ŁAŃCUCH TRANSPORTU ELEKTRONÓW: SKŁADNIKI, SEKWENCJA, INHIBITORY - BIOLOGIA - 2026

Łańcuch transportu elektronów zawiera zestaw cząsteczek białek i koenzymów w membranie. Jak sama nazwa wskazuje, odpowiada za transport elektronów z koenzymów NADH lub FADH2 do końcowego receptora, jakim jest O2 (tlen cząsteczkowy).

W tym procesie transportu energia uwalniana, gdy elektrony są przenoszone z koenzymów do tlenu cząsteczkowego przez centra redoks przyłączone do białek, jest związana z produkcją energii (ATP). Energia ta jest pozyskiwana dzięki gradientowi protonów, który jest generowany w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.

Źródło: Użytkownik: Rozzychan

Ten system transportowy składa się z różnych komponentów, które można znaleźć na co najmniej dwóch stopniach utlenienia. Każdy z nich jest skutecznie redukowany i ponownie utleniany podczas ruchu elektronów z NADH lub FADH2 do O2.

Koenzymy NAD + i FAD ulegają redukcji w szlakach utleniania kwasów tłuszczowych i cyklu kwasu cytrynowego w wyniku utleniania różnych substratów. Te koenzymy są następnie utleniane w elektronicznym łańcuchu transportowym.

Zatem elektroniczny system transportu składa się z sekwencji reakcji utleniania i redukcji, które są ze sobą połączone.

Elementy łańcucha

W zależności od rodzaju organizmu można zaobserwować od 3 do 6 składników tworzących łańcuch transportu elektronów. Proces transportu elektronów i synteza ATP poprzez fosforylację oksydacyjną to procesy zachodzące w błonie.

W przypadku komórek prokariotycznych (bakterii tlenowych) procesy te zachodzą związane z błoną plazmatyczną. W komórkach eukariotycznych występuje w błonie mitochondrialnej, więc składniki transportu elektronów znajdują się w wewnętrznej części błony.

Elektrony są przekazywane stopniowo przez cztery kompleksy, które tworzą elektroniczny łańcuch transportowy.

Każdy kompleks posiada kilka składników białkowych związanych z grupami prostetycznymi (nieaminokwasowymi składnikami białek sprzężonych) redoks, co pozwala na zwiększenie ich potencjału redukcyjnego.

Ponadto ten system transportu składa się z różnych gatunków molekularnych, takich jak flawoproteiny; koenzym Q zwany także ubichinonem (CoQ lub UQ); różne cytochromy, takie jak cytochrom b, c, c1, a i a3; białka z grupami Fe-S i białka przyłączone do Cu. Te cząsteczki wiążą się z błoną, z wyjątkiem cytochromu c.

Kompleks I

Kompleks I zwany oksydoreduktazą koenzymu chinonową NADH lub dehydrogenazą NADH, składa się z około 45 łańcuchów polipeptydowych i zawiera jedną cząsteczkę mononukleotydu flawiny (FMN) i osiem do dziewięciu klastrów Fe-S. Jak sama nazwa wskazuje, kompleks ten przenosi parę elektronów z koenzymu NADH do CoQ.

Funkcja kompleksu dehydrogenazy NADH zaczyna się od wiązania NADH z kompleksem po stronie macierzy wewnętrznej błony mitochondrialnej. Elektrony są następnie transportowane z NADH do FMN. Następnie elektrony przechodzą ze zredukowanej flawiny (FMNH2) do białek z Fe-S.

FMNH2 działa jako rodzaj pomostu między białkami NADH i Fe-S, ponieważ te ostatnie mogą przenosić tylko jeden elektron, podczas gdy koenzym NADH przenosi dwa, tak że flawiny przenoszą ten transfer pojedynczego elektronu dzięki do stanu redoks półchinonu.

Wreszcie, elektrony są przenoszone z klastrów Fe-S do koenzymu Q, który jest ruchomym nośnikiem elektronów z izoprenoidowym ogonem, który nadaje mu hydrofobowość, umożliwiając przejście przez środek błony mitochondrialnej.

Kompleks II

Kompleks II, lepiej znany jako dehydrogenaza bursztynianowa, jest integralnym białkiem wewnętrznej błony mitochondrialnej i jest enzymem, który wpływa na cykl kwasu cytrynowego.

Kompleks ten składa się z dwóch hydrofilowych i dwóch hydrofobowych podjednostek z grupami hemowymi b, które zapewniają miejsce wiązania dla CoQ, oprócz flawoproteiny i białka z Fe-S.

