Respirasom

Modern biologisk forskning har avslöjat övertygande bevis för att de mitokondriella enzymerna i den respiratoriska elektrontransportkedjan är sammansatta i större, supramolekylära strukturer som kallas respirasomer , vilket är fundamentalt annorlunda från standardteorin om diskreta enzymer som fritt flyter i det inre mitokondriella membranet. Dessa superkomplex är funktionellt aktiva och nödvändiga för en stabil drift av andningskomplexen [1] .

Respirasomer har hittats i olika arter och vävnader, inklusive råtthjärna [2] , lever [2] , njure [2] , skelettmuskel [2] [3] , hjärta [2] , bovint hjärta [4] , hudfibroblaster människa [5] , svampar [6] , växter [7] [8] och C. elegans [9] .

Historik

1955 lade biologerna Britton Chance och G.R. Williams först fram idén att respiratoriska enzymer samlas till större komplex [10] , även om den fria vätskemodellen för organisationen av andningskedjan fortfarande var huvudströmmen och anses vara standard. Men redan 1985 började forskare isolera superkomplex III / IV -komplex från bakterier [11] [12] [13] och jäst [14] [15] . Slutligen, år 2000, isolerade Hermann Sjögger och Cathy Pfeiffer, med hjälp av Coomassie gelelektrofores , individuella andningskomplex från nötkreatur , vilket visade att komplex I, III och IV bildar ett superkomplex [16] .

Komposition och utbildning

Efter att de önskade respirasomerna isolerats fanns det fortfarande en möjlighet att de resulterande komplexen bildades uteslutande i provröret och helt enkelt var en isoleringsartefakt. Efter flera år av misslyckade försök att bevisa eller motbevisa förekomsten av respiraser med hjälp av olika proteinisoleringsmetoder, har Lapuenta-Brun et al. beslutade att ta ett annat tillvägagångssätt. Eftersom det var uppenbart att om respirasomen verkligen existerade, så skulle något tillbehörsprotein behöva användas för att kombinera andningskomplexen till ett superkomplex. Det visade sig att ett protein som kallas  Cox7a2l ( cytokrom c-oxidas-subenhet VIIa polypeptid 2-liknande ) endast finns i superkomplex som innehåller respiratoriskt komplex IV (respirasom och superkomplex III+IV) och förekommer aldrig i enstaka komplex. Forskarna hade turen att av misstag upptäcka att i tre muterade muscellinjer med en skadad form av detta protein i mitokondriella membranet är det inte möjligt att upptäcka superkomplex som involverar komplex IV . Dessutom, om en normal proteingen sätts in i mutanta celler, börjar dessa superkomplex att bildas i dem. Av allt detta drog forskarna en logisk slutsats: detta protein hjälper komplex IV att bilda superkomplex och förtjänar därför att döpas om till supercomplex assembly factor I ( engelska  supercomplex assembly factor I , eller SCAFI) [17] .

Liknande proteiner, Rcf1 och Rcf2, stabiliserande superkomplex har hittats i jäst [18] .

De vanligaste superkomplexen är komplex I/III, komplex I/III/IV och komplex III/IV. De flesta av molekylerna av komplex II i både växt- och djurmitokondrier är i fri form. ATP-syntas kan också migrera tillsammans med andra superkomplex i form av en dimer, men det är knappast en del av dem [1] .

Bildandet av ett superkomplex är tydligen en dynamisk process. Andningskomplex kan alternera deltagande i respirasomer och existens i ett fritt tillstånd. Det är inte känt vad som utlöser organiseringen av respiratoriska enzymer till superkomplex, men studier har visat att deras bildning till stor del beror på lipidsammansättningen av mitokondriella membran, och i synnerhet kräver närvaron av kardiolipin [19] . I jästmitokondrier minskar innehållet av kardiolipin, och antalet upptäckta respiras var signifikant lägre än i andra organismer [19] [20] . Enligt Wentz et al. (2009) stabiliserar kardiolipin bildandet av respiraser genom att neutralisera laddningarna av lysinrester under interaktionen av domänen av komplex III och komplex IV [21] . År 2012, Bazan et al. lyckades erhålla in vitro trimera och tetramera superkomplex III 2 IV 1 och III 2 IV 2 från renade komplex III och IV av Saccharomyces Сerevisiae genom att tillsätta liposomer med kardiolipin till dem [22] .

