Respirasome

Moderní biologický výzkum odhalil přesvědčivé důkazy, že mitochondriální enzymy respiračního elektronového transportního řetězce jsou sestaveny do větších supramolekulárních struktur nazývaných respirasomes , což se zásadně liší od standardní teorie diskrétních enzymů volně plovoucích ve vnitřní mitochondriální membráně. Tyto superkomplexy jsou funkčně aktivní a nezbytné pro stabilní činnost respiračních komplexů [1] .

Respirazomy byly nalezeny v různých druzích a tkáních, včetně mozku potkana [2] , jater [2] , ledvin [2] , kosterního svalstva [2] [3] , srdce [2] , hovězího srdce [4] , kožních fibroblastů člověka [5] , houby [6] , rostliny [7] [8] a C. elegans [9] .

Historie

V roce 1955 biologové Britton Chance a G. R. Williams poprvé předložili myšlenku, že respirační enzymy se skládají do větších komplexů [10] , ačkoli model organizace dýchacího řetězce s volnou tekutinou byl stále hlavním proudem a považován za standardní. Již v roce 1985 však výzkumníci začali izolovat komplexy superkomplexu III / IV z bakterií [11] [12] [13] a kvasinek [14] [15] . Nakonec v roce 2000 Hermann Sjögger a Cathy Pfeiffer pomocí Coomassie gelové elektroforézy izolovali jednotlivé hovězí respirační komplexy, což ukazuje, že komplex I, III a IV tvoří superkomplex [16] .

Složení a vzdělání

Poté, co byly izolovány požadované respirasomes, stále existovala možnost, že výsledné komplexy se tvořily výhradně ve zkumavce a byly jednoduše izolačním artefaktem. Po několika letech neúspěšných pokusů prokázat nebo vyvrátit existenci respiráz pomocí různých metod izolace proteinů Lapuenta-Brun et al. rozhodl pro jiný přístup. Protože bylo zřejmé, že pokud by respirasome skutečně existoval, musel by být ke spojení respiračních komplexů do jednoho superkomplexu použit nějaký doplňkový protein. Ukázalo se, že jeden protein zvaný  Cox7a2l ( cytochrom c oxidáza podjednotka VIIa polypeptid 2-like ) je přítomen pouze v superkomplexech obsahujících respirační komplex IV (respirasom a superkomplex III+IV) a nikdy se nevyskytuje v jednotlivých komplexech. Vědci měli to štěstí, že náhodně zjistili, že ve třech mutantních myších buněčných liniích s poškozenou formou tohoto proteinu v mitochondriální membráně není možné detekovat superkomplexy zahrnující komplex IV . Navíc, pokud je do mutantních buněk vložen normální proteinový gen, začnou se v nich tvořit tyto superkomplexy. Z toho všeho vědci vyvodili logický závěr: tento protein pomáhá komplexu IV vytvářet superkomplexy, a proto si zaslouží být přejmenován na superkomplexní montážní faktor I ( anglicky  supercomplex Assembly factor I nebo SCAFI) [17] .

Podobné proteiny, Rcf1 a Rcf2, stabilizující superkomplexy byly nalezeny v kvasinkách [18] .

Nejběžnějšími superkomplexy jsou komplex I/III, komplex I/III/IV a komplex III/IV. Většina molekul komplexu II v rostlinných i živočišných mitochondriích je ve volné formě. ATP syntáza může také migrovat spolu s jinými superkomplexy ve formě dimeru, ale není jejich součástí [1] .

Vznik superkomplexu je zřejmě dynamický proces. Respirační komplexy mohou střídat účast v respirasomech a existenci ve volném stavu. Není známo, co spouští organizaci respiračních enzymů do superkomplexů, ale studie ukázaly, že jejich tvorba do značné míry závisí na lipidovém složení mitochondriálních membrán a zejména vyžaduje přítomnost kardiolipinu [19] . V kvasinkových mitochondriích je obsah kardiolipinu snížen a počet detekovaných respirací byl výrazně nižší než u jiných organismů [19] [20] . Podle Wentze a kol. (2009), kardiolipin stabilizuje tvorbu respiráz neutralizací nábojů lysinových zbytků během interakce domény komplexu III a komplexu IV [21] . V roce 2012 Bazan a spol. podařilo získat in vitro trimerní a tetramerní superkomplexy III 2 IV 1 a III 2 IV 2 z purifikovaných komplexů III a IV Saccharomyces Сerevisiae přidáním lipozomů s kardiolipinem k nim [22] .

