大家好，今天我们一起来分享一下《氢与线粒体的秘密》
线粒体是“细胞的能量工厂”，这一细胞器的起源可追溯到约20亿年前。尽管科学家在19世纪就发现了这些供能者，但关于它们是如何进化成细胞的重要器件的，仍没有一致的说法。
1、关于线粒体的起源
原始大气是没有氧气的。氧气是后来才有的。在这之前生物（基本上都是微生物）几乎都是无氧呼吸的。而氧气的大量产生，使得大部分无氧呼吸的生物灭绝了。但是至今仍然有很多无氧呼吸的生物存活了下来。比如，肉毒杆菌，破伤风杆菌。
目前的研究倾向于认为早期大气的氧含量非常低。氧元素主要以水和二氧化碳形式存在。公元前26亿年前（那是比寒武纪还要早的多的多的多）有一个地质学上的重要事件，叫做大氧化事件。科学家基于地层里含氧矿物质的突然增多，发现地球氧气含量在那个时候暴增。大氧化事件的起因目前没有完全确定，主流观点认为是大量的蓝藻光合作用产生了氧气。现在人们觉得氧气是生命运动之源，但是对于厌氧的物种而言，氧气根本就是毒气。因为氧气的反应活性实在是太强了（没想到吧），进入微生物后可以产生反应性更强的超氧化物和过氧化物之类的一系列活性物质，他们可以跟很多的生物分子反应，从而干掉微生物。所以，氧气的暴增，导致大部分生物，灭绝了。剩下的生物学会了与氧气共存。要么选择呆在氧含量很低的地方，要么就想办法进化出了超氧化物歧化酶（SOD）。
当然生物的适应能力是超乎想象的，他们不光适应了富氧的新环境，甚至进化出了有氧呼吸这个神器。有氧呼吸对糖类的利用是彻底的，一单位葡萄糖有氧呼吸能够提供38单位的ATP（一种机体可以直接利用的能量物质）。无氧呼吸产能效率非常低，只能提供2个。将近二十倍的差距呢。最后再偏个题，有氧呼吸过程是在线粒体进行的。线粒体是有氧呼吸的关键。这个神器的起源还没有完全确定。关键这个线粒体是一个神奇的东西，有两层细胞膜。（要知道细胞只有一层膜）而且线粒体是有自己的DNA，自己复制的。一个理论就认为，线粒体其实最早是独立的生物，被我们所有动物的祖先吞了（互利共生）。线粒体从细胞中获取糖酵解产物，将之完全氧化利用，生产的ATP与细胞分享。如果这个理论是对的，那么这是世界上最牛的合作了。
2、线粒体生命的发动机
（1）人体95%的能量来自线粒体
细胞是构成人体的基本单位，人体有40万亿—60万亿个，细胞的健康程度直接影响人体的健康，细胞病了，人体也就生病了。人体细胞所需95%的能量来自线粒体，为细胞提供生命能量，同时线粒体同时也调控着细胞的生长、凋谢，细胞中的钙离子浓度的动态平衡以及基因调控。因此，线粒体有“生命的发动机”之称。
（2）线粒体数量决定人体的代谢水平
每个细胞内平均有–个线粒体，每天产生6Kg的ATP，比较活跃的细胞如大脑、肌肉、肝细胞、肾细胞心肌细胞，精子细胞，其中每个肝脏细胞中有-个线粒体，每个肾脏细胞中个线粒体，每个精子细胞中25个线粒体，尤其在心脏中线粒体占据心肌体积的30%～40%，并提供心脏活动所需能量的70%～90%。一般来说，细胞中线粒体数量取决于该细胞的代谢水平，代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。
（3）线粒体产生大量氧自由基易损伤
但线粒体并不简单。一方面，人体吸入的90%的氧气都会被线粒体用以制造能量，以维持生命活动；另一方面，氧气是强氧化剂，它会不断的产生自由基，过多的自由基，不仅会损伤线粒体，使细胞衰亡，还会加快人体衰老，引发各种疾病。一旦线粒体病了，心脏、大脑、肝脏，肾脏、胰腺、眼睛、精子、肌肉，肺脏、骨骼、等器官也会生病。
3、线粒体与衰老
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。
4、线粒体与疾病
人体细胞中高效的线粒体数量越多，身体就会越健康。一旦细胞内低效的线粒体过多，或是线粒体功能受损较多，就意味着细胞得不到充足的能量支撑，出现各种代谢疾病如高血糖、高血脂、痛风、肥胖、高血压等。自由基增多，破坏力度加大，会损伤神经、骨骼、脏器、血管等，加速衰老，成为多种疾病的诱发因素之一。基因调控异常导致基因突变引发细胞突变或癌变。
