Solunum zinciri

Solunum zincirinin kompleksler (I, II, III ve IV) ve mitokondrinin iç zarındaki ATP sentaz (kompleks V) ile şematik temsili . Yukarıda: Elektronlar, NADH'nin NAD + ' ya oksidasyonu yoluyla kompleks I yoluyla beslenir . Elektronlar ile taşınan koenzim Q için karmaşık III üzerinden ve ayrıca sitokrom C için karmaşık IV bunlar, azaltmak , oksijen (O 2 ) su. Alt: elektronlar ile beslenir kompleks II oksidasyonu yoluyla süksinat için fumarat . Burada da elektronlar koenzim Q yoluyla kompleks III'e ve ayrıca sitokrom c yoluyla oksijeni (O 2 ) suya indirgediği kompleks IV'e taşınır .
Ebeveyn
Elektron taşıma zinciri
Hücre solunumu
Oksidatif fosforilasyon
Ast
Solunum zinciri hücre membranı
mitokondriyal zarın Solunum zinciri
Gen ontolojisi
QuickGO

Solunum zinciri parçası olan enerji metabolizmasının çoğu canlılar . Bir yandan terimi solunum zinciri temsil eder , bir metabolik yol , yani bir zincir biyokimyasal -kimyasal redoks reaksiyonları için diğer ardına gerçekleşen yaşam varlıklar enerji üretmek için kullanımı, ve diğer taraftan da tamamını protein komplekslerinin metabolik yola katılmak .

Solunum zinciri, elektron taşıma zincirinin özel bir durumudur ve kemiosmoz ile birlikte oksidatif fosforilasyon sürecini oluşturur .

NADH , FMNH 2 ve FADH 2 tarafından sağlanan elektronlar, bir dizi redoks işleminde bir oksitleyici maddeye aktarılır . Böylece - özellikle sahip ökaryotlar - exergonic reaksiyonu , hidrojen (H 2 ) ve oksijen (1/2 O 2 su) tek tek adımları ayrılmıştır. Bunun yerine, bir bölgesinin potansiyel olarak patlayıcı ısı gelişimi, serbest bırakılan enerji kullanılır sentezlenmesi için evrensel “enerji para birimi” hücre , ATP , gelen ADP ve fosfat ( oksidatif fosforilasyon ). Hidrojen ve elektron taşıyıcıları NADH ve FADH 2 bağlı elektronlar ve örneğin dış elektron donör oksidasyonundan kaynaklanan buna bağlı olarak hidrojen - vasıtasıyla Krebs döngüsü bozunmasına - yağ asitleri ve glikoliz .

Ökaryotlarda solunum zinciri, hücre zarındaki prokaryotlarda mitokondrinin iç zarında bulunur . Yağlardan ve şekerlerden başka elektron vericileri ve oksijenden başka elektron alıcıları da vardır.

Elektron taşıma zinciri olarak solunum zinciri

Elektron taşıma zincirleri, elektronları kabul edebilen veya serbest bırakabilen seri olarak bağlanmış bir dizi redoks molekülünden oluşur. Bu zincir yoluyla elektronlar, yüksek enerji seviyelerinden daha düşük seviyelere aktarılırlar, tabiri caizse, tek tek redoks moleküllerinin giderek daha düşük bir enerji seviyesine sahip olduğu adımlarla yokuş aşağı düşer. Ökaryotlarda, I ila IV arasındaki enzim kompleksleri ve iç mitokondriyal membrana gömülü olan hidrojen veya elektron taşıyıcıları ubikinon (koenzim Q) ve sitokrom c , reaksiyon zincirinde yer alır . Elektron taşıma zincirinde yer alan proteinler (kompleksler I - IV) ve elektron taşıyıcıları ubikinon ve sitokrom c bir (karmaşık) redoks sistemi oluşturur .

