呼吸鎖には多くのキャリアタンパク質が含まれています。酸化的リン酸化時の電子輸送

呼吸鎖複合体

複合体 III (シトクロム bc1 複合体) は、ユビキノンからミトコンドリアの内膜にある 2 つの水溶性シトクロム c に電子を渡します。ユビキノンは 2 個の電子を転送し、シトクロムは 1 サイクルあたり 1 個の電子を転送します。同時に、ユビキノンの 2 つのプロトンもそこを通過し、複合体を通過します。

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH。

FeS - 鉄 - 硫黄中心。

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。呼吸電子伝達系

呼吸電子伝達系 (ETC) は、構造的および機能的に関連する膜貫通タンパク質と電子伝達体のシステムです。 ETC を使用すると、分子状酸素 (好気呼吸の場合) または他の物質 (嫌気呼吸の場合) による NADH および FADH2 の酸化中に放出されるエネルギーを、膜を通る陽子のポンピングに関連した鎖に沿った電子呼吸鎖の構成要素。呼吸鎖には、ミトコンドリア内膜に埋め込まれた 3 つのタンパク質複合体 (複合体 I、III、IV) と、2 つの移動キャリア分子 - ユビキノン (コエンザイム Q) とシトクロム c が含まれています。クエン酸回路自体に属するコハク酸デヒドロゲナーゼは、呼吸鎖の複合体 II と考えることもできます。 ATP シンターゼは電子伝達には関与しませんが、複合体 V と呼ばれることもあります。呼吸鎖複合体は多くのポリペプチドで構成されており、タンパク質に関連する多くの異なる酸化還元補酵素が含まれています。これらには、フラビン [複合体 I および II の FMN (FMN) または FAD (FAD)]、鉄硫黄中心 (I、II、III の場合)、およびヘム基 (II、III および IV の場合) が含まれます。ほとんどの複合体の詳細な構造はまだ確立されていません。電子はさまざまな方法で呼吸鎖に入ります。 NADH + H+ の酸化中に、錯体 I は FMN および Fe/S 中心を通ってユビキノンに電子を渡します。コハク酸、アシル-CoA、およびその他の基質の酸化中に形成された電子は、酵素結合型FADH2またはフラボタンパク質を介して、複合体IIまたは別のミトコンドリアデヒドロゲナーゼによってユビキノンに転送されます（図を参照）。

電子輸送チェーン (ETC)。

と。 166)、この場合、コエンザイム Q の酸化型は芳香族ユビハイドロキノンに還元されます。後者は電子を複合体 III に伝達し、複合体は 2 つのヘム b、1 つの Fe/S 中心、およびヘム c1 を介して小さなヘム含有タンパク質シトクロム c に電子を供給します。後者は電子を複合体 IV、シトクロム c オキシダーゼに転送します。酸化還元反応を実行するために、シトクロム c オキシダーゼには 2 つの銅含有中心 (CuA および CuB) とヘム a および a3 が含まれており、これらを通って電子が最終的に酸素に到達します。 O2 が還元されると、強塩基性アニオン O2- が形成され、2 つのプロトンが結合して水に入ります。電子の流れは、錯体 I、III、IV によって形成されるプロトン勾配に関連しています。呼吸鎖の組織。錯体 I、III、IV によるプロトン移動は、マトリックスから膜間空間までベクトル的に進みます。電子が呼吸鎖内を移動すると、H+ イオンの濃度が増加します。つまり、pH 値が減少します。無傷のミトコンドリアでは、本質的に ATP 合成酵素のみがプロトンのマトリックスへの戻り移動を可能にします。これは、電子伝達と ATP の形成との制御上重要な結合の基礎です。ユビキノンは、その非極性側鎖により、膜内を自由に移動します。水溶性シトクロムcは内膜の外側にあります。複合体 I による NADH の酸化は、膜の内側だけでなくマトリックスでも起こり、そこでは NADH の最も重要な供給源であるクエン酸サイクルと β 酸化も起こります。さらに、O2の還元とATP（ATP）の形成がマトリックス内で起こります。生成された ATP は、（ADP に対する）アンチポート機構を介して膜間腔に輸送され（p. 214 を参照）、そこからポリンを介して細胞質に浸透します。

呼吸鎖複合体

複合体 I (NADH デヒドロゲナーゼ) は NAD-H を酸化し、NAD-H から 2 つの電子を取り出して脂溶性ユビキノンに移し、膜内で複合体 III に拡散します。同時に、複合体 I は 2 つの陽子と 2 つの電子をマトリックスからミトコンドリアの膜間腔に送り込みます。
複合体 II (コハク酸デヒドロゲナーゼ) はプロトンを送り出しませんが、コハク酸の酸化により鎖に追加の電子を提供します。
複合体 III (シトクロム bc1 複合体) は、ユビキノンからミトコンドリアの内膜にある 2 つの水溶性シトクロム c に電子を渡します。ユビキノンは 2 個の電子を転送し、シトクロムは 1 サイクルあたり 1 個の電子を転送します。

