Ақпарат

19.1: Митохондриядағы электронды-трансфералық реакциялар - Биология

19.1: Митохондриядағы электронды-трансфералық реакциялар - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Митохондриялық электронды тасымалдауға шолу

Аэробты метаболизм кезінде қолданылатын негізгі тотықтырғыш - NAD+ (бірақ бір сатыда FAD қолданылады), ол NADH -ға айналады. Егер NAD+ қалпына келтірілмесе, гликолиз және Креб циклі тоқтайды. Креб циклінің ферменттері және электрон тасымалдау митохондрияларда локализацияланған.

Анаэробты жағдайда қосылыс механизміне ұқсас, егер бұл электрон NADH-дан диоксидке тасымалданса, бұл термодинамикалық қолайлы реакция (соңғы оқу нұсқаулығында есептегендей – шамамен -55 ккал/моль мәні) биологиялық тұрғыдан пайдалы болар еді. ) АТФ синтезіне қосылды. Бұл! Ғалым жылдар бойы гликолизде глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа түзетін, АТФ синтезін қозғай алатын (оның өзі митохондрияда да болады) жоғары энергиялы фосфорланған аралық өнімді табуға тырысты. Ешқайсысы табылмады. Питер Митчелл таңғаларлық гипотезаны алға тартты, оның дұрыстығы дәлелденді және ол үшін 1978 жылы химия бойынша Нобель сыйлығының лауреаты атанды. АТФ синтезін жүргізу үшін энергияның тікелей көзі фосфорланған аралық өнімнен емес, протоннан келетіні көрсетілді. митохондриялық ішкі мембрана бойынша градиент. Электронды тасымалдаудағы барлық ферменттер кешендері гликолиздің цитоплазмалық ферменттеріне қарағанда митохондриялардың ішкі мембранасында болады. Ішкі мембрана арқылы рН градиенті тыныс алу митохондрияларында пайда болады. Электронды тасымалдауда электрондар жылжымалы электрон тасымалдаушылардан мембраналық кешендер арқылы қайтадан басқа жылжымалы тасымалдаушыға беріледі. Бастапқыда NADH электрондарды (2 электронды тотығу, NAD+/NADH тән) I кешенге ковалентті түрде қосылған флавин туындысына, FMN-ге жібереді. Содан кейін FMN қысқартылған түрі электрондарды бір электронды қадамдармен (FAD тәрізді молекулаларға тән, 1 немесе 2 электрон тасымалдануы мүмкін) кешен арқылы липофильді электронды тасымалдаушыға, убихинонға, UQ.

Содан кейін бұл электрондарды III кешен арқылы басқа жылжымалы электрон тасымалдаушысына, шағын ақуызға, С цитохромына береді. Содан кейін цитохром С IV комплекс, цитохром С оксидазасы арқылы электрондарды диоксидке өткізіп, су түзеді. Әрбір қадамда электрондар жақсырақ және жақсы тотықтырғыштарға өтеді, бұл олардың оң стандартты қалпына келтіру потенциалының жоғарылауында көрінеді. Демек, әрбір комплексте тотығу термодинамикалық қолайлы.

Jmol: Жаңартылған цитохром С оксидаза Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

II комплекс (сукцинат: хинон оксидоредуктаза деп те аталады) - крек циклінің ферменті, сукцинаттың фумаратқа байланған FAD арқылы тотығуын катализдейді (демек оның басқа атауы: сукцинатдегидрогеназа). Ол жоғарыда сипатталған NADH-дан диотекке электрондар ағынына қатыспайды, бірақ электрондарды тотықсызданған сукцинаттан убихинонға өткізіп, фумаратты және тотықсызданған убиконды түзеді, содан кейін III кешені арқылы электрондарды С цитохромына тасымалдай алады. Бұл кешеннің кристалды құрылымы жақында Янковская және т.б. Кешендегі тотықсыздандырғыш-белсенді учаскелердің орналасуы диоксидпен байланысқан FADH2-нің ықтимал тотығуын азайтатынын, супероксид сияқты зиянды реактивті оттегі түрлерінің өндірісін азайтатынын көрсетті.

