結構生物化學/細胞器/線粒體/高水平活性氧

活性氧和蛋白質突變

活性氧（ROS）對線粒體造成破壞性影響，這會導致衰老和疾病。ROS 是蛋白質損傷的主要原因，因為它會導致蛋白質不斷錯誤摺疊和組裝。ROS 的增加會導致線粒體蛋白質錯誤摺疊的負擔過重。ROS 是含有氧氣的化學活性分子。當身體處於壓力狀態時，ROS 水平會急劇升高，從而導致蛋白質錯誤組裝和錯誤摺疊，並導致線粒體錯誤。線粒體中的這些錯誤會導致衰老和疾病。哺乳動物線粒體包含 1000 到 1500 種蛋白質。這為錯誤或突變留下了大量的空間。然而，細胞具有質量控制機制來幫助調節和保護免受受損和錯誤摺疊的蛋白質的侵害。即使在最佳條件下，大約 10% 的新合成蛋白質也會被錯誤翻譯。過量的或錯誤摺疊的亞基會在與其他蛋白質和細胞器功能障礙相互作用之前被質量控制蛋白酶降解。當蛋白質摺疊成三級結構時，伴侶蛋白和蛋白酶的使用可以防止未摺疊和單一亞基的積累。大多數錯誤摺疊發生線上粒體的電子傳遞鏈和內膜中。翻譯錯誤和核 DNA 突變會導致蛋白質錯誤摺疊，進而導致電子傳遞鏈功能障礙，進而導致更高劑量的活性氧，進而會導致更多蛋白質錯誤摺疊或 mtDNA 突變。所有這些都會導致衰老。但是，有一些功能可以幫助保護免受蛋白質錯誤摺疊的侵害。一旦檢測到蛋白質錯誤摺疊，就會通知 UPRmt，UPRmt 會通知質量控制，這兩者都幫助保護免受受損和錯誤摺疊的蛋白質的侵害。電子傳遞鏈由大約 100 種蛋白質組成，其中 13 種由線粒體基質編碼並插入內膜。其餘在細胞質中翻譯並輸入線粒體。電子傳遞鏈由五個不同的複合體組成。複合體一是 NADH-泛醌氧化還原酶，複合體二是琥珀酸脫氫酶，複合體三是細胞色素 bc1，複合體四是細胞色素氧化酶，複合體五是 ATP 合成酶。線粒體需要所有這些複合體才能產生 ATP。活性氧主要是由電子傳遞鏈的複合體一和三在氧化磷酸化過程中產生的，可以破壞所有四個線粒體區室中的蛋白質。

線粒體區室

線粒體結構
1) 內膜
2) 外膜
3) 嵴
4) 基質

線粒體中有四個區室發生蛋白質摺疊和組裝。這些區室包括外膜 (OM)、膜間隙 (IMS)、內膜 (IM) 和基質。下面將詳細介紹每個區室。

外膜 (OM)

線粒體外膜是包圍整個線粒體的膜。該膜包含許多整合蛋白，這些蛋白包含相對較大的內部通道，對大多數分子是可滲透的。線粒體外膜還包含參與許多活動的酶，包括脂肪酸的延長、腎上腺素的氧化和色氨酸的降解。

膜間隙 (IMS)

由於線粒體外膜包含通道，因此膜間隙的內容物與細胞質相似。當電子沿著電子傳遞鏈中的蛋白質向下移動時，電子會失去能量並將氫離子從線粒體基質帶入膜間隙。當形成 H+ 離子的濃度梯度時，一種稱為 ATP 合成酶的蛋白質會連線這些離子的勢能並啟動化學滲透，其中氫離子透過與內膜摺疊結合的這種酶重新進入基質。ATP 是透過將磷酸基團和 ADP 相結合而形成的。

內膜 (IM)

線粒體形成兩層膜以擁有更大的空間，以便蛋白質能夠高效且正確地發揮作用。內膜包含轉運蛋白，這些蛋白以高度受控的方式轉運代謝物穿過膜。這也是電子傳遞鏈所在的位置。

基質

基質包含可溶性酶，這些酶催化小有機分子的氧化。該區域還包含線粒體的 DNA 和核糖體。基質的 pH 值約為 7.8。

ROS 影響 DNA

活性氧（ROS）會破壞 DNA，因為它可以破壞 DNA 鏈並導致鹼基丟失。這種對 DNA 的損傷會導致衰老和神經系統疾病。ROS 在體內自然產生，可以透過質量控制來減少。ROS 的過量對細胞不利，會導致 DNA 和蛋白質損傷。對於蛋白質錯誤摺疊，細胞具有質量控制機制來修復這個問題，但對於 DNA 鏈斷裂，細胞具有多核苷酸激酶/磷酸酶 (PNKP) 來控制這個問題。

多核苷酸激酶/磷酸酶 (PNKP)

PNKP 是細胞處理鏈斷裂的重要酶，參與許多 DNA 修復途徑。PNKP 包含 5'-激酶和 3'-磷酸酶活性，這兩者通常需要處理單鏈和雙鏈斷裂。PNKP 是一種多結構域酶，由 N 端和 C 端組成。PNKP 包含兩個催化活性位點，位於蛋白質的同一側。PNKP 包含一個用於大的雙鏈 DNA 底物的選擇性獨特凹槽，該凹槽由兩個帶正電荷的表面組成。由於氨基酸在激酶活性表面的替代，說明 DNA 底物以獨特的取向跨越表面結合。哺乳動物 PNKP 可以輕鬆作用於 3'-磷酸末端。PNKP 根據 DNA 受損的型別以不同的方式修復 DNA。例如，如果 DNA 在單鏈處斷裂，PNKP 將以不同於 DNA 在鹼基處斷裂的方式修復它。如果它在雙鏈處斷裂，它也會以不同的方式修復它。PNKP 參與多種 DNA 修復途徑。PNKP 的突變會導致一種嚴重的常染色體隱性神經系統疾病，其特徵是難治性癲癇發作和發育遲緩。研究人員正在研究 PNKP 的調節、神經元和其他組織中的生理作用以及與其他修復酶的相互作用。由於 PNKP 參與了許多修復途徑，因此現在被認為是癌症治療的治療靶點。

參考文獻

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Weinfeld, Michael；Mani, Rajam S.；Abdou, Ismail；Acetuno, R. Daniel 和 Glover, J.N. Mark；整理鬆散的末端：多核苷酸激酶/磷酸酶在 DNA 鏈斷裂修復中的作用，第 1-7 頁