结构生物化学/细胞器/线粒体

功能

通过电子显微镜观察到的线粒体

线粒体在真核生物中的作用是为细胞提供细胞呼吸。内共生学说认为，线粒体是通过共生关系随着时间的推移而成为真核生物的一部分。线粒体由两层膜组成，即内膜和外膜。据推测，外膜的形成是由于其祖先通过内吞作用被宿主细胞吞噬，使其除了线粒体祖先已经拥有的膜外，又多了一层膜。这内共生学说也解释了为什么线粒体拥有自己的DNA，以及为什么这种DNA是环形的。对于某些氨基酸，线粒体的遗传密码与细胞核（以及细胞的其余部分）的遗传密码略有不同。线粒体呼吸产生的能量储存在细胞器双膜上的离子梯度中，被称为“米切尔假说”。

线粒体生物合成：这是一种代谢适应，其中线粒体质量增加，允许进行糖酵解、氧化磷酸化，并最终导致更高的线粒体代谢能力。随着合成和运输燃料到线粒体的能力增强，代谢反应会更快，这对于运动员在运动期间是有益的。然而，这种改善需要运动和训练。

线粒体通过氧化呼吸产生ATP。一个细胞可能包含数十个或数百个线粒体，具体取决于它的能量需求。线粒体有两层膜：外膜和内膜。内膜有许多称为嵴的内折，增加了它的表面积。据认为，由于细菌的内吞作用，线粒体内膜来自于较大的真核生物。此外，内膜具有原核细胞膜的结构特征，而外膜类似于宿主真核生物膜。线粒体包含两个不同的隔室：内膜内的基质和两层膜之间的膜间隙。三羧酸循环发生在基质中，它是原核生物细胞质的代谢等价物。此外，线粒体含有自己的DNA和核糖体，这进一步支持了内共生，因为这些细胞特征是任何自由生物体所必需的组成部分。线粒体的DNA和核糖体都与细菌的DNA和核糖体相似。

线粒体内部与基质

在线粒体的最深处隔室内部是线粒体基质。细胞呼吸发生在基质中，其中丙酮酸（细胞质中糖酵解的产物）被转化为二氧化碳和水。基质是柠檬酸循环的场所，其中电子传递链被用来在线粒体的内膜和外膜之间建立质子梯度，被称为膜间隙。膜间隙中的质子积累到一定程度，浓度梯度导致质子流回基质。

内膜上嵌满了电子传递链所需的蛋白质，例如细胞色素电子穿梭体。质子重新进入基质后，会穿过ATP合酶，ATP合酶反过来为合酶提供能量，使二磷酸腺苷（ADP）磷酸化为三磷酸腺苷（ATP）。ATP可以稍后用于与热力学上不利的反应耦合，以允许这些化学反应进行。内膜是折叠和卷曲的，这使得电子传递链能够利用更大的表面积。这些卷曲构成了嵴。

有趣的是，线粒体基质是细胞核外少数几个可以找到遗传信息的部位之一。线粒体DNA在外观上类似于细菌DNA，因为它呈环状。基质也已知包含tRNA和核糖体，这进一步巩固了线粒体作为单细胞生物进入祖先真核细胞的理论。

外膜

线粒体外膜由磷脂双层组成，其中穿插着整合蛋白。磷脂双层包含孔蛋白，允许小于10,000道尔顿的分子通过。外膜的这种渗透性允许水、离子以及一些蛋白质自由地流入膜间隙。

线粒体作为ATP消耗者

有充分的文献记载表明，线粒体产生维持生命所需的ATP，并且线粒体需要质子梯度和膜电位才能进行ATP合成。然而，线粒体非常活跃，它可以逆转其过程。复合体V是负责氧化磷酸化结束时最终ATP合成的酶。当跨膜电位不足以进行ATP产生时，复合体V，或F1F0-ATP合酶，可以逆转其过程，而是水解ATP以将质子从线粒体基质中泵出，以恢复适当的梯度。

在正常进行呼吸的线粒体中，ATP通过腺嘌呤核苷酸转运蛋白（ANT）被移除。这有助于维持跨膜电位，有利于ADP的磷酸化。然而，当ANT反转时，有利于ATP水解，将来自糖酵解的ATP转运进来。

线粒体对ATP的消耗在跨膜电位严重降解的情况下显然会对细胞产生潜在的致命影响。它也可以作为病原体在与线粒体呼吸抑制相关的疾病中使用的一种潜在机制，（例如中风或心脏病中缺氧，或在受线粒体影响较小的疾病中，如阿尔茨海默病或帕金森病）。

