Дыхательная цепь переноса электронов: различия между версиями

Цитохром с-оксидаза
Цитохром с-оксидаза
	; Цитохром с-оксидаза быка.
Идентификаторы
Шифр КФ	нет данных[заполнить]
	Медиафайлы на Викискладе

Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза
Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза
	; Структура митохондриальной убихинол-цитохром с-оксидоредуктазы в комплексе с убихиноном.
Идентификаторы
Шифр КФ	нет данных[заполнить]
	Медиафайлы на Викискладе

Сукцинатдегидрогеназа
Сукцинатдегидрогеназа
Идентификаторы
Шифр КФ	нет данных[заполнить]
	Медиафайлы на Викискладе

Интерактивная навигация по истории

(Показать все непатрулированные изменения)

[отпатрулированная версия]

[непроверенная версия]

← Предыдущая правка

Содержимое удалено Содержимое добавлено

ВизуальныйВики-текст

Линейный

Текущая версия от 20:44, 13 сентября 2024

Дыхательная цепь переноса электронов, также электрон-транспортная цепь (сокр. ЭТЦ, англ. ETC, Electron transport chain) — система трансмембранных белков и переносчиков электронов, необходимых для поддержания энергетического баланса. ЭТЦ поддерживает баланс за счёт переноса электронов и протонов из НАД∙Н и ФАДН₂ в акцептор электронов. В случае аэробного дыхания акцептором может быть молекулярный кислород (О₂). В случае анаэробного дыхания акцептором могут быть NO₃⁻, NO₂⁻, Fe³⁺, фумарат, диметилсульфоксид, сера, SO₄²⁻, CO₂ и т. д. ЭТЦ у прокариот локализована в ЦПМ, у эукариот — на внутренней мембране митохондрий.^[1] Переносчики электронов расположены в порядке увеличения сродства к электрону, то есть по своему окислительно-восстановительному потенциалу, где у акцептора самое сильное сродство к электрону. Поэтому транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно с выделением энергии. Выделяющаяся энергия расходуется на перенос протонов (H⁺) через мембрану (см. Протонный насос), в результате чего на мембране наводится электрохимический градиент (протонный потенциал). Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования.

Цепь переноса электронов митохондрий

В митохондриях эукариот цепь переноса электронов начинается с окисления НАДН и восстановления убихинона Q комплексом I. Далее комплекс II окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон Q. Убихинон Q окисляется и восстанавливается цитохром с комплексом III. В конце цепи комплекс IV катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды. В результате реакции, на каждые условно выделившиеся 6 протонов и 6 электронов выделяются 2 молекулы воды за счёт траты 1 молекулы О₂ и 10 молекул НАД∙Н.

НАДН-дегидрогеназный комплекс

Основная статья: НАДН-дегидрогеназный комплекс

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназный комплекс) окисляет НАД-Н. Этот комплекс играет центральную роль в процессах клеточного дыхания и окислительного фосфорилирования. Почти 40 % протонного градиента необходимого для синтеза АТФ создаются именно этим комплексом^[2]. НАДН-дегидрогеназный комплекс отбирает у НАДН два электрона и переносит их на кофермент Q. Другими словами, комплекс I окисляет НАДН и восстанавливает одну молекулу кофермента Q, которая высвобождается во внутреннюю мембрану митохондрии (у эукариотов). Поскольку кофермент Q растворим в липидах, он затем свободно диффундирует по мембране к комплексу III. Вместе с тем, на каждую окисленную молекулу НАДН комплекс переносит через мембрану (из матрикса в межмембранное пространство^[англ.] митохондрии) четыре протона.

Кофакторы

Все простетические группы НАДН-дегидрогеназного комплекса (один флавинмононуклеотид (ФАД) и от 8 до 9 железосерных кластеров) находятся в периферическом водорастворимом домене. У млекопитающих, как и у всех позвоночных, их восемь^[3]. Семь кластеров образуют электрон-транспортную цепь длинной в ~96 Å от ФМН до места связывания убихинона. На основе современных данных считается, что перенос электрона происходит по следующему пути: НАДН → ФМН → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q.

Сначала происходит передача двух электронов на флавин, а затем они по одному передаются через цепочку кластеров к сайту связывания хинона и восстанавливают его до состояния Q⁻². Кластер N1a располагается недалеко от флавинового кофактора и на некотором расстоянии от магистральной цепи переноса электрона. Этот кластер высококонсервативен у разных видов; полагают, что он осуществляет контроль скорости транспорта электрона внутри комплекса, перебрасываясь электроном с ФМН^[4]. Существует модель, согласно которой один из электронов с флавина идёт по магистральному пути на хинон, а другой запасается в кластере N1a и позже возвращается в основную цепь, через флавосемихинон. Возможно, такой механизм позволяет снизить образование активных форм кислорода на восстановленном флавине. К тому же, это позволяет стабилизировать (до миллисекунды) состояние, когда последний кластер N2 восстановлен, но нет второго электрона, чтобы завершить восстановление убихинона. Такое состояние может быть необходимым для конформационных изменений, сопряжённых с транспортом протонов.

Часть кластеров в цепи (N3, N4 и N6a) имеют высокий окислительно-восстановительный потенциал(редокс-потенциал) на уровне —0,25 В, в то время как три других (N1b, N5 и N6b) имеют более низкие потенциалы. В результате редокс-потенциал на пути электрона меняется наподобие американских горок. Такая кривая изменения энергетического состояния характерна для многих окислительно-восстановительных ферментов: она позволяет оптимизировать скорость транспорта электрона и добиться эффективного переноса энергии^[4].

Кластер N5 имеет очень низкий потенциал и лимитирует скорость общего потока электронов по всей цепи. Вместо обычных для железосерных центров лигандов (четырёх остатков цистеина) он скоординирован тремя остатками цистеина и одним остатком гистидина, а также окружён заряженными полярными остатками, хотя и находится в глубине фермента^[4].

Необычные лиганды имеет и терминальный кластер цепи — N2. Его редокс-потенциал самый высокий из всех кластеров (от —0,1 до —0,15 В). Он связан с четырьмя последовательно расположенными в полипептидной цепи остатками цистеина, что создаёт напряжённую конформацию. Из-за этого при его восстановлении происходят конформационные изменения соседних цепей, возможно, связанные с транспортом протона^[4].

Кластер N7 присутствует только в комплексе I некоторых бактерий. Он значительно удалён от остальных кластеров и не может обмениваться с ними электронами, так что по-видимому, является реликтом. В некоторых бактериальных комплексах, родственных комплексу I, между N7 и остальными кластерами обнаружены четыре консервативных остатка цистеина, а комплексе I бактерии Aquifex aeolicus был обнаружен дополнительный Fe₄S₄ кластер, соединяющий N7 с остальными кластерами. Из этого следует вывод, что у A. aeolicus комплекс I, кроме НАДН, может использовать иной донор электронов, который передаёт их через N7^[5].

Реакция

НАДН-дегидрогеназный комплекс окисляет НАДН, образовавшийся в матриксе в ходе цикла трикарбоновых кислот. Электроны от НАДН используются для восстановления мембранного переносчика, убихинона Q, который переносит их к следующему комплексу электрон-транспортной цепи митохондрий, комплексу III или цитохром-bc₁-комплексу ^[21].

НАДН-дегидрогеназный комплекс работает как протонная помпа: на каждый окисленный НАДН и восстановленный Q через мембрану в межмембранное пространство перекачиваются четыре протона^[6]:

НАДН + H⁺ + Q + 4H⁺_in → НАД⁺ + QH₂ + 4H⁺_out

Образовавшийся в ходе реакции электрохимический потенциал используется для синтеза АТФ. Реакция, катализируемая комплексом I, обратима, этот процесс называется аэробное сукцинат-индуцированное восстановление НАД⁺. В условиях большого потенциала на мембране и избытка восстановленных убихинолов комплекс может восстанавливать НАД⁺ с использованием их электронов и пропускать протоны обратно в матрикс. Этот феномен обычно наблюдается, когда много сукцината, но мало оксалоацетата или малата. Восстановление убихинона осуществляется ферментами сукцинатдегидрогеназой, глицерол-3-фосфатдегидрогеназой^[англ.] или митохондриальной дигидрооротатдегидрогеназой^[англ.]. В условиях высокого протонного градиента сродство комплекса к убихинолу повышается, а редокс-потенциал убихинола снижается благодаря росту его концентрации, что и делает возможным обратный транспорт электронов по электрическому потенциалу внутренней мембраны митохондрий к НАД^[7]. Данный феномен удалось наблюдать в лабораторных условиях, но неизвестно, имеет ли он место в живой клетке.

Механизм транспорта протонов

На начальных этапах исследования комплекса I широко обсуждалась модель, основанная на предположении, что в комплексе оперирует система, похожая на Q-цикл^[англ.]. Однако позднейшие исследования не обнаружили в комплексе I каких-либо внутренне связанных хинонов и полностью опровергли эту гипотезу^[8].

НАДН-дегидрогеназный комплекс, по-видимому, имеет уникальный механизм транспорта протонов посредством конформационных изменений самого фермента. Субъединицы ND2, ND4 и ND5 называются антипорт-подобными, поскольку они гомологичны друг другу и бактериальным Mrp Na⁺/H⁺ антипортам. Эти три субъединицы образуют три основных протонных канала, которые состоят из консервативных остатков заряженных аминокислот (в основном лизина и глутамата). Четвёртый протонный канал образован частью субъединицы Nqo8 и малыми субъединицами ND6, ND4L и ND3. Канал сходен по строению с аналогичными каналами антипорт-подобных субъединиц, но содержит необычно много плотно упакованных остатков глутамата со стороны матрикса, за что и получил название E-канал (латинское E используется как стандартное обозначение глутамата). От С-конца субъединицы ND5 отходит удлинение, состоящее из двух трансмембранных спиралей, соединённых необычно протяжённой (110 Å) α-спиралью^[4](HL), которая, проходя по стороне комплекса, обращённой в матрикс, физически соединяет все три антипорт-подобные субъединицы, и возможно, участвует в сопряжении транспорта электронов с конформационной перестройкой. Ещё один сопрягающий элемент, βH, образован серией перекрывающихся β-шпилек и α-спиралей, он расположен на противоположной, периплазматической стороне комплекса^[9]. До сих пор окончательно неизвестно, как именно транспорт электронов сопряжён с переносом протонов. Полагают, что мощный отрицательный заряд кластера N2 может расталкивать окружающие полипептиды, вызывая тем конформационные изменения, которые неким образом распространяются на все антипорт-подобные субъединицы, расположенные довольно далеко друг от друга. Другая гипотеза предполагает, что изменение конформации вызывает в необычно длинном сайте связывания убихинона стабилизированный убихинол Q⁻² с крайне низким редокс-потенциалом и отрицательным зарядом. Неизвестными остаются и многие детали кинетики конформационных изменений и сопряжённого с ними транспорта протонов^[9].

Ингибиторы

Наиболее изученный ингибитор комплекса I — ротенон (широко применяемый как органический пестицид). Ротенон и ротеноиды — это изофлавоноиды, которые присутствуют в корнях нескольких родов тропических растениях таких как Антония (Loganiaceae), Derris и Lonchocarpus (Fabaceae). Ротенон давно используется как инсектицид и рыбный яд, так как митохондрии насекомых и рыб особенно к нему чувствительны. Известно, что коренные жители Французской Гвианы и другие индейцы Южной Америки использовали ротенон-содержащие растения для рыболовства уже в XVII веке^[10]. Ротенон взаимодействует с сайтом связывания убихинона и конкурирует с основным субстратом. Было показано, что долгосрочное системное подавление комплекса I ротеноном может индуцировать селективное отмирание дофаминергических нейронов (секретирующих в качестве нейротрансмиттера дофамин)^[11]. Схожим образом действует и пиерицидин А, ещё один мощный ингибитор комплекса I, структурно схожий с убихиноном. К этой же группе относится и амитал натрия — производное барбитуровой кислоты^[12].

Несмотря на более чем 50-летнее изучение комплекса I, так и не удалось обнаружить ингибиторы, блокирующие перенос электронов внутри комплекса. Гидрофобные ингибиторы, такие как ротенон или пиерицидин, просто прерывают перенос электрона с терминального кластера N2 на убихинон^[11].

Ещё одно вещество, блокирующее комплекс I — это аденозиндифосфатрибоза, конкурентный ингибитор^[англ.] в реакции окисления НАДН. Он связывается с ферментом в сайте связывания нуклеотида (ФАД)^[13].

К одним из самых сильных ингибиторов комплекса I относится семейство ацетогенинов. Показано, что эти вещества образуют химические сшивки с субъединицей ND2, что косвенно указывает на роль ND2 в связывании убихинона^[14]. Ацетогенин роллиниастатин-2 стал первым из обнаруженных ингибиторов комплекса I, который связывается в другом месте, нежели ротенон^[15].

Умеренным ингибиторным эффектом обладает антидиабетический препарат метформин; по-видимому, данное свойство препарата лежит в основе механизма его действия^[16].

Сукцинатдегидрогеназа

Основная статья: Сукцинатдегидрогеназа

Механизм реакции

Комплекс II окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон:

Сукцинат + Q → Фумарат + QH₂

Электроны от сукцината сначала переносятся на ФАД, а затем через Fe-S кластеры на Q. Электронный транспорт в комплексе не сопровождается генерацией протонного градиента. Образовавшиеся при окислении сукцината 2H⁺ остаются на той же стороне мембраны, то есть в матриксе, и затем снова поглощаются при восстановлении хинона. Таким образом комплекс II не вносит вклада в создание протонного градиента на мембране и работает только как переносчик электронов от сукцината к убихинону^[17]^[18].

Окисление сукцината

О точном механизме окисления сукцината известно довольно мало. Рентгеноструктурный анализ выявил, что ФАД, глутамат-255, аргинин-286, и гистидин-242 субъединицы A могут быть кандидатами для осуществления реакции депротонирования. Существует два возможных механизма этой реакции элиминирования (отщепления): E2 и E1cb. В случая E2 — это согласованный механизм. Основные остатки или кофактор депротонируют альфа углерод, а ФАД принимает гидрид-анион от бета углерода, окисляя сукцинат до фумарата. В случае механизма E1cb, прежде чем ФАД присоединит гидрид-анион, образуется енольная форма сукцината. Что бы определить какой механизм имеет место на самом деле, требуется провести дополнительные исследования сукцинатдегидрогеназы.

После завершения реакции фумарат, который слабо связан с активным центром фермента, легко диссоциирует. Существуют данные из которых следует, что цитозольный субстратсвязывающий домен сукцинатдегидрогеназы претерпевает конформационные изменения: после ухода продукта фермент находится в открытом виде, а связав новый субстрат, переходит в закрытое состояние, плотно смыкаясь вокруг него^[19].

Перенос электронов

В результате окисления сукцината его электроны переносятся на ФАД, а затем передаются по цепи из железосерных кластеров от кластера [Fe-S] к [3Fe-4S]. Там эти электроны переносятся на ожидающую в сайте связывания молекулу убихинона.

Восстановление убихинона

В активном сайте убихинон стабилизирован за счёт водородных связей между его карбонильным атомом кислорода в первом положении и тирозином-83 субъединицы D. Переход электронов на железосерный кластер [3Fe-4S] заставляет убихинон перейти в другое положение. В результате образуется вторая водородная связь между карбонильной группой убихинона в четвёртом положении и серином-27 субъединицы C. После того как в процессе восстановления убихинон принимает первый электрон, он превращается в активный радикал семихинон, который после связывания второго электрона от [3Fe-4S] кластера полностью восстанавливается до убихинола^[20].

Гем b

Хотя точная функция гема сукцинатдегидрогеназы всё ещё не известна, некоторые исследователи утверждают, что первый электрон, поступающий к убихинону через [3Fe-4S] может быстро перемещаться вперёд-назад между гемом и связанным убихиноном. Таким образом гем играет роль стока электронов, предотвращая их взаимодействие с молекулярным кислородом, которое привело бы к образованию активных форм кислорода.

Так же есть предположение, что для того что бы не давать электрону напрямую попадать с [3Fe-4S] кластера на гем действует специальный воротный механизм. Вероятный кандидат на роль ворот — гистидин-207 субъединицы B, который расположен прямо между железосерным кластером и гемом, неподалёку от связанного убихинона, вероятно, он может управлять потоком электронов между этими редокс-центрами^[20].