Митохондриядағы электрондардың тасымалдануының анимациясы

Jmol: Жаңартылған сукцинатдегидрогеназа (комплекс II) Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Әрбір кешенде тотығу оқиғасы арқылы бөлінетін энергия протондарды әрбір кешен арқылы матрицадан митохондрияның мембрана аралық кеңістігіне жылжыту үшін пайдаланылады және глицеральдегид-3-де көргеніміздей жоғары энергиялы аралас ангидридті қалыптастыру үшін пайдаланылмайды. фосфатдегидрогеназа реакциясы. Протонды тасымалдаудың нақты механизмі түсініксіз.

I комплекс - NADH -хиноноксидоредуктаза

Енді екі нақты кешеннің, I және IV механизмдерін қарастыра отырып, электронды тасымалдауды толығырақ қарастырайық. Бұған дейін электронды тасымалдаудың және тотығу фосфорлануының кіру жолының егжей-тегжейлі көрінісін қараңыз.

Қораптағы нөмір фермент комиссиясының нөмірін білдіреді. Енгізілген сілтемелері бар түпнұсқа KEGG картасы.

I кешен - NADH-хиноноксидоредуктаза

I кешен эукариоттардың ішкі митохондриялық мембранасында және бактериялардың плазмалық мембранасында орналасқан. Сүтқоректілер кешені 1 45 суббірліктерден тұрады, оның 7-і митохондриялық генмен кодталған. Бактерияларда тек 13-14 суббірлік бар. Сүтқоректілердің қосымша суббірліктерінің маңызы әлі де түсініксіз. Төменде Thermus thermophilus (бактериялық) кешенінің мультфильм үлгісі және нақты кристалдық құрылымы көрсетілген. Гидрофильді немесе перифериялық домен электрондардың тасымалдануын катализдейді, ал мембраналық домен (митохондриялық ДНҚ-мен кодталған) протондарды белсенді тасымалдауға қатысады.

7/10/17: Келесі Jmol сілтемелері кешен бөліктерінің, сондай-ақ бүкіл кешеннің бірнеше көрінісін қамтиды. Төменде бірнеше рет қайталанады.

Jmol: Кешен 1 Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Электронды тасымалдау

Электрондар ағыны NADH-дан UQ-ға комплекстің гидрофильдік немесе шеткі доменіндегі бір электрон тасымалдаушылар қатары арқылы жүреді. Электрондардың бастапқы ауысуы флавин кофакторына, FMN, содан кейін Fe/S кластерлерінің қатары арқылы жүреді. Төмендегі сол жақ суретте бұл электронды акцепторларға төрт ядролық Fe/S кластері (SF4 сары/қызыл кеңістік толтыру, екі ядролық Fe/S кластері (FE2/S2) көк түспен, FMN флавин мононуклеотиді қызыл түспен және MN кіреді. (II) ион, күлгін N1a және N1b түстерінде екі ядролық кластерлер және N2, N3, N4, N5 және N6 төрт ядролық кластерлер болып табылады.

Төрт ядролы Fe/S кластері төртбұрышты геометрияда квадраттың ауыспалы бұрыштарын алатын Fe және S бар кубтық құрылымға негізделген. Әрбір Fe тиолды аниондармен үйлестірілген. Нақты құрылым екі ядролық кластердің құрылымымен бірге төменде көрсетілгендей бұрмаланған текше болып табылады, оның байланыс бұрышы тетраэдрдегілерден ауытқиды.

Тетрануклеарлы Fe/S кластерлері үшін әртүрлі стандартты қалпына келтіру потенциалы бар көптеген ықтимал микро-тотықсыздану күйлері мүмкін, полипротикалық қышқылдың бірнеше pKa мәндері бар. I кешенге және басқа төрт ядролық кластерлерге қатысты екі төменде көрсетілген:

а. FeIIFe3IIIS4 (CysS) 41- + e- ↔ Fe2IIFe2IIIS4 (CysS) 42- (төмендетілген стандартты потенциалдар)

б. Fe2IIFe2IIIS4(CysS)42- + e- ↔ Fe3IIFeIIIS4(CysS)43- (стандартты қалпына келтіру потенциалдары жоғары)

UQH2 түзу үшін электрондар бір электронды қадаммен тотыққан UQ-ге жеке-жеке беріледі.

Fe-S кластерлері негізінен митохондрияда синтезделеді, онда олар жоғарыда сипатталғандай электронды тасымалдауда тотығу-тотықсыздандырғыш кофакторлар қызметін атқарады. Олар барлық тіршілік формаларында кең таралған және тотығу-тотықсыздану кофакторларына қосымша рөл атқарады, өйткені олар белоктардағы құрылымдық рөлдерді атқарады және тотығу күйлерін өзгерткен кезде жасуша ішінде тотығу-тотықсыздану сигналында қолданылады. ДНҚ-мен әрекеттесетін көптеген ақуыздар (репарация ферменттері, полимеразалар және геликаздар) Fe-S кластерін қамтиды.

