Az oxidatív foszforiláció egy olyan anyagcsereút , amelyben a tápanyagok oxidációja során keletkező energia ATP formájában raktározódik a sejtek mitokondriumaiban . Bár a Föld különböző életformái különböző tápanyagokat használnak, az ATP egy sokoldalú vegyület, amely más anyagcsere - folyamatokhoz szükséges energiát tárolja. Szinte minden aerob organizmus végez oxidatív foszforilációt. Valószínű, hogy ez az anyagcsereút az anaerob fermentációhoz képest magas energiahatékonysága miatt terjedt el .
Az oxidatív foszforiláció során az elektronok a donor vegyületekről akceptor vegyületekre kerülnek át a redox reakciók során. E reakciók során energia szabadul fel, ami aztán ATP formájában raktározódik. Eukariótákban ezeket a redoxreakciókat a belső mitokondriális membránban több fehérjekomplex hajtja végre , míg a prokariótákban a sejt membránközi terében Ez a kapcsolt fehérjekészlet alkotja az elektrontranszport láncot (ETC). Az eukariótákban az ETC öt fehérjekomplexből áll , míg a prokariótákban sok különböző fehérjéből áll, amelyek különféle elektrondonorokkal és akceptorokkal működnek együtt.
Az elektronok ETC mentén történő mozgása során felszabaduló energiát arra használják, hogy a mitokondriális mátrixból a belső membránon keresztül a protonokat pumpálják a membránközi térbe. Ugyanakkor az elektrokémiai gradiens növekszik , vagyis a protonkoncentrációk és az elektromos potenciálok különbsége a belső membrán két oldalán nő, és így energia halmozódik fel, amely felszabadul, amikor a protonok visszatérnek a mátrixba. Visszatérve a mátrixba, a protonok egy speciális fehérjekomplexen haladnak át - ATP-szintáz ; A protonok elektrokémiai gradiense mentén történő mozgatásának folyamatát kemiomózisnak nevezik . Az ATP-szintáz a kemiomózis során felszabaduló energiát használja fel az ATP-nek az ADP -ből történő szintetizálására egy foszforilációs reakcióban . Ezt a reakciót az ATP szintáz egy részének forgása váltja ki, amelyet a protonok áramlása tart fenn: így az ATP szintáz úgy működik, mint egy forgó molekulamotor.
Míg az oxidatív foszforiláció energiával látja el a sejteket, és életben tartja a sejteket, ez a folyamat reaktív oxigénfajokat is termel , különösen szuperoxidot és hidrogén-peroxidot . Hozzájárulnak a sejtekben a szabad gyökök képződéséhez , amelyek elpusztítják a fehérjéket és károsítják a sejteket, ami betegségekhez és öregedéshez vezet . Az oxidatív foszforiláció enzimei számos biológiailag aktív anyag és méreg célpontjai, amelyek gátolják azok aktivitását.
Az oxidatív foszforilációt meg kell különböztetni a szubsztrát foszforilációtól , amelyben az ATP nem a hordozólánc mentén történő elektron- és protontranszfer energiája miatt szintetizálódik, hanem amikor az ADP ATP-vé foszforilálódik, amikor a foszfátot elvonják a nagy foszfátátviteli potenciállal rendelkező vegyületektől [ 1] ] .
Az oxidatív foszforiláció mechanizmusa azon reakciókon alapul , amelyek során energia szabadul fel ( exergonikus ), hogy olyan reakciókat hajtsanak végre, amelyek energiát igényelnek ( endergonic ). Az elektronok átmenete az elektrontranszport lánc mentén az elektrondonorokról ( például NADH ) az akceptorokra (például oxigénre ) exergonikus folyamat: közben energia szabadul fel. Éppen ellenkezőleg, az ATP szintézise endergonikus folyamat, energia beáramlást igényel. A membránban az ETC és az ATP szintáz fehérjekomplexei helyezkednek el , és az energia az ETC-ről az ATP szintázra közvetve, a kemiomózis során a membránon keresztül történő protonok átvitelének köszönhetően [2] . Lényegében ez a mechanizmus egy elektromos áramkörre hasonlít , amelyben a protonok a membrán negatív töltésű oldaláról (N-oldal) a pozitív töltésű oldalra kerülnek át ETC enzimek hatására, amelyek áramforrásként működnek és protonpumpaként működnek . az ATP-szintáz pedig hasznos teherként működik a láncokban. Az ETC enzimeket képletesen úgy lehet leírni, mint egy akkumulátort , amely fenntartja az elektromos áramot az áramkörben, és forgatja az ATP szintáz motort, bélyegezve az ATP molekulákat. A protonoknak a membránon keresztül történő pumpálása elektrokémiai gradienst hoz létre, amelyet gyakran protonhajtóerőnek is neveznek . Ez a gradiens két összetevőből áll: a protonkoncentráció különbségéből (H + -gradiens, ΔpH) és az elektromos potenciálok különbségéből, valamint az N-oldal negatív töltésű [3] .
A protonok átvitele során tárolt energiát az ATP szintáz munkájához használják fel. A protonok az elektrokémiai gradiens mentén mozognak vissza a membrán N-oldalára [4] , elindítva az enzimmolekula egyes részeinek forgását. Az enzim molekulagépezetének forgása következtében az ADP és a szervetlen foszfát molekulái optimális konfigurációban kerülnek egymáshoz, az ATP szintézis kémiai reakciójának energiagátja leküzdődik, és ezáltal az energiaigényes foszforiláció. Az ADP végrehajtása [5] .