W cyklu kwasu cytrynowego (cykl Krebsa lub kwas trikarboksylowy) bursztynian jest przekształcany w fumaran przez dehydrogenazę bursztynianową, redukując koenzym FAD do FADH2. Z tego ostatniego koenzymu elektrony są przenoszone do centrów Fe-S, które z kolei przenoszą je do CoQ.

Podczas reakcji tego przeniesienia elektronów standardowy potencjał redoks jest bardzo niski, co zapobiega uwolnieniu darmowej energii potrzebnej do syntezy ATP.

Oznacza to, że kompleks II jest jedynym kompleksem w łańcuchu transportu elektronów niezdolnym do dostarczania energii do syntezy ATP. Jednak ten kompleks jest kluczowy w tym procesie, ponieważ przenosi elektrony z FADH2 do pozostałej części łańcucha.

Kompleks III

Kompleks III, kompleks cytochromu bc1 lub reduktaza cytochromu c CoQ, przenosi elektrony ze zredukowanego koenzymu Q do cytochromu c. Ten transfer zachodzi poprzez pojedynczy szlak redoks, znany jako cykl Q.

Kompleks ten składa się z białka z Fe-S i trzech różnych cytochromów, w których atom żelaza znajdujący się w grupie hemu zmienia się cyklicznie między stanem zredukowanym (Fe2 +) i utlenionym (Fe3 +).

Cytochromy to hemoproteiny transportujące elektrony, które posiadają aktywność redoks. Występują we wszystkich organizmach, z wyjątkiem niektórych bezwzględnych beztlenowców.

Białka te mają grupy hemu, które zmieniają się między dwoma stopniami utlenienia (Fe2 + i Fe3 +). Cytochrom c to ruchomy nośnik elektronów słabo związany z wewnętrzną błoną mitochondriów.

Cytochromy znajdujące się w tym kompleksie to cytochromy b, c i a, wszystkie 3 są białkami aktywnymi redoks z grupami hae o różnych właściwościach, które zmieniają swoje stany utlenienia między Fe2 + i Fe3 +.

Cytochrom c jest białkiem błony obwodowej, które działa jako „transport” elektronów z cytochromem c1 i kompleksem IV.

Kompleks IV

Cytochrom c i O2 to końcowe receptory dla elektronów pochodzących z utleniania materiału organicznego, tak więc kompleks IV lub oksydaza cytochromu c jest końcowym enzymem w procesie transportu elektronów. To przyjmuje elektrony z cytochromu c i przekazuje je do redukcji O2.

Zadaniem kompleksu jest katalizowanie utleniania jednego elektronu z czterech kolejnych cząsteczek zredukowanego cytochromu c, czyli jednocześnie redukuje on cztery elektrony jednej cząsteczki O2, ostatecznie wytwarzając dwie cząsteczki H2O.

Sekwencja transportu elektronów

Elektrony przechodzą z kompleksów I i II do kompleksu III dzięki koenzymowi Q, a stamtąd przechodzą do kompleksu IV przez cytochrom c. Gdy elektrony przechodzą przez te cztery kompleksy, zwiększają potencjał redukcyjny, uwalniając energię, która jest następnie wykorzystywana do syntezy ATP.

W sumie przeniesienie pary elektronów powoduje translokację 10 protonów przez błonę; cztery w kompleksach I i IV oraz dwa w kompleksie III.

Dehydrogenaza NADH

Enzym ten katalizuje utlenianie koenzymu NADH przez koenzym Q. Elektrony przemieszczają się z NADH do FMN, która jest przyłączona do hydrofilowego ogona kompleksu I. Klastry elektronów przenoszących Fe-S, jeden po drugim. Te grupy Fe-S redukują CoQ, który jest osadzony w błonie, do ubichinolu (zredukowany CoQ).

Podczas transferu elektronów do CoQ cztery protony są z kolei przenoszone przez wewnętrzną membranę do przestrzeni międzybłonowej. Mechanizm translokacji tych protonów obejmuje białka zlokalizowane w hydrofobowym ogonie kompleksu I.

Proces przenoszenia elektronów na tym etapie uwalnia darmową energię, konkretnie -16,6 kcal / mol.

Reduktaza CoQ-cytochromu c i cykl Q

Koenzym Q jest utleniany przez cytochrom c w reakcji katalizowanej przez ten koenzym. Utlenianie ubichinolu (zredukowany CoQ) zachodzi w pewnym miejscu kompleksu (Qo lub miejscu utleniania) w błonie mitochondrialnej, przenosząc dwa elektrony, jeden do białka z grupami Fe-S, a drugi do grup hemowych.

W cyklu Q utlenianie CoQ prowadzi do powstania semichinonu, w którym elektrony są przenoszone do grup hemowych b1 i bh. Gdy zachodzi ten transfer elektronów, drugi CoQ jest utleniany w miejscu Qo, powtarzając cykl.

