結構生物化學/細胞器/線粒體

功能

透過電子顯微鏡觀察到的線粒體

線粒體在真核生物中的作用是為細胞提供細胞呼吸。內共生學說認為，線粒體是透過共生關係隨著時間的推移而成為真核生物的一部分。線粒體由兩層膜組成，即內膜和外膜。據推測，外膜的形成是由於其祖先透過內吞作用被宿主細胞吞噬，使其除了線粒體祖先已經擁有的膜外，又多了一層膜。這內共生學說也解釋了為什麼線粒體擁有自己的DNA，以及為什麼這種DNA是環形的。對於某些氨基酸，線粒體的遺傳密碼與細胞核（以及細胞的其餘部分）的遺傳密碼略有不同。線粒體呼吸產生的能量儲存在細胞器雙膜上的離子梯度中，被稱為“米切爾假說”。

線粒體生物合成：這是一種代謝適應，其中線粒體質量增加，允許進行糖酵解、氧化磷酸化，並最終導致更高的線粒體代謝能力。隨著合成和運輸燃料到線粒體的能力增強，代謝反應會更快，這對於運動員在運動期間是有益的。然而，這種改善需要運動和訓練。

線粒體透過氧化呼吸產生ATP。一個細胞可能包含數十個或數百個線粒體，具體取決於它的能量需求。線粒體有兩層膜：外膜和內膜。內膜有許多稱為嵴的內折，增加了它的表面積。據認為，由於細菌的內吞作用，線粒體內膜來自於較大的真核生物。此外，內膜具有原核細胞膜的結構特徵，而外膜類似於宿主真核生物膜。線粒體包含兩個不同的隔室：內膜內的基質和兩層膜之間的膜間隙。三羧酸迴圈發生在基質中，它是原核生物細胞質的代謝等價物。此外，線粒體含有自己的DNA和核糖體，這進一步支援了內共生，因為這些細胞特徵是任何自由生物體所必需的組成部分。線粒體的DNA和核糖體都與細菌的DNA和核糖體相似。

線粒體內部與基質

線上粒體的最深處隔室內部是線粒體基質。細胞呼吸發生在基質中，其中丙酮酸（細胞質中糖酵解的產物）被轉化為二氧化碳和水。基質是檸檬酸迴圈的場所，其中電子傳遞鏈被用來線上粒體的內膜和外膜之間建立質子梯度，被稱為膜間隙。膜間隙中的質子積累到一定程度，濃度梯度導致質子流回基質。

內膜上嵌滿了電子傳遞鏈所需的蛋白質，例如細胞色素電子穿梭體。質子重新進入基質後，會穿過ATP合酶，ATP合酶反過來為合酶提供能量，使二磷酸腺苷（ADP）磷酸化為三磷酸腺苷（ATP）。ATP可以稍後用於與熱力學上不利的反應耦合，以允許這些化學反應進行。內膜是摺疊和捲曲的，這使得電子傳遞鏈能夠利用更大的表面積。這些捲曲構成了嵴。

有趣的是，線粒體基質是細胞核外少數幾個可以找到遺傳資訊的部位之一。線粒體DNA在外觀上類似於細菌DNA，因為它呈環狀。基質也已知包含tRNA和核糖體，這進一步鞏固了線粒體作為單細胞生物進入祖先真核細胞的理論。

外膜

線粒體外膜由磷脂雙層組成，其中穿插著整合蛋白。磷脂雙層包含孔蛋白，允許小於10,000道爾頓的分子透過。外膜的這種滲透性允許水、離子以及一些蛋白質自由地流入膜間隙。

線粒體作為ATP消耗者

有充分的文獻記載表明，線粒體產生維持生命所需的ATP，並且線粒體需要質子梯度和膜電位才能進行ATP合成。然而，線粒體非常活躍，它可以逆轉其過程。複合體V是負責氧化磷酸化結束時最終ATP合成的酶。當跨膜電位不足以進行ATP產生時，複合體V，或F1F0-ATP合酶，可以逆轉其過程，而是水解ATP以將質子從線粒體基質中泵出，以恢復適當的梯度。

在正常進行呼吸的線粒體中，ATP透過腺嘌呤核苷酸轉運蛋白（ANT）被移除。這有助於維持跨膜電位，有利於ADP的磷酸化。然而，當ANT反轉時，有利於ATP水解，將來自糖酵解的ATP轉運進來。

線粒體對ATP的消耗在跨膜電位嚴重降解的情況下顯然會對細胞產生潛在的致命影響。它也可以作為病原體在與線粒體呼吸抑制相關的疾病中使用的一種潛在機制，（例如中風或心臟病中缺氧，或在受線粒體影響較小的疾病中，如阿爾茨海默病或帕金森病）。