Az ETC és az ATP szintáz munkája szorosan összefügg egymással. Az elektronok ETC mentén történő átvitelének blokkolásakor az ATP képződése felfüggesztődik (az "akkumulátor" lemerül). Ennek az ellenkezője is igaz: az ATP szintáz elnyomása blokkolja az ETC munkáját és az elektronok átvitelét fehérjéin keresztül. Ez azzal magyarázható, hogy az ATP-t szintetizáló ATP-szintáz az enzimben található speciális csatornának köszönhetően visszatér az ETC fehérjék által a membránközi térbe pumpált mátrix protonokhoz. Ha ez blokkolva van, akkor az ETC fehérjék protonokat pumpálnak a membránközi térbe, amíg az elektrokémiai gradiens olyan nagy lesz, hogy leállítja a további protonátvitelt. Az "elektromos áramkör" kinyílik, az elektronok mozgása leáll, és a rendszerben lezajlanak a reakciók [6] .
Az elektrokémiai potenciál két komponense, az elektromos membránpotenciál és a kémiai potenciál különböző módon járul hozzá az ATP szintézis energiaellátásához. A mitokondriumokban a szintetizált ATP nagy része a potenciálkülönbség miatt képződik, az alkalifil baktériumokban pedig az elektromos energia egy része még a külső pH kompenzálására is megy (a baktérium negatív töltése segít a hidroxidionok taszításában ). Ezzel szemben a kloroplasztiszokban a ΔpH nagyobb mértékben járul hozzá az ATP szintéziséhez, bár ott is van egy kis membránpotenciál , amely szükséges az ATP szintéziséhez. A Propionigenium modestum [ fusobaktériumban az ATP-szintáz membrán FO -doménjében az a és c alegységek ellentétes forgását okozza . Ezekből az adatokból az következik, hogy az elektromos potenciál ugyanolyan fontos az ATP szintéziséhez, mint a kémiai potenciál [3] .
A fermentációhoz képest az oxidatív foszforiláció lényegesen nagyobb energiahozamot ad. A glikolízis során a teljes ATP hozam mindössze 2 molekula , azonban az oxidatív foszforiláció során 30-36 ATP molekula szintetizálódik egy glükózmolekula szén-dioxiddá és vízzé történő oxidációja során keletkező 10 NADH és 2 szukcinát molekula miatt. ] , míg a zsírsavak β-oxidációja mintegy 14 ATP-molekulát termel. Figyelembe kell venni, hogy az ATP hozam elméleti, maximálisan lehetséges értékeit fentebb mutatjuk be. A valóságban néhány proton átszivárog a membránon, megkerülve az ATP-szintázt, ami csökkenti az ATP felszabadulását [8] .
Ellentétben a normál differenciált sejtekkel, amelyek elsősorban az oxidatív foszforilációra támaszkodnak energiáért, a rosszindulatú sejtek túlnyomórészt az aerob glikolízisre támaszkodnak . Ezt a jelenséget Warburg-effektusnak nevezik . Nyilvánvalóan a rákos és más gyorsan burjánzó sejtek esetében, amelyeknek gyors biomassza -növekedésre van szükségük , a gyorsabb glikolízis előnyösebb, mint a munkaigényes oxidatív foszforiláció [9] . A rákos sejtek ezen sajátossága (a normál sejtekhez képest megnövekedett glikolízis sebessége) lehetővé teszi egy rákos daganat elhelyezkedésének meghatározását a szervezetben pozitronemissziós tomográfia segítségével [10] .
Az elektrontranszport láncban az elektronok a donortól az akceptor felé haladnak, ezzel párhuzamosan a protonok is átjutnak a membránon. Ezekben a folyamatokban mind az oldható, mind a fehérjéhez kötött transzportmolekulák részt vesznek. A mitokondriumokban az elektrontranszfert a membránközi térben egy vízoldható hordozófehérje, a citokróm c végzi [11] . Ez a fehérje kizárólag elektronokat ad át a vasatom oxidációja és redukciója következtében , amely a fehérje hemcsoportjában található . A citokróm c-t néhány baktériumban is megtalálták, ahol a periplazmatikus térben található [12] .
A zsírban oldódó hordozó koenzim Q a belső mitokondriális membránban működik , amely a redox ciklikus reakciók révén elektronokat és protonokat is szállít [13] . Ez a kis benzokinon molekula rendkívül hidrofób és szabadon mozog a membránban. Amikor Q két elektront és két protont kap, ubikinollá (QH 2 ) redukálódik; amikor a QH 2 két elektront és két protont szabadít fel, újra ubikinonná (Q) oxidálódik. Ezért, ha két enzimet úgy helyezünk el, hogy a Q a membrán egyik oldalán redukálódik, a QH2 pedig oxidálódik a másik oldalon, az ubikinon összekapcsolja ezeket a reakciókat, és protonokat szállít köztük [14] . Egyes bakteriális ETC-kben az ubikinon mellett más kinonok is részt vesznek , például a menakinon [15] .
