Lanțul respirator de transport de electroni

Lanțul de transport de electroni respiratori , de asemenea, lanțul de transport de electroni (abrev. ETC , ing.  ETC, Lanț de transport de electroni ) este un sistem de proteine ​​transmembranare și purtători de electroni necesar pentru menținerea echilibrului energetic. ETC menține echilibrul prin transferul de electroni și protoni de la NADH și FADH 2 la acceptorul de electroni. În cazul respirației aerobe , oxigenul molecular (O 2 ) poate fi un acceptor. În cazul respiraţiei anaerobe , acceptorul poate fi NO 3- , NO 2 - , Fe 3+ , fumarat , dimetil sulfoxid , sulf , SO 4 2- , CO 2 etc. ETC la procariote este localizat în CPM , în eucariote - pe mitocondriile membranei interioare . [1] Purtătorii de electroni sunt aranjați în ordinea descrescătoare a afinității electronilor, adică după potențialul lor redox , unde acceptorul are cea mai puternică afinitate electronică. Prin urmare, transportul unui electron de-a lungul lanțului are loc spontan cu eliberarea de energie. Eliberarea energiei în spațiul intermembranar în timpul transferului de electroni are loc treptat, sub forma unui proton (H + ). Protonii din spațiul intermembranar intră în pompa de protoni , unde induc un potențial de protoni . Potențialul de protoni este transformat de ATP sintetaza în energia de legătură chimică a ATP . Lucrarea conjugată a ETC și ATP sintazei se numește fosforilare oxidativă .

Lanț mitocondrial de transport de electroni

În mitocondriile eucariote, lanțul de transport de electroni începe cu oxidarea NADH și reducerea ubichinonei Q de către complexul I. În plus, complexul II oxidează succinatul la fumarat și reduce ubichinona Q. Ubichinona Q este oxidată și redusă de complexul citocrom III. La sfârșitul lanțului, complexul IV catalizează transferul de electroni de la citocromul c la oxigen pentru a forma apă . Ca rezultat al reacției, pentru fiecare 6 protoni și 6 electroni eliberați condiționat , 2 molecule de apă sunt eliberate datorită consumului de 1 moleculă de O 2 și 10 molecule de NAD∙H.

Complexul NADH-dehidrogenază

Articolul principal: complexul NADH dehidrogenază

Complexul I sau complexul NADH dehidrogenază oxidează NADH . Acest complex joacă un rol central în procesele de respirație celulară și fosforilare oxidativă
. Aproape 40% din gradientul de protoni pentru sinteza ATP este creat de acest complex [2] . Complexul I oxidează NADH și reduce o moleculă de ubichinonă , care este eliberată în membrană. Pentru fiecare molecula de NADH oxidata , complexul transporta patru protoni prin membrana . Complexul NADH-dehidrogenază ia de la el[ clarifică ] doi electroni și îi transferă în ubichinonă . Ubichinona este solubilă în lipide . Ubichinona în interiorul membranei difuzează la complexul III. Împreună cu aceasta, complexul I pompează 2 protoni și 2 electroni din matrice în spațiul intermembranar mitocondriilor .

Cofactori

Toate grupele protetice ale complexului NADH dehidrogenază (o mononucleotidă de flavină (FAD) și 8 până la 9 clustere de fier-sulf ) sunt situate în domeniul periferic solubil în apă. Mamiferele, ca toate vertebratele , au opt [3] . Șapte clustere formează un lanț de transport de electroni lung de ~96 Å de la FMN la locul de legare a ubichinonei . Pe baza datelor curente, se crede că transferul de electroni are loc pe următoarea cale: NADHFMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q.

Mai întâi, doi electroni sunt transferați la flavină, apoi sunt transferați unul câte unul prin lanțul de clustere la locul de legare a chinonei și îl reduc la starea Q- 2 . Clusterul N1a este situat în apropierea cofactorului de flavină și la o oarecare distanță de lanțul principal de transport de electroni. Acest cluster este foarte conservat între specii ; se crede că controlează viteza de transport de electroni în cadrul complexului prin transferul unui electron din FMN [4] . Există un model conform căruia unul dintre electronii din flavină merge pe calea principală către chinonă , iar celălalt este stocat în clusterul N1a și mai târziu revine în lanțul principal, prin flavosemichinonă. Este posibil ca acest mecanism să facă posibilă reducerea formării de specii reactive de oxigen pe flavina redusă. În plus, permite stabilizarea (până la o milisecundă ) a stării când ultimul cluster de N2 este restaurat, dar nu există un al doilea electron pentru a finaliza reducerea ubichinonei. O astfel de stare poate fi necesară pentru modificările conformaționale asociate cu transportul de protoni.

Unele dintre clusterele din lanț (N3, N4 și N6a) au un potențial redox ridicat (potențial redox) la nivelul de –0,25 V , în timp ce altele trei (N1b, N5 și N6b) au potențiale mai mici. Ca rezultat, potențialul redox pe calea electronului se schimbă ca un rollercoaster . O astfel de curbă de schimbare a stării energetice este caracteristică multor enzime redox : permite optimizarea ratei de transport de electroni și realizarea unui transfer eficient de energie [4] .

Clusterul N5 are un potențial foarte scăzut și limitează rata fluxului total de electroni în întregul circuit. În loc de liganzii obișnuiți pentru centrii fier-sulf (patru reziduuri de cisteină ), este coordonat de trei reziduuri de cisteină și un rest de histidină și este, de asemenea, înconjurat de reziduuri polare încărcate, deși este localizat adânc în enzimă . 4] .

Clusterul terminal al lanțului, N2, are, de asemenea, liganzi neobișnuiți . Potențialul său redox este cel mai mare dintre toate clusterele (de la -0,1 la -0,15 V). Este asociat cu patru reziduuri consecutive de cisteină în lanțul polipeptidic, care creează o conformație tensionată. Din această cauză, atunci când este restaurat, apar modificări conformaționale în lanțurile învecinate, posibil asociate cu transportul de protoni [4] .