En annan hypotes är att rispyrasomer kan bildas under påverkan av membranpotential , vilket leder till förändringar i elektrostatiska och hydrofoba interaktioner, som förmedlar sammansättning eller demontering av superkomplex [23] .

Enligt vissa data kanske inte respirasomer är den högsta formen av andningskomplex organisation. Baserat på elektronmikroskopdata, samt det faktum att komplex IV från bovina mitokondrier kan bilda tetramerer under vissa förhållanden, lades en hypotes fram om megakomplex bestående av respiraser eller på annat sätt respiratoriska "kedjor". Enligt denna modell är denna kedja baserad på en enda dimer av komplex III (III 2 ), omgiven på båda sidor av två komplex IV. Dessa strukturella enheter är anslutna genom dimerisering av komplex IV, vilket resulterar i att en tråd av typen IV-IV-III 2 -IV-IV-III 2 bör bildas , som är tätt omgiven av komplex I från sidorna. Den strukturella enheten för en sådan tråd bör vara ett superkomplex av sammansättningen I 1 III 2 IV [24] .

Funktioner

Det funktionella syftet med respiras är inte helt klart, men nyare forskning belyser deras syfte. Det har antagits att organiseringen av respiratoriska enzymer i superkomplex minskar oxidativ skada och ökar metabolisk effektivitet. Schäfer et al. (2006) visade att superkomplex innehållande komplex IV hade högre aktivitet av komplex I och III. Detta indikerar att komplex IV på något sätt förändrar konformationen av andra komplex, vilket leder till en ökning av deras katalytiska aktivitet [25] . Bevis började gradvis samlas på att närvaron av respirasomer är nödvändig för stabiliteten och funktionen av komplex I, vilket är praktiskt taget instabilt i frånvaro av komplex III eller IV. På muterade mänskliga celler visades det således att komplex I är nödvändigt för bildning av komplex III, och å andra sidan leder frånvaron av komplex III till förlust av komplex I. Dessutom har ett antal studier på djur gjorts. celler ger bevis för att för stabiliteten av komplex I krävs komplex IV och en dimer av komplex III.

2013, Lapuenta-Brun et al. visade att sammansättningen av superkomplex "dynamiskt organiserar flödet av elektroner för att optimera användningen av tillgängliga substrat". Närvaron av respirasom gör systemet mer grenat och flexibelt, vilket gör det möjligt att samtidigt snabbt oxidera flera substrat samtidigt ( succinat och pyruvat + malat ), men om bara succinat kommer in i mitokondrierna , vilket överför elektroner till transport genom FAD , då i i detta fall sker dess oxidation snabbare i frånvaro av respirasom [17] .

