線粒體功能概述

線粒體是細胞內最重要的細胞器 它們對許多細胞過程是至關重要的，其中最突出的是能量的產生；另外，在程序性細胞死亡(凋亡)、細胞信號和代謝途徑中也很重要。除了紅細胞缺乏線粒體外，在其他幾乎所有細胞中都可以發(fā)現(xiàn)線粒體, 每個細胞內平均有300 – 400個線粒體，更活躍的細胞如大腦、肌肉、肝細胞等有成百上千的線粒體，組成細胞質的40%。

線粒體有自己的脫氧核糖核酸(mtDNA) 這是非常獨特的，有自己的基因代碼，它顯示非孟德爾式遺傳繼承模式。氧化磷酸化（OXPHOS）過程提供了大部分的細胞可以利用的能量，是細胞核和線粒體基因組之間的協(xié)調過程?！咀ⅲ貉趸姿峄∣XPHOS），生物化學過程，在真核細胞的線粒體或細菌中，是物質在體內氧化時釋放的能量通過呼吸鏈供給ADP與無機磷合成ATP的偶聯(lián)反應?！?/p>

通過有氧代謝產生的絕大部分細胞能量通過OXPHOS發(fā)生 - 將來自營養(yǎng)素衍生底物的能量轉化為ATP（細胞能量貨幣）中儲存的能量。OXPHOS反映了包裹在線粒體內膜特殊結構中的五種呼吸酶復合物的協(xié)調作用。

兩個主要反應以綜合方式運作：

(1) 電子等價物轉化： 通過降低電子轉移的NADH和FADH2分子氧。

(2) ATP合成：是由存儲為一個質子電化學梯度進行能源合成的，例如在心臟中，97%的ATP在線粒體內由OXPHOS產生，剩下的3%由糖酵解產生。

圖1：線粒體內ATP生成

線粒體DNA氧化損傷

活性氧產生 OXPHOS的結果之一是活性氧的產生，包括超氧化物陰離子和羥基自由基(見圖2)?；钚匝踉诰€粒體中產生，因此與核DNA比較，活性氧更容易損傷線粒體DNA，線粒體DNA損傷比率是核DNA的近20倍。線粒體DNA被活性氧損傷增加，再加上缺乏組蛋白(核DNA分子有組蛋白保護，而線粒體DNA沒有)和哺乳動物的核DNA修復，導致線粒體DNA的突變速率比核DNA突變高17倍。突變過程導致線粒體能源生產下降，因此提出了衰老過程理論。

圖2：線粒體活性氧的產生

線粒體和衰老

當線粒體組織和DNA損傷的累積導致線粒體能量產生(人類和動物的老化)喪失時，該階段就會形成惡性循環(huán)。由于氧化損傷導致mtDNA突變和細胞信號通路的改變，OXPHOS效率降低，ATP產生減少。因此，能量消耗隨之而來的細胞功能障礙、細胞凋亡和炎癥，導致組織功能障礙、老化和退行性疾病，以及活性氧增加和細胞抗氧化劑如谷胱甘肽的消耗。

臨床上，許多疾病(包括一些神經退行性疾病)與線粒體損傷有關：阿爾茨海默癥、帕金森病、癡呆、自閉癥、慢性疲勞綜合癥、心血管疾病、糖尿病和偏頭痛。

細胞線粒體功能的評估

臨床數(shù)據(jù)：目前臨床檢測缺乏針對線粒體功能進行評估，只是針對已知具有細胞功能障礙的綜合征和病癥作為線粒體功能失衡的判斷，如：阿爾茨海默癥、帕金森病、癡呆、自閉癥、慢性疲勞綜合癥、心血管疾病、糖尿病和偏頭痛等。

功能醫(yī)學檢測 目前可以通過更多功能醫(yī)學實驗室檢測來提供更具針對性的分析，特別是關于線粒體功能，范圍從微創(chuàng)測試到侵入性診斷程序以及基因檢測。我們對現(xiàn)有研究的回顧已經確定，某些因素在確定線粒體健康方面具有比其他因素更高的可預測性 (見表1)。

表1：線粒體功能障礙相關的預測性因素

高度預測性

AIDS/HIV

乙肝

阿爾茲海默癥

帕金森氏癥

輔酶Q10缺乏

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恐龍肯定死得比飛鳥快

中度預測性

動脈粥樣硬化

多柔比星（阿霉素）

鎘曝露

谷胱甘肽消耗

銅缺乏

汞曝露

II型糖尿病

維生素B2缺乏

低度預測性

砷曝露

狄氏劑曝露

三氯甲烷慢性曝露

鐵缺乏

DDT慢性曝露

黃斑變性

血液檢測：線粒體功能的評估包括乳酸和丙酮酸的血液水平，其反映了NADH / NAD +細胞質氧化還原狀態(tài)。然而，這些檢測敏感性或特異性不強，技術上具有挑戰(zhàn)性。此外，乳酸、丙酮酸和丙氨酸分析，或運動前的碳水化合物負荷，也可以評估線粒體功能。

尿液有機酸分析：也被用于評估線粒體疾病，并可能檢測到脂肪酸代謝受損（即β氧化）的狀況。

圖4：有機酸代謝——線粒體能量生成指標

活組織檢測評估線粒體功能：成纖維細胞以及線粒體的其他形態(tài)學和生化標志，也可評估CoQ10水平。但是，選擇合適的活組織至關重要；例如骨骼肌中可能不存在心臟組織缺陷。來自線粒體和核DNA的DNA檢測也開始進行，盡管這些檢測目前還存在許多缺點。

氧化損傷的評估 對于確定細胞和線粒體健康非常重要。 

脂質和DNA氧化標記：可能表明氧化應激水平和對保護性物質的需求。例如，8-羥基-脫氧鳥苷已被用作DNA的內源性氧化損傷的標志物，以及包括癌癥在內的許多疾病的風險因子。 同樣，硫代巴比妥酸（TBA）測定法可以測量脂質過氧化終產物丙二醛（MDA）。

未完待續(xù)，請繼續(xù)關注下期：功能醫(yī)學七大生理平衡之能量平衡——線粒體功能與能量代謝（下）

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