为什么我们会感觉白天精力充沛，夜晚却容易困倦？这种现象不仅仅与睡眠有关，实际上是“能量工厂”线粒体和“内部时钟”昼夜节律的默契配合在发挥作用。就像舞台上的两位舞者，一个负责提供动力，一个负责掌控节奏，只有配合得当，我们的身体才能在每天24小时内运转自如。让我们来一探线粒体与昼夜节律之间的奇妙关系，看看它们是如何共同维持我们的健康和活力的。
线粒体-细胞的能量工厂
线粒体是细胞中的双层膜细胞器，细胞呼吸的核心目的是通过分解有机分子（如葡萄糖）释放能量并生成三磷酸腺苷（ATP），为细胞的生理活动提供能量，而其中的两个重要步骤：柠檬酸循环和氧化磷酸化都需要在线粒体中进行。线粒体中发生的一系列高度协调的生化反应，将有机分子中的化学能转化为ATP，这个过程不仅高效，而且能够根据细胞的能量需求进行调节，确保细胞在各种生理条件下都能获得足够的能量，支持其功能和生存。因此线粒体也被称为细胞的“能量工厂”[1]。
昼夜节律-身体的时间管家
昼夜节律与线粒体的密切关系
线粒体-昼夜节律失调与疾病
代谢综合征：不规律的睡眠和饮食模式会干扰昼夜节律，影响线粒体对脂肪和糖的代谢效率，增加胰岛素抵抗风险，进而导致肥胖和糖尿病等代谢类疾病[7]。
神经退行性疾病：线粒体产生的氧化应激和昼夜节律失调与神经退行性疾病的发生发展密切相关。一个皮层神经元在静息状态下每秒需消耗47亿个ATP分子[8]。在阿尔茨海默病患者体内观察到线粒体形态和功能都发生了一定的变化，帕金森病患者线粒体中复合体酶I活性降低，破坏了黑质神经元的完整性[9]。昼夜节律紊乱也被认为是这些引发这些疾病的重要因素之一，处于昼夜节律紊乱环境中的小鼠下丘脑中多个时钟基因的转录水平异常，出现焦躁、过度活跃及日间睡眠片段化，从而加速了神经细胞的损伤[10]。
心血管疾病：线粒体作为细胞代谢产生ATP的关键场所，为人类心肌细胞的收缩和舒张提供了大量能量。功能异常的线粒体积累会引发心血管疾病。例如，在心力衰竭中，心脏对能量的需求特别高，需要依赖线粒体的氧化磷酸化（OXPHOS）来持续为心肌细胞提供ATP[11]。健康人的血压和心率在白天较高，夜间较低，这种变化与昼夜节律同步，不规律的睡眠或睡眠不足会扰乱昼夜节律，并增加高血压、动脉粥样硬化、心衰等心血管疾病的发病率[12]。
小节与展望
总的来说，线粒体与昼夜节律的关系反映了生物体内能量代谢与时间节律的密切协作。昼夜节律帮助线粒体精准匹配机体每日能量需求，调节了包括线粒体生物合成、线粒体动力学以及形态变化等多个生理过程。同时，线粒体也能对昼夜节律产生反馈调节，如线粒体可通过多种能量代谢副产物调控昼夜节律基因的表达，线粒体功能失调则会对会对昼夜节律产生不良影响。因此，两者之间的双向调节确保了身体在不同时间段都能有效维持能量平衡和健康状态。
参考文献
REFERENCES
[1] van der Bliek A M, Sedensky M M, Morgan P G. Cell biology of the mitochondrion. Genetics, 2017, 207 (3): 843-871
[2] Hastings M H, Maywood E S, Brancaccio M. Generation of circadian rhythms in the suprachiasmatic nucleus. Nat Rev Neurosci, 2018, 19(8): 453-469
[3] Neufeld-Cohen A, Robles M S, Aviram R, et al. Circadian control of oscillations in mitochondrial rate-limiting enzymes and nutrient utilization by PERIOD proteins. Proc Natl Acad Sci USA, 2016, 113(12): E1673-E1682
[4] Richardson R B, Mailloux R J. Mitochondria need their sleep: redox, bioenergetics, and temperature regulation of circadian rhythms and the role of cysteine-mediated redox signaling, uncoupling proteins, and substrate cycles. Antioxidants (Basel), 2023, 12(3): 674
[5] Jin Z, Ji Y, Su W, et al. The role of circadian clock-controlled mitochondrial dynamics in diabetic cardiomyopathy. Front Immunol, 2023, 14: 1142512
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[7] Lee D Y, Jung I, Park S Y, et al. Attention to innate circadian rhythm and the impact of its disruption on diabetes. Diabetes Metab J, 2024, 48(1): 37-52
[8] Kramer P, Bressan P. Our (mother’s) mitochondria and our mind. Perspect Psychol Sci, 2018, 13(1): 88-100
[9] Moon H E, Paek S H. Mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease. Exp Neurobiol, 2015, 24(2): 103-116
[10] 卢悦, 赵国杰, 吴芳杉, 等. γ-氨基丁酸对昼夜节律紊乱型小鼠睡眠干预研究. 营养学报, 2023, 45(2): 139-147
[11] Liu Y, Huang Y, Xu C, et al. Mitochondrial dysfunction and therapeutic perspectives in cardiovascular diseases. Int J Mol Sci, 2022, 23(24): 16053
[12] Neves A R, Albuquerque T, Quintela T, et al. Circadian rhythm and disease: Relationship, new insights, and future perspectives. J Cell Physiol, 2022, 237(8): 3239-3256
作者简介
杨婷婷
北京体育大学研究生，研究方向为昼夜节律与骨骼肌健康。
于亮
北京体育大学教授，博士生导师，研究方向为运动表现生理学与体能训练、运动与骨骼肌。
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