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健康讲座--线粒体与生命讲师：日期：一、细胞和细胞发动机—线粒体 细胞是生物体结构和功能的基本单位，每一个细胞都具有一整套婉珍的装置以满足自身代谢的需要，只有具备合适的生存条件，每一个分离的细胞都可以在体外生长繁殖，表现出生命的体征已知除病毒之外的所有生物均由细胞组成人类个体大约60万亿-100万亿个细胞构成细胞结构图（一）细胞结构图（二） 从根本上讲，人体一切生命活动均由不同类型的细胞所完成心肌细胞----伸缩动作使心脏跳动不息；肌细胞和肺泡细胞----呼吸功能；神经细胞----给心，肺等器官发出“工作”指令；淋巴细胞、巨噬细胞----与侵入人体的细胞、病菌进行战斗；自然杀伤细胞----消灭人体时不时产生的癌细胞，避免恶性肿瘤的形成细胞要完成各种生命活动，需要不停的消耗能量，而为细胞源源不断提供能量的，是细胞质中的重要细胞器——线粒体线粒体每个细胞都有线粒体，线粒体是细胞的发动发动机机，就像每台汽车都有发动机一样线粒体的结构线粒体的超微结构 线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外膜8%，膜间隙4%。

线粒体的形成 线粒体是1850年发现的，1898年命名线粒体由两层膜包被,外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴,两层膜之间有腔,线粒体中央是基质基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类,内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体 线粒体的命名 线粒体（mitochondrion，来源于希腊语mitos“线” + khondrion“颗粒”，又译为粒线体），在细胞生物学中是存在于大多数真核生物（包括植物、动物、真菌和原生生物）细胞中的细胞器 　线粒体的形状和成分 线粒体的形状多种多样, 一般呈线状,也有粒状或短线状 线粒体主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30% 线粒体的分布 在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中,但在某些细胞中，线粒体的分布是不均一的，有时线粒体聚集在细胞质的边缘 一个细胞内含有线粒体的数目可以从十几个到数百个不等，越活跃的细胞含有的线粒体数目越多，如时刻跳动的心脏细胞和经常思考问题的大脑细胞含有线粒体的数目最大，皮肤细胞含有线粒体的数目比较少。

 科学家发现农民皮肤细胞的线粒体因常年在室外劳动受到损伤的程度远远高于其他室内职业者，线粒体受到损伤，细胞就会缺乏能量而死亡我们的面部常年暴露在外，时时刻刻都在经受风吹雨打和各种污染颗粒的侵袭，因此面部细胞经常是因为过度的磨难而早夭细胞发动机--线粒体 随着人体的衰老，细胞发动机—线粒体的“功率”严重下降老年人细胞发动机功率只相当于年轻人的1/4到1/2，如果说年轻人细胞发动机功率是10匹马力的话，老年人的细胞发动机功率只有2-5匹马力，不能为细胞提供足够动能，因而造成细胞活力下降，导致全身器官、组织退化、萎缩 老年人记忆力减退、行动迟缓、易疲劳、肌肉疼痛、免疫力底下、心脏搏动减弱、肺活量下降、消化功能降低、便秘、泌尿问题等，均由细胞发动机退化、功率下降引起心脏病、高血压、糖尿病、心、脑血管病等中老年人易患的重大疾病，也都是细胞发动机衰退的结果 除了衰老以外，还有很多其他因素，如遗传缺陷、环境污染、辐射、个体代谢紊乱、不良生活习惯等也会造成细胞发动机——线粒体的功能障碍，从而导致各种疾病的发生线粒体病理 线粒体是对各种损伤最为敏感的细胞器之一。