複合體V的這種逆轉過程直接受IF1的影響，IF1是F1F0-ATPase的抑制因子。響應線粒體基質酸化，IF1蛋白抑制複合體V作為ATPase的活性，通常與在缺氧或缺血等條件下呼吸停止相結合。關於IF1的機制還有很多需要學習的地方，然而它是保護細胞在缺氧條件下免受ATP耗竭的主要因素。

已知IF1的晶體結構。該蛋白作為同型二聚體起作用，同步抑制兩個F1-ATPase單元。蛋白複合體中有很多殘基與F1-ATPase亞基形成許多關聯。據信，IF1與F1F0-ATPase的完全結合只發生在ATP水解過程中。有人推測，IF1即使在正常呼吸過程中也可能鬆散地結合到F1-ATPase，並且它還可能透過充當“偶聯因子”來幫助提高氧化磷酸化的效率。

線粒體：ROS和自噬

活性氧物種 (ROS) 在細胞內的產生部位是線粒體。活性氧物種 (ROS) 是體型小、反應性高且壽命短的分子。ROS 的形成方式是氧氣的不完全單電子還原。ROS 包括氧陰離子、自由基和過氧化物。自噬是 ROS 水平對蛋白質氧化還原調節的訊號通路之一。應激條件會啟用自噬，但病理條件會失調自噬。ROS 的積累會導致氧化應激，進而導致細胞成分氧化和損傷。細胞已經建立了非酶性和酶性抗氧化劑來防止氧化應激。抗氧化劑是 ROS 誘導自噬的天然下調因子。TIGAR 會抑制自噬。

在訊號通路中的作用

除了以其對線粒體的毒性作用而聞名外，ROS 還被發現有助於細胞訊號通路。例如，當大腦和身體缺氧（缺氧）時，線粒體會產生 ROS 來啟動調節轉錄、維持鈣儲存和整體能量管理的訊號通路。在生物體水平上，ROS 有助於控制和管理肺迴圈中的液體吸收和氧氣交換。研究表明，ROS 有助於細胞訊號傳導水平，但仍需進行更多研究以確定 ROS 過程是否是線粒體固有的，還是需要其他細胞因素。

來源：線粒體活性氧物種調節細胞訊號傳導並決定生物學結果 Robert B. Hamanaka 和 Navdeep S. Chandel1,2,* 1 美國伊利諾伊州芝加哥市西北大學醫學院肺臟和重症監護醫學系 2 系

活性氧物種

雖然活性氧物種 (ROS) 通常被認為是線粒體合成 ATP 的有毒副產物，但 ROS 作為細胞訊號通路的中介物至關重要；ROS 在氧化穩態和訊號通路傳播中起著至關重要的作用。有一些通路會影響或依賴於 ROS 的產生。ROS 的水平/積累也表明生物學結果。

ROS 是如何產生的？

• ROS 線上粒體合成 ATP 的電子傳遞鏈 (ETC) 過程中產生
• 透過 ETC 的複合物 I、II 和 III，分子氧被還原為超氧化物陰離子，它是線粒體產生的主要 ROS。

• 基質中的 ROS 是透過所有複合物 I、II 和 III 產生的
• 膜間隙中的 ROS 僅透過複合物 III 產生

• ROS 產生的速率取決於能夠還原分子氧的電子載體濃度和電子載體的型別，不同的電子載體具有不同的電子釋放速率和供應量。

ROS 水平如何響應缺氧並介導訊號通路？

• 在缺氧條件下，細胞暴露於低氧環境。因此，由於 ROS 產生增加，訊號通路被啟用，從而促進適應性轉錄程式、細胞氧氣使用減少和 ATP 消耗減少。
• 響應缺氧，ROS 的產生透過 Q 迴圈增加，Q 迴圈是透過線粒體複合物 III 進行的特異性缺氧 ROS 生成。ROS 的增加隨後激活了訊號通路。

• ROS 產生增加會抑制 PHD 的活性。PHD 活性的抑制隨後使 HIF 穩定，最終導致轉錄調節，如紅細胞生成、糖酵解、血管生成、細胞週期和存活
• ROS 產生增加會觸發 AMPK 的活性，從而增加 ATP 的產生並最大限度地減少 ATP 的細胞使用。AMPK 的啟用還會抑制 mTOR 的活性，從而透過抑制消耗大量 ATP 的蛋白質翻譯來節省 ATP。最終，ROS 產生的增加還會減少氧氣的消耗，因為 ATP 的積累透過 AMPK 的活性而最大化