Další hypotézou je, že rispyrazomy mohou vznikat pod vlivem membránového potenciálu , což vede ke změnám v elektrostatických a hydrofobních interakcích, které zprostředkovávají skládání nebo rozkládání superkomplexů [23] .

Podle některých údajů nemusí být respirasomy nejvyšší formou organizace respiračního komplexu. Na základě dat z elektronové mikroskopie a také skutečnosti, že komplexy IV z mitochondrií skotu jsou za určitých podmínek schopny tvořit tetramery, byla vyslovena hypotéza o megakomplexech sestávajících z respiráz nebo jinak respiračních „řetězců“. Podle tohoto modelu je tento řetězec založen na jediném dimeru komplexu III (III 2 ), obklopeném na obou stranách dvěma komplexy IV. Tyto strukturní jednotky jsou spojeny dimerizací komplexů IV, v důsledku čehož by mělo vzniknout vlákno typu IV-IV-III 2 -IV-IV-III 2 , které je ze stran hustě obklopeno komplexy I. Strukturní jednotkou takového vlákna by měl být superkomplex složení I 1 III 2 IV [24] .

Funkce

Funkční účel respirátorů není zcela jasný, ale nedávný výzkum jejich účel osvětluje. Byla vyslovena hypotéza, že organizace respiračních enzymů do superkomplexů snižuje oxidační poškození a zvyšuje metabolickou účinnost. Schaefer a kol. (2006) prokázali, že superkomplexy obsahující komplex IV měly vyšší aktivitu komplexů I a III. To naznačuje, že komplex IV nějakým způsobem mění konformaci jiných komplexů, což vede ke zvýšení jejich katalytické aktivity [25] . Postupně se začaly hromadit důkazy, že přítomnost respirasomů je nezbytná pro stabilitu a funkci komplexu I, který je v nepřítomnosti komplexů III nebo IV prakticky nestabilní. Na mutantních lidských buňkách se tedy ukázalo, že komplex I je nezbytný pro tvorbu komplexu III a na druhé straně nepřítomnost komplexu III vede ke ztrátě komplexu I. Navíc řada studií na zvířecích buňky poskytují důkaz, že pro stabilitu komplexu I jsou zapotřebí komplexy IV a dimer komplexu III.

V roce 2013 Lapuenta-Brun et al. prokázal, že sestavování superkomplexů „dynamicky organizuje tok elektronů pro optimalizaci využití dostupných substrátů“. Přítomnost respirasomu činí systém rozvětvenějším a flexibilnějším, což umožňuje současně rychle oxidovat několik substrátů najednou ( sukcinát a pyruvát + malát ), ale pokud se do mitochondrií dostane pouze sukcinát , který přenáší elektrony k transportu přes FAD , pak v v tomto případě dochází k jeho oxidaci rychleji v nepřítomnosti respirasome [17] .