Ингибиторы

Существует два класса ингибиторов комплекса II: одни блокируют карман для связывания сукцината, а другие — карман для связывания убихинола. К ингибиторам, имитирующем убихинол, относятся карбоксин и теноилтрифторацетон. К ингибиторам-аналогам сукцината принадлежит синтетическое соединение малонат, а также компоненты цикла Кребса, малат и оксалоацетат. Интересно, что оксалоацетат является одним из самых сильных ингибиторов комплекса II. По какой причине обычный метаболит цикла трикарбоновых кислот ингибирует комплекс II остаётся не ясным, хотя предполагают, что таким образом он может выполнять защитную роль, сводя к минимуму обратный транспорт электронов в комплексе I, в результате которого происходит образование супероксида^[21].

Ингибиторы, имитирующие убихинол, использовались как фунгициды в сельском хозяйстве начиная с 1960-х годов. Например, карбоксин в основном использовался для заболеваний вызванных базидиомицетами, такими как стеблевы ржавчины и заболевания вызванные Rhizoctonia. В последнее время им на смену пришли другие соединения с более широким спектром подавляемых патогенов. К таким соединениям относятся боскалид, пентиопирад и флуопирам^[22]. Некоторые сельскохозяйственно значимые грибы не восприимчивы к действию этого нового поколения ингибиторов^[23].

Цитохром-bc₁-комплекс

Основная статья: Цитохром-bc₁-комплекс

Цитохро́м-bс1-ко́мплекс (комплекс цитохромов bc₁) или убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза, или комплекс III — мультибелковый комплекс дыхательной цепи переноса электронов и важнейший биохимический генератор протонного градиента на мембране митохондрий. Этот мультибелковый трансмембранный комплекс кодируется митохондриальным (цитохром b) и ядерным геномами^[25].

Комплекс III был выделен из митохондрий сердца быка, цыпленка, кролика и митохондрий дрожжей. Он присутствует в митохондриях всех животных, растений и всех аэробных эукариот, а также на внутренней мембранах большинства эубактерий. Известно, что комплекс образует в целом 13 белковых петель, пересекающих мембрану^[25].

Реакция

Цитохром-bс₁-комплекс окисляет восстановленный убихинон и восстанавливает цитохром c (Е°'=+0,25 В) согласно уравнению:

QH₂ + 2 цит. с⁺³ + 2Н⁺_внут →Q + 2 цит. с⁺² + 4H⁺_out

Электронный транспорт в комплексе сопряжен с переносом протонов из матрикса (in) в межмембранное пространство (out) и генерацией на мембране митохондрий протонного градиента. На каждые два электрона, проходящие по цепи переноса от убихинона до цитохрома с, два протона поглощается из матрикса, и ещё четыре высвобождаются в межмембранное пространство. Восстановленный цитохром c движется вдоль мембраны в водной фракции и переносит один электрон к следующему дыхательному комплексу — цитохромоксидазе^[26]^[27].

Q-цикл

События, которые при этом происходят, известны как Q-цикл, который был постулирован Питером Митчеллом в 1976 году. Принцип Q-цикла состоит в том, что перенос Н⁺ через мембрану происходит в результате окисления и восстановления хинонов на самом комплексе. При этом хиноны соответственно отдают и забирают 2Н⁺ из водной фазы избирательно с разных сторон мембраны.

В структуре комплекса III есть два центра, или два «кармана», в которых могут связываться хиноны. Один из них, Q_out-центр, расположен между железосерным кластером 2Fe-2S и гемом b_L вблизи внешней (out) стороны мембраны, обращённой в межмембранное пространство. В этом кармане связывается восстановленный убихинон (QH₂). Другой, Q_in-карман, предназначен для связывания окисленного убихинона(Q) и расположен вблизи внутренней (in) стороны мембраны, контактирующей с матриксом.

Первая часть Q-цикла

QH₂ связывается в Q_out-сайте, окисляется до семихинона (Q•) железосерным центром белка Риске и отдаёт два протона в люмен.
Восстановленный железосерный центр передаёт один электрон на пластоцианин через цитохром c.
Q связывается в Q_in-сайте.
Q• передаёт электроны к гему b_L цитохрома b по низкопотенциальной ЭТЦ.
Гем b_L передаёт электрон на b_H.
Гем b_H восстанавливает Q до состояния Q•.

Вторая часть Q-цикла

Второй QH₂ связывается с Q_out-сайтом комплекса.
Пойдя по высокопотенциальной ЭТЦ, один электрон восстанавливает ещё один пластоцианин. Ещё два протона поступают в люмен.
По низкопотенциальной ЭТЦ электрон от b_H передаётся на Q•, и полностью восстановленный Q²⁻ связывает два протона их стромы, превращаясь в QH₂.
Окисленный Q и восстановленный QH₂ диффундируют в мембрану^[28].

Необходимым и парадоксальным условием работы Q-цикла является тот факт, что время жизни и состояние семихинонов в двух центрах связывания разное. В Q_out-центре Q• нестабилен и действует как сильный восстановитель, способный отдать е^- на низкопотенциальный гем by. В Q_in-центре образуется относительно долгоживущий Q•⁻, потенциал которого позволяет ему действовать в качестве окислителя, принимая электроны с гема b_H. Ещё один ключевой момент Q-цикла связан с расхождением двух электронов, входящих в комплекс, по двум разным путям. Изучение кристаллической структуры комплекса показало, что позиция 2Fe-2S-центра относительно других редокс-центров может смещаться. Оказалось, что белок Риске имеет подвижный домен, на котором собственно и расположен 2Fe-2S кластер. Принимая электрон и восстанавливаясь, 2Fe-2S центр меняет своё положение, отдаляясь от Q_out-центра и гем b_L на 17 Å с поворотом на 60° и тем самым приближаясь к цитохрому c. Отдав электрон цитохрому, 2Fe-2S центр, наоборот, сближается с Q_out-центром для установления более тесного контакта. Таким образом, функционирует своеобразный челнок (шаттл), гарантирующий уход второго электрона на гемы b_L и b_H. Пока это единственный пример, когда электронный транспорт в комплексах связан с подвижным доменом в структуре белка^[29].

Активные формы кислорода

Небольшая часть электронов покидает цепь переноса до того как достигнет Комплекса IV. Постоянные утечки электронов на кислород приводят к образованию супероксида. Эта небольшая побочная реакция приводит к образованию целого спектра активных форм кислорода, которые весьма токсичны и играют значительную роль в развитии патологий и старения)^[30]. Электронные протечки в основном происходят в Q_in-сайте. Этому процессу способствует антимицин A. Он блокирует гемы b в их восстановленном состоянии не давая им сбросить электроны на семихинон Q•, что в свою очередь приводит к повышению его концентрации. Семихинон реагирует к кислородом, что и приводит к образованию супероксида. Образовавшийся супероксид поступает в митохондриальный матрикс и межмембранное пространство, откуда он может попасть в цитозоль. Этот факт можно объяснить тем, что Комплекс III, возможно, производит супероксид в форме незаряженного HOO^•, которому легче проникнуть сквозь внешнюю мембрану по сравнению с заряженным Супероксидом (O₂-)^[31].

Ингибиторы Комплекса III

Все ингибиторы Комплекса III можно разделить на три группы:

Антимицин A связывается с Q_внут-сайтом и блокирует транспорт электронов от гема b_H к окисленному убихинону Q (ингибитор Q_in-сайта).
Миксотиазол и стигмателлин связываются с Q_внеш-сайтом и блокируют перенос электрона с восстановленного QH₂ на железосерный кластер белка Риске. Оба ингибитора связываются с Q_внеш-сайтом, но в разных, хотя и перекрывающихся, местах.
- Миксотиазол связывается ближе к гему b_L и потому именуется «проксимальным» ингибитором.
- Стигмателлин связывается дальше от гема b_L и ближе к белку Риске, с которым он взаимодействует.

Некоторые из этих веществ используются как фунгициды (например, производные стробилурина, наиболее известным из которых является азоксистробин, ингибитор сайта Q_внеш) и противомалярийные препараты (атовакуон)^[1].

Цитохром c оксидаза

Основная статья: Цитохром c оксидаза

Цитохром с оксида́за (цитохромоксидаза) или цитохром с-кислород-оксидоредуктаза, также известная как цитохром aa₃ и комплекс IV — терминальная оксидаза аэробной дыхательной цепи переноса электронов, которая катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород с образованием воды^[1]. Цитохромоксидаза присутствует во внутренней мембране митохондрий всех эукариот, где её принято называть комплекс IV, а также в клеточной мембране многих аэробных бактерий^[32].

Комплекс IV последовательно окисляет четыре молекулы цитохрома с и, принимая четыре электрона, восстанавливает O₂ до H₂O. При восстановлении O₂ четыре H⁺ захватываются из митохондриального матрикса для образования двух молекул H₂O, а ещё четыре H⁺активно перекачиваются через мембрану. Таким образом, цитохромоксидаза вносит свой вклад в создание протонного градиента для синтеза АТФ и является частью пути окислительного фосфорилирования^[33]. Кроме того, этот мультибелковый комплекс играет ключевую роль в регуляции активности всей дыхательной цепи и производстве энергии эукариотической клеткой^[34].

Реакция

Комплекс IV цитохром c оксидаза катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O₂ и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома a3 в форме молекулы O₂. Каждый из атомов кислорода присоединяет по два электрона и два протона и превращается в молекулу воды.

Суммарная реакция, катализируемая комплексом, описывается следующим уравнением:

4цит. c²⁺ + O₂ + 8H⁺_in → 4цит. c³⁺ + 2H₂O + 4H⁺_out

Путь электрона в комплексе известен. Цитохром с связывается на субъединице II при посредничестве субъединиц I, III и VIb и восстанавливает Cu_A-центр, расположенный вблизи поверхности мембраны. С Cu_A-центра электрон уходит на гем а и далее на биядерный центр a₃-Cu_B, расположенные в толще мембраны. Именно в биядерном центре происходит связывание О₂ и его восстановление до Н₂О^[33]. Поскольку кислород обладает высоким сродством к электронам, то в процессе восстановления до воды он высвобождает большое количество свободной энергии. Благодаря этому аэробные организмы способны получать гораздо большее количество энергии, чем можно выработать исключительно анаэробным способом.

Механизм восстановления кислорода

Механизм восстановления кислорода уже давно является предметом интенсивного изучения, но ясен не до конца. Каталитический цикл цитохромоксидазы состоит из шести стадий, обозначаемых A (аддукт, англ. Adduct)^[35], P (пероксиинтермедиат от англ. Peroxy intermediate), F (феррилоксоинтермедиат от англ. Ferryl-oxo intermediate)^[35], O_H (полностью окисленное высокоэнергетическое состояние от англ. Fully-Oxidized High-Energy state), E (одноэлектронно-восстановленное состояние от англ. One-electron reduced state) и R (восстановленное состояние от англ. Reduced state) и названных так по состоянию биядерного центра^[36]. Номенклатура каталитических состояний значительно устарела, не всегда отражает реальное химическое состояние биядерного центра и сохраняется во многом по историческим причинам. Так например, на стадии P кислород в биядерном центре находится совсем не в пероксидой форме, как то полагали 30 лет назад, а в оксоферрильном состоянии, где связь между атомами кислорода уже разорвана^[35]. Согласно современным представлениям, восстановление кислорода в цитохром с-оксидазе происходит путём быстрого и полного восстановления с попарным переносом электронов, что исключает образование активных форм кислорода. Происходит следующая последовательность событий^[35]^[37]^[38]:

A Полностью восстановленный биядерный центр быстро связывает O₂ c образование кислородного аддукта, что приводит к конформационным перестройкам (обозначены тонкими чёрными стрелочками).
P_M Происходит быстрый перенос четырёх электронов на кислород: два поставляются железом гема а₃ (Fe^II→Fe^IV), ещё один расположенным рядом Cu_B (Cu^I→Cu^II), а четвёртый приходит от остатка тирозина-244, он же отдаёт протон, необходимый для разрыва двойной связи O₂. Образовавшийся нейтральный тирозиновый радикал восстанавливается до состояния аниона за счёт электрона от цитохрома с.
P_R Происходит протонирование Cu(II)-OH⁻ с образованием молекулы воды.
F Образовавшаяся молекула воды связывается с Cu_B координационной связью. Железо Fe(IV)=О^2- восстанавливается до Fe^III, а связанный с ним кислород протонируется. Высвобождается первая молекула воды.
O_H Тирозиновый анион протонируется, а Cu_B восстанавливается до Cu^I за счёт электрона от цитохрома с.
E_H Железо восстанавливается до Fe^II, после чего связанная с ним OH^- группа протонируется с образованием второй молекулы воды.
R В этом состоянии биядерный центр полностью восстановлен и комплекс готов к связыванию новой молекулы кислорода.

Механизм транспорта протонов

Известно, что эукариотическая цитохромоксидаза переносит через мембрану по одному протону на каждый электрон, полученный от цитохрома с. За один раз комплекс закачивает один «субстратный» протон, используемый для образования воды, через канал К и переносит один дополнительный протон через мембрану по каналу D. В ходе одного каталитического цикла акт транслокации приходятся на четыре относительно стабильных стадии: P_M, F, O_H, и E_H.
Точный механизм транспорта протонов до сих пор остаётся не ясным: за последние годы было предложено множество моделей, в которых предпринимались попытки детально описания этого процесса^[38]. Не понятно и то, каким образом осуществляется сопряжение энергии электрона с перемещением протонов. Тем не менее, в общем виде это можно описать следующим образом^[36]:

В начальной стадии цикла протонные каналы комплекса закрыты, затем цитохром с передаёт электрон на Cu_A-центр.
Электрон быстро перемещается c Cu_A-центра на гем a, что ведёт к изменению окислительно-восстановительного потенциала и заставляет молекулы воды в канале D переориентироваться, делая его открытым для протона. В результате перемещения электрона с Cu_A на гем a происходит перемещение протона через канал D и его загрузка в сайт загрузки протона PLS (англ. proton loading site).
Электрон переходит на биядерный центр к гему a₃, в результате чего через канал K входит один субстратный протон. При этом протон в PLS испытывает значительное увеличение его кислотности (с pK=11 до pK=5).
На завершающей стадии цикла предзагруженный в PLS протон выбрасывается наружу, как полагают, по причине электростатического отталкивания от субстратного протона, который участвует в восстановлении кислорода в биядерном центре.

Ингибиторы

Цианиды, сульфиды, азиды, монооксид углерода и монооксид азота^[39] связываются с окисленным или восстановленным биядерным центром фермента и конкурируют с кислородом, ингибируя при этом фермент, что приводит к смерти клеток от химической асфиксии. Метанол, который входит в состав технического спирта, в организме преобразуется в муравьиную кислоту, которая тоже может ингибировать цитохромоксидазу^[40].

Влияние окислительного потенциала

Основная статья: Окислительно-восстановительный потенциал

Восстановитель	Окислитель	Ео´, В
Н₂	2H⁺	— 0,42
НАД • Н + Н⁺	НАД⁺	— 0,32
НАДФ • Н + Н⁺	НАДФ⁺	— 0,32
Флавопротеин (восстановленный)	Флавопротеин (окисленный)	— 0,12
Кофермент Q • Н₂	Кофермент Q	+ 0,04
Цитохром B (Fe²⁺)	Цитохром B (Fe³⁺)	+ 0,07
Цитохром C1 (Fe²⁺)	Цитохром C1 (Fe³⁺)	+ 0,23
ЦитохромыA (Fe²⁺)	ЦитохромыA(Fe³⁺)	+ 0,29
ЦитохромыA3 (Fe²⁺)	Цитохромы A3 (Fe³⁺)	+0,55
H₂O	½ О₂	+ 0,82

Система с более низким окислительно-восстановительным потенциалом обладает большей способностью отдавать электроны системе с большим потенциалом. Например, пара НАД•Н⁺/НАД⁺ , редокс-потенциал которой равен — 0,32 В будет отдавать свои электроны окислительно-восстановительной паре флавопротеин (восстановл.) / флавопротеин (окислен.), имеющей больший потенциал −0,12 В. Бо́льшая величина редокс-потенциала окислительно-восстановительной пары вода/кислород (+0,82 В) указывает на то, что у этой пары способность отдавать электроны выражена очень слабо^[41].

Электрон-транспортные цепи бактерий

Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Эти пути могут осуществляться одновременно, например, E.coli при выращивании на среде, содержащей глюкозу в качестве основного источника органического вещества, использует две НАДН дегидрогеназы и две хинолоксидазы, что означает наличие 4 путей транспорта электрона. Большинство ферментов ЭТЦ индуцибельны и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.

Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный водород, угарный газ, аммоний, нитрит, сера, сульфид, двухвалентное железо. Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать формиат-, лактат-, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, гидрогеназа и т. д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать редуктазы, восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: фумаратредуктазу, нитрат- и нитритредуктазу и т. д.

См. также

Примечания

↑ ¹ ² ³ J. H. Holmes, N. Sapeika, H. Zwarenstein. Inhibitory effect of anti-obesity drugs on NADH dehydrogenase of mouse heart homogenates // Research Communications in Chemical Pathology and Pharmacology. — August 1975. — Т. 11, вып. 4. — С. 645—646. — ISSN 0034-5164. Архивировано 23 июня 2018 года.
↑ Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran, Leonid A. Sazanov. The architecture of respiratory complex I (англ.) // Nature. — 2010/05. — Т. 465, вып. 7297. — С. 441—445. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature09066.
↑ Donald Voet, Judith G. Voet. Biochemistry. — Wiley, 2004. — ISBN 047119350X, 9780471193500.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Leonid A. Sazanov. A giant molecular proton pump: structure and mechanism of respiratory complex I (англ.) // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2015/06. — Т. 16, вып. 6. — С. 375—388. — ISSN 1471-0080. — doi:10.1038/nrm3997.
↑ Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. The coupling mechanism of respiratory complex I — A structural and evolutionary perspective // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1817, вып. 10. — С. 1785—1795. — doi:10.1016/j.bbabio.2012.02.015.
↑ Ulrich Brandt. Energy Converting NADH: Quinone Oxidoreductase (Complex I) // Annual Review of Biochemistry. — 2006-06-01. — Т. 75, вып. 1. — С. 69—92. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539. Архивировано 2 мая 2021 года.
↑ Vera G. Grivennikova, Alexander B. Kotlyar, Joel S. Karliner, Gary Cecchini, Andrei D. Vinogradov. Redox-dependent change of nucleotide affinity to the active site of the mammalian complex I // Biochemistry. — 2007-09-25. — Т. 46, вып. 38. — С. 10971—10978. — ISSN 0006-2960. — doi:10.1021/bi7009822. Архивировано 20 марта 2018 года.
↑ Ермаков, 2005, с. 238.
↑ ¹ ² Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas, Leonid A. Sazanov. Crystal structure of the entire respiratory complex I (англ.) // Nature. — 2013/02. — Т. 494, вып. 7438. — С. 443—448. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature11871.
↑ Moretti C., Grenand P. [The "nivrées", or ichthyotoxic plants of French Guyana] (фр.) // J Ethnopharmacol^[англ.]. — 1988. — Сентябрь (т. 6, № 2). — С. 139—160. — doi:10.1016/0378-8741(82)90002-2. — PMID 7132401.
↑ ¹ ² Watabe M., Nakaki T. Mitochondrial complex I inhibitor rotenone inhibits and redistributes vesicular monoamine transporter 2 via nitration in human dopaminergic SH-SY5Y cells (англ.) // Molecular Pharmocology : journal. — 2008. — July (vol. 74, no. 4). — P. 933—940. — doi:10.1124/mol.108.048546. — PMID 18599602.
↑ Ермаков, 2005, с. 237.
↑ Zharova T.V., Vinogradov AD. A competitive inhibition of the mitochondrial NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) by ADP-ribose (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta^[англ.] : journal. — 1997. — July (vol. 1320, no. 3). — P. 256—264. — doi:10.1016/S0005-2728(97)00029-7. — PMID 9230920.
↑ Nakamaru-Ogiso E., Han H., Matsuno-Yagi A., Keinan E., Sinha S.C., Yagi T., Ohnishi T. The ND2 subunit is labeled by a photoaffinity analogue of asimicin, a potent complex I inhibitor. (англ.) // FEBS Letters^[англ.] : journal. — 2010. — January (vol. 584, no. 5). — P. 883—888. — doi:10.1016/j.febslet.2010.01.004. — PMID 20074573. — PMC 2836797.
↑ Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. Natural substances (acetogenins) from the family Annonaceae are powerful inhibitors of mitochondrial NADH dehydrogenase (complex I) (англ.) // The Biochemical Journal^[англ.] : journal. — 1994. — July (vol. 301). — P. 161—167. — PMID 8037664. — PMC 1137156.
↑ Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Cellular and molecular mechanisms of metformin: an overview (англ.) // Clinical Science (London)^[англ.] : journal. — 2012. — March (vol. 122, no. 6). — P. 253—270. — doi:10.1042/CS20110386. — PMID 22117616. Архивировано 23 июля 2018 года.
↑ Нельсон, Кокс, 2012, с. 331-333.
↑ Ермаков, 2005, с. 240.
↑ T.M. Iverson. Catalytic mechanisms of complex II enzymes: A structural perspective // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1827, вып. 5. — С. 648—657. — doi:10.1016/j.bbabio.2012.09.008.
↑ ¹ ² Quang M. Tran, Richard A. Rothery, Elena Maklashina, Gary Cecchini, Joel H. Weiner. The Quinone Binding Site in Escherichia coli Succinate Dehydrogenase Is Required for Electron Transfer to the Heme b (англ.) // Journal of Biological Chemistry. — 2006-10-27. — Vol. 281, iss. 43. — P. 32310—32317. — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X. — doi:10.1074/jbc.M607476200. Архивировано 3 июня 2018 года.
↑ Florian L. Muller, Yuhong Liu, Muhammad A. Abdul-Ghani, Michael S. Lustgarten, Arunabh Bhattacharya. High rates of superoxide production in skeletal-muscle mitochondria respiring on both complex I- and complex II-linked substrates // The Biochemical Journal. — 2008-01-15. — Т. 409, вып. 2. — С. 491—499. — ISSN 1470-8728. — doi:10.1042/BJ20071162. Архивировано 20 марта 2018 года.
↑ Hervé F. Avenot, Themis J. Michailides. Progress in understanding molecular mechanisms and evolution of resistance to succinate dehydrogenase inhibiting (SDHI) fungicides in phytopathogenic fungi // Crop Protection. — Т. 29, вып. 7. — С. 643—651. — doi:10.1016/j.cropro.2010.02.019.
↑ Tiphaine Dubos, Matias Pasquali, Friederike Pogoda, Angèle Casanova, Lucien Hoffmann. Differences between the succinate dehydrogenase sequences of isopyrazam sensitive Zymoseptoria tritici and insensitive Fusarium graminearum strains // Pesticide Biochemistry and Physiology. — Т. 105, вып. 1. — С. 28—35. — doi:10.1016/j.pestbp.2012.11.004.
↑ PDB 1ntz; Gao X., Wen X., Esser L., Quinn B., Yu L., Yu C.A., Xia D. Structural basis for the quinone reduction in the bc1 complex: a comparative analysis of crystal structures of mitochondrial cytochrome bc1 with bound substrate and inhibitors at the Qi site (англ.) // Biochemistry : journal. — 2003. — August (vol. 42, no. 30). — P. 9067—9080. — doi:10.1021/bi0341814. — PMID 12885240.
↑ ¹ ² Ермаков, 2005, с. 240.
↑ David M. Kramer, Arthur G. Roberts, Florian Muller, Jonathan Cape, Michael K. Bowman. Q-cycle bypass reactions at the Qo site of the cytochrome bc1 (and related) complexes // Methods in Enzymology. — 2004. — Т. 382. — С. 21—45. — ISSN 0076-6879. — doi:10.1016/S0076-6879(04)82002-0. Архивировано 23 июня 2018 года.
↑ Antony R. Crofts. The Cytochrome bc1 Complex: Function in the Context of Structure // Annual Review of Physiology. — 2004-02-12. — Т. 66, вып. 1. — С. 689—733. — ISSN 0066-4278. — doi:10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251. Архивировано 14 октября 2019 года.
↑ David G. Nicholls, Stuart John Ferguson. Bioenergetics 3. — Gulf Professional Publishing, 2002. — ISBN 0125181213, 9780125181211.
↑ Ермаков, 2005, с. 243.
↑ Florian L. Muller, Michael S. Lustgarten, Youngmok Jang, Arlan Richardson, Holly Van Remmen. Trends in oxidative aging theories // Free Radical Biology and Medicine. — Т. 43, вып. 4. — С. 477—503. — doi:10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034.
↑ Florian L. Muller, Yuhong Liu, Holly Van Remmen. Complex III Releases Superoxide to Both Sides of the Inner Mitochondrial Membrane (англ.) // Journal of Biological Chemistry. — 2004-11-19. — Vol. 279, iss. 47. — P. 49064—49073. — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X. — doi:10.1074/jbc.M407715200. Архивировано 3 июня 2018 года.
↑ Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström, Michael I. Verkhovsky. The proton donor for O O bond scission by cytochrome c oxidase (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 2008-08-05. — Vol. 105, iss. 31. — P. 10733—10737. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.0802512105. Архивировано 20 марта 2018 года.
↑ ¹ ² Ермаков, 2005, с. 244.
↑ Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras. Cytochrome c oxidase: Evolution of control via nuclear subunit addition // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1817, вып. 4. — С. 590—597. — doi:10.1016/j.bbabio.2011.07.007.
↑ ¹ ² ³ ⁴ Cytochrome c oxidase: Intermediates of the catalytic cycle and their energy-coupled interconversion (англ.) // FEBS Letters. — 2012-03-09. — Vol. 586, iss. 5. — P. 630—639. — ISSN 0014-5793. — doi:10.1016/j.febslet.2011.08.037.
↑ ¹ ² Home Page of the Molecular Biophysics Group (неопр.). www.biocenter.helsinki.fi. Дата обращения: 20 марта 2018. Архивировано 6 марта 2016 года.
↑ Vivek Sharma, Giray Enkavi, Ilpo Vattulainen, Tomasz Róg, Mårten Wikström. Proton-coupled electron transfer and the role of water molecules in proton pumping by cytochrome c oxidase (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 2015-02-17. — Vol. 112, iss. 7. — P. 2040—2045. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1409543112. Архивировано 20 марта 2018 года.
↑ ¹ ² Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Régis Pomès. Electrostatic control of proton pumping in cytochrome c oxidase // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1777, вып. 3. — С. 277—284. — doi:10.1016/j.bbabio.2007.11.010.
↑ Jose-Ramon Alonso, Francesc Cardellach, Sònia López, Jordi Casademont, Oscar Miró. Carbon monoxide specifically inhibits cytochrome c oxidase of human mitochondrial respiratory chain // Pharmacology & Toxicology. — September 2003. — Т. 93, вып. 3. — С. 142—146. — ISSN 0901-9928. Архивировано 23 июля 2018 года.
↑ Chris E. Cooper, Guy C. Brown. The inhibition of mitochondrial cytochrome oxidase by the gases carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen cyanide and hydrogen sulfide: chemical mechanism and physiological significance (англ.) // Journal of Bioenergetics and Biomembranes. — 2008-10-01. — Vol. 40, iss. 5. — P. 533. — ISSN 1573-6881 0145-479X, 1573-6881. — doi:10.1007/s10863-008-9166-6. Архивировано 26 февраля 2018 года.
↑ Королёв А. П., Гридина С. Б., Зинкевич Е. П. «Основы биохимии, часть 4: учебное пособие Кемеровского технологического института пищевой промышленности» Кемерово, 2004. Архивная копия от 5 марта 2016 на Wayback Machine- 92с

Литература

Физиология растений / Под ред. И. П. Ермакова. — М. : Академия, 2005. — 634 с.
Berg, J, Tymoczko, J, and L Stryer. Biochemistry. — 6th. — New York: WH Freeman & Company, 2006. — P. 509–513.
Дэвид Л. Нельсон, Майкл М. Кокс. Основы биохимии Ленинджера. Биоэнергетика и метаболизм = Leninger Principles of Biochemistry. — М. : Бином. Лаборатория знаний, 2012. — Т. 2. — 692 с. — ISBN 978-5-94774-365-4.

Ссылки

MRC MBU Sazanov group
Complex I home page at The Scripps Research Institute
MeSH Electron+Transport+Complex+I
Instituto Gulbenkian de Ciência & Universidade Nova de Lisboa. Heme-copper oxygen reductases (HCOs) classifier (2009—2010).
UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily-4
MeSH Cytochrome-c+Oxidase
cytochrome bc₁ complex site (Antony R. Crofts) at uiuc.edu
UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily-3 — Calculated positions of bc1 and related complexes in membranes
MeSH Coenzyme+Q-Cytochrome-c+Reductase
Instituto Gulbenkian de Ciência & Universidade Nova de Lisboa. Heme-copper oxygen reductases (HCOs) classifier (2009—2010).
UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily-4
[1]MeSH Cytochrome-c+Oxidase

[:6-1] ¹ ² ³ J. H. Holmes, N. Sapeika, H. Zwarenstein. Inhibitory effect of anti-obesity drugs on NADH dehydrogenase of mouse heart homogenates // Research Communications in Chemical Pathology and Pharmacology. — August 1975. — Т. 11, вып. 4. — С. 645—646. — ISSN 0034-5164. Архивировано 23 июня 2018 года.

[2] Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran, Leonid A. Sazanov. The architecture of respiratory complex I (англ.) // Nature. — 2010/05. — Т. 465, вып. 7297. — С. 441—445. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature09066.

[3] Donald Voet, Judith G. Voet. Biochemistry. — Wiley, 2004. — ISBN 047119350X, 9780471193500.

[:0-4] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Leonid A. Sazanov. A giant molecular proton pump: structure and mechanism of respiratory complex I (англ.) // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2015/06. — Т. 16, вып. 6. — С. 375—388. — ISSN 1471-0080. — doi:10.1038/nrm3997.

[5] Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov. The coupling mechanism of respiratory complex I — A structural and evolutionary perspective // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1817, вып. 10. — С. 1785—1795. — doi:10.1016/j.bbabio.2012.02.015.

[6] Ulrich Brandt. Energy Converting NADH: Quinone Oxidoreductase (Complex I) // Annual Review of Biochemistry. — 2006-06-01. — Т. 75, вып. 1. — С. 69—92. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539. Архивировано 2 мая 2021 года.

[7] Vera G. Grivennikova, Alexander B. Kotlyar, Joel S. Karliner, Gary Cecchini, Andrei D. Vinogradov. Redox-dependent change of nucleotide affinity to the active site of the mammalian complex I // Biochemistry. — 2007-09-25. — Т. 46, вып. 38. — С. 10971—10978. — ISSN 0006-2960. — doi:10.1021/bi7009822. Архивировано 20 марта 2018 года.

[_bcf662ff6d2a2039-8] Ермаков, 2005, с. 238.

[:1-9] ¹ ² Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas, Leonid A. Sazanov. Crystal structure of the entire respiratory complex I (англ.) // Nature. — 2013/02. — Т. 494, вып. 7438. — С. 443—448. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature11871.

[pmid7132401-10] Moretti C., Grenand P. [The "nivrées", or ichthyotoxic plants of French Guyana] (фр.) // J Ethnopharmacol^[англ.]. — 1988. — Сентябрь (т. 6, № 2). — С. 139—160. — doi:10.1016/0378-8741(82)90002-2. — PMID 7132401.

[pmid18599602-11] ¹ ² Watabe M., Nakaki T. Mitochondrial complex I inhibitor rotenone inhibits and redistributes vesicular monoamine transporter 2 via nitration in human dopaminergic SH-SY5Y cells (англ.) // Molecular Pharmocology : journal. — 2008. — July (vol. 74, no. 4). — P. 933—940. — doi:10.1124/mol.108.048546. — PMID 18599602.

[_bcf662ff6d2a2036-12] Ермаков, 2005, с. 237.

[pmid_9230920-13] Zharova T.V., Vinogradov AD. A competitive inhibition of the mitochondrial NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) by ADP-ribose (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta^[англ.] : journal. — 1997. — July (vol. 1320, no. 3). — P. 256—264. — doi:10.1016/S0005-2728(97)00029-7. — PMID 9230920.

[pmid20074573-14] Nakamaru-Ogiso E., Han H., Matsuno-Yagi A., Keinan E., Sinha S.C., Yagi T., Ohnishi T. The ND2 subunit is labeled by a photoaffinity analogue of asimicin, a potent complex I inhibitor. (англ.) // FEBS Letters^[англ.] : journal. — 2010. — January (vol. 584, no. 5). — P. 883—888. — doi:10.1016/j.febslet.2010.01.004. — PMID 20074573. — PMC 2836797.

