19.6: Цепь переноса электронов: комплекс I и II

Electron Transport Chain: Complex I and II
JoVE Core
Cell Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Cell Biology
Electron Transport Chain: Complex I and II
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

13,970 Views

01:46 min
April 30, 2023

Overview

Митохондриальная цепь переноса электронов (ETC) является основной системой генерации энергии в эукариотических клетках. Однако митохондрии также продуцируют цитотоксические активные формы кислорода (АФК) из-за большого потока электронов во время окислительного фосфорилирования. В то время как комплекс I является одним из основных источников супероксидных радикалов, продукция АФК комплексом II встречается редко и может наблюдаться только в раковых клетках с мутировавшими комплексами.

Генерация АФК регулируется и поддерживается на умеренном уровне, необходимом для нормальных клеточных сигнальных процессов в здоровой клетке. Тем не менее, раковые клетки обладают более высокой антиоксидантной способностью, что позволяет поддерживать АФК на уровне, который запускает проопухолевые пути, не вызывая гибели раковых клеток. Таким образом, раковые клетки имеют измененную окислительно-восстановительную среду, при этом высокая скорость производства АФК уравновешивает высокую скорость удаления АФК. Эта уникальная особенность раковых клеток делает их более чувствительными к изменению уровня АФК, чем нормальные клетки. Ингибирующие соединения, которые препятствуют регулярному потоку электронов в ETC, также могут запускать путь гибели митохондриальных клеток. Например, ингибиторы ЭТЦ, такие как метформин, ресвератрол и фенретинид, нарушают нормальное функционирование дыхательных комплексов. Это вызывает повышенную выработку АФК до уровня, превышающего антиоксидантную способность раковых клеток, что приводит к их гибели.

Комплекс I ингибируется метформином, активируемой АМФ протеинкиназой, которая блокирует митохондриальные дыхательные функции и индуцирует запрограммированную гибель клеток в нескольких типах раковых клеток, включая клетки поджелудочной железы и рака молочной железы. Мутации в комплексе II, хотя и редкие, могут приводить к опухолям сонного тела – органа чувств периферической нервной системы.

Помимо рака, аномальная активность или дефицит комплексов электронно-транспортных цепей связан с нейродегенеративными заболеваниями человека. Например, при болезни Паркинсона наблюдается недостаток функции комплекса I типа. Аналогичным образом, дефекты в комплексе II были связаны с болезнью Хантингтона.

Transcript

Митохондриальная внутренняя мембрана представляет собой серию из пяти многосубъединичных ферментных комплексов, ответственных за транспортировку электронов от высокоэнергетических носителей, NADH и FADH2, в энергетически нисходящей последовательности, к низкоэнергетическому акцептору электронов – кислороду.

Первый комплекс – оксидоредуктаза NADH-Q, является самым крупным ферментным комплексом в ряду, переносящим электроны от NADH к коэнзиму Q.

Этот L-образный комплекс включает в себя 45 различных субъединиц, из которых в митохондриальном геноме кодируется семь. Его основными каталитическими компонентами являются NADH-связывающий сайт, первичный акцептор электронов – FMN и множественные железо-серные кластеры.

Второй комплекс является частью как цикла лимонной кислоты, так и цепи переноса электронов. Он переносит электроны из сукцината в FADH2 и, наконец, в коэнзим Q через железо-серные кластеры. Поэтому этот комплекс известен как сукцинат-Q-редуктаза.

Это ядерно-кодируемый тетрамер с двумя гидрофильными субъединицами – А и В. Субъединица-А представляет собой флавопротеин с кофактором FAD и сукцинатным сайтом связывания. Субъединица-B представляет собой железо-серный белок с тремя железо-серными кластерами. Две другие субъединицы – C и D – это гидрофобные интегрально-мембранные белки, которые содержат Q-связывающий сайт.

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.