Cykl ten powoduje przeniesienie dwóch elektronów i z kolei translokację czterech protonów do przestrzeni międzybłonowej, z uwolnieniem -10,64 kcal / mol darmowej energii.

Oksydaza cytochromu c

Ten enzym (kompleks IV) katalizuje utlenianie cytochromu c (zredukowanego) przez O2, który jest ostatecznym akceptorem elektronów. Ten transfer wytwarza jedną cząsteczkę H2O na każdą parę przenoszonych elektronów oprócz translokacji protonów przez błonę.

Elektrony poruszają się jeden po drugim, od zredukowanego cytochromu c do pary jonów CuA, następnie przechodzą do grupy hemu i ostatecznie docierają do dwujądrowego centrum kompleksu zawierającego jony CuB i hem a3, gdzie następuje transfer czterech elektronów do tlenu.

W kompleksie IV pierwiastki przenoszą elektrony jeden po drugim, tak że O2 jest stopniowo redukowany, dzięki czemu nie dochodzi do uwolnienia niektórych toksycznych związków, takich jak ponadtlenek, nadtlenek wodoru czy rodniki hydroksylowe.

Energia uwolniona na tym etapie odpowiada -32 kcal / mol. Gradient elektrochemiczny generowany podczas procesu transferu i zmiany energii (ΔE) spowodowane przez parę elektronów podczas przechodzenia przez cztery kompleksy odpowiadają, na każdym etapie, energii swobodnej potrzebnej do produkcji cząsteczki ATP.

Dehydrogenaza bursztynianowa

Jak wspomniano, kompleks ten pełni jedyną, ale ważną funkcję wprowadzania elektronów FADH2 z cyklu kwasu cytrynowego do łańcucha transportu elektronów.

Enzym ten katalizuje utlenianie koenzymu FADH2 przez koenzym Q (utleniony). W cyklu kwasu cytrynowego, gdy bursztynian jest utleniany do fumaranu, dwa elektrony i dwa protony są przenoszone do FAD. Następnie FADH2 przenosi te elektrony do CoQ przez centra Fe-S kompleksu.

Wreszcie, z CoQ elektrony są przenoszone do kompleksu III, zgodnie z krokami opisanymi powyżej.

Kompleksy łańcucha są niezależne

Cztery kompleksy tworzące elektroniczny łańcuch transportowy są niezależne, to znaczy znajdują się i działają niezależnie w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, a ruch każdego z nich w błonie nie zależy od innych kompleksów ani nie jest z nimi powiązany.

Kompleksy I i II poruszają się w błonie, przenosząc ich elektrony do CoQ, który również dyfunduje w błonie i przenosi je do kompleksu III, skąd elektrony przechodzą do cytochromu c, który jest również ruchomy w błonie i osadza elektrony w kompleks IV.

Inhibitory elektronicznego łańcucha transportowego

Niektóre specyficzne inhibitory działają na elektroniczny łańcuch transportowy, zakłócając jego proces. Rotenon jest powszechnie stosowanym środkiem owadobójczym, który wiąże się stechiometrycznie z kompleksem I, zapobiegając redukcji CoQ.

Niektóre leki typu barbituranów, takie jak Piericydyna i Amytal, hamują kompleks I, zakłócając transfer elektronów z grup Fe-S do CoQ.

W kompleksie II niektóre związki, takie jak teoilotrifluoroaceton i malonian, działają jako konkurencyjne inhibitory z bursztynianem, zapobiegając jego utlenianiu, a tym samym przenoszeniu elektronów do FAD.

Niektóre antybiotyki, takie jak myksotiazol i stigmatelina, wiążą się z miejscami wiązania Q CoQ, hamując przenoszenie elektronów z koenzymu Q do centrów Fe-S białek.

Cyjanek, azydek (N3-), kwas siarkowy i tlenek węgla hamują kompleks IV. Związki te wiążą się z grupami hemowymi, zapobiegając przenoszeniu elektronów do dwujądrowego centrum kompleksu lub do tlenu (O2).

Hamując łańcuch transportu elektronów, produkcja energii jest zatrzymywana przez fosforylację oksydacyjną, powodując poważne uszkodzenia, a nawet śmierć organizmu.

Bibliografia

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Niezbędna biologia komórki. Nowy Jork: Garland Science. Wydanie 2.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Komórka. (str. 397-402). Ed Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Podręcznik biochemii: z korelacjami klinicznymi. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH i Grisham, CM (2008). Biochemia. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biochemistry (nr 577.1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D. i Voet, JG (2006). Biochemia. Panamerican Medical Ed.