有关线粒体内酶系统的特点与最新研究进展
一. 线粒体内酶系统的组成与相关功能 1. 外膜
a. 单胺氧化酶 磷脂的合成
单胺氧化酶（monoamine oxidase）缩写MAO ，为催化单胺氧化脱氨反应的酶，也有称为含黄素胺氧化酶的。
单胺氧化酶（MAO ）存在两种同分异构体即单胺氧化酶A （MAO-A ）和单胺氧化酶B(MAO-B),他们都有一个黄素腺嘌呤二核苷酸以共价键链接到活性中心区域的半胱氨酸残基上。他们能催化氧化生物体内的各种胺类物质：多巴胺、5-羟基色胺、去甲肾上腺素、色胺等，最终产物醛和双氧水与细胞的氧化密切相关。多见于脊椎动物的各种器官，特别是分泌腺、脑、肝脏，但在无脊椎动物、豆类的芽等植物中也存在。在细胞内存在于线粒体外膜上，是不溶性酶。所以认为单胺氧化酶具有调节生物体内胺浓度的功能。
b. NADH-细胞色素还原酶 脂肪酸链去饱和
c. 核苷二磷酸激酶和磷酸甘油酰基转移酶 脂肪酸链的延长
2. 内膜
a.NADH 脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素c 、细胞色素氧化酶、ATP 合成酶。 电子传递及氧化磷酸化。
NADH-Q 还原酶又称为NADH 脱氢酶（NADH dehydrogenase），简称复合体Ⅰ（complex Ⅰ），是一个具有相对分子质量88 000的大蛋白质分子，至少包含有34条多肽链。分别由核和线粒体两个不同的基因组编码构成。在电子传递链中共有3个质子泵（proton pump ），该酶是第一个质子泵。 该酶的作用是先与NADH 结合并将NADH 上的两个高势能电子转移到其FMN 辅基上，使NADH 氧化，并使FMN 还原，反应如下： NADH+H+FMN→FMNH2+NAD 接着辅基FMNH2上的电子又转移到铁硫聚簇Fe-S 上，Fe-S 聚簇是该还原酶的第二个辅基，起着传递电子的作用（传电子，不传氢）。最后，电子被传递给辅酶Q ，由辅酶Q 将电子转移到细胞色素还原酶（复合体Ⅲ） NADH ，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，还原态。N 指烟酰胺，A 指腺嘌呤，D 是double 。 用于糖酵解和细胞呼吸作用中的柠檬酸循环。 NAD+ 则是氧化态。 葡萄糖代谢时直接经代谢所产生的ATP 是十分的少的，而代谢产生的NADH 或FADH2经由一个电子传递与氧化磷酸反应可产生大量的ATP 。 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化态）NAD+ 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（还原态）NADH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（还原态） NADPH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化态） NADPH+ NAD+ + H+ + 2e- = NADH NADP+ + H+ + 2e- = NADPH 他们都是辅酶，用来实现电子传递。 基本上涉及到氧化还原的反应都用得到，比如呼吸作用，
光合作用，等等氨会抑制呼吸过程中的电子传递系统，尤其是NADH 。 NAD+分子中的功能部分是烟酰胺换。其共振结构式： “4-5双键振至5-6双键；6-7双键振至7-8双键；4号碳为碳正离子；7号氮为双电子原子” 琥珀酸脱氢酶（Succinatedehydrogenase ，简称SDH ），黄素酶类，是线粒体内膜的结合酶，属膜结合酶，是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，可为真核细胞线粒体和多种原核细胞需氧和产能的呼吸链提供电子，为线粒体的一种标志酶。作为参与三羧酸循环的关键酶，琥珀酸脱氢酶是反映线粒体功能的标志酶（markerenzyme ）之一，其活性一般可作为评价三羧酸循环运行程度的指标[1]，对于评价精子线粒体功能、研究致奶牛酮缺乏症病理过程等具有重要意义[2～3]。
1琥珀酸脱氢酶的提取与生理意义
琥珀酸脱氢酶存在于所有有氧呼吸细胞，和线粒体膜牢固结合，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶，是脱氢酶中最重要的酶。迄今为止，已从多种原核和真核组织中分离纯化出这种酶，为该酶的酶学研究奠定了基础。
