معلومة

19.1: تفاعلات نقل الإلكترون في الميتوكوندريا - علم الأحياء

19.1: تفاعلات نقل الإلكترون في الميتوكوندريا - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

نظرة عامة على النقل الإلكتروني للميتوكوندريا

العامل المؤكسد الرئيسي المستخدم أثناء التمثيل الغذائي الهوائي هو NAD + (على الرغم من استخدام FAD في خطوة واحدة) والذي يتم تحويله إلى NADH. ما لم يتم تجديد NAD + ، سيتوقف تحلل السكر ودورة كريب. يتم ترجمة إنزيمات دورة كريب ونقل الإلكترون في الميتوكوندريا.

عن طريق القياس لآلية الاقتران في ظل الظروف اللاهوائية ، سيكون من المفيد من منظور بيولوجي إذا كان نقل الإلكترون هذا من NADH إلى dioxygen ، وهو تفاعل مفضل من الناحية الديناميكية الحرارية (كما حسبت في دليل الدراسة الأخير - قيمة حوالي -55 kcal / mol ) ، إلى تخليق ATP. إنها! لسنوات ، حاول العلماء العثور على وسيط عالي الطاقة مُفسفر ، مشابه لما يتكون من نازعة هيدروجين الغليسيرالديهيد -3 فوسفات في تحلل السكر ، والذي يمكن أن يؤدي إلى تخليق ATP (والذي يحدث أيضًا في الميتوكوندريا). لا يمكن العثور على أي منها. طرح بيتر ميتشل فرضية مذهلة ، والتي ثبتت صحتها وحصل بسببها على جائزة نوبل في الكيمياء في عام 1978. تبين أن المصدر المباشر للطاقة لتحريك تخليق ATP لا يأتي من وسيط فوسفوري ، بل من بروتون. التدرج عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. توجد جميع مجمعات الإنزيمات في نقل الإلكترون في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ، على عكس الإنزيمات السيتوبلازمية لتحلل السكر. يتشكل تدرج الأس الهيدروجيني عبر الغشاء الداخلي في الميتوكوندريا التنفسية. في نقل الإلكترونات ، يتم تمرير الإلكترونات من ناقلات الإلكترون المتنقلة عبر المجمعات الغشائية إلى حامل متنقل آخر. في البداية ، يقوم NADH بنقل الإلكترونات (2 أكسدة الإلكترون ، خاصية NAD + / NADH) ، إلى مشتق فلافين ، FMN ، مرتبط تساهميًا بالمركب الأول. التي يمكن أن تخضع لنقل 1 أو 2 إلكترون) من خلال المركب إلى حامل الإلكترون المحب للدهون ، يوبيكوينون ، UQ.

يمرر هذا بعد ذلك الإلكترونات عبر المركب III إلى حامل إلكترون متحرك آخر ، وهو بروتين صغير ، السيتوكروم C. ثم يمرر السيتوكروم C الإلكترونات عبر المركب IV ، السيتوكروم C أوكسيديز ، إلى ديوكسجين لتكوين الماء. في كل خطوة يتم تمرير الإلكترونات إلى عوامل مؤكسدة أفضل وأفضل ، كما ينعكس في زيادة إمكانات الخفض المعياري الإيجابية. ومن ثم فإن الأكسدة في كل معقد مفضلة ديناميكيًا حراريًا.

Jmol: تم تحديث Cytochrome C Oxidase Jmol14 (جافا) | JSMol (HTML5)

المركب II (ويسمى أيضًا سكسينات: كينون أوكسيريدوكتاز) هو إنزيم دورة كريب الذي يحفز أكسدة السكسينات إلى فومارات بواسطة FAD (ومن هنا اسمه الآخر: هيدروجيناز السكسينات). لا يشارك في تدفق الإلكترونات من NADH إلى dioxygen الموصوف أعلاه ولكنه يمرر الإلكترونات من السكسينات المختزل إلى ubiquinone لتكوين fumarate و ubiquone المختزل والذي يمكنه بعد ذلك نقل الإلكترونات إلى السيتوكروم C من خلال المركب III. تم حل التركيب البلوري لهذا المجمع مؤخرًا بواسطة Yankovskaya et al. الذين أظهروا أن ترتيب المواقع النشطة للأكسدة في المجمع يقلل من احتمال أكسدة FADH2 المرتبط بالديوكسجين ، مما يقلل من إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية الضارة مثل الأكسيد الفائق.

الرسوم المتحركة لنقل الإلكترون في الميتوكوندريا

جمول: محدث سكسينات ديهيدروجينيز (المركب الثاني) جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

في كل معقد ، تُستخدم الطاقة المنبعثة من الحدث التأكسدي لدفع البروتونات عبر كل معقد من المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء في الميتوكوندريا ، ولا تُستخدم لتكوين أنهيدريد مختلط عالي الطاقة كما رأينا في غليسيرالدهيد -3 تفاعل نازعة هيدروجين الفوسفات. الآلية الفعلية لنقل البروتون غير واضحة.

