Cytochrom-bc1-komplex

Cytochrom - bc 1 - komplex ( cytochrom bc 1 komplex ) 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 [2] .

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 [2] .

Strukturální organizace komplexu III

Komplex mitochondrií bovinního srdce (mol. hmotnost ~ 248 kDa ) zahrnuje asi 11 proteinových podjednotek , z nichž 8 jsou malé hydrofobní membránové proteiny s neznámou (možná strukturální) funkcí. Bakteriální cytochromové komplexy mohou obsahovat pouhých 6 až 8 nebo dokonce 3 podjednotky [3] . Tři hlavní podjednotky nesou protetické skupiny . Cytochrom b , který obsahuje dva hemy typu b s různými redoxními potenciály : hem b L nízký (E ° '~ -0,075 ... 0,00 V) a hem b H s vysokým (E ° ' ~ - +0, 05 B) potenciál. Cytochrom c 1 nese protetickou skupinu, hem typu c (E ° ' - + 0,23 ... + 0,25 V). Železo-sírový protein Riske má střed 2Fe-2S (E°' ~ +0,28 V). Je známo, že komplex funguje jako dimer in vivo [2] .

Komplex je ponořen do vnitřní mitochondriální membrány tak, že funkční skupina Riskeho proteinu a cytochromu c přejdou do mezimembránového prostoru, zatímco dva hemy cytochromu b jsou umístěny v tloušťce membrány, přičemž b p jsou blízko na její vnitřní stranu a b n blízko její  vnější strany. Takové asymetrické uspořádání redoxních center v membráně zajišťuje existenci dvou prostorově oddělených řetězců transportu elektronů v rámci jednoho komplexu. První, nízkopotenciální elektronový transportní řetězec je tvořen dvěma hemy cytochromu b 6  - nízkopotenciální b L a vysokopotenciální b H . Druhý, vysoce potenciální řetězec zahrnuje Riskeho protein a cytochrom c hem . Při oxidaci ubiochinolů v cytochromovém komplexu jsou realizovány dva toky konjugovaných elektronů - podél nízkopotenciální a vysokopotenciální dráhy [4] .

Data rentgenové difrakční analýzy, která umožňuje určit polohu aktivních skupin vůči sobě navzájem, stejně jako experimenty s inhibitory, umožnily pochopit, že transport elektronů je možný nejen mezi dvěma hemy stejného komplexu, ale také mezi dvěma b L hemy umístěnými na různých komplexech asociovaných v dimeru [5] .

Podjednotky

U obratlovců se komplex bc 1 neboli komplex III skládá z 11 podjednotek: 3 katalytických podjednotek, 2 podjednotek jádra a 6 podjednotek s nízkou molekulovou hmotností [6] [7] . Proteobakteriální komplexy se mohou skládat pouze ze tří podjednotek [8] .

V rostlinách je komplex III bifunkční. Nedávné studie o mitochondriích pšenice ( Triticum aestivum ), bramboru ( Solanum tuberosum ) a špenátu ( Spinacia oleracea ) ukázaly, že dvě jádrové podjednotky komplexu přivrácené k matrici mají MPP ( mitochondriální procesní peptidázu )  peptidázovou aktivitu a jsou zapojeny. v transportních proteinech do mitochondrií [9] [10] .

MPP peptidáza je heterodimer, který se skládá z podjednotek a-MPP a p-MPP, každá o hmotnosti 50 kDa. Odřízne N-terminální signál nebo tranzitní sekvenci 40-80 aminokyselin z proteinů vstupujících do mitochondrií . V rostlinách je MPP peptidáza součástí komplexu cytochromu bc 1 , což je považováno za archaický znak. U zvířat došlo k duplikaci genů jádrové podjednotky, takže MPP-peptidáza je v nich přítomna jako nezávislý ve vodě rozpustný matricový protein. Jádrové podjednotky komplexu cytochromu bc 1 však neztratily aktivitu peptidázou , avšak v komplexu bc 1 je blokován 9. podjednotkou, která vzniká jako výsledek zpracování Riskeho proteinu. Nicméně experimenty s bovinním komplexem cytochromu bc 1 ukázaly, že vlivem detergentů a disociace 9. podjednotky získávají jádrové podjednotky opět peptidázovou aktivitu [11] .

