LANAC TRANSPORTA ELEKTRONA: KOMPONENTE, REDOSLIJED, INHIBITORI - BIOLOGIJA - 2026

Elektron transporta lanca sastoji se od skupa molekula proteina i koenzima u membranu. Kao što mu ime govori, odgovoran je za transport elektrona iz koenzima NADH ili FADH2 do konačnog receptora koji je O2 (molekularni kisik).

U ovom procesu prijevoza, energija koja se oslobađa kada se elektroni iz koenzima molekularnim kisikom prenose kroz redoks centre vezane na proteine, povezana je s proizvodnjom energije (ATP). Ta se energija dobiva zahvaljujući gradijentu protona koji se stvara u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani.

Izvor: Korisnik: Rozzychan

Ovaj transportni sustav sastoji se od različitih komponenti koje se mogu naći u najmanje dva stanja oksidacije. Svaki se od njih učinkovito smanjuje i ponovno oksidira tijekom kretanja elektrona iz NADH ili FADH2 u O2.

Koenzimi NAD + i FAD smanjuju se u putima oksidacije masnih kiselina i ciklusu limunske kiseline kao posljedici oksidacije različitih supstrata. Ti se koenzimi oksidiraju u lancu elektroničkog transporta.

Dakle, sustav elektroničkog transporta sastoji se od niza reakcija redukcije oksidacije koje su međusobno povezane.

Dijelovi lanca

Ovisno o vrsti organizma, može se promatrati 3 do 6 komponenti koje čine lanac transporta elektrona. Proces prevoza elektrona i sinteza ATP oksidativnom fosforilacijom su procesi koji se događaju u membrani.

U slučaju prokariotskih stanica (aerobne bakterije), ti procesi se događaju povezani s plazma membranom. U eukariotskim stanicama javlja se u mitohondrijskoj membrani, pa se komponente prijevoza elektrona nalaze u unutarnjem dijelu membrane.

Elektroni se prenose postupno kroz četiri kompleksa koji čine lanac elektroničkog transporta.

Svaki kompleks ima nekoliko proteinskih komponenti povezanih s protetskim skupinama (ne-aminokiselinske komponente konjugiranih proteina) redoks, koje omogućuju povećanje njihovih potencijala redukcije.

Uz to, ovaj se transportni sustav sastoji od različitih molekularnih vrsta poput flavoproteina; koenzim Q također se naziva i ubikinon (CoQ ili UQ); različiti citohromi kao što su citokrom b, c, cl, a i a3; proteini s Fe-S skupinama i proteini vezani za Cu. Te se molekule vežu na membranu, s izuzetkom citokroma c.

Kompleks I

Kompleks koji sam nazvao NADH koenzim-hinon-oksidoreduktaza, ili NADH dehidrogenaza, sastoji se od oko 45 polipeptidnih lanaca i sadrži jednu molekulu flavin mononukleotida (FMN) i osam do devet Fe-S klastera. Kao što mu ime govori, ovaj kompleks prenosi par elektrona iz koenzima NADH u CoQ.

Funkcija kompleksa NADH dehidrogenaze započinje vezanjem NADH na kompleks na strani matriksa unutarnje mitohondrijske membrane. Elektroni se zatim prenose iz NADH u FMN. Nakon toga, elektroni prelaze iz reduciranog flavina (FMNH2) u proteine ​​sa Fe-S.

FMNH2 djeluje kao svojevrsni most između NADH i Fe-S proteina, budući da potonji može prenijeti samo jedan elektron, dok koenzim NADH prenosi dva, tako da flavini izvršavaju ovaj prijenos jednog elektrona zahvaljujući u njegovo redoks stanje polukinona.

Konačno, elektroni se prenose iz Fe-S klastera u koenzim Q, koji je mobilni nosač elektrona s izoprenoidnim repom koji ga čini hidrofobnim, omogućavajući mu da prelazi središte mitohondrijske membrane.

Kompleks II

Kompleks II, poznatiji kao sukcinat dehidrogenaza, sastavni je protein unutarnje mitohondrijske membrane i enzim je koji intervenira u ciklusu limunske kiseline.

Ovaj kompleks sastoji se od dvije hidrofilne i dvije hidrofobne podjedinice s heme b skupinama koje pružaju mjesto vezanja CoQ, osim flavoproteina i proteina s Fe-S.