ミトコンドリアの電子伝達系

同時に、ユビキノンの 2 つのプロトンもそこを通過し、複合体を通過します。

複合体 IV (シトクロム c オキシダーゼ) は、4 つのシトクロム分子から O2 への 4 つの電子の移動を触媒し、4 つのプロトンを膜間空間に送り込みます。この複合体はシトクロム a と a3 で構成されており、ヘムに加えて銅イオンが含まれています。

血液からミトコンドリアに入った酸素は、シトクロムa3のヘムにある鉄原子とO2分子の形で結合します。各酸素原子は 2 つの電子と 2 つの陽子を追加して水分子に変わります。

クレブス回路で形成された基質は脱水素化（水素引き抜き）を受け、その結果、エネルギーが放出されて ATP の形成に使用され、その過程で形成された電子と陽子が酸素と結合して水が形成されます。 O2 分子の還元は、4 つの電子の移動の結果として起こります。 2 つの電子が酸素に追加され、キャリアの鎖を通って到着するたびに、2 つの陽子がマトリックスから吸収され、H2O 分子が形成されます。

電子は、膜自体に存在するキャリアの鎖を通って移動します。キャリアは電子を受け取ると酸化され、次のキャリアに電子を渡すと還元されます。 CPE の最後に、電子は酸素に移動します。

プロトンはミトコンドリア膜から押し出されます。

プロトンの移動は、膜内の電子の移動エネルギーによって発生します。

プロトンは自発的に膜に戻ることができないため、膜の外側に正電荷が蓄積します。

CPE の末端にあるプロトンは、再び特殊なタンパク質である ATP 合成酵素 (第 5 因子) を通って内側に進み、水の形成に関与します。プロトンが ATP 合成酵素を通過すると、ATP 合成に使用されるエネルギーが放出されます。

トランスポーターの ORR 反応の結果、ADP と無機リン酸から ATP が形成されます。

重要: ADP が存在しないと酸化は起こりません。

NAD および NADP 依存性デヒドロゲナーゼの基質は、ミトコンドリアマトリックスおよびサイトゾルに存在します。

主要な電子伝達体はミトコンドリアの内膜に組み込まれており、特定の順序（ベクトル）で位置する 4 つの複合体に組織されています。この順序では、酸素に近づくにつれて標準酸化還元電位がより正になります。

1. 基質はまず NAD+ デヒドロゲナーゼによって酸化され、その結果 NAD+ 補酵素がプロトンを受け取り NADH に変わります。

CPE に電子を供給するほとんどのデヒドロゲナーゼには NAD+ が含まれています。それらは次のような反応を触媒します。

R-CHOH-R1 + NAD+ ↔ R-CO-R1 + NADH + H+。

NADPH は CPE 内で直接的な電子供与体ではありませんが、ほとんどの場合に使用されます。

もっぱら還元的生合成に使用されます。ただし、反応を触媒するピリジンヌクレオチドトランスヒドロゲナーゼの作用により、NADPH から CPE に電子を取り込むことができます。

NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH。

フラビン脱水素酵素には補酵素としてFADまたはFMNが含まれています。

FAD は、次のような反応において多くの基質からの電子受容体として機能します。

R-CH2-CH2-R1 + E (FAD) ↔ R-CH=CH-R1 + E (FADH2)、

ここで、E は酵素のタンパク質部分です。

ほとんどの FAD 依存性デヒドロゲナーゼは、ミトコンドリアマトリックスに局在する可溶性タンパク質です。例外は、ミトコンドリアの内膜に存在するコハク酸デヒドロゲナーゼです。

あるいはデヒドロゲナーゼ-FAD+により基質が酸化され、その結果補酵素FADがプロトンを受け取りFADH2となります。

コハク酸（コハク酸）が酸化されると、コハク酸デヒドロゲナーゼによるFAD+を介して酸化が直ちに起こります。

FADはFESを介してコエンザイムQ（ユビキノン）に電子を渡します。

重要: ユビキノンはタンパク質ではありません。他の担体はすべてタンパク質です。

FeS - 鉄 - 硫黄中心。

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一般に、呼吸鎖の働きは次のとおりです。

呼吸電子伝達系

異化反応で形成される NADH と FADH2 は、水素原子 (つまり、水素陽子と電子) を呼吸鎖の酵素に渡します。

2. 電子は呼吸鎖の酵素を通って移動し、エネルギーを失います。

3. このエネルギーは、H+ プロトンをマトリックスから膜間空間に送り出すために使用されます。

4. 呼吸鎖の最後で、電子が酸素と衝突し、酸素を水に還元します。

5. H+ プロトンはマトリックスに急いで戻り、ATP シンターゼを通過します。

6. 同時に、ATP の合成に使用されるエネルギーも失います。

酸化的リン酸化の一般原理

還元型の NAD および FAD 酸化する呼吸鎖の酵素により、リン酸がADPに追加されます。 リン酸化。したがって、プロセス全体が呼び出されました。 酸化的リン酸化.