Tabulka podjednotek komplexu III

• a U obratlovců je 8 kDa signální N-terminální peptid Riskeho proteinu konzervován v komplexu jako podjednotka 9. Podjednotky 10 a 11 u lidí odpovídají QCR9p a QCR10p u hub .

TTC19  je nedávno objevená malá podjednotka komplexu; mutace v něm vedou k insuficienci komplexu III 2. typu.

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 + v →Q + 2 cit. c +2 + 4H + ven

Elektronický transport 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 po membráně ve vodné frakci a přenáší jeden elektron do dalšího respiračního komplexu, cytochromoxidázy [12] [13] .

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 [14] .

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 přibližuje 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 [15] .

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 (viz teorie stárnutí volných radikálů ) [16] . 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 . Vzniklý superoxid se dostává do mitochondriální matrix [17] [18] a do mezimembránového prostoru, odkud se může dostat do cytosolu [17] [19] . Tuto skutečnost lze vysvětlit tím, že komplex III pravděpodobně produkuje superoxid ve formě nenabitého HOO • , který snadněji proniká vnější membránou ve srovnání s nabitým O 2 • - [18] .

Inhibitory komplexu III

Všechny inhibitory Complex III lze rozdělit do tří skupin:

• Antimycin A se váže na místo Q a blokuje transport elektronů z hemu bH na oxidovaný ubichinon Q ( inhibitor Q v místě).
• Myxothiazol a stigmatellin se váží na místo Q uot a blokují přenos elektronů z redukovaného QH 2 do shluku železa a síry Riskeho proteinu. Oba inhibitory se vážou na místo Q uot , 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 Q out site ) a antimalarika ( atovachon ) [20] .

Mutace v genech komplexu III a související nemoci

Mutace v genech komplexu III obvykle vedou k nesnášenlivosti zátěže [21] [22] . Jiné mutace mohou způsobit septooptickou dysplazii [23] a multisystémové poruchy [24] . Mutace v genu BCS1L odpovědné za správné zrání komplexu III mohou vést k Björnstadovu syndromu a GRACILE syndromu , který vede k úmrtí v raném věku. Fenotyp mnoha z těchto a dalších mutací byl hodnocen v systémech, jako jsou kvasinky [25] .

Do jaké míry jsou tyto patologické stavy způsobeny nedostatkem bioenergie a do jaké míry nadměrnou tvorbou reaktivních forem kyslíku, není v současné době známo.

Galerie

• Cit. bc 1 v membráně.

• Cit. bc 1 kuře domácí.

• Býčí citát. bc 1 .

• Cit. bc 1 a op. c ze S. cerevisiae .

• Rizikový protein z M. laminosus .

• Pozice dvou Riske proteinů v Cit. b 6 f .

• Cyt monomer. bc 1 , jsou označeny podjednotky.

Viz také

• komplex NADH dehydrogenázy
• Sukcinátdehydrogenáza
• cytochromoxidáza
• ETF dehydrogenáza
• Respirasome
• Alternativní oxidáza

