Dýchací řetězce

4.ročník biochemie

Téma

* Dýchací řetězce MTCH a baktérií* DŘ Mtch více než 20 přenašečů e-

* multipeptidové komplexy I, III, IV* známa sekvence a struktura

* DŘ patří mezi transportní řetězce elektronů- další: fotorespirace, detoxifikace, syntézy- lineární řetězce v membránách - až 80 Å !!

Komponenty DŘ

Přenos e- NAD+/NADH na 02/H20- rozsah redox potenciálu 1,1 V- reverzibilita reakcí – obecně Eh Em

Dehydrogenasy s Em 0 mV TD vyloučena redukce NAD+

sukcinát DHs,n-glycerolfosfát DHETF-ubichinone oxidoreduktasa- přenos e- do DŘ při potenciálu blízkém 0 mV- vyžaduje vazbu na membrány

Proč „komplexy“ – rozpad membrán při použití detergentu

- někdy komplex V = ATP syntáza- rekonstituční experimenty

Dehydrogenasy

Sulfit oxidasa

Komponenty DŘ

1)Flavoproteiny – prostetická skupina FAD, FMN (2H+, 2e-)

2) Cytochromy – porfyrin (1e-)

3) Fe-S proteiny – nehemové železo (1e-)

4) Ubichinone („koenzym Q“ ) – volný, rozp. v tucích (2H+, 2e-)

5) Proteinově vázaná měď – Cu 2+ / Cu+

Klasifikace cytochromů

Cytochromy – podle porfyrinové složky

Cyt b – jako HbCyt c – hem kovalentně vázán 2 Cys skupinami

Cyt a – modifikace cyt ba) farnesylová (C15) skupina místo vinylovéb) metyl na C8 nahrazen formylovým zbytkem

Bakteriální cytochromy: celé řada typůcyt d, d1cyt o – něco mezi cyt a a cyt b (má farnesyl x nemá formyl)

Mechanismus přenosu elektronů

Přenos e- na vzdálenost až 14 Å ~ „tunelování“ - Kvantová mechanika: určitá pravděpodobnost

průchodu vlnové částice energetickou bariérou* důkaz = necitlivost přenosu e- v DŘ na teplotě

Faktory ovlivňující rychlost přenosu v DŘ:a)Vzdálenost mezi donorovým a akceptorovým

centremsnadné pro atomy x obtížně definovatelné pro hem

b) Rozdíl G (redox potenciálů) mezi donorem a akceptorem

c) „reorganizační energie“ – odpověd donoru, akceptoru a prostředí na změny v rozmístění náboje

Vliv vzdálenosti center

Pro jednotlivé kroky přenosu – obvyklá hnací síla ~ 100mV* vzdálenost 3 Å … rychlost 1010 s-1

10 Å .. rychlost 107 s-1

14 Å …rychlost 10-4 s-1

* pro vzdálenost větší než 14 Å … řádově hodiny

* změna konformace a tedy vzdálenosti = regulace toku e-

* správná vzdálenost = správný akceptor

Přenos e- v redoxních centrech

P

endergonní

exergonní

Rhodopseudomonas viridis

Podmínka pro přechodné interakce a přenos e-: - vzdálenost redoxních center < 14 Å

(tj. musí být umístěny relativně na povrchu)

* Příklad: cytochrom c – rychlá laterální difúze v membráně

1) hemová skupina cca 5 Å vzdálenou od povrchu2) blízkost skupiny Lys (13,86,87) – interakce s

partnery3) hem izolován proteinem cca 30 Å

cytochrom c oxidasa - CuA centrum blízko povrchu- nabité skupiny pro interakci se skupinou Lys na

cytochromu c

Přechodné interakce proteinů v DŘ

1)Smyčka (loop) – řada alternujících přenašečů e- a H+

* původní koncept chemiosmotické teorie* přenos náboje dosažen spíše přenosem e- než H+

* funguje u MTCH i bakteriálních systémech

2) Pumpa (pump) – přímý přenos H+ přenašečovými proteiny* redoxní reakce spojená se změnou konformace

proteinu * není limitován stechiometrií H+/e-

* komplex IV, bakteriorhodopsin

- Celková energetika je shodná- Některé systémy fungují spojením obou mechanismů

Mechanismus translokace protonů

Translokace H+ smyčkou Příspěvek H+ k přenosu náboje záleží na hloubce uložení BH2 v membráněHlavní příspěvek k

přenosu náboje je pohyb e- pro redukci C

Translokace H+ pumpou

Přenosu náboje je uskutečňován pouze přenosem H+

P

Model „konformační“ pumpy

příklad: bakteriorhodopsin

Komplex I (NADH-UQ oxidoreduktasa)

„Nejméně“ vyjasněná část DŘ1)Velikost (43 podjednotek, 750kDa ~ velká podjednotka

ribozómu)2)Fe-S centra (vyžadují techniku EPR při nízkých teplotách)

Aktuální poznatky:- stechiometrie 4H+/2e-- modely ze sekvencí bakteriálních proteinů (E.coli – 13

podjednotek)- tvar L (elektronová mikroskopie) – závislý na iontové síle

roztoku- další enzymové funkce (přenašeč acylu, hydroxysteroid

reduktasa)- Fe-S centra v „spojovací“ části nedetekována EPR –

párování spinů

Struktura komplexu I

označení genů z bakteriálního operonu

„flavoproteinová frakce“

inhibitor

„hydrofóbní frakce“Translokace

protonů NuoI ?

