没有ATP合成或其它质子势消耗时,线粒体膜完全极化,Ca2+外流为主要趋势,Ca2+m降低,从而柠檬酸循环因缺乏Ca2+被抑制。当膜电势被消耗,Ca2+转而变成内流,Ca2+m增加,从而激活柠檬酸循环,为下一步呼吸链的氧化作用提供原料。这样就可以理解线粒体膜电势临界点的存在。因为当膜电势下降时,引起Ca2+内流和氧化磷酸化增强。这个过程中将伴随细胞ROS产生的增加。ROS和Ca2+会联合作用于线粒体的PTP孔。当超过某一点后,过高的ROS和Ca2+水平将引起PTP孔的不可逆开放,导致膜电势完全崩溃、氧化磷酸化

39、作用终止和细胞色素c的释放,进而发生细胞凋亡。同时,高Ca2+水平将刺激柠檬酸循环以及上游的糖酵解过程,由于这些过程也可生产ATP,因此细胞在凋亡解体前会有一次短暂的ATP水平的提高32。综上所述,正常的线粒体应当处于一种优化的热力学状态:一定的膜电势 和一定的质子浓度梯度pH;对其的偏离都将导致细胞能量合成能力的下降。其中各种内膜离子通道可以通过调节质子浓度梯度而调节线粒体的热力学状态。例如当细胞缺氧时,会造成线粒体质子势的耗竭,而恢复供氧后新生成的膜质子势将会处于高 而低pH的状态。这种状态ATP合成能力不足,将导致细胞能量缺乏。此时,激活线粒体KATP有助于提高pH,进而恢复线粒体的AT

40、P合成。近年来,越来越多的研究表明KATP激活剂可以显著降低心肌缺血灌注的细胞损伤,具有心脏保护作用13,33。再如当离子通道过度活跃时,会使线粒体膜pH偏高而 偏低,同样会导致氧化磷酸化不足,但 偏低会引起线粒体Ca2+内流和柠檬酸循环代谢加强,进而引起细胞活性氧水平增加、体液pH降低等不良后果。这些可能与一些代谢性疾病如糖尿病和Alzheimer症有关。如果这时对KATP适度抑制,也许会对这些疾病的治疗有积极作用。实际上,现在一种有效的糖尿病治疗药物格列苯脲就是KATP的一种抑制剂13。415 离子的相似作用规律和金属离子对线粒体状态的调节上述讨论显示,深入地研究线粒体离子通道的作用机理和

41、调控方式具有重要的意义,并将有助于以线粒体为靶的新药物的发现和研究。根据离子的相似作用规律34,我们认为一些无机离子也可能在调节线粒体的状态和功能中发挥作用,因而值得作进一步的研究,包括:(1)H+通道结合离子:铜(Cu+Cu2+)离子被发现可以与某些细胞膜表面的质子泵结合,Cu+Cu2+有可能对线粒体质子浓度梯度有作用。(2)Ca2+类似离子:这包括稀土离子Ln3+、Sr2+和VO2+等。近年来,我们的研究表明稀土离子作用于线粒体,在高浓度时导致线粒体膜电势下降。进一步的研究仍在进行中。(3)K+类似离子:Cs+、Li+是K+的类似物,它们的许多生物效应机制迄今仍未明了。(4)PO43-类似

42、物:像KATP一样,许多线粒体离子通道都是ATP敏感的分子,因此可能与磷酸根类748第6期刘 莎等 细胞线粒体状态的热力学分析似离子有结合和作用。AsO43-和VO43-等是典型的PO43-类似物。参 考 文 献 1 Brookes P S,Y oon Y,Robotham J L,et al.Am.J.Physiol.Cell Physiol.,2004,287:8178332Gunter T,Buntinas L,Sparagna G C,et al.Biochim.Biophys.Acta,1998,5153Duchen M R.J.Physiol.,2000,529:57584Cara

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