Respirasom

Moderne biologisk forskning har afsløret overbevisende beviser for, at de mitokondrielle enzymer i den respiratoriske elektrontransportkæde er samlet i større, supramolekylære strukturer kaldet respirasomer , som er fundamentalt forskellig fra standardteorien om diskrete enzymer, der frit svæver i den indre mitokondriemembran. Disse superkomplekser er funktionelt aktive og nødvendige for en stabil drift af respiratoriske komplekser [1] .

Respirasomer er blevet fundet i forskellige arter og væv, herunder rottehjerne [2] , lever [2] , nyre [2] , skeletmuskulatur [2] [3] , hjerte [2] , bovint hjerte [4] , hudfibroblaster mennesker [5] , svampe [6] , planter [7] [8] og C. elegans [9] .

Historie

I 1955 fremsatte biologerne Britton Chance og G.R. Williams for første gang ideen om, at respiratoriske enzymer samles i større komplekser [10] , selvom den frie-væske-model for organiseringen af ​​respirationskæden stadig var mainstream og betragtes som standard. Men allerede i 1985 begyndte forskere at isolere superkompleks III / IV -komplekser fra bakterier [11] [12] [13] og gær [14] [15] . Endelig, i 2000, isolerede Hermann Sjögger og Cathy Pfeiffer ved hjælp af Coomassie gelelektroforese individuelle bovine respiratoriske komplekser, hvilket viste, at kompleks I, III og IV danner et superkompleks [16] .

Komposition og uddannelse

Efter at de ønskede respirasomer var blevet isoleret, var der stadig en mulighed for, at de resulterende komplekser udelukkende dannedes i reagensglasset og blot var en isolationsartefakt. Efter flere år med mislykkede forsøg på at bevise eller modbevise eksistensen af ​​respiraser ved hjælp af forskellige proteinisoleringsmetoder, har Lapuenta-Brun et al. besluttede at tage en anden tilgang. Da det var indlysende, at hvis respirasomet virkelig eksisterede, så skulle noget tilbehørsprotein bruges til at kombinere de respiratoriske komplekser til et superkompleks. Det viste sig, at et protein kaldet  Cox7a2l ( cytokrom c-oxidase-underenhed VIIa polypeptid 2-lignende ) kun er til stede i superkomplekser indeholdende respiratorisk kompleks IV (respirasom og superkompleks III+IV) og aldrig forekommer i enkeltkomplekser. Forskerne var så heldige at opdage, at i tre mutante musecellelinjer med en beskadiget form af dette protein i mitokondriemembranen, er det ikke muligt at påvise superkomplekser, der involverer kompleks IV . Desuden, hvis et normalt proteingen indsættes i mutante celler, begynder disse superkomplekser at dannes i dem. Ud fra alt dette dragede forskerne en logisk konklusion: dette protein hjælper kompleks IV med at danne superkomplekser og fortjener derfor at blive omdøbt til supercomplex assembly factor I ( engelsk  supercomplex assembly factor I , eller SCAFI) [17] .

Lignende proteiner, Rcf1 og Rcf2, stabiliserende superkomplekser er blevet fundet i gær [18] .

De mest almindelige superkomplekser er kompleks I/III, kompleks I/III/IV og kompleks III/IV. De fleste af molekylerne af kompleks II i både plante- og dyremitokondrier er i fri form. ATP-syntase kan også migrere sammen med andre superkomplekser i form af en dimer, men den er næppe en del af dem [1] .

Dannelsen af ​​et superkompleks er tilsyneladende en dynamisk proces. Respiratoriske komplekser kan veksle mellem deltagelse i respirasomer og eksistens i en fri tilstand. Det vides ikke, hvad der udløser organiseringen af ​​respiratoriske enzymer til superkomplekser, men undersøgelser har vist, at deres dannelse i høj grad afhænger af lipidsammensætningen af ​​mitokondriemembraner, og især kræver tilstedeværelsen af ​​cardiolipin [19] . I gærmitokondrier er indholdet af cardiolipin reduceret, og antallet af påviste respiras var signifikant lavere end i andre organismer [19] [20] . Ifølge Wentz et al. (2009) stabiliserer cardiolipin dannelsen af ​​respiraser ved at neutralisere ladningerne af lysinrester under interaktionen af ​​domænet af kompleks III og kompleks IV [21] . I 2012, Bazan et al. formået at opnå in vitro trimere og tetramere superkomplekser III 2 IV 1 og III 2 IV 2 fra oprensede komplekser III og IV af Saccharomyces Сerevisiae ved at tilføje liposomer med cardiolipin til dem [22] .