المركب الأول - NADH-quinone oxidoreductase

الآن دعنا نستكشف نقل الإلكترون بمزيد من التفصيل من خلال النظر في آليات مركبين محددين ، الأول والرابع. قبل ذلك ، انظر إلى عرض تفصيلي لمسار دخول نقل الإلكترون والفسفرة المؤكسدة.

رقم محاصر يمثل رقم لجنة الإنزيم. خريطة KEGG الأصلية مع روابط مضمنة.

المركب الأول - NADH-quinone oxidoreductase

يقع المركب I في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا في حقيقيات النوى وفي غشاء البلازما للبكتيريا. يتكون مجمع Mammalian 1 من 45 وحدة فرعية ، 7 منها مشفرة بواسطة جين الميتوكوندريا. تحتوي البكتيريا على 13-14 وحدة فرعية فقط. لا تزال أهمية الوحدات الفرعية للثدييات غير واضحة. فيما يلي نموذج للرسوم المتحركة والهيكل البلوري الفعلي لمركب Thermus thermophilus (البكتيري). يحفز المجال المحب للماء أو المحيطي نقل الإلكترونات بينما يشارك مجال الغشاء (المشفر بواسطة الحمض النووي للميتوكوندريا) في النقل النشط للبروتونات.

7/10/17: تحتوي روابط Jmol التالية على طرق عرض متعددة لأجزاء من المجمع بالإضافة إلى المجمع بأكمله. يتكرر عدة مرات أدناه.

جمول: المركب 1 جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

نقل الإلكترون

يحدث تدفق الإلكترون من NADH إلى UQ من خلال سلسلة من ناقلات إلكترون واحدة في المجال المحب للماء أو المحيطي للمركب 1. يحدث التسليم الأولي للإلكترونات إلى عامل مساعد فلافين ، FMN ، ثم من خلال سلسلة من مجموعات Fe / S. في الشكل الأيسر أدناه ، تشتمل مستقبلات الإلكترون هذه على مجموعة رباعي النواة Fe / S (يظهر SF4 مملوء فضاء أصفر / أحمر ، ومجموعة ثنائية نواة Fe / S (FE2 / S2) تظهر باللون الأزرق ، وفلافين أحادي نيوكليوتيد FMN موضح باللون الأحمر ، و MN (II) أيون ، الموضح باللون الأرجواني N1a و N1b عبارة عن مجموعات ثنائية النواة و N2 و N3 و N4 و N5 و N6 عبارة عن مجموعات رباعية النواة.

تعتمد الكتلة الرباعية النوى Fe / S على الهيكل الكوبي حيث يحتل Fe و S زوايا متناوبة لمربع في هندسة رباعية السطوح. يتم تنسيق كل Fe أيضًا مع الأنيونات الثيولات. الهيكل الفعلي عبارة عن مكعب مشوه كما هو موضح أدناه ، جنبًا إلى جنب مع بنية الكتلة ثنائية النواة ، والتي تنحرف زاوية ارتباطها أيضًا عن تلك الموجودة في رباعي الوجوه.

العديد من حالات الأكسدة الجزئية المحتملة ذات إمكانات الاختزال القياسية المختلفة ممكنة لمجموعات رباعي النواة Fe / S ، مثلما يحتوي الحمض متعدد البروتينات على قيم pKa متعددة. يتم عرض النوعين المرتبطين بالمركب الأول والمجموعات الرباعية النووية الأخرى أدناه:

أ. FeIIFe3IIIS4 (CysS) 41- + e- Fe2IIFe2IIIS4 (CysS) 42- (إمكانات اختزال قياسية منخفضة)

ب. Fe2IIFe2IIIS4 (CysS) 42- + e- Fe3IIFeIIIS4 (CysS) 43- (إمكانات اختزال قياسية أعلى)

يتم تمرير الإلكترونات منفردة إلى UQ المؤكسد في خطوات إلكترونية واحدة لتكوين UQH2.

يتم تصنيع مجموعات Fe-S في الغالب في الميتوكوندريا حيث تعمل كعوامل مساعدة الأكسدة والاختزال في نقل الإلكترون كما هو موضح أعلاه. إنها موجودة في كل مكان في جميع أشكال الحياة وتؤدي أدوارًا بالإضافة إلى عوامل الأكسدة المساعدة في حد ذاتها لأنها تؤدي أدوارًا هيكلية في البروتينات وتستخدم في إشارات الأكسدة والاختزال داخل الخلية لأنها تغير حالات الأكسدة. تحتوي العديد من البروتينات التي تتفاعل مع الحمض النووي (إنزيمات الإصلاح والبوليميراز والهليازات) على مجموعة Fe-S.

