线粒体_Ca2+_代谢_线粒体Ca2+转运与细胞代谢调节

线粒体Ca2+转运与细胞代谢调节

http://www.100md.com 《生理科学进展》 2000年第4期

     作者：梁晚益杨宗城黄跃生

    单位：第三军医大学西南医院烧伤研究所, 重庆 400038

    关键词：线粒体；Ca²⁺；代谢

    生理科学进展000417 摘要线粒体具有一套完整的Ca²⁺转运系统，包括两条摄取途径和三条释放途径。生理条件下，它们在细胞胞质与线粒体钙稳态维持以及细胞能量代谢中起重要作用，线粒体从胞质摄取的Ca²⁺可激活某些Ca²⁺敏感的呼吸酶和代谢过程。病理条件下，线粒体Ca²⁺转运发生紊乱，通过线粒体通透性转换导致细胞坏死或凋亡。

    学科分类号 R329.25

    线粒体产生95%以上的细胞能量，Ca²⁺作为普遍存在的细胞内第二信使，两者在细胞生命活动中均具有重要意义。自70年代以来，学者们对线粒体钙转运及钙离子在线粒体中的作用进行了广泛而深入的研究。近年来，线粒体钙超载及其在细胞损伤中的作用更是研究的热点，但其中错综复杂的机制仍有待进一步的探讨。
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    一、线粒体Ca²⁺转运途径及其特点

    线粒体Ca²⁺转运机制十分复杂，具有二条摄取途径：(1)Ca²⁺单向转运体(uniporter)；(2)快速摄取模式(rapid uptake mode, RaM)；三条释放途径：(1) Na⁺依赖性释放途径；(2) Na⁺不依赖性释放途径；(3) 线粒体通透性转换孔(permeability transition pore, PTP)。

