Maklumat

Dalam mitokondria, apakah mekanisme pemindahan elektron antara sitokrom yang berbeza?

Dalam mitokondria, apakah mekanisme pemindahan elektron antara sitokrom yang berbeza?


We are searching data for your request:

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

Dan bagaimanakah tenaga yang diperoleh daripada penurunan "tahap tenaga" elektron yang digunakan untuk menjana kecerunan kemiosmotik?


Soalan yang baik. Gambaran umum rantai pengangkutan elektron sebagai urutan mesin molekul yang melalui "elektron tenaga tinggi" secara biokimia agak mengelirukan saya fikir. Apa yang sebenarnya berlaku hanyalah satu siri tindak balas redoks (eksotermik) yang membebaskan tenaga. Kompleks pernafasan ialah enzim yang memangkinkan tindak balas ini dan menggandingkan tenaga yang dibebaskan dalam setiap tindak balas kepada pengepaman proton terhadap kecerunan.

Sebagai contoh, mari pertimbangkan tindak balas yang dijalankan oleh Kompleks I, di mana NADH teroksida:

NADH + H$^+$ + CoQ $iff$ NAD$^+$ + CoQH$_2$

Tindak balas ini memindahkan ion hidrida (H$^-$) yang membawa dua elektron daripada NADH, yang diterima oleh CoQ. Memandangkan CoQ ialah penerima elektron yang jauh lebih baik daripada NAD$^+$, tindak balas ini sangat menggalakkan dengan $Delta G$ kira-kira -85 kJ. Jadi sedikit tenaga dilepaskan, dan sebahagian daripada tenaga ini ditangkap oleh Kompleks I untuk mengepam empat proton merentasi memberana dalam.

Perhatikan bahawa elektron tidak "mengembara" sendiri melalui Kompleks I entah bagaimana. Elektron terikat kepada molekul yang mengambil bahagian dalam tindak balas redoks. Dan tidak masuk akal untuk mengatakan bahawa "tahap tenaga" elektron tertentu menurun. Sebaliknya, sebatian di sebelah kanan mempunyai jumlah tenaga bebas yang lebih rendah $G$ berbanding yang di sebelah kiri, dan oleh itu tindak balas keseluruhan membebaskan tenaga (beza tenaga bebas $Delta G$ adalah negatif). Selain itu, jika anda melihat struktur kimia CoQ dan CoQH2 --- dan anda benar-benar harus melihat struktur dalam biokimia, nama sahaja tidak begitu membantu --- anda akan mendapati bahawa elektron yang terlibat sebenarnya dinyahlokasi dalam CoQH2, jadi tidak ada cara untuk mengetahui elektron mana pergi ke mana.

Alasan yang sama berlaku untuk kompleks pernafasan yang lain. Kompleks III mengoksidakan CoQH$_2$ kembali kepada CoQ dengan menggabungkannya kepada pengurangan sitokrom C,

CoQH$_2$ + 2 Ferricytochrome-C $iff$ CoQ + 2 Ferrocytochrome-C + 2 H$^+$

Tindak balas ini juga menggalakkan, dan sekali lagi tenaga yang dikeluarkan digunakan untuk mengepam proton. Akhir sekali, Kompleks IV mengoksidakan kembali sitokrom C dan memindahkan elektron kepada O$_2$, juga tindak balas redoks yang membebaskan tenaga. Mekanisme tindak balas sudah tentu lebih rumit, melibatkan pelbagai kumpulan kimia yang terikat kepada enzim, tetapi ini adalah hasil bersih.

Jadi "rantai pernafasan" bukanlah tali pinggang penghantar untuk elektron; ia adalah urutan tindak balas redoks berganding. Hasil bersih tindak balas Kompleks I + III + IV ialah NADH telah kehilangan elektron dan oksigen telah memperoleh elektron, tetapi ia tidak semestinya elektron yang sama, dan tidak masuk akal untuk bercakap tentang "tahap tenaga" elektron dalam ini. konteks. Untuk memahami energetik, kita mesti melihat semua sebatian dan tindak balas yang terlibat.


