stringtranslate.com

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование состоит из двух тесно связанных компонентов: цепи переноса электронов и хемиосмоса. Цепь переноса электронов в клетке является местом окислительного фосфорилирования. НАДН и сукцинат, образующиеся в цикле лимонной кислоты, окисляются, высвобождая энергию O 2 для питания АТФ-синтазы .

Окислительное фосфорилирование (UK / ɒ k ˈ s ɪ d . ə . t ɪ v / , US / ˈ ɑː k . s ɪ ˌ d eɪ . t ɪ v / [1] ) или связанное с переносом электронов фосфорилирование или терминальное окисление — это метаболический путь , в котором клетки используют ферменты для окисления питательных веществ , тем самым высвобождая химическую энергию для производства аденозинтрифосфата (АТФ). У эукариот это происходит внутри митохондрий . Почти все аэробные организмы осуществляют окислительное фосфорилирование. Этот путь настолько распространен, потому что он высвобождает больше энергии, чем альтернативные процессы ферментации , такие как анаэробный гликолиз .

Энергия, хранящаяся в химических связях глюкозы , высвобождается клеткой в ​​цикле лимонной кислоты , производя углекислый газ и энергетические доноры электронов НАДН и ФАДН . Окислительное фосфорилирование использует эти молекулы и О2 для производства АТФ , который используется во всей клетке, когда требуется энергия. Во время окислительного фосфорилирования электроны переносятся от доноров электронов к ряду акцепторов электронов в серии окислительно-восстановительных реакций, заканчивающихся кислородом, реакция которого высвобождает половину общей энергии. [2]

У эукариот эти окислительно-восстановительные реакции катализируются серией белковых комплексов во внутренней мембране митохондрий клетки, тогда как у прокариот эти белки расположены во внешней мембране клетки. Эти связанные наборы белков называются цепью переноса электронов . У эукариот задействованы пять основных белковых комплексов, тогда как у прокариот присутствует множество различных ферментов, использующих различные доноры и акцепторы электронов.

Энергия, передаваемая электронами, протекающими через эту электронно-транспортную цепь, используется для транспортировки протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в процессе, называемом транспортом электронов . Это генерирует потенциальную энергию в форме градиента pH и результирующего электрического потенциала через эту мембрану. Этот запас энергии используется, когда протоны текут обратно через мембрану и вниз по градиенту потенциальной энергии через большой фермент, называемый АТФ-синтазой, в процессе, называемом хемиосмосом . АТФ-синтаза использует энергию для преобразования аденозиндифосфата (АДФ) в аденозинтрифосфат в реакции фосфорилирования . Реакция приводится в движение потоком протонов, который заставляет вращаться часть фермента. АТФ-синтаза представляет собой вращающийся механический двигатель.

Хотя окислительное фосфорилирование является жизненно важной частью метаболизма, оно производит активные формы кислорода, такие как супероксид и перекись водорода , которые приводят к распространению свободных радикалов , повреждая клетки и способствуя болезням и, возможно, старению и дряхлению . Ферменты, осуществляющие этот метаболический путь, также являются целью многих лекарств и ядов, которые подавляют их активность.

Хемиосмос

Окислительное фосфорилирование работает, используя химические реакции с высвобождением энергии для управления реакциями, требующими энергии. Говорят, что эти два набора реакций связаны . Это означает, что одно не может происходить без другого. Цепь окислительно-восстановительных реакций, управляющая потоком электронов через цепь переноса электронов от доноров электронов, таких как НАДН, к акцепторам электронов, таким как кислород и водород (протоны), является экзергоническим процессом — он высвобождает энергию, тогда как синтез АТФ является эндергоническим процессом, который требует ввода энергии. Как цепь переноса электронов, так и АТФ-синтаза встроены в мембрану, и энергия передается от цепи переноса электронов к АТФ-синтазе путем перемещения протонов через эту мембрану в процессе, называемом хемиосмосом . [3] Ток протонов движется от отрицательной N-стороны мембраны к положительной P-стороне через ферменты, перекачивающие протоны, цепи переноса электронов. Движение протонов создает электрохимический градиент через мембрану, называемый протондвижущей силой . Он имеет два компонента: разницу в концентрации протонов (градиент H + , Δ pH ) и разницу в электрическом потенциале , причем N-сторона имеет отрицательный заряд. [4]

АТФ-синтаза высвобождает эту накопленную энергию, замыкая цепь и позволяя протонам течь по электрохимическому градиенту обратно на N-сторону мембраны. [5] Электрохимический градиент приводит во вращение часть структуры фермента и связывает это движение с синтезом АТФ.

Два компонента протондвижущей силы термодинамически эквивалентны: в митохондриях большая часть энергии обеспечивается потенциалом; в алкалофильных бактериях электрическая энергия даже должна компенсировать противодействующую обратную разницу pH. Наоборот, хлоропласты работают в основном на ΔpH. Однако им также требуется небольшой мембранный потенциал для кинетики синтеза АТФ. В случае фузобактерии Propionigenium modestum он управляет встречным вращением субъединиц a и c мотора F O АТФ-синтазы. [4]

Количество энергии, высвобождаемой при окислительном фосфорилировании, велико по сравнению с количеством, производимым при анаэробной ферментации . Гликолиз производит только 2 молекулы АТФ, но где-то от 30 до 36 АТФ производятся при окислительном фосфорилировании 10 НАДН и 2 молекул сукцината, полученных путем преобразования одной молекулы глюкозы в углекислый газ и воду, [6] в то время как каждый цикл бета-окисления жирной кислоты дает около 14 АТФ. Эти выходы АТФ являются теоретическими максимальными значениями; на практике некоторые протоны просачиваются через мембрану, снижая выход АТФ. [7]

Молекулы переноса электронов и протонов

Восстановление кофермента Q из его формы убихинона (Q) в восстановленную форму убихинола (QH 2 ).

Цепь переноса электронов переносит как протоны, так и электроны, передавая электроны от доноров к акцепторам и транспортируя протоны через мембрану. Эти процессы используют как растворимые, так и связанные с белком молекулы переноса. В митохондриях электроны переносятся в межмембранном пространстве водорастворимым белком переноса электронов цитохромом c . [8] Он переносит только электроны, и они переносятся путем восстановления и окисления атома железа , который белок удерживает в гемовой группе в своей структуре. Цитохром c также обнаружен у некоторых бактерий, где он находится в периплазматическом пространстве . [9]

Внутри внутренней митохондриальной мембраны липидорастворимый переносчик электронов кофермент Q10 (Q) переносит как электроны, так и протоны с помощью окислительно-восстановительного цикла. [10] Эта небольшая молекула бензохинона очень гидрофобна , поэтому она свободно диффундирует внутри мембраны. Когда Q принимает два электрона и два протона, он восстанавливается до формы убихинола (QH 2 ); когда QH 2 высвобождает два электрона и два протона, он окисляется обратно до формы убихинона (Q). В результате, если два фермента расположены так, что Q восстанавливается с одной стороны мембраны, а QH 2 окисляется с другой, убихинон будет связывать эти реакции и переносить протоны через мембрану. [11] Некоторые бактериальные цепи переноса электронов используют другие хиноны, такие как менахинон , в дополнение к убихинону. [12]

Внутри белков электроны переносятся между флавиновыми кофакторами, [5] [13] железо-серными кластерами и цитохромами. Существует несколько типов железо-серных кластеров. Самый простой вид, обнаруженный в цепи переноса электронов, состоит из двух атомов железа, соединенных двумя атомами неорганической серы ; они называются кластерами [2Fe–2S]. Второй вид, называемый [4Fe–4S], содержит куб из четырех атомов железа и четырех атомов серы. Каждый атом железа в этих кластерах координируется дополнительной аминокислотой , обычно атомом серы цистеина . Кофакторы ионов металлов подвергаются окислительно-восстановительным реакциям без связывания или высвобождения протонов, поэтому в цепи переноса электронов они служат исключительно для переноса электронов через белки. Электроны перемещаются на довольно большие расстояния через белки, прыгая по цепочкам этих кофакторов. [14] Это происходит путем квантового туннелирования , которое происходит быстро на расстояниях менее 1,4 × 10−9 м. [15]

Эукариотические цепи переноса электронов

Многие катаболические биохимические процессы, такие как гликолиз , цикл лимонной кислоты и бета-окисление , производят восстановленный кофермент НАДН . Этот кофермент содержит электроны, которые имеют высокий потенциал переноса ; другими словами, они будут высвобождать большое количество энергии при окислении. Однако клетка не высвобождает эту энергию сразу, так как это была бы неконтролируемая реакция. Вместо этого электроны удаляются из НАДН и передаются кислороду через ряд ферментов, каждый из которых высвобождает небольшое количество энергии. Этот набор ферментов, состоящий из комплексов I по IV, называется цепью переноса электронов и находится во внутренней мембране митохондрии . Сукцинат также окисляется цепью переноса электронов, но поступает в путь в другой точке.

