שרשרת תובלה אלקטרונית: רכיבים, רצף, מעכבים - ביולוגיה - 2025

שרשרת העברת אלקטרונים מורכבת מסדרה של מולקולות חלבון ו coenzymes בתוך קרום. כשמו כן הוא אחראי על הובלת אלקטרונים מהקואנזימים NADH או FADH2 לקולטן הסופי שהוא O2 (חמצן מולקולרי).

בתהליך הובלה זה, האנרגיה המופקת כאשר האלקטרונים מועברים מהקואנזימים לחמצן המולקולרי דרך מרכזי רדוקס המחוברים לחלבונים, קשורה לייצור אנרגיה (ATP). אנרגיה זו מתקבלת בזכות שיפוע הפרוטון הנוצר בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי.

מקור: משתמש: Rozzychan

מערכת הובלה זו מורכבת מרכיבים שונים שניתן למצוא בשני מצבי חמצון לפחות. כל אחד מהם מופחת ומחוסן מחדש באופן יעיל במהלך תנועת אלקטרונים מ- NADH או FADH2 ל- O2.

הקואנזימים NAD + ו- FAD מופחתים במסלולי החמצון של חומצות השומן ובמחזור חומצות לימון כתוצאה מחמצון של מצעים שונים. לאחר מכן מתחמצנים קואנזימים אלה בשרשרת ההובלה האלקטרונית.

אז מערכת ההובלה האלקטרונית מורכבת מרצף של תגובות להפחתת חמצון המחוברות זו לזו.

רכיבי שרשרת

בהתאם לסוג האורגניזם ניתן לראות 3 עד 6 רכיבים המהווים את שרשרת הובלת האלקטרונים. תהליך הובלת האלקטרונים וסינתזה של ATP על ידי זרחן חמצוני, הם תהליכים המתרחשים בקרום.

במקרה של תאים פרוקריוטיים (חיידקים אירוביים), התהליכים הללו מתרחשים הקשורים לקרום הפלזמה. בתאים אוקריוטים הוא מתרחש בקרום המיטוכונדריאלי, כך שמרכיבי התחבורה האלקטרונית נמצאים בחלק הפנימי של הממברנה.

אלקטרונים מועברים בהדרגה דרך ארבעה מתחמים המרכיבים את שרשרת ההובלה האלקטרונית.

לכל קומפלקס מספר מרכיבי חלבון הקשורים לקבוצות תותבות (רכיבים שאינם חומצות אמינו של חלבונים מצומדים) רדוקס, המאפשרים את פוטנציאל הפחתה שלהם להגדיל.

בנוסף, מערכת הובלה זו מורכבת ממינים מולקולריים שונים כמו פלבופרוטאינים; קו אנזים Q הנקרא גם ubiquinone (CoQ או UQ); ציטוכרומים שונים כמו ציטוכרום b, c, c1, a ו- a3; חלבונים עם קבוצות Fe-S וחלבונים המחוברים ל- Cu. מולקולות אלה נקשרות לקרום, למעט ציטוכרום c.

קומפלקס I

מתחם שקראתי לו NADH קו-אנזים קינון אוקסידדורקטאז, או NADH dehydrogenase, מורכב מכ- 45 שרשראות פוליפפטיד ומכיל מולקולת פלואן מונונוקלאוטידית (FMN) ושמונה עד תשעה אשכולות Fe-S. כשמו כן הוא, קומפלקס זה מעביר זוג אלקטרונים מהקואנזים NADH ל- CoQ.

תפקידו של קומפלקס ה- NADH dehydrogenase מתחיל בקשירת NADH למתחם בצד המטריצה ​​של הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. לאחר מכן מועברים האלקטרונים מ- NADH ל- FMN. בהמשך האלקטרונים עוברים מהפלאבין המופחת (FMNH2) לחלבונים עם Fe-S.

