ELEKTRÓNOVÝ TRANSPORTNÝ REŤAZEC: KOMPONENTY, POSTUPNOSŤ, INHIBÍTORY - BIOLÓGIE - 2025

Elektrónový dopravnej reťaz sa skladá zo sady proteínových molekúl a koenzýmov v membráne. Ako už názov napovedá, je zodpovedný za transport elektrónov z koenzýmov NADH alebo FADH2 na konečný receptor, ktorým je O2 (molekulárny kyslík).

V tomto transportnom procese je energia uvoľňovaná, keď sa elektróny prenášajú z koenzýmov na molekulárny kyslík cez redoxné centrá pripojené k proteínom, spojená s produkciou energie (ATP). Táto energia sa získava vďaka protónovému gradientu, ktorý sa vytvára vo vnútornej mitochondriálnej membráne.

Zdroj: Používateľ: Rozzychan

Tento transportný systém sa skladá z rôznych komponentov, ktoré sa nachádzajú v najmenej dvoch oxidačných stavoch. Každý z nich je účinne redukovaný a reoxidovaný počas pohybu elektrónov z NADH alebo FADH2 na O2.

Koenzýmy NAD + a FAD sa redukujú v oxidačných cestách mastných kyselín a v cykle kyseliny citrónovej v dôsledku oxidácie rôznych substrátov. Tieto koenzýmy sa následne oxidujú v elektronickom dopravnom reťazci.

Elektronický transportný systém teda pozostáva zo sledu oxidačno-redukčných reakcií, ktoré sú navzájom prepojené.

Reťazové komponenty

V závislosti od typu organizmu možno pozorovať 3 až 6 komponentov tvoriacich reťazec prenosu elektrónov. Proces prenosu elektrónov a syntéza ATP oxidačnou fosforyláciou sú procesy, ktoré sa vyskytujú v membráne.

V prípade prokaryotických buniek (aeróbne baktérie) sa tieto procesy vyskytujú v spojení s plazmatickou membránou. V eukaryotických bunkách sa vyskytuje v mitochondriálnej membráne, takže zložky transportu elektrónov sa nachádzajú vo vnútornej časti membrány.

Elektróny sa prenášajú postupne cez štyri komplexy, ktoré tvoria elektronický dopravný reťazec.

Každý komplex má niekoľko proteínových zložiek spojených s protetickými skupinami (neaminokyselinové komponenty konjugovaných proteínov) redox, ktoré umožňujú zvýšenie ich redukčných potenciálov.

Okrem toho sa tento transportný systém skladá z rôznych molekulárnych druhov, ako sú flavoproteíny; koenzým Q sa tiež nazýva ubichinón (CoQ alebo UQ); rôzne cytochrómy, ako je cytochróm b, c, cl, a a a3; proteíny so skupinami Fe-S a proteíny viazané na Cu. Tieto molekuly sa viažu na membránu, s výnimkou cytochrómu c.

Komplex I

Komplex, ktorý sa nazýva NADH koenzým chinón-oxidoreduktáza alebo NADH dehydrogenáza, je tvorený asi 45 polypeptidovými reťazcami a obsahuje jednu molekulu flavínového mononukleotidu (FMN) a osem až deväť Fe-S klastrov. Ako už názov napovedá, tento komplex prenáša pár elektrónov z koenzýmu NADH do CoQ.

Funkcia komplexu NADH dehydrogenázy začína väzbou NADH na komplex na matricovej strane vnútornej mitochondriálnej membrány. Elektróny sa potom transportujú z NADH do FMN. Následne elektróny prechádzajú z redukovaného flavínu (FMNH2) na proteíny Fe-S.

FMNH2 funguje ako akýsi most medzi NADH a Fe-S proteínmi, pretože tieto môžu prenášať iba jeden elektrón, zatiaľ čo koenzým NADH prenáša dva, takže flavíny tento prenos jedného elektrónu vykonávajú vďaka do svojho redoxného stavu semichinónu.

Nakoniec sa elektróny prevádzajú z klastrov Fe-S do koenzýmu Q, čo je mobilný elektrónový nosič s izoprenoidovým chvostom, ktorý ho robí hydrofóbnym, čo mu umožňuje prejsť stredom mitochondriálnej membrány.

Komplex II

Komplex II, lepšie známy ako sukcinátdehydrogenáza, je integrálnym proteínom vnútornej mitochondriálnej membrány a je enzýmom, ktorý zasahuje do cyklu kyseliny citrónovej.

Tento komplex sa skladá z dvoch hydrofilných a dvoch hydrofóbnych podjednotiek so skupinami hemu b, ktoré poskytujú väzobné miesto pre CoQ, okrem flavoproteínu a proteínu s Fe-S.

