Respiratorisk elektrontransportkæde , også elektrontransportkæde (forkortet ETC , eng. ETC, Electron transport chain ) er et system af transmembrane proteiner og elektronbærere, der er nødvendige for at opretholde energibalancen. ETC opretholder balancen ved at overføre elektroner og protoner fra NADH og FADH 2 til elektronacceptoren. I tilfælde af aerob respiration kan molekylær oxygen (O 2 ) være en acceptor. Ved anaerob respiration kan acceptoren være NO 3 - , NO 2 - , Fe 3+ , fumarat , dimethylsulfoxid , svovl , SO 4 2- , CO 2 osv. ETC i prokaryoter er lokaliseret i CPM , i eukaryoter - på den indre membran mitokondrier . [1] Elektronbærere er arrangeret i rækkefølge efter faldende elektronaffinitet, det vil sige efter deres redoxpotentiale , hvor acceptoren har den stærkeste elektronaffinitet. Derfor forløber transporten af en elektron gennem hele kæden spontant med frigivelse af energi. Frigivelsen af energi til intermembranrummet under overførslen af elektroner sker trinvist i form af en proton (H + ). Protoner fra intermembranrummet kommer ind i protonpumpen , hvor de inducerer et protonpotentiale . Protonpotentialet omdannes af ATP-syntase til ATP 's kemiske bindingsenergi . ETC- og ATP-syntasens konjugerede arbejde kaldes oxidativ phosphorylering .
I eukaryote mitokondrier begynder elektrontransportkæden med oxidationen af NADH og reduktionen af ubiquinon Q med kompleks I. Yderligere oxiderer kompleks II succinat til fumarat og reducerer ubiquinon Q. Ubiquinon Q oxideres og reduceres af cytochromkompleks III. I slutningen af kæden katalyserer kompleks IV overførslen af elektroner fra cytokrom c til oxygen for at danne vand . Som et resultat af reaktionen, for hver betinget frigivet 6 protoner og 6 elektroner , frigives 2 vandmolekyler på grund af forbruget af 1 O 2 molekyle og 10 NAD∙H molekyler.
Hovedartikel: NADH-dehydrogenasekompleks
Kompleks I eller NADH dehydrogenasekompleks oxiderer NADH . Dette kompleks spiller en central rolle i processerne med cellulær respiration og oxidativ
phosphorylering . Næsten 40 % af protongradienten for ATP -syntese skabes af dette kompleks [2] . Kompleks I oxiderer NADH og reducerer et molekyle ubiquinon , som frigives til membranen. For hvert NADH- molekyle , der oxideres , transporterer komplekset fire protoner gennem membranen . NADH-dehydrogenasekompleks tager fra ham[ klar ] to elektroner og overfører dem til ubiquinonen . Ubiquinon er lipidopløseligt . _ Ubiquinon i membranen diffunderer til kompleks III. Sammen med dette pumper kompleks I 2 protoner og 2 elektroner fra matrixen ind i mitokondriernes intermembranrum .
Alle protesegrupper i NADH-dehydrogenasekomplekset (et flavinmononukleotid (FAD) og 8 til 9 jern-svovlklynger ) er placeret i det perifere vandopløselige domæne. Pattedyr har som alle hvirveldyr otte [3] . Syv klynger danner en elektrontransportkæde ~96 Å lang fra FMN til stedet for ubiquinonbinding . Baseret på aktuelle data, menes det, at elektronoverførsel sker langs følgende vej: NADH → FMN → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q.
Først overføres to elektroner til flavinet, og derefter overføres de én efter én gennem kæden af klynger til quinonbindingsstedet og reducerer det til Q - 2 -tilstanden . N1a-klyngen er placeret nær flavin- cofaktoren og i nogen afstand fra hovedelektrontransportkæden. Denne klynge er meget bevaret på tværs af arter ; det menes, at det styrer hastigheden af elektrontransport i komplekset ved at overføre en elektron fra FMN [4] . Der er en model, ifølge hvilken en af elektronerne fra flavinen går langs hovedvejen til quinonen , og den anden lagres i N1a-klyngen og senere vender tilbage til hovedkæden gennem flavosemiquinonen. Det er muligt, at denne mekanisme gør det muligt at reducere dannelsen af reaktive oxygenarter på det reducerede flavin. Derudover giver det mulighed for at stabilisere (op til et millisekund ) tilstanden, når den sidste N2-klynge er gendannet, men der er ingen anden elektron til at fuldføre reduktionen af ubiquinon. En sådan tilstand kan være nødvendig for konformationelle ændringer forbundet med protontransport.