У эукариот ферменты в этой системе переноса электронов используют энергию, высвобождаемую из O2 с помощью NADH, для перекачки протонов через внутреннюю мембрану митохондрии. Это заставляет протоны накапливаться в межмембранном пространстве и создает электрохимический градиент через мембрану. Энергия, запасенная в этом потенциале, затем используется АТФ-синтазой для производства АТФ. Окислительное фосфорилирование в эукариотической митохондрии является наиболее понятным примером этого процесса. Митохондрия присутствует почти у всех эукариот, за исключением анаэробных простейших, таких как Trichomonas vaginalis , которые вместо этого восстанавливают протоны до водорода в остаточной митохондрии, называемой гидрогеносомой . [16]

НАДН-кофермент Q оксидоредуктаза (комплекс I)

Комплекс I или NADH-Q оксидоредуктаза . Сокращения обсуждаются в тексте. На всех схемах дыхательных комплексов в этой статье матрикс находится внизу, а межмембранное пространство — сверху. [ требуется ссылка на изображение ]

НАДН-кофермент Q оксидоредуктаза , также известная как НАДН-дегидрогеназа или комплекс I , является первым белком в цепи переноса электронов. [18] Комплекс I представляет собой гигантский фермент , а комплекс I млекопитающих имеет 46 субъединиц и молекулярную массу около 1000 килодальтон (кДа). [19] Структура известна в деталях только по бактерии; [20] [21] у большинства организмов комплекс напоминает ботинок с большим «шаром», торчащим из мембраны в митохондрию. [22] [23] Гены, кодирующие отдельные белки, содержатся как в ядре клетки , так и в митохондриальном геноме , как и в случае со многими ферментами, присутствующими в митохондрии.

Реакция, катализируемая этим ферментом, представляет собой двухэлектронное окисление НАДН коферментом Q10 или убихиноном (обозначенным как Q в уравнении ниже), жирорастворимым хиноном , который находится в мембране митохондрий:

Начало реакции, и, по сути, всей электронной цепи, заключается в связывании молекулы NADH с комплексом I и передаче двух электронов. Электроны поступают в комплекс I через простетическую группу , присоединенную к комплексу, флавинмононуклеотид (FMN). Добавление электронов к FMN преобразует его в восстановленную форму, FMNH 2 . Затем электроны переносятся через ряд кластеров железа и серы: второй тип простетических групп, присутствующих в комплексе. [20] В комплексе I присутствуют как [2Fe–2S], так и [4Fe–4S] кластеры железа и серы.

Когда электроны проходят через этот комплекс, четыре протона перекачиваются из матрицы в межмембранное пространство. Как именно это происходит, неясно, но, по-видимому, это связано с конформационными изменениями в комплексе I, которые заставляют белок связывать протоны на N-стороне мембраны и высвобождать их на P-стороне мембраны. [24] Наконец, электроны переносятся из цепи железо-серных кластеров в молекулу убихинона в мембране. [18] Восстановление убихинона также способствует образованию протонного градиента, поскольку два протона забираются из матрицы, когда она восстанавливается до убихинола (QH 2 ).

Сукцинат-Q оксидоредуктаза (комплекс II)

Комплекс II: сукцинат-Q оксидоредуктаза .

Сукцинат-Q оксидоредуктаза , также известная как комплекс II или сукцинатдегидрогеназа , является второй точкой входа в цепь переноса электронов. [25] Он необычен, потому что это единственный фермент, который является частью как цикла лимонной кислоты, так и цепи переноса электронов. Комплекс II состоит из четырех белковых субъединиц и содержит связанный кофактор флавинадениндинуклеотида (ФАД), железо-серные кластеры и гемовую группу, которая не участвует в переносе электронов на кофермент Q, но считается важной для снижения продукции активных форм кислорода. [26] [27] Он окисляет сукцинат до фумарата и восстанавливает убихинон. Поскольку эта реакция выделяет меньше энергии, чем окисление НАДН, комплекс II не переносит протоны через мембрану и не вносит вклад в протонный градиент.

У некоторых эукариот, таких как паразитический червь Ascaris suum , фермент, похожий на комплекс II, фумаратредуктаза (менахинол:фумаратоксидоредуктаза, или QFR), действует в обратном направлении, окисляя убихинол и восстанавливая фумарат. Это позволяет червю выживать в анаэробной среде толстого кишечника , осуществляя анаэробное окислительное фосфорилирование с фумаратом в качестве акцептора электронов. [28] Другая необычная функция комплекса II наблюдается у малярийного паразита Plasmodium falciparum . Здесь обратное действие комплекса II как оксидазы важно для регенерации убихинола, который паразит использует в необычной форме биосинтеза пиримидина . [29]

Электрон-переносящая флавопротеин-Q оксидоредуктаза

Электронно-переносящая флавопротеин-убихинон оксидоредуктаза (ETF-Q оксидоредуктаза), также известная как электронно-переносящая флавопротеиндегидрогеназа , является третьей точкой входа в цепь переноса электронов. Это фермент, который принимает электроны от электронно-переносящего флавопротеина в митохондриальной матрице и использует эти электроны для восстановления убихинона. [30] Этот фермент содержит флавин и кластер [4Fe–4S], но, в отличие от других дыхательных комплексов, он прикрепляется к поверхности мембраны и не пересекает липидный бислой. [31]

У млекопитающих этот метаболический путь важен для бета-окисления жирных кислот и катаболизма аминокислот и холина , поскольку он принимает электроны от нескольких ацетил-КоА -дегидрогеназ. [32] [33] У растений оксидоредуктаза ETF-Q также важна для метаболических реакций, которые позволяют выживать в длительные периоды темноты. [34]

Q-цитохром с оксидоредуктаза (комплекс III)

Два этапа переноса электронов в комплексе III: Q-цитохром c оксидоредуктаза . После каждого этапа Q (в верхней части рисунка) покидает фермент.

Q-цитохром c оксидоредуктаза также известна как цитохром c редуктаза , комплекс цитохрома bc 1 или просто комплекс III . [35] [36] У млекопитающих этот фермент является димером , причем каждый субъединичный комплекс содержит 11 белковых субъединиц, железо-серный кластер [2Fe-2S] и три цитохрома : один цитохром c 1 и два b цитохрома . [37] Цитохром — это разновидность белка, переносящего электроны, который содержит по крайней мере одну гемовую группу. Атомы железа внутри гемовых групп комплекса III чередуются между восстановленным железистым (+2) и окисленным железистым (+3) состоянием, когда электроны переносятся через белок.

Реакция, катализируемая комплексом III, представляет собой окисление одной молекулы убихинола и восстановление двух молекул цитохрома c , гемового белка, слабо связанного с митохондрией. В отличие от кофермента Q, который переносит два электрона, цитохром c переносит только один электрон.

Поскольку только один из электронов может быть передан от донора QH 2 к акцептору цитохрома c за раз, механизм реакции комплекса III более сложен, чем у других дыхательных комплексов, и происходит в два этапа, называемых циклом Q. [38] На первом этапе фермент связывает три субстрата, во-первых, QH 2 , который затем окисляется, при этом один электрон передается второму субстрату, цитохрому c. Два протона, освобожденные от QH 2, переходят в межмембранное пространство. Третий субстрат — Q, который принимает второй электрон от QH 2 и восстанавливается до Q .− , который является свободным радикалом убисемихинона . Первые два субстрата высвобождаются, но этот промежуточный убисемихинон остается связанным. На втором этапе вторая молекула QH 2 связывается и снова передает свой первый электрон акцептору цитохрома c. Второй электрон передается связанному убисемихинону, восстанавливая его до QH 2 , поскольку он получает два протона из митохондриальной матрицы. Затем этот QH 2 высвобождается из фермента. [39]

Поскольку кофермент Q восстанавливается до убихинола на внутренней стороне мембраны и окисляется до убихинона на другой, происходит чистый перенос протонов через мембрану, что увеличивает градиент протонов. [5] Довольно сложный двухступенчатый механизм, посредством которого это происходит, важен, поскольку он увеличивает эффективность переноса протонов. Если бы вместо цикла Q одна молекула QH 2 использовалась для непосредственного восстановления двух молекул цитохрома c, эффективность снизилась бы вдвое, при этом на каждый восстановленный цитохром c переносился бы только один протон. [5]

Цитохром с оксидаза (комплекс IV)

Комплекс IV: цитохром с оксидаза .

