“线粒体质子漏”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

线粒体质子漏

释义

【线粒体质子漏】

拼译：mitochondrial proton leak

1961年Mitchell创立了化学渗透学说，认为电子经呼吸链传递的同时，将质子从线粒体内膜的基质面泵到内膜外，造成膜内外的电化学梯度。电化学梯度是电子传递时释出的能量的贮存，质子顺此梯度经F₀F₁ATP_ase回流时，可使ADP与Pi合成ATP。Mitchell的学说得到许多实验结果的支持，已被普遍接受。

实际上，哺乳类动物线粒体氧化磷酸化过程中底物的能量并未完全用于合成ATP，一部分以热的形式散失，即不完全偶联。其原因之一为线粒体质子漏，即一些质子顺电化学梯度但绕过F₀F₁－ATP_ase而回到基质，不合成ATP。

1967年，Mitchell等首次提出测定线粒体内膜质子漏。他们在鼠肝线粒体排除电位梯度(Δψ)的影响，在H⁺浓度6．31×10－8mol／L左右，用加入酸的方法测得跨内膜质子浓度梯度(δpH)驱动的质子漏的有效质子电导(L_H)为0．11nmolH⁺·min^－1·(mg线粒体蛋白)^－1·mV^－1。

1974年，Nicholls第一个对线粒体内膜质子漏进行探讨。他发现呼吸率和跨膜质子驱动力(ΔP)只在一定的ΔP时成线性关系，超过一定的ΔP则不成线性关系，即一给定的呼吸率的增加引起的ΔP的增加远小于其在较低的ΔP情况下引起的增加，提示高ΔP时能量转化为ΔP不完全。Nicholls提出线粒体内膜在低ΔP时质子电导是恒定的，在高ΔP时电导增加，使多数被泵出的质子可经膜漏回，所以高呼吸率不能建立相应高的ΔP。1984年，Krishnamoorthy等测定了线粒体内膜L_H，证实高Δψ时L_H的确增加。他们将缬霉素加入悬浮于低K⁺介质的线粒体，引起一个K⁺扩散电位，使线粒体摄取质子。由外部介质H⁺浓度的改变可知摄取质子的多少，而改变介质K⁺的浓度可造成不同大小的K⁺扩散电位。他们还在含线粒体脂质的囊泡测定ΔH⁺浓度与质子漏的关系，将囊泡内H⁺浓度固定于10^－5mol／L，改变外部介质H+浓度由10^－5mol／L到3．16×10^－10，发现ΔH⁺浓度与质子漏成线性关系。1984年，O’shea等发现ΔH⁺浓度－质子漏和Δψ-质子漏两图形重合到大约120mV／2H⁺浓度单位，在此值以上，Δψ曲线从ΔH⁺浓度线分离而不再成线性关系。1988年，Murphy等用一系列电子供体和受体重复实验，在所有情况下Δψ与质子漏图形都相似，证明质子漏是膜特性决定的，不依赖于所用的呼吸链。多数关于内膜电导测定的实验结果都证实高Δψ时L_H增加。在－Δψ阈值时突然变为曲线，此阈值(非线性电导的开始)大约为100～120mV。

低Δψ时L_H几乎为常数，它可由两种方法测定，一是直接测定Δp时的质子漏，二是将呼吸率－δp转变为质子漏－Δp。稳态时，质子外流率等于质子漏，而质子外流率等于呼吸率乘以质子泵的化学计量，后者在一定范围内是常数。Nicholls曾提出由琥珀酸到氧的呼吸链质子泵的化学计量为6H⁺／0，可用以将δp－呼吸率转化为Δp－质子漏，由此他得到的LH为0．7nmolH⁺·(mg线粒体蛋白)^－1·mV^－1。由于测量技术、条件、温度和线粒体类型的不同，在线性范围内L_H为0．05～0．7nmolH⁺·min^－1(mg线粒体蛋白)^－1·mV^－1。

上述大部分实验Δp主要由Δψ构成，线粒体内膜质子漏虽也与ΔH⁺浓度相关，但在体δpH不大，主要是Δψ，因此研究的Δp主要成分为Δψ较恰当。1986年，Brown等研究了不同的Δψ和ΔH⁺浓度对Δp及呼吸率的作用，发现当ΔH⁺浓度和Δψ两者之一固定而另一改变时，Δp与呼吸率之间关系相似，提示ΔH+浓度与Δψ对质子漏有相似的作用。

质子跨膜转运的机制不十分明确，因此高Δψ时膜电导改变的机制也尚不清楚。1980年Nichols等及1983年Nagle等提出可能通过跨膜的结合氢的水链。虽然脂质双层中水很分散不可能形成长期存在的链，但暂时性的跨膜氢结合水链可由较短的水链相连而成。此外，膜蛋白可将水链固定于其表面和／或将氨基酸掺入水链而起作用。1984年，O’shea等发现Δψ增高时线粒体内膜微粘度不成线性地增高，但ΔH⁺浓度增高时并不增高。这些微粘度－Δψ图形与呼吸率－Δψ很相似都在一个相近的Δψ时由线性变为非线性，提示膜结构的改变与电导改变相关。高Δψ时线粒体内膜可能发生的改变之一是介电性的破坏。虽然跨线粒体内膜最大电位只有180～200mV，但因膜宽为7～8nm，跨膜的场力可达2～3×10⁵V／cm，这可引起膜介电性的破坏。对此过程尚不清楚，已提出的解释为电压导致膜变窄；磷脂极性头在电位作用下改变朝向；形成亲水孔等。