Nogle af klyngerne i kæden (N3, N4 og N6a) har et højt redoxpotentiale (redoxpotentiale) på niveauet -0,25 V , mens tre andre (N1b, N5 og N6b) har lavere potentialer. Som et resultat ændres redoxpotentialet på elektronens bane som en rutsjebane . En sådan energitilstandsændringskurve er karakteristisk for mange redoxenzymer : den tillader optimering af elektrontransporthastigheden og opnåelse af effektiv energioverførsel [4] .
N5-klyngen har et meget lavt potentiale og begrænser hastigheden af den samlede elektronstrøm i hele kredsløbet. I stedet for de sædvanlige ligander for jern-svovlcentre (fire cysteinrester ) er den koordineret af tre cysteinrester og en histidinrest og er også omgivet af ladede polære rester, selvom den er placeret dybt i enzymet [ 4] .
Den terminale klynge af kæden, N2, har også usædvanlige ligander . Dens redoxpotentiale er det højeste af alle klynger (fra -0,1 til -0,15 V). Det er forbundet med fire på hinanden følgende cysteinrester i polypeptidkæden, hvilket skaber en spændt konformation. På grund af dette, når det genoprettes, sker der konformationsændringer i nabokæder, muligvis forbundet med protontransport [4] .
Klynge N7 er kun til stede i kompleks I af nogle bakterier. Det er væsentligt fjernet fra resten af klyngerne og kan ikke udveksle elektroner med dem, så det er tilsyneladende et levn . I nogle bakteriekomplekser relateret til kompleks I blev der fundet fire konserverede cysteinrester mellem N7 og andre klynger, og en yderligere Fe 4 S 4 klynge, der forbinder N7 med de resterende klynger , blev fundet i kompleks I af bakterien Aquifex aeolicus . Dette leder til den konklusion, at kompleks I i A. aeolicus udover NADH kan bruge en anden elektrondonor, som overfører dem gennem N7 [5] .
ReaktionNADH-dehydrogenasekomplekset oxiderer NADH dannet i matrixen under tricarboxylsyrecyklussen . Elektroner fra NADH bruges til at regenerere membrantransportøren, ubiquinon Q, som transporterer dem til det næste kompleks i den mitokondrielle elektrontransportkæde, kompleks III eller cytochrom bc 1 komplekset [21] .
NADH-dehydrogenasekomplekset fungerer som en protonpumpe : for hver oxideret NADH og reduceret Q pumpes fire protoner gennem membranen ind i intermembranrummet [6] :
NADH + H + + Q + 4H + ind → OVER + + QH 2 + 4H + udDet elektrokemiske potentiale , der dannes under reaktionen , bruges til at syntetisere ATP . Reaktionen katalyseret af kompleks I er reversibel, en proces kaldet aerob succinat -induceret reduktion af NAD + . Under betingelser med højt membranpotentiale og et overskud af reducerede ubiquinoler kan komplekset reducere NAD + ved hjælp af deres elektroner og føre protoner tilbage i matrixen. Dette fænomen ses normalt, når der er meget succinat, men lidt oxaloacetat eller malat . Reduktionen af ubiquinon udføres af enzymerne succinat dehydrogenase , glycerol-3-phosphat dehydrogenase eller mitokondriel dihydroorotate dehydrogenase . Under betingelser med en høj protongradient øges kompleksets affinitet for ubiquinol, og redoxpotentialet for ubiquinol falder på grund af en stigning i dets koncentration, hvilket muliggør omvendt transport af elektroner langs det elektriske potentiale af den indre mitokondriemembran til NAD [7] . Dette fænomen er blevet observeret under laboratorieforhold, men det vides ikke, om det forekommer i en levende celle.
