ЕЛЕКТРОННИЙ ЛАНЦЮГ ТРАНСПОРТУ: КОМПОНЕНТИ, ПОСЛІДОВНІСТЬ, ІНГІБІТОРИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Ланцюг переносу електронів складається з безлічі білкових молекул і коферментів в мембрані. Як вказує його назва, він відповідає за транспортування електронів від коферментів NADH або FADH2 до кінцевого рецептора, який є O2 (молекулярний кисень).

У цьому транспортному процесі енергія, що виділяється при передачі електронів від коферментів до молекулярного кисню через окислювально-відновлювальні центри, приєднані до білків, пов'язана з виробництвом енергії (АТФ). Ця енергія отримується завдяки протонному градієнту, який генерується у внутрішній мітохондріальній мембрані.

Джерело: Користувач: Rozzychan

Ця транспортна система складається з різних компонентів, які можна знайти принаймні у двох окислювальних станах. Кожен з них ефективно відновлюється і реоксидується під час руху електронів від NADH або FADH2 до O2.

Коензими NAD + та FAD знижуються шляхом окислення жирної кислоти та циклом лимонної кислоти як наслідок окислення різних субстратів. Ці коферменти згодом окислюються в електронному транспортному ланцюзі.

Отже електронна транспортна система складається з послідовності реакцій окиснення-відновлення, які пов'язані між собою.

Ланцюгові компоненти

Залежно від типу організму можна спостерігати від 3 до 6 компонентів, що складають ланцюг транспорту електронів. Процес транспорту електронів та синтез АТФ шляхом окисного фосфорилювання - це процеси, що відбуваються в мембрані.

Що стосується клітин прокаріотів (аеробних бактерій), то ці процеси відбуваються, пов'язані з плазматичною мембраною. У еукаріотичних клітинах він зустрічається у мітохондріальній мембрані, тому компоненти транспорту електронів знаходяться у внутрішній частині мембрани.

Електрони передаються поступово через чотири комплекси, що складають електронний транспортний ланцюг.

Кожен комплекс має кілька білкових компонентів, пов'язаних з протетичними групами (неамінокислотні компоненти кон'югованих білків) окислювально-відновлювальних, які дозволяють збільшувати потенціали їх відновлення.

Крім того, ця транспортна система складається з різних молекулярних видів, таких як флавопротеїни; коензим Q також називають убихіноном (CoQ або UQ); різні цитохроми, такі як цитохром b, c, c1, a і a3; білки з Fe-S групами і білки, приєднані до Cu. Ці молекули зв'язуються з мембраною, за винятком цитохрому c.

Комплекс I

Комплекс I, названий коферментом NADH-хінон-оксидоредуктази, або НАДН-дегідрогеназою, складається з приблизно 45 поліпептидних ланцюгів і містить одну молекулу флануїнового мононуклеотида (FMN) та вісім-дев'ять кластерів Fe-S. Як випливає з назви, цей комплекс передає пару електронів від коферменту NADH до CoQ.

Функція комплексу дегідрогенази NADH починається з прив’язки NADH до комплексу на стороні матриці внутрішньої мітохондріальної мембрани. Потім електрони транспортуються з НАДГ до ФМН. Згодом електрони переходять від відновленого флавіну (FMNH2) до білків з Fe-S.

FMNH2 працює як своєрідний міст між білками NADH та Fe-S, оскільки останній може передавати лише один електрон, тоді як кофермент NADH передає два, так що флавіни здійснюють цей перенос одного електрона завдяки до його окислювально-відновного стану напівхінону.

Нарешті, електрони переносяться з кластерів Fe-S до коферменту Q, який є мобільним носієм електронів з ізопреноїдним хвостом, який робить його гідрофобним, що дозволяє йому перетинати центр мітохондріальної мембрани.

Комплекс II

Комплекс II, більш відомий як сукцинатдегідрогеназа, є інтегральним білком внутрішньої мітохондріальної мембрани і є ферментом, який втручається в цикл лимонної кислоти.

Цей комплекс складається з двох гідрофільних і двох гідрофобних субодиниць з групами гема b, які забезпечують місце зв'язування CoQ, крім флавопротеїну та білка з Fe-S.