Цитохром с оксидаза , также известная как комплекс IV , является конечным белковым комплексом в цепи переноса электронов. [40] Фермент млекопитающих имеет чрезвычайно сложную структуру и содержит 13 субъединиц, две гемовые группы, а также несколько кофакторов ионов металлов – всего три атома меди , один атом магния и один атом цинка . [41]

Этот фермент опосредует конечную реакцию в цепи переноса электронов и переносит электроны на кислород и водород (протоны), одновременно перекачивая протоны через мембрану. [42] Конечный акцептор электронов кислород восстанавливается до воды на этом этапе. Как прямая перекачка протонов, так и потребление протонов матрицы при восстановлении кислорода вносят вклад в протонный градиент. Катализируемая реакция представляет собой окисление цитохрома c и восстановление кислорода:

Альтернативные редуктазы и оксидазы

Многие эукариотические организмы имеют цепи переноса электронов, которые отличаются от хорошо изученных ферментов млекопитающих, описанных выше. Например, растения имеют альтернативные оксидазы NADH, которые окисляют NADH в цитозоле, а не в митохондриальной матрице, и передают эти электроны в пул убихинона. [43] Эти ферменты не транспортируют протоны и, следовательно, восстанавливают убихинон, не изменяя электрохимический градиент через внутреннюю мембрану. [44]

Другим примером дивергентной цепи переноса электронов является альтернативная оксидаза , которая встречается в растениях , а также в некоторых грибах , простейших и, возможно, в некоторых животных. [45] [46] Этот фермент переносит электроны непосредственно от убихинола к кислороду. [47]

Пути переноса электронов, производимые этими альтернативными НАДН и убихиноноксидазами, имеют более низкие выходы АТФ , чем полный путь. Преимущества, создаваемые укороченным путем, не совсем ясны. Однако альтернативная оксидаза производится в ответ на стрессы, такие как холод, активные формы кислорода и инфекции патогенами, а также другие факторы, которые подавляют полную цепь переноса электронов. [48] [49] Таким образом, альтернативные пути могут повышать устойчивость организма к травмам, уменьшая окислительный стресс . [50]

Организация комплексов

Первоначальная модель того, как организованы комплексы дыхательной цепи, состояла в том, что они свободно и независимо диффундируют в митохондриальной мембране. [51] Однако недавние данные свидетельствуют о том, что комплексы могут образовывать структуры более высокого порядка, называемые суперкомплексами или « респирасомами ». [52] В этой модели различные комплексы существуют как организованные наборы взаимодействующих ферментов. [53] Эти ассоциации могут позволить канализацию субстратов между различными комплексами ферментов, увеличивая скорость и эффективность переноса электронов. [54] Внутри таких суперкомплексов млекопитающих некоторые компоненты будут присутствовать в больших количествах, чем другие, при этом некоторые данные предполагают соотношение между комплексами I/II/III/IV и АТФ-синтазой приблизительно 1:1:3:7:4. [55] Однако спор по поводу этой гипотезы суперкомплекса не полностью решен, поскольку некоторые данные, по-видимому, не соответствуют этой модели. [19] [56]

Прокариотические цепи переноса электронов

В отличие от общего сходства в структуре и функции цепей переноса электронов у эукариот, бактерии и археи обладают большим разнообразием ферментов переноса электронов. Они используют одинаково широкий набор химических веществ в качестве субстратов. [57] Как и у эукариот, прокариотический транспорт электронов использует энергию, высвобождаемую при окислении субстрата, для перекачивания ионов через мембрану и создания электрохимического градиента. У бактерий окислительное фосфорилирование в Escherichia coli изучено наиболее подробно, в то время как системы архей в настоящее время изучены плохо. [58]

Основное различие между эукариотическим и прокариотическим окислительным фосфорилированием заключается в том, что бактерии и археи используют множество различных веществ для передачи или приема электронов. Это позволяет прокариотам расти в самых разных условиях окружающей среды. [59] Например, в E. coli окислительное фосфорилирование может осуществляться большим количеством пар восстановителей и окислителей, которые перечислены ниже. Средний потенциал химического вещества измеряет, сколько энергии высвобождается при его окислении или восстановлении, при этом восстановители имеют отрицательные потенциалы, а окислители — положительные.

Как показано выше, E. coli может расти с восстанавливающими агентами, такими как формиат, водород или лактат, в качестве доноров электронов, и нитратом, ДМСО или кислородом в качестве акцепторов. [59] Чем больше разница в потенциале средней точки между окислителем и восстановителем, тем больше энергии выделяется при их реакции. Из этих соединений пара сукцинат/фумарат необычна, так как ее потенциал средней точки близок к нулю. Поэтому сукцинат может окисляться до фумарата, если доступен сильный окислитель, такой как кислород, или фумарат может быть восстановлен до сукцината с использованием сильного восстановителя, такого как формиат. Эти альтернативные реакции катализируются сукцинатдегидрогеназой и фумаратредуктазой соответственно. [61]

Некоторые прокариоты используют окислительно-восстановительные пары, которые имеют лишь небольшую разницу в потенциале средней точки. Например, нитрифицирующие бактерии, такие как Nitrobacter, окисляют нитрит до нитрата, отдавая электроны кислороду. Небольшого количества энергии, выделяемой в этой реакции, достаточно для перекачки протонов и генерации АТФ, но недостаточно для производства НАДН или НАДФН напрямую для использования в анаболизме . [62] Эта проблема решается путем использования нитритоксидоредуктазы для производства достаточной протон-движущей силы для запуска части цепи переноса электронов в обратном направлении, заставляя комплекс I генерировать НАДН. [63] [64]

Прокариоты контролируют использование этих доноров и акцепторов электронов, варьируя, какие ферменты производятся, в ответ на условия окружающей среды. [65] Эта гибкость возможна, поскольку различные оксидазы и редуктазы используют один и тот же пул убихинона. Это позволяет многим комбинациям ферментов функционировать вместе, связанным общим промежуточным убихинолом. [60] Таким образом, эти дыхательные цепи имеют модульную конструкцию с легко заменяемыми наборами ферментных систем.

В дополнение к этому метаболическому разнообразию прокариоты также обладают рядом изоферментов  — различных ферментов, которые катализируют одну и ту же реакцию. Например, в E. coli есть два различных типа убихинолоксидазы, использующих кислород в качестве акцептора электронов. В высокоаэробных условиях клетка использует оксидазу с низким сродством к кислороду, которая может переносить два протона на электрон. Однако, если уровень кислорода падает, они переключаются на оксидазу, которая переносит только один протон на электрон, но имеет высокое сродство к кислороду. [66]

АТФ-синтаза (комплекс V)

АТФ-синтаза, также называемая комплексом V , является конечным ферментом в пути окислительного фосфорилирования. Этот фермент встречается во всех формах жизни и функционирует одинаково как у прокариот, так и у эукариот. [67] Фермент использует энергию, запасенную в протонном градиенте через мембрану, для запуска синтеза АТФ из АДФ и фосфата (P i ). Оценки количества протонов, необходимых для синтеза одного АТФ, варьируются от трех до четырех, [68] [69] с некоторыми предположениями, что клетки могут изменять это соотношение в зависимости от различных условий. [70]

Эта реакция фосфорилирования является равновесием , которое можно сместить, изменив протондвижущую силу. При отсутствии протондвижущей силы реакция АТФ-синтазы будет протекать справа налево, гидролизуя АТФ и выкачивая протоны из матрицы через мембрану. Однако, когда протондвижущая сила высока, реакция вынуждена протекать в противоположном направлении; она протекает слева направо, позволяя протонам течь по градиенту концентрации и превращая АДФ в АТФ. [67] Действительно, в тесно связанных вакуолярном типе H+-АТФазах реакция гидролиза используется для подкисления клеточных отсеков, выкачивая протоны и гидролизуя АТФ. [71]

АТФ-синтаза представляет собой массивный белковый комплекс грибовидной формы. Ферментный комплекс млекопитающих содержит 16 субъединиц и имеет массу приблизительно 600 килодальтон . [72] Часть, встроенная в мембрану, называется F O и содержит кольцо субъединиц c и протонный канал. Стебель и шарообразная головка называются F 1 и являются местом синтеза АТФ. Шарообразный комплекс в конце части F 1 содержит шесть белков двух разных видов (три субъединицы α и три субъединицы β), тогда как «стебель» состоит из одного белка: субъединицы γ, с кончиком стебля, простирающимся в шар из субъединиц α и β. [73] Как субъединицы α, так и β связывают нуклеотиды, но только субъединицы β катализируют реакцию синтеза АТФ. Вдоль боковой поверхности участка F1 и обратно в мембрану тянется длинная стержнеобразная субъединица, которая закрепляет субъединицы α и β в основании фермента.

Когда протоны пересекают мембрану через канал в основании АТФ-синтазы, протон-приводимый в движение двигатель F O вращается. [74] Вращение может быть вызвано изменениями в ионизации аминокислот в кольце субъединиц c, вызывающими электростатические взаимодействия, которые продвигают кольцо субъединиц c мимо протонного канала. [75] Это вращающееся кольцо, в свою очередь, приводит во вращение центральную ось (стебель субъединицы γ) внутри субъединиц α и β. Субъединицы α и β не могут вращаться из-за боковой ветви, которая действует как статор . Это движение кончика субъединицы γ внутри шара субъединиц α и β обеспечивает энергию для активных участков в субъединицах β, чтобы пройти цикл движений, который производит и затем высвобождает АТФ. [76]

Механизм АТФ-синтазы . АТФ показан красным, АДФ и фосфат — розовым, а вращающаяся γ-субъединица — черным.