V cykle kyseliny citrónovej (cyklus Krebs alebo kyselina trikarboxylová) sa sukcinát konvertuje na fumarát sukcinátdehydrogenázou, čím sa redukuje koenzým FAD na FADH2. Z tohto posledného koenzýmu sa elektróny prenášajú do Fe-S centier, ktoré ich zase prevádzajú do CoQ.

Počas reakcií tohto prenosu elektrónov je štandardný redoxný potenciál veľmi nízky, čo bráni uvoľneniu voľnej energie potrebnej na syntézu ATP.

To znamená, že komplex II je jediný komplex v elektrónovom transportnom reťazci, ktorý nie je schopný poskytnúť energiu na syntézu ATP. Tento komplex je však v tomto procese kľúčový, pretože prevádza elektróny z FADH2 do zvyšku reťazca.

Komplex III

Komplex III, komplex cytochrómu bc1 alebo CoQ cytochróm c reduktáza prenáša elektróny zo zníženého koenzýmu Q na cytochróm c. K tomuto prenosu dochádza prostredníctvom jedinej redoxnej dráhy, známej ako cyklus Q.

Tento komplex sa skladá z proteínu s Fe-S a troch rôznych cytochrómov, v ktorých sa atóm železa nachádzajúci sa v skupine hem mení cyklicky medzi redukovanými (Fe2 +) a oxidovanými (Fe3 +) stavmi.

Cytochrómy sú hemoproteíny prenášajúce elektróny, ktoré majú redoxnú aktivitu. Sú prítomné vo všetkých organizmoch, s výnimkou niektorých povinných anaeróbov.

Tieto proteíny majú hemové skupiny, ktoré sa striedajú medzi dvoma oxidačnými stavmi (Fe2 + a Fe3 +). Cytochróm c je mobilný elektrónový nosič slabo asociovaný s vnútornou membránou mitochondrií.

Cytochrómy nájdené v tomto komplexe sú cytochrómy b, ca a, všetky 3 sú redox aktívne proteíny s hae skupinami s rôznymi vlastnosťami, ktoré menia ich oxidačné stavy medzi Fe2 + a Fe3 +.

Cytochróm c je bielkovina periférnej membrány, ktorá funguje ako „elektrónový“ raketoplán s cytochrómom cl a komplexom IV.

Komplex IV

Cytochróm c a O2 sú konečné receptory pre elektróny odvodené z oxidácie organického materiálu, takže komplex IV alebo oxidáza cytochrómu c je koncovým enzýmom v procese prenosu elektrónov. Prijímajú elektróny z cytochrómu c a prenášajú ich na redukciu O2.

Funkciou komplexu je katalyzovať oxidácie jedného elektrónu zo štyroch po sebe nasledujúcich molekúl redukovaného cytochrómu c, to znamená, že súčasne redukuje štyri elektróny jednej molekuly O2 a nakoniec produkuje dve molekuly H20.

Elektrónová transportná sekvencia

Elektróny sa prenášajú z komplexov I a II do komplexu III vďaka koenzýmu Q a odtiaľ prechádzajú do komplexu IV cez cytochróm c. Keď elektróny prechádzajú týmito štyrmi komplexmi, zvyšujú redukčný potenciál a uvoľňujú energiu, ktorá sa potom používa na syntézu ATP.

Celkovo prenos dvojice elektrónov spôsobuje translokáciu 10 protónov cez membránu; štyri v komplexoch I a IV a dva v komplexoch III.

NADH dehydrogenáza

Tento enzým katalyzuje oxidáciu koenzýmu NADH koenzýmom Q. Elektróny sa pohybujú z NADH na FMN, ktorý je pripojený k hydrofilnému koncu komplexu I. Klastre Fe-S prenášajú elektróny jeden po druhom. Tieto skupiny Fe-S redukujú CoQ, ktorý je zabudovaný v membráne, na ubichinol (redukované CoQ).

Počas prenosu elektrónov na CoQ sa cez vnútornú membránu postupne prenášajú štyri protóny do intermembránového priestoru. Mechanizmus, ktorým sú tieto protóny translokované, zahŕňa proteíny umiestnené v hydrofóbnom chvoste komplexu I.

Proces prenosu elektrónov v tomto kroku uvoľňuje voľnú energiu, konkrétne -16,6 kcal / mol.

CoQ-cytochróm c reduktáza a cyklus Q

Koenzým Q sa oxiduje cytochrómom c, pri reakcii katalyzovanej týmto koenzýmom. Oxidácia ubichinolu (znížené CoQ) sa vyskytuje v určitom mieste komplexu (Qo alebo oxidačné miesto) v mitochondriálnej membráne, pričom dva elektróny sa prenášajú, jeden na proteín so skupinami Fe-S a druhý do hemových skupín.