Externa länkar

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Vartak, Rasika; Porras, Christina Ann Marie; Bai, Yidong.  Respiratoriska superkomplex : struktur, funktion och sammansättning  // Protein & Cell : journal. - 2013. - Vol. 4 , nr. 8 . - s. 582-590 . — ISSN 1674-800X . - doi : 10.1007/s13238-013-3032-y .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Reifschneider, Nicole H.; Goto, Sataro; Nakamoto, Hideko; Takahashi, Ryoya; Sugawa, Michiru; Dencher, Norbert A.; Krause, Frank. Definiera mitokondriella proteomer från fem råttorgan i ett fysiologiskt signifikant sammanhang med hjälp av 2D Blue-Native/SDS-PAGE  //  Journal of Proteome Research : journal. - 2006. - Vol. 5 , nej. 5 . - P. 1117-1132 . — ISSN 1535-3893 . - doi : 10.1021/pr0504440 .
  3. ↑ Lombardi, A.; Silvestri, E.; Cioffi, F.; Senese, R.; Lannie, A.; Goglia, F.; de Lange, P.; Moreno, M. Definiera de transkriptomiska och proteomiska profilerna för råttas åldrande skelettmuskel genom att använda en cDNA-array, 2D- och Blue native-PAGE-metod  //  Journal of Proteomics : journal. - 2009. - Vol. 72 , nr. 4 . - s. 708-721 . — ISSN 18743919 . - doi : 10.1016/j.jprot.2009.02.007 .
  4. ↑ Schäfer, Eva; Dencher, Norbert A.; Vonck, Janet; Parcej, David N. . Tredimensionell struktur av andningskedjans superkomplex I1III2IV1 från Bovine Heart Mitochondria†,‡  (engelska)  // Biochemistry: journal. - 2007. - Vol. 46 , nr. 44 . - P. 12579-12585 . — ISSN 0006-2960 . doi : 10.1021 / bi700983h .
  5. ↑ Rodríguez-Hernández, Ángeles; Cordero, Mario D.; Salviati, Leonardo; Artuch, Rafael; Pineda, Mercé; Briones, Paz; Gomez Izquierdo, Lourdes; Cotan, David; Navas, Placido; Sánchez-Alcázar, José A. Koenzym Q-brist utlöser mitokondriernedbrytning genom  mitofagi //  Autofagi : journal. — Taylor & Francis , 2009. — Vol. 5 , nej. 1 . - S. 19-33 . — ISSN 1554-8627 . - doi : 10.4161/auto.5.1.7174 .
  6. ↑ Krause, F. OXPHOS Supercomplexes: Respiration and Life-Span Control in the Aging Model Podospora anserina   // Annals of the New York Academy of Sciences : journal. - 2006. - Vol. 1067 , nr. 1 . - S. 106-115 . — ISSN 0077-8923 . - doi : 10.1196/annals.1354.013 .
  7. ↑ Eubel, Holger; Heinemeyer, Jesco; Sunderhaus, Stephanie; Braun, Hans-Peter. Respiratoriska kedjas superkomplex i växtmitokondrier  (engelska)  // Plant Physiology  : journal. - American Society of Plant Biologists , 2004. - Vol. 42 , nr. 12 . - P. 937-942 . — ISSN 09819428 . - doi : 10.1016/j.plaphy.2004.09.010 .
  8. ↑ Sunderhaus, Stephanie; Klodmann, Jennifer; Lenz, Christof; Braun, Hans-Peter. Supramolekylär struktur av OXPHOS-systemet i mycket termogen vävnad av Arum maculatum  (engelska)  // Plant Physiology  : journal. - American Society of Plant Biologists , 2010. - Vol. 48 , nr. 4 . - s. 265-272 . — ISSN 09819428 . - doi : 10.1016/j.plaphy.2010.01.010 .
  9. ↑ Suthammarak, Wichit; Somerlot, Benjamin H.; Opheim, Elyce; Sedensky, Margaret; Morgan, Philip G. Nya interaktioner mellan mitokondriella superoxiddismutaser och elektrontransportkedjan  // Aging Cell  : journal  . - 2013. - Vol. 12 , nr. 6 . - P. 1132-1140 . — ISSN 14749718 . - doi : 10.1111/acel.12144 .
  10. ↑ Chance, Britton; Williams, G. A. Metod för lokalisering av platser för oxidativ fosforylering  (engelska)  // Nature : journal. - 1955. - Vol. 176 , nr. 4475 . - S. 250-254 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/176250a0 .
  11. ↑ EA Berry & BL Trumpower. Isolering av ubiquinoloxidas från Paracoccus denitrificans och upplösning till cytokrom bc1- och cytokrom c-aa3-komplex  (engelska)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1985. - Februari ( vol. 260 , nr 4 ). - P. 2458-2467 . — PMID 2982819 .
  12. ↑ T. Iwasaki, K. Matsuura & T. Oshima. Upplösning av det aeroba andningssystemet hos den termoacidofila arkeonen, Sulfolobus sp. stam 7. I. Det arkeala terminala oxidas-superkomplexet är en funktionell fusion av respiratoriska komplex III och IV utan cytokromer av c-typ  (engelska)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1995. - December ( vol. 270 , nr 52 ). - P. 30881-30892 . doi : 10.1074/ jbc.270.52.30881 . — PMID 8537342 .