A fehérjék közötti elektrontranszfer flavin - kofaktorokon [4] [16] , vas-kén klasztereken és citokrómon keresztül történik. Többféle vas-kén klaszter létezik. A legegyszerűbb esetben egy vas-kén klaszter két vasatomból áll, amelyeket két szervetlen kénatom köt össze ; az ilyen típusú klasztereket [2Fe-2S]-ként jelöljük. A második típusú klaszterek, amelyeket [4Fe-4S]-ként jelölnek, négy vasatomot és négy kénatomot tartalmaznak egy kockába rendezve; az ilyen klaszterekben minden vasatomot egy további aminosav , általában cisztein koordinál , a kénatom rovására. A fémionok proton hozzáadása vagy adományozása nélkül vesznek részt a redox reakciókban, így az ETC-ben csak az elektronok fehérjéről fehérjére való átvitelében tudnak részt venni. Az elektronok meglehetősen nagy távolságot tesznek meg a fehérjék között, az energiagát alatt „ugrálva” a fenti kofaktorok egyikétől a másikba [17] . Az elektronok ilyen "ugrása" a kvantum alagút effektusnak köszönhetően válik lehetővé , amely körülbelül 1,4 × 10 -9 m távolságig működik [18] .
Számos katabolikus folyamat, különösen a glikolízis, a trikarbonsav ciklus és a β-oxidáció, a NADH koenzim redukciójával jár együtt. A benne lévő elektronok nagy átviteli potenciállal rendelkeznek, vagyis oxidálva nagy mennyiségű energiát szabadítanak fel. A sejt azonban nem vonja ki belőlük egyszerre az összes energiát – egy ilyen reakció irányíthatatlan lenne. Ehelyett az elektronokat leválasztják a NADH-ról, és egy sor enzimen keresztül eljutnak az oxigénhez, amelyek mindegyike kis mennyiségű energiát szabadít fel, ahogy halad. Ezek az enzimek, amelyek az I–IV. ETC komplexeket alkotják, a belső mitokondriális membránon helyezkednek el. A szukcinát az ETC-ben is oxidálódik , de más ponton vesz részt az oxidatív foszforilációban [19] .
Az eukariótákban ennek az elektronszállító rendszernek az enzimei a NADH oxidációja során felszabaduló energiát használják fel a protonok "pumpálására" a mitokondriális belső membránon keresztül a membránközi térbe. A protonok felhalmozódása a membránközi térben elektrokémiai gradienst hoz létre , és a benne lévő energiát az ATP szintáz tovább használja fel az ATP szintézisére. Az oxidatív foszforiláció az eukarióta mitokondriumokban a legjobban tanulmányozott. Szinte minden eukarióta rendelkezik mitokondriummal, kivéve a Trichomonas vaginalis anaerob protozoont , amely az oxidatív foszforiláció helyett a protonokat hidrogénné redukálja a módosított mitokondriumokban - hidrogenoszómákban [20] .
Az alábbiakban a legjellemzőbb eukarióta légúti enzimeket és szubsztrátokat ismertetjük. A standard elektródpotenciál azt mutatja meg, hogy egy adott anyag oxidációja vagy redukciója során mennyi energia szabadul fel, ahol a redukálószerek negatív, az oxidálószerek pedig pozitív potenciállal rendelkeznek.
légzőszervi enzim | redox pár | Szabványos elektródapotenciál
(volt) |
---|---|---|
NADH-dehidrogenáz | OVER + / NADH | −0,32 [21] |
Szukcinát-dehidrogenáz | FMN vagy FAD / FMNH 2 vagy FADH 2 | −0,20 [21] |
Citokróm-bc 1 komplex | Koenzim Q10 oxidált / Koenzim Q10 redukált | +0,06 [21] |
Citokróm-bc 1 komplex | A citokróm b oxidált / a citokróm b redukálva | +0,12 [21] |
Komplex IV | A citokróm c oxidált / a citokróm c redukált | +0,22 [21] |
Komplex IV | Citokróm a oxidált / Citokróm a redukált | +0,29 [21] |
Komplex IV | O 2 /HO - | +0,82 [21] |
Feltételek: pH = 7 [21] |
A NADH-ubikinon-oxidoreduktáz , más néven NADH-dehidrogenáz vagy komplex I , az első ETC fehérje [22] . Az I. komplex egy nagyon nagy enzim: emlősökben 46 alegységből áll, és molekulatömege meghaladja az 1000 kilodaltont (kDa) [23] . Ennek a komplexnek a szerkezetét csak baktériumokban tanulmányozták részletesen [24] [25] ; összetettebb organizmusokban látszólag csizmára emlékeztet, amelynek nagy része kilóg a membránból [26] . Ennek a komplexnek az egyes fehérjéit kódoló génjei a nukleáris genomban és a mitokondriális genomban egyaránt megtalálhatók , mint sok más mitokondriális fehérjekomplexben [27] .
Ez a komplex katalizálja a NADH oxidációját két elektron átvitelével a Q10 koenzimhez vagy ubikinonhoz (Q):
NADH + Q + 5H + mátrix → NAD + + QH 2 + 4H + membránközi térEz a reakció, akárcsak az egész ETC munkája, a NAD molekulák komplexéhez való kötődéssel kezdődik, két elektron felszabadulásával. Az elektronok a komplex - flavin mononukleotidhoz ( FMN ) kapcsolódó protetikus csoporton keresztül jutnak be a komplexbe . Két elektron vétele után az FMN FMHH 2 -re redukálódik . Ezt követően az elektronok egy sor vas-kén klaszteren haladnak keresztül (a komplexben jelen lévő második típusú protetikai csoportok) [24] . Az I. komplexum [2Fe-2S] és [4Fe-4S] típusú klasztereket is tartalmaz [28] .