FMNH2 עובד כסוג של גשר בין חלבוני NADH ו- Fe-S, מכיוון שהאחרון יכול להעביר רק אלקטרון בודד, ואילו הקואנזים NADH מעביר שניים, כך שטלאינים מבצעים העברה זו של אלקטרון בודד בזכות למצב הרדוקס שלו של חצי-קינון.

לבסוף, אלקטרונים מועברים מאשכולות ה- Fe-S אל קו אנזים Q, שהוא נשא אלקטרונים נייד עם זנב איזופרנוואידי ההופך אותו להידרופובי, ומאפשר לו לחצות את מרכז הקרום המיטוכונדריאלי.

מתחם II

קומפלקס II, הידוע יותר בשם succinate dehydrogenase, הוא חלבון אינטגרלי של הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, והוא אנזים שמתערב במחזור חומצות לימון.

מתחם זה מורכב משתי תת-יחידות הידרופיליות ושתי תת-הידרופובי עם קבוצות heme b המספקות את אתר הכריכה ל- CoQ, בנוסף לפלופרוטאין וחלבון עם Fe-S.

במחזור חומצות לימון (קרבס או מחזור חומצה טריקארבוקסילית), מביאים את הסוקינט לפומראט על ידי סוכטין דהידרוגנאז, ומפחית את הקואנזים FAD ל- FADH2. מקואנזים אחרון זה מועברים האלקטרונים למרכזי Fe-S אשר בתורם מעבירים אותם ל- CoQ.

במהלך התגובות של העברת אלקטרונים זה, פוטנציאל הרדוקס הסטנדרטי הוא נמוך מאוד, המונע את האנרגיה החופשית הדרושה לסינתזה של ATP.

משמעות הדבר היא שמכלול II הוא המתחם היחיד בשרשרת הובלת האלקטרונים שאינו מסוגל לספק אנרגיה לסינתזת ATP. עם זאת, מתחם זה הוא המפתח בתהליך, מכיוון שהוא מעביר את האלקטרונים מ- FADH2 לשאר השרשרת.

מתחם III

קומפלקס III, ציטוכרום bc1 מורכב או CoQ cytochrome c reductase, מעביר אלקטרונים מקואנזים Q מופחת ל ציטוכרום c. העברה זו מתרחשת דרך מסלול redox יחיד, המכונה מחזור Q.

קומפלקס זה מורכב מחלבון עם Fe-S ושלושה ציטוכרומים שונים, בהם אטום הברזל הנמצא בקבוצת ההם משתנה באופן מחזורי בין המצבים המופחתים (Fe2 +) והמצומצמים (Fe3 +).

ציטוכרומים הם המופרוטאינים המובילים אלקטרונים, בעלי פעילות רדוקס. הם קיימים בכל האורגניזמים, למעט כמה אנאירובים מחייבים.

לחלבונים אלה קבוצות heme המתחלפות בין שני מצבי חמצון (Fe2 + ו- Fe3 +). ציטוכרום c הוא נשא אלקטרונים נייד הקשור חלש לקרום הפנימי של המיטוכונדריה.

הציטוכרומים המצויים במתחם זה הם ציטוכרומים b, c ו- a, כולם 3 הם חלבונים פעילים מסוג redox עם קבוצות היי עם מאפיינים שונים, המתחלפים את מצבי החמצון שלהם בין Fe2 + ו- Fe3 +.

ציטוכרום c הוא חלבון ממברנה היקפית המתפקד כ"מעבורת "אלקטרונים עם ציטוכרום c1 ומורכב IV.

מתחם IV

ציטוכרום c ו- O2 הם הקולטנים הסופיים לאלקטרונים שמקורם בחמצון של חומר אורגני, ולכן מורכבים אוקסידאז IV או ציטוכרום c הם האנזים הסופי בתהליך הובלת האלקטרונים. זה מקבל אלקטרונים מציטוכרום C ומעביר אותם להפחתת O2.

תפקידו של המתחם הוא לזרז חמצון של אלקטרון אחד מתוך ארבע מולקולות רצופות של ציטוכרום C מופחת, כלומר הוא מקטין בו זמנית ארבעה אלקטרונים של מולקולה אחת של O2, ובסופו של דבר מייצר שתי מולקולות של H2O.