  13. ↑ N. Sone, M. Sekimachi & E. Kutoh. Identifiering och egenskaper hos ett kinoloxidas-superkomplex som består av ett bc1-komplex och cytokromoxidas i den termofila bakterien PS3  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1987. - November ( vol. 262 , nr 32 ). - P. 15386-15391 . — PMID 2824457 .
  14. ↑ H. Bowmans, L. A. Grivell & J. A. Berden. Andningskedjan i jäst beter sig som en enda funktionell enhet  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1998. - Februari ( vol. 273 , nr 9 ). - P. 4872-4877 . doi : 10.1074/ jbc.273.9.4872 . — PMID 9478928 .
  15. ↑ C. Bruel, R. Brasseur & B. L. Trumpower. Subenhet 8 av Saccharomyces cerevisiae cytochrome bc1-komplexet interagerar med succinat-ubiquinon reductase complex  (engelska)  // Journal of bioenergetics and biomembranes : journal. - 1996. - Februari ( vol. 28 , nr 1 ). - S. 59-68 . - doi : 10.1007/bf02109904 . — PMID 8786239 .
  16. ↑ H. Schagger & K. Pfeiffer. Superkomplex i andningskedjorna i jäst och däggdjursmitokondrier  //  The EMBO journal : journal. - 2000. - April ( vol. 19 , nr 8 ). - P. 1777-1783 . - doi : 10.1093/emboj/19.8.1777 . — PMID 10775262 .
  17. ↑ 1 2 Lapuente-Brun, E.; Moreno-Loshuertos, R.; Acin-Perez, R.; Latorre Pellicer, A.; Colas, C.; Balsa, E.; Perales-Clemente, E.; Quiros, P.M.; Calvo, E.; Rodriguez-Hernandez, MA; Navas, P.; Cruz, R.; Carracedo, A.; Lopez-Otin, C.; Perez-Martos, A.; Fernandez-Silva, P.; Fernandez-Vizarra, E.; Enriquez, JA Supercomplex Assembly bestämmer elektronflöde i mitokondriella elektrontransportkedjan  //  Science : journal. - 2013. - Vol. 340 , nr. 6140 . - P. 1567-1570 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1230381 .
  18. ↑ Rcf1 och Rcf2, medlemmar av den hypoxiinducerade gen 1-proteinfamiljen, är kritiska komponenter i mitokondriella cytokrom bc1-cytokrom med Oxidas Supercomplex   // Mol Cell Biol : journal. - 2012. - Vol. 32 , nr. 8 . - P. 1363-1373 . - doi : 10.1128/MCB.06369-11 .
  19. ↑ 1 2 Limma ihop andningskedjan. KARDIOLIPIN KRÄVS FÖR SUPERKOMPLEX BILDNING I DET INRE MITOKONDRIELLA MEMBRANET  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2002. - Vol. 277 , nr. 46 . - P. 43553-43556 . — ISSN 00219258 . - doi : 10.1074/jbc.C200551200 .
  20. ↑ Zhang M. Cardiolipin är avgörande för organisation av komplex III och IV till ett superkomplex i intakta jästmitokondrier  //  Journal of Biological Chemistry  : tidskrift. - 2005. - Vol. 280 , nr. 33 . - P. 29403-29408 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M504955200 .
  21. ↑ Wenz Tina, Hielscher Ruth, Hellwig Petra, Schägger Hermann, Richers Sebastian, Hunte Carola. Fosfolipiders roll i respiratorisk cytokrom bc1-komplexkatalys och superkomplexbildning   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics : journal. - 2009. - Vol. 1787 , nr. 6 . - P. 609-616 . — ISSN 00052728 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2009.02.012 .
  22. ↑ Bazan, S.; Mileykovskaya, E.; Mallampalli, VKPS; Heacock, P.; Sparagna, G.C.; Dowhan, W. Kardiolipinberoende rekonstitution av respiratoriska superkomplex från renade Saccharomyces cerevisiae-komplex III och IV  //  Journal of Biological Chemistry  : tidskrift. - 2012. - Vol. 288 , nr. 1 . - s. 401-411 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M112.425876 .
  23. ↑ Lenaz Giorgio, Genova Maria Luisa. Supramolecular Organization of the Mitochondrial Respiratory Chain: A New Challenge for the Mechanism and Control of Oxidative Phosphorylation  (engelska)  : tidskrift. - 2012. - Vol. 748 . - S. 107-144 . — ISSN 0065-2598 . - doi : 10.1007/978-1-4614-3573-0_5 .
  24. ↑ Wittig Ilka , Schägger Hermann. Supramolekylär organisation av ATP-syntas och andningskedja i mitokondriella membran  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2009. - Juni ( vol. 1787 , nr 6 ). - S. 672-680 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2008.12.016 .
  25. ↑ Schafer E. Arkitektur av aktiva däggdjursrespiratoriska kedjas superkomplex  //  Journal of Biological Chemistry  : tidskrift. - 2006. - Vol. 281 , nr. 22 . - P. 15370-15375 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M513525200 .