19.9: Электрон-транспортная цепь

Цепь переноса электронов или окислительное фосфорилирование представляет собой экзотермический процесс, в котором свободная энергия, высвобождаемая в ходе реакций переноса электрона, соединяется с синтезом АТФ. Этот процесс является важным источником энергии в аэробных клетках, поэтому ингибиторы цепи переноса электронов могут оказывать пагубное влияние на метаболические процессы клетки.

Ингибиторы цепи переноса электронов

Ротенон, широко используемый пестицид, предотвращает перенос электронов от кластера Fe-S к убихинону или Q в комплексе I, блокируя сайт связывания Q. Подавление функции комплекса I приводит к увеличению выработки активных форм кислорода или АФК. Такое производство АФК, индуцированное ротеноном, может быть вредным для митохондриальных компонентов, включая митохондриальную ДНК, и в конечном итоге может привести к гибели клеток.

Другим конкурентным ингибитором убихинона является карбоксин, мощный фунгицид, который вмешивается в сайт связывания Q в комплексе II. Связывание карбоксина ингибирует перенос электронов от FADH₂ к убихинону, блокируя тем самым дыхательную цепь.

Также известно, что некоторые антибиотики ингибируют комплексы дыхательной цепи. Например, антимицин А, антибиотик, продуцируемый видами Streptomyces, вмешивается в сайт связывания убихинона комплекса III, тем самым блокируя Q-цикл. Отсутствие Q-цикла препятствует переносу электронов между субъединицами комплекса III, цитохромом b и цитохромом c, тем самым ингибируя цепь переноса электронов.

Иногда токсины, образующиеся в ходе метаболической деятельности клетки, могут действовать как ингибиторы функции митохондрий. Например, окись углерода, побочный продукт катаболизма гема, ингибирует комплекс IV, конкурируя с кислородом за места связывания-кислорода. Это приводит к накоплению электронов в комплексе III и приводит к образованию супероксидных радикалов.

Митохондриальная АТФ-синтаза, или комплекс V, ингибируется олигомицином, антибиотиком, который связывает и ингибирует его протонный канал. Это ингибирование предотвращает поток протонов через АТФ-синтазу, тем самым препятствуя вращательному движению комплекса, необходимому для каталитического превращения АДФ в АТФ.

Хотя эти токсины являются мощными ингибиторами дыхательных функций, они также могут выступать в качестве ценных агентов при изучении отдельных комплексов и кинетических исследованиях ферментов.

Цепь переноса электронов или ETC является конечной стадией клеточного дыхания, где NADH и FADH₂ начинают серию окислительно-восстановительных реакций.

В комплексе I NADH отдает два электрона через разные акцепторы электронов, уменьшая Q до QH₂.

В комплексе II FADH₂ переносит электроны через Fe-S в молекулу Q, образуя еще одну QH₂.

QH₂, образующийся в этих реакциях, затем диффундирует в комплекс III и переносит электроны в цитохром с помощью серии реакций, называемых Q-циклом.

Восстановленный цитохром с перемещается в комплекс IV, где после серии переносов электронов кислород принимает электроны и соединяется с протонами, образуя воду.

Когда электроны проходят через комплексы I, III и IV, высвобождающаяся энергия используется для закачки протонов в межмембранное пространство.

Затем накачанные протоны могут снижать свой градиент концентрации и активировать комплекс V или АТФ-синтазу для производства АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

В целом, ETC производит 32 молекулы АТФ из одной молекулы глюкозы, что делает его основным энергетическим этапом клеточного дыхания.