ROS 水平如何響應 PI3 激酶通路？

• PI3 的啟用會導致 Akt 的啟用，這將透過兩種方式增加 ROS 的積累。

1. 透過代謝途徑，mTOR 被 Akt 活性啟用，氧氣消耗和 ATP 產生增加。結果，ROS 的產生增加
2. Akt 活性透過抑制 FOXOs 來抑制 ROS 清除，FOXOs 是抑制 ROS 活性的抗氧化劑

ROS 的重要作用

• 幹細胞群體

• 低水平的 ROS 會導致靜止狀態，即一種非活動狀態，並維持幹細胞群體。而 ROS 水平升高，幹細胞群體則分化和增殖

• 氧化穩態

• ROS 調節磷酸酶的活性，這些磷酸酶與激酶的活性相反，並具有反應性半胱氨酸，這使得半胱氨酸氧化和 ROS 減少成為可能
• ROS 透過調節磷酸酶來維持氧化穩態

• TNFα 治療

• TNFα 治療的結果取決於兩種 TNFR 複合物的活性

• NF-ĸB → 細胞存活
• JNK → 細胞死亡

• TNFR 複合物的活性取決於細胞 ROS 水平

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

ROS 如何影響細胞轉化？

• 細胞轉化是由癌基因的啟用和腫瘤抑制基因的丟失引起的。結果，存在控制癌細胞增殖、存活和代謝的訊號通路。
• 在正常細胞中，高水平的 ROS 會觸發腫瘤抑制基因的啟用，從而使細胞凋亡和衰老成為可能
• 高水平的 ROS → 高突變率和基因組不穩定性 → 腫瘤生長

• ROS 作為訊號傳導中間體：如果由於 ROS 的特定積累而表達 Ras 或 Myc，則會發生細胞轉化。
• 惡性迴圈

1. 腫瘤抑制基因丟失
2. 更高水平 ROS 的可持續性
3. 腫瘤的增殖、血管生成和存活通路
4. 更多 ROS 積累
5. 導致 #1

• 高水平的 ROS 不僅促進腫瘤生長，而且還增加了轉移的可能性，即癌細胞從一個部位擴散到另一個非相鄰部位

關於 ROS 的誤解

• 誤解 #1：ROS 僅是破壞性物質

• 這是錯誤的，因為只有當 ROS 的積累非常高時，才會發生不可逆的損傷（細胞轉化、腫瘤生長等）。事實上，細胞需要一定量的 ROS 來增殖、分化和促進生物體的適應性。

• 誤解 #2：由於 ROS 導致人類衰老和病理，透過抗氧化劑清除 ROS 可以提高死亡率。

• 這並不正確，因為研究表明，壽命延長與高氧化應激之間存在相關性。這種相關性表明壽命延長與線粒體代謝和 ROS 產生的增加之間的關聯

質量控制

活性氧物種 (ROS) 是線粒體中 ATP 合成的副產物，是有害的；ROS 會破壞線粒體中的分子；結果，線粒體不再起作用。分子損傷的積累最終會導致細胞退化和死亡。解決線粒體中 ROS 積累的方法是質量控制 (QC) 機制，這些機制可以保持線粒體的功能。雖然不同的 QC 通路以不同的方式最大限度地減少 ROS 的危害，但每條 QC 通路都有其自身調節 ROS 的能力。因此，線粒體 QC 成為一個層次化的監控網路。

分子水平的 QC

• ROS 清除

• QC 通路網路中的第一道防線
• 當分子損傷達到臨界閾值時，抵消分子損傷
• 關鍵成分：小分子和酶
• 降低分子損傷的速度
• 雖然 ROS 清除通路在減緩速度方面非常有效，但它們無法完全阻止分子損傷

• 修復和重摺疊

• QC 通路網路中的第二道防線
• 修復特定的修飾並在損傷發生後恢復受損功能的功能
• 線粒體蛋白的穩態是透過蛋白質降解、從頭蛋白質合成和將錯誤摺疊的蛋白質重新摺疊回其原始 3-D 結構來控制的
• 修復受損的線粒體 DNA (mtDNA) 也很重要，mtDNA 編碼線粒體蛋白生物合成所需的蛋白質的基本子集、線粒體核糖體的兩個 RNA 亞基和 tRNA。

• 鹼基切除修復
• 直接逆轉
• 錯配修復
• mtDNA 複製過程中聚合酶的校對活性

• 然而，大多數蛋白質無法有效修復或重新摺疊。

• 去除和替換

• 蛋白質修復和重摺疊之後的 QC 通路網路中的防禦

• 當未摺疊或受損蛋白質達到臨界閾值時，透過蛋白質降解機制去除異常蛋白質的分子通路

• 由於蛋白質修復和重摺疊能力有限，細胞功能進一步下降，透過蛋白水解去除和替換受損蛋白質

1. 受損蛋白質的降解；前導序列的切割和蛋白質的成熟
2. 用新合成的功能性蛋白質替換

即使分子水平的線粒體 QC 可以某種程度上調節由於 ROS 造成的損傷，但它不足以隨著時間的推移保持線粒體功能和增殖。由於幾個線粒體蛋白複合物也是由核基因組編碼的，在去除受損蛋白質後，線粒體和核基因的協調錶達以及蛋白質正確組裝成大分子複合物對於保持線粒體功能也很重要。最後這一關鍵步驟依賴於蛋白質從細胞質中的輸入和正確的線粒體內排序。

