相關(guān)論壇
作者：徐輝魏曉東歐芹張濤張鵬霞王景濤
作者單位：佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生化教研室，黑龍江，佳木斯，154007
佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院解剖教研室，黑龍江，佳木斯，154007
刊名：黑龍江醫(yī)藥科學(xué)2003，26(6)
作者簡介：徐輝(1978～)男，黑龍江佳木新人，2001級碩士研究生。
摘要：
線粒體被視為細(xì)胞的動力工廠，人體所需的能量ATP是由線粒體通過氧化磷酸化提供的，合成ATP的基礎(chǔ)是形成質(zhì)子梯度。有關(guān)其形成機制，目前被普遍接受的是Mitchell創(chuàng)立的化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis)。在線粒體生成能量的過程中，人們發(fā)現(xiàn)電子和質(zhì)子在不同部位會有漏出現(xiàn)象，于是產(chǎn)生了電子漏和質(zhì)子漏的概念，圍繞這一點人們做了大量研究，而關(guān)于電子漏、質(zhì)子漏在運動和衰老進程中的產(chǎn)生、作用和之間的聯(lián)系成為研究熱點之一。以下是對有關(guān)這一問題的研究近況予以介紹。
線粒體被視為細(xì)胞的動力工廠，人體所需的能量ATP是由線粒體通過氧化磷酸化提供的，合成ATP的基礎(chǔ)是形成質(zhì)子梯度。有關(guān)其形成機制，目前被普遍接受的是Mitchell創(chuàng)立的化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis)。在線粒體生成能量的過程中，人們發(fā)現(xiàn)電子和質(zhì)子在不同部位會有漏出現(xiàn)象，于是產(chǎn)生了電子漏和質(zhì)子漏的概念，圍繞這一點人們做了大量研究，而關(guān)于電子漏、質(zhì)子漏在運動和衰老進程中的產(chǎn)生、作用和之間的聯(lián)系成為研究熱點之一。以下是對有關(guān)這一問題的研究近況予以介紹。
1線粒體的電子漏和質(zhì)子漏
1．1線粒體的電子漏
在線粒體呼吸鏈中，線粒體電子傳遞鏈漏出少量的電子與氧直接結(jié)合形成超氧自由基(superoxide radical，O2-·)的現(xiàn)象稱為線粒體的電子漏(electron leak)。由電子漏產(chǎn)生的O2-·可以進一步生成活性氧(ROS)。線粒體的電子傳遞鏈?zhǔn)菣C體活性氧產(chǎn)生的主要部位，而活性氧的前體是O2-·和H2O2，它們的產(chǎn)生部位是在呼吸鏈的底物端。Xu等認(rèn)為，呼吸鏈底物端漏電生成的O2-·會以三種途徑代謝掉：
①與H+加成產(chǎn)生HOO·自由基，后者進入膜與不飽和脂肪酸中的雙丙烯氫原子反應(yīng)生熱；
②歧化產(chǎn)生H2O2，后者再被細(xì)胞色素c漏出的電子還原為H2O；
③直接被細(xì)胞色素c氧化。
事實上，線粒體的呼吸鏈?zhǔn)且噪娮觽鬟f的方式進行能量代謝，以電子漏的方式進行超氧自由基代謝，線粒體中氧自由基水平是呼吸鏈底物端和氧端電子漏動態(tài)平衡的結(jié)果。線粒體內(nèi)膜呼吸鏈上復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ被認(rèn)為是電子漏產(chǎn)生的主要部位，復(fù)合物Ⅰ的黃素蛋白和復(fù)合物-的細(xì)胞色素b566與O2-·的產(chǎn)生有關(guān)，也證明了這點。徐建興認(rèn)為細(xì)胞色素c處也存在一個電子漏，這個電子漏可能起到生理上清除O2-·和H2O2的作用。
1．2線粒體的質(zhì)子漏
