Informácie

Aký je mechanizmus v mitochondriách, ktorým sa elektróny prenášajú medzi rôznymi cytochrómami?

Aký je mechanizmus v mitochondriách, ktorým sa elektróny prenášajú medzi rôznymi cytochrómami?


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.

A ako sa energia získaná znížením "energetickej hladiny" elektrónu používa na generovanie chemiosmotického gradientu?


Dobrá otázka. Všeobecný obraz elektrónového transportného reťazca ako sekvencie molekulárnych strojov, ktoré prechádzajú pozdĺž "vysokoenergetického elektrónu", je podľa mňa biochemicky dosť zavádzajúci. To, čo sa v skutočnosti deje, je len séria (exotermických) redoxných reakcií uvoľňujúcich energiu. Respiračné komplexy sú enzýmy, ktoré katalyzujú tieto reakcie a spájajú energiu uvoľnenú pri každej reakcii s pumpovaním protónov proti gradientu.

Ako príklad uvažujme reakciu uskutočnenú komplexom I, kde je NADH oxidovaný:

NADH + H$^+$ + CoQ $iff$ NAD$^+$ + CoQH$_2$

Táto reakcia prenáša hydridový ión (H$^-$) nesúci dva elektróny z NADH, ktorý je akceptovaný CoQ. Pretože CoQ je oveľa lepší akceptor elektrónov ako NAD$^+$, táto reakcia je veľmi priaznivá s $Delta G$ približne -85 kJ. Uvoľní sa teda dosť energie a časť tejto energie zachytí komplex I, aby pumpoval štyri protóny cez vnútorný člen.

Všimnite si, že elektróny nejako „necestujú“ cez komplex I. Elektróny sú viazané na molekuly, ktoré sa zúčastňujú redoxnej reakcie. A nedáva veľký zmysel povedať, že „hladina energie“ konkrétneho elektrónu je znížená. Zlúčeniny na pravej strane majú skôr nižšiu voľnú energiu $ G $ celkovo ako zlúčeniny na ľavej strane, a preto reakcia celkovo uvoľňuje energiu (rozdiel vo voľnej energii $ Delta G $ je negatívny). Tiež, ak sa pozriete na chemické štruktúry CoQ a CoQH2 --- a absolútne by ste sa mali pozrieť na štruktúry v biochémii, samotné názvy nie sú veľmi užitočné --- zistíte, že zahrnuté elektróny sú v skutočnosti delokalizované v CoQH2, takže neexistuje spôsob, ako zistiť, ktorý elektrón kam ide.

To isté platí pre ostatné respiračné komplexy. Komplex III oxiduje CoQH$_2$ späť na CoQ tým, že ho spája s redukciou cytochrómu C,

CoQH$_2$ + 2 fericytochróm-C $iff$ CoQ + 2 ferocytochróm-C + 2 H$^+$

Táto reakcia je tiež priaznivá a uvoľnená energia sa opäť používa na čerpanie protónov. Nakoniec komplex IV oxiduje cytochróm C späť a prenáša elektróny na O $ _2 $, čo je tiež redoxná reakcia uvoľňujúca energiu. Reakčné mechanizmy sú samozrejme oveľa komplikovanejšie a zahŕňajú rôzne chemické skupiny viazané na enzýmy, ale toto je čistý výsledok.

Takže „dýchací reťazec“ nie je nejaký dopravný pás pre elektróny; je to sled spojených redoxných reakcií. Čistým výsledkom reakcií komplexu I + III + IV je, že NADH stratil elektróny a kyslík získal elektróny, ale nie sú to nevyhnutne tie isté elektróny a nemá zmysel hovoriť o "energetickej úrovni" elektrónov. kontext. Aby sme pochopili energetiku, musíme sa pozrieť na všetky zahrnuté zlúčeniny a reakcie.


Všetci členovia systému elektronového transportu (ETS) sú usporiadaní v „komplexoch“, zhlukoch enzýmov a ďalších bielkovín. Tieto komplexy sú vo vzájomnej blízkosti, takže medzi nimi môžu prechádzať elektróny. Rôzne cytochrómy a iné manipulátory elektrónov majú rôzne afinity (príťažlivosti) pre elektróny. Tie na začiatku ETS majú menšiu afinitu k elektrónom ako tie na konci. Dôvodom, prečo sa elektróny pohybujú cez ETS, je väčšia príťažlivosť elektrónov nasledujúcimi komplexmi v dráhe. Tieto komplexy sú umiestnené voči sebe tak, že nedochádza k "skratom"; elektróny nepreskočia žiadne kroky nadol ETS. Nakoniec, "nízkoenergetický" elektrón z posledného komplexu je vyčistený tým veľkým elektrónovým kyslíkom.

Energia stratená elektrónom pri prechode medzi nosičmi sa priamo nezhromažďuje na čerpanie protónov. Dôležitosť tejto „straty energie“ je v tom, že robí prenos elektrónov spontánnym procesom, ktorý zaisťuje ich prechod ETS. Typický vstup do ETS zahŕňa NADH darovanie vodíkového iónu matrici a pár elektrónov NADH dehydrogenáze. Elektróny sa nakoniec prenesú do mobilného koenzýmu Q. Ten teraz priťahuje pár vodíkových iónov z mitochondriálnej matrice, ktorá potom indukuje činnosť protónovej pumpy. To pumpuje vodíkové ióny do vnútorného membránového priestoru a vytvára elektrochemický gradient.

