作者：徐辉魏晓东欧芹张涛张鹏霞王景涛
作者单位：佳木斯大学基础医学院生化教研室，黑龙江，佳木斯，154007
佳木斯大学基础医学院解剖教研室，黑龙江，佳木斯，154007
刊名：黑龙江医药科学2003，26(6)
作者简介：徐辉(1978～)男，黑龙江佳木新人，2001级硕士研究生。
摘要：
线粒体被视为细胞的动力工厂，人体所需的能量ATP是由线粒体通过氧化磷酸化提供的，合成ATP的基础是形成质子梯度。有关其形成机制，目前被普遍接受的是Mitchell创立的化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)。在线粒体生成能量的过程中，人们发现电子和质子在不同部位会有漏出现象，于是产生了电子漏和质子漏的概念，围绕这一点人们做了大量研究，而关于电子漏、质子漏在运动和衰老进程中的产生、作用和之间的联系成为研究热点之一。以下是对有关这一问题的研究近况予以介绍。
线粒体被视为细胞的动力工厂，人体所需的能量ATP是由线粒体通过氧化磷酸化提供的，合成ATP的基础是形成质子梯度。有关其形成机制，目前被普遍接受的是Mitchell创立的化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)。在线粒体生成能量的过程中，人们发现电子和质子在不同部位会有漏出现象，于是产生了电子漏和质子漏的概念，围绕这一点人们做了大量研究，而关于电子漏、质子漏在运动和衰老进程中的产生、作用和之间的联系成为研究热点之一。以下是对有关这一问题的研究近况予以介绍。
1线粒体的电子漏和质子漏
1．1线粒体的电子漏
在线粒体呼吸链中，线粒体电子传递链漏出少量的电子与氧直接结合形成超氧自由基(superoxide radical，O2-·)的现象称为线粒体的电子漏(electron leak)。由电子漏产生的O2-·可以进一步生成活性氧(ROS)。线粒体的电子传递链是机体活性氧产生的主要部位，而活性氧的前体是O2-·和H2O2，它们的产生部位是在呼吸链的底物端。Xu等认为，呼吸链底物端漏电生成的O2-·会以三种途径代谢掉：
①与H+加成产生HOO·自由基，后者进入膜与不饱和脂肪酸中的双丙烯氢原子反应生热；
②歧化产生H2O2，后者再被细胞色素c漏出的电子还原为H2O；
③直接被细胞色素c氧化。
事实上，线粒体的呼吸链是以电子传递的方式进行能量代谢，以电子漏的方式进行超氧自由基代谢，线粒体中氧自由基水平是呼吸链底物端和氧端电子漏动态平衡的结果。线粒体内膜呼吸链上复合物Ⅰ、Ⅲ被认为是电子漏产生的主要部位，复合物Ⅰ的黄素蛋白和复合物-的细胞色素b566与O2-·的产生有关，也证明了这点。徐建兴认为细胞色素c处也存在一个电子漏，这个电子漏可能起到生理上清除O2-·和H2O2的作用。
1．2线粒体的质子漏
当电子从氧化底物传到分子氧生成H2O的过程中，伴有H+从线粒体内膜基质侧跨膜泵至胞浆侧，会发生质子通过膜脂双层扩散回漏的现象，质子不通过ATP合成酶复合体进行ATP合成，而直接通过线粒体内膜回到基质的过程称为质子漏，其结果导致贮存在质子电化学势能中的自由能消耗。当Mitchell化学渗透学说获得诺贝尔奖时，Nicholls就已经发现并提出质子漏假说来解释ATP生成的数量小于Mitchell跨膜质子驱动力应当转化为ATP的量。ATP的合成要靠呼吸链不断供给质子以维持一个强大的电化学质子梯度，并经线粒体的ATP合成酶的作用将能量转换用于合成ATP，而质子漏的大小直接影响到ATP合酶的活性及ATP的生成量。有人提出氢键链模型、电击穿模型、质子移位体理论等来解释质子漏的机制，此外，解偶联蛋白也与质子漏有关。刘树森等提出，线粒体态4呼吸中的电子漏产生超氧阴离子可能作为内源性载体，即电子漏引起质子漏，他们认为电子漏产生的O2-·可能与膜表面的高能H+形成HO2·的跨膜转运而引起的线粒体质子漏，因而具有内源质子载体的作用。
质子漏有一定的生理意义，质子漏的发生使贮存于质子电化学势能中的自由能以热的形式释放，这可能对机体的产热、保持体温、维持基础代谢有重要意义。Brand认为，内脏产生的热可能是来源于其线粒体伴随氧化磷酸化过程中的质子回漏。此外，线粒体在活性氧防御中通过解偶联作用使线粒体内膜质子漏增加，跨膜电位降低，刺激O2的消耗，缓解O2-·的产生。
