线粒体有哪些新的功能？线粒体---从细菌到生命的发动机

长生 2023-01-10 14:36:05 652

线粒体有哪些新的功能？线粒体---从细菌到生命的发动机Part 2.线粒体和疾病线粒体与细胞周期调节：近年来的研究表明线粒体对细胞周期的作用并不限于供应细胞分裂所需的能量同时还参与了细胞周期的调节过程（健康｜“细胞的一生”谁又真正了解？）。（ AMPK(AMP2activatedproteinkinase)是一种位于线粒体基质中的蛋白激酶，作为细胞的一种主要能荷水平感受器 AMPK可被高水平的AMP所激活。最近研究者发现激活的AMPK参于使细胞周期阻滞的细胞生化修饰方式，在营养依赖性细胞周期阻滞中供能不足本身并不是直接起作用的因素线粒体AMPK对p53蛋白【p53基因是一种抑癌基因，定位于人类染色体17p13.1，编码393个氨基酸组成的53kD的核内磷酸化蛋白，被称为p53蛋白。p53基因是细胞生长周期中的负调节因子，与细胞周期的调控、DNA修复、细胞分化、细胞凋亡等重要的生物学功能有关。20世纪70年代，英国牛津大学的流行病

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在科学界，有一种种被广泛接受的学说——内共生学说，学说认为：15亿年前原先独立生活的细菌在真核生物的共同祖先中繁殖，形成今天的线粒体。在这个学说里，线粒体只不过是生命细胞曾经的奴隶。远古时期的某天，某个原始的真核细胞吞噬了一个细菌，这个被吞噬的细菌，逐步进化，形成了今天的线粒体。而且在进化的过程中，这个细菌逐步丧失了独立性，经过许多代的奴役之后，最终变得完全寄人篱下。但在这一过程中，它也将大量遗传信息转移到了细胞里。线粒体，这个曾经的奴隶，今天，竟然成为了生命的主宰。它利用氧来燃烧食物，生产我们赖以生存的几乎全部能量，它的存在，生命如同装上了涡轮发动机，蓄势待发，随时可以启动，无论动物还是植物。如果把生命比作汽车，那线粒体就是里面最核心的部件了。

什么是线粒体？

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在不足1mm的每一个细胞中，平均存在300-400个线粒体，整个人体里有1亿亿个，线粒体是如此微小，以至于一粒沙里可以轻易地容纳10亿个。有专家指出，人体线粒体主要聚集在大脑，心脏，卵巢，因为脑部所需能量高达身体能量的1/3，而心脏则一直处工作状态，卵巢需要充足能量环境孕育新生命，所以这三块需要源源不断地能量供给来维持健康生命。

线粒体基因组：每个线粒体含有 37个基因、定位于22种tRNA，2种rRNA，编码13种蛋白质；有自己的遗传系统，是除核以外唯一含有DNA的细胞器。因为在法医学上的运用，使线粒体成为新闻热点，名声也达到鼎盛。通过线粒体分析人或尸体，可以确定的其真实身份，例如末代沙皇尼古拉二世的身份，就是通过将其线粒体，与其亲属的比较而得到确认。第一次世界大战末期，一个17岁女孩从柏林的一条河里被救起，她自称是沙皇失踪的女儿安娜斯塔西娅，随后她被送往一家精神病院接受治疗经过70年的纷争，她的说法终于在她于1984年去世后被线粒体分析否认。更近一些的事例是，世贸中心劫后那些无法辨认遇难者遗骸亦由线粒体基因识别的。线粒体基因之所以如此有用，部分是因为它们大量存在。每个线粒体含有5至10份基因副本，一个细胞里通常有数以百计的线粒体，也就有成千上万份同样的基因，而细胞核（细胞的控制中心）里的基因只有2份副本存在，因此，完全无法提取任何线粒体基因的情况是很少见的。

