ELEKTRONOVÝ TRANSPORTNÍ ŘETĚZEC: SLOŽKY, SEKVENCE, INHIBITORY - BIOLOGIE - 2025

Elektronový dopravní řetěz se skládá ze sady proteinových molekul a koenzymů v membráně. Jak již název napovídá, je zodpovědný za přenos elektronů z koenzymů NADH nebo FADH2 na konečný receptor, kterým je O2 (molekulární kyslík).

V tomto transportním procesu je energie uvolňovaná při přenosu elektronů z koenzymů na molekulární kyslík prostřednictvím redoxních center připojených k proteinům spojena s produkcí energie (ATP). Tato energie je získána díky protonovému gradientu, který je generován ve vnitřní mitochondriální membráně.

Zdroj: Uživatel: Rozzychan

Tento transportní systém se skládá z různých složek, které lze nalézt v alespoň dvou oxidačních stavech. Každá z nich je účinně redukována a reoxidována během pohybu elektronů z NADH nebo FADH2 na O2.

Koenzymy NAD + a FAD jsou redukovány v oxidačních drahách mastných kyselin a cyklu kyseliny citronové v důsledku oxidace různých substrátů. Tyto koenzymy jsou následně oxidovány v elektronickém transportním řetězci.

Elektronický transportní systém tedy sestává ze sledu oxidačně-redukčních reakcí, které jsou vzájemně propojeny.

Řetězové komponenty

V závislosti na typu organismu lze pozorovat 3 až 6 složek, které tvoří řetězec přenosu elektronů. Proces přenosu elektronů a syntéza ATP oxidační fosforylací jsou procesy, které se vyskytují v membráně.

V případě prokaryotických buněk (aerobních bakterií) dochází k těmto procesům spojeným s plazmatickou membránou. V eukaryotických buňkách se vyskytuje v mitochondriální membráně, takže složky přenosu elektronů se nacházejí ve vnitřní části membrány.

Elektrony jsou přenášeny postupně prostřednictvím čtyř komplexů, které tvoří elektronický dopravní řetězec.

Každý komplex má několik proteinových komponent spojených s protetickými skupinami (neaminokyselinové komponenty konjugovaných proteinů) redox, které umožňují zvýšení jejich redukčních potenciálů.

Kromě toho je tento transportní systém složen z různých molekulárních druhů, jako jsou flavoproteiny; koenzym Q také nazývaný ubiquinon (CoQ nebo UQ); různé cytochromy, jako je cytochrom b, c, cl, a a a3; proteiny se skupinami Fe-S a proteiny navázané na Cu. Tyto molekuly se vážou na membránu, s výjimkou cytochromu c.

Komplex I

Komplex, který jsem nazval NADH koenzym chinon oxidoreduktáza nebo NADH dehydrogenáza, je tvořen asi 45 polypeptidovými řetězci a obsahuje jednu molekulu flavin mononukleotidu (FMN) a osm až devět Fe-S klastrů. Jak již název napovídá, tento komplex přenáší pár elektronů z koenzymu NADH do CoQ.

Funkce komplexu NADH dehydrogenázy začíná vazbou NADH na komplex na matricové straně vnitřní mitochondriální membrány. Elektrony jsou pak transportovány z NADH do FMN. Následně elektrony přecházejí z redukovaného flavinu (FMNH2) na proteiny s Fe-S.

FMNH2 funguje jako druh můstku mezi NADH a Fe-S proteiny, protože tyto mohou přenášet pouze jeden elektron, zatímco koenzym NADH přenáší dva, takže flaviny tento přenos jednoho elektronu provádějí díky do svého redoxního stavu semiquinonu.

Nakonec jsou elektrony přeneseny z Fe-S klastrů do koenzymu Q, což je mobilní elektronový nosič s isoprenoidovým ocasem, který jej činí hydrofobním, což mu umožňuje procházet středem mitochondriální membrány.

Komplex II

Komplex II, lépe známý jako sukcinátdehydrogenáza, je integrálním proteinem vnitřní mitochondriální membrány a je enzymem, který zasahuje do cyklu kyseliny citronové.

Tento komplex se skládá ze dvou hydrofilních a dvou hydrofobních podjednotek se skupinami hem b, které poskytují vazebné místo pro CoQ, kromě flavoproteinu a proteinu s Fe-S.