复合体V的这种逆转过程直接受IF1的影响，IF1是F1F0-ATPase的抑制因子。响应线粒体基质酸化，IF1蛋白抑制复合体V作为ATPase的活性，通常与在缺氧或缺血等条件下呼吸停止相结合。关于IF1的机制还有很多需要学习的地方，然而它是保护细胞在缺氧条件下免受ATP耗竭的主要因素。

已知IF1的晶体结构。该蛋白作为同型二聚体起作用，同步抑制两个F1-ATPase单元。蛋白复合体中有很多残基与F1-ATPase亚基形成许多关联。据信，IF1与F1F0-ATPase的完全结合只发生在ATP水解过程中。有人推测，IF1即使在正常呼吸过程中也可能松散地结合到F1-ATPase，并且它还可能通过充当“偶联因子”来帮助提高氧化磷酸化的效率。

线粒体：ROS和自噬

活性氧物种 (ROS) 在细胞内的产生部位是线粒体。活性氧物种 (ROS) 是体型小、反应性高且寿命短的分子。ROS 的形成方式是氧气的不完全单电子还原。ROS 包括氧阴离子、自由基和过氧化物。自噬是 ROS 水平对蛋白质氧化还原调节的信号通路之一。应激条件会激活自噬，但病理条件会失调自噬。ROS 的积累会导致氧化应激，进而导致细胞成分氧化和损伤。细胞已经创建了非酶性和酶性抗氧化剂来防止氧化应激。抗氧化剂是 ROS 诱导自噬的天然下调因子。TIGAR 会抑制自噬。

在信号通路中的作用

除了以其对线粒体的毒性作用而闻名外，ROS 还被发现有助于细胞信号通路。例如，当大脑和身体缺氧（缺氧）时，线粒体会产生 ROS 来启动调节转录、维持钙储存和整体能量管理的信号通路。在生物体水平上，ROS 有助于控制和管理肺循环中的液体吸收和氧气交换。研究表明，ROS 有助于细胞信号传导水平，但仍需进行更多研究以确定 ROS 过程是否是线粒体固有的，还是需要其他细胞因素。

来源：线粒体活性氧物种调节细胞信号传导并决定生物学结果 Robert B. Hamanaka 和 Navdeep S. Chandel1,2,* 1 美国伊利诺伊州芝加哥市西北大学医学院肺脏和重症监护医学系 2 系

活性氧物种

虽然活性氧物种 (ROS) 通常被认为是线粒体合成 ATP 的有毒副产物，但 ROS 作为细胞信号通路的中介物至关重要；ROS 在氧化稳态和信号通路传播中起着至关重要的作用。有一些通路会影响或依赖于 ROS 的产生。ROS 的水平/积累也表明生物学结果。

ROS 是如何产生的？

• ROS 在线粒体合成 ATP 的电子传递链 (ETC) 过程中产生
• 通过 ETC 的复合物 I、II 和 III，分子氧被还原为超氧化物阴离子，它是线粒体产生的主要 ROS。

• 基质中的 ROS 是通过所有复合物 I、II 和 III 产生的
• 膜间隙中的 ROS 仅通过复合物 III 产生

• ROS 产生的速率取决于能够还原分子氧的电子载体浓度和电子载体的类型，不同的电子载体具有不同的电子释放速率和供应量。

ROS 水平如何响应缺氧并介导信号通路？

• 在缺氧条件下，细胞暴露于低氧环境。因此，由于 ROS 产生增加，信号通路被激活，从而促进适应性转录程序、细胞氧气使用减少和 ATP 消耗减少。
• 响应缺氧，ROS 的产生通过 Q 循环增加，Q 循环是通过线粒体复合物 III 进行的特异性缺氧 ROS 生成。ROS 的增加随后激活了信号通路。

• ROS 产生增加会抑制 PHD 的活性。PHD 活性的抑制随后使 HIF 稳定，最终导致转录调节，如红细胞生成、糖酵解、血管生成、细胞周期和存活
• ROS 产生增加会触发 AMPK 的活性，从而增加 ATP 的产生并最大限度地减少 ATP 的细胞使用。AMPK 的激活还会抑制 mTOR 的活性，从而通过抑制消耗大量 ATP 的蛋白质翻译来节省 ATP。最终，ROS 产生的增加还会减少氧气的消耗，因为 ATP 的积累通过 AMPK 的活性而最大化

