线粒体功能障碍.docx

1、非酒精性脂肪性肝炎的线粒体功能障碍Mitochondrial dysfunction in nonalcoholic steatohepatitis非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的发病机理目前还不明确，其机制也有待阐明。线粒体功能障碍在不同程度上参与 NASH 的发病，因为它损伤脂肪肝的内环境稳定，并且诱导自由基的过多产生，进而触发脂质过氧化反应和细胞死亡。在本文中，我们讨论了线粒体在脂肪代谢、能量平衡、活性氧产生中的作用，集中研究线粒体损伤和解偶联蛋白在 NASH 形成的病理生理学过程中的作用。并且讨论了一些定向线粒体的分子的潜在作用。关键词：ATP 平衡；脂肪酸氧化作用；人嗜中性细胞弹性蛋

2、白酶（HNE） ；线粒体； NASH；活性氧；解偶联肝脏线粒体：结构和功能 肝细胞在糖类、脂质和蛋白质代谢过程中起关键作用。来源于脂类和糖类代谢的酶解物通过线粒体的作用产生 ATP（1 ） 。每一个肝细胞包含大约 800 个线粒体（占整个细胞容积的 18%） ，这些线粒体在脂肪酸的氧化和氧化磷酸化过程中其关键作用 （2 ） 。线粒体有两层膜内膜和外膜 这两层膜围成一个密集的细胞基质 （3） 。线粒体膜由一个磷脂双层和蛋白质组成。线粒体外膜包含许多名为孔道蛋白的膜内在蛋白质。这种蛋白质含有一种通道可以渗透小于 5000Da 的分子，而大分子主要通过线粒体膜转运蛋白来转运 （4 ） 。另一方面，线

3、粒体内膜是不可渗透的，因为他们不包含孔道蛋白，但是含有可以调整代谢产物进出细胞基质通道的特殊运输蛋白。此外，蛋白质负责呼吸链的氧化反应并且 ATP 合酶也位于线粒体膜的内部 （5） 。当前线粒体内膜的模型表明它是连续的并且形成被称作嵴的内转，它的数量和形态反映线粒体对细胞的能量需要的反应 (3)。线粒体基质是一种含水层包含一种高密度蛋白，包括丙酮酸和脂肪酸氧化作用以及柠檬酸循环所需的酶类。已经经过鉴定的大约 700 多种线粒体蛋白质中，有 200 多种只存在肝脏线粒体中 （7） 。大多数线粒体蛋白质由核 DNA 编码，但是还有一些由线粒体 DNA（mtDNA）编码。mtDNA 是一种位于线粒体

4、基质的圆形的、双链的分子。由于它靠近内膜，缺乏保护性组蛋白以及不完善的DNA 修复机制使它对氧化损伤极端敏感 （8） 。脂肪酸氧化作用肝脏游离脂肪酸（FFAs）可能有不同的来源：脂肪组织乳糜微粒水解重新合成假如能量需要很低，肝脏的游离脂肪酸就被酯化为甘油三酯储存在细胞液中或者分泌到血浆中作为极低密度脂蛋白。另一方面，在能量不足的情况下，游离脂肪酸被用于以下方面：通过线粒体和过氧化物酶参与氧化；通过内质网参与 氧化。线粒体催化大量短、中和长链游离脂肪酸的氧化，这一途径构成了脂肪酸氧化供能的主要过程。过氧化物酶优先参与缩短长链脂肪酸的 氧化 （9） 。但是过氧化物酶途径在数量上是很少的 （10）

5、。短链和中链脂肪酸可以自由进入线粒体，相反，长链脂肪酸被活化成定向酯化的脂酰辅酶A，或者激活线粒体的氧化。线粒体的氧化可以分成两个主要部分：获取酰基进入线粒体氧化的过程；通过氧化去除两碳单位（乙酰基）缩短线粒体内链。长链脂肪酸活化成脂酰辅酶A酯不能直接通过线粒体内膜，而且线粒体通道是控制和调节氧化的关键点 （11 ） 。跨越线粒体膜传输包括三个不同阶段：酰基从辅酶A转移到肉碱，由肉碱催化棕榈酰转移酶(CPT) 1；膜间隙通过酰基肉毒碱转移酶转运、催化；由CPT2（图1）重新转化到线粒体内膜内表面的脂酰辅酶A。CPT1作为线粒体脂肪酸的入口，是肝脏氧化量的主要调节器（12） ：它的活性被脂肪酸合

