Respiratorisk elektrontransportkedja

Respiratorisk elektrontransportkedja , även elektrontransportkedja (förkortning ETC , eng.  ETC, Electron transport chain ) är ett system av transmembranproteiner och elektronbärare som är nödvändigt för att upprätthålla energibalansen. ETC upprätthåller balansen genom att överföra elektroner och protoner från NADH och FADH 2 till elektronacceptorn. I fallet med aerob andning kan molekylärt syre (O 2 ) vara en acceptor. Vid anaerob andning kan acceptorn vara NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , fumarat , dimetylsulfoxid , svavel , SO 4 2- , CO 2 , etc. ETC i prokaryoter är lokaliserad i CPM , i eukaryoter - på det inre membranet mitokondrierna . [1] Elektronbärare är ordnade i ordning efter minskande elektronaffinitet, det vill säga genom deras redoxpotential , där acceptorn har den starkaste elektronaffiniteten. Därför fortsätter transporten av en elektron genom hela kedjan spontant med frigörande av energi. Frigörandet av energi till intermembranutrymmet under överföringen av elektroner sker stegvis, i form av en proton (H + ). Protoner från intermembranutrymmet kommer in i protonpumpen , där de inducerar en protonpotential . Protonpotentialen omvandlas av ATP-syntas till ATP :s kemiska bindningsenergi . Konjugatarbetet av ETC- och ATP-syntas kallas oxidativ fosforylering .

Mitokondriell elektrontransportkedja

I eukaryota mitokondrier börjar elektrontransportkedjan med oxidation av NADH och reduktion av ubikinon Q med komplex I. Vidare oxiderar komplex II succinat till fumarat och reducerar ubikinon Q. Ubiquinon Q oxideras och reduceras av cytokromkomplex III. I slutet av kedjan katalyserar komplex IV överföringen av elektroner från cytokrom c till syre för att bilda vatten . Som ett resultat av reaktionen, för varje villkorligt frisatt 6 protoner och 6 elektroner , frigörs 2 vattenmolekyler på grund av förbrukningen av 1 O 2 molekyl och 10 NAD∙H molekyler.

NADH-dehydrogenaskomplex

Huvudartikel: NADH-dehydrogenaskomplex

Komplex I eller NADH dehydrogenaskomplex oxiderar NADH . Detta komplex spelar en central roll i processerna för cellandning och oxidativ
fosforylering . Nästan 40% av protongradienten för ATP- syntes skapas av detta komplex [2] . Komplex I oxiderar NADH och reducerar en molekyl av ubikinon , som frigörs i membranet. För varje NADH- molekyl som oxideras transporterar komplexet fyra protoner över membranet . NADH-dehydrogenaskomplex tar ifrån honom[ förtydliga ] två elektroner och överför dem till ubiquinonen . Ubiquinon är lipidlösligt . _ Ubiquinon inuti membranet diffunderar till komplex III. Tillsammans med detta pumpar komplex I 2 protoner och 2 elektroner från matrisen in i mitokondriernas intermembranutrymme .

Kofaktorer

Alla protesgrupper i NADH-dehydrogenaskomplexet (en flavinmononukleotid (FAD) och 8 till 9 järn-svavelkluster ) är belägna i den perifera vattenlösliga domänen. Däggdjur, som alla ryggradsdjur , har åtta [3] . Sju kluster bildar en elektrontransportkedja ~96 Å lång från FMN till platsen för ubikinonbindning . Baserat på aktuella data antas det att elektronöverföring sker längs följande väg: NADH → FMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q.

Först överförs två elektroner till flavinet och sedan överförs de en efter en genom kedjan av kluster till kinonbindningsstället och reducerar det till Q- 2 -tillståndet . N1a-klustret är beläget nära flavinkofaktorn och på ett visst avstånd från den huvudsakliga elektrontransportkedjan. Detta kluster är mycket bevarat över arter ; man tror att den styr hastigheten för elektrontransport inom komplexet genom att överföra en elektron från FMN [4] . Det finns en modell enligt vilken en av elektronerna från flavinet går längs huvudvägen till kinonet , och den andra lagras i N1a-klustret och senare återvänder till huvudkedjan, genom flavosemikinonen. Det är möjligt att denna mekanism gör det möjligt att minska bildningen av reaktiva syreämnen på det reducerade flavinet. Dessutom tillåter det att stabilisera (upp till en millisekund ) tillståndet när det sista N2-klustret återställs, men det finns ingen andra elektron för att slutföra reduktionen av ubikinon. Ett sådant tillstånd kan vara nödvändigt för konformationsförändringar associerade med protontransport.

Vissa av klustren i kedjan (N3, N4 och N6a) har en hög redoxpotential (redoxpotential) på nivån –0,25 V , medan tre andra (N1b, N5 och N6b) har lägre potentialer. Som ett resultat ändras redoxpotentialen på elektronens väg som en berg-och dalbana . En sådan förändringskurva för energitillstånd är karakteristisk för många redoxenzymer : den möjliggör optimering av elektrontransporthastigheten och uppnår effektiv energiöverföring [4] .

N5-klustret har en mycket låg potential och begränsar hastigheten på det totala elektronflödet genom hela kretsen. Istället för de vanliga liganderna för järn-svavelcentra (fyra cysteinrester ) koordineras den av tre cysteinrester och en histidinrester , och omges även av laddade polära rester, även om den finns djupt inne i enzymet [ 4] .

Det terminala klustret av kedjan, N2, har också ovanliga ligander . Dess redoxpotential är den högsta av alla kluster (från -0,1 till -0,15 V). Det är associerat med fyra på varandra följande cysteinrester i polypeptidkedjan, vilket skapar en spänd konformation. På grund av detta, när det återställs, inträffar konformationsförändringar i angränsande kedjor, möjligen förknippade med protontransport [4] .