細胞器水平的 QC

• 線粒體的裂變和融合

• 當分子 QC 通路無法解決損傷分子積累時，細胞器水平的第一條 QC 通路
• 裂變 - 內容分離

• 將更大的細胞器分離成多個更小的細胞器
• 由三種蛋白質控制：Dnm1、Fis1 和 Mdv1

• 融合 - 內容混合

• 多個較小的細胞器組合成較大的細胞器
• 由三種蛋白質控制：Fzo1、Ugo1 和 Mgm1

• 透過裂變和融合，線粒體能夠維持其功能，因為受損的線粒體會被降解；每個線粒體都不會有太多受損的成分，因為內容物要麼混合在一起，要麼彼此分離。

• 高壓力 → 裂變
• 低壓力 → 融合

• 線粒體自噬

• 線粒體質量控制途徑的最後一步
• 剩下的受損和功能失調的線粒體最終會被從重要的線粒體網路中清除
• 線粒體自噬是一種自噬（“自食”），整個線粒體被自噬膜吞噬，導致自噬體的形成
• 與裂變和融合一起工作

• 線粒體網路透過裂變被分離成單個線粒體。然後，受損或功能失調的單個線粒體透過線粒體自噬被消除（“吞噬”）。剩餘的重要線粒體透過融合組合成一個新的重要線粒體網路。

• 這是一個高度選擇性的過程，受到嚴格的調節。

哺乳動物細胞中的線粒體自噬透過 PINK1 調節，PINK1 是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，PTEN 誘導的假定激酶和 E3 泛素連線酶 Parkin。在健康的線粒體中，PINK1 被線粒體內膜中的 PARL 裂解。然而，當線粒體發生持續損傷時，PINK1 能夠線上粒體外膜中積累，在那裡它不能被 PARL 裂解。PINK1 的這種積累會吸引 Parkin，而 Parkin 又會誘導線粒體自噬。

內共生理論

1905 年，俄羅斯生物學家梅列什科夫斯基發表了一篇關於光合細菌是現代植物葉綠體祖先的理論的論文。雖然這項研究在幾年內基本被忽視，但科學家們開始注意到分離的活細菌和真核線粒體之間的相似之處。現在人們普遍認為，線粒體是“自由生活”細菌的後代，這些細菌被真核細胞吞噬並整合為細胞器。當發現線粒體含有自身的 DNA 時，內共生理論得到了進一步證實。更重要的是，當發現 mtDNA 製造了自身功能所需​​的酶和蛋白質時，這一理論得到了進一步證實。線粒體也包含雙層膜的事實也說明了它最初是一個自由生活的生物體，後來被吞入另一個宿主。 線粒體是由充當“結構模板”的其他線粒體產生的。細胞的兩個 DNA 基因組仍然不知道線粒體膜是如何組裝的，這表明線粒體的結構不是由我們的 DNA 決定的，而是必須傳遞給後代。

線粒體 DNA

線粒體是細胞中發現的能量加工細胞器。與葉綠體一樣，線粒體是內共生理論的一部分，如上所述。內共生理論清楚地說明了以下關於線粒體和葉綠體的觀點：它被雙層膜包圍，它的大小與細菌相當，它有自己的環狀 DNA，它的核糖體是細菌狀的，它具有原核生物的活動，如呼吸作用和光合作用（分別為線粒體和葉綠體）。著眼於關於具有自己的環狀 DNA 的第三點，線粒體 DNA (mtDNA) 被發現能夠自我翻譯和複製自身。

mtDNA 的遺傳學

與從母體和父體遺傳的核 DNA 不同，哺乳動物的 mtDNA 僅從母體遺傳。哺乳動物精子中的線粒體在受精卵中被破壞。然而，mtDNA 的複製途徑與核 DNA 非常相似。在複製之前，mtDNA 透過 TWINKLE 解旋，TWINKLE 是一種用於解開雙鏈 DNA 的蛋白質。解開雙鏈後，它在 mtDNA 聚合酶的幫助下，從一端開始複製。mtDNA 聚合酶從 mtDNA 的 5' 端開始形成另一個雙鏈。另一種稱為線粒體單鏈結合蛋白 (mtSSB) 的蛋白質有助於穩定解開的構象，並透過聚合酶全酶刺激 DNA 合成。