Clusterul N7 este prezent numai în complexul I al unor bacterii. Este îndepărtat semnificativ din restul clusterelor și nu poate face schimb de electroni cu ele, așa că, aparent, este o relicvă . În unele complexe bacteriene legate de complexul I, s-au găsit patru reziduuri de cisteină conservate între N7 și alte clustere, iar un cluster Fe 4 S 4 suplimentar care leagă N7 cu clusterele rămase a fost găsit în complexul I al bacteriei Aquifex aeolicus . Aceasta duce la concluzia că în A. aeolicus complexul I, pe lângă NADH, poate folosi un alt donor de electroni, care îi transferă prin N7 [5] .

Reacție

Complexul NADH dehidrogenază oxidează NADH format în matrice în timpul ciclului acidului tricarboxilic . Electronii din NADH sunt utilizați pentru regenerarea transportorului membranar, ubichinona Q, care îi transportă la următorul complex din lanțul de transport de electroni mitocondrial, complexul III sau complexul citocrom bc 1 [ 21] .

Complexul NADH-dehidrogenază funcționează ca o pompă de protoni : pentru fiecare NADH oxidat și Q redus, patru protoni sunt pompați prin membrană în spațiul intermembranar [6] :

NADH + H + + Q + 4H + in → OVER + + QH 2 + 4H + out

Potențialul electrochimic format în timpul reacției este utilizat pentru a sintetiza ATP . Reacția catalizată de complexul I este reversibilă, un proces numit reducerea NAD + indusă de succinat aerob . În condiții de potențial de membrană ridicat și un exces de ubichinoli reduse, complexul poate reduce NAD + folosind electronii lor și poate trece protonii înapoi în matrice. Acest fenomen este observat de obicei atunci când există mult succinat, dar puțin oxalacetat sau malat . Reducerea ubichinonei este realizată de enzimele succinat dehidrogenază , glicerol-3-fosfat dehidrogenază sau dihidroorotat dehidrogenază mitocondrială . În condițiile unui gradient de protoni ridicat , afinitatea complexului pentru ubichinol crește, iar potențialul redox al ubichinolului scade datorită creșterii concentrației sale, ceea ce face posibil transportul invers al electronilor de -a lungul potențialului electric al membranei mitocondriale interioare către NAD [7] . Acest fenomen a fost observat în condiții de laborator, dar nu se știe dacă apare într-o celulă vie.

Mecanism de transport de protoni

La etapele inițiale ale studiului complexului I, un model bazat pe presupunerea că un sistem similar cu un ciclu Q funcționează în complex . Cu toate acestea, studiile ulterioare nu au găsit nicio chinonă legată intern în complexul I și au respins complet această ipoteză [8] .

Complexul NADH dehidrogenază pare să aibă un mecanism unic de transport de protoni prin modificări conformaționale ale enzimei în sine. Subunitățile ND2, ND4 și ND5 sunt numite antiport , deoarece sunt omoloage între ele și cu antiporturile bacteriene Mrp Na + /H + . Aceste trei subunități formează cele trei canale principale de protoni, care sunt alcătuite din reziduuri de aminoacizi încărcate conservate (în principal lizină și glutamat ). Al patrulea canal de protoni este format din o parte a subunității Nqo8 și a subunităților mici ND6, ND4L și ND3. Canalul este similar ca structură cu canale similare de subunități asemănătoare antiport, dar conține un număr neobișnuit de mare de reziduuri de glutamat dens împachetate pe partea matricei, de unde și denumirea de canal E (latina E este folosită ca denumire standard pentru glutamat). O alungire se extinde de la capătul C-terminal al subunității ND5, constând din două elice transmembranare conectate printr-un α-helix neobișnuit de extins (110 Å) [4] (HL), care, trecând de-a lungul părții complexului îndreptată spre matrice, conectează fizic toate cele trei subunități asemănătoare antiportului și, eventual, participă la cuplarea transportului de electroni cu rearanjarea conformațională. Un alt element de conjugare, βH, este format dintr-o serie de ace de păr β și elice α suprapuse și este situat pe partea opusă, periplasmatică a complexului [9] . Încă nu se știe exact cum este cuplat transportul de electroni cu transportul de protoni. Se crede că sarcina negativă puternică a clusterului N2 poate împinge polipeptidele din jur în afară, provocând astfel modificări conformaționale care se propagă cumva la toate subunitățile asemănătoare antiportului situate destul de departe una de cealaltă. O altă ipoteză sugerează că schimbarea conformațională induce ubichinol Q-2 stabilizat cu un potențial redox extrem de scăzut și sarcină negativă în situsul de legare a ubichinonei neobișnuit de lung . Multe detalii despre cinetica modificărilor conformaționale și transportul de protoni asociat rămân necunoscute [9] .

Inhibitori

Cel mai studiat inhibitor al complexului I este rotenona (folosită pe scară largă ca pesticid organic ). Rotenona și rotenoidele sunt izoflavonoide care sunt prezente în rădăcinile mai multor genuri de plante tropicale, cum ar fi Antonia ( Loganiaceae ), Derris și Lonchocarpus ( Fabaceae ). Rotenona a fost folosită mult timp ca insecticid și otravă pentru pești , deoarece mitocondriile insectelor și peștilor sunt deosebit de sensibile la acesta. Se știe că locuitorii indigeni din Guyana Franceză și alți indieni din America de Sud foloseau plante care conțineau rotenonă pentru pescuit încă din secolul al XVII-lea [10] . Rotenona interacționează cu locul de legare a ubichinonei și concurează cu substratul principal. S-a demonstrat că inhibarea sistemică pe termen lung a complexului I de către rotenonă poate induce moartea selectivă a neuronilor dopaminergici (secretă dopamină ca neurotransmițător ) [11] . În mod similar, pielicidina A , un alt inhibitor puternic al complexului I, este similar structural cu ubichinona. Această grupă include și amitalul de sodiu  , un derivat al acidului barbituric [12] .