Эта реакция синтеза АТФ называется механизмом изменения связывания и включает в себя активный центр субъединицы β, циклически переключающийся между тремя состояниями. [77] В «открытом» состоянии АДФ и фосфат попадают в активный центр (показано коричневым цветом на схеме). Затем белок замыкается вокруг молекул и связывает их неплотно — «неплотное» состояние (показано красным). Затем фермент снова меняет форму и заставляет эти молекулы соединяться, при этом активный центр в результирующем «плотном» состоянии (показано розовым цветом) связывает вновь произведенную молекулу АТФ с очень высоким сродством . Наконец, активный центр возвращается в открытое состояние, высвобождая АТФ и связывая больше АДФ и фосфата, готовясь к следующему циклу.

У некоторых бактерий и архей синтез АТФ обусловлен движением ионов натрия через клеточную мембрану, а не движением протонов. [78] [79] Археи, такие как Methanococcus , также содержат синтазу A 1 A o , форму фермента, которая содержит дополнительные белки с небольшим сходством по последовательности с другими бактериальными и эукариотическими субъединицами синтазы АТФ. Возможно, что у некоторых видов форма фермента A 1 A o представляет собой специализированную синтазу АТФ, управляемую натрием, [80], но это может быть верно не во всех случаях. [79]

Окислительное фосфорилирование - энергетика

Транспорт электронов от окислительно-восстановительной пары НАД + /НАДН к конечной окислительно-восстановительной паре 1/2 О2 / Н2О можно обобщить следующим образом:

1/2 О 2 + НАДН + Н + → Н 2 О + НАД +

Разность потенциалов между этими двумя окислительно-восстановительными парами составляет 1,14 вольта, что эквивалентно -52 ккал/моль или -2600 кДж на 6 моль O 2 .

При окислении одного НАДН в цепи переноса электронов образуется три АТФ, что эквивалентно 7,3 ккал/моль x 3 = 21,9 ккал/моль.

Сохранение энергии можно рассчитать по следующей формуле:

Эффективность = (21,9 x 100%) / 52 = 42%

Таким образом, можно сделать вывод, что при окислении НАДН около 42% энергии сохраняется в виде трех АТФ, а оставшаяся (58%) энергия теряется в виде тепла (если только химическая энергия АТФ в физиологических условиях не была недооценена).

Активные формы кислорода

Молекулярный кислород является хорошим конечным акцептором электронов , поскольку он является сильным окислителем. Восстановление кислорода действительно включает потенциально вредные промежуточные продукты. [81] Хотя перенос четырех электронов и четырех протонов восстанавливает кислород до воды, что безвредно, перенос одного или двух электронов производит супероксидные или пероксидные анионы, которые являются опасно реактивными.

Эти активные формы кислорода и продукты их реакции, такие как гидроксильный радикал, очень вредны для клеток, поскольку они окисляют белки и вызывают мутации в ДНК . Это повреждение клеток может способствовать возникновению заболеваний и предлагается в качестве одной из причин старения . [82] [83]

Комплекс цитохром с оксидазы очень эффективен при восстановлении кислорода до воды и высвобождает очень мало частично восстановленных промежуточных продуктов; однако небольшие количества супероксид-аниона и пероксида производятся цепью переноса электронов. [84] Особенно важным является восстановление кофермента Q в комплексе III, поскольку в качестве промежуточного продукта в цикле Q образуется высокореактивный свободный радикал убисемихинона. Этот нестабильный вид может привести к «утечке» электронов, когда электроны переходят непосредственно к кислороду, образуя супероксид. [85] Поскольку производство реактивных форм кислорода этими комплексами, перекачивающими протоны, наиболее велико при высоких мембранных потенциалах, было высказано предположение, что митохондрии регулируют свою активность для поддержания мембранного потенциала в узком диапазоне, который уравновешивает производство АТФ и генерацию окислителей. [86] Например, окислители могут активировать разобщающие белки , которые снижают мембранный потенциал. [87]

Для противодействия этим активным формам кислорода клетки содержат многочисленные антиоксидантные системы, включая антиоксидантные витамины, такие как витамин С и витамин Е , и антиоксидантные ферменты, такие как супероксиддисмутаза , каталаза и пероксидазы [81] , которые детоксифицируют активные формы кислорода, ограничивая повреждение клетки.

Окислительное фосфорилирование в гипоксических/аноксических условиях

Поскольку кислород является основополагающим для окислительного фосфорилирования, дефицит уровня O 2 может изменить скорость производства АТФ. В условиях отсутствия кислорода АТФ-синтаза совершит «клеточную измену» и запустится в обратном направлении, вытесняя протоны из матрицы обратно во внутреннее пространство мембраны, используя в этом процессе АТФ. [88] Движущая сила протонов и производство АТФ могут поддерживаться внутриклеточным ацидозом. [89] Цитозольные протоны, которые накопились при гидролизе АТФ и лактацидозе, могут свободно диффундировать через наружную мембрану митохондрий и подкислять межмембранное пространство, тем самым напрямую способствуя движущей силе протонов и производству АТФ.

Ингибиторы

Существует несколько известных препаратов и токсинов , которые подавляют окислительное фосфорилирование. Хотя любой из этих токсинов подавляет только один фермент в цепи переноса электронов, ингибирование любого этапа этого процесса остановит остальную часть процесса. Например, если олигомицин ингибирует АТФ-синтазу, протоны не могут вернуться в митохондрию. [90] В результате протонные насосы не могут работать, так как градиент становится слишком сильным для них, чтобы его преодолеть. NADH тогда больше не окисляется, и цикл лимонной кислоты прекращает работу, потому что концентрация NAD + падает ниже концентрации, которую могут использовать эти ферменты.

Многие сайт-специфические ингибиторы цепи переноса электронов внесли вклад в современные знания о митохондриальном дыхании. Синтез АТФ также зависит от цепи переноса электронов, поэтому все сайт-специфические ингибиторы также ингибируют образование АТФ. Рыбий яд ротенон , барбитуратный препарат амитал и антибиотик пиерицидин А ингибируют НАДН и кофермент Q. [91]

Окись углерода, цианид, сероводород и азид эффективно ингибируют цитохромоксидазу. Окись углерода реагирует с восстановленной формой цитохрома, в то время как цианид и азид реагируют с окисленной формой. Антибиотик, антимицин А , и британский анти-люизит , противоядие, используемое против химического оружия, являются двумя важными ингибиторами участка между цитохромом B и C1. [91]

Не все ингибиторы окислительного фосфорилирования являются токсинами. В бурой жировой ткани регулируемые протонные каналы, называемые разобщающими белками, могут разобщать дыхание и синтез АТФ. [96] Это быстрое дыхание производит тепло и особенно важно как способ поддержания температуры тела для животных, находящихся в спячке , хотя эти белки могут также иметь более общую функцию в реакциях клеток на стресс. [97]

История

Область окислительного фосфорилирования началась с сообщения Артура Хардена в 1906 году о жизненно важной роли фосфата в клеточной ферментации , но изначально было известно, что в этом участвуют только фосфаты сахаров . [98] Однако в начале 1940-х годов Герман Калькар прочно установил связь между окислением сахаров и образованием АТФ , [99] подтвердив центральную роль АТФ в переносе энергии, которая была предложена Фрицем Альбертом Липманном в 1941 году. [100] Позже, в 1949 году, Моррис Фридкин и Альберт Л. Ленингер доказали, что кофермент НАДН связывает метаболические пути, такие как цикл лимонной кислоты и синтез АТФ. [101] Термин окислительное фосфорилирование был придуман Владимиром Белицером  [uk] в 1939 году. [102] [103]

В течение еще двадцати лет механизм, посредством которого генерируется АТФ, оставался загадочным, и ученые искали неуловимый «высокоэнергетический промежуточный продукт», который связал бы реакции окисления и фосфорилирования. [104] Эта загадка была решена Питером Д. Митчеллом с публикацией хемиосмотической теории в 1961 году. [105] Сначала это предложение было весьма спорным, но постепенно оно было принято, и Митчелл был награжден Нобелевской премией в 1978 году. [106] [107] Последующие исследования были сосредоточены на очистке и характеристике задействованных ферментов, при этом основной вклад внесли Дэвид Э. Грин в комплексы цепи переноса электронов, а также Эфраим Ракер в АТФ-синтазу. [108] Решающий шаг к разгадке механизма АТФ-синтазы был сделан Полом Д. Бойером , когда в 1973 году он разработал механизм «изменения связывания», за которым последовало его радикальное предложение о вращательном катализе в 1982 году. [77] [109] Более поздняя работа включала структурные исследования ферментов, участвующих в окислительном фосфорилировании, проведенные Джоном Э. Уокером , за что Уокер и Бойер были удостоены Нобелевской премии в 1997 году. [110]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ DNP широко использовался в качестве лекарства от ожирения в 1930-х годах, но в конечном итоге был снят с производства из-за опасных побочных эффектов. Однако незаконное использование препарата для этой цели продолжается и сегодня. Для получения дополнительной информации см. 2,4-динитрофенол#Помощь в диете [ сломанный якорь ] .

