Respirační elektronový transportní řetězec

Respirační elektronový transportní řetězec , také elektronový transportní řetězec (zkr. ETC , angl.  ETC, Electron transport chain ) je systém transmembránových proteinů a elektronových nosičů nezbytných k udržení energetické rovnováhy. ETC udržuje rovnováhu přenosem elektronů a protonů z NADH a FADH 2 do akceptoru elektronů. V případě aerobního dýchání může být akceptorem molekulární kyslík (O 2 ). V případě anaerobního dýchání může být akceptorem NO 3 - , NO2 - , Fe 3+ , fumarát , dimethylsulfoxid , síra , SO 4 2- , CO 2 atd. ETC u prokaryot je lokalizován v CPM , u eukaryot - na vnitřní membráně mitochondrií . [1] Nosiče elektronů jsou seřazeny podle klesající elektronové afinity, tedy podle jejich redox potenciálu , kde nejsilnější elektronovou afinitu má akceptor. Proto transport elektronu v řetězci probíhá samovolně s uvolňováním energie. Uvolňování energie do mezimembránového prostoru při přenosu elektronů probíhá stupňovitě, ve formě protonu (H + ). Protony z mezimembránového prostoru vstupují do protonové pumpy , kde indukují protonový potenciál . Protonový potenciál je ATP syntázou přeměněn na energii chemické vazby ATP . Konjugovaná práce ETC a ATP syntázy se nazývá oxidativní fosforylace .

Mitochondriální elektronový transportní řetězec

V eukaryotických mitochondriích začíná elektronový transportní řetězec oxidací NADH a redukcí ubichinonu Q komplexem I. Dále komplex II oxiduje sukcinát na fumarát a redukuje ubichinon Q. Ubichinon Q je oxidován a redukován cytochromovým komplexem III. Na konci řetězce komplex IV katalyzuje přenos elektronů z cytochromu c na kyslík za vzniku vody . V důsledku reakce se na každých podmíněně uvolněných 6 protonů a 6 elektronů uvolní 2 molekuly vody v důsledku spotřeby 1 molekuly O 2 a 10 molekul NAD∙H.

Komplex NADH-dehydrogenáza

Hlavní článek: NADH dehydrogenázový komplex

Komplex I nebo komplex NADH dehydrogenázy oxiduje NADH . Tento komplex hraje ústřední roli v procesech buněčného dýchání a oxidativní
fosforylace
. Téměř 40 % protonového gradientu pro syntézu ATP je vytvořeno tímto komplexem [2] . Komplex I oxiduje NADH a redukuje jednu molekulu ubichinonu , která se uvolňuje do membrány. Na každou oxidovanou molekulu NADH komplex transportuje čtyři protony přes membránu . Komplex NADH-dehydrogenázy ho odnáší[ objasnit ] dva elektrony a přenese je na ubichinon . Ubichinon je rozpustný v tucích . Ubichinon v membráně difunduje do komplexu III. Spolu s tím komplex I pumpuje 2 protony a 2 elektrony z matrice do mezimembránového prostoru mitochondrií .

Kofaktory

Všechny protetické skupiny komplexu NADH dehydrogenázy (jeden flavinmononukleotid (FAD) a 8 až 9 klastrů železo-síra ) jsou umístěny v periferní doméně rozpustné ve vodě. Savci, stejně jako všichni obratlovci , mají osm [3] . Sedm shluků tvoří elektronový transportní řetězec ~96 Á dlouhý od FMN k místu vazby ubichinonu . Na základě současných údajů se předpokládá, že k přenosu elektronů dochází po následující cestě: NADHFMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q.

Nejprve se dva elektrony přenesou na flavin a poté se jeden po druhém přenesou řetězcem shluků na vazebné místo chinonu a redukují jej do stavu Q– 2 . Klastr N1a se nachází v blízkosti flavinového kofaktoru a v určité vzdálenosti od hlavního řetězce transportu elektronů. Tato skupina je vysoce konzervovaná napříč druhy ; má se za to, že řídí rychlost transportu elektronů v komplexu přenosem elektronu z FMN [4] . Existuje model, podle kterého jeden z elektronů z flavinu jde po hlavní cestě ke chinonu a druhý je uložen v shluku N1a a později se vrací do hlavního řetězce prostřednictvím flavosemichinonu. Je možné, že tento mechanismus umožňuje snížit tvorbu reaktivních forem kyslíku na redukovaném flavinu. Navíc umožňuje stabilizovat (až na milisekundu ) stav, kdy je obnoven poslední shluk N2, ale není zde žádný druhý elektron, který by dokončil redukci ubichinonu. Takový stav může být nezbytný pro konformační změny spojené s transportem protonů.

Některé z klastrů v řetězci (N3, N4 a N6a) mají vysoký redoxní potenciál (redoxní potenciál) na úrovni –0,25 V , zatímco tři další (N1b, N5 a N6b) mají nižší potenciál. V důsledku toho se redoxní potenciál na dráze elektronu mění jako na horské dráze . Taková křivka změny energetického stavu je charakteristická pro mnoho redoxních enzymů: umožňuje optimalizovat rychlost transportu elektronů a dosáhnout efektivního přenosu energie [4] .

Klastr N5 má velmi nízký potenciál a omezuje rychlost celkového toku elektronů v celém obvodu. Namísto obvyklých ligandů pro centra železa a síry (čtyři cysteinové zbytky ) je koordinován třemi cysteinovými zbytky a jedním histidinovým zbytkem a je také obklopen nabitými polárními zbytky, i když je umístěn hluboko v enzymu [ 4] .

Koncový shluk řetězce, N2, má také neobvyklé ligandy . Jeho redoxní potenciál je nejvyšší ze všech shluků (od -0,1 do -0,15 V). Je spojen se čtyřmi po sobě jdoucími cysteinovými zbytky v polypeptidovém řetězci, což vytváří napjatou konformaci. Z tohoto důvodu, když je obnoven, dochází ke konformačním změnám v sousedních řetězcích, které mohou být spojeny s transportem protonů [4] .