ROS 水平如何响应 PI3 激酶通路？

• PI3 的激活会导致 Akt 的激活，这将通过两种方式增加 ROS 的积累。

1. 通过代谢途径，mTOR 被 Akt 活性激活，氧气消耗和 ATP 产生增加。结果，ROS 的产生增加
2. Akt 活性通过抑制 FOXOs 来抑制 ROS 清除，FOXOs 是抑制 ROS 活性的抗氧化剂

ROS 的重要作用

• 干细胞群体

• 低水平的 ROS 会导致静止状态，即一种非活动状态，并维持干细胞群体。而 ROS 水平升高，干细胞群体则分化和增殖

• 氧化稳态

• ROS 调节磷酸酶的活性，这些磷酸酶与激酶的活性相反，并具有反应性半胱氨酸，这使得半胱氨酸氧化和 ROS 减少成为可能
• ROS 通过调节磷酸酶来维持氧化稳态

• TNFα 治疗

• TNFα 治疗的结果取决于两种 TNFR 复合物的活性

• NF-ĸB → 细胞存活
• JNK → 细胞死亡

• TNFR 复合物的活性取决于细胞 ROS 水平

• ROS 水平升高 → JNK 活性升高，NF-ĸB 活性降低 → 细胞死亡
• ROS 水平降低 → JNK 活性降低，NF-ĸB 活性升高 → 细胞存活

ROS 如何影响细胞转化？

• 细胞转化是由癌基因的激活和肿瘤抑制基因的丢失引起的。结果，存在控制癌细胞增殖、存活和代谢的信号通路。
• 在正常细胞中，高水平的 ROS 会触发肿瘤抑制基因的激活，从而使细胞凋亡和衰老成为可能
• 高水平的 ROS → 高突变率和基因组不稳定性 → 肿瘤生长

• ROS 作为信号传导中间体：如果由于 ROS 的特定积累而表达 Ras 或 Myc，则会发生细胞转化。
• 恶性循环

1. 肿瘤抑制基因丢失
2. 更高水平 ROS 的可持续性
3. 肿瘤的增殖、血管生成和存活通路
4. 更多 ROS 积累
5. 导致 #1

• 高水平的 ROS 不仅促进肿瘤生长，而且还增加了转移的可能性，即癌细胞从一个部位扩散到另一个非相邻部位

关于 ROS 的误解

• 误解 #1：ROS 仅是破坏性物质

• 这是错误的，因为只有当 ROS 的积累非常高时，才会发生不可逆的损伤（细胞转化、肿瘤生长等）。事实上，细胞需要一定量的 ROS 来增殖、分化和促进生物体的适应性。

• 误解 #2：由于 ROS 导致人类衰老和病理，通过抗氧化剂清除 ROS 可以提高死亡率。

• 这并不正确，因为研究表明，寿命延长与高氧化应激之间存在相关性。这种相关性表明寿命延长与线粒体代谢和 ROS 产生的增加之间的关联

质量控制

活性氧物种 (ROS) 是线粒体中 ATP 合成的副产物，是有害的；ROS 会破坏线粒体中的分子；结果，线粒体不再起作用。分子损伤的积累最终会导致细胞退化和死亡。解决线粒体中 ROS 积累的方法是质量控制 (QC) 机制，这些机制可以保持线粒体的功能。虽然不同的 QC 通路以不同的方式最大限度地减少 ROS 的危害，但每条 QC 通路都有其自身调节 ROS 的能力。因此，线粒体 QC 成为一个层次化的监控网络。

分子水平的 QC

• ROS 清除

• QC 通路网络中的第一道防线
• 当分子损伤达到临界阈值时，抵消分子损伤
• 关键成分：小分子和酶
• 降低分子损伤的速度
• 虽然 ROS 清除通路在减缓速度方面非常有效，但它们无法完全阻止分子损伤

• 修复和重折叠

• QC 通路网络中的第二道防线
• 修复特定的修饰并在损伤发生后恢复受损功能的功能
• 线粒体蛋白的稳态是通过蛋白质降解、从头蛋白质合成和将错误折叠的蛋白质重新折叠回其原始 3-D 结构来控制的
• 修复受损的线粒体 DNA (mtDNA) 也很重要，mtDNA 编码线粒体蛋白生物合成所需的蛋白质的基本子集、线粒体核糖体的两个 RNA 亚基和 tRNA。

