ELEKTRONTRANSPORTKJEDE: KOMPONENTER, SEKVENS, HEMMERE - BIOLOGI - 2026

Den elektrontransportkjeden består av et sett av proteinmolekyler og koenzymer i en membran. Som navnet indikerer, er det ansvarlig for transport av elektroner fra koenzymene NADH eller FADH2 til den endelige reseptoren som er O2 (molekylært oksygen).

I denne transportprosessen er energien som frigjøres når elektronene overføres fra koenzymene til det molekylære oksygen gjennom redoks-sentre knyttet til proteiner, assosiert med produksjonen av energi (ATP). Denne energien oppnås takket være protongradienten som genereres i den indre mitokondrielle membranen.

Kilde: Bruker: Rozzychan

Dette transportsystemet består av forskjellige komponenter som finnes i minst to oksidasjonstilstander. Hver av dem reduseres og reoksideres effektivt under bevegelse av elektroner fra NADH eller FADH2 til O2.

Koenzymene NAD + og FAD reduseres i fettsyres oksidasjonsveier og sitronsyresyklusen som en konsekvens av oksidasjonen av forskjellige underlag. Disse koenzymene oksideres deretter i den elektroniske transportkjeden.

Så det elektroniske transportsystemet består av en sekvens av oksidasjonsreduksjonsreaksjoner som er koblet til hverandre.

Kjedekomponenter

Avhengig av type organisme, kan 3 til 6 komponenter observeres som utgjør elektrontransportkjeden. Prosessen med elektrontransport og syntese av ATP ved oksidativ fosforylering er prosesser som forekommer i en membran.

Når det gjelder prokaryote celler (aerobe bakterier), forekommer disse prosessene assosiert med plasmamembranen. I eukaryote celler forekommer det i mitokondriell membran, så komponentene i elektrontransport finnes i den indre delen av membranen.

Elektroner overføres gradvis gjennom fire komplekser som utgjør den elektroniske transportkjeden.

Hvert kompleks har flere proteinkomponenter assosiert med protesegrupper (ikke-aminosyrekomponenter av konjugerte proteiner) redoks, som lar reduksjonspotensialene deres øke.

I tillegg er dette transportsystemet sammensatt av forskjellige molekylære arter som flavoproteiner; koenzym Q også kalt ubiquinon (CoQ eller UQ); forskjellige cytokromer så som cytokrom b, c, c1, a og a3; proteiner med Fe-S-grupper og proteiner knyttet til Cu. Disse molekylene binder seg til membranen, med unntak av cytokrom c.

Kompleks I

Kompleks jeg kalte NADH-koenzymkinonoksidoreduktase, eller NADH-dehydrogenase, består av omtrent 45 polypeptidkjeder og inneholder ett flavinmononukleotid (FMN) molekyl og åtte til ni Fe-S-klynger. Som navnet tilsier, overfører dette komplekset et par elektroner fra koenzymet NADH til CoQ.

Funksjonen til NADH dehydrogenase-komplekset begynner med bindingen av NADH til komplekset på matrissiden av den indre mitokondrielle membranen. Elektronene blir deretter fraktet fra NADH til FMN. Deretter går elektronene fra det reduserte flavinet (FMNH2) til Fe-S-proteinene.

FMNH2 fungerer som en slags bro mellom NADH og Fe-S proteiner, siden sistnevnte bare kan overføre et enkelt elektron, mens koenzymet NADH overfører to, slik at flavins gjennomfører denne overføringen av et enkelt elektron takket være til sin redoks-tilstand semi-kinon.

Til slutt blir elektronene overført fra Fe-S-klyngene til koenzym Q, som er en mobil elektronbærer med en isoprenoidhale som gjør den hydrofob, slik at den kan krysse midten av mitokondriell membran.

Kompleks II

Kompleks II, bedre kjent som succinatdehydrogenase, er et integrert protein i den indre mitokondrielle membranen, og er et enzym som griper inn i sitronsyresyklusen.

Dette komplekset er sammensatt av to hydrofile og to hydrofobe underenheter med heme b-grupper som gir bindingssetet for CoQ, i tillegg til et flavoprotein og et protein med Fe-S.

I sitronsyresyklusen (Krebs eller trikarboksylsyresyklus) omdannes succinat til fumarat ved suksinatdehydrogenase, noe som reduserer koenzymet FAD til FADH2. Fra dette siste koenzym blir elektronene overført til Fe-S-sentrene som igjen overfører dem til CoQ.