Shluk N7 je přítomen pouze v komplexu I některých bakterií. Je výrazně vzdálený od zbytku shluků a nemůže si s nimi vyměňovat elektrony, takže je to zřejmě relikt . V některých bakteriálních komplexech souvisejících s komplexem I byly mezi N7 a jinými shluky nalezeny čtyři konzervované cysteinové zbytky a další shluk Fe4S4 spojující N7 se zbývajícími shluky byl nalezen v komplexu I bakterie Aquifex aeolicus . To vede k závěru, že v komplexu A. aeolicus I může kromě NADH využívat i jiný donor elektronů, který je přenáší přes N7 [5] .

Reakce

Komplex NADH dehydrogenázy oxiduje NADH vytvořený v matrici během cyklu trikarboxylové kyseliny . Elektrony z NADH se používají k regeneraci membránového transportéru, ubichinonu Q, který je transportuje do dalšího komplexu v mitochondriálním elektronovém transportním řetězci, komplexu III nebo komplexu cytochromu bc 1 [ 21] .

Komplex NADH-dehydrogenáza funguje jako protonová pumpa : na každý oxidovaný NADH a redukovaný Q jsou čtyři protony pumpovány přes membránu do mezimembránového prostoru [6] :

NADH + H + + Q + 4H + vstup → OVER + + QH 2 + 4H + výstup

Elektrochemický potenciál vzniklý během reakce se využívá k syntéze ATP . Reakce katalyzovaná komplexem I je reverzibilní, proces nazývaný aerobní sukcinátem indukovaná redukce NAD + . V podmínkách vysokého membránového potenciálu a přebytku redukovaných ubichinolů může komplex redukovat NAD + pomocí svých elektronů a předávat protony zpět do matrice. Tento jev je obvykle pozorován, když je mnoho sukcinátu, ale málo oxaloacetátu nebo malátu . Redukce ubichinonu je prováděna enzymy sukcinátdehydrogenázou , glycerol-3-fosfátdehydrogenázou nebo mitochondriální dihydroorotát dehydrogenázou . V podmínkách vysokého protonového gradientu se zvyšuje afinita komplexu k ubichinolu a snižuje se redox potenciál ubichinolu v důsledku zvýšení jeho koncentrace, což umožňuje zpětný transport elektronů podél elektrického potenciálu vnitřní mitochondriální membrány do NAD [7] . Tento jev byl pozorován v laboratorních podmínkách, ale není známo, zda se vyskytuje v živé buňce.

Mechanismus transportu protonů

V počátečních fázích studia komplexu I, model založený na předpokladu, že v komplexu funguje systém podobný Q-cyklu . Pozdější studie však žádné vnitřně vázané chinony v komplexu I nenalezly a tuto hypotézu zcela vyvrátily [8] .

Zdá se, že komplex NADH dehydrogenázy má jedinečný mechanismus transportu protonů prostřednictvím konformačních změn v samotném enzymu. Podjednotky ND2, ND4 a ND5 se nazývají antiporty , protože jsou homologní navzájem a s bakteriálními Mrp Na + /H + antiporty. Tyto tři podjednotky tvoří tři hlavní protonové kanály, které jsou tvořeny konzervovanými nabitými aminokyselinovými zbytky (hlavně lysinem a glutamátem ). Čtvrtý protonový kanál je tvořen částí podjednotky Nqo8 a malými podjednotkami ND6, ND4L a ND3. Kanál je svou strukturou podobný podobným kanálům podjednotek podobných antiportům, ale obsahuje neobvykle velké množství hustě zabalených glutamátových zbytků na straně matrice, odtud název E-channel (latinsky E se používá jako standardní označení pro glutamát). Z C-konce podjednotky ND5 se rozprostírá elongace sestávající ze dvou transmembránových šroubovic spojených neobvykle rozšířenou (110 Å) α-helixem [4] (HL), která prochází podél strany komplexu obrácené k matrici, fyzicky spojuje všechny tři antiportové podjednotky a případně se účastní spojení elektronového transportu s konformačním přeskupením. Další konjugační prvek, βH, je tvořen řadou překrývajících se β-vlásenek a α-helixů a nachází se na opačné, periplazmatické straně komplexu [9] . Stále není zcela známo, jak přesně je transport elektronů spojen s transportem protonů. Má se za to, že silný negativní náboj N2 klastru může odtlačit okolní polypeptidy od sebe, a tím způsobit konformační změny, které se nějakým způsobem šíří do všech antiportových podjednotek umístěných dosti daleko od sebe. Další hypotéza naznačuje, že konformační změna indukuje stabilizovaný ubichinol Q–2 s extrémně nízkým redoxním potenciálem a negativním nábojem v neobvykle dlouhém vazebném místě ubichinonu . Mnoho podrobností o kinetice konformačních změn a souvisejícím transportu protonů zůstává neznámých [9] .

Inhibitory

Nejvíce studovaným inhibitorem komplexu I je rotenon (široký používaný jako organický pesticid ). Rotenon a rotenoidy jsou isoflavonoidy , které jsou přítomny v kořenech několika tropických rostlinných rodů , jako je Antonia ( Loganiaceae ), Derris a Lonchocarpus ( Fabaceae ). Rotenon se odedávna používá jako insekticid a rybí jed, protože mitochondrie hmyzu a ryb jsou na něj obzvláště citlivé. Je známo, že domorodí obyvatelé Francouzské Guyany a další indiáni z Jižní Ameriky používali rostliny obsahující rotenon k rybolovu již v 17. století [10] . Rotenon interaguje s vazebným místem ubichinonu a soutěží s hlavním substrátem. Bylo prokázáno, že dlouhodobá systémová inhibice komplexu I rotenonem může vyvolat selektivní smrt dopaminergních neuronů (vylučujících dopamin jako neurotransmiter ) [11] . Podobně pyericidin A , další silný inhibitor komplexu I, je strukturně podobný ubichinonu. Do této skupiny patří také amytal sodný  , derivát kyseliny barbiturové [12] .