• 碱基切除修复
• 直接逆转
• 错配修复
• mtDNA 复制过程中聚合酶的校对活性

• 然而，大多数蛋白质无法有效修复或重新折叠。

• 去除和替换

• 蛋白质修复和重折叠之后的 QC 通路网络中的防御

• 当未折叠或受损蛋白质达到临界阈值时，通过蛋白质降解机制去除异常蛋白质的分子通路

• 由于蛋白质修复和重折叠能力有限，细胞功能进一步下降，通过蛋白水解去除和替换受损蛋白质

1. 受损蛋白质的降解；前导序列的切割和蛋白质的成熟
2. 用新合成的功能性蛋白质替换

即使分子水平的线粒体 QC 可以某种程度上调节由于 ROS 造成的损伤，但它不足以随着时间的推移保持线粒体功能和增殖。由于几个线粒体蛋白复合物也是由核基因组编码的，在去除受损蛋白质后，线粒体和核基因的协调表达以及蛋白质正确组装成大分子复合物对于保持线粒体功能也很重要。最后这一关键步骤依赖于蛋白质从细胞质中的输入和正确的线粒体内排序。

细胞器水平的 QC

• 线粒体的裂变和融合

• 当分子 QC 通路无法解决损伤分子积累时，细胞器水平的第一条 QC 通路
• 裂变 - 内容分离

• 将更大的细胞器分离成多个更小的细胞器
• 由三种蛋白质控制：Dnm1、Fis1 和 Mdv1

• 融合 - 内容混合

• 多个较小的细胞器组合成较大的细胞器
• 由三种蛋白质控制：Fzo1、Ugo1 和 Mgm1

• 通过裂变和融合，线粒体能够维持其功能，因为受损的线粒体会被降解；每个线粒体都不会有太多受损的成分，因为内容物要么混合在一起，要么彼此分离。

• 高压力 → 裂变
• 低压力 → 融合

• 线粒体自噬

• 线粒体质量控制途径的最后一步
• 剩下的受损和功能失调的线粒体最终会被从重要的线粒体网络中清除
• 线粒体自噬是一种自噬（“自食”），整个线粒体被自噬膜吞噬，导致自噬体的形成
• 与裂变和融合一起工作

• 线粒体网络通过裂变被分离成单个线粒体。然后，受损或功能失调的单个线粒体通过线粒体自噬被消除（“吞噬”）。剩余的重要线粒体通过融合组合成一个新的重要线粒体网络。

• 这是一个高度选择性的过程，受到严格的调节。

哺乳动物细胞中的线粒体自噬通过 PINK1 调节，PINK1 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，PTEN 诱导的假定激酶和 E3 泛素连接酶 Parkin。在健康的线粒体中，PINK1 被线粒体内膜中的 PARL 裂解。然而，当线粒体发生持续损伤时，PINK1 能够在线粒体外膜中积累，在那里它不能被 PARL 裂解。PINK1 的这种积累会吸引 Parkin，而 Parkin 又会诱导线粒体自噬。

内共生理论

1905 年，俄罗斯生物学家梅列什科夫斯基发表了一篇关于光合细菌是现代植物叶绿体祖先的理论的论文。虽然这项研究在几年内基本被忽视，但科学家们开始注意到分离的活细菌和真核线粒体之间的相似之处。现在人们普遍认为，线粒体是“自由生活”细菌的后代，这些细菌被真核细胞吞噬并整合为细胞器。当发现线粒体含有自身的 DNA 时，内共生理论得到了进一步证实。更重要的是，当发现 mtDNA 制造了自身功能所需​​的酶和蛋白质时，这一理论得到了进一步证实。线粒体也包含双层膜的事实也说明了它最初是一个自由生活的生物体，后来被吞入另一个宿主。 线粒体是由充当“结构模板”的其他线粒体产生的。细胞的两个 DNA 基因组仍然不知道线粒体膜是如何组装的，这表明线粒体的结构不是由我们的 DNA 决定的，而是必须传递给后代。

线粒体 DNA

线粒体是细胞中发现的能量加工细胞器。与叶绿体一样，线粒体是内共生理论的一部分，如上所述。内共生理论清楚地说明了以下关于线粒体和叶绿体的观点：它被双层膜包围，它的大小与细菌相当，它有自己的环状 DNA，它的核糖体是细菌状的，它具有原核生物的活动，如呼吸作用和光合作用（分别为线粒体和叶绿体）。着眼于关于具有自己的环状 DNA 的第三点，线粒体 DNA (mtDNA) 被发现能够自我翻译和复制自身。

mtDNA 的遗传学

与从母体和父体遗传的核 DNA 不同，哺乳动物的 mtDNA 仅从母体遗传。哺乳动物精子中的线粒体在受精卵中被破坏。然而，mtDNA 的复制途径与核 DNA 非常相似。在复制之前，mtDNA 通过 TWINKLE 解旋，TWINKLE 是一种用于解开双链 DNA 的蛋白质。解开双链后，它在 mtDNA 聚合酶的帮助下，从一端开始复制。mtDNA 聚合酶从 mtDNA 的 5' 端开始形成另一个双链。另一种称为线粒体单链结合蛋白 (mtSSB) 的蛋白质有助于稳定解开的构象，并通过聚合酶全酶刺激 DNA 合成。