[pmid_8037664-15] Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. Natural substances (acetogenins) from the family Annonaceae are powerful inhibitors of mitochondrial NADH dehydrogenase (complex I) (англ.) // The Biochemical Journal^[англ.] : journal. — 1994. — July (vol. 301). — P. 161—167. — PMID 8037664. — PMC 1137156.

[pmid_22117616-16] Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. Cellular and molecular mechanisms of metformin: an overview (англ.) // Clinical Science (London)^[англ.] : journal. — 2012. — March (vol. 122, no. 6). — P. 253—270. — doi:10.1042/CS20110386. — PMID 22117616. Архивировано 23 июля 2018 года.

[_6db444afc2006682-17] Нельсон, Кокс, 2012, с. 331-333.

[_bcf663ff6d2a2184-18] Ермаков, 2005, с. 240.

[19] T.M. Iverson. Catalytic mechanisms of complex II enzymes: A structural perspective // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1827, вып. 5. — С. 648—657. — doi:10.1016/j.bbabio.2012.09.008.

[:2-20] ¹ ² Quang M. Tran, Richard A. Rothery, Elena Maklashina, Gary Cecchini, Joel H. Weiner. The Quinone Binding Site in Escherichia coli Succinate Dehydrogenase Is Required for Electron Transfer to the Heme b (англ.) // Journal of Biological Chemistry. — 2006-10-27. — Vol. 281, iss. 43. — P. 32310—32317. — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X. — doi:10.1074/jbc.M607476200. Архивировано 3 июня 2018 года.

[21] Florian L. Muller, Yuhong Liu, Muhammad A. Abdul-Ghani, Michael S. Lustgarten, Arunabh Bhattacharya. High rates of superoxide production in skeletal-muscle mitochondria respiring on both complex I- and complex II-linked substrates // The Biochemical Journal. — 2008-01-15. — Т. 409, вып. 2. — С. 491—499. — ISSN 1470-8728. — doi:10.1042/BJ20071162. Архивировано 20 марта 2018 года.

[22] Hervé F. Avenot, Themis J. Michailides. Progress in understanding molecular mechanisms and evolution of resistance to succinate dehydrogenase inhibiting (SDHI) fungicides in phytopathogenic fungi // Crop Protection. — Т. 29, вып. 7. — С. 643—651. — doi:10.1016/j.cropro.2010.02.019.

[23] Tiphaine Dubos, Matias Pasquali, Friederike Pogoda, Angèle Casanova, Lucien Hoffmann. Differences between the succinate dehydrogenase sequences of isopyrazam sensitive Zymoseptoria tritici and insensitive Fusarium graminearum strains // Pesticide Biochemistry and Physiology. — Т. 105, вып. 1. — С. 28—35. — doi:10.1016/j.pestbp.2012.11.004.

[pmid12885240-24] PDB 1ntz; Gao X., Wen X., Esser L., Quinn B., Yu L., Yu C.A., Xia D. Structural basis for the quinone reduction in the bc1 complex: a comparative analysis of crystal structures of mitochondrial cytochrome bc1 with bound substrate and inhibitors at the Qi site (англ.) // Biochemistry : journal. — 2003. — August (vol. 42, no. 30). — P. 9067—9080. — doi:10.1021/bi0341814. — PMID 12885240.

[:3-25] ¹ ² Ермаков, 2005, с. 240.

[26] David M. Kramer, Arthur G. Roberts, Florian Muller, Jonathan Cape, Michael K. Bowman. Q-cycle bypass reactions at the Qo site of the cytochrome bc1 (and related) complexes // Methods in Enzymology. — 2004. — Т. 382. — С. 21—45. — ISSN 0076-6879. — doi:10.1016/S0076-6879(04)82002-0. Архивировано 23 июня 2018 года.

[27] Antony R. Crofts. The Cytochrome bc1 Complex: Function in the Context of Structure // Annual Review of Physiology. — 2004-02-12. — Т. 66, вып. 1. — С. 689—733. — ISSN 0066-4278. — doi:10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251. Архивировано 14 октября 2019 года.

[28] David G. Nicholls, Stuart John Ferguson. Bioenergetics 3. — Gulf Professional Publishing, 2002. — ISBN 0125181213, 9780125181211.

[_bcf663ff6d2a2187-29] Ермаков, 2005, с. 243.

[30] Florian L. Muller, Michael S. Lustgarten, Youngmok Jang, Arlan Richardson, Holly Van Remmen. Trends in oxidative aging theories // Free Radical Biology and Medicine. — Т. 43, вып. 4. — С. 477—503. — doi:10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034.

[31] Florian L. Muller, Yuhong Liu, Holly Van Remmen. Complex III Releases Superoxide to Both Sides of the Inner Mitochondrial Membrane (англ.) // Journal of Biological Chemistry. — 2004-11-19. — Vol. 279, iss. 47. — P. 49064—49073. — ISSN 1083-351X 0021-9258, 1083-351X. — doi:10.1074/jbc.M407715200. Архивировано 3 июня 2018 года.

[32] Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström, Michael I. Verkhovsky. The proton donor for O O bond scission by cytochrome c oxidase (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 2008-08-05. — Vol. 105, iss. 31. — P. 10733—10737. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.0802512105. Архивировано 20 марта 2018 года.

[:4-33] ¹ ² Ермаков, 2005, с. 244.

[34] Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras. Cytochrome c oxidase: Evolution of control via nuclear subunit addition // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1817, вып. 4. — С. 590—597. — doi:10.1016/j.bbabio.2011.07.007.

[:5-35] ¹ ² ³ ⁴ Cytochrome c oxidase: Intermediates of the catalytic cycle and their energy-coupled interconversion (англ.) // FEBS Letters. — 2012-03-09. — Vol. 586, iss. 5. — P. 630—639. — ISSN 0014-5793. — doi:10.1016/j.febslet.2011.08.037.

[автоссылка1-36] ¹ ² Home Page of the Molecular Biophysics Group (неопр.). www.biocenter.helsinki.fi. Дата обращения: 20 марта 2018. Архивировано 6 марта 2016 года.

[37] Vivek Sharma, Giray Enkavi, Ilpo Vattulainen, Tomasz Róg, Mårten Wikström. Proton-coupled electron transfer and the role of water molecules in proton pumping by cytochrome c oxidase (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 2015-02-17. — Vol. 112, iss. 7. — P. 2040—2045. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1409543112. Архивировано 20 марта 2018 года.

[автоссылка2-38] ¹ ² Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Régis Pomès. Electrostatic control of proton pumping in cytochrome c oxidase // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — Т. 1777, вып. 3. — С. 277—284. — doi:10.1016/j.bbabio.2007.11.010.

[39] Jose-Ramon Alonso, Francesc Cardellach, Sònia López, Jordi Casademont, Oscar Miró. Carbon monoxide specifically inhibits cytochrome c oxidase of human mitochondrial respiratory chain // Pharmacology & Toxicology. — September 2003. — Т. 93, вып. 3. — С. 142—146. — ISSN 0901-9928. Архивировано 23 июля 2018 года.

[40] Chris E. Cooper, Guy C. Brown. The inhibition of mitochondrial cytochrome oxidase by the gases carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen cyanide and hydrogen sulfide: chemical mechanism and physiological significance (англ.) // Journal of Bioenergetics and Biomembranes. — 2008-10-01. — Vol. 40, iss. 5. — P. 533. — ISSN 1573-6881 0145-479X, 1573-6881. — doi:10.1007/s10863-008-9166-6. Архивировано 26 февраля 2018 года.

[41] Королёв А. П., Гридина С. Б., Зинкевич Е. П. «Основы биохимии, часть 4: учебное пособие Кемеровского технологического института пищевой промышленности» Кемерово, 2004. Архивная копия от 5 марта 2016 на Wayback Machine- 92с

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

[40]

[41]