Přes více než 50 let studia komplexu I nebyly nalezeny žádné inhibitory blokující přenos elektronů uvnitř komplexu. Hydrofobní inhibitory, jako je rotenon nebo pyericidin, jednoduše přeruší přenos elektronů z koncového N2 klastru na ubichinon [11] .

Další sloučeninou, která blokuje komplex I, je adenosindifosfát ribóza , kompetitivní inhibitor v oxidační reakci NADH. Váže se na enzym na nukleotidovém vazebném místě (FAD) [13] .

Jedním z nejúčinnějších inhibitorů komplexu I je rodina acetogeninů . Ukázalo se, že tyto látky tvoří chemické příčné vazby s podjednotkou ND2, což nepřímo ukazuje na roli ND2 ve vazbě ubichinonu [14] . Je zvláštní , že acetogenin rolliniastatin-2 byl prvním objeveným inhibitorem komplexu I, který se váže na jiné místo než rotenon [15] .

Antidiabetikum metformin má mírný inhibiční účinek ; tato vlastnost drogy je zřejmě základem mechanismu jejího účinku [16] .

Sukcinátdehydrogenáza

Hlavní článek: Sukcinátdehydrogenáza

Sukcinátdehydrogenáza
Identifikátory
Kód KF žádné údaje [ doplňte ]
 Mediální soubory na Wikimedia Commons
Mechanismus reakce

Komplex II oxiduje sukcinát na fumarát a redukuje ubichinon :

Sukcinát + Q → Fumarát + QH 2

Elektrony z sukcinátu jsou nejprve přeneseny do FAD a poté přes Fe-S klastry do Q. Transport elektronů v komplexu není doprovázen generováním protonového gradientu . 2H + vzniklý během oxidace sukcinátu zůstává na stejné straně membrány, tj. v matrici , a je pak reabsorbován během redukce chinonu. Komplex II tedy nepřispívá k vytváření protonového gradientu přes membránu a funguje pouze jako nosič elektronů od sukcinátu po ubichinon [17] [18] .

Oxidace sukcinátu

O přesném mechanismu oxidace sukcinátu je známo jen málo. Rentgenová difrakční analýza odhalila, že FAD , glutamát -255, arginin -286 a histidin -242 podjednotka A mohou být kandidáty pro deprotonační reakci. Existují dva možné mechanismy této eliminační reakce : E2 a E1cb. V případě E2 se jedná o vyjednaný mechanismus. Bazické zbytky nebo kofaktor deprotonují alfa uhlík a FAD přijímá hydridový anion z beta uhlíku, oxiduje sukcinát na fumarát . V případě mechanismu E1cb se enolová forma sukcinátu vytvoří předtím , než FAD připojí hydridový anion . K určení, jaký mechanismus skutečně probíhá, jsou nutné další studie sukcinátdehydrogenázy.

Po dokončení reakce se fumarát , který je volně vázán na aktivní místo enzymu, snadno disociuje. Existují údaje, z nichž vyplývá, že doména sukcinátdehydrogenázy vázající cytosolový substrát prochází konformačními změnami: po odchodu produktu je enzym v otevřené formě a po navázání nového substrátu přechází do uzavřeného stavu, který se těsně uzavírá. kolem toho [19] .

Přenos elektronů

V důsledku oxidace sukcinátu jsou jeho elektrony přeneseny do FAD a poté jsou přenášeny podél řetězce klastrů železo-síra z klastru [Fe-S] do klastru [3Fe-4S]. Tam jsou tyto elektrony přeneseny do molekuly ubichinonu čekající na vazebném místě .

Obnova ubichinonu

V aktivním místě je ubichinon stabilizován vodíkovými vazbami mezi jeho karbonylovým atomem kyslíku v první poloze a tyrosinem -83 podjednotky D. Přenos elektronů do klastru železa a síry [3Fe-4S] způsobí, že se ubichinon přesune do jinou pozici. V důsledku toho se vytvoří druhá vodíková vazba mezi karbonylovou skupinou ubichinonu na čtvrté pozici a serinem-27 podjednotky C. Poté, co ubichinon přijme první elektron během redukčního procesu, změní se na aktivní radikál semichinon , který po navázání druhého elektronu z klastru [3Fe-4S] zcela redukován na ubichinol [20] .

Gem b

Ačkoli přesná funkce hemsukcinátdehydrogenázy stále není známa, někteří výzkumníci tvrdí, že první elektron k ubichinonu přes [3Fe-4S] se může rychle pohybovat tam a zpět mezi hem a vázaným ubichinonem. Hem tedy hraje roli pohlcovače elektronů, bránících jejich interakci s molekulárním kyslíkem, což by vedlo k tvorbě reaktivních forem kyslíku .

Existuje také předpoklad, že aby se zabránilo přímému pádu elektronu z klastru [3Fe-4S], působí na hem speciální hradlový mechanismus. Pravděpodobným kandidátem na roli brány je histidin -207 podjednotka B, která se nachází přímo mezi železno-sírovým klastrem a hemem, nedaleko vázaného ubichinonu, pravděpodobně dokáže řídit tok elektronů mezi těmito redoxními centry [ 20] .

Inhibitory

Existují dvě třídy inhibitorů komplexu II: některé blokují kapsu vázající sukcinát a jiné blokují kapsu vázající ubichinol . Inhibitory, které napodobují ubichinol, zahrnují karboxin a thenoyltrifluoraceton . Inhibitory sukcinátových analogů zahrnují syntetickou sloučeninu malonát , stejně jako složky Krebsova cyklu , malát a oxaloacetát . Zajímavé je, že oxaloacetát je jedním z nejsilnějších inhibitorů komplexu II. Proč běžný metabolit cyklu kyseliny citrónové inhibuje komplex II, zůstává nejasné, i když se předpokládá, že může hrát ochrannou roli tím, že minimalizuje reverzní transport elektronů v komplexu I , což vede k tvorbě superoxidu [21] .

