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發現線粒體內部各嵴獨立產能量 如 Tesla 電動車充電池系統

2019/10/17 — 14:21

電子顯微鏡圖所示紅色均為線粒體。

電子顯微鏡圖所示紅色均為線粒體。

多年來,科學家一直認為細胞內的細胞器線粒體 (mitochondrion) 製造能量的方式有如一顆乾電池,每個細胞器只能製造定量的能量。不過最新刊於 The EMBO Journal 的研究指,每一個線粒體由由許多單獨的生物電單元組成,情況就如 Tesla 電動車的充電池由數以千計的電池單元組成,能快速提供非常大電流並可安全地管理能量。

線粒體是絕大部份真核細胞 (eukaryotic cell) 的「發電廠」,這個直徑只有 0.5-10 微米的細胞器專門合成三磷酸腺苷 (ATP) 作為能源供細胞使用,亦會合成如鐵、硫等的微量要素。在人體,除了紅血球,所有細胞都有至少一個線粒體,有的甚至有幾千個。線粒體表面光滑,一般呈短棒狀或圓球狀,而內裡則有大量稱為嵴 (cristae) 、向細胞器中央褶皺的結構。直至此研究前,學界只以為嵴的出現僅是為了增加製造能量的表面面積 (surface area) 。表面面積是指一立體圖形所有表面的面積之和。

Credit: Wolf, D.M. & et al. (2019).

Credit: Wolf, D.M. & et al. (2019).

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有參與研究的加州大學洛杉磯分校內分泌和藥理學教授 Orian Shirihai 指,過去從來無人想過要去調查這件事,因為我們一直都假設一個線粒體就相當於一顆電池。

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Shirihai 又指很多電動車工程師向他表示,使用大量小型電池而不是一個大型電池的好處是,如果一個電池發生故障整個電池系統仍可繼續運作,而多個小型電池單元可在需要時提供很高的電流。 Tesla 的電動車視乎型號,其電池系統普遍由 5,000–7,000 個小型電池單元供電,這些電池單元可讓車輛快速充電、有效冷卻並迅速提供大量能量來加速。

Shirihai 此前在用常規顯微鏡觀察到,細胞在少數極長的線粒體中仍功能良好,與乾電池比喻的想法不符。他開始懷疑每個線粒體是否真的只是一顆大乾電。

他與團隊開發了一種用前所未有高解像方法記錄活體細胞線粒體嵴上電壓,並以高解像顯微鏡觀察線粒體內部情況,以了解其能量生產和電壓分佈。最終發現,每一個嵴都能獨自產生能量,一個嵴被破壞停止運作後,其他仍可維持製造能量。

在每個嵴之間,會有蛋白質簇標示各自的邊界。過去人類已知沒有這些蛋白質,線粒體更易受損。現在 Shirihai 的團隊可解釋這個情況:這些蛋白質作用是分隔每個嵴的絕緣體;如果沒有它們整個線粒體就變成了一顆大電池,一受破壞就完全無法製造能量。

器官組織缺血再灌流 (ischemia‐reperfusion injury) 過去都被知與嵴結構嚴重紊亂有關,發現可有助未來研究線粒體與衰老和類似疾病的關係。

來源:
Phys.org, Mitochondria work much like Tesla battery packs, study finds, 15 October 2019

報告:
Wolf, D.M., Segawa, M., Kondadi, A.K. &  et al. (2019). Individual cristae within the same mitochondrion display different membrane potentials and are functionally independent. EMBO J (2019)e101056. doi: 10.15252/embj.2018101056

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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