Дәлелдер олардың экзергониялық тотығу реакцияларында терминалдық электрон акцепторы ретінде оттегі болмаған кезде тіршіліктің абиотикалық эволюциясында маңызды рөл атқарғанын көрсетеді. Тотығу қол жетімді болған кезде, олар жасуша үшін ықтимал уытты болды, өйткені Fe2+ зиянды реактивті оттегі түрлерінің (мысалы, супероксид) пайда болуына әкелетін реакцияларға (Фентон реакциясы) қатыса алады. Уыттылықтың алдын алу үшін цитоплазмаға және ядроға жеткізілген кезде олар цитоплазмалық темір-күкірт жиынтығы (CIA) ақуыздары арқылы тасымалдануы және жеткізілуі керек.

Jmol: 1 кешені Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Протонды тасымалдау мембраналық доменде жүреді

Қолда бар дәлелдемелер 4 протонның цитоплазмадан периплазмалық кеңістікке бактериялардағы I комплексінің каталитикалық циклі кезінде концентрация градиентіне қарсы қозғалатынын көрсетеді. Біреуі N2 терминалдық тетрануклеарлық Fe/S кластеріндегі UQ төмендеуімен байланысты. Қалған үш протон мембраналық доменде қозғалады.

Nqo4 (KEGG диаграммасында көрсетілгендей мембраналық доменге жақын) D тізбегіндегі қалдықтар N2 кластеріне H+ ағынына қатысты. Оларға N2 кластерінен бастап, H169, H170, D86, R350, D401, H129, R279, H89, R125, E122, R249, Y257, Y254, Y260, R296 (сақталған қалдықтар қою шрифтпен жазылған) кіреді. N2 терминалдық кластері тиолатта (депротонацияланған түрінде) кластердегі Fe-ге байланған екі тандем Cys бүйірлік тізбектерімен (C45 және C46) үйлестіріледі. Бұл амин қышқылдары оларды H+ ағынына үміткер ететін қандай қасиеттерге ие?

Электрон және H+ ағынының үлгісі төменде көрсетілген (Беррисфорд пен Сазановтан кейін, JBC, 284, 29773, 2009). N2 және N6b темір-күкірт кластерлері O (тотыққан үшін) немесе R (тотықсыздандырылған) түрінде бейнеленген. C46 және C45 Nqo6 суббірлігінің тандем цистеиндерін көрсетеді (мембраналық доменге ең жақын). Q/QH2 хинон/хинолды көрсетеді. Tyr 87 (Y-O) және Glu 49 (D-O) протонды қабылдаушы болып табылады. Н-жолы цитозолдан тандем цистеиндерге протон жеткізу жолын көрсетеді. Бұл циклден бір протон мембрана арқылы тасымалданады. Диаграммада көрсетілген басқа екі протонмен не болады?

Қосымша протондар мембраналық домен арқылы тасымалданады. NuoL, M, N, A/J/K және H трансмембраналық домендері төменде көрсетілген. L, M және N домендері мембрана арқылы қарама-қарсы бағытта K+/H+ біріктірілген қозғалысына қатысатын ақуыздарға ұқсас құрылымдарға ие (антипортер). Әр бөлімде үзіліссіз спиральдар бар. Мембраналық спиральға көмілген үзіліс кезінде мүмкін болатын қалдықтар Glu 144 және Lys 234 болып табылады. Сіз оларды мембранадан көмілгенін күтесіз бе? Егер олар 3 ұқсас мембраналық ақуыз домендері бойынша конформациялық өзгеріске ұшыраған ашылмаған арнаның бөлігі болса, олар протон тасымалдауға қалай қатысады.