Kluster N7 finns endast i komplex I av vissa bakterier. Det avlägsnas avsevärt från resten av klustren och kan inte byta elektroner med dem, så det är tydligen en relik . I vissa bakteriekomplex relaterade till komplex I hittades fyra konserverade cysteinrester mellan N7 och andra kluster, och ytterligare ett Fe 4 S 4 kluster som förbinder N7 med de återstående klustren hittades i komplex I av bakterien Aquifex aeolicus . Detta leder till slutsatsen att i A. aeolicus komplex I, förutom NADH, kan använda en annan elektrondonator, som överför dem genom N7 [5] .

Reaktion

NADH-dehydrogenaskomplexet oxiderar NADH som bildas i matrisen under trikarboxylsyracykeln . Elektroner från NADH används för att regenerera membrantransportören, ubiquinone Q, som transporterar dem till nästa komplex i den mitokondriella elektrontransportkedjan, komplex III eller cytokrom bc 1 - komplexet [21] .

NADH-dehydrogenaskomplexet fungerar som en protonpump : för varje oxiderad NADH och reducerat Q pumpas fyra protoner genom membranet in i intermembranutrymmet [6] :

NADH + H + + Q + 4H + in → ÖVER + + QH 2 + 4H + ut

Den elektrokemiska potential som bildas under reaktionen används för att syntetisera ATP . Reaktionen katalyserad av komplex I är reversibel, en process som kallas aerob succinat -inducerad reduktion av NAD + . Under förhållanden med hög membranpotential och ett överskott av reducerade ubikinoler kan komplexet reducera NAD + med hjälp av deras elektroner och föra protoner tillbaka in i matrisen. Detta fenomen ses vanligtvis när det finns mycket succinat men lite oxaloacetat eller malat . Reduktionen av ubikinon utförs av enzymerna succinatdehydrogenas , glycerol-3-fosfatdehydrogenas , eller mitokondriellt dihydroorotatdehydrogenas . Under förhållanden med en hög protongradient ökar affiniteten hos komplexet för ubiquinol, och redoxpotentialen för ubiquinol minskar på grund av en ökning av dess koncentration, vilket möjliggör omvänd transport av elektroner längs den elektriska potentialen i det inre mitokondriella membranet till NAD [7] . Detta fenomen har observerats i laboratorieförhållanden, men det är inte känt om det förekommer i en levande cell.

Protontransportmekanism

I de inledande stadierna av studiet av komplex I, en modell baserad på antagandet att ett system som liknar en Q-cykel fungerar i komplexet . Senare studier hittade dock inga internt bundna kinoner i komplex I och vederlagde helt denna hypotes [8] .

NADH-dehydrogenaskomplexet verkar ha en unik protontransportmekanism genom konformationsförändringar i själva enzymet. ND2-, ND4- och ND5-subenheterna kallas antiportliknande eftersom de är homologa med varandra och med bakteriella Mrp Na + /H + antiports. Dessa tre subenheter bildar de tre huvudsakliga protonkanalerna, som är uppbyggda av konserverade laddade aminosyrarester (främst lysin och glutamat ). Den fjärde protonkanalen bildas av en del av Nqo8-subenheten och de små subenheterna ND6, ND4L och ND3. Kanalen liknar strukturen liknande kanaler av antiportliknande subenheter, men innehåller ett ovanligt stort antal tätt packade glutamatrester på matrissidan, därav namnet E-kanal (latin E används som standardbeteckning för glutamat). En förlängning sträcker sig från C-terminalen av ND5-subenheten, bestående av två transmembranspiraler förbundna med en ovanligt förlängd (110 Å) α-helix [4] (HL), som passerar längs den sida av komplexet som är vänd mot matrisen, förbinder fysiskt alla tre antiportliknande subenheter, och deltar möjligen i kopplingen av elektrontransport med konformationell omarrangemang. Ett annat konjugerande element, βH, bildas av en serie överlappande β-hårnålar och α-helixar och är beläget på den motsatta, periplasmatiska sidan av komplexet [9] . Det är fortfarande helt okänt hur exakt transporten av elektroner är kopplad till transporten av protoner. Man tror att den kraftfulla negativa laddningen av N2-klustret kan trycka isär de omgivande polypeptiderna och därigenom orsaka konformationsförändringar som på något sätt fortplantar sig till alla antiportliknande subenheter som är belägna ganska långt från varandra. En annan hypotes tyder på att konformationsförändringen inducerar stabiliserad ubiquinol Q-2 med en extremt låg redoxpotential och negativ laddning i det ovanligt långa ubikinonbindningsstället . Många detaljer om kinetiken för konformationsförändringar och tillhörande protontransport är fortfarande okända [9] .

Inhibitorer

Den mest studerade komplexa I-hämmaren är rotenon (används i stor utsträckning som ett organiskt bekämpningsmedel ). Rotenon och rotenoider är isoflavonoider som finns i rötterna hos flera tropiska växtsläkten som Antonia ( Loganiaceae ), Derris och Lonchocarpus ( Fabaceae ). Rotenon har länge använts som insektsmedel och fiskgift , eftersom mitokondrierna hos insekter och fiskar är särskilt känsliga för det. Det är känt att de inhemska invånarna i Franska Guyana och andra indianer i Sydamerika använde rotenonhaltiga växter för fiske redan på 1600-talet [10] . Rotenon interagerar med ubikinonbindningsstället och konkurrerar med huvudsubstratet. Det har visats att långvarig systemisk hämning av komplex I av rotenon kan inducera selektiv död av dopaminerga neuroner (utsöndrar dopamin som en neurotransmittor ) [11] . På liknande sätt är pyericidin A , en annan potent hämmare av komplex I, strukturellt lik ubiquinon. Denna grupp inkluderar även natriumamytal  , ett derivat av barbitursyra [12] .

Trots mer än 50 års studier av komplex I har inga inhibitorer som blockerar elektronöverföring inom komplexet hittats. Hydrofoba inhibitorer som rotenon eller pyericidin avbryter helt enkelt elektronöverföringen från det terminala N2-klustret till ubiquinon [11] .