人类线粒体DNA都来自于母系遗传：有些人更熟悉“线粒体夏娃”这个词，按照推测，她是所有当代人的共同祖先——如果我们沿母系血统追踪遗传特征，从女儿到母亲再到外祖母，直至上溯到远古的迷雾中，近来，这其中的某些观念受到挑战，但大体上的理论仍然成立。人身体所有细胞（除红细胞）里面都有线粒体，但只有女性的线粒体基因能随其卵子遗传给后代。也就是说由母亲传给她的女儿，女儿再传给女儿，所有传给儿子的线粒体都及身而没，不能再向下传递。很显然只要在某个家族的一代人中没有生女儿，那么该家族的线粒体就此消失，再也不可能出现。我们体内的线粒体绝非只有一种------一般来说，每个细胞会同时备份10～20套线粒体DNA，用以不断地生产新的（不同的）线粒体。

Part 1.线粒体与身体功能

代谢与供能：线粒体作为细胞内的“动力工厂”，线粒体在有氧呼吸过程中扮演着重要角色，供能的方式以呼吸作用和能量转换的实现。细胞内效率高的线粒体较多——它们能生产足够的能量，同时产生较少的自由基。细胞内高效的线粒体越多，身体各方面的机能（免疫、记忆力、状态等…）也就越好。而如果细胞内低效的线粒体过多，从而ATP生产不足，而自由基又过量，那么细胞寿命就会缩短，身体机能下降，衰老加速。心脏每小时必须输出约340升血液，使所有细胞获得新鲜氧气。摄入体内所有食物和氧气经加工后都被输送给线粒体，然后由它们转换为ATP(三磷酸腺苷)。ATP为细胞活动提供能量，体内每个细胞通常有10亿个ATP分子，2分钟以后它们的能量都会消耗殆尽，然后又会有10亿个新的ATP分子接替它们的位置，每天产生和消耗的ATP重量大约是体重的一半。

控制细胞间的信号传递、细胞的分化与生死周期——如果线粒体不能正常工作，那么会释放信号，促使细胞启动凋亡程序。2015年9月，来自美国斯克里普斯研究所的研究人员在国际学术期刊nature communication上发表了一项最新研究进展，他们发现参与细胞死亡的一个酶具有新功能。这项研究证明了这种叫做RIPK3的酶如何在细胞线粒体与免疫系统之间进行信号传递。这项新研究表明，这一交互作用不仅对于启动抗肿瘤免疫应答非常重要，同时对于调节可能导致自身免疫性疾病的炎症性应答也非常重要。研究人员指出，就他们所知这是第一项发现线粒体与NKT细胞功能之间信号通路的研究。
线粒体与细胞周期调节：近年来的研究表明线粒体对细胞周期的作用并不限于供应细胞分裂所需的能量同时还参与了细胞周期的调节过程（健康｜“细胞的一生”谁又真正了解？）。（ AMPK(AMP2activatedproteinkinase)是一种位于线粒体基质中的蛋白激酶，作为细胞的一种主要能荷水平感受器 AMPK可被高水平的AMP所激活。最近研究者发现激活的AMPK参于使细胞周期阻滞的细胞生化修饰方式，在营养依赖性细胞周期阻滞中供能不足本身并不是直接起作用的因素线粒体AMPK对p53蛋白【p53基因是一种抑癌基因，定位于人类染色体17p13.1，编码393个氨基酸组成的53kD的核内磷酸化蛋白，被称为p53蛋白。p53基因是细胞生长周期中的负调节因子，与细胞周期的调控、DNA修复、细胞分化、细胞凋亡等重要的生物学功能有关。20世纪70年代，英国牛津大学的流行病学家Richard Peto发现大象基因组拥有20个拷贝的p53基因（而人类和其他哺乳动物却只有一份拷贝）能捕捉到DNA受损的细胞，杀死突变的细胞而很少患癌症】的磷酸化调节才是发生细胞周期阻滞的关键。另一个表明线粒体与细胞周期调节相关的证据来自对酵母线粒体遗传的研究。人们发现在有丝分裂时假丝酵母的线粒体在细胞进入分裂期时发生片段化;在减数分裂时酵母的线粒体先是高度融合形成一个网状结构而后就在出芽之前的后四分体时期又重新高度片段化。酵母线粒体的这种有规律的形态变化诱使了人们对线粒体与细胞周期相关性的机制研究，结果发现了一些同时与线粒体形态变化和细胞周期变化相关的蛋白Fzo1p(Fuzzyonion)。所有这些都证明线粒体与细胞周期调节是密切相关的虽然许多具体的机制仍不清楚。