Сурет: T. Thermophilus I кешенінің трансмембраналық аймағы

L, M және N сол жақ үш антипортерлік бөлімшеге қарап, олардың барлығында көлденең өтетін үлкен спиралды байқаңыз. Бұл спираль барлық антипортерлік суббірліктер (L, M және N) бойынша протондардың қозғалысын біріктіру үшін қалай жұмыс істей алады? (Кеңес: механикалық ойлау)

Jmol: 1 кешені Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

I кешенінің тежелуі

I комплексті қосылыстардың 60-тан астам әртүрлі тұқымдастары тежейді. Оларға классикалық I Кешен ингибиторы ротенон және басқа да көптеген синтетикалық инсектицидтер/акарицидтер кіреді. Сыныптарға мыналар кіреді: I/A класы (прототипі - Пиерицидин А), II/B класы (прототипі - Ротенон) және С класы (прототипі - капсаицин). Олар бір жерде байланыстырылған сияқты. 3 прототиптің құрылымынан фармакофордың, «идеалды байланыстырушы лигандтың» сипаттамалары қандай? Олар қайда байлануы мүмкін? Байланыстыратын сайт қаншалықты «азғындық»?

Көптеген жойқын неврологиялық аурулар I кешендегі ақаулармен байланысты. Тотығу АТФ өндірісінің негізгі проблемаларынан басқа, реактивті оттегі түрлері (ROS) артады. ROS генерациясының негізгі орындары 1-кешен және III-кешен болып табылады. Ақуыз кешенінің ішіндегі және ішкі электрон тасымалдаушылардың орналасуын ескере отырып, электрон тасымалдаушылар электрондарды диоксигенге тез ағызуы мүмкін? Процесс барысында қандай ROS пайда болуы мүмкін?

Ингибиторлар UQ немесе ubiqinone бос радикалын түпкілікті азайту үшін қажетті конформациялық өзгерістерге қол жеткізуді блоктауы мүмкін. А класының ингибиторлары ROS өндірісін күрт арттырады. Кешендегі ROS өндірісінің нақты алаңы аздап даулы. Диоксигеннің электронды донорларының бірі - FMN. Неліктен бұл ықтимал кандидат? N2 темір-күкірт кластері жоқ мутанттар ROS өндірісін көрсетті. Бұл FMN сайтының ROS өндірісіне қатысуына сәйкес келе ме?

Субдохондриялық препараттарда қалыпты I комплексті белсенділік пайда болады (бұл тұрақты протон градиентінің пайда болуына әкеледі). Сондай-ақ, NAD+ азаюына әкелетін жасанды протон градиенті арқылы жұмыс істейтін кері электрондар тасымалдануы мүмкін (төмендегі диаграмманы қараңыз).

Сурет: Қалыпты және кері электрондарды тасымалдау кешені I

I кешен бойынша супероксид өндіру туралы қорытындының қысқаша мазмұны төменде келтірілген:

  • Супероксид өндірісі флавин аймағының тежегіштері болып табылады, бірақ Q тежегіштері емес.
  • Кері электронды тасымалдау NAD+ және O2 тотықсыздануына әкеледі
  • Кері электронды тасымалдау супероксидінің өндірісі флавинмен де, Q сайтының тежегіштерімен тежеледі

Осы нәтижелерге сүйене отырып, қандай учаске, флавин немесе Q учаскесі супероксид өндіруге қатысады?

Кешен III

III кешен – күрделі, көп бөлімшелік ақуыз. Электронды тасымалдауға қатысатын суббірліктер цитохром b, цитохром с1және Rieske темір күкірті ақуызы (ISP). В цитохромында екі гем бар. Біреуі цито б562 ол төмен потенциалды гем немесе цито b деп те аталадыL. Екіншісі - цито b566 ол жоғары потенциалды гем немесе цито b деп аталадыХ. Цитохром с1 суббірлікте бір гем бар.

Келесі Jmol сілтемелері кешеннің бірнеше көріністерін қамтиды. Төменде бірнеше рет қайталанады.

Jmol: Кешен III Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Rieske темір күкірт ақуызында Fe бар2С.2 темір күкірт шоғыры, оның басқа кластерлерден айырмашылығы әрбір Fe төмендегі суретте көрсетілгендей оның екі жағындағы өзгерістермен үйлестіріледі. Кешендегі гистидиндермен және күкірттермен H байланыстарының өзгеруі кластердің стандартты қалпына келтіру потенциалына күрт әсер етуі мүмкін.