În ciuda a mai mult de 50 de ani de studiu al complexului I, nu s-au găsit inhibitori care blochează transferul de electroni în cadrul complexului. Inhibitorii hidrofobi precum rotenona sau pielicidina întrerup pur și simplu transferul de electroni de la clusterul terminal N2 la ubichinonă [11] .

Un alt compus care blochează complexul I este adenozin difosfat riboza , un inhibitor competitiv în reacția de oxidare a NADH. Se leagă de enzimă la locul de legare a nucleotidelor (FAD) [13] .

Unul dintre cei mai puternici inhibitori ai complexului I este familia acetogeninei . S-a demonstrat că aceste substanțe formează legături încrucișate chimice cu subunitatea ND2, ceea ce indică indirect rolul ND2 în legarea ubichinonei [14] . În mod curios, acetogenina rolliniastatin-2 a fost primul inhibitor al complexului I care a fost descoperit care se leagă la un alt site decât rotenona [15] .

Medicamentul antidiabetic metformin are un efect inhibitor moderat ; aparent, această proprietate a medicamentului stă la baza mecanismului de acțiune al acestuia [16] .

Succinat dehidrogenază

Articolul principal: succinat dehidrogenază

Succinat dehidrogenază
Identificatori
Cod KF fara date [ completati ]
 Fișiere media la Wikimedia Commons
Mecanismul de reacție

Complexul II oxidează succinatul la fumarat și reduce ubichinona :

Succinat + Q → Fumarat + QH 2

Electronii din succinat sunt transferați mai întâi la FAD și apoi prin clusterele Fe-S la Q. Transportul de electroni în complex nu este însoțit de generarea unui gradient de protoni . 2H + format în timpul oxidării succinatului rămâne pe aceeași parte a membranei, adică în matrice , și este apoi reabsorbit în timpul reducerii chinonei. Astfel, complexul II nu contribuie la crearea unui gradient de protoni de-a lungul membranei și funcționează doar ca purtător de electroni de la succinat la ubichinonă [17] [18] .

Oxidarea succinatului

Se cunosc puține despre mecanismul exact al oxidării succinatului. Analiza de difracție cu raze X a arătat că FAD , glutamatul -255, arginina -286 și histidina -242 subunitatea A pot fi candidați pentru reacția de deprotonare. Există două mecanisme posibile pentru această reacție de eliminare : E2 și E1cb. În cazul lui E2, acesta este un mecanism negociat. Reziduurile bazice sau cofactorul deprotonează carbonul alfa, iar FAD acceptă un anion hidrură din carbonul beta, oxidând succinatul în fumarat . În cazul mecanismului E1cb, forma enol a succinatului se formează înainte ca FAD să atașeze anionul hidrură . Pentru a determina ce mecanism are loc de fapt, sunt necesare studii suplimentare ale succinat dehidrogenazei.

După terminarea reacției , fumaratul , care este legat slab de locul activ al enzimei, se disociază ușor. Există date din care rezultă că domeniul de legare a substratului citosol al succinat dehidrogenazei suferă modificări conformaționale: după ce produsul pleacă, enzima este într-o formă deschisă și, după ce a legat un nou substrat, trece într-o stare închisă, închizându-se strâns. în jurul lui [19] .

Transferul de electroni

Ca rezultat al oxidării succinatului, electronii săi sunt transferați la FAD și apoi sunt transferați de-a lungul lanțului de clustere de fier-sulf de la clusterul [Fe-S] la [3Fe-4S]. Acolo, acești electroni sunt transferați la o moleculă de ubichinonă care așteaptă la locul de legare .

Recuperarea ubichinonei

În locul activ , ubichinona este stabilizată prin legături de hidrogen între atomul său de oxigen carbonil din prima poziție și tirozina -83 a subunității D. Transferul de electroni către clusterul fier-sulf [3Fe-4S] face ca ubichinona să se deplaseze la altă poziție. Ca urmare, se formează o a doua legătură de hidrogen între gruparea carbonil a ubichinonei în poziția a patra și serina-27 a subunității C. După ce ubichinona acceptă primul electron în timpul procesului de reducere, se transformă în radicalul activ semichinonă , care, după legarea celui de-al doilea electron din clusterul [3Fe-4S] redus complet la ubichinol [20] .

Gem b

Deși funcția exactă a hem succinat dehidrogenazei nu este încă cunoscută, unii cercetători susțin că primul electron către ubichinonă prin [3Fe-4S] se poate mișca rapid înainte și înapoi între hem și ubichinonă legată. Astfel, hemul joacă rolul unui absorbant pentru electroni, împiedicând interacțiunea acestora cu oxigenul molecular, ceea ce ar duce la formarea unor specii reactive de oxigen .

Există, de asemenea, o presupunere că, pentru a preveni căderea directă a electronului din clusterul [3Fe-4S], asupra hemului acționează un mecanism special de poartă. Un candidat probabil pentru rolul porții este histidina -207 subunitatea B, care este situată direct între clusterul fier-sulf și hem, nu departe de ubichinona legată, poate controla probabil fluxul de electroni între acești centri redox . 20] .

Inhibitori

Există două clase de inhibitori ai complexului II: unii blochează buzunarul de legare a succinatului și alții blochează buzunarul de legare a ubichinolului . Inhibitorii care imită ubichinolul includ carboxina și thenoiltrifluoracetona . Inhibitorii analogi de succinat includ compusul sintetic malonat , precum și componentele ciclului Krebs , malat și oxalacetat . Interesant este că oxaloacetatul este unul dintre cei mai puternici inhibitori ai complexului II. De ce un metabolit comun al ciclului acidului citric inhibă complexul II rămâne neclar, deși s-a sugerat că poate juca astfel un rol protector prin reducerea la minimum a transportului invers de electroni în complexul I , ceea ce are ca rezultat formarea superoxidului [21] .