En anden hypotese er, at rispyrasomer kan dannes under indflydelse af membranpotentiale , hvilket fører til ændringer i elektrostatiske og hydrofobe interaktioner, som medierer samling eller adskillelse af superkomplekser [23] .

Ifølge nogle data er respirasomer muligvis ikke den højeste form for respiratorisk kompleks organisation. Baseret på elektronmikroskopidata, samt det faktum, at komplekser IV fra bovine mitokondrier er i stand til at danne tetramerer under visse forhold, blev der fremsat en hypotese om megakomplekser bestående af respiraser eller på anden måde respiratoriske "kæder". Ifølge denne model er denne kæde baseret på en enkelt dimer af kompleks III (III 2 ), omgivet på begge sider af to komplekser IV. Disse strukturelle enheder er forbundet gennem dimerisering af komplekser IV, som et resultat af hvilken der skal dannes en tråd af typen IV-IV-III 2 -IV-IV-III 2 , som er tæt omgivet af komplekser I fra siderne. Den strukturelle enhed af en sådan tråd bør være et superkompleks af sammensætningen I 1 III 2 IV [24] .

Funktioner

Det funktionelle formål med respiras er ikke helt klart, men nyere forskning kaster lys over deres formål. Det er blevet antaget, at organiseringen af ​​respiratoriske enzymer i superkomplekser reducerer oxidativ skade og øger metabolisk effektivitet. Schäfer et al. (2006) viste, at superkomplekser indeholdende kompleks IV havde højere aktivitet af kompleks I og III. Dette indikerer, at kompleks IV på en eller anden måde ændrer konformationen af ​​andre komplekser, hvilket fører til en stigning i deres katalytiske aktivitet [25] . Beviser begyndte gradvist at akkumulere, at tilstedeværelsen af ​​respirasomer er nødvendig for stabiliteten og funktionen af ​​kompleks I, som er praktisk talt ustabil i fravær af komplekser III eller IV. På mutante humane celler blev det således vist, at kompleks I er nødvendigt for dannelsen af ​​kompleks III, og på den anden side fører fraværet af kompleks III til tab af kompleks I. Derudover er der gennemført en række undersøgelser på dyr celler giver bevis for, at for stabiliteten af ​​kompleks I kræves komplekser IV og en dimer af kompleks III.

I 2013, Lapuenta-Brun et al. demonstreret, at samlingen af ​​superkomplekser "dynamisk organiserer strømmen af ​​elektroner for at optimere brugen af ​​tilgængelige substrater". Tilstedeværelsen af ​​respirasom gør systemet mere forgrenet og fleksibelt, hvilket gør det muligt hurtigt at oxidere flere substrater på én gang ( succinat og pyruvat + malat ), men hvis kun succinat kommer ind i mitokondrierne , som overfører elektroner til transport gennem FAD , så i i dette tilfælde sker dens oxidation hurtigere i fravær af respirasom [17] .