作为膜内酶，琥珀酸脱氢酶与具有脂双层结构的线粒体膜结合得比较紧密，很难溶解下来，而且其一旦离开膜后，暴露在空气中会很快失活，因此其提纯难度很大。1950年我国著名生物化学家、、汪静英等开展对膜蛋白琥珀酸脱氢酶的研究，经过反复实验最后以正丁醇抽提法成功地把琥珀酸脱氢酶从鼠肝组织线粒体膜上溶解下来，得到了高纯度的水溶性琥珀酸脱氢酶，其活力比同期国外报道者高出1倍以上，从而奠定了我国在琥珀酸脱氢酶研究领域的领先地位[4]。其后，Davis 等（1971、1977）使用NaClO4从牛心线粒体溶解下此酶[5～6]；TsukahoHattori 和TadashiAsahi （1982）选用离子型去垢剂脱氧胆酸钠从番薯根线粒体提取SDH[7]；Suraveratum 等（2000）对恶性疟原虫的琥珀酸脱氢酶进行了纯化[8]；夏玉凤等（2000）以玉米黄化苗为生物材料，通过差速离心获得线粒体，使用超声波将其破碎，用2%TritonX-100溶膜，超速离心，硫酸铵沉淀，DEAE-C32层析纯化琥珀酸脱氢酶[9]；辛明秀等（2004）用常规酶学方法从嗜冷酵母（Y18）中分离纯化出有催化活性的琥珀酸脱氢酶[10]。
细胞色素C
细胞色素α能在生理氧化反应过程中表现出电子传导，即Fe2+→←Fe3+的效能，以促进细胞的氧化反应，达到兴奋呼吸目的。它在生物氧化过程中，是一个非常重要的电子传递体。亲缘关系越近的生物，其细胞色素C 越相似或相同。比如人和黑猩猩。而如果在进化史上相去甚远，则其其细胞色素C 也相差越远，比如人和酵母菌。 鉴于细胞色素C 分子在呼吸电子传递链中不可或缺的地位，其分子结构是相对保守的。但随着生物的进化，其分子组成结构也必将出现变异，只是相对于其他蛋白来说，细胞色素C 分子的很多变异可能导致生物体的电子传递出现问题而导致死亡，因此，其分子进化要缓慢而保守。
本品为生物氧化过程中的电子传递体。其作用原理为在酶存在的情况下，对组织的氧化、还原有迅速的酶促作用。通常外源性细胞色素C 不能进入健康细胞，但在缺氧时，细胞膜的通透性增加，细胞色素
C 便有可能进入细胞及线粒体内，增强细胞氧化，提高氧的利用。
b 肉毒碱酰基转移酶 代谢物质运输
3. 膜间隙
标志酶为腺苷酸激酶，此外还有核苷酸激酶、二磷酸激酶、单磷酸激酶等。
4. 基质
a. 三羧酸循环酶系 三羧酸循环
b. 脂肪酸β氧化酶 脂肪酸β氧化
c. 谷氨酸脱氢酶 丙酮酸氧化
d. 天冬氨酸转氨酶 蛋白质的合成
天门冬氨酸氨基转移酶
L-天门冬氨酸氨基转移酶是氨基转移酶的一种，它催化天门冬氨酸和a-酮戊二酸的氨基转移作用，形成谷氨酸和草酰乙酸。AST 广泛分布于人体各组织，但在各组织中含量不等。AST 主要分布在心肌，其次是肝脏、肾脏
e. 蛋白质和核酸合成酶系 DNA 合成
f. 丙酮酸脱氢酶复合物 RNA 合成
又称丙酮酸脱氢酶系，是一种催化丙酮酸脱羧反应的多酶复合体，由三种酶（丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶）和六种辅助因子（焦磷酸硫胺素、硫辛酸、FAD 、NAD 、CoA 和Mg 离子）组成，在它们的协同作用下，使丙酮酸转变为乙酰CoA 和CO2。 丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应式是： CH3—CO —COO + CoA~SH + NAD → CH3—CO~CoA + CO2 + NADH ； △G=-33kl/mol 大肠杆菌 丙酮酸脱氢酶复合体相对分子质量约4，600，000，外形呈球状，其直径约为30nm 。复合物核心由24个二氢硫辛酸转乙酰基酶构成，24个丙酮酸脱氢酶和12个二氢硫辛酸脱氢酶环绕二氢硫辛酸转乙酰基酶排列。真核的丙酮酸脱氢酶复合体更为复杂。在真核中，该复合物由60个丙酮酸脱氢酶和12个二氢硫辛酸脱氢酶环绕60个二氢硫辛酸转乙酰基酶排列而构成12面体。除含有这些主要成分外，真核生物的酶复合物还含有12个拷贝的蛋白质X （一种无催化活性的、与二氢硫辛酸转乙酰基酶相似的蛋白质）和1至3个拷贝的丙酮酸脱氢酶激酶和丙酮酸脱氢酶磷酸酶。这后两种酶通过使该酶复合物磷酸化和去磷酸化调节其活性。
生工1201班 朱刚刚
201207730