當(dāng)電子從氧化底物傳到分子氧生成H2O的過程中，伴有H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)跨膜泵至胞漿側(cè)，會發(fā)生質(zhì)子通過膜脂雙層擴散回漏的現(xiàn)象，質(zhì)子不通過ATP合成酶復(fù)合體進行ATP合成，而直接通過線粒體內(nèi)膜回到基質(zhì)的過程稱為質(zhì)子漏，其結(jié)果導(dǎo)致貯存在質(zhì)子電化學(xué)勢能中的自由能消耗。當(dāng)Mitchell化學(xué)滲透學(xué)說獲得諾貝爾獎時，Nicholls就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并提出質(zhì)子漏假說來解釋ATP生成的數(shù)量小于Mitchell跨膜質(zhì)子驅(qū)動力應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)化為ATP的量。ATP的合成要靠呼吸鏈不斷供給質(zhì)子以維持一個強大的電化學(xué)質(zhì)子梯度，并經(jīng)線粒體的ATP合成酶的作用將能量轉(zhuǎn)換用于合成ATP，而質(zhì)子漏的大小直接影響到ATP合酶的活性及ATP的生成量。有人提出氫鍵鏈模型、電擊穿模型、質(zhì)子移位體理論等來解釋質(zhì)子漏的機制，此外，解偶聯(lián)蛋白也與質(zhì)子漏有關(guān)。劉樹森等提出，線粒體態(tài)4呼吸中的電子漏產(chǎn)生超氧陰離子可能作為內(nèi)源性載體，即電子漏引起質(zhì)子漏，他們認(rèn)為電子漏產(chǎn)生的O2-·可能與膜表面的高能H+形成HO2·的跨膜轉(zhuǎn)運而引起的線粒體質(zhì)子漏，因而具有內(nèi)源質(zhì)子載體的作用。
質(zhì)子漏有一定的生理意義，質(zhì)子漏的發(fā)生使貯存于質(zhì)子電化學(xué)勢能中的自由能以熱的形式釋放，這可能對機體的產(chǎn)熱、保持體溫、維持基礎(chǔ)代謝有重要意義。Brand認(rèn)為，內(nèi)臟產(chǎn)生的熱可能是來源于其線粒體伴隨氧化磷酸化過程中的質(zhì)子回漏。此外，線粒體在活性氧防御中通過解偶聯(lián)作用使線粒體內(nèi)膜質(zhì)子漏增加，跨膜電位降低，刺激O2的消耗，緩解O2-·的產(chǎn)生。
2運動進程中的電子漏和質(zhì)子漏
運動實驗研究表明，動物在遞增負(fù)荷運動中，線粒體ROS生成增加。聶金雷等證明，在運動中線粒體電子傳遞與質(zhì)子泵出比值(H+/2e)提高所建立的高質(zhì)子電化學(xué)勢能(ΔμH+)和跨膜電位差(ΔΨ)與線粒體ROS生成呈正相關(guān)，可以推斷，此時線粒體的電子漏增加，這與離體實驗得出的高ΔΨ時電子漏明顯增加，高ΔΨ是產(chǎn)生O2-·的物理條件的結(jié)果是一致的。有關(guān)此現(xiàn)象的解釋，他們認(rèn)為；隨著電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)移，膜電位不斷增高。當(dāng)ΔΨ達到一定高電位時，就會有兩個障礙增加電子傳遞的阻力：
①氧化還原勢能的改變。膜電位達到一定高電位后．細(xì)胞色素b566的中點電位會被升高，從而導(dǎo)致細(xì)胞色素b566與b562之間的電子傳遞方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，使b566還原半醌(QH·)，使QH·的生存期延長，如果聚于b566或QH·上的電子不能被轉(zhuǎn)移開的話，必將導(dǎo)致呼吸控制，因此從b566或QH·上漏出的電子在此時便成為緩沖由于高膜電位所造成的呼吸控制所必須的條件。
②膜表面正電效應(yīng)。由于質(zhì)子的轉(zhuǎn)移使內(nèi)膜外表面正電荷增多，因此在膜能化到一定程度后，膜表面的正電荷會對接近膜表面的b566或QH·所帶有的負(fù)電荷產(chǎn)生較強的引力，從而使b566的電子不向b562上傳遞。上述兩個障礙使QH·濃度增加．自氧化而產(chǎn)生的電子漏增加，進而ROS增加。
研究證實，態(tài)4呼吸受跨線粒體內(nèi)膜質(zhì)子漏控制。態(tài)4呼吸主要靠質(zhì)子漏維持，態(tài)4呼吸速率增加表明線粒體質(zhì)子漏增加。聶金雷等報道ROS生成與態(tài)4呼吸速率存在正相關(guān)，提示伴隨著線粒體ROS的生成增加，質(zhì)子漏也會增加。時慶德的實驗以及聶金雷的實驗先后證明了劉樹森提出的電子漏引起質(zhì)子漏的觀點。由于O2-·是一種既能接受電子(氧化性)，又能供給電子(還原性)的自由基，可以發(fā)生自身歧化反應(yīng)，生成H2O2，同時又兼具堿性，可以接受H+形成氫過氧基(HO2·)，后者因為可以解離釋放H+，又具酸的作用。O2-·與H+相互作用時可以與HO2·←→O2-·十H+反應(yīng)相平衡，其PKα=4．