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加州大学洛杉矶分校新闻

研究发现,细胞的线粒体工作原理很像特斯拉电池组

多年来,科学家们一直认为线粒体活细胞的能量产生中心它的工作原理与家用电池非常相似,都是通过单个电池或电池内的化学反应来产生能量。现在,加州大学洛杉矶分校的研究人员已经证明,线粒体是由许多单个的生物电单元组成的,它们以阵列的形式产生能量,类似于特斯拉电动汽车电池,它包含数千个电池单元,以安全管理能量,并为非常高的电流提供快速通道。

“以前没有人研究过这个问题,因为我们太拘泥于这种思维方式;假设一个线粒体意味着一个电池,加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院内分泌和药理学教授、该研究的资深作者Orian Shirihai博士说。发生在加州也不是巧合,那里的电动汽车革命已经影响了校园的每一个角落。

线粒体是细胞器的一种在细胞内执行特定功能的微小结构。人体的所有细胞,除了红细胞,都含有一个或多个-有时几千-线粒体。这些细胞器有光滑的外膜和皱褶的内膜,内膜有皱褶,称为嵴,向线粒体中心延伸。到目前为止,研究人员认为,内膜的褶皱结构的目的只是为了增加能量生产的表面积。

“电动车工程师告诉我有很多小电池而不是一个大电池的优点;如果一个电池发生故障,系统可以继续工作,多个小电池可以在你需要的时候提供非常高的电流。”Shirihai说。

例如,特斯拉汽车由5000至7000个小电池驱动,具体取决于车型。这些小电池排列在一个大电网中,让车辆快速充电,高效冷却,并快速使用大量电力来加速。

Shirihai使用传统显微镜观察,发现细胞在少量的非常长的线粒体下功能良好,这与许多小电池的想法不相符。他开始怀疑每个线粒体是否真的是一个大电池。

Shirihai和他的同事们面临着一个困难的挑战,即开发一种方法,以前所未有的分辨率绘制活细胞线粒体膜上的电压。两名学生,Dane Wolf和Mayuko Segawa,优化了一种高分辨率显微镜来观察线粒体内部,观察细胞器内的能量产生和电压分布。

“这些图像告诉我们,每个嵴都是电独立的,作为一个自主电池,”Shirihai说。“一个嵴会受损并停止功能,而其他的则保持其膜电位。”

在每个嵴之间,线粒体的内膜向外环回,成群的蛋白质形成每个嵴的边界。研究人员知道,没有这些蛋白质,线粒体对损伤更敏感。现在,Shirihai解释了原因:这些蛋白质通常将每个嵴与其相邻的嵴分开,起到电绝缘体的作用。在缺乏这些蛋白质的细胞中,Shirihai发现每个线粒体变成了一个巨大的电池。

“最初与我交谈过的电池专家听到他们是对的,都非常兴奋,”Shirihai说。“事实证明,线粒体和特斯拉,以及它们众多的小电池,是趋同进化的一个例子。”

研究人员说,这一发现可能有助于对线粒体在衰老、疾病和并发症中的作用有新的认识。作者注意到许多疾病与严重的嵴结构紊乱有关。

Shirihai博士与加州大学洛杉矶分校医学助理教授Marc Liesa是这篇论文的共同通讯作者。Wolf和Segawa是第一作者。

国家卫生研究院、国家癌症研究所、国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所、德国联邦科学基金会和德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学为这项研究提供了资金。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://newsroom.ucla.edu/releases/cells-mitochondria-tesla-battery-packs