En annan förening som blockerar komplex I är adenosindifosfatribos , en kompetitiv hämmare i NADH-oxidationsreaktionen. Det binder till enzymet vid nukleotidbindningsstället (FAD) [13] .

En av de mest potenta komplex I-hämmarna är acetogeninfamiljen . Det har visat sig att dessa ämnen bildar kemiska tvärbindningar med ND2-subenheten, vilket indirekt indikerar ND2:s roll vid ubikinonbindning [14] . Märkligt nog var acetogenin rolliniastatin-2 den första komplex I-hämmaren som upptäcktes som binder på ett annat ställe än rotenon [15] .

Det antidiabetiska läkemedlet metformin har en måttlig hämmande effekt ; uppenbarligen ligger denna egenskap hos läkemedlet till grund för dess verkningsmekanism [16] .

Succinatdehydrogenas

Huvudartikel: Succinatdehydrogenas

Succinatdehydrogenas
Identifierare
Kod KF inga uppgifter [ fyll i ]
 Mediafiler på Wikimedia Commons
Reaktionsmekanism

Complex II oxiderar succinat till fumarat och reducerar ubikinon :

Succinat + Q → Fumarat + QH 2

Elektronerna från succinatet överförs först till FAD och sedan genom Fe-S-klustren till Q. Elektrontransporten i komplexet åtföljs inte av genereringen av en protongradient . 2H + som bildas under oxidationen av succinat förblir på samma sida av membranet, det vill säga i matrisen , och återabsorberas sedan under reduktionen av kinon. Komplex II bidrar alltså inte till skapandet av en protongradient över membranet och fungerar bara som en elektronbärare från succinat till ubikinon [17] [18] .

Oxidation av succinat

Lite är känt om den exakta mekanismen för succinatoxidation. Röntgendiffraktionsanalys avslöjade att FAD , glutamat -255, arginin -286 och histidin -242 subenhet A kan vara kandidater för deprotoneringsreaktionen. Det finns två möjliga mekanismer för denna elimineringsreaktion : E2 och E1cb. När det gäller E2 är detta en förhandlingsmekanism. De basiska resterna eller kofaktorn deprotonerar alfakolet, och FAD accepterar en hydridanjon från betakolet, vilket oxiderar succinatet till fumarat . I fallet med E1cb-mekanismen bildas enolformen av succinat innan FAD fäster hydridanjonen . För att avgöra vilken mekanism som faktiskt äger rum krävs ytterligare studier av succinatdehydrogenas.

Efter avslutad reaktion dissocierar fumaratet , som är löst bundet till enzymets aktiva ställe, lätt. Det finns data från vilka det följer att den cytosoliska substratbindande domänen av succinatdehydrogenas genomgår konformationsförändringar: efter att produkten lämnar är enzymet i en öppen form och efter att ha bundit ett nytt substrat övergår det till ett slutet tillstånd, tätt slutande runt den [19] .

Elektronöverföring

Som ett resultat av succinatoxidation överförs dess elektroner till FAD och överförs sedan längs kedjan av järn-svavelkluster från [Fe-S] -klustret till [3Fe-4S]. Där överförs dessa elektroner till en ubikinonmolekyl som väntar vid bindningsstället .

Återvinning av ubiquinon

I det aktiva stället stabiliseras ubikinon av vätebindningar mellan dess karbonylsyreatom i den första positionen och tyrosin -83 i subenheten D. Överföringen av elektroner till järn-svavelklustret [3Fe-4S] får ubikinon att flytta till en annan position. Som ett resultat bildas en andra vätebindning mellan karbonylgruppen i ubikinon i den fjärde positionen och serin-27 i subenhet C. Efter att ubikinonen accepterar den första elektronen under reduktionsprocessen, förvandlas den till den aktiva radikalen semikinon , som, efter bindning av den andra elektronen från [3Fe-4S]-klustret fullständigt reducerad till ubiquinol [20] .

Gem b

Även om den exakta funktionen av hemsuccinatdehydrogenaset fortfarande inte är känd, hävdar vissa forskare att den första elektronen till ubikinonen via [3Fe-4S] snabbt kan röra sig fram och tillbaka mellan hemen och den bundna ubikinonen. Således spelar hem rollen som en sänka för elektroner, vilket förhindrar deras interaktion med molekylärt syre, vilket skulle leda till bildandet av reaktiva syrearter .

Det finns också ett antagande att för att förhindra att elektronen faller direkt från [3Fe-4S]-klustret, verkar en speciell grindmekanism på hemen. En trolig kandidat för rollen som grinden är histidin -207 subenhet B, som är belägen direkt mellan järn-svavelklustret och hemen, inte långt från det bundna ubikinonet, den kan förmodligen kontrollera flödet av elektroner mellan dessa redoxcentra [ 20] .

Inhibitorer

Det finns två klasser av komplexa II-hämmare: vissa blockerar succinatbindningsfickan och andra blockerar ubiquinolbindningsfickan . Inhibitorer som efterliknar ubiquinol inkluderar karboxin och thenoyltrifluoraceton . Succinatanaloghämmare inkluderar den syntetiska föreningen malonat , såväl som komponenterna i Krebs-cykeln , malat och oxaloacetat . Intressant nog är oxaloacetat en av de starkaste hämmarna av komplex II. Varför en vanlig citronsyracykelmetabolit hämmar komplex II är fortfarande oklart, även om det har föreslagits att det därmed kan spela en skyddande roll genom att minimera omvänd elektrontransport i komplex I , vilket resulterar i superoxidbildning [21] .

Ubiquinol-härmande hämmare har använts som fungicider i jordbruket sedan 1960-talet. Till exempel har karboxin främst använts för sjukdomar orsakade av basidiomyceter , såsom stamrost och sjukdomar orsakade av Rhizoctonia . Nyligen har de ersatts av andra föreningar med ett bredare spektrum av undertryckta patogener. Dessa föreningar inkluderar boscalid , penthiopyrad och fluopyram [22] . Vissa jordbruksmässigt viktiga svampar är inte mottagliga för denna nya generation av inhibitorer [23] .