Ссылки

  1. ^ "oxidative Значение в Кембриджском словаре английского языка". dictionary.cambridge.org . Архивировано из оригинала 24 января 2018 года . Получено 28 апреля 2018 года .
  2. ^ Воэт, Д.; Воэт, Дж. Г. (2004). «Биохимия», 3-е изд., с. 804, Wiley.ISBN 0-471-19350-X.
  3. ^ Mitchell P, Moyle J (январь 1967). «Хемиосмотическая гипотеза окислительного фосфорилирования». Nature . 213 (5072): 137–139. Bibcode :1967Natur.213..137M. doi :10.1038/213137a0. PMID  4291593. S2CID  4149605.
  4. ^ ab Dimroth P, Kaim G, Matthey U (январь 2000 г.). "Crucial role of the membrane potential for ATP synthesis by F(1)F(o) ATP synthases". The Journal of Experimental Biology . 203 (Pt 1): 51–59. doi :10.1242/jeb.203.1.51. PMID  10600673. Архивировано из оригинала 30 сентября 2007 г.
  5. ^ abcd Шульц BE, Чан SI (2001). «Структуры и стратегии протонной перекачки митохондриальных дыхательных ферментов». Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure . 30 : 23–65. doi :10.1146/annurev.biophys.30.1.23. PMID  11340051.
  6. ^ Rich PR (декабрь 2003 г.). «Молекулярный механизм дыхательной цепи Кейлина». Труды Биохимического Общества . 31 (Pt 6): 1095–1105. doi :10.1042/bst0311095. PMID  14641005.
  7. ^ Porter RK, Brand MD (сентябрь 1995 г.). «Митохондриальная протонная проводимость и соотношение H+/O не зависят от скорости транспорта электронов в изолированных гепатоцитах». The Biochemical Journal . 310 (Pt 2) (Pt 2): 379–382. doi :10.1042/bj3100379. PMC 1135905 . PMID  7654171. 
  8. ^ Mathews FS (1985). «Структура, функция и эволюция цитохромов». Progress in Biophysics and Molecular Biology . 45 (1): 1–56. doi : 10.1016/0079-6107(85)90004-5 . PMID  3881803.
  9. ^ Wood PM (декабрь 1983 г.). «Почему существуют цитохромы c-типа?». FEBS Letters . 164 (2): 223–226. Bibcode : 1983FEBSL.164..223W. doi : 10.1016/0014-5793(83)80289-0 . PMID  6317447. S2CID  7685958.
  10. ^ Crane FL (декабрь 2001 г.). «Биохимические функции коэнзима Q10». Журнал Американского колледжа питания . 20 (6): 591–598. doi :10.1080/07315724.2001.10719063. PMID  11771674. S2CID  28013583.
  11. ^ Mitchell P (декабрь 1979). «Концепция дыхательной цепи Кейлина и ее хемиосмотические последствия». Science . 206 (4423): 1148–1159. Bibcode :1979Sci...206.1148M. doi :10.1126/science.388618. PMID  388618.
  12. ^ Søballe B, Poole RK (август 1999). «Микробные убихиноны: множественные роли в дыхании, регуляции генов и управлении окислительным стрессом» (PDF) . Microbiology . 145 ( Pt 8) (8): 1817–1830. doi : 10.1099/13500872-145-8-1817 . PMID  10463148. Архивировано (PDF) из оригинала 29.05.2008.
  13. ^ Джонсон DC, Дин DR, Смит AD, Джонсон MK (2005). «Структура, функция и формирование биологических железо-серных кластеров». Annual Review of Biochemistry . 74 : 247–281. doi :10.1146/annurev.biochem.74.082803.133518. PMID  15952888.
  14. ^ Page CC, Moser CC, Chen X, Dutton PL (ноябрь 1999). "Принципы естественной инженерии электронного туннелирования в биологическом окислении-восстановлении". Nature . 402 (6757): 47–52. Bibcode :1999Natur.402...47P. doi :10.1038/46972. PMID  10573417. S2CID  4431405.
  15. ^ Leys D, Scrutton NS (декабрь 2004 г.). «Электрические схемы в биологии: возникающие принципы из структуры белка». Current Opinion in Structural Biology . 14 (6): 642–647. doi :10.1016/j.sbi.2004.10.002. PMID  15582386.
  16. ^ Boxma B, de Graaf RM, van der Staay GW, van Alen TA, Ricard G, Gabaldón T и др. (март 2005 г.). «Анаэробная митохондрия, вырабатывающая водород». Nature . 434 (7029): 74–79. Bibcode :2005Natur.434...74B. doi :10.1038/nature03343. PMID  15744302. S2CID  4401178.
  17. ^ abcdefgh Справочник по медицинской химии. Андерс Овергаард Педерсен и Хеннинг Нильсен. Орхусский университет. 2008 год
  18. ^ ab Hirst J (июнь 2005 г.). «Трансдукция энергии дыхательным комплексом I — оценка современных знаний». Труды биохимического общества . 33 (ч. 3): 525–529. doi :10.1042/BST0330525. PMID  15916556.
  19. ^ ab Леназ Г., Фато Р., Дженова М.Л., Бергамини С., Бьянки С., Бионди А. (2006). «Митохондриальный комплекс I: структурные и функциональные аспекты». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1757 (9–10): 1406–1420. дои : 10.1016/j.bbabio.2006.05.007 . ПМИД  16828051.
  20. ^ ab Sazanov LA, Hinchliffe P (март 2006). "Структура гидрофильного домена дыхательного комплекса I из Thermus thermophilus". Science . 311 (5766): 1430–1436. Bibcode :2006Sci...311.1430S. doi : 10.1126/science.1123809 . PMID  16469879. S2CID  1892332.
  21. ^ Ефремов РГ, Барадаран Р, Сазанов ЛА (май 2010). "Архитектура дыхательного комплекса I". Nature . 465 (7297): 441–445. Bibcode :2010Natur.465..441E. doi :10.1038/nature09066. PMID  20505720. S2CID  4372778.
  22. ^ Баранова EA, Холт PJ, Сазанов LA (февраль 2007). «Проекционная структура мембранного домена респираторного комплекса I Escherichia coli при разрешении 8 A». Журнал молекулярной биологии . 366 (1): 140–154. doi :10.1016/j.jmb.2006.11.026. PMID  17157874.
  23. ^ Фридрих Т., Бетчер Б. (январь 2004 г.). «Грубая структура дыхательного комплекса I: система Lego». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1608 (1): 1–9. дои : 10.1016/j.bbabio.2003.10.002 . ПМИД  14741580.
  24. ^ Hirst J (декабрь 2009 г.). «К молекулярному механизму дыхательного комплекса I». The Biochemical Journal . 425 (2): 327–339. doi :10.1042/BJ20091382. PMID  20025615.
  25. ^ Cecchini G (2003). «Функция и структура комплекса II дыхательной цепи». Annual Review of Biochemistry . 72 : 77–109. doi :10.1146/annurev.biochem.72.121801.161700. PMID  14527321.
  26. ^ Янковская В., Хорсфилд Р., Торнрот С., Луна-Чавес С., Миёси Х., Леже С. и др. (январь 2003 г.). «Архитектура сукцинатдегидрогеназы и генерация активных форм кислорода». Science . 299 (5607): 700–704. Bibcode :2003Sci...299..700Y. doi :10.1126/science.1079605. PMID  12560550. S2CID  29222766.
  27. ^ Horsefield R, Iwata S, Byrne B (апрель 2004 г.). «Комплекс II с точки зрения структуры». Current Protein & Peptide Science . 5 (2): 107–118. doi :10.2174/1389203043486847. PMID  15078221.
  28. ^ Кита К., Хираваке Х., Миядера Х., Амино Х., Такео С. (январь 2002 г.). «Роль комплекса II в анаэробном дыхании митохондрий паразита Ascaris suum и Plasmodium falciparum». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1553 (1–2): 123–139. дои : 10.1016/S0005-2728(01)00237-7 . ПМИД  11803022.
  29. ^ Painter HJ, Morrisey JM, Mather MW, Vaidya AB (март 2007 г.). «Специфическая роль митохондриального транспорта электронов у Plasmodium falciparum на стадии кровяного малярийного плазмодия». Nature . 446 (7131): 88–91. Bibcode :2007Natur.446...88P. doi :10.1038/nature05572. PMID  17330044. S2CID  4421676.
  30. ^ Ramsay RR, Steenkamp DJ, Husain M (февраль 1987). «Реакции электрон-переносящего флавопротеина и электрон-переносящего флавопротеина: убихинон оксидоредуктаза». The Biochemical Journal . 241 (3): 883–892. doi :10.1042/bj2410883. PMC 1147643. PMID  3593226 . 
  31. ^ Zhang J, Frerman FE, Kim JJ (октябрь 2006 г.). «Структура флавопротеин-убихинон-оксидоредуктазы переноса электронов и перенос электронов в митохондриальный пул убихинона». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (44): 16212–16217. Bibcode : 2006PNAS..10316212Z. doi : 10.1073/pnas.0604567103 . PMC 1637562. PMID  17050691 . 