Takže vo všeobecnosti príchod elektrónov so sprievodnými iónmi vodíka mení konformáciu (tvar) púmp, ktoré premiestňujú protóny, aby vytvorili gradient. Elektróny sa nakoniec prenesú na kyslík, pričom pomocou niektorých náhradných vodíkových iónov sa vytvorí voda. Toto odstránenie elektrónov umožňuje členom ETS, aby boli vnímaví k ďalšej záťaži elektrónov z NADH.

Odkaz na 2. odsek: http://www.physiologymodels.info/metabolism/ETSOXPHOS/ets.htm Toto je dobrá stránka, kde si môžete prečítať viac a pozrieť si niektoré diagramy, najmä sa zamerajte na druhý panel, "Komplex I".

Odkaz 1. odsek: Molekulárna biológia bunky; Alperts, Watson a kol.


Počas procesu sa vytvára protónový gradient, keď sú protóny čerpané z mitochondriálnej matrice do medzimembránového priestoru bunky, čo tiež pomáha pri riadení produkcie ATP. Použitie protónového gradientu sa často označuje ako chemiosmotický mechanizmus, ktorý riadi syntézu ATP, pretože sa spolieha na vyššiu koncentráciu protónov na vytvorenie „protónovej hybnej sily“. Množstvo vytvoreného ATP je priamo úmerné počtu protónov, ktoré sú pumpované cez vnútornú mitochondriálnu membránu.

Elektrónový transportný reťazec zahŕňa sériu redoxných reakcií, ktoré závisia od proteínových komplexov na prenos elektrónov z donorovej molekuly na akceptorovú molekulu. V dôsledku týchto reakcií vzniká protónový gradient, ktorý umožňuje premenu mechanickej práce na chemickú energiu, čo umožňuje syntézu ATP. Komplexy sú vložené do vnútornej mitochondriálnej membrány tzv cristae v eukaryotoch. Vnútornou mitochondriálnou membránou je uzavretá matrica, v ktorej sa nachádzajú potrebné enzýmy, ako je pyruvátdehydrogenáza a pyruvátkarboxyláza. Proces možno nájsť aj u fotosyntetických eukaryotov v tylakoidnej membráne chloroplastov a u prokaryotov, avšak s modifikáciami.

V reťazci transportu elektrónov sa používajú vedľajšie produkty z iných cyklov a procesov, ako je cyklus kyseliny citrónovej, oxidácia aminokyselín a oxidácia mastných kyselín. Ako je vidieť na celkovej redoxnej reakcii,

energia sa uvoľňuje pri exotermickej reakcii, keď elektróny prechádzajú cez komplexy, vytvárajú sa tri molekuly ATP. Fosfát nachádzajúci sa v matrici sa importuje cez protónový gradient, ktorý sa používa na vytvorenie väčšieho množstva ATP. Proces generovania väčšieho množstva ATP fosforyláciou ADP sa označuje ako oxidačná fosforylácia, pretože energia okysličovania vodíka sa využíva v celom reťazci transportu elektrónov. ATP generovaný touto reakciou poháňa väčšinu bunkových reakcií potrebných pre život.


Chemiosmóza a oxidačná fosforylácia

Chemiosmóza je pohyb iónov cez selektívne priepustnú membránu smerom nadol po ich elektrochemickom gradiente.

Učebné ciele

Popíšte, ako energia získaná z elektrónového transportného reťazca poháňa chemiosmózu a diskutujte o úlohe vodíkových iónov pri syntéze ATP

Kľúčové informácie

Kľúčové body

  • Počas chemiosmózy sa voľná energia zo série reakcií, ktoré tvoria reťazec transportu elektrónov, využíva na pumpovanie vodíkových iónov cez membránu, čím sa vytvára elektrochemický gradient.
  • Vodíkové ióny v priestore matrice môžu prechádzať len cez vnútornú mitochondriálnu membránu cez membránový proteín nazývaný ATP syntáza.
  • Keď sa protóny pohybujú cez ATP syntázu, ADP sa mení na ATP.
  • Produkcia ATP pomocou procesu chemiosmózy v mitochondriách sa nazýva oxidatívna fosforylácia.

Kľúčové pojmy

  • ATP syntáza: Dôležitý enzým, ktorý poskytuje bunke energiu na použitie prostredníctvom syntézy adenozíntrifosfátu (ATP).
  • Oxidačná fosforylácia: Metabolická dráha, ktorá využíva energiu uvoľnenú oxidáciou živín na produkciu adenozíntrifosfátu (ATP).
  • chemiosmosis: Pohyb iónov po selektívne priepustnej membráne po ich elektrochemickom gradiente.

Počas chemiosmózy nosiče elektrónov ako NADH a FADH darujú elektróny do elektrónového transportného reťazca. Elektróny spôsobujú zmeny konformácie v tvaroch proteínov, aby pumpovali H+ cez selektívne priepustnú bunkovú membránu. Nerovnomerná distribúcia iónov H+ cez membránu vytvára koncentračné aj elektrické gradienty (teda elektrochemický gradient) v dôsledku kladného náboja vodíkových iónov a ich agregácie na jednej strane membrány.

Chemiosmóza: Pri oxidatívnej fosforylácii je gradient vodíkových iónov tvorený elektrónovým transportným reťazcom využívaný ATP syntázou na tvorbu ATP.

