1，線粒體是人體細(xì)胞內(nèi)的寄生細(xì)胞
在自然界生命自然進(jìn)化的神奇過程中，從單細(xì)胞到多細(xì)胞生物，從海洋脊椎類動(dòng)物到陸地爬行類動(dòng)物，演化到直立行走的人類，最后形成了人這一極為復(fù)雜的生命系統(tǒng)。
在人的進(jìn)化過程中，許多共生環(huán)境中的微生物被吸納進(jìn)人類的生命系統(tǒng)中，變成人體的寄生物。線粒體或者叫端粒體，就是人體大多數(shù)器官細(xì)胞中的一種寄生細(xì)胞。
線粒體或粒體線(mitochondrion)或者端粒體，是真核細(xì)胞內(nèi)包含的一種半自主的細(xì)胞器，有雙層膜組成的囊狀結(jié)構(gòu)；其內(nèi)膜向腔內(nèi)突起形成許多嵴（cristae），主要功能在于通過呼吸作用將食物分解產(chǎn)物中貯存的能量逐步釋放出來，供應(yīng)身體細(xì)胞各項(xiàng)活動(dòng)的需要，故有“細(xì)胞動(dòng)力站”（power house ro power plant）之稱。
線粒體是1897年由德國學(xué)者C.本達(dá)首先命名的。Mitochondrion來源于希臘字mito（線）chondrion (顆粒)。
上圖是一個(gè)胰腺細(xì)胞內(nèi)的線粒體細(xì)胞，有外膜和帶有深層基底皺褶的線粒體嵴，擴(kuò)展成線粒體基質(zhì)，線粒體細(xì)胞制造能量的化學(xué)反應(yīng)就發(fā)生在線粒體嵴上。
線粒體（mitochondria）是人體細(xì)胞內(nèi)最復(fù)雜的一種生物機(jī)器，同時(shí)也是最為令人驚奇的。我們原先知道線粒體與人體壽命有關(guān)，一般來說線粒體長，則壽命長，有正相關(guān)性。
現(xiàn)在哈佛醫(yī)學(xué)院霍華德休斯研究所更多的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線粒體功能發(fā)揮正常的時(shí)候，會給人體提供足夠的能量供人體細(xì)胞消耗；當(dāng)線粒體功能失常的時(shí)候，會帶來連鎖的神經(jīng)退行性失常、糖尿病、癌癥、更改免疫反應(yīng)，甚至加速老化。（implicated in neurodegenerative disorders, diabetes, cancer, altered immune response, and even aging）
2，線粒體的功能
線粒體通過氧化碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪酸，制造代謝能量。在五步呼吸鏈的化學(xué)反應(yīng)過程中，線粒體細(xì)胞器（mitochondria organelle）捕捉氧氣，同葡萄糖和脂肪酸（glucose and fatty acids）一起創(chuàng)造復(fù)雜的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)三磷酸腺苷（ATP， adenosine triphosphate），作為燃料供應(yīng)身體生命的運(yùn)轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在認(rèn)知的五步呼吸鏈化學(xué)反應(yīng)釋放能量。由電子傳遞體和氫的傳遞體組成，其中大多是帶有輔基的蛋白質(zhì)。這些輔基由于加入或移去電子或氫原子（電子＋質(zhì)子）而進(jìn)行氧化還原作用。 三羧酸循環(huán)或脂肪酸氧化提供的NADH或FAD進(jìn)入呼吸鏈，通過電子和H+的傳遞最后與氧結(jié)合。當(dāng)電子通過呼吸鏈進(jìn)行傳遞時(shí)，能量逐步釋放出來。被釋放的大部分能量及時(shí)轉(zhuǎn)換合成ATP，這個(gè)過程成為氧化磷酸化。