Inhibitorii care imită ubiquinolul au fost utilizați ca fungicide în agricultură încă din anii 1960. De exemplu, carboxina a fost folosită în principal pentru bolile cauzate de bazidiomicete , cum ar fi rugina tulpinii și bolile cauzate de Rhizoctonia . Recent, au fost înlocuiți cu alți compuși cu o gamă mai largă de agenți patogeni suprimați. Acești compuși includ boscalid , penthiopyrad și fluopiram [22] . Unele ciuperci importante din punct de vedere agricol nu sunt susceptibile la această nouă generație de inhibitori [23] .

Complexul citocrom-bc 1

Ubichinol-citocrom c-oxidoreductaza

Structura ubichinol-citocrom c-oxidoreductazei mitocondriale în complex cu ubichinonă [24] .
Identificatori
Cod KF fara date [ completati ]
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Articolul principal: Complexul citocrom-bc 1

Citocrom-bc1-complex (complex de citocromi bc 1 ) sau ubichinol-citocrom c-oxidoreductaza sau complexul III este un complex multiproteic al lanțului respirator de transport de electroni și cel mai important generator biochimic al gradientului de protoni de pe membrana mitocondrială. Acest complex transmembranar multiproteic este codificat de genomul mitocondrial (citocromul b ) și nuclear [25] .

Complexul III a fost izolat din mitocondriile inimii de bovine, pui, iepure și drojdie . Este prezent în mitocondriile tuturor animalelor , plantelor și tuturor eucariotelor aerobe , precum și în membranele interioare ale majorității eubacteriilor . Se știe că complexul formează în total 13 bucle proteice care traversează membrana [25] .

Reacție

Complexul citocrom bc 1 oxidează ubichinona redusă și reduce citocromul c (E°'=+0,25 V) conform ecuației:

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

Transportul de electroni în complex este asociat cu transferul de protoni din matrice (in) în spațiul intermembranar (out) și cu generarea unui gradient de protoni pe membrana mitocondrială. Pentru fiecare doi electroni care trec prin lanțul de transfer de la ubichinonă la citocromul c , doi protoni sunt absorbiți din matrice și încă patru sunt eliberați în spațiul intermembranar. Citocromul c redus se deplasează de-a lungul membranei în fracțiunea apoasă și transferă un electron către următorul complex respirator, citocrom oxidaza [26] [27] .

Ciclul Q

Evenimentele care au loc sunt cunoscute ca ciclul Q, care a fost postulat de Peter Mitchell în 1976. Principiul ciclului Q este că transferul de H + prin membrană are loc ca urmare a oxidării și reducerii chinonelor pe complexul însuși. În acest caz, chinonele, respectiv, dau și iau 2H + din faza apoasă selectiv din diferite părți ale membranei.

În structura complexului III, există doi centri, sau două buzunare, unde se pot lega chinone. Unul dintre ele, centrul Q out , este situat între clusterul de fier-sulf 2Fe-2S și hemul b L lângă partea exterioară (exterioară) a membranei îndreptată spre spațiul intermembranar. Ubichinona redusă (QH 2 ) se leagă în acest buzunar . Celălalt, Q în buzunar, este conceput pentru a lega ubichinona oxidată (Q) și este situat în apropierea părții interioare (in) a membranei în contact cu matricea.

Prima parte a ciclului Q

  1. QH2 se leagă la locul Q out , este oxidat la semichinonă ( Q•) de către centrul fier-sulf al proteinei Riske și donează doi protoni pe lumen.
  2. Centrul redus de fier-sulf donează un electron plastocianinei prin citocromul c .
  3. Q se leagă la Q in site.
  4. Q• transferă electroni la hemul b L al citocromului b prin ETC cu potențial scăzut.
  5. Hemul b L donează un electron lui b H ​​.
  6. Bijuteria b H restabilește Q la starea Q•.

A doua parte a ciclului Q

  1. Al doilea QH2 se leagă de situsul Q out al complexului.
  2. După ce a trecut prin ETC cu potențial ridicat, un electron restaurează încă o plastocianină. În lumen intră încă doi protoni.
  3. Prin ETC cu potențial scăzut, un electron din b H este transferat în Q•, iar Q 2− complet redus leagă doi protoni ai stromei lor, transformându-se în QH 2 .
  4. Q oxidat și QH 2 redus difuzează în membrană [28] .

O condiție necesară și paradoxală pentru funcționarea ciclului Q este faptul că durata de viață și starea semichinonelor din cei doi centri de legare sunt diferite. În centrul Q exterioară , Q• este instabil și acționează ca un agent reducător puternic capabil să doneze e - hemului cu potențial scăzut. La Q din centru se formează un Q• − cu viață relativ lungă , al cărui potențial îi permite să acționeze ca un agent oxidant prin acceptarea de electroni din hemul b H . Un alt moment cheie al ciclului Q este asociat cu divergența a doi electroni incluși în complex pe două căi diferite. Studiul structurii cristaline a complexului a arătat că poziția centrului 2Fe-2S față de alți centri redox se poate schimba. S-a dovedit că proteina Riske are un domeniu mobil , pe care se află de fapt clusterul 2Fe-2S. Acceptând un electron și recuperându-se, centrul 2Fe-2S își schimbă poziția, îndepărtându-se de centrul Q afară și de hemul b L cu 17 Å cu o rotație de 60° și astfel apropiindu-se de citocromul c . După ce a donat un electron citocromului, centrul 2Fe-2S, dimpotrivă, se apropie de centrul Q out pentru a stabili un contact mai strâns. Astfel, funcționează un fel de navetă (navetă), garantând scăparea celui de-al doilea electron către hemii b L și b H . Până acum, acesta este singurul exemplu în care transportul de electroni în complexe este asociat cu un domeniu mobil în structura proteinei [29] .

