健康講座--線粒體與生命講師：日期：第一頁，共五十七頁。一、細胞和細胞發動機—線粒體細胞是生物體結構和功能的基本單位，每一個細胞都具有一整套婉珍的裝置以滿足自身代謝的需要，只有具備合適的生存條件，每一個分離的細胞都可以在體外生長繁殖，表現出生命的體征。已知除病毒之外的所有生物均由細胞組成。人類個體大約60萬億-100萬億個細胞構成。第二頁，共五十七頁。細胞結構圖（一）第三頁，共五十七頁。細胞結構圖（二）第四頁，共五十七頁。從根本上講，人體一切生命活動均由不同類型的細胞所完成心肌細胞----伸縮動作使心臟跳動不息；肌細胞和肺泡細胞----呼吸功能；神經細胞----給心，肺等器官發出“工作”指令；淋巴細胞、巨噬細胞----與侵入人體的細胞、病菌進行戰斗；自然殺傷細胞----消滅人體時不時產生的癌細胞，避免惡性腫瘤的形成。第五頁，共五十七頁。細胞要完成各種生命活動，需要不停的消耗能量，而為細胞源源不斷提供能量的，是細胞質中的重要細胞器——線粒體。每個細胞都有線粒體，線粒體是細胞的發動機，就像每臺汽車都有發動機一樣。第六頁，共五十七頁。第七頁，共五十七頁。線粒體的結構第八頁，共五十七頁。線粒體的超微結構線粒體由內外兩層膜封閉，包括外膜、內膜、膜間隙和基質四個功能區隔。在肝細胞線粒體中各功能區隔蛋白質的含量依次為：基質67%，內膜21%，外膜8%，膜間隙4%。第九頁，共五十七頁。線粒體的形成線粒體是1850年發現的，1898年命名。線粒體由兩層膜包被,外膜平滑,內膜向內折疊形成嵴,兩層膜之間有腔,線粒體中央是基質。基質內含有與三羧酸循環所需的全部酶類,內膜上具有呼吸鏈酶系及ATP酶復合體。

第十頁，共五十七頁。線粒體的命名線粒體（mitochondrion，來源于希臘語mitos“線”+khondrion“顆粒”，又譯為粒線體），在細胞生物學中是存在于大多數真核生物（包括植物、動物、真菌和原生生物）細胞中的細胞器。

第十一頁，共五十七頁。線粒體的形狀和成分線粒體的形狀多種多樣,一般呈線狀,也有粒狀或短線狀。線粒體主要化學成分是蛋白質和脂類，其中蛋白質占線粒體干重的65-70%，脂類占25-30%。

第十二頁，共五十七頁。線粒體的分布在多數細胞中，線粒體均勻分布在整個細胞質中,但在某些細胞中，線粒體的分布是不均一的，有時線粒體聚集在細胞質的邊緣。一個細胞內含有線粒體的數目可以從十幾個到數百個不等，越活躍的細胞含有的線粒體數目越多，如時刻跳動的心臟細胞和經常思考問題的大腦細胞含有線粒體的數目最大，皮膚細胞含有線粒體的數目比較少。第十三頁，共五十七頁。科學家發現農民皮膚細胞的線粒體因常年在室外勞動受到損傷的程度遠遠高于其他室內職業者，線粒體受到損傷，細胞就會缺乏能量而死亡。我們的面部常年暴露在外，時時刻刻都在經受風吹雨打和各種污染顆粒的侵襲，因此面部細胞經常是因為過度的磨難而早夭。第十四頁，共五十七頁。細胞發動機--線粒體隨著人體的衰老，細胞發動機—線粒體的“功率”嚴重下降。老年人細胞發動機功率只相當于年輕人的1/4到1/2，如果說年輕人細胞發動機功率是10匹馬力的話，老年人的細胞發動機功率只有2-5匹馬力，不能為細胞提供足夠動能，因而造成細胞活力下降，導致全身器官、組織退化、萎縮。第十五頁，共五十七頁。老年人記憶力減退、行動遲緩、易疲勞、肌肉疼痛、免疫力底下、心臟搏動減弱、肺活量下降、消化功能降低、便秘、泌尿問題等，均由細胞發動機退化、功率下降引起。心臟病、高血壓、糖尿病、心、腦血管病等中老年人易患的重大疾病，也都是細胞發動機衰退的結果。第十六頁，共五十七頁。第十七頁，共五十七頁。除了衰老以外，還有很多其他因素，如遺傳缺陷、環境污染、輻射、個體代謝紊亂、不良生活習慣等也會造成細胞發動機——線粒體的功能障礙，從而導致各種疾病的發生。第十八頁，共五十七頁。線粒體病理線粒體是對各種損傷最為敏感的細胞器之一。在細胞損傷時最常見的病理改變可概括為線粒體數量、大小和結構的改變。第十九頁，共五十七頁。1、數量的改變線粒體的平均壽命約為10天。衰亡的線粒體可通過保留的線粒體直接分裂為二予以補充。在病理狀態下，線粒體的數目可增多或減少。第二十頁，共五十七頁。2、大小的改變細胞損傷時最常見的改變為線粒體腫大。線粒體為對損傷極為敏感的細胞器，其腫脹可由多種損傷因子引起，其中最常見的為缺氧；此外，微生物毒素、各種毒物、射線以及滲透壓改變等亦可引起。第二十一頁，共五十七頁。3、結構的改變線粒體嵴是能量代謝的明顯指征，在急性細胞損傷時（大多為中毒或缺氧），線粒體的嵴被破壞；慢性亞致死性細胞損傷或營養缺乏時，線粒體的蛋白合成受障，以致線粒體幾乎不再能形成新的嵴。第二十二頁，共五十七頁。