ProtontransportmekanismePå de indledende stadier af studiet af kompleks I, en model baseret på den antagelse, at et system svarende til en Q-cyklus opererer i komplekset . Senere undersøgelser fandt dog ingen internt bundne quinoner i kompleks I og afviste fuldstændig denne hypotese [8] .
NADH-dehydrogenasekomplekset ser ud til at have en unik protontransportmekanisme gennem konformationelle ændringer i selve enzymet. ND2-, ND4- og ND5-underenhederne kaldes antiport -lignende , fordi de er homologe med hinanden og med bakterielle Mrp Na + /H + antiporte. Disse tre underenheder danner de tre hovedprotonkanaler, som består af konserverede ladede aminosyrerester (hovedsageligt lysin og glutamat ). Den fjerde protonkanal er dannet af en del af Nqo8-underenheden og de små underenheder ND6, ND4L og ND3. Kanalen ligner i strukturen lignende kanaler af antiport-lignende underenheder, men indeholder et usædvanligt stort antal tætpakkede glutamatrester på matrixsiden, deraf navnet E-kanal (latinsk E bruges som standardbetegnelse for glutamat). En forlængelse strækker sig fra C-terminalen af ND5-underenheden, bestående af to transmembrane helixer forbundet med en usædvanligt forlænget (110 Å) α-helix [4] (HL), som passerer langs den side af komplekset, der vender mod matrixen, forbinder fysisk alle tre antiport-lignende underenheder og deltager muligvis i koblingen af elektrontransport med konformationel omlejring. Et andet konjugerende element, βH, er dannet af en række overlappende β-hårnåle og α-helixer og er placeret på den modsatte, periplasmatiske side af komplekset [9] . Det er stadig fuldstændig uvist, hvordan præcis transporten af elektroner er koblet sammen med transporten af protoner. Det menes, at den kraftige negative ladning af N2-klyngen kan skubbe de omgivende polypeptider fra hinanden og derved forårsage konformationelle ændringer, der på en eller anden måde forplanter sig til alle antiport-lignende underenheder, der er placeret ret langt fra hinanden. En anden hypotese antyder, at den konformationelle ændring inducerer stabiliseret ubiquinol Q-2 med et ekstremt lavt redoxpotentiale og negativ ladning i det usædvanligt lange ubiquinonbindingssted . Mange detaljer om kinetikken af konformationelle ændringer og tilhørende protontransport forbliver ukendte [9] .
Den mest undersøgte kompleks I-hæmmer er rotenon (udbredt som et organisk pesticid ). Rotenon og rotenoider er isoflavonoider , der er til stede i rødderne af flere tropiske planteslægter såsom Antonia ( Loginaceae ), Derris og Lonchocarpus ( Fabaceae ). Rotenon har længe været brugt som insekticid og fiskegift , da insekters og fisks mitokondrier er særligt følsomme over for det. Det er kendt, at de oprindelige indbyggere i Fransk Guyana og andre indianere i Sydamerika brugte rotenonholdige planter til fiskeri allerede i det 17. århundrede [10] . Rotenon interagerer med ubiquinon-bindingsstedet og konkurrerer med hovedsubstratet. Det er blevet vist, at langvarig systemisk inhibering af kompleks I af rotenon kan inducere selektiv død af dopaminerge neuroner (udskiller dopamin som en neurotransmitter ) [11] . Tilsvarende ligner pyericidin A , en anden potent hæmmer af kompleks I, strukturelt ubiquinon. Denne gruppe omfatter også natriumamytal , et derivat af barbitursyre [12] .
På trods af mere end 50 års undersøgelse af kompleks I er der ikke fundet nogen inhibitorer, der blokerer elektronoverførsel i komplekset. Hydrofobe inhibitorer såsom rotenon eller pyericidin afbryder simpelthen elektronoverførslen fra den terminale N2-klynge til ubiquinon [11] .