Poznámky

1. ↑ 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 .
2. ↑ 1 2 3 Ermakov, 2005 , s. 240.
3. ↑ Iwata S., Lee JW, Okada K., Lee JK, Iwata M., Rasmussen B., Link TA, Ramaswamy S., Jap BK Kompletní struktura 11-podjednotkového bovinního mitochondriálního cytochromového cytochromu bc1   complex // - 1998. - Červenec ( roč. 281 , č. 5373 ). - str. 64-71 . - doi : 10.1126/science.281.5373.64 . — PMID 9651245 .
4. ↑ Ermakov, 2005 , s. 177.
5. ↑ Raul Covian, Bernard L. Trumpower. Regulační interakce v dimerním komplexu cytochromu bc1: Výhody dvojčete  //  Biochimica et Biophysica Acta : deník. - 2008. - Sv. 1777 . - S. 1079-1109 .
6. ↑ Zhang Z., Huang L., Shulmeister VM, Chi YI, Kim KK, Hung LW et al. Přenos elektronů pohybem domény v cytochromu bc1  (anglicky)  // Nature : journal. - 1998. - Sv. 392 , č.p. 6677 . - str. 677-684 . - doi : 10.1038/33612 . — PMID 9565029 .
7. ↑ Hao GF, Wang F., Li H., Zhu XL, Yang WC, Huang LS et al. Výpočetní objev pikomolárních inhibitorů Q(o) místa komplexu cytochromu bc1  //  J Am Chem Soc : deník. - 2012. - Sv. 134 , č. 27 . - S. 11168-11176 . doi : 10.1021 / ja3001908 . — PMID 22690928 .
8. ↑ Yang XH, Trumpower BL. Purifikace třípodjednotkového ubichinol-cytochromu komplexem oxidoreduktázy z Paracoccus denitrificans  (anglicky)  // J Biol Chem.  : deník. - 1986. - Sv. 261 . - str. 12282-12289 . — PMID 3017970 .
9. ↑ Jan Mach, Pavel Poliak, Anna Matušková, Vojtěch Žárský, Jiří Janata, Julius Lukeš a Jan Tachezy,. Pokročilý systém mitochondriální zpracovatelské peptidázy a rodiny jádrových proteinů u Trypanosoma brucei a mnohočetný původ podjednotky Core I u eukaryot   // Genome Biol Evol : deník. - 5. dubna 2013. - Sv. 5 , č. 5 . - S. 860-875 . - doi : 10.1093/gbe/evt056 .
10. ↑ Braun HP, Emmermann M., Kruft V., Bödicker M., Schmitz UK. Obecná mitochondriální procesní peptidáza z pšenice je integrována do cytochromového bc1-komplexu dýchacího řetězce   // Planta . : deník. - 1995. - Sv. 195 , č. 3 . - S. 396-402 . — PMID 7766045 .
11. ↑ Kaiping Deng‡, Sudha K. Shenoy‡, Shih-Chia Tso, Linda Yu a Chang-An Yu§. Rekonstituce mitochondriální procesní peptidázy z jádrových proteinů (podjednotky I a II) komplexu mitochondriálního cytochromu bc1 bovinního srdce  (anglicky)  // The Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2. března 2001. - Sv. 276 . - S. 6499-6505. . - doi : 10.1074/jbc.M007128200 .
12. ↑ Kramer DM, Roberts AG, Muller F., Cape J., Bowman MK Q-cyklické bypassové reakce v místě Qo komplexů cytochromu bc1 (a příbuzných)  //  Meth . Enzymol.  : deník. - 2004. - Sv. Metody v enzymologii . - str. 21-45 . - ISBN 978-0-12-182786-1 . - doi : 10.1016/S0076-6879(04)82002-0 . — PMID 15047094 .
13. ↑ Crofts AR Komplex cytochromu bc1: funkce v kontextu struktury   // Annu . Rev. fyziol.  : deník. - 2004. - Sv. 66 . - str. 689-733 . - doi : 10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251 . — PMID 14977419 .
14. ↑ Ferguson SJ, Nicholls D., Ferguson S. Bioenergetika  (neopr.) . — 3. - San Diego: Academic, 2002. - S. 114-117. — ISBN 0-12-518121-3 .