6、成的第一步产物丙二酸单酰辅酶A抑制。氧化包括四个单独的反应从而产生递电子体 (NADH 和 FADH 2)，在线粒体呼吸链复合体IV传递电子把O 2还原成H 2O。通过氧化磷酸化过程，加上呼吸链的电子传递以ATP的形式产生的能量是固定的。线粒体呼吸链和ATP合成线粒体呼吸链包括四种呼吸复合物(IIV)可以把递电子体 (NADH 或者 FADH 2 )转化成氧化的辅酶 (NAD + 和FAD)；在氧化过程中 NADH和FADH 2 把它们的电子传递到呼吸链的第一复合物。通过复合物I, III和IV传递电子，与从基质到膜间隙的质子泵连接。复合体V 是ATP合酶（图1） （13）游离脂肪酸氧化作用使

7、NAD + 和FAD转化成NADH和FADH 2， 这通过线粒体呼吸链反复转化。根据米歇尔的化学渗透原理，通过线粒体的电子传递与从基质到线粒体膜间隙的质子泵相配合，产生膜电位（14） 。当需要能量时，质子通过ATP合酶的F 0部分重新进入基质，引起一个位于ATP合酶的F 1部分的分子旋转体的旋转和ADP转化成ATP。线粒体的呼吸作用程度依赖于ADP转化为ATP合酶。ADP和ATP穿过内膜的程度由腺苷酸转移酶活性来调节平衡，这种酶从线粒体内挤出ATP交换细胞溶质的ADP。肝细胞合成ATP主要有两种途径：细胞质内的糖酵解，和线粒体膜内的氧化磷酸化。使用葡萄糖作为底物，氧化磷酸化产生比糖酵解多大约1

8、7倍的ATP。因此，氧化磷酸化代表需氧生物的ATP的主要来源。呼吸调节是使氧化磷酸化的ATP合成比率与ATP的利用率相适应的反馈机制。尽管大多数的氧化磷酸化蛋白质由核基因组编码，一些呼吸链复合物的主要亚基只由mtDNA编码 （15） 。通常认为mtDNA在人类疾病和衰老中起主要作用，归因于线粒体内氧化磷酸化能力的缓慢降低 （16-18） 。图 1：线粒体电子传递链。经过从细胞质到线粒体基质的特殊转运，丙酮酸盐（A）和游离脂肪酸（B）经过氧化作用提供递电子体以递送电子，通过呼吸链作用把氧还原成水（C） 。通过这些氧化还原反应产生电子转运， 这与通过复合物 、和的质子泵相配合，产生的质子动力势被复

9、合物利用来产生 ATP（D） 。通过复合物和的作用，氧分子的部分还原可能会导致超氧阴离子根的形成，这些离子根能被过氧化物歧化酶依次转化为过氧化氢，过氧化氢能依次被过氧化氢酶解毒为水（E） 。c：细胞色素 c；CAT:过氧化氢酶（Catalase） ；C:复合物；C:复合物；C:复合物；C:复合物；C:复合物；CPT1：肉毒碱棕榈酸转移酶 1；FFA：游离脂肪酸;OMM：线粒体外膜；PDC：丙酮酸脱氢酶复合物；Pyr：丙酮酸盐;Succ:琥珀酸盐;Q 10:辅酶Q10；SOD:过氧化物歧化酶；经过【140】的允许后复制。线粒体活性氧的产生线粒体是哺乳动物肝细胞H 2O2数量上的主要来源 （19,

10、20） 。对于穿过呼吸链的大多数电子，复合体IV是是最终的目的地，在这里O 2分子被四电子还原转化成水。超氧阴离子基是在线粒体呼吸（复合体I或III）早期，正常呼吸通过O 2分子的一电子还原产生的的一种副产品 （21） ；然后被超氧化物歧化酶（SOD）转化成H 2O2(图1) （22） .在正常状态下，从总耗氧量的0.15%到几个百分点会产生超氧化物 （23） ，但是在特殊情况下这一数值可能会明显增加。任何外在的质子移位与ATP合成的不平衡可能会反应在膜电位。线粒体的超极化延长了移动的电子载体的半衰期，这会调节O 2的部分还原并且产生超氧化物（24） 。因此，即使在健康的线粒体，呼吸链也产生活

11、性氧（ROS）。但是，在生理状态下，线粒体的ROS被分解成水，只有少量残留自由基存在。活性氧是生存期较短能产生局部作用的分子。但是，它们能攻击多不饱和脂肪酸并启动细胞内的脂质过氧化，结果，形成醛等副产品如4-羟基-2nonenal（HNE）和丙二醛（MDE）（图2） （25） .这些分子的半衰期比ROS更长，并且可能从起源的地方弥散到较远的细胞内和细胞外的目标，从而扩大氧化应激的的效应。ROS产物与膜电位有关，二者都可以被人造的解偶联剂还原 （26） 。膜电位的小变化对过氧化物产生的速度有很大影响 （27,28） 。目前未知残留的ROS是否有生理作用，但是新近的数据表明H 2O2和HNE能够起