تشير الدلائل إلى أنهم وضعوا أدوارًا مهمة في التطور اللاأحيائي للحياة في غياب الأكسجين كمتقبل نهائي للإلكترون في تفاعلات الأكسدة الخارجية. عندما أصبحت الأكسدة متاحة ، من المحتمل أن تصبح سامة للخلية حيث يمكن لـ Fe2 + المشاركة في تفاعلات (مثل تفاعل فنتون) مما يؤدي إلى توليد أنواع الأكسجين التفاعلي الضارة (مثل الأكسيد الفائق). لمنع السمية ، عند توصيلها إلى السيتوبلازم والنواة ، يجب حملها وتسليمها بواسطة بروتينات تجميع الحديد والكبريت السيتوبلازمي (CIA).

جمول: المركب 1 جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

يحدث نقل البروتون في مجال الغشاء

تشير الأدلة المتاحة إلى أن 4 بروتونات تنتقل من السيتوبلازم إلى الفضاء المحيط بالبروتونات مقابل تدرج تركيز خلال الدورة التحفيزية للمركب الأول في البكتيريا. يبدو أن المرء مرتبط بتقليل UQ في الكتلة الرباعية النووية Fe / S الكتلة N2. تتحرك البروتونات الثلاثة الأخرى عبر مجال الغشاء.

Nqo4 (بالقرب من مجال الغشاء كما هو موضح في مخطط KEGG) تم تورط البقايا في السلسلة D في تدفق H + إلى مجموعة N2. وتشمل هذه ، بدءًا من مجموعة N2 ، H169 ، H170 ، D86 ، R350 ، D401 ، H129 ، R279 ، H89 ، R125 ، E122 ، R249 ، Y257 ، Y254 ، Y260 ، R296 (المخلفات المحفوظة بالخط العريض). يتم تنسيق الكتلة الطرفية N2 بواسطة سلسلتين جانبيتين من Cys الترادفيتين (C45 و C46) والتي في ثيولاتها (شكلها المنفصل) مرتبطة بالحديد في المجموعة. ما هي الخصائص التي تمتلكها هذه الأحماض الأمينية والتي تجعلها مرشحة لتدفق H +؟

يظهر نموذج للإلكترون وتدفق H + أدناه (بعد Berrisford و Sazanov ، JBC ، 284 ، 29773 ، 2009). تم تصوير مجموعات الحديد والكبريت N2 و N6b على أنها O (للأكسدة) أو R (للاختزال). تشير C46 و C45 إلى السيستين الترادفية من الوحدة الفرعية Nqo6 (أقرب مجال الغشاء). تشير Q / QH2 إلى كينون / كينول. Tyr 87 (Y-O) و Glu 49 (D-O) هي مستقبلات البروتون. يشير مسار H إلى مسار توصيل البروتون من العصارة الخلوية إلى السيستين الترادفية. يبدو أن بروتونًا واحدًا من هذه الدورة ينتقل عبر الغشاء. ماذا يحدث للبروتونيين الآخرين الموضحين في الشكل؟

يتم نقل البروتون الإضافي عن طريق مجال الغشاء. نطاقات الغشاء الغشائية NuoL و M و N و A / J / K و H موضحة أدناه. تحتوي المجالات L و M و N على هياكل مشابهة للبروتينات التي تشارك في الحركة المزدوجة لـ K + / H + في اتجاهات متعاكسة عبر الغشاء (مضاد الحمص). توجد حلزونات متقطعة في كل وحدة فرعية. البقايا المحتملة عند الانقطاع المدفون في حلزونات الغشاء هي Glu 144 و Lys 234. هل تتوقع أن تجد هذه مدفونة في الغشاء؟ إذا كانوا جزءًا من قناة غير مفتوحة تتعرض لتغيير توافقي منسق عبر 3 مجالات بروتين غشائية مماثلة ، فكيف سيشاركون في نقل البروتون.

الشكل: المجال الغشائي للمجمع الأول من T. Thermophilus

بالنظر إلى الوحدات الفرعية الثلاث لمضاد الحمل الأيسر L و M و N ، لاحظ وجود حلزون كبير يعمل أفقيًا عبر كل منهم. كيف يمكن لهذا اللولب أن يعمل على ازدواج حركة البروتونات عبر جميع الوحدات الفرعية المضادة للحمل (L ، M ، و N)؟ (تلميح: فكر ميكانيكيًا)

جمول: المركب 1 جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

تثبيط المركب الأول

يتم تثبيط المركب I بواسطة أكثر من 60 عائلة مختلفة من المركبات. وهي تشمل المركب الكلاسيكي الروتينون المانع للمركب الأول والعديد من المبيدات الحشرية / المبيدات الحشرية الاصطناعية الأخرى. تشمل الفصول: الفئة الأولى / أ (النموذج الأولي منها بيريسيدين أ) ، الفئة الثانية / ب (النموذج الأولي منها هو روتينون) والفئة ج (النموذج الأولي هو الكابسيسين). يبدو أنهم ملزمون في نفس الموقع. من بنية النماذج الأولية الثلاثة ، ما هي خصائص حاملة الأدوية ، "رابط الربط المثالي"؟ أين من المحتمل أن يرتبطوا؟ ما مدى "الاختلاط" بموقع الربط؟

