19.6: Catena di trasporto degli elettroni: Complesso I e II

Electron Transport Chain: Complex I and II
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Cell Biology
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Electron Transport Chain: Complex I and II
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01:46 min
April 30, 2023

Overview

La catena di trasporto degli elettroni mitocondriali (ETC) è il principale sistema di generazione di energia nelle cellule eucariotiche. Tuttavia, i mitocondri producono anche specie reattive citotossiche dell’ossigeno (ROS) a causa del grande flusso di elettroni durante la fosforilazione ossidativa. Mentre il Complesso I è una delle fonti primarie di radicali superossido, la produzione di ROS da parte del Complesso II è rara e può essere osservata solo nelle cellule tumorali con complessi mutati.

La generazione di ROS è regolata e mantenuta a livelli moderati necessari per i normali processi di segnalazione cellulare in una cellula sana. Tuttavia, le cellule tumorali possiedono una maggiore capacità antiossidante, che consente il mantenimento dei ROS a un livello che innesca percorsi pro-tumorigenici senza causare la morte delle cellule tumorali. Pertanto, le cellule tumorali hanno un ambiente redox alterato, con un alto tasso di produzione di ROS che controbilancia un alto tasso di scavenging dei ROS. Questa caratteristica unica delle cellule tumorali le rende più sensibili all’alterazione dei livelli di ROS rispetto alle cellule normali. I composti inibitori che ostacolano il flusso regolare di elettroni nell’ETC possono anche innescare la via di morte delle cellule mitocondriali. Ad esempio, gli inibitori dell’ETC, come la metformina, il resveratrolo e la fenretinide, interrompono il normale funzionamento dei complessi respiratori. Ciò induce un’elevata produzione di ROS a un livello che supera la capacità antiossidante delle cellule tumorali, provocandone la morte.

Il complesso I è inibito dalla metformina, una proteina chinasi attivata dall’AMP che blocca le funzioni respiratorie mitocondriali e induce la morte cellulare programmata in diversi tipi di cellule tumorali, comprese le cellule del cancro al pancreas e al seno. Le mutazioni del complesso II, anche se rare, possono portare a tumori del corpo carotideo e dell’organo sensoriale del sistema nervoso periferico.

Oltre al cancro, l’attività anormale o la carenza nei complessi della catena di trasporto degli elettroni è stata collegata alle malattie neurodegenerative umane. Ad esempio, nella malattia di Parkinson, c’è una mancanza di funzione del complesso I. Allo stesso modo, i difetti del complesso II sono stati collegati alla malattia di Huntington.

Transcript

La membrana interna mitocondriale costituisce una serie di cinque complessi enzimatici multi-subunità responsabili del trasporto di elettroni da vettori ad alta energia, NADH e FADH2, in una sequenza energeticamente discendente, a un accettore di elettroni a bassa energia, l’ossigeno.

Il primo complesso-NADH-Q ossidoreduttasi, è il più grande complesso enzimatico della serie, che trasferisce elettroni dal NADH al coenzima Q.

Questo complesso a forma di L comprende 45 diverse subunità, di cui il genoma mitocondriale ne codifica sette. I suoi principali componenti catalitici sono il sito di legame del NADH, l’accettore primario di elettroni – FMN e multipli cluster ferro-zolfo.

Il secondo complesso fa parte sia del ciclo dell’acido citrico che della catena di trasporto degli elettroni. Trasporta elettroni dal succinato al FADH2 e infine al coenzima Q attraverso cluster ferro-zolfo. Questo complesso è quindi noto come succinato-Q reduttasi.

È un tetramero codificato per il nucleo con due subunità idrofile – A e B. La subunità-A è una flavoproteina con cofattore FAD e un sito di legame succinato. La subunità-B è una proteina ferro-zolfo con tre cluster ferro-zolfo. Le altre due subunità, C e D, sono proteine idrofobiche di membrana integrale che contengono un sito di legame Q.

Key Terms and definitions​

  • Electron Transport Chain (ETC) - This is the main energy generation system of eukaryotic cells.
  • Reactive Oxygen Species (ROS) - Cytotoxic substances produced by mitochondria during oxidative phosphorylation.
  • Complex I and II - These are parts of the ETC, they facilitate energy production and ROS creation.
  • Antioxidant Capacity - The ability of a cell to maintain ROS levels, which is higher in cancer cells.
  • ETC Inhibitors - Substances that disrupt the ETC's normal functions, prompting mitochondrial cell death.

Learning Objectives

  • Define ETC – Explain what it is (e.g., electron transport chain).
  • Contrast Complex I and II – Explain key differences (e.g., ROS production).
  • Explore ROS Maintenance in Normal and Cancer Cells – Enhanced antioxidant capacity in cancer cells (e.g., higher ROS scavenging rate).
  • Explain Role of ETC Inhibitors – They inhibit normal electron flow in ETC, inducing tunnel death in cancer cells.
  • Apply the Role of ETC in other Diseases – Relate ETC dysfunction to human neurodegenerative diseases.

Questions that this video will help you answer

  • What is the Electron Transport Chain and how does it function?
  • What are the differences between Complex I and II in the ETC?
  • How does a cancer cell's antioxidant capacity differ from that of a healthy cell?

This video is also useful for

  • Students – Understanding ETC helps grasp complex biological concepts related to energy production.
  • Educators – Provides a clear framework for understanding and teaching cellular energy generation and proton gradient.
  • Researchers – ETC's role in energy generation is vital for advanced life sciences research, particularly in cancer and neurodegenerative diseases.
  • Science Enthusiasts – Offers insights into the complex workings of cellular respiration and energy production.