Ak by bola membrána otvorená difúzii vodíkovými iónmi, ióny by mali tendenciu spontánne difundovať späť do matrice, poháňané ich elektrochemickým gradientom. Mnohé ióny však nemôžu difundovať cez nepolárne oblasti fosfolipidových membrán bez pomoci iónových kanálov. Podobne vodíkové ióny v priestore matrice môžu prechádzať iba cez vnútornú mitochondriálnu membránu cez membránový proteín nazývaný ATP syntáza. Tento proteín pôsobí ako malý generátor otáčaný silou vodíkových iónov, ktoré ním difundujú, smerom nadol po ich elektrochemickom gradiente. Otáčanie tohto molekulárneho stroja využíva potenciálnu energiu uloženú v gradiente vodíkových iónov na pridanie fosfátu k ADP za vzniku ATP.

ATP syntáza: ATP syntáza je komplexný molekulárny stroj, ktorý využíva protónový (H+) gradient na vytvorenie ATP z ADP a anorganického fosfátu (Pi).

Chemiosmóza sa používa na vytvorenie 90 percent ATP vytvoreného počas aeróbneho katabolizmu glukózy. Produkcia ATP pomocou procesu chemiosmózy v mitochondriách sa nazýva oxidatívna fosforylácia. Je to tiež metóda používaná pri svetelných reakciách fotosyntézy na využitie energie slnečného svetla v procese fotofosforylácie. Celkovým výsledkom týchto reakcií je produkcia ATP z energie elektrónov odstránených z atómov vodíka. Tieto atómy boli pôvodne súčasťou molekuly glukózy. Na konci dráhy sa elektróny používajú na redukciu molekuly kyslíka na kyslíkové ióny. Extra elektróny na kyslíku priťahujú vodíkové ióny (protóny) z okolitého média a vzniká voda.


Elektrónový transportný reťazec v rámci oxidačnej fosforylácie

Oxidačná fosforylácia je súčasťou väčšieho systému, bunkové dýchanie. 4 kroky bunkového dýchania môžete vidieť na obrázku nižšie. Prvý krok prebieha mimo mitochondrií. Zahŕňa rozklad glukózy, lipidov alebo aminokyselín. Tento krok je tu symbolizovaný iba „glykolýzou“. Pamätajte, že existujú aj iné spôsoby generovania pyruvát a sprostredkuje Krebsov cyklus (cyklus kyseliny citrónovej).

Zostávajúce kroky sa uskutočňujú v mitochondriách. Žlté čiary na obrázku predstavujú generáciu redukovaných koenzýmov alebo molekúl, ktoré nesú elektróny. Zatiaľ čo časť ATP sa vytvára počas glykolýzy a cyklu kyseliny citrónovej, väčšina sa generuje prostredníctvom oxidačnej fosforylácie. Elektrónový transportný reťazec je symbolizovaný červeným schodiskom, ktoré predstavuje postupné uvoľňovanie energie z elektrónov. Oranžové šípky predstavujú ATP syntázu, ktorá vytvára ATP prostredníctvom protónovej hybnej sily.


Elektrónový transportný systém mitochondrií

Vo vnútornej membráne sú zabudované proteíny a komplexy molekúl, ktoré sa podieľajú na procese nazývanom transport elektrónov. Elektronický transportný systém (ETS), ako sa nazýva, prijíma energiu z nosičov v matici a ukladá ju do formy, ktorú je možné použiť na fosforyláciu ADP. Je známe, že dva energetické nosiče darujú energiu ETS, a to nikotín adenín dinukleotid (NAD) a flavín adenín dinukleotid (FAD). Redukovaný NAD prenáša energiu do komplexu I (NADH-koenzým Q reduktáza) elektrónového transportného reťazca. FAD je viazaná časť sukcinátdehydrogenázového komplexu (komplex II).

Znižuje sa, keď substrát sukcinát viaže komplex.

Čo sa stane, keď sa NADH naviaže na komplex I? Viaže sa na prostetickú skupinu nazývanú flavínmononukleotid (FMN) a okamžite sa reoxiduje na NAD. NAD je "recyklovaný" a funguje ako raketoplán energie. Čo sa stane s atómom vodíka, ktorý sa uvoľní z NADH? FMN prijíma vodík z NADH a dva elektróny. Tiež zachytáva protón z matrice. V tejto redukovanej forme odovzdáva elektróny železo-sírovým zhlukom, ktoré sú súčasťou komplexu, a tlačí dva protóny do medzimembránového priestoru.

Povinné nútenie protónov do medzimembránového priestoru je kľúčovým konceptom. Elektróny nemôžu prejsť komplexom I bez vykonania translokácie protónov. Ak zabránite translokácii protónov, zabránite transportu elektrónov. Ak zabránite transportu elektrónov, zabránite translokácii protónov. Udalosti sa musia odohrať spoločne alebo sa nemusia odohrať vôbec.

Nosiče elektrónového transportu sú špecifické v tom, že každý nosič prijíma elektróny (a s nimi spojenú voľnú energiu) zo špecifického typu predchádzajúceho nosiča. Elektróny prechádzajú z komplexu I na nosič (koenzým Q), ktorý je sám o sebe zabudovaný v membráne. Z koenzýmu Q prechádzajú elektróny do komplexu III, ktorý je spojený s ďalšou udalosťou translokácie protónov. Všimnite si, že cesta elektrónov je od komplexu I ku koenzýmu Q ku komplexu III. Komplex II, sukcinátdehydrogenázový komplex, je samostatným východiskovým bodom a je nie súčasťou dráhy NADH.