Amikor az elektronok áthaladnak ezen a komplexen, 4 proton pumpálódik a mátrixból a membránközi térbe. Ennek konkrét mechanizmusa nem tisztázott, azonban a jelek szerint a folyamat során az I. komplex konformációs változásai következnek be, aminek következtében a fehérje a membrán belső oldala felé eső részével protonokat köt meg és enged ki a membrántérbe [29] . Végül az elektronok áthaladnak a vas-kén klaszterek láncán, és eltalálják a belső membránon belül található ubikinon molekulát [22] . Az ubikinon redukciója szintén proton gradiens kialakulásához vezet, és a mátrixból QH 2 képződése során további két proton pumpálódik a membránközi térbe [30] .
A szukcinát-ubikinon-oxidoreduktáz , más néven szukcinát-dehidrogenáz vagy komplex II , az elektronok második belépési pontja az ETC-ben [31] . Ez az enzim szokatlan abban, hogy része a trikarbonsavciklusnak és az ETC-nek is. A II. komplex négy fehérje alegységből áll, és a FAD kofaktorhoz kötődik . Ezenkívül ez a komplex vas-kén klasztereket és hemet tartalmaz, amelyek nem vesznek részt az ubikinonhoz való elektrontranszportban, de láthatóan fontos szerepet játszanak a reaktív oxigénfajták képződésének csökkentésében [32] [33] . A II. komplex az ubikinon redukciójával aszukcinátot fumaráttá oxidálja. Mivel ez a reakció kevesebb energiát biztosít, mint a NADH oxidációja, a II-es komplex nem szállít protonokat a membránon keresztül, és nem hoz létre proton gradienst.
Szukcinát + Q → fumarát + QH 2 .Egyes eukarióták , például az Ascaris suum parazita féreg rendelkezik a II-es komplexhez hasonló enzimmel, a fumarát-reduktázzal (menakinol: fumarát-oxidoreduktáz vagy QFR), amely fordítottan működik, és oxidálja az ubikinolt a fumarát redukálására . Ez lehetővé teszi, hogy a féreg túlélje a vastagbél anaerob körülményeit, és anaerob oxidatív foszforilációt hajtson végre fumaráttal, mint elektronakceptorral [34] . A II-es komplex másik szokatlan funkciója a Plasmodium falciparum maláriás plazmodiumban figyelhető meg . Itt a II-es komplex oxidázként működik, és regenerálja az ubikinont, amelyet a parazita egy szokatlan pirimidinszintézis -útvonalban használ fel [35] .
(elektrontranszfer flavoprotein) oxidoreduktáz (ETF-Q-oxidoreduktáz) az elektronok harmadik belépési pontja az ETC-ben. Ez az enzim elektronokat vesz el a mitokondriális mátrix elektrontranszport flavoproteinjéből , és ezeket az ubikinon redukálására használja [36] . Összekapcsolja a zsírsavak β-oxidációját és más folyamatokat az oxidatív foszforilációval. Számos acetil-CoA- dehidrogenáz végez különféle szubsztrátok (például zsírsavak) oxidációját, és elektronokat visz át az elektrontranszfer flavoproteinbe (ETF). Az ETF-dehidrogenáz pedig oxidálja ezt a fehérjét, és elektronokat ad át a belső mitokondriális membránban oldott ubikinonnak, ubikinollá redukálva azt, amely aztán belép a légúti elektrontranszport láncba. Az ETF-Q oxidoreduktáz tartalmaz egy flavint és egy [4Fe-4S] típusú vas-kén klasztert, de más légzési komplexekkel ellentétben a membrán felületéhez kötődik, és nem lép át a lipid kettős rétegen [37] .
ETF redukált + Q → ETF oxidált + QH 2 .Emlősökben ez az enzim fontos szerepet játszik a zsírsavak β-oxidációjában, az aminosavak és a kolin katabolizmusában [38] [39] . A növényekben az ETF-Q oxidoreduktáz fontos a túléléshez hosszú sötétségben [40] .
A citokróm bc1 komplexet ubiquinol citokróm c oxidoreduktáznak vagy egyszerűen komplex III - nak is nevezik [41] [42] . Emlősökben ez az enzim egy dimer , és a komplex minden egyes alegysége 11 fehérje alegységből, egy vas-kén klaszterből [2Fe-2S] és három citokrómból áll : egy citokróm c 1 és két citokróm b [43] . A citokrómok legalább egy hemcsoportot tartalmazó elektrontranszport fehérjék. Ahogy az elektronok a fehérje mentén mozognak, a hemben lévő vasatomok redukált állapotból (Fe 2+ ) oxidált állapotba (Fe 3+ ) jutnak át [44] .
A III-as komplex katalizálja az ubikinon egy molekulájának oxidációját és két citokróm c-molekula redukcióját, amely egy hem tartalmú fehérje, amely szabadon mozog a mitokondriumokba. A Q koenzimtől eltérően, amely két elektront képes átvinni, a citokróm c csak egy elektront.
