线粒体与衰老的关系以及运动在其中的作用研究.pdf

7运动与健康Sports and Health第 2 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.2 No.5Oct.2023线粒体与衰老的关系以及运动在其中的作用研究姬瑞霞（天津体育学院，天津 301600）摘 要：随着人类寿命的延长，老龄化现象对世界各国成为一种挑战。衰老是一种复杂的生物学过程，它与许多因素有关，包括环境、基因、遗传以及生活方式等。线粒体是细胞内重要的细胞器，它是能量、代谢的中心，其功能和衰老的关系密不可分。近年来，越来越多的证据表明运动可以延缓衰老，并与线粒体功能的变化相关。为此，研究了线粒体与衰老的关系，以及运动在其中的作用。关键词：线粒体；衰老；运动中图分类号：G804.2;R493 文献标识码：AResearch on the Relationship between Mitochondria and Aging and the Role of Exercise in itJI Ruixia(Tianjin University of Sport,Tianjin 301600)Abstract:With the extension of human lifespan,the phenomenon of aging has become a challenge for countries around the world.Aging is a complex biological process that is related to many factors,including environment,genes,genetics,and lifestyle.Mitochondria are important organelles within cells,serving as the center of energy and metabolism,and their function is closely related to aging.In recent years,increasing evidence has shown that exercise can delay aging and is associated with changes in mitochondrial function.Therefore,this article investigates the relationship between mitochondria and aging,as well as the role of exercise in it.Keywords:mitochondria;aging;exercise作者简介：姬瑞霞（1997），女，天津体育学院硕士研究生，研究方向为细胞分子与运动生理学。衰老是一个不可避免的发展过程，影响着全身的器官和系统，肌肉的骨骼系统也不能避免。随着年龄的增长，老年人的肌肉含量降低，肌力下降，这种现象与许多因素都有关系，比如表观遗传的变化、线粒体的功能障碍以及生活方式等。预计到2050年，全球普通人口中超过60岁的人口将占很大比例，这使得改善对衰老相关疾病的管理成为重要问题1。线粒体DNA突变是多种具有特定临床表现和线粒体功能下降疾病的病因，反映在ATP合成缺陷和有毒活性氧生成增加，这是自然衰老的普遍特征。它伴随着衰老的其他特征，包括多个器官功能的进行性丧失，骨骼肌减少症和适应不良的低度炎症的增加。这些疾病以死亡告终，也是功能丧失的累积结果，导致环境危害的脆弱性增加，或导致心脏、肝脏或肾脏等关键器官系统的衰竭。本文将探讨运动对线粒体的影响，包括线粒体数量、功能、质量和代谢的影响，并讨论如何通过运动来延缓衰老。1 线粒体和衰老线粒体功能障碍、氧化应激、细胞间通讯变化（包括慢性低度炎症）、基因组的不稳定、端粒磨损、蛋白酶抑制剂丧失、表观遗传改变以及干细胞衰竭已被认为是衰老的标志2。细胞凋亡与包括人类在内的真核生物的细胞衰老有关，线粒体代谢、线粒体在有氧呼吸和无氧呼吸参与细胞凋亡的过程，细胞凋亡的形态学和生化特征使人们能够很容易地将其与其他类型的细胞死亡区分开来。当细胞凋亡开始时，会出现膜通透性转变，其特征是线粒体内部跨膜电位的破坏，下一阶段的特征是染色质凝结和核碎片。然而，在哺乳动物细胞凋亡中，动力蛋白相关蛋白Drp-1诱导线粒体破碎，该因子参与线粒体分裂，但主要位于细胞质中。在凋亡条件下，胞质Drp-1易位到线粒体中。Drp-1失活可直接阻止细胞凋亡和线粒体分裂3。即使在单细胞生物中，细胞凋亡机制也是很复杂的。例如，在酵母中，凋亡样细胞死亡是由不同的刺激诱导的，包括衰老、化学或物理应激。