ELEKTRONENTRANSPORTKETEN: COMPONENTEN, VOLGORDE, REMMERS - BIOLOGIE - 2026

De elektronentransportketen bestaat uit een reeks eiwitmoleculen en co-enzymen in een membraan. Zoals de naam aangeeft, is het verantwoordelijk voor het transport van elektronen van de co-enzymen NADH of FADH2 naar de uiteindelijke receptor die O2 (moleculaire zuurstof) is.

In dit transportproces wordt de energie die vrijkomt wanneer de elektronen worden overgedragen van de co-enzymen naar de moleculaire zuurstof via redoxcentra die aan eiwitten zijn bevestigd, geassocieerd met de productie van energie (ATP). Deze energie wordt verkregen dankzij de protongradiënt die wordt gegenereerd in het binnenste mitochondriale membraan.

Bron: gebruiker: Rozzychan

Dit transportsysteem is opgebouwd uit verschillende componenten die in tenminste twee oxidatietoestanden voorkomen. Elk van hen wordt effectief verminderd en opnieuw geoxideerd tijdens de beweging van elektronen van NADH of FADH2 naar O2.

De co-enzymen NAD + en FAD worden verminderd in de vetzuuroxidatiewegen en de citroenzuurcyclus als gevolg van de oxidatie van verschillende substraten. Deze co-enzymen worden vervolgens geoxideerd in de elektronische transportketen.

Het elektronische transportsysteem bestaat dus uit een opeenvolging van oxidatie-reductiereacties die met elkaar verbonden zijn.

Kettingcomponenten

Afhankelijk van het type organisme kunnen 3 tot 6 componenten worden waargenomen die de elektronentransportketen vormen. Het proces van elektronentransport en de synthese van ATP door oxidatieve fosforylering zijn processen die plaatsvinden in een membraan.

In het geval van prokaryote cellen (aerobe bacteriën) vinden deze processen plaats in samenhang met het plasmamembraan. In eukaryote cellen komt het voor in het mitochondriale membraan, dus de componenten van elektronentransport bevinden zich in het binnenste deel van het membraan.

Elektronen worden geleidelijk overgedragen via vier complexen die samen de elektronische transportketen vormen.

Elk complex heeft verschillende eiwitcomponenten die zijn geassocieerd met prothetische groepen (niet-aminozuurcomponenten van geconjugeerde eiwitten) redox, waardoor hun reductiepotentieel kan toenemen.

Bovendien is dit transportsysteem samengesteld uit verschillende moleculaire soorten zoals flavoproteïnen; co-enzym Q ook wel ubiquinon genoemd (CoQ of UQ); verschillende cytochromen zoals cytochroom b, c, c1, a en a3; eiwitten met Fe-S-groepen en eiwitten gehecht aan Cu. Deze moleculen binden aan het membraan, met uitzondering van cytochroom c.

Complex I

Complex I genaamd NADH co-enzym chinon oxidoreductase, of NADH dehydrogenase, bestaat uit ongeveer 45 polypeptideketens en bevat één flavine mononucleotide (FMN) molecuul en acht tot negen Fe-S clusters. Zoals de naam al aangeeft, draagt ​​dit complex een paar elektronen over van het co-enzym NADH naar CoQ.

De functie van het NADH-dehydrogenasecomplex begint met de binding van NADH aan het complex aan de matrixzijde van het binnenste mitochondriale membraan. De elektronen worden vervolgens getransporteerd van NADH naar de FMN. Vervolgens gaan de elektronen van het gereduceerde flavine (FMNH2) naar de eiwitten met Fe-S.

FMNH2 werkt als een soort brug tussen NADH- en Fe-S-eiwitten, aangezien deze laatste slechts één elektron kunnen overbrengen, terwijl het co-enzym NADH er twee overdraagt, zodat flavines deze overdracht van één enkel elektron uitvoeren dankzij tot zijn redox-toestand van semiquinon.

Ten slotte worden elektronen overgebracht van de Fe-S-clusters naar co-enzym Q, dat een mobiele elektronendrager is met een isoprenoïde staart die het hydrofoob maakt, waardoor het het midden van het mitochondriale membraan kan passeren.

Complex II

Complex II, beter bekend als succinaat dehydrogenase, is een integraal eiwit van het binnenste mitochondriale membraan en is een enzym dat ingrijpt in de citroenzuurcyclus.

Dit complex is samengesteld uit twee hydrofiele en twee hydrofobe subeenheden met heem-b-groepen die de bindingsplaats voor CoQ vormen, naast een flavoproteïne en een eiwit met Fe-S.