U ciklusu limunske kiseline (Krebs ili ciklus trikarboksilne kiseline) sukcinat se pretvara u fumarat sukcinatom dehidrogenazom, smanjujući koenzim FAD u FADH2. Iz ovog posljednjeg koenzima elektroni se prenose u Fe-S centre koji ih zauzvrat prenose u CoQ.

Tijekom reakcija ovog prijenosa elektrona, standardni redokspox potencijal je vrlo nizak, što sprečava oslobađanje slobodne energije potrebne za sintezu ATP-a.

To znači da je kompleks II jedini kompleks u lancu transporta elektrona koji nije sposoban osigurati energiju za sintezu ATP-a. Međutim, ovaj je kompleks ključan u procesu, jer prenosi elektrone iz FADH2 u ostatak lanca.

Kompleks III

Kompleks III, kompleks citokroma bc1 ili CoQ citokrom c reduktaza, prenosi elektrone iz reduciranog koenzima Q u citokrom c. Ovaj prijenos se odvija kroz jedan redox put, poznat kao Q ciklus.

Ovaj kompleks sastoji se od proteina s Fe-S i tri različita citokroma, pri čemu atom željeza smješten u grupi hema ciklično varira između reduciranog (Fe2 +) i oksidiranog (Fe3 +) stanja.

Citohromi su transportni hemoproteini elektrona koji imaju redoks aktivnost. Prisutni su u svim organizmima, osim nekih obligatih anaeroba.

Ti proteini imaju heme skupine koje se izmjenjuju između dva stanja oksidacije (Fe2 + i Fe3 +). Citokrom c je mobilni nosač elektrona koji je slabo povezan s unutarnjom membranom mitohondrija.

Citohromi koji se nalaze u ovom kompleksu su citokromi b, c i a, sva 3 su redovno aktivni proteini s skupinama hae s različitim karakteristikama, koji izmjenjuju oksidacijska stanja između Fe2 + i Fe3 +.

Citokrom c je protein periferne membrane koji djeluje kao "štitnik elektrona" s citokromom c1 i kompleksom IV.

Kompleks IV

Citokrom c i O2 su konačni receptori za elektrone dobivene oksidacijom organskog materijala, pa su složeni IV ili citokrom c oksidaza terminalni enzim u procesu prevoza elektrona. Ovo prihvaća elektrone iz citokroma c i prenosi ih na smanjenje O2.

Funkcija kompleksa je katalizirati oksidacije jednog elektrona od četiri uzastopne molekule reduciranog citokroma c, to jest, istovremeno smanjuje četiri elektrona iz jedne molekule O2, čime se na kraju stvaraju dvije molekule H2O.

Slijed prijenosa elektrona

Elektroni se prenose iz kompleksa I i II u kompleks III zahvaljujući koencimu Q, a odatle prelaze u kompleks IV kroz citokrom c. Kako elektroni prolaze kroz ta četiri kompleksa, oni povećavaju potencijal redukcije, oslobađajući energiju, koja se zatim koristi za sintezu ATP-a.

Ukupno, prijenos para elektrona uzrokuje translokaciju 10 protona kroz membranu; četiri u kompleksima I i IV i dva u kompleksu III.

NADH dehidrogenaza

Ovaj enzim katalizira oksidaciju koenzima NADH koenzimom Q. Elektroni se kreću od NADH do FMN koji su pričvršćeni na hidrofilni rep kompleksa I. Klasteri Fe-S prijenosnih elektrona jedan po jedan. Te Fe-S skupine reduciraju CoQ, koji je ugrađen u membranu, do ubikinol (smanjeni CoQ).

Tijekom prijenosa elektrona u CoQ, četiri protona se zauzvrat prenose kroz unutarnju membranu u međumembranski prostor. Mehanizam translociranja ovih protona uključuje bjelančevine smještene u hidrofobnom repu kompleksa I.

Proces prenosa elektrona u ovom koraku oslobađa slobodnu energiju, tačnije -16,6 kcal / mol.

CoQ-citokrom c reduktaza i ciklus Q

Koenzim Q oksidira citokromom c, u reakciji kataliziranoj ovim koenzimom. Oksidacija ubikinola (smanjenog CoQ) događa se na određenom mjestu kompleksa (Qo ili mjesto oksidacije) u mitohondrijskoj membrani, prenoseći dva elektrona, jedan u protein s Fe-S skupinama, a drugi u heme skupine.