不幸的是，mtDNA 复制没有像核 DNA 合成那样严格的阶段特异性。因此，异质性 mtDNA 突变的分离会在细胞分裂时发生。

线粒体转录

线粒体中的转录机制可能与细胞核中的转录相似。但是，线粒体和细胞核中的 RNA 合成之间存在一些差异。mtDNA 分子的单个链被标记为重链（富含鸟嘌呤）和轻链（富含鸟嘌呤）。这种核苷酸偏倚解释了为什么某些密码子在线粒体 RNA 中很少见或不存在。

紧凑的哺乳动物 mtDNA 基因组缺乏内含子。整个链编码蛋白质、rRNA 或 tRNA。因此，线粒体不需要剪接过程

每个蛋白质和 rRNA 基因都被至少一个 tRNA 基因直接包围。

关于线粒体的一些有趣发现

1. 阿尔伯特·克劳德是比利时生物化学家，在上个世纪前半叶发现线粒体催化呼吸作用。他通过离心法分离了线粒体。

2. 科学家从那里开始，并在过去二十年里成功绘制了细胞呼吸中电子流动的路线图。

3. 彼得·米切尔随后发现，呼吸作用和光合作用中自由能流动的关键在于跨膜离子梯度中储存。他因此在 1978 年获得了诺贝尔奖。

4. 线粒体被两层膜包围，并包含细胞蛋白质的十分之一。线粒体每秒转换的能量比太阳每秒转换的能量高 10,000 到 50,000 倍。

5. 线粒体也被发现在线粒体程序性细胞死亡或凋亡中起着至关重要的作用。这表明线粒体也是细胞信号转导网络的一部分。对于程序性细胞死亡，线粒体首先将称为细胞色素的蛋白质释放到细胞的细胞质中。正是这些信号有可能将蛋白酶和核酸酶释放到细胞中，并触发细胞自杀。

6. 发现分离的线粒体能够产生自己的蛋白质，尽管这些蛋白质的身份尚未确定。

7. 有一种理论认为线粒体是由细菌进化而来的，这解释了为什么它是一个如此独立的细胞器，并且似乎不依赖于细胞的其他部分来生存。另一个证据是，线粒体中的蛋白质合成机制与细菌中的蛋白质合成机制相似。

8. 线粒体通过先前存在的线粒体的生长和分裂而扩散。因此，线粒体能够告诉新的线粒体的构建模块去哪里以及做什么。

9. 最近的发现表明，线粒体实际上有很多额外的线粒体分子，这些分子有助于调节转化为线粒体蛋白质的基因的表达。过氧化物酶体增殖物激活受体共激活因子 1 (PGC1) 在这个过程中起着重要作用。

10. 最近发现，线粒体膜之间的空间能够将巯基氧化成二硫键，即使该空间被高度还原的环境包围。

在衰老中的作用

科学家认为，线粒体功能障碍之间存在很强的相关性。线粒体功能障碍是线粒体疾病之一，是由活性氧 (ROS) 引起的。活性氧会造成氧化损伤，从而降低线粒体产生 ATP 的能力。这意味着线粒体无法执行其代谢功能，从而导致细胞死亡。由于线粒体功能障碍是细胞死亡的一个因素，因此可以合理地认为线粒体功能障碍和衰老之间存在这种相关性。在任何事情之前都应该注意的是，细胞器内复杂的蛋白质折叠环境的调节对于保持有效的代谢输出至关重要。其必要性的原因是，如果没有有效的代谢输出，代谢过程中产生的化学废物和热量（对细胞有潜在的危害）就无法从细胞中运输出去。尽管细胞确实拥有如此复杂的系统来维持有效的代谢输出，但有几个因素会导致这种情况。我们在这里注意到两个因素；1. 在很长一段时间内，蛋白质稳态的失调不可避免地会通过活性氧积累引起的压力而出现。2. 维护有效代谢输出的失败也可能由复制过程中引入的线粒体基因组突变引起。