不幸的是，mtDNA 複製沒有像核 DNA 合成那樣嚴格的階段特異性。因此，異質性 mtDNA 突變的分離會在細胞分裂時發生。

線粒體轉錄

線粒體中的轉錄機制可能與細胞核中的轉錄相似。但是，線粒體和細胞核中的 RNA 合成之間存在一些差異。mtDNA 分子的單個鏈被標記為重鏈（富含鳥嘌呤）和輕鏈（富含鳥嘌呤）。這種核苷酸偏倚解釋了為什麼某些密碼子線上粒體 RNA 中很少見或不存在。

緊湊的哺乳動物 mtDNA 基因組缺乏內含子。整個鏈編碼蛋白質、rRNA 或 tRNA。因此，線粒體不需要剪接過程

每個蛋白質和 rRNA 基因都被至少一個 tRNA 基因直接包圍。

關於線粒體的一些有趣發現

1. 阿爾伯特·克勞德是比利時生物化學家，在上個世紀前半葉發現線粒體催化呼吸作用。他透過離心法分離了線粒體。

2. 科學家從那裡開始，並在過去二十年裡成功繪製了細胞呼吸中電子流動的路線圖。

3. 彼得·米切爾隨後發現，呼吸作用和光合作用中自由能流動的關鍵在於跨膜離子梯度中儲存。他因此在 1978 年獲得了諾貝爾獎。

4. 線粒體被兩層膜包圍，幷包含細胞蛋白質的十分之一。線粒體每秒轉換的能量比太陽每秒轉換的能量高 10,000 到 50,000 倍。

5. 線粒體也被發現線上粒體程式性細胞死亡或凋亡中起著至關重要的作用。這表明線粒體也是細胞訊號轉導網路的一部分。對於程式性細胞死亡，線粒體首先將稱為細胞色素的蛋白質釋放到細胞的細胞質中。正是這些訊號有可能將蛋白酶和核酸酶釋放到細胞中，並觸發細胞自殺。

6. 發現分離的線粒體能夠產生自己的蛋白質，儘管這些蛋白質的身份尚未確定。

7. 有一種理論認為線粒體是由細菌進化而來的，這解釋了為什麼它是一個如此獨立的細胞器，並且似乎不依賴於細胞的其他部分來生存。另一個證據是，線粒體中的蛋白質合成機制與細菌中的蛋白質合成機制相似。

8. 線粒體透過先前存在的線粒體的生長和分裂而擴散。因此，線粒體能夠告訴新的線粒體的構建模組去哪裡以及做什麼。

9. 最近的發現表明，線粒體實際上有很多額外的線粒體分子，這些分子有助於調節轉化為線粒體蛋白質的基因的表達。過氧化物酶體增殖物啟用受體共啟用因子 1 (PGC1) 在這個過程中起著重要作用。

10. 最近發現，線粒體膜之間的空間能夠將巰基氧化成二硫鍵，即使該空間被高度還原的環境包圍。

在衰老中的作用

科學家認為，線粒體功能障礙之間存在很強的相關性。線粒體功能障礙是線粒體疾病之一，是由活性氧 (ROS) 引起的。活性氧會造成氧化損傷，從而降低線粒體產生 ATP 的能力。這意味著線粒體無法執行其代謝功能，從而導致細胞死亡。由於線粒體功能障礙是細胞死亡的一個因素，因此可以合理地認為線粒體功能障礙和衰老之間存在這種相關性。在任何事情之前都應該注意的是，細胞器內複雜的蛋白質摺疊環境的調節對於保持有效的代謝輸出至關重要。其必要性的原因是，如果沒有有效的代謝輸出，代謝過程中產生的化學廢物和熱量（對細胞有潛在的危害）就無法從細胞中運輸出去。儘管細胞確實擁有如此複雜的系統來維持有效的代謝輸出，但有幾個因素會導致這種情況。我們在這裡注意到兩個因素；1. 在很長一段時間內，蛋白質穩態的失調不可避免地會透過活性氧積累引起的壓力而出現。2. 維護有效代謝輸出的失敗也可能由複製過程中引入的線粒體基因組突變引起。

這兩個導致線粒體正常功能惡化的原因取決於時間；線粒體存活的時間越長，這些與時間相關的效應的幅度就越大。因此，人們認為線粒體上發生的損傷與衰老密切相關。

既然已經解釋了活性氧是衰老的關鍵因素，那麼有必要弄清楚它們到底是什麼。根據定義，活性氧是指含有氧氣的化學活性分子。 以下是一些活性氧的例子：1. 過氧化氫等分子 2. 次氯酸根離子等離子 3. 羥基自由基等自由基（這是所有型別活性氧中最具反應性的） 4. 超氧陰離子等離子（既是離子又是自由基） 這些活性氧是由電子傳遞鏈產生的。