ترتبط العديد من الأمراض العصبية المدمرة بعيوب في المركب I بالإضافة إلى المشاكل الرئيسية المتعلقة بإنتاج ATP المؤكسد ، تزداد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). المواقع الرئيسية لتوليد ROS هي المركب 1 والمجمع III. بالنظر إلى مواقع ناقلات الإلكترون في الأطراف والداخلية داخل مجمع البروتين ، ما هي ناقلات الإلكترونات التي قد تسرّب الإلكترونات بسهولة إلى ديوكسجين؟ ما هي أنواع أنواع أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي يُحتمل أن تتشكل في هذه العملية؟

قد تمنع المثبطات الوصول إلى UQ أو التغييرات التوافقية اللازمة للحد النهائي من الجذور الحرة ubiqinone. مثبطات الفئة A تزيد بشكل كبير من إنتاج ROS. الموقع الفعلي لإنتاج ROS في Complex مثير للجدل بعض الشيء. أحد المتبرعين المحتملين للإلكترون للديوكسجين هو FMN. لماذا هذا مرشح محتمل؟ أظهرت المسوخات التي تفتقر إلى كتلة N2 من الحديد والكبريت إنتاج ROS. هل يتوافق هذا مع مشاركة موقع FMN في إنتاج ROS؟

في المستحضرات تحت المتقدرة ، يحدث نشاط طبيعي للمركب I (مما يؤدي إلى تكوين تدرج بروتون مستدام). يمكن أيضًا أن يحدث النقل العكسي للإلكترون ، المدعوم بتدرج بروتوني اصطناعي ، مما يؤدي إلى تقليل NAD + (انظر الرسم البياني أدناه).

الشكل: مجمع نقل الإلكترون العادي والعكسي 1

فيما يلي ملخص لنتائج إنتاج الأكسيد الفائق بواسطة المركب I:

  • يتم تثبيط إنتاج Superoxide مثبطات موقع الفلافين ولكن ليس مثبطات موقع Q.
  • يؤدي النقل العكسي للإلكترون إلى تقليل NAD + و O2
  • يتم منع إنتاج أكسيد الفائق بنقل الإلكترون العكسي بواسطة مثبطات موقع الفلافين و Q

بناءً على هذه النتائج ، ما الموقع ، موقع الفلافين أو موقع Q ، المتورط في إنتاج الأكسيد الفائق؟

المجمع الثالث

المركب الثالث عبارة عن بروتين معقد متعدد الوحدات. الوحدات الفرعية المشاركة في نقل الإلكترون هي السيتوكروم ب ، السيتوكروم ج1وبروتين كبريت الحديد Rieske (ISP). السيتوكروم ب له نصفي. واحد هو cyto b562 وهو ما يسمى أيضًا الهيم منخفض الإمكانات أو العصارة الخلوية بإل. والآخر هو cyto b566 وهو ما يسمى الهيم عالي الإمكانات أو السيتو بح. السيتوكروم ج1 تحتوي الوحدة الفرعية على هيم واحد.

تحتوي روابط Jmol التالية على طرق عرض متعددة للمجمع. يتكرر عدة مرات أدناه.

جمول: المركب الثالث جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

يحتوي بروتين الكبريت الحديدي Rieske على Fe2س2 كتلة الكبريت الحديدي التي تختلف عن مجموعات أخرى من هذا القبيل في أن كل Fe منسق أيضًا مع تغييرين جانبيين ، كما هو موضح في الشكل أدناه. يمكن أن تؤثر التغييرات في روابط H مع الهيستيدينات والكبريتات في المعقد بشكل كبير على إمكانات الاختزال القياسية للكتلة.

جمول: مركز ريسك للمركب الثالث جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

كما هو الحال مع المعقد الأول والرابع ، فإن عملية نقل البروتون والإلكترون هي عمليات مقترنة. ومع ذلك ، على عكس المركب I ، حيث تمر البروتونات عبر مجالات البروتين التي لها تماثل مع K+/ ح+ antiporters ، والمركب IV ، حيث تمر عبر مجموعة من قناة الماء وشبكة H-bond ، يتم نقل البروتونات في المركب III عبر الغشاء الداخلي بواسطة ubiquinone نفسه. اثنين من اليوبيكوينون المختزل (UQH2) من المركب ، أمرر بروتوناتها الأربعة المشتقة من المصفوفة إلى مساحة الغشاء الداخلي. في هذه العملية ، تتم إزالة أربعة إلكترونات في عملية متعددة الخطوات تسمى دورة Q.