这两个导致线粒体正常功能恶化的原因取决于时间；线粒体存活的时间越长，这些与时间相关的效应的幅度就越大。因此，人们认为线粒体上发生的损伤与衰老密切相关。

既然已经解释了活性氧是衰老的关键因素，那么有必要弄清楚它们到底是什么。根据定义，活性氧是指含有氧气的化学活性分子。 以下是一些活性氧的例子：1. 过氧化氢等分子 2. 次氯酸根离子等离子 3. 羟基自由基等自由基（这是所有类型活性氧中最具反应性的） 4. 超氧阴离子等离子（既是离子又是自由基） 这些活性氧是由电子传递链产生的。

活细胞中 ROS 的来源

线粒体蛋白质组在衰老中的作用

线粒体蛋白质组维持细胞的细胞代谢。线粒体内的细胞代谢，如 ATP 产生、凋亡和细胞内钙的调节。它们都是维持生命必不可少的元素。然而，维持这些功能的代价是活性氧的破坏性影响，如前所述。线粒体蛋白质组包含线粒体和核 DNA 编码的蛋白质，需要在线粒体内进行折叠和组装。编码结构需求的两个基因组会随着时间的推移而被活性氧的积累所破坏。哺乳动物的蛋白质组由 1000 到 1500 种蛋白质组成。以下是蛋白质生产的总结。该列表显示了细胞中制造的蛋白质是如何被转运到细胞内的线粒体的。1. 蛋白质在细胞核中编码 2. 蛋白质在细胞质中翻译 3. 蛋白质保持未折叠状态，然后被导入线粒体。未折叠的蛋白质是构建线粒体 ETC 所必需的。为了协助线粒体生物发生和 mtDNA 和蛋白质组的转移，线粒体必须经历一系列的分裂和融合。就像其他细胞器一样，这种细胞器分裂的功能是增加线粒体的数量。它还用于去除缺陷细胞器以进行自噬降解

错误折叠和错误组装的线粒体蛋白 研究人员发现，抑制 mtDNA 复制、孤线粒体复合亚基的积累或有害蛋白聚集体和 ROS 都可能在酵母和秀丽隐杆线虫中产生过量的错误折叠的线粒体蛋白。可以合理地认为，这些因素产生的此类错误折叠和错误组装的蛋白质的积累会导致某些线粒体代谢功能的破坏，并最终导致其功能障碍。以下是线粒体衰老疾病发生的总结 1. 活性氧在线粒体内积累 2. 这会导致两种可能的结果。一种是活性氧与 mtDNA 发生反应并导致 mtDNA 突变。需要再次强调的是，活性氧是高度反应性的试剂。另一种可能的结果是活性氧直接攻击线粒体蛋白。结果导致蛋白质变形。3. 活性氧引起的 mtDNA 突变不再编码正常的线粒体蛋白。实际上，从这些突变的 mtDNA 编码和翻译出来的蛋白是错误折叠的蛋白。4. 请记住，蛋白质用于构建 ETC 的复杂网络。当产生错误折叠的蛋白质时，只要它们在线粒体中存在，它们就会被用作 ETC 的构建块。嵌入错误折叠蛋白质的 ETC 无法正常工作。换句话说，线粒体面临着 ETC 功能障碍。5. 含有错误折叠蛋白质的 ETC 会产生更多的活性氧。随着更多活性氧的产生，这种恶性循环持续下去，错误折叠的蛋白质在线粒体内积累。随着时间的推移，线粒体死亡。

非天然氨基酸在线粒体蛋白的胞质翻译过程中被积极地产生，从而破坏了蛋白质的三维结构 。胞质翻译错误导致的非天然氨基酸的挑战程度（在最佳条件下） - 近 10% 的新合成蛋白质翻译错误 - 20-30% 的新生多肽由于折叠错误而迅速永久性变性

细胞器生物发生和复合体组装 ETC 的复合体 I 被称为 NADH-泛醌氧化还原酶。已知复合体 I 拥有大约 45 个亚基。已知突变或功能性故障是神经退行性疾病的潜在原因。此类疾病包括帕金森病。在 ETC 的 45 个亚基中，有 7 个由线粒体中的基因组编码。它们需要嵌入线粒体内膜，因为那是它们与核编码成分构建化学计量复合物的地方。假设一个亚基由于突变而表达错误。那么整个 ETC 网络注定会崩溃。换句话说，ETC 亚基的突变或缺失（即使只是单一的突变或缺失），对整个复合物的形成都有巨大的影响。这说明了基因组协调正确复合体组装和功能的重要性。