除膜电导改变外，其它离子和代谢物的运动也可能与质子漏有关。如渗透学说提出，线粒体内膜有一系列代谢物和离子载体以连接线粒体基质和胞浆。线粒体经Ca²⁺通道蓄积Ca²⁺，Ca²⁺外流在肝脏由Ca²⁺／nH⁺交换，在心脏由Ca²⁺／nNa⁺交换完成；心脏的Ca²⁺／nNa⁺交换实际上是Ca²⁺／nH⁺交换，因心脏具有快速的Na⁺／H+交换。Ca²⁺出线粒体以换取H⁺，然后又被Ca²⁺通道重摄取形成Ca²⁺循环，结果是线粒体基质和胞浆Ca²⁺浓度的稳定和Δp的降低。线粒体内膜Na²⁺、K⁺通道都是电压门控性的，出线粒体经Na⁺／H⁺及K⁺／H⁺交换，如通道与交换同时开放，Na⁺、K⁺循环的结果也可使Δp降低，但尚无证据表明其在体时有意义。许多代谢物载体在转运代谢物时可转运质子，然而此活性不引起质子的净运动，因为与底物一同摄入的质子常同产物一起运出。谷氨酸／天门冬氨酸载体可能是一例外，其开放可摄取一个质子。

另一个内源性的引起质子漏的原因是游离脂肪酸。在棕色脂肪组织，其与质子漏的关系研究得较为清楚。棕色脂肪组织的生热作用对新生动物和冷适应哺乳类动物尤其重要。交感神经释放去甲肾上腺素作用于棕色脂肪组织细胞β－肾上腺素能受体，经cAMP蛋白激酶－酯酶激活，引起游离脂肪酸释放。游离脂肪酸除用作底物外还与一种称为生热素的蛋白质结合，后者在一般情况下因结合胞浆嘌呤核苷而受抑制。游离脂肪酸与生热素结合使之成为一有效质子漏，使脂肪酸氧化而形成的δp下降以热能形式释放。此生热素通道可能为OH^－通道，但其净效果与质子通道是一样的。棕色脂肪组织的此种特异性漏受激素调控。但无论是生热素还是具类似功能的其它蛋白质都未在其他组织发现。

1991年Brown等发现，高Δψ时进入线粒体的小分子糖并无增加，提示线粒体并无明显的介电性破坏；牛血清白蛋白可使分离的线粒体质子漏减少15%～30%，此部分可能是游离脂肪酸所致；K⁺、Na⁺或Cl^－循环几乎不引起质子漏；由于在体胞浆游离钙浓度低，所以Ca²⁺循环在体时的作用也不明显；磷酸盐或二碳酸盐循环可能有一些作用；他们认为在体内游离脂肪酸是质子漏的一个原因，而大部分漏是由一些尚不清楚的蛋白质或／和磷酯双层及其中蛋白质所引起的。

膜脂或蛋白组分的改变也可影响质子漏。年龄、饮食和激素水平等因素均可影响线粒体膜脂组成和饱和程度以及膜蛋白的量和类型。甲状腺激素和生长激素最受重视。1988年Hafner发现，在一给定的呼吸率，由低甲状腺素鼠到正常甲状腺素鼠δp增高，提示低甲状腺素鼠线粒体质子漏。

不完全偶联的另一可能原因是质子泵滑脱，即呼吸链有时在催化电子传递时未能泵出质子，质子泵的化学计量发生改变。一些实验资料提示，高Δp可能有泵滑脱，而且发生在细胞色素氧化酶。但关于质子泵化学计量改变的证据不及质子漏多。最近的实验资料(Hafner等，1991；Brown等，1991)表明，高Δp时线粒体质子泵化学计量无改变。

线粒体内膜质子漏及可能存在的泵滑脱影响氧化磷酸化效率，但其生理意义如何尚待研究，可能的两个作用是产热和对氧化磷酸化进行调节，使其处于最有效最经济的输出状态，还可能参与离子的分布，稳定细胞内环境等。总之，关于线粒体质子漏的机制、是否存在泵滑脱及其它导致不完全偶联的原因以及其对整个细胞代谢的意义都有待进一步研究。

【参考文献】：

1 Nicholls DG. Eur J Biochem. ,1974,50(1) :305～315

2 Tzagoloff A. Oxidative phosphorylation, in Mitochondria. 1982,131 - 155, Plenum Press, New York

3 Krishnamoorthy G. and Hinkle PC. et al. Biochemistry, 1984,23:1640-1645

4 Murphy MP. Biochim Biophys Acta. ,1989,977:123-141

5 Wojtczak L. Biochim Biophys Acta. ,1990,1018:177-181

6 Brand MD. Biochim Biophys Acta. ,1990,1018 = 128 - 133

7 Brown GC, Brand MD. Biochim Biophys Acta. ,1991,1059': 55-62

8 HafnerRP, Brand MD. Biochem 1,1991,275:72-80

(第三军医大学宋玲博士撰)

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