年7月，科学家发现促进癌症转移的线粒体开关，线粒体是细胞的能量工厂，当肿瘤细胞中线粒体的功能发生改变时就会促进细胞的迁移，最终导致肿瘤成功转移。研究人员测定了肿瘤细胞中线粒体促进肿瘤转移过程中涉及的分子机制，结果发现，在特定的条件下，线粒体可以产生过多的超氧离子自由基，超氧离子的过量产生就会引发肿瘤转移灶的形成，最终肿瘤转移组织就会在新的组织中形成肿瘤。
（1）糖尿病及并发症
Ⅰ型糖尿病：研究发现，Ⅰ型糖尿病(T1DM)患者线粒体功能障碍，体内氧化应激较强，线粒体合成受阻，活性下降，导致胰腺β-细胞ATP合成减少，促进β-细胞凋亡从而导致β-细胞的分泌胰岛素功能受损。
Ⅱ型糖尿病：研究发现，Ⅱ型糖尿病肌肉组织内线粒体数量减少、体积变小、线粒体生物合成下降，ATP合成减少导致机体能量供需失衡，进而诱发胰岛素抵抗[。线粒体功能障碍可减弱脂肪酸β-氧化、诱导大量的自由基生成，致使细胞内脂肪代谢产物堆积，降低了脂肪细胞对胰岛素的敏感性，还可抑制胰岛素信号转导而降低靶组织对胰岛素的敏感性，最终导致2型糖尿病的发生。
糖尿病心肌病、肾病、眼病：糖尿病心肌病是指由高血糖所致的心脏功能障碍。由于糖尿病患者糖脂代谢紊乱，高血糖、高血脂会直接刺激心肌细胞产生更多的氧自由基，引起氧化应激使线粒体mtDNA损伤、蛋白质氧化和脂质过氧化，ATP合成减少致使心肌细胞能量代谢失衡，同时也会介导糖尿病肾病、视网膜病变等糖尿病并发症的发生发展。
（2）动脉粥样硬化(AS)
动脉粥样硬化(AS)是动脉内膜非炎症性增生性病变，脂质在动脉内膜积聚，外观呈黄色粥样，脂质代谢障碍为动脉粥样硬化病变的基础，病变常累及大、中肌性动脉，是导致心血管疾病死亡的主要原因。线粒体功能障碍时产生过多的自由基以及累积的mtDNA损伤或突变都与动脉粥样硬化的发生发展密切相关。氧化低密度脂蛋白、高脂、高糖等AS危险因素可抑制线粒体活性，氧自由基生成增加，细胞ATP下降，损伤线粒体功能，促进内皮损伤和动脉粥样硬化形成，增加机体对动脉粥样硬化危险因子的易感性。而DNA修复功能障碍引起的mtDNA损伤可直接加速动脉粥样硬化以及促进糖尿病动脉粥样硬化并发症形成。
（3）高血压
高血压是心血管疾病最主要的危险因素，其主要病理变化有血管内皮损伤、内膜增厚、血管壁弹性组织变性以及血管平滑肌细胞增殖。研究表明，线粒体功能障碍与高血压密切相关。血管紧张素II可刺激线粒体产生ROS，氧化灭活内皮细胞合成释放的NO，使内皮依赖性血管舒张功能降低，血管张力增加，血压升高。有研究发现，UCP2基因多态性或表达改变会引起线粒体氧化磷酸化解偶联，升高动脉血压，并增加血浆肾素活性。
（4）心肌缺血-再灌注（冠心病）
冠心病是典型的心肌缺血缺氧疾病。心肌缺血再灌注损伤是指经历一定时间缺血的心肌组织在恢复血流灌注后损伤加重的现象。许多研究表明，线粒体功能障碍与缺血再灌注损伤密切相关，心肌缺血再灌注时产生过量的氧自由基，一方面可损伤线粒体，造成线粒体ATP合成障碍，进而导致心室舒张不全，加重酸中毒，促发再灌注性心律失常；另一方面，氧化应激可导致蛋白质和脂质过氧化，进一步损伤线粒体，造成线粒体肿胀和外膜破裂，形成恶性循环。最终诱导心肌细胞凋亡或死亡。
（5）心力衰竭
心力衰竭是指心脏泵血能力降低造成心脏输出量的绝对或相对减少而不能满足机体需要的病理过程，是心肌梗死、高血压和心肌病等多种心血管疾病发展的终末阶段。首先，心力衰竭时，心肌线粒体存在功能缺陷，不仅会触发线粒体所诱发的心肌细胞凋亡，还会增加大量自由基的产生。大量的自由基通可导致心脏收缩功能的进行性降低和心脏不可逆损伤。其次，心肌促线粒体生物合成因子表达下调，导致线粒体DNA含量降低，不仅使线粒体生物合成受损，也引起线粒体氧化磷酸化以及对脂肪酸氧化能力降低，使心肌能量生成不足，加重心力衰竭的发展。
（6）肿瘤