Дыхательная цепь переноса электронов: различия между версиями

Текущая версия от 20:44, 13 сентября 2024

Содержание

Цепь переноса электронов митохондрий

НАДН-дегидрогеназный комплекс

Кофакторы

Реакция

Механизм транспорта протонов

Ингибиторы

Сукцинатдегидрогеназа

Механизм реакции

Окисление сукцината

Перенос электронов

Восстановление убихинона

Гем b

Ингибиторы

Цитохром-bc₁-комплекс

Реакция

Q-цикл

Активные формы кислорода

Ингибиторы Комплекса III

Цитохром c оксидаза

Реакция

Механизм восстановления кислорода

Механизм транспорта протонов

Ингибиторы

Влияние окислительного потенциала

Электрон-транспортные цепи бактерий

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Навигация

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
+'''Дыхательная цепь переноса электронов''', также '''электрон-транспортная цепь''' (сокр. '''ЭТЦ''', {{lang-en|ETC, Electron transport chain}}) — система [[трансмембранные белки|трансмембранных белков]] и переносчиков электронов, необходимых для поддержания энергетического баланса. ЭТЦ поддерживает баланс за счёт переноса электронов и протонов из [[НАД|НАД∙Н]] и [[ФАД|ФАДН<sub>2</sub>]] в акцептор электронов. В случае [[Клеточное дыхание|аэробного дыхания]] акцептором может быть молекулярный [[кислород]] (О<sub>2</sub>). В случае [[Анаэробное дыхание|анаэробного дыхания]] акцептором могут быть [[Нитраты|NO<sub>3</sub><sup>−</sup>]], [[Нитриты|NO<sub>2</sub><sup>−</sup>]], [[Железо|Fe<sup>3+</sup>]], [[фумарат]], [[диметилсульфоксид]], [[сера]], [[Сульфаты|SO<sub>4</sub><sup>2−</sup>]], [[Углекислый газ|CO<sub>2</sub>]] и т. д. ЭТЦ у [[Прокариоты|прокариот]] локализована в [[Цитоплазматическая мембрана|ЦПМ]], у [[Эукариоты|эукариот]] — на внутренней мембране [[Митохондрия|митохондрий]].<ref name=":6" /> Переносчики электронов расположены в порядке увеличения сродства к электрону, то есть по своему [[Окислительно-восстановительный потенциал|окислительно-восстановительному потенциалу]], где у акцептора самое сильное сродство к электрону. Поэтому транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно с выделением энергии. Выделяющаяся энергия расходуется на перенос протонов (H<sup>+</sup>) через мембрану (см. [[Протонный насос]]), в результате чего на мембране наводится [[электрохимический градиент]] (протонный потенциал). Протонный потенциал преобразуется [[АТФ-синтаза|АТФ-синтазой]] в энергию химических связей [[АТФ]]. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название [[Окислительное фосфорилирование|окислительного фосфорилирования]].
-'''Дыхательная цепь переноса электронов''' ('''ЭТЦ''', {{lang-en|ETC, Electron transport chain}}) — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ запасает энергию, выделяющуюся в ходе окисления [[НАД|НАД∙Н]] и [[ФАД|ФАДН<sub>2</sub>]] молекулярным [[кислород]]ом (в случае аэробного [[клеточное дыхание|дыхания]]) или иными веществами (в случае [[анаэробное дыхание|анаэробного]]) в форме [[трансмембранный протонный потенциал|трансмембранного протонного потенциала]] за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану.
+== Цепь переноса электронов митохондрий ==
-У [[прокариоты|прокариот]] ЭТЦ локализована в [[цитоплазматическая мембрана|ЦПМ]], у [[эукариоты|эукариот]] — на внутренней мембране [[митохондрия|митохондрий]]. Переносчики расположены по своему [[окислительно-восстановительный потенциал|окислительно-восстановительному потенциалу]], транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно.
+[[Файл:Mitochondrial electron transport chain—Etc4 - ru.svg|thumb|400px|Электрон-транспортная цепь митохондрий является местом проведения окислительного фосфорилирования у эукариот. [[NADH]] и [[сукцинат]], образовавшиеся в ходе [[Цикл трикарбоновых кислот|цикла трикарбоновых кислот]] , окисляются, и их энергия передаётся АТР-синтазе, которая за её счёт синтезирует АТР.]]В митохондриях эукариот цепь переноса электронов начинается с окисления НАДН и восстановления убихинона Q комплексом I. Далее комплекс II окисляет [[сукцинат]] до [[фумарат]]а и восстанавливает [[Убихинон|убихинон Q]]. Убихинон Q окисляется и восстанавливается [[Цитохром c|цитохром с]] комплексом III. В конце цепи комплекс IV [[катализ]]ирует перенос [[электрон]]ов с [[Цитохром c|цитохрома с]] на [[кислород]] с образованием [[Вода|воды]]. В результате реакции, на каждые условно выделившиеся 6 [[протон]]ов и 6 [[электрон]]ов выделяются 2 [[Молекула|молекулы]] [[Вода|воды]] за счёт траты 1 молекулы О<sub>2</sub> и 10 молекул НАД∙Н.
+=== НАДН-дегидрогеназный комплекс ===
-Протонный потенциал преобразуется [[АТФ-синтаза|АТФ-синтазой]] в энергию химических связей [[АТФ]]. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название [[окислительное фосфорилирование|окислительного фосфорилирования]].
+''Основная статья: [[НАДН-дегидрогеназный комплекс]]''
+Комплекс I (НАДН-дегидрогеназный комплекс) [[окисление|окисляет]] [[НАД|НАД-Н]]. Этот комплекс играет центральную роль в процессах [[Клеточное дыхание|клеточного дыхания]] и [[Окислительное фосфорилирование|окислительного фосфорилирования]]. Почти 40 % [[Протонный градиент|протонного градиента]] необходимого для синтеза [[АТФ]] создаются именно этим комплексом<ref>{{Статья|автор=Rouslan G. Efremov, Rozbeh Baradaran, Leonid A. Sazanov|заглавие=The architecture of respiratory complex I|ссылка=https://dx.doi.org/10.1038/nature09066|язык=En|издание=Nature|год=2010/05|том=465|выпуск=7297|страницы=441—445|issn=1476-4687|doi=10.1038/nature09066}}</ref>. НАДН-дегидрогеназный комплекс отбирает у НАДН два [[электрон]]а и переносит их на [[кофермент Q]]. Другими словами, комплекс I окисляет [[НАДН]] и [[Восстановление (химия)|восстанавливает]] одну [[Молекула|молекулу]] кофермента Q, которая высвобождается во внутреннюю [[Клеточная мембрана|мембрану]] [[митохондрии]] (у эукариотов). Поскольку кофермент Q [[раствор]]им в [[липид]]ах, он затем свободно диффундирует по мембране к комплексу III. Вместе с тем, на каждую [[Окисление|окисленную]] молекулу [[НАДН]] комплекс переносит через мембрану (из [[Митохондриальный матрикс|матрикса]] в {{нп5|межмембранное пространство|||Intermembrane space}} митохондрии) четыре [[протон]]а.
-== Цепь переноса электронов митохондрий ==
-[[Файл:Mitochondrial electron transport chain—Etc4.svg|thumb|300px|Комплексы дыхательной цепи]]
+==== Кофакторы ====
+[[Файл:ETCH of Complex I.jpg|thumb|Электрон-транспортная цепь комплекса I. Серые стрелочки — маловероятный или ныне не существующий путь переноса]]
+Все [[Простетическая группа|простетические группы]] НАДН-дегидрогеназного комплекса (один [[Флавинадениндинуклеотид|флавинмононуклеотид]] (ФАД) и от 8 до 9 [[Железосерные кластеры|железосерных кластеров]]) находятся в периферическом водорастворимом домене. У млекопитающих, как и у всех [[Позвоночные|позвоночных]], их восемь<ref>{{публикация|книга|автор=Donald Voet, Judith G. Voet|заглавие=Biochemistry|издательство=Wiley|год=2004|isbn=047119350X, 9780471193500}}</ref>. Семь кластеров образуют электрон-транспортную цепь длинной в ~96 Å от [[Флавинмононуклеотид|ФМН]] до места связывания [[убихинон]]а. На основе современных данных считается, что перенос электрона происходит по следующему пути: [[НАДН]] → [[Флавинмононуклеотид|ФМН]] → N3 → N1b → N4 → N5 → N6a → N6b → N2 → Q.
+Сначала происходит передача двух электронов на флавин, а затем они по одному передаются через цепочку кластеров к сайту связывания хинона и восстанавливают его до состояния Q<sup>−2</sup>. Кластер N1a располагается недалеко от флавинового [[кофактор]]а и на некотором расстоянии от магистральной цепи переноса электрона. Этот кластер высококонсервативен у разных [[Биологический вид|видов]]; полагают, что он осуществляет контроль скорости транспорта электрона внутри комплекса, перебрасываясь электроном с ФМН<ref name=":0">{{Статья|автор=Leonid A. Sazanov|заглавие=A giant molecular proton pump: structure and mechanism of respiratory complex I|ссылка=https://dx.doi.org/10.1038/nrm3997|язык=En|издание=Nature Reviews Molecular Cell Biology|год=2015/06|том=16|выпуск=6|страницы=375—388|issn=1471-0080|doi=10.1038/nrm3997}}</ref>. Существует модель, согласно которой один из электронов с флавина идёт по магистральному пути на [[Хиноны|хинон]], а другой запасается в кластере N1a и позже возвращается в основную цепь, через флавосемихинон. Возможно, такой механизм позволяет снизить образование активных форм кислорода на восстановленном флавине. К тому же, это позволяет стабилизировать (до [[Миллисекунда|миллисекунды]]) состояние, когда последний кластер N2 восстановлен, но нет второго электрона, чтобы завершить восстановление убихинона. Такое состояние может быть необходимым для [[Конформация|конформационных]] изменений, сопряжённых с транспортом протонов.
+Часть кластеров в цепи (N3, N4 и N6a) имеют высокий [[окислительно-восстановительный потенциал]](редокс-потенциал) на уровне —0,25 [[Вольт|В]], в то время как три других (N1b, N5 и N6b) имеют более низкие потенциалы. В результате редокс-потенциал на пути электрона меняется наподобие [[Американские горки|американских горок]]. Такая кривая изменения энергетического состояния характерна для многих [[Окислительно-восстановительные реакции|окислительно-восстановительных]] ферментов: она позволяет оптимизировать скорость транспорта [[электрон]]а и добиться эффективного переноса [[Энергия|энергии]]<ref name=":0" />.
+Кластер N5 имеет очень низкий потенциал и лимитирует скорость общего потока электронов по всей цепи. Вместо обычных для железосерных центров лигандов (четырёх остатков [[цистеин]]а) он скоординирован тремя остатками цистеина и одним остатком [[гистидин]]а, а также окружён заряженными полярными остатками, хотя и находится в глубине фермента<ref name=":0" />.
+Необычные [[лиганд]]ы имеет и терминальный кластер цепи — N2. Его редокс-потенциал самый высокий из всех кластеров (от —0,1 до —0,15 В). Он связан с четырьмя последовательно расположенными в полипептидной цепи остатками цистеина, что создаёт напряжённую конформацию. Из-за этого при его восстановлении происходят конформационные изменения соседних цепей, возможно, связанные с транспортом [[протон]]а<ref name=":0" />.
+Кластер N7 присутствует только в комплексе I некоторых бактерий. Он значительно удалён от остальных кластеров и не может обмениваться с ними электронами, так что по-видимому, является [[реликт]]ом. В некоторых бактериальных комплексах, родственных комплексу I, между N7 и остальными кластерами обнаружены четыре консервативных остатка цистеина, а комплексе I бактерии ''[[Aquifex aeolicus]]'' был обнаружен дополнительный Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub> кластер, соединяющий N7 с остальными кластерами. Из этого следует вывод, что у ''A. aeolicus'' комплекс I, кроме НАДН, может использовать иной донор электронов, который передаёт их через N7<ref>{{Статья|автор=Rouslan G. Efremov, Leonid A. Sazanov|заглавие=The coupling mechanism of respiratory complex I — A structural and evolutionary perspective|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.bbabio.2012.02.015|издание=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics|том=1817|выпуск=10|страницы=1785—1795|doi=10.1016/j.bbabio.2012.02.015}}</ref>.
+==== Реакция ====
+НАДН-дегидрогеназный комплекс окисляет НАДН, образовавшийся в матриксе в ходе [[ЦТК|цикла трикарбоновых кислот]]. Электроны от НАДН используются для восстановления мембранного переносчика, [[убихинон]]а Q, который переносит их к следующему комплексу электрон-транспортной цепи митохондрий, комплексу III или [[Цитохром-bc1-комплекс|цитохром-''bc''<sub>1</sub>-комплексу]] <sup>[[Дыхательная цепь переноса электронов#cite note-Berg-24|[21]]]</sup>.
+НАДН-дегидрогеназный комплекс работает как [[протонная помпа]]: на каждый окисленный [[НАДН]] и восстановленный Q через мембрану в межмембранное пространство перекачиваются четыре протона<ref>{{Статья|автор=Ulrich Brandt|заглавие=Energy Converting NADH: Quinone Oxidoreductase (Complex I)|ссылка=https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539|издание=Annual Review of Biochemistry|год=2006-06-01|том=75|выпуск=1|страницы=69—92|issn=0066-4154|doi=10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539|archivedate=2021-05-02|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210502194002/https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.biochem.75.103004.142539}}</ref>:
+: НАДН + H<sup>+</sup> + Q + 4H<sup>+</sup><sub>in</sub> → НАД<sup>+</sup> + QH<sub>2</sub> + 4H<sup>+</sup><sub>out</sub>
+Образовавшийся в ходе реакции [[электрохимический потенциал]] используется для синтеза [[АТФ]]. Реакция, катализируемая комплексом I, обратима, этот процесс называется [[аэроб]]ное [[сукцинат]]-индуцированное восстановление НАД<sup>+</sup>. В условиях большого потенциала на мембране и избытка восстановленных убихинолов комплекс может восстанавливать НАД<sup>+</sup> с использованием их электронов и пропускать протоны обратно в матрикс. Этот феномен обычно наблюдается, когда много сукцината, но мало [[оксалоацетат]]а или [[малат]]а. Восстановление убихинона осуществляется ферментами [[Сукцинатдегидрогеназа|сукцинатдегидрогеназой]], {{нп5|Глицерол-3-фосфатдегидрогеназа|глицерол-3-фосфатдегидрогеназой||Glycerol-3-phosphate dehydrogenase}} или митохондриальной {{нп5|Дигидрооротатдегидрогеназа|дигидрооротатдегидрогеназой||Dihydroorotate_dehydrogenase}}. В условиях высокого протонного градиента [[сродство]] комплекса к убихинолу повышается, а редокс-потенциал убихинола снижается благодаря росту его концентрации, что и делает возможным [[обратный транспорт электронов]] по [[Электрический потенциал|электрическому потенциалу]] внутренней мембраны митохондрий к НАД<ref>{{Статья|автор=Vera G. Grivennikova, Alexander B. Kotlyar, Joel S. Karliner, Gary Cecchini, Andrei D. Vinogradov|заглавие=Redox-dependent change of nucleotide affinity to the active site of the mammalian complex I|ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17760425?dopt=Abstract|издание=Biochemistry|год=2007-09-25|том=46|выпуск=38|страницы=10971—10978|issn=0006-2960|doi=10.1021/bi7009822|archivedate=2018-03-20|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180320180228/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17760425?dopt=Abstract}}</ref>. Данный феномен удалось наблюдать в лабораторных условиях, но неизвестно, имеет ли он место в живой клетке.
+===== Механизм транспорта протонов =====
+[[Файл:NADH Dehydrogenase Mechanism (ru).png|thumb|339x339px|Схема действия комплекса I]]
+На начальных этапах исследования комплекса I широко обсуждалась модель, основанная на предположении, что в комплексе оперирует система, похожая на {{нп5|Q-цикл|||Q cycle}}. Однако позднейшие исследования не обнаружили в комплексе I каких-либо внутренне связанных хинонов и полностью опровергли эту гипотезу{{sfn|Ермаков|2005|с=238}}.
+[[Файл:144-ComplexI 1zcd.tif|thumb|Бактериальный Na<sup>+</sup>/H<sup>+</sup>-антипорт]]
+НАДН-дегидрогеназный комплекс, по-видимому, имеет уникальный механизм транспорта протонов посредством конформационных изменений самого фермента. Субъединицы ND2, ND4 и ND5 называются [[антипорт]]-подобными, поскольку они гомологичны друг другу и бактериальным Mrp Na<sup>+</sup>/H<sup>+</sup> антипортам. Эти три субъединицы образуют три основных протонных канала, которые состоят из консервативных остатков заряженных [[Аминокислоты|аминокислот]] (в основном [[лизин]]а и [[глутамат]]а). Четвёртый протонный канал образован частью субъединицы Nqo8 и малыми субъединицами ND6, ND4L и ND3. Канал сходен по строению с аналогичными каналами антипорт-подобных субъединиц, но содержит необычно много плотно упакованных остатков глутамата со стороны матрикса, за что и получил название E-канал (латинское E используется как стандартное обозначение глутамата). От [[С-конец|С-конца]] субъединицы ND5 отходит удлинение, состоящее из двух трансмембранных спиралей, соединённых необычно протяжённой (110 Å) [[α-спираль]]ю<ref name=":0" />(HL), которая, проходя по стороне комплекса, обращённой в матрикс, физически соединяет все три антипорт-подобные субъединицы, и возможно, участвует в сопряжении транспорта электронов с конформационной перестройкой. Ещё один сопрягающий элемент, βH, образован серией перекрывающихся [[Бета-шпилька|β-шпилек]] и α-спиралей, он расположен на противоположной, периплазматической стороне комплекса<ref name=":1">{{Статья|автор=Rozbeh Baradaran, John M. Berrisford, Gurdeep S. Minhas, Leonid A. Sazanov|заглавие=Crystal structure of the entire respiratory complex I|ссылка=https://dx.doi.org/10.1038/nature11871|язык=En|издание=Nature|год=2013/02|том=494|выпуск=7438|страницы=443—448|issn=1476-4687|doi=10.1038/nature11871}}</ref>. До сих пор окончательно неизвестно, как именно транспорт электронов сопряжён с переносом протонов. Полагают, что мощный отрицательный заряд кластера N2 может расталкивать окружающие полипептиды, вызывая тем конформационные изменения, которые неким образом распространяются на все антипорт-подобные субъединицы, расположенные довольно далеко друг от друга. Другая гипотеза предполагает, что изменение конформации вызывает в необычно длинном сайте связывания убихинона стабилизированный убихинол Q<sup>−2</sup> с крайне низким редокс-потенциалом и отрицательным зарядом. Неизвестными остаются и многие детали кинетики конформационных изменений и сопряжённого с ними транспорта протонов<ref name=":1" />.
+=== Ингибиторы ===
+Наиболее изученный ингибитор комплекса I — [[ротенон]] (широко применяемый как органический [[Пестициды|пестицид]]). Ротенон и ротеноиды — это [[изофлавоноид]]ы, которые присутствуют в корнях нескольких [[Род (биология)|родов]] тропических растениях таких как ''[[Антония (растение)|Антония]]'' (''[[Loganiaceae]]''), ''[[Derris]]'' и ''[[Lonchocarpus]]'' (''[[Fabaceae]]''). Ротенон давно используется как [[Инсектициды|инсектицид]] и [[Рыбы|рыбный]] яд, так как митохондрии насекомых и рыб особенно к нему чувствительны. Известно, что коренные жители [[Французская Гвиана|Французской Гвианы]] и другие [[индейцы]] [[Южная Америка|Южной Америки]] использовали ротенон-содержащие растения для рыболовства уже в XVII веке<ref name="pmid7132401">{{статья |заглавие=[The "nivrées", or ichthyotoxic plants of French Guyana] |язык=French |издание={{Нп3|Journal of Ethnopharmacology|J Ethnopharmacol||Journal of Ethnopharmacology}} |том=6 |номер=2 |страницы=139—160 |doi=10.1016/0378-8741(82)90002-2 |pmid=7132401 |автор=Moretti C., Grenand P. |месяц=9 |год=1988}}</ref>. Ротенон взаимодействует с сайтом связывания убихинона и конкурирует с основным субстратом. Было показано, что долгосрочное системное подавление комплекса I ротеноном может индуцировать селективное отмирание дофаминергических нейронов (секретирующих в качестве [[Нейромедиатор|нейротрансмиттера]] [[дофамин]])<ref name="pmid18599602">{{статья |заглавие=Mitochondrial complex I inhibitor rotenone inhibits and redistributes vesicular monoamine transporter 2 via nitration in human dopaminergic SH-SY5Y cells |издание=Molecular Pharmocology |том=74 |номер=4 |страницы=933—940 |doi=10.1124/mol.108.048546 |pmid=18599602 |язык=en |тип=journal |автор=Watabe M., Nakaki T. |месяц=7 |год=2008}}</ref>. Схожим образом действует и [[пиерицидин А]], ещё один мощный ингибитор комплекса I, структурно схожий с убихиноном. К этой же группе относится и [[амитал натрия]] — производное [[Барбитуровая кислота|барбитуровой кислоты]]{{sfn|Ермаков|2005|с=237}}.
+Несмотря на более чем 50-летнее изучение комплекса I, так и не удалось обнаружить ингибиторы, блокирующие перенос электронов внутри комплекса. Гидрофобные ингибиторы, такие как ротенон или пиерицидин, просто прерывают перенос электрона с терминального кластера N2 на убихинон<ref name="pmid18599602" />.
+[[Файл:Uvaricin.svg|ссылка=Uvaricin.svg|слева|мини|Ацетогенин уварицин]]
+Ещё одно вещество, блокирующее комплекс I — это [[аденозиндифосфатрибоза]], {{нп5|Конкурентное ингибирование|конкурентный ингибитор|en|Competitive inhibition}} в реакции окисления НАДН. Он связывается с ферментом в сайте связывания нуклеотида (ФАД)<ref name="pmid 9230920">{{статья |заглавие=A competitive inhibition of the mitochondrial NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) by ADP-ribose |издание={{Нп3|Biochimica et Biophysica Acta}} |том=1320 |номер=3 |страницы=256—264 |doi=10.1016/S0005-2728(97)00029-7 |pmid=9230920 |язык=en |тип=journal |автор=Zharova T.V., Vinogradov AD. |месяц=7 |год=1997}}</ref>.
+К одним из самых сильных ингибиторов комплекса I относится семейство [[ацетогенин]]ов. Показано, что эти вещества образуют химические сшивки с субъединицей ND2, что косвенно указывает на роль ND2 в связывании убихинона<ref name="pmid20074573">{{статья |заглавие=The ND2 subunit is labeled by a photoaffinity analogue of asimicin, a potent complex I inhibitor. |издание={{Нп3|FEBS Letters}} |том=584 |номер=5 |страницы=883—888 |doi=10.1016/j.febslet.2010.01.004 |pmid=20074573 |pmc=2836797 |язык=en |тип=journal |автор=Nakamaru-Ogiso E., Han H., Matsuno-Yagi A., Keinan E., Sinha S.C., Yagi T., Ohnishi T. |месяц=1 |год=2010}}</ref>. [[Ацетогенин]] роллиниастатин-2 стал первым из обнаруженных ингибиторов комплекса I, который связывается в другом месте, нежели ротенон<ref name="pmid 8037664">{{статья |заглавие=Natural substances (acetogenins) from the family Annonaceae are powerful inhibitors of mitochondrial NADH dehydrogenase (complex I) |издание={{Нп3|Biochemical Journal|The Biochemical Journal||Biochemical Journal}} |том=301 |страницы=161—167 |pmid=8037664 |pmc=1137156 |язык=en |тип=journal |автор=Degli Esposti M., Ghelli A., Ratta M., Cortes D., Estornell E. |месяц=7 |год=1994}}</ref>.