    (一)Ca²⁺摄取 Ca²⁺单向转运体是70年代初发现的转运胞质Ca²⁺进入线粒体的途径。线粒体通过这条途径摄取Ca²⁺时，Ca²⁺首先和线粒体外膜上的转运激活位点结合，激活转运位点并使之粘合大量Ca²⁺，然后通过单向转运体转运Ca²⁺进入线粒体内^[1]。单向转运体还能转运其它一些阳离子进入线粒体，其转运能力依次为Ca²⁺>Sr²⁺>Mn²⁺>Ba²⁺>Fe²⁺>Pb²⁺。除此之外，单向转运体转运Ca²⁺还具有以下几个特点：(1)是顺线粒体电化学梯度进行的弥散过程，依赖于膜电位；(2)不与其它离子进行交换或偶联；(3)Sr²⁺、Mn²⁺、Ba²⁺等对其具有竞争性抑制作用，钌红是其非竞争性抑制剂，Mg²⁺可减慢其对Ca²⁺的摄取；(4)除Ca²⁺外，单向转运体还可被Pr³⁺、ADP、氨基糖甙类抗生素、鱼精蛋白等激活。单向转运体的含量约0.001nmol/mg线粒体蛋白，一些学者对单向转运体进行了分离提纯和结构分析，但目前尚未能取得一致的结果。
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    RaM是一条新近发现的线粒体Ca²⁺摄取途径，它使线粒体随胞质Ca²⁺浓度脉冲式的变化而非常快速地摄取Ca²⁺，故被称为快速摄取模式^[2]。RaM对Ca²⁺的转运是通过一种转运复合体进行的，转运复合体对Ca²⁺的传导性具有周期性变化的特点。静息状态时，转运复合体对Ca²⁺的传导性较高，当一个Ca²⁺脉冲所致线粒体外Ca²⁺浓度升高时，转运复合体摄取Ca²⁺，同时传导性立即降低，当脉冲结束线粒体外Ca²⁺浓度下降时，其传导性又重新升高，准备下一个脉冲摄取Ca²⁺。RaM摄取Ca²⁺与线粒体内已经含有的Ca²⁺浓度大小无关，它不是通过离子交换实现的，是一种净摄取。Mg²⁺对RaM无明显作用，精胺对RaM呈双相作用。RaM转运复合体的激活和单向转运体相同，都与线粒体外膜激活位点对Ca²⁺的粘合有关，肝线粒体RaM转运复合体激活的Ca²⁺浓度Kd值为100～200nmol/L。体外试验表明，当Ca²⁺浓度恒定时，RaM与单向转运体的Ca²⁺摄取曲线类似，但目前尚不明确介导RaM的转运复合体是单向转运体的另一种作用方式，还是另有转运复合体。RaM已从心、脑、肝等组织细胞线粒体的体外实验中得到证实，但心、肝两组织中RaM的作用方式和功能可能有所不同。许多学者在细胞水平亦已证明RaM的存在，并认为它在细胞生命活动中可能具有调节或放大胞质钙信号的作用。
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    (二)Ca²⁺释放 Na⁺依赖性Ca²⁺释放是指线粒体内的Ca²⁺与胞质的Na⁺以Ca²⁺/nNa⁺ (n≥2) 的方式进行交换，Ca²⁺外流进入胞质，Na⁺则进入线粒体内。在肝线粒体, 它的最大释放速率约为1.2±0.1nmol^.mg^-1.min^-1，是Ca²⁺最大摄取速率的1/1000，可被氰化物、高浓度钌红及低水平的脱偶联剂所阻断。Na⁺不依赖性Ca²⁺释放的实质是一种Ca²⁺/nH⁺(n≥2)交换转运，它在心、肝的最大速率分别约18nmol^.mg^-1.min^-1、2.6nmol^.mg^-1.min^-1，可被维拉帕米、Trifluoperazine、 Mg²⁺、Mn²⁺所抑制。所有组织均具有Na⁺依赖性与Na⁺不依赖性Ca²⁺释放两条途径，但存在一定的组织差异性，心肌组织以前者为主，而肝脏则以后者为主。这两条Ca²⁺释放途径均需消耗能量，曾经一度认为Na⁺、H⁺的电化学梯度是其唯一能量来源，但目前研究表明这一过程还必须由ATP、GTP水解供能，很可能是一个主动转运过程。但因为缺乏生理及病理条件下细胞水平的研究，线粒体通过这两条途径的Ca²⁺释放是单一的主动或被动过程抑或两者兼而有之、它们在生理及病理条件下有无差异，目前尚不清楚。
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    线粒体通透性转换孔是Hunter与Haworth(1980)在对线粒体进行体外研究时发现的一种Ca²⁺释放途径，它的实质是一种通道复合体，由腺苷转运酶(adenine nucleotide translocase, ANT)和线粒体基质中的亲和素D(cyclophilin D, CyP-D)构成。Ichas等(1997)研究表明PTP具有关闭、亚通透和高通透三种状态。关闭是其“不作为”时的自然状态。当线粒体Ca²⁺浓度与pH均升高时PTP转为亚通透状态，即进行所谓的Ca²⁺诱导性Ca²⁺释放(Ca²⁺-induced Ca²⁺ release, CICR)。其具体过程包括：(1)线粒体接受胞质Ca²⁺信号的刺激，在其自身膜电位驱动下，Ca²⁺进入线粒体；(2)线粒体有氧呼吸加强，基质pH升高；(3)pH升高导致PTP开放，后者使线粒体质子梯度与膜电位暂时消失，Ca²⁺外流，同时基质酸化；(4)基质pH降低使PTP关闭；(5)呼吸链重建线粒体质子梯度，恢复膜电位，驱动线粒体再摄取Ca²⁺。这是一个周期性进行的过程，受线粒体基质pH的直接调控^[3]。除此之外，它还具有以下特点：⑴亚通透状态下，线粒体只允许分子量<300Da的物质自由进出；⑵不导致线粒体肿胀；⑶受胞质或线粒体悬浮介质中Ca²⁺脉冲速率的间接调控而与Ca²⁺浓度无关。有实验表明，当以同样Ca²⁺浓度在较慢的速度下作用于线粒体时，它不发生Ca²⁺诱导性Ca²⁺释放，而只是摄取Ca^2+[4]。
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    线粒体通透性转换孔的高通透状态即所谓的线粒体通透性转换(mitochondrial permeability transition, MPT)，它与细胞死亡调节有关。当发生MPT时，线粒体允许分子量< 5000Da的物质自由进出，Ca²⁺全部释放，膜电位完全、永久消失，线粒体肿胀，它受Ca²⁺、ADP、氧化应激及高pH诱导，而环孢素A (Cycloprin A, CsA)、PLA₂抑制剂、低pH可抑制MPT发生^[5]。关于它发生的机制，目前认为主要是CyP-D与ANT结合后，ANT发生构象改变所致，但具体机制尚有待于进一步的研究。