Od komplexu III vedie cesta k cytochrómu c a potom ku komplexu IV (komplex cytochróm oxidázy). Viac protónov je translokovaných komplexom IV a práve na tomto mieste sa viaže kyslík spolu s protónmi a pomocou elektrónového páru a zostávajúcej voľnej energie sa kyslík redukuje na vodu. Pretože molekulárny kyslík je dvojatómový, na dokončenie reakčnej sekvencie na redukciu kyslíka sú v skutočnosti potrebné dva elektrónové páry a dva cytochrómoxidázové komplexy. Tento posledný krok v transporte elektrónov slúži kritickej funkcii odstraňovania elektrónov zo systému, takže transport elektrónov môže fungovať nepretržite.

Redukcia kyslíka nie je samoúčelná. Kyslík slúži ako akceptor elektrónov, čím uvoľňuje cestu pre nosiče v sekvencii, ktoré sa majú reoxidovať, aby transport elektrónov mohol pokračovať. Vo vašich mitochondriách, v neprítomnosti kyslíka alebo v prítomnosti jedu, akým je kyanid, nie je žiadny výstup pre elektróny. Všetky nosiče zostávajú znížené a produkty Krebs sa dostanú do nerovnováhy, pretože niektoré Krebsove reakcie vyžadujú NAD alebo FAD a niektoré nie. To vás však v skutočnosti nezaujíma, pretože ste už mŕtvy. Účelom transportu elektrónov je zachovať energiu vo forme chemiosmotického gradientu. Gradient je možné využiť na fosforyláciu ADP, ako aj na iné účely. Po zastavení aeróbneho metabolizmu je poškodenie buniek okamžité a nezvratné.

Od sukcinátu je sekvencia komplexu II ku koenzýmu Q ku komplexu III k cytochrómu c ku komplexu IV. Za vstupným bodom teda existuje spoločná dráha transportu elektrónov, buď komplex I alebo komplex II. Protóny nie sú translokované v komplexe II. Z reakcie sukcinátdehydrogenázy nie je k dispozícii dostatok voľnej energie na zníženie NAD alebo na pumpovanie protónov na viac ako dvoch miestach.

Je ETS sekvencia?

Pred vývojom modelu membrán s tekutou mozaikou bol ETS zobrazený ako reťazec, v ktorom bol každý komplex fixovaný v polohe voči ďalšiemu. Teraz sa uznáva, že zatiaľ čo komplexy tvoria v tekutinovej membráne „ostrovy“, pohybujú sa nezávisle na sebe a keď sú vo vzájomnej blízkosti, vymieňajú si elektróny. Učebnice nevyhnutne ukazujú ETS ako fyzickú sekvenciu komplexov a nosičov. To má neúmyselný účinok, ktorý naznačuje, že sú všetky uzamknuté na mieste. Tekutá povaha membrán umožňuje, aby výmena elektrónov prebiehala v skúmavke obsahujúcej fragmenty membrány.

Umiestnenie komplexov ETS na vnútornej membráne má dva hlavné dôsledky. Vznášaním sa v dvojrozmernom priestore je pravdepodobnosť výmeny nosičov oveľa vyššia, ako keby boli v riešení v trojrozmernom priestore matice. Sú vystavené matricovej strane membrány, samozrejme, kvôli prístupu k sukcinátu a NADH, ale majú obmedzenú pohyblivosť. Za druhé, umiestnenie ETS na vnútornej membráne im umožňuje vytvoriť chemiosmotický gradient.

Elektrónové dráhy a inhibícia

Inhibítory transportu elektrónov pôsobia tak, že viažu jeden alebo viacero nosičov elektrónov, čím priamo bránia transportu elektrónov. Zmeny v rýchlosti disipácie chemiosmotického gradientu nemajú pri takejto inhibícii žiadny vplyv na rýchlosť transportu elektrónov. V skutočnosti, ak je transport elektrónov zablokovaný, chemiosmotický gradient sa nedá udržať. Bez ohľadu na to, aký substrát sa používa na prenos elektrónov, je známe, že mitochondrie používajú iba dva vstupné body do systému prenosu elektrónov. Dôsledkom existencie oddelených ciest pre vstup elektrónov je, že inhibítor ETS môže ovplyvniť jednu časť cesty bez toho, aby zasahoval do inej časti. Dýchanie môže stále nastať v závislosti od výberu substrátu.

Inhibítor môže kompetitívne blokovať transport elektrónov nevratným naviazaním na väzbové miesto. Napríklad kyanid viaže cytochrómoxidázu, aby zabránil naviazaniu kyslíka. Transport elektrónov sa zníži na nulu. Dýchajte všetko, čo chcete – nemôžete použiť žiaden kyslík, ktorý prijmete. Rotenón sa na druhej strane viaže konkurenčne, takže je povolené prúdenie elektrónov. Rýchlosť transportu elektrónov je však príliš nízka na udržanie gradientu.


Oxidačná fosforylácia

Abstrakt:

Elektrónový transportný reťazec (ETC) je hlavným spotrebiteľom O2 v bunkách cicavcov. ETC prenáša elektróny z NADH a FADH2 do proteínových komplexov a mobilných nosičov elektrónov. Koenzým Q (CoQ) a cytochróm c (Cyt c) sú mobilné elektrónové nosiče v ETC a O2 je konečným príjemcom elektrónov. Malát a glycerol 3-P raketoplány regenerujú cytoplazmatický NAD+ na glykolýzu a dodávajú redukčné ekvivalenty mitochondriálnemu ETC. Inhibítory oxidatívnej fosforylácie zastavujú bunkové dýchanie. Odpojovače oddeľujú oxidáciu od fosforylácie a pomáhajú vytvárať teplo, keď sa zvieratá prispôsobujú chladu.