+Умеренным ингибиторным эффектом обладает антидиабетический препарат [[метформин]]; по-видимому, данное свойство препарата лежит в основе механизма его действия<ref name="pmid 22117616">{{статья |ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22117616 |заглавие=Cellular and molecular mechanisms of metformin: an overview |издание={{Нп3|Clinical Science (journal)|Clinical Science (London)||Clinical Science (journal)}} |том=122 |номер=6 |страницы=253—270 |doi=10.1042/CS20110386 |pmid=22117616 |язык=en |тип=journal |автор=Viollet B., Guigas B., Sanz Garcia N., Leclerc J., Foretz M., Andreelli F. |месяц=3 |год=2012 |archivedate=2018-07-23 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20180723213155/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22117616 }}</ref>.
+=== Сукцинатдегидрогеназа ===
+''Основная статья: [[Сукцинатдегидрогеназа]]''{{enzyme|Name=Сукцинатдегидрогеназа|image=Succinate Dehydrogenase Cofactors 1NEK.gif|width=200 px}}
+==== Механизм реакции ====
+Комплекс II окисляет [[сукцинат]] до [[фумарат]]а и восстанавливает [[убихинон]]:
+: Сукцинат + Q → Фумарат + QH<sub>2</sub>
+Электроны от сукцината сначала переносятся на ФАД, а затем через Fe-S кластеры на Q. Электронный транспорт в комплексе не сопровождается генерацией [[Электрохимический градиент|протонного градиента]]. Образовавшиеся при окислении сукцината 2H<sup>+</sup> остаются на той же стороне мембраны, то есть в [[Митохондриальный матрикс|матриксе]], и затем снова поглощаются при восстановлении хинона. Таким образом комплекс II не вносит вклада в создание протонного градиента на мембране и работает только как переносчик электронов от сукцината к убихинону{{sfn|Нельсон, Кокс|2012|с=331-333}}{{sfn|Ермаков|2005|с=240}}.
+===== Окисление сукцината =====
+[[Файл:S.D.Oxidation_of_Succinate_E2.gif|альт=|без|обрамить|592x592пкс|Механизм окисления сукцината E2.]]
+[[Файл:S.D.Oxidation_of_Succinate_E1cb.gif|без|обрамить|Механизм окисления сукцината E1cb.]]
+О точном [[Механизм реакции|механизме]] окисления сукцината известно довольно мало. [[Рентгеноструктурный анализ]] выявил, что [[ФАД]], [[глутамат]]-255, [[аргинин]]-286, и [[гистидин]]-242 субъединицы A могут быть кандидатами для осуществления реакции депротонирования. Существует два возможных механизма этой реакции [[Реакции элиминирования|элиминирования]] (отщепления): E2 и E1cb. В случая E2 — это согласованный механизм. Основные [[Остаток (химия)|остатки]] или [[Коферменты|кофактор]] депротонируют альфа углерод, а [[ФАД]] принимает [[гидрид]]-анион от бета углерода, окисляя [[сукцинат]] до [[фумарат]]а. В случае механизма E1cb, прежде чем [[ФАД]] присоединит гидрид-анион, образуется [[Енолы|енольная]] форма сукцината. Что бы определить какой механизм имеет место на самом деле, требуется провести дополнительные исследования сукцинатдегидрогеназы.
+После завершения реакции [[фумарат]], который слабо связан с активным центром фермента, легко диссоциирует. Существуют данные из которых следует, что цитозольный субстратсвязывающий домен сукцинатдегидрогеназы претерпевает конформационные изменения: после ухода продукта фермент находится в открытом виде, а связав новый субстрат, переходит в закрытое состояние, плотно смыкаясь вокруг него<ref>{{Статья|автор=T.M. Iverson|заглавие=Catalytic mechanisms of complex II enzymes: A structural perspective|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.bbabio.2012.09.008|издание=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics|том=1827|выпуск=5|страницы=648—657|doi=10.1016/j.bbabio.2012.09.008}}</ref>.
+===== Перенос электронов =====
+[[Файл:QuinoneMechanism.gif|мини|280x280пкс|Механизм восстановления убихинона.]]
+[[Файл:Succinate_Dehydrogenase_1YQ3_Electron_Carriers_Labeled.png|мини|280x280пкс|Путь электрона в дыхательном комплексе II.]]
+В результате окисления сукцината его электроны переносятся на [[ФАД]], а затем передаются по цепи из [[Железосерные кластеры|железосерных кластеров]] от кластера [[Сульфид железа(II)|[Fe-S]]] к [3Fe-4S]. Там эти [[электроны]] переносятся на ожидающую в сайте связывания молекулу [[убихинон]]а.
+===== Восстановление убихинона =====
+В активном сайте [[убихинон]] стабилизирован за счёт водородных связей между его [[Карбонильная группа|карбонильным]] атомом кислорода в первом положении и [[тирозин]]ом-83 субъединицы D. Переход [[электрон]]ов на железосерный кластер [3Fe-4S] заставляет убихинон перейти в другое положение. В результате образуется вторая [[водородная связь]] между карбонильной группой убихинона в четвёртом положении и серином-27 субъединицы C. После того как в процессе восстановления убихинон принимает первый электрон, он превращается в активный радикал [[семихинон]], который после связывания второго электрона от [3Fe-4S] кластера полностью восстанавливается до [[убихинол]]а<ref name=":2">{{Статья|автор=Quang M. Tran, Richard A. Rothery, Elena Maklashina, Gary Cecchini, Joel H. Weiner|заглавие=The Quinone Binding Site in Escherichia coli Succinate Dehydrogenase Is Required for Electron Transfer to the Heme b|ссылка=http://www.jbc.org/content/281/43/32310|язык=en|издание=Journal of Biological Chemistry|год=2006-10-27|том=281|выпуск=43|страницы=32310—32317|issn=0021-9258, 1083-351X|doi=10.1074/jbc.M607476200|archivedate=2018-06-03|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180603222522/http://www.jbc.org/content/281/43/32310}}</ref>.
+===== Гем ''b'' =====
+Хотя точная функция [[гем]]а сукцинатдегидрогеназы всё ещё не известна, некоторые исследователи утверждают, что первый [[электрон]], поступающий к [[убихинон]]у через [3Fe-4S] может быстро перемещаться вперёд-назад между гемом и связанным убихиноном. Таким образом гем играет роль стока электронов, предотвращая их взаимодействие с молекулярным кислородом, которое привело бы к образованию [[Активные формы кислорода|активных форм кислорода]].
+Так же есть предположение, что для того что бы не давать электрону напрямую попадать с [3Fe-4S] кластера на гем действует специальный воротный механизм. Вероятный кандидат на роль ворот — [[гистидин]]-207 субъединицы B, который расположен прямо между железосерным кластером и гемом, неподалёку от связанного убихинона, вероятно, он может управлять потоком электронов между этими редокс-центрами<ref name=":2" />.
+=== Ингибиторы ===
+Существует два класса ингибиторов комплекса II: одни блокируют карман для связывания сукцината, а другие — карман для связывания [[убихинол]]а. К ингибиторам, имитирующем убихинол, относятся [[карбоксин]] и [[теноилтрифторацетон]]. К ингибиторам-аналогам сукцината принадлежит синтетическое соединение [[малонат]], а также компоненты [[Восстановительный цикл трикарбоновых кислот|цикла Кребса]], [[малат]] и [[оксалоацетат]]. Интересно, что оксалоацетат является одним из самых сильных ингибиторов комплекса II. По какой причине обычный метаболит цикла трикарбоновых кислот ингибирует комплекс II остаётся не ясным, хотя предполагают, что таким образом он может выполнять защитную роль, сводя к минимуму [[НАДН-дегидрогеназный комплекс#Реакция|обратный транспорт электронов в комплексе I]], в результате которого происходит образование [[супероксид]]а<ref>{{Статья|автор=Florian L. Muller, Yuhong Liu, Muhammad A. Abdul-Ghani, Michael S. Lustgarten, Arunabh Bhattacharya|заглавие=High rates of superoxide production in skeletal-muscle mitochondria respiring on both complex I- and complex II-linked substrates|ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17916065?dopt=Abstract|издание=The Biochemical Journal|год=2008-01-15|том=409|выпуск=2|страницы=491—499|issn=1470-8728|doi=10.1042/BJ20071162|archivedate=2018-03-20|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180320230657/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17916065?dopt=Abstract}}</ref>.
+Ингибиторы, имитирующие убихинол, использовались как [[фунгициды]] в сельском хозяйстве начиная с 1960-х годов. Например, карбоксин в основном использовался для заболеваний вызванных [[Базидиомицеты|базидиомицетами]], такими как стеблевы ржавчины и заболевания вызванные ''Rhizoctonia''. В последнее время им на смену пришли другие соединения с более широким спектром подавляемых патогенов. К таким соединениям относятся [[боскалид]], [[пентиопирад]] и [[флуопирам]]<ref>{{Статья|автор=Hervé F. Avenot, Themis J. Michailides|заглавие=Progress in understanding molecular mechanisms and evolution of resistance to succinate dehydrogenase inhibiting (SDHI) fungicides in phytopathogenic fungi|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.cropro.2010.02.019|издание=Crop Protection|том=29|выпуск=7|страницы=643—651|doi=10.1016/j.cropro.2010.02.019}}</ref>. Некоторые сельскохозяйственно значимые грибы не восприимчивы к действию этого нового поколения ингибиторов<ref>{{Статья|автор=Tiphaine Dubos, Matias Pasquali, Friederike Pogoda, Angèle Casanova, Lucien Hoffmann|заглавие=Differences between the succinate dehydrogenase sequences of isopyrazam sensitive Zymoseptoria tritici and insensitive Fusarium graminearum strains|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.pestbp.2012.11.004|издание=Pesticide Biochemistry and Physiology|том=105|выпуск=1|страницы=28—35|doi=10.1016/j.pestbp.2012.11.004}}</ref>.
+=== Цитохром-bc<sub>1</sub>-комплекс ===
+{{enzyme
+| Name = Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза
+| image = Cytochrome1ntz.PNG
+| width = 250 px
+| caption = Структура митохондриальной убихинол-цитохром с-оксидоредуктазы в комплексе с [[убихинон]]ом<ref name="pmid12885240">{{PDB|1ntz}}; {{статья |заглавие=Structural basis for the quinone reduction in the bc1 complex: a comparative analysis of crystal structures of mitochondrial cytochrome bc1 with bound substrate and inhibitors at the Qi site |издание=Biochemistry |том=42 |номер=30 |страницы=9067—9080 |pmid=12885240 |doi=10.1021/bi0341814 |язык=en |тип=journal |автор=Gao X., Wen X., Esser L., Quinn B., Yu L., Yu C.A., Xia D. |месяц=8 |год=2003}}</ref>.}}
+''Основная статья: [[Цитохром-bc1-комплекс|Цитохром-bc<sub>1</sub>-комплекс]]''
+Цитохро́м-bс1-ко́мплекс (комплекс [[Цитохромы|цитохромов]] ''bc''<sub>1</sub>) или убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза, или комплекс III — [[мультибелковый комплекс]] дыхательной цепи переноса электронов и важнейший биохимический генератор протонного градиента на мембране митохондрий. Этот [[Мультибелковый комплекс|мультибелковый]] [[Трансмембранный белок|трансмембранный]] комплекс кодируется митохондриальным (цитохром ''b'') и ядерным [[геном]]ами{{sfn|Ермаков|2005|с=240|name=:3}}.
+Комплекс III был выделен из [[Митохондрии|митохондрий]] сердца быка, цыпленка, кролика и митохондрий дрожжей. Он присутствует в [[Митохондрии|митохондриях]] всех [[Животные|животных]], [[Растения|растений]] и всех [[аэроб]]ных [[эукариот]], а также на внутренней мембранах большинства [[Эубактерии|эубактерий]]. Известно, что комплекс образует в целом 13 белковых петель, пересекающих мембрану<ref name=":3" />.
+==== Реакция ====
+[[Файл:Complex_III.png|слева|мини|250x250пкс|Схематическая иллюстрация Q-цикла]]
+Цитохром-''bс''<sub>1</sub>-комплекс окисляет восстановленный [[убихинон]] и восстанавливает [[цитохром c]] (Е°'=+0,25 В) согласно уравнению:
+QH<sub>2</sub> + 2 цит. с<sup>+3</sup> + 2Н<sup>+</sup><sub>внут</sub> →Q + 2 цит. с<sup>+2</sup> + 4H<sup>+</sup><sub>out</sub>
+Электронный транспорт в комплексе сопряжен с переносом протонов из [[Митохондрия#Матрикс|матрикса]] (in) в [[Митохондрия#Межмембранное пространство|межмембранное пространство]] (out) и генерацией на мембране митохондрий протонного градиента. На каждые два [[электрон]]а, проходящие по цепи переноса от убихинона до [[Цитохром c|цитохрома с]], два протона поглощается из матрикса, и ещё четыре высвобождаются в межмембранное пространство. Восстановленный [[цитохром c]] движется вдоль мембраны в водной фракции и переносит один электрон к следующему дыхательному комплексу — [[Цитохромоксидаза|цитохромоксидазе]]<ref>{{Статья|автор=David M. Kramer, Arthur G. Roberts, Florian Muller, Jonathan Cape, Michael K. Bowman|заглавие=Q-cycle bypass reactions at the Qo site of the cytochrome bc1 (and related) complexes|ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15047094?dopt=Abstract|издание=Methods in Enzymology|год=2004|том=382|страницы=21—45|issn=0076-6879|doi=10.1016/S0076-6879(04)82002-0|archivedate=2018-06-23|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180623113048/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15047094?dopt=Abstract}}</ref><ref>{{Статья|автор=Antony R. Crofts|заглавие=The Cytochrome bc1 Complex: Function in the Context of Structure|ссылка=https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251|издание=Annual Review of Physiology|год=2004-02-12|том=66|выпуск=1|страницы=689—733|issn=0066-4278|doi=10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251|archivedate=2019-10-14|archiveurl=https://web.archive.org/web/20191014091318/https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251}}</ref>.
+===== Q-цикл =====
+События, которые при этом происходят, известны как Q-цикл, который был постулирован [[Митчелл, Питер Деннис|Питером Митчеллом]] в 1976 году. Принцип Q-цикла состоит в том, что перенос Н<sup>+</sup> через мембрану происходит в результате окисления и восстановления [[хинон]]ов на самом комплексе. При этом хиноны соответственно отдают и забирают 2Н<sup>+</sup> из водной фазы избирательно с разных сторон мембраны.
+В структуре комплекса III есть два центра, или два «кармана», в которых могут связываться хиноны. Один из них, Q<sub>out</sub>-центр, расположен между железосерным кластером 2Fe-2S и гемом ''b''<sub>L</sub> вблизи внешней (out) стороны мембраны, обращённой в межмембранное пространство. В этом кармане связывается восстановленный [[убихинон]] (QH<sub>2</sub>). Другой, Q<sub>in</sub>-карман, предназначен для связывания окисленного [[убихинон]]а(Q) и расположен вблизи внутренней (in) стороны мембраны, контактирующей с матриксом.
+[[Файл:Theqcycle.gif|мини|455x455пкс|Q-цикл]]
+'''Первая часть Q-цикла'''
+# QH<sub>2</sub> связывается в Q<sub>out</sub>-сайте, окисляется до [[семихинон]]а (Q•) железосерным центром белка Риске и отдаёт два протона в люмен.
+# Восстановленный железосерный центр передаёт один электрон на пластоцианин через цитохром ''c''.
+# Q связывается в Q<sub>in</sub>-сайте.
+# Q• передаёт электроны к гему ''b<sub>L</sub>'' цитохрома ''b'' по низкопотенциальной ЭТЦ.
+# Гем b<sub>L</sub> передаёт электрон на ''b''<sub>H</sub>.
+# Гем ''b''<sub>H</sub> восстанавливает Q до состояния Q•.
+'''Вторая часть Q-цикла'''
+# Второй QH<sub>2</sub> связывается с Q<sub>out</sub>-сайтом комплекса.
+# Пойдя по высокопотенциальной ЭТЦ, один электрон восстанавливает ещё один пластоцианин. Ещё два протона поступают в люмен.
+# По низкопотенциальной ЭТЦ электрон от ''b''<sub>H</sub> передаётся на Q•, и полностью восстановленный Q<sup>2−</sup> связывает два протона их стромы, превращаясь в QH<sub>2</sub>.
+# Окисленный Q и восстановленный QH<sub>2</sub> диффундируют в мембрану<ref>{{публикация|книга|автор=David G. Nicholls, Stuart John Ferguson|заглавие=Bioenergetics 3|издательство=Gulf Professional Publishing|год=2002|isbn=0125181213, 9780125181211}}</ref>.
+Необходимым и парадоксальным условием работы Q-цикла является тот факт, что время жизни и состояние семихинонов в двух центрах связывания разное. В Q<sub>out</sub>-центре Q• нестабилен и действует как сильный восстановитель, способный отдать е<sup>-</sup> на низкопотенциальный гем by. В Q<sub>in</sub>-центре образуется относительно долгоживущий Q•<sup>−</sup>, потенциал которого позволяет ему действовать в качестве окислителя, принимая электроны с [[Гем (биохимия)|гема]] ''b''<sub>H</sub>. Ещё один ключевой момент Q-цикла связан с расхождением двух [[электрон]]ов, входящих в комплекс, по двум разным путям. Изучение кристаллической структуры комплекса показало, что позиция 2Fe-2S-центра относительно других редокс-центров может смещаться. Оказалось, что белок Риске имеет подвижный [[Домен белка|домен]], на котором собственно и расположен 2Fe-2S кластер. Принимая электрон и восстанавливаясь, 2Fe-2S центр меняет своё положение, отдаляясь от Q<sub>out</sub>-центра и гем ''b''<sub>L</sub> на 17 [[Ангстрем|Å]] с поворотом на 60° и тем самым приближаясь к цитохрому ''c''. Отдав электрон цитохрому, 2Fe-2S центр, наоборот, сближается с Q<sub>out</sub>-центром для установления более тесного контакта. Таким образом, функционирует своеобразный челнок (шаттл), гарантирующий уход второго электрона на гемы ''b''<sub>L</sub> и ''b''<sub>H</sub>. Пока это единственный пример, когда электронный транспорт в комплексах связан с подвижным доменом в структуре белка{{sfn|Ермаков|2005|с=243}}.
+==== Активные формы кислорода ====
+Небольшая часть электронов покидает цепь переноса до того как достигнет [[Комплекс IV|Комплекса IV]]. Постоянные утечки электронов на [[кислород]] приводят к образованию [[супероксид]]а. Эта небольшая побочная реакция приводит к образованию целого спектра [[Активные формы кислорода|активных форм кислорода]], которые весьма токсичны и играют значительную роль в развитии патологий и [[свободнорадикальная теория старения|старения]])<ref>{{Статья|автор=Florian L. Muller, Michael S. Lustgarten, Youngmok Jang, Arlan Richardson, Holly Van Remmen|заглавие=Trends in oxidative aging theories|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034|издание=Free Radical Biology and Medicine|том=43|выпуск=4|страницы=477—503|doi=10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.034}}</ref>. Электронные протечки в основном происходят в Q<sub>in</sub>-сайте. Этому процессу способствует [[антимицин A]]. Он блокирует гемы ''b'' в их восстановленном состоянии не давая им сбросить электроны на [[семихинон]] Q•, что в свою очередь приводит к повышению его концентрации. Семихинон реагирует к [[кислород]]ом, что и приводит к образованию [[супероксид]]а. Образовавшийся [[супероксид]] поступает в митохондриальный матрикс и межмембранное пространство, откуда он может попасть в цитозоль. Этот факт можно объяснить тем, что Комплекс III, возможно, производит [[супероксид]] в форме незаряженного [[Гидропероксильный радикал|HOO<sup>•</sup>]], которому легче проникнуть сквозь внешнюю мембрану по сравнению с заряженным [[Супероксид]]ом (O<sub>2</sub>-)<ref>{{Статья|автор=Florian L. Muller, Yuhong Liu, Holly Van Remmen|заглавие=Complex III Releases Superoxide to Both Sides of the Inner Mitochondrial Membrane|ссылка=http://www.jbc.org/content/279/47/49064|язык=en|издание=Journal of Biological Chemistry|год=2004-11-19|том=279|выпуск=47|страницы=49064—49073|issn=0021-9258, 1083-351X|doi=10.1074/jbc.M407715200|archivedate=2018-06-03|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180603041658/http://www.jbc.org/content/279/47/49064}}</ref>.
+=== Ингибиторы Комплекса III ===
+Все ингибиторы Комплекса III можно разделить на три группы:
+* [[Антимицин A]] связывается с Q<sub>внут</sub>-сайтом и блокирует транспорт электронов от гема ''b''<sub>H</sub> к окисленному убихинону Q (ингибитор Q<sub>in</sub>-сайта).
+* [[Миксотиазол]] и [[стигмателлин]] связываются с Q<sub>внеш</sub>-сайтом и блокируют перенос электрона с восстановленного QH<sub>2</sub> на железосерный кластер белка Риске. Оба ингибитора связываются с Q<sub>внеш</sub>-сайтом, но в разных, хотя и перекрывающихся, местах.
+** Миксотиазол связывается ближе к гему ''b''<sub>L</sub> и потому именуется «[[Пространственные отношения в анатомической терминологии#Проксимальный и дистальный|проксимальным]]» ингибитором.
+** Стигмателлин связывается дальше от гема ''b''<sub>L</sub> и ближе к белку Риске, с которым он взаимодействует.
+Некоторые из этих веществ используются как [[фунгициды]] (например, производные [[стробилурин]]а, наиболее известным из которых является [[азоксистробин]], ингибитор сайта Q<sub>внеш</sub>) и противомалярийные препараты ([[атовакуон]])<ref name=":6">{{Статья|автор=J. H. Holmes, N. Sapeika, H. Zwarenstein|заглавие=Inhibitory effect of anti-obesity drugs on NADH dehydrogenase of mouse heart homogenates|ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/241101?dopt=Abstract|издание=Research Communications in Chemical Pathology and Pharmacology|год=August 1975|том=11|выпуск=4|страницы=645—646|issn=0034-5164|archivedate=2018-06-23|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180623141140/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/241101?dopt=Abstract}}</ref>.
+=== Цитохром c оксидаза ===
+''Основная статья: [[Цитохромоксидаза|Цитохром c оксидаза]]''{{enzyme|Name=Цитохром с-оксидаза|image=PDB 1oco EBI.jpg|caption=Цитохром с-оксидаза [[Корова|быка]].|width=296px}}Цитохром с оксида́за (цитохромоксидаза) или цитохром с-кислород-оксидоредуктаза, также известная как цитохром aa<sub>3</sub> и комплекс IV — терминальная [[Оксидазы|оксидаза]] [[Аэробы|аэробной]] дыхательной цепи переноса электронов, которая [[катализ]]ирует перенос [[электрон]]ов с [[Цитохром c|цитохрома ''с'']] на [[кислород]] с образованием [[Вода|воды]]<ref name=":6" />. Цитохромоксидаза присутствует во [[Внутренняя мембрана митохондрий|внутренней мембране митохондрий]] всех [[Эукариоты|эукариот]], где её принято называть комплекс IV, а также в [[Клеточная мембрана|клеточной мембране]] многих [[Аэробы|аэробных]] [[Бактерии|бактерий]]<ref>{{Статья |автор=Elena A. Gorbikova, Ilya Belevich, Mårten Wikström, Michael I. Verkhovsky |заглавие=The proton donor for O O bond scission by cytochrome c oxidase |ссылка=http://www.pnas.org/content/105/31/10733 |язык=en |издание=[[Proceedings of the National Academy of Sciences]] |год=2008-08-05 |том=105 |выпуск=31 |страницы=10733—10737 |issn=0027-8424, 1091-6490 |doi=10.1073/pnas.0802512105 |издательство=[[Национальная академия наук США|National Academy of Sciences]] |archivedate=2018-03-20 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20180320230421/http://www.pnas.org/content/105/31/10733 }}</ref>.