Specii reactive de oxigen

O mică parte a electronilor părăsește lanțul de transport înainte de a ajunge la Complexul IV . Scurgerea constantă a electronilor către oxigen duce la formarea superoxidului . Această mică reacție secundară duce la formarea unui întreg spectru de specii reactive de oxigen , care sunt foarte toxice și joacă un rol semnificativ în dezvoltarea patologiilor și a îmbătrânirii ) [30] . Scurgerea electronică are loc în principal la Q -ul din amplasament. Acest proces este ajutat de antimicina A. Acesta blochează hemii b în starea lor redusă, împiedicându-i să arunce electroni pe semichinona Q•, ceea ce duce la rândul său la o creștere a concentrației sale. Semichinona reacționează cu oxigenul , ceea ce duce la formarea superoxidului . Superoxidul rezultat intră în matricea mitocondrială și în spațiul intermembranar, de unde poate intra în citosol. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că Complexul III produce probabil superoxid sub formă de HOO • neîncărcat , care este mai ușor de pătruns în membrana exterioară în comparație cu Superoxidul (O 2 -) încărcat [31] .


Inhibitori Complex III

Toți inhibitorii Complexului III pot fi împărțiți în trei grupuri:

  • Antimicina A se leagă de situsul interior Q și blochează transportul de electroni de la hemul b H la ubichinona Q oxidată (un inhibitor al situsului Q ) .
  • Mixotiazolul și stigmatelina se leagă de situsul extern Q și blochează transferul de electroni de la QH 2 redus la grupul de fier-sulf al proteinei Riske. Ambii inhibitori se leagă de situsul Q ex , dar în locații diferite, deși suprapuse.
    • Mixotiazolul se leagă mai aproape de hemul bL și , prin urmare, este denumit inhibitor „ proximal ”.
    • Stigmatelina se leagă mai departe de hemul b L și mai aproape de proteina Riske cu care interacționează.

Unele dintre aceste substanțe sunt folosite ca fungicide (de exemplu, derivați ai strobilurinei , dintre care cel mai cunoscut este azoxistrobin , un inhibitor al situsului Qex ) și medicamente antimalarice ( atovaquone ) [1] .

Citocrom c oxidaza

Articolul principal: Citocrom c oxidaza

Citocrom c oxidaza

Citocrom c-oxidaza bovină .
Identificatori
Cod KF fara date [ completati ]
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Citocrom c oxidaza (citocrom oxidaza) sau citocrom c oxigen oxidoreductaza, cunoscută și sub denumirea de citocrom aa 3 și complex IV, este oxidaza terminală a lanțului respirator aerob de transport de electroni care catalizează transferul de electroni de la citocromul c la oxigen pentru a forma apă [1] ] . Citocrom oxidaza este prezentă în membrana mitocondrială interioară a tuturor eucariotelor , unde este denumită în mod obișnuit complexul IV, precum și în membrana celulară a multor bacterii aerobe [32] .

Complexul IV oxidează secvenţial patru molecule de citocrom c şi, acceptând patru electroni, reduce O 2 la H 2 O. Când O 2 este redus, patru H + sunt captate din matricea mitocondrială pentru a forma două molecule de H 2 O şi încă patru H . + sunt pompate în mod activ prin membrană . Astfel, citocrom oxidaza contribuie la crearea unui gradient de protoni pentru sinteza ATP și face parte din calea de fosforilare oxidativă [33] . În plus, acest complex multiproteic joacă un rol cheie în reglarea activității întregului lanț respirator și a producției de energie de către celula eucariotă [34] .

Reacție

Complexul IV citocrom c oxidaza catalizează transferul a 4 electroni de la 4 molecule de citocrom la O 2 și pompează 4 protoni în spațiul intermembranar. Complexul este format din citocromi a și a3 care, pe lângă hem , conțin ioni de cupru .

Oxigenul care intră în mitocondrii din sânge se leagă de atomul de fier din hemul citocromului a3 sub forma unei molecule de O 2 . Fiecare dintre atomii de oxigen atașează doi electroni și doi protoni și se transformă într- o moleculă de apă .

Reacția globală catalizată de complex este descrisă de următoarea ecuație:

4cit. c2 + + O2 + 8H + în → 4cyt. c3 + + 2H20 + 4H + out

Calea unui electron în complex este cunoscută. Citocromul c se leagă de subunitatea II mediată de subunitățile I, III și VIb și restabilește centrul Cu A situat lângă suprafața membranei. Din centrul Cu A , electronul se îndreaptă către hem a și apoi către centrul binuclear a 3 -Cu B situat în grosimea membranei. În centrul binuclear se leagă O 2 și se reduce la H 2 O [33] . Deoarece oxigenul are o mare afinitate electronică, eliberează o cantitate mare de energie liberă în procesul de reducere la apă . Datorită acestui fapt, organismele aerobe sunt capabile să primească mult mai multă energie decât poate fi produsă exclusiv prin mijloace anaerobe .

Mecanism de reducere a oxigenului

Mecanismul de reducere a oxigenului a fost mult timp subiectul unui studiu intens, dar nu este complet clar. Ciclul catalitic al citocrom oxidazei constă din șase etape, notate cu A (aduct, English Adduct ) [35] , P (peroxi intermediar din engleză Peroxy intermediate ), F (ferryloxo intermediate din engleză Ferryl-oxo intermediate ) [35] , O H (stare de înaltă energie total oxidată din engleză Stare de înaltă energie complet oxidată ), E (stare redusă cu un singur electron din engleză stare redusă cu un singur electron ) și R (stare redusă din engleză stare redusă ) și numit astfel după stare a centrului binuclear [36 ] . Trebuie remarcat faptul că nomenclatura stărilor catalitice este considerabil depășită, nu reflectă întotdeauna starea chimică reală a centrului binuclear și este reținută în mare parte din motive istorice. De exemplu, în stadiul P , oxigenul din centrul binuclear nu este deloc sub formă de peroxid , așa cum se credea în urmă cu 30 de ani, ci în stare oxoferil, unde legătura dintre atomii de oxigen este deja ruptă [35] . Conform conceptelor moderne, reducerea oxigenului în citocrom c oxidaza are loc prin reducerea rapidă și completă cu transfer de electroni în perechi, ceea ce exclude formarea speciilor reactive de oxigen . Următoarea secvență de evenimente are loc [35] [37] [38] :