1、AD（老年癡呆）

2、帕金森病

3、非胰島素依賴型糖尿病

4、心血管疾病

5、癌癥線粒體機能失常所致的常見疾病第二十三頁，共五十七頁。線粒體與老年性癡呆隨年齡增加患病率升高，85歲以上老年人的AD患病率高達50％。正常腦衰老可伴有輕微持續的能量生成下降、需求增加，但不足以引起AD發病。當機體能量代謝明顯降低、腦細胞線粒體功能障礙時，氧作為呼吸鏈的終端電子受體參與產生ATP的氧化磷酸化反應受到影響，難以滿足生命的能量需要，此外，氧通過一系列化學反應生成有害的氧自由基，損傷線粒體，破壞細胞，并導致老年癡呆和其他疾病。第二十四頁，共五十七頁。線粒體與帕金森癥線粒體呼吸鏈是體內氧自由基產生的主要部位，呼吸鏈中任何部位受到抑制都會使自由基產生增多，PD患者黑質中酶復合體Ⅰ缺陷會導致自由基產生增多，使線粒體膜脂質過氧化，損傷mtDNA，加重線粒體功能障礙；同時增多的自由基可漏出線粒體，損傷細胞的蛋白質、脂肪及核基因，造成細胞死亡第二十五頁，共五十七頁。腦的能量的一大部分用于維持神經遞質的功能，線粒體酶復合體Ⅰ活性降低，造成ATP合成減少，可誘發興奮毒性，由于能量的減少，造成細胞內外離子失衡，膜電位下降，抑制了去極化谷氨酸能刺激后突觸膜的復極，導致一些電壓依賴的Ca2+通道的持續開放，降低了具有保護的NMDA(N-methyl-D-asparticacid,N-甲基-D-天冬氨酶)通道的電壓依賴的Mg2＋阻斷作用，造成Ca2+急劇內流，細胞內Ca2+增多，耗竭細胞內ATP，同時通過活化蛋白酶、脂肪酶、核酸內切酶，介導了興奮毒性的細胞損傷，造成神經元死亡。第二十六頁，共五十七頁。近年來發現線粒體控制核的程序化死亡(apoptosis)，體外試驗表明低濃度的MPP+對酶復合體Ⅰ的抑制可以造成培養的多巴胺能神經元的程序化死亡，而高濃度主要引起細胞的壞死。Mochizuki等發現PD患者黑質致密帶多巴胺能神經元呈現程序化死亡，這些結果提示，在PD多巴胺能神經元死亡的早期，可能存在由酶復合體Ⅰ抑制引起的程序化死亡，以后隨著生化缺陷的加劇，而出現由程序化死亡向壞死的轉變。表明在PD早期如能改善線粒體功能，阻止程序化死亡加劇，將有助于保護殘存。第二十七頁，共五十七頁。線粒體與糖尿病來自耶魯大學的研究人員最近發現，之所以在老年人中糖尿病的發生率較高可能與隨著年齡的增加，線粒體功能的下降有關。核磁共振檢查（NMR）顯示，在老年人的肌肉細胞和肝臟細胞中線粒體的氧化作用和磷酸化作用都降低了大約40％。因此研究人員指出，老年人機體對胰島素的耐藥性與隨著年齡的增長細胞內線粒體數目減少或功能下降有關。他們推測，能量代謝功能對于胰腺β細胞的線粒體也是十分重要的，這些研究數據還將有助于解釋為什么在老年人中糖尿病的發生率較高。第二十八頁，共五十七頁。線粒體與冠心病