У циклі лимонної кислоти (цикл Кребса або трикарбонової кислоти) сукцинат перетворюється на фумарат сукцинатдегідрогеназою, знижуючи кофермент FAD до FADH2. З цього останнього коферменту електрони переносяться в центри Fe-S, які, в свою чергу, передають їх CoQ.

Під час реакцій цього перенесення електронів стандартний окислювально-відновний потенціал дуже низький, що запобігає вивільненню вільної енергії, необхідної для синтезу АТФ.

Це означає, що комплекс II є єдиним комплексом ланцюга транспорту електронів, який не здатний забезпечити енергією синтез АТФ. Однак цей комплекс є ключовим у процесі, оскільки передає електрони з FADH2 до решти ланцюга.

Комплекс III

Комплекс III, комплекс цитохрому bc1 або цитохром c редуктази CoQ, переносить електрони з відновленого коензиму Q до цитохрому c. Цей перехід відбувається через єдиний окислювально-відновний шлях, відомий як цикл Q.

Цей комплекс складається з білка з Fe-S і трьох різних цитохромів, в яких атом заліза, розташований у групі гема, циклічно змінюється між відновленими (Fe2 +) та окисленими (Fe3 +) станами.

Цитохроми - це електронотранспортні гемопротеїни, які мають окислювально-відновну активність. Вони присутні у всіх організмах, крім деяких облігатних анаеробів.

Ці білки мають гемогрупи, які чергуються між двома станами окислення (Fe2 + і Fe3 +). Цитохром c - рухливий носій електронів, слабо пов'язаний з внутрішньою мембраною мітохондрій.

Цитохроми, знайдені в цьому комплексі, є цитохромами b, c і a, усі 3 є окислювально-відновними білками з групами хе з різними характеристиками, які чергують свої стани окислення між Fe2 + і Fe3 +.

Цитохром c - білок периферичної мембрани, який функціонує як електронний "човник" з цитохромом c1 і комплексом IV.

Комплекс IV

Цитохром c і O2 є кінцевими рецепторами для електронів, одержуваних при окисленні органічного матеріалу, тому комплекс IV або цитохром с оксидаза є кінцевим ферментом у процесі транспорту електронів. Це приймає електрони з цитохрому c і переносить їх на відновлення O2.

Функція комплексу - каталізувати окислення одного електрона з чотирьох послідовних молекул відновленого цитохрому с, тобто він одночасно знижує чотири електрони однієї молекули O2, остаточно виробляючи дві молекули H2O.

Послідовність перенесення електронів

Електрони переносяться з комплексів I і II в комплекс III завдяки коензиму Q, а звідти вони переходять до комплексу IV через цитохром c. У міру проходження електронів через ці чотири комплекси вони збільшують відновний потенціал, вивільняючи енергію, яку потім використовують для синтезу АТФ.

В цілому перенесення пари електронів викликає транслокацію 10 протонів через мембрану; чотири в комплексах I і IV і два в комплексі III.

НАДГ-дегідрогеназа

Цей фермент каталізує окислення коферменту NADH коензимом Q. Електрони рухаються від НАДГ до ФМН, який приєднується до гідрофільного хвоста комплексу I. Кластери Fe-S переносних електронів по одному. Ці Fe-S групи знижують CoQ, який вбудовується в мембрану, до убихінолу (зниженого CoQ).

Під час передачі електронів до CoQ чотири протони по черзі переносяться через внутрішню мембрану в міжмембранний простір. Механізм, за допомогою якого ці протони переміщуються, включає білки, розташовані в гідрофобному хвості комплексу I.

Процес передачі електронів на цьому етапі звільняє вільну енергію, конкретно -16,6 ккал / моль.

CoQ-цитохром c редуктази та циклу Q

Коензим Q окислюється цитохромом с, в реакції, каталізованій цим коферментом. Окислення убихінолу (зниженого CoQ) відбувається на певній ділянці комплексу (Qo або окислювальний сайт) в мітохондріальній мембрані, переносячи два електрони, один до білка з Fe-S групами, а другий до гемових груп.

У циклі Q окислення CoQ виробляє напівхінон, де електрони переносяться до груп гемів b1 і bh. Коли відбувається цей перенос електронів, другий CoQ окислюється на ділянці Qo, повторюючи цикл.

