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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(dòng)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(jī)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(huì)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(diǎn)人們做了大量研究，而關(guān)于電子漏、質(zhì)子漏在運(yùn)動(dòng)和衰老進(jìn)程中的產(chǎn)生、作用和之間的聯(lián)系成為研究熱點(diǎn)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(dòng)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(jī)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(huì)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(diǎn)人們做了大量研究，而關(guān)于電子漏、質(zhì)子漏在運(yùn)動(dòng)和衰老進(jìn)程中的產(chǎn)生、作用和之間的聯(lián)系成為研究熱點(diǎn)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(jìn)一步生成活性氧(ROS)。線粒體的電子傳遞鏈?zhǔn)菣C(jī)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(huì)以三種途徑代謝掉：
①與H+加成產(chǎn)生HOO·自由基，后者進(jìn)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(shí)上，線粒體的呼吸鏈?zhǔn)且噪娮觽鬟f的方式進(jìn)行能量代謝，以電子漏的方式進(jìn)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(dòng)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(diǎn)。徐建興認(rèn)為細(xì)胞色素c處也存在一個(gè)電子漏，這個(gè)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(huì)發(fā)生質(zhì)子通過膜脂雙層擴(kuò)散回漏的現(xiàn)象，質(zhì)子不通過ATP合成酶復(fù)合體進(jìn)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(jiǎng)時(shí)，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(dòng)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(gè)強(qiáng)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(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)動(dòng)進(jìn)程中的電子漏和質(zhì)子漏
運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究表明，動(dòng)物在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中，線粒體ROS生成增加。聶金雷等證明，在運(yùn)動(dòng)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(shí)線粒體的電子漏增加，這與離體實(shí)驗(yàn)得出的高ΔΨ時(shí)電子漏明顯增加，高ΔΨ是產(chǎn)生O2-·的物理?xiàng)l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(dá)到一定高電位時(shí)，就會(huì)有兩個(gè)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(dá)到一定高電位后．細(xì)胞色素b566的中點(diǎn)電位會(huì)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(shí)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(huì)對接近膜表面的b566或QH·所帶有的負(fù)電荷產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，從而使b566的電子不向b562上傳遞。上述兩個(gè)障礙使QH·濃度增加．自氧化而產(chǎn)生的電子漏增加，進(jìn)而ROS增加。
研究證實(shí)，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(bào)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(huì)增加。時(shí)慶德的實(shí)驗(yàn)以及聶金雷的實(shí)驗(yàn)先后證明了劉樹森提出的電子漏引起質(zhì)子漏的觀點(diǎn)。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(shí)又兼具堿性，可以接受H+形成氫過氧基(HO2·)，后者因?yàn)榭梢越怆x釋放H+，又具酸的作用。O2-·與H+相互作用時(shí)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(qiáng)的還原性和氧化性，同時(shí)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(shí)或在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)進(jìn)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(huì)引起線粒體質(zhì)子漏增加。
3衰老進(jìn)程中的電子漏和質(zhì)子漏
機(jī)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(jī)體正常生理機(jī)能有一定作用，之所以沒有對機(jī)體產(chǎn)生明顯影響是因?yàn)闄C(jī)體對電子漏、質(zhì)子漏有一整套的代謝途徑和防御機(jī)制。一旦這些防御機(jī)制的作用減弱或喪失，由此會(huì)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(jī)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(shí)驗(yàn)表明，衰老時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)表明，老年鼠線粒體態(tài)4呼吸速度(R4)增快，說明衰老時(shí)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(jìn)程中質(zhì)子漏增加的機(jī)制之一。但由于衰老時(shí)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，衰老時(shí)細(xì)胞鈣泵活性隨年齡增加而顯著降低，胞內(nèi)鈣增高，會(huì)影響線粒體鈣代謝，進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明線粒體電子漏、質(zhì)子漏參與運(yùn)動(dòng)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(dòng)物急性運(yùn)動(dòng)時(shí)由H+/2e提高所建立的高ΔμH+可能直接貢獻(xiàn)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(yùn)動(dòng)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(jìn)而ROS、質(zhì)子漏增加，持續(xù)的結(jié)果是ROS增加會(huì)損傷線粒體，氧自由基及脂質(zhì)過氧化作用會(huì)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(bào)道力竭性運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中H+/2e的升高有助于提供更多的ATP，但急性運(yùn)動(dòng)同時(shí)會(huì)使電子漏、質(zhì)子漏和ROS升高，進(jìn)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(jìn)而ATP生成下降，導(dǎo)致力竭狀態(tài)。
在運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(jìn)程中的H+/2e的變化尚未被證實(shí)，可以從衰老的一系列特征性變化推測，衰老進(jìn)程中線粒體電子漏、質(zhì)子漏的增加也會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換脫偶，使H+/2e下降，其實(shí)驗(yàn)依據(jù)有待于進(jìn)一步研究。
5電子漏、質(zhì)子漏在運(yùn)動(dòng)與衰老進(jìn)程中的區(qū)別和聯(lián)系
在衰老進(jìn)程和運(yùn)動(dòng)進(jìn)程中線粒體都會(huì)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(yùn)動(dòng)進(jìn)程中，電子漏的產(chǎn)生是由于疲勞性運(yùn)動(dòng)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(yùn)體造成。而在衰老進(jìn)程中，伴隨著機(jī)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(huì)導(dǎo)致質(zhì)子漏加大。當(dāng)然，在衰老進(jìn)程中可能存在與運(yùn)動(dòng)進(jìn)程中相似的電子漏引起質(zhì)子漏的情況，同樣，衰老進(jìn)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(yùn)動(dòng)進(jìn)程中。其次，二者電子漏、質(zhì)子漏作用結(jié)果不同。衰老時(shí)，線粒體的抗氧化防御機(jī)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(yùn)動(dòng)進(jìn)程中運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)線粒體的產(chǎn)物形成一個(gè)生成及代謝的循環(huán)，加之，運(yùn)動(dòng)時(shí)提高線粒體的抗氧化能力，適量的運(yùn)動(dòng)不會(huì)使有害產(chǎn)物產(chǎn)生積累。但是，如果過急、過量的運(yùn)動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致電子漏、質(zhì)子漏持續(xù)加大，運(yùn)動(dòng)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(huì)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(yùn)動(dòng)也是適量運(yùn)動(dòng)有利于機(jī)體，過量運(yùn)動(dòng)有相反作用。
有關(guān)運(yùn)動(dòng)對衰老的影響，近年來做了大量研究，對動(dòng)物的有氧耐力訓(xùn)練表明，有氧運(yùn)動(dòng)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(jī)體的抗氧化防御能力以及運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性。因此適量運(yùn)動(dòng)具有一定抗衰老作用，而且有利于清除運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的內(nèi)源性ROS。
總之，運(yùn)動(dòng)和衰老進(jìn)程中線粒體都會(huì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)有利于機(jī)體抗衰老，而過度運(yùn)動(dòng)則不利于機(jī)體健康。所以從線粒體角度對運(yùn)動(dòng)與衰老進(jìn)程二者聯(lián)系的進(jìn)一步研究，將有助于揭示運(yùn)動(dòng)做為延緩衰老有效手段的確切作用機(jī)制。