呼吸鏈主要組份為:①與吡啶-核苷酸連接的脫氫酶，②黃素蛋白③鐵硫蛋白，④輔酶Q，⑤細(xì)胞色素（包括細(xì)胞色素a、b、c三類）。 目前認(rèn)知的呼吸鏈組份的排列次序，有不同意見和疑問，不一定是完全正確的。
身體內(nèi)的細(xì)胞在沒有線粒體細(xì)胞器的幫助下通過厭氧過程的糖酵解，（anaerobic process called glycolysis）也可以制造快速方便的以糖原為基礎(chǔ)的能量，但是效率太低。線粒體細(xì)胞器通過氧化催化反應(yīng)同樣的糖原，可以制造15倍的能量供人體細(xì)胞使用。
這種能量轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢，被認(rèn)為是形成于10億或者15億年前。當(dāng)一個(gè)單體自由生活的細(xì)菌進(jìn)入一個(gè)帶有細(xì)胞核的單體細(xì)胞器官，形成共生共榮的共生體的時(shí)候，就存在了。那個(gè)進(jìn)入單體細(xì)胞器官核內(nèi)的的細(xì)菌，就是現(xiàn)在的線粒體，變成了細(xì)胞核內(nèi)細(xì)胞器。
這種共存關(guān)系，不僅存在于所有的動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，也包括所有的植物細(xì)胞和真菌細(xì)胞。（plants and fungi）
這種共生關(guān)系，也帶來了不利因素。就像開窗帶來新鮮空氣，同時(shí)蒼蠅蚊子和臭味也可能進(jìn)來。人類的有些疾病，比如萊姆關(guān)節(jié)炎，斑疹傷寒癥和衣原體感染等與此有關(guān)，稱為線粒體疾病。比如四環(huán)素類抗生素（tetracyclines, antibiotics）對健康人群無害，但是對于線粒體疾病人群需要謹(jǐn)慎避開。
3，線粒體供應(yīng)身體細(xì)胞能量，身體的細(xì)胞發(fā)電廠；但是熱量不能太多，也不能太少
①第一例文字記載的線粒體疾病案例
1958年5月，一位30歲的瑞典婦女來到位于斯德哥爾摩附近的卡羅林斯卡羅爾夫魯夫特診所，（Rolf Luft），告訴醫(yī)生她總是感到身體持續(xù)發(fā)熱。據(jù)記載，患者告訴醫(yī)生，她在7歲時(shí)開始出現(xiàn)這種癥狀，看過很多醫(yī)生，但是都不明原因。
魯夫特測量了患者體內(nèi)和皮膚體溫，注意到雖然雖然她不斷吃東西，但是患者仍然瘦弱和不增體重。因?yàn)榇罅砍龊箮硭至髻|(zhì)喪失，她需要不斷喝大量的水。盡管患者經(jīng)常處于昏昏沉沉的狀態(tài)（lethargic, basal metabolic rate）但是患者的身體基礎(chǔ)代謝率仍然是正常人的兩倍，心臟每分鐘心率超過100次。
魯夫特對患者骨骼肌活組織切片檢查（biopsied skeletal muscle），發(fā)現(xiàn)患者細(xì)胞的線粒體嵴上存在不正常的過大和過多的線粒體細(xì)胞器聚集。
為什么患者總是感覺熱？可能是因?yàn)槌^正常密度和個(gè)頭的線粒體細(xì)胞器，制造出更多的細(xì)胞能量，釋放到身體里。
魯夫特最后也是無計(jì)可施，不知如何下手去改善患者的線粒體疾病癥狀，來降低線粒體制熱效率，最后只能提供冰塊降溫，患者隨后等于是自己燒死了。
在自然界里，有一種植物臭菘（skunk cabbage）攜帶有一種特殊的線粒體，可以自我發(fā)熱提高植物體溫度30攝氏度，植物的熱量可以融化周圍積雪，釋放出植物體內(nèi)混合物來吸引傳粉者來授粉。（pollinators）
②線粒體研究人員認(rèn)識到，線粒體發(fā)熱能力最好是中度的，既能滿足身體生命細(xì)胞對能量的需要，又不至于燃燒過多讓身體耗空。
也許在進(jìn)化過程中存在線粒體基因和環(huán)境的互相作用，因此特定的線粒體基因突變被選擇來適應(yīng)特殊的環(huán)境，比如冬季的臭崧。