Elektron taşınması, protonların alınması ve salınmasıyla ilişkilidir. Bu süreçlerin uzamsal organizasyonu yoluyla veya elektron akışının neden olduğu protein yapısındaki konformasyonel değişiklikler aracılığıyla , protonlar (H + ) "taşınır" (gerçek veya net bir etki olarak). Bu, bir "elektrokimyasal proton gradyanı " yaratır (protonların konsantrasyonundaki farktan ve pozitif yüklü protonların çıkarılmasıyla üretilen mitokondri içindeki negatif membran potansiyelinden oluşur). Bu “elektrokimyasal proton gradyan” (enerji proton itici gücü , “PMF”) kullanılır , bir tarafından ATP sentaz iç mitokondriyal zarın proton arka difüzyon yoluyla artık, genel olarak kabul edilmiş olup, kemiosmotik teorinin arasında Peter D. Mitchell , ATP ADP'den ve inorganik Fosfat sentezlemek için (nadir durumlarda ayrıca fruktoz). Bu fosforilasyon, solunum zincirine bağlanmasından dolayı solunum zinciri fosforilasyonu veya oksidatif fosforilasyon (kısaltma: Oxphos ) olarak adlandırılır .

Solunum zinciri komplekslerinin işlevleri

Solunum zincirinin şematik gösterimi

Bir mitokondri , dış zarına ek olarak bir iç zar da içerir . Bu iki zar arasındaki boşluğa zarlar arası boşluk (perimitokondriyal boşluk) denir .
Solunum zincirinin dört kompleksinden üçü, iç mitokondriyal membranı tamamen kaplarken (integral), kompleks II ise “kör” (çevresel) sonlandırır. Bir proton konsantrasyonu farkı arası boşlukta ve iç (arasında oluşturulan matris sonra kullanılan mitokondri, arasında) ATP sentaz için sentez ATP.

Karmaşık I.

NADH: ubikinon oksidoredüktaz veya NADH dehidrojenaz . Bu büyük bir enzim kompleksi (940  kDa azaltılır) NADH , özellikle gelen, sitrik asit döngüsü , ubikinon Ubihydrochinon için (UQ ya da Q) da ubikinol (UQH 2 veya HY 2 göz önüne alındığında). Kompleks, birlikte karakteristik L şeklini oluşturan iki bölümden oluşur. Flavin içeren nükleotidler ( FMN ) ve demir-kükürt merkezleri , redoks reaksiyonunu katalize etmek için bir ünitede protez gruplar olarak gereklidir. Redoks reaksiyonları ile ilişkili elektron taşınması nedeniyle, oksitlenmiş NADH başına 3-4 proton zarlar arası boşluğa pompalanır. Proton taşınması ile eşleşmenin, enzimin konformasyonel bir değişikliği yoluyla meydana geldiği varsayılmaktadır.

Karmaşık II

Süksinat: ubikinon oksidoredüktaz veya süksinat dehidrojenaz . Kompleks II, sitrik asit döngüsünden elde edilen süksinat dehidrojenaz enzimidir. Sitrik reaksiyon sırasında asit döngüsü, süksinat olan okside etmek fumarat . FAD , enzimdeki protez grubudur. Elektronlarını kompleks II'de ubihidrokinona indirgenen ubikinona aktarır. Kompleks II ayrıca kompleks I gibi demir-kükürt merkezleri içerir; ancak, zarlar arası boşluğa hiçbir proton pompalanmaz.

Karmaşık III

Ubihidrokinon (ubiquinol): sitokrom c oksidoredüktaz veya sitokrom c redüktaz . Kompleks III'te Q döngüsü , asimetrik absorpsiyon ve proton salımı yoluyla proton konsantrasyonu farkının oluşmasına katkıda bulunur. Ubikuinolden oksidasyonu (HY boyunca 2 ubiquinone (Q) için), sitokrom bir molekülü , c bir düşük (ubikuinolden) serbest her bir elektron için bir döngüde ve iki proton arası boşlukta salınır. İkinci elektron birinci mitokondriyal matris üzerinde bir bağlanma yerinde bir ubiquinone azaltır serbest radikal ubisemiquinone (HY), daha sonra Qh için 2 iki proton matristen emilir ve böylece.