V cyklu kyseliny citronové (cyklus Krebs nebo kyselina trikarboxylová) je sukcinát přeměněn na fumarát sukcinátdehydrogenázou, čímž se redukuje koenzym FAD na FADH2. Z tohoto posledního koenzymu jsou elektrony přeneseny do Fe-S center, která je zase převádějí do CoQ.

Během reakcí tohoto přenosu elektronů je standardní redox potenciál velmi nízký, což zabraňuje uvolnění volné energie potřebné k syntéze ATP.

To znamená, že komplex II je jediný komplex v elektronovém transportním řetězci, který není schopen poskytnout energii pro syntézu ATP. Tento komplex je však klíčový v procesu, protože přenáší elektrony z FADH2 do zbytku řetězce.

Komplex III

Komplex III, cytochrom bc1 komplex nebo CoQ cytochrom c reduktáza, přenáší elektrony z redukovaného koenzymu Q na cytochrom c. K tomuto přenosu dochází prostřednictvím jediné redoxní dráhy, známé jako cyklus Q.

Tento komplex sestává z proteinu s Fe-S a třemi různými cytochromy, ve kterých se atom železa lokalizovaný ve skupině hem mění cyklicky mezi redukovanými (Fe2 +) a oxidovanými (Fe3 +) stavy.

Cytochromy jsou elektronové transportní hemoproteiny, které mají redoxní aktivitu. Jsou přítomny ve všech organismech, s výjimkou některých povinných anaerobů.

Tyto proteiny mají hemové skupiny, které se střídají mezi dvěma oxidačními stavy (Fe2 + a Fe3 +). Cytochrom c je mobilní elektronový nosič slabě asociovaný s vnitřní membránou mitochondrie.

Cytochromy nalezené v tomto komplexu jsou cytochromy b, ca a, všechny 3 jsou redox aktivní proteiny se skupinami hae s různými charakteristikami, které mění jejich oxidační stavy mezi Fe2 + a Fe3 +.

Cytochrom c je protein periferní membrány, který funguje jako „raketoplán“ elektronů s cytochromem cl a komplexem IV.

Komplex IV

Cytochrom c a O2 jsou finální receptory pro elektrony odvozené z oxidace organického materiálu, takže komplex IV nebo oxidáza cytochromu c je terminálním enzymem v procesu přenosu elektronů. To přijímá elektrony z cytochromu c a přenáší je do redukce O2.

Funkcí komplexu je katalyzovat oxidace jednoho elektronu ze čtyř po sobě jdoucích molekul redukovaného cytochromu c, to znamená, že současně redukuje čtyři elektrony jedné molekuly O2 a nakonec produkuje dvě molekuly H2O.

Elektronová transportní sekvence

Elektrony jsou přenášeny z komplexů I a II do komplexu III díky koenzymu Q a odtud přecházejí do komplexu IV přes cytochrom c. Jak elektrony procházejí těmito čtyřmi komplexy, zvyšují redukční potenciál a uvolňují energii, která se pak používá pro syntézu ATP.

Celkově způsobí přenos páru elektronů translokaci 10 protonů přes membránu; čtyři v komplexech I a IV a dva v komplexech III.

NADH dehydrogenáza

Tento enzym katalyzuje oxidaci koenzymu NADH koenzymem Q. Elektrony se pohybují z NADH na FMN, který je připojen k hydrofilnímu konci komplexu I. Klastry Fe-S přenášejí elektrony jeden po druhém. Tyto Fe-S skupiny redukují CoQ, který je zabudován do membrány, na ubiquinol (redukovaný CoQ).

Během přenosu elektronů do CoQ jsou čtyři protony zase přenášeny přes vnitřní membránu do intermembránového prostoru. Mechanismus, kterým jsou tyto protony translokovány, zahrnuje proteiny umístěné v hydrofobním ocasu komplexu I.

Proces přenosu elektronů v tomto kroku uvolňuje volnou energii, konkrétně -16,6 kcal / mol.

CoQ-cytochrom c reduktáza a cyklus Q

Koenzym Q je oxidován cytochromem c, v reakci katalyzované tímto koenzymem. K oxidaci ubichinolu (snížené CoQ) dochází v určitém místě komplexu (Qo nebo oxidační místo) v mitochondriální membráně, kdy se dva elektrony přenášejí, jeden na protein se skupinami Fe-S a druhý do skupin hem.