呼吸鎖

合計 電子伝達系には約 40 種類の多様なタンパク質が含まれており、これらは 4 つの大きな膜結合多酵素複合体に組織化されています。電子伝達には関与しないが、ATP を合成する別の複合体もあります。

呼吸鎖のブロック図

電子キャリア

1. シトクロム c1、c、a、a3 (補欠分子族 - ヘム) は呼吸鎖のさまざまな部分に位置し、シトクロム c は 3 番目と 4 番目の複合体の間で膜の外側に沿って移動する可動性の水溶性タンパク質です。。シトクロム aa3 にはヘム A が含まれています。メチル (-CH3) 基とビニル (-CH=CH2) 基の代わりに、それぞれホルミル (-CH) 基と炭化水素鎖が含まれています。 2 番目の特徴は、特殊なタンパク質中心に銅イオンが存在することです。

Cu+<->Сu2+ + e および Fe2+<->Fe3+ + e

2. 鉄硫黄タンパク質 (FeS) – 非ヘムタンパク質、フラビン酵素 (1、2、3 複合体) と一緒に機能します。

3. FMN (複合体 1): FMN + NADH + H+ ———FMNH2 + NAD+

(NAD+ + 2e + 2H+ ————- NADH + H+)

KoQ (ユビキノン) – 非タンパク質トランスポーター、複合体 3.

イソプレンの長い疎水性尾部により、脂質二重層内でのユビキノンの移動性が確保されます。

KoQ とシトクロム c は可動性ですが、その他はすべて内在性タンパク質です。

呼吸鎖の酵素複合体の構造

複雑な。 NADH-CoQレダクターゼ

この複合施設には仮のタイトルもあります NADHデヒドロゲナーゼ、1FMN、6鉄硫黄タンパク質が含まれています。

1. NADH + H+ + FMN ———2e + 2H+——— NAD+ + FMNH2

2. FMNH2 ———2e——— Fex Sx (Fe2+)<->Fe3+ + e)

3. フェックス Sx ————2e——— KoQ

関数

1. NADH から電子を受け取り、NADH に転送します。 コエンザイムQ（ユビキノン）。

2. 4H+ をミトコンドリア内膜の外表面に移動します。

陽子ポテンシャルはどこで誘導されるのでしょうか? プロトンポテンシャルは、ATP シンターゼによって ATP の化学結合エネルギーに変換されます。 ETC と ATP シンターゼの結合作用は酸化的リン酸化と呼ばれます。

真核生物のミトコンドリアでは、電子伝達鎖は複合体 I による NADH の酸化とユビキノン Q の還元から始まります。次に、複合体 II がコハク酸をフマル酸に酸化し、ユビキノン Q を還元します。ユビキノン Q はシトクロム c 複合体 III によって酸化および還元されます。鎖の末端では、複合体 IV がシトクロム c から酸素への電子の移動を触媒して水を形成します。反応の結果、通常放出される 6 個の陽子と 6 個の電子ごとに、1 分子の O2 と 10 分子の NAD・H が消費されるため、2 分子の水が放出されます。

複合体 I または NADH デヒドロゲナーゼ複合体は NAD-H を酸化します。この複合体は、細胞呼吸のプロセスにおいて中心的な役割を果たします。 ATP 合成のプロトン勾配のほぼ 40% は、この複合体によって生成されます。複合体 I は NADH を酸化し、ユビキノン 1 分子を還元し、膜に放出されます。 NADH 分子が酸化されるごとに、複合体は膜を越えて 4 つのプロトンを移動します。 NADH デヒドロゲナーゼ複合体は、NADH デヒドロゲナーゼ複合体から 2 つの電子を取り出し、それらをユビキノンに転送します。ユビキノンは脂溶性です。膜内のユビキノンは複合体 III に拡散します。同時に、複合体 I は 2 つの陽子と 2 つの電子をマトリックスからミトコンドリアに送り込みます。

錯体 I の電子輸送連鎖。灰色の矢印 - 可能性が低い、または現在は機能しない輸送経路

N5 クラスターのポテンシャルは非常に低く、チェーン全体の電子の総流量が制限されます。鉄硫黄中心の通常のリガンド（4 つのシステイン残基）の代わりに、3 つのシステイン残基と 1 つのヒスチジン残基によって配位され、酵素の深部に位置しますが、帯電した極性残基にも囲まれています。

クラスター N7 は一部の細菌の複合体 I にのみ存在します。他の星団から大きく離れており、電子のやり取りができないため、明らかに遺物である。複合体 I に関連するいくつかの細菌複合体では、N7 と他のクラスターの間に 4 つの保存されたシステイン残基が見つかり、細菌複合体 I では アキフェックス・アエオカス N7 を残りのクラスターと接続する追加の Fe 4 S 4 クラスターが発見されました。このことから、次のことがわかります アエオリクス複合体 I は、NADH に加えて、N7 を介して電子供与体を移動させる別の電子供与体を使用できます。