İki yarı döngüden sonra, ubiquinol molekülü başına dört proton, zarlar arası boşluğa salınır, mitokondriyal matristen iki proton çıkarılır ve iki sitokrom c indirgenir. Kompleks III'te, iki elektronlu bir taşıyıcıdan (ubiquinol) tek elektronlu bir taşıyıcıya (sitokrom c ) bir sapma gerçekleşir.

Karmaşık IV

Sitokrom c : O 2 oksidoredüktaz veya sitokrom c oksidaz . Kompleks IV'te sitokrom c oksitlenir ve oksijen suya indirgenir. Açığa çıkan enerji, zarlar arası uzay pompasındaki matris uzayından protonlar için kullanılır .

Kompleks IV'te sitokrom c oksitlenir ve komplekse bir elektron aktarılır. Dört elektronun (e - ) ardışık transferinden sonra, bağlı bir oksijen molekülü iki su molekülüne (H 2 O) indirgenebilir. Bunun için gerekli olan dört proton (H + ) matristen çekilir. Açığa çıkan enerji indirgenmesi esnasında oksijen için su arası boşluğa iç mitokondriyal zarın üzerinden matristen oksijen, molekül başına bir dört proton pompa enzim tarafından kullanılır. Bu, uzamsal yapıdaki değişiklikler aracılığıyla olur: Bir konformasyonda, bir protein H + için yüksek bir afiniteye sahiptir ve bu nedenle bir protonu kabul eder. Zıt konformasyonda düşük afinite vardır ve proton zarın dışında salınır.

Sitokrom c oksidaz, protez grupları olarak iki heme a molekülü (hem a ve hem a 3 ) ve kofaktör olarak iki bakır merkezi (Cu A ve Cu B ) olan bir transmembran proteindir . Enzim her oksijen nefes organizmaların hemen hemen tüm oksijen tüketimi (solunum zinciri oksijen ve hidrojen su oluşumu) sorumludur.

Solunum zinciri inhibitörleri

ATP sentazını inhibe eden bir makrolid antibiyotik olan Oligomycin A.

Elektron taşıma zincirini farklı noktalarda engelleyen bir dizi inhibitör tanımlanmıştır:

  • Rotenone ve amobarbital (Amytal) kompleks I'i (NADH oksidaz) inhibe eder. Bununla birlikte, FADH2'den kompleks II'ye elektron transferi etkilenmediğinden, oksidatif fosforilasyon yine de gerçekleşebilir.
  • Malonat ve bazı fungisitler (SDHI) kompleks II'yi (süksinat dehidrojenaz) inhibe eder.
  • Antibiyotik antimisin A, kompleks III'ü (sitokrom c redüktaz) inhibe eder ; engeller transferini elektron gelen sitokrom b sitokrom için c1 ; Kompleks III'te antimisin A'nın etki bölgesinin önündeki solunum zincirinin bileşenleri azalmış halde kalır, arkada ise oksitlenmiş kalır. Bu, kompleks IV'te oksijen tüketimini ve kompleks V'de ATP'nin sentezini engeller. Sınıfından fungisitler de strobilurinler Q noktasında III inhibe kompleks o .
  • Siyanürler , azidler ve karbon monoksit kompleks IV'ü (sitokrom c oksidaz) inhibe eder ; bu moleküller, oksijen için bağlanma bölgesini bloke eder . Sonuç olarak, bu, solunum zincirinin bileşenlerinin tamamen azaldığı ve solunum zincirinin durduğu bir sonuç olarak elektron birikmesine yol açar. Siyanür zehirlenmesi damarların kırmızı görünmesine neden olur çünkü arteriyollerdeki hemoglobinden gelen oksijen, orada tüketilmediği için hücrelere yayılamaz. Oksijenden zengin kan damarlara bu şekilde girer.
  • antibiyotik oligomisin, ATP sentazını kendi ağına bağlanarak inhibe eder (F o kısmı, o, olygomycin duyarlılığı için), bu, proton gradyanının çok daha yavaş parçalandığı anlamına gelir. Sonuç olarak, bu gradyanı korumak için elektron akışı önemli ölçüde azalır ve oksijen tüketimi azalır. Oligomycin ayrıca bir ayırıcı görevi görür. İlgili literatürde, F 0 (sıfır) ve F o arasında bir ayrım yapılmamaktadır .
  • Diyabet ilacı olan metformin gibi biguanidler, muhtemelen kompleks I'i inhibe ederek etki eder.