2运动进程中的电子漏和质子漏
运动实验研究表明，动物在递增负荷运动中，线粒体ROS生成增加。聂金雷等证明，在运动中线粒体电子传递与质子泵出比值(H+/2e)提高所建立的高质子电化学势能(ΔμH+)和跨膜电位差(ΔΨ)与线粒体ROS生成呈正相关，可以推断，此时线粒体的电子漏增加，这与离体实验得出的高ΔΨ时电子漏明显增加，高ΔΨ是产生O2-·的物理条件的结果是一致的。有关此现象的解释，他们认为；随着电子传递与质子转移，膜电位不断增高。当ΔΨ达到一定高电位时，就会有两个障碍增加电子传递的阻力：
①氧化还原势能的改变。膜电位达到一定高电位后．细胞色素b566的中点电位会被升高，从而导致细胞色素b566与b562之间的电子传递方向发生逆转，使b566还原半醌(QH·)，使QH·的生存期延长，如果聚于b566或QH·上的电子不能被转移开的话，必将导致呼吸控制，因此从b566或QH·上漏出的电子在此时便成为缓冲由于高膜电位所造成的呼吸控制所必须的条件。
②膜表面正电效应。由于质子的转移使内膜外表面正电荷增多，因此在膜能化到一定程度后，膜表面的正电荷会对接近膜表面的b566或QH·所带有的负电荷产生较强的引力，从而使b566的电子不向b562上传递。上述两个障碍使QH·浓度增加．自氧化而产生的电子漏增加，进而ROS增加。
研究证实，态4呼吸受跨线粒体内膜质子漏控制。态4呼吸主要靠质子漏维持，态4呼吸速率增加表明线粒体质子漏增加。聂金雷等报道ROS生成与态4呼吸速率存在正相关，提示伴随着线粒体ROS的生成增加，质子漏也会增加。时庆德的实验以及聂金雷的实验先后证明了刘树森提出的电子漏引起质子漏的观点。由于O2-·是一种既能接受电子(氧化性)，又能供给电子(还原性)的自由基，可以发生自身歧化反应，生成H2O2，同时又兼具碱性，可以接受H+形成氢过氧基(HO2·)，后者因为可以解离释放H+，又具酸的作用。O2-·与H+相互作用时可以与HO2·←→O2-·十H+反应相平衡，其PKα=4．8，因此在酸性条件下，HO2·生成量增加。HO2·比O2-·具有更强的还原性和氧化性，同时它的歧化反应常效也比O2-·歧化反应常数大，因此，在线粒体态4呼吸时或在运动性疲劳状态下，由于代谢产生酸性物质，O2-·易生成质子化的HO2·，容易通过膜，可能是O2-·引起质子漏的原因之一。此外，运动进程中电子漏引起自由基生成增多，后者引发的脂质过氧化，膜通透性升高；线粒体Ca2+反常损伤线粒体膜，如Ca2+可激活磷脂酶A2(PLA2)，改变膜通透性，以及体温升高；激活解偶联蛋白等因素可能也会引起线粒体质子漏增加。
3衰老进程中的电子漏和质子漏
机体在正常情况下，线粒体存在电子漏和质子漏，这在一定程度上对维持机体正常生理机能有一定作用，之所以没有对机体产生明显影响是因为机体对电子漏、质子漏有一整套的代谢途径和防御机制。一旦这些防御机制的作用减弱或丧失，由此会使活性氧和自由基增加以及电子漏、质子漏增加。在衰老状态下，机体抗氧化剂和自由基清除酶类数量和活性呈下降趋势，导致线粒体内活性氧和自由基清除受阻，造成对线粒体的氧化胁迫。大量实验表明，衰老时线粒体体积明显增大，变性易见，线粒体膜电位降低。脂质过氧化产物堆积，线粒体DNA缺失加重，呼吸链复合物Ⅰ及Ⅳ等活性下降，ATP合成下降。可见，由于衰老时活性氧和自由基的增加导致线粒体结构功能的改变，复合物Ⅳ的活性下降引起复合物Ⅲ还原态较高，易产生自身氧化，导致呼吸链电子漏增加。此外，衰老时线粒体电子传递链功能下降，电子传递受阻，使电子漏增加，电子漏的增加必然导致自由基的增加，而衰老进程中线粒体清除自由基能力下降，使自由基对线粒体的损伤加重，进一步导致线粒体电子漏的增加，形成衰老过程中的恶性循环。
实验表明，老年鼠线粒体态4呼吸速度(R4)增快，说明衰老时线粒体质子漏增加。刘树森提出的电子漏引起质子漏可能是衰老进程中质子漏增加的机制之一。但由于衰老时线粒体受ROS攻击，导致线粒体结构功能的变化，可以推测，线粒体自由基损伤线粒体内膜可能是导致质子漏加大的主要原因。此外，实验证实，衰老时细胞钙泵活性随年龄增加而显著降低，胞内钙增高，会影响线粒体钙代谢，进而增大质子漏。
