ЭЛЕКТРОННО-ТРАНСПОРТНАЯ ЦЕПЬ: КОМПОНЕНТЫ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ, ИНГИБИТОРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Цепь переноса электронов состоит из множества белковых молекул и коферментов в мембране. Как следует из названия, он отвечает за транспорт электронов от коферментов NADH или FADH2 к конечному рецептору, которым является O2 (молекулярный кислород).

В этом процессе переноса энергия, высвобождаемая при передаче электронов от коферментов молекулярному кислороду через окислительно-восстановительные центры, прикрепленные к белкам, связана с производством энергии (АТФ). Эта энергия получается благодаря протонному градиенту, который генерируется внутренней митохондриальной мембраной.

Источник: Пользователь: Rozzychan

Эта транспортная система состоит из различных компонентов, которые могут находиться как минимум в двух степенях окисления. Каждый из них эффективно восстанавливается и повторно окисляется при движении электронов от NADH или FADH2 к O2.

Коферменты НАД + и ФАД восстанавливаются в путях окисления жирных кислот и в цикле лимонной кислоты в результате окисления различных субстратов. Эти коферменты впоследствии окисляются в электронной транспортной цепи.

Таким образом, электронная транспортная система состоит из последовательности связанных друг с другом окислительно-восстановительных реакций.

Компоненты цепи

В зависимости от типа организма можно наблюдать от 3 до 6 компонентов, составляющих цепь переноса электронов. Процесс переноса электронов и синтез АТФ путем окислительного фосфорилирования - это процессы, происходящие в мембране.

В случае прокариотических клеток (аэробных бактерий) эти процессы происходят в плазматической мембране. В эукариотических клетках это происходит в митохондриальной мембране, поэтому компоненты транспорта электронов находятся во внутренней части мембраны.

Электроны передаются постепенно через четыре комплекса, составляющих электронную транспортную цепь.

Каждый комплекс имеет несколько белковых компонентов, связанных с простетическими группами (не аминокислотными компонентами конъюгированных белков) окислительно-восстановительным потенциалом, которые позволяют увеличивать их восстановительные потенциалы.

Кроме того, эта транспортная система состоит из различных молекулярных видов, таких как флавопротеины; кофермент Q, также называемый убихиноном (CoQ или UQ); различные цитохромы, такие как цитохром b, c, c1, a и a3; белки с группами Fe-S и белки, присоединенные к Cu. Эти молекулы связываются с мембраной, за исключением цитохрома с.

Комплекс I

Комплекс I, называемый коферментом хинон оксидоредуктазой NADH, или NADH дегидрогеназой, состоит из примерно 45 полипептидных цепей и содержит одну молекулу флавинмононуклеотида (FMN) и от восьми до девяти кластеров Fe-S. Как следует из названия, этот комплекс переносит пару электронов от кофермента НАДН к CoQ.

Функция комплекса НАДН-дегидрогеназы начинается со связывания НАДН с комплексом на матричной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Затем электроны переносятся от NADH к FMN. Впоследствии электроны переходят от восстановленного флавина (FMNH2) к белкам с Fe-S.

FMNH2 работает как своего рода мост между белками NADH и Fe-S, поскольку последний может передавать только один электрон, в то время как кофермент NADH передает два, так что флавины осуществляют перенос одного электрона благодаря в его окислительно-восстановительное состояние семихинона.

Наконец, электроны передаются от кластеров Fe-S к коферменту Q, который является мобильным переносчиком электронов с изопреноидным хвостом, который делает его гидрофобным, позволяя ему пересекать центр митохондриальной мембраны.

Комплекс II

Комплекс II, более известный как сукцинатдегидрогеназа, является неотъемлемым белком внутренней митохондриальной мембраны и ферментом, который вмешивается в цикл лимонной кислоты.

Этот комплекс состоит из двух гидрофильных и двух гидрофобных субъединиц с группами гема b, которые обеспечивают сайт связывания для CoQ, в дополнение к флавопротеину и белку с Fe-S.

В цикле лимонной кислоты (цикл Кребса или трикарбоновой кислоты) сукцинат превращается в фумарат сукцинатдегидрогеназой, восстанавливая кофермент FAD до FADH2. Из этого последнего кофермента электроны переносятся на центры Fe-S, которые, в свою очередь, переносят их на CoQ.