Part 2.线粒体和疾病

线粒体与疾病也有很大关系，线粒体疾病主要分为两大类:遗传性和获得性疾病前者病因包括核DNA损害、线粒体DNA损害和基因组间的通讯障碍后者主要由毒素、药物和衰老引起。线粒体是细胞的代谢中心，因此，当线粒体受损时，我们的身体也会遭受巨大的伤害。大多数线粒体在很多疾病中的作用是发病机理， DNA损伤（特别是mtDNA损伤）可以是疾病的致因，这在线粒体中的体现是明显的，最近的研究已将线粒体功能障碍与以下疾病相关联：

动脉硬化：动脉粥样硬化是导致心血管疾病的主要原因，内皮细胞损害是动脉粥样硬化的始发因素。线粒体功能障碍时，过多的氧自由基会引发炎症反应，促进血管内皮损伤，加速正常细胞的凋亡，诱发或加重动脉粥样硬化。同时，也会增加人体对动脉粥样硬化危险因子的易感性，如：增加血管张力，导致血压升高等
心脏疾病：心脏是人体内最大的耗能器官，其心肌细胞的线粒体在人体中含量最多，约占心肌细胞总容积的40-60%。在很大程度上，线粒体决定了心脏的健康程度。当线粒体功能障碍时，心肌细胞会处于缺血、缺氧的状态，导致心脏无法正常收缩，血流异常，心衰标志物浓度增加，引发冠心病、心律不齐、心力衰竭、心肌肥厚等疾病【克山病就是一种“心肌线粒体病”（mitochondrial cardiomyopathy），它是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏（缺硒）而引起，线粒体硒含量明显降低，慢性者为正常量的1/2，亚急性者为正常量的12.5％。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整】。
非酒精性脂肪肝：一支国际研究团队在今年6月13日出版的《Nature Communications》杂志发表文章：线粒体损伤导致脂肪消耗效率下降是肝部衰老细胞容易储存过多脂肪的直接原因。该课题负责人Diana Jurk博士说：“随着年龄增长，细胞损伤积累，老化细胞低效的线粒体让脂肪不断增多。令人兴奋的是，我们现在找到它们，通过去除破旧细胞扭转了肝部病灶，老鼠实验的成功为人类治疗敞开大门。”
肠道及自身免疫疾病：肠道细胞内的低效线粒体过多，也会导致肠漏以及进一步的自身免疫性问题。线粒体神经胃肠脑肌病是一种罕见的以消化系统和神经系统损害为主要表现的常染色体隐性遗传性线粒体疾病
癌症：肿瘤的发生与线粒体DNA的突变有重要关系。当线粒体功能出现障碍时，会暴露在高水平活性氧的环境下，其发生突变的几率高于其它基因变异的10倍以上。据研究显示，在肝癌、肾癌、消化系统肿瘤等癌细胞中均检测到了突变的线粒体DNA。线粒体功能出现障碍时，会导致细胞功能异常，不仅会造成单个器官的疾病，也可能引发系统性疾病。

预防老年痴呆(AD)等老年性疾病：随着年龄的增长，机体器官的功能会逐渐下降，甚至出现退行性渐变，但正常的衰老一般不会导致AD、帕金森等疾病。当人体的新陈代谢功能明显降低、线粒体功能障碍时，现有的线粒体无法满足生命能量的需求，自由基又会加速对大脑等处线粒体的损伤，破坏细胞，从而导致老年痴呆和其他疾病。