Inhibitory napodobující ubiquinol se jako fungicidy v zemědělství používají od 60. let 20. století. Například karboxin se používá hlavně pro nemoci způsobené basidiomycetes , jako je rez stonková a nemoci způsobené Rhizoctonia . V poslední době byly nahrazeny jinými sloučeninami s širším spektrem potlačených patogenů. Tyto sloučeniny zahrnují boscalid , penthiopyrad a fluopyram [22] . Některé zemědělsky významné houby nejsou na tuto novou generaci inhibitorů citlivé [23] .

Cytochrome-bc 1 komplex

Ubichinol-cytochrom c-oxidoreduktáza

Struktura mitochondriální ubichinol-cytochrom c-oxidoreduktázy v komplexu s ubichinonem [24] .
Identifikátory
Kód KF žádné údaje [ doplňte ]
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Hlavní článek: Cytochrome-bc 1 complex

Cytochrom-bc1-komplex (komplex cytochromů bc 1 ) neboli ubichinol-cytochrom c-oxidoreduktáza neboli komplex III je multiproteinový komplex respiračního elektronového transportního řetězce a nejdůležitější biochemický generátor protonového gradientu na mitochondriální membráně. Tento multiproteinový transmembránový komplex je kódován mitochondriálními (cytochrom b ) a jadernými genomy [25] .

Komplex III byl izolován z mitochondrií srdce hovězího, kuřecího, králičího a kvasinkového srdce . Je přítomen v mitochondriích všech zvířat , rostlin a všech aerobních eukaryot a na vnitřních membránách většiny eubakterií . Je známo, že komplex tvoří celkem 13 proteinových smyček, které procházejí membránou [25] .

Reakce

Komplex cytochromu bc 1 oxiduje redukovaný ubichinon a redukuje cytochrom c (E°'=+0,25 V) podle rovnice:

QH 2 + 2 cit. c +3 + 2Н + interní →Q + 2 cit. c +2 + 4H + ven

Transport elektronů v komplexu je spojen s přenosem protonů z matrice (in) do mezimembránového prostoru (out) a generováním protonového gradientu na mitochondriální membráně. Na každé dva elektrony procházející přenosovým řetězcem z ubichinonu do cytochromu c se dva protony absorbují z matrice a další čtyři se uvolní do mezimembránového prostoru. Redukovaný cytochrom c se pohybuje podél membrány ve vodné frakci a přenáší jeden elektron do dalšího respiračního komplexu, cytochromoxidázy [26] [27] .

Q-cyklus

Události, ke kterým dochází, jsou známé jako Q-cyklus, který byl postulován Peterem Mitchellem v roce 1976. Princip Q-cyklu spočívá v tom, že k přenosu H + přes membránu dochází v důsledku oxidace a redukce chinonů na samotném komplexu. V tomto případě chinony poskytují a odebírají 2H + z vodné fáze selektivně z různých stran membrány.

Ve struktuře komplexu III jsou dvě centra nebo dvě kapsy, kde se mohou chinony vázat. Jeden z nich, Q out centrum, se nachází mezi shlukem 2Fe-2S železo-síra a bL hem poblíž vnější (vnější) strany membrány směřující k mezimembránovému prostoru. V této kapse se váže redukovaný ubichinon (QH 2 ) . Druhá, Q in -pocket, je navržena tak, aby vázala oxidovaný ubichinon (Q) a je umístěna blízko vnitřní (in) strany membrány v kontaktu s matricí.

První část Q-cyklu

  1. QH 2 se váže v místě Q out , je oxidován na semichinon (Q•) železo-sírovým centrem Riskeho proteinu a daruje dva protony na lumen.
  2. Redukované centrum železo-síra daruje jeden elektron plastocyaninu prostřednictvím cytochromu c .
  3. Q se váže na Q v místě.
  4. Q• přenáší elektrony na hem b L cytochromu b prostřednictvím nízkopotenciálního ETC.
  5. Hem b L daruje elektron bH .
  6. Drahokam b H obnovuje Q do stavu Q•.

Druhá část Q-cyklu

  1. Druhý QH2 se váže na Q out místo komplexu.
  2. Po průchodu vysokopotenciálním ETC jeden elektron obnoví o jeden plastocyanin více. Do lumen vstupují další dva protony.
  3. Prostřednictvím nízkopotenciálního ETC je elektron z b H přenesen na Q• a zcela redukovaný Q 2− váže dva protony jejich stromatu a mění se na QH 2 .
  4. Oxidovaný Q a redukovaný QH 2 difundují do membrány [28] .

Nezbytnou a paradoxní podmínkou pro fungování Q-cyklu je skutečnost, že životnost a stav semichinonů ve dvou vazebných centrech jsou různé. V Q - out -centru je Q• nestabilní a působí jako silné redukční činidlo schopné darovat e- nízkopotenciálnímu hemu by. V centru Q se tvoří relativně dlouhotrvající Q• − , jehož potenciál mu umožňuje působit jako oxidační činidlo přijímáním elektronů z hemu b H . Další klíčový moment Q-cyklu je spojen s divergenci dvou elektronů obsažených v komplexu po dvou různých drahách. Studium krystalové struktury komplexu ukázalo, že poloha centra 2Fe-2S vzhledem k ostatním redoxním centrům se může posunout. Ukázalo se, že protein Riske má mobilní doménu , na které se ve skutečnosti nachází klastr 2Fe-2S. Přijetím elektronu a zotavením se centrum 2Fe-2S změní svou polohu, vzdálí se od středu Q a hemu b L o 17 Á s rotací o 60° a tím se přiblíží k cytochromu c . Po darování elektronu cytochromu se centrum 2Fe-2S naopak přiblíží k centru Q out, aby navázalo bližší kontakt. Funguje tedy jakýsi raketoplán (shuttle), zaručující únik druhého elektronu k hemům b L a b H . Toto je zatím jediný příklad, kdy je transport elektronů v komplexech spojen s mobilní doménou ve struktuře proteinu [29] .