רצף הובלת אלקטרונים

אלקטרונים מועברים ממתחמים I ו- II למתחם III בזכות קו אנזים Q, ומשם הם עוברים למתחם IV דרך ציטוכרום C. כאשר האלקטרונים עוברים בארבעת המתחמים הללו, הם מגדילים את פוטנציאל ההפחתה, ומשחררים אנרגיה, המשמשת אז לסינתזה של ATP.

בסך הכל, העברת זוג אלקטרונים גורמת להעתקה של 10 פרוטונים דרך הממברנה; ארבעה במתחמים I ו- IV ושניים במתחם III.

NADH dehydrogenase

אנזים זה מזרז את חמצון הקואנזים NADH על ידי קו אנזים Q. אלקטרונים עוברים מ- NADH ל- FMN המחובר לזנב ההידרופילי של מתחם I. אשכולות של Fe-S מעבירים אלקטרונים אחד בכל פעם. קבוצות Fe-S אלה מצמצמות את ה- CoQ, המוטמע בקרום, לאובוויקינול (CoQ מופחת).

במהלך העברת האלקטרונים ל- CoQ מועברים בתורם ארבעה פרוטונים דרך הממברנה הפנימית לחלל הבין-ממברני. המנגנון שבאמצעותו מועברים פרוטונים אלה כרוך בחלבונים הממוקמים בזנב ההידרופובי של קומפלקס I.

תהליך העברת האלקטרונים בשלב זה משחרר אנרגיה חופשית, ספציפית -16.6 קק"ל / מול.

CoQ-cytochrome c reductase ומחזור Q

קו-אנזים Q מתחמצן על ידי ציטוכרום C, בתגובה המנותזת על ידי קו-אנזים זה. חמצון האוביקווינול (CoQ מופחת) מתרחש באתר מסוים במתחם (קו או אתר חמצון) בקרום המיטוכונדריאלי, ומעביר שני אלקטרונים, האחד לחלבון עם קבוצות Fe-S והשני לקבוצות heme.

במחזור ה- Q, החמצון של CoQ מייצר חצי-קינון, וכאן מועברים אלקטרונים לקבוצות ההם b1 ו- bh. כאשר העברת אלקטרונים זו מתרחשת, CoQ שני מתחמצן באתר ה- Qo, חוזר על המחזור.

מחזור זה גורם להעברת שני אלקטרונים ובתורו להעתקה של ארבעה פרוטונים לחלל הבין-ממברני, עם שחרור של -10.64 קק"ל / מול של אנרגיה חופשית.

ציטוכרום C אוקסידאז

אנזים זה (מורכב IV) מזרז את חמצון הציטוכרום C (מופחת) על ידי O2, שהוא המקבל האלקטרוני הסופי. העברה זו מייצרת מולקולת H2O אחת עבור כל זוג אלקטרונים המועבר בנוסף לתרגום של פרוטונים דרך הממברנה.

האלקטרונים עוברים בזה אחר זה, מהציטוכרום C המופחת לזוג יוני CuA, ואז עוברים לקבוצת heme ומגיעים לבסוף למרכז הבינקלירי של המתחם המכיל יוני CuB ו- heme a3, שם מתרחשת העברת ארבעה אלקטרונים עד חמצן.

במתחם הרביעי האלמנטים מעבירים אלקטרונים בזה אחר זה, כך שה- O2 מופחת בהדרגה, כך שלא מתרחש שחרור של כמה תרכובות רעילות כמו סופר-אוקסיד, מי חמצן או הידרוקסיל.

האנרגיה המשתחררת בשלב זה תואמת -32 קק"ל / מול. השיפוע האלקטרוכימי שנוצר בתהליך ההעברה ושינוי האנרגיה (ΔE) הנגרמים על ידי זוג אלקטרונים כאשר עוברים בארבעת המתחמים, תואם, בכל שלב, לאנרגיה החופשית הנחוצה לייצור מולקולת ATP.

