线粒体非常活跃，会不断的进行分裂和融合，两者的平衡决定着线粒体的形态。线粒体根据细胞所处的状态，可以以融合的管状网络形式存在，也可以以碎片状的颗粒形式存在。线粒体的形态能够影响线粒体自噬，调控细胞凋亡过程。许多研究表明，癌细胞中线粒体分裂和融合活动会失去平衡，通常分裂活动增加，融合活动减弱，导致癌细胞内线粒体处于碎片化状态。如果通过实验手段使线粒体恢复成为融合状态，会给癌细胞的生长造成损害，说明线粒体分裂和融合平衡的改变对于肿瘤发生非常重要。

　　图2，线粒体和肿瘤发生的时期（图片来源：Cell (2016)166:555）

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　　线粒体与细胞凋亡和氧化应激

　　逃避细胞凋亡是癌细胞的一个重要特征。癌细胞对于细胞凋亡刺激信号的敏感度，直接影响到癌症治疗的效果，而线粒体直接参与细胞凋亡过程。细胞凋亡过程中，线粒体外膜会形成小孔，从而使得线粒体内的细胞色素C通过小孔释放到细胞质中，激活凋亡蛋白酶，启动细胞凋亡程序。这一过程受到细胞凋亡促进和抑制蛋白因子两个方面的调控。

　　线粒体的形状也和细胞凋亡相关。线粒体分裂和融合的重塑过程能够影响细胞色素C 的释放以及凋亡的发生，线粒体高度片段化会导致细胞产生对凋亡刺激信号的抵抗作用。因此，尽管线粒体的分裂和融合并不直接调控细胞凋亡本身，但二者的平衡有可能通过影响线粒体的形状而间接对细胞凋亡过程产生影响。

　　活性氧（ROS）是生物体内一些氧化反应中形成的氧自由基，主要以过氧化物、氢氧自由基和过氧化氢的形式存在，而线粒体是细胞产生 ROS 的主要场所。许多生理反应，包括电子传递链的电子传递过程和 NAD(P)H 氧化酶的催化反应都会产生 ROS。高浓度的 ROS 会引起诸如脂类、蛋白质和核酸等大分子的氧化，造成基因组的不稳定，促进细胞癌变。为了防止高浓度 ROS 对细胞造成的损害，癌细胞增强了自身的保护性抗氧化通路的活性。因此，成功的癌细胞能够维持 ROS 和抗氧化剂的平衡，使得细胞中 ROS 保持在一定的水平，既不会太高引起细胞毒性，也不会太低保证能够促进细胞的增殖。利用肿瘤细胞的这个特点，使用还原型谷胱甘肽和硫氧还蛋白通路抑制剂联合治疗在乳腺癌模型上有着比较满意的效果。

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　　线粒体与癌细胞代谢

　　细胞在癌变的过程中，需要对细胞内的物质和能量代谢进行重新“编程”，以满足癌细胞内生物大分子的合成和能量代谢的需求。线粒体是细胞内代谢反应的枢纽，通过不同的机制来推动这种重编程的实现，使得癌细胞在糖代谢、氨基酸代谢和脂肪代谢等各个方面都发生变化，以适应癌细胞快速生长的需要。

　　糖代谢：许多癌细胞将糖酵解中间产物转移到戊糖磷酸途径、丝氨酸合成途径、脂质合成途径，而不像正常细胞的线粒体一样会通过呼吸作用完全氧化成二氧化碳。在某些癌细胞中，线粒体通过限制丙酮酸的利用，使上游的糖酵解产物积累，并用于合成代谢。另外，在许多癌细胞中，线粒体丙酮酸转运蛋白或者消失，或者被抑制，从而激发三羧酸循环的氧化补偿通路。

　　氨基酸代谢：氨基酸代谢过程中，谷氨酰胺是三羧酸循环氧化的底物，是大分子合成的起始材料。氨基酸和核苷酸合成过程利用谷氨酰胺的酰胺态氮，谷胱甘肽、氨基酸和脂质合成则利用谷氨酰胺派生的碳骨架。在许多癌细胞中，谷氨酰胺的消耗增加，肿瘤细胞的生长加快。