Reaktivní formy kyslíku

Malá část elektronů opustí transportní řetězec před dosažením komplexu IV . Neustálý únik elektronů ke kyslíku vede ke vzniku superoxidu . Tato malá vedlejší reakce vede ke vzniku celého spektra reaktivních forem kyslíku , které jsou velmi toxické a hrají významnou roli ve vývoji patologií a stárnutí ) [30] . Elektronický únik se vyskytuje hlavně v místě Q. Tento proces je podporován antimycinem A. Blokuje hemy b v jejich redukovaném stavu, čímž jim brání ukládat elektrony na semichinon Q•, což následně vede ke zvýšení jeho koncentrace. Semichinon reaguje s kyslíkem , což vede k tvorbě superoxidu . Výsledný superoxid vstupuje do mitochondriální matrice a mezimembránového prostoru, odkud se může dostat do cytosolu. Tuto skutečnost lze vysvětlit tím, že komplex III pravděpodobně produkuje superoxid ve formě nenabitého HOO • , který snadněji proniká vnější membránou ve srovnání s nabitým superoxidem (O 2 -) [31] .


Inhibitory komplexu III

Všechny inhibitory Complex III lze rozdělit do tří skupin:

  • Antimycin A se váže na vnitřní místo Q a blokuje transport elektronů z hemu bH na oxidovaný ubichinon Q (inhibitor Q v místě).
  • Myxothiazol a stigmatellin se vážou na vnější místo Q a blokují přenos elektronů z redukovaného QH 2 do shluku železa a síry Riskeho proteinu. Oba inhibitory se vážou na Q ex - site, ale v různých, i když se překrývajících místech.
    • Myxothiazol se váže blíže k hemu b L , a proto je označován jako " proximální " inhibitor.
    • Stigmatellin se váže dále od hemu b L a blíže k proteinu Riske, se kterým interaguje.

Některé z těchto látek se používají jako fungicidy (například deriváty strobilurinu , z nichž nejznámější je azoxystrobin , inhibitor místa Qex ) a antimalarika ( atovachon ) [1] .

Cytochrom c oxidáza

Hlavní článek: Cytochrom c oxidáza

Cytochrom c oxidáza

Bovinní cytochrom c-oxidáza .
Identifikátory
Kód KF žádné údaje [ doplňte ]
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Cytochrom c oxidáza (cytochromoxidáza) nebo kyslíková oxidoreduktáza cytochromu c, také známá jako cytochrom aa 3 a komplex IV, je koncová oxidáza aerobního respiračního elektronového transportního řetězce, která katalyzuje přenos elektronů z cytochromu c na kyslík za vzniku vody [1] ] . Cytochromoxidáza je přítomna ve vnitřní mitochondriální membráně všech eukaryot , kde je běžně označována jako komplex IV, a také v buněčné membráně mnoha aerobních bakterií [32] .

Komplex IV postupně oxiduje čtyři molekuly cytochromu c a přijetím čtyř elektronů redukuje O 2 na H 2 O. Když je O 2 redukován, čtyři H + jsou zachyceny z mitochondriální matrice za vzniku dvou molekul H 2 O a dalších čtyř H + jsou aktivně čerpány přes membránu . Cytochromoxidáza tedy přispívá k vytvoření protonového gradientu pro syntézu ATP a je součástí dráhy oxidativní fosforylace [33] . Tento multiproteinový komplex navíc hraje klíčovou roli v regulaci aktivity celého dýchacího řetězce a produkci energie eukaryotickou buňkou [34] .

Reakce

Komplex IV cytochrom c oxidáza katalyzuje přenos 4 elektronů ze 4 molekul cytochromu na O 2 a pumpuje 4 protony do mezimembránového prostoru. Komplex se skládá z cytochromů a a a3, které kromě hemu obsahují ionty mědi .

Kyslík vstupující do mitochondrií z krve se váže na atom železa v hemu cytochromu a3 ve formě molekuly O 2 . Každý z atomů kyslíku připojí dva elektrony a dva protony a změní se na molekulu vody .

Celková reakce katalyzovaná komplexem je popsána následující rovnicí:

4cit. c2 + + 02 + 8H + v → 4cyt. c3 + + 2H20 + 4H + ven

Cesta elektronu v komplexu je známá. Cytochrom c se váže na podjednotku II zprostředkovanou podjednotkami I, III a VIb a obnovuje centrum Cu A umístěné blízko povrchu membrány. Ze středu Cu A jde elektron do hemu a a poté do binukleárního centra a 3 -Cu B umístěného v tloušťce membrány. Právě v binukleárním centru je O 2 vázán a redukován na H 2 O [33] . Vzhledem k tomu, že kyslík má vysokou elektronovou afinitu, uvolňuje velké množství volné energie v procesu redukce na vodu . Díky tomu jsou aerobní organismy schopny přijímat mnohem více energie, než je možné vyrobit výhradně anaerobními prostředky.

Mechanismus redukce kyslíku

Mechanismus redukce kyslíku byl dlouho předmětem intenzivního studia, ale není zcela jasný. Katalytický cyklus cytochromoxidázy se skládá ze šesti stupňů, označených A (adukt, anglicky Addduct ) [35] , P (peroxy intermediát z anglického Peroxy intermediate ), F (ferryloxo intermediát z angličtiny Ferryl-oxo intermediate ) [35] , O H (totálně oxidovaný vysokoenergetický stav z angličtiny Plně oxidovaný vysokoenergetický stav ), E (jednoelektronový redukovaný stav z angličtiny One-electron redukovaný stav ) a R (redukovaný stav z angličtiny Redukovaný stav ) a tak pojmenované podle stavu binukleárního centra [36] . Je třeba poznamenat, že nomenklatura katalytických stavů je značně zastaralá, ne vždy odráží skutečný chemický stav binukleárního centra a je zachována převážně z historických důvodů. Například ve fázi P není kyslík v binukleárním centru vůbec v peroxidové formě, jak se před 30 lety věřilo, ale ve stavu oxoferrylu, kde je vazba mezi atomy kyslíku již přerušena [35] . Podle moderních koncepcí dochází k redukci kyslíku v cytochrom c oxidáze rychlou a úplnou redukcí s párovým přenosem elektronů, což vylučuje tvorbu reaktivních forem kyslíku . Dochází k následujícímu sledu událostí [35] [37] [38] :