U Q ciklusu oksidacijom CoQ nastaje polukvinon, gdje se elektroni prenose u heme grupe b1 i bh. Kako se dogodi ovaj prijenos elektrona, na mjestu Qo oksidira se drugi CoQ, ponavljajući ciklus.

Ovaj ciklus uzrokuje prijenos dva elektrona i zauzvrat translokaciju četiri protona u međumembranski prostor, uz oslobađanje -10,64 kcal / mol slobodne energije.

Citokrom c oksidaza

Ovaj enzim (kompleks IV) katalizira oksidaciju citokroma c (reduciranu) O2, što je krajnji akceptor elektrona. Ovaj prijenos proizvodi jednu H2O molekulu za svaki par elektrona koji se prenose osim translokacije protona kroz membranu.

Elektroni se kreću jedan po jedan, od reduciranog citohroma c do para CuA iona, zatim prelaze u grupu hema i konačno stižu do binuklearnog središta kompleksa koji sadrži CuB ione i heme a3, gdje dolazi do prijenosa četiri elektrona do kisika.

U kompleksu IV elementi prelaze elektrone jedan po jedan, tako da se O2 postepeno smanjuje, tako da ne dolazi do ispuštanja nekih toksičnih spojeva, poput superoksida, vodikovog peroksida ili hidroksilnih radikala.

U ovoj fazi oslobođena energija odgovara -32 kcal / mol. Elektrokemijski gradijent nastao tijekom procesa prijenosa i promjene energije (ΔE) uzrokovane parom elektrona prilikom prolaska kroz četiri kompleksa, u svakoj fazi odgovara slobodnoj energiji nužnoj za proizvodnju molekule ATP-a.

Sukcinantna dehidrogenaza

Kao što je spomenuto, ovaj kompleks ima jedinu, ali važnu funkciju uvođenja elektrona FADH2 iz ciklusa limunske kiseline u lanac transporta elektrona.

Ovaj enzim katalizira oksidaciju koenzima FADH2 koenzimom Q (oksidira). U ciklusu limunske kiseline, dok sukcinat oksidira u fumarat, dva elektrona i dva protona se prenose u FAD. Nakon toga, FADH2 prenosi te elektrone u CoQ kroz Fe-S centre kompleksa.

Napokon, iz CoQ se elektroni prenose u kompleks III, slijedeći gore opisane korake.

Kompleksi lanca su neovisni

Četiri kompleksa koji čine lanac elektroničkog transporta neovisni su, odnosno nalaze se i djeluju neovisno u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani, a kretanje svakog od njih u membrani ne ovisi ili je povezano s ostalim kompleksima.

Kompleksi I i II kreću se u membrani, prenoseći svoje elektrone u CoQ, koji također difundira u membrani i prenosi ih u kompleks III, odakle elektroni prelaze u citokrom c, koji je također pokretljiv u membrani i taloži elektrone u kompleks IV.

Inhibitori lanca elektroničkog prometa

Neki specifični inhibitori djeluju na lanac elektroničkog transporta koji se miješaju u njegov proces. Rotenone je uobičajeni insekticid koji se stehiometrijski veže na kompleks I, sprječavajući smanjenje CoQ.

Neki lijekovi tipa barbiturata, kao što su Piericidin i Amytal, inhibiraju kompleks I, ometajući prijenos elektrona iz Fe-S skupina u CoQ.

U kompleksu II, neki spojevi poput tenoiltrifluoroacetona i malonata djeluju kao konkurentski inhibitori sukcinata, sprječavajući njegovu oksidaciju i, zauzvrat, prijenos elektrona u FAD.

Neki antibiotici, poput miksotiazola i stigmatelina, vežu se na Q mjesta vezivanja CoQ, inhibirajući prijenos elektrona iz koenzima Q u Fe-S centre proteina.

Cijanid, azid (N3-), sumporna kiselina i ugljični monoksid inhibiraju kompleks IV. Ti se spojevi vežu na hemske skupine, sprečavajući prijenos elektrona u binuklearno središte kompleksa ili na kisik (O2).

Inhibirajući transportni lanac elektrona, proizvodnja energije zaustavlja se oksidativnom fosforilacijom, uzrokujući ozbiljnu štetu, pa čak i smrt tijelu.

Reference

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