15. ↑ Ermakov, 2005 , s. 243.
16. ↑ Muller, FL, Lustgarten, MS, Jang, Y., Richardson, A. a Van Remmen, H. Trendy v teoriích oxidativního stárnutí  // Free Radic  . Biol. Med. : deník. - 2007. - Sv. 43 , č. 4 . - str. 477-503 . - doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034 . — PMID 17640558 .
17. ↑ 1 2 Muller F. Povaha a mechanismus produkce superoxidu elektronovým transportním řetězcem: Jeho význam pro stárnutí  //  AGE : journal. - 2000. - Sv. 23 , č. 4 . - str. 227-253 . - doi : 10.1007/s11357-000-0022-9 .
18. ↑ 1 2 Muller FL, Liu Y., Van Remmen H. Komplex III uvolňuje superoxid na obě strany vnitřní mitochondriální membrány  //  J. Biol. Chem.  : deník. - 2004. - Listopad ( roč. 279 , č. 47 ). - S. 49064-49073 . - doi : 10.1074/jbc.M407715200 . — PMID 15317809 .
19. ↑ Han D., Williams E., Cadenas E. Generace superoxidového aniontu závislá na mitochondriálním respiračním řetězci a jeho uvolňování do mezimembránového prostoru   // Biochem . J. : deník. - 2001. - Leden ( roč. 353 , č. Pt 2 ). - str. 411-416 . - doi : 10.1042/0264-6021:3530411 . — PMID 11139407 .
20. ↑ Holmes JH, Sapeika N., Zwarenstein H. Inhibiční účinek léků proti obezitě na NADH dehydrogenázu homogenátů myšího srdce  //  Výzkumná sdělení v chemické patologii a farmakologii : časopis. - 1975. - Sv. 11 , č. 4 . - str. 645-646 . — PMID 241101 .
21. ↑ DiMauro S. Mitochondriální myopatie  (neopr.)  // Curr Opin Rheumatol. - 2006. - Listopad ( roč. 18 , č. 6 ). - S. 636-641 . - doi : 10.1097/01.bor.0000245729.17759.f2 . — PMID 17053512 .
22. ↑ DiMauro S. Mitochondriální DNA lékařství  (neopr.)  // Biosci. Rep.. - 2007. - Červen ( roč. 27 , č. 1-3 ). - str. 5-9 . - doi : 10.1007/s10540-007-9032-5 . — PMID 17484047 .
23. ↑ Schuelke M., Krude H., Finckh B., Mayatepek E., Janssen A., Schmelz M., Trefz F., Trijbels F., Smeitink J. Septooptická dysplazie spojená s novou mutací mitochondriálního cytochromu b  .)  // Ann. Neurol. : deník. - 2002. - březen ( roč. 51 , č. 3 ). - str. 388-392 . doi : 10.1002 / ana.10151 . — PMID 11891837 .
24. ↑ Wibrand F., Ravn K., Schwartz M., Rosenberg T., Horn N., Vissing J. Multisystémová porucha spojená s missense mutací v genu mitochondriálního cytochromu b   // Ann . Neurol. : deník. - 2001. - říjen ( roč. 50 , č. 4 ). - str. 540-543 . doi : 10.1002 / ana.1224 . — PMID 11601507 .
25. ↑ Fisher N., Castleden CK, Bourges I., Brasseur G., Dujardin G., Meunier B. Human disease-related mutations in cytochrome b studyed in kvasinky  //  J. Biol. Chem.  : deník. - 2004. - březen ( roč. 279 , č. 13 ). - S. 12951-12958 . - doi : 10.1074/jbc.M313866200 . — PMID 14718526 .

Literatura

• Fyziologie rostlin / Ed. I. P. Ermáková. - M . : Akademie, 2005. - 634 s.

Odkazy

• cytochrom bc 1 komplexní místo (Antony R. Crofts) na uiuc.edu
• UMich Orientace proteinů v rodinách membrán/superrodina-3  — Vypočítané polohy bc1 a příbuzných komplexů v membránách
• MeSH koenzym+Q-cytochrom-c+reduktáza