  • A Un centru binuclear complet redus leagă rapid O 2 pentru a forma un aduct de oxigen, ceea ce duce la rearanjamente conformaționale (indicate de săgeți negre subțiri).
  • P M Există un transfer rapid de patru electroni la oxigen: doi sunt furnizați de fier hem a 3 (Fe II → Fe IV ), altul este situat în apropiere de Cu B (Cu I → Cu II ), iar al patrulea provine de la reziduu de tirozină-244, dă, de asemenea, protonul necesar pentru a rupe legătura dublă O2 . Radicalul neutru de tirozină rezultat este redus la starea de anion în detrimentul unui electron din citocromul c .
  • P R Protonația Cu(II)-OH − are loc odată cu formarea unei molecule de apă.
  • F Molecula de apă rezultată se leagă de legătura de coordonare Cu B. Fierul Fe (IV) \u003d O 2- este redus la Fe III , iar oxigenul asociat cu acesta este protonat. Prima moleculă de apă este eliberată.
  • O H Anionul tirozină este protonat, iar Cu B este redus la Cu I în detrimentul unui electron din citocromul c .
  • E H Fierul este redus la Fe II , după care gruparea OH asociată cu acesta este protonată pentru a forma o a doua moleculă de apă.
  • R În această stare, centrul binuclear este complet redus și complexul este gata să lege o nouă moleculă de oxigen.
Mecanism de transport de protoni

Se știe că citocrom oxidaza eucariotă transferă un proton prin membrană pentru fiecare electron primit de la citocromul c . La un moment dat, complexul pompează un proton „substrat”, folosit pentru a forma apă, prin canalul K și transferă un proton suplimentar prin membrană prin canalul D. În timpul unui ciclu catalitic, evenimentul de translocare are loc în patru etape relativ stabile: P M , F , OH și E H . _
Mecanismul exact al transportului de protoni este încă neclar: în ultimii ani au fost propuse multe modele în care s-au încercat să descrie în detaliu acest proces [38] . De asemenea, nu este clar cum se realizează conjugarea energiei electronilor cu mișcarea protonilor. Cu toate acestea, în general, poate fi descris după cum urmează [36] :

  1. În etapa inițială a ciclului, canalele de protoni ale complexului sunt închise, apoi citocromul c transferă un electron în centrul Cu A.
  2. Electronul se deplasează rapid din centrul Cu A la hema a , ceea ce duce la o modificare a potențialului redox și determină reorientarea moleculelor de apă din canalul D, făcându-l deschis către un proton. Ca rezultat al mutarii unui electron de la Cu A la hema a , un proton se deplaseaza prin canalul D si este incarcat in locul de incarcare a protonilor PLS .
  3. Electronul trece la centrul binuclear la hem a 3 , în urma căruia un proton substrat intră prin canalul K. În același timp, protonul din PLS experimentează o creștere semnificativă a acidității sale (de la pK=11 la pK=5).
  4. În etapa finală a ciclului, protonul preîncărcat în PLS este ejectat, după cum se crede, din cauza repulsiei electrostatice din protonul substratului, care participă la reducerea oxigenului în centrul binuclear.

Inhibitori

Cianurile , sulfurile , azidele , monoxidul de carbon și monoxidul de azot [39] se leagă de centrul binuclear oxidat sau redus al enzimei și concurează cu oxigenul, inhibând enzima, ceea ce duce la moartea celulelor prin asfixie chimică . Metanolul , care face parte din alcoolul industrial , este transformat în organism în acid formic , care poate inhiba și citocrom oxidaza [40] .

Influența potențialului de oxidare

Articolul principal: potențial redox

Agent de reducere Oxidant Eo', V
H 2 2H + _ - 0,42
PESTE • H + H + Peste + - 0,32
NADP • H + H + NADP + - 0,32
Flavoproteină (reconstituită) Flavoproteine ​​(oxidate) - 0,12
Coenzima Q • H 2 Coenzima Q + 0,04
Citocromul B (Fe2 + ) Citocromul B (Fe3 + ) + 0,07
Citocromul C 1 (Fe 2+ ) Citocromul C 1 (Fe 3+ ) + 0,23
Citocromii A (Fe2 + ) Citocromii A(Fe3 + ) + 0,29
Citocromii A3 (Fe2 + ) Citocromii A3 (Fe3 + ) +0,55
H2O _ _ ½ O 2 + 0,82

Un sistem cu un potențial redox mai mic are o capacitate mai mare de a dona electroni unui sistem cu un potențial mai mare. De exemplu, o pereche de NAD•H + /NAD + , al cărei potențial redox este -0,32 V , își va dona electronii perechii redox flavoproteină (redusă) / flavoproteină (oxidată), care are un potențial mai mare de -0,12 V. Potențialul redox mai mare al perechii redox apă / oxigen (+0,82 V) indică faptul că această pereche are o capacitate foarte slabă de a dona electroni [41] .

Lanțuri de transport de electroni ale bacteriilor

Bacteriile, spre deosebire de mitocondrii, folosesc un set mare de donatori și acceptori de electroni, precum și diferite moduri de transfer de electroni între ei. Aceste căi pot fi efectuate simultan, de exemplu, E. coli , atunci când este crescută pe un mediu care conține glucoză ca sursă principală de materie organică, utilizează două NADH dehidrogenaze și două chinol oxidaze, ceea ce înseamnă că există 4 căi de transport de electroni. Majoritatea enzimelor ETC sunt inductibile și sunt sintetizate numai dacă calea în care intră este solicitată.

