揭秘你想不到的细胞内的发电厂-线粒体
在自然界生命自然进化的神奇过程中，从单细胞到多细胞生物，从海洋脊椎类动物到陆地爬行类动物，演化到直立行走的人类，最后形成了人这一极为复杂的生命系统。
在人的进化过程中，许多***生环境中的微生物被吸纳进人类的生命系统中，变成人体的寄生物。线粒体或者叫端粒体，就是人体大多数器官细胞中的一种寄生细胞。
线粒体 或 粒体线 (mitochondrion)或者端粒体，是真核细胞内包含的一种半自主的细胞器，有双层膜组成的囊状结构；其内膜向腔内突起形成许多嵴（cristae），主要功能在于通过呼吸作用将食物分解产物中贮存的能量逐步释放出来，供应身体细胞各项活动的需要，故有“细胞动力站”（power house ro power plant）之称。
线粒体是1897年由德国学者C.本达首先命名的。Mitochondrion来源于希腊字mito（线）chondrion (颗粒)。
上图是一个胰腺细胞内的线粒体细胞，有外膜和带有深层基底皱褶的线粒体嵴，扩展成线粒体基质，线粒体细胞制造能量的化学反应就发生在线粒体嵴上。
线粒体（mitochondria）是人体细胞内最复杂的一种生物机器，同时也是最为令人惊奇的。我们原先知道线粒体与人体寿命有关，一般来说线粒体长，则寿命长，有正相关性。
现在哈佛医学院霍华德休斯研究所更多的研究发现，当线粒体功能发挥正常的时候，会给人体提供足够的能量供人体细胞消耗；当线粒体功能失常的时候，会带来连锁的神经退行性失常、糖尿病、癌症、更改免疫反应，甚至加速老化。（implicated in neurodegenerative disorders, diabetes, cancer, altered immune response, and even aging）
线粒体通过氧化碳水化合物、蛋白质和脂肪酸，制造代谢能量。在五步呼吸链的化学反应过程中，线粒体细胞器（mitochondria organelle）捕捉氧气，同葡萄糖和脂肪酸（glucose and fatty acids）一起创造复杂的有机化学物质三磷酸腺苷（ATP， adenosine triphosphate），作为燃料供应身体生命的运转。
现在认知的五步呼吸链化学反应释放能量。由电子传递体和氢的传递体组成，其中大多是带有辅基的蛋白质。这些辅基由于加入或移去电子或氢原子（电子＋质子）而进行氧化还原作用。 三羧酸循环或脂肪酸氧化提供的NADH或FAD进入呼吸链，通过电子和H+的传递最后与氧结合。当电子通过呼吸链进行传递时，能量逐步释放出来。被释放的大部分能量及时转换合成ATP，这个过程成为氧化磷酸化。
呼吸链主要组份为:①与吡啶-核苷酸连接的脱氢酶，②黄素蛋白③铁硫蛋白，④辅酶Q，⑤细胞色素（包括细胞色素a、b、c三类）。 目前认知的呼吸链组份的排列次序，有不同意见和疑问，不一定是完全正确的。
身体内的细胞在没有线粒体细胞器的帮助下通过厌氧过程的糖酵解，（anaerobic process called glycolysis）也可以制造快速方便的以糖原为基础的能量，但是效率太低。线粒体细胞器通过氧化催化反应同样的糖原，可以制造15倍的能量供人体细胞使用。
这种能量转化的优势，被认为是形成于10亿或者15亿年前。当一个单体自由生活的细菌进入一个带有细胞核的单体细胞器官，形成***生***荣的***生体的时候，就存在了。那个进入单体细胞器官核内的的细菌，就是现在的线粒体，变成了细胞核内细胞器。
这种***存关系，不仅存在于所有的动物细胞内，也包括所有的植物细胞和真菌细胞。（plants and fungi）
这种***生关系，也带来了不利因素。就像开窗带来新鲜空气，同时苍蝇蚊子和臭味也可能进来。人类的有些疾病，比如莱姆关节炎，斑疹伤寒症和衣原体感染等与此有关，称为线粒体疾病。比如四环素类抗生素（tetracyclines, antibiotics）对健康人群无害，但是对于线粒体疾病人群需要谨慎避开。
①第一例文字记载的线粒体疾病案例
1958年5月，一位30岁的瑞典妇女来到位于斯德哥尔摩附近的卡罗林斯卡罗尔夫鲁夫特诊所，（Rolf Luft），告诉医生她总是感到身体持续发热。据记载，患者告诉医生，她在7岁时开始出现这种症状，看过很多医生，但是都不明原因。
鲁夫特测量了患者体内和皮肤体温，注意到虽然虽然她不断吃东西，但是患者仍然瘦弱和不增体重。因为大量出汗带来水分流质丧失，她需要不断喝大量的水。尽管患者经常处于昏昏沉沉的状态（lethargic, basal metabolic rate）但是患者的身体基础代谢率仍然是正常人的两倍，心脏每分钟心率超过100次。