En anden forbindelse, der blokerer kompleks I, er adenosindiphosphatribose , en kompetitiv inhibitor i NADH-oxidationsreaktionen. Det binder til enzymet ved nukleotidbindingsstedet (FAD) [13] .
En af de mest potente kompleks I-hæmmere er acetogenin -familien . Det er vist, at disse stoffer danner kemiske tværbindinger med ND2-underenheden, hvilket indirekte indikerer ND2's rolle i ubiquinonbinding [14] . Mærkeligt nok var acetogenin rolliniastatin-2 den første kompleks I-hæmmer, der blev opdaget, og som binder på et andet sted end rotenon [15] .
Det antidiabetiske lægemiddel metformin har en moderat hæmmende virkning ; tilsyneladende ligger denne egenskab ved lægemidlet til grund for mekanismen for dets virkning [16] .
Hovedartikel: Succinatdehydrogenase
Succinat dehydrogenase | |
---|---|
Identifikatorer | |
Kode KF | ingen data [ udfyld ] |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Complex II oxiderer succinat til fumarat og reducerer ubiquinon :
Succinat + Q → Fumarat + QH 2Elektronerne fra succinatet overføres først til FAD og derefter gennem Fe-S-klyngerne til Q. Elektrontransporten i komplekset er ikke ledsaget af generering af en protongradient . 2H + dannet under oxidationen af succinat forbliver på samme side af membranen, det vil sige i matrixen , og reabsorberes derefter under reduktionen af quinon. Kompleks II bidrager således ikke til dannelsen af en protongradient over membranen og fungerer kun som en elektronbærer fra succinat til ubiquinon [17] [18] .
Oxidation af succinatLidt er kendt om den nøjagtige mekanisme for succinatoxidation. Røntgendiffraktionsanalyse afslørede, at FAD , glutamat -255, arginin -286 og histidin -242 underenhed A kan være kandidater til deprotoneringsreaktionen. Der er to mulige mekanismer for denne eliminationsreaktion : E2 og E1cb. I tilfældet med E2 er dette en forhandlingsmekanisme. De basiske rester eller cofaktor deprotonerer alfa-carbonet, og FAD accepterer en hydrid -anion fra beta-carbonet, hvilket oxiderer succinatet til fumarat . I tilfælde af E1cb-mekanismen dannes enolformen af succinat , før FAD vedhæfter hydrid-anionen . For at bestemme, hvilken mekanisme der rent faktisk finder sted, kræves yderligere undersøgelser af succinatdehydrogenase.
Efter afslutning af reaktionen dissocieres fumaratet , som er løst bundet til enzymets aktive sted, let. Der er data, hvoraf det følger, at det cytosoliske substratbindende domæne af succinatdehydrogenase undergår konformationelle ændringer: efter at produktet forlader, er enzymet i en åben form, og efter at have bundet et nyt substrat, går det over i en lukket tilstand og lukker tæt. omkring det [19] .
ElektronoverførselSom et resultat af succinatoxidation overføres dets elektroner til FAD og overføres derefter langs kæden af jern- svovlklynger fra [Fe-S] -klyngen til [3Fe-4S]. Der overføres disse elektroner til et ubiquinon- molekyle, der venter på bindingsstedet .
Gendannelse af ubiquinonI det aktive sted er ubiquinon stabiliseret af hydrogenbindinger mellem dets carbonyloxygenatom i den første position og tyrosin -83 i D-underenheden. Overførslen af elektroner til jern-svovl-klyngen [3Fe-4S] får ubiquinon til at bevæge sig til en anden stilling. Som et resultat dannes der en anden hydrogenbinding mellem carbonylgruppen i ubiquinon i den fjerde position og serin-27 i underenhed C. Efter at ubiquinonen accepterer den første elektron under reduktionsprocessen, bliver den til den aktive radikal semiquinon , som, efter binding af den anden elektron fra [3Fe-4S]-klyngen fuldstændig reduceret til ubiquinol [20] .