NADH デヒドロゲナーゼ複合体は、トリカルボン酸サイクル中にマトリックス内に形成された NADH を酸化します。 NADHからの電子は、膜輸送体であるユビキノンQを修復するために使用され、それがミトコンドリア電子伝達系の次の複合体である複合体IIIまたはシトクロムに転送されます。 紀元前 1-コンプレックス。

NADH デヒドロゲナーゼ複合体はプロトンポンプのように機能します。酸化された NADH と還元された Q ごとに、4 つのプロトンが膜を通って膜間腔にポンプで送られます。

反応中に生成される電気化学ポテンシャルは、ATP の合成に使用されます。複合体 I によって触媒される反応は可逆的であり、好気性コハク酸誘導 NAD+ 還元と呼ばれるプロセスです。高い膜電位と過剰な還元型ユビキノールの条件下では、複合体は電子を使用して NAD+ を還元し、プロトンをマトリックスに戻すことができます。この現象は通常、コハク酸塩が多く、オキサロ酢酸塩やリンゴ酸塩が少ない場合に発生します。ユビキノンの還元は、コハク酸デヒドロゲナーゼまたはミトコンドリアの酵素によって行われます。高いプロトン勾配の条件下では、ユビキノールに対する複合体の親和性が増加し、濃度の増加によりユビキノールの酸化還元電位が低下します。これにより、ミトコンドリア内膜の電位に沿った電子の逆輸送が可能になります。 NAD。この現象は実験室条件で観察されましたが、生きた細胞で起こるかどうかは不明です。

複合体 I の研究の初期段階で、広く議論されたモデルは、複合体内で同様のシステムが動作するという仮定に基づいていました。しかし、その後の研究では、複合体 I に本質的に結合したキノンは発見されず、この仮説は完全に否定されました。

NADH デヒドロゲナーゼ複合体は、酵素自体の構造変化を通じて独特のプロトン輸送機構を持っていると考えられます。 ND2、ND4、および ND5 サブユニットは、相互に、また細菌の Mrp Na + /H + アンチポートと相同であるため、アンチポート様と呼ばれます。これら 3 つのサブユニットは、保存された荷電アミノ酸残基 (主にリジンとグルタミン酸) で構成される 3 つの主要なプロトンチャネルを形成します。 4 番目のプロトンチャネルは、Nqo8 サブユニットの一部と小サブユニット ND6、ND4L、ND3 によって形成されます。このチャネルは、アンチポート様サブユニットの同様のチャネルと構造が似ていますが、マトリックス側に異常に多数の密に詰まったグルタミン酸残基が含まれているため、Eチャネルと呼ばれます（ラテン語のEが標準として使用されます）。グルタミン酸の呼称）。 ND5 サブユニットの C 末端からは、異常に長い (110 Å) α ヘリックス (HL) で接続された 2 つの膜貫通ヘリックスからなる延長部が伸びており、複合体のマトリックスに面した側に沿って 3 つすべてが物理的に接続されています。アンチポート様サブユニットであり、電子輸送と構造再配列の結合に関与している可能性があります。別の結合要素である βH は、一連の重なり合うαヘリックスによって形成され、複合体の反対側のペリプラズム側に位置します。電子輸送がプロトン輸送とどのように正確に結びついているのかは、まだ完全に不明である。 N2 クラスターの強力な負電荷が周囲のポリペプチドを押しのけ、構造変化を引き起こし、それが互いにかなり離れた位置にあるすべてのアンチポート様サブユニットに何らかの形で広がると考えられています。別の仮説は、構造変化により、異常に長いユビキノン結合部位が、極めて低い酸化還元電位と負電荷を持つユビキノール Q-2 を安定化させることを示唆しています。構造変化および関連するプロトン輸送の動態の多くの詳細は不明のままです。

最も研究されている複合体 I 阻害剤はロテノン (有機農薬として広く使用されている) です。ロテノンとロテノイドは、いくつかの熱帯植物の属の根に存在するイソフラボノイドです。 アントニア (ロガニア科), デリスそして ロンコカルプス (マメ科）。ロテノンは、昆虫や魚のミトコンドリアが特にロテノンに敏感であるため、殺虫剤や魚毒として長い間使用されてきました。フランス領ギアナやその他の南米インディアンの先住民族は、17 世紀にはロテノンを含む植物を漁業に使用していたことが知られています。ロテノンはユビキノン結合部位と相互作用し、主要な基質と競合します。ロテノンによる複合体Iの長期全身阻害は、ドーパミン作動性ニューロンの選択的死(神経伝達物質ドーパミンの分泌)を誘導できることが示されている。構造的にユビキノンに類似した別の強力な複合体 I 阻害剤であるピリシジン A も同様に作用します。バルビツール酸の誘導体であるアミタールナトリウムもこのグループに属します。

