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1、心磷脂复合体和氧化心磷脂及细胞凋亡细胞色素C/心磷脂复合体和氧化心磷脂及细胞凋亡(作者： 单位： 邮编： )【关键词】细胞色素C;心磷脂多年来，认为脂质通过构成细胞膜疏水性核而保持其完整性；但一直 忽视了脂质其他重要功能，尤其是信号机制。细胞内显著的多种类脂质和大量的特殊脂质分子种类不能简单地运用它们对适当膜流动性的保持 是必须的观点加以解释1。最近发现脂质，尤其是细胞信 号中不同修 饰的脂质，在信号转导中的作用2。事实上，膜脂质是许多合成的 第二信使前身的来源，常通过水解从父代脂质合成不同的信号分子。促 成脂质分子种类多样性主要在于它们的脂肪酸残基与极性头部结构不同 组合。哺乳动物中，许多脂

2、质含有多不饱和脂肪酸它们易被氧化。因 此，巨大数量脂质分子的氧化修饰也许存在。1线粒体中的心磷脂及其在凋亡早期局部含量的变化内心磷脂主要位于线粒体内膜 (inner mitocho ndrial membra ne,IMM),然而，至少65%勺CL存在于膜内侧从而形成了磷脂的主要成 分。 每个CL分子含有4个脂肪酸残基。因此，在理论上有大量可能的CL分 子种类。每个额外的对脂肪酸残基的修饰(如对多不饱和脂肪酸的过氧 化)可以通过组合增加其数量。但令人惊讶的是，许多可能的CL分子种 类中仅有极少数存在于组织中。哺乳动物心脏CL主要含亚油酸(C18：2) :3，而在一些海产双壳类的CL主要含二十二

3、碳六 烯酸(C22 :6) :4。人类淋巴细胞中CL有多个脂肪酸，其中包括油酸(C18 : 1)和 棕稠油酸(C16 : 1) : 5 o鼠脑CL富含长链多不饱和脂 肪酸残基，如 花生四烯酸(C20 : 4),二十二碳四烯酸(C22 : 4)和二十二碳六烯酸 (C22 : 6) : 6 oCL在程序性细胞死亡中起重要作用，是tBid诱导的线粒体生物能学失 稳过程中的主要因子。凋亡相关蛋白如Bid和tBid含CL结合域 并显示 出与CL及其代谢产物，单和双溶血CL的动态作用7。这些作用在 线粒体内膜和外膜作用位点可能是十分有效的，可导致CL跨膜分布的 改变和其微结构域的重组 ，从而形成易于细胞色

4、素 c(cytochrome c, cyt c )和其他促凋亡因子释放的一个六边形Hn构 象6。因此，凋亡时CL可明显促进外膜通透性增高和cytc的释 放。正 常细胞中，约80%勺CL存在于线粒体内膜，其基质面和膜间隙表面的 分布比例约为60 : 40 :7。尽管有约70倍过剩的CL易与cytc进行化 学当量1 ： 1的结合，但大部分CL不是游离8的而是与线粒体电子 传递链复合体相互作用。然而凋亡细胞中，线粒体外膜CL含量显著升 高至约40%勺水平。内膜两面的CL分布也发生改变，外层几乎有70% 勺CL,而30%仍局限于内层基质面。CL这种跨膜迁移出现于凋亡早期， 远远先于线粒体膜电位的改变和

5、其他凋亡标记，如质膜磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)外翻，但晚于活性氧产生。凋亡时可与膜上cytc紧密结合的CL数量发生了显著变化。凋 亡时CL分布改变可能是由于其与tBid相互作用而改变。事实上，额外 的tBid体外加入小鼠肝线粒体中可导致内外膜上CL分布的显著 变化和 单溶血(mo no lyso) CL的集聚。此外低剂量外源性单溶血CL和tBid加 入离体线粒体时，可出现单溶血CL的集聚，同时出现tBid线粒体跨膜 迁移和cyt c的释放。2心磷脂与细胞色素c结合并改变其催化性质生理条件下cytc是一个带8个正净电荷的碱性蛋白。因此，它易与负 电荷膜包括阴离子

6、(磷)脂膜相结合。该结合赋予了 cytc显著的过氧化 酶活性。这是由于其部分展开以及血红素铁与Met80配位键弱化引起 的。因此，小分子如H2O2易接近cytc亚铁血红素位点从而激活其过 氧化物酶活性。线粒体cyt c/CL复合体过氧化物酶活性是CL特异的过 氧化物酶，可产生过氧化CJ静息状态线粒体中大部分CL和cyt c在空间上是分离的，因此，cytc 过氧化物酶活性很低。然而，凋亡时大量CL跨膜迁移可形成cyt c/CL复 合体并显著提高cytc的过氧化物酶活性。事实上线粒体膜间可利用的 cytc的数量，决定了凋亡时cyt c/CL复合体过氧化物酶水平，而IMM 外层和OMM内层的CL含量

7、对此无重要影响。cyt c siRNA处理细胞可导 致CL加氧酶水平的降低和与cyt c含量相称的 对凋亡敏感性的降低。因此凋亡时如果有足够水平的 H2O2与过氧化物酶的激活所需的量 相当)，cyt c/CL 复合体的过氧化物酶活性可产生CL过氧化物。凋亡时H2O2 个重要来源是电子传递链失调产生的高浓度超氧化物后者自发或通过MnSO催化岐化可产生H2O2此外，与CL结合的cyt c 有一个负的氧化还原电位，妨碍了其参与电子传递链作为线粒体复合体 山的电子受体。因此cyt c/CL复合体不能参与复合体III和IV间的电子传 递。最近发现P66 （正常情况下是酪氨酸激酶接头蛋白）可作为凋亡时 H

8、2O2的产生器，从而产生足够的促氧化物促进CL的氧 化9。因 此，CL氧化可发生于各种细胞的凋亡时期。电离辐射是促凋亡刺激之 一，可触发显著的依赖cyt c水平的CL氧化。对小鼠心脏线粒体进行电 离辐射可致CL氧化产物的积聚，可代表过氧化CL总量和质谱分析中多 不饱和过氧化 CL分子种类数量的升高。据此损伤因素（脑创伤损伤后）致组织中细胞凋亡时，CL过氧化物的积聚可 作为一个特征性的生物学标记。3促凋亡因子的释放需氧化CL的参与CL氧化对于凋亡过程的意义在于该氧化磷脂对于促凋亡因子如 Smac/Diablo, cyt c、凋亡诱导因子（AIF）等释放是必须的10。cyt c缺失细胞中，CL氧化

9、不能发生，促凋亡因子也不能释放。此外，外源 性奇氯（CIOx）加入cyt c缺失细胞的线粒体中可促使促凋亡因子 Smac/Diablo释放，是在正常线粒体促凋亡机制中CIOx的重要作用。 目前，仍不清楚CIOx是否依赖或与其他促凋亡分子如Bax、Bak关联来 触发这些因子逸至胞质。因此，两个促凋亡通路 CL跨膜迁移和cyt c/CL复合体形成，产生了一个新的信号，即氧化的CL,其 对于促凋亡因 子由线粒体释放至胞质是必须的。4心磷脂二十二碳六烯酸或亚油酸修饰对凋亡的影响CL氧化是凋亡程序的早期事件，刺激CL氧化可能会提高细胞的凋 亡应 答；相反，抑制CL氧化也可相应降低其对凋亡的敏感性。人工

10、细胞中 可检测到CL脂肪酸修饰可改变其对氧化的敏感性。现已证实四油酰 CL(tetraoleoyl . CL)对cyt c催化的氧化高度耐受，而四亚 油酰CL和CL 更多不饱和分子对促氧化刺激高度敏感。利用含有非常丰富CL分子的 HL60细胞，其中含有极易被氧化的C22： 6o这些细胞对十字抱碱的 促凋亡刺激变得十分敏感。相反，含高含量油酸和饱和脂肪酸残基CL 的细胞对凋亡刺激有较高耐受。可以推测改变 CL对氧化的敏感性也许是未分化细胞(如神经干细胞或肿瘤细胞)为了获得 对促凋亡信号的耐受而依赖的途径之一。 相反，根除肿瘤细胞的药物开发可通过融合多不饱和脂肪酸残基至 CL上而刺激线粒体CL氧

11、化。方法之一可通过使用多不饱和脂肪酸残基作为一种无毒的营养方 法。5线粒体心磷脂氧化的调节与细胞凋亡的控制CL氧化是凋亡早期事件，cyt c/CL复合体形成也许可成为控制凋亡的重 要靶点。CL可利用性是cyt c活化为CL加氧酶的重要阶段，对CL在线 粒体中迁移的调节可作为靶点。凋亡线粒体中tBid可刺激CL重新分布， 因此tBid与线粒体相互作用也可作为靶点11。控制有利于cyt c/CL过氧化酶活性形成的氧化还原环境是另一个影响凋亡CL氧化的方法之0 cyt c/CL过氧化酶中间物的高氧化性电位易被内源性底物或外源性物质还原12 o抗坏血酸，半胱氨酸，GSH和其它低分子量的硫氢基，维生素E

12、同系物是一种类型，而酚类和含SH药物代表另一种类 型。然而该设想没有考虑重要的结构因素，它也许可影响大分子还原物 质与只能与小分子作用的cytc催化位点靠 近。研究发现丙泊酚可抑制 CL的氧化，小分子NO,它可作为cyt c/CL过氧化物酶复合物活性中间物 的还原剂。因此，NO和可释放NO的化合物也许可通过cyt c/CL复合体 而调节CL氧化13。此外，可 推测线粒体NOS参与了 cyt c/CL复 合体过氧化物酶活性的调节，从 而阻止CL氧化。由于cyt c/CL复合体过氧化物酶需要H2O2或有机（脂质） 过氧化物，除去这些氧化性物质同样可抑制CL加氧酶活性。GSH依赖 机制（GSHS氧化

13、物酶）14，硫氧还蛋白以及过氧化氢还原剂15也许可通过各自的酶通路有效移除过氧化物。凋亡时阻断电子传递可 影响超氧游离基形成口6。超氧游离基自发或通过MnSOD勺催化岐化 可产生H2O2,从而促进cyt c/CL复合体过氧化酶反应。因此，阻 止超氧 化物产物也许是抑制CL氧化的潜在机制。氧化亚氮基团也许是理想的 清除线粒体超氧化物的物质。它可控制超氧游离基和 H2O2首先，它们易被电子传递还原产生轻胺，从而阻止氧还原为超氧游 离 基。轻胺基可作为自由基清除剂而产生氧化亚氮，从而进行循环。第二，氧化亚氮基团可发挥其类似SOD舌性并岐化超氧游离基17。方法的利用性。最近的研究表明氧化亚氮显著的抗凋

14、亡活性可通过不同 的方法将它们有效导入线粒体而获得18, 19。线粒体凋亡过程与CL氧化产物有关，能抑制CL过氧化反应的脂质 抗 氧化剂也许可作为抗凋亡因子。鬼臼乙叉貳，一个凋亡诱导剂，同时是 个有效的脂质基团清除剂和脂质抗氧化剂。凋亡时 CL氧化由紧密结合的cyt c/CL复合体过氧（化）物酶催化，这可抑制鬼臼乙叉 貳 与该过程产生的中间物作用。然而鬼臼乙叉貳可作为过氧化物酶底 物而 竞争抑制cyt c催化的CL氧化反应，这种抑制浓度远比其诱导凋亡的浓 度高。因此cyt c/CL过氧化物酶复合体催化的CL氧化不能被这种药物 促凋亡浓度所抑制。6结语线粒体凋亡时膜间隙主要蛋白之一 cyt c可

15、与主要膜磷脂CL相互作 用，形成的复合体不能作为呼吸链电子穿梭体，但可作为CL特异的加 氧酶。CL氧化也许是凋亡一个必须的机制，当CL氧化如同缺乏CL酵母 细胞一样变得不可能或无效时，旁路途径也许起作用。cyt c/CL复合体过 氧化物酶激活对于凋亡是必须的。氧化 CL可促进促凋亡因子由线粒体释放至胞质。cytc这种特性依赖其氧化还原属性。cytc氧化 还原属性以及其与不同CL分子相互作用的特性对于CL氧化及其 参与细 胞（包括肿瘤细胞）对凋亡敏感性的调节是重要的。这种凋亡早期的发 现也为药物开发提供了新的靶点。【参考文献】1Serhan CN. Mediator lipidomics J .

16、 Prostaglandins Other Lipid Mediat, 2005, 77(1-4): 4-14.2Wenk MR. The emerging field of lipidomics J Nat Rev Drug Discov, 2005, 4(7): 594-610.3Schlame M, Shanske S, Doty S, et al. Microanalysisof cardiolipin in small biopsies including skeletal muscle from patients with mitochondrial disease J J Lip

17、id Res, 1999,40(9): 1585-1592.4Kraffe E, Soudant P, Marty Y, et al. Evidence of a tetradocosahexae noic cardiolip in in somemari ne bivalves J. Lipids, 2002, 37(5): 507-514.5Schlame M, Ren M, Xu Y, et al. Molecular symmetry in mitochondrial cardiolipins J Chem Phys Lipids, 2005, 138(1-2): 38- 49.6De

18、gli Esposti M. Lipids, cardiolipin and apoptosis: A greasy licence to kill J . Cell Death Differ, 2002, 9(3): 234-236.7Kaga n VE, Tyuri n VA, Jia ng J, et al. Cytochrome c acts as a cardiolip in oxyge nase required for release of proapoptotic factorsJ Nat Chem Biol, 2005, 1 ：223-232.8Sharpley MS, Sh

19、annonRJ, Draghi F, et al. Interactions between phospholipids and nadh: Ubiquinone oxidoreductase (complex I) from bovine mitochondria J . Biochemistry, 2006, 45: 241-248.9Giorgio M, Migliaccio E, Orsini F, et al. Electrontran sfer betwee n cytochrome c and p66Shc gen erates reactive oxygen species t

20、hat trigger mitochondrial apoptosis J . Cell,2005, 122(2)： 221-23310Chu CT, Zhu JH, Cao G, et al. Apoptosis in due ingfactor mediates caspase in depe ndent1 methyl ； 4 更 phenylpyridinium toxicity in dopaminergic cellsJ J Neurochem, 2005, 94(6): 1685-169511Sandra F, Degli Esposti M, Ndebele K, et al.

21、 Tumor necrosis factor C ； : related apoptosis inducing ligand alters mitochondrial membranelipids J . Cancer Res, 2005, 65(15): 8286-829712Vlasova II, Tyurin VA, Kapralov AA, et al. Nitric oxide inhibits peroxidase activity of cytochrome c/cardiolipin complex and blocks cardiolip in oxidati on J J

22、Biol Chem,2006, 281(21)： 14554-6213Ghafourifar P,CadenasE. Mitochondrial nitric oxidesynthase J . Trends Pharmacol Sci, 2005, 26(4): 190-195.14 Ran Q, Liang H, Gu M, et al. Transgenic mice overexpressing glutathione peroxidase 4 are protected against oxidative stress : Induced apoptosis J . J Biol C

23、hem, 2004, 279(53): 55137-55146.15 An doh T, Chock PB, Chiueh CC. The roles of thioredox in in protecti on aga inst oxidative stress in ducedapoptosis in SHSY5Y cells : J . J Biol Chem, 2002, 277(12): 9655- 9660.16 Ricci JE, Waterhouse N, Green DR. Mitocho ndrial functions during cell death, a compl

24、ex (I V) dilemma J . Cell Death Differ, 2003, 10(5): 488-492.17Pearce LL, Kanai AJ, Epperly MW,et al. Nitrosativestress results in irreversible in hibitio n of purifiedmitochondrial complexes I and III without modification ofcofactors J Nitric Oxide, 2005, 13(4): 254-263.18Wipf P, XiaoJ, Jia ng J. M

25、itocho ndrial targeti ng ofselective electron scavengers: synthesis and biological analysis of hemigramicidin TEMPO conjugates J J Am Chem Soc, 2005, 127(36)： 12460-12461.19 Kaga n VE, Jia ng J, Bayir H, et al. Targeti ngn itroxides to mitocho ndria: Locati on, locati on, locatio n,and .c oncen trati on: Highlight comme ntary on “ Mitocho ndriasuperoxide dismutase mimetic in hibits peroxide in duced oxidative damage and apoptosis: Role of mitochondrial superoxide ” J . Free Radio Biol Med, 2007, 43(3): 348-350.