晓J的话
每天一篇好文带读，跟着我一起学习营养医学。今天带来一篇关于线粒体的文章。功能医学上有一种引起疾病和症状的原因分型叫做：线粒体功能障碍。在临床医学中是没有这个概念的。今天我们先来了解一下作为人体细胞的发动机、小火炉，线粒体到底是个神马东东。我是觉得非常有意思，希望你也希望今天的这篇文章。
正文如下↓↓↓
您已经在十几本教科书中听说过：线粒体是细胞的强大力量。它们是细胞的一部分，负责将食物转化为人体的能量。请继续阅读以了解有关线粒体的知识，它们如何工作以及如何影响您的健康的更多信息。
什么是线粒体？
定义
线粒体是一个膜封闭的细胞器，负责将脂肪和碳水化合物（葡萄糖）转换成身体可用形式的能量 [ 1，2 ]。
线粒体的主要功能是产生 ATP，ATP是所有细胞使用的主要能量来源。ATP被用于细胞的所有必要活动，我们必须进食以补充ATP的产生[ 2 ]。
线粒体在有氧或细胞呼吸过程中利用氧气产生ATP 。该反应使用氧气并产生二氧化碳，我们通过肺部呼气[ 2 ]。
每个细胞的线粒体数量随每种细胞类型而变化。随着细胞能量需求的增加，例如在肌肉细胞中，线粒体的数量也会增加。这允许在活跃细胞中有更多的能量产生和使用[ 2 ]。
除了产生能量外，线粒体在监测钙水平方面也起着至关重要的作用，这有助于平衡能量需求和细胞内的生产 [ 3 ]。
它还负责引发旧细胞和有缺陷细胞的破坏，这一过程称为凋亡。这是必要的，以腾出空间给细胞的生长和损伤后再生，以及防止癌症生长[ 4，5 ]。
线粒体活动的副产物积累并产生自由基。这会导致氧化应激，这是几乎所有与年龄有关的疾病的主要原因[ 6 ]。
线粒体功能不当会导致废物堆积，并阻止有故障的细胞从体内清除。这可能导致肿瘤生长和癌症 [ 5 ]。
线粒体是许多针对癌症，心力衰竭，胰岛素抵抗和神经退行性疾病的新疗法的目标[ 5 ]。
由于能量是生命的中心，一些研究人员认为，改善线粒体功能可能直接有益于身心健康。
线粒体产生ATP，这是细胞的主要能量货币。它们还有助于清除旧的和损坏的细胞。线粒体分解时，自由基和细胞废物会堆积。
线粒体DNA
人类基因组的大部分（是个体中的所有DNA）被包装到细胞核中的23对染色体中。除了核DNA外，人类还携带仅在线粒体中发现的一组特定的37个基因 [ 7 ]。
线粒体DNA（mtDNA）被收集到单个环形染色体中。每个线粒体都带有2至10个该染色体的拷贝[ 8 ]。
线粒体DNA主要编码线粒体功能所需的蛋白质。相反，核DNA编码激活线粒体蛋白质合成所需的蛋白质[ 8 ]。
重组后，原子核中的23对染色体都是从父母双方继承的，这一过程使您独树一帜[ 9 ]。
相反，线粒体DNA只能从母亲那里继承。据信，在精子进入卵子后，父系mtDNA被分解并被丢弃[ 8 ]。
线粒体是唯一具有自身DNA的细胞器，DNA是环状的并且仅在母体中遗传。
线粒体的起源
地球上最早出现的某些生物是细菌等单细胞原核生物。人类是真核生物，这意味着我们由真核细胞组成。据推测，真核细胞起源于原核细胞[ 10，11 ]。
原核生物与真核生物在许多方面有所不同[ 10 ]：
- ✅ 原核生物没有内部隔室（细胞器）。
- ✅ DNA是环状的，不是真核生物中的线性。
- ✅ 原核生物没有细胞核，因此它们的DNA在细胞中心自由漂浮，而真核DNA被包装到每个细胞的细胞核中。
- ✅ 原核DNA比真核DNA更简单。
- ✅ 原核生物通过分裂成两半并产生2个相同的拷贝（二进制裂变）进行复制。
由于它们的许多相似性，线粒体被认为从古代使用氧的原核细胞如细菌进化而来[ 10，11 ]。
✅ 线粒体在结构上类似于细菌。
✅ 它由双层膜组成，通过该双层膜可合成ATP，类似于细菌ATP的产生。
✅ 它带有自己的环状DNA。
✅ 线粒体DNA的序列非常类似于现代原核生物（Rickettsia prowazekii）中的DNA序列。