複合体 I の 50 年以上の研究にも関わらず、複合体内の電子移動をブロックする阻害剤を発見することはできませんでした。ロテノンやピリシジンなどの疎水性阻害剤は、末端 N2 クラスターからユビキノンへの電子伝達を単純に妨害します。

複合体 I をブロックするもう 1 つの物質は、NADH の酸化反応においてアデノシン二リン酸リボースです。ヌクレオチド結合部位 (FAD) で酵素に結合します。

複合体 I の最も強力な阻害剤には、アセトゲニンファミリーが含まれます。これらの物質は、ND2 サブユニットと化学架橋を形成することが示されており、これはユビキノン結合における ND2 の役割を間接的に示しています。アセトゲニンであるロリニアスタチン-2が、ロテノン以外の部位に結合することが発見された最初の複合体I阻害剤であることに注目するのは興味深いことです。

抗糖尿病薬メトホルミンには中程度の抑制効果があります。どうやら、この薬のこの特性がその作用メカニズムの根底にあるようです。

コハク酸塩からの電子はまず FAD に移動し、次に Fe-S クラスターを通って Q に移動します。錯体内の電子輸送にはプロトン勾配の生成は伴いません。コハク酸の酸化中に形成された 2H+ は膜の同じ側、つまりマトリックス内に残り、キノンの還元中に再吸収されます。したがって、複合体 II は膜を横切るプロトン勾配の生成には寄与せず、コハク酸からユビキノンへの電子輸送体としてのみ機能します。

コハク酸塩の酸化の結果、その電子は FAD に移動し、その後鉄硫黄クラスターの鎖に沿ってクラスターからクラスターへと移動します。そこで、これらの電子は、結合部位で待機しているユビキノン分子に転送されます。

電子がクラスターからヘムに直接到達するのを防ぐために、特別なゲート機構が働いているという仮説もあります。ゲートの可能性の高い候補は、サブユニット B のヒスチジン -207 です。これは鉄硫黄クラスターとヘムの間に直接位置し、結合したユビキノンに近く、これらの酸化還元中心間の電子の流れを制御している可能性があります。

複合体 II 阻害剤には 2 つのクラスがあり、コハク酸結合ポケットをブロックするものと、ユビキノール結合ポケットをブロックするものがあります。ユビキノールを模倣する阻害剤には、カルボキシンやテノイルトリフルオロアセトンなどがあります。コハク酸の阻害剤類似体には、合成化合物マロン酸のほか、クレブス回路の成分であるリンゴ酸およびオキサロ酢酸が含まれます。興味深いことに、オキサロ酢酸は最も強力な複合体 II 阻害剤の 1 つです。トリカルボン酸サイクルの一般的な代謝物がなぜ複合体 II を阻害するのかは不明のままであるが、複合体 I における逆電子輸送を最小限に抑え、スーパーオキシドの形成を引き起こす保護的な役割を果たしている可能性が示唆されている。

ユビキノール模倣阻害剤は、1960 年代から農業における殺菌剤として使用されてきました。例えば、カルボキシンは主に担子菌によって引き起こされる病気、例えば茎さび病や担子菌病に使用されてきました。 リゾクトニア。最近、それらはより広範囲の病原体を抑制する他の化合物に置き換えられています。このような化合物には、ボスカリド、ペンチオピラド、およびフルオピラムが含まれる。農業上重要な菌類の中には、この新世代の阻害剤の作用を受けにくいものもあります。

シトクロム-bc1-複合体（シトクロム複合体） 紀元前 1) ユビキノール-シトクロム c-オキシドレダクターゼ、または複合体 III - 電子伝達の呼吸鎖とミトコンドリア膜上のプロトン勾配の最も重要な生化学的発生器の多タンパク質複合体。この多タンパク質膜貫通複合体はミトコンドリア (チトクロム) によってコードされています。 b）と核ゲノム。

チトクロム- bс 1-複合体は、次の方程式に従って、還元型ユビキノンを酸化し、シトクロム c (E°"=+0.25 V) を還元します。

複合体における電子輸送は、マトリックス (in) から膜間空間 (out) へのプロトンの移動と、ミトコンドリア膜上でのプロトン勾配の生成に関連しています。ユビキノンからシトクロム c までの輸送鎖に沿って電子が 2 つ通過するたびに、2 つのプロトンがマトリックスから吸収され、さらに 4 つが膜間腔に放出されます。還元されたチトクロム c は水性画分の膜に沿って移動し、1 つの電子を次の呼吸複合体であるチトクロムオキシダーゼに渡します。

発生するイベントは Q サイクルとして知られており、1976 年にピーターミッチェルによって仮定されました。 Q サイクルの原理は、複合体自体のキノンの酸化と還元の結果として、膜を通過する H+ の移動が起こるということです。この場合、キノンはそれぞれ、膜の異なる側から選択的に水相に 2H + を授受します。