  32. ^ Ikeda Y, Dabrowski C, Tanaka K (январь 1983). «Separation and properties of five distinct acyl-CoA dehydrogenases from rat liver mitochondria. Identification of a new 2-methyl branched chain acyl-CoA dehydrogenase». The Journal of Biological Chemistry . 258 (2): 1066–1076. doi : 10.1016/S0021-9258(18)33160-0 . PMID  6401712. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г.
  33. ^ Ruzicka FJ, Beinert H (декабрь 1977 г.). «Новый железо-серный флавопротеин дыхательной цепи. Компонент пути бета-окисления жирных кислот» (PDF) . The Journal of Biological Chemistry . 252 (23): 8440–8445. doi : 10.1016/S0021-9258(19)75238-7 . PMID  925004. Архивировано (PDF) из оригинала 27.09.2007.
  34. ^ Ишизаки К, Ларсон ТР, Шауэр Н, Ферни АР, Грэм IA, Ливер КДж (сентябрь 2005 г.). «Критическая роль флавопротеина переноса электронов: убихинон оксидоредуктазы арабидопсиса во время голодания, вызванного темнотой». The Plant Cell . 17 (9): 2587–2600. doi :10.1105/tpc.105.035162. PMC 1197437 . PMID  16055629. 
  35. ^ Berry EA, Guergova-Kuras M, Huang LS, Crofts AR (2000). "Структура и функция комплексов цитохрома bc" (PDF) . Annual Review of Biochemistry . 69 : 1005–1075. CiteSeerX 10.1.1.319.5709 . doi :10.1146/annurev.biochem.69.1.1005. PMID  10966481. Архивировано (PDF) из оригинала 28.12.2015. 
  36. ^ Crofts AR (2004). «Комплекс цитохрома bc1: функция в контексте структуры». Annual Review of Physiology . 66 : 689–733. doi : 10.1146/annurev.physiol.66.032102.150251. PMID  14977419.
  37. ^ Iwata S, Lee JW, Okada K, Lee JK, Iwata M, Rasmussen B, et al. (Июль 1998). "Полная структура 11-субъединичного комплекса бычьего митохондриального цитохрома bc1". Science . 281 (5373): 64–71. Bibcode :1998Sci...281...64I. doi :10.1126/science.281.5373.64. PMID  9651245.
  38. ^ Trumpower BL (июль 1990 г.). «Протонный Q-цикл. Трансдукция энергии путем сопряжения транслокации протона с переносом электрона комплексом цитохрома bc1» (PDF) . Журнал биологической химии . 265 (20): 11409–11412. doi : 10.1016/S0021-9258(19)38410-8 . PMID  2164001. Архивировано (PDF) из оригинала 27.09.2007.
  39. ^ Hunte C, Palsdottir H, Trumpower BL (июнь 2003 г.). «Протонные пути и механизмы в комплексе цитохрома bc1». FEBS Letters . 545 (1): 39–46. Bibcode : 2003FEBSL.545...39H. doi : 10.1016/S0014-5793(03)00391-0 . PMID  12788490. S2CID  13942619.
  40. ^ Calhoun MW, Thomas JW, Gennis RB (август 1994). «Суперсемейство цитохромоксидаз окислительно-восстановительных протонных насосов». Trends in Biochemical Sciences . 19 (8): 325–330. doi :10.1016/0968-0004(94)90071-X. PMID  7940677.
  41. ^ Tsukihara T, Aoyama H, Yamashita E, Tomizaki T, Yamaguchi H, Shinzawa-Itoh K и др. (май 1996 г.). «Вся структура 13-субъединичной окисленной цитохром с оксидазы при 2,8 А». Science . 272 ​​(5265): 1136–1144. Bibcode :1996Sci...272.1136T. doi :10.1126/science.272.5265.1136. PMID  8638158. S2CID  20860573.
  42. ^ Ёсикава С., Мурамото К., Синдзава-Ито К., Аояма Х., Цукихара Т., Симоката К. и др. (2006). «Механизм протонной накачки цитохром с-оксидазы бычьего сердца». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1757 (9–10): 1110–1116. дои : 10.1016/j.bbabio.2006.06.004 . ПМИД  16904626.
  43. ^ Rasmusson AG, Soole KL, Elthon TE (2004). «Альтернативные NAD(P)H-дегидрогеназы митохондрий растений». Annual Review of Plant Biology . 55 : 23–39. doi :10.1146/annurev.arplant.55.031903.141720. PMID  15725055.
  44. ^ Menz RI, Day DA (сентябрь 1996 г.). «Очистка и характеристика 43-кДа ротенон-нечувствительной НАДН-дегидрогеназы из митохондрий растений». Журнал биологической химии . 271 (38): 23117–23120. doi : 10.1074/jbc.271.38.23117 . PMID  8798503. S2CID  893754.
  45. ^ Макдональд А., Ванлерберге Г. (июнь 2004 г.). «Разветвленный митохондриальный транспорт электронов у животных: наличие альтернативной оксидазы у нескольких типов животных». IUBMB Life . 56 (6): 333–341. doi : 10.1080/1521-6540400000876 . PMID  15370881.
  46. ^ Sluse FE, Jarmuszkiewicz W (июнь 1998 г.). «Альтернативная оксидаза в разветвленной митохондриальной дыхательной сети: обзор структуры, функции, регуляции и роли». Бразильский журнал медицинских и биологических исследований = Revista Brasileira de Pesquisas Medicas e Biologicas . 31 (6): 733–747. doi : 10.1590/S0100-879X1998000600003 . PMID  9698817.
  47. ^ Moore AL, Siedow JN (август 1991). «Регулирование и природа цианид-устойчивой альтернативной оксидазы митохондрий растений». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1059 (2): 121–140. doi :10.1016/S0005-2728(05)80197-5. PMID  1883834.
  48. ^ Vanlerberghe GC, McIntosh L (июнь 1997 г.). «АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ОКСИДАЗА: от гена к функции». Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology . 48 : 703–734. doi :10.1146/annurev.arplant.48.1.703. PMID  15012279.
  49. ^ Ито Ю, Сайшо Д, Накадзоно М, Цуцуми Н, Хираи А (декабрь 1997 г.). «Уровни транскриптов тандемно расположенных альтернативных генов оксидазы в рисе повышаются при низкой температуре». Джин . 203 (2): 121–129. дои : 10.1016/S0378-1119(97)00502-7. ПМИД  9426242.
  50. ^ Максвелл Д.П., Ван И., Макинтош Л. (июль 1999 г.). «Альтернативная оксидаза снижает выработку митохондриального реактивного кислорода в растительных клетках». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (14): 8271–8276. Bibcode : 1999PNAS...96.8271M. doi : 10.1073 /pnas.96.14.8271 . PMC 22224. PMID  10393984. 
  51. ^ Lenaz G (декабрь 2001 г.). «Критическая оценка пула митохондриального кофермента Q». FEBS Letters . 509 (2): 151–155. Bibcode : 2001FEBSL.509..151L. doi : 10.1016/S0014-5793(01)03172-6 . PMID  11741580. S2CID  46138989.
  52. ^ Heinemeyer J, Braun HP, Boekema EJ, Kouril R (апрель 2007 г.). «Структурная модель суперкомплекса цитохрома С-редуктазы/оксидазы из митохондрий дрожжей». Журнал биологической химии . 282 (16): 12240–12248. doi : 10.1074/jbc.M610545200 . PMID  17322303. S2CID  18123642.
  53. ^ Schägger H, Pfeiffer K (апрель 2000 г.). « Суперкомплексы в дыхательных цепях дрожжей и митохондрий млекопитающих». The EMBO Journal . 19 (8): 1777–1783. doi :10.1093/emboj/19.8.1777. PMC 302020. PMID  10775262. 
  54. ^ Schägger H (сентябрь 2002 г.). «Суперкомплексы дыхательной цепи митохондрий и бактерий». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1555 (1–3): 154–159. doi : 10.1016/S0005-2728(02)00271-2 . PMID  12206908.
  55. ^ Schägger H, Pfeiffer K (октябрь 2001 г.). «Соотношение комплексов окислительного фосфорилирования IV в митохондриях сердца быка и состав суперкомплексов дыхательной цепи». Журнал биологической химии . 276 (41): 37861–37867. doi : 10.1074/jbc.M106474200 . PMID  11483615. Архивировано из оригинала 29.09.2007.
  56. ^ Gupte S, Wu ES, Hoechli L, Hoechli M, Jacobson K, Sowers AE и др. (май 1984 г.). «Взаимосвязь между боковой диффузией, частотой столкновений и переносом электронов окислительно-восстановительных компонентов внутренней мембраны митохондрий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (9): 2606–2610. Bibcode : 1984PNAS...81.2606G. doi : 10.1073 /pnas.81.9.2606 . PMC 345118. PMID  6326133. 
