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OXPHOS 直接涉及合计 91 种多肽,包括细胞色素 c。这些多肽由细胞核和线粒体(mt)基因编码。有效 OXPHOS 还需要其他蛋白质,包括用于 mtDNA 稳定、复制和转录的蛋白质;线粒体核糖体;合成血红素、黄素和非血红素铁辅因子的蛋白质以及参与各种复合体组装的多种蛋白质。
总的来说,有效 OXPHOS 活动需要近 300 种蛋白质。氧化磷酸化的整个过程受 DNA 转录调节、RNA 翻译作用、底物反馈抑制和翻译后修饰(包括磷酸化和乙酰化)对稳定性的影响的严格控制。
亚基 | mtDNA 上编码的多肽 | 细胞核 DNA 上编码的多肽 | |
复合体 1 NADH 脱氢酶 | 45 | 7 | ~40 |
复合体 2 珀酸泛醌氧化还原酶 | 4 | 0 | 4 |
复合体 3 泛醇细胞色素 c 氧化还原酶 | 11 | 1 | 10 |
复合体 4 细胞色素 c 氧化还原酶 | 13 | 3 | 10 |
复合体 5 ATP合成酶 | 17 | 2 | 15 |
由于能量代谢损失并且多种酶(特别是复合体 1、2 和 3)受损后产生有毒活性氧(ROS),所以通过复合体 1-4 进行无效电子转移会导致人类疾病。复合体 V 缺陷也是导致线粒体功能障碍的原因之一。
由于五种复合体中一种复合体存在缺陷导致的先天性代谢缺陷(OXPHOS 疾病)占活产婴儿的1/5000。细胞核和 mt 基因突变均可引发 OXPHOS 疾病。其中,复合体 1 和复合体 4 缺陷最常见,而复合体 3 缺陷则比较罕见。
目前认为多种迟发性人类疾病以及衰老过程本身都涉及氧化磷酸化的受损。复合体 1 的功能障碍被认为与糖尿病以及包括帕金森病和精神分裂症在内的多种神经障碍有关。人们在一类被称为副神经节瘤的癌症中发现了复合体 2 缺陷,并在阿尔茨兹海默症中发现了复合体 4 的遗传改变;此外,有报道称该复合体在低氧癌细胞中的含量降低。
研究显示,多种类型的药物可抑制 OXPHOS。监测五种 OXPHOS 复合体数量和活性的能力对诊断和表征显示能量亏损的疾病至关重要。这些检测需要成为药物开发和药物毒性研究的关键部分。