活細胞中 ROS 的來源

線粒體蛋白質組在衰老中的作用

線粒體蛋白質組維持細胞的細胞代謝。線粒體內的細胞代謝，如 ATP 產生、凋亡和細胞內鈣的調節。它們都是維持生命必不可少的元素。然而，維持這些功能的代價是活性氧的破壞性影響，如前所述。線粒體蛋白質組包含線粒體和核 DNA 編碼的蛋白質，需要線上粒體內進行摺疊和組裝。編碼結構需求的兩個基因組會隨著時間的推移而被活性氧的積累所破壞。哺乳動物的蛋白質組由 1000 到 1500 種蛋白質組成。以下是蛋白質生產的總結。該列表顯示了細胞中製造的蛋白質是如何被轉運到細胞內的線粒體的。1. 蛋白質在細胞核中編碼 2. 蛋白質在細胞質中翻譯 3. 蛋白質保持未摺疊狀態，然後被匯入線粒體。未摺疊的蛋白質是構建線粒體 ETC 所必需的。為了協助線粒體生物發生和 mtDNA 和蛋白質組的轉移，線粒體必須經歷一系列的分裂和融合。就像其他細胞器一樣，這種細胞器分裂的功能是增加線粒體的數量。它還用於去除缺陷細胞器以進行自噬降解

錯誤摺疊和錯誤組裝的線粒體蛋白 研究人員發現，抑制 mtDNA 複製、孤線粒體複合亞基的積累或有害蛋白聚集體和 ROS 都可能在酵母和秀麗隱杆線蟲中產生過量的錯誤摺疊的線粒體蛋白。可以合理地認為，這些因素產生的此類錯誤摺疊和錯誤組裝的蛋白質的積累會導致某些線粒體代謝功能的破壞，並最終導致其功能障礙。以下是線粒體衰老疾病發生的總結 1. 活性氧線上粒體內積累 2. 這會導致兩種可能的結果。一種是活性氧與 mtDNA 發生反應並導致 mtDNA 突變。需要再次強調的是，活性氧是高度反應性的試劑。另一種可能的結果是活性氧直接攻擊線粒體蛋白。結果導致蛋白質變形。3. 活性氧引起的 mtDNA 突變不再編碼正常的線粒體蛋白。實際上，從這些突變的 mtDNA 編碼和翻譯出來的蛋白是錯誤摺疊的蛋白。4. 請記住，蛋白質用於構建 ETC 的複雜網路。當產生錯誤摺疊的蛋白質時，只要它們線上粒體中存在，它們就會被用作 ETC 的構建塊。嵌入錯誤摺疊蛋白質的 ETC 無法正常工作。換句話說，線粒體面臨著 ETC 功能障礙。5. 含有錯誤摺疊蛋白質的 ETC 會產生更多的活性氧。隨著更多活性氧的產生，這種惡性迴圈持續下去，錯誤摺疊的蛋白質線上粒體內積累。隨著時間的推移，線粒體死亡。

非天然氨基酸線上粒體蛋白的胞質翻譯過程中被積極地產生，從而破壞了蛋白質的三維結構 。胞質翻譯錯誤導致的非天然氨基酸的挑戰程度（在最佳條件下） - 近 10% 的新合成蛋白質翻譯錯誤 - 20-30% 的新生多肽由於摺疊錯誤而迅速永久性變性

細胞器生物發生和複合體組裝 ETC 的複合體 I 被稱為 NADH-泛醌氧化還原酶。已知複合體 I 擁有大約 45 個亞基。已知突變或功能性故障是神經退行性疾病的潛在原因。此類疾病包括帕金森病。在 ETC 的 45 個亞基中，有 7 個由線粒體中的基因組編碼。它們需要嵌入線粒體內膜，因為那是它們與核編碼成分構建化學計量複合物的地方。假設一個亞基由於突變而表達錯誤。那麼整個 ETC 網路註定會崩潰。換句話說，ETC 亞基的突變或缺失（即使只是單一的突變或缺失），對整個複合物的形成都有巨大的影響。這說明了基因組協調正確複合體組裝和功能的重要性。