Externí odkazy

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Vartak, Rasika; Porras, Christina Ann Marie; Bai, Yidong.  Respirační superkomplexy : struktura, funkce a složení  // Protein & Cell : deník. - 2013. - Sv. 4 , ne. 8 . - S. 582-590 . — ISSN 1674-800X . - doi : 10.1007/s13238-013-3032-y .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Reifschneider, Nicole H.; Goto, Sataro; Nakamoto, Hideko; Takahashi, Ryoya; Sugawa, Michiru; Dencher, Norbert A.; Krause, Franku. Definování mitochondriálních proteomů z pěti krysích orgánů ve fyziologicky významném kontextu pomocí 2D Blue-Native/SDS-PAGE  //  Journal of Proteome Research : deník. - 2006. - Sv. 5 , č. 5 . - S. 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. Definování transkriptomických a proteomických profilů kosterního svalu stárnoucího potkana pomocí cDNA pole, 2D- a Blue native-PAGE přístupu  //  Journal of Proteomics : deník. - 2009. - Sv. 72 , č. 4 . - str. 708-721 . — ISSN 18743919 . - doi : 10.1016/j.jprot.2009.02.007 .
  4. ↑ Schäfer, Eva; Dencher, Norbert A.; Vonck, Janet; Parčej, David N. . Trojrozměrná struktura superkomplexu dýchacího řetězce I1III2IV1z mitochondrií bovinního srdce†,‡  (anglicky)  // Biochemistry : journal. - 2007. - Sv. 46 , č. 44 . - S. 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, Lurdy; Cotan, David; Navas, Placido; Sánchez-Alcázar, José A. Nedostatek koenzymu Q spouští degradaci mitochondrií  mitofágií //  Autofagie : deník. — Taylor & Francis , 2009. — Vol. 5 , č. 1 . - str. 19-33 . — ISSN 1554-8627 . - doi : 10.4161/auto.5.1.7174 .
  6. ↑ Krause, F. OXPHOS Supercomplexes: Respiration and Life-Span Control in the Aging Model Podospora anserina   // Annals of the New York Academy of Sciences : deník. - 2006. - Sv. 1067 , č.p. 1 . - str. 106-115 . — ISSN 0077-8923 . - doi : 10.1196/annals.1354.013 .
  7. ↑ Eubel, Holger; Heinemeyer, Jesco; Sunderhaus, Stephanie; Braun, Hans-Peter. Superkomplexy dýchacího řetězce v rostlinných mitochondriích  (anglicky)  // Plant Physiology  : journal. - Americká společnost rostlinných biologů , 2004. - Sv. 42 , č. 12 . - S. 937-942 . — ISSN 09819428 . - doi : 10.1016/j.plaphy.2004.09.010 .
  8. ↑ Sunderhaus, Stephanie; Klodmann, Jennifer; Lenz, Christof; Braun, Hans-Peter. Supramolekulární struktura systému OXPHOS ve vysoce termogenní tkáni Arum maculatum  (anglicky)  // Plant Physiology  : journal. - Americká společnost rostlinných biologů , 2010. - Sv. 48 , č. 4 . - str. 265-272 . — ISSN 09819428 . - doi : 10.1016/j.plaphy.2010.01.010 .
  9. ↑ Suthammarak, Wichit; Somerlot, Benjamin H.; Opheim, Elyce; Sedenský, Markéta; Morgan, Philip G. Nové interakce mezi mitochondriálními superoxiddismutázami a elektronovým transportním řetězcem  // Aging Cell  : časopis  . - 2013. - Sv. 12 , č. 6 . - S. 1132-1140 . — ISSN 14749718 . - doi : 10.1111/acel.12144 .
  10. ↑ Chance, Britton; Williams, G. A. Method for the Localization of Sites for Oxidative Phosphorylation  (anglicky)  // Nature : journal. - 1955. - Sv. 176 , č.p. 4475 . - S. 250-254 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/176250a0 .
  11. ↑ EA Berry & BL Trumpower. Izolace ubichinoloxidázy z Paracoccus denitrificans a rozdělení na komplexy cytochromu bc1 a cytochromu c-aa3  (anglicky)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1985. - únor ( roč. 260 , č. 4 ). - str. 2458-2467 . — PMID 2982819 .
  12. ↑ T. Iwasaki, K. Matsuura & T. Oshima. Rozlišení aerobního dýchacího systému termoacidofilního archaeona, Sulfolobus sp. kmen 7. I. Archaální terminální oxidázový superkomplex je funkční fúzí respiračních komplexů III a IV bez cytochromů typu c  (anglicky)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1995. - prosinec ( roč. 270 , č. 52 ). - S. 30881-30892 . doi : 10.1074/ jbc.270.52.30881 . — PMID 8537342 .