Jmol: Rieske III кешенінің орталығы Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

I және IV кешендегі сияқты, протон мен электронның тасымалдануы біріктірілген процестер болып табылады. Алайда, протондар K-ге гомологиясы бар ақуыз домендері арқылы өтетін I кешеннен айырмашылығы++ антипортерлер және су арнасы мен Н-байланыс желісінің комбинациясы арқылы өтетін IV кешен, III кешендегі протондар ішкі мембрана арқылы убихинонның өзі арқылы тасымалданады. Екі редукцияланған убихинон (UQH2) комплекстен олардың төрт матрицадан алынған протондарын ішкі мембрана кеңістігіне өткіземін. Процессте төрт электрон Q циклі деп аталатын көп сатылы процесте жойылады.

Әрбір UQH екі электрон2 әр түрлі жолдарды таңдаңыз. Бір электрон Fe/S Rieske кластеріне, екіншісі b цитохромына ауысадыL. Электрондар Риске центріне, содан кейін c цитохромына ауысады1s, содан кейін молекулааралық кеңістіктегі кешенмен байланысқан цитохром С жылжымалы электронды тасымалдаушыға. Электрондар b цитоға көштіLs кешенде цитохром bH-ға ауысады. Бұл соңғы жол болса да, екі электрон (екі UQH2) содан кейін тотыққан UQ-ге жылжытылады және бір UQH реформалау үшін екі матрицалық протон қосылады.2. Демек, тек бір UQH2 төменде көрсетілгендей таза реакцияға қатысады.

QH2 +2 цитос3+ + 2H+матрица → Q + 2 цитос 2+ + 4 сағ+IMS

Бұл таза жалпы реакция, Q циклі төменде суреттелген. Бұл таза жалпы реакция, Q циклі төменде суреттелген.

Тағы да, протонды ішкі мембрана арқылы тасымалдау үшін ақуызда «протон» арналары немесе H байланысқан желілер жоқ.

Төмендегі суретте байланыстырылған жылжымалы электронды тасымалдаушы, цитохром С және ішкі - Rieske Fe/S кластері мен цитохром bL және bH салыстырмалы орналасуы көрсетілген. Сондай-ақ, стигмателлин А молекуласына назар аударыңыз, ол UQ төмендейтін (Qo сайты деп аталады) аймақпен байланысады және кешенді тежейді. Бұл UQ/UQH екенін көрсетеді2 Rieske canter және цитохром b-мен оңай әрекеттесетін күйдеL геме

Jmol: Кешен III Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

UQH-дан электронды тасымалдау процесі туралы ойлаудың тағы бір жолы2 Цитохромға - бұл UQH2 -ден 2 электрон екі түрлі жолды алады: біреуі Риске орталығына жоғары потенциалды жолмен және Ц цитохромына, ал екіншісі - bL геміне және bH геміне, содан кейін UQ -ге UQH2 реформасы (жоғарыдағы суретті қараңыз).

III кешен, I кешенімен бірге қажетсіз реактивті оттегі түрлерін (ROS) де жасай алады. Ақуыздың тек үш суббірлігі, b цитохромы (bL және бХ гемдер), цитохром с1, және Rieske темір күкірт ақуызы (ISP) электрондарды тасымалдауға қатысады, сондықтан олардың бірі негізінен ROS өндірісіне қатысады. Тәжірибелер мен математикалық модельдер UQ қалыптастыру үшін bL цитохромынан бір электрон қосу арқылы UQ қысқаруын қамтитын механизмді қолдайды. ол электронды диоксидке жіберіп, супероксид түзеді (O2-.).

Екі убихинон кешенмен байланысуы керек болғандықтан, екі проксимальды учаске болуы керек. Біреуі - тотыққан UQ электронды байланыстыратын және қабылдайтын Qi учаскесі. Екіншісі - UQH орналасқан Qo сайты2 байланыстырады.

Кинетикалық тұрғыдан алғанда, бірінші UQH2 екі электронды байланыстырады және тасымалдайды, біреуі Риске кластеріне (және одан әрі c цитохромына1 содан кейін цитохром С) және біреуі b цитохромынаL (және геме бХ), содан кейін Qi учаскесінде байланысқан тотыққан UQ -ға. UQ. радикал электрондардың төменгі аффинитеті бар іргелес bH гемімен тұрақтандырылады. Енді екінші UQH2 Qo сайтымен байланысады және екі электронды қайта жібереді, тағы біреуі Rieske кластері арқылы, екіншісі bL және bH цитохромы арқылы UQ. UQH қалыптастыру үшін Qi сайтында радикал бар2 оған матрицадан екі протон берілгеннен кейін.