在2005年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物線粒體研究中，研究人員給一組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物線粒體賦予長距離奔跑能力，另一組賦予線粒體基因糖尿病、肥胖、和其它代謝疾病，在經(jīng)歷11代際的遺傳之后，開始固定下來。11代，相當(dāng)于人類的275年，只不過是進(jìn)化過程中一眨眼瞬間。
在美國，因?yàn)榫€粒體基因突變導(dǎo)致的線粒體疾病，影響大約有5萬病人。這種罕見疾?。╫rphan diseases, pathologies too rare to attract market-driven pharmaceutical cures），對病人來說是致命的，也讓醫(yī)生困惑不解。因?yàn)榧词够驒z測同樣兩個(gè)線粒體缺陷病人，一個(gè)可能是視力和聽力障礙，神經(jīng)退化，心臟肌肉疾病和難以吞咽；另一個(gè)可能僅僅是視力障礙，其它器官系統(tǒng)方面尚好。
因?yàn)槲覀兩眢w所有的組織都有線粒體細(xì)胞，為身體細(xì)胞制造能量，一旦你的線粒體蛋白質(zhì)組有缺陷（mitochondrial proteome），一些身體器官就會受到影響。
這些線粒體疾病原先稱作母體遺傳疾?。╩aternally inherited syndromes），因?yàn)榫€粒體DNA是排他性從母體繼承得來，這推論就回溯到人類的共同母體祖先線粒體伊娃。（mitochondrial Eve）
隨著基因科學(xué)發(fā)展，人們對于細(xì)胞器的基因理解越多，研究人員認(rèn)為許多線粒體疾病也可以父系遺傳，因?yàn)榻^大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)實(shí)際上是在細(xì)胞核被DNA 編碼組成，而不是線粒體DNA。
通過研究發(fā)現(xiàn)，線粒體失調(diào)與多種共同疾病相關(guān)：包括糖尿病，心臟病，帕金森癥和阿紫海默爾癥，聽力損失，和精神失常，包括抑郁。
4，線粒體除了制造能量之外的功能
隨著線粒體研究的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)線粒體除了制造能量之外還有大量的功能。
線粒體基因，作為編碼構(gòu)成蛋白質(zhì)，是細(xì)胞內(nèi)線粒體主要的功能單位。1981年線粒體基因組排序揭示有13種蛋白質(zhì)（mtDNA codes for just 13 proteins），無法解釋如此之多的線粒體疾病。研究人員知道線粒體可以制造超過1000多種蛋白質(zhì)，這種差距如何解釋？
答案被認(rèn)為藏在進(jìn)化歷史過程中。在10億年前，線粒體細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞器官寄生以來，也許一些基因從線粒體中轉(zhuǎn)化到了寄主的細(xì)胞里，也就是大多數(shù)DNA存在的細(xì)胞核里。這種線粒體基因組的轉(zhuǎn)移，由原來的DNA版塊中的16000堿基對（base pairs），玻璃只剩下精華部分。
相比較于線粒體的遠(yuǎn)祖形式和現(xiàn)在生存下來的近屬，例如引起斑疹傷寒癥的立克次氏體細(xì)菌（Rickettsia bacterium that causes typhus）擁有100萬堿基對，線粒體的基因組是非常小。
結(jié)合每個(gè)細(xì)胞核中的DNA，這些古老遺傳的基因制造出三分之二的線粒體蛋白質(zhì)。另外三分之一，是進(jìn)化過程中的原始細(xì)菌和細(xì)胞的發(fā)明創(chuàng)造，現(xiàn)在能讓人體細(xì)胞里的線粒體做遠(yuǎn)祖細(xì)菌做不到的事情。