Gem bSelvom den nøjagtige funktion af hæmsuccinatdehydrogenase stadig ikke er kendt, hævder nogle forskere, at den første elektron til ubiquinonen via [3Fe-4S] hurtigt kan bevæge sig frem og tilbage mellem hæmen og den bundne ubiquinon. Hæm spiller således rollen som en vask for elektroner, hvilket forhindrer deres interaktion med molekylært oxygen, hvilket ville føre til dannelsen af reaktive oxygenarter .
Der er også en antagelse om, at for at forhindre elektronen i at falde direkte fra [3Fe-4S]-klyngen, virker en speciel portmekanisme på hæmen. En sandsynlig kandidat til rollen som porten er histidin -207 underenhed B, som er placeret direkte mellem jern-svovl-klyngen og hæmen, ikke langt fra det bundne ubiquinon, det kan sandsynligvis kontrollere strømmen af elektroner mellem disse redoxcentre [ 20] .
Der er to klasser af komplekse II-hæmmere: nogle blokerer succinatbindingslommen og andre blokerer ubiquinolbindingslommen . Hæmmere, der efterligner ubiquinol, omfatter carboxin og thenoyltrifluoracetone . Succinat-analoghæmmere omfatter den syntetiske forbindelse malonat , såvel som komponenterne i Krebs-cyklussen , malat og oxaloacetat . Interessant nok er oxaloacetat en af de stærkeste hæmmere af kompleks II. Hvorfor en almindelig citronsyrecyklusmetabolit hæmmer kompleks II, er stadig uklart, selvom det er blevet foreslået, at det således kan spille en beskyttende rolle ved at minimere omvendt elektrontransport i kompleks I , hvilket resulterer i superoxiddannelse [21] .
Ubiquinol-lignende hæmmere er blevet brugt som fungicider i landbruget siden 1960'erne. For eksempel er carboxin hovedsageligt blevet brugt til sygdomme forårsaget af basidiomycetes , såsom stilkrust og sygdomme forårsaget af Rhizoctonia . For nylig er de blevet erstattet af andre forbindelser med en bredere vifte af undertrykte patogener. Disse forbindelser omfatter boscalid , penthiopyrad og fluopyram [22] . Nogle landbrugsmæssigt vigtige svampe er ikke modtagelige for denne nye generation af inhibitorer [23] .
Ubiquinol-cytokrom c-oxidoreduktase | |
---|---|
| |
Identifikatorer | |
Kode KF | ingen data [ udfyld ] |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Hovedartikel: Cytokrom-bc 1 kompleks
Cytokrom-bc1-kompleks (kompleks af cytochromer bc 1 ) eller ubiquinol-cytochrom c-oxidoreduktase, eller kompleks III er et multi-proteinkompleks af den respiratoriske elektrontransportkæde og den vigtigste biokemiske generator af protongradienten på mitokondriemembranen. Dette multiprotein transmembrankompleks kodes af mitokondrie- (cytokrom b ) og nuklear genom [25] .
Kompleks III blev isoleret fra kvæg-, kylling-, kanin- og gærhjertemitokondrier . Det er til stede i mitokondrierne hos alle dyr , planter og alle aerobe eukaryoter og på de indre membraner af de fleste eubakterier . Det er kendt, at komplekset danner i alt 13 proteinsløjfer, der krydser membranen [25] .
ReaktionCytokrom bc 1 komplekset oxiderer den reducerede ubiquinon og reducerer cytochrom c (E°'=+0,25 V) i henhold til ligningen:
QH 2 + 2 cit. c +3 + 2Н + intern →Q + 2 cit. c +2 + 4H + ud
Elektrontransporten i komplekset er forbundet med overførsel af protoner fra matrixen (ind) til intermembranrummet (ud) og dannelsen af en protongradient på mitokondriemembranen. For hver to elektroner , der passerer gennem overføringskæden fra ubiquinon til cytochrom c , absorberes to protoner fra matrixen, og fire mere frigives i intermembranrummet. Det reducerede cytokrom c bevæger sig langs membranen i den vandige fraktion og overfører en elektron til det næste respiratoriske kompleks, cytochromoxidase [26] [27] .