近年来随着研究的深入，发现线粒体在细胞能量代谢、氧自由基生成和细胞凋亡等过程中的作用都与肿瘤的发生密切相关肿瘤。首先，与正常组织相比，肿瘤组织中的氧自由基水平要高，会直接导致线粒体进而加剧线粒体功能障碍，最终促使肿瘤细胞主要依赖糖酵解产生ATP，有氧糖酵解是肿瘤细胞能量代谢的标志之一。其次，线粒体在细胞中的分布和数量还会影响肿瘤细胞伪足的形成，进而影响肿瘤细胞的迁移和侵袭能力，有助于肿瘤细胞持续生长。线粒体失常，自由基的氧化作用增强，其突变的几率高于其它基因变异的10倍以上。有研究显示，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。
（7）脂肪肝
肝脏脂肪变性甚至发展为脂肪肝由许多病因引起，主要由于肝细胞中脂质代谢紊乱，导致肝内脂肪酸和甘油三酯积累和清除失衡。另外，氧化应激、线粒体功能障碍也被认为是加速脂肪变性和导致脂肪肝的关键机制，在脂肪肝“二次打击”中起了关键作用。脂肪酸产生直接脂毒性，可造成线粒体肿胀，降低线粒体内酶活性，引起肝细胞线粒体功能障碍，ROS产生增加引起氧化应激，干扰线粒体膜完整性，进而诱导肝细胞凋亡。线粒体功能障碍又增加了肝脏中氧化应激的产物如活性氧和活性氮，会直接损伤线粒体DNA，引起线粒体蛋白质合成系统发生障碍，导致肝细胞脂肪代谢失调，促使肝脏由单纯脂肪变性进一步发展为脂肪性肝炎。
（8）阿尔茨海默病
阿尔茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD)是一种以进行性认知障碍和记忆力损害为主的中枢神经系统退行性疾病，而AD的早期就有线粒体功能障碍的表现。线粒体受损导致神经元提供的能量不足神经元受损，还可以引起神经突触线粒体功能障碍，影响突触正常的结构和功能，进而引起认知功能损害及记忆丧失。氧化应激均能够导致线粒体功能损伤，而线粒体结构与功能受损并因此造成突触受损，神经细胞凋亡，促进阿尔茨海默病程的进展。
（9）帕金森病
帕金森病(PD)是中老年人中常见的中枢神经变性疾病，其主要的病理改变为中脑黑质致密部多巴胺(DA)神经元变性缺失及残余神经元胞质路易小体的形成。一项针对帕金森患者尸体研究发现，神经元线粒体代谢活性明显下降，氧化应激较强，基因突变，线粒体DNA水平降低，ATP产生减少，影响线粒体功能进而导致神经元细胞死亡，导致帕金森发病或恶化。
除了上述疾病，许多研究表明，线粒体还可以通过多种机制参与众多疾病的发生发展，如失明、耳聋、肾脏疾病、卒中及艾滋病病毒药物的毒性等均出现了线粒体功能障碍的现象。由此表明，线粒体在众多疾病发生发展中发挥了重要作用。目前，以线粒体为靶标的药物分子设计及其机制研究已成为热门研究领域之一，针对线粒体找到合适的靶点展开靶向治疗对明确线粒体相关疾病的发病机制及探索其预防、治疗措施具有重要意义。
5、线粒体功能受损的发病原因
线粒体功能障碍多指因线粒体膜受到破坏、呼吸链受到抑制、酶活性降低、mtDNA的损伤等引起的能量代谢障碍，进而导致一系列相互作用的损伤过程。
1.氧自由基损伤
氧自由基损伤线粒体引起线粒体功能障碍和细胞凋亡。
2.线粒体数量下降
ATP生成减少，线粒体数量下降，引起线粒体功能障碍。
3.线粒体通透性高
ATP合成停止；谷胱甘肽耗竭，线粒体肿胀，破裂，释放内外膜间隙引起细胞凋亡或死亡。
4.线粒体DNA突变
可致线粒体功能障碍，可导致线粒体功能障碍相关性疾病的临床症状。
综上所述，分子氢可以透过细胞膜，进入线粒体内进行抗氧化，让生命的发动机保持正常的运转。
星博健言：线粒体是人体能量产生的来源，呵护线粒体的健康，就是呵护生命的健康。
星博简介：刘北星博士，美国医学生理学博士，生物医学工程博士后、眼科医生、中国初级卫生保健基金会云基金委员，美国癌症基金救助会首席专家。在中美从事生物共振、电生理学、干细胞、抗衰老、量子生物氢研究。在此，开辟公益性氢专栏，向社会大众输出科普知识。
温馨提示：根据《食品药品监督管理条例》，氢气不能完全替代药物治疗。若内容涉及健康建议，仅供参考勿作为健康指导依据。
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