Semua ahli Sistem Pengangkutan Elektron (ETS) disusun dalam "kompleks", kelompok enzim dan protein lain. Kompleks ini berdekatan antara satu sama lain supaya elektron boleh dilalui di antara mereka. Sitokrom yang berbeza, dan pengendali elektron lain, mempunyai pertalian (tarikan) yang berbeza untuk elektron. Mereka pada permulaan ETS mempunyai kurang pertalian untuk elektron daripada pada akhir. Sebab elektron bergerak melalui ETS adalah disebabkan oleh tarikan elektron yang lebih besar oleh kompleks seterusnya dalam laluan. Kompleks-kompleks ini diposisikan berkenaan antara satu sama lain supaya tiada "litar pintas" berlaku; elektron tidak melangkau sebarang langkah ke bawah ETS. Akhirnya, elektron "tenaga rendah" dari kompleks terakhir dimop oleh oksigen elektron-hog yang hebat itu.

Tenaga yang hilang oleh elektron semasa ia melalui antara pembawa tidak dituai secara langsung untuk mengepam proton. Kepentingan "kehilangan tenaga" ini ialah ia menjadikan pemindahan elektron sebagai proses spontan yang memastikan laluannya ke bawah ETS. Kemasukan biasa ke dalam ETS melibatkan NADH mendermakan ion hidrogen kepada matriks dan sepasang elektron kepada NADH dehidrogenase. Elektron akhirnya dipindahkan ke koenzim mudah alih Q. Ini kini menarik sepasang ion hidrogen daripada matriks mitokondria yang kemudian mendorong operasi pam proton. Ini mengepam ion hidrogen ke dalam ruang membran dalam mewujudkan kecerunan elektrokimia.

Jadi, secara umum kedatangan elektron, dengan ion hidrogen yang menyertainya, mengubah bentuk (bentuk) pam yang memindahkan proton untuk membina kecerunan. Elektron akhirnya disalurkan kepada oksigen, membentuk air dengan bantuan beberapa ion hidrogen ganti. Penyingkiran elektron ini membolehkan ahli ETS menerima beban elektron lain daripada NADH.

Rujukan perenggan ke-2: http://www.physiologymodels.info/metabolism/ETSOXPHOS/ets.htm Ini adalah tapak yang bagus untuk membaca lebih lanjut dan melihat beberapa rajah, terutamanya fokus pada panel kedua, "Kompleks I".

Rujukan perenggan 1: Biologi Molekul Sel; Alperts, Watson, et.al.


Semasa proses itu, kecerunan proton tercipta apabila proton dipam dari matriks mitokondria ke dalam ruang antara membran sel, yang juga membantu dalam memacu pengeluaran ATP. Selalunya, penggunaan kecerunan proton dirujuk sebagai mekanisme kemiosmotik yang memacu sintesis ATP kerana ia bergantung pada kepekatan proton yang lebih tinggi untuk menjana "daya motif proton". Jumlah ATP yang dicipta adalah berkadar terus dengan bilangan proton yang dipam merentasi membran mitokondria dalam.

Rantai pengangkutan elektron melibatkan satu siri tindak balas redoks yang bergantung kepada kompleks protein untuk memindahkan elektron daripada molekul penderma kepada molekul penerima. Hasil daripada tindak balas ini, kecerunan proton dihasilkan, membolehkan kerja mekanikal ditukar kepada tenaga kimia, membolehkan sintesis ATP. Kompleks tertanam dalam membran mitokondria dalam yang dipanggil cristae dalam eukariota. Dikelilingi oleh membran mitokondria dalam adalah matriks, di mana terdapat enzim yang diperlukan seperti piruvat dehidrogenase dan piruvat karboksilase. Proses ini juga boleh didapati dalam eukariota fotosintesis dalam membran tilakoid kloroplas dan dalam prokariot, tetapi dengan pengubahsuaian.

Hasil sampingan daripada kitaran dan proses lain, seperti kitaran asid sitrik, pengoksidaan asid amino dan pengoksidaan asid lemak, digunakan dalam rantaian pengangkutan elektron. Seperti yang dilihat dalam tindak balas redoks keseluruhan,

tenaga dibebaskan dalam tindak balas eksotermik apabila elektron melalui kompleks tiga molekul ATP dicipta. Fosfat yang terletak dalam matriks diimport melalui kecerunan proton, yang digunakan untuk mencipta lebih banyak ATP. Proses penjanaan lebih ATP melalui fosforilasi ADP dirujuk kepada fosforilasi oksidatif kerana tenaga pengoksigenan hidrogen digunakan di seluruh rantai pengangkutan elektron. ATP yang dihasilkan daripada tindak balas ini meneruskan kuasa kepada kebanyakan tindak balas selular yang diperlukan untuk kehidupan.


