大家都知道雄伟的长江三峡大坝吧？它是世界上规模最大的水利发电站，每天的发电量可突破4.3亿度电，占全国日发电量的5%左右！如果有一天突然停电，没有了能量供应，你一定感觉生活非常不方便，很多事都作不了。而当我们饥饿的时候，也会觉得心慌乏力，干什么都没劲，其实这是细胞缺少能量的表现。你知道吗，细胞所需的能量主要就是由细胞中的迷你“发电站”-----线粒体提供的。
线粒体是什么样的？
图1：线粒体结构模式图 （图片出处：https://refer.biovip.com）
线粒体是由内膜和外膜两层膜包被而成的椭球形结构（其结构如图1），内膜向内突起形成嵴，内膜所包被的内部结构称为线粒体基质。这里，将内膜靠近基质的一侧称为内膜“内侧”，内膜朝向外膜的一侧称为内膜的“外侧”。内膜上有很多与能量转换、电子传递有关的蛋白质分子以及一种特殊的ATP酶复合物。线粒体非常小，直径在0.5到10微米左右（大概只有头发丝直径的1/100）。
水利发电站是怎样发电的？
说线粒体“发电”，其实不太准确，因为它并不直接产生电能。但是在线粒体里发生的神奇变化却可以产生大量的被我们称为“ATP”的物质，源源不断地为我们的细胞提供能量，所以我们又把线粒体称为细胞的”能量工厂”。人们的研究发现，线粒体供能与水利发电站发电的原理还真的有很多相似之处，所以，我们也可以说线粒体是细胞中的“发电站”。
我们都冲过淋浴，当水从高处的淋浴喷头喷落下来，“砸”到咱们的皮肤上时，咱们是不是觉得水有一股“冲击力”？而且水越多，喷头越高，落下来的水冲力越大？这是由于有重力的存在，高处的物质所具有的能量比低处的同一物质具有更多的能量，我们把这种能量称为“重力势能”。物体质量越大、位置越高，物体具有的重力势能就越多。
水利发电就是利用了水的势能来发电的。如图2所示：由于有大坝的拦截，造成大坝一侧水位高，另一侧水位低。当大量的水从高水位一侧流经大坝时，就推动安装在大坝内部的水轮机的巨大叶轮，叶轮的转动又进一步推动发电机产生电能。大家想一想，水利发电的整个过程是不是就是利用了水利发电站的特殊装置，将位于高处的水所具有的势能转变为电能的过程呢？
图2：水利发电站工作原理（图片出处https://www.csdyxx.com）
线粒体是怎样“发电”的？
水利发电利用的是高处水的势能，而细胞中线粒体利用的是蕴藏在能量物质葡萄糖中的化学能，我们的细胞不会利用葡萄中的化学能，只能用一种叫ATP 的小分子物质中的能量。因此，线粒体的工作就是与细胞的其他结构配合，把葡萄糖中的能量转变为ATP中的能量。
水利发电站有一道拦水的大坝，大坝一侧水位高、另一侧水位低；而线粒体内也有一道大坝，就是线粒体的内膜，内膜内侧氢离子浓度低，内膜外侧氢离子浓度高。这种跨膜的浓度差也造成氢离子高浓度侧具有较高的“化学势能”。
位于大坝上水轮发电机组能把水的势能转变成电能，线粒体内膜上的ATP酶复合物就是大坝上的水轮发电机组，能将高浓度氢离子的化学势能转变为ATP中的能量。一小碗米饭（约2两，也就是100克）中含有116千卡的能量，大概能使209个550毫升矿泉水瓶所装水的温度升高1摄氏度。但是这些能量不能一下子在细胞中释放出来，否则就会像在细胞里点一把火一样一下子把细胞“烧”坏。因此，在细胞中，葡萄糖中能量的释放是一个温和的、逐步氧化分解的过程。
我们食用米饭后，米饭中的淀粉被分解为葡萄糖最终被消化吸收进入细胞。在细胞中，经过在线粒体外和线粒体内的一系列变化，葡萄糖被逐步氧化分解产生更小的分子NADH(还原氢)，“还原氢”分子中还蕴藏着大量能量。这些“还原氢”来到线粒体内膜的内侧，在内膜上多种蛋白质分子的作用下，“还原氢”被分解，产生电子（e-）和其他物质，同时内膜内侧的H+被运到内膜外侧，这样，内膜外侧H+越来越多，就形成了跨内膜的H+浓度差，也就是说内膜内侧H+浓度低，内膜外侧H+浓度高。而当H+从高浓度到低浓度过膜时，ATP酶复合物就把将H+的化学势能转变为ATP中的能量。另外，“还原氢”分解产生的电子最终被内膜上的蛋白质传递给氧而生成水。（如图3）
图3：化学渗透假说简单模型（图片出处：https://www.ib.bioninja.com.au 本图经本文作者作适当修改）
大家是不是觉得还有什么没说清楚啊？对，科学的魅力就在此，不断探索，不断发现，不断接近真相。科学家们在不停地探索着线粒体和其他细胞结构的奥秘，也取得了很多成就。比如发生在线粒体内膜上复杂的产生ATP的过程就被称为“化学渗透假说”，所谓“假说”并非异想天开，现在已经有了很多实验证据支持这一假说，这个假说的提出者英国生物化学家米切尔(P.Mitchell)还因此获得了1978年的诺贝尔奖呢！小小线粒体居然在做着与自然界最伟大工程如此类似的事情，是不是也足够神奇？有关线粒体仍然有很多未解之谜，等着热爱科学的你去探索和发现！
作者：韩宏杰
本作品为科普中国原创，转载时务请注明出处。