Eksterne links

Noter

  1. ↑ 1 2 Vartak, Rasika; Porras, Christina Ann Marie; Bai, Yidong.  Respiratoriske superkomplekser : struktur, funktion og samling  // Protein & Cell : journal. - 2013. - Bd. 4 , nr. 8 . - S. 582-590 . — ISSN 1674-800X . - doi : 10.1007/s13238-013-3032-y .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Reifschneider, Nicole H.; Goto, Sataro; Nakamoto, Hideko; Takahashi, Ryoya; Sugawa, Michiru; Dencher, Norbert A.; Krause, Frank. Definition af mitokondrielle proteomer fra fem rotteorganer i en fysiologisk signifikant kontekst ved hjælp af 2D Blue-Native/SDS-PAGE  //  Journal of Proteome Research : journal. - 2006. - Bd. 5 , nr. 5 . - S. 1117-1132 . — ISSN 1535-3893 . - doi : 10.1021/pr0504440 .
  3. ↑ Lombardi, A.; Silvestri, E.; Cioffi, F.; Senese, R.; Lannie, A.; Goglia, F.; de Lange, P.; Moreno, M. Definition af de transkriptomiske og proteomiske profiler af rottealdrende skeletmuskulatur ved brug af en cDNA-array, 2D- og Blue native-PAGE-tilgang  //  Journal of Proteomics : journal. - 2009. - Bd. 72 , nr. 4 . - s. 708-721 . — ISSN 18743919 . - doi : 10.1016/j.jprot.2009.02.007 .
  4. ↑ Schäfer, Eva; Dencher, Norbert A.; Vonck, Janet; Parcej, David N. . Tredimensionel struktur af åndedrætskædens superkompleks I1III2IV1 fra Bovine Heart Mitochondria†,‡  (engelsk)  // Biochemistry: journal. - 2007. - Bd. 46 , nr. 44 . - P. 12579-12585 . — ISSN 0006-2960 . doi : 10.1021 / bi700983h .
  5. ↑ Rodríguez-Hernández, Ángeles; Cordero, Mario D.; Salviati, Leonardo; Artuch, Raphael; Pineda, Mercé; Briones, Paz; Gomez Izquierdo, Lourdes; Cotan, David; Navas, Placido; Sánchez-Alcázar, José A. Coenzym Q-mangel udløser mitokondrieredbrydning ved  mitofagi //  Autofagi : journal. — Taylor & Francis , 2009. — Vol. 5 , nr. 1 . - S. 19-33 . — ISSN 1554-8627 . - doi : 10.4161/auto.5.1.7174 .
  6. ↑ Krause, F. OXPHOS Supercomplexes: Respiration and Life-Span Control in the Aging Model Podospora anserina   // Annals of the New York Academy of Sciences : journal. - 2006. - Bd. 1067 , nr. 1 . - S. 106-115 . — ISSN 0077-8923 . - doi : 10.1196/annals.1354.013 .
  7. ↑ Eubel, Holger; Heinemeyer, Jesco; Sunderhaus, Stephanie; Braun, Hans-Peter. Respiratoriske kædesuperkomplekser i plantemitokondrier  (engelsk)  // Plant Physiology  : journal. - American Society of Plant Biologists , 2004. - Vol. 42 , nr. 12 . - S. 937-942 . — ISSN 09819428 . - doi : 10.1016/j.plaphy.2004.09.010 .
  8. ↑ Sunderhaus, Stephanie; Klodmann, Jennifer; Lenz, Christof; Braun, Hans-Peter. Supramolekylær struktur af OXPHOS-systemet i stærkt termogent væv af Arum maculatum  (engelsk)  // Plant Physiology  : journal. - American Society of Plant Biologists , 2010. - Vol. 48 , nr. 4 . - S. 265-272 . — ISSN 09819428 . - doi : 10.1016/j.plaphy.2010.01.010 .
  9. ↑ Suthammarak, Wichit; Somerlot, Benjamin H.; Opheim, Elyce; Sedensky, Margaret; Morgan, Philip G. Nye interaktioner mellem mitokondrielle superoxiddismutaser og elektrontransportkæden  // Aging Cell  : journal  . - 2013. - Bd. 12 , nr. 6 . - S. 1132-1140 . — ISSN 14749718 . - doi : 10.1111/acel.12144 .
  10. ↑ Chance, Britton; Williams, G. A. Metode til lokalisering af steder for oxidativ fosforylering  (engelsk)  // Nature: journal. - 1955. - Bd. 176 , nr. 4475 . - S. 250-254 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/176250a0 .
  11. ↑ EA Berry & BL Trumpower. Isolering af ubiquinoloxidase fra Paracoccus denitrificans og opløsning til cytochrom bc1 og cytochrom c-aa3 komplekser  (engelsk)  // Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 1985. - Februar ( bind 260 , nr. 4 ). - P. 2458-2467 . — PMID 2982819 .
  12. ↑ T. Iwasaki, K. Matsuura & T. Oshima. Opløsning af det aerobe åndedrætssystem af den termoacidofile arkæon, Sulfolobus sp. stamme 7. I. Det arkæale terminale oxidase-superkompleks er en funktionel fusion af respiratoriske komplekser III og IV uden c-type cytochromer  (engelsk)  // Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1995. - December ( bind 270 , nr. 52 ). - P. 30881-30892 . doi : 10.1074/ jbc.270.52.30881 . — PMID 8537342 .