线粒体隔室 线粒体中有四个隔室，蛋白质折叠和组装发生在那里。这四个隔室是外膜、膜间隙、内膜和基质 。需要强调的是，错误折叠的蛋白质可以在这些隔室中堆积。有趣的事实是，线粒体中存在一个结构来监测这些积累水平。隔室特异性 QC 机制负责监测积累的未折叠蛋白。正常折叠的蛋白质在其内部隐藏疏水氨基酸，其头部经常伸出。伴侣蛋白和 QC 蛋白酶随后到位，以识别这些疏水氨基酸头部。我们应该将 QC 如何监测每个隔室中未折叠蛋白的水平进行划分。外膜 最近的证据表明，胞质伴侣蛋白和泛素蛋白酶体系统参与了调节线粒体蛋白导入或外膜蛋白质量控制的机制。在细胞质中翻译了用于形成线粒体的核编码蛋白。伴侣蛋白用于维持未折叠或错误折叠的前体蛋白。它们还有助于在输送到外膜通道易位酶的过程中防止蛋白质积累

不同类型活性氧造成的损害

-活性氧在细胞分裂期间攻击线粒体蛋白和 DNA -超氧阴离子主要来源于氧化磷酸化过程中 ETC 的复合体 I 和 III。超氧阴离子在其上带有很强的负电荷，可以破坏所有四个线粒体隔室。-储存过量的活性氧会完全压倒线粒体 ROS 解毒系统。-活性氧可能通过改变其氨基酸序列直接干扰蛋白质折叠，使其二级和三级结构不可避免地发生不可逆转的变化 -活性氧可能通过在线粒体或核 DNA 编码的基因中引入突变而间接干扰蛋白质折叠。-请注意，mtDNA 非常容易受到氧化损伤，因为它位于活性氧产生的部位附近，并且没有组蛋白保护

与年龄相关的细胞器损伤 从长远来看，活性氧和 mtDNA 等导致的线粒体功能下降会导致进行性与年龄相关的病理的发生 1. 癌症 2. 神经退行性变 3. 听力损失 需要知道，自由基造成的破坏积累是与年龄相关的线粒体功能障碍最常见的效应之一。

研究人员使用了表达易出错的 mtDNA 聚合酶的敲入小鼠品系，这些聚合酶会忽略校对活性。小鼠正常成熟，但表现出加速衰老的特性。这些症状包括：- 凋亡 - 脊柱弯曲 - 生育能力下降 - 体重减轻 - 早逝 。

最近对衰老的研究使科学家们相信，自由基氧造成的损害可能是生物体因衰老而死亡的原因之一。活性氧（ROS）在 线粒体中产生量最大，因此该细胞器最有可能受到自由基氧的破坏。ROS 的增加会以多种方式损伤线粒体。它们可以修饰氨基酸并使线粒体和核 DNA 中的基因发生突变，从而影响蛋白质的正确折叠。此外，ROS 会对线粒体 DNA (mtDNA) 造成氧化损伤，尤其是在 mtDNA 位于 ROS 产生区域附近时。mtDNA 上的突变会导致 ATP 产生减少、ROS 产生增加，最终导致凋亡。ROS 产生增加还会对包含线粒体的细胞造成潜在的危害，从而导致细胞 DNA 发生突变。

抗衰老研究已在一些模式生物中表明，通过基因破坏线粒体功能，寿命已得到延长。这是因为 ROS 产生减少，因此对 mtDNA 的损伤减少。具体来说，秀丽隐杆线虫电子传递链 (ETC) 线粒体功能的降低延长了该生物体的寿命。

科学家希望能够将此应用于延长人类寿命，方法是将线粒体功能降低与饮食限制 (DR) 治疗结合起来。通过减少摄入的热量，但不要达到饥饿的程度，细胞过程会发生变化，从而将重点放在维持现有的细胞结构上，而不是生成新的结构来替换旧的结构。这将导致细胞在体内持续时间更长，并且由于有丝分裂期间的基因复制而导致的突变更少。

最近的研究强调了伴侣蛋白和蛋白酶等线粒体质量控制 (QC) 通路在解决线粒体功能障碍方面的重要性。“Lon”蛋白酶复合体包含一个由铁硫簇组成的辅因子；因此，据怀疑 Lon 通过使蛋白质易于受到氧化损伤来发挥靶向蛋白质的作用。研究结果表明，酵母和哺乳动物细胞中缺乏 Lon 会导致过量的蛋白质和 mtDNA 缺失，以及呼吸损失 。所有这些都表明 Lon 在线粒体质量控制系统中发挥作用。另一方面，真菌粗糙链孢霉中 Lon 的过度表达会导致更长的细胞寿命 。这表明可以通过人工增强蛋白酶的活性来延长细胞寿命。虽然许多研究强烈暗示伴侣蛋白和蛋白酶在抗衰老特性中的重要性，但需要注意的是，在哺乳动物中进行的研究较少。

