ELEKTRONSZÁLLÍTÓ LÁNC: KOMPONENSEK, SZEKVENCIA, INHIBITOROK - BIOLÓGIA - 2026

Az elektronszállító lánc egy fehérjemolekulák és koenzimek halmazából áll egy membránon belül. Mint a neve is jelzi, felelős az elektronok NADH vagy FADH2 koenzimektől az O2 (molekuláris oxigén) végső receptorba történő szállításáért.

Ebben a szállítási folyamatban az energiatermeléshez (ATP) kapcsolódik az az energia, amely felszabadul, amikor az elektronok a koenzimekből a molekuláris oxigénbe kerülnek a fehérjékhez kapcsolt redox központokon keresztül. Ezt az energiát a protongradiensnek köszönhetően nyerik, amely a belső mitokondriális membránban keletkezik.

Forrás: Felhasználó: Rozzychan

Ez a szállítórendszer különféle komponensekből áll, amelyek legalább két oxidációs állapotban megtalálhatók. Mindegyik hatékonyan redukálódik és reoxidálódik az elektronok NADH vagy FADH2-ről O2-re történő mozgása során.

A NAD + és FAD koenzimek redukálódnak a zsírsav-oxidációs folyamatokban és a citromsav-ciklusban, a különféle szubsztrátok oxidációjának eredményeként. Ezek a koenzimek ezt követően oxidálódnak az elektronikus szállító láncban.

Tehát az elektronikus szállítórendszer egymással összekapcsolt oxidációs-redukciós reakciók sorozatából áll.

Lánc alkatrészek

A szervezet típusától függően 3–6 komponens figyelhető meg, amelyek képezik az elektronszállító láncot. Az elektronszállítás folyamata és az ATP szintézise oxidatív foszforilezéssel olyan folyamatok, amelyek egy membránban fordulnak elő.

Prokarióta sejtek (aerob baktériumok) esetén ezek a folyamatok a plazmamembránhoz kapcsolódnak. Az eukarióta sejtekben a mitokondriális membránban fordul elő, tehát az elektronszállítás komponensei a membrán belső részében találhatók.

Az elektronokat fokozatosan továbbítják négy komplexen keresztül, amelyek képezik az elektronikus szállítási láncot.

Mindegyik komplexnek számos proteintartalmú összetevője van a protéziscsoportokkal (a konjugált fehérjék nem aminosavkomponensei) összekapcsolva, amelyek lehetővé teszik redukciós potenciáljuk növekedését.

Ezenkívül ez a szállítórendszer különféle molekuláris fajokból, például flavoproteinekből áll; Q koenzim, ubikinonnak (CoQ vagy UQ) is nevezik; különféle citokrómok, például b, c, c1, a és a3 citokróm; Fe-S csoportokkal és Cu-hoz kapcsolódó fehérjék. Ezek a molekulák a membránhoz kötődnek, a citokróm c kivételével.

I. komplexum

Az I. komplexet NADH koenzim kinon-oxidoreduktáznak vagy NADH dehidrogenáznak nevezzük, amely körülbelül 45 polipeptidláncból áll, és egy flavin mononukleotid (FMN) molekulát és nyolc-kilenc Fe-S klasztert tartalmaz. Amint a neve is sugallja, ez a komplex egy elektronpárt továbbít a NADH koenzimről a CoQ-ra.

A NADH dehidrogenáz komplex funkciója azzal kezdődik, hogy a NADH kötődik a belső mitokondriális membrán mátrix oldalán lévő komplexhez. Az elektronokat ezután a NADH-ból az FMN-be szállítják. Ezt követően az elektronok a redukált flavinból (FMNH2) átjutnak a fehérjékbe Fe-S-sel.

Az FMNH2 egyfajta hídként működik a NADH és a Fe-S fehérjék között, mivel az utóbbi csak egyetlen elektronot képes átvinni, míg az NADH koenzim kettőt továbbít, tehát a flavinok az egyetlen elektron átvitelét a a félkinon redox állapotához.

Végül az elektronokat a Fe-S klaszterekből átviszik a Q koenzimbe, amely egy mozgó elektronhordozó, izoprenoid farkával, ami hidrofóbvá teszi, lehetővé téve a kereszteződést a mitokondriális membrán közepén.

Komplex II

A II. Komplex, amely szukcinát-dehidrogenáz néven ismert, a belső mitokondriális membrán szerves proteinje, és egy enzim, amely beavatkozik a citromsav-ciklusba.

Ez a komplex két hidrofil és két hidrofób alegységből áll, amelyek heme b csoportokkal képezik a CoQ kötőhelyét, a flavoprotein és Fe-S fehérje mellett.