12、信号分子那样的作用，来保证线粒体和细胞质之间的流通 （29） 。酶的产生和H 2O2的分解，伴随硫氢基氧化的需求，为信号中必需的时间和地点提供特异性，指示H 2O2最好的满足作为第二信使的需求,就像之前提到的那样 （8） 。Hydroxyalkenales，特别是HNE，由于它们的化学反应以及和大分子形成的共价化合物，而牵涉在各种病理生理学的相互作用中。在低浓度的非细胞毒性浓聚物中，这些分子的作用就像细胞中的信号分子 (30)。线粒体也是一氧化氮（NO）的起源和靶点，通过一类一氧化氮合酶同工酶（NOS）把精氨酸转化瓜氨酸，可形成一个高度扩散性的自由基。作为一种保护性或者有害的分子，NO可能会与

13、O 2-反应形成过氧化亚硝酸盐(ONOO -)，这是一种能攻击蛋白、脂质和DNA的有效的氧化剂和硝化物，,并且减少抗氧化剂的防御作用（图2） （31,32） 。如今，公认的线粒体NOS对碘氧基苯甲醚的作用是未知的，酶的存在也是被质疑的：一些报告表明它在肝脏线粒体表达（33,34），但是最近知名的实验并不能确认相同的结果 （35） 。独立于起源，NO和ONOO-被认定为线粒体功能的关键介质。事实上，通过一个对细胞色素C氧化酶的可恢复结合，NO或许能调节O 2的消耗 （37） ，而且ONOO -经过翻译后修饰能够灭活几种线粒体蛋白 （38） 。线粒体的解偶联在生理条件下，质子泵从基质进入线粒体膜间

14、隙产生一个质子梯度，和顺着呼吸链的电子传递一起，产生一种跨越线粒体内膜的可测量的电位差 （39） 。在复合体V这种电位差是ATP合成的驱动力。线粒体内膜几乎完全不能渗透质子，质子只能通过ATP合酶重新进入基质，利用质子作为驱动力来旋转F1亚基并把ADP转化成ATP。任何透过线粒体膜的活动都可能减少线粒体电位并影响ATP合成。线粒体膜电位的测量作为氧气消耗量的一种功能，允许穿过细胞膜的质子漏的检验 （40） 。当使用一种底物和一种复合体V的抑制剂培养线粒体时，氧气摄取完全依靠由质子动力势驱动的（和用膜电位测量的）跨膜的质子漏。使用一种复合体II的抑制剂丙二酸盐对呼吸链的电子供应逐步抑制，可能会降

15、低膜电位；这一过程允许质子漏率的测量作为膜电位的一种功能 （40） 。几种物质可能会分散质子梯度，例如经典的解偶联剂 （41,42） ，脂肪酸 （43） 和解偶联蛋白（UCPs） （44,45） 。UCPs从氧化磷酸化“解耦”线粒体呼吸作用，分散质子梯度并形成电子梯度从而产生热能代替ATP (41)。UCPs基本上不在肝细胞表达 （46） ;但是，肝脏UCP2已经在基因上和乙醇诱导脂肪肝上被观察到 （47,48） .此外，有报道UCP3在增强肝脏脂肪酸分解代谢的情况下被高度表达 （49,50） 。线粒体与细胞存活控制生存控制的缺失导致细胞死亡，包括凋亡和坏死（51）。细胞凋亡对细胞死亡的控制，

16、可能会被死亡受体（外源性途径）或者线粒体（内源性途径）触发，并集聚胱门蛋白酶，这种酶是负责细胞骨架蛋白质的裂解和亚细胞成分的裂解的特异性蛋白酶 （52） 。线粒体通过调整Ca 2+信号穿过B淋巴细胞瘤基因-2（Bcl-2）的一类蛋白（56） 来调节细胞凋亡 （53-56） 。这种蛋白也通过诱导细胞色素C释放入细胞质来调节线粒体的渗透性转换孔（mPTP） （57,58） 。此外，在细胞死亡中线粒体的解偶联和渗透性是主要的决定因素 （59） 。UCPs施加在mPTP开放上的影响可能调节细胞存活：假如mPTP开放被限制在少数线粒体，这些细胞器可能被扣押成为自噬体或者被移开，这是一个被称作线粒体自噬的