الإلكترونان من كل UQH2 تأخذ مسارات مختلفة. ينتقل إلكترون واحد إلى مجموعة Fe / S Rieske والآخر إلى السيتوكروم بإل. انتقلت الإلكترونات إلى مركز ريسك ثم انتقلت إلى السيتوكروم ج1s ثم إلى السيتوكروم C الناقل للإلكترون المتنقل المرتبط بالمجمع في الفضاء بين الجزيئات. انتقلت الإلكترونات إلى cyto bإليتم نقل s إلى السيتوكروم bH في المجمع. على الرغم من أن هذا المسار الأخير ، فإن إلكترونين (من اثنين من UQH2) إلى UQ المؤكسد ، ويتم إضافة اثنين من البروتونات المصفوفة لإصلاح UQH واحد2. ومن ثم ، فإن UQH واحد فقط2 يشارك في صافي التفاعل الموضح أدناه.

QH2 + 2 cyto c3+ + 2 ح+مصفوفة → Q + 2 cyto c 2+ + 4 ح+IMS

يتم توضيح هذا التفاعل الكلي الصافي ، دورة Q ، أدناه. يتم توضيح هذا التفاعل الكلي الصافي ، دورة Q ، أدناه.

مرة أخرى ، لا توجد قنوات "بروتون" أو شبكات مرتبطة بـ H في البروتين لنقل البروتون عبر الغشاء الداخلي.

يوضح الشكل أدناه الموضع النسبي لحامل الإلكترون المتنقل المرتبط ، السيتوكروم C ، والداخلية ، مجموعة Rieske Fe / S و cytochrome bL و bH. لاحظ أيضًا جزيء الوصمة A ، والذي يرتبط بالموقع حيث يتم تقليل UQ (يسمى موقع Qo) ويثبط المركب. هذا يدل على أن UQ / UQH2 هم في وضع يسمح لهم بالتفاعل بسهولة مع Rieske canter و cytochrome bإل الهيم.

جمول: المركب الثالث جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

طريقة أخرى للتفكير في عملية نقل الإلكترون من UQH2 إلى السيتوكروم C هو أن الإلكترونين من UQH2 يسلكان مسارين مختلفين ، أحدهما مسار عالي الإمكانات إلى مركز Rieske ثم إلى السيتوكروم C ، ومسار آخر منخفض الإمكانات إلى bL heme ثم إلى bH heme ثم إلى UQ إلى إصلاح UQH2 (انظر الشكل أعلاه).

يمكن أن ينتج المركب III ، جنبًا إلى جنب مع المركب I ، أنواع الأكسجين التفاعلي غير المرغوب فيها (ROS). ثلاثة فقط من الوحدات الفرعية للبروتين ، السيتوكروم ب (مع بإل وبح hemes) ، السيتوكروم ج1، وبروتين الكبريت الحديدي Rieske (ISP) متورطون في نقل الإلكترون ، لذلك من المحتمل أن يكون أحد هؤلاء متورطًا في إنتاج ROS. تدعم التجارب والنماذج الرياضية آلية تتضمن تقليل UQ بإضافة إلكترون واحد من السيتوكروم bL لتشكيل UQ. الذي يمرر إلكترونته بعد ذلك إلى ثنائي الأكسجين لتكوين أكسيد الفائق (O2-.).

نظرًا لأنه يجب أن يرتبط نوعان من اليوبيكوينون بالمجمع ، يجب أن يكون هناك موقعان قريبان. أحدهما هو موقع Qi حيث يرتبط UQ المؤكسد ويستقبل إلكترونًا. والآخر هو موقع Qo حيث UQH2 يرتب.

من منظور حركي ، أول UQH2 يربط وينقل إلكترونين ، أحدهما إلى مجموعة Rieske (وإلى السيتوكروم ج1 ثم إلى السيتوكروم ج) وواحد إلى السيتوكروم بإل (وإلى الهيم بح) ثم إلى UQ المؤكسد المرتبط في موقع Qi. UQ. الجذري يستقر بواسطة الهيم bH المجاور الذي يحتوي على ألفة أقل للإلكترونات. الآن UQH الثاني2 يرتبط بموقع Qo ، وينقل إلكترونين ، أحدهما عبر مجموعة Rieske والثاني عبر السيتوكروم bL و bH إلى UQ. الحالي الجذري في موقع Qi لتشكيل UQH2 بعد أن يتم نقل بروتونين إليها من المصفوفة.

الآن UQH الثاني2 يرتبط بموقع Qo ، وينقل إلكترونين ، أحدهما عبر مجموعة Rieske والثاني عبر السيتوكروم bإل وبح إلى جامعة كوينزلاند. الحالي الجذري في موقع Qi لتشكيل UQH2 بعد أن يتم نقل بروتونين إليها من المصفوفة.