+Комплекс IV последовательно [[Окисление|окисляет]] четыре [[молекулы]] [[Цитохром c|цитохрома с]] и, принимая четыре электрона, [[Восстановление (химия)|восстанавливает]] [[Кислород|O<sub>2</sub>]] до H<sub>2</sub>O. При восстановлении O<sub>2</sub> четыре H<sup>+</sup> захватываются из [[Митохондриальный матрикс|митохондриального матрикса]] для образования двух молекул H<sub>2</sub>O, а ещё четыре H<sup>+</sup>активно перекачиваются через [[Биологические мембраны|мембрану]]. Таким образом, цитохромоксидаза вносит свой вклад в создание [[Электрохимический градиент|протонного градиента]] для [[синтез]]а [[АТФ]] и является частью пути [[Окислительное фосфорилирование|окислительного фосфорилирования]]{{sfn|Ермаков|2005|с=244|name=:4}}. Кроме того, этот [[мультибелковый комплекс]] играет ключевую роль в регуляции активности всей дыхательной цепи и производстве [[Энергия|энергии]] [[Эукариоты|эукариотической]] [[Клетка (биология)|клеткой]]<ref>{{Статья|автор=Denis Pierron, Derek E. Wildman, Maik Hüttemann, Gopi Chand Markondapatnaikuni, Siddhesh Aras|заглавие=Cytochrome c oxidase: Evolution of control via nuclear subunit addition|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.bbabio.2011.07.007|издание=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics|том=1817|выпуск=4|страницы=590—597|doi=10.1016/j.bbabio.2011.07.007}}</ref>.
+==== Реакция ====
-* Комплекс I ([[НАДН дегидрогеназа]]) [[окисление|окисляет]] [[НАД|НАД-Н]], отбирая у него [[два]] [[электрон]]а и перенося их на [[раствор]]имый в [[липид]]ах [[убихинон]], который внутри [[мембрана|мембраны]] диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 2 протона и 2 [[электрон]]а из [[матрикс]]а в межмембранное пространство [[митохондрии]].
+Комплекс IV цитохром c оксидаза [[катализ]]ирует перенос 4 [[электрон]]ов с 4 [[молекула|молекул]] цитохрома на O<sub>2</sub> и перекачивает при этом 4 [[протон]]а в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо [[Гем (биохимия)|гема]], содержат [[ион]]ы [[меди]].
-* Комплекс II ([[Сукцинат дегидрогеназа]]) не перекачивает [[протон]]ы, но обеспечивает вход в цепь дополнительных [[электрон]]ов за счёт окисления [[сукцинат]]а.
-* Комплекс III ([[Цитохром-bc1-комплекс|Цитохром-bc<sub>1</sub>-комплекс]]) переносит электроны с [[убихинон]]а на два водорастворимых [[Цитохром c|цитохрома с]], расположенных на внутренней мембране [[митохондрии]]. [[Убихинон]] передаёт 2 [[электрон]]а, а [[цитохромы]] за один цикл переносят по одному [[электрон]]у. При этом туда также переходят 2 [[протон]]а [[убихинон]]а и перекачиваются комплексом.
-* Комплекс IV ([[Цитохромоксидаза|Цитохром c оксидаза]]) [[катализ]]ирует перенос 4 [[электрон]]ов с 4 [[молекула|молекул]] цитохрома на O<sub>2</sub> и перекачивает при этом 4 [[протон]]а в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо [[гем]]а, содержат [[ион]]ы [[меди]].
 [[Кислород]], поступающий в митохондрии из [[кровь|крови]], связывается с [[атом]]ом [[железо|железа]] в геме цитохрома a3 в форме молекулы O<sub>2</sub>. Каждый из [[атом]]ов [[кислород]]а присоединяет по два [[электрон]]а и два [[протон]]а и превращается в [[молекула|молекулу]] [[вода|воды]].
+Суммарная реакция, катализируемая комплексом, описывается следующим уравнением:
+: 4цит. ''c''<sup>2+</sup> + O<sub>2</sub> + 8H<sup>+</sup><sub>in</sub> → 4цит. ''c''<sup>3+</sup> + 2H<sub>2</sub>O + 4H<sup>+</sup><sub>out</sub>
+Путь электрона в комплексе известен. [[Цитохром c|Цитохром ''с'']] связывается на субъединице II при посредничестве субъединиц I, III и VIb и восстанавливает Cu<sub>A</sub>-центр, расположенный вблизи поверхности мембраны. С Cu<sub>A</sub>-центра электрон уходит на гем ''а'' и далее на биядерный центр ''a''<sub>3</sub>-Cu<sub>B</sub>, расположенные в толще мембраны. Именно в биядерном центре происходит связывание О<sub>2</sub> и его восстановление до Н<sub>2</sub>О<ref name=":4" />. Поскольку кислород обладает высоким сродством к электронам, то в процессе восстановления до воды он высвобождает большое количество [[Энергия Гиббса|свободной энергии]]. Благодаря этому [[аэроб]]ные организмы способны получать гораздо большее количество энергии, чем можно выработать исключительно [[анаэроб]]ным способом.
+===== Механизм восстановления кислорода =====
+Механизм восстановления кислорода уже давно является предметом интенсивного изучения, но ясен не до конца. Каталитический цикл цитохромоксидазы состоит из шести стадий, обозначаемых '''A''' (аддукт, [[Английский язык|англ.]] ''Adduct'')<ref name=":5">{{Статья|заглавие=Cytochrome c oxidase: Intermediates of the catalytic cycle and their energy-coupled interconversion|ссылка=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0014579311006399|язык=en|издание=FEBS Letters|год=2012-03-09|том=586|выпуск=5|страницы=630—639|issn=0014-5793|doi=10.1016/j.febslet.2011.08.037}}</ref>, '''P''' (пероксиинтермедиат от [[Английский язык|англ.]] ''Peroxy intermediate''), '''F''' (феррилоксоинтермедиат от [[Английский язык|англ.]] ''Ferryl-oxo intermediate'')<ref name=":5" />, '''O<sub>H</sub>''' (полностью окисленное высокоэнергетическое состояние от [[Английский язык|англ.]] ''Fully-Oxidized High-Energy state''), '''E''' (одноэлектронно-восстановленное состояние от [[Английский язык|англ.]] ''One-electron reduced state'') и '''R''' (восстановленное состояние от [[Английский язык|англ.]] ''Reduced state'') и названных так по состоянию биядерного центра<ref name="автоссылка1">{{Cite web|url=http://www.biocenter.helsinki.fi/bi/biophys/research_CcO_Intermediates.html|title=Home Page of the Molecular Biophysics Group|publisher=www.biocenter.helsinki.fi|accessdate=2018-03-20|archive-date=2016-03-06|archive-url=https://web.archive.org/web/20160306000920/http://www.biocenter.helsinki.fi/bi/biophys/research_CcO_Intermediates.html|deadlink=no}}</ref>. Номенклатура каталитических состояний значительно устарела, не всегда отражает реальное химическое состояние биядерного центра и сохраняется во многом по историческим причинам. Так например, на стадии '''P''' кислород в биядерном центре находится совсем не в [[пероксид]]ой форме, как то полагали 30 лет назад, а в оксоферрильном состоянии, где связь между атомами кислорода уже разорвана<ref name=":5" />. Согласно современным представлениям, восстановление кислорода в цитохром с-оксидазе происходит путём быстрого и полного восстановления с попарным переносом электронов, что исключает образование [[Активные формы кислорода|активных форм кислорода]]. Происходит следующая последовательность событий<ref name=":5" /><ref>{{Статья |автор=Vivek Sharma, Giray Enkavi, Ilpo Vattulainen, Tomasz Róg, Mårten Wikström |заглавие=Proton-coupled electron transfer and the role of water molecules in proton pumping by cytochrome c oxidase |ссылка=http://www.pnas.org/content/112/7/2040 |язык=en |издание=[[Proceedings of the National Academy of Sciences]] |год=2015-02-17 |том=112 |выпуск=7 |страницы=2040—2045 |issn=0027-8424, 1091-6490 |doi=10.1073/pnas.1409543112 |издательство=[[Национальная академия наук США|National Academy of Sciences]] |archivedate=2018-03-20 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20180320232401/http://www.pnas.org/content/112/7/2040 }}</ref><ref name="автоссылка2">{{Статья|автор=Elisa Fadda, Ching-Hsing Yu, Régis Pomès|заглавие=Electrostatic control of proton pumping in cytochrome c oxidase|ссылка=https://dx.doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.11.010|издание=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics|том=1777|выпуск=3|страницы=277—284|doi=10.1016/j.bbabio.2007.11.010}}</ref>:
+[[Файл:Cyt_aa3_-_part_1_asw.svg|справа]]
+* '''A''' Полностью восстановленный биядерный центр быстро связывает O<sub>2</sub> c образование кислородного аддукта, что приводит к [[Конформация|конформационным]] перестройкам (обозначены тонкими чёрными стрелочками).
+* '''P<sub>M</sub>''' Происходит быстрый перенос четырёх электронов на кислород: два поставляются железом гема ''а''<sub>3</sub> (Fe<sup>II</sup>→Fe<sup>IV</sup>), ещё один расположенным рядом Cu<sub>B</sub> (Cu<sup>I</sup>→Cu<sup>II</sup>), а четвёртый приходит от остатка тирозина-244, он же отдаёт протон, необходимый для разрыва двойной связи O<sub>2</sub>. Образовавшийся нейтральный тирозиновый радикал восстанавливается до состояния аниона за счёт электрона от цитохрома ''с''.
+* '''P<sub>R</sub>''' Происходит протонирование Cu(II)-OH<sup>−</sup> с образованием молекулы воды.
+* '''F''' Образовавшаяся молекула воды связывается с Cu<sub>B</sub> координационной связью. Железо Fe(IV)=О<sup>2-</sup> восстанавливается до Fe<sup>III</sup>, а связанный с ним кислород протонируется. Высвобождается первая молекула воды.
+* '''O<sub>H</sub>''' Тирозиновый анион протонируется, а Cu<sub>B</sub> восстанавливается до Cu<sup>I</sup> за счёт электрона от цитохрома ''с''.
+* '''E<sub>H</sub>''' Железо восстанавливается до Fe<sup>II</sup>, после чего связанная с ним OH<sup>-</sup> группа протонируется с образованием второй молекулы воды.
+* '''R''' В этом состоянии биядерный центр полностью восстановлен и комплекс готов к связыванию новой молекулы кислорода.
+===== Механизм транспорта протонов =====
+[[Файл:Cyt_aa3_-_part_2_asw.svg|альт=Механизм транспорта протонов.|справа|310x310пкс]]
+Известно, что эукариотическая цитохромоксидаза переносит через мембрану по одному протону на каждый электрон, полученный от [[Цитохром c|цитохрома ''с'']]. За один раз комплекс закачивает один «субстратный» протон, используемый для образования воды, через канал К и переносит один дополнительный протон через мембрану по каналу D. В ходе одного каталитического цикла акт транслокации приходятся на четыре относительно стабильных стадии: '''P<sub>M</sub>''', '''F''', '''O<sub>H</sub>''', и '''E<sub>H</sub>'''.<br>Точный механизм транспорта протонов до сих пор остаётся не ясным: за последние годы было предложено множество моделей, в которых предпринимались попытки детально описания этого процесса<ref name="автоссылка2" />. Не понятно и то, каким образом осуществляется сопряжение энергии электрона с перемещением протонов. Тем не менее, в общем виде это можно описать следующим образом<ref name="автоссылка1" />:
+# В начальной стадии цикла протонные каналы комплекса закрыты, затем цитохром ''с'' передаёт электрон на Cu<sub>A</sub>-центр.
+# Электрон быстро перемещается c Cu<sub>A</sub>-центра на гем ''a'', что ведёт к изменению окислительно-восстановительного потенциала и заставляет молекулы воды в канале D переориентироваться, делая его открытым для протона. В результате перемещения электрона с Cu<sub>A</sub> на гем ''a'' происходит перемещение протона через канал D и его загрузка в ''сайт загрузки протона'' PLS ({{lang-en|proton loading site}}).
+# Электрон переходит на биядерный центр к гему ''a''<sub>3</sub>, в результате чего через канал K входит один субстратный протон. При этом протон в PLS испытывает значительное увеличение его кислотности (с pK=11 до pK=5).
+# На завершающей стадии цикла предзагруженный в PLS протон выбрасывается наружу, как полагают, по причине электростатического отталкивания от субстратного протона, который участвует в восстановлении кислорода в биядерном центре.
+=== Ингибиторы ===
+[[Цианиды]], [[Сероводород|сульфиды]], [[Неорганические азиды|азиды]], [[монооксид углерода]] и [[Оксид азота(II)|монооксид азота]]<ref>{{Статья|автор=Jose-Ramon Alonso, Francesc Cardellach, Sònia López, Jordi Casademont, Oscar Miró|заглавие=Carbon monoxide specifically inhibits cytochrome c oxidase of human mitochondrial respiratory chain|ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12969439?dopt=Abstract|издание=Pharmacology & Toxicology|год=September 2003|том=93|выпуск=3|страницы=142—146|issn=0901-9928|archivedate=2018-07-23|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180723175922/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12969439?dopt=Abstract}}</ref> связываются с окисленным или восстановленным биядерным центром фермента и конкурируют с кислородом, ингибируя при этом фермент, что приводит к смерти клеток от химической [[Асфиксия|асфиксии]]. [[Метанол]], который входит в состав [[Технический спирт|технического спирта]], в организме преобразуется в [[Муравьиная кислота|муравьиную кислоту]], которая тоже может ингибировать цитохромоксидазу<ref>{{Статья|автор=Chris E. Cooper, Guy C. Brown|заглавие=The inhibition of mitochondrial cytochrome oxidase by the gases carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen cyanide and hydrogen sulfide: chemical mechanism and physiological significance|ссылка=https://link.springer.com/article/10.1007/s10863-008-9166-6|язык=en|издание=Journal of Bioenergetics and Biomembranes|год=2008-10-01|том=40|выпуск=5|страницы=533|issn=0145-479X, 1573-6881|doi=10.1007/s10863-008-9166-6|archivedate=2018-02-26|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180226032025/https://link.springer.com/article/10.1007/s10863-008-9166-6}}</ref>.
 === Влияние окислительного потенциала ===
@@ Строка 22: / Строка 173: @@
 ! [[Восстановитель]]
 ! [[Окислитель]]
-! Ео´, В
+! Ео´, [[Вольт|В]]
 |-
-| [[водород|Н2]]
+| [[водород|Н<sub>2</sub>]]
-| 2[[H+]]
+| 2[[водород|H]]<sup>+</sup>
 | — 0,42
 |-
-| [[НАД]] • Н + Н+
+| [[НАД]] • Н + Н<sup>+</sup>
-| [[НАД]]+
+| [[НАД]]<sup>+</sup>
 | — 0,32
 |-
-| [[НАДФ]] • Н + Н+
+| [[НАДФ]] • Н + Н<sup>+</sup>
-| [[НАДФ]]+
+| [[НАДФ]]<sup>+</sup>
 | — 0,32
 |-
-| [[Флавопротеины|Флавопротеин]] (восстановл.)
+| [[Флавопротеины|Флавопротеин]] (восстановленный)
-|[[Флавопротеины|Флавопротеин]] (окисл.)
+|[[Флавопротеины|Флавопротеин]] (окисленный)
 | — 0,12
 |-
-| [[Кофермент Q]] • Н2
+| [[Кофермент Q]] • Н<sub>2</sub>
 |[[Кофермент Q]]
 | + 0,04
 |-
-| [[Цитохром b-245, альфа-цепь|Цитохром B]] (Fe2+)
+| [[Цитохром b-245, альфа-цепь|Цитохром B]] (Fe<sup>2+</sup>)
-|[[Цитохром b-245, альфа-цепь|Цитохром B]] (Fe3+)
+|[[Цитохром b-245, альфа-цепь|Цитохром B]] (Fe<sup>3+</sup>)
 | + 0,07
 |-
-| [[Цитохром C]]1 (Fe2+)
+| [[Цитохром C]]1 (Fe<sup>2+</sup>)
-|[[Цитохром C]]1 (Fe3+)
+|[[Цитохром C]]1 (Fe<sup>3+</sup>)
 | + 0,23
 |-
-| [[Цитохромы]]A (Fe2+)
+| [[Цитохромы]]A (Fe<sup>2+</sup>)
-|[[Цитохромы]]A(Fe3+)
+|[[Цитохромы]]A(Fe<sup>3+</sup>)
 | + 0,29
 |-
-| [[Цитохромы]]A3 (Fe2+)
+| [[Цитохромы]]A3 (Fe<sup>2+</sup>)
-|[[Цитохромы]] A3 (Fe3+)
+|[[Цитохромы]] A3 (Fe<sup>3+</sup>)
 | +0,55
 |-
+| H<sub>2</sub>O
-| H2O
-| ½ О2
+| ½ О<sub>2</sub>
 | + 0,82
 |}
-[[Система]] с более низким окислительно-восстановительным потенциалом обладает большей способностью отдавать [[электрон]]ы системе с большим потенциалом. Например, [[пара]] НАД•Н<sup>+</sup>/НАД<sup>+</sup> , [[редокс-потенциал]] которой равен — 0,32 В будет отдавать свои [[электрон]]ы окислительно-восстановительной паре [[флавопротеины|флавопротеин]] (восстановл.) / [[флавопротеины|флавопротеин]] (окислен.), имеющей больший потенциал −0,12 В. Б''о''льшая величина редокс-потенциала окислительно-восстановительной пары [[вода]]/[[кислород]] (+0,82 В) указывает на то, что у этой пары способность отдавать [[электрон]]ы выражена очень слабо<ref>[http://do.gendocs.ru/docs/index-63074.html?page=9Королёв А. П., Гридина С. Б., Зинкевич Е. П. «Основы биохимии, часть 4: учебное пособие Кемеровского технологического института пищевой промышленности» Кемерово, 2004.]- 92с</ref>.
+[[Система]] с более низким окислительно-восстановительным потенциалом обладает большей способностью отдавать [[электрон]]ы системе с большим потенциалом. Например, пара НАД•Н<sup>+</sup>/НАД<sup>+</sup> , [[редокс-потенциал]] которой равен — 0,32 [[Вольт|В]] будет отдавать свои [[электрон]]ы окислительно-восстановительной паре [[флавопротеины|флавопротеин]] (восстановл.) / [[флавопротеины|флавопротеин]] (окислен.), имеющей больший потенциал −0,12 В. Бо́льшая величина редокс-потенциала окислительно-восстановительной пары [[вода]]/[[кислород]] (+0,82 В) указывает на то, что у этой пары способность отдавать [[электрон]]ы выражена очень слабо<ref>[http://do.gendocs.ru/docs/index-63074.html?page=9 Королёв А. П., Гридина С. Б., Зинкевич Е. П. «Основы биохимии, часть 4: учебное пособие Кемеровского технологического института пищевой промышленности» Кемерово, 2004.] {{Wayback|url=http://do.gendocs.ru/docs/index-63074.html?page=9 |date=20160305220853 }}- 92с</ref>.
+== Электрон-транспортные цепи бактерий ==
-== Ингибиторы дыхательной цепи ==
+Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Эти пути могут осуществляться одновременно, например, ''[[кишечная палочка|E.coli]]'' при выращивании на среде, содержащей глюкозу в качестве основного источника органического вещества, использует две НАДН дегидрогеназы и две хинолоксидазы, что означает наличие 4 путей транспорта электрона. Большинство [[фермент]]ов ЭТЦ [[индуцибельность|индуцибельны]] и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.
-Некоторые вещества блокируют перенос электронов через комплексы I, II, III, IV .
-* Ингибиторы I комплекса — [[барбитураты]], [[ротенон]], [[пиерицидин]]
-* Ингибитор II комплекса — [[малонат]].
-* Ингибитор III комплекса — [[антимицин А]], [[миксотиазол]], [[стигматтелин]]
-* Ингибиторы IV комплекса — [[сероводород]], [[цианиды]], [[угарный газ]], оксид азота.
+Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный [[водород]], [[угарный газ]], [[аммоний]], [[нитрит]], [[сера]], [[сульфид]], двухвалентное [[железо]]. Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать [[формиат]]-, [[лактат]]-, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, [[гидрогеназа]] и т. д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать [[Редуктаза|редуктазы]], восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: [[фумаратредуктаза|фумаратредуктазу]], [[нитратредуктаза|нитрат-]] и [[нитритредуктаза|нитритредуктазу]] и т. д.
-== Электронтранспортные цепи бактерий ==
-Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Эти пути могут осуществляться одновременно, например, ''E. coli'' при выращивании на среде, содержащей глюкозу в качестве основного источника органического вещества, использует две НАДН дегидрогеназы и две хинолоксидазы, что означает наличие 4 путей транспорта электрона. Большинство [[фермент]]ов ЭТЦ [[индуцибельность|индуцибельны]] и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.
-Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный [[водород]], [[угарный газ]], [[аммоний]], [[нитрит]], [[сера]], [[сульфид]], двухвалентное [[железо]]. Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать [[формиат]]-, [[лактат]]-, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, [[гидрогеназа]] и т. д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать редуктазы, восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: [[фумаратредуктаза|фумаратредуктазу]], [[нитратредуктаза|нитрат-]] и [[нитритредуктаза|нитритредуктазу]] и т. д.
 == См. также ==
+* [[Окислительное фосфорилирование]]
+* [[НАДН-дегидрогеназный комплекс]]
+* [[Сукцинатдегидрогеназа]]
+* [[Цитохром-bc1-комплекс|Цитохром-bc<sub>1</sub>-комплекс]]
+* [[Цитохромоксидаза|Цитохром c оксидаза]]
 * [[Клеточное дыхание]]
 * [[АТФ-синтаза]]
 * [[Цепь переноса электронов фотосинтеза]]
+* [[Обратный транспорт электронов]]
 == Примечания ==
-{{примечания}}
+{{примечания|33em}}
+== Литература ==
+* {{публикация|книга|заглавие=Физиология растений|ответственный=Под ред. И. П. Ермакова |место=М.|издательство=Академия|год=2005|ref=Ермаков|страниц=634}}
+* ''Berg, J, Tymoczko, J, and L Stryer.'' Biochemistry. — 6th. — New York: WH Freeman & Company, 2006. — P. 509–513.
+* {{публикация|книга|автор=Дэвид Л. Нельсон, Майкл М. Кокс|заглавие=Основы биохимии Ленинджера. Биоэнергетика и метаболизм|оригинал=Leninger Principles of Biochemistry|том=2|место=М.|издательство=Бином. Лаборатория знаний|год=2012|ref=Нельсон, Кокс|страниц=692|isbn=978-5-94774-365-4}}
+== Ссылки ==
+{{Навигация}}
+* [http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/bacterial-complex-i MRC MBU Sazanov group]
+* [https://web.archive.org/web/20090224170938/http://www.scripps.edu/mem/biochem/CI/overview.html Complex I home page] at The Scripps Research Institute
+* [[Medical Subject Headings|MeSH]] [https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Electron+Transport+Complex+I Electron+Transport+Complex+I]
+* ''Instituto Gulbenkian de Ciência & Universidade Nova de Lisboa.'' [http://www.evocell.org/hco/glossary/ Heme-copper oxygen reductases (HCOs) classifier] (2009—2010).
+* UMich Orientation of Proteins in Membranes ''[http://opm.phar.umich.edu/families.php?superfamily=4 families/superfamily-4]''
+* [[Medical Subject Headings|MeSH]] ''[https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Cytochrome-c+Oxidase Cytochrome-c+Oxidase]''
+* [http://www.life.uiuc.edu/crofts/bc-complex_site cytochrome ''bc''<sub>1</sub> complex site (Antony R. Crofts)] at uiuc.edu
+* UMich Orientation of Proteins in Membranes ''[http://opm.phar.umich.edu/families.php?superfamily=3 families/superfamily-3]'' — Calculated positions of bc1 and related complexes in membranes
+* [[Medical Subject Headings|MeSH]] ''[https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Coenzyme+Q-Cytochrome-c+Reductase Coenzyme+Q-Cytochrome-c+Reductase]''
+* ''[https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Coenzyme+Q-Cytochrome-c+Reductase Instituto Gulbenkian de Ciência & Universidade Nova de Lisboa.] [http://www.evocell.org/hco/glossary/ Heme-copper oxygen reductases (HCOs) classifier] (2009—2010).''
+* ''[https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Coenzyme+Q-Cytochrome-c+Reductase UMich Orientation of Proteins in Membranes] [http://opm.phar.umich.edu/families.php?superfamily=4 families/superfamily-4]''
+* ''[https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Coenzyme+Q-Cytochrome-c+Reductase][[Medical Subject Headings|MeSH]] [https://www.nlm.nih.gov/cgi/mesh/2009/MB_cgi?mode=&term=Cytochrome-c+Oxidase Cytochrome-c+Oxidase]''
+{{внешние ссылки}}
 [[Категория:Метаболические пути]]

