粒線體篇:影響粒線體電子穿隧與電子傳遞效率的生理病理因素
張國柱 粒線體電子穿隧效應並非單指量子物理上的抽象概念,而是反映在粒線體電子傳遞鏈( electron transport chain, ETC )中電子由一個氧化還原中心移至另一中心的整體效率。此過程高度依賴內膜結構的完整性、呼吸鏈複合體的正常組裝、內膜脂質的微環境、氧化還原平衡與膜電位的穩定性。因此,凡是能破壞粒線體內膜、改變呼吸鏈蛋白構形、增加活性氧物種( reactive oxygen species, ROS )生成或造成粒線體 DNA ( mtDNA )損傷的生理病理因素,皆可影響電子穿隧、電子傳遞效率與 ATP 的生成。 在病理機轉上,缺氧、缺血與再灌流是最具代表性的影響因素之一。當氧供( oxygen supply )不足時,氧作為電子傳遞鏈最終受體的功能受限,使電子在複合體 I 、 III 與泛醌池( pool )中累積,造成還原壓力升高;當再灌流恢復氧供時,過度還原的呼吸鏈元件又會快速將電子轉移給氧,導致大量 ROS 生成。這不僅使電子傳遞效率下降,也會進一步氧化複合體蛋白、膜脂與 mtDNA ,形成惡性循環。心肌缺血再灌流與腦缺血再灌流皆已被證明與複合體 I 損傷及粒線體功能失衡密切相關。 氧化壓力( oxidative stress )升高亦是影響電子穿隧效率的核心機制。正常情況下,呼吸鏈少量漏電子( leakage electron )可作為訊號調節的一部分;然而在病理狀態下,複合體 I 與 III 成為重要 ROS 的來源,過量 ROS 會氧化 Fe-S 中心、巰基殘基( thiol group/sulfhydryl group )與內膜脂質,進一步削弱電子傳遞能力。這種「 ROS 導致呼吸鏈受損,而受損的呼吸鏈又產生更多 ROS 」的循環,是老化、心血管疾病、神經退化與慢性發炎狀態中的共同病理基礎。 在內膜脂質中,心磷脂( cardiolipin )異常對電子傳遞鏈功能尤其重要。心磷脂是粒線體內膜特有且高度富集( enrichment )的磷脂,對複合體 I 、 III 、 IV 與超複合體( supercomplex )(附註一)的形成與穩定具有關鍵作用。當心磷脂含量下降、脂肪酸鏈組成異常或遭受脂質過氧化時,呼吸鏈複合體之間的排列與耦合會受到破壞,電子傳遞效率下降,並促進 cytochrome ...