17、过程 （60） ；另一方面，如果发生一个更高的mPTP激活，膜电位裂解和ATP耗竭将使细胞转向坏死（图2） （61） 。图 2:非酒精性脂肪性肝炎的线粒体异常情况：自由基产生，解偶联和细胞凋亡。 （A）脂肪酸供应过度可能引起还原当量的过剩，这会诱发活性氧和活性氮的产生。 （B）当自由基产生过多时会攻击多不饱和脂肪酸，导致活性醛的形成如 hydroxynonenal 和丙二酰二醛，同时伴随着膜电位的耗散和 ATP 合成的损伤，这些活性醛可能激活解偶联蛋白。 （C）活性氧类的增加、ATP 水平及线粒体解偶联的降低可能诱发线粒体膜通透转运孔的开放，同时伴随细胞色素 C的不断释放、线粒体肿胀并激活线粒

18、体依赖性细胞凋亡途径。ANT：腺嘌呤核氨酸转运体；c：细胞色素 c ；C:复合物；C:复合物；C:复合物；C:复合物；C:复合物；CPT1：肉毒碱棕榈酸转移酶 1；FFA：游离脂肪酸；HNE:4-羟基-2-nonenal；IMM：线粒体内膜；MDA：丙二醛；NO：一氧化氮;VDAC:电压依赖性活性通道;；ONOO -:过氧化亚硝酸盐；VDAC：电压依赖性活性通道。除外mPTP开放，线粒体的融合和分裂过程也是肝细胞死亡程序的重要调节器。线粒体的数量和形态被大量嵌入外层和内膜的线粒体成型蛋白，通过线粒体的融合和开放过程牢牢控制，如mitofusins ( Mfn1/Mfn2)（62） ，发动蛋白相

19、关蛋白（Drp-1）和线粒体裂解蛋白（hFis1） （64） 。线粒体裂变随着凋亡细胞死亡并在凋亡途径中表现得非常重要 （55） 。根据近来的报告，在一些线粒体检查点UCP2好像能调节细胞凋亡 （66-67） 并且UCP3把肝脏线粒体一种增强的敏感性对比渗透性转换的经典诱导物，如钙和 carboxyatractylate （68） 。非酒精性脂肪肝炎中线粒体的异常非酒精性脂肪肝病(NAFLD)是 世界范围内慢性肝病 的众多常见原因之一 （69,70） 。NAFLD代表一个频谱范围的肝脏疾病，从单纯脂肪变到更加严重的和治疗抵抗的以炎症表现为特点的临床实体，后者被称为非酒精性脂肪性肝炎（NASH）

20、，可能会逐渐进展到肝硬变和亚急性肝功能衰竭 (71)。这种从单纯性脂肪变进展到脂肪性肝炎的分子机制还没有被完全了解。虽然胰岛素抵抗是一个主要促进因素，还有很多不同机制也参与其中，因为胰岛素增敏剂在NASH的治疗中没有效果。 72 线粒体改变与NASH的发病机制密切相关，这表明NASH是一种线粒体疾病 73 。这种异常情况包括在脂肪酸氧化、呼吸链激活、ATP内环境稳定、氧化应激以及诱导解偶联和凋亡中超微结构改变和生物化学改变。超微结构的异常肿胀、圆润和多层的线粒体含有线形结晶，在NASH的肝脏被描述成一个适应的过程或者损伤的结果 （74） 。这些异常与胰岛素抵抗有关，增加脂肪酸氧化和肝脏的氧化应

21、激 （75） 。重要的是要注意到线粒体的结构缺陷只在NASH中被观察到，表明线粒体的损伤是从单纯的脂肪变到脂肪性肝炎的进展中的关键环节。但是，进来的报告表明发生在脂肪变肝细胞线粒体超微结构的变化是不能与发生在NASH的变化区别的 （76） 。包含结晶体的巨大线粒体被均匀分布在所有的肝脏区域内 （77） 。在NASH中观察到的典型的线粒体内结晶体是高度动态和不稳定的结构，经过胶束相转变可能具有治疗意义，特别是对线粒体脂质成分的饮食处理 （78） 。游离脂肪酸的氧化改变在脂肪变性的过程中，游离脂肪酸合成和吸收的增加是不能由脂肪酸的等量去除代偿的。游离脂肪酸蓄积，加上线粒体氧化有关的基因的过度表达，刺激过氧化物酶激活和受体 （79） 。已经在ob/ob鼠身上发现增强的氧化 （80） ，并且最近对于NASH的动物模型的研究已