ELEKTRONSKA TRANSPORTNA VERIGA: KOMPONENTE, ZAPOREDJE, INHIBITORJI - BIOLOGIJA - 2025

Elektronov transportna veriga je sestavljena iz niza proteinskih molekul in koencimov v membrano. Kot že ime pove, je odgovoren za transport elektronov iz koencimov NADH ali FADH2 do končnega receptorja, ki je O2 (molekularni kisik).

V tem transportnem procesu je energija, ki se sprosti pri prenosu elektronov iz koencimov v molekularni kisik skozi redoks centre, pritrjene na beljakovine, povezana s proizvodnjo energije (ATP). Ta energija se pridobi zahvaljujoč gradientu protona, ki nastaja v notranji mitohondrijski membrani.

Vir: Uporabnik: Rozzychan

Ta transportni sistem je sestavljen iz različnih komponent, ki jih najdemo v vsaj dveh oksidacijskih stanjih. Vsak od njih se med gibanjem elektronov iz NADH ali FADH2 v O2 učinkovito reducira in ponovno oksidira.

Koencimi NAD + in FAD se zmanjšajo v oksidacijskih maščobnih kislinah in ciklu citronske kisline kot posledica oksidacije različnih substratov. Ti koencimi se naknadno oksidirajo v elektronski transportni verigi.

Torej elektronski transportni sistem sestavlja zaporedje oksidacijsko-redukcijskih reakcij, ki so med seboj povezane.

Sestavni deli verig

Glede na vrsto organizma lahko opazimo od 3 do 6 komponent, ki sestavljajo elektronsko transportno verigo. Proces prenosa elektronov in sinteza ATP z oksidativno fosforilacijo sta procesa, ki se pojavita v membrani.

V primeru prokariotskih celic (aerobnih bakterij) se ti procesi pojavljajo v povezavi s plazemsko membrano. V evkariontskih celicah se pojavlja v mitohondrijski membrani, zato se komponente prenosa elektronov nahajajo v notranjem delu membrane.

Elektroni se prenašajo postopoma skozi štiri komplekse, ki sestavljajo elektronsko transportno verigo.

Vsak kompleks ima več beljakovinskih komponent, povezanih s protetičnimi skupinami (ne-aminokislinski sestavni deli konjugiranih beljakovin) redoks, ki omogočajo povečanje njihovih redukcijskih potencialov.

Poleg tega ta transportni sistem sestavljajo različne molekularne vrste, kot so flavoproteini; koencim Q, imenovan tudi ubikinon (CoQ ali UQ); različni citokromi, kot so citokrom b, c, c1, a in a3; beljakovine s Fe-S skupinami in proteini vezani na Cu. Te molekule se vežejo na membrano, razen citokroma c.

Kompleks I

Kompleks I, imenovan koencim kinonska oksidoreduktaza NADH, ali NADH dehidrogenaza, je sestavljen iz približno 45 polipeptidnih verig in vsebuje eno molekulo flavin mononukleotida (FMN) in osem do devet Fe-S grozdov. Kot že ime pove, ta kompleks prenaša par elektronov iz koencima NADH v CoQ.

Funkcija kompleksa NADH dehidrogenaze se začne z vezavo NADH na kompleks na strani matriksa notranje mitohondrijske membrane. Elektroni se nato prevažajo iz NADH v FMN. Nato elektroni prehajajo iz reduciranega flavina (FMNH2) v beljakovine s Fe-S.

FMNH2 deluje kot nekakšen most med NADH in Fe-S proteini, saj slednji lahko prenese samo en elektron, koencim NADH pa dva, tako da flavini izvedejo ta prenos enega elektrona zahvaljujoč do redoks stanja polkvinona.

Nazadnje se elektroni prenašajo iz grozdov Fe-S v koencim Q, ki je mobilni prenašalnik elektronov z izoprenoidnim repom, zaradi katerega postane hidrofoben, kar mu omogoča, da prečka sredino mitohondrijske membrane.

Kompleks II

Kompleks II, bolj znan kot sukcinatna dehidrogenaza, je sestavni protein notranje mitohondrijske membrane in je encim, ki posega v cikel citronske kisline.

Ta kompleks je sestavljen iz dveh hidrofilnih in dveh hidrofobnih podenot s skupinami hema b, ki zagotavljata mesto vezave za CoQ, poleg flavoproteina in proteina s Fe-S.