Chemiosmosis dan Fosforilasi Oksidatif

Chemiosmosis ialah pergerakan ion merentasi membran telap terpilih, menuruni kecerunan elektrokimianya.

Objektif Pembelajaran

Huraikan bagaimana tenaga yang diperolehi daripada rantaian pengangkutan elektron kuasa kemiosmosis dan bincangkan peranan ion hidrogen dalam sintesis ATP

Pengambilan Utama

Perkara utama

  • Semasa kemiosmosis, tenaga bebas daripada siri tindak balas yang membentuk rantai pengangkutan elektron digunakan untuk mengepam ion hidrogen merentasi membran, mewujudkan kecerunan elektrokimia.
  • Ion hidrogen dalam ruang matriks hanya boleh melalui membran dalam mitokondria melalui protein membran yang dipanggil ATP synthase.
  • Apabila proton bergerak melalui ATP sintase, ADP bertukar menjadi ATP.
  • Penghasilan ATP menggunakan proses chemiosmosis dalam mitokondria dipanggil fosforilasi oksidatif.

Syarat Utama

  • ATP sintase: Enzim penting yang membekalkan tenaga untuk digunakan oleh sel melalui sintesis adenosin trifosfat (ATP).
  • fosforilasi oksidatif: Satu laluan metabolik yang menggunakan tenaga yang dikeluarkan oleh pengoksidaan nutrien untuk menghasilkan adenosin trifosfat (ATP).
  • kemiosmosis: Pergerakan ion merentasi membran telap terpilih, menuruni kecerunan elektrokimianya.

Semasa chemiosmosis, pembawa elektron seperti NADH dan FADH menderma elektron kepada rantai pengangkutan elektron. Elektron menyebabkan perubahan konformasi dalam bentuk protein untuk mengepam H+ merentasi membran sel telap terpilih. Taburan ion H + yang tidak sekata merentasi membran mewujudkan kedua-dua kepekatan dan kecerunan elektrik (dengan itu, kecerunan elektrokimia) disebabkan oleh cas positif ion hidrogen’ dan pengagregatannya pada satu sisi membran.

Kemiosmosis: Dalam fosforilasi oksidatif, kecerunan ion hidrogen yang dibentuk oleh rantai pengangkutan elektron digunakan oleh ATP sintase untuk membentuk ATP.

Jika membran terbuka kepada resapan oleh ion hidrogen, ion akan cenderung secara spontan meresap kembali ke dalam matriks, didorong oleh kecerunan elektrokimianya. Walau bagaimanapun, banyak ion tidak boleh meresap melalui kawasan nonpolar membran fosfolipid tanpa bantuan saluran ion. Begitu juga, ion hidrogen dalam ruang matriks hanya boleh melalui membran mitokondria dalam melalui protein membran yang dipanggil ATP synthase. Protein ini bertindak sebagai penjana kecil yang diputar oleh daya ion hidrogen yang meresap melaluinya, menuruni kecerunan elektrokimia mereka. Pusingan mesin molekul ini memanfaatkan tenaga potensi yang disimpan dalam kecerunan ion hidrogen untuk menambah fosfat kepada ADP, membentuk ATP.

ATP Sintase: ATP sintase ialah mesin molekul kompleks yang menggunakan kecerunan proton (H+) untuk membentuk ATP daripada ADP dan fosfat tak organik (Pi).

Chemiosmosis digunakan untuk menjana 90 peratus ATP yang dibuat semasa katabolisme glukosa aerobik. Penghasilan ATP menggunakan proses chemiosmosis dalam mitokondria dipanggil fosforilasi oksidatif. Ia juga merupakan kaedah yang digunakan dalam tindak balas cahaya fotosintesis untuk memanfaatkan tenaga cahaya matahari dalam proses fotofosforilasi. Hasil keseluruhan tindak balas ini ialah penghasilan ATP daripada tenaga elektron yang dikeluarkan daripada atom hidrogen. Atom-atom ini pada asalnya merupakan sebahagian daripada molekul glukosa. Pada penghujung laluan, elektron digunakan untuk mengurangkan molekul oksigen kepada ion oksigen. Elektron tambahan pada oksigen menarik ion hidrogen (proton) dari medium sekeliling dan air terbentuk.


