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线粒体能量代谢与疾病关联机制的研究进展

本文通过梳理近年来线粒体能量代谢障碍的相关文献，发现线粒体内部构象

改变、活性氧自由基增多、线粒体的代谢紊乱是导致线粒体能量代谢障碍的主要

病理基础，进而表现出多种临床线粒体疾病，且中医药在防治方面存在明显优势，

由此推测线粒体能量代谢与临床线粒体疾病间的关联机制应做为中医临床干预

此类疾病的突破口，为深入线粒体能量代谢机制的研究和中医临床防治线粒体疾

病的诊疗提供参考。

标签：线粒体；能量代谢；线粒体代谢；活性氧自由基；关联机制

线粒体病主要发生在高能量消耗的组织和器官，如心脏、骨骼肌、脑、胰腺

等，主要有线粒体肌病和脑肌病、线粒体糖尿病、老年性痴呆、帕金森病等。而

线粒体是细胞的动力工厂，在ATP的整个生成过程中，除糖酵解在细胞质中进

行，其余的生物氧化过程均在线粒体发生。线粒体的能量代谢过程受多因素调控，

线粒体的生成同样受某些关键因子的监管。若线粒体能量代谢失去监管，导致其

功能和数目的异常，则会引起相关的线粒体能量代谢性疾病[1]。

1ATP生成过程病变导致能量代谢障碍

细胞呼吸是能量产生的主要方式，线粒体内膜是氧化偶联磷酸化的主要部

位。线粒体糖尿病的发生主要为氧化磷酸化功能障碍，导致ATP产生不足，不

能通过ATP依赖型K+通道机制兴奋胰岛B细胞，从而引起胰岛素分泌异常。此

外，Hojlund等也在2型糖尿病患者肌肉组织中发现，ATP合酶β亚基有显著下

降，进而提出ATP合成酶β亚基可作为糖尿病的生物标记物[2]。

线粒体呼吸链异常也会影响细胞的氧化呼吸，导致ATP代谢的异常。有研

究发现补铁可提高大鼠心肌线粒体呼吸链功能及机体有氧工作能力[3]。而高原

低氧可抑制大鼠胃肠线粒体呼吸链组分的酶活性，并在研究中指出该效应可能与

低氧的直接作用和由此引起的氧化应激损伤有关[4]。而早期常压高氧治疗能通

过保护线粒体结构和功能从而抑制缺血半影区的细胞凋亡，以促进大鼠脑外伤后

的神经功能的恢复[5]。在人体中，心肌线粒体的主要功能是为心肌的收缩和舒

张活动提供所需能量，这主要是由线粒体的呼吸功能完成的。但随年龄增长，线

粒体通透性转换孔开放可能通过降低线粒体膜电位抑制线粒体呼吸功能，从而造

成心功能减退[6]。在另一研究中指出，外源性硫化氢（H2S）明显改善急性缺血

损伤心肌功能的机制，可能与降低线粒体脂质过氧化物水平，保护线粒体结构及

功能有关[7]。

综上可知，氧化磷酸化功能异常、呼吸链异常等ATP的生成环节及相关酶

学改变、mtDNA突变等ATP能量代谢的参与调控异常均能引起线粒体能量代谢

障碍。针对其不同过程中的代谢障碍，对其研究有助于明确诊断疾病，改善心肌

功能，促进神经损伤的修复，延缓衰老等。

2氧化应激所致的活性氧自由基（RO）过饱和导致能量代谢障碍

氧化应激是引起线粒体功能障碍的主要原因，大量活性氧自由基造成线粒体

膜脂质过氧化、蛋白质消化，损伤线粒体DNA、线粒体膜结构和电子传递链酶

复合物，使氧化磷酸化减弱或不能进行，ATP产生迅速减少，触发进一步的线粒

体损伤。在治疗上，大多数药物不能穿过其双层膜到达线粒体内部发挥作用，而

MitoQ作为一种新型的有潜力的线粒体靶向抗氧化剂，有关其靶向作用机制和病

理学作用仍有很多矛盾和不清楚的地方，需要做进一步的深入研究[8]，但亦有

研究表明孕酮能保持线粒体活性均衡，降RO产量，可能有利于体外受精率

和胚胎质量的提高[9]。此外，研究表明谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-px）可以消

除机体内的过氧化氢及脂质过氧化物[10]，阻断活性氧自由基对机体的进一步损

伤。如果细胞长期暴露在缺氧环境中，则会减少RO，进而激活缺氧诱导因子

（HIF-1），阻碍氧化磷酸化作用，使ATP合成降低从而导致细胞死亡[11]，因此

提高心肌细胞线粒体的氧化代谢水平对治疗心脏衰竭有广阔的前景[12]。研究报

道，选择性线粒体分裂抑制剂，如Mdivi-1能有效抑制大鼠急性脊髓损伤（ASCI）

后线粒体分裂和线粒体膜电位（MMP）降低，增加线粒体中ATP的合成，从而

保护了线粒体功能[13]。

总之，氧化应激是改善损伤后线粒体的治疗难点，其研究尚不够深入，且无

特效药物。

3中医药干预线粒体疾病的优势

酶学的改变可直接影响能量的