V ciklu citronske kisline (cikel Krebsa ali trikarboksilne kisline) se sukcinat pretvori v fumarat s sukcinatno dehidrogenazo, kar zmanjša koencim FAD v FADH2. Iz tega zadnjega koencima se elektroni prenesejo v Fe-S središča, ki jih nato prenesejo v CoQ.

Med reakcijami tega prenosa elektronov je standardni redoks potencial zelo majhen, kar preprečuje sproščanje proste energije, potrebne za sintezo ATP.

To pomeni, da je kompleks II edini kompleks v verigi prenosa elektronov, ki ni sposoben zagotoviti energije za sintezo ATP. Vendar je ta kompleks ključen pri postopku, saj prenaša elektrone iz FADH2 v preostali del verige.

Kompleks III

Kompleks III, kompleks citokroma bc1 ali CoQ citokrom c reduktaza, prenaša elektrone iz reduciranega koencima Q v citokrom c. Do tega prenosa pride po enokratni redoks poti, znani kot cikel Q.

Ta kompleks je sestavljen iz proteina s Fe-S in tremi različnimi citokromi, pri čemer se železov atom, ki se nahaja v skupini hema, ciklično spreminja med reduciranim (Fe2 +) in oksidiranim (Fe3 +) stanjem.

Citohromi so elektronsko transportni hemoproteini, ki imajo redoks aktivnost. Prisotni so v vseh organizmih, razen nekaterih obligacijskih anaerobov.

Ti proteini imajo heme skupine, ki se izmenjujejo med dvema oksidacijskima stanjem (Fe2 + in Fe3 +). Citokrom c je mobilni nosilec elektronov, ki je slabo povezan z notranjo membrano mitohondrijev.

Citohromi, ki jih najdemo v tem kompleksu, so citokromi b, c in a, vsi 3 so redox aktivni proteini s skupinami hae z različnimi lastnostmi, ki izmenjujejo oksidacijsko stanje med Fe2 + in Fe3 +.

Citokrom c je protein periferne membrane, ki deluje kot "shuttle" elektronov s citokromom c1 in kompleksom IV.

Kompleks IV

Citokrom c in O2 sta končna receptorja za elektrone, pridobljene z oksidacijo organskega materiala, zato sta kompleksna IV ali citokrom c oksidaza terminalni encim v procesu prenosa elektronov. Ta sprejema elektrone iz citokroma c in jih prenaša na redukcijo O2.

Funkcija kompleksa je katalizirati oksidacije enega elektrona od štirih zaporednih molekul reduciranega citokroma c, to pomeni, da hkrati reducira štiri elektrone ene molekule O2 in na koncu proizvede dve molekuli H2O.

Zaporedje prenosa elektronov

Elektroni se iz kompleksov I in II v kompleks III prenašajo zahvaljujoč koencimu Q, od tam pa se preko citokroma c prenašajo v kompleks IV. Ko elektroni prehajajo skozi te štiri komplekse, povečajo potencial redukcije, sproščajo energijo, ki jo nato uporabijo za sintezo ATP.

Prenos para elektronov skupaj povzroči premeščanje 10 protonov skozi membrano; štirje v kompleksih I in IV in dva v kompleksu III.

NADH dehidrogenaza

Ta encim katalizira oksidacijo koencima NADH s koencimom Q. Elektroni se gibljejo od NADH do FMN, ki so pritrjeni na hidrofilni rep kompleksa I. Grozdi Fe-S prenosnih elektronov naenkrat. Te Fe-S skupine zmanjšujejo CoQ, ki je vgrajen v membrano, na ubikinol (zmanjšan CoQ).

Med prenosom elektronov v CoQ se štirje protoni nato skozi notranjo membrano prenesejo v med membranski prostor. Mehanizem prenosa teh protonov vključuje beljakovine, ki se nahajajo v hidrofobnem repu kompleksa I.

Proces prenosa elektronov v tem koraku sprosti brezplačno energijo, natančneje -16,6 kcal / mol.

CoQ-citokrom c reduktaza in cikel Q

Koencim Q oksidira s citokromom c v reakciji, ki jo katalizira ta koencim. Oksidacija ubikinola (zmanjšani CoQ) se pojavi na določenem mestu kompleksa (Qo ali oksidacijsko mesto) v mitohondrijski membrani, pri čemer se dva elektrona preneseta v protein s Fe-S skupinami in drugi v hemske skupine.