Rantaian Pengangkutan Elektron Dalam Fosforilasi Oksidatif

Fosforilasi oksidatif adalah sebahagian daripada sistem yang lebih besar, respirasi selular. 4 langkah respirasi selular boleh dilihat dalam imej di bawah. Langkah pertama berlaku di luar mitokondria. Ini melibatkan pemecahan glukosa, lipid, atau asid amino. Langkah ini dilambangkan di sini dengan "Glikolisis" sahaja. Ingat bahawa terdapat cara lain untuk menjana piruvat dan perantaraan kitaran Krebs (kitaran asid sitrik).

Langkah selebihnya berlaku dalam mitokondria. Garis kuning dalam imej mewakili penjanaan koenzim terkurang, atau molekul yang membawa elektron. Walaupun beberapa ATP dijana semasa glikolisis dan kitaran asid sitrik, majoriti dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif. Rantai pengangkutan elektron dilambangkan dengan tangga merah, mewakili pelepasan tenaga berturut-turut daripada elektron. Anak panah oren mewakili sintase ATP, yang menghasilkan ATP melalui daya motif proton.


Sistem Pengangkutan Elektron Mitokondria

Tertanam dalam membran dalam adalah protein dan kompleks molekul yang terlibat dalam proses yang dipanggil pengangkutan elektron. Sistem pengangkutan elektron (ETS), seperti yang dipanggil, menerima tenaga daripada pembawa dalam matriks dan menyimpannya ke dalam bentuk yang boleh digunakan untuk memfosforilasi ADP. Dua pembawa tenaga diketahui menderma tenaga kepada ETS, iaitu nikotin adenin dinukleotida (NAD) dan flavin adenine dinukleotida (FAD). NAD terkurang membawa tenaga kepada kompleks I (NADH-Coenzyme Q Reductase) rantai pengangkutan elektron. FAD ialah bahagian terikat kompleks dehidrogenase suksinat (kompleks II).

Ia berkurangan apabila substrat suksinat mengikat kompleks.

Apakah yang berlaku apabila NADH mengikat kompleks I? Ia mengikat kepada kumpulan prostetik yang dipanggil flavin mononucleotide (FMN), dan serta-merta dioksidakan semula kepada NAD. NAD adalah"dikitar semula," bertindak sebagai pengangkutan tenaga. Apakah yang berlaku kepada atom hidrogen yang keluar dari NADH? FMN menerima hidrogen daripada NADH dan dua elektron. Ia juga mengambil proton daripada matriks. Dalam bentuk terkecil ini, ia menghantar elektron kepada gugusan besi-sulfur yang merupakan sebahagian daripada kompleks, dan memaksa dua proton ke dalam ruang antara membran.

Penekanan wajib proton ke dalam ruang antara membran adalah konsep utama. Elektron tidak boleh melalui kompleks I tanpa mencapai translokasi proton. Jika anda menghalang translokasi proton, anda menghalang pengangkutan elektron. Jika anda menghalang pengangkutan elektron, anda menghalang pemindahan proton. Peristiwa mesti berlaku bersama atau tidak sama sekali.

Pembawa pengangkutan elektron adalah khusus, kerana setiap pembawa menerima elektron (dan tenaga bebas yang berkaitan) daripada jenis pembawa terdahulu yang khusus. Elektron berpindah dari kompleks I ke pembawa (Koenzim Q) yang tertanam dengan sendirinya dalam membran. Dari Coenzyme Q elektron dihantar ke kompleks III yang dikaitkan dengan peristiwa translokasi proton yang lain. Perhatikan bahawa laluan elektron adalah dari Kompleks I ke Koenzim Q ke Kompleks III. Kompleks II, kompleks dehidrogenase suksinat, adalah titik permulaan yang berasingan, dan adalah bukan sebahagian daripada laluan NADH.

Dari Kompleks III laluannya adalah ke cytochrome c kemudian ke Kompleks IV (cytochrome oxidase complex). Lebih banyak proton dialihkan oleh Kompleks IV, dan di tapak inilah oksigen mengikat, bersama-sama dengan proton, dan menggunakan pasangan elektron dan tenaga bebas yang tinggal, oksigen dikurangkan kepada air. Oleh kerana oksigen molekul adalah diatomik, ia sebenarnya memerlukan dua pasangan elektron dan dua kompleks sitokrom oksidase untuk melengkapkan urutan tindak balas bagi pengurangan oksigen. Langkah terakhir dalam pengangkutan elektron ini berfungsi sebagai fungsi kritikal untuk mengeluarkan elektron daripada sistem supaya pengangkutan elektron boleh beroperasi secara berterusan.