線粒體DNA的氧化損傷是引起動脈硬化的主要影響因素之一，其主要作用表現在改變細胞內ATP的合成和鈣離子濃度動態平衡。在冠心病組組織中，由于線粒體內產生過過量的氧自由基，引起線粒體DNA的氧化損傷，線粒體DNA的損傷和編碼氧化磷酸化體系的核基因的表達受損相關聯。其損傷后果將導致線粒體呼吸功能受損，使ATP的合成和鈣離子動態平衡受到破壞，進一步引起線粒體功能受損。這表明線粒體及線粒體DNA損傷在心臟病中起重要作用。第二十九頁，共五十七頁。線粒體與癌癥因為線粒體DNA無內含子并暴露于呼吸鏈產生的高水平活性氧的環境下，同時缺少組蛋白的保護，線粒體中又無DNA損傷的修復系統，其突變頻率較核基因組高10倍以上，且線粒體DNA序列微小的改變可涉及重要結構基因的變化，導致線粒體功能障礙。人類的腫瘤形成于線粒體DNA的突變有重要關系，在多種癌細胞中均檢測到線粒體DNA的結構發生了改變，如肝癌、消化系統腫瘤和腎癌等。第三十頁，共五十七頁。線粒體與衰老俄羅斯學者稱衰老實際上是一種病，像癌癥一樣是可以治愈的。他們通過研究人類細胞中的“動力工廠”線粒體得出結論：人類避免衰老是完全有可能的。氧氣是最強的氧化劑，能幫助食物在細胞內燃燒并制造能量。氧的一種毒害作用就是能夠穿透細胞膜導致基因受損。因此進行氧化作用的線粒體成為延長人類壽命的障礙。第三十一頁，共五十七頁。線粒體是重要的細胞器，它不僅在細胞的能量代謝中起著重要作用，而且與細胞生長、損傷和凋亡，亦有著密切的關系。線粒體基因、結構和功能異常不僅與衰老有關，而且可以參與腫瘤、心血管病、糖尿病、代謝綜合癥和神經退行性病等許多疾病的發病。因此，受到國際廣泛的關注。第三十二頁，共五十七頁。線粒體老化理論線粒體的主要作用確實是提供能量：它們合成細胞能源---三磷酸腺苷分子(ATP)。不過這些能源工廠同時也影響其他功能，比如預防自由基帶來的氧化損傷、協助細胞內化學物質交換，以及觸發失效或老化細胞的自然死亡。線粒體既是細胞內自由基的主要來源，也是防御自由基的主要屏障。巴爾的摩國家老年實驗室神經科學研究實驗室主任MarkMattson稱，當人逐漸衰老，無效線粒體數量就會逐漸增多。隨著時間推移，線粒體基因變異逐漸累積。這樣那樣的變異可能導致線粒體效率降低，消耗同等葡萄糖的產能量下降----就象能效差的汽車，同等汽油行駛路程變短。最終細胞越來越無法清除這些失效線粒體，隨著年齡增長，身體機能越來越差，這也稱為線粒體老化理論。第三十三頁，共五十七頁。線粒體是直接利用氧氣制造能量的部位，90%以上吸入體內的氧氣被線粒體消耗掉。但是，氧是個“雙刃劍”，一方面生物體利用氧分子制造能量，另一方面氧分子在被利用的過程中會產生極活潑的中間體（活性氧自由基）傷害生物體造成氧毒性。生物體就是在不斷地與氧毒性進行斗爭中求得生存和發展的，氧毒性的存在是生物體衰老的最原初的原因。線粒體利用氧分子的同時也不斷受到氧毒性的傷害，線粒體損傷超過一定限度，細胞就會衰老死亡。生物體總是不斷有新的細胞取代衰老的細胞以維持生命的延續，這就是細胞的新陳代謝。第三十四頁，共五十七頁。新陳代謝：是指生物體不斷同外界環境進行物質和能量交換的過程。生物體是一個結構和功能都嚴整有序的開放系統。它的嚴整有序性是靠不斷同外界環境進行物質和能量的交換來維持的，一旦物質和能量的交換停止，結構和系統就會解體。各種生物都有新陳代謝。

第三十五頁，共五十七頁。新陳代謝包括同化作用和異化作用。新陳代謝是一系列極其復雜的、有精確順序的酶促反應的總和。各種生物的基本代謝途徑相似，各個相應步驟所需的酶相同。各種生物都以三磷酸腺苷（ATP）為其貯能和放能的中心物質。