In de citroenzuurcyclus (Krebs- of tricarbonzuurcyclus) wordt succinaat omgezet in fumaraat door succinaatdehydrogenase, waardoor het co-enzym FAD wordt verlaagd tot FADH2. Van dit laatste co-enzym worden de elektronen overgebracht naar de Fe-S-centra die ze op hun beurt overbrengen naar CoQ.

Tijdens de reacties van deze elektronenoverdracht is de standaard redoxpotentiaal erg laag, waardoor de vrije energie die nodig is om ATP te synthetiseren niet vrijkomt.

Dit betekent dat complex II het enige complex in de elektronentransportketen is dat niet in staat is energie te leveren voor ATP-synthese. Dit complex is echter de sleutel in het proces, omdat het de elektronen van FADH2 naar de rest van de keten overbrengt.

Complex III

Complex III, cytochroom bc1-complex of CoQ cytochroom c-reductase, draagt ​​elektronen over van gereduceerd co-enzym Q naar cytochroom c. Deze overdracht vindt plaats via een enkele redox-route, bekend als de Q-cyclus.

Dit complex bestaat uit een eiwit met Fe-S en drie verschillende cytochromen, waarbij het ijzeratoom in de heemgroep cyclisch varieert tussen de gereduceerde (Fe2 +) en geoxideerde (Fe3 +) toestanden.

Cytochromen zijn hemoproteïnen voor elektronentransport, die redoxactiviteit bezitten. Ze zijn aanwezig in alle organismen, behalve enkele obligate anaëroben.

Deze eiwitten hebben heemgroepen die afwisselen tussen twee oxidatietoestanden (Fe2 + en Fe3 +). Cytochroom c is een mobiele elektronendrager die zwak geassocieerd is met het binnenmembraan van mitochondriën.

De cytochromen die in dit complex worden aangetroffen, zijn cytochromen b, c en a, alle 3 zijn redox-actieve eiwitten met hae-groepen met verschillende kenmerken, die hun oxidatietoestand afwisselen tussen Fe2 + en Fe3 +.

Cytochroom c is een perifere membraaneiwit dat functioneert als een elektronen "shuttle" met cytochroom c1 en complex IV.

Complex IV

Cytochroom c en O2 zijn de laatste receptoren voor elektronen die zijn afgeleid van de oxidatie van organisch materiaal, dus complexe IV of cytochroom c oxidase is het terminale enzym in het elektronentransportproces. Dit accepteert elektronen van cytochroom c en draagt ​​ze over aan de O2-reductie.

De functie van het complex is om oxidaties van één elektron van de vier opeenvolgende moleculen van gereduceerd cytochroom c te katalyseren, dat wil zeggen dat het tegelijkertijd vier elektronen van één molecuul O2 reduceert en uiteindelijk twee moleculen H2O produceert.

Elektronentransportvolgorde

Elektronen worden overgebracht van complexen I en II naar complex III dankzij co-enzym Q, en van daaruit gaan ze via cytochroom c naar complex IV. Terwijl de elektronen door deze vier complexen gaan, verhogen ze het reductiepotentieel, waardoor energie vrijkomt, die vervolgens wordt gebruikt voor de synthese van ATP.

In totaal veroorzaakt de overdracht van een paar elektronen de translocatie van 10 protonen door het membraan; vier in complex I en IV en twee in complex III.

NADH dehydrogenase

Dit enzym katalyseert de oxidatie van co-enzym NADH door co-enzym Q. Elektronen verplaatsen zich van NADH naar FMN, dat is bevestigd aan de hydrofiele staart van complex I. Clusters van Fe-S dragen elektronen één voor één over. Deze Fe-S-groepen reduceren CoQ, dat in het membraan is ingebed, tot ubiquinol (gereduceerde CoQ).

Tijdens de overdracht van elektronen naar CoQ worden op hun beurt vier protonen overgedragen via het binnenmembraan naar de intermembraanruimte. Het mechanisme waarmee deze protonen worden getransloceerd, omvat eiwitten die zich in de hydrofobe staart van complex I bevinden.

Het elektronenoverdrachtsproces in deze stap maakt vrije energie vrij, met name -16,6 kcal / mol.

CoQ-cytochroom c reductase en Cycle Q

Co-enzym Q wordt geoxideerd door cytochroom c, in een reactie die wordt gekatalyseerd door dit co-enzym. De oxidatie van ubiquinol (verminderde CoQ) vindt plaats op een bepaalde plaats van het complex (Qo of oxidatieplaats) in het mitochondriale membraan, waarbij twee elektronen worden overgedragen, een naar het eiwit met de Fe-S-groepen en de andere naar de heemgroepen.