鲁夫特对患者骨骼肌活组织切片检查（biopsied skeletal muscle），发现患者细胞的线粒体嵴上存在不正常的过大和过多的线粒体细胞器聚集。
为什么患者总是感觉热？可能是因为超过正常密度和个头的线粒体细胞器，制造出更多的细胞能量，释放到身体里。
鲁夫特最后也是无计可施，不知如何下手去改善患者的线粒体疾病症状，来降低线粒体制热效率，最后只能提供冰块降温，患者随后等于是自己烧死了。
在自然界里，有一种植物臭菘（skunk cabbage）携带有一种特殊的线粒体，可以自我发热提高植物体温度30摄氏度，植物的热量可以融化周围积雪，释放出植物体内混合物来吸引传粉者来授粉。（pollinators）
②线粒体研究人员认识到，线粒体发热能力最好是中度的，既能满足身体生命细胞对能量的需要，又不至于燃烧过多让身体耗空。
也许在进化过程中存在线粒体基因和环境的互相作用，因此特定的线粒体基因突变被选择来适应特殊的环境，比如冬季的臭崧。
在2005年的一项实验室动物线粒体研究中，研究人员给一组实验动物线粒体赋予长距离奔跑能力，另一组赋予线粒体基因糖尿病、肥胖、和其它代谢疾病，在经历11代际的遗传之后，开始固定下来。11代，相当于人类的275年，只不过是进化过程中一眨眼瞬间。
在美国，因为线粒体基因突变导致的线粒体疾病，影响大约有5万病人。这种罕见疾病（orphan diseases, pathologies too rare to attract market-driven pharmaceutical cures），对病人来说是致命的，也让医生困惑不解。因为即使基因检测同样两个线粒体缺陷病人，一个可能是视力和听力障碍，神经退化，心脏肌肉疾病和难以吞咽；另一个可能仅仅是视力障碍，其它器官系统方面尚好。
因为我们身体所有的组织都有线粒体细胞，为身体细胞制造能量，一旦你的线粒体蛋白质组有缺陷（mitochondrial proteome），一些身体器官就会受到影响。
这些线粒体疾病原先称作母体遗传疾病（maternally inherited syndromes），因为线粒体DNA是排他性从母体继承得来，这推论就回溯到人类的***同母体祖先线粒体伊娃。（mitochondrial Eve）
随着基因科学发展，人们对于细胞器的基因理解越多，研究人员认为许多线粒体疾病也可以父系遗传，因为绝大多数线粒体蛋白质实际上是在细胞核被DNA 编码组成，而不是线粒体DNA。
通过研究发现，线粒体失调与多种***同疾病相关：包括糖尿病，心脏病，帕金森症和阿紫海默尔症，听力损失，和精神失常，包括抑郁。
随着线粒体研究的发展，研究人员发现线粒体除了制造能量之外还有大量的功能。
线粒体基因，作为编码构成蛋白质，是细胞内线粒体主要的功能单位。1981年线粒体基因组排序揭示有13种蛋白质（mtDNA codes for just 13 proteins），无法解释如此之多的线粒体疾病。研究人员知道线粒体可以制造超过1000多种蛋白质，这种差距如何解释？
答案被认为藏在进化历史过程中。在10亿年前，线粒体细胞进入细胞器官寄生以来，也许一些基因从线粒体中转化到了寄主的细胞里，也就是大多数DNA存在的细胞核里。这种线粒体基因组的转移，由原来的DNA版块中的16000碱基对（base pairs），玻璃只剩下精华部分。
相比较于线粒体的远祖形式和现在生存下来的近属，例如引起斑疹伤寒症的立克次氏体细菌（Rickettsia bacterium that causes typhus）拥有100万碱基对，线粒体的基因组是非常小。
结合每个细胞核中的DNA，这些古老遗传的基因制造出三分之二的线粒体蛋白质。另外三分之一，是进化过程中的原始细菌和细胞的发明创造，现在能让人体细胞里的线粒体做远祖细菌做不到的事情。
现在哈佛总医院和麻省理工学院Vamsi Mootha和他的团队，已经在2008年发布了1158个哺乳类编码蛋白质的动物线粒体基因图谱，在2015年进行更新。蛋白质总量（proteome inventory），所有细胞器、细胞、组织和器官当中的线粒体蛋白质，称为MitoCarta。线粒体和它的寄主细胞，通过钙的传递交换信息。（calcium signaling）通过追踪钙信号，可以发现一些线粒体基因疾病。
①传统线粒体研究聚焦在制造能量上，但是无法解释线粒体疾病的发病原理。虽然可以用缺乏能量，和供能不足来解释，但有些牵强。
一些发现线粒体疾病的器官，并不一定是有最高能量需求的器官。一些研究转向线粒体在管理规范细胞死亡凋零方面不可替代的作用，包括对免疫系统的作用，和细胞信号传递的作用。