QH 2 + 2 oxidált citokróm c + 2H + mátrix → Q + 2 redukált citokróm c + 4H + membránközi térA III-as komplex reakciómechanizmusa összetettebb, mint más komplexeké, és két szakaszban megy végbe, az úgynevezett Q-ciklust [45] alkotva . Az első szakaszban az enzim egy redukált ubikinont, egy oxidált ubikinont és egy citokróm c-t köt meg, amelyek közül az első, a QH2 oxidálódik , és egy elektron átmegy a citokróm c-be. A QH 2 által kibocsátott két proton a membránközi térbe kerül. A harmadik szubsztrát az ubikinon, amely a második elektront a QH2-hez köti és Q - szemikinon gyökké alakul . Az első két szubsztrát elhagyja az enzimet, de a közbenső ubisemikinon hozzá kötődik. A ciklus második szakaszában megtörténik a második QH 2 molekula kötődése , amely az egyik elektronját átadja egy másik citokróm c molekulának, és 2 proton kerül a membránközi térbe. A második elektron a szemikinon gyökhöz jut és azt QH 2 -re redukálja , míg két protont a mitokondriális mátrixból vesznek el. Ez a csökkentett QH 2 elhagyja az enzimet [46] .
Az ubikinon a membrán belső oldalán redukálódik, a másik oldalon oxidálódik, és a protonok átjutnak a membránon, proton gradienst hozva létre. A III-as komplex által végrehajtott reakció kétlépéses mechanizmusa nagyon fontos, mivel növeli a protonátvitel hatékonyságát. Ha egy Q-ciklus helyett egy QH 2 molekula közvetlenül adná át két elektronját két citokróm c molekulának, akkor a hatásfok fele akkora lenne, mert egy redukált citokróm c molekulánként csak egy proton kerülne át kettő helyett [ 4] .
A citokróm c oxidáz , más néven komplex IV, az utolsó ETC fehérje komplex [47] . Emlősökben ez az enzim rendkívül összetett szerkezetű, 13 alegységet, két hemcsoportot és két rézatomot tartalmaz , amelyeket hisztidin , metionin és glutamát köt össze . Ezenkívül kölcsönhatásba lép egy magnézium- és egy cinkatommal [48] .
A IV. komplex végrehajtja az utolsó ETC-reakciót és elektronokat ad át oxigénnek, valamint 4 protont pumpál a mátrixból a membránközi térbe [49] . Ebben az esetben a végső elektronakceptor, az oxigén vízzé redukálódik. A protonok pumpálása és a mátrix protonok felhasználása az oxigén vízzé redukálására protongradiens jön létre. Általában a IV komplex katalizálja a citokróm c oxidáció és oxigén redukció reakcióját [50] :
4 Citokróm c redukált + O 2 + 8H + → 4 Citokróm c oxidált + 2H 2 O + 4H + .Sok eukarióta szervezet rendelkezik a fent leírtaktól eltérő ETC-kkel, amelyek az emlősökben találhatók. Például a növényeknek alternatív NADH-reduktázai vannak, amelyek a NADH-t a citoszolban oxidálják, nem pedig a mitokondriumokban, és ezeket az elektronokat közvetlenül az ubikinonokhoz továbbítják [51] . Ezek az enzimek nem pumpálnak protont, így redukálják az ubikinont anélkül, hogy megváltoztatnák a mitokondriális membrán elektrokémiai gradiensét [52] . A növényeknek, valamint egyes gombáknak , protistáknak és esetleg egyes állatoknak van egy alternatív oxidáza , amely az elektronokat közvetlenül az ubikinolból az oxigénbe továbbítja [53] [54] [55] .
Az ezen alternatív NADH-reduktázokat és oxidázokat magában foglaló elektrontranszport mechanizmusok alacsonyabb ATP-hozamot mutatnak a teljes ETC-hez képest. Az elektronszállítási út ilyen lerövidítésének előnyei nem teljesen egyértelműek. Ismeretes azonban, hogy alternatív oxidáz képződik stresszhelyzetekre válaszul : hideg, reaktív oxigénfajták képződése, fertőzések és mások, amelyek elnyomják a teljes ETC működését [56] [57] . Ezért az alternatív mechanizmusok növelhetik a szervezet káros hatásokkal szembeni ellenállását, csökkentve az oxidatív stresszt [58] .
Az eredeti ETC modell szerint a légzési komplexek szabadon és egymástól függetlenül helyezkednek el a mitokondriális membránban [59] . Ennek ellenére a jelenlegi adatok azt mutatják, hogy a légzési komplexek magasabb rendű szuperkomplexeket, respiraszómákat alkotnak [60] . E modell szerint a légzési komplexek kölcsönható enzimek halmazává szerveződnek [61] . Ezek a kölcsönhatások lehetőséget adnak a különböző enzimkomplexek közötti szubsztrátok cseréjére, ami növeli az elektrontranszfer sebességét és hatékonyságát [62] . Az emlős szuperkomplexekben egyes komponensek nagyobb számban vannak jelen, mint mások, és egyes adatok szerint az I/II/III/IV komplexek száma és az ATP-szintáz közötti arány körülbelül 1:1:3:7:4 . 63] . Az ilyen modell érvényességével kapcsolatos viták azonban nem csitulnak, és egyes adatok nem állnak összhangban vele [23] [64] .
A szerkezetükben és funkciójukban hasonló eukarióta ETC-kkel ellentétben a baktériumok és az archaeák elektrontranszfer enzimek széles skáláját mutatják, amelyek sokféle vegyszert használnak szubsztrátként [65] . Az eukariótákhoz hasonlóan a prokarióta ETC-kben a szubsztrát oxidációja során felszabaduló energiát arra használják fel, hogy ionokat pumpáljanak át a membránon, és elektrokémiai gradienst hozzanak létre. A baktériumok közül az oxidatív foszforilációt az Escherichia coliban ( E. coli ) lehet a legjobban tanulmányozni , míg az archaeális ETC-k még mindig kevéssé ismertek [66] .