Mitochondrie a bunková smrť

V mnohých modeloch bunkového poškodenia alebo choroby je nevratnosť bunkového poškodenia primárne určená aspektmi mitochondriálnej biológie. Bunková smrť je v zásade klasifikovaná ako apoptotická alebo nekrotická – naprogramovaná alebo náhodná –, hoci hranice medzi formami bunkovej smrti nie sú vždy tak jasne definované. Apoptotická bunková smrť hrá kľúčovú úlohu v ranom vývoji a neskôr v živote, pri odstraňovaní buniek, ktoré sú poškodené bez straty energie spojenej s nekrotickou bunkovou smrťou. Apoptóza je energeticky závislý, aktívny a koordinovaný proces, zatiaľ čo nekróza je typicky výsledkom metabolického zlyhania vedúceho k energetickému kolapsu, rozpadu iónových gradientov, opuchu buniek a štrukturálnej dezorganizácii.

Hlavným mechanizmom, ktorý poháňa smrť nekrotických buniek, je otvorenie mPTP. Otváranie pórov sa podieľa na stále narastajúcom množstve chorobných stavov v mnohých rôznych tkanivách, hoci najsilnejší experimentálny prípad pravdepodobne spočíva v bunkovej smrti počas ischémie a reperfúzneho poškodenia srdca. Je to dôležité a vzrušujúce, pretože pór je životaschopným terapeutickým cieľom, a tak identifikácia jeho zapojenia so sebou prináša dôsledky terapeutických príležitostí.

Prvýkrát opísaný Hunterom a Hapworthom sa neskôr ukázalo, že náhla strata mitochondriálnej permeabilnej bariéry po pridaní Ca2+ alebo prooxidantov je výsledkom otvorenia veľkého póru vodivosti vo vnútornej mitochondriálnej membráne, ktorý je dostatočne veľký na zachytenie deoxyglukózy. Otvorenie pórov spôsobuje kolaps mitochondriálneho membránového potenciálu, depléciu ATP a rýchlu progresiu k bunkovej smrti. Bolo navrhnuté, že póry sú generované transformáciou membránových proteínov s inými ‘normal ’ funkciami do konfigurácie tvoriacej póry –, pričom obľúbeným kandidátom bola translínová bunka adeninového nukleotidu (ANT), pretože tento proteín môže podstúpiť Ca 2+ závislý prechod na konformáciu tvoriacu póry a otváranie pórov je modulované liečivami, ktoré sa viažu na ANT. Nedávne experimenty na tkanivách vyradenej myši ANT vrhli nad tento model otáznik a ponechali molekulárnu identitu pórov neistú. Je však jasné, že otváranie pórov je regulované matricovým proteínom cyklofilínom D (CypD), ktorý sa viaže na cyklosporín A (CsA), čím bráni otváraniu pórov. Ochrana pomocou CsA sa teraz stala meradlom otvárania pórov a teraz sa používa v klinických štúdiách na zapojenie mPTP do rôznych patológií. Úloha mPTP pri bunkovej smrti počas ischémie a reperfúzie v srdci je jasná a jednoznačná a veľkosť infarktu je jasne znížená pri CypD knockout. 60,61 Ochrana proti rôznym patologickým stavom bola teraz preukázaná v CypD knockout, vrátane zníženia poškodenia mozgovou príhodou a ochrany pred experimentálnou alergickou encefalopatiou. 62 Identifikácia bunkovej smrti ako nekrotickej teda nemusí nevyhnutne znamenať, že poškodenie je neliečiteľné.

K programovanej bunkovej smrti alebo apoptóze dochádza prostredníctvom dvoch signálnych dráh: (i) vonkajšia dráha, ktorá zahŕňa receptory na povrchu buniek kulminujúce aktiváciou kaspázy 8 a (ii) vnútorná dráha, ktorá vyžaduje permeabilizáciu mitochondriálnej vonkajšej membrány. 63 Komplexná úloha mitochondrií pri smrti cicavčích buniek bola zvýraznená, keď niekoľko štúdií objasňujúcich rezidentné mitochondriálne proteíny boli schopné stimulovať bunkovú smrť priamo. 2,63,64 Za normálnych bunkových podmienok sa tieto proteíny zdržiavajú v medzimembránovom priestore a ako odpoveď na stimuly smrti sa uvoľňujú do cytosólu. Podporujú bunkovú smrť aktiváciou kaspáz a/alebo inaktiváciou cytosolických inhibítorov tohto procesu. Vnútorná dráha je preto jemnou rovnováhou medzi mitochondriami a rôznymi cytosolickými faktormi a je to práve táto rovnováha, ktorá riadi bunkovú integritu.