Енді екінші UQH2 Qo сайтымен байланысады және екі электронды тасымалдайды, тағы біреуі Риске кластері арқылы, екіншісі цитохром b арқылыL және бХ UQ. UQH қалыптастыру үшін Qi сайтында радикал бар2 оған матрицадан екі протон берілгеннен кейін.

Антимицин А, өте улы препарат, UQ Qi сайтымен байланысады және осылайша b цитохромынан электронның тасымалдануын блоктайды.L бХ Qi сайтында. Хеме бL содан кейін супероксидті өндіру үшін оның электронын диоксидке бере алады.

Jmol: Кешен III Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

IV кешен - цитохром С оксидаза (CCOx)

IV кешеннің құрылымы сол жақтағы суретте және оң жақта KEGG жолдарынан алынған диаграммада (рұқсатымен) көрсетілген.

Цитохром С, осы кешеннің бастапқы «субстраты» электрондарды өзінің гем-кофакторынан екі ядролы мыс кластеріне CuA-ға жеткізеді. Ол жерден электрондар көршілес гемге а (төмен спин) ағады, ол оларды басқа гем а3 (жоғары спин), содан кейін a3 геміндегі Fe-мен үйлестірілген диоттегіге және көрші CuB-ге береді. Гем a3 Fe:Cu екі ядролы шоғыры барлық гемдердің ішінде ерекше. Гемдердің қайсысында темір гемімен үйлестірілген оның екі бүйірлік тізбегі болуы ықтимал? Бір?

7/13/17: Келесі Jmol сілтемелері кешеннің бірнеше көріністерін қамтиды. Төменде бірнеше рет қайталанады.

Jmol: Кешен IV Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Алдымен электрондардың гем а-дан гем a3-ке диотекке ауысуын қарастырайық (кешенге электрондардың енуін кейін қарастырамыз). Реакцияның субстраты болып табылатын диоттегі толық тотықсызданғанға дейін a3 Fe гемінен диссоциацияланса, оның салдары қандай болады? Бұл негізгі ферменттің бірегей гем a3 Fe:Cu екі ядролық кластерін түзетін эволюциясының себебін көрсетіңіз. Гема а және а3 гемоглобин құрамындағы гемден ерекшеленеді, себебі олардың екеуінде де метилді алмастыратын формил тобы және винил алмастырғышқа қосылған гидроксиэтилфарнесил тобы бар. Оның құрылымы төменде көрсетілген. Оның қысқартылған күйіндегі гемнің жалпы заряды қандай? Оның тотыққан күйінде?

Негізгі міндет H+ тасымалдауына тотығу-тотықсыздану байланысын түсіну болды. Бұл қалай жасалады? Гемдегі формил тобы екі тотығу күйінде де геммен компланар болады. Бұл теңдік гемдегі зарядқа қалай әсер етуі мүмкін?

Сурет: Цитохром С оксидазасының гем-формил тобы

Жоғарыдағы суреттен Arg 38 (R38) пен формил тобы арасында қандай өзара әрекеттесу түрі болуы мүмкін? Көршілес протеиннің бүйірлік тізбектерінің, атап айтқанда Arg 38 (R38) гемнің азаюы кезінде протонация күйінде не болуы мүмкін? Бұл электрон мен протонды тасымалдауды қалай байланыстырады?

Электронды екі ядролы CuA кластерінен гем адағы Fe-ге дейін 20 � қашықтыққа және ақырында диотекке қалай «тасымалдауға» болады? H+ беру жеке протонның «протонды тесік» арқылы физикалық қозғалысы кезінде болмайды. Трансферттің ең ықтимал механизмі қандай? Протон мен электронның массаларының қатынасын қарастырайық. Қандай толқын тәрізді мінез -құлықты көрсетуі мүмкін?

Тотыққан және тотықсызданған CCOx кристалдық құрылымдары су арналарын және 1-3 су молекуласын ұстай алатын шағын «қуыстарды» көрсетеді. Сондықтан гемнің айналасындағы топтар, оның ішінде R38 суға бағаланады. Арнадағы сулардың қызметі/рөлі қандай болуы мүмкін? Су арналарымен байланысты аминқышқылдарының кейбір қалдықтары төмендегі суретте көрсетілген және оларға R38, S34, T 424, S461, S382, H413 кіреді. Бұл аминқышқылдары протонды тасымалдауға қалай қатысуы мүмкін? Протон ағынының бағытын көрсететін диаграммада көрсеткіні сызыңыз.