Under reaksjonene ved denne elektronoverføringen er standard redokspotensialet veldig lavt, noe som forhindrer at den frie energien som trengs for å syntetisere ATP frigjøres.

Dette betyr at kompleks II er det eneste komplekset i elektrontransportkjeden som ikke er i stand til å gi energi til ATP-syntese. Imidlertid er dette komplekset nøkkelen i prosessen, siden det overfører elektronene fra FADH2 til resten av kjeden.

Kompleks III

Kompleks III, cytokrom bc1-kompleks eller CoQ cytokrom c-reduktase, overfører elektroner fra redusert koenzym Q til cytokrom c. Denne overføringen skjer gjennom en enkelt redoks-bane, kjent som Q-syklusen.

Dette komplekset består av et protein med Fe-S og tre forskjellige cytokromer, der jernatom som befinner seg i hemmegruppen, varierer syklisk mellom de reduserte (Fe2 +) og oksiderte (Fe3 +) tilstandene.

Cytokromer er elektrontransport hemoproteiner, som har redoksaktivitet. De er til stede i alle organismer, bortsett fra noen obligatoriske anaerober.

Disse proteinene har hemagrupper som veksler mellom to oksidasjonstilstander (Fe2 + og Fe3 +). Cytokrom c er en mobil elektronbærer som er svakt assosiert med den indre membranen i mitokondriene.

Cytokromene som finnes i dette komplekset er cytokromer b, c og a, alle 3 er redoksaktive proteiner med haegrupper med forskjellige egenskaper, som veksler oksidasjonstilstandene mellom Fe2 + og Fe3 +.

Cytokrom c er et perifert membranprotein som fungerer som en elektronisk "shuttle" med cytokrom c1 og kompleks IV.

Kompleks IV

Cytokrom c og O2 er de endelige reseptorene for elektroner avledet fra oksidasjon av organisk materiale, derfor er kompleks IV eller cytokrom c oksydase det terminale enzymet i elektrontransportprosessen. Dette tar imot elektronene fra cytokrom c og overfører dem til O2-reduksjonen.

Kompleksets funksjon er å katalysere oksidasjoner av ett elektron av de fire påfølgende molekyler med redusert cytokrom c, det vil si at det samtidig reduserer fire elektroner av ett molekyl O2, og til slutt produserer to molekyler H2O.

Elektrontransportsekvens

Elektroner overføres fra kompleks I og II til kompleks III takket være koenzym Q, og derfra overføres de til kompleks IV via cytokrom c. Når elektronene går gjennom disse fire kompleksene, øker de reduksjonspotensialet, og frigjør energi, som deretter brukes til syntesen av ATP.

Totalt fører overføringen av et par elektroner til translokasjon av 10 protoner gjennom membranen; fire i komplekser I og IV og to i kompleks III.

NADH dehydrogenase

Dette enzymet katalyserer oksydasjonen av koenzym NADH av koenzym Q. Elektroner beveger seg fra NADH til FMN som er festet til den hydrofile halen til kompleks I. Klynger av Fe-S overfører elektroner én om gangen. Disse Fe-S-gruppene reduserer CoQ, som er innebygd i membranen, til ubiquinol (redusert CoQ).

Under overføring av elektroner til CoQ blir fire protoner igjen overført gjennom den indre membranen til intermembranrommet. Mekanismen som disse protonene blir translokert med involverer proteiner lokalisert i den hydrofobe halen til kompleks I.

Elektronoverføringsprosessen i dette trinnet frigjør gratis energi, spesifikt -16,6 kcal / mol.

CoQ-cytokrom c-reduktase og syklus Q

Koenzym Q oksideres av cytokrom c, i en reaksjon katalysert av dette koenzym. Oksidasjonen av ubiquinol (redusert CoQ) skjer på et bestemt sted av komplekset (Qo eller oksidasjonssted) i mitokondriell membran, og overfører to elektroner, det ene til proteinet med Fe-S-gruppene og det andre til heme-gruppene.

I Q-syklusen produserer oksidasjonen av CoQ semikinon, og det er her elektroner overføres til hemmegruppene b1 og bh. Når denne elektronoverføringen skjer, oksideres en andre CoQ på Qo-stedet, og gjentar syklusen.