A fő különbség az eukarióta és prokarióta ETC-k között az, hogy a baktériumok és az archaeák sokféle szubsztrátot használnak elektrondonorként és akceptorként, ami lehetővé teszi számukra, hogy sokféle körülmény között túléljenek [67] . Az E. coli légúti szubsztrátok sokféleségét az alábbi táblázat mutatja be.
légzőszervi enzim | redox pár | Szabványos elektródapotenciál
(volt) |
---|---|---|
Formát-dehidrogenáz | Bikarbonát / Formátum | −0,43 |
Hidrogenáz | Proton / hidrogén | −0,42 |
NADH-dehidrogenáz | OVER + / NADH | −0,32 |
Glicerin-3-foszfát-dehidrogenáz | Dihidroxi-aceton-foszfát / glicerin-3-foszfát | −0,19 |
piruvát-oxidáz | Acetát + CO 2 / piruvát | ? |
laktát-dehidrogenáz | Piruvát/ laktát | −0,19 |
D-aminosav-dehidrogenáz | 2-oxosav + ammónia / D -aminosav | ? |
Glükóz-dehidrogenáz | Glükonát / glükóz | −0,14 |
Szukcinát-dehidrogenáz | Fumarát / szukcinát | +0,03 |
Ubiquinol-oxidáz | Oxigén/víz | +0,82 |
Nitrát reduktáz | Nitrát / Nitrit | +0,42 |
Nitrit reduktáz | Nitrit / Ammónia | +0,36 |
Dimetil-szulfoxid-reduktáz | Dimetil-szulfoxid / dimetil-szulfid | +0,16 |
Trimetilamin-N-oxid reduktáz | Trimetil-amin-N-oxid / Trimetil -amin | +0,13 |
Fumarát reduktáz | Fumarát / szukcinát | +0,03 |
Amint fentebb látható, az E. coli képes olyan redukálószereken (elektrondonorokon) növekedni, mint a formiát , hidrogén, laktát , és akceptorként nitrátot , dimetil-szulfoxidot és oxigént használhat. Minél nagyobb a különbség az oxidálószer és a redukálószer standard elektródpotenciáljai között, annál több energia szabadul fel kölcsönhatásuk során. Ezen vegyületek közül a szukcinát / fumarát pár szokatlan , mivel nullához közeli standard elektródpotenciállal rendelkezik. Ezért a szukcinát erős oxidálószer, például oxigén jelenlétében fumaráttá oxidálható, a fumarát pedig erős redukálószer, például formiát jelenlétében szukcináttá redukálható. Ezeket az alternatív reakciókat a szukcinát-dehidrogenáz, illetve a fumarát-reduktáz katalizálja [69] .
Egyes prokarióták csak redox párokat használnak, amelyekben kicsi a különbség a standard elektródpotenciálok között. Különösen a nitrifikáló baktériumok, mint például a Nitrobacter oxidálják a nitritet nitráttá azáltal, hogy elektronokat adnak át oxigénnek. Az ebben a reakcióban felszabaduló kis energiamennyiség elegendő a protonok pumpálásához és az ATP képzéséhez, de nem elegendő a NADH vagy NADPH szintéziséhez , amelyeket aztán felhasználhatnának az anabolizmusban [70] . Ezt a problémát a nitrit-oxidoreduktáz enzim oldja meg , amely elegendő protonhajtóerőt biztosít az elektronok számára, hogy az ellenkező irányba menjenek le az ETC-n, és az I komplex végül a NADH-t szintetizálja [71] [72] .
A prokarióták bizonyos elektrondonorok és akceptorok felhasználását úgy szabályozzák, hogy a környezeti feltételeknek megfelelően megváltoztatják a megfelelő enzimek képződését [73] . Az ilyen rugalmas változások annak köszönhetőek, hogy a különböző oxidázok és reduktázok ugyanazt az ubikinonkészletet használják. Ez lehetővé teszi, hogy az enzimek együtt dolgozzanak, miközben egy közös intermedier, az ubiquinol kapcsolja össze őket [68] .
A metabolikus sokféleségen kívül a prokarióták izoenzimek széles skálájával is rendelkeznek – különböző (azaz különböző gének által kódolt) enzimek, amelyek ugyanazt a reakciót katalizálják . Így két különböző típusú ubikinol-oxidáz működik E. coliban , oxigént használva elektronakceptorként. Erősen aerob körülmények között a baktérium ubikinol-oxidázt használ, amelynek alacsony affinitása az oxigénhez, és elektrononként két protont képes pumpálni. Amikor az oxigénszint csökken, a baktérium átvált egy oxidázra, amely elektrononként csak egy protont pumpál, de nagy affinitása van az oxigénhez [74] .
Az ATP-szintáz , más néven V komplex, az oxidatív foszforiláció terminális enzime. Ez az enzim minden életformában jelen van, és ugyanúgy működik mind a prokariótákban, mind az eukariótákban [75] . Az ATP-szintáz a membrán proton gradiensében tárolt energiát használja fel az ATP ADP-ből és szervetlen foszfátból (Pi ) történő szintetizálására . Különböző becslések szerint egy ATP-molekula szintéziséhez 3-4 proton energia szükséges [76] [77] , és valószínűleg a sejt ezt a számot a körülményektől függően változtathatja [78] .
