Respirasome

Cercetările biologice moderne au descoperit dovezi convingătoare că enzimele mitocondriale ale lanțului respirator de transport de electroni sunt asamblate în structuri supramoleculare mai mari numite respirazomi , care este fundamental diferită de teoria standard a enzimelor discrete care plutesc liber în membrana mitocondrială interioară. Aceste supercomplexe sunt active funcțional și necesare pentru funcționarea stabilă a complexelor respiratorii [1] .

Respirazomi au fost găsiți în diferite specii și țesuturi, inclusiv creier de șobolan [2] , ficat [2] , rinichi [2] , mușchi scheletici [2] [3] , inimă [2] , inimă de bovine [4] , fibroblaste de piele umane [5] , ciuperci [6] , plante [7] [8] și C. elegans [9] .

Istorie

În 1955, biologii Britton Chance și G.R. Williams au prezentat pentru prima dată ideea că enzimele respiratorii se adună în complexe mai mari [10] , deși modelul cu fluid liber al organizării lanțului respirator era încă curentul principal și considerat standard. Cu toate acestea, încă din 1985, cercetătorii au început să izoleze complexe supercomplex III / IV din bacterii [11] [12] [13] și drojdie [14] [15] . În cele din urmă, în 2000, Hermann Sjögger și Cathy Pfeiffer, folosind electroforeza în gel Coomassie , au izolat complexe respiratorii individuale bovine , arătând că complexul I, III și IV formează un supercomplex [16] .

Compoziție și educație

După ce respirazomii doriti au fost izolați, a existat încă posibilitatea ca complexele rezultate să se formeze exclusiv în eprubetă și să fie pur și simplu un artefact de izolare. După câțiva ani de încercări nereușite de a dovedi sau infirma existența respiraselor folosind diferite metode de izolare a proteinelor, Lapuenta-Brun et al. a decis să adopte o abordare diferită. Deoarece era evident că dacă respirazomul ar exista cu adevărat, atunci ar trebui să se folosească o proteină accesorie pentru a combina complexele respiratorii într-un singur supercomplex. S-a dovedit că o proteină numită  Cox7a2l ( citocrom c oxidază subunitatea VIIa polipeptidă 2-like ) este prezentă numai în supercomplexele care conțin complexul respirator IV (respirazom și supercomplexul III+IV) și nu apare niciodată în complexe unice. Cercetătorii au avut norocul să descopere accidental că în trei linii celulare mutante de șoarece cu o formă deteriorată a acestei proteine ​​în membrana mitocondrială, nu este posibil să se detecteze supercomplexe care implică complexul IV . Mai mult, dacă o genă proteică normală este inserată în celulele mutante, aceste supercomplexe încep să se formeze în ele. Din toate acestea, cercetătorii au tras o concluzie logică: această proteină ajută complexul IV să formeze supercomplexe și, prin urmare, merită să fie redenumită factor de asamblare supercomplex I ( în engleză  supercomplex assembly factor I , sau SCAFI) [17] .

S-au găsit în drojdii supercomplexuri de stabilizare a proteinelor similare, Rcf1 și Rcf2 [18] .

Cele mai comune supercomplexe sunt complexul I/III, complexul I/III/IV și complexul III/IV. Majoritatea moleculelor complexului II din mitocondriile vegetale și animale sunt în formă liberă. ATP sintetaza poate migra, de asemenea, împreună cu alte supercomplexe sub formă de dimer, dar nu face parte din ele [1] .

Formarea unui supercomplex este aparent un proces dinamic. Complexele respiratorii pot alterna participarea la respirazomi și existența în stare liberă. Nu se știe ce declanșează organizarea enzimelor respiratorii în supercomplexe, dar studiile au arătat că formarea lor depinde în mare măsură de compoziția lipidică a membranelor mitocondriale și, în special, necesită prezența cardiolipinei [19] . În mitocondriile de drojdie, conținutul de cardiolipină este redus, iar numărul de respirații detectate a fost semnificativ mai mic decât la alte organisme [19] [20] . Conform lui Wentz et al. (2009), cardiolipina stabilizează formarea respiraselor prin neutralizarea sarcinilor reziduurilor de lizină în timpul interacțiunii domeniului complexului III și complexului IV [21] . În 2012, Bazan et al. au reușit să obțină in vitro supercomplexele trimerice și tetramerice III 2 IV 1 și III 2 IV 2 din complexele purificate III și IV ale Saccharomyces Сerevisiae prin adăugarea de lipozomi cu cardiolipină [22] .

O altă ipoteză este că rispirazomii se pot forma sub influența potențialului membranar , ceea ce duce la modificări ale interacțiunilor electrostatice și hidrofobe , care mediază asamblarea sau dezasamblarea supercomplexelor [23] .