Cytokrom-bc 1 komplex

Ubiquinol-cytokrom c-oxidoreduktas

Struktur av mitokondriell ubikinol-cytokrom c-oxidoreduktas i komplex med ubikinon [24] .
Identifierare
Kod KF inga uppgifter [ fyll i ]
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Huvudartikel: Cytokrom-bc 1 - komplex

Cytokrom-bc1-komplex (komplex av cytokrom bc 1 ) eller ubikinol-cytokrom c-oxidoreduktas, eller komplex III är ett multiproteinkomplex av den respiratoriska elektrontransportkedjan och den viktigaste biokemiska generatorn av protongradienten på mitokondriella membranet. Detta multiprotein -transmembrankomplex kodas av mitokondriella (cytokrom b ) och nukleära genom [25] .

Komplex III isolerades från nötkreaturs-, kyckling-, kanin- och jästhjärtamitokondrier . Det finns i mitokondrierna hos alla djur , växter och alla aeroba eukaryoter , och på de inre membranen hos de flesta eubakterier . Det är känt att komplexet bildar totalt 13 proteinslingor som korsar membranet [25] .

Reaktion

Cytokrom bc 1 - komplexet oxiderar det reducerade ubikinonet och reducerar cytokrom c (E°'=+0,25 V) enligt ekvationen:

QH 2 + 2 cit. c +3 + 2Н + intern →Q + 2 cit. c +2 + 4H + ut

Elektrontransporten i komplexet är associerad med överföringen av protoner från matrisen (in) till intermembranutrymmet (ut) och genereringen av en protongradient på mitokondriella membranet. För varannan elektron som passerar genom överföringskedjan från ubikinon till cytokrom c absorberas två protoner från matrisen och ytterligare fyra frigörs i intermembranutrymmet. Det reducerade cytokrom c rör sig längs membranet i den vattenhaltiga fraktionen och överför en elektron till nästa respiratoriska komplex, cytokromoxidas [26] [27] .

Q-cykel

Händelserna som inträffar är kända som Q-cykeln, som postulerades av Peter Mitchell 1976. Principen för Q-cykeln är att överföringen av H + över membranet sker som ett resultat av oxidation och reduktion av kinoner på själva komplexet. I detta fall ger respektive tar kinoner 2H + från vattenfasen selektivt från olika sidor av membranet.

I strukturen av komplex III finns det två centra, eller två fickor, där kinoner kan binda. En av dem, Q out -centrum, är belägen mellan 2Fe-2S järn-svavelklustret och b L hemen nära den yttre (ut) sidan av membranet som är vänd mot intermembranutrymmet. Reducerat ubikinon (QH 2 ) binder i denna ficka . Den andra, Q in -pocket, är utformad för att binda oxiderad ubikinon (Q) och är belägen nära den inre (insidan) av membranet i kontakt med matrisen.

Första delen av Q-cykeln

  1. QH 2 binder vid Q out - stället, oxideras till semikinon (Q•) av järn-svavelcentrumet i Riske-proteinet och donerar två protoner per lumen.
  2. Det reducerade järn-svavelcentret donerar en elektron till plastocyanin via cytokrom c .
  3. Q binder vid Q- platsen .
  4. Q• överför elektroner till hem b L av cytokrom b via lågpotential ETC.
  5. Heme b L donerar en elektron till b H.
  6. Ädelstenen b H återställer Q till tillståndet Q•.

Den andra delen av Q-cykeln

  1. Den andra QH2 binder till komplexets Q ut -ställe.
  2. Efter att ha gått igenom högpotentialen ETC, återställer en elektron ytterligare en plastocyanin. Ytterligare två protoner kommer in i lumen.
  3. Genom lågpotential ETC överförs en elektron från b H till Q• och fullständigt reducerad Q 2− binder två protoner av deras stroma och förvandlas till QH 2 .
  4. Oxiderat Q och reducerat QH 2 diffunderar in i membranet [28] .

Ett nödvändigt och paradoxalt villkor för driften av Q-cykeln är det faktum att livslängden och tillståndet för semikinoner i de två bindningscentra är olika. I Q out -center är Q• instabil och fungerar som ett starkt reducerande medel som kan donera e - till lågpotentialhemet. Vid Q i mitten bildas en relativt långlivad Q• − , vars potential gör att den kan fungera som ett oxidationsmedel genom att ta emot elektroner från hemen b H . Ett annat nyckelmoment i Q-cykeln är associerat med divergensen av två elektroner som ingår i komplexet längs två olika banor. Studiet av komplexets kristallstruktur visade att positionen för 2Fe-2S-centret i förhållande till andra redoxcentra kan skifta. Det visade sig att Riske-proteinet har en mobil domän , där 2Fe-2S-klustret faktiskt finns. Accepterar en elektron och återhämtar sig, ändrar 2Fe-2S-centret sin position, flyttar sig bort från Q out - centrum och hemen bL med 17 Å med en rotation av 60° och närmar sig därigenom cytokrom c . Efter att ha donerat en elektron till cytokrom, närmar sig 2Fe-2S-centret tvärtom Q out - centret för att etablera närmare kontakt. Således fungerar en slags skyttel (skyttel) som garanterar flykten av den andra elektronen till hemerna b L och b H . Hittills är detta det enda exemplet där elektrontransport i komplex är associerad med en mobil domän i proteinstrukturen [29] .

Reaktiva syrearter

En liten del av elektronerna lämnar transportkedjan innan de når komplex IV . Det konstanta läckaget av elektroner till syre leder till bildandet av superoxid . Denna lilla bireaktion leder till bildandet av ett helt spektrum av reaktiva syrearter , som är mycket giftiga och spelar en betydande roll i utvecklingen av patologier och åldrande ) [30] . Elektroniskt läckage uppstår främst vid Q in - platsen. Denna process underlättas av antimycin A. Det blockerar hemer b i deras reducerade tillstånd, vilket hindrar dem från att dumpa elektroner på semikinon Q•, vilket i sin tur leder till en ökning av dess koncentration. Semikinon reagerar med syre , vilket leder till bildandet av superoxid . Den resulterande superoxiden kommer in i mitokondriella matrisen och intermembranutrymmet, varifrån den kan komma in i cytosolen. Detta faktum kan förklaras av att Complex III troligen producerar superoxid i form av oladdad HOO • , som är lättare att penetrera det yttre membranet jämfört med laddad Superoxid (O 2 -) [31] .