現(xiàn)在哈佛總醫(yī)院和麻省理工學(xué)院Vamsi Mootha和他的團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)在2008年發(fā)布了1158個(gè)哺乳類編碼蛋白質(zhì)的動(dòng)物線粒體基因圖譜，在2015年進(jìn)行更新。蛋白質(zhì)總量（proteome inventory），所有細(xì)胞器、細(xì)胞、組織和器官當(dāng)中的線粒體蛋白質(zhì)，稱為MitoCarta。線粒體和它的寄主細(xì)胞，通過鈣的傳遞交換信息。（calcium signaling）通過追蹤鈣信號，可以發(fā)現(xiàn)一些線粒體基因疾病。
5，線粒體如何吞噬氧氣？
①傳統(tǒng)線粒體研究聚焦在制造能量上，但是無法解釋線粒體疾病的發(fā)病原理。雖然可以用缺乏能量，和供能不足來解釋，但有些牽強(qiáng)。
一些發(fā)現(xiàn)線粒體疾病的器官，并不一定是有最高能量需求的器官。一些研究轉(zhuǎn)向線粒體在管理規(guī)范細(xì)胞死亡凋零方面不可替代的作用，包括對免疫系統(tǒng)的作用，和細(xì)胞信號傳遞的作用。
10億年前，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線粒體細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞寄主的時(shí)候，地球大氣中的含氧量相當(dāng)?shù)?，后來逐漸升高。一般人認(rèn)為氧氣是生命必須，另一方面氧氣還帶有腐蝕性。在生物界，氧氣和它的副產(chǎn)品可以引起細(xì)胞氧化損害，可以導(dǎo)致細(xì)胞核器官老齡化。
線粒體，是氧氣的消耗者。研究者推測，生物進(jìn)化過程中，細(xì)胞寄主選擇線粒體細(xì)菌，可能不僅僅是為了能夠高效率制造能量，還同時(shí)能夠更好控制氧氣的副作用。
正常的基因表達(dá)支持這種觀點(diǎn)?；虼蜷_線粒體，同時(shí)也就打開了抗氧化程序。（antioxidant programs）這些線粒體基因通過增加線粒體數(shù)量，來調(diào)整激活抗氧化水平。比如你造輛汽車從內(nèi)連六缸發(fā)動(dòng)機(jī)到V8發(fā)動(dòng)機(jī)，你就需要更大的催化轉(zhuǎn)化器。
上圖為卵巢細(xì)胞，黃色為密集分布的線粒體細(xì)胞器，細(xì)胞被激活分泌荷爾蒙。
②2009年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)廣泛使用的抗氧化維他命補(bǔ)充品，會干擾線粒體細(xì)胞器的這種自然抗氧化反應(yīng)機(jī)制。試驗(yàn)中，把參與實(shí)驗(yàn)者分為四組：鍛煉然后服用抗氧化維他命的，如維他命E；鍛煉不服用抗氧化維生素的；不鍛煉而且服用抗氧化維生素的；不鍛煉不服用抗氧化維生素的。
幾個(gè)月后，鍛煉的兩組比不鍛煉的兩組要健康一些。有趣的是，鍛煉并且不服用抗氧化維生素的那一組，是身體狀況變化最佳的。通過鍛煉，線粒體之外的細(xì)胞也感覺到了這些刺激，因此身體調(diào)整適應(yīng)到一個(gè)身體器官有益的狀態(tài)。而服用抗氧化維他命，則干擾了身體細(xì)胞的這一自然適應(yīng)機(jī)制。
在線粒體10億年的進(jìn)化過程中，對壓力無數(shù)的適應(yīng)反應(yīng)使線粒體基因的突變沒有殺死細(xì)胞，而是采取了一種援救反應(yīng)，壓力損失下的一系列線粒體化學(xué)反應(yīng)去制造能量。在一些情況下，一部分細(xì)胞器和寄主細(xì)胞的過載和損傷路徑，可以對細(xì)胞和整個(gè)器官提供凈收益。
③另一個(gè)有趣的例子是身體的代償機(jī)制。（overcompensation）
糖尿病人服用二甲雙胍（Metformin），就會干擾身體正常的線粒體功能。服用二甲雙胍后，線粒體產(chǎn)生能量呼吸鏈五步過程中的第一步遭到破壞，但是二甲雙胍引起的弱抑制可以觸發(fā)糖尿病人的身體適應(yīng)機(jī)制。