    二、线粒体Ca²⁺转运在细胞代谢中的作用

    (一)底物—产物反馈调节理论经典理论认为细胞通过底物—产物的反馈(substrate-product feedback)调节其能量代谢。当细胞耗能水解ATP时，产生ADP、Pi增多，同时ADP/ATP比率升高，它们刺激氧化磷酸化的某些位点，如ATPase、ANT及磷酸肌酸旁路，加速ATP的合成；而ATP合成增多又可反作用于这些位点，下调呼吸酶活性，从而保持细胞能量代谢平衡。这一理论的基础是细胞能量的热力学模型，但ATP、ADP跨线粒体膜转运及质子梯度的存在，使得其显然不符合热力学平衡理论。而到目前为止，热力学非平衡理论尚不能完全弄清底物—产物反馈调节的具体过程，更未能找出一个明确而特异的调控ATP生成的物质，似乎是一个不可知的“黑箱”理论。事实上,随着核磁共振等新技术的运用，已有学者发现心、肝、肾等组织细胞线粒体氧化磷酸化速率与胞质[ADP]、[Pi]及[ATP]并无明显关联，这说明可能还有其它更重要的机制参与细胞代谢的调节^[2]。
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    (二)线粒体Ca²⁺及其转运在细胞代谢中的调节作用细胞能量代谢调节，实质上是细胞受到外界刺激后产生一定的信号，经由某些信使途径传到线粒体和耗能机构，并使其作出与之相适应的反应，以维持细胞能量产生与利用平衡的过程。Ca²⁺是细胞内普遍存在的第二信使，一方面它介导细胞许多生命活动，如细胞收缩、分泌、运动等，一定程度上可以认为它调控细胞对能量的利用。另一方面，细胞的主要产能机构——线粒体具有十分完善的Ca²⁺摄取和释放系统，可以敏感而快速地感受细胞质内Ca²⁺所代表的信息变化，从而使其具有调节线粒体呼吸的可能^[6]。Hajnoczky等(1995)研究表明，当肝线粒体摄取Ca²⁺后，胞质NADH、FADH₂生成明显增多，可能是Ca²⁺激活丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶所致。另有研究报道，Ca²⁺还可通过调节H⁺-ATPase、ANT活性影响线粒体氧化磷酸化。Scheur及Trolling等(1997)采用不同方法对心肌细胞Ca²⁺转运进行研究，结果表明线粒体可随细胞收缩频率变化从胞质摄取相当数量的Ca²⁺。这一现象已在内皮细胞、肝细胞、卵巢细胞及平滑肌细胞得到证实。Jouaville等(1995)的研究还指出，线粒体既可快速摄取Ca²⁺，还可快速释放Ca²⁺，后者与PTP有关。线粒体可能通过RaM快速摄取胞质Ca²⁺感受细胞信息，Ca²⁺进入线粒体后调节某些呼吸酶的活性和Ca²⁺敏感的代谢过程，然后再通过CICR快速释放Ca²⁺，始终维持对每一个细胞信号的敏感性，使细胞保持生理条件下能量生成与利用的平衡^[7]。可见，Ca²⁺是细胞能量代谢的重要调节介质。
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    (三)对细胞活力的调节线粒体Ca²⁺及其转运不但在细胞能量代谢调节中起重要作用，同时还对细胞的活力——生存与死亡进行调节^[8]。曾经一度认为细胞胞质钙浓度增高是缺血再灌注及许多化学物质所致细胞损伤的主要原因，但最新研究表明细胞死亡的根本原因是线粒体钙超载。线粒体在调节细胞钙稳态中起重要作用，任何原因所致的胞质钙浓度升高都可能首先导致线粒体积聚超量的钙，并最终使线粒体PTP呈高通透状态广泛持久开放，线粒体肿胀破坏，细胞能量耗竭。同时线粒体Ca²⁺大量释放，胞质Ca²⁺升高超过其所能承受的限度时，可导致多种蛋白水解酶、磷脂酶激活，使细胞膜崩解，细胞坏死。另一方面，线粒体Ca²⁺升高时，如果只是PTP的短暂开放，且线粒体能够维持细胞能量供应，细胞不会立即坏死，但线粒体可释放出细胞色素c与凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor, AIF)，两者均可导致细胞凋亡^[9]。

, http://www.100md.com     总之，Ca²⁺及其转运一方面通过调节细胞的能量代谢维持生理条件下细胞的生命活动；另一方面，病理条件下线粒体Ca²⁺升高及其转运紊乱又可使其发生MPT并最终导致细胞死亡。目前这两方面的研究均方兴未艾，但其中许多具体的细节和机制尚不完全清楚，有待于进一步的研究和探索。

    参考文献

    1，Gunter TE, Gunter KK, Shue SS, et al. Mitochondrial calcium transport: physiological and pathological relevance. Am J Physiol， 1994,267∶C313～C339.

    2，Gunter TE, Buntinas L,Sparagna GC, et al. The Ca²⁺ transport mechanism of mitochondria and Ca²⁺ uptake from physiological-type Ca²⁺ transients. BBA， 1998,1366∶5～15.
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    3，Ichas F,Jouaville LS, Mazat JP. Mitochondria are excitable organelles capable of generating and conveying electrical and calcium signals. Cell， 1997, 89∶1145～1153.

    4， Selivanov VA, Ichas F, Holmuhamedov EL, et al. A model of mitochondrial Ca²⁺-induced Ca²⁺ release simulating the Ca²⁺ oscillations and spikes generated by mitochondria. Biophys Chem， 1998, 72∶111～121.

    5，Bernardi P. Mitochondrial transport of cations: channels, exchangers, and permeability transition. Physiol Rev, 1999,79∶1127～1155.
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    6，Rutter GA, Burnett P, Rizzuto R, et al. Subcellular imaging of intramitochondrial Ca²⁺ with recombinant targeted aequorin: significance for the regulation of pyruvate dehydrogenase activity. Proc Natl Acad Sci USA， 1996, 93∶5489～5494.

    7，Hansford RG, Zorov D. Role of mitochondrial calcium transport in the control of substrate oxidation. Mol Cell Biochem， 1998, 184∶359～369.

    8，Bernardi P, Scorrano L, Colonna R, et al. Mitochondria and cell death. Mechanistic aspects and methological issues. Eur J Biochem, 1999, 264∶687～701.

    9，Crompton M. The mitochondrial permeability transition pore and its role in cell death. Biochem J, 1999，341∶233～249., http://www.100md.com

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