在细胞损伤时最常见的病理改变可概括为线粒体数量、大小和结构的改变1、数量的改变　　 线粒体的平均寿命约为10天衰亡的线粒体可通过保留的线粒体直接分裂为二予以补充在病理状态下，线粒体的数目可增多或减少2、大小的改变 细胞损伤时最常见的改变为线粒体肿大线粒体为对损伤极为敏感的细胞器，其肿胀可由多种损伤因子引起，其中最常见的为缺氧缺氧；此外，微生物毒素、各种毒物、射线以及渗透压改变等亦可引起3、结构的改变　　 线粒体嵴是能量代谢的明显指征，在急性细胞损伤时（大多为中毒或缺氧缺氧），线粒体的嵴被破坏；慢性亚致死性细胞损伤或营养缺乏时，线粒体的蛋白合成受障，以致线粒体几乎不再能形成新的嵴  1、AD（老年痴呆） 2、帕金森病 3、非胰岛素依赖型糖尿病 4、心血管疾病 5、癌症 线粒体机能失常所致的常见疾病 线粒体与老年性痴呆 随年龄增加患病率升高，85岁以上老年人的AD患病率高达50％正常脑衰老可伴有轻微持续的能量生成下降、需求增加，但不足以引起AD发病。

当机体能量代谢明显降低、脑细胞线粒体功能障碍时，氧作为呼吸链的终端电子受体参与产生ATP的氧化磷酸化反应受到影响，难以满足生命的能量需要，此外，氧通过一系列化学反应生成有害的氧自由基，损伤线粒体，破坏细胞，并导致老年痴呆和其他疾病 线粒体与帕金森症 线粒体呼吸链是体内氧自由基产生的主要部位，呼吸链中任何部位受到抑制都会使自由基产生增多，PD患者黑质中酶复合体Ⅰ缺陷会导致自由基产生增多，使线粒体膜脂质过氧化，损伤mtDNA，加重线粒体功能障碍；同时增多的自由基可漏出线粒体，损伤细胞的蛋白质、脂肪及核基因，造成细胞死亡 脑的能量的一大部分用于维持神经递质的功能，线粒体酶复合体Ⅰ活性降低，造成ATP合成减少，可诱发兴奋毒性，由于能量的减少，造成细胞内外离子失衡，膜电位下降，抑制了去极化谷氨酸能刺激后突触膜的复极，导致一些电压依赖的Ca2+通道的持续开放，降低了具有保护的NMDA(N-methyl-D-aspartic acid, N-甲基-D-天冬氨酶)通道的电压依赖的Mg2＋阻断作用，造成Ca2+急剧内流，细胞内Ca2+增多，耗竭细胞内ATP，同时通过活化蛋白酶、脂肪酶、核酸内切酶，介导了兴奋毒性的细胞损伤，造成神经元死亡。

 近年来发现线粒体控制核的程序化死亡(apoptosis)，体外试验表明低浓度的MPP+对酶复合体Ⅰ的抑制可以造成培养的多巴胺能神经元的程序化死亡，而高浓度主要引起细胞的坏死Mochizuki等发现PD患者黑质致密带多巴胺能神经元呈现程序化死亡，这些结果提示，在PD多巴胺能神经元死亡的早期，可能存在由酶复合体Ⅰ抑制引起的程序化死亡，以后随着生化缺陷的加剧，而出现由程序化死亡向坏死的转变表明在PD早期如能改善线粒体功能，阻止程序化死亡加剧，将有助于保护残存线粒体与糖尿病 来自耶鲁大学的研究人员最近发现，之所以在老年人中糖尿病的发生率较高可能与随着年龄的增加，线粒体功能的下降有关核磁共振检查（NMR）显示，在老年人的肌肉细胞和肝脏细胞中 线粒体的氧化作用和磷酸化作用都降低了大约40％因此研究人员指出，老年人机体对胰岛素的耐药性与随着年龄的增长细胞内线粒体数目减少或功能下降有关他们推测，能量代谢功能对于胰腺β细胞的线粒体也是十分重要的，这些研究数据还将有助于解释为什么在老年人中糖尿病的发生率较高 线粒体与冠心病 线粒体DNA的氧化损伤是引起动脉硬化的主要影响因素之一，其主要作用表现在改变细胞内ATP的合成和钙离子浓度动态平衡。