ADP + P i + 4H + membránközi tér ⇌ ATP + 4H 2 O + 4H + mátrixEz a foszforilációs reakció olyan egyensúlyban van , amely a proton mozgatóerejének változásával eltolható. Proton mozgatóerő hiányában a reakció jobbról balra halad, az ATP hidrolizálódik , és a mátrixból protonok pumpálódnak a membránközi térbe. Ha a proton mozgatóereje nagy, a reakció éppen ellenkezőleg, balról jobbra halad, lehetővé téve a protonok mozgását a gradiens mentén, és ATP-t szintetizálva ADP-ből és foszfátból [75] . Valójában a vakuoláris H + -ATPáz , amely szorosan kapcsolódik az ATP-szintázhoz , ATP-hidrolízist használ protonok pumpálására, és így bizonyos sejtkompartmentek savanyítására [79] .
Az ATP-szintáz egy nagy gomba alakú fehérjekomplex. Emlősökben 16 alegységből áll, tömege körülbelül 600 kDa [80] . Az enzim membránon belüli részét FO -nak nevezzük , és gyűrűben és protoncsatornában szerveződő alegységekből áll. A mátrixba kiálló "szárat" és "fejet" F 1 -nek jelöljük , amelyben az ATP szintetizálódik. Az F 1 végén található globuláris „fej” hat, két különböző típusú fehérjéből áll (három α-alegység és három β-alegység) [81] . Mind az α, mind a β alegység képes megkötni a nukleotidokat, de csak a β alegység képes katalizálni az ATP szintézist. Az enzim „fejét” és a membránon belüli részét egy hosszú rúd alakú γ-alegység köti össze [82] .
Amikor a protonok az ATP-szintáz egy csatornáján keresztül belépnek a membránba, az FO forogni kezd [83] . A rotáció oka lehet a c-alegység gyűrűjében lévő aminosavak ionizációjának megváltozása, amely elektrosztatikus kölcsönhatásokat generál, amelyek gyűrű forgását okozzák [84] . A gyűrű az enzim központi tengelyét (a γ-alegységek szárát) forgatja α- és β-alegységekkel. Maguk az α- és β-alegységek azonban megakadályozzák forgásukat, állórészként működnek a "szárhoz" képest. A γ-alegységek végének ez a forgása az α- és β-alegységek labdájában energiával látja el a β-alegységek aktív helyeit , amelyek olyan változásokon mennek keresztül, amelyek ATP képződését és felszabadulását eredményezik [85] .
Az ATP szintézis reakciója magában foglalja az α- és β-alegységek aktív centrumainak ciklikus változásait, amelyek három pozícióban lehetnek ciklikusan egymást helyettesítve [86] . A "nyitott" helyzetben az ADP és a foszfát belép az aktív helyre (barna szektor a jobb oldali diagramon). Ekkor a fehérje "bezár" a molekulák fölé, és gyenge kölcsönhatások miatt hozzájuk kötődik ("gyenge" állapot, piros szektor a diagramon). Ezt követően az enzim ismét megváltoztatja konformációját , és közelebb hozza egymáshoz az ADP és a foszfát molekulákat. Ennek eredményeként az aktív centrum „sűrű” állapotba kerül (rózsaszín szektor), és nagy affinitással megköti az újonnan képződött ATP-molekulát. Végül az aktív helyek visszatérnek eredeti állapotukba, felszabadítják az ATP-t, és megkötik az ADP és a foszfát új részét [87] .
Egyes baktériumokban és archaeákban az ATP szintézist a nátriumionok sejtmembránon keresztüli mozgása váltja ki, nem pedig a protonok mozgása [88] [89] . Egyes archaeák, mint például a Methanococcus , tartalmaznak A 1 A o szintázt, az enzim egy olyan formáját, amely további fehérje alegységeket tartalmaz, amelyek aminosavszekvenciájában hasonlóak a bakteriális és eukarióta ATP szintázok egyes alegységeihez. Lehetséges, hogy egyes fajoknál az enzim A 1 A o formája egy speciális nátrium-ATP-szintáz [90] , de ez nem minden esetben igaz [89] .
A molekuláris oxigén ideális végső elektronakceptor erős oxidálószerként. Az oxigén redukciója azonban potenciálisan veszélyes intermedierek képződésével jár [91] . Míg négy elektron és négy proton átvitele az oxigént ártalmatlan vízzé redukálja, addig egy vagy két elektron átvitele az oxigént szuperoxid , illetve peroxid anionná alakítja , amelyek aktivitásuk miatt rendkívül veszélyesek. A reaktív oxigénfajták és reakciótermékeik, mint például a hidroxilgyök , nagyon veszélyesek a sejtre, mivel oxidálják a fehérjéket és mutációkat okoznak a DNS -ben . Az ilyen sejtkárosodás betegségekhez vezet, és úgy gondolják, hogy ez az öregedés egyik oka [92] [93] .
A citokróm c-oxidáz komplex nagyon hatékonyan redukálja az oxigént vízzé, és nagyon kevés nem teljesen oxidált intermediert termel. Az ETC működése azonban továbbra is kis mennyiségű szuperoxidot és peroxidot termel [94] . Különösen fontos a Q koenzim III komplex általi redukálása, mivel a Q-ciklus során intermedierként képződik a rendkívül aktív ubiszemikinon szabad gyök. Az oxigénnek ez az instabil formája közvetlenül az oxigénhez "szivárogtathatja" az elektronokat, szuperoxidot képezve [95] . Mivel ezeknél a protonpumpáknál a reaktív oxigénfajták képződése a legnagyobb a membránpotenciál magas értékeinél, felmerült, hogy a mitokondrium szabályozza aktivitását, szűk határok között tartva membránpotenciál értékét, megtartva az egyensúlyt a képződések között. az ATP és az oxidálószerek [96] . Így az oxidánsok aktiválhatják a szétkapcsoló fehérjéket , amelyek csökkentik a membránpotenciált [97] .