1.1 线粒体质量控制和衰老线粒体生物发生是确保细胞器数量满足细胞能量需求的过程，并通过协调的核-线粒体串扰来完成。由8第 2 卷2023 年 10 月运动与健康Sports and Health于线粒体发生的减少，线粒体质量在衰老过程中减少。然而，如果受损的细胞器没有得到充分的处理，线粒体补充就不会那么有效。因此，有适当的线粒体质量控制（MQC）过程（即线粒体蛋白质沉积、动态和自噬），以保证细胞器稳态。最近，溶酶体和线粒体之间的功能连接也频繁被描述4。事实上，两种细胞器中的其中一种缺陷会导致另一种细胞器的损伤，从而表明存在线粒体-溶酶体轴。例如，参与线粒体复制、转录和维持的线粒体转录因子A（TFAM）的消融，增加了T细胞中溶酶体的数量。然而，由于线粒体呼吸不足和内溶酶体运输的中断，导致了溶酶体活性受损，最终触发炎症反应。线粒体来源的囊泡（MDVs）已被提出作为一种额外的手段，通过它，细胞器成分可以被传递到溶酶体进行MQC，外泌体中线粒体成分的存在是线粒体和内溶酶体系统之间的串扰的间接证据。尽管MDVs的产生机制尚不清楚，但它们的生物发生似乎独立于DRP1进行，需要启动PINK1和Parkin。通过这一途径，富含线粒体基质货物的大的双膜囊泡被释放出来，虽然在很大程度上是间接的，但现有的证据表明，衰老过程中的线粒体功能障碍可能主要是由MDV运输的改变和线粒体吞噬的缺陷引起的。因此，人们积极寻求揭示MQC失败的机制，以确定抗衰老干预的新的生物靶点。1.2 线粒体遗传学与衰老线粒体DNA以非孟德尔方式遗传，在哺乳动物中，除了少数的一些例外，通过卵母细胞（母系遗传）遗传，受精后不久雄配子线粒体被积极破坏。在以这种方式遗传的DNA中，等位基因组常常在进化上的很长时间内保持联系，这种等位基因组被称为单倍型。系统发育相关的单倍型群被称为单倍群，它们通常与特定的地理区域有关，所有这些都在从假设的单一祖先“线粒体Eve”进化过程中分化而来。这种单倍群的特征是mtDNA中的一系列多态性，其中编码N个单倍群的是ND3，其他特定的单倍群与长寿和特定疾病风险的改变有关。一些单倍型对疾病或寿命的影响可能取决于它们被发现的环境。J2和U单倍型也减少了ROS的产生，这可能与它与寿命的关联有关，另外，ROS的产生量和寿命之间的关系并不简单。除了强调随着年龄的增长，mtDNA突变的积累可能存在显著的物种差异外，这些数据还表明，人类自发产生的线粒体突变的积累与衰老有关5。1.3 线粒体代谢与衰老线粒体是代谢中心，线粒体代谢，如氧化磷酸化和线粒体吞噬，可以提高老组织和器官中干细胞的再生能力，但机制尚不清楚。线粒体在动物再生中具有直接或相关的功能，衰老因子也被注意到可以注入线粒体调节的动物再生，线粒体在衰老研究中得到了广泛的研究。人们普遍认为，衰老动物的再生能力下降，组织中mtDNA突变积累。它在动物再生过程中衰老的分子机制尚不清楚，研究正在进行中。线粒体是代谢的中心，产生几个关键的表观遗传修饰调节衰老。多项研究发现，对线粒体代谢如氧化磷酸化（OXPHOS）和线粒体吞噬等干预策略可以提高衰老组织和器官中干细胞的再生能力。其增强结构和全身再生的功能和潜在工具尚不清楚。事实上，在不同类型的动物再生中可能存在保守的机制，对生物系统中存在的调节机制的利用6。2 衰老与运动运动是一种非药物干预措施，可以改善衰老期间的健康状况，也是诊断衰老相关疾病的宝贵工具。在肌肉中，运动会瞬间改变线粒体的功能和新陈代谢。线粒体分裂和融合是线粒体可塑性的关键影响因素，线粒体可塑性允许对细胞器的连接性、大小和功能进行微调调节。研究显示：每天的运动会延迟线粒体断裂和随着年龄的增长而出现的体能下降。令人惊讶的是，在分析的长寿基因型中，AMP活化蛋白激酶（AMPK）的组成在衰老过程中独特地保持了身体健康，这一益处被线粒体分裂或融合的损伤所抵消。AMPK也是运动增强体质所必需的，研究结果表明，运动可以通过AMPK调节线粒体动力学来增强肌肉功能。线粒体连接和线粒体动力学循环在衰老过程中保持身体健康和运动反应性至关重要，并表明AMPK激活可能会概括一些运动益处。优化线粒体分裂和融合以及AMPK激活的靶向机制可能是促进衰老过程中肌肉功能的有前途的策略。2.1 运动诱导的活性氧（ROS）的衰老在运动中的作用活性氧（ROS）是氧的衍生物，其内在来源于氧化磷酸化过程，外在来源于对外源性物质和污染的反应。ROS与各种情况有关，如运动、衰老、炎症和神经退行性疾病。运动对ROS的影响从有害到有益各不相同，取决于运动的类型，因为它们会诱导不同类型的ROS。长期运动调节信号通路，增强抗氧化防御系统并控制ROS的产生。线粒体损伤是细胞衰老和死亡的结构基础，活性9第 5 期氧的主要来源是线粒体，因此线粒体也是活性氧的主要的攻击对象，不间断的活性氧氧化作会增加线粒体DNA的损伤，导致许多翻译的错误，这些错误在细胞分裂时会被随机分布，导致线粒体呼吸链及线粒体氧化磷酸化的功能受损，导致线粒体的功能受到严重损伤，从而导致身体组织、器官功能的减退，从而促进机体的衰老。