V Q cyklu oxidace CoQ produkuje semichinon, což je místo, kde jsou elektrony přenášeny do skupin heme b1 a bh. Jakmile dojde k tomuto přenosu elektronů, oxiduje se druhé CoQ v místě Qo a cyklus se opakuje.

Tento cyklus způsobí přenos dvou elektronů a následně přemístění čtyř protonů do intermembránového prostoru s uvolněním -10,64 kcal / mol volné energie.

Oxidáza cytochromu c

Tento enzym (komplex IV) katalyzuje oxidaci cytochromu c (redukovaný) kyslíkem, který je konečným elektronovým akceptorem. Tento přenos vytváří jednu H2O molekulu pro každý pár elektronů přenesených kromě translokace protonů membránou.

Elektrony se pohybují jeden po druhém, od redukovaného cytochromu c k páru iontů CuA, poté přecházejí do skupiny hem a nakonec se dostanou k binuukleárnímu středu komplexu obsahujícího ionty CuB a heme a3, kde dochází k přenosu čtyř elektronů až do kyslíku.

V komplexu IV prvky přenášejí elektrony jeden po druhém, takže O2 se postupně snižuje, takže nedochází k uvolňování některých toxických sloučenin, jako je superoxid, peroxid vodíku nebo hydroxylové radikály.

Energie uvolněná v této fázi odpovídá -32 kcal / mol. Elektrochemický gradient generovaný během procesu přenosu a energetické změny (AE) způsobené párem elektronů při průchodu čtyřmi komplexy odpovídají v každém stádiu volné energii potřebné pro produkci molekuly ATP.

Sukcinát dehydrogenáza

Jak již bylo zmíněno, tento komplex má jedinou, ale důležitou funkci, zavedení elektronů FADH2 z cyklu kyseliny citronové do transportního řetězce elektronů.

Tento enzym katalyzuje oxidaci koenzymu FADH2 koenzymem Q (oxidovaný). V cyklu kyseliny citronové, když je sukcinát oxidován na fumarát, jsou dva elektrony a dva protony přeneseny do FAD. Následně FADH2 přenáší tyto elektrony do CoQ přes Fe-S centra komplexu.

Nakonec jsou z CoQ elektrony přeneseny do komplexu III podle výše popsaných kroků.

Komplexy řetězce jsou nezávislé

Čtyři komplexy, které tvoří elektronický transportní řetězec, jsou nezávislé, to znamená, že se nacházejí a fungují nezávisle ve vnitřní mitochondriální membráně a pohyb každého z nich v membráně nezávisí na jiných komplexech nebo je s nimi spojen.

Komplexy I a II se pohybují v membráně, přenášejí své elektrony na CoQ, který také difunduje v membráně a přenáší je do komplexu III, odkud elektrony přecházejí na cytochrom c, který je v membráně také mobilní a ukládají elektrony v komplex IV.

Inhibitory elektronického dopravního řetězce

Některé specifické inhibitory působí na elektronický transportní řetězec, který narušuje jeho proces. Rotenon je běžně používaný insekticid, který se stechiometricky váže na komplex I a brání redukci CoQ.

Některá léčiva typu barbiturátu, jako je Piericidin a Amytal, inhibují komplex I a interferují s přenosem elektronů ze skupin Fe-S na CoQ.

V komplexu II působí některé sloučeniny, jako je thenoyltrifluoroaceton a malonát, jako kompetitivní inhibitory sukcinátu, což brání jeho oxidaci a následně přenosu elektronů na FAD.

Některá antibiotika, jako je myxothiazol a stigmatellin, se vážou na Q vazebná místa CoQ, což inhibuje přenos elektronů z koenzymu Q do Fe-S center proteinů.

Kyanid, azid (N3-), kyselina sírová a oxid uhelnatý inhibují komplex IV. Tyto sloučeniny se vážou na hemové skupiny, což brání přenosu elektronů do binárního centra komplexu nebo na kyslík (O2).

Inhibicí řetězce přenosu elektronů je produkce energie zastavena oxidační fosforylací, což způsobuje vážné poškození a dokonce smrt těla.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Základní buněčná biologie. New York: Garland Science. 2. vydání.
2. Cooper, GM, Hausman, RE a Wright, N. (2010). Buňka. (str. 397-402). Ed. Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Učebnice biochemie: s klinickými korelacemi. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, a Grisham, CM (2008). Biochemie. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biochemie (č. 577,1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.