Q-cyklusDe begivenheder, der opstår, er kendt som Q-cyklussen, som blev postuleret af Peter Mitchell i 1976. Princippet i Q-cyklussen er, at overførslen af H + over membranen sker som følge af oxidation og reduktion af quinoner på selve komplekset. I dette tilfælde giver henholdsvis quinoner og tager 2H + fra den vandige fase selektivt fra forskellige sider af membranen.
I strukturen af kompleks III er der to centre eller to lommer, hvor quinoner kan binde. En af dem, Q out -centret, er placeret mellem 2Fe-2S jern-svovl-klyngen og b L -hæmen nær den ydre (ud) side af membranen, der vender mod intermembranrummet. Reduceret ubiquinon (QH 2 ) binder sig i denne lomme . Den anden, Q in -pocket, er designet til at binde oxideret ubiquinon (Q) og er placeret nær den indvendige (in) side af membranen i kontakt med matrixen.
Første del af Q-cyklus
Anden del af Q-cyklussen
En nødvendig og paradoksal betingelse for driften af Q-cyklussen er, at levetiden og tilstanden af semiquinonerne i de to bindingscentre er forskellig. I Q ud -centeret er Q• ustabil og fungerer som et stærkt reduktionsmiddel, der er i stand til at donere e - til lavpotentialhæm ved. Ved Q'et i midten dannes en relativt langlivet Q• − , hvis potentiale gør det muligt for den at fungere som et oxidationsmiddel ved at acceptere elektroner fra hæmen b H . Et andet nøglemoment i Q-cyklussen er forbundet med divergensen af to elektroner inkluderet i komplekset langs to forskellige veje. Studiet af kompleksets krystalstruktur viste, at positionen af 2Fe-2S-centret i forhold til andre redoxcentre kan skifte. Det viste sig, at Riske-proteinet har et mobilt domæne , hvorpå 2Fe-2S-klyngen faktisk er placeret. Accepterer en elektron og restituerer, ændrer 2Fe-2S-centret sin position og bevæger sig væk fra Q- ud - centret og hæmen bL med 17 Å med en rotation på 60° og nærmer sig derved cytochrom c . Efter at have doneret en elektron til cytochrom, nærmer 2Fe-2S-centret sig tværtimod Q- out - centret for at etablere tættere kontakt. Således fungerer en slags shuttle (shuttle), der garanterer undslippet af den anden elektron til hæmerne b L og b H . Indtil videre er dette det eneste eksempel, hvor elektrontransport i komplekser er forbundet med et mobilt domæne i proteinstrukturen [29] .
Reaktive oxygenarterEn lille del af elektronerne forlader transportkæden, før de når kompleks IV . Den konstante lækage af elektroner til ilt fører til dannelsen af superoxid . Denne lille bireaktion fører til dannelsen af et helt spektrum af reaktive oxygenarter , som er meget giftige og spiller en væsentlig rolle i udviklingen af patologier og aldring ) [30] . Elektronisk lækage forekommer hovedsageligt ved Q in -stedet. Denne proces er hjulpet af antimycin A. Det blokerer hæmer b i deres reducerede tilstand, hvilket forhindrer dem i at dumpe elektroner på semiquinon Q•, hvilket igen fører til en stigning i dets koncentration. Semiquinon reagerer med ilt , hvilket fører til dannelsen af superoxid . Det resulterende superoxid kommer ind i mitokondriematrixen og intermembranrummet, hvorfra det kan komme ind i cytosolen. Denne kendsgerning kan forklares med, at Kompleks III sandsynligvis producerer superoxid i form af uladet HOO • , som er lettere at trænge ind i den ydre membran sammenlignet med ladet Superoxid (O 2 -) [31] .
Alle Complex III-hæmmere kan opdeles i tre grupper:
Nogle af disse stoffer bruges som fungicider (for eksempel derivater af strobilurin , hvoraf den bedst kendte er azoxystrobin , en hæmmer af Qex- stedet ) og antimalariamidler ( atovaquone ) [1] .