Apoptogénne proteíny a mitochondrie

Cytochróm c, základná zložka elektrónového transportného reťazca iniciuje apoptózu, keď sa uvoľní z mitochondrií. 65 Po uvoľnení cytochróm c sa viaže na Apaf-1. Ďalšia stabilizácia a väzba ATP na Apaf-1/cytochróm c komplex vedie k oligomerizácii a tvorbe apoptozómu (obr.ਃ). Tento multimerický komplex odhaľuje domény CARD Apaf-1, čo má za následok otvorenú konformáciu. Tento komplex je schopný získavať prokaspázu-9 a vytvárať aktívny apoptozóm. 66 Je to len kaspáza-9, ktorá môže rozštiepiť a aktivovať následnú popravnú kaspázu-3. Štúdie straty funkcie u myší ukazujú, že knokaut cytochrómu c je embryonálne letálny, avšak na úrovni celého organizmu je ťažké rozlíšiť, či je to do značnej miery spôsobené jeho úlohou pri oxidatívnej fosforylácii alebo bunkovej smrti. Štúdie embryonálnych kmeňových buniek a fibroblastov z týchto myší ukazujú dôležitosť cytochrómu c z hľadiska stimulov smrti. V reakcii na UV, γ-ožarovanie a liečbu chemoterapeutickými liekmi bunky nevykazovali kaspázovú aktivitu a sú v podstate odolné voči apoptóze. 64

Apoptotická aktivácia prostredníctvom vnútornej dráhy. Apoptotické stimuly aktivujú iba proteíny BH3, súčasne inaktivujú Bcl-2 a aktivujú translokáciu Bax do mitochondrií. Bak je držaný v šachu Mcl-1, VDAC2 a Bcl-xL. Výsledkom Bax/bakoligomerizácie je cytochróm c uvoľnenie a MOMP. apaf-1 je aktivovaný cytochrómom c väzba, vytesnenie domény CARD. Apoptozóm sa tvorí s kaspázou-9, pričom aktivuje kaspázu-3 a spúšťa apoptózu.

Bcl-2 bol prvým príkladom onkogénu, ktorý skôr inhibuje bunkovú smrť než podporuje proliferáciu. 67 Rodina proteínov Bcl-2 je rozdelená do dvoch skupín, pro-prežitie (Bcl-xL, Bcl-w, A1 a Mcl-1) a proapoptotické (Bax, Bak, Bok, Bid, Bim, Bad, Noxa a Puma). 68,69 Apoptogénne proteíny môžu byť ďalej klasifikované podľa množstva Bcl-2 homologických domén, ktoré obsahujú. Trieda proteínov len BH3 obsahuje doménu BH3 a amfipatickú špirálu zodpovednú za interakciu s členmi rodiny Bcl-2. Väčšina proteínov iba BH3 sa po stimuloch smrti translokuje do vonkajšej membrány mitochondrií. Premiestnenie do mitochondrií je kritickým a základným štádiom bunkovej smrti, pretože je to interakcia proteínov iba BH3 s proapoptickými členmi rodiny Bcl-2 (Bax a Bak), ktoré podporujú bunkovú smrť. 70 Táto translokácia iba proteínov BH3 nastáva súčasne s konformačnými zmenami a následnou oligomerizáciou Bax a Bak na mitochondriálnom povrchu. 71

V životaschopných cicavčích bunkách sa Bax nachádza v cytosóle s malými množstvami voľne spojenými s povrchom mitochondrií. 72 Bax cykluje na a mimo vonkajšej membrány, kde je retrotranslokovaný do cytosolu pomocou Bcl-xL. 73 Toto môže byť regulačný kontrolný bod na zabezpečenie toho, aby sa hladiny Bax v mitochondriách neakumulovali na úrovne, ktoré vedú k autoaktivácii. Naopak, pri apoptotických podnetoch Bax prechádza dvojstupňovou konformačnou zmenou, kde je hydrofóbna C-koncová oblasť, keď je ukrytá v hydrofóbnom vrecku, vystavená, čo spôsobí translokáciu proteínu do mitochondrií. 74 Druhá konformačná zmena nastane, keď sa špirály 㬕 a 㬖 vložia priamo do vonkajšej membrány, čo vyvrcholí permeabilizáciou vonkajšej membrány mitochondrií (MOMP) a cytochrómom c uvoľniť. Mechanizmus, ktorý spúšťa spojenie Bax s mitochondriálnym povrchom v zdravých bunkách, je nejasný, avšak experimenty uskutočnené s lipozómami naznačujú, že kontakt s lipidovou dvojvrstvou môže byť postačujúci. 76 Okrem Bcl-xL kontrolný bod, ktorý zabraňuje letálnym hladinám akumulácie Bax na mitochondriách, zloženie samotnej vonkajšej membrány, konkrétne obsah cholesterolu, môže brániť úplnej konformačnej zmene potrebnej na aktiváciu apoptózy. 77 Regulácia Bax je zložitý proces, ktorý vyžaduje mnoho ďalších proteínov vrátane proapoptotického Bak. Bak je rezidentný proteín mitochondriálnej vonkajšej membrány a je udržiavaný v neaktívnom stave pomocou VDAC2, Mcl-1 a ​​Bcl-xL. 78,79 Rovnako ako v prípade Bax, vyžaduje, aby proteíny obsahujúce iba BH3 oligomerizovali a spôsobili MOMP. 80 Na začiatku aktivačného procesu je doména BH3 Bak odkrytá a následne interaguje s hydrofóbnou drážkou inej molekuly Bak. 81 Navrhuje sa, že novo oligomerizované Bax a Bak tvoria prechodný pór, ktorý umožňuje apoptogénne proteíny, ako je cytochróm c aby prešli, vytvorili aktívny apoptozóm a spustili následné popravné kaspázy na dokončenie apoptotického procesu. 82,83


Biosyntéza bunkových zložiek

Biosyntézu bunkových zložiek (anabolizmus) možno považovať za prebiehajúcu v dvoch hlavných fázach. V prvom sú medziprodukty centrálnych ciest metabolizmu odklonené od ďalšieho katabolizmu a sú smerované do dráh, ktoré zvyčajne vedú k tvorbe relatívne malých molekúl, ktoré slúžia ako stavebné bloky alebo prekurzory makromolekúl.