線粒體隔室 線粒體中有四個隔室，蛋白質摺疊和組裝發生在那裡。這四個隔室是外膜、膜間隙、內膜和基質 。需要強調的是，錯誤摺疊的蛋白質可以在這些隔室中堆積。有趣的事實是，線粒體中存在一個結構來監測這些積累水平。隔室特異性 QC 機制負責監測積累的未摺疊蛋白。正常摺疊的蛋白質在其內部隱藏疏水氨基酸，其頭部經常伸出。伴侶蛋白和 QC 蛋白酶隨後到位，以識別這些疏水氨基酸頭部。我們應該將 QC 如何監測每個隔室中未摺疊蛋白的水平進行劃分。外膜 最近的證據表明，胞質伴侶蛋白和泛素蛋白酶體系統參與了調節線粒體蛋白匯入或外膜蛋白質量控制的機制。在細胞質中翻譯了用於形成線粒體的核編碼蛋白。伴侶蛋白用於維持未摺疊或錯誤摺疊的前體蛋白。它們還有助於在輸送到外膜通道易位酶的過程中防止蛋白質積累

不同型別活性氧造成的損害

-活性氧在細胞分裂期間攻擊線粒體蛋白和 DNA -超氧陰離子主要來源於氧化磷酸化過程中 ETC 的複合體 I 和 III。超氧陰離子在其上帶有很強的負電荷，可以破壞所有四個線粒體隔室。-儲存過量的活性氧會完全壓倒線粒體 ROS 解毒系統。-活性氧可能透過改變其氨基酸序列直接干擾蛋白質摺疊，使其二級和三級結構不可避免地發生不可逆轉的變化 -活性氧可能透過線上粒體或核 DNA 編碼的基因中引入突變而間接干擾蛋白質摺疊。-請注意，mtDNA 非常容易受到氧化損傷，因為它位於活性氧產生的部位附近，並且沒有組蛋白保護

與年齡相關的細胞器損傷 從長遠來看，活性氧和 mtDNA 等導致的線粒體功能下降會導致進行性與年齡相關的病理的發生 1. 癌症 2. 神經退行性變 3. 聽力損失 需要知道，自由基造成的破壞積累是與年齡相關的線粒體功能障礙最常見的效應之一。

研究人員使用了表達易出錯的 mtDNA 聚合酶的敲入小鼠品系，這些聚合酶會忽略校對活性。小鼠正常成熟，但表現出加速衰老的特性。這些症狀包括：- 凋亡 - 脊柱彎曲 - 生育能力下降 - 體重減輕 - 早逝 。

最近對衰老的研究使科學家們相信，自由基氧造成的損害可能是生物體因衰老而死亡的原因之一。活性氧（ROS）在 線粒體中產生量最大，因此該細胞器最有可能受到自由基氧的破壞。ROS 的增加會以多種方式損傷線粒體。它們可以修飾氨基酸並使線粒體和核 DNA 中的基因發生突變，從而影響蛋白質的正確摺疊。此外，ROS 會對線粒體 DNA (mtDNA) 造成氧化損傷，尤其是在 mtDNA 位於 ROS 產生區域附近時。mtDNA 上的突變會導致 ATP 產生減少、ROS 產生增加，最終導致凋亡。ROS 產生增加還會對包含線粒體的細胞造成潛在的危害，從而導致細胞 DNA 發生突變。

抗衰老研究已在一些模式生物中表明，透過基因破壞線粒體功能，壽命已得到延長。這是因為 ROS 產生減少，因此對 mtDNA 的損傷減少。具體來說，秀麗隱杆線蟲電子傳遞鏈 (ETC) 線粒體功能的降低延長了該生物體的壽命。

科學家希望能夠將此應用於延長人類壽命，方法是將線粒體功能降低與飲食限制 (DR) 治療結合起來。透過減少攝入的熱量，但不要達到飢餓的程度，細胞過程會發生變化，從而將重點放在維持現有的細胞結構上，而不是生成新的結構來替換舊的結構。這將導致細胞在體內持續時間更長，並且由於有絲分裂期間的基因複製而導致的突變更少。

最近的研究強調了伴侶蛋白和蛋白酶等線粒體質量控制 (QC) 通路在解決線粒體功能障礙方面的重要性。“Lon”蛋白酶複合體包含一個由鐵硫簇組成的輔因子；因此，據懷疑 Lon 透過使蛋白質易於受到氧化損傷來發揮靶向蛋白質的作用。研究結果表明，酵母和哺乳動物細胞中缺乏 Lon 會導致過量的蛋白質和 mtDNA 缺失，以及呼吸損失 。所有這些都表明 Lon 線上粒體質量控制系統中發揮作用。另一方面，真菌粗糙鏈孢黴中 Lon 的過度表達會導致更長的細胞壽命 。這表明可以透過人工增強蛋白酶的活性來延長細胞壽命。雖然許多研究強烈暗示伴侶蛋白和蛋白酶在抗衰老特性中的重要性，但需要注意的是，在哺乳動物中進行的研究較少。