在冠心病组组织中，由于线粒体内产生过过量的氧自由基，引起线粒体DNA的氧化损伤，线粒体DNA的损伤和编码氧化磷酸化体系的核基因的表达受损相关联其损伤后果将导致线粒体呼吸功能受损，使ATP的合成和钙离子动态平衡受到破坏，进一步引起线粒体功能受损这表明线粒体及线粒体DNA损伤在心脏病中起重要作用线粒体与癌症 因为线粒体DNA无内含子并暴露于呼吸链产生的高水平活性氧的环境下，同时缺少组蛋白的保护，线粒体中又无DNA损伤的修复系统，其突变频率较核基因组高10倍以上，且线粒体DNA序列微小的改变可涉及重要结构基因的变化，导致线粒体功能障碍人类的肿瘤形成于线粒体DNA的突变有重要关系，在多种癌细胞中均检测到线粒体DNA的结构发生了改变，如肝癌、消化系统肿瘤和肾癌等线粒体与衰老 俄罗斯学者称衰老实际上是一种病，像癌症一样是可以治愈的 他们通过研究人类细胞中的“动力工厂”线粒体得出结论：人类避免衰老是完全有可能的 氧气是最强的氧化剂，能帮助食物在细胞内燃烧并制造能量氧的一种毒害作用就是能够穿透细胞膜导致基因受损。

因此进行氧化作用的线粒体成为延长人类寿命的障碍 线粒体是重要的细胞器，它不仅在细胞的能量代谢中起着重要作用，而且与细胞生长、损伤和凋亡，亦有着密切的关系线粒体基因、结构和功能异常不仅与衰老有关，而且可以参与肿瘤、心血管病、糖尿病、代谢综合症和神经退行性病等许多疾病的发病因此，受到国际广泛的关注线粒体老化理论 线粒体的主要作用确实是提供能量：它们合成细胞能源---三磷酸腺苷分子(ATP)不过这些能源工厂同时也影响其他功能，比如预防自由基带来的氧化损伤、协助细胞内化学物质交换，以及触发失效或老化细胞的自然死亡　　 线粒体既是细胞内自由基的主要来源，也是防御自由基的主要屏障巴尔的摩国家老年实验室神经科学研究实验室主任 Mark Mattson称，当人逐渐衰老，无效线粒体数量就会逐渐增多随着时间推移，线粒体基因变异逐渐累积这样那样的变异可能导致线粒体效率降低，消耗同等葡萄糖的产能量下降----就象能效差的汽车，同等汽油行驶路程变短最终细胞越来越无法清除这些失效线粒体，随着年龄增长，身体机能越来越差，这也称为线粒体老化理论 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新陈代谢： 是指生物体不断同外界环境进行物质和能量交换的过程生物体是一个结构和功能都严整有序的开放系统它的严整有序性是靠不断同外界环境进行物质和能量的交换来维持的，一旦物质和能量的交换停止，结构和系统就会解体各种生物都有新陈代谢  新陈代谢包括同化作用和异化作用 新陈代谢是一系列极其复杂的、有精确顺序的酶促反应的总和各种生物的基本代谢途径相似，各个相应步骤所需的酶相同各种生物都以三磷酸腺苷（ATP）为其贮能和放能的中心物质 什么是同化、异化作用？ 同化作用：生物体从外界环境中吸取物质，并把它们建造成为自身的组成物质的过程，称为同化作用所以，同化反应就是能够制造能量和有机物的反应，比如植物的光合作用中的生理反应。