✅ 像原核生物一样，线粒体可以通过二元裂变在细胞内复制。
解释这些特征的最广泛接受的理论是共生理论。该理论表明，古老的原核生物的消耗氧气产生能量的细胞，偶然与不使用氧气的真核细胞融合在一起。两种细胞作为一个独立单元而共同工作（内共生体），彼此受益10，11 ]。
使用氧气作为能量的能力被证明有利于两个细胞的存活。随着时间的流逝，融合细胞演变成现代的真核生物。线粒体被认为是这种原始原核生物的残留 [ 11 ]。
科学家认为，人类细胞中的线粒体是古老的单细胞生物的残留物。
线粒体结构
特点
线粒体的结构非常不寻常，这有利于其作为ATP制造机的功能 [ 1 ]。
线粒体被双层膜包围，细胞器内部称为基质。所述内膜折叠多次称为结构嵴。产生ATP的蛋白质位于这两个膜之间，并且穿过内膜的离子运动，为这些蛋白质提供了动力。嵴的存在增加了可用于ATP产生的表面积[1，3 ]。
所述基质包含环状DNA和负责介导的线粒体活性的蛋白质的副本。这些蛋白质包括产生ATP，刺激线粒体分裂和线粒体融合，代谢分子并诱导细胞凋亡的蛋白质[ 1 ]。
线粒体可以分裂和融合。线粒体分裂是通过将一个线粒体一分为二，或从原始线粒体的小片段中产生一个新的线粒体，来增加线粒体的数量 [ 3 ]。
当两个线粒体融合在一起时，就会形成线粒体融合，从而形成细长的结构。这通常在损坏时发生。通过融合在一起，线粒体可以克服功能障碍，使两个半损伤的线粒体作为一个功能齐全的线粒体（互补）起作用[ 3 ]。
线粒体具有双层膜，其外层典型地为隐窝状。在内部，线粒体由含有DNA的基质制成。
线粒体与叶绿体
线粒体的结构和功能与叶绿体非常相似。在植物和某些藻类中发现叶绿体。像线粒体一样，它们：
✅ 有自己的双层膜
✅ 有自己的一套DNA和RNA
✅ 为细胞提供能量
✅ 具有相似的酶和蛋白质
与线粒体不同，叶绿体利用阳光通过称为光合作用的过程为植物提供能量。
线粒体的功能
线粒体负责将脂肪和碳水化合物转化为ATP（细胞的能量货币）。此外，在必要时，线粒体可以诱导细胞死亡，管理钙水平，并分解碳基分子[ 3，12 ]。
正常线粒体功能的副产物积累并产生自由基。这导致氧化应激，这是几乎每一种与年龄有关的严重疾病的主要原因[ 12 ]。
1）细胞的动力源
线粒体发挥的最重要作用是ATP的产生。线粒体内部和外部的一系列生化反应通过称为氧化磷酸化的过程导致ATP的产生。除了具有正常的细胞功能外，这些反应还需要食物和氧气来产生能量[ 13 ]。
脂肪，碳水化合物和蛋白质分解时，都会为人体提供不同量的ATP [ 12 ]。
转化为葡萄糖分子的碳水化合物分解速度最快，对于每一个经历呼吸作用的葡萄糖分子，其生成34至38个ATP分子。它们是人体首选的能量形式 [ 14 ]。
当葡萄糖水平低时，脂肪被用作能量。单分子棕榈酸（一种常见的饱和脂肪）可以产生130分子ATP。但是，脂肪分解（脂解）的过程要复杂得多，要消化脂肪餐，可能要花费多达72个小时[ 15 ]。
蛋白质仅在饥饿时用于能量[ 15 ]。
线粒体借助氧气和各种营养物质产生细胞的能量来源：ATP。
什么是细胞呼吸？
细胞呼吸有3个阶段 [ 16 ]：糖酵解，克雷布斯循环和氧化磷酸化。
糖酵解
一旦脂肪中的碳水化合物或甘油分解成葡萄糖分子，它们就会发生一系列称为糖酵解的反应[ 3 ]。
✅ 糖酵解发生在线粒体外部，在细胞的细胞质中。
✅ 这是一个厌氧过程，这意味着它不需要氧气即可发生。
✅ 它导致2分子ATP，2分子NADH +和2分子丙酮酸的净产生。
糖酵解本身并不能为细胞产生足够的能量，但是糖酵解的产物进入线粒体，并通过克雷布斯循环（也称为三羧酸循环（TCA）或柠檬酸循环）[ 3 ]。
✅ 丙酮酸和NADH扩散到线粒体（基质）中。