Solunum zincirinin daha önce bahsedilen tüm inhibitörleri, oksijen tüketiminin azalmasına yol açar. Ayrıştırıcılar olarak bilinen inhibitörler farklı davranır.

Solunum zincirinin ayırıcısı

Ayırıcılar ( protonoforlar ) mitokondriyal membran potansiyelini (proton gradyanı) azaltır. Bunu yaparken, oksidasyon ve fosforilasyon arasındaki bağı keserler. Sonuç olarak, I ila IV komplekslerinin elektron taşınması ve işleyişi tamamen gerçekleşir, ancak bu işlem sırasında oluşan proton gradyanı, dekuplör tarafından iptal edilir. Bu, ATP sentezinin oluşamayacağı anlamına gelir. Protonların artık bir elektrokimyasal gradyana karşı yer değiştirmesi gerekmediğinden, kompleksler I'den IV'e kadar olan oksidasyon adımları çok daha hızlı çalışır. Aynı zamanda bu, oksijen tüketiminde artışa neden olur.

Solunum zincirinin yapay ayrıştırıcısı olan FCCP

Edebiyat

  • M. Saraste: Sonda oksidatif fosforilasyon . In: Science , Cilt 283, 1999, No. 5407, sayfa 1488-1493, PMID 10066163 .
  • Löffler, Petrides: İnsan biyokimyası . 7. baskı.

İnternet linkleri

Bireysel kanıt

  1. ↑ a b Bruce Alberts ve diğerleri: Hücrenin moleküler biyolojisi . 4. baskı. New York 2002, s. 773-793
  2. ↑ RG Efremov, R. Baradaran, LA Sazanov: Solunum kompleksi mimarisi I. In: Nature . Cilt 465, sayı 7297, Mayıs 2010, sayfa 441-445, doi: 10.1038 / nature09066 . PMID 20505720 .
  3. ↑ JM Berg, JL Tymoczko, L. Stryer: Biyokimya . 6. baskı. Spektrum-Verlag, 2007.
  4. ↑ Bruce Alberts ve diğerleri: Hücrenin moleküler biyolojisi . 4. baskı. New York 2002, s. 791
  5. ↑ Todd A. Swanson, Sandra I. Kim, Marc J. Glucksman: BRS Biyokimya, Moleküler Biyoloji ve Genetik . 5. baskı. Lippincott Raven, 2010, ISBN 978-0-7817-9875-4 , s.89 .
  6. ↑ LS Huang, D. Cobessi ve diğerleri: Solunum zinciri inhibitörü antimisinin mitokondriyal bc1 kompleksine bağlanması: yeni bir kristal yapı, değiştirilmiş bir molekül içi hidrojen bağlanma modelini ortaya çıkarır. İçinde: Moleküler biyoloji dergisi . Cilt 351, sayı 3, Ağustos 2005, sayfa 573-597, doi: 10.1016 / j.jmb 2005.05.053 . PMID 16024040 . PMC 1482829 (ücretsiz tam metin).
  7. ↑ HR Bridges, VA Sirviö ve diğerleri: Mitokondriyal solunum kompleksi I'in hedeflenmesi ve AMP kinazın aktivasyonu için gerekli biguanidlerin moleküler özellikleri. İçinde: BMC biyolojisi. Cilt 14, Ağustos 2016, s. 65, doi: 10.1186 / s12915-016-0287-9 , PMID 27506389 , PMC 4977651 (ücretsiz tam metin).