  57. ^ Nealson KH (январь 1999). «Микробиология после викингов: новые подходы, новые данные, новые идеи». Происхождение жизни и эволюция биосферы . 29 (1): 73–93. Bibcode :1999OLEB...29...73N. doi :10.1023/A:1006515817767. PMID  11536899. S2CID  12289639.
  58. ^ Шефер Г., Энгельхард М., Мюллер В. (сентябрь 1999 г.). «Биоэнергетика архей». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 63 (3): 570–620. doi :10.1128/MMBR.63.3.570-620.1999. PMC 103747. PMID  10477309. 
  59. ^ ab Ingledew WJ, Poole RK (сентябрь 1984 г.). «Дыхательные цепи Escherichia coli». Microbiological Reviews . 48 (3): 222–271. doi :10.1128/mmbr.48.3.222-271.1984. PMC 373010 . PMID  6387427. 
  60. ^ ab Unden G, Bongaerts J (июль 1997 г.). «Альтернативные дыхательные пути Escherichia coli: энергетика и транскрипционная регуляция в ответ на акцепторы электронов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1320 (3): 217–234. doi : 10.1016/S0005-2728(97)00034-0 . PMID  9230919.
  61. ^ Cecchini G, Schröder I, Gunsalus RP, Maklashina E (январь 2002 г.). «Сукцинатдегидрогеназа и фумаратредуктаза из Escherichia coli». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1553 (1–2): 140–157. doi : 10.1016/S0005-2728(01)00238-9 . PMID  11803023.
  62. ^ Фрейтаг А., Бок Э. (1990). «Сохранение энергии в Nitrobacter». FEMS Microbiology Letters . 66 (1–3): 157–62. doi : 10.1111/j.1574-6968.1990.tb03989.x .
  63. ^ Starkenburg SR, Chain PS, Sayavedra-Soto LA, Hauser L, Land ML, Larimer FW и др. (март 2006 г.). «Геномная последовательность хемолитоавтотрофной нитрит-окисляющей бактерии Nitrobacter winogradskyi Nb-255». Applied and Environmental Microbiology . 72 (3): 2050–2063. Bibcode :2006ApEnM..72.2050S. doi :10.1128/AEM.72.3.2050-2063.2006. PMC 1393235 . PMID  16517654. 
  64. ^ Яманака Т., Фукумори И. (декабрь 1988 г.). «Система окисления нитрита Nitrobacter winogradskyi». FEMS Microbiology Reviews . 54 (4): 259–270. doi : 10.1111/j.1574-6968.1988.tb02746.x . PMID  2856189.
  65. ^ Iuchi S, Lin EC (июль 1993 г.). «Адаптация Escherichia coli к окислительно-восстановительным средам путем экспрессии генов». Молекулярная микробиология . 9 (1): 9–15. doi :10.1111/j.1365-2958.1993.tb01664.x. PMID  8412675. S2CID  39165641.
  66. ^ Calhoun MW, Oden KL, Gennis RB, de Mattos MJ, Neijssel OM (май 1993 г.). "Энергетическая эффективность Escherichia coli: эффекты мутаций в компонентах аэробной дыхательной цепи" (PDF) . Journal of Bacteriology . 175 (10): 3020–3025. doi :10.1128/jb.175.10.3020-3025.1993. PMC 204621 . PMID  8491720. Архивировано (PDF) из оригинала 27.09.2007. 
  67. ^ ab Boyer PD (1997). «АТФ-синтаза — великолепная молекулярная машина». Annual Review of Biochemistry . 66 : 717–749. doi :10.1146/annurev.biochem.66.1.717. PMID  9242922.
  68. ^ Van Walraven HS, Strotmann H, Schwarz O, Rumberg B (февраль 1996 г.). «Коэффициент связывания H+/ATP синтазы АТФ из тиол-модулированных хлоропластов и двух штаммов цианобактерий равен четырем». FEBS Letters . 379 (3): 309–313. Bibcode :1996FEBSL.379..309V. doi :10.1016/0014-5793(95)01536-1. PMID  8603713. S2CID  35989618.
  69. ^ Yoshida M, Muneyuki E, Hisabori T (сентябрь 2001 г.). «АТФ-синтаза — чудесный роторный двигатель клетки». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 2 (9): 669–677. doi :10.1038/35089509. PMID  11533724. S2CID  3926411.
  70. ^ Шемидт РА, Ку Дж, Уильямс ДжР, Брусилов WS (июнь 1998 г.). «Влияние источника углерода на экспрессию генов F0 и на стехиометрию субъединицы c в АТФазе F1F0 Escherichia coli». Журнал бактериологии . 180 (12): 3205–3208. doi : 10.1128/jb.180.12.3205-3208.1998. PMC 107823. PMID  9620972. 
  71. ^ Nelson N, Perzov N, Cohen A, Hagai K, Padler V, Nelson H (январь 2000 г.). «Клеточная биология генерации протон-движущей силы V-АТФазами». Журнал экспериментальной биологии . 203 (Pt 1): 89–95. doi :10.1242/jeb.203.1.89. PMID  10600677. Архивировано из оригинала 30 сентября 2007 г.
  72. ^ Rubinstein JL, Walker JE, Henderson R (декабрь 2003 г.). «Структура митохондриальной АТФ-синтазы с помощью электронной криомикроскопии». The EMBO Journal . 22 (23): 6182–6192. doi :10.1093/emboj/cdg608. PMC 291849. PMID  14633978 . 
  73. ^ Leslie AG, Walker JE (апрель 2000 г.). «Структурная модель F1-АТФазы и ее значение для вращательного катализа». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Серия B, Биологические науки . 355 (1396): 465–471. doi :10.1098/rstb.2000.0588. PMC 1692760. PMID  10836500 . 
  74. ^ Ноджи Х, Йошида М (январь 2001 г.). «Вращающаяся машина в клетке, АТФ-синтаза». Журнал биологической химии . 276 (3): 1665–1668. doi : 10.1074/jbc.R000021200 . PMID  11080505. S2CID  30953216.
  75. ^ Capaldi RA, Aggeler R (март 2002). «Механизм синтазы АТФ типа F(1)F(0), биологического роторного двигателя». Trends in Biochemical Sciences . 27 (3): 154–160. doi :10.1016/S0968-0004(01)02051-5. PMID  11893513.
  76. ^ Dimroth P, von Ballmoos C, Meier T (март 2006 г.). «Каталитические и механические циклы в F-АТФ-синтазах. Четвертый в серии обзоров циклов». EMBO Reports . 7 (3): 276–282. doi :10.1038/sj.embor.7400646. PMC 1456893. PMID  16607397 . 
  77. ^ ab Gresser MJ, Myers JA, Boyer PD (октябрь 1982 г.). "Кооперативность каталитического сайта митохондриальной аденозинтрифосфатазы F1 говяжьего сердца. Корреляции начальной скорости, связанного промежуточного продукта и измерений обмена кислорода с чередующейся трехсайтовой моделью". Журнал биологической химии . 257 (20): 12030–12038. doi : 10.1016/S0021-9258(18)33672-X . PMID  6214554. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г.
  78. ^ Димрот П. (1994). «Бактериальная ионно-связанная энергетика натрия». Антони ван Левенгук . 65 (4): 381–395. doi :10.1007/BF00872221. PMID  7832594. S2CID  23763996.
  79. ^ ab Becher B, Müller V (май 1994). "Delta mu Na+ управляет синтезом АТФ через дельта мю Na(+)-транслоцирующую F1F0-АТФ-синтазу в мембранных везикулах археона Methanosarcina mazei Gö1". Journal of Bacteriology . 176 (9): 2543–2550. doi :10.1128/jb.176.9.2543-2550.1994. PMC 205391 . PMID  8169202. 
  80. ^ Мюллер В. (февраль 2004 г.). «Исключительная изменчивость в моторе АТФаз архей A1A0: от мультимерных до мономерных роторов, включающих 6-13 участков связывания ионов». Журнал биоэнергетики и биомембран . 36 (1): 115–125. doi :10.1023/B:JOBB.0000019603.68282.04. PMID  15168615. S2CID  24887884.
  81. ^ ab Davies KJ (1995). «Окислительный стресс: парадокс аэробной жизни». Симпозиум Биохимического общества . 61 : 1–31. doi :10.1042/bss0610001. PMID  8660387.
  82. ^ Rattan SI (декабрь 2006 г.). «Теории биологического старения: гены, белки и свободные радикалы» (PDF) . Free Radical Research . 40 (12): 1230–1238. CiteSeerX 10.1.1.476.9259 . doi :10.1080/10715760600911303. PMID  17090411. S2CID  11125090. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-06-14 . Получено 2017-10-27 . 