有关线粒体内酶系统的特点与最新研究进展
一. 线粒体内酶系统的组成与相关功能 1. 外膜
a. 单胺氧化酶 磷脂的合成
单胺氧化酶（monoamine oxidase）缩写MAO ，为催化单胺氧化脱氨反应的酶，也有称为含黄素胺氧化酶的。
单胺氧化酶（MAO ）存在两种同分异构体即单胺氧化酶A （MAO-A ）和单胺氧化酶B(MAO-B),他们都有一个黄素腺嘌呤二核苷酸以共价键链接到活性中心区域的半胱氨酸残基上。他们能催化氧化生物体内的各种胺类物质：多巴胺、5-羟基色胺、去甲肾上腺素、色胺等，最终产物醛和双氧水与细胞的氧化密切相关。多见于脊椎动物的各种器官，特别是分泌腺、脑、肝脏，但在无脊椎动物、豆类的芽等植物中也存在。在细胞内存在于线粒体外膜上，是不溶性酶。所以认为单胺氧化酶具有调节生物体内胺浓度的功能。
b. NADH-细胞色素还原酶 脂肪酸链去饱和
c. 核苷二磷酸激酶和磷酸甘油酰基转移酶 脂肪酸链的延长
2. 内膜
a.NADH 脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素c 、细胞色素氧化酶、ATP 合成酶。 电子传递及氧化磷酸化。
NADH-Q 还原酶又称为NADH 脱氢酶（NADH dehydrogenase），简称复合体Ⅰ（complex Ⅰ），是一个具有相对分子质量88 000的大蛋白质分子，至少包含有34条多肽链。分别由核和线粒体两个不同的基因组编码构成。在电子传递链中共有3个质子泵（proton pump ），该酶是第一个质子泵。 该酶的作用是先与NADH 结合并将NADH 上的两个高势能电子转移到其FMN 辅基上，使NADH 氧化，并使FMN 还原，反应如下： NADH+H+FMN→FMNH2+NAD 接着辅基FMNH2上的电子又转移到铁硫聚簇Fe-S 上，Fe-S 聚簇是该还原酶的第二个辅基，起着传递电子的作用（传电子，不传氢）。最后，电子被传递给辅酶Q ，由辅酶Q 将电子转移到细胞色素还原酶（复合体Ⅲ） NADH ，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，还原态。N 指烟酰胺，A 指腺嘌呤，D 是double 。 用于糖酵解和细胞呼吸作用中的柠檬酸循环。 NAD+ 则是氧化态。 葡萄糖代谢时直接经代谢所产生的ATP 是十分的少的，而代谢产生的NADH 或FADH2经由一个电子传递与氧化磷酸反应可产生大量的ATP 。 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化态）NAD+ 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（还原态）NADH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（还原态） NADPH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化态） NADPH+ NAD+ + H+ + 2e- = NADH NADP+ + H+ + 2e- = NADPH 他们都是辅酶，用来实现电子传递。 基本上涉及到氧化还原的反应都用得到，比如呼吸作用，
光合作用，等等氨会抑制呼吸过程中的电子传递系统，尤其是NADH 。 NAD+分子中的功能部分是烟酰胺换。其共振结构式： “4-5双键振至5-6双键；6-7双键振至7-8双键；4号碳为碳正离子；7号氮为双电子原子” 琥珀酸脱氢酶（Succinatedehydrogenase ，简称SDH ），黄素酶类，是线粒体内膜的结合酶，属膜结合酶，是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，可为真核细胞线粒体和多种原核细胞需氧和产能的呼吸链提供电子，为线粒体的一种标志酶。作为参与三羧酸循环的关键酶，琥珀酸脱氢酶是反映线粒体功能的标志酶（markerenzyme ）之一，其活性一般可作为评价三羧酸循环运行程度的指标[1]，对于评价精子线粒体功能、研究致奶牛酮缺乏症病理过程等具有重要意义[2～3]。
1琥珀酸脱氢酶的提取与生理意义
琥珀酸脱氢酶存在于所有有氧呼吸细胞，和线粒体膜牢固结合，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶，是脱氢酶中最重要的酶。迄今为止，已从多种原核和真核组织中分离纯化出这种酶，为该酶的酶学研究奠定了基础。