A citromsav ciklusban (Krebs vagy trikarbonsav ciklus) a szukcinátot szukcinát dehidrogenáz segítségével fumaráttá alakítják, és az FAD koenzimet FADH2-ra redukálják. Ettől az utolsó koenzimtől az elektronok a Fe-S központokba kerülnek, amelyek viszont továbbviszik őket a CoQ-hoz.

Ezen elektronátvitel reakciói során a standard redoxpotenciál nagyon alacsony, ami megakadályozza az ATP szintéziséhez szükséges szabad energia felszabadulását.

Ez azt jelenti, hogy a II. Komplex az egyetlen komplex az elektronszállító láncban, amely nem képes energiát szolgáltatni az ATP szintéziséhez. Ez a komplex azonban kulcsfontosságú a folyamatban, mivel átviszi az elektronokat a FADH2-ből a lánc többi részébe.

III

A III komplex, a citokróm bc1 komplex vagy a CoQ citokróm c reduktáz az elektronokat a redukált Q koenzimből a citokróm cbe továbbítja. Ez az átvitel egyetlen redox útvonalon történik, az úgynevezett Q ciklus.

Ez a komplex Fe-S fehérjéből és három különböző citokrómból áll, amelyekben a hemcsoportban található vasatom ciklikusan változik a redukált (Fe2 +) és az oxidált (Fe3 +) állapotok között.

A citokrómok elektronszállító hemoproteinek, amelyek redox aktivitással rendelkeznek. Ezek minden organizmusban megtalálhatók, néhány kötelező anaerob kivételével.

Ezeknek a fehérjéknek olyan hemecsoportjai vannak, amelyek váltakoznak két oxidációs állapot (Fe2 + és Fe3 +) között. A citokróm c egy mozgatható elektronhordozó, amely gyengén kapcsolódik a mitokondriumok belső membránjához.

Az ebben a komplexben található citokrómok a b, c és a citokrómok, mindhárom redox aktív fehérje, eltérő tulajdonságú hae csoportokkal, amelyek oxidációs állapotaik váltakoznak a Fe2 + és a Fe3 + között.

A cytochrome c egy perifériás membránfehérje, amely elektron-transzferként működik a c1 citokrómmal és a IV komplextel.

Komplex IV

A citokróm c és az O2 a végső receptorok az elektronoknak, amelyek a szerves anyag oxidációjából származnak, ezért a komplex IV vagy citokróm c oxidáz a terminális enzim az elektronszállítás folyamatában. Ez elfogadja az elektronokat a citokróm c-ből és átviszi őket az O2 redukcióba.

A komplex funkciója a redukált citokróm c négy egymást követő molekula egy elektronjának oxidációinak katalizálása, azaz egyszerre redukálja egy O2 molekula négy elektronát, végül két molekulát H2O-t termelve.

Elektronszállítás

Az elektronok az I. és II. Komplexből a Q koenzimnek köszönhetően a III. Komplexbe kerülnek, és onnan a citokróm c-n keresztül továbbjutnak a IV komplexbe. Amint az elektronok ezen a négy komplexen áthaladnak, növelik a redukciós potenciált, felszabadítva az energiát, amelyet az ATP szintéziséhez használnak fel.

Összességében egy elektronpár átadása 10 proton áthelyezését okozza a membránon; négy az I. és IV komplexben és kettő a III.

NADH dehidrogenáz

Ez az enzim a NADH koenzim Q-koenzim általi oxidációját katalizálja. Az NADH-ból az FMN-hez mozognak az elektronok, amelyek az I. komplex hidrofil farkához kapcsolódnak. Ezek a Fe-S csoportok redukálják a membránba ágyazott CoQ-t ubiquinolmá (redukált CoQ).

Az elektronok CoQ-ba történő átadása során négy protont viszünk át a belső membránon keresztül a membránközi térbe. Ezen protonok transzlokációjának mechanizmusa az I. komplex hidrofób farkában található fehérjéket foglalja magában.

Az elektronátviteli folyamat ebben a lépésben szabad energiát szabadít fel, konkrétan -16,6 kcal / mol.

CoQ-citokróm c reduktáz és Q ciklus

A Q koenzimet a citokróm c oxidálja, a reakcióban ezt a koenzimet katalizálja. Az ubiquinol (redukált CoQ) oxidációja a komplex egy bizonyos pontján (Qo vagy oxidációs hely) történik a mitokondriális membránban, két elektront átadva, az egyiket a fehérjéhez a Fe-S csoportokkal, a másikat pedig a hem csoportokkal.

A Q ciklusban a CoQ oxidációjával szubikinon keletkezik, ahol az elektronok átkerülnek a b1 és bh hémekbe. Amint ez az elektronátvitel megtörténik, egy második CoQ oxidálódik a Qo helyen, megismételve a ciklust.