يرتبط Antimycin A ، وهو عقار شديد السمية ، بموقع UQ Qi وبالتالي يمنع نقل الإلكترون من السيتوكروم بإل بح في موقع Qi. هيم بإل يمكن بعد ذلك تمرير إلكترونها إلى ديوكسجين لإنتاج الأكسيد الفائق.

جمول: المركب الثالث جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

المركب الرابع - أوكسيديز السيتوكروم C (CCOx)

يظهر هيكل المركب IV في الشكل الأيسر وإلى اليمين في رسم تخطيطي مأخوذ من مسارات KEGG (بإذن).

السيتوكروم سي ، "الركيزة" الأولية لهذا المركب ، يسلم الإلكترونات من العامل المساعد الهيم إلى الكتلة النحاسية ثنائية النواة ، CuA. من هناك تتدفق الإلكترونات إلى الهيم a المجاور (الدوران المنخفض) الذي ينقلها إلى الهيم a3 (الدوران العالي) ثم أخيرًا إلى ثنائي الأكسجين المنسق مع Fe في الهيم a3 وإلى CuB المجاور. الهيم a3 Fe: الكتلة ثنائية النواة Cu هي فريدة من نوعها بين جميع الهيم. أي من الهيمين يحتمل أن يكون له في الغالب سلسلتان جانبيتان منسقتان مع الهيم الحديدي؟ واحد؟

13/7/17: روابط Jmol التالية تحتوي على طرق عرض متعددة للمجمع. يتكرر عدة مرات أدناه.

جمول: المركب الرابع جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

أولاً ، دعونا نفكر في نقل الإلكترونات من الهيم a إلى الهيم a3 إلى ثنائي الأكسجين (سننظر في دخول الإلكترونات إلى المركب لاحقًا). ماذا ستكون النتيجة إذا انفصل ثنائي الأكسجين ، وهو ركيزة للتفاعل ، عن الهيم a3 Fe قبل اختزاله تمامًا؟ اقترح سببًا لتطور هذا الإنزيم الرئيسي لإنتاج الهيم a3 Fe: Cu ثنائي النواة. يختلف Heme a و a3 عن الهيم في الهيموغلوبين حيث أن كلاهما يحتوي على مجموعة فورميل تحل محل مجموعة الميثيل ومجموعة هيدروكسي إيثيل فارنزيل المضافة إلى بديل الفينيل. هيكلها مبين أدناه. ما هي شحنتها الإجمالية للهيم في حالتها المختزلة؟ في حالته المؤكسدة؟

كان التحدي الرئيسي هو فهم اقتران الأكسدة والاختزال بالنقل H +. كيف يتم ذلك؟ مجموعة الفورميل الموجودة على الهيم متحد المستوى مع الهيم في كلتا حالتي الأكسدة. كيف يمكن أن يؤثر هذا الانحدار على الشحنة في الهيم؟

الشكل: مجموعة Heme-Formyl من Cytochrome C Oxidase

من الشكل أعلاه ، ما هو نوع التفاعل المحتمل حدوثه بين Arg 38 (R38) ومجموعة الفورميل؟ ما الذي قد يحدث لحالة البروتون في السلاسل الجانبية للبروتينات المجاورة ، وتحديداً Arg 38 (R38) عند اختزال الهيم؟ كيف يمكن لهذا الارتباط نقل الإلكترون والبروتون؟

كيف يمكن "نقل" إلكترون مسافة 20 من مجموعة CuA ثنائية النواة إلى Fe في heme a وفي النهاية إلى dioxygen؟ لا يحدث نقل H + بالحركة الفيزيائية لبروتون فردي من خلال "مسام بروتون". ما هي الآلية الأكثر احتمالا للتحويل؟ ضع في اعتبارك نسبة كتلة البروتون والإلكترون. أيهما أكثر احتمالا لعرض السلوك الموجي؟

تظهر التركيبات البلورية من CCOx المؤكسد والمخفض قنوات مائية و "تجاويف" صغيرة تظهر الحسابات أنها يمكن أن تحتوي على 1-3 جزيئات ماء. ومن ثم فإن المجموعات حول الهيم ، بما في ذلك R38 قابلة للتقييم في الماء. ماذا يمكن أن تكون وظيفة / دور المياه في القناة؟ بعض بقايا الأحماض الأمينية المرتبطة بقنوات المياه موضحة في الشكل أدناه وتشمل R38 ، S34 ، T 424 ، S461 ، S382 ، H413. كيف يمكن لهذه الأحماض الأمينية أن تشارك في نقل البروتون؟ ارسم سهمًا على الرسم البياني يوضح اتجاه تدفق البروتون.