✅ 丙酮酸发生反应，生成2个称为乙酰辅酶A的中间分子。
✅ 二氧化碳是作为废物产生的，可以通过肺排泄。
脂肪被转化为甘油和脂肪酸的尾巴。甘油可以在胞质溶胶中分解为葡萄糖，然后在糖酵解时进入细胞呼吸途径。脂肪酸尾巴通过称为β- 氧化的过程进行一系列反应。这产生了乙酰辅酶A，可在第二阶段进入呼吸作用[ 3 ]。
如果发生饥饿（缺乏碳水化合物和脂肪），蛋白质的氨基酸会在线粒体中转化为小的碳基分子。这些分子可以在克雷布斯循环中进入呼吸道，从而产生ATP。这是有害的，因为用于提供能量的蛋白质取自我们的骨骼，肌肉和皮肤[ 16 ]。
糖酵解发生在线粒体外部。尽管它会产生一些能量，但不能满足细胞的需求。
克雷布斯循环
克雷布斯循环是其中使用氧气将葡萄糖完全转化为二氧化碳（氧化）的阶段。它涉及使用先前生成的乙酰辅酶A进行的一系列反应。由脂肪分解产生的乙酰辅酶A在此阶段进入呼吸作用。克雷布斯循环的目的是产生高能分子，这些高能分子随后可用于产生大量ATP [ 14 ]。
✅ 乙酰辅酶A进入线粒体基质的克雷布斯循环。
✅ 需要氧气的四个反应，导致2个ATP，6个NADH和2个FADH2分子的净产率。
NADH和FADH2是为ATP生产提供最大能量来源的高能分子。它们用于呼吸作用的第三阶段，氧化磷酸化 [ 14 ]。
克雷布循环使用氧气产生大量能量。它发生在线粒体中，涉及化学转化的多个阶段。
氧化磷酸化
呼吸作用的这一阶段最为重要，因为它会产生最多的ATP。这就是线粒体结构起重要作用的地方。而且，这个过程是我们需要氧气才能存活的原因 [ 17，3 ]。
在线粒体的内膜与外膜之间存在一个小空间，称为膜间空间。一组线粒体酶和蛋白质复合物排列在内膜上，形成称为电子传输链的结构。氧化磷酸化分为两个步骤：电子传递和化学渗透 [ 17 ]。
电子运输链 [ 17 ]：
- ✅ 六个NADH和两个FADH2经历化学反应，并将其电子捐赠给电子传输链中的第一个蛋白质复合物。
- ✅ NADH成为NAD +。
- ✅ FADH2变为FAD。
- ✅ 电子沿着链路从复合物传递到复合物。
- ✅ 当电子从一种蛋白质复合物传递到另一种蛋白质复合物时，它们会产生能量。
氧化磷酸化是克雷布循环中最重要的阶段，可产生最多的ATP。
化学渗透 [ 17 ]：
✅ 电子通过传输链向下传递而产生的能量被用于将H+ 离子从内部线粒体基质泵入膜间空间。
✅ H+ 离子在两个线粒体膜之间累积。
✅ 在某些时候，内膜空间内的H+ 离子量比线粒体基质内的H+ 量大得多，从而在整个内膜上产生化学梯度。
✅ H+ 离子沿其浓度梯度向下流回基质，释放出大量能量。
✅ 电子传输链的最终酶，ATP合成酶，收集H+ 离子流入基质所产生的能量。
✅ ATP合成酶利用这种能量生成34至38个ATP分子和6个H2O分子。
呼吸过程中氧气的目的是吸收流回细胞并形成水分子的H+ 离子。如果我们没有氧气，则H+ 离子将保留在线粒体基质中。这将减少跨内膜产生的梯度，因为在膜的两侧都会有H+ 离子。这样可以防止和预防化学渗透，而这最终，将导致ATP产生时没有能量生成[17，3 ]。
2）触发细胞死亡
当细胞受损或老化时，线粒体在引发细胞死亡中起主要作用。这有助于将能量产生集中在具有更高能量需求的细胞和组织上。细胞死亡还可以防止突变和有缺陷的细胞扩散。细胞自杀的过程被称为细胞凋亡，这在很大程度上是从线粒体中释放“自杀”蛋白质而介导[4，18 ]。
当仅一个线粒体被破坏时，大量线粒体可以通过称为线粒体自噬的过程破坏自身，从而使细胞和其他线粒体保持完整[ 18]。 ]。
在线粒体内膜中发现的电子传递链，常常会泄漏自由基，或活性氧（ROS）。虽然自由基的产生是正常的，但它可能导致细胞中有害的氧化应激。自由基与细胞许多其他物质反应，导致DNA损伤和许多重要的蛋白质的破坏[ 4，18 ]。