V druhom štádiu biosyntézy sa stavebné bloky kombinujú, aby sa získali makromolekuly – proteíny, nukleové kyseliny, lipidy a polysacharidy – ktoré tvoria väčšinu tkanív a bunkových zložiek. V organizmoch s vhodnou genetickou schopnosťou môžu byť napríklad všetky aminokyseliny syntetizované z amoniaku a medziproduktov hlavných ciest fragmentácie a oxidácie sacharidov. Takéto medziprodukty pôsobia tiež ako prekurzory pre puríny, pyrimidíny a pentózové cukry, ktoré tvoria DNA a pre množstvo typov RNA. Zostavenie proteínov si vyžaduje presnú kombináciu špecifických aminokyselín vysoko usporiadaným a kontrolovaným spôsobom, čo zase zahŕňa kopírovanie alebo transkripciu špecifických častí DNA do RNA (Pozri nižšie Nukleové kyseliny a proteíny). Prvý stupeň biosyntézy teda vyžaduje špecifickosť, ktorá je normálne potrebná na účinné fungovanie sekvencií enzýmovo katalyzovaných reakcií. Druhá fáza tiež zahŕňa – priamo pre syntézu proteínov a nukleových kyselín, menej priamo pre syntézu iných makromolekúl – udržiavanie a expresiu biologickej informácie, ktorá špecifikuje identitu bunky, tkaniva a organizmu.


Vysvetlenie systému prenosu elektrónov krok za krokom

Systém prenosu elektrónov možno zhrnúť do nasledujúcich krokov:

Krok 1: Generovanie protónovej hybnej sily

V prvom kroku elektrónového transportného reťazca sú NADH + a FADH2 molekula glykolýzy a Krebov cyklus sa oxiduje na NAD + a FAD, spolu s uvoľnením vysokoenergetických elektrónov a protónov. Elektróny difundujú do vnútorná mitochondriálna membrána ktorý pozostáva zo série veľkých proteínových komplexov.

Prechod elektrónov z jedného nosného proteínu na druhý vedie k strate určitej energie alebo ATP. ATP je potom spotrebovaný proteínovými komplexmi na presun protónov z matrice do medzimembránového priestoru. Difúzia protónov cez vnútornú mitochondriálnu membránu je teda sprostredkovaná prostredníctvom chemiosmosis, ktorý vytvára a protónová hybná sila cez elektrochemický gradient.

Krok 2: Syntéza vysokoenergetickej molekuly ATP

Ióny H + vytvárajú protónovú hnaciu silu, ktorá uľahčuje z kopca pohyb cez koncentračný gradient vnútornej mitochondriálnej membrány. H+ ióny majú tendenciu difundovať späť do mitochondriálnej matrice cez kanálové proteíny cez a transmembránový enzým (ATP syntáza), a tým produkuje ATP.

Krok 3: Zníženie kyslíka

Pre pokračovanie systému transportu elektrónov musia byť elektróny bez energie uvoľnené cez akceptor elektrónov O2molekula. Kyslík prijíma elektróny zo štvrtého komplexu. Nakoniec sa nosič kyslíka spojí s voľné protóny a znižuje na výťažok H2O.

Komponenty ETS

Systém transportu elektrónov je kombináciou nasledujúcich prvkov:

Komplex I

Skladá sa z flavín mononukleotidu a proteínu železo-síra. Komplex I alebo „NADH dehydrogenáza” oxiduje NADH + na NAD + a uvoľňuje dva elektróny a štyri protóny. NADH dehydrogenáza odčerpáva štyri protóny z matice k cytosol a prenáša dva elektróny vo vnútornej mitochondriálnej membráne. NADH dehydrogenáza teda vytvára vysokú koncentráciu iónov H + v elektrochemickom gradiente.

Koenzým-Q alebo “ubichinón” spája komplex I. a II. Ubichinón je komplex rozpustný v tukoch, ktorý sa môže voľne pohybovať v hydrofóbne jadro mitochondriálnej membrány. Q sa znižuje na QH2 a dodáva svoj elektrón do tretieho komplexu. Koenzým-Q prijíma elektrón uvoľnený z NADH a FADH2 molekuly.

Komplex II

Pozostáva z enzýmu, “Sukcinátdehydrogenáza“ a obsahuje železo a sukcinát. Komplex II oxiduje FADH2 do FAD + . Sukcinát dehydrogenáza plus FADH2 directly transfers the electrons to the ETC, bypassing complex I. It does not energize the complex I and produce a few ATPs.

Komplex III

Cytochrome-b, Oxidoreductase alebo complex III consists of Fe-S protein with Rieske centre (2Fe-Fs). In cytochromes, the prosthetic group is heme, carrying electrons. As the electrons pass, the iron is reduced to Fe 2+ and oxidized to Fe 3+ . Therefore, cytochrome-b transfers electrons to the next complex, i.e. cytochrome c.

Cytochróm c

Cytochrome-c also contains Fe-S protein and prosthetic heme group. It only accepts one electron at a time and further transports electrons to the fourth complex.

Komplex IV

It is composed of Cytochrome a a a3, which contains two heme groups (one in each). Cytochrome-a3 consists of three copper ions (two CuA a one CuB). The function of complex IV is to hold the oxygen carrier firmly between the iron and copper ions until the reduction of oxygen into a water molecule. Oxygen combines with the two proton molecules and releases water by maintaining the membrane ion potential.