Conform unor date, respirazomii ar putea să nu fie cea mai înaltă formă de organizare a complexului respirator. Pe baza datelor de microscopie electronică, precum și a faptului că complexele IV din mitocondriile bovine sunt capabile să formeze tetrameri în anumite condiții, a fost formulată o ipoteză despre megacomplexele constând din respirase sau „lanțuri” respiratorii. Conform acestui model, acest lanț se bazează pe un singur dimer al complexului III (III 2 ), înconjurat pe ambele părți de două complexe IV. Aceste unități structurale sunt conectate prin dimerizarea complexelor IV, în urma căreia ar trebui să se formeze un fir de tip IV-IV-III 2 -IV-IV-III 2 , care este înconjurat dens de complexe I din laterale. Unitatea structurală a unui astfel de filet ar trebui să fie un supercomplex al compoziției I 1 III 2 IV [24] .

Funcții

Scopul funcțional al respirasului nu este în întregime clar, dar cercetările recente fac lumină asupra scopului lor. S-a emis ipoteza că organizarea enzimelor respiratorii în supercomplexe reduce deteriorarea oxidativă și crește eficiența metabolică. Schaefer și colab. (2006) au demonstrat că supercomplexele care conțin complexul IV au o activitate mai mare a complecșilor I și III. Acest lucru indică faptul că complexul IV modifică cumva conformația altor complexe, ceea ce duce la o creștere a activității lor catalitice [25] . Treptat, au început să se acumuleze dovezi că prezența respirazomilor este necesară pentru stabilitatea și funcționarea complexului I, care este practic instabil în absența complexelor III sau IV. Astfel, pe celulele umane mutante, s-a demonstrat că complexul I este necesar pentru formarea complexului III, iar pe de altă parte, absența complexului III duce la pierderea complexului I. În plus, o serie de studii pe animale celulele oferă dovezi că pentru stabilitatea complexului I sunt necesare complexe IV și un dimer al complexului III.

În 2013, Lapuenta-Brun et al. a demonstrat că ansamblul supercomplexelor „organizează dinamic fluxul de electroni pentru a optimiza utilizarea substraturilor disponibile”. Prezența respirazomului face sistemul mai ramificat și mai flexibil, ceea ce face posibilă oxidarea simultană rapidă a mai multor substraturi simultan ( succinat și piruvat + malat ), dar dacă doar succinatul intră în mitocondrii , care transferă electroni pentru transport prin FAD , atunci în în acest caz oxidarea sa are loc mai rapid în absenţa respirazomului [17] .