氧化应激的增加与200多种人类疾病有关。凋亡或程序性细胞死亡阻止了自由基的积累。线粒体可以对内部（内在途径）凋亡信号和细胞的外面（外在途径）发生响应[4，18 ]。
除了自由基以外，某些蛋白质还可以结合到细胞表面的受体上并启动细胞凋亡。这些被称为死亡信号，并且它们针对DNA中的突变、辐射，或饥饿的营养状况发生响应而被释放[4，18 ]。
当死亡信号与其细胞上的受体结合时，它们会引起许多化学反应，从而导致线粒体膜发生变化。这导致蛋白质被运入线粒体基质，从内膜中释放称为细胞色素C的蛋白质[ 4，18 ]。
细胞色素C是电子传输链中的蛋白质之一。当从线粒体释放时，细胞必须经历凋亡。它是细胞死亡的决定因素[3，18 ]。
凋亡的破坏性事件是由胱天蛋白酶引起的。胱天蛋白酶以其非活性形式存在于每个细胞中。当细胞色素C释放时，一系列化学反应会激活胱天蛋白酶。胱天蛋白酶裂解或切割细胞中的不同蛋白质。随着过程的进行，胱天蛋白酶导致细胞内含物的完全破坏 [ 18 ]。
线粒体可以杀死旧的和受损的细胞，据认为有助于减少细胞浪费和DNA突变。
3）有机分子的分解
线粒体包含的酶会分解成许多不同的分子，以用于细胞呼吸途径中的能量。这些酶还产生仅由一个碳原子组成的中间分子。这些1-碳分子基是高度反应性的，并且可以干扰天然细胞活性[ 19，20 ]。
在线粒体内，1-碳分子被转换成ATP和蛋白质生产所需的不同氨基酸。维生素B9，B1 2，B6和B2提供进行这些反应所需的碳。B族维生素的缺乏都与年龄有关的疾病，如阿尔茨海默氏病，心血管疾病和癌症有关 [ 19，21 ]。
血红素基团，是血红蛋白结构的核心，发现于红血细胞中，它的生产是在线粒体1 -碳代谢产生的一个重要物质的例子。血红蛋白是一种含铁蛋白，它允许氧气和二氧化碳在血液中携带并在人体周围运输[ 12 ]。
1碳基分子从线粒体中输出，以产生一些DNA的组成部分。这种情况发生在填充细胞（细胞质）内部的果冻状液体中，在此处生产物可以根据需要移动到细胞的不同部分，也可以输出到其他组织中[ 21 ]。
线粒体也构成尿素循环的一部分，在此过程中，来自不同分子的氮原子以尿素形式通过人体排出。尿素是在尿中发现的主要物质，是其产生黄色的原因[ 12，22 ]。
因此，线粒体防止正常细胞功能的破坏，参与废物的去除，并提供其他反应所需的前体分子。
线粒体有助于细胞部分的再生-各种有机分子可重复使用以构建DNA和其他重要结构。
4）钙平衡
线粒体监测细胞中的钙水平，以协调能量产生与能量需求。细胞中的钙水平升高，几乎可以激活任何生化途径。反过来，激活细胞需要能量，因此线粒体将不得不增加ATP的产生[ 3 ]。
当钙进入细胞时，线粒体基质外部的钙浓度增加。这会产生一个浓度梯度，从而驱动钙流入基质。允许钙进入的蛋白质通道位于内膜上，并在细胞内钙浓度高时对其响应而打开[ 3 ]。
在肌肉细胞中，钙的进入会导致线粒体产生增加。这允许能量供应满足该组织的能量需求[ 3 ]。
钙影响线粒体功能，反之亦然。
要点 线粒体是我们生存而无法离开的的最不常见的细胞器。 科学家假设线粒体是古老的单细胞生物的残留物。他们有自己的DNA，它是母体遗传的，相比于人类的DNA，与病毒的DNA更相似。 线粒体产生细胞能量的主要来源，ATP。它们还有助于回收可重复使用的部分细胞，同时清除旧的和损坏得无法修复的细胞。 但是由于线粒体使用氧气，它们的副产物会引起氧化应激。线粒体分解时，自由基和细胞废物会堆积并造成广泛的危害。一些实验性的新疗法旨在逆转这一过程。
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最近更新时间： 2020年2月17日
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