Complex V

It is the protein ion channel consisting of a transmembrane enzyme (ATP-synthase or ATP-synthase complex). Complex V allows the passage of protons from a high to low concentration proti the potential gradient. The chemiosmotic passage of the protons results in molecular rotation of the enzyme ATP synthase and thereby causing a release of ATP.

Electron Transport Chain Summary

ETS refers to a system producing energy in the form of ATP via a series of chemical reactions. The ETS is located in the inner membrane of mitochondria, containing electron carrier protein complexes, electron carriers and channel proteins. Electrons pass from one complex to the other by redox reactions.

The free energy during electron transfer is captured as a proton gradient and used up by the ATP synthase to derive ATP. The electron carrier Co-Q receives the electrons formed by the reduction of FADH2 a NADH. Coenzyme-Q reduces into QH2 and passes the electrons to the third protein complex (cyt-b).

Complex III contains a heme group, where the Fe 3+ reduces into Fe 2+ after accepting the electrons coming from Co-Q. The third complex further transfers the electrons to cyt-c, where Fe 3+ reduces into Fe 2+ and transfers electrons to the fourth complex.

Complex IV accepts the electrons and transfers them to the oxygen carrier. The oxygen carries the de-energized electrons and combines with the free proton ions in the matrix, and releases waste in the form of water.

Mechanism of Electron Transport System

The electron transport chain sometimes refers to the “Respiratory chain”, which is the third or final stage of bunkové dýchanie. It requires the presence of oxygen to carry out cellular respiration. The energy is produced during the transfer of electrons from one carrier to the other.

A cell harnesses the energy loss during electron transport to pump protons into the cytosol. It creates a chemiosmotic gradient. A chemiosmotic gradient becomes charged by the potential energy of the electrons. Nakoniec, potenciálna energia converts into chemical energy (ATP) by the ATP synthase complex.

Thus, the electron transport system is an energy-producing mechanism, which obeys the principle of “Takes energy to make energy“. The ETS possesses a series of redox reactions where the electrons lose energy. The membrane uses the energy loss during the diffusion of protons back into the matrix and creates a high energy molecule, ATP.

Location of ETS

The electron transport system and its protein complexes, along with the ATP synthase channel protein, are located in the inner mitochondrial membrane. In a diagram, we could see the site of the electron transport chain, which is present in between the cytosol and matrix.

There are štyri veľký protein complexes in the electron transport chain, which mediate the transfer of electrons. In addition to protein complexes, there are individual electron carriers present like Co-Q a Cyt-C.

Both coenzyme-Q and cytochrome-C are diffusible electron carriers, which can travel within the membrane. Besides this, there is one ion channel protein (ATP-synthase) that mediates the transport of protons down the concentration gradient by generating ATP.

Equation of ETC

The overall reaction in the electron transport chain can be equated in a way given in a picture. In the electron transport chain, per molecule of glucose can produce 34 molecules of ATP, as given in the equation below:


Thus, the net production of energy in the electron transport chain is 34 ATP molekuly.


The First Steps of Cellular Respiration

The first step of cellular respiration is glycolysis. Glycolysis occurs in the cytoplasm and involves the splitting of one molecule of glucose into two molecules of the chemical compound pyruvate. In all, two molecules of ATP and two molecules of NADH (high energy, electron carrying molecule) are generated.

The second step, called the citric acid cycle or Krebs cycle, is when pyruvate is transported across the outer and inner mitochondrial membranes into the mitochondrial matrix. Pyruvate is further oxidized in the Krebs cycle producing two more molecules of ATP, as well as NADH and FADH 2 molekuly. Electrons from NADH and FADH2 are transferred to the third step of cellular respiration, the electron transport chain.


Stopping the Electron Transport Chain

One of the best ways to understand the function and purpose is to understand what happens if the electron transport chain stops. This can happen from two basic scenarios. The electron transport chain can stop because it does not have a source of electrons, or it can stop because it can no longer pass electrons on.

The first scenario would be caused by something like starvation. Without a source of glucose or other energy-rich molecules, cells would not be able to collect electrons on electron carriers. Without anything to transfer, the chain would simply stop pumping hydrogen ions. In turn, ATP synthase would stop functioning and the entire cell would soon run out of energy and deteriorate.

The second scenario is somewhat more common and happens when cells run out of oxygen. Organisms which are facultative anaerobes are able to use different processes when there is no oxygen for oxidative phosphorylation. In some organisms the process of fermentácia allows glycolysis to continue, producing only a small amount of ATP. Without the electron transport chain, the cell still needs to recycle electron carriers. V prípade alcohol fermentation, the electron carriers dump their electrons in a reaction which creates etanolu as a final product. This allows glycolysis to continue producing ATP, allowing the cells to live through periods of low oxygen content.


Pozri si video: Mitochondrie - klíč k elixíru mládí? (Septembra 2022).


Komentáre:

  1. Isidore

    Takes a bad turn.

  2. Zulukora

    Chcel by som pokračovať ... Prihlásený na odber kanála :)

  3. Tekree

    Rozumiem tejto otázke. Poďme diskutovať.

  4. Gustav

    Celkom správne! Myslím, že je to dobrý nápad. A má právo na život.

  5. Jarrah

    Well, so-so...

  6. Zujinn

    Podľa môjho názoru sa mýlite. Pošlite mi e -mail v PM, povieme.

  7. Huy

    remarkably, this very valuable opinion



Napíšte správu