În plus față de materia organică, bacteriile pot folosi hidrogen molecular , monoxid de carbon , amoniu , nitrit , sulf , sulfură , fier feros ca donor de electroni . În loc de NADH și succinat dehidrogenază pot fi prezente formiat -, lactat -, gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenază, hidrogenază etc.. În loc de oxidază, care este utilizată în condiții aerobe, în absența oxigenului, bacteriile pot folosi reductaze care reface diverși acceptori finali de electroni: fumarat reductază , nitrat - și nitrit reductază etc.

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 3 J. H. Holmes, N. Sapeika, H. Zwarenstein. Efectul inhibitor al medicamentelor anti-obezitate asupra NADH dehidrogenazei omogenatelor inimii de șoarece  // Research Communications in Chemical Pathology and Pharmacology. - august 1975. - T. 11 , nr. 4 . - S. 645-646 . — ISSN 0034-5164 . Arhivat din original pe 23 iunie 2018.
  2. Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran, Leonid A. Sazanov. Arhitectura complexului respirator I  (engleză)  // Natura. - 2010/05. - T. 465 , nr. 7297 . - S. 441-445 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature09066 .
  3. Donald Voet, Judith G. Voet. biochimie. - Wiley, 2004. - ISBN 047119350X , 9780471193500.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Leonid A. Sazanov. O pompă moleculară gigantică de protoni: structura și mecanismul complexului respirator I  //  Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2015/06. - T. 16 , nr. 6 . - S. 375-388 . — ISSN 1471-0080 . - doi : 10.1038/nrm3997 .
  5. Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. Mecanismul de cuplare al complexului respirator I — O perspectivă structurală și evolutivă  // ​​Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - T. 1817 , nr. 10 . - S. 1785-1795 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.02.015 .
  6. Ulrich Brandt. NADH de conversie a energiei: chinonă oxidoreductază (Complex I)  // Revizuirea anuală a biochimiei. - 01-06-2006. - T. 75 , nr. 1 . - S. 69-92 . — ISSN 0066-4154 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539 . Arhivat 2 mai 2021.
  7. Vera G. Grivennikova, Alexander B. Kotlyar, Joel S. Karliner, Gary Cecchini, Andrei D. Vinogradov. Modificare dependentă de redox a afinității nucleotidelor față de situsul activ al complexului de mamifere I  // Biochimie. — 25-09-2007. - T. 46 , nr. 38 . - S. 10971-10978 . — ISSN 0006-2960 . - doi : 10.1021/bi7009822 . Arhivat din original pe 20 martie 2018.
  8. Ermakov, 2005 , p. 238.
  9. ↑ 1 2 Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas, Leonid A. Sazanov. Structura cristalină a întregului complex respirator I   // Natura . - 2013/02. - T. 494 , nr. 7438 . - S. 443-448 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature11871 .
  10. Moretti C., Grenand P. [„Nivrées”, sau plante ihtiotoxice din Guyana Franceză]  (fr.)  // J Ethnopharmacol. - 1988. - Septembrie ( vol. 6 , nr. 2 ). - S. 139-160 . - doi : 10.1016/0378-8741(82)90002-2 . — PMID 7132401 .
  11. 1 2 Watabe M., Nakaki T. Inhibitorul complexului mitocondrial I rotenona inhibă și redistribuie transportorul de monoamină veziculoasă 2 prin nitrare în celulele SH-SY5Y dopaminergice umane  (engleză)  // Molecular Pharmocology: journal. - 2008. - iulie ( vol. 74 , nr. 4 ). - P. 933-940 . - doi : 10.1124/mol.108.048546 . — PMID 18599602 .
  12. Ermakov, 2005 , p. 237.
  13. Zharova TV, Vinogradov AD. O inhibare competitivă a NADH-ubichinonă oxidoreductazei mitocondriale (complexul I) de către ADP-riboză  //  Biochimica et Biophysica Acta : jurnal. - 1997. - iulie ( vol. 1320 , nr. 3 ). - P. 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. Subunitatea ND2 este marcată de un analog de fotoafinitate al asimicinei, un inhibitor puternic al complexului I. (Engleză)  // Scrisori FEBS : jurnal. - 2010. - ianuarie ( vol. 584 , nr. 5 ). - P. 883-888 . - doi : 10.1016/j.febslet.2010.01.004 . — PMID 20074573 .
  15. Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. Substanțele naturale (acetogenine) din familia Annonaceae sunt inhibitori puternici ai NADH dehidrogenazei mitocondriale (complexul I  )  // The Biochemical Journal : jurnal. - 1994. - iulie ( vol. 301 ). - P. 161-167 . — PMID 8037664 .
  16. Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Cellular and molecular mechanisms of metformin: an overview   // Clinical Science ( Londra) : jurnal. - 2012. - martie ( vol. 122 , nr. 6 ). - P. 253-270 . - doi : 10.1042/CS20110386 . — PMID 22117616 .
  17. Nelson, Cox, 2012 , p. 331-333.
  18. Ermakov, 2005 , p. 240.
  19. T.M. Iverson. Mecanisme catalitice ale enzimelor complexe II: O perspectivă structurală  // ​​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. Locul de legare a chinonei din Escherichia coli succinat dehidrogenaza este necesar pentru transferul de electroni la hemul b  //  Journal of Biological Chemistry. — 27-10-2006. — Vol. 281 , iss. 43 . - P. 32310-32317 . — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M607476200 . Arhivat din original pe 3 iunie 2018.
  21. Florian L. Muller, Yuhong Liu, Muhammad A. Abdul-Ghani, Michael S. Lustgarten, Arunabh Bhattacharya. Rate ridicate de producție de superoxid în mitocondriile mușchilor scheletici care respiră atât pe substraturi legate de complexul I, cât și de complexul II  // The Biochemical Journal. — 15-01-2008. - T. 409 , nr. 2 . - S. 491-499 . — ISSN 1470-8728 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . Arhivat din original pe 20 martie 2018.