10亿年前，当第一个线粒体细胞进入细胞寄主的时候，地球大气中的含氧量相当低，后来逐渐升高。一般人认为氧气是生命必须，另一方面氧气还带有腐蚀性。在生物界，氧气和它的副产品可以引起细胞氧化损害，可以导致细胞核器官老龄化。
线粒体，是氧气的消耗者。研究者推测，生物进化过程中，细胞寄主选择线粒体细菌，可能不仅仅是为了能够高效率制造能量，还同时能够更好控制氧气的副作用。
正常的基因表达支持这种观点。基因打开线粒体，同时也就打开了抗氧化程序。（antioxidant programs）这些线粒体基因通过增加线粒体数量，来调整激活抗氧化水平。比如你造辆汽车从内连六缸发动机到V8发动机，你就需要更大的催化转化器。
上图为卵巢细胞，黄色为密集分布的线粒体细胞器，细胞被激活分泌荷尔蒙。
②2009年的一项研究发现广泛使用的抗氧化维他命补充品，会干扰线粒体细胞器的这种自然抗氧化反应机制。试验中，把参与实验者分为四组：锻炼然后服用抗氧化维他命的，如维他命E；锻炼不服用抗氧化维生素的；不锻炼而且服用抗氧化维生素的；不锻炼不服用抗氧化维生素的。
几个月后，锻炼的两组比不锻炼的两组要健康一些。有趣的是，锻炼并且不服用抗氧化维生素的那一组，是身体状况变化最佳的。通过锻炼，线粒体之外的细胞也感觉到了这些刺激，因此身体调整适应到一个身体器官有益的状态。而服用抗氧化维他命，则干扰了身体细胞的这一自然适应机制。
在线粒体10亿年的进化过程中，对压力无数的适应反应使线粒体基因的突变没有杀死细胞，而是采取了一种援救反应，压力损失下的一系列线粒体化学反应去制造能量。在一些情况下，一部分细胞器和寄主细胞的过载和损伤路径，可以对细胞和整个器官提供净收益。
③另一个有趣的例子是身体的代偿机制。（overcompensation）
糖尿病人服用二甲双胍（Metformin），就会干扰身体正常的线粒体功能。服用二甲双胍后，线粒体产生能量呼吸链五步过程中的第一步遭到破坏，但是二甲双胍引起的弱抑制可以触发糖尿病人的身体适应机制。
就像人打疫苗应对病毒一样，二甲双胍引起身体的一种毒物兴奋效应，（hormesis）一种身体代偿的保护机制。有些研究者走的更远，尝试二甲双胍导致的毒物兴奋效应是不是可以延缓老化。
④2014年的线粒体基因检测研究发现，低大气含氧量浓度可以触发身体器官的一种反应可以保护亚急性坏死性脑脊髓病，（Leigh syndrome）一种中枢神经系统疾病。这种疾病可以由75个基因中的任何一个基因突变导致得病，婴幼儿在3-16个月患病会呼吸衰竭而死亡。
当研究者用实验鼠来检验线粒体疾病的时候，结果令人惊奇。一个正常的老鼠生活两年，一个有线粒体疾病的老鼠只活了55天。当Mootha的团队把空气中的氧气浓度降低11%，也就是相当于在14000英尺的高原上，研究人员发现可以从开始预防疾病。有线粒体疾病的老鼠，在氧气含量低的空气中活到了一年。
即使那些已经濒临死亡的实验鼠，通过限制氧气摄入可以重新焕发活力。Mootha称为复活效应，（the Lazarus effect）。另一方面，摄入过多的氧气，可以像毒药一样，在几天之内就把一只老鼠杀死。
低氧环境对人类也十分有益。Mootha在研究印度驻军在12000和18000英尺边境高原的军队人员的健康效应报告，与那些在平原服役的人员相比，长期高原地区服役的人员患急性感染的比例高。但是长期比较，在高原的人患糖尿病、中风、心脏病和认知缺陷的疾病病例明显降低。
人类的研究数据和实验鼠的数据，显示太多的氧气对动物身体是坏事情。所以，有的时候在医院用高压氧仓补充特殊的氧气来治疗线粒体疾病，不仅无益而且有害。有的病人在经理高压氧舱治疗后，反而加重病情或者导致死亡。过多的氧气，还可以导致线粒体衰退，与寿命缩短有关。
线粒体的数量减少与年龄老化有关，增加人们罹患帕金森病和糖尿病的概率，都是由于线粒体功能失调。老年人较少的线粒体，效率比年轻人也更低。
但是，锻炼对于无论什么年龄，可以促进线粒体数量和长度。当你的骨骼肌细胞增加线粒体后，会消除坏的影响和增加总的效率。
总起来说，锻炼和健康饮食的有益效果，会通过线粒体来发挥功能。
线粒体的研究未来前景诱人，可以发展精准线粒体医疗。（precise mitochondrial medicine）
有三个方面：第一个对抽出的血液进行分子诊断；第二个可以分析血液的代谢循环产品，由此判断线粒体功能失调的严重程度；第三个可以开发靶向治疗方案，不仅针对线粒体基因突变引起的稀少、致命的线粒体失调疾病，也包括一些普通的线粒体失调病症。
对于没有条件生活在高原地区的人来说，没准下一步还会开发出低氧治疗。