  13. ↑ N. Sone, M. Sekimachi & E. Kutoh. Identifikace a vlastnosti superkomplexu chinoloxidázy složeného z komplexu bc1 a cytochromoxidázy v termofilní bakterii PS3  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1987. - Listopad ( roč. 262 , č. 32 ). - S. 15386-15391 . — PMID 2824457 .
  14. ↑ H. Bowmans, L. A. Grivell & J. A. Berden. Dýchací řetězec v kvasinkách se chová jako jedna funkční jednotka  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1998. - únor ( roč. 273 , č. 9 ). - str. 4872-4877 . doi : 10.1074/ jbc.273.9.4872 . — PMID 9478928 .
  15. ↑ C. Bruel, R. Brasseur & B. L. Trumpower. Podjednotka 8 komplexu cytochromu bc1 Saccharomyces cerevisiae interaguje s komplexem sukcinát-ubichinon reduktázy  (anglicky)  // Journal of bioenergetika a biomembrány: časopis. - 1996. - únor ( roč. 28 , č. 1 ). - str. 59-68 . - doi : 10.1007/bf02109904 . — PMID 8786239 .
  16. ↑ H. Schagger & K. Pfeiffer. Superkomplexy v dýchacích řetězcích kvasinek a mitochondrií savců  //  The EMBO journal : deník. - 2000. - Duben ( roč. 19 , č. 8 ). - S. 1777-1783 . - doi : 10.1093/emboj/19.8.1777 . — PMID 10775262 .
  17. ↑ 1 2 Lapuente-Brun, E.; Moreno-Loshuertos, R.; Acin-Perez, R.; Latorre Pellicer, A.; Colas, C.; Balsa, E.; Perales-Clemente, E.; Quiros, P.M.; Calvo, E.; Rodriguez-Hernandez, MA; Navas, P.; Cruz, R.; Carracedo, A.; Lopez-Otin, C.; Perez-Martos, A.; Fernandez-Silva, P.; Fernandez-Vizarra, E.; Enriquez, JA Supercomplex Assembly určuje tok elektronů v mitochondriálním elektronovém transportním řetězci  //  Science : journal. - 2013. - Sv. 340 , č.p. 6140 . - S. 1567-1570 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1230381 .
  18. ↑ Rcf1 a Rcf2, členové hypoxií indukované proteinové rodiny genu 1, jsou kritickými složkami mitochondriálního cytochromu bc1-cytochrom s oxidázovým superkomplexem   // Mol Cell Biol : deník. - 2012. - Sv. 32 , č. 8 . - S. 1363-1373 . - doi : 10.1128/MCB.06369-11 .
  19. ↑ 1 2 Lepení dýchacího řetězce dohromady. KARDIOLIPIN JE POTŘEBNÝ PRO TVORBU SUPERKOMPLEXU VE VNITŘNÍ MITOCHONDRIÁLNÍ MEMBRÁNĚ  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2002. - Sv. 277 , č.p. 46 . - S. 43553-43556 . — ISSN 00219258 . - doi : 10.1074/jbc.C200551200 .
  20. ↑ Zhang M. Cardiolipin je nezbytný pro organizaci komplexů III a IV do superkomplexu v mitochondriích intaktních kvasinek  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2005. - Sv. 280 , č.p. 33 . - S. 29403-29408 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M504955200 .
  21. ↑ Wenz Tina, Hielscher Ruth, Hellwig Petra, Schägger Hermann, Richers Sebastian, Hunte Carola. Role fosfolipidů v katalýze respiračního cytochromového komplexu bc1 a tvorbě superkomplexů   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika : deník. - 2009. - Sv. 1787 , č.p. 6 . - S. 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. - Sv. 288 , č.p. 1 . - S. 401-411 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M112.425876 .
  23. ↑ Lenaz Giorgio, Genova Maria Luisa. Supramolekulární organizace mitochondriálního respiračního řetězce: Nová výzva pro mechanismus a kontrolu oxidativní fosforylace  (anglicky)  : časopis. - 2012. - Sv. 748 . - str. 107-144 . — ISSN 0065-2598 . - doi : 10.1007/978-1-4614-3573-0_5 .
  24. ↑ Wittig Ilka , Schägger Hermann. Supramolekulární organizace ATP syntázy a dýchacího řetězce v mitochondriálních membránách  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika. - 2009. - Červen ( roč. 1787 , č. 6 ). - S. 672-680 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2008.12.016 .
  25. ↑ Schafer E. Architektura superkomplexů aktivního savčího respiračního řetězce  //  Journal of Biological Chemistry  : časopis. - 2006. - Sv. 281 , č.p. 22 . - S. 15370-15375 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M513525200 .