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研究发现:过多糖或致线粒体功能失调

近日,来自美国范安德尔研究所的一个研究团队发表在《Cell Reports》上的一项研究发现,过多的糖会影响线粒体膜的脂质成分,并导致线粒体出现功能缺陷,从而影响整体健康。

  糖本身就是碳水化合物。摄入过量的碳水化合物是导致糖尿病等代谢疾病最常见的原因之一。功能失调的线粒体被认为在这类代谢问题中同样发挥着关键作用。尽管这二者之间的联系显著,但到底是什么在这一过程中导致了线粒体功能障碍还难以捉摸,上述研究阐明了这一机制。

  线粒体,通常被称为细胞的动力工厂。线粒体损伤会影响ATP的产生、代谢物转化和细胞活性氧(ROS)的生成。此外,线粒体功能障碍涉及多种健康问题,包括心血管问题、神经退行性变和癌症。

  葡萄糖是人体健康的重要代谢物,它在血液中的浓度受到严格控制,当糖代谢失调就会导致包括糖尿病等代谢综合征的一系列疾病。普遍观点认为,一旦细胞不再按照指示摄取葡萄糖,高血糖最终会导致胰岛素抵抗,再进一步会导致糖尿病。

  高血糖症已影响全球超过4亿人。关于高血糖有害健康的影响在组织水平上已经得到了广泛且深入的研究。但在细胞水平上它是如何影响健康的呢?研究人员认为,细胞内葡萄糖供应的增加会导致细胞功能障碍,最终导致组织对胰岛素不起反应。然而,导致这些变化的机制仍知之甚少。

  在这项研究中,研究人员构建了一个将膳食碳水化合物摄入量与细胞器功能联系起来的体内模型来识别早期细胞变化。该模型显示,细胞内葡萄糖利用率的增加通过降低线粒体膜中多不饱和脂肪酸(PUFA)的含量直接影响了线粒体功能。多不饱和脂肪酸不仅帮助线粒体发挥作用,还控制其他几个过程,包括炎症、血压和细胞间的通讯。当体内有过量的糖时,它们不会变成多不饱和脂肪酸,而是合成为一种不同形式的脂肪酸,并对线粒体施加压力。在压力下,导致了线粒体电子传递链功能和结构完整性的缺陷。因此,膜的稳定性和灵活性都受到损害,制造能量的效率也大幅降低。

  研究人员认为,高碳水饮食对线粒体的有害影响可能从早期开始积累,远远早于出现临床症状前。而这种早期的缺陷在没有压力的情况下很难被发现,但它们可能为随后的慢性健康问题打下了基础。因为饮食影响整个机体,体内葡萄糖和脂质的调节涉及多个器官和组织,个体间的遗传变异不仅仅局限于某个特定组织。研究人员推断,其他细胞器功能也受到了影响。他们又进行了一系列实验:确认了当过量葡萄糖摄取仅限于脂肪细胞时,葡萄糖对基因表达的影响仍然存在。并且这一影响通过组织间脂质传递到全身其他组织。

  该研究通讯作者、范安德尔研究所的助理教授吴宁解释说:“虽然我们不会马上注意到线粒体性能出现差异,但身体能察觉到。如果脂质平衡被破坏的时间足够长,身体就会开始出现一些微妙的变化,如更快感觉疲劳。”

  除了糖,研究人员还发现摄入过多的碳水化合物会降低补充多不饱和脂肪酸的健康影响。随后,研究人员让小鼠保持生酮饮食5周后发现,部分小鼠的线粒体结构和电子传递链缺陷得到改善,膜脂质成分恢复正常。然而,生酮饮食并没能挽救小鼠的所有表型。

  此外,已知许多癌细胞会上调葡萄糖的摄入量,以进行自身脂肪生成,并在复制过程中产生足够的脂质用于构建膜。这项研究结果表明,由于多不饱和脂肪酸含量较少,癌细胞线粒体的氧化磷酸化活性更低,这在一定程度上解释了癌细胞增加对糖酵解能量的依赖,从而形成了一个有害的负反馈循环。研究人员表示,证实这一假设还需要更多的研究。

  总之,这项研究结果表明了体内过量碳水化合物和线粒体功能之间的早期联系,从机理上证实了高糖和高碳水化合物饮食的一个有害方面。吴宁说:“虽然我们的研究没有提供医学建议,但它确实阐明了代谢疾病的早期阶段,并提供了可能影响未来预防和治疗工作的见解。”

  (来源:中国生物技术网)