Pengurangan oksigen bukanlah satu penghujungnya. Oksigen berfungsi sebagai penerima elektron, membuka jalan bagi pembawa dalam urutan untuk dioksidakan semula supaya pengangkutan elektron dapat diteruskan. Dalam mitokondria anda, jika tiada oksigen, atau dengan kehadiran racun seperti sianida, tiada salur keluar elektron. Semua pembawa kekal berkurangan dan produk Krebs menjadi tidak seimbang kerana sesetengah tindak balas Krebs memerlukan NAD atau FAD dan sesetengahnya tidak. Walau bagaimanapun, anda tidak begitu peduli tentang itu kerana anda sudah mati. Tujuan pengangkutan elektron adalah untuk memulihara tenaga dalam bentuk kecerunan kemiosmotik. Kecerunan, seterusnya, boleh dieksploitasi untuk pemfosforilasi ADP serta untuk tujuan lain. Dengan pemberhentian metabolisme aerobik kerosakan sel adalah serta-merta dan tidak dapat dipulihkan.

Daripada suksinat, urutannya ialah Kompleks II kepada Koenzim Q kepada Kompleks III kepada sitokrom c kepada Kompleks IV. Oleh itu terdapat laluan pengangkutan elektron biasa di luar titik masuk, sama ada Kompleks I atau Kompleks II. Proton tidak dipindahkan di Kompleks II. Tidak ada tenaga bebas yang mencukupi daripada tindak balas dehidrogenase suksinat untuk mengurangkan NAD atau mengepam proton di lebih daripada dua tapak.

Adakah ETS satu jujukan?

Sebelum pembangunan model mozek cecair membran, ETS digambarkan sebagai rantai, di mana setiap kompleks ditetapkan dalam kedudukan berbanding yang seterusnya. Kini diterima bahawa sementara kompleks membentuk 'pulau' dalam membran bendalir, mereka bergerak secara bebas antara satu sama lain, dan bertukar elektron apabila mereka berada dalam jarak yang berdekatan. Buku teks semestinya menunjukkan ETS sebagai urutan fizikal kompleks dan pembawa. Ini mempunyai kesan tidak disengajakan yang membayangkan bahawa mereka semua terkunci di tempatnya. Sifat cecair membran membolehkan pertukaran elektron berlaku dalam tabung uji yang mengandungi serpihan membran.

Lokasi kompleks ETS pada membran dalam mempunyai dua akibat utama. Dengan terapung dalam ruang dua dimensi, kemungkinan pembawa membuat pertukaran adalah lebih tinggi berbanding jika mereka berada dalam larutan dalam ruang tiga dimensi matriks. Mereka terdedah kepada bahagian matriks membran, sudah tentu, untuk akses kepada suksinat dan NADH, tetapi mempunyai mobiliti terhad. Kedua, lokasi ETS pada membran dalaman membolehkan mereka mewujudkan kecerunan chemiosmotic.

Laluan elektron dan perencatan

Inhibitor pengangkutan elektron bertindak dengan mengikat satu atau lebih pembawa elektron, menghalang pengangkutan elektron secara langsung. Perubahan dalam kadar pelesapan kecerunan kemiosmotik tidak mempunyai kesan ke atas kadar pengangkutan elektron dengan perencatan sedemikian. Malah, jika pengangkutan elektron disekat kecerunan kemiosmotik tidak dapat dikekalkan. Tidak kira apa substrat yang digunakan untuk menjana pengangkutan elektron, hanya dua titik masuk ke dalam sistem pengangkutan elektron yang diketahui digunakan oleh mitokondria. Akibat daripada mempunyai laluan berasingan untuk kemasukan elektron ialah perencat ETS boleh menjejaskan satu bahagian laluan tanpa mengganggu bahagian lain. Pernafasan masih boleh berlaku bergantung pada pilihan substrat.

Perencat boleh menyekat pengangkutan elektron secara cekap dengan mengikat secara tidak boleh balik pada tapak pengikatan. Contohnya, sianida mengikat sitokrom oksidase untuk menghalang pengikatan oksigen. Pengangkutan elektron dikurangkan kepada sifar. Bernafas sepuasnya - anda tidak boleh menggunakan mana-mana oksigen yang anda ambil. Rotenone, sebaliknya, mengikat secara kompetitif, supaya aliran elektron mengalir dibenarkan. Walau bagaimanapun, kadar pengangkutan elektron terlalu perlahan untuk mengekalkan kecerunan.