Hovedartikel: Cytokrom c-oxidase
Cytokrom c oxidase | |
---|---|
| |
Identifikatorer | |
Kode KF | ingen data [ udfyld ] |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Cytokrom c oxidase (cytochrom oxidase) eller cytochrom c oxygen oxidoreduktase, også kendt som cytochrom aa 3 og kompleks IV, er den terminale oxidase i den aerobe respiratoriske elektrontransportkæde, der katalyserer overførslen af elektroner fra cytokrom c til oxygen for at danne vand [1 ] . Cytokromoxidase er til stede i den indre mitokondrielle membran af alle eukaryoter , hvor det almindeligvis omtales som kompleks IV, såvel som i cellemembranen af mange aerobe bakterier [32] .
Kompleks IV oxiderer sekventielt fire molekyler af cytochrom c og, ved at acceptere fire elektroner, reducerer O 2 til H 2 O. Når O 2 reduceres, fanges fire H + fra mitokondriematrixen til dannelse af to H 2 O- molekyler og yderligere fire H + pumpes aktivt gennem membranen . Således bidrager cytochromoxidase til skabelsen af en protongradient til ATP -syntese og er en del af den oxidative phosphoryleringsvej [33] . Derudover spiller dette multiproteinkompleks en nøglerolle i regulering af aktiviteten af hele den respiratoriske kæde og energiproduktion af den eukaryote celle [34] .
ReaktionKompleks IV cytochrom c oxidase katalyserer overførslen af 4 elektroner fra 4 cytochrom molekyler til O 2 og pumper 4 protoner ind i intermembranrummet. Komplekset består af cytochromerne a og a3, som udover hæm indeholder kobberioner .
Ilt , der kommer ind i mitokondrierne fra blodet , binder sig til jernatomet i hæmen af cytochrom a3 i form af et O2- molekyle . Hvert af iltatomerne binder to elektroner og to protoner og bliver til et vandmolekyle .
Den samlede reaktion katalyseret af komplekset er beskrevet ved følgende ligning:
4cit. c 2+ + O2 + 8H + i → 4cyt. c 3+ + 2H20 + 4H + udEn elektrons vej i komplekset er kendt. Cytokrom c binder til underenhed II medieret af underenhederne I, III og VIb og genopretter Cu A - centret placeret nær membranoverfladen. Fra Cu A - centret går elektronen til hæm a og derefter til det binukleære center en 3 -Cu B placeret i membranens tykkelse. Det er i det binukleare centrum, at O 2 bindes og reduceres til H 2 O [33] . Da oxygen har en høj elektronaffinitet, frigiver det en stor mængde fri energi i processen med reduktion til vand . På grund af dette er aerobe organismer i stand til at modtage meget mere energi, end der udelukkende kan produceres med anaerobe midler.
OxygenreduktionsmekanismeMekanismen for iltreduktion har længe været genstand for intens undersøgelse, men er ikke helt klar. Den katalytiske cyklus af cytochromoxidase består af seks stadier, betegnet med A (addukt, engelsk addukt ) [35] , P ( peroxymellemprodukt fra engelsk peroxymellemprodukt ), F (ferryloxo-mellemprodukt fra engelsk ferryl-oxo-mellemprodukt ) [35] , O H (totalt oxideret højenergitilstand fra engelsk Fuldt oxideret højenergitilstand ), E (enkeltelektron reduceret tilstand fra engelsk En-elektron reduceret tilstand ) og R (reduceret tilstand fra engelsk reduceret tilstand ) og således opkaldt efter staten af det binukleare center [36] . Det skal bemærkes, at nomenklaturen af katalytiske tilstande er betydeligt forældet, ikke altid afspejler den reelle kemiske tilstand af det binukleare center og bibeholdes stort set af historiske årsager. For eksempel på P -stadiet er oxygen i det binukleære center slet ikke i peroxidform , som man troede for 30 år siden, men i oxoferryl-tilstanden, hvor bindingen mellem oxygenatomer allerede er brudt [35] . Ifølge moderne koncepter sker reduktionen af oxygen i cytochrom c-oxidase ved hurtig og fuldstændig reduktion med parvis elektronoverførsel, hvilket udelukker dannelsen af reaktive oxygenarter . Følgende sekvens af begivenheder forekommer [35] [37] [38] :
