线粒体产热：被忽视的关键细胞能量代谢环节 —— 重新审视其生物学意义

《TRENDS IN Biochemical Sciences》：Mitochondrial heat production: the elephant in the lab…

在生命科学研究中，线粒体产热长期被忽视。为探究其被忽视的原因及生物学意义，研究人员开展线粒体产热相关研究。结果发现线粒体产热对细胞和机体功能至关重要，不应被视为无用的副产物。该研究为深入理解线粒体功能提供新视角。

　　线粒体，这个细胞内的 “能量工厂”，一直以来都在默默地为细胞的正常运转提供能量。然而，在众多的研究中，线粒体的一项重要功能 —— 产热，却如同被大象隐藏在实验室的角落里，常常被忽视。

传统观念里，线粒体主要是产生 ATP（三磷酸腺苷）的细胞器，而产热往往被看作是 ATP 生成过程中一个无足轻重的 “副产品”，仅仅被认为是消耗 ATP 产生的，没有特殊功能。但实际上，线粒体在氧化底物时释放的能量，很大一部分是以热的形式存在的。根据物种和条件的不同，这一比例可在 60% - 100% 之间波动。例如，氧化一个 NADH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）分子释放的能量中，只有约 34.7%（76.3 kJ/mol）用于生成 ATP，而其余的 65.3%（143.8 kJ/mol）都以热的形式散失了。而且，ATP 在被利用的过程中，也有相当一部分能量会转化为热量。

那么，为什么线粒体产热这一重要功能会被忽视呢？这背后有着诸多原因。从亚细胞结构的角度来看，线粒体在细胞内的分布并不均匀，其产生的热量可能导致细胞内存在温度梯度。然而，目前缺乏可靠的工具来测量这种亚细胞尺度的温度变化，同时生物学家对纳米尺度热扩散规律与宏观规律的差异也认识不足。此外，传统上对线粒体结构和功能的简单认知，也阻碍了对其产热功能的深入研究。

在过去，线粒体研究主要聚焦于氧化磷酸化机制和质子驱动的 ATP 合酶纳米马达的详细功能，这使得其他线粒体功能，包括产热，都被掩盖了。产热仅仅在一些特殊情况下，如棕色脂肪组织的产热或某些植物的生热过程中被提及，被视为一种 “低效” 的呼吸副产物，从而被忽视。

从实验生物学的角度出发，在生物研究中设定标准温度虽然简化了实验，但却忽略了温度对生物过程的动态影响，将温度这一关键因素固定化，进而忽视了线粒体产热的重要性。在临床和医学领域，尽管体温异常与某些呼吸链疾病有关，但在临床讨论中却很少提及，人们普遍将人体体温维持在 37°C 左右视为稳定的常态，忽视了产热来源的重要性。另外，关于线粒体温度升高的实验报告存在争议，这也使得许多科学家对深入研究线粒体产热的生物学意义持谨慎态度。

为了重新审视线粒体产热的生物学意义，来自法国巴黎西岱大学（Université Paris Cité）和芬兰坦佩雷大学（Tampere University）的研究人员皮埃尔?鲁斯坦（Pierre Rustin）、霍华德?T?雅各布斯（Howard T. Jacobs）、穆根?特尔齐奥卢（Mügen Terzioglu）和保罗?贝尼（Paule Béni）开展了相关研究。他们的研究成果发表在《TRENDS IN Biochemical Sciences》上。

研究人员在研究中用到了多种技术方法。首先是温度测量技术，他们使用了两种探针，对处于 37°C 控制环境下的完整人类（HEK、HeLa 和 U2OS）和小鼠（永生化小鼠胚胎成纤维细胞；MEFs）细胞中的活跃线粒体温度进行推断，同时也对果蝇细胞的线粒体温度进行了研究。此外，还涉及到对线粒体结构和功能相关的研究技术，如对线粒体呼吸链、氧化磷酸化相关组件的分析等，通过这些研究来探究线粒体产热的机制。

下面来看具体的研究结果：

• 线粒体产热的普遍性：许多生物体的线粒体都有专门用于将氧化能量转化为热量的蛋白质，如植物线粒体中的鱼藤酮不敏感 NAD (P) H 脱氢酶（NDx）和替代氧化酶（AOX），以及哺乳动物棕色脂肪细胞线粒体中的解偶联蛋白 1（UCP1）。这些蛋白质的存在表明，产热是线粒体的一个普遍属性，而且在一些情况下，线粒体可以将底物氧化的能量全部以热量的形式释放出来12。
• 线粒体的温度：研究发现，在完整细胞中，线粒体的温度可能比周围环境更高。通过两种探针的测量，推断出人类和小鼠细胞中活跃线粒体的温度有所升高，果蝇细胞的线粒体比周围环境高约 15°C。然而，在体外实验中，悬浮在水溶液中的分离线粒体与周围介质没有可测量的温度差异，这表明线粒体内部结构或周围细胞质的某些特征可能限制了热量的扩散34。
• 线粒体产热被忽视的原因：研究人员分析了线粒体产热被忽视的多种原因，包括亚细胞结构的复杂性、对 ATP 合酶的过度关注、实验生物学中对温度的简化处理、临床和医学领域的忽视以及科学界对线粒体温度研究争议的谨慎态度等56。

研究结论表明，线粒体产热不应被视为线粒体氧化的低效副产物，尤其是在恒温动物中，它是线粒体的一项基本功能。线粒体产热对维持细胞和机体的正常功能至关重要，它参与了许多细胞功能的调节，对生物体的生存有着重要意义。这一研究成果为深入理解线粒体的功能提供了新的视角，也为相关领域的研究开辟了新的方向。例如，在基于热的治疗方法研究中，线粒体产热可能为开发新的治疗策略提供理论依据；在应对全球变暖的研究中，理解线粒体产热有助于探讨生物体对温度变化的适应机制。同时，该研究也提出了一系列有待解决的问题，如进一步证实线粒体温度升高的现象、探究产热细胞器对局部生化过程的影响等，这些问题将激励更多的研究人员深入探索线粒体产热的奥秘，为生命科学和健康医学领域的发展做出贡献。