结构生物化学/细胞器/线粒体/高水平活性氧

活性氧和蛋白质突变

活性氧（ROS）对线粒体造成破坏性影响，这会导致衰老和疾病。ROS 是蛋白质损伤的主要原因，因为它会导致蛋白质不断错误折叠和组装。ROS 的增加会导致线粒体蛋白质错误折叠的负担过重。ROS 是含有氧气的化学活性分子。当身体处于压力状态时，ROS 水平会急剧升高，从而导致蛋白质错误组装和错误折叠，并导致线粒体错误。线粒体中的这些错误会导致衰老和疾病。哺乳动物线粒体包含 1000 到 1500 种蛋白质。这为错误或突变留下了大量的空间。然而，细胞具有质量控制机制来帮助调节和保护免受受损和错误折叠的蛋白质的侵害。即使在最佳条件下，大约 10% 的新合成蛋白质也会被错误翻译。过量的或错误折叠的亚基会在与其他蛋白质和细胞器功能障碍相互作用之前被质量控制蛋白酶降解。当蛋白质折叠成三级结构时，伴侣蛋白和蛋白酶的使用可以防止未折叠和单一亚基的积累。大多数错误折叠发生在线粒体的电子传递链和内膜中。翻译错误和核 DNA 突变会导致蛋白质错误折叠，进而导致电子传递链功能障碍，进而导致更高剂量的活性氧，进而会导致更多蛋白质错误折叠或 mtDNA 突变。所有这些都会导致衰老。但是，有一些功能可以帮助保护免受蛋白质错误折叠的侵害。一旦检测到蛋白质错误折叠，就会通知 UPRmt，UPRmt 会通知质量控制，这两者都帮助保护免受受损和错误折叠的蛋白质的侵害。电子传递链由大约 100 种蛋白质组成，其中 13 种由线粒体基质编码并插入内膜。其余在细胞质中翻译并输入线粒体。电子传递链由五个不同的复合体组成。复合体一是 NADH-泛醌氧化还原酶，复合体二是琥珀酸脱氢酶，复合体三是细胞色素 bc1，复合体四是细胞色素氧化酶，复合体五是 ATP 合成酶。线粒体需要所有这些复合体才能产生 ATP。活性氧主要是由电子传递链的复合体一和三在氧化磷酸化过程中产生的，可以破坏所有四个线粒体区室中的蛋白质。

线粒体区室

线粒体结构
1) 内膜
2) 外膜
3) 嵴
4) 基质

线粒体中有四个区室发生蛋白质折叠和组装。这些区室包括外膜 (OM)、膜间隙 (IMS)、内膜 (IM) 和基质。下面将详细介绍每个区室。

外膜 (OM)

线粒体外膜是包围整个线粒体的膜。该膜包含许多整合蛋白，这些蛋白包含相对较大的内部通道，对大多数分子是可渗透的。线粒体外膜还包含参与许多活动的酶，包括脂肪酸的延长、肾上腺素的氧化和色氨酸的降解。

膜间隙 (IMS)

由于线粒体外膜包含通道，因此膜间隙的内容物与细胞质相似。当电子沿着电子传递链中的蛋白质向下移动时，电子会失去能量并将氢离子从线粒体基质带入膜间隙。当形成 H+ 离子的浓度梯度时，一种称为 ATP 合成酶的蛋白质会连接这些离子的势能并启动化学渗透，其中氢离子通过与内膜折叠结合的这种酶重新进入基质。ATP 是通过将磷酸基团和 ADP 相结合而形成的。

内膜 (IM)

线粒体形成两层膜以拥有更大的空间，以便蛋白质能够高效且正确地发挥作用。内膜包含转运蛋白，这些蛋白以高度受控的方式转运代谢物穿过膜。这也是电子传递链所在的位置。

基质

基质包含可溶性酶，这些酶催化小有机分子的氧化。该区域还包含线粒体的 DNA 和核糖体。基质的 pH 值约为 7.8。

ROS 影响 DNA

活性氧（ROS）会破坏 DNA，因为它可以破坏 DNA 链并导致碱基丢失。这种对 DNA 的损伤会导致衰老和神经系统疾病。ROS 在体内自然产生，可以通过质量控制来减少。ROS 的过量对细胞不利，会导致 DNA 和蛋白质损伤。对于蛋白质错误折叠，细胞具有质量控制机制来修复这个问题，但对于 DNA 链断裂，细胞具有多核苷酸激酶/磷酸酶 (PNKP) 来控制这个问题。

多核苷酸激酶/磷酸酶 (PNKP)

PNKP 是细胞处理链断裂的重要酶，参与许多 DNA 修复途径。PNKP 包含 5'-激酶和 3'-磷酸酶活性，这两者通常需要处理单链和双链断裂。PNKP 是一种多结构域酶，由 N 端和 C 端组成。PNKP 包含两个催化活性位点，位于蛋白质的同一侧。PNKP 包含一个用于大的双链 DNA 底物的选择性独特凹槽，该凹槽由两个带正电荷的表面组成。由于氨基酸在激酶活性表面的替代，说明 DNA 底物以独特的取向跨越表面结合。哺乳动物 PNKP 可以轻松作用于 3'-磷酸末端。PNKP 根据 DNA 受损的类型以不同的方式修复 DNA。例如，如果 DNA 在单链处断裂，PNKP 将以不同于 DNA 在碱基处断裂的方式修复它。如果它在双链处断裂，它也会以不同的方式修复它。PNKP 参与多种 DNA 修复途径。PNKP 的突变会导致一种严重的常染色体隐性神经系统疾病，其特征是难治性癫痫发作和发育迟缓。研究人员正在研究 PNKP 的调节、神经元和其他组织中的生理作用以及与其他修复酶的相互作用。由于 PNKP 参与了许多修复途径，因此现在被认为是癌症治疗的治疗靶点。

参考文献

Baker, M. Brooke 和 Haynes, M. Cole；生物合成和衰老过程中的线粒体蛋白质质量控制，第 254-260 页。

Weinfeld, Michael；Mani, Rajam S.；Abdou, Ismail；Acetuno, R. Daniel 和 Glover, J.N. Mark；整理松散的末端：多核苷酸激酶/磷酸酶在 DNA 链断裂修复中的作用，第 1-7 页