第三十六頁，共五十七頁。什么是同化、異化作用？同化作用：生物體從外界環境中吸取物質，并把它們建造成為自身的組成物質的過程，稱為同化作用。所以，同化反應就是能夠制造能量和有機物的反應，比如植物的光合作用中的生理反應。異化作用：生物體把自身的組成物質進行分解，并釋放能量，供給生物體生命活動的需要，這個過程稱為異化作用。所以，異化反應就是釋放能量分解有機物的反應，比如呼吸作用中的生理反應。第三十七頁，共五十七頁。

簡單說，同化作用就是把非己變成自己；異化正好相反把自己變成非己。

同化作用：消化過程，光合作用。異化作用：呼吸作用。第三十八頁，共五十七頁。一般來說同化作用和異化作用是同時進行的。同化又稱“組成代謝”，異化又稱“分解代謝”。同化和異化的關系：同化是異化的基礎，異化是同化的條件，二者是對立統一，互為前提的。第三十九頁，共五十七頁。關于同化、異化的平衡問題：若同化異化，正平衡。生物體生長。若異化同化，負平衡。生物體不能生長。若同化＝異化，生物體只能維持體重。

第四十頁，共五十七頁。1、糖類代謝食物中的糖類物質來源大部分是淀粉，此外還有少量的蔗糖、乳糖、果糖等。體內能直接利用的糖類是血液中的葡萄糖，因而稱之為血糖，人體內的血糖通常維持在0.1%左右。人體內糖類代謝。第四十一頁，共五十七頁。人體內糖類代謝可概括如下圖：第四十二頁，共五十七頁。2、脂質代謝食物中的脂質主要是脂肪，同時還含有少量的磷脂，主要是卵磷脂、腦磷脂和膽固醇。人體內脂肪代謝的過程。第四十三頁，共五十七頁。人體內脂肪代謝的過程可概括如下圖：第四十四頁，共五十七頁。3、蛋白質的代謝人體內對蛋白質的消化吸收途徑如下：第四十五頁，共五十七頁。蛋白質的代謝最終是氨基酸的代謝，其代謝過程可概括為如下圖：第四十六頁，共五十七頁。線粒體中的循環—三羧酸循環體內物質糖類、脂肪或氨基酸先通過生成的乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合生成檸檬酸(三羧酸)開始，再通過一系列氧化步驟產生CO2、NADH及FADH2，最后仍生成草酰乙酸，進行再循環，從而為細胞提供了降解乙酰基而提供產生能量的基礎。由克雷布斯(Krebs)于20世紀30年代最先提出。因此也叫克氏循環。第四十七頁，共五十七頁。三羧酸循環第四十八頁，共五十七頁。分解代謝的三個階段氧化磷酸化三羧酸循環ADP+Pi乙酰CoACoA糖原脂肪蛋白質葡萄糖甘油脂肪酸氨基酸第一階段第二階段第三階段2HCO2ATPO2H2O第四十九頁，共五十七頁。三羧酸循環是糖、脂肪和氨基酸的最終代謝通路，又是糖類、脂類、氨基酸代謝聯系的樞紐。

第五十頁，共五十七頁。尿素循環也稱鳥氨酸循環，是哺乳類動物一個生物化學過程，將含氮的代謝產物，主要是氨，轉為尿素，后者會通過腎隨尿液排出。尿素的生成場所是肝，(Hepatocyte肝細胞)。循環一部分發生在線粒體內，一部分在細胞質，過程中因此需要轉運。第五十一頁，共五十七頁。尿素循環（鳥氨酸循環）第五十二頁，共五十七頁。尿素循環（鳥氨酸循環）第五十三頁，共五十七頁。氨的去向氨對生物機體有毒，特別是高等動物的腦對氨極敏感，血中1%的氨會引起中樞神經中毒，因此，脫去的氨必須排出體外。氨中毒的機理：腦細胞的線粒體可將氨與α-酮戊二酸作用生成Glu，大量消耗α-酮戊二酸，影響TCA，同時大量消耗NADPH，產生肝昏迷。第五十四頁，共五十七頁。★氨的去向：（1）重新利用合成a.a、核酸。（2）貯存Gln，Asn高等植物將氨基氮以Gln，Asn的形式儲存在體內。（3）排出體外排氨動物：水生動物，排泄時需少量水；排尿素動物：陸生脊椎動物；排尿酸動物：鳥類、爬蟲類。