Ez a ciklus két elektron átvitelét, és viszont négy proton áthelyezését a membránközi térbe, -10,64 kcal / mol szabad energia kibocsátásával okozza.

Citokróm c-oxidáz

Ez az enzim (IV komplex) katalizálja a citokróm c (redukált) oxidációját O2-vel, amely a végső elektronakceptor. Ez az átadás egy H2O-molekulát hoz létre minden átadott elektronpárhoz, a protonok membránon keresztüli áthelyezésén kívül.

Az elektronok egyenként mozognak a redukált citokróm c-ből egy pár CuA-ionra, majd átjutnak egy hemcsoportra és végül elérték a CuB-iont és a3 hemet tartalmazó komplex binukleáris központját, ahol négy elektron átvitele történik akár oxigénig.

A IV komplexben az elemek elektronokat továbbítanak egyenként, oly módon, hogy az O2 fokozatosan redukálódik, oly módon, hogy bizonyos toxikus vegyületek, például szuperoxid, hidrogén-peroxid vagy hidroxilcsoportok felszabadulása nem szabadul fel.

Ebben a szakaszban a felszabadult energia -32 kcal / mol-nak felel meg. Az átviteli folyamat során keletkező elektrokémiai gradiens és az elektronpárok által a négy komplexen áthaladó energiaváltozások (ΔE), mindegyik szakaszban megfelelnek egy ATP-molekula előállításához szükséges szabad energiának.

Szukcinát dehidrogenáz

Mint már említettük, ennek a komplexnek az egyetlen, de fontos funkciója az, hogy a FADH2 elektronjait a citromsav-ciklusból az elektronszállító láncba vezessük.

Ez az enzim katalizálja a FADH2 koenzim oxidációját Q (oxidált) koenzim által. A citromsav-ciklusban, amint a szukcinát fumaráttal oxidálódik, két elektron és két proton kerül a FAD-be. Ezt követően a FADH2 ezeket az elektronokat a komplex Fe-S központjain továbbítja a CoQ-hoz.

Végül a CoQ-ból az elektronok a III. Komplexbe kerülnek, a fent leírt lépéseket követve.

A lánc komplexei függetlenek

Az elektronikus szállítási láncot alkotó négy komplex független, vagyis megtalálhatók és egymástól függetlenül működnek a belső mitokondriális membránban, és mindegyik membránon belüli mozgása nem függ vagy kapcsolódik a többi komplexhez.

Az I és II komplexek a membránban mozognak, és elektronjaikat átviszik a CoQ-ra, amely szintén diffundál a membránban és továbbjut a III komplexbe, ahonnan az elektronok átjutnak a citokróm c-hez, amely szintén mobil a membránban, és az elektronokat a komplex IV.

Az elektronikus szállítási lánc gátlói

Egyes specifikus gátlók hatnak az elektronikus szállítási láncra, amelyek beavatkoznak a folyamatába. A rotenon egy általánosan használt rovarirtó, amely sztöchiometrikusan kötődik az I. komplexhez, megakadályozva a CoQ csökkentését.

Néhány barbiturát típusú gyógyszer, például a Piericidin és az Amytal, gátolja az I. komplexet, akadályozva az elektronok Fe-S csoportokból a CoQ-ba történő átvitelét.

A II. Komplexben egyes vegyületek, például a tenoil-trifluor-aceton és a malonát kompetitív inhibitorokként hatnak a szukcináttal, megakadályozva annak oxidációját és viszont az elektronok átjutását a FAD-be.

Egyes antibiotikumok, például a myxothiazol és a stigmatellin, kötődnek a CoQ Q-kötő helyeihez, gátolva az elektronok átvitelét a Q koenzimből a fehérjék Fe-S-központjaiba.

A cianid, azid (N3-), kénsav és szén-monoxid gátolja a IV komplexet. Ezek a vegyületek kötődnek a hemcsoportokhoz, megakadályozva az elektronok átvitelét a komplex binukleáris középpontjába vagy az oxigénhez (O2).

Az elektronszállítás láncának gátlásával az energiatermelés az oxidatív foszforilációval áll le, és súlyos károkat és akár halált is okoz a testben.

Irodalom

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. és Walter, P. (2004). Alapvető sejtbiológia. New York: Garland Science. 2. kiadás.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). A sejt. (397-402. oldal). Marbán szerk.
3. Devlin, TM (1992). Biokémia tankönyv: klinikai összefüggésekkel. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH és Grisham, CM (2008). Biokémia. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biokémia (577.1 számú RAW). Szerkesztő: Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D. és Voet, JG (2006). Biokémia. Panamerican Medical Ed.