  • A Plně redukované binukleární centrum rychle váže O 2 za vzniku kyslíkového aduktu, což vede ke konformačnímu přeskupení (označeno tenkými černými šipkami).
  • P M Dochází k rychlému přenosu čtyř elektronů na kyslík: dva jsou dodávány hemovým železem a 3 (Fe II → Fe IV ), další se nachází v blízkosti Cu B (Cu I → Cu II ) a čtvrtý pochází z zbytek tyrosinu - 244, poskytuje také proton potřebný k přerušení dvojné vazby O2 . Vzniklý neutrální tyrosinový radikál je redukován do stavu aniontu na úkor elektronu z cytochromu c .
  • PR K protonaci Cu(II)-OH − dochází za vzniku molekuly vody.
  • F Výsledná molekula vody se váže na koordinační vazbu Cu B. Železo Fe (IV) \u003d O 2- se redukuje na Fe III a s ním spojený kyslík je protonován. Uvolní se první molekula vody.
  • O H Anion tyrosinu je protonován a Cu B je redukován na Cu I na úkor elektronu z cytochromu c .
  • EH Železo se redukuje na Fe II , načež je s ním spojená OH skupina protonována za vzniku druhé molekuly vody .
  • R V tomto stavu je binukleární centrum zcela redukováno a komplex je připraven vázat novou molekulu kyslíku.
Mechanismus transportu protonů

Je známo, že eukaryotická cytochromoxidáza přenáší jeden proton přes membránu na každý elektron přijatý z cytochromu c . Komplex najednou pumpuje jeden „substrátový“ proton, používaný k tvorbě vody, kanálem K a přenáší jeden další proton přes membránu kanálem D. Během jednoho katalytického cyklu probíhá translokační událost ve čtyřech relativně stabilních fázích: PM F , OH a EH . _ _ _
Přesný mechanismus transportu protonů je stále nejasný: v posledních letech bylo navrženo mnoho modelů, ve kterých byly učiněny pokusy tento proces podrobně popsat [38] . Není také jasné, jak se provádí konjugace energie elektronů s pohybem protonů. Obecně to však lze popsat následovně [36] :

  1. V počáteční fázi cyklu jsou protonové kanály komplexu uzavřeny, poté cytochrom c přenese elektron do Cu A centra.
  2. Elektron se rychle přesune z Cu A centra k hemu a , což vede ke změně redox potenciálu a způsobí, že se molekuly vody v kanálu D přeorientují a otevře se proton. V důsledku přesunu elektronu z Cu A do hemu a se proton pohybuje kanálem D a je zatížen do místa zatížení protonu PLS .
  3. Elektron přechází do binukleárního centra na hem a 3 , v důsledku čehož jeden substrátový proton vstupuje přes K kanál. Současně proton v PLS zaznamenává významné zvýšení své kyselosti (z pK=11 na pK=5).
  4. V konečné fázi cyklu je proton předem nabitý v PLS vyvržen, jak se předpokládá, v důsledku elektrostatického odpuzování od protonu substrátu, který se podílí na redukci kyslíku v binukleárním centru.

Inhibitory

Kyanidy , sulfidy , azidy , oxid uhelnatý a oxid dusnatý [39] se váží na oxidované nebo redukované dvoujaderné centrum enzymu a soutěží s kyslíkem, inhibují enzym, což vede k buněčné smrti v důsledku chemické asfyxie . Metanol , který je součástí průmyslového alkoholu , se v těle přeměňuje na kyselinu mravenčí , která může také inhibovat cytochromoxidázu [40] .

Vliv oxidačního potenciálu

Hlavní článek: Redoxní potenciál

Redukční činidlo Oxidační činidlo Eo', V
H 2 2h + _ - 0,42
PŘES • H + H + PŘES + - 0,32
NADP • H + H + NADP + - 0,32
Flavoprotein (rekonstituovaný) Flavoprotein (oxidovaný) - 0,12
Koenzym Q • H 2 Koenzym Q + 0,04
Cytochrom B (Fe 2+ ) Cytochrom B (Fe 3+ ) + 0,07
Cytochrom C 1 (Fe 2+ ) Cytochrom C 1 (Fe 3+ ) + 0,23
Cytochromy A (Fe 2+ ) Cytochromy A (Fe 3+ ) + 0,29
Cytochromy A3 (Fe 2+ ) Cytochromy A3 (Fe 3+ ) +0,55
H2O _ _ ½ O 2 + 0,82

Systém s nižším redoxním potenciálem má větší schopnost darovat elektrony systému s vyšším potenciálem. Například pár NAD•H + /NAD + , jehož redoxní potenciál je -0,32 V , daruje své elektrony redoxnímu páru flavoprotein (redukovaný) / flavoprotein (oxidovaný), který má vyšší potenciál -0,12 V. Vyšší redoxní potenciál redoxního páru voda / kyslík (+0,82 V) ukazuje, že tento pár má velmi slabou schopnost darovat elektrony [41] .

Elektronové transportní řetězce bakterií

Bakterie na rozdíl od mitochondrií využívají velkou sadu donorů a akceptorů elektronů a také různé způsoby přenosu elektronů mezi nimi. Tyto dráhy mohou být prováděny současně, například E. coli , když se pěstuje na médiu obsahujícím glukózu jako hlavní zdroj organické hmoty, využívá dvě NADH dehydrogenázy a dvě chinoloxidázy, což znamená, že existují 4 dráhy transportu elektronů. Většina enzymů ETC je indukovatelných a jsou syntetizovány pouze tehdy, je-li cesta, kterou vstupují, požadována.