Во время реакций переноса электрона стандартный окислительно-восстановительный потенциал очень низок, что предотвращает высвобождение свободной энергии, необходимой для синтеза АТФ.

Это означает, что комплекс II является единственным комплексом в цепи переноса электронов, неспособным обеспечивать энергию для синтеза АТФ. Однако этот комплекс является ключевым в процессе, поскольку он переносит электроны от FADH2 к остальной части цепи.

Комплекс III

Комплекс III, комплекс цитохрома bc1 или редуктаза цитохрома c CoQ, переносит электроны от восстановленного кофермента Q на цитохром c. Этот перенос происходит по единственному окислительно-восстановительному пути, известному как Q-цикл.

Этот комплекс состоит из белка с Fe-S и трех различных цитохромов, в которых атом железа, расположенный в гемовой группе, циклически колеблется между восстановленным (Fe2 +) и окисленным (Fe3 +) состояниями.

Цитохромы - это гемопротеины, переносящие электроны, которые обладают окислительно-восстановительной активностью. Они присутствуют во всех организмах, кроме некоторых облигатных анаэробов.

Эти белки имеют гемовые группы, которые чередуются между двумя степенями окисления (Fe2 + и Fe3 +). Цитохром с - мобильный переносчик электронов, слабо связанный с внутренней мембраной митохондрий.

Цитохромы, обнаруженные в этом комплексе, представляют собой цитохромы b, c и a, все 3 являются окислительно-восстановительными белками с группами hae с разными характеристиками, которые чередуют свои степени окисления между Fe2 + и Fe3 +.

Цитохром с - это белок периферической мембраны, который функционирует как «челнок» электронов с цитохромом с1 и комплексом IV.

Комплекс IV

Цитохром с и О2 являются конечными рецепторами для электронов, полученных в результате окисления органического материала, поэтому комплекс IV или цитохром с оксидаза является конечным ферментом в процессе переноса электронов. Он принимает электроны от цитохрома с и передает их на восстановление O2.

Функция комплекса состоит в том, чтобы катализировать окисление одного электрона четырех последовательных молекул восстановленного цитохрома c, то есть одновременно восстанавливает четыре электрона одной молекулы O2, в конечном итоге производя две молекулы H2O.

Электронная транспортная последовательность

Электроны переносятся из комплексов I и II в комплекс III благодаря коферменту Q, а оттуда переходят в комплекс IV через цитохром c. Когда электроны проходят через эти четыре комплекса, они увеличивают восстановительный потенциал, высвобождая энергию, которая затем используется для синтеза АТФ.

Всего перенос пары электронов вызывает перемещение 10 протонов через мембрану; четыре в комплексах I и IV и два в комплексе III.

НАДН-дегидрогеназа

Этот фермент катализирует окисление кофермента NADH коферментом Q. Электроны перемещаются от NADH к FMN, который присоединен к гидрофильному хвосту комплекса I. Кластеры Fe-S переносят электроны по одному. Эти группы Fe-S восстанавливают CoQ, встроенный в мембрану, до убихинола (восстановленный CoQ).

Во время переноса электронов на CoQ четыре протона, в свою очередь, переносятся через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Механизм перемещения этих протонов включает белки, расположенные в гидрофобном хвосте комплекса I.

Процесс переноса электрона на этом этапе высвобождает свободную энергию, в частности -16,6 ккал / моль.

CoQ-цитохром с редуктаза и цикл Q

Коэнзим Q окисляется цитохромом с в реакции, катализируемой этим коферментом. Окисление убихинола (восстановленного CoQ) происходит в определенном месте комплекса (Qo или сайт окисления) в митохондриальной мембране, передавая два электрона, один к белку с группами Fe-S, а другой к гемовым группам.

В цикле Q при окислении CoQ образуется семихинон, в котором электроны передаются гемовым группам b1 и bh. Когда происходит этот перенос электрона, второй CoQ окисляется в сайте Qo, повторяя цикл.

Этот цикл вызывает перенос двух электронов и, в свою очередь, перемещение четырех протонов в межмембранное пространство с высвобождением -10,64 ккал / моль свободной энергии.