複合体 III の構造には、キノンが結合できる 2 つの中心、または 2 つの「ポケット」があります。そのうちの 1 つである Q アウトセンターは、鉄硫黄クラスター 2Fe-2S とヘムの間に位置します。 b Lは膜の外側近くで、膜間空間に面しています。還元型ユビキノン (QH 2) がこのポケットに結合します。もう 1 つのポケットの Q は、酸化ユビキノン (Q) に結合するように設計されており、マトリックスと接触している膜の内側 (in) 側近くに位置しています。

Q サイクルの動作に必要かつ逆説的な条件は、2 つの結合中心におけるセミキノンの寿命と状態が異なるという事実です。 Q out センターでは、Q は不安定で、低電位ヘムに e - を与えることができる強力な還元剤として機能します。比較的長寿命の Q - が中心の Q に形成され、その電位により酸化剤として作用し、ヘムから電子を受け取ります。 b H. Q サイクルのもう 1 つの重要な点は、複合体に含まれる 2 つの電子が 2 つの異なる経路に沿って発散することに関連しています。錯体の結晶構造の研究により、他の酸化還元中心に対する 2Fe-2S 中心の位置が移動する可能性があることが示されました。リースケタンパク質には可動ドメインがあり、実際にはその上に 2Fe-2S クラスターが存在することが判明しました。電子を受け取って還元されると、2Fe-2S中心は位置を変え、Q out中心およびヘムから遠ざかります。 b 60°回転でLを17回転させてシトクロムに近づける c。シトクロムに電子を与えると、2Fe-2S中心は逆にQ out 中心に近づき、より緊密な接触を確立します。したがって、一種のシャトルが機能し、2番目の電子がヘムに行くことを保証します。 b土地 b H. これまでのところ、複合体における電子輸送がタンパク質構造内の可動ドメインに関連している唯一の例です。

電子のごく一部は、複合体 IV に到達する前に輸送鎖を離れます。酸素への電子の絶え間ない漏れにより、スーパーオキシドが形成されます。この小さな副反応は、非常に有毒であり、病状や老化の進行に重要な役割を果たす、あらゆる範囲の活性酸素種の形成につながります。電子漏洩は主にQ inサイトで発生します。このプロセスはアンチマイシン A によって促進されます。ヘムをブロックします b還元状態にあるため、セミキノン Q に電子を放出することができなくなり、その結果、セミキノン Q の濃度が増加します。セミキノンは酸素と反応し、スーパーオキシドの形成につながります。結果として生じるスーパーオキシドはミトコンドリアマトリックスと膜間腔に入り、そこからサイトゾルに入ることができます。この事実は、複合体 III がおそらく荷電スーパーオキシド (O 2 -) と比較して外膜に容易に浸透できる非荷電 HOO の形でスーパーオキシドを生成するという事実によって説明できます。

これらの物質の一部は、殺菌剤 (ストロビルリン誘導体など、最もよく知られているのは Q ext 部位阻害剤であるアゾキシストロビン) および抗マラリア薬 (アトバクオン) として使用されます。

シトクロム c オキシダーゼ (シトクロムオキシダーゼ) またはシトクロム c 酸素酸化還元酵素は、シトクロム aa 3 および複合体 IV としても知られ、シトクロムからの電子の移動を触媒する好気性呼吸電子伝達鎖の末端オキシダーゼです。と酸素に変化して水が生成されます。シトクロムオキシダーゼは、多くの好気性細菌の細胞膜と同様に、一般に複合体 IV と呼ばれるすべての真核生物のミトコンドリアの内膜に存在します。

複合体 IV は 4 つのシトクロム c 分子を順番に酸化し、4 つの電子を受け取って O 2 を H 2 O に還元します。O 2 の還元中に、4 つの H + が捕捉されます。

電子伝達と酸化的リン酸化を触媒する酸化還元酵素は、細胞ミトコンドリアの内膜の脂質層に局在しています。

ミトコンドリア内の酸素への電子の輸送(図13.3)はいくつかの段階で起こり、電子伝達体の連鎖であり、酸素に近づくにつれて酸化還元電位が増加します(それに応じて還元電位は減少します)。これらの輸送システムはと呼ばれます 呼吸鎖。

米。 13.3.

ほとんどの電子対は、電子受容体として補酵素 NAD + および NADP + を使用する酵素 (デヒドロゲナーゼ) の作用により呼吸鎖に入ります。この酵素グループ全体は、NAO(P) 依存性デヒドロゲナーゼと呼ばれます。

補酵素 NAD + (ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)、FAD および FMN (フラビンアデニンジヌクレオチドおよびフラビンモノヌクレオチド)、補酵素 Q (CoQ)、ヘム含有タンパク質のファミリー - シトクロム (シトクロム b、Q、C、A、A 3 として指定) ）と非ヘム鉄を含むタンパク質は、 中間キャリア高等生物の呼吸鎖の中で。このプロセスは、酸化された基質から補酵素 NAD+ または FAD へのプロトンと電子の移動と NADH と FADH2 の形成から始まります。

