线粒体膜电压依赖阴离子通道

1、电压依赖阴离子通道（voltage-dependent anion channels，VDAC）位于线粒体外膜，其闭合可以抑制线粒体功能，导致线粒体膜通透性发生改变，释放蛋白如细胞色素C、Smac/Diablo、细胞凋亡因子等最终导致凋亡1，2。VDAC受多种因素的影响，如缺氧、细胞低氧、乙醇、活性氧和活性氮、细胞因子、激酶、NADH的增加可以抑制VDAC，促进呼吸链底物如短链脂肪酸和乙醛氧化。很多证据表明VDAC对线粒体及细胞功能的调节非常重要。1VDAC基本特征 11VDAC分子结构特征位于线粒体外膜的VDAC非常重要3。目前已经从多种生物体内提取出线粒体VDAC，包括植物、动物、真菌、原

2、生生物等。VDAC有3种同分异构体，最原始的模型是折叠，该跨膜结构由10个氨基酸组成，该结构高度保守，但并非所有的折叠均跨越线粒体膜，该通道桶装结构由一个螺旋和13个折叠组成5，哺乳动物VDAC对La3+敏感，但N.crassaVDAC不敏感。相反，N.crassaVDAC受G-肌动蛋白调节，而哺乳动物不受其调节。VDAC在各种生物中分布并非一致。N.crassa有一种VDAC，而S.cerebiciae（酵母）有两种VDAC，大鼠、小麦有3种VDAC同分异构体，其分子量在30kD左右4。敲除3种VDAC同分异构体的一种可以导致严重的后果，如敲除大鼠VDAC3将致大鼠不孕，而敲除VDAC1或V

3、DAC2会引起呼吸功能下降30%。胚胎期敲除VDAC1可致部分动物死亡。 12VDAC电生理学特征研究发现VDAC并非完全关闭或开放两种状态，多数情况下是部分开放或闭合3。VDAC既有离子选择性又有电压依赖性。在开放状态，阴离子优先于阳离子，但这种选择性很弱。电压作用是对称的，半数激活电压在50mV。门控数量中度减少就可致VDAC选择性的明显改变。传导性越高对阴离子的通透性越强，而这一点对代谢物质是很重要的，因多数代谢物质是阴离子。VDAC开放时孔道直径约为1.21.5nm，闭合时孔道直径0.40.5nm，此时VDAC反而可以允许K+、Na+和Ca2+等小分子阳离子通过。这种选择性的改变大大减

4、少了阴离子电流。这不仅表现在通道两边的静电荷抑制阴离子的通过，而且通道的孔径也减小，阻碍阴离子通过通道，特别是对大的阴离子如ATP。线粒体膜内的pH值比基质低0.40.5个单位，这相当于2030mV的膜电势。而胞内膜pH值7.4，线粒体膜内pH值7.1，低0.3个单位，相当于1520mV的膜电势。门控刺激（如跨膜电位变化和低pH 值） 可能促使螺旋移位，引起桶状结构的不稳定性，导致VDAC 通道的部分关闭。螺旋可能是调节孔大小的结构基础，其动态变化导致VDAC 通道的启闭。2VDAC的调控 21凋亡时VDAC的变化既往认为代谢时VDAC始终保持开放状态。然而，实际情况是VDAC可以开放可以闭合

5、。特别是在凋亡早期，VDAC闭合抑制ATP释放，同时ADP、无机磷不能从胞浆进入线粒体8。促凋亡物质Bcl-2蛋白与VDAC结合后导致了后者闭合9，抗凋亡物质Bcl-XL可以阻止VDAC闭合，与VDAC开放抗凋亡一致。VDAC是促凋亡和抗凋亡蛋白的瞄定点，是细胞色素酶C释放通道外膜的组成成分10。 22低氧、缺氧和细胞低氧时VDAC的变化低氧时NADH显著增加，促进VDAC闭合，抑制VDAC的传导。脓毒症和MODS时尽管氧供正常，线粒体氧消耗下降，细胞处于低氧状态11，12。VDAC闭合可能是线粒体代谢抑制的基础。而活性氧（ROS）和活性氮（RNS）在细胞低氧也有一定作用13，但是对VDAC的

6、作用还不清楚。低氧时VDAC同分异构体发生酪氨酸磷酸化14。蛋白激酶与VDAC结合并使其磷酸化可以抑制线粒体通透性改变15。因此，低氧时VDAC磷酸化对调解VDAC非常重要。 23乙醇对VDAC的影响乙醇具有细胞毒作用16，可以增加肠通透性，促进内毒素转移、细菌通过肠黏膜。乙醇可以促进糖酵解，使糖原耗竭，抑制线粒体基质和长链脂肪酸氧化，促进肝脏脂肪聚集，加快线粒体呼吸作用17。这些改变都可以由VDAC传导改变来解释。VDAC关闭可以抑制线粒体摄取ADP和无机磷，抑制ATP的合成和释放，降低ATP/ADP的比值，促进糖酵解，使糖原耗竭。另外，VDAC通过抑制乙酰CoA与乙酰肉毒碱的穿梭抑制氧化1