الشكل: نقل البروتون في سيتوكروم سي أوكسيديز

نتيجة أخرى لنقل الإلكترون إلى الهيم أ تتضمن تفاعل S382 ومجموعة farnesyl OH ، والتي تكون قريبة في الفضاء وقريبة من تجويف الماء. كيف يمكن أن يتفاعلوا؟ عند الحد من الهيم ، يحدث تغيير في التشكل مما يؤدي إلى زيادة مجموعة S382-farnesyl OH. ما هو تأثير ذلك على التفاعل بين الاثنين والتشكيل المحلي S382-L381-Val380؟ يبدو أن تجويفًا مائيًا جديدًا يظهر عند الاختزال في هذه المنطقة. كيف يمكن أن يؤثر هذا على انتقال البروتونات من المصفوفة؟

الآن دعونا ننظر في موقع دخول الإلكترونات إلى المركب وكيف يمكن أن تؤثر على نقل البروتون. تظهر الدراسات الهيكلية والوظيفية دورًا رئيسيًا لـ Asp 51 (D51) (انظر الشكل أعلاه). في الحالة المؤكسدة ، تتفاعل D51 مع سلسلتين جانبيتين من OH ومجموعات العمود الفقري amide NH ولكن لا تتعرض للماء. عند الاختزال ، تقع D51 على السطح في بيئة مائية. ارسم كلا السلاسل الجانبية في حالة البروتون المحتملة في كل من المركب المؤكسد والمختزل. ما هي نتيجة هذه الهياكل لنقل البروتون؟

بالقرب من D51 هو Y440-S441. تشكل مجموعة كربونيل العمود الفقري بين 440 و 441 تفاعلًا "غير مباشر" مع R38 والذي أظهرناه سابقًا يتأثر بحالة الأكسدة والاختزال في الهيم أ. إنهم بعيدون جدًا عن تكوين روابط H. أظهر عن طريق إضافة اثنين من المياه كيف يمكن أن يحدث تفاعل بين الكربونيل O والسلسلة الجانبية R38 عبر Y371. أظهر أيضًا كيف أن الماء الذي يتفاعل مع Y371 يشكل أيضًا رابطة H مع الهيم a proprionate.

الشكل: دور الأحماض الأمينية بالقرب من D51 في سيتوكروم سي أوكسيديز

كيف يمكن لهذه المجموعات أن تشارك في آلية نقل البروتون إلى جانب نقل الإلكترون؟ هل تتوقع أن يشارك الكربونيل الفقري في نقل البروتون؟ ارسم آلية تفاعل توضح كيف يمكن أن يؤدي بروتونات الكربونيل O إلى تكوين حمض إيميدك الذي يؤدي إلى انتقال البروتون من العمود الفقري N. أظهر أيضًا إعادة تشكيل رابط الأميد الطبيعي من خلال تفاعل توتومير. لماذا يحدث هذا؟

كيف تتصل D51 بشبكة H Bond هذه؟ في الحالة المؤكسدة ، يتعرض D51 على السطح. كيف يمكن أن يتغير عند الاختزال؟ تم استخدام الطفرات الخاصة بالموقع لتغيير D51. ما هو استبدال الأحماض الأمينية الذي قد يكون هو الأمثل للتأثير على النشاط وليس على طي البروتين؟ تفك الطفرة ازدواج نقل الإلكترون والبروتون. الذي من المحتمل أن يتأثر؟

تم اقتراح مسار نهائي لربط نقل الإلكترون والبروتون. استخدم المعلومات الواردة أعلاه لإكمال العبارات التالية: عندما يتأكسد الهيم ، يكون الأرجون 38 بشكل رئيسي ____________ (بروتونات / منقوصة) لأن _______ متاح من المصفوفة. الجانب 51 هو ______________ (مدفون أو مكشوف) وهو ______________ (بروتونات / منزوعة البروتونات). عند اختزال الهيم ، فإن صافي الشحنة على الهيم __________________ يؤدي ذلك إلى _________ (زيادة التعرض / تقليل التعرض) لـ Asp-51 إلى ___________ (الحيز بين الغشاء ، المصفوفة ، الغشاء) و _______ زيادة / تقليل حجم قناة المياه. ومن ثم فإن جزيئات الماء _____________ (مأخوذة / تحرر من) المصفوفة. إلى جانب هذا ، فإن البروتونات الموجودة في Asp-51 هي ___________ (يتم إطلاقها أو التقاطها من) الفضاء بين الغشاء. heme a ___________ (يزيد أو ينقص) هذا يؤدي إلى _________ (زيادة أو نقصان) ألفة لمجموعة الهيم فورميل للأرج 38. وهذا يؤدي إلى انتقال البروتون __________ (إلى / من) Arg 38 نحو Asp 51. Arg-38 ثم _____________ (تتخلى / تأخذ) البروتونات من جزيئات الماء في قناة الماء.

19/7/17 آليات من هياكل عالية الدقة

فهم أكثر دقة للآلية والارتباط بين H.+ و ه- الحركة مشتقة من الهياكل عالية الدقة التي حددها Yano et al (2016). في نموذجهم (الموضح في الأشكال أدناه استنادًا إلى الشكل المؤكسد للبروتين ، pdb 5b1a) ، تدخل البروتونات من الجانب السالب (المصفوفة) N للمركب عبر قناة مائية وتنتقل إلى الموضع (الجانب بين الغشاء) من خلال a شبكة السندات H (كما هو موضح أعلاه والموضح أدناه). هذه تتألف من H Pathway.