Denne syklusen fører til overføring av to elektroner og i sin tur translokasjonen av fire protoner til intermembranområdet, med frigjøring av -10,64 kcal / mol gratis energi.

Cytokrom c oksidase

Dette enzymet (kompleks IV) katalyserer oksidasjonen av cytokrom c (redusert) med O2, som er den endelige elektronakseptor. Denne overføringen produserer ett H2O-molekyl for hvert par elektroner overført i tillegg til translokasjon av protoner gjennom membranen.

Elektronene beveger seg én etter én, fra den reduserte cytokrom c til et par CuA-ioner, og passerer deretter til en heme-gruppe og når til slutt det binuclear sentrum av komplekset som inneholder CuB-ioner og heme a3, der overføringen av fire elektroner skjer opp til oksygen.

I kompleks IV overfører elementene elektroner én etter én, slik at O2 gradvis reduseres, slik at frigjøring av noen giftige forbindelser som superoksyd, hydrogenperoksyd eller hydroksylradikaler ikke forekommer.

Energien som frigjøres i dette stadiet tilsvarer -32 kcal / mol. Den elektrokjemiske gradienten som genereres under overføringsprosessen og energiforandringene (ΔE) forårsaket av et par elektroner når de passerer gjennom de fire kompleksene, tilsvarer, på hvert trinn, den frie energien som er nødvendig for produksjonen av et ATP-molekyl.

Suksinat dehydrogenase

Som nevnt har dette komplekset den eneste, men viktige funksjonen å introdusere elektronene fra FADH2 fra sitronsyresyklusen til elektrontransportkjeden.

Dette enzymet katalyserer oksidasjonen av koenzym FADH2 med koenzym Q (oksidert). I sitronsyresyklus, når suksinat oksideres til fumarat, overføres to elektroner og to protoner til FAD. Deretter overfører FADH2 disse elektronene til CoQ gjennom Fe-S-sentrene i komplekset.

Til slutt, fra CoQ blir elektronene overført til kompleks III ved å følge trinnene beskrevet ovenfor.

Kompleksene i kjeden er uavhengige

De fire kompleksene som utgjør den elektroniske transportkjeden er uavhengige, det vil si at de finnes og opererer uavhengig av den indre mitokondrielle membranen, og bevegelsen til hver av dem i membranen er ikke avhengig av eller er knyttet til de andre kompleksene.

Komplekser I og II beveger seg i membranen, og overfører elektronene sine til CoQ, som også diffunderer i membranen og overfører dem til kompleks III, hvorfra elektronene går over til cytokrom c, som også er mobil i membranen og avleir elektronene i kompleks IV.

Hemmere av den elektroniske transportkjeden

Noen spesifikke hemmere virker på den elektroniske transportkjeden som forstyrrer prosessen. Rotenon er et vanlig brukt insektmiddel som binder støkiometrisk til kompleks I, og forhindrer reduksjon av CoQ.

Noen medisiner av barbiturat-typen, som Piericidin og Amytal, hemmer kompleks I, og forstyrrer overføringen av elektroner fra Fe-S-gruppene til CoQ.

I kompleks II fungerer noen forbindelser så som daoyltrifluoroaceton og malonat som konkurrerende hemmere med suksinat, og forhindrer oksydasjon og i sin tur overføring av elektroner til FAD.

Noen antibiotika, som myxotiazol og stigmatellin, binder seg til Q-bindingsstedene til CoQ, og hemmer overføringen av elektroner fra koenzym Q til Fe-S-sentrene for proteiner.

Cyanid, azid (N3-), svovelsyre og karbonmonoksid hemmer kompleks IV. Disse forbindelsene binder seg til hemmegrupper og forhindrer overføring av elektroner til det binukleære sentrum av komplekset eller til oksygen (O2).

Ved å hemme elektrontransportkjeden stoppes energiproduksjonen ved oksidativ fosforylering, noe som forårsaker alvorlig skade og til og med død for kroppen.

referanser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Essensiell cellebiologi. New York: Garland Science. 2. utgave.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). Cellen. (s. 397-402). Ed. Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Lærebok for biokjemi: med kliniske korrelasjoner. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH, & Grisham, CM (2008). Biokjemi. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biokjemi (nr. 577.1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokjemi. Panamerican Medical Ed.