8，因此在酸性條件下，HO2·生成量增加。HO2·比O2-·具有更強的還原性和氧化性，同時它的歧化反應(yīng)常效也比O2-·歧化反應(yīng)常數(shù)大，因此，在線粒體態(tài)4呼吸時或在運動性疲勞狀態(tài)下，由于代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)，O2-·易生成質(zhì)子化的HO2·，容易通過膜，可能是O2-·引起質(zhì)子漏的原因之一。此外，運動進程中電子漏引起自由基生成增多，后者引發(fā)的脂質(zhì)過氧化，膜通透性升高；線粒體Ca2+反常損傷線粒體膜，如Ca2+可激活磷脂酶A2(PLA2)，改變膜通透性，以及體溫升高；激活解偶聯(lián)蛋白等因素可能也會引起線粒體質(zhì)子漏增加。
3衰老進程中的電子漏和質(zhì)子漏
機體在正常情況下，線粒體存在電子漏和質(zhì)子漏，這在一定程度上對維持機體正常生理機能有一定作用，之所以沒有對機體產(chǎn)生明顯影響是因為機體對電子漏、質(zhì)子漏有一整套的代謝途徑和防御機制。一旦這些防御機制的作用減弱或喪失，由此會使活性氧和自由基增加以及電子漏、質(zhì)子漏增加。在衰老狀態(tài)下，機體抗氧化劑和自由基清除酶類數(shù)量和活性呈下降趨勢，導(dǎo)致線粒體內(nèi)活性氧和自由基清除受阻，造成對線粒體的氧化脅迫。大量實驗表明，衰老時線粒體體積明顯增大，變性易見，線粒體膜電位降低。脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物堆積，線粒體DNA缺失加重，呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ及Ⅳ等活性下降，ATP合成下降?？梢?，由于衰老時活性氧和自由基的增加導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)功能的改變，復(fù)合物Ⅳ的活性下降引起復(fù)合物Ⅲ還原態(tài)較高，易產(chǎn)生自身氧化，導(dǎo)致呼吸鏈電子漏增加。此外，衰老時線粒體電子傳遞鏈功能下降，電子傳遞受阻，使電子漏增加，電子漏的增加必然導(dǎo)致自由基的增加，而衰老進程中線粒體清除自由基能力下降，使自由基對線粒體的損傷加重，進一步導(dǎo)致線粒體電子漏的增加，形成衰老過程中的惡性循環(huán)。
實驗表明，老年鼠線粒體態(tài)4呼吸速度(R4)增快，說明衰老時線粒體質(zhì)子漏增加。劉樹森提出的電子漏引起質(zhì)子漏可能是衰老進程中質(zhì)子漏增加的機制之一。但由于衰老時線粒體受ROS攻擊，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)功能的變化，可以推測，線粒體自由基損傷線粒體內(nèi)膜可能是導(dǎo)致質(zhì)子漏加大的主要原因。此外，實驗證實，衰老時細(xì)胞鈣泵活性隨年齡增加而顯著降低，胞內(nèi)鈣增高，會影響線粒體鈣代謝，進而增大質(zhì)子漏。
4線粒體電子傳遞與質(zhì)子泵出比值(H+/2e)與電子漏、質(zhì)子漏的關(guān)系
運動學(xué)實驗研究表明線粒體電子漏、質(zhì)子漏參與運動性內(nèi)源ROS生成及代謝，線粒體ROS的生成與高質(zhì)子電化學(xué)勢能(ΔμH+)有關(guān)，線粒體電子傳遞與質(zhì)子泵出比值(H+/2e)是底物的氧化還原勢能(Δh)轉(zhuǎn)化為ΔμH+的能量偶聯(lián)量度，是反映電子傳遞與質(zhì)子泵出偶聯(lián)程度的重要參數(shù)。聶金雷等證明在動物急性運動時由H+/2e提高所建立的高ΔμH+可能直接貢獻于線粒體ROS的生成，表明H+/2e與電子漏有關(guān)。H+/2e的提高是由于運動應(yīng)激。能量需求增加，建立高ΔμH+，使ATP合成增加，但H+/2e的變化導(dǎo)致電子漏增加，進而ROS、質(zhì)子漏增加，持續(xù)的結(jié)果是ROS增加會損傷線粒體，氧自由基及脂質(zhì)過氧化作用會影響線粒體內(nèi)膜復(fù)合體功能，導(dǎo)致H+/2e下降。張勇等報道力竭性運動后大鼠線粒體H+/2e顯著下降，O2-·顯著增加，線粒體電子漏生成增多。H+/2e的下降與“Redox slip”(脫偶)和H+leak(H+回漏)有關(guān)?？梢酝茰y，運動中H+/2e的升高有助于提供更多的ATP，但急性運動同時會使電子漏、質(zhì)子漏和ROS升高，進一步發(fā)展。由于電子漏、質(zhì)子漏的不斷增加以及ROS對線粒體的損傷作用，使H+/2e下降，呼吸鏈能量轉(zhuǎn)換脫偶，進而ATP生成下降，導(dǎo)致力竭狀態(tài)。