Complex III-hämmare

Alla Complex III-hämmare kan delas in i tre grupper:

  • Antimycin A binder till Q: s inre ställe och blockerar elektrontransport från hem b H till oxiderad ubikinon Q (en hämmare av Q i platsen).
  • Myxotiazol och stigmatellin binder till det yttre Q- stället och blockerar elektronöverföringen från den reducerade QH 2 till järn-svavelklustret av Riske-proteinet. Båda inhibitorerna binder till Q ex - stället, men på olika, om än överlappande, platser.
    • Myxotiazol binder närmare hem bL och kallas därför för en " proximal " hämmare.
    • Stigmatellin binder längre från hem b L och närmare Riske-proteinet som det interagerar med.

Vissa av dessa substanser används som fungicider (till exempel derivat av strobilurin , varav den mest kända är azoxystrobin , en hämmare av Qex- stället ) och antimalarialäkemedel ( atovaquone ) [1] .

Cytokrom c-oxidas

Huvudartikel: Cytokrom c-oxidas

Cytokrom c-oxidas

Bovint cytokrom c-oxidas .
Identifierare
Kod KF inga uppgifter [ fyll i ]
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Cytokrom c-oxidas (cytokromoxidas) eller cytokrom c-syreoxidoreduktas, även känt som cytokrom aa 3 och komplex IV, är det terminala oxidaset i den aeroba respiratoriska elektrontransportkedjan som katalyserar överföringen av elektroner från cytokrom c till syre för att bilda vatten [1 ] . Cytokromoxidas finns i det inre mitokondriella membranet i alla eukaryoter , där det vanligtvis kallas komplex IV, såväl som i cellmembranet hos många aeroba bakterier [32] .

Komplex IV oxiderar sekventiellt fyra molekyler av cytokrom c och, accepterar fyra elektroner, reducerar O 2 till H 2 O. När O 2 reduceras, fångas fyra H + från mitokondriella matrisen för att bilda två H 2 O -molekyler , och ytterligare fyra H + + pumpas aktivt genom membranet . Således bidrar cytokromoxidas till skapandet av en protongradient för ATP- syntes och är en del av den oxidativa fosforyleringsvägen [33] . Dessutom spelar detta multiproteinkomplex en nyckelroll för att reglera aktiviteten av hela andningskedjan och energiproduktionen av den eukaryota cellen [34] .

Reaktion

Komplex IV cytokrom c-oxidas katalyserar överföringen av 4 elektroner från 4 cytokrommolekyler till O 2 och pumpar 4 protoner in i intermembranutrymmet. Komplexet består av cytokrom a och a3 som förutom hem innehåller kopparjoner .

Syre som kommer in i mitokondrierna från blodet binder till järnatomen i hemen av cytokrom a3 i form av en O 2 - molekyl . Var och en av syreatomerna fäster två elektroner och två protoner och förvandlas till en vattenmolekyl .

Den totala reaktionen som katalyseras av komplexet beskrivs med följande ekvation:

4cit. c 2+ + O2 + 8H + i → 4cyt. c3 + + 2H2O + 4H + ut

En elektrons väg i komplexet är känd. Cytokrom c binder till subenhet II medierad av subenheter I, III och VIb och återställer Cu A - centret som ligger nära membranytan. Från Cu A - centret går elektronen till hem a och sedan till det binukleära centrumet en 3 -Cu B belägen i membranets tjocklek. Det är i det binukleära centrumet som O 2 binds och reduceras till H 2 O [33] . Eftersom syre har en hög elektronaffinitet frigör det en stor mängd fri energi i processen för reduktion till vatten . På grund av detta kan aeroba organismer ta emot mycket mer energi än vad som kan produceras uteslutande med anaeroba medel.

Syreminskningsmekanism

Mekanismen för syrereduktion har länge varit föremål för intensiva studier, men är inte helt klarlagd. Den katalytiska cykeln för cytokromoxidas består av sex stadier, betecknade med A (addukt, engelsk addukt ) [35] , P (peroximellanprodukt från engelsk peroximellanprodukt ), F (ferryloxointermediär från engelsk ferryl-oxointermediär ) [35] , O H (totalt oxiderat högenergitillstånd från engelska Fullt oxiderat högenergitillstånd ), E (enkelelektron reducerat tillstånd från engelska Enelektron reducerat tillstånd ) och R (reducerat tillstånd från engelska reducerat tillstånd ) och så uppkallade efter tillståndet av det binukleära centret [36] . Det bör noteras att nomenklaturen för katalytiska tillstånd är avsevärt föråldrad, inte alltid återspeglar det verkliga kemiska tillståndet i det binukleära centret och behålls till stor del av historiska skäl. Till exempel i P- stadiet är syre i det binukleära centret inte alls i peroxidform , som man trodde för 30 år sedan, utan i oxoferryltillståndet, där bindningen mellan syreatomer redan är bruten [35] . Enligt moderna koncept sker reduktionen av syre i cytokrom c-oxidas genom snabb och fullständig reduktion med parvis elektronöverföring, vilket utesluter bildandet av reaktiva syrearter . Följande händelseförlopp inträffar [35] [37] [38] :