A sejtben lévő reaktív oxigénfajták ellensúlyozására számos antioxidáns rendszer létezik, köztük antioxidáns vitaminok , például C -vitamin és E -vitamin , valamint antioxidáns enzimek: szuperoxid-diszmutáz , kataláz , peroxidáz [91] , amelyek semlegesítik a reaktív anyagokat. oxigénfajták, és megszünteti a sejt veszélyét [98] .
Számos jól ismert biológiailag aktív anyag és toxin létezik, amelyek gátolják az oxidatív foszforilációt. Bár ezen toxinok bármelyike csak egy ETC enzimet gátol, egy lépés gátlása az egész folyamatot gátolja. Például, ha az oligomicin gátolja az ATP-szintázt, a protonok nem tudnak visszajutni a mitokondriális mátrixba [99] . Ennek eredményeként a protonszivattyúk nem tudnak működni, mert a gradiens túl magas lesz, és nem tudják leküzdeni azt. A NADH oxidációja leáll, ami leállítja a trikarbonsav ciklust: a NAD + koncentrációja túl alacsony lesz ahhoz, hogy enzimei működjenek. Az alábbi táblázat az oxidatív foszforiláció egyéb blokkolóit mutatja be:
Kapcsolatok | Alkalmazás | Hatás az oxidatív foszforilációra |
---|---|---|
Cianidok Szén-monoxid Azidok Hidrogén-szulfid |
Mérgek | Elnyomják az ETC-t azáltal, hogy az oxigénnél erősebb citokróm-c-oxidáz Fe-Cu központjához kötődnek, és ezáltal megakadályozzák annak redukcióját [100] . |
oligomicin | Antibiotikum | Gátolja az ATP szintázt azáltal, hogy blokkolja a protonok áramlását az F o alegységen keresztül [99] . |
Karbonil-cianid-m-klór-fenil-hidrazon 2,4-dinitro-fenol |
Mérgek | Ionofórok , amelyek a proton gradienst rombolják azáltal, hogy protonokat szállítanak a membránon keresztül, és ezáltal elválasztják a protonok membránközi térbe pumpálását az ATP szintézisétől [101] . |
Rotenone | Peszticid | Gátolja az elektrontranszfert az I komplexből az ubikinonba az ubikinon kötőhely blokkolásával [102] . |
Malonátok és oxálacetát | A szukcinát-dehidrogenáz (II-es komplex) versengő inhibitorai [103] . |
Az oxidatív foszforiláció nem minden gátlója méreg. A barna zsírszövetben a szabályozott protoncsatornák, az úgynevezett szétkapcsoló fehérjék elválaszthatják a légzést az ATP-szintézistől [104] . A sejtlégzésnek ez a felgyorsult változata hőt bocsát ki, ami különösen fontos a testhőmérséklet fenntartásának egyik módja hibernált állatoknál , bár ezek a fehérjék általánosabb hatással lehetnek a celluláris stresszre adott válaszre [105] .
Az oxidatív foszforiláció felfedezéséhez vezető út 1906-ban kezdődött azzal, hogy Arthur Harden felfedezte a foszfát alapvető szerepét a sejtfermentációban, de eleinte csak a cukorfoszfátok esetében állapítottak meg ilyen szerepet [ 106] . Az 1940-es évek elején azonban Hermann Kalkar szoros kapcsolatot hozott létre a cukor oxidációja és az ATP képződése között [107] , ezzel megerősítve az ATP központi szerepét az energiaanyagcserében , amelyet Fritz Albert Lipmann javasolt 1941-ben [108] . Később, 1949-ben Morris Friedkin és Albert Lehninger megállapította, hogy a NADH koenzim olyan anyagcsere-folyamatokhoz kapcsolódik, mint a trikarbonsavciklus és az ATP képződése [109] .
A következő húsz évben az ATP képződésének mechanizmusa rejtély maradt, és a tudósok egy megfoghatatlan „nagy energiájú” vegyületet kerestek, amely összekapcsolná az oxidációs és foszforilációs reakciókat [110] . Ezt a rejtvényt Peter Deniss Mitchell fejtette meg, aki 1961-ben publikálta a kemiomózis elméletét [111] . Eleinte ez a modell sok vitát váltott ki, de fokozatosan elfogadták, és 1978-ban Mitchell Nobel-díjat kapott [112] [14] . A későbbi kutatások az oxidatív foszforilációban részt vevő enzimek izolálására és jellemzésére összpontosítottak, ehhez a legnagyobb mértékben az ETC-komplexeket leíró David Green és az ATP-szintázt felfedező Ephraim Wracker járult hozzá [113] . Az ATP-szintáz mechanizmusának végső nyomát Paul Boyer találta meg , aki 1973-ban az ATP-szintáz ciklikus mechanizmusát javasolta, 1982-ben pedig megmagyarázta az enzim F o -alegységének forgásának mechanizmusát [86] [114] . Az oxidatív foszforilációval kapcsolatos munka, amely a későbbi években jelent meg, a folyamat enzimeinek szerkezetének tanulmányozása röntgendiffrakciós elemzéssel , amelyet John Ernst Walker végzett . 1997-ben Boyer és Walker Nobel-díjat kapott [115] .
![]() |
---|