  13. ↑ N. Sone, M. Sekimachi & E. Kutoh. Identifikation og egenskaber af et quinoloxidase-superkompleks sammensat af et bc1-kompleks og cytochromoxidase i den termofile bakterie PS3  //  Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 1987. - November ( bind 262 , nr. 32 ). - P. 15386-15391 . — PMID 2824457 .
  14. ↑ H. Bowmans, L. A. Grivell & J. A. Berden. Åndedrætskæden i gær opfører sig som en enkelt funktionel enhed  //  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 1998. - Februar ( bind 273 , nr. 9 ). - P. 4872-4877 . doi : 10.1074/ jbc.273.9.4872 . — PMID 9478928 .
  15. ↑ C. Bruel, R. Brasseur & B. L. Trumpower. Underenhed 8 af Saccharomyces cerevisiae cytochrome bc1 komplekset interagerer med succinat-ubiquinon reduktase kompleks  (engelsk)  // Journal of bioenergetics and biomembranes : journal. - 1996. - Februar ( bind 28 , nr. 1 ). - S. 59-68 . - doi : 10.1007/bf02109904 . — PMID 8786239 .
  16. ↑ H. Schagger & K. Pfeiffer. Superkomplekser i de respiratoriske kæder af gær og pattedyrs mitokondrier  //  The EMBO journal : journal. - 2000. - April ( bind 19 , nr. 8 ). - S. 1777-1783 . - doi : 10.1093/emboj/19.8.1777 . — PMID 10775262 .
  17. ↑ 1 2 Lapuente-Brun, E.; Moreno-Loshuertos, R.; Acin-Perez, R.; Latorre Pellicer, A.; Colas, C.; Balsa, E.; Perales-Clemente, E.; Quiros, P.M.; Calvo, E.; Rodriguez-Hernandez, MA; Navas, P.; Cruz, R.; Carracedo, A.; Lopez-Otin, C.; Perez-Martos, A.; Fernandez-Silva, P.; Fernandez-Vizarra, E.; Enriquez, JA Supercomplex Assembly bestemmer elektronflux i den mitokondrielle elektrontransportkæde  //  Science : journal. - 2013. - Bd. 340 , nr. 6140 . - S. 1567-1570 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.1230381 .
  18. ↑ Rcf1 og Rcf2, medlemmer af den hypoxi-inducerede gen 1-proteinfamilie, er kritiske komponenter i mitokondrielt cytokrom bc1-cytokrom med oxidase superkompleks   // Mol Cell Biol : journal. - 2012. - Bd. 32 , nr. 8 . - S. 1363-1373 . - doi : 10.1128/MCB.06369-11 .
  19. ↑ 1 2 Limning af åndedrætskæden sammen. CARDIOLIPIN KRÆVES FOR SUPERKOMPLEKS FORMNING I DEN INDRE MITOCHONDRIEMEMBRAN  //  Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 2002. - Bd. 277 , nr. 46 . - P. 43553-43556 . — ISSN 00219258 . - doi : 10.1074/jbc.C200551200 .
  20. ↑ Zhang M. Cardiolipin er afgørende for organisering af komplekser III og IV til et superkompleks i intakt gærmitokondrier  //  Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 2005. - Bd. 280 , nr. 33 . - P. 29403-29408 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M504955200 .
  21. ↑ Wenz Tina, Hielscher Ruth, Hellwig Petra, Schägger Hermann, Richers Sebastian, Hunte Carola. Fosfolipiders rolle i respiratorisk cytokrom bc1 kompleks katalyse og superkompleks dannelse   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics : journal. - 2009. - Bd. 1787 , Nr. 6 . - S. 609-616 . — ISSN 00052728 . doi : 10.1016 / j.bbabio.2009.02.012 .
  22. ↑ Bazan, S.; Mileykovskaya, E.; Mallampalli, VKPS; Heacock, P.; Sparagna, G.C.; Dowhan, W. Cardiolipin-afhængig rekonstitution af respiratoriske superkomplekser fra oprensede Saccharomyces cerevisiae-komplekser III og IV  //  Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 2012. - Bd. 288 , nr. 1 . - S. 401-411 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M112.425876 .
  23. ↑ Lenaz Giorgio, Genova Maria Luisa. Supramolecular Organization of the Mitochondrial Respiratory Chain: A New Challenge for the Mechanism and Control of Oxidative Phosphorylation  (engelsk)  : tidsskrift. - 2012. - Bd. 748 . - S. 107-144 . — ISSN 0065-2598 . - doi : 10.1007/978-1-4614-3573-0_5 .
  24. ↑ Wittig Ilka , Schägger Hermann. Supramolekylær organisering af ATP-syntase og respiratorisk kæde i mitokondrielle membraner  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 2009. - Juni ( bd. 1787 , nr. 6 ). - S. 672-680 . — ISSN 0005-2728 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2008.12.016 .
  25. ↑ Schafer E. Architecture of Active Mammalian Respiratory Chain Supercomplexes  //  Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 2006. - Bd. 281 , nr. 22 . - P. 15370-15375 . — ISSN 0021-9258 . - doi : 10.1074/jbc.M513525200 .