Link- uri externe

Note

  1. ↑ 1 2 Vartak, Rasika; Porras, Christina Ann Marie; Bai, Yidong.  Supercomplexe respiratorii : structură, funcție și asamblare  // Proteine ​​și celule : jurnal. - 2013. - Vol. 4 , nr. 8 . - P. 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. Definirea proteomilor mitocondriali din cinci organe de șobolan într-un context semnificativ fiziologic folosind 2D Blue-Native/SDS-PAGE  //  Journal of Proteome Research : jurnal. - 2006. - Vol. 5 , nr. 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. Definirea profilurilor transcriptomice și proteomice ale mușchiului scheletic îmbătrânit de șobolan prin utilizarea unei matrice cADN, abordare 2D și Blue native-PAGE  //  Journal of Proteomics : jurnal. - 2009. - Vol. 72 , nr. 4 . - P. 708-721 . — ISSN 18743919 . - doi : 10.1016/j.jprot.2009.02.007 .
  4. ↑ Schäfer, Eva; Dencher, Norbert A.; Vonck, Janet; Parcej, David N. . Structura tridimensională a supercomplexului lanțului respirator I1III2IV1din mitocondriile inimii bovine†,‡  (engleză)  // Biochimie : jurnal. - 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. Deficiența de coenzimă Q declanșează degradarea mitocondriilor prin  mitofagie //  Autofagie : jurnal. — Taylor & Francis , 2009. — Vol. 5 , nr. 1 . - P. 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   // Analele Academiei de Științe din New York : jurnal. - 2006. - Vol. 1067 , nr. 1 . - P. 106-115 . — ISSN 0077-8923 . - doi : 10.1196/annals.1354.013 .
  7. ↑ Eubel, Holger; Heinemeyer, Jesco; Sunderhaus, Stephanie; Braun, Hans-Peter. Supercomplexe ale lanțului respirator în mitocondriile plantelor  (engleză)  // Plant Physiology  : journal. - Societatea Americană a Biologilor Plantelor , 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. Structura supramoleculară a sistemului OXPHOS în țesutul extrem de termogenic al Arum maculatum  (engleză)  // Plant Physiology  : journal. - Societatea Americană a Biologilor Plantelor , 2010. - Vol. 48 , nr. 4 . - P. 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. Novel interactions between mitocondrial superoxide dismutazes and the electron transport chain  // Aging Cell  : journal  . - 2013. - Vol. 12 , nr. 6 . - P. 1132-1140 . — ISSN 14749718 . - doi : 10.1111/acel.12144 .
  10. ↑ Chance, Britton; Williams, G. A. Method for the Localization of Sites for Oxidative Phosphorylation  (engleză)  // Nature : journal. - 1955. - Vol. 176 , nr. 4475 . - P. 250-254 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/176250a0 .
  11. ↑ EA Berry și BL Trumpower. Izolarea ubiquinol oxidazei din Paracoccus denitrificans și rezoluția în complexe citocrom bc1 și citocrom c-aa3  (engleză)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1985. - Februarie ( vol. 260 , nr. 4 ). - P. 2458-2467 . — PMID 2982819 .
  12. ↑ T. Iwasaki, K. Matsuura & T. Oshima. Rezoluția sistemului respirator aerob al arheonului termoacidofil, Sulfolobus sp. tulpina 7. I. Supercomplexul arheal de oxidază terminală este o fuziune funcțională a complexelor respiratorii III și IV fără citocromi de tip c  (engleză)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1995. - Decembrie ( vol. 270 , nr. 52 ). - P. 30881-30892 . doi : 10.1074/ jbc.270.52.30881 . — PMID 8537342 .
  13. ↑ N. Sone, M. Sekimachi & E. Kutoh. Identificarea și proprietățile unui supercomplex de chinol oxidază compus dintr-un complex bc1 și citocrom oxidază în bacteria termofilă PS3  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1987. - noiembrie ( vol. 262 , nr. 32 ). - P. 15386-15391 . — PMID 2824457 .
  14. ↑ H. Bowmans, L. A. Grivell & J. A. Berden. Lanțul respirator din drojdie se comportă ca o singură unitate funcțională  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1998. - Februarie ( vol. 273 , nr. 9 ). - P. 4872-4877 . doi : 10.1074/ jbc.273.9.4872 . — PMID 9478928 .
  15. ↑ C. Bruel, R. Brasseur & B. L. Trumpower. Subunitatea 8 a complexului citocrom bc1 Saccharomyces cerevisiae interacționează cu complexul succinat-ubichinonă reductază  (engleză)  // Journal of bioenergetics and biomembranes : journal. - 1996. - Februarie ( vol. 28 , nr. 1 ). - P. 59-68 . - doi : 10.1007/bf02109904 . — PMID 8786239 .
  16. ↑ H. Schagger & K. Pfeiffer. Supercomplexe în lanțurile respiratorii ale drojdiei și mitocondriilor de mamifere  //  Jurnalul EMBO : jurnal. - 2000. - Aprilie ( 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 Ansamblul supercomplex determină fluxul de electroni în lanțul de transport de electroni mitocondrial  //  Science : journal. - 2013. - Vol. 340 , nr. 6140 . - P. 1567-1570 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1230381 .
  18. ↑ Rcf1 și Rcf2, membri ai familiei de proteine ​​​​genei 1 induse de hipoxie, sunt componente critice ale citocromului bc1-citocrom mitocondrial cu supercomplex de oxidază   // Mol Cell Biol : jurnal. - 2012. - Vol. 32 , nr. 8 . - P. 1363-1373 . - doi : 10.1128/MCB.06369-11 .
  19. ↑ 1 2 Lipirea lanțului respirator. CARDIOLIPINA ESTE NECESARĂ PENTRU FORMAREA SUPERCOMPLEXĂ ÎN MEMBRANA INTERNĂ MITOCONDRIALĂ  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2002. - Vol. 277 , nr. 46 . - P. 43553-43556 . — ISSN 00219258 . - doi : 10.1074/jbc.C200551200 .
  20. ^ Zhang M. Cardiolipin este esențial pentru organizarea complexelor III și IV într-un supercomplex în mitocondriile intacte de drojdie  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 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. Rolul fosfolipidelor în cataliza complexului respirator al citocromului bc1 și formarea supercomplexelor   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics : jurnal. - 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. Cardiolipin-dependent Reconstitution of Respiratory Supercomplexes from Purified Saccharomyces cerevisiae Complexes III and IV  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2012. - Vol. 288 , nr. 1 . - P. 401-411 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M112.425876 .
  23. ↑ Lenaz Giorgio, Genova Maria Luisa. Organizarea supramoleculară a lanțului respirator mitocondrial: o nouă provocare pentru mecanismul și controlul fosforilării oxidative  (engleză)  : jurnal. - 2012. - Vol. 748 . - P. 107-144 . — ISSN 0065-2598 . - doi : 10.1007/978-1-4614-3573-0_5 .
  24. ↑ Wittig Ilka , Schägger Hermann. Organizarea supramoleculară a ATP sintazei și a lanțului respirator în membranele mitocondriale  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2009. - iunie ( vol. 1787 , nr. 6 ). - S. 672-680 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2008.12.016 .
  25. ↑ Schafer E. Architecture of Active Mammalian Respiratory Chain Supercomplexes  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2006. - Vol. 281 , nr. 22 . - P. 15370-15375 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M513525200 .