線粒體蛋白匯入

雖然線粒體擁有獨特的遺傳和蛋白質合成系統，但大多數線粒體蛋白質是在胞質中作為前體合成的，並從胞質中輸入到線粒體。目前，已區分出五種不同的蛋白質輸入途徑。由於這些途徑相互協作，並與呼吸鏈、線粒體膜組織、蛋白質質量控制和內質網-線粒體連線等系統相關聯，線粒體蛋白輸入對主要線粒體功能負有高度責任。

兩種經典的輸入途徑

經典的輸入途徑包括前導序列途徑和轉運蛋白途徑。兩種途徑都利用了TOM（線粒體外膜轉運蛋白）複合物的核心，它是線粒體的主要蛋白質進入門戶，包括Tom 40，將前體從胞質轉運到膜間隙。

前導序列途徑靶向攜帶可切割前導序列的蛋白質，這些前導序列是位於蛋白質N端大約10到60個氨基酸殘基的肽段延伸。

1. 可切割前體蛋白被受體Tom20和Tom22識別，並透過Tom40通道從胞質轉運到膜間隙穿過外膜。
2. 可切割前體蛋白在膜間隙暴露的蛋白質（包括Tim25和Tim22）的幫助下，被轉移到Tim23複合體（線粒體內膜的前導序列轉運蛋白）。內膜的膜電位使Tim23通道能夠將前導序列轉運穿過內膜。蛋白質轉運到基質需要ATP來驅動PAM（前導序列轉運蛋白相關電機）。
3. 攜帶前導序列的前體透過兩種不同的方式插入內膜。A）許多含有前導序列的內膜蛋白作為內膜蛋白從Tim23複合體中側向釋放。一些前導序列的疏水性分選訊號被內膜肽酶複合體去除，並作為膜間隙蛋白釋放到膜間隙。B）其他前體蛋白首先被轉運到基質，最終透過Oxa1輸出複合體整合到內膜中。

轉運蛋白途徑將不可切割前體蛋白轉運到內膜。

1. 不可切割前體蛋白被受體Tom70識別，並透過Tom40通道從胞質轉運到膜間隙穿過外膜。
2. 前體蛋白然後被小的TIM伴侶蛋白（如Tim9-Tim10複合體）引導到Tim22複合體（線粒體內膜的轉運蛋白轉運蛋白）。內膜的膜電位使Tim22能夠將前體蛋白插入內膜作為轉運蛋白。

兩種將蛋白質插入外膜的途徑

線粒體外膜包含兩類蛋白質：β桶蛋白，可能起源於線粒體的細菌祖先；以及具有α螺旋跨膜段的蛋白質，可能起源於真核細胞。將兩種不同蛋白質插入的兩種途徑分別稱為β桶途徑（SAM）和α螺旋插入（Mim1）。雖然SAM和Mim1複合體獨立地插入前體蛋白，但它們可以相互協作來組裝一些外膜複合體，例如TOM複合體，它由中心β桶蛋白Tom40和一些α螺旋亞基組成。

β桶途徑透過SAM複合體插入β桶蛋白。

1. β桶前體蛋白被TOM受體識別，並透過Tom40通道轉運到膜間隙。
2. β桶前體蛋白然後被小的TIM伴侶蛋白引導到SAM複合體（Sam50和Sam35），並被轉化為外膜β桶蛋白，這也與ER-線粒體連線相關，因為Mdm10在SAM和ERMES（ER-線粒體相遇結構）中的雙重定位。

α螺旋插入透過Mim1插入大多數Tom蛋白，這些蛋白具有單個α螺旋跨膜段，以及具有多個α螺旋跨膜段的外膜蛋白，Mim1包含一個α螺旋跨膜段。

1. α螺旋前體蛋白被Tom識別，並被轉移到Mim1。
2. α螺旋前體蛋白然後與Mim1相互作用，並被插入外膜。[Mim1的確切功能以及Mim1如何真正插入前體蛋白仍然未知]

蛋白質輸入膜間隙

線粒體膜間隙組裝途徑（MIA）靶向膜間隙前體，這些前體富含半胱氨酸。

1. 前體蛋白以還原狀態從胞質轉運到膜間隙，穿過TOM複合體。
2. 當前體蛋白位於膜間隙時，它們被氧化，並立即與Mia40結合，形成一個瞬時的二硫鍵。然後，Mia40形成蛋白質的氧化摺疊，Erv1，作為二硫鍵傳遞體發揮作用。Erv1催化Mia40中二硫鍵的形成，該二硫鍵氧化前體蛋白中的半胱氨酸。結果，形成了新的二硫鍵。電子從Mia40流向Erv1，最終流向呼吸鏈。換句話說，Mia40充當受體，識別前體蛋白並使前體蛋白轉運到膜間隙。

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