Transport e- bez translokace H+

Další 3 enzymy dodávající e- na UQ:

1) Sukcinátdehydrogenasa (komplex II) – napojení TCA cyklus

* jediný membránově vázaný2) ETF – ubichinonoxidoreduktasa

(electron-transferring flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase)

* na straně matrix MTCH membrány3) s,n-glycerolfosfátdehydrogenasa

* pouze v některých MTCH vázán na vnější straně membrány* funkčně velmi významný v živočišných buňkách

- všechny Em,7 ~ 0 mV- neúčastní se translokace H+

Sukcinát dehydrogenasa (komplex II)

SDH - 4 proteinové podjednotky s funkční rolí - nejvzdálenější od membrány – kovalentně vázaný FAD- periferální podjednotka – 3 Fe-S centra- 2 membránová podjednotky – 1 hem v „sendviči“

podjednotek

• redukce sukcinátu - celkový přenos náboje nulový• spotřeba p přenosem H+ z P-fáze pro redukci chinonu v membráně

Sukcinátdehydrogenasa (komplex II)

B. subtilis - přenos e- na menachinon

MTCH

- modely na základě bakteriální fumarátreduktasy (obrácená reakce)

hem

hem

Transport e- bez translokace H+

2) ETF – ubichinonoxidoreduktasa- v matrix, obsahuje FAD, Fe-S centrum a vazebné

místo UQ- akceptuje e- z několika flavinových dehydrogenas:

katabolismus FA, AA, cholinu- povrch je schopen „ponořit se“ do membrány

3) s,n-glycerolfosfátdehydrogenasa- P-strana vnitřní MTCH membrány- obsahuje 1 FAD, nejméně 1 Fe-S centrum- v genomu mnoha organismů od kvasinek po člověka

x různé role v bioenergetice podle typu buněk

Ubichinone a komplex III (bc1)

Přenos e- z ubichinolu na cytochrome c:- komplex III (bc1, UQ-cytochrome c oxidoreduktasa)

Redoxní centra:• Rieskeho protein – 2 Fe-S centra (chelace Cys a His)• Podjednotka s 2 hemy b -• Cytochrom c1 – 1 hem

- Globulární polypetidy s hydrofóbní membránovou kotvou- Cytochrome c1 má 8 transmembránových -helixů

Struktura Fe-S center

a) Fe-S centrum se 4 labilními atomy síry

(pouze 1e- redukce)

b) Rieskeho protein:2 komplexy Fe-S s

dvěma His a 2 Cys ligandy

Krok 1: oxidace UQH2 na radikál UQ.-

Redox potenciály Em,7:pár UQH2/UQ: vodný roztok +60mV x aktuální Eh,7 ~ 0mV

pár UQH2 /UQ.- +280mVpár UQ.-/UQ -160mV

Probíhá na vazebném místě Qp – blízko P-straně a Rieskeho komplexu* tvorba radikálu 1e- redukcí energeticky výhodná* radikál stabilní – lze detekovat EPR* za určitých podmínek přímá reakce s O2 - superoxid

Krok 2: redukce UQ na radikál UQ.-

Přenos e- mezi hemy:hem bL -100mVhem bH +50mV x ale pár UQ.-/UQ -160mV ?

• Poloha hemů – na opačné straně membrány s = 150mV• Elektrony při přechodu neztrácejí původní energii (x

rozpojené mitochondrie – dissipace)

Vazebné místo Qn – vysoká afinita k radikálu ve srovnání s UQ* TD umožnuje průběh reakce – 300x násobný rozdíl ve vazebné energii posunuje aktuální redox potenciál UQ.-/UQ do pozitivnější hodnoty

Q-cyklus v MTCH Případ pro vazebné místo na N-straně volné nebo obsazené ubichinonem

Q-cyklus v MTCH Případ pro vazebné místo na N-straně obsazené ubisemichinonovým

radikálemQp – vazebné místo pro UQ

Přenos 1 e- na bL hem

Přenos 1 e- na Rieske p.

Semichinonový radikál

Pohyb globulární domény v ISP

Pokračování příště …