7、7，导致基质与长链脂肪酸在胞浆内聚集，导致脂肪变性。而短链脂肪酸不通过VDAC可以直接进入线粒体内膜，因而线粒体短链脂肪酸氧化不依赖VDAC。这就不难解释为什么短链和中链脂肪酸与乙醇一起喂养的大鼠没有发生肝脂肪变性，而长链脂肪酸喂养的大鼠发生脂肪变性。3VDAC的生理功能 31VDAC对能量代谢物质运输的影响VDAC主要通过影响ATP、ADP在线粒体内外的转运而参与能量代谢过程6。ATP、ADP的转运必须通过一个ANT/ VDAC转运蛋白复合体（ANT-adenine nucleotide translocator）。线粒体内经呼吸作用合成的ATP，必须首先通过ANT 穿过线粒体内膜，再与VD

8、AC作用，才能跨过线粒体外膜，最后进入细胞质中，释放能量后形成ADP，供细胞生命活动的需要。然后ADP 再通过通道复合体依次跨过线粒体外膜、内膜进入线粒体，完成这一过程。因此，VDAC 在ATP 和ADP 的跨线粒体外膜转运中起着关键作用。ADP、ATP在线粒体与细胞质间的正常转运与细胞的功能息息相关，而VDAC功能的正常与否，直接影响了该过程，从而影响细胞能量代谢。 32VDAC对线粒体Ca2+循环的影响线粒体对细胞浆内Ca2+浓度和线粒体内外Ca2+的循环的调节作用主要依赖于线粒体膜上的Ca2+转运体。研究报道将纯化的VDAC重组入脂质体可以增加对Ca2+的通透性7。VDAC可以与辽红、L

9、a3+结合，而后两者是Ca2+的拮抗剂，可以抑制Ca2+通过线粒体膜。加入辽红后线粒体对Ca2+的摄取和释放明显被抑制，这说明VDAC对线粒体Ca2+循环有调控作用。而辽红和La3+可能通过与VDAC结合而抑制Ca2+转运。 33VDAC对细胞代谢的影响对癌细胞代谢的影响：癌细胞特点是高糖酵解、线粒体呼吸抑制和己糖激酶高表达19。己糖激酶是糖酵解的关键酶，与VDAC1结合，使ATP从线粒体释放。6-磷酸-葡萄糖是己糖激酶的反应产物，与VDAC竞争性结合可以导致己糖激酶从线粒体解离。最近研究报道己糖激酶-（4种己糖激酶同分异构体之一）N-端与线粒体VDAC结合导致后者关闭20。而6-磷酸-葡萄糖

10、可以逆转这种作用并且保护线粒体通透转变孔（mitochondrial permeability transition，MPT）。6-磷酸-葡萄糖可以解除VDAC传导抑制，同样可以刺激呼吸作用。己糖激酶过度表达可以拮抗癌基因抑活药物诱导的细胞凋亡。说明VDAC和MPT参与线粒体细胞凋亡信号激活，而己糖激酶过度表达可能是癌细胞抗凋亡的一种自我保护机制。另外，癌细胞仍然可以利用葡萄糖，这说明VDAC关闭不是绝对的。对胰腺细胞代谢的影响： 胰腺细胞内的己糖激酶是专有的葡萄糖激酶（葡萄糖激酶-）21。细胞表达的是一种复合的葡萄糖激酶，有一个附加的N-端序列可以促进葡萄糖激酶与线粒体和分泌颗粒结合22。葡

11、萄糖通过葡萄糖转运体进入细胞，经过糖酵解生成6-磷酸葡萄糖，与线粒体上的葡萄糖激酶结合导致线粒体VDAC开放，允许ADP、无机磷和呼吸底物进入线粒体，形成并释放ATP。胞浆内的ATP/ADP比值增加抑制KATP通道开放，导致膜除极Ca2+通道激活，使Ca2+依赖的胰岛素颗粒释放。这就可以解释为什么单纯增加呼吸底物如丙酮酸、乳酸和长链脂肪酸并不能增加胰岛素分泌。这些化合物不能通过VDAC。但是，可溶性脂类如甲基化丙酮酸、短链脂肪酸可以不通过VDAC而直接进入线粒体内。而这物质可以诱导细胞分泌胰岛素。【参考文献】 1DR Green，G Kroemer.The pathophysiology of

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