Part 3.线粒体的衰老

线粒体是直接利用氧气制造能量的部位，90%以上吸入体内的氧气被线粒体消耗掉。但是，氧是个“双刃剑”，一方面生物体利用氧分子制造能量，另一方面氧分子在被利用的过程中会产生极活泼的中间体（活性氧自由基）伤害生物体造成氧毒性。生物体就是在不断地与氧毒性进行斗争中求得生存和发展的，氧毒性的存在是生物体衰老的最原初的原因。线粒体利用氧分子的同时也不断受到氧毒性的伤害，线粒体损伤超过一定限度，细胞就会衰老死亡。生物体总是不断有新的细胞取代衰老的细胞以维持生命的延续，这就是细胞的新陈代谢。随着研究工作的不断深入，科学家发现细胞中线粒体的数量随年龄增长而减少，而体积却随年龄增长而增大。一般情况下，在人30岁之后，线粒体的功能就开始下降；到70岁时会下降到年轻时的一半——“发动机”老化，我们的各种身体器官也会随之老化。有一种理论叫做“衰老的线粒体理论”，该理论认为，线粒体在利用氧燃烧食物时，如同发动机一样，当密闭不好时，它也会产生“火花”，释放到周围环境之中。这个“火花”就是自由基，自由基会损害线粒体本身，以及周围的其他细胞器，甚至是位于细胞核中的基因。线粒体发动机转动如此频繁，以至于我们细胞里的基因每天要受到1万至10万次“火花”的攻击，这些攻击会损伤物种的DNA，尽管大部分的损伤会得到及时修复，但偶尔也会产生无法逆转的变异，这些变异会在一生中累积起来，使物种产生病变、过早的发生衰老（通过各种不健康的生活方式和饮食习惯，降低线粒体效率，加速线粒体变异，许多令人痛苦的遗传疾病也与自由基攻击线粒体基因产生的变异有关）。这种情况下细胞内的自由基越来越多，细胞会加速凋亡，身体也会加速老化。在人的一生中，线粒体一直在不停地变异…由于绝大部分的变异都是有害的，即会产生工作效率更低的线粒体【如果是低效的线粒体，产生的自由基过多，更没有多余的ATP来产生相应足够的抗氧化剂，那么许多自由基就会泄露到线粒体之外，进入细胞中。泄露出去的自由基对细胞来说是一种信号，细胞会据此淘汰低效的线粒体（“线粒体自噬”），并利用优质的线粒体备份来产生更多的、新的线粒体——这是线粒体界的优胜劣汰：（正常情况下）高效的线粒体会更快地分裂、复制，从而能逐渐排挤掉低效的线粒体】，所以对于维持细胞内的线粒体效率来说，保持良好的优胜劣汰环境非常重要：我们需要鼓励高效的线粒体多多生养，并及时淘汰掉低效的线粒体——趁它们还没有大规模增殖之前。

优化线粒体功能

除了了解关于细胞的科学，知道如何保持或改善细胞健康也是很重要的。接下来这些步骤可以确保细胞得到适当的疗养，并帮助预防疾病。如果我们的身体是车辆，细胞便是发动机，细胞优化就好比技工在做定期检查。比如给线粒体提供充分的营养素，尽量少接触环境毒素（尤其是重金属），强化线粒体内膜上质子与电子的耦合效率（Coupling Efficiency）等，一起来看看：

First .运动

如果有两件事是可以提高我们的生活质量和身体的功能，那就是饮食和运动。锻炼能够影响细胞 ---它给他们施加压力！当然，这听起来好像不好，但事实上，锻炼是保持线粒体年轻的最好方法。如果你有健康的锻炼和休息时间安排，锻炼给我们的身体带来的压力是非常短期的。因此，线粒体承受短期压力是一个积极的影响——它激活生化过程，有助于线粒体产生更多的能量。肌肉细胞含有大量的线粒体，当然你不必跑马拉松来获得对细胞的益处，中度运动就能有效地持续地对线粒体产生积极影响。但需要注意的是，长时间的有氧运动会产生大量的自由基，往往会超过细胞的处理应付能力，引起线粒体乃至细胞的损伤。【接受日照、双脚直接接触大地（健康｜人体是电器，地球是电源）能在一定程度上缓解这种问题】。