その後の NADH および FADH 2 から酸素への電子の移動は、段が電子伝達体であるはしごを転がり落ちることにたとえることができます。ステップからステップへの各ステップで、自由エネルギーの一部が放出されます (図 13.3 を参照)。

3 つのタンパク質複合体 (I、III、IV) と 2 つの移動キャリア分子が、有機基質から分子状酸素、ユビキノン (コエンザイム Q) とシトクロム C への電子の移動に関与します。

米。 13.4.ヘム分子の構造、z = 2* または 3 +

実際にはクレブス回路に属するコハク酸デヒドロゲナーゼは、呼吸鎖の複合体 II と考えることもできます。

呼吸鎖複合体は多くのポリペプチドで構成されており、タンパク質に関連する多くの異なる酸化還元補酵素が含まれています。

電子キャリア シトクロム（その色からこの名前が付けられました）は補欠分子族としてさまざまなグループを含むタンパク質です 宝石。宝石の種類 bヘモグロビンに相当します。ヘムはタンパク質に共有結合しています(図13.4)。

シトクロムに共通するのは、ヘムにある鉄イオンが電子を伝達する際に酸化状態を変化させる能力です。

フラビン依存性デヒドロゲナーゼ- これらは、タンパク質の一部であるシステインのスルフヒドリル基が鉄原子と結合し、その結果鉄硫黄複合体（中心）が形成されるタンパク質です。シトクロムと同様に、そのような中心の鉄原子は電子を授受したり、フェリ (Fe +3) 状態とフェロ (Fe +2) 状態に交互に遷移することができます。

鉄硫黄中心は、フラビン含有酵素 FAD または FMN とともに機能します。

パビンアデニンジヌクレオチド(FAD) はビタミン B 2 (リボフラビン) の誘導体です。還元されると、FAD (酸化型) は 2 つの水素原子を追加して、FADH 2 (還元型) に変わります。

このグループに属する別の電子伝達体であるフラビンモノヌクレオチド (FMN) もビタミン B2 の誘導体です (リン酸基の存在のみがビタミン B2 と異なります)。

両方のフラビン補酵素は、いわゆるフラビン補酵素の形でも存在できます。 セミキノン- FAD または FMN への 1 つの電子だけの移動の結果として形成されるフリーラジカル:

酵素のタンパク質成分が異なるさまざまなフラボタンパク質の一般的な名称は FP です。

ピリジン依存性デヒドロゲナーゼそれらの補酵素がNAD + とNADP +であり、その分子に誘導体が含まれているため、この名前が付けられました。 ピリジン - ニコチンアミド:

これらの酵素によって触媒される反応は次のように表すことができます。

NAD + に関連するデヒドロゲナーゼは、主に呼吸のプロセスに関与しています。一方、NADP + に関連するデヒドロゲナーゼは、主に異化反応から還元的生合成反応に至る基質からの電子の移動に関与します。

唯一の非タンパク質電子伝達体はユビキノンです。このキノンはどこにでも存在するため、この名前が付けられました。 遍在する- 遍在)。 CoQ または単に Q と略されます。還元されると、ユビキノンは電子だけでなくプロトンも結合します。 1電子移動中は次のようになります。 セミキノン、二電子 - で ハイドロキノン。

ミトコンドリア呼吸鎖における電子伝達体の順序は、次の図で表すことができます。

このスキームは、一連の一連の反応によって説明されます。

このようにして、呼吸鎖を通って、基質からの電子は最終的な受容体である大気中の酸素に到達します。このプロセスの結果として生成される水は代謝水と呼ばれます。

ミトコンドリア膜内での水素のプロトンと電子への分離は、プロトンポンプのように機能する電子輸送鎖によって行われ、細胞間空間から膜の外側に水素イオンを送り出します。

呼吸鎖内の電子伝達体は超分子複合体に組織化されます (表 3)。

表3

ミトコンドリア電子伝達系複合体

注: シトクロムと複合体には含まれていません。シトクロムとは可溶性タンパク質であり、複合体 III と IV の間を移動します。

複合体 I (NADH デヒドロゲナーゼ) NADH からコエンザイム Q (CoQ) への電子の移動を触媒します。

1. 複合体は 42 個のポリペプチド鎖からなる酵素で、ミトコンドリアの内膜に結合し、それを横方向に横切ります。

2. 補欠分子族は FMN 含有フラボタンパク質と 6 つの FeS 中心です。

3. 錯体 I は 2 つの共役プロセスを触媒します: 1) NADH からの水素化物イオンとマトリックスからユビキノンへのプロトンの発エルゴン輸送 (NADH + H + + Q → NAD + + QH 2)、および 2) からの 4 つのプロトンのエルゴン輸送マトリックスから膜間空間まで。