  • A Ett helt reducerat binukleärt centrum binder snabbt O 2 för att bilda en syreaddukt, vilket leder till konformationella omarrangemang (indikeras med tunna svarta pilar).
  • P M Det sker en snabb överföring av fyra elektroner till syre: två tillförs av hemjärn a 3 (Fe II → Fe IV ), en annan är belägen i närheten av Cu B (Cu I → Cu II ), och den fjärde kommer från tyrosin-244-resten, ger det också den proton som behövs för att bryta O 2 -dubbelbindningen . Den resulterande neutrala tyrosinradikalen reduceras till tillståndet av en anjon på bekostnad av en elektron från cytokrom c .
  • P R Protonering av Cu(II)-OH − sker med bildandet av en vattenmolekyl.
  • F Den resulterande vattenmolekylen binder till Cu B - koordinationsbindningen. Järn Fe (IV) \u003d O 2- reduceras till Fe III , och syret som är associerat med det protoneras. Den första vattenmolekylen frigörs.
  • O H Tyrosinanjonen protoneras och Cu B reduceras till Cu I på bekostnad av en elektron från cytokrom c .
  • EH Järn reduceras till Fe II , varefter OH-gruppen associerad med det protoneras för att bilda en andra vattenmolekyl.
  • R I detta tillstånd är det binukleära centret helt reducerat och komplexet är redo att binda en ny syremolekyl.
Protontransportmekanism

Det är känt att eukaryot cytokromoxidas överför en proton över membranet för varje elektron som tas emot från cytokrom c . I taget pumpar komplexet en "substrat" -proton , som används för att bilda vatten, genom kanal K och överför ytterligare en proton över membranet genom kanal D. Under en katalytisk cykel inträffar translokationshändelsen i fyra relativt stabila stadier: PM , F , O H och EH . _
Den exakta mekanismen för protontransport är fortfarande oklar: på senare år har många modeller föreslagits där försök har gjorts för att beskriva denna process i detalj [38] . Det är inte heller klart hur konjugeringen av elektronenergin med protonernas rörelse utförs. Men generellt kan det beskrivas på följande sätt [36] :

  1. I det inledande skedet av cykeln stängs protonkanalerna i komplexet, sedan överför cytokrom c en elektron till Cu A - centrum.
  2. Elektronen rör sig snabbt från Cu A - centrum till heme a , vilket leder till en förändring av redoxpotentialen och gör att vattenmolekylerna i kanal D omorienteras, vilket gör att den öppnar sig för en proton. Som ett resultat av att en elektron flyttas från Cu A till hem a , rör sig en proton genom kanal D och laddas in i PLS - protonladdningsplatsen .
  3. Elektronen passerar till det binukleära centrumet för att hema a 3 , som ett resultat av vilket en substratproton kommer in genom K-kanalen. Samtidigt upplever protonen i PLS en signifikant ökning av surheten (från pK=11 till pK=5).
  4. I det sista skedet av cykeln skjuts den proton som är förladdad i PLS ut, som man tror, ​​på grund av elektrostatisk repulsion från substratprotonen, som deltar i reduktionen av syre i det binukleära centret.

Inhibitorer

Cyanider , sulfider , azider , kolmonoxid och kvävemonoxid [39] binder till enzymets oxiderade eller reducerade binukleära centrum och konkurrerar med syre, vilket hämmar enzymet, vilket leder till celldöd från kemisk asfyxi . Metanol , som ingår i industriell alkohol , omvandlas i kroppen till myrsyra , som även kan hämma cytokromoxidas [40] .

Inverkan av oxidationspotentialen

Huvudartikel: Redox potential

Reduktionsmedel Oxidationsmedel Eo', V
H 2 2H + _ - 0,42
ÖVER • H + H + ÖVER + - 0,32
NADP • H + H + NADP + - 0,32
Flavoprotein (rekonstituerad) Flavoprotein (oxiderat) - 0,12
Koenzym Q • H 2 Koenzym Q + 0,04
Cytokrom B (Fe 2+ ) Cytokrom B (Fe 3+ ) + 0,07
Cytokrom C 1 (Fe 2+ ) Cytokrom C 1 (Fe 3+ ) + 0,23
Cytokromer A (Fe 2+ ) Cytokromer A(Fe 3+ ) + 0,29
Cytokromer A3 (Fe 2+ ) Cytokromer A3 (Fe 3+ ) +0,55
H2O _ _ ½ O 2 + 0,82

Ett system med lägre redoxpotential har större förmåga att donera elektroner till ett system med högre potential. Till exempel kommer ett par av NAD•H + /NAD + , vars redoxpotential är -0,32 V , att donera sina elektroner till redoxparet flavoprotein (reducerat) / flavoprotein (oxiderat), som har en högre potential på -0,12 V. Den högre redoxpotentialen för vatten / syre -redoxparet (+0,82 V) indikerar att detta par har en mycket svag förmåga att donera elektroner [41] .

Elektrontransportkedjor av bakterier

Bakterier, till skillnad från mitokondrier, använder en stor uppsättning elektrondonatorer och -acceptorer, såväl som olika sätt för elektronöverföring mellan dem. Dessa vägar kan utföras samtidigt, till exempel använder E. coli , när den odlas på ett medium som innehåller glukos som den huvudsakliga källan till organiskt material, två NADH-dehydrogenaser och två kinoloxidaser, vilket betyder att det finns 4 elektrontransportvägar. De flesta ETC- enzymer är inducerbara och syntetiseras endast om vägen de går in i är efterfrågad.