Цей цикл спричиняє перенесення двох електронів і, в свою чергу, транслокацію чотирьох протонів у міжмембранний простір з вивільненням -10,64 ккал / моль вільної енергії.

Цитохром с оксидаза

Цей фермент (комплекс IV) каталізує окислення цитохрому с (відновлений) O2, який є кінцевим акцептором електронів. Цей перехід виробляє одну молекулу Н2О для кожної пари електронів, переданих на додаток до транслокації протонів через мембрану.

Електрони рухаються один за одним, від відновленого цитохрому c до пари іонів CuA, потім переходять до групи гема і, нарешті, дістаються до двоядерного центру комплексу, що містить іони CuB і гема a3, де відбувається передача чотирьох електронів аж до кисню.

У комплексі IV елементи передають електрони один за одним, так що O2 поступово зменшується, так що не відбувається виділення деяких токсичних сполук, таких як супероксид, перекис водню або гідроксильні радикали.

Енергія, що виділяється на цій стадії, відповідає -32 ккал / моль. Електрохімічний градієнт, що утворюється в процесі переносу, та зміни енергії (ΔE), викликаних парою електронів, коли вони проходять через чотири комплекси, на кожному етапі відповідає вільній енергії, необхідній для виробництва молекули АТФ.

Сукцинатна дегідрогеназа

Як згадувалося, цей комплекс виконує єдину, але важливу функцію введення електронів FADH2 з циклу лимонної кислоти в ланцюг транспорту електронів.

Цей фермент каталізує окислення коферменту FADH2 коферментом Q (окислений). У циклі лимонної кислоти, оскільки сукцинат окислюється до фумарату, два електрони і два протони переносяться до FAD. Згодом FADH2 передає ці електрони в CoQ через Fe-S центри комплексу.

Нарешті, з CoQ електрони переносяться в комплекс III, дотримуючись описаних вище етапів.

Комплекси ланцюга незалежні

Чотири комплекси, що складають електронний транспортний ланцюг, є незалежними, тобто вони знаходяться і діють незалежно у внутрішній мітохондріальній мембрані, і рух кожного з них в мембрані не залежить від або пов'язаний з іншими комплексами.

Комплекси I і II рухаються в мембрані, переносячи свої електрони в CoQ, який також дифундує в мембрані і переносить їх у комплекс III, звідки електрони переходять до цитохрому c, який також рухливий в мембрані і відкладає електрони в комплекс IV.

Інгібітори електронної транспортної ланцюга

Деякі специфічні інгібітори діють на електронний транспортний ланцюг, що втручається в його процес. Ротенон - це широко використовуваний інсектицид, який зв'язує стехіометрично складний I, запобігаючи зниженню CoQ.

Деякі препарати барбітуратного типу, такі як Періцидин та Амітал, інгібують комплекс I, перешкоджаючи передачі електронів з Fe-S груп до CoQ.

У комплексі II деякі сполуки, такі як теноілтрифторэацетон і малонат, діють як конкурентні інгібітори сукцинату, запобігаючи його окислення і, у свою чергу, передачу електронів до FAD.

Деякі антибіотики, такі як міксотіазол і стигмателлін, зв'язуються з Q-місцями зв'язування CoQ, інгібуючи перенесення електронів з коферменту Q до Fe-S-центрів білків.

Ціанід, азид (N3-), сірчана кислота та оксид вуглецю гальмують комплекс IV. Ці сполуки зв'язуються з гемогрупами, перешкоджаючи переносу електронів у бінуклеарний центр комплексу або з киснем (O2).

Пригнічуючи електронно-транспортний ланцюг, виробництво енергії припиняється окислювальним фосфорилюванням, завдаючи серйозної шкоди і навіть смерті організму.

Список літератури

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Основна клітинна біологія. Нью-Йорк: Гарленд Наука. 2-е видання.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Клітина. (с. 397-402). Ред. Марбан.
3. Девлін, ТМ (1992). Підручник з біохімії: з клінічними кореляціями. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Біохімія. Ред. Томсон Брукс / Коул.
5. Rawn, JD (1989). Біохімія (№ 577.1 RAW). За редакцією Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Біохімія. Panamerican Medical Ed.