Second . 间歇禁食

间歇性禁食有助于保持细胞年轻和健康的原因有几个，但优化线粒体是目标。事实证明，热量限制是逆转细胞伤害的好方法。不过我们不能永远保持热量赤字，所以间歇性禁食有助于以健康方式模拟卡路里限制，这对细胞健康有积极影响。当你饥饿的时候，线粒体会发生什么？给身体功能一些休息可能会使他们在工作时更有效率。对于细胞来说，间歇性禁食和/或热量限制会减少mtDNA损伤和氧化应激，此外，也会减少自由基的产生。间歇性禁食和热量限制已经被广泛研究，它常常是长寿的一个议题，科学家认为其本质对于对抗疾病是有益的，因此，我们相信它也有利于我们的细胞。间歇性禁食最好在睡前做，当我们燃烧最少量的卡路里，并可以比较没有困难地进入第二天。

Third . 膳食补充剂

ALA丙氨酸、 α-硫辛酸、硒

仨者有助于葡萄糖摄取和燃烧脂肪酸。对于线粒体来说，它有助于新的细胞器生产，保持细胞活力。
多酚类物质：白藜芦醇、姜黄素

这类补充剂可以帮助模仿由卡路里限制带来的细胞激活。如果你没有理由限制卡路里（减肥），或者有着卡路里过量（增加体重/肌肉）的饮食，这可以有助于保护细胞。
辅酶Q10-线粒体的“同盟”

它是线粒体的天然辅酶，所以也是线粒体的构建基块之一。它是细胞线粒体中的能量转换剂，专门供细胞制造能量时使用。也就是说充足的辅酶Q10，会使线粒体产生更多“三磷酸腺苷(ATP)”，为细胞提供源源不断的能量。同时，辅酶Q10也是强抗氧化剂，能抵抗氧自由基对线粒体及机体的损害。双管齐下，不仅能击退“敌人”，还能壮大“同盟”。
L-精氨酸

补充L-精氨酸可以重建由运动形成的生化途径并对细胞产生积极影响。

Four . 新鲜食物带来的营养

线粒体与营养---科学家们认为线粒体是细胞的“消化系统”，它能分解营养素成份，特别是脂肪酸和碳水化合物，并将其转化为细胞使用的能量，此外，线粒体还能合成蛋白质供自己使用。因此，我们饮食结构、习惯与线粒体功能的优化有很大关系。考虑线粒体在分解脂肪酸和葡萄糖中的作用，适当的营养是确保细胞能够全力工作的关键。面筋和乳制品是最好能避免的两个主要罪魁祸首，此外，谷物，大豆和豆类应该从饮食中限制为最佳。低碳水化合物的饮食方式可以保护线粒体功能。每天摄入大量蔬菜，特别是绿色食物，深色食物（如紫薯或蓝莓）和富硫食物（如洋葱，大蒜，西兰花，或卷心菜）。最后，你的食物的来源也很重要：肉应该是有机草食动物的肉，海鲜应该尽可能地被野外捕获。避免加工食品，包括含有硝酸盐的肉类和含过量糖分的食物。

Five . 提升睡眠质量

通过受冷和深度睡眠可以加速对低效线粒体的拆解…提升对低效线粒体的淘汰率，从而使其难以在细胞内分裂、增殖——低效线粒体往往不能有效烧油从而只能烧糖，于是让全身进入烧油模式，可以帮助淘汰许多低效的线粒体，提升低效线粒体自体吞噬效率。

保持生命的活力

人体是由60亿兆个细胞构成的（细胞是构成生命的基本元素），事实上细胞的生命活动百分之九十五的能量都来自于自线粒体，所以线粒体又叫做“细胞动力工厂”，线粒体的进化给生命装上了涡轮发动机，蓄势待发，随时可以启动，所有动物体内都有线粒体，包括最懒惰的在内。这个从细菌到生命的“发动机”，它决定人体的免疫能力，可以帮助我们预防多种疾病...近年来科学水平飞速发展，各个科学领域都取得了重大突破，生命科学领域尤为突出，故而在线粒体疾病研究方面可能会在近十年取得重大进展，对线粒体的相关研究，将会对人类未来生命科学做出巨大贡献。人生若白驹过隙，或如诗歌，或如梦幻，那就选择“生如夏花”吧~

生命不息·探索不止

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