  22. Hervé F. Avenot, Themis J. Michailides. Progrese în înțelegerea mecanismelor moleculare și evoluția rezistenței la fungicidele care inhibă succinat dehidrogenazei (SDHI) în fungi fitopatogeni  // Protecția culturilor. - T. 29 , nr. 7 . - S. 643-651 . - doi : 10.1016/j.cropro.2010.02.019 .
  23. Tiphaine Dubos, Matias Pasquali, Friederike Pogoda, Angèle Casanova, Lucien Hoffmann. Diferențele dintre secvențele de succinat dehidrogenază ale Zymoseptoria tritici sensibile la izopirazam și tulpinile insensibile de Fusarium graminearum  // Pesticide Biochemistry and Physiology. - T. 105 , nr. 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. Baza structurală pentru reducerea chinonei în complexul bc1: o analiză comparativă a structurilor cristaline ale citocromului mitocondrial bc1 cu substrat legat și inhibitori la site-ul Qi  (engleză)  // Biochimie : jurnal. - 2003. - august ( vol. 42 , nr. 30 ). - P. 9067-9080 . - doi : 10.1021/bi0341814 . — PMID 12885240 .
  25. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , p. 240.
  26. David M. Kramer, Arthur G. Roberts, Florian Muller, Jonathan Cape, Michael K. Bowman. Reacții de ocolire a ciclului Q la locul Qo al complexelor citocrom bc1 (și înrudite)  // Methods in Enzymology. - 2004. - T. 382 . - S. 21-45 . — ISSN 0076-6879 . - doi : 10.1016/S0076-6879(04)82002-0 . Arhivat din original pe 23 iunie 2018.
  27. Antony R. Crofts. Complexul citocrom bc1: Funcția în contextul structurii  // Revizuirea anuală a fiziologiei. — 2004-02-12. - T. 66 , nr. 1 . - S. 689-733 . — ISSN 0066-4278 . - doi : 10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251 . Arhivat din original pe 14 octombrie 2019.
  28. David G. Nicholls, Stuart John Ferguson. Bioenergetica 3. - Gulf Professional Publishing, 2002. - ISBN 0125181213 , 9780125181211.
  29. Ermakov, 2005 , p. 243.
  30. Florian L. Muller, Michael S. Lustgarten, Youngmok Jang, Arlan Richardson, Holly Van Remmen. Tendințe în teoriile îmbătrânirii oxidative  // ​​Biologie și medicină a radicalilor liberi. - T. 43 , nr. 4 . - S. 477-503 . - doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034 .
  31. Florian L. Muller, Yuhong Liu, Holly Van Remmen. Complexul III eliberează superoxid pe ambele părți ale membranei mitocondriale interioare  //  Journal of Biological Chemistry. — 19-11-2004. — Vol. 279 , iss. 47 . - P. 49064-49073 . — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M407715200 . Arhivat din original pe 3 iunie 2018.
  32. Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström, Michael I. Verkhovsky. Donatorul de protoni pentru scisiunea legăturii OO de către citocrom c oxidaza  // Proceedings of the National Academy of Sciences  . - Academia Națională de Științe , 2008-08-05. — Vol. 105 , iss. 31 . - P. 10733-10737 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 . Arhivat din original pe 20 martie 2018.
  33. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , p. 244.
  34. Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras. Citocrom c oxidaza: Evoluția controlului prin adăugarea subunității nucleare  // 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 Citocrom c oxidaza: Intermediari ai ciclului catalitic și interconversia lor cuplată cu energie  //  Scrisori FEBS. — 09-03-2012. — Vol. 586 , iss. 5 . - P. 630-639 . — ISSN 0014-5793 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
  36. 1 2 Pagina principală a Grupului de Biofizică Moleculară . www.biocenter.helsinki.fi. Preluat la 20 martie 2018. Arhivat din original la 6 martie 2016.
  37. Vivek Sharma, Giray Enkavi, Ilpo Vattulainen, Tomasz Róg, Mårten Wikström. Transferul de electroni cuplati cu protoni și rolul moleculelor de apă în pomparea protonilor de către citocrom c oxidază  // Proceedings of the National Academy of Sciences  . - Academia Națională de Științe , 2015-02-17. — Vol. 112 , iss. 7 . - P. 2040-2045 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 . Arhivat din original pe 20 martie 2018.
  38. 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Controlul electrostatic al pompei de protoni în citocrom c oxidază  // 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. Monoxidul de carbon inhibă în mod specific citocromul c oxidaza din lanțul respirator mitocondrial uman  // Farmacologie și toxicologie. - septembrie 2003. - T. 93 , nr. 3 . - S. 142-146 . — ISSN 0901-9928 . Arhivat din original pe 23 iulie 2018.
  40. Chris E. Cooper, Guy C. Brown. Inhibarea citocrom oxidazei mitocondriale de către gazele monoxid de carbon, oxid nitric, cianuri de hidrogen și hidrogen sulfurat: mecanism chimic și semnificație fiziologică  //  Journal of Bioenergetics and Biomembranes. — 2008-10-01. — Vol. 40 , iss. 5 . — P. 533 . — ISSN 1573-6881 0145-479X, 1573-6881 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 . Arhivat din original pe 26 februarie 2018.
  41. Korolev A.P., Gridina S.B., Zinkevich E.P. „Fundamentals of Biochemistry, Part 4: Textbook of the Kemerovo Technological Institute of the Food Industry” Kemerovo, 2004. Copie arhivată din 5 martie 2016 pe Wayback Machine - 92s

Literatură

  • Fiziologia plantelor / Ed. I. P. Ermakova. - M .  : Academia, 2005. - 634 p.
  • Berg, J, Tymoczko, J și L Stryer. biochimie. — al 6-lea. - New York: W. H. Freeman & Company, 2006. - P. 509–513.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Fundamentele biochimiei lui Lehninger. Bioenergetică și metabolism = Leninger Principles of Biochemistry. - M  .: Binom. Laboratorul de cunoștințe, 2012. - Vol. 2. - 692 p. — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Link -uri