يتم التوسط في الحركة الاتجاهية بواسطة البروتون: تنافر البروتون بمساعدة زيادة في + شحنة الهيم أ عندما ينقل إلكترونًا إلى الهيم a3. بالطبع البروتون: تنافر البروتونات سيحرك البروتونات في كلا الاتجاهين. يتم منع التدفق العكسي عبر قناة المياه من خلال تغيير توافقي في ارتباط الأكسجين الذي يغلق القناة.

في نهاية المطاف ، يتم نقل 4 إلكترونات من السيتوكروم Cs (في خطوات إلكترونية واحدة) إلى مجموعة dicopper ، CuA ، ثم بالتتابع إلى heme a إلى heme a3 (بالقرب من أيون النحاس B) إلى dioxygen لتكوين الماء. تقترن حركة الإلكترونات والبروتونات بالكهرباء الساكنة.

يعطي الشكل أدناه لمحة عامة عن هذه الحركات. النقاط الحمراء الصغيرة هي ذرات الأكسجين لجزيئات الماء الداخلية (تمت إزالة الباقي باستخدام Pymol). يجب أن يكون واضحًا ، بالنظر إلى عدد جزيئات الماء الداخلية وموقعها ، أن العديد منها سيشارك في مسارات انتقال البروتون.

جمول: المركب الرابع جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

الأمر المثير للاهتمام في هذا النموذج هو الوصف التفصيلي لنوعين من البروتونات ، تلك التي تضيف إلى ثنائي الأوكسجين وتنتهي في الماء ، وتلك التي يتم نقلها بشكل متجه إلى IMS. في نموذجهم ، H+s التي يتم نقلها في نهاية المطاف ، تتحرك عبر شبكة المياه والسندات H عبر منطقة ارتباط رابطة H متصلة بـ Mg2+/ كتلة المياه. نظرًا لأن ارتباط الأكسجين يؤدي إلى تغييرات هيكلية تغلق قناة المياه ، يجب ربط جميع البروتونات التي سيتم نقلها إلى IMS في الكتلة قبل ارتباط ثنائي الأكسجين.

يوضح الشكل أدناه أنه في البداية ، 4 ساعات+s التحرك من خلال نظام H إلى Mg2+/ ح2يا الكتلة. يغلق الأوكسجين قنوات المياه. سيؤدي تراكم الشحنات الموجبة هذا بالتأكيد إلى عوامل جذب إلكتروستاتيكية محسنة للمرحلة التالية من التفاعل ، وهي حركة الإلكترونات في العوامل المساعدة للهيم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن 4 H+من المحتمل أن يتم منع s في الكتلة من التسرب إلى الجانب P من خلال الماء القريب (انظر الشكل أعلاه) بواسطة مجموعة البرولين ، والتي من المفترض أن تقيد الحركة الديناميكية للبروتين في تلك المنطقة اللازمة لحركة البروتون. لا يُظهر الشكل تغيرات الشحنة في ناقلات الإلكترون.

يكسر الشكل أدناه الآلية لإظهار إضافة الإلكترون الأول إلى CuA (مجموعة dicopper) ، التي يتم تسليمها من السيتوكروم C ، والنقل اللاحق لبروتون واحد من Mg المحملة بالبروتون بالكامل2+/ تجمع الماء بعد ارتباط ثنائي الاوكسجين. يوضح هذا الشكل التغيرات التدريجية في الأكسدة والاختزال في ناقلات الإلكترون.

بعد أن يتلقى CuA إلكترونًا من السيتوكروم C ، فإنه يتبرع به للهيم أ وليس لهيم a3 ، على الرغم من أن كلاهما قريب. تسهل السالبة الإضافية الموجودة على الهيم أ ضخ البروتون كما هو موضح في مسارات H الموضحة.

جمول: المركب الرابع جمول 14 (جافا) | JSMol (HTML5)

الرسوم المتحركة: ox-phos

ثور فوس متحرك آخر


شاهد الفيديو: سلسلة نقل الإلكترون (قد 2022).


تعليقات:

  1. Aodhhan

    مثالي ، يمكن أن يكون كل شيء

  2. Erkerd

    لكني أحب ذلك ... رائع ...

  3. Brandin

    إنه لأمر مؤسف أنني لا أستطيع التحدث الآن - لا بد لي من المغادرة. سأطلق سراحي - سأعرب بالتأكيد عن رأيي.

  4. Al-Ahmar

    آمل أن يصلوا إلى القرار الصحيح. لا يأس.

  5. Migami

    وجهة النظر الاستبدادية ، بشكل مغر



اكتب رسالة