V Q-cykle oxidáciou CoQ vzniká semichinón, čo je miesto, kde sa elektróny prenášajú do hemových skupín bl a bh. Keď dôjde k tomuto prenosu elektrónov, druhý CoQ sa oxiduje v mieste Qo a cyklus sa opakuje.

Tento cyklus spôsobuje prenos dvoch elektrónov a následne translokáciu štyroch protónov do intermembránového priestoru s uvoľnením -10,64 kcal / mol voľnej energie.

Oxidáza cytochrómu c

Tento enzým (komplex IV) katalyzuje oxidáciu cytochrómu c (redukovaný) kyslíkom, ktorý je konečným elektrónovým akceptorom. Tento prenos produkuje jednu molekulu H2O pre každý pár elektrónov prenesených okrem translokácie protónov cez membránu.

Elektróny sa pohybujú jeden po druhom, z redukovaného cytochrómu c na pár CuA iónov, potom prechádzajú do hemu skupiny a nakoniec sa dostanú do dvojjadrového centra komplexu obsahujúceho ióny CuB a heme a3, kde dochádza k prenosu štyroch elektrónov. až po kyslík.

V komplexe IV tieto prvky prenášajú elektróny jeden po druhom, takže O2 sa postupne redukuje, takže nedochádza k uvoľňovaniu niektorých toxických zlúčenín, ako sú superoxid, peroxid vodíka alebo hydroxylové radikály.

Energia uvoľnená v tomto stupni zodpovedá -32 kcal / mol. Elektrochemický gradient generovaný počas procesu prenosu a energetické zmeny (AE) spôsobené párom elektrónov pri prechode cez štyri komplexy zodpovedajú v každom štádiu voľnej energii potrebnej na výrobu molekuly ATP.

Sukcinátdehydrogenáza

Ako už bolo uvedené, tento komplex má jedinú, ale dôležitú funkciu zavádzania elektrónov FADH2 z cyklu kyseliny citrónovej do elektrónového transportného reťazca.

Tento enzým katalyzuje oxidáciu koenzýmu FADH2 koenzýmom Q (oxidovaný). V cykle kyseliny citrónovej, keď je sukcinát oxidovaný na fumarát, sa do FAD prevedú dva elektróny a dva protóny. Následne FADH2 prenáša tieto elektróny na CoQ cez Fe-S centrá komplexu.

Nakoniec sa z CoQ elektróny prevedú do komplexu III podľa vyššie opísaných krokov.

Komplexy reťazca sú nezávislé

Štyri komplexy, ktoré tvoria elektronický dopravný reťazec, sú nezávislé, to znamená, že sa nachádzajú a fungujú nezávisle vo vnútornej mitochondriálnej membráne a pohyb každého z nich v membráne nezávisí od iných komplexov alebo je s nimi spojený.

Komplexy I a II sa pohybujú v membráne, prenášajú svoje elektróny na CoQ, ktorý tiež difunduje v membráne a prenáša ich do komplexu III, odkiaľ elektróny prechádzajú na cytochróm c, ktorý je tiež mobilný v membráne a ukladá elektróny v komplex IV.

Inhibítory elektronického prepravného reťazca

Niektoré špecifické inhibítory pôsobia na elektronický dopravný reťazec, ktorý interferuje s jeho procesom. Rotenón je bežne používaný insekticíd, ktorý sa viaže stechiometricky na komplex I a bráni redukcii CoQ.

Niektoré lieky typu barbiturátu, ako je Piericidín a Amytal, inhibujú komplex I a interferujú s prenosom elektrónov zo skupín Fe-S na CoQ.

V komplexe II niektoré zlúčeniny, ako je tenoyltrifluóracetón a malonát, pôsobia ako kompetitívne inhibítory so sukcinátom, bránia jeho oxidácii a následne prenosu elektrónov na FAD.

Niektoré antibiotiká, ako napríklad myxotiazol a stigmatellín, sa viažu na väzbové miesta CoQ CoQ, čo inhibuje prenos elektrónov z koenzýmu Q do Fe-S centier proteínov.

Kyanid, azid (N3-), kyselina sírová a oxid uhoľnatý inhibujú komplex IV. Tieto zlúčeniny sa viažu na hemové skupiny, čím bránia prenosu elektrónov do binárneho centra komplexu alebo na kyslík (O2).

Inhibíciou transportného reťazca elektrónov je produkcia energie zastavená oxidačnou fosforyláciou, ktorá spôsobuje vážne poškodenie alebo dokonca smrť tela.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Základná bunková biológia. New York: Garland Science. 2. vydanie.
2. Cooper, GM, Hausman, RE a Wright, N. (2010). Bunka. (str. 397 až 402). Ed. Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Učebnica biochémie: s klinickými koreláciami. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, a Grisham, CM (2008). Biochémie. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biochemistry (No. 577.1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochémie. Panamerican Medical Ed.