4线粒体电子传递与质子泵出比值(H+/2e)与电子漏、质子漏的关系
运动学实验研究表明线粒体电子漏、质子漏参与运动性内源ROS生成及代谢，线粒体ROS的生成与高质子电化学势能(ΔμH+)有关，线粒体电子传递与质子泵出比值(H+/2e)是底物的氧化还原势能(Δh)转化为ΔμH+的能量偶联量度，是反映电子传递与质子泵出偶联程度的重要参数。聂金雷等证明在动物急性运动时由H+/2e提高所建立的高ΔμH+可能直接贡献于线粒体ROS的生成，表明H+/2e与电子漏有关。H+/2e的提高是由于运动应激。能量需求增加，建立高ΔμH+，使ATP合成增加，但H+/2e的变化导致电子漏增加，进而ROS、质子漏增加，持续的结果是ROS增加会损伤线粒体，氧自由基及脂质过氧化作用会影响线粒体内膜复合体功能，导致H+/2e下降。张勇等报道力竭性运动后大鼠线粒体H+/2e显著下降，O2-·显著增加，线粒体电子漏生成增多。H+/2e的下降与“Redox slip”(脱偶)和H+leak(H+回漏)有关。可以推测，运动中H+/2e的升高有助于提供更多的ATP，但急性运动同时会使电子漏、质子漏和ROS升高，进一步发展。由于电子漏、质子漏的不断增加以及ROS对线粒体的损伤作用，使H+/2e下降，呼吸链能量转换脱偶，进而ATP生成下降，导致力竭状态。
在运动进程中，H+/2e反映了能量偶联量度，它与线粒体电子漏，质子漏相互作用有密切的联系，通过对H+/2e的测定可以反映出线粒体的电子漏、质子漏、ROS对线粒体能量偶联程度的影响．但有关衰老进程中的H+/2e的变化尚未被证实，可以从衰老的一系列特征性变化推测，衰老进程中线粒体电子漏、质子漏的增加也会导致能量转换脱偶，使H+/2e下降，其实验依据有待于进一步研究。
5电子漏、质子漏在运动与衰老进程中的区别和联系
在衰老进程和运动进程中线粒体都会出现电子漏和质子漏增加，但二者是有区别的。一来，二者电子漏、质子漏产生方式不同。在运动进程中，电子漏的产生是由于疲劳性运动使线粒体H+/2e提高建立高Δμ-H+，随着电子传递与质子转移，电子漏加大；质子漏的加大被认为主要是电子漏生成的O2-·作为内源质子转运体造成。而在衰老进程中，伴随着机体的衰老，抗氧化作用减低，氧化损伤在组织，尤其是组织细胞的线粒体中不断积累导致线粒体结构功能变化，呼吸链复合物活性的下降，使电子传递受阻，这是导致电子漏增加的主要原因；电子漏的加大使自由基增加，加重损伤线粒体内膜，使线粒体内膜出现质子漏，此外，Ca2+浓度的失调也会导致质子漏加大。当然，在衰老进程中可能存在与运动进程中相似的电子漏引起质子漏的情况，同样，衰老进程中电子漏引起ROS增加损伤线粒体，导致质子漏增大也可能存在于运动进程中。其次，二者电子漏、质子漏作用结果不同。衰老时，线粒体的抗氧化防御机制减弱是主要因素，自由基的增加，导致电子漏、质子漏加大，形成有害产物的积累；在运动进程中运动产生的电子漏，质子漏由于活性氧循环、Q循环、质子循环并存，使得运动时线粒体的产物形成一个生成及代谢的循环，加之，运动时提高线粒体的抗氧化能力，适量的运动不会使有害产物产生积累。但是，如果过急、过量的运动，则会导致电子漏、质子漏持续加大，运动性内源ROS生成过多，过度训练甚至会导致线粒体抗氧化能力下降。电子漏、质子漏的加大同样会使H+/2e下降，氧化磷酸化脱偶，ATP生成下降。在衰老状态下的运动也是适量运动有利于机体，过量运动有相反作用。
有关运动对衰老的影响，近年来做了大量研究，对动物的有氧耐力训练表明，有氧运动训练可明显提高线粒体呼吸链酶活性，恢复线粒体的氧化磷酸化能力，提高衰老机体的抗氧化防御能力以及运动适应性。因此适量运动具有一定抗衰老作用，而且有利于清除运动中产生的内源性ROS。
总之，运动和衰老进程中线粒体都会出现电子漏和质子漏加大，二者既有区别又有联系，更明显的区别是前者生成和代谢是循环的，后者导致有害物质的累加。如果运动一旦过急、过量也同样使循环打破产生有害影响。从这方面反映出适量运动有利于机体抗衰老，而过度运动则不利于机体健康。所以从线粒体角度对运动与衰老进程二者联系的进一步研究，将有助于揭示运动做为延缓衰老有效手段的确切作用机制。