作为膜内酶，琥珀酸脱氢酶与具有脂双层结构的线粒体膜结合得比较紧密，很难溶解下来，而且其一旦离开膜后，暴露在空气中会很快失活，因此其提纯难度很大。1950年我国著名生物化学家、、汪静英等开展对膜蛋白琥珀酸脱氢酶的研究，经过反复实验最后以正丁醇抽提法成功地把琥珀酸脱氢酶从鼠肝组织线粒体膜上溶解下来，得到了高纯度的水溶性琥珀酸脱氢酶，其活力比同期国外报道者高出1倍以上，从而奠定了我国在琥珀酸脱氢酶研究领域的领先地位[4]。其后，Davis 等（1971、1977）使用NaClO4从牛心线粒体溶解下此酶[5～6]；TsukahoHattori 和TadashiAsahi （1982）选用离子型去垢剂脱氧胆酸钠从番薯根线粒体提取SDH[7]；Suraveratum 等（2000）对恶性疟原虫的琥珀酸脱氢酶进行了纯化[8]；夏玉凤等（2000）以玉米黄化苗为生物材料，通过差速离心获得线粒体，使用超声波将其破碎，用2%TritonX-100溶膜，超速离心，硫酸铵沉淀，DEAE-C32层析纯化琥珀酸脱氢酶[9]；辛明秀等（2004）用常规酶学方法从嗜冷酵母（Y18）中分离纯化出有催化活性的琥珀酸脱氢酶[10]。
细胞色素C
细胞色素α能在生理氧化反应过程中表现出电子传导，即Fe2+→←Fe3+的效能，以促进细胞的氧化反应，达到兴奋呼吸目的。它在生物氧化过程中，是一个非常重要的电子传递体。亲缘关系越近的生物，其细胞色素C 越相似或相同。比如人和黑猩猩。而如果在进化史上相去甚远，则其其细胞色素C 也相差越远，比如人和酵母菌。 鉴于细胞色素C 分子在呼吸电子传递链中不可或缺的地位，其分子结构是相对保守的。但随着生物的进化，其分子组成结构也必将出现变异，只是相对于其他蛋白来说，细胞色素C 分子的很多变异可能导致生物体的电子传递出现问题而导致死亡，因此，其分子进化要缓慢而保守。
本品为生物氧化过程中的电子传递体。其作用原理为在酶存在的情况下，对组织的氧化、还原有迅速的酶促作用。通常外源性细胞色素C 不能进入健康细胞，但在缺氧时，细胞膜的通透性增加，细胞色素
C 便有可能进入细胞及线粒体内，增强细胞氧化，提高氧的利用。
b 肉毒碱酰基转移酶 代谢物质运输
3. 膜间隙
标志酶为腺苷酸激酶，此外还有核苷酸激酶、二磷酸激酶、单磷酸激酶等。
4. 基质
a. 三羧酸循环酶系 三羧酸循环
b. 脂肪酸β氧化酶 脂肪酸β氧化
c. 谷氨酸脱氢酶 丙酮酸氧化
d. 天冬氨酸转氨酶 蛋白质的合成
天门冬氨酸氨基转移酶
L-天门冬氨酸氨基转移酶是氨基转移酶的一种，它催化天门冬氨酸和a-酮戊二酸的氨基转移作用，形成谷氨酸和草酰乙酸。AST 广泛分布于人体各组织，但在各组织中含量不等。AST 主要分布在心肌，其次是肝脏、肾脏
e. 蛋白质和核酸合成酶系 DNA 合成
f. 丙酮酸脱氢酶复合物 RNA 合成
又称丙酮酸脱氢酶系，是一种催化丙酮酸脱羧反应的多酶复合体，由三种酶（丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶）和六种辅助因子（焦磷酸硫胺素、硫辛酸、FAD 、NAD 、CoA 和Mg 离子）组成，在它们的协同作用下，使丙酮酸转变为乙酰CoA 和CO2。 丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应式是： CH3—CO —COO + CoA~SH + NAD → CH3—CO~CoA + CO2 + NADH ； △G=-33kl/mol 大肠杆菌 丙酮酸脱氢酶复合体相对分子质量约4，600，000，外形呈球状，其直径约为30nm 。复合物核心由24个二氢硫辛酸转乙酰基酶构成，24个丙酮酸脱氢酶和12个二氢硫辛酸脱氢酶环绕二氢硫辛酸转乙酰基酶排列。真核的丙酮酸脱氢酶复合体更为复杂。在真核中，该复合物由60个丙酮酸脱氢酶和12个二氢硫辛酸脱氢酶环绕60个二氢硫辛酸转乙酰基酶排列而构成12面体。除含有这些主要成分外，真核生物的酶复合物还含有12个拷贝的蛋白质X （一种无催化活性的、与二氢硫辛酸转乙酰基酶相似的蛋白质）和1至3个拷贝的丙酮酸脱氢酶激酶和丙酮酸脱氢酶磷酸酶。这后两种酶通过使该酶复合物磷酸化和去磷酸化调节其活性。
生工1201班 朱刚刚
201207730