论线粒体产能的动力炉的分析

论线粒体产能的动力炉的分析

王沐馨

大庆实验中学

摘要：通过研究基于线粒体的结构及产能方式，研发一种类似线粒体的仿生动力炉，利用ATP分解释放热量，来达到节约化石燃料的使用，废弃资源合理利用，从而达到可持续发展。

关键词：线粒体；产能；热量

首先，利用转基因技术提取拥有可分解剩饭剩菜基因组的细菌中所需要的目的基因，再人工合成产生呼吸酶的DNA片段。同时转入特定细菌中，与其本身的基因组进行重组，再从重组体中进行数代的人工选育，从而获得具有分解剩饭剩菜产生多糖同时产生呼吸酶的稳定表现的遗传性状的细菌。

本课题使用包埋法来固定细菌，将这些细菌颗粒装到一个反应柱上，柱子的底端分布着许多装上小孔的筛板，细菌颗粒无法通过底端的筛板，而反应溶液却可以自由出入，生产过程中，将剩饭剩菜及无法回收垃圾的碎渣从上层注入，使碎渣流过反应柱，与固化细菌接触转化为各种单糖，从反应柱的下端流出，为动力炉提供消耗的原料。反应柱能连续使用，大大降低了生产成本，同时防止细菌进入下一步反应。

线粒体是真核生物进行氧化代谢的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体负责的最终氧化的共同途径是三羧酸循环与氧化磷酸化，分别对应有氧呼吸的第二、三阶段。细胞质基质中完成的糖酵解和在线粒体基质中完成的三羧酸循环在会产还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reducednicotinarnideadeninedinucleotide，NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（reducedflavinadenosinedinucleotide，FADH2）等高能分子，而氧化磷酸化这一步骤的作用则是利用这些物质还原氧气释放能量合成ATP。在有氧呼吸过程中，1分子葡萄糖经过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化将能量释放后，可产生30-32分子ATP（考虑到将NADH运入线粒体可能需消耗2分子ATP）。如果细胞所在环境缺氧，则会转而进行无氧呼吸。此时，糖酵解产生的丙酮酸便不再进入线粒体内的三羧酸循环，而是继续在细胞质基质中反应（被NADH还原成乙醇或乳酸等发酵产物），但不产生ATP。所以在无氧呼吸过程中，1分子葡萄糖只能在第一阶段产生2分子ATP。

糖酵解中生成的每分子丙酮酸会被主动运输转运穿过线粒体膜。进入线粒体基质后，丙酮酸会被氧化，并与辅酶A结合生成CO2、还原型辅酶Ⅰ和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是三羧酸循环（也称为“柠檬酸循环”或“Krebs循环”）的初级底物。参与该循环的酶除位于线粒体内膜的琥珀酸脱氢酶外都游离于线粒体基质中。在三羧酸循环中，每分子乙酰辅酶A被氧化的同时会产生起始电子传递链的还原型辅因子（包括3分子NADH和1分子FADH2）以及1分子三磷酸鸟苷（GTP）。

NADH和FADH2等具有还原性的分子（在细胞质基质中的还原当量可从由逆向转运蛋白构成的苹果酸-天冬氨酸穿梭系统或通过磷酸甘油穿梭作用进入电子传递链）在电子传递链里面经过几步反应最终将氧气还原并释放能量，其中一部分能量用于生成ATP，其余则作为热能散失。在线粒体内膜上的酶复合物（NADH-泛醌还原酶、泛醌-细胞色素c还原酶、细胞色素c氧化酶）利用过程中释放的能量将质子逆浓度梯度泵入线粒体膜间隙。虽然这一过程是高效的，但仍有少量电子会过早地还原氧气，形成超氧化物等活性氧（ROS），这些物质能引起氧化应激反应使线粒体性能发生衰退。

在细胞呼吸的第1阶段中包括一些脱羧和氧化反应，但在三羧酸循环中更为集中。三羧酸循环是在需氧生物中普遍存在的环状反应序列。循环由连续的酶促反应组成，反应中间物质都是含有3个羧基的三羧酸或含有2个羧基的二羧酸，故称三羧酸循环。因柠檬酸是环上物质，又称柠檬酸循环。也可用发现者的名字命名为克雷布斯循环。

当质子被泵入线粒体膜间隙后，线粒体内膜两侧便建立起了电化学梯度，质子就会有顺浓度梯度扩散的趋势。质子唯一的扩散通道是ATP合酶（呼吸链复合物V）。当质子通过复合物从膜间隙回到线粒体基质时，电势能被ATP合酶用于将ADP和磷酸合成ATP。这个过程被称为“化学渗透”，是一种协助扩散。彼得•米切尔就因为提出了这一假说而获得了1978年诺贝尔奖。1997年诺贝尔奖获得者保罗•博耶和约翰•瓦克阐明了ATP合酶的机制。

接下来，利用仿生学设计出一种拥有线粒体功能的动力炉。本动力炉是一种通过模拟线粒体的工作方式产生能源的仪器。根据有氧呼吸的原理以及内部相关配置，保持温度，ph，离子浓度在合适的范围内，来维持反应所需条件，使各阶段反应正常进行，从中获得热能再加以转化，已达到对于资源的充分利用。反应过程中需要添加各种有关反应所需的酶（柠檬酸合成酶，异柠檬酸脱氢酶，a-酮戊二酸脱氢酶等）。而这些酶的生产需要通过基因工程技术，研究出可以大量成产酶的细菌。在动力炉中，我们会使用一种类似于传送带的系统将各种反应物进行配送和运输，来保证反应的有序进行。炉中还有构造独立的“房间”，“房间”这些中可以特异提供每一步反应所需的酶，增加反应物与酶的接触面积，根据反应所带来的变化而进行调节。依据酶的专一性，将呼吸作用的每一步隔离开，来保证反应的独⽴立与高效。

动力炉产生的ATP和热能通入能量收集器。分两部分内容。首先用热能烧水蒸汽，推动转轮，产生机械能，在转成电能，输入千家万户。其次提高ATP利用率以及避免其转化困难，利用人工合成大量荧光素，将荧光素在城市中铺设成管道，再将ATP直接通入，让ATP转化成冷光能，像萤火虫一样，在夜晚代替路灯，从而减少能源消耗。该套机器直接利用自己的能量自行运转。

参考文献：

[1]陈牧、刘锐、翁屹，三羧酸循环的发现与启示，[J].《医学与哲学<A>》，2012，33（1）：71-73.

[2]郭丽红、王定康，关于“三羧酸循环”的探讨，[J].《植物生理理学报》，2004，40（1）：90-92.

[3]TKanno、KUtsumi、HKobuchi，Mitochondriaandapopotosis，[J]《NipponRinshoJapaneseJournalofClinicalMedicine》，2002，60（4）：189-193.