4. 錯体 I は、NADH から FMN への水素化物イオンの移動を触媒します。 e￣多くの FeS 中心を通って、複合体のマトリックス部分の FeS タンパク質 N-2 に移動します。 N-2 から複合体の膜部分のユビキノンに電子が移動して QH 2 が形成されます。

5. 陽子の膜間腔への移動により、 電気化学ポテンシャルミトコンドリアの内膜上にあり、電子伝達中に放出されるエネルギーを蓄えます。この場合、膜間空間に面する膜の外側は正に帯電し、マトリックスに面する内側は負に帯電します。

6. プロトンの局在を示す全体的な反応方程式は次のように書くことができます。

NADH + 5 H + N + Q → NAD + + QH 2 + 4H + P、N (マイナス) は膜 (マトリックス) のマイナスに帯電した側、P (プラス) はミトコンドリア内膜のプラスに帯電した側(膜間隙)

7. ユビキノール (QH 2) はミトコンドリア内膜内で複合体 I から複合体 III に拡散し、そこで Q に酸化されます。

複合体 II (コハク酸デヒドロゲナーゼ):

1. コハク酸デヒドロゲナーゼ (複合体 II) は、ミトコンドリアの内膜に関連する必須タンパク質であり、コハク酸 (TCA 回路からのコハク酸) を酸化します。

2. 補欠分子族: FAD、4 つの Fe 原子を持つ FeS 中心。電子はコハク酸塩（TCAサイクルの中間生成物）からFADに輸送され、その後FeS中心を通ってユビキノンに輸送されます。自由エネルギーの変化はわずかであるため、プロトンは膜間空間に押し込まれません。

3. ミトコンドリアデヒドロゲナーゼの他の基質は、ユビキノンのレベルで呼吸鎖に電子を供与しますが、複合体 II を介しては供与しません (図 9.4)。

4. アシル-CoA (脂肪酸の活性型) は、FAD 依存性デヒドロゲナーゼ ( アシルCoAデヒドロゲナーゼ)、電子輸送フラボタンパク質 (ETF)、ETF:ユビキノール酸化還元酵素に電子を伝達し、呼吸鎖のユビキノンに伝達します。

5. トリアシルグリセロールの分解または解糖中のジヒドロキシアセトンリン酸の還元中に形成されるグリセロール-3-リン酸は、酵素によって酸化されます。 グリセロール-3-リン酸デヒドロゲナーゼ、ミトコンドリア内膜の外側に局在し、呼吸鎖に電子をユビキノンに伝達します。

6. これらの反応の結果として形成された QH 2 は錯体 III によって酸化されます。

複合体 III (シトクロム bc 1 複合体、ユビキノン:シトクロム c 酸化還元酵素)還元型補酵素Q（ユビキノール）からシトクロムに電子を伝達します。とこれは水溶性分子であり、膜間腔に局在し、同時にプロトンをマトリックスから膜間腔に輸送します。 . ユビキノール-シトクロムと-リダクターゼには2種類のシトクロムが含まれています bそして cそしてFe-Sタンパク質。

錯体における電子移動のメカニズムは次のように表すことができます。

複合体 IV (シトクロム c オキシダーゼ、シトクロムオキシダーゼ)シトクロムからの電子伝達を触媒しますと最終的なアクセプターとしての酸素分子へ . 酸素を完全に H 2 O に還元するには、4 つの電子と 4 つの H + が必要です。

4 引用符と(還元) + 4 H + + O 2 → 4 cit と(酸化) + 2 H 2 O

複合体 IV は、ミトコンドリア内膜の大きな酵素 (13 サブユニット、分子量 204,000 Da) です。ミトコンドリアDNAには3つのサブユニットがコードされていることが知られています。 2つのヘム分子が含まれています と 3 2 つの銅イオン (Cu A および Cu B) は電子を受け取り、還元されます (Cu 2+ ↔ Cu 1+)。

電子の伝達: シトクロムと→ Cu A → Fe ヘムあ→ Fe ヘム a 3 - Cu B。ヘム 3 Cu B は銅原子とともに、酸素が結合する「二核中心」を形成します。酸素は平面ヘム構造間に結合したままになる 3完全に回復するまでCu Bを使用します。これにより、有毒なフリーラジカルの生成が防止されます。

錯体を通過する電子が 4 つごとに、酵素はマトリックス (N 側) から 4 つの「基質」H+ を使用し、酸素を H 2 O に変換します。還元反応のエネルギーは、膜間腔 (P 側) に押し込むために使用されます。輸送される電子ごとに 1 つの H+。

複素数 IV によって触媒される全体の方程式は、次のように表すことができます。

4 引用符と(還元) + 8 H + N + O 2 → 4 cit と(酸化) + 4H + P + 2H2O

シトクロム a の鉄の 6 番目の配位結合は、HCN、H 2 S、CO によって結合できます。この場合、鉄（Fe 3+）の価数は一定となり、電子の流れが止まります。これが呼吸器毒の作用機序です。

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電子輸送チェーン (ETC)。

ミトコンドリアの電子伝達系

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