Цитохром с оксидаза

Этот фермент (комплекс IV) катализирует окисление цитохрома c (восстановленного) O2, который является конечным акцептором электронов. Этот перенос производит одну молекулу H2O для каждой пары переносимых электронов в дополнение к перемещению протонов через мембрану.

Электроны перемещаются один за другим от восстановленного цитохрома c к паре ионов CuA, затем переходят к гемовой группе и, наконец, достигают биядерного центра комплекса, содержащего ионы CuB и гем a3, где происходит перенос четырех электронов. до кислорода.

В комплексе IV элементы переносят электроны один за другим, так что O2 постепенно восстанавливается, так что не происходит высвобождения некоторых токсичных соединений, таких как супероксид, перекись водорода или гидроксильные радикалы.

Энергия, выделяемая на этой стадии, соответствует -32 ккал / моль. Электрохимический градиент, генерируемый в процессе переноса, и изменения энергии (ΔE), вызванные парой электронов при прохождении через четыре комплекса, соответствуют на каждой стадии свободной энергии, необходимой для производства молекулы АТФ.

Сукцинатдегидрогеназа

Как уже упоминалось, этот комплекс выполняет единственную, но важную функцию введения электронов FADH2 из цикла лимонной кислоты в цепь переноса электронов.

Этот фермент катализирует окисление кофермента FADH2 коферментом Q (окисленным). В цикле лимонной кислоты, когда сукцинат окисляется до фумарата, два электрона и два протона передаются FAD. Впоследствии FADH2 передает эти электроны CoQ через центры Fe-S комплекса.

Наконец, из CoQ электроны переходят в комплекс III, следуя шагам, описанным выше.

Комплексы цепи независимы.

Четыре комплекса, составляющие электронную транспортную цепь, независимы, то есть они обнаруживаются и действуют независимо во внутренней митохондриальной мембране, и движение каждого из них в мембране не зависит от других комплексов или связано с ними.

Комплексы I и II перемещаются в мембране, передавая свои электроны CoQ, который также диффундирует в мембране и передает их в комплекс III, откуда электроны переходят к цитохрому c, который также является подвижным в мембране и откладывает электроны в комплекс IV.

Ингибиторы электронной транспортной цепи

Некоторые специфические ингибиторы действуют на электронную транспортную цепь, вмешиваясь в ее процесс. Ротенон - это широко используемый инсектицид, который стехиометрически связывается с комплексом I, предотвращая восстановление CoQ.

Некоторые препараты типа барбитуратов, такие как пиерицидин и амитал, ингибируют комплекс I, препятствуя передаче электронов от групп Fe-S к CoQ.

В комплексе II некоторые соединения, такие как теноилтрифторацетон и малонат, действуют как конкурентные ингибиторы сукцината, предотвращая его окисление и, в свою очередь, перенос электронов на FAD.

Некоторые антибиотики, такие как миксотиазол и стигмателлин, связываются с сайтами связывания Q CoQ, ингибируя перенос электронов от кофермента Q к центрам Fe-S белков.

Цианид, азид (N3-), серная кислота и монооксид углерода ингибируют комплекс IV. Эти соединения связываются с гемовыми группами, предотвращая перенос электронов к биядерному центру комплекса или к кислороду (O2).

Подавляя цепь переноса электронов, производство энергии останавливается за счет окислительного фосфорилирования, вызывая серьезные повреждения и даже смерть организма.

Ссылки

1. Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2004). Существенная клеточная биология. Нью-Йорк: Наука о гирляндах. 2-е издание.
2. Купер, Г.М., Хаусман, Р.Е. и Райт, Н. (2010). Клетка. (стр. 397-402). Ed. Marbán.
3. Девлин, TM (1992). Учебник биохимии: с клиническими соотношениями. John Wiley & Sons, Inc.
4. Гаррет, Р. Х. и Гришем, К. М. (2008). Биохимия. Под ред. Томсона Брукса / Коул.
5. Rawn, JD (1989). Биохимия (№ 577.1 RAW). Эд. Interamericana-McGraw-Hill
6. Воет, Д. и Воет, Дж. Г. (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.