2.2 运动延缓衰老运动是一种广泛可及、低成本的干预措施，对多器官系统有多种益处。运动可以改善身体表现的多项指标，并刺激显著的健康益处，减少一系列疾病，包括代谢、心血管和神经退行性疾病。耐力运动可以延缓大脑衰老，保持记忆和认知，并改善神经退行性疾病的症状，如肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿舞蹈病和各种共济失调。运动有益作用的潜在机制包括神经元存活和可塑性、神经发生、表观遗传学修饰、血管生成、自噬以及神经营养因子和细胞因子的合成和释放。运动不仅能改善整体大脑健康，而且可以作为一种有效的抗衰老疗法，但负面影响最小。在多种神经退行性变模型中，耐力运动可增强神经元的存活，促进突触的可塑性，并减缓疾病的发展。耐力运动的神经保护作用包括减少胰岛素抵抗、减少神经炎症、减少压力和焦虑，以及增加睡眠、增加生长因子释放、神经发生和血管生成等好处。耐力运动对多种组织线粒体动力学、改善线粒体呼吸、生物发生、裂变融合和线粒体吞噬都 有影响7。3 线粒体与衰老的关系以及运动的影响年龄相关的线粒体功能下降与其对骨骼肌生理和功能的影响之间的关系尚不清楚。在目前的研究中，衰老与线粒体能力、运动能力和效率、步态稳定性、肌肉功能和胰岛素敏感性的下降有关，即使在保持足够的日常体育活动水平的情况下也是如此。研究表明，通过定期运动训练进一步提高身体活动水平，可以在很大程度上抵消衰老的影响。运动可能有助于保持现有线粒体健康的另一种方法是减少自由基损伤。运动可以增强人体抵抗氧化应激的天然防御能力，使身体具有更大的能力来淬灭自由基，这些自由基可能会破坏细胞和内部DNA。线粒体由于具有很高的代谢活性，因此具有产生大量自由基的能力，这些自由基最终会对其造成伤害，从而导致其灭亡。ROS循环也会使线粒体的功能受到很严重的损伤，从而导致线粒体的合成障碍，加速衰老的进程和发展。长时间的、低强度的有氧运动会引起线粒体最终发生适应性的变化，从而提高线粒体的氧化磷酸化的水平和抗氧化的能力，减弱或终止活性氧的恶性循环，从而使机体受益，这是运动技能适应的一种机制，也是运动延缓衰老和促进身体健康的主要的机制。4 结语线粒体的功能随着年龄的增长功能逐渐减弱，研究显示，线粒体的质量、代谢以及功能都会减弱或减少，这是由于线粒体DNA受到损伤，从而影响了线粒体的功能，比如线粒体膜电位的变化会导致细胞的能量代谢和呼吸功能和代谢功能的减弱，因此推动了细胞的衰老进程，活性氧的变化也会因为线粒体DNA的变化，对机体产生不同的影响，运动减少氧化应激，减少炎症，防止细胞衰老，剧烈运动产生高ROS水平，可能加速疾病进展8。适量的运动会使线粒体的质量以及数量很大程度上得到改善，且抗氧化剂的产生会减慢衰老的进程，因此线粒体和衰老的关系密不可分，其中的调控的分子机制也十分复杂，因此适量的运动会改善线粒体的功能，调节身体的机能状态，从而延缓衰老的过程。参考文献1 REZU E,BURLUI A,CARDONEANU A,et al.Inactivity and Skeletal Muscle Metabolism:A Vicious Cycle in Old AgeJ.Int J Mol Sci,2020,21(2)：592.2 PICCA A,GUERRA F,CALVANI R,et al.Mitochondrial Dysfunction and Aging:Insights from the Analysis of Extracellular VesiclesJ.Int J Mol Sci,2019,20(4)：805.3 KACZANOWSKI S.Apoptosis:its origin,history,maintenance and the medical implications for cancer and agingJ.Phys Biol,2016,13(3):031001.4 SOTO-HEREDERO G,BAIXAULI F,MITTELBRUNN M.Interorganelle Communication between Mitochondria and the Endolysosomal SystemJ.Front Cell Dev Biol,2017,5:95.5 WEBB M,SIDERIS D P.Intimate Relations-Mitochondria and AgeingJ.Int J Mol Sci,2020,21(20)：7580.6 ZHAO 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