在運動進程中，H+/2e反映了能量偶聯(lián)量度，它與線粒體電子漏，質(zhì)子漏相互作用有密切的聯(lián)系，通過對H+/2e的測定可以反映出線粒體的電子漏、質(zhì)子漏、ROS對線粒體能量偶聯(lián)程度的影響．但有關(guān)衰老進程中的H+/2e的變化尚未被證實，可以從衰老的一系列特征性變化推測，衰老進程中線粒體電子漏、質(zhì)子漏的增加也會導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換脫偶，使H+/2e下降，其實驗依據(jù)有待于進一步研究。
5電子漏、質(zhì)子漏在運動與衰老進程中的區(qū)別和聯(lián)系
在衰老進程和運動進程中線粒體都會出現(xiàn)電子漏和質(zhì)子漏增加，但二者是有區(qū)別的。一來，二者電子漏、質(zhì)子漏產(chǎn)生方式不同。在運動進程中，電子漏的產(chǎn)生是由于疲勞性運動使線粒體H+/2e提高建立高Δμ-H+，隨著電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)移，電子漏加大；質(zhì)子漏的加大被認(rèn)為主要是電子漏生成的O2-·作為內(nèi)源質(zhì)子轉(zhuǎn)運體造成。而在衰老進程中，伴隨著機體的衰老，抗氧化作用減低，氧化損傷在組織，尤其是組織細(xì)胞的線粒體中不斷積累導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)功能變化，呼吸鏈復(fù)合物活性的下降，使電子傳遞受阻，這是導(dǎo)致電子漏增加的主要原因；電子漏的加大使自由基增加，加重?fù)p傷線粒體內(nèi)膜，使線粒體內(nèi)膜出現(xiàn)質(zhì)子漏，此外，Ca2+濃度的失調(diào)也會導(dǎo)致質(zhì)子漏加大。當(dāng)然，在衰老進程中可能存在與運動進程中相似的電子漏引起質(zhì)子漏的情況，同樣，衰老進程中電子漏引起ROS增加損傷線粒體，導(dǎo)致質(zhì)子漏增大也可能存在于運動進程中。其次，二者電子漏、質(zhì)子漏作用結(jié)果不同。衰老時，線粒體的抗氧化防御機制減弱是主要因素，自由基的增加，導(dǎo)致電子漏、質(zhì)子漏加大，形成有害產(chǎn)物的積累；在運動進程中運動產(chǎn)生的電子漏，質(zhì)子漏由于活性氧循環(huán)、Q循環(huán)、質(zhì)子循環(huán)并存，使得運動時線粒體的產(chǎn)物形成一個生成及代謝的循環(huán)，加之，運動時提高線粒體的抗氧化能力，適量的運動不會使有害產(chǎn)物產(chǎn)生積累。但是，如果過急、過量的運動，則會導(dǎo)致電子漏、質(zhì)子漏持續(xù)加大，運動性內(nèi)源ROS生成過多，過度訓(xùn)練甚至?xí)?dǎo)致線粒體抗氧化能力下降。電子漏、質(zhì)子漏的加大同樣會使H+/2e下降，氧化磷酸化脫偶，ATP生成下降。在衰老狀態(tài)下的運動也是適量運動有利于機體，過量運動有相反作用。
有關(guān)運動對衰老的影響，近年來做了大量研究，對動物的有氧耐力訓(xùn)練表明，有氧運動訓(xùn)練可明顯提高線粒體呼吸鏈酶活性，恢復(fù)線粒體的氧化磷酸化能力，提高衰老機體的抗氧化防御能力以及運動適應(yīng)性。因此適量運動具有一定抗衰老作用，而且有利于清除運動中產(chǎn)生的內(nèi)源性ROS。
總之，運動和衰老進程中線粒體都會出現(xiàn)電子漏和質(zhì)子漏加大，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系，更明顯的區(qū)別是前者生成和代謝是循環(huán)的，后者導(dǎo)致有害物質(zhì)的累加。如果運動一旦過急、過量也同樣使循環(huán)打破產(chǎn)生有害影響。從這方面反映出適量運動有利于機體抗衰老，而過度運動則不利于機體健康。所以從線粒體角度對運動與衰老進程二者聯(lián)系的進一步研究，將有助于揭示運動做為延緩衰老有效手段的確切作用機制。