  83. ^ Valko M, Leibfritz D, Moncol J, Cronin MT, Mazur M, Telser J (2007). «Свободные радикалы и антиоксиданты в нормальных физиологических функциях и заболеваниях человека». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 39 (1): 44–84. doi :10.1016/j.biocel.2006.07.001. PMID  16978905.
  84. ^ Raha S, Robinson BH (октябрь 2000 г.). «Митохондрии, свободные радикалы кислорода, болезни и старение». Trends in Biochemical Sciences . 25 (10): 502–508. doi :10.1016/S0968-0004(00)01674-1. PMID  11050436.
  85. ^ Finkel T, Holbrook NJ (ноябрь 2000 г.). «Окислители, окислительный стресс и биология старения». Nature . 408 (6809): 239–247. Bibcode :2000Natur.408..239F. doi :10.1038/35041687. PMID  11089981. S2CID  2502238.
  86. ^ Каденбах Б., Рамзан Р., Вэнь Л., Фогт С. (март 2010 г.). «Новое расширение теории Митчелла для окислительного фосфорилирования в митохондриях живых организмов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects . 1800 (3): 205–212. doi :10.1016/j.bbagen.2009.04.019. PMID  19409964.
  87. ^ Echtay KS, Roussel D, St-Pierre J, Jekabsons MB, Cadenas S, Stuart JA и др. (январь 2002 г.). «Супероксид активирует митохондриальные разобщающие белки». Nature . 415 (6867): 96–99. Bibcode :2002Natur.415...96E. doi :10.1038/415096a. PMID  11780125. S2CID  4349744.
  88. ^ St-Pierre J, Brand MD, Boutilier RG (июль 2000 г.). «Митохондрии как потребители АТФ: клеточная измена при аноксии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (15): 8670–8674. Bibcode : 2000PNAS...97.8670S. doi : 10.1073 /pnas.140093597 . PMC 27006. PMID  10890886. 
  89. ^ Devaux JB, Hedges CP, Birch N, Herbert N, Renshaw GM, Hickey AJ (январь 2019 г.). «Ацидоз поддерживает функцию митохондрий мозга у устойчивых к гипоксии трехплавничных рыб: стратегия выживания при остром гипоксическом воздействии?». Frontiers in Physiology . 9 : 1941. doi : 10.3389/fphys.2018.01941 . PMC 6346031. PMID  30713504. 
  90. ^ ab Joshi S, Huang YG (август 1991 г.). «Комплекс АТФ-синтазы из митохондрий бычьего сердца: белок, обеспечивающий чувствительность к олигомицину, необходим для АТФазы, чувствительной к дициклогексилкарбодиимиду». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1067 (2): 255–258. doi :10.1016/0005-2736(91)90051-9. PMID  1831660.
  91. ^ аб Сатьянараяна У (2002). Биохимия (2-е изд.). Калькутта, Индия: Книги и сопутствующие товары. ISBN 8187134801. OCLC  71209231.
  92. ^ Tsubaki M (январь 1993). "Инфракрасное исследование связывания цианида с двухъядерным сайтом Fea3-CuB цитохрома c оксидазы бычьего сердца с помощью преобразования Фурье: значение окислительно-восстановительного конформационного изменения в двухъядерном сайте". Биохимия . 32 (1): 164–173. doi :10.1021/bi00052a022. PMID  8380331.
  93. ^ Heytler PG (1979). "Разобщители окислительного фосфорилирования". В Sidney Fleischer, Lester Packer (ред.). Биомембраны Часть F: Биоэнергетика: окислительное фосфорилирование . Методы в энзимологии. Т. 55. С. 462–472. doi :10.1016/0076-6879(79)55060-5. ISBN 978-0-12-181955-2. PMID  156853.
  94. ^ Lambert AJ, Brand MD (сентябрь 2004 г.). «Ингибиторы участка связывания хинона обеспечивают быстрое производство супероксида из митохондриальной НАДН:убихинон оксидоредуктазы (комплекс I)». Журнал биологической химии . 279 (38): 39414–39420. doi : 10.1074/jbc.M406576200 . PMID  15262965. S2CID  26620903.
  95. ^ Dervartanian DV, Veeger C (ноябрь 1964). "ИССЛЕДОВАНИЯ СУКЦИНАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ. I. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ОЧИЩЕННОГО ФЕРМЕНТА И ОБРАЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ФЕРМЕНТ-КОНКУРЕНТНЫХ ИНГИБИТОРОВ". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Специализированная секция по энзимологическим предметам . 92 (2): 233–247. doi :10.1016/0926-6569(64)90182-8. PMID  14249115.
  96. ^ Ricquier D, Bouillaud F (январь 2000 г.). «Гомологи разобщающих белков: UCP1, UCP2, UCP3, StUCP и AtUCP». The Biochemical Journal . 345 Pt 2 (Pt 2): 161–179. doi :10.1042/0264-6021:3450161. PMC 1220743. PMID  10620491 . 
  97. ^ Борецки Дж., Верцези А.Е. (2005). «Растение, разобщающее митохондриальный белок и альтернативную оксидазу: энергетический метаболизм и стресс». Bioscience Reports . 25 (3–4): 271–286. doi :10.1007/s10540-005-2889-2. PMID  16283557. S2CID  18598358.
  98. ^ Харден А., Янг В. Дж. (1906). «Спиртовой фермент дрожжевого сока». Труды Королевского общества . B (77): 405–20. doi : 10.1098/rspb.1906.0029 .
  99. ^ Kalckar HM (ноябрь 1974). «Истоки концепции окислительного фосфорилирования». Молекулярная и клеточная биохимия . 5 (1–2): 55–63. doi :10.1007/BF01874172. PMID  4279328. S2CID  26999163.
  100. ^ Липманн Ф. (1941). «Метаболическое образование и использование энергии фосфатной связи». Adv Enzymol . 1 : 99–162. doi :10.4159/harvard.9780674366701.c141. ISBN 9780674366701.
  101. ^ Фридкин М., Ленингер А.Л. (апрель 1949 г.). «Этерификация неорганического фосфата, связанная с переносом электронов между дигидродифосфопиридиновым нуклеотидом и кислородом». Журнал биологической химии . 178 (2): 611–644. doi : 10.1016/S0021-9258(18)56879-4 . PMID  18116985. Архивировано из оригинала 16 декабря 2008 г.
  102. ^ Kalckar HM (1991). «50 лет биологических исследований — от окислительного фосфорилирования до регуляции транспорта энергии». Annual Review of Biochemistry . 60 : 1–37. doi : 10.1146/annurev.bi.60.070191.000245 . PMID  1883194.
  103. ^ Белицер ВА, Цибакова Е.Т. (1939). «О механизме фосфорилирования, сопряженном с дыханием». Биохимия . 4 : 516–534.
  104. ^ Slater EC (ноябрь 1953 г.). «Механизм фосфорилирования в дыхательной цепи». Nature . 172 (4387): 975–978. Bibcode :1953Natur.172..975S. doi :10.1038/172975a0. PMID  13111237. S2CID  4153659.
  105. ^ Mitchell P (июль 1961). «Связывание фосфорилирования с переносом электронов и водорода с помощью механизма хемиосмотического типа». Nature . 191 (4784): 144–148. Bibcode :1961Natur.191..144M. doi :10.1038/191144a0. PMID  13771349. S2CID  1784050.
  106. ^ Saier Jr MH. Питер Митчелл и жизненная сила . OCLC  55202414.
  107. ^ Митчелл П. (1978). «Концепция дыхательной цепи Дэвида Кейлина и ее хемиосмотические последствия» (PDF) . Нобелевская лекция . Нобелевский фонд. Архивировано (PDF) из оригинала 27-09-2007 . Получено 21-07-2007 .
  108. ^ Pullman ME, Penefsky HS, Datta A, Racker E (ноябрь 1960 г.). «Частичное разрешение ферментов, катализирующих окислительное фосфорилирование. I. Очистка и свойства растворимой аденозинтрифосфатазы, стимулированной динитрофенолом». Журнал биологической химии . 235 (11): 3322–3329. doi : 10.1016/S0021-9258(20)81361-1 . PMID  13738472. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г.
  109. ^ Boyer PD, Cross RL, Momsen W (октябрь 1973 г.). «Новая концепция энергетического сопряжения при окислительном фосфорилировании на основе молекулярного объяснения реакций обмена кислорода». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 70 (10): 2837–2839. Bibcode : 1973PNAS...70.2837B. doi : 10.1073/pnas.70.10.2837 . PMC 427120. PMID  4517936 . 
  110. ^ "Нобелевская премия по химии 1997 года". Nobel Foundation. Архивировано из оригинала 2017-03-25 . Получено 2007-07-21 .

Дальнейшее чтение

Вводный

Передовой

Общие ресурсы

Структурные ресурсы