Förutom organiskt material kan bakterier använda molekylärt väte , kolmonoxid , ammonium , nitrit , svavel , sulfid , järnhaltigt järn som elektrondonator . Istället för NADH och succinatdehydrogenas kan förekomma formiat- , laktat- , glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas, hydrogenas etc. Istället för oxidas, som används under aeroba förhållanden, i frånvaro av syre, kan bakterier använda reduktaser som återställa olika slutliga elektronacceptorer: fumaratreduktas , nitrat- och nitritreduktas , etc.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 J. H. Holmes, N. Sapeika, H. Zwarenstein. Hämmande effekt av läkemedel mot fetma på NADH-dehydrogenas från mushjärthomogenat  // Research Communications in Chemical Pathology and Pharmacology. - Augusti 1975. - T. 11 , nr. 4 . - S. 645-646 . — ISSN 0034-5164 . Arkiverad från originalet den 23 juni 2018.
  2. ↑ Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran, Leonid A. Sazanov. Arkitekturen för andningskomplex I  (engelska)  // Nature. - 2010/05. - T. 465 , nr. 7297 . - S. 441-445 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature09066 .
  3. ↑ Donald Voet, Judith G. Voet. biokemi. - Wiley, 2004. - ISBN 047119350X , 9780471193500.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Leonid A. Sazanov. En gigantisk molekylär protonpump: struktur och mekanism för andningskomplex I  //  Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2015/06. - T. 16 , nej. 6 . - S. 375-388 . — ISSN 1471-0080 . - doi : 10.1038/nrm3997 .
  5. ↑ Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. Kopplingsmekanismen för andningskomplex I — Ett strukturellt och evolutionärt perspektiv  //Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - T. 1817 , nr. 10 . - S. 1785-1795 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.02.015 .
  6. ↑ Ulrich Brandt. Energiomvandlande NADH: Kinonoxidoreduktas (komplex I)  // Årlig översyn av biokemi. - 2006-06-01. - T. 75 , nej. 1 . - S. 69-92 . — ISSN 0066-4154 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539 . Arkiverad 2 maj 2021.
  7. ↑ Vera G. Grivennikova, Alexander B. Kotlyar, Joel S. Karliner, Gary Cecchini, Andrei D. Vinogradov. Redoxberoende förändring av nukleotidaffinitet till det aktiva stället för däggdjurskomplexet I  // Biokemi. — 2007-09-25. - T. 46 , nej. 38 . - S. 10971-10978 . — ISSN 0006-2960 . - doi : 10.1021/bi7009822 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2018.
  8. ↑ Ermakov, 2005 , sid. 238.
  9. ↑ 1 2 Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas, Leonid A. Sazanov. Kristallstruktur av hela andningskomplexet I   // Natur . - 2013/02. - T. 494 , nr. 7438 . - S. 443-448 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature11871 .
  10. ↑ Moretti C., Grenand P. [Nivrées, eller iktyotoxiska växter i Franska Guyana]  (fr.)  // J Ethnopharmacol. - 1988. - September ( vol. 6 , nr 2 ). - S. 139-160 . - doi : 10.1016/0378-8741(82)90002-2 . — PMID 7132401 .
  11. ↑ 1 2 Watabe M., Nakaki T. Mitokondriellt komplex I-hämmare rotenon hämmar och omfördelar vesikulär monoamintransportör 2 via nitrering i humana dopaminerga SH-SY5Y-celler  (engelska)  // Molecular Pharmocology : journal. - 2008. - Juli ( vol. 74 , nr 4 ). - P. 933-940 . - doi : 10,1124/mol.108,048546 . — PMID 18599602 .
  12. ↑ Ermakov, 2005 , sid. 237.
  13. ↑ Zharova TV, Vinogradov AD. En kompetitiv hämning av mitokondriella NADH-ubikinonoxidoreduktas (komplex I) av ADP-ribos  //  Biochimica et Biophysica Acta : journal. - 1997. - Juli ( vol. 1320 , nr 3 ). - S. 256-264 . - doi : 10.1016/S0005-2728(97)00029-7 . — PMID 9230920 .
  14. ↑ Nakamaru-Ogiso E., Han H., Matsuno-Yagi A., Keinan E., Sinha SC, Yagi T., Ohnishi T. ND2-subenheten är märkt av en fotoaffinitetsanalog av asimicin, en potent komplex I-hämmare. (engelska)  // FEBS Letters : journal. - 2010. - Januari ( vol. 584 , nr 5 ). - s. 883-888 . - doi : 10.1016/j.febslet.2010.01.004 . — PMID 20074573 .
  15. ↑ Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. Naturliga ämnen (acetogeniner) från familjen Annonaceae är kraftfulla hämmare av mitokondriellt NADH-dehydrogenas (komplex I  )  // The Biochemical Journal : journal. - 1994. - Juli ( vol. 301 ). - S. 161-167 . — PMID 8037664 .
  16. ↑ Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Cellulära och molekylära mekanismer för metformin: en översikt   // Clinical Science ( London) : journal. - 2012. - Mars ( vol. 122 , nr 6 ). - S. 253-270 . - doi : 10.1042/CS20110386 . — PMID 22117616 .
  17. ↑ Nelson, Cox, 2012 , sid. 331-333.
  18. ↑ Ermakov, 2005 , sid. 240.
  19. ↑ T.M. Iverson. Katalytiska mekanismer för komplexa II-enzymer: ett strukturellt perspektiv  //Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - T. 1827 , nr. 5 . - S. 648-657 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.09.008 .
  20. ↑ 1 2 Quang M. Tran, Richard A. Rothery, Elena Maklashina, Gary Cecchini, Joel H. Weiner. Kinonbindningsstället i Escherichia coli Succinatdehydrogenas krävs för elektronöverföring till Heme b  //  Journal of Biological Chemistry. — 2006-10-27. — Vol. 281 , utg. 43 . - P. 32310-32317 . — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M607476200 . Arkiverad från originalet den 3 juni 2018.
  21. ↑ Florian L. Muller, Yuhong Liu, Muhammad A. Abdul-Ghani, Michael S. Lustgarten, Arunabh Bhattacharya. Höga hastigheter av superoxidproduktion i skelettmuskelmitokondrier som andas på både komplexa I- och komplexa II-kopplade substrat  // The Biochemical Journal. — 2008-01-15. - T. 409 , nr. 2 . - S. 491-499 . — ISSN 1470-8728 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2018.