סוכצן dehydrogenase

כאמור, למתחם זה הפונקציה היחידה אך החשובה של החדרת האלקטרונים של FADH2 ממעגל חומצות לימון לשרשרת הובלת האלקטרונים.

אנזים זה מזרז את חמצון הקואנזים FADH2 על ידי קו אנזים Q (מחומצן). במחזור חומצות לימון, כאשר מחמצן סוכצן לפומרטה, מועברים שני אלקטרונים ושני פרוטונים ל- FAD. בהמשך, FADH2 מעביר אלקטרונים אלה ל- CoQ דרך מרכזי ה- Fe-S של המתחם.

לבסוף, מ- CoQ האלקטרונים מועברים למתחם III, לפי הצעדים שתוארו לעיל.

מתחמי הרשת אינם תלויים

ארבעת המתחמים המרכיבים את שרשרת ההובלה האלקטרונית אינם תלויים, כלומר הם נמצאים ופועלים באופן עצמאי בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי, ותנועתם של כל אחד מהם בקרום אינה תלויה או קשורה למתחמים האחרים.

המתחמים I ו- II נעים בקרום, מעבירים את האלקטרונים שלהם ל- CoQ, המפוזר גם בקרום ומעביר אותם למתחם III, משם עוברים האלקטרונים ל- cytochrome c, שהוא גם נייד בקרום ומפקיד את האלקטרונים ב מורכב IV.

מעכבי שרשרת ההובלה האלקטרונית

ישנם מעכבים ספציפיים הפועלים על שרשרת ההובלה האלקטרונית המפריעים לתהליך שלה. רוטנון הוא חומר הדברה נפוץ הקושר סטואיציומטרית למורכבת I, ומונע את צמצום ה- CoQ.

חלק מהתרופות מסוג ברביטראט, כמו פיריצידין ואמיטל, מעכבות את המורכבות I ומפריעות להעברת אלקטרונים מקבוצות ה- Fe-S ל- CoQ.

במתחם II, כמה תרכובות כמו אזואיל-טריפלואורו-אצטון ומלונאט משמשות כמעכבים תחרותיים עם סוקינאט, ומונעות את חמצוןו, ובתורו, העברת אלקטרונים ל- FAD.

חלק מהאנטיביוטיקה, כמו מיוקסותיאזול וסטיגמטין, נקשרים לאתרי הקישור של Q של CoQ, ומעכבים את העברת האלקטרונים מקואנזים Q למרכזי חלבונים Fe-S.

ציאניד, אזיד (N3-), חומצה גופרתית ופחמן חד חמצני מעכבים מורכבים IV. תרכובות אלה נקשרות לקבוצות hem, ומונעות העברת אלקטרונים למרכז הבינקלירי של המתחם או לחמצן (O2).

על ידי עיכוב שרשרת ההובלה האלקטרונית מופסק ייצור האנרגיה על ידי זרחן חמצוני, וגורם נזק קשה ואף למוות בגוף.

הפניות

1. אלברטס, ב., בריי, ד., הופקין, ק., ג'ונסון, א., לואיס, ג'., רף, מ., רוברטס, ק. וולטר, פ. (2004). ביולוגיה חיונית של תאים. ניו יורק: גרלנד מדע. מהדורה שנייה.
2. קופר, GM, האוסמן, רי אנד רייט, נ (2010). התא. (עמ '397-402). אד. מרבאן.
3. Devlin, TM (1992). ספר לימוד לביוכימיה: עם מתאם קליני. ג'ון וויילי ובניו בע"מ
4. גארט, RH, & Grisham, CM (2008). בִּיוֹכִימִיָה. אד. תומסון ברוקס / קול.
5. ראון, ג'יי.די (1989). ביוכימיה (מס '577.1 RAW). אד. אינטר-מריקנה-מקגרו-היל
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). בִּיוֹכִימִיָה. פנמריקנית רפואית אד.