Kromě organické hmoty mohou bakterie jako donor elektronů využívat molekulární vodík , oxid uhelnatý , amonium , dusitany , síru , sulfid , železnaté železo . Místo NADH a sukcinátdehydrogenázy mohou být přítomny formiát- , laktát- , glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza, hydrogenáza atd. Místo oxidázy, která se používá za aerobních podmínek, v nepřítomnosti kyslíku mohou bakterie využívat reduktázy , které obnovit různé konečné akceptory elektronů: fumarát reduktázu , nitrát- a dusitan reduktázu atd.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 J. H. Holmes, N. Sapeika, H. Zwarenstein. Inhibiční účinek léků proti obezitě na NADH dehydrogenázu homogenátů myšího srdce  // Research Communications in Chemical Pathology and Pharmacology. - srpen 1975. - T. 11 , no. 4 . - S. 645-646 . — ISSN 0034-5164 . Archivováno z originálu 23. června 2018.
  2. Rouslan G. Efremov, Rozběh Baradaran, Leonid A. Sazanov. Architektura respiračního komplexu I  (anglicky)  // Příroda. - 2010/05. - T. 465 , č.p. 7297 . - S. 441-445 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature09066 .
  3. Donald Voet, Judith G. Voet. biochemie. - Wiley, 2004. - ISBN 047119350X , 9780471193500.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Leonid A. Sazanov. Obří molekulární protonová pumpa: struktura a mechanismus respiračního komplexu I  //  Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2015/06. - T. 16 , č.p. 6 . - S. 375-388 . — ISSN 1471-0080 . - doi : 10.1038/nrm3997 .
  5. Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. Spojovací mechanismus respiračního komplexu I — Strukturní a evoluční perspektiva  // ​​Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika. - T. 1817 , č.p. 10 . - S. 1785-1795 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2012.02.015 .
  6. Ulrich Brandt. Energie převádějící NADH: Chinonoxidoreduktáza (komplex I)  // Annual Review of Biochemistry. - 2006-06-01. - T. 75 , č.p. 1 . - S. 69-92 . — ISSN 0066-4154 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539 . Archivováno 2. května 2021.
  7. Věra G. Grivennikovová, Alexander B. Kotlyar, Joel S. Karliner, Gary Cecchini, Andrej D. Vinogradov. Redoxně závislá změna afinity nukleotidů k ​​aktivnímu místu savčího komplexu I  // Biochemie. — 25. 9. 2007. - T. 46 , č.p. 38 . - S. 10971-10978 . — ISSN 0006-2960 . - doi : 10.1021/bi7009822 . Archivováno z originálu 20. března 2018.
  8. Ermakov, 2005 , s. 238.
  9. ↑ 1 2 Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas, Leonid A. Sazanov. Krystalová struktura celého dýchacího komplexu I   // Příroda . - 2013/02. - T. 494 , č.p. 7438 . - S. 443-448 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/příroda11871 .
  10. Moretti C., Grenand P. ["nivrées" neboli ichtyotoxické rostliny Francouzské Guyany]  (fr.)  // J Ethnopharmacol. - 1988. - září ( roč. 6 , č. 2 ). - S. 139-160 . - doi : 10.1016/0378-8741(82)90002-2 . — PMID 7132401 .
  11. 1 2 Watabe M., Nakaki T. Inhibitor mitochondriálního komplexu I rotenon inhibuje a redistribuuje vezikulární monoaminový transportér 2 prostřednictvím nitrace v lidských dopaminergních SH-SY5Y buňkách  (anglicky)  // Molecular Pharmocology : journal. - 2008. - Červenec ( roč. 74 , č. 4 ). - S. 933-940 . - doi : 10,1124/mol.108,048546 . — PMID 18599602 .
  12. Ermakov, 2005 , s. 237.
  13. Zharova TV, Vinogradov AD. Kompetitivní inhibice mitochondriální NADH-ubichinon oxidoreduktázy (komplex I) ADP-ribózou  //  Biochimica et Biophysica Acta : deník. - 1997. - Červenec ( roč. 1320 , č. 3 ). - str. 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. Podjednotka ND2 je značena fotoafinitním analogem asimicinu, což je silný inhibitor komplexu I. (anglicky)  // FEBS Letters : deník. - 2010. - Leden ( roč. 584 , č. 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. Přírodní látky (acetogeniny) z čeledi Annonaceae jsou silnými inhibitory mitochondriální NADH dehydrogenázy (komplex I  )  // The Biochemical Journal : deník. - 1994. - Červenec ( sv. 301 ). - S. 161-167 . — PMID 8037664 .
  16. Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Buněčné a molekulární mechanismy metforminu: přehled   // Clinical Science ( Londýn) : deník. - 2012. - březen ( roč. 122 , č. 6 ). - str. 253-270 . - doi : 10.1042/CS20110386 . — PMID 22117616 .
  17. Nelson, Cox, 2012 , str. 331-333.
  18. Ermakov, 2005 , s. 240.
  19. T.M. Iverson. Katalytické mechanismy enzymů komplexu II: Strukturní perspektiva  // ​​Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika. - T. 1827 , č.p. 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. Chinonové vazebné místo v Escherichia coli sukcinátdehydrogenáza je vyžadováno pro přenos elektronů do hemu b  //  Journal of Biological Chemistry. — 27. 10. 2006. — Sv. 281 , iss. 43 . - S. 32310-32317 . — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M607476200 . Archivováno z originálu 3. června 2018.
  21. Florian L. Muller, Yuhong Liu, Muhammad A. Abdul-Ghani, Michael S. Lustgarten, Arunabh Bhattacharya. Vysoká míra produkce superoxidu v mitochondriích kosterního svalstva, které dýchají na substrátech spojených s komplexem I a komplexem II  // The Biochemical Journal. — 2008-01-15. - T. 409 , č.p. 2 . - S. 491-499 . — ISSN 1470-8728 . - doi : 10.1042/BJ20071162 . Archivováno z originálu 20. března 2018.
  22. Hervé F. Avenot, Themis J. Michailides. Pokrok v porozumění molekulárním mechanismům a vývoji rezistence vůči fungicidům inhibujícím sukcinátdehydrogenázu (SDHI) u fytopatogenních hub  // Ochrana plodin. - T. 29 , č.p. 7 . - S. 643-651 . - doi : 10.1016/j.cropro.2010.02.019 .
