衰老及年龄相关疾病中的线粒体与代谢功能障碍

科学公报

2025年10月15日 17:29

发表于《Nature Reviews Endocrinology》的综述文章《Mitochondrial and metabolic dysfunction in ageing and age-related diseases》，深入剖析了线粒体和代谢功能障碍在衰老进程以及年龄相关疾病发生发展中的关键作用。

线粒体功能正常与否对细胞乃至整个生物体的生命活动至关重要。在衰老过程中，线粒体首先会出现结构上的改变。正常情况下，线粒体具有高度动态的结构，通过融合与分裂来维持其形态和功能的稳定。然而，随着年龄的增长，线粒体的融合 - 分裂平衡被打破，更多地呈现出碎片化的形态。这种结构的改变直接影响了线粒体的功能，其中最核心的就是氧化磷酸化过程。氧化磷酸化是细胞产生能量（ATP）的主要方式，而衰老导致线粒体电子传递链的效率下降，电子泄漏增加，进而产生更多的活性氧（ROS）。

活性氧在一定范围内是细胞信号转导的重要分子，但过量的ROS会对细胞内的生物大分子，如DNA、蛋白质和脂质等造成氧化损伤。线粒体自身的DNA由于缺乏组蛋白的保护以及修复机制相对薄弱，更容易受到ROS的攻击，从而发生突变。线粒体DNA的突变又会进一步加剧电子传递链的功能异常，形成一个恶性循环，不断损害线粒体的功能，加速细胞的衰老。

除了线粒体自身的变化，细胞的代谢状态在衰老和年龄相关疾病中也发生了显著的重塑。以葡萄糖代谢为例，正常细胞主要通过有氧氧化来高效利用葡萄糖产生能量，但在衰老细胞或一些年龄相关疾病（如糖尿病、癌症等）的细胞中，糖酵解会异常活跃，即使在有氧条件下也更倾向于通过糖酵解产生能量，这种现象被称为“瓦博格效应”。这种代谢模式的转变虽然可以在短期内为细胞提供能量，但从长远来看，会导致细胞内代谢中间产物的积累，如乳酸等，破坏细胞内的酸碱平衡，同时也减少了通过有氧氧化产生的ATP总量，影响细胞的正常功能。

脂质代谢同样受到影响。衰老过程中，细胞内脂质的合成、分解以及运输等过程出现紊乱。一方面，脂质合成可能增加，导致脂肪在细胞内堆积，形成脂滴；另一方面，脂质分解的关键酶活性可能下降，使得脂质无法及时被分解利用。这种脂质代谢的失衡不仅会影响细胞膜的流动性和稳定性，还会导致脂质过氧化产物的增加，进一步加重细胞的氧化损伤。

线粒体功能障碍与代谢重塑之间存在着密切的相互作用，共同推动衰老和年龄相关疾病的发生。线粒体功能下降会导致能量供应不足，迫使细胞调整代谢模式以获取能量，而代谢模式的改变又会反过来影响线粒体的功能。例如，糖酵解增强产生的大量丙酮酸如果不能及时进入线粒体进行有氧氧化，会在线粒体外转化为乳酸，同时也会减少线粒体的底物供应，进一步抑制线粒体的功能。

在年龄相关疾病中，这种线粒体与代谢的协同异常表现得更为突出。以2型糖尿病为例，胰岛素抵抗是其核心病理生理过程。线粒体功能障碍导致肌肉、肝脏等组织细胞的能量代谢异常，葡萄糖的摄取和利用减少。同时，代谢重塑使得这些组织细胞更多地依赖脂肪代谢供能，脂肪分解增加，血液中游离脂肪酸水平升高，又会进一步加重胰岛素抵抗，形成恶性循环，最终导致血糖的失控。

再看神经退行性疾病，如阿尔茨海默病。大脑是高耗能器官，对线粒体产生的ATP依赖程度极高。衰老导致的线粒体功能障碍使神经元能量供应不足，同时产生的大量ROS会损伤神经元的DNA和蛋白质，导致神经元功能异常甚至死亡。代谢方面，神经元的葡萄糖代谢出现障碍，无法有效利用葡萄糖产生能量，而替代的代谢途径又不能充分补偿能量的缺乏，最终导致神经元的退行性变。

生活方式的干预也显示出一定的潜力。热量限制是被广泛研究的能够延缓衰老、改善年龄相关疾病的方法。研究表明，热量限制可以改善线粒体功能，减少ROS的产生，同时调节细胞代谢，增强细胞对能量的利用效率。运动同样对线粒体和代谢有积极的影响，规律的运动可以提高线粒体的数量和功能，促进葡萄糖和脂质的代谢，改善细胞的能量状态。

线粒体功能障碍和代谢重塑是衰老及年龄相关疾病发生发展的重要驱动因素，它们之间的相互作用形成了复杂的调控网络。

原文：https://www.nature.com/articles/s41574-021-00626-7?sessionid=

本文转自：线粒体科普。Bioπ中国美肤科学传播平台发布本文只是为了更多的信息参考，不代表任何有倾向性的投资意见或市场暗示。

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