功能医学七大生理平衡之能量平衡|线粒体功能与能量代谢（上）

线粒体功能概述

线粒体是细胞内最重要的细胞器 它们对许多细胞过程是至关重要的，其中最突出的是能量的产生；另外，在程序性细胞死亡(凋亡)、细胞信号和代谢途径中也很重要。除了红细胞缺乏线粒体外，在其他几乎所有细胞中都可以发现线粒体, 每个细胞内平均有300 – 400个线粒体，更活跃的细胞如大脑、肌肉、肝细胞等有成百上千的线粒体，组成细胞质的40%。

线粒体有自己的脱氧核糖核酸(mtDNA) 这是非常独特的，有自己的基因代码，它显示非孟德尔式遗传继承模式。氧化磷酸化（OXPHOS）过程提供了大部分的细胞可以利用的能量，是细胞核和线粒体基因组之间的协调过程。【注：氧化磷酸化（OXPHOS），生物化学过程，在真核细胞的线粒体或细菌中，是物质在体内氧化时释放的能量通过呼吸链供给ADP与无机磷合成ATP的偶联反应。】

通过有氧代谢产生的绝大部分细胞能量通过OXPHOS发生 - 将来自营养素衍生底物的能量转化为ATP（细胞能量货币）中储存的能量。OXPHOS反映了包裹在线粒体内膜特殊结构中的五种呼吸酶复合物的协调作用。

两个主要反应以综合方式运作：

(1) 电子等价物转化： 通过降低电子转移的NADH和FADH2分子氧。

(2) ATP合成：是由存储为一个质子电化学梯度进行能源合成的，例如在心脏中，97%的ATP在线粒体内由OXPHOS产生，剩下的3%由糖酵解产生。

图1：线粒体内ATP生成

线粒体DNA氧化损伤

活性氧产生 OXPHOS的结果之一是活性氧的产生，包括超氧化物阴离子和羟基自由基(见图2)。活性氧在线粒体中产生，因此与核DNA比较，活性氧更容易损伤线粒体DNA，线粒体DNA损伤比率是核DNA的近20倍。线粒体DNA被活性氧损伤增加，再加上缺乏组蛋白(核DNA分子有组蛋白保护，而线粒体DNA没有)和哺乳动物的核DNA修复，导致线粒体DNA的突变速率比核DNA突变高17倍。突变过程导致线粒体能源生产下降，因此提出了衰老过程理论。

图2：线粒体活性氧的产生

线粒体和衰老

当线粒体组织和DNA损伤的累积导致线粒体能量产生(人类和动物的老化)丧失时，该阶段就会形成恶性循环。由于氧化损伤导致mtDNA突变和细胞信号通路的改变，OXPHOS效率降低，ATP产生减少。因此，能量消耗随之而来的细胞功能障碍、细胞凋亡和炎症，导致组织功能障碍、老化和退行性疾病，以及活性氧增加和细胞抗氧化剂如谷胱甘肽的消耗。

临床上，许多疾病(包括一些神经退行性疾病)与线粒体损伤有关：阿尔茨海默症、帕金森病、痴呆、自闭症、慢性疲劳综合症、心血管疾病、糖尿病和偏头痛。

图3：线粒体在人类衰老和老年退行性疾病的作用

细胞线粒体功能的评估

临床数据：目前临床检测缺乏针对线粒体功能进行评估，只是针对已知具有细胞功能障碍的综合征和病症作为线粒体功能失衡的判断，如：阿尔茨海默症、帕金森病、痴呆、自闭症、慢性疲劳综合症、心血管疾病、糖尿病和偏头痛等。

功能医学检测 目前可以通过更多功能医学实验室检测来提供更具针对性的分析，特别是关于线粒体功能，范围从微创测试到侵入性诊断程序以及基因检测。我们对现有研究的回顾已经确定，某些因素在确定线粒体健康方面具有比其他因素更高的可预测性 (见表1)。

表1：线粒体功能障碍相关的预测性因素

高度预测性

AIDS/HIV

乙肝

阿尔兹海默症

帕金森氏症

辅酶Q10缺乏

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中度预测性

动脉粥样硬化

多柔比星（阿霉素）

镉曝露

谷胱甘肽消耗

铜缺乏

汞曝露

II型糖尿病

维生素B2缺乏

低度预测性

砷曝露

狄氏剂曝露

三氯甲烷慢性曝露

铁缺乏

DDT慢性曝露

黄斑变性

• 血液检测：线粒体功能的评估包括乳酸和丙酮酸的血液水平，其反映了NADH / NAD +细胞质氧化还原状态。然而，这些检测敏感性或特异性不强，技术上具有挑战性。此外，乳酸、丙酮酸和丙氨酸分析，或运动前的碳水化合物负荷，也可以评估线粒体功能。

• 尿液有机酸分析：也被用于评估线粒体疾病，并可能检测到脂肪酸代谢受损（即β氧化）的状况。

图4：有机酸代谢——线粒体能量生成指标

• 活组织检测评估线粒体功能：成纤维细胞以及线粒体的其他形态学和生化标志，也可评估CoQ10水平。但是，选择合适的活组织至关重要；例如骨骼肌中可能不存在心脏组织缺陷。来自线粒体和核DNA的DNA检测也开始进行，尽管这些检测目前还存在许多缺点。

氧化损伤的评估 对于确定细胞和线粒体健康非常重要。 

• 脂质和DNA氧化标记：可能表明氧化应激水平和对保护性物质的需求。例如，8-羟基-脱氧鸟苷已被用作DNA的内源性氧化损伤的标志物，以及包括癌症在内的许多疾病的风险因子。 同样，硫代巴比妥酸（TBA）测定法可以测量脂质过氧化终产物丙二醛（MDA）。

未完待续，请继续关注下期：功能医学七大生理平衡之能量平衡——线粒体功能与能量代谢（下）

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