就像人打疫苗應(yīng)對病毒一樣，二甲雙胍引起身體的一種毒物興奮效應(yīng)，（hormesis）一種身體代償?shù)谋Ｗo(hù)機(jī)制。有些研究者走的更遠(yuǎn)，嘗試二甲雙胍導(dǎo)致的毒物興奮效應(yīng)是不是可以延緩老化。
④2014年的線粒體基因檢測研究發(fā)現(xiàn)，低大氣含氧量濃度可以觸發(fā)身體器官的一種反應(yīng)可以保護(hù)亞急性壞死性腦脊髓病，（Leigh syndrome）一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。這種疾病可以由75個(gè)基因中的任何一個(gè)基因突變導(dǎo)致得病，嬰幼兒在3-16個(gè)月患病會呼吸衰竭而死亡。
當(dāng)研究者用實(shí)驗(yàn)鼠來檢驗(yàn)線粒體疾病的時(shí)候，結(jié)果令人驚奇。一個(gè)正常的老鼠生活兩年，一個(gè)有線粒體疾病的老鼠只活了55天。當(dāng)Mootha的團(tuán)隊(duì)把空氣中的氧氣濃度降低11%，也就是相當(dāng)于在14000英尺的高原上，研究人員發(fā)現(xiàn)可以從開始預(yù)防疾病。有線粒體疾病的老鼠，在氧氣含量低的空氣中活到了一年。
即使那些已經(jīng)瀕臨死亡的實(shí)驗(yàn)鼠，通過限制氧氣攝入可以重新煥發(fā)活力。Mootha稱為復(fù)活效應(yīng)，（the Lazarus effect）。另一方面，攝入過多的氧氣，可以像毒藥一樣，在幾天之內(nèi)就把一只老鼠殺死。
低氧環(huán)境對人類也十分有益。Mootha在研究印度駐軍在12000和18000英尺邊境高原的軍隊(duì)人員的健康效應(yīng)報(bào)告，與那些在平原服役的人員相比，長期高原地區(qū)服役的人員患急性感染的比例高。但是長期比較，在高原的人患糖尿病、中風(fēng)、心臟病和認(rèn)知缺陷的疾病病例明顯降低。
人類的研究數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)鼠的數(shù)據(jù)，顯示太多的氧氣對動(dòng)物身體是壞事情。所以，有的時(shí)候在醫(yī)院用高壓氧倉補(bǔ)充特殊的氧氣來治療線粒體疾病，不僅無益而且有害。有的病人在經(jīng)理高壓氧艙治療后，反而加重病情或者導(dǎo)致死亡。過多的氧氣，還可以導(dǎo)致線粒體衰退，與壽命縮短有關(guān)。
5，人類一個(gè)特殊的細(xì)胞可以含有許多線粒體細(xì)胞器，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。肝臟、肌肉細(xì)胞，可以制造、儲存和使用能量，包含大量的線粒體。
線粒體的數(shù)量減少與年齡老化有關(guān)，增加人們罹患帕金森病和糖尿病的概率，都是由于線粒體功能失調(diào)。老年人較少的線粒體，效率比年輕人也更低。
但是，鍛煉對于無論什么年齡，可以促進(jìn)線粒體數(shù)量和長度。當(dāng)你的骨骼肌細(xì)胞增加線粒體后，會消除壞的影響和增加總的效率。
總起來說，鍛煉和健康飲食的有益效果，會通過線粒體來發(fā)揮功能。
線粒體的研究未來前景誘人，可以發(fā)展精準(zhǔn)線粒體醫(yī)療。（precise mitochondrial medicine）
有三個(gè)方面：第一個(gè)對抽出的血液進(jìn)行分子診斷；第二個(gè)可以分析血液的代謝循環(huán)產(chǎn)品，由此判斷線粒體功能失調(diào)的嚴(yán)重程度；第三個(gè)可以開發(fā)靶向治療方案，不僅針對線粒體基因突變引起的稀少、致命的線粒體失調(diào)疾病，也包括一些普通的線粒體失調(diào)病癥。
對于沒有條件生活在高原地區(qū)的人來說，沒準(zhǔn)下一步還會開發(fā)出低氧治療。