In de Q-cyclus produceert de oxidatie van CoQ semiquinon, waar elektronen worden overgedragen naar de heemgroepen b1 en bh. Terwijl deze elektronenoverdracht plaatsvindt, wordt een tweede CoQ geoxideerd op de Qo-site, waarbij de cyclus wordt herhaald.

Deze cyclus veroorzaakt de overdracht van twee elektronen en op zijn beurt de translocatie van vier protonen naar de intermembrane ruimte, waarbij -10,64 kcal / mol vrije energie vrijkomt.

Cytochroom c oxidase

Dit enzym (complex IV) katalyseert de oxidatie van cytochroom c (gereduceerd) door O2, de laatste elektronenacceptor. Deze overdracht produceert één H2O-molecuul voor elk paar overgedragen elektronen, naast de translocatie van protonen door het membraan.

De elektronen bewegen een voor een, van het gereduceerde cytochroom c naar een paar CuA-ionen, gaan vervolgens over naar een heemgroep en bereiken uiteindelijk het binucleaire centrum van het complex dat CuB-ionen en heem a3 bevat, waar de overdracht van vier elektronen plaatsvindt. tot zuurstof.

In complex IV dragen de elementen elektronen één voor één over, zodat O2 geleidelijk wordt verminderd, zodat het vrijkomen van sommige giftige verbindingen zoals superoxide, waterstofperoxide of hydroxylradicalen niet optreedt.

De energie die in deze fase vrijkomt, komt overeen met -32 kcal / mol. De elektrochemische gradiënt die wordt gegenereerd tijdens het overdrachtsproces en de energieveranderingen (ΔE) veroorzaakt door een paar elektronen wanneer ze door de vier complexen gaan, komen in elk stadium overeen met de vrije energie die nodig is voor de productie van een ATP-molecuul.

Succinaat dehydrogenase

Zoals gezegd heeft dit complex de enige maar belangrijke functie van het introduceren van de elektronen van FADH2 van de citroenzuurcyclus naar de elektronentransportketen.

Dit enzym katalyseert de oxidatie van co-enzym FADH2 door co-enzym Q (geoxideerd). In de citroenzuurcyclus, terwijl succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat, worden twee elektronen en twee protonen overgebracht naar de FAD. Vervolgens brengt FADH2 deze elektronen over naar CoQ via de Fe-S-centra van het complex.

Ten slotte worden vanuit CoQ de elektronen overgebracht naar complex III, volgens de hierboven beschreven stappen.

De complexen van de keten zijn onafhankelijk

De vier complexen waaruit de elektronische transportketen bestaat, zijn onafhankelijk, dat wil zeggen dat ze onafhankelijk worden aangetroffen en werken in het binnenste mitochondriale membraan, en de beweging van elk van hen in het membraan is niet afhankelijk van of is gekoppeld aan de andere complexen.

Complexen I en II bewegen in het membraan en brengen hun elektronen over naar CoQ, dat ook diffundeert in het membraan en ze overbrengt naar complex III, vanwaar de elektronen naar cytochroom c gaan, dat ook mobiel is in het membraan en de elektronen afzet in complex IV.

Remmers van de elektronische transportketen

Sommige specifieke remmers werken in op de elektronische transportketen die het proces verstoren. Rotenon is een veelgebruikt insecticide dat stoichiometrisch bindt aan complex I, waardoor de vermindering van CoQ wordt voorkomen.

Sommige geneesmiddelen van het barbituraat-type, zoals piericidin en amytal, remmen complex I en interfereren met de overdracht van elektronen van de Fe-S-groepen naar CoQ.

In complex II werken sommige verbindingen zoals thenoyltrifluoraceton en malonaat als competitieve remmers met succinaat, waardoor oxidatie en op hun beurt de overdracht van elektronen naar de FAD worden voorkomen.

Sommige antibiotica, zoals myxothiazol en stigmatelline, binden aan de Q-bindingsplaatsen van CoQ en remmen de overdracht van elektronen van co-enzym Q naar de Fe-S-centra van eiwitten.

Cyanide, azide (N3-), zwavelzuur en koolmonoxide remmen complex IV. Deze verbindingen binden zich aan heemgroepen, waardoor de overdracht van elektronen naar het binucleaire centrum van het complex of naar zuurstof (O2) wordt voorkomen.

Door de elektronentransportketen te remmen, wordt de energieproductie gestopt door oxidatieve fosforylering, wat ernstige schade en zelfs de dood van het lichaam tot gevolg heeft.

Referenties

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Essentiële celbiologie. New York: Garland Science. 2e editie.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). De cel. (blz. 397-402). Ed. Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Textbook of biochemistry: with clinical correlations. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH en Grisham, CM (2008). Biochemie. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Biochemistry (nr. 577.1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.