Det er kendt, at eukaryot cytochromoxidase overfører en proton over membranen for hver elektron modtaget fra cytochrom c . Ad gangen pumper komplekset én "substrat" -proton , der bruges til at danne vand, gennem kanal K og overfører en yderligere proton over membranen gennem kanal D. Under en katalytisk cyklus forekommer translokationshændelsen i fire relativt stabile stadier: PM , F , OH og EH . _ _
Den nøjagtige mekanisme for protontransport er stadig uklar: I de senere år er der blevet foreslået mange modeller, hvor der er gjort forsøg på at beskrive denne proces i detaljer [38] . Det er heller ikke klart, hvordan konjugationen af elektronenergien med protonernes bevægelse udføres. Men generelt kan det beskrives som følger [36] :
Cyanider , sulfider , azider , kulilte og nitrogenmonoxid [39] binder sig til enzymets oxiderede eller reducerede binukleære center og konkurrerer med ilt, hvilket hæmmer enzymet, hvilket fører til celledød som følge af kemisk asfyksi . Methanol , som er en del af industriel alkohol , omdannes i kroppen til myresyre , som også kan hæmme cytochromoxidase [40] .
Hovedartikel: Redox-potentiale
Reduktionsmiddel | Oxidationsmiddel | Øø, V |
---|---|---|
H 2 | 2H + _ | - 0,42 |
OVER • H + H + | OVER + | - 0,32 |
NADP • H + H + | NADP + | - 0,32 |
Flavoprotein (rekonstitueret) | Flavoprotein (oxideret) | - 0,12 |
Coenzym Q • H 2 | Coenzym Q | + 0,04 |
Cytokrom B (Fe 2+ ) | Cytokrom B (Fe 3+ ) | + 0,07 |
Cytokrom C 1 (Fe 2+ ) | Cytokrom C 1 (Fe 3+ ) | + 0,23 |
Cytokromer A (Fe 2+ ) | Cytokromer A(Fe 3+ ) | + 0,29 |
Cytokromer A3 (Fe 2+ ) | Cytokromer A3 (Fe 3+ ) | +0,55 |
H2O _ _ | ½ O 2 | + 0,82 |
Et system med et lavere redoxpotentiale har en større evne til at donere elektroner til et system med et højere potentiale. For eksempel vil et par NAD•H + /NAD + , hvis redoxpotentiale er -0,32 V , donere sine elektroner til redoxparret flavoprotein (reduceret) / flavoprotein (oxideret), som har et højere potentiale på -0,12 V. Det højere redoxpotentiale for vand / ilt redoxparret (+0,82 V) indikerer, at dette par har en meget svag evne til at donere elektroner [41] .
Bakterier bruger, i modsætning til mitokondrier, et stort sæt elektrondonorer og -acceptorer, såvel som forskellige måder til elektronoverførsel mellem dem. Disse veje kan udføres samtidigt, f.eks. E. coli , når de dyrkes på et medium indeholdende glucose som hovedkilden til organisk stof, bruger to NADH-dehydrogenaser og to quinoloxidaser, hvilket betyder, at der er 4 elektrontransportveje. De fleste ETC - enzymer er inducerbare og syntetiseres kun, hvis den vej, de går ind i, er efterspurgt.
Ud over organisk materiale kan bakterier bruge molekylært brint , kulilte , ammonium , nitrit , svovl , sulfid , jernholdigt jern som elektrondonor . I stedet for NADH og succinatdehydrogenase kan der forekomme formiat -, lactat -, glyceraldehyd-3-phosphat dehydrogenase, hydrogenase osv. I stedet for oxidase, som bruges under aerobe forhold, kan bakterier i mangel af oxygen bruge reduktaser , der genoprette forskellige endelige elektronacceptorer: fumaratreduktase , nitrat- og nitritreduktase osv.
Ordbøger og encyklopædier |
---|