风靡世界的好莱坞大片《变形金刚》中，希亚·拉博夫饰演的山姆·维特维奇发现了寻找“火种源”的地图，而汽车人和霸天虎则为了夺取“火种源”，爆发了正义与邪恶之战。电影中，“火种源”即是变形金刚火种的来源也是其能量之源，它的毁灭也意味着变形金刚将不复存在。同样，存在于细胞内的线粒体，也是人类生命的能量之源。线粒体是细胞内的能量工厂，以ATP的形式供给生命所需的能量。数量极其庞大的线粒体构成了包括人类在内的生命的发电机，保障了细胞、组织和器官等多层次生命活动的有序进行。同时，线粒体结构和功能的异常也会导致多种衰老相关的退行性和代谢性疾病。本期“醉心科学”科普团队将和大家一起揭开线粒体调控人类健康与衰老的神秘面纱。

　　撰文

　　鹏泽、若通

　　电影《变形金刚》剧照

线粒体的发现之旅

线粒体由双层膜构成，其内膜经过折叠形成为表面积极大的内膜系统。同时，线粒体内含有环化DNA及独立于细胞核的RNA转录与蛋白质翻译系统，因此线粒体的起源，是一个长期争议的生物学问题。

　　线粒体科幻图

关于线粒体的起源，目前主要有两种不同的观点：分化学说和内共生学说。分化学说认为真核细胞的前身是一种进化上比较高等的好氧细菌，为了满足呼吸的需要，细菌细胞膜开始内陷和分化，并将基因组包裹在双层膜结构中，最终形成了线粒体的雏形。后来进一步进行了分化，形成了具有能量代谢功能的细胞器。与之相反，目前广受支持的内共生学说则认为在十几亿年前，有一种具有吞噬能力的原始真核细胞，先后吞噬了几种原核生物，这些被吞噬的细菌并没有被消化分解，而是在原始真核细胞中生存了下来，最终经过长时间的进化，最终成为宿主细胞内负责能量代谢的细胞器。

　　线粒体内共生假说示意图

随着光学显微镜和电子显微镜等研究工具的出现和发展，人们对线粒体的认识也在逐渐深入。1857年，瑞士解剖学家及生理学家Albert Koelliker首先在肌肉细胞的细胞质中发现了一种颗粒状结构。1897年，德国科学家Carl Benda观察到这些“颗粒结构”时而呈线状，时而呈颗粒状，因此用希腊语中“线”和“颗粒”对应的两个单词“mitos”和“chondros”，组成“mitochondrion”来命名这种结构，从此这个名称便被一直沿用至今。由于线粒体对于细胞的生理功能至关重要，因此对于线粒体的每一次研究突破都会备受关注，同时也涌现了众多的诺贝尔奖获得者。例如，Otto Heinrich Warburg测定了一氧化碳对呼吸的抑制由光照射而又恢复的作用光谱，发现与氧直接反应的酶是呼吸酶，也就是现在的细胞色素氧化酶。Warburg因为“发现呼吸酶的性质及作用方式”于1931年被授予诺贝尔生理学或医学奖。Hans Adolf Krebs因发现三羧酸循环，揭示了生物体内糖经酵解途径变为三碳物质后，进一步氧化为二氧化碳和水的途径以及代谢能的主要来源。这一发现被公认为代谢研究的里程碑，以他的名字命名为克氏循环（Krebs cycle），并获得了1953年的诺贝尔生理学或医学奖。

　　Albert Koelliker，Carl Benda，Otto Heinrich Warburg，Hans Adolf Krebs（从左至右）

　　线粒体与衰老研究的代表性事件

线粒体与人类疾病

随着线粒体相关研究的不断深入，人们逐渐认识到线粒体异常会影响整个细胞的正常功能，并且与人的疾病密切相关。许多研究表明，一些常见的衰老性疾病（如帕金森氏症、阿尔兹海默病、糖尿病、肿瘤）以及Leigh综合征和Leber视神经病变等罕见遗传疾病的发生发展均与线粒体功能的异常有关。线粒体功能异常既是疾病的诱因，同时也是疾病发病的早期征兆。