  22. ↑ Hervé F. Avenot, Themis J. Michailides. Framsteg i att förstå molekylära mekanismer och utveckling av resistens mot succinatdehydrogenashämmande (SDHI) fungicider i fytopatogena svampar  // Crop Protection. - T. 29 , nej. 7 . - S. 643-651 . - doi : 10.1016/j.cropro.2010.02.019 .
  23. ↑ Tiphaine Dubos, Matias Pasquali, Friederike Pogoda, Angèle Casanova, Lucien Hoffmann. Skillnader mellan succinatdehydrogenassekvenserna för isopyrazamkänsliga Zymoseptoria tritici och okänsliga Fusarium graminearum-stammar  // Pesticide Biochemistry and Physiology. - T. 105 , nej. 1 . - S. 28-35 . - doi : 10.1016/j.pestbp.2012.11.004 .
  24. ↑ PDB 1ntz ; Gao X., Wen X., Esser L., Quinn B., Yu L., Yu CA, Xia D. Strukturell grund för kinonreduktionen i bc1-komplexet: en jämförande analys av kristallstrukturer av mitokondriell cytokrom bc1 med bundet substrat and inhibitors at the Qi site  (engelska)  // Biochemistry: journal. - 2003. - Augusti ( vol. 42 , nr 30 ). - P. 9067-9080 . - doi : 10.1021/bi0341814 . — PMID 12885240 .
  25. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , sid. 240.
  26. ↑ David M. Kramer, Arthur G. Roberts, Florian Muller, Jonathan Cape, Michael K. Bowman. Q-cykel-bypass-reaktioner vid Qo-stället för cytokrom bc1 (och relaterade) komplex  // Methods in Enzymology. - 2004. - T. 382 . - S. 21-45 . — ISSN 0076-6879 . - doi : 10.1016/S0076-6879(04)82002-0 . Arkiverad från originalet den 23 juni 2018.
  27. ↑ Antony R. Crofts. The Cytochrome bc1 Complex: Function in the Context of Structure  // Annual Review of Physiology. — 2004-02-12. - T. 66 , nej. 1 . - S. 689-733 . — ISSN 0066-4278 . - doi : 10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251 . Arkiverad från originalet den 14 oktober 2019.
  28. ↑ David G. Nicholls, Stuart John Ferguson. Bioenergetics 3. - Gulf Professional Publishing, 2002. - ISBN 0125181213 , 9780125181211.
  29. ↑ Ermakov, 2005 , sid. 243.
  30. ↑ Florian L. Muller, Michael S. Lustgarten, Youngmok Jang, Arlan Richardson, Holly Van Remmen. Trender i teorier om oxidativt åldrande  // Friradikalbiologi och medicin. - T. 43 , nej. 4 . - S. 477-503 . - doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034 .
  31. ↑ Florian L. Muller, Yuhong Liu, Holly Van Remmen. Complex III frigör superoxid på båda sidorna av det inre mitokondriella membranet  //  Journal of Biological Chemistry. — 2004-11-19. — Vol. 279 , iss. 47 . - P. 49064-49073 . — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M407715200 . Arkiverad från originalet den 3 juni 2018.
  32. ↑ Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström, Michael I. Verkhovsky. Protondonatorn för OO-bindningsklyvning av cytokrom c-oxidas  // Proceedings of the National Academy of Sciences  . - National Academy of Sciences , 2008-08-05. — Vol. 105 , iss. 31 . - P. 10733-10737 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2018.
  33. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , sid. 244.
  34. ↑ Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras. Cytokrom c-oxidas: Evolution av kontroll via nukleär subenhetstillsats  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - T. 1817 , nr. 4 . - S. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 .
  35. ↑ 1 2 3 4 Cytokrom c-oxidas: Mellanprodukter i den katalytiska cykeln och deras energikopplade omvandling  //  FEBS-bokstäver. — 2012-03-09. — Vol. 586 , utg. 5 . - s. 630-639 . — ISSN 0014-5793 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
  36. ↑ 1 2 Hemsida för Molecular Biophysics Group . www.biocenter.helsinki.fi. Hämtad 20 mars 2018. Arkiverad från originalet 6 mars 2016.
  37. ↑ Vivek Sharma, Giray Enkavi, Ilpo Vattulainen, Tomasz Róg, Mårten Wikström. Protonkopplad elektronöverföring och vattenmolekylernas roll i protonpumpning av cytokrom c-oxidas  // Proceedings of the National Academy of Sciences  . - National Academy of Sciences , 2015-02-17. — Vol. 112 , iss. 7 . - P. 2040-2045 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2018.
  38. ↑ 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Elektrostatisk kontroll av protonpumpning i cytokrom c-oxidas  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - T. 1777 , nr. 3 . - S. 277-284 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2007.11.010 .
  39. ↑ Jose-Ramon Alonso, Francesc Cardellach, Sònia López, Jordi Casademont, Oscar Miró. Kolmonoxid hämmar specifikt cytokrom c-oxidas från human mitokondriell andningskedja  // Farmakologi och toxikologi. - September 2003. - T. 93 , nr. 3 . - S. 142-146 . — ISSN 0901-9928 . Arkiverad från originalet den 23 juli 2018.
  40. ↑ Chris E. Cooper, Guy C. Brown. Hämningen av mitokondriellt cytokromoxidas av gaserna kolmonoxid, kväveoxid, vätecyanid och vätesulfid: kemisk mekanism och fysiologisk betydelse  //  Journal of Bioenergetics and Biomembranes. — 2008-10-01. — Vol. 40 , iss. 5 . — S. 533 . — ISSN 1573-6881 0145-479X, 1573-6881 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 . Arkiverad från originalet den 26 februari 2018.
  41. ↑ Korolev A.P., Gridina S.B., Zinkevich E.P. “Fundamentals of Biochemistry, Del 4: Lärobok för Kemerovo Technological Institute of the Food Industry” Kemerovo, 2004. Arkiverad kopia av 5 mars 2016 på Wayback Machine - 92s

Litteratur

  • Plant Physiology / Ed. I. P. Ermakova. - M .  : Akademin, 2005. - 634 sid.
  • Berg, J, Tymoczko, J och L Stryer. biokemi. — 6:a. - New York: W. H. Freeman & Company, 2006. - S. 509–513.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningers Fundamentals of Biochemistry. Bioenergetik och metabolism = Leninger Principles of Biochemistry. - M .  : Binom. Kunskapslaboratoriet, 2012. - Vol 2. - 692 sid. — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk