备课素材：线粒体自噬的机理-2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

线粒体自噬的机理 先看一道试题： 细胞内受损后的线粒体释放的信号蛋白，会引发细胞非正常死亡．如图表示细胞通过“自噬作用”及时清除受损线粒体及其释放的信号蛋白的过程，请据图回答： （1）吞噬泡的吞噬过程体现了生物膜在结构上具有  的特点．图中自噬体由 层磷脂分子构成（不考虑自噬体内的线粒体）． （2）受损线粒体的功能逐渐退化，会直接影响有氧呼吸的第 阶段．细胞及时清除受损的线粒体及信号蛋白的意义是 ． （3）（3）研究发现人体细胞溶酶体内的pH在5.0左右，由此可知细胞质基质中的H+进入溶酶体的运输方式是 ． （4）图中水解酶的合成场所是 ．自噬体内的物质被水解后，其产物的去向是 ．由此推测，当细胞养分不足时，细胞“自噬作用”会 （增强/减弱/不变）． 解析：阅读题干和题图可知，本题以线粒体的“自噬作用”为材料考查溶酶体在维持细胞内稳态的过程中所起的作用，先分析题图了解线粒体“自噬作用”的过程和涉及的相关知识，然后结合问题的具体要求综合解答． 由题图可知，吞噬泡的吞噬过程存在膜的变化，体现了生物膜在结构上具有一定的流动性；图中自噬体是两层膜包裹着线粒体，若不考虑自噬体内的线粒体，自噬体由4层磷脂分子组成． （2）线粒体是有氧呼吸的主要场所，在线粒体中进行有氧呼吸的第二、三阶段，所以受损线粒体的功能逐渐退化，会直接影响有氧呼吸的第二、三阶段；由题意可知，细胞内受损后的线粒体释放的信号蛋白，会引发细胞非正常死亡，细胞及时清除受损的线粒体及信号蛋白的意义是维持细胞内部环境的相对稳定，避免细胞非正常死亡． （3）由题意可知，H+从细胞质基质进入溶酶体是逆浓度梯度运输，因此属于主动运输． （4）水解酶的 本质是蛋白质，蛋白质合成的场所是核糖体，自噬体内的物质被水解后，形成产物的对细胞有用的物质又被细胞利用，对细胞无用甚至有害的物质被排出细胞外；当细胞养分不足时，细胞“自噬作用”会增强，以为细胞提供更多的营养物质． 答案：（1）流动性   4（2）二、三     避免细胞非正常死亡（维持细胞内部环境的相对稳定）（3）主动运输 （4）核糖体  排出细胞外或细胞内利用   增强 这道试题以线粒体与细胞“自噬作用”为素材考查细胞结构和功能。 那么，线粒体与细胞“自噬作用”的机理是怎样的？ 线粒体通过氧化磷酸化以ATP的形式产生能量。由于氧化磷酸化的缺陷会产生有害的活性氧，因此通过一种称为线粒体自噬的选择性自噬形式有效去除受损的线粒体是很重要的。由于细胞生物学、结构和蛋白质组学方法的结合，我们开始了解泛素依赖性信号标记受损线粒体进行线粒体自噬的机制。这篇综述讨论了通过PTEN诱导的推定激酶1（PINK1）和E3泛素蛋白连接酶parkin促进泛素与受损线粒体结合的生化步骤和调节机制，以及泛素链如何促进自噬体捕获。最近发现的parkin和PINK1在抑制线粒体抗原呈递中的作用为该途径如何促进神经元存活提供了替代模型。对这些过程的更深入理解对神经退行性疾病有重要意义，包括帕金森病，在帕金森病中，线粒体自噬和其他形式的选择性自噬缺陷突出。     Figure 1. Parkin依赖的线粒体自噬概况  线粒体在细胞和生物体的生活中发挥着核心作用，通过氧化磷酸化以ATP的形式作为能量产生中心，并通过组织代谢机制，如柠檬酸循环，驱动许多细胞功能。线粒体的空间组织是其功能的关键，其中氧化磷酸化通过线粒体内膜中的呼吸链发生，其他代谢反应在线粒体基质中组织。 线粒体蛋白质由细胞核和线粒体基因组编码，需要通过线粒体外膜和内膜精确协调蛋白质输入，折叠和组装成蛋白质复合物，最终形成功能性的空间组织细胞器。这些过程中的错误会导致线粒体受损，对细胞生理学有害。例如，呼吸链功能的缺陷会促进破坏性活性氧的产生和对线粒体功能至关重要的膜电位的丧失。此外，基质中蛋白质折叠的缺陷促进线粒体未折叠蛋白反应（mitochondrial unfolded protein response，mtUPR），后者控制线粒体基质中的蛋白质合成和线粒体伴侣蛋白的产生。尽管当损伤比较短暂时，mtUPR等稳态机制可能足以修复线粒体，但长期或不可修复的损伤可以通过线粒体自噬过程导致线粒体的消除。线粒体自噬是一种选择性自噬形式，在此过程中，线粒体被聚泛素链修饰，被自噬体吞噬，并在溶酶体融合后降解（Figure 1）。 线粒体自噬最初是在培养细胞的电子显微照片中观察到的，过去二十年的工作揭示了线粒体通过泛素依赖和泛素非依赖途径靶向自噬系统的基本生化步骤。作者对泛素依赖性线粒体自噬的理解主要是通过分析两个在家族性帕金森病中被发现突变的基因来推动的——E3泛素蛋白连接酶parkin（PR