Сурет: Цитохром С оксидазасындағы протонды тасымалдау

Электронды гем аға берудің тағы бір салдары кеңістікте жақын және су қуысына проксимальды S382 мен фарнесил ОН тобының өзара әрекеттесуін қамтиды. Олар қалай әрекеттесе алады? Гемнің азаюы кезінде конформация өзгереді, ол S382-фарнезил OH тобын арттырады. Бұл екеуінің және S382-L381-Val380 локализацияланған конформациясының өзара әрекеттесуіне қандай әсер етеді? Бұл аймақта жаңа су қуысы пайда болады. Бұл матрицадан протонның ауысуына қалай әсер етуі мүмкін?

Енді электрондардың кешенге ену орнын және олардың протонды тасымалдауға қалай әсер ететінін қарастырайық. Құрылымдық және функционалдық зерттеулер Asp 51 (D51) үшін негізгі рөлді көрсетеді (жоғарыдағы суретті қараңыз). Тотыққан күйде D51 екі OH бүйірлік тізбектерімен және амидті NH магистральдық топтарымен әрекеттеседі, бірақ суға ұшырамайды. Тотықсыздану кезінде D51 сулы ортада бетінде жатыр. Тотыққан және тотықсызданған комплексте екі бүйірлік тізбекті олардың ықтимал протонация күйінде сызыңыз. Бұл құрылымдардың протон тасымалдауға қандай салдары бар?

D51 жанында Y440-S441. 440 және 441 арасындағы магистральдық карбонил тобы R38-мен «жанама» әрекеттесу жасайды, оны біз бұрын көрсеткен гем а-ның тотығу-тотықсыздану күйі әсер етеді. Олар Н байланысын құру үшін тым алыс. Екі суды қосу арқылы карбонил O және Y371 арқылы R38 бүйірлік тізбегі арасындағы өзара әрекеттесу қалай болатынын көрсетіңіз. Сондай-ақ, Y371-мен әрекеттесетін судың гем-проприонатпен H байланысын қалай түзетінін көрсетіңіз.

Сурет: Цитохром С оксидазасындағы D51 жанындағы аминқышқылдарының рөлі

Бұл топтар электронды тасымалдауға қосылған протонды беру механизміне қалай қатыса алады? Магистральдық карбонил протонды тасымалдауға қатысады деп күтесіз бе? О карбонилінің протондануы имит қышқылының түзілуіне әкелетінін көрсететін реакция механизмін сызыңыз, ол N магистральдан протонды тасымалдауға әкеледі. Сондай-ақ таутомерлену реакциясы арқылы қалыпты амидтік байланыстың реформациясын көрсетіңіз. Неліктен бұл орын алады?

D51 осы H байланыс желісіне қалай қосылады? Тотыққан күйде D51 бетке шығады. Қысқарту кезінде ол қалай өзгеруі мүмкін? D51 өзгерту үшін сайтқа тән мутагенез пайдаланылды. Белсенділікке әсер ету үшін қандай аминқышқылдарын ауыстыру оңтайлы болуы мүмкін, бірақ ақуыздың қатпарлануын емес? Мутация электрон мен протон тасымалын ажыратады. Қайсысы әсер етуі мүмкін?

Электронды және протонды тасымалдауды байланыстырудың соңғы жолы ұсынылды. Төмендегі мәлімдемелерді аяқтау үшін жоғарыдағы ақпаратты пайдаланыңыз: гем тотыққанда, Arg-38 негізінен ____________ (протондалған/депротондалған) болады, өйткені матрицадан _______ қол жетімді. Асп 51 - ______________ (көмілген немесе ашық) және ______________ (протондалған/протонсыздандырылған). А гемінің төмендеуіне а гемдегі таза заряд _________________ Бұл Asp-51-нің ___________ (мембраналық кеңістік, матрица, мембрана) _________ (экспозициясының жоғарылауы/төмендеуі) және су арнасының _______ ұлғаюы/азаюына әкеледі. Демек, су молекулалары матрицадан _____________ (алынған/шығатын) болып табылады. Осыған байланысты Asp-51 протондары мембрана аралық кеңістікте ___________ (босатылған немесе одан алынған) гем а қайта тотыққанда, Asp-51 ақуыздың ___________ (ішкі/сыртқы) және таза оң зарядқа қайта жылжиды. гем а ___________ (өседі немесе төмендейді) Бұл гем формил тобының Arg 38-ге ұқсастығына _________ (ұлғаюы немесе төмендеуі) әкеледі. Бұл Arg 38 протонының Asp 51-ге __________ (қа/қа) ауысуына әкеледі. Arg-38 содан кейін _____________ су арнасындағы су молекулаларынан протондарды (береді/қабылдайды).