Сукцинатдегидрогеназа

Идентификаторы
Шифр КФ	нет данных^{[заполнить]}
Медиафайлы на Викискладе

Убихинол-цитохром с-оксидоредуктаза
Структура митохондриальной убихинол-цитохром с-оксидоредуктазы в комплексе с убихиноном^[24].
Идентификаторы
Шифр КФ	нет данных^{[заполнить]}
Медиафайлы на Викискладе

Цитохром с-оксидаза
Цитохром с-оксидаза быка.
Идентификаторы
Шифр КФ	нет данных^{[заполнить]}
Медиафайлы на Викискладе

Дыхательная цепь переноса электронов: различия между версиями

Текущая версия от 20:44, 13 сентября 2024

Цепь переноса электронов митохондрий

НАДН-дегидрогеназный комплекс

Кофакторы

Реакция

Механизм транспорта протонов

Ингибиторы

Сукцинатдегидрогеназа

Механизм реакции

Окисление сукцината

Перенос электронов

Восстановление убихинона

Гем b

Ингибиторы

Цитохром-bc1-комплекс

Реакция

Q-цикл

Активные формы кислорода

Ингибиторы Комплекса III

Цитохром c оксидаза

Реакция

Механизм восстановления кислорода

Механизм транспорта протонов

Ингибиторы

Влияние окислительного потенциала

Электрон-транспортные цепи бактерий

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Навигация

Поиск

Цитохром-bc₁-комплекс