  23. Tiphaine Dubos, Matias Pasquali, Friederike Pogoda, Angèle Casanova, Lucien Hoffmann. Rozdíly mezi sukcinátdehydrogenázovými sekvencemi kmenů Zymoseptoria tritici citlivých na isopyrazam a necitlivých kmenů Fusarium graminearum  // Biochemie a fyziologie pesticidů. - T. 105 , č.p. 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. Strukturální základ pro redukci chinonu v komplexu bc1: srovnávací analýza krystalových struktur mitochondriálního cytochromu bc1 s navázaným substrátem a inhibitory v místě Qi  (anglicky)  // Biochemistry: journal. - 2003. - srpen ( roč. 42 , č. 30 ). - S. 9067-9080 . - doi : 10.1021/bi0341814 . — PMID 12885240 .
  25. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , s. 240.
  26. David M. Kramer, Arthur G. Roberts, Florian Muller, Jonathan Cape, Michael K. Bowman. Reakce bypassu Q-cyklu v místě Qo komplexů cytochromu bc1 (a příbuzných)  // Methods in Enzymology. - 2004. - T. 382 . - S. 21-45 . — ISSN 0076-6879 . - doi : 10.1016/S0076-6879(04)82002-0 . Archivováno z originálu 23. června 2018.
  27. Antony R. Crofts. The Cytochrome bc1 Complex: Function in the Context of Structure  // Annual Review of Physiology. — 2004-02-12. - T. 66 , č.p. 1 . - S. 689-733 . — ISSN 0066-4278 . - doi : 10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251 . Archivováno z originálu 14. října 2019.
  28. David G. Nicholls, Stuart John Ferguson. Bioenergetika 3. - Gulf Professional Publishing, 2002. - ISBN 0125181213 , 9780125181211.
  29. Ermakov, 2005 , s. 243.
  30. Florian L. Muller, Michael S. Lustgarten, Youngmok Jang, Arlan Richardson, Holly Van Remmen. Trendy v teoriích oxidativního stárnutí  // Biologie a medicína volných radikálů. - T. 43 , č.p. 4 . - S. 477-503 . - doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034 .
  31. Florian L. Muller, Yuhong Liu, Holly Van Remmen. Complex III uvolňuje superoxid na obě strany vnitřní mitochondriální membrány  //  Journal of Biological Chemistry. — 2004-11-19. — Sv. 279 , iss. 47 . - S. 49064-49073 . — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M407715200 . Archivováno z originálu 3. června 2018.
  32. Elena A. Gorbiková, Ilja Belevič, Mårten Wikström, Michael I. Verkhovsky. Donor protonu pro štěpení vazby OO pomocí cytochrom c oxidázy  // Proceedings of the National Academy of Sciences  . - Národní akademie věd , 2008-08-05. — Sv. 105 , iss. 31 . - S. 10733-10737 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.0802512105 . Archivováno z originálu 20. března 2018.
  33. ↑ 1 2 Ermakov, 2005 , s. 244.
  34. Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras. Cytochrom c oxidáza: Evoluce kontroly přidáním jaderné podjednotky  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika. - T. 1817 , č.p. 4 . - S. 590-597 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.007 .
  35. ↑ 1 2 3 4 Cytochrom c oxidáza: Meziprodukty katalytického cyklu a jejich energeticky vázaná interkonverze  //  FEBS Letters. — 2012-03-09. — Sv. 586 , iss. 5 . - S. 630-639 . — ISSN 0014-5793 . - doi : 10.1016/j.febslet.2011.08.037 .
  36. 1 2 Domovská stránka skupiny Molecular Biophysics Group . www.biocenter.helsinki.fi. Získáno 20. března 2018. Archivováno z originálu dne 6. března 2016.
  37. Vivek Sharma, Giray Enkavi, Ilpo Vattulainen, Tomasz Róg, Mårten Wikström. Protonově spřažený přenos elektronů a role molekul vody při čerpání protonů cytochrom c oxidázou  // Proceedings of the National Academy of Sciences  . - Národní akademie věd , 2015-02-17. — Sv. 112 , iss. 7 . - str. 2040-2045 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.1409543112 . Archivováno z originálu 20. března 2018.
  38. 1 2 Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Regis Pomès. Elektrostatické řízení čerpání protonů v cytochrom c oxidáze  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika. - T. 1777 , č.p. 3 . - S. 277-284 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2007.11.010 .
  39. Jose-Ramon Alonso, Francesc Cardellach, Sònia López, Jordi Casademont, Oscar Miró. Oxid uhelnatý specificky inhibuje cytochrom c oxidázu lidského mitochondriálního dýchacího řetězce  // Farmakologie a Toxikologie. - září 2003. - T. 93 , no. 3 . - S. 142-146 . — ISSN 0901-9928 . Archivováno z originálu 23. července 2018.
  40. Chris E. Cooper, Guy C. Brown. Inhibice mitochondriální cytochromoxidázy plyny oxid uhelnatý, oxid dusnatý, kyanovodík a sirovodík: chemický mechanismus a fyziologický význam  //  Journal of Bioenergetika a biomembrány. — 2008-10-01. — Sv. 40 , iss. 5 . — S. 533 . — ISSN 1573-6881 0145-479X, 1573-6881 . - doi : 10.1007/s10863-008-9166-6 . Archivováno z originálu 26. února 2018.
  41. Korolev A.P., Gridina S.B., Zinkevich E.P. „Základy biochemie, část 4: Učebnice Kemerovského technologického institutu potravinářského průmyslu“ Kemerovo, 2004. Archivovaná kopie z 5. března 2016 na Wayback Machine - 92s

Literatura

  • Fyziologie rostlin / Ed. I. P. Ermáková. - M .  : Akademie, 2005. - 634 s.
  • Berg, J, Tymoczko, J a L Stryer. biochemie. — 6. - New York: W. H. Freeman & Company, 2006. - S. 509–513.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningerovy Základy biochemie. Bioenergetika a metabolismus = Leningerovy principy biochemie. - M  .: Binom. Vědomostní laboratoř, 2012. - ročník 2. - 692 s. — ISBN 978-5-94774-365-4 .

Odkazy