异化作用：生物体把自身的组成物质进行分解，并释放能量，供给生物体生命活动的需要，这个过程称为异化作用所以，异化反应就是释放能量分解有机物的反应，比如呼吸作用中的生理反应 简单说，同化作用就是把非己变成自己；异化正好相反把自己变成非己 同化作用：消化过程，光合作用 异化作用：呼吸作用 一般来说同化作用和异化作用是同时进行的同化又称“组成代谢”，异化又称“分解代谢” 同化和异化的关系：同化是异化的基础，异化是同化的条件，二者是对立统一，互为前提的关于同化、异化的平衡问题：若同化 异化，正平衡生物体生长若异化 同化，负平衡生物体不能生长若同化＝异化，生物体只能维持体重 1、糖类代谢　　食物中的糖类物质来源大部分是淀粉，此外还有少量的蔗糖、乳糖、果糖等体内能直接利用的糖类是血液中的葡萄糖，因而称之为血糖，人体内的血糖通常维持在0.1%左右人体内糖类代谢人体内糖类代谢可概括如下图：2、脂质代谢　　食物中的脂质主要是脂肪，同时还含有少量的磷脂，主要是卵磷脂、脑磷脂和胆固醇人体内脂肪代谢的过程人体内脂肪代谢的过程可概括如下图：3、蛋白质的代谢人体内对蛋白质的消化吸收途径如下：蛋白质的代谢最终是氨基酸的代谢，其代谢过程可概括为如下图：线粒体中的循环—三羧酸循环 体内物质糖类、脂肪或氨基酸先通过生成的乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成柠檬酸(三羧酸)开始，再通过一系列氧化步骤产生CO2、NADH及FADH2，最后仍生成草酰乙酸，进行再循环，从而为细胞提供了降解乙酰基而提供产生能量的基础。

由克雷布斯(Krebs)于20世纪30年代最先提出因此也叫克氏循环三羧酸循环三羧酸循环分解代谢的三个阶段分解代谢的三个阶段氧化磷酸化氧化磷酸化三羧酸循环三羧酸循环ADP+PiADP+Pi乙酰乙酰CoACoACoACoACoACoA糖糖 原原脂脂 肪肪蛋蛋 白白 质质葡萄糖葡萄糖甘油甘油 脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段2H2HCOCO2 2ATPATPOO2 2 H H2 2OO 三羧酸循环是糖、脂肪和氨基酸的最终代谢通路，又是糖类、脂类、氨基酸代谢联系的枢纽 尿素循环 也称鸟氨酸循环，是哺乳类动物一个生物化学过程，将含氮的代谢产物，主要是氨，转为尿素，后者会通过肾随尿液排出 尿素的生成场所是肝，(Hepatocyte肝细胞)循环一部分发生粒体内，一部分在细胞质，过程中因此需要转运尿素循环（鸟氨酸循环）尿素循环（鸟氨酸循环）尿素循环（鸟氨酸循环）尿素循环（鸟氨酸循环）氨的去向氨的去向 氨对生物机体有毒，特别是高等动物的脑对氨极敏感，血中1%的氨会引起中枢神经中毒，因此，脱去的氨必须排出体外。

氨中毒的机理：脑细胞的线粒体可将氨与α-酮戊二酸作用生成Glu，大量消耗α-酮戊二酸，影 响 TCA， 同 时 大 量 消 耗NADPH，产生肝昏迷★氨的去向：（1）重新利用 合成a.a、核酸 （2）贮存 Gln，Asn 高等植物将氨基氮以Gln，Asn的形式储存在体内3）排出体外排氨动物：水生动物，排泄时需 少量水；排尿素动物：陆生脊椎动物；排尿酸动物：鸟类、爬虫类  总之，线粒体出现了功能障碍，就不能给细胞发电了，就像汽车没了油开不动一样，如果线粒体病了，那就意味着细胞也病了，而我们的人体、器官等等就是由细胞构成的，那么接下来就是人体和器官等等也病了，而且不是一般的小病，而是全身上上下下、里里外外都病了！线粒体病的最大问题就是没有电，缺乏能量因此，为线粒体补充能量补充能量是使细胞代谢正常、 人体处于健康状态的关键！关键！。