线粒体蛋白导入

虽然线粒体拥有独特的遗传和蛋白质合成系统，但大多数线粒体蛋白质是在胞质中作为前体合成的，并从胞质中输入到线粒体。目前，已区分出五种不同的蛋白质输入途径。由于这些途径相互协作，并与呼吸链、线粒体膜组织、蛋白质质量控制和内质网-线粒体连接等系统相关联，线粒体蛋白输入对主要线粒体功能负有高度责任。

两种经典的输入途径

经典的输入途径包括前导序列途径和转运蛋白途径。两种途径都利用了TOM（线粒体外膜转运蛋白）复合物的核心，它是线粒体的主要蛋白质进入门户，包括Tom 40，将前体从胞质转运到膜间隙。

前导序列途径靶向携带可切割前导序列的蛋白质，这些前导序列是位于蛋白质N端大约10到60个氨基酸残基的肽段延伸。

1. 可切割前体蛋白被受体Tom20和Tom22识别，并通过Tom40通道从胞质转运到膜间隙穿过外膜。
2. 可切割前体蛋白在膜间隙暴露的蛋白质（包括Tim25和Tim22）的帮助下，被转移到Tim23复合体（线粒体内膜的前导序列转运蛋白）。内膜的膜电位使Tim23通道能够将前导序列转运穿过内膜。蛋白质转运到基质需要ATP来驱动PAM（前导序列转运蛋白相关电机）。
3. 携带前导序列的前体通过两种不同的方式插入内膜。A）许多含有前导序列的内膜蛋白作为内膜蛋白从Tim23复合体中侧向释放。一些前导序列的疏水性分选信号被内膜肽酶复合体去除，并作为膜间隙蛋白释放到膜间隙。B）其他前体蛋白首先被转运到基质，最终通过Oxa1输出复合体整合到内膜中。

转运蛋白途径将不可切割前体蛋白转运到内膜。

1. 不可切割前体蛋白被受体Tom70识别，并通过Tom40通道从胞质转运到膜间隙穿过外膜。
2. 前体蛋白然后被小的TIM伴侣蛋白（如Tim9-Tim10复合体）引导到Tim22复合体（线粒体内膜的转运蛋白转运蛋白）。内膜的膜电位使Tim22能够将前体蛋白插入内膜作为转运蛋白。

两种将蛋白质插入外膜的途径

线粒体外膜包含两类蛋白质：β桶蛋白，可能起源于线粒体的细菌祖先；以及具有α螺旋跨膜段的蛋白质，可能起源于真核细胞。将两种不同蛋白质插入的两种途径分别称为β桶途径（SAM）和α螺旋插入（Mim1）。虽然SAM和Mim1复合体独立地插入前体蛋白，但它们可以相互协作来组装一些外膜复合体，例如TOM复合体，它由中心β桶蛋白Tom40和一些α螺旋亚基组成。

β桶途径通过SAM复合体插入β桶蛋白。

1. β桶前体蛋白被TOM受体识别，并通过Tom40通道转运到膜间隙。
2. β桶前体蛋白然后被小的TIM伴侣蛋白引导到SAM复合体（Sam50和Sam35），并被转化为外膜β桶蛋白，这也与ER-线粒体连接相关，因为Mdm10在SAM和ERMES（ER-线粒体相遇结构）中的双重定位。

α螺旋插入通过Mim1插入大多数Tom蛋白，这些蛋白具有单个α螺旋跨膜段，以及具有多个α螺旋跨膜段的外膜蛋白，Mim1包含一个α螺旋跨膜段。

1. α螺旋前体蛋白被Tom识别，并被转移到Mim1。
2. α螺旋前体蛋白然后与Mim1相互作用，并被插入外膜。[Mim1的确切功能以及Mim1如何真正插入前体蛋白仍然未知]

蛋白质输入膜间隙

线粒体膜间隙组装途径（MIA）靶向膜间隙前体，这些前体富含半胱氨酸。

1. 前体蛋白以还原状态从胞质转运到膜间隙，穿过TOM复合体。
2. 当前体蛋白位于膜间隙时，它们被氧化，并立即与Mia40结合，形成一个瞬时的二硫键。然后，Mia40形成蛋白质的氧化折叠，Erv1，作为二硫键传递体发挥作用。Erv1催化Mia40中二硫键的形成，该二硫键氧化前体蛋白中的半胱氨酸。结果，形成了新的二硫键。电子从Mia40流向Erv1，最终流向呼吸链。换句话说，Mia40充当受体，识别前体蛋白并使前体蛋白转运到膜间隙。

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