19.7.17 Ажыратымдылығы жоғары құрылымдардың механизмдері

Н арасындағы тетік пен байланыс туралы тереңірек түсіну+ және e- қозғалыс Yano et al (2016) анықтаған жоғары ажыратымдылық құрылымдарынан туындайды. Өз моделінде (төмендегі суретте көрсетілген, ақуыздың тотыққан түріне негізделген, pdb 5b1a), кешеннің теріс (матрицалық) N жағынан протондар су арнасы арқылы еніп, позитваға (мембрана аралық жағы) өтеді. H облигациялық желі (жоғарыда сипатталған және төменде көрсетілгендей). Олар H жолын қамтиды.

Бағытталған қозғалыс протон арқылы жүзеге асады: протонды итеру, ол электронды гем а3-ке тасымалдағанда, гемдегі + зарядтың ұлғаюына көмектеседі. Әрине, протон: протонды итеру протондарды екі жаққа да жылжытады. Су арнасы арқылы кері ағыс арнаны жабатын оттегі байланысындағы конформациялық өзгеріс арқылы алдын алады.

Сайып келгенде, 4 электрон цитохром С -тан (бір электронды қадаммен) дикоппер кластеріне, CuA, содан кейін гем а -ге г3 -ге дейін (мыс В -ионының жанында) су түзу үшін диоксидіге ауысады. Электрондар мен протондардың қозғалысы электростатикалық байланыста болады.

Төмендегі суретте осы қозғалыстарға шолу берілген. Кішкентай қызыл нүктелер ішкі су молекулаларының оттегі атомдары болып табылады (қалғандары Pymol көмегімен жойылған). Ішкі су молекулаларының саны мен орналасуын ескере отырып, олардың көпшілігі протонның транслокация жолдарына қатысатыны анық болуы керек.

Jmol: Кешен IV Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Бұл модельдің ең қызықтысы протондардың екі түрінің егжей-тегжейлі сипаттамасы болып табылады, олар диоксидке қосылып, суда аяқталады және IMS-ге векторлық түрде тасымалданатындар. Олардың үлгісінде Х+Тасымалданатын s су және H байланысы желісі арқылы Mg байланыстыратын H байланысы аймағы арқылы қозғалады.2+/су кластері. Оттегінің байланысуы су арнасын жауып тастайтын құрылымдық өзгерістерге әкелетіндіктен, IMS-ке тасымалданатын барлық протондар диоттегімен байланысудан бұрын кластерде байланысуы керек.

Төмендегі сурет бастапқыда 4 H екенін көрсетеді+s H жүйесі арқылы Mg-ге жылжиды2+2О кластер. Оттегімен байланыстырушы су арналарын жабады. Бұл оң зарядтардың жиналуы, әрине, реакцияның келесі фазасы, электрондардың гем кофакторларына қозғалысы үшін күшейтілген электростатикалық тартымдылыққа әкеледі. Сонымен қатар, 4 H+Пролин кластері проксимальды (жоғарыдағы суретті қараңыз) су арқылы P жағына ағып кетуіне жол бермеуі мүмкін, бұл протон қозғалысы үшін қажетті белоктың динамикалық қозғалысын шектейді. Суретте электронды тасымалдаушылардағы зарядтардың өзгеруі көрсетілмеген.

Төмендегі сурет цитохром С-ден жеткізілетін CuA-ға (дикос кластеріне) бірінші электронның қосылуын және толық протонмен жүктелген Mg-ден бір протонның кейінгі тасымалдануын көрсету механизмін бұзады.2+/диоксидпен байланысқаннан кейінгі су кластері. Бұл суретте электронды тасымалдаушылардың біртіндеп тотығу -тотықсыздану өзгерістері көрсетілген.

CuA C цитохромынан электрон алғаннан кейін, екеуі де жақын болса да, гем а3 емес, гемге береді. А геміндегі артық теріс протонды айдауды жеңілдетеді, көрсетілген H жолдарының ойы бойынша.

Jmol: Кешен IV Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

анимация: ox-phos

ox phos басқа анимациясы