V ciklu Q pri oksidaciji CoQ nastane poluhinon, kjer se elektroni prenesejo v hemni skupini b1 in bh. Ko pride do tega prenosa elektronov, se na mestu Qo oksidira drugi CoQ in ponovi cikel.

Ta cikel povzroči prenos dveh elektronov in posledično premestitev štirih protonov v medembranski prostor, pri čemer se sprosti -10,64 kcal / mol proste energije.

Citokrom c oksidaza

Ta encim (kompleks IV) katalizira oksidacijo citokroma c (reducirano) z O2, ki je končni sprejemnik elektronov. Ta prenos proizvede eno molekulo H2O za vsak par elektronov, ki se poleg membrana protonov prenesejo skozi membrano.

Elektroni se premikajo eden za drugim, od reduciranega citokroma c do para CuA ionov, nato preidejo v hemsko skupino in končno dosežejo dvojedrno središče kompleksa, ki vsebuje CuB ione in heme a3, kjer pride do prenosa štirih elektronov do kisika.

V kompleksu IV elementi prenašajo elektrone drug za drugim, tako da se O2 postopoma zmanjšuje, tako da ne pride do sproščanja nekaterih strupenih spojin, kot so superoksid, vodikov peroksid ali hidroksilni radikali.

V tej fazi sproščena energija ustreza -32 kcal / mol. Elektrokemijski gradient, ki nastane med postopkom prenosa, in spremembe energije (ΔE), ki jih povzroči par elektronov pri prehodu skozi štiri komplekse, v vsaki fazi ustreza prosti energiji, potrebni za proizvodnjo molekule ATP.

Sukcinantna dehidrogenaza

Kot rečeno, ima ta kompleks edino, a pomembno funkcijo vnašanja elektronov FADH2 iz cikla citronske kisline v transportno verigo elektronov.

Ta encim katalizira oksidacijo koencima FADH2 s koencimom Q (oksidira). V ciklu citronske kisline se sukcinat oksidira do fumarata, dva elektrona in dva protona se preneseta v FAD. Nato FADH2 te elektrone prenese v CoQ skozi Fe-S centre kompleksa.

Na koncu se iz CoQ elektroni po zgoraj opisanih korakih prenesejo v kompleks III.

Kompleksi verige so neodvisni

Štirje kompleksi, ki sestavljajo elektronsko transportno verigo, so neodvisni, to je, da jih najdemo in delujejo neodvisno v notranji mitohondrijski membrani, gibanje vsakega od njih v membrani pa ni odvisno ali je povezano z drugimi kompleksi.

Kompleksa I in II se gibljeta v membrani, pri čemer prenašamo svoje elektrone v CoQ, ki se v membrani tudi razprši in jih prenaša v kompleks III, od koder prehajajo elektroni v citokrom c, ki je v membrani tudi mobilen in odlaga elektrone v kompleks IV.

Zaviralci elektronske transportne verige

Nekateri specifični zaviralci delujejo na elektronski transportni verigi, ki motijo ​​njen proces. Rotenone je pogosto uporabljen insekticid, ki se stehiometrično veže na kompleks I in preprečuje zmanjšanje CoQ.

Nekatera zdravila z barbituratom, na primer Piericidin in Amytal, zavirajo kompleks I in motijo ​​prenos elektronov iz Fe-S skupin v CoQ.

V kompleksu II nekatere spojine, kot sta tenoiltrifluoroaceton in malonat, delujejo kot konkurenčni zaviralci sukcinata, preprečujejo njegovo oksidacijo in posledično prenos elektronov v FAD.

Nekateri antibiotiki, kot sta miksotiazol in stigmatelin, se vežejo na mesta vezave Q CoQ in zavirajo prenos elektronov iz koencima Q v beljakovinska središča Fe-S.

Cianid, azid (N3-), žveplova kislina in ogljikov monoksid zavirajo kompleks IV. Te spojine se vežejo na hemske skupine in preprečujejo prenos elektronov v binuklearno središče kompleksa ali na kisik (O2).

Z zaviranjem elektronske transportne verige se proizvodnja oksida zaustavi z oksidativno fosforilacijo, kar telesu povzroči resno škodo in celo smrt.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Bistvena celična biologija. New York: Garland Science. 2. izdaja
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Celica. (str. 397-402). Ed Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Učbenik biokemije: s kliničnimi korelacijami. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH in Grisham, CM (2008). Biokemija. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biokemija (št. 577.1 RAW). Ed Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemija. Panamerican Medical Ed.