Fosforilasi Oksidatif

Abstrak:

Rantai pengangkutan elektron (ETC) ialah pengguna utama O2 dalam sel mamalia. ETC menghantar elektron dari NADH dan FADH2 ke kompleks protein dan pembawa elektron mudah alih. Coenzyme Q (CoQ) dan cytochrome c (Cyt c) ialah pembawa elektron mudah alih dalam ETC, dan O2 ialah penerima elektron terakhir. Pengangkutan malat dan gliserol 3-P menjana semula NAD+ sitoplasma untuk glikolisis, dan menyampaikan setara pengurangan kepada mitokondria ETC. Inhibitor fosforilasi oksidatif menangkap respirasi selular. Uncoupler mengasingkan pengoksidaan daripada fosforilasi, dan membantu menjana haba apabila haiwan menyesuaikan diri dengan sejuk.


Mitokondria dan kematian sel

Dalam kebanyakan model kecederaan atau penyakit sel, ketakterbalikan kecederaan sel ditentukan terutamanya oleh aspek biologi mitokondria. Kematian sel secara umumnya diklasifikasikan sebagai apoptosis atau nekrotik – diprogramkan atau tidak sengaja – walaupun sempadan antara bentuk kematian sel tidak selalu ditakrifkan dengan begitu jelas. Kematian sel apoptosis memainkan peranan penting dalam perkembangan awal dan kemudian dalam kehidupan, dalam mengeluarkan sel yang rosak tanpa kehilangan tenaga yang berkaitan dengan kematian sel nekrotik. Apoptosis ialah proses yang bergantung kepada tenaga, aktif dan diselaraskan manakala nekrosis lazimnya adalah hasil daripada kegagalan metabolik yang membawa kepada keruntuhan bertenaga, pecahan kecerunan ion, pembengkakan sel dan kekacauan struktur.

Mekanisme utama yang mendorong kematian sel nekrotik ialah pembukaan mPTP. Pembukaan liang terlibat dalam pelbagai keadaan penyakit yang semakin meningkat dalam banyak tisu yang berbeza, walaupun kes eksperimen yang paling kuat mungkin terletak pada kematian sel semasa iskemia dan kecederaan reperfusi dalam jantung. Ini penting dan menarik kerana liang adalah sasaran terapeutik yang berdaya maju dan oleh itu pengenalan penglibatannya membawa implikasi peluang terapeutik.

Pertama kali diterangkan oleh Hunter dan Hapworth, kehilangan mendadak penghalang kebolehtelapan mitokondria berikutan penambahan Ca 2+ atau pro oksidan kemudiannya ditunjukkan hasil daripada pembukaan liang konduktans yang besar dalam membran mitokondria dalam yang cukup besar untuk memerangkap deoksiglukosa. 59 Pembukaan liang menyebabkan keruntuhan potensi membran mitokondria, pengurangan ATP dan perkembangan pesat kepada kematian sel. Telah dicadangkan bahawa liang dijana oleh transformasi protein membran dengan fungsi ‘normal’ lain menjadi konfigurasi pembentukan liang – calon yang digemari ialah translocase nukleotida adenine (ANT), kerana protein ini boleh menjalani Bergantung kepada Ca 2+ bertukar kepada konformasi membentuk liang, dan pembukaan liang dimodulasi oleh ubat-ubatan yang mengikat kepada ANT. Eksperimen baru-baru ini pada tisu daripada tetikus kalah mati ANT telah menimbulkan tanda tanya pada model ini menyebabkan identiti molekul liang tidak menentu. Walau bagaimanapun, adalah jelas bahawa pembukaan liang dikawal oleh cyclophilin D (CypD) protein matriks, yang mengikat kepada siklosporin A (CsA), menghalang pembukaan liang. Perlindungan oleh CsA kini telah menjadi penanda aras untuk pembukaan liang dan kini digunakan dalam ujian klinikal untuk penglibatan mPTP dalam pelbagai patologi. Peranan mPTP dalam kematian sel semasa iskemia dan reperfusi dalam jantung adalah jelas dan tidak jelas, dan saiz infark jelas berkurangan dalam kalah mati CypD. 60,61 Perlindungan terhadap pelbagai patologi kini telah ditunjukkan dalam kalah mati CypD, termasuk pengurangan kerosakan strok, dan perlindungan daripada ensefalopati alahan eksperimen. 62 Oleh itu, pengecaman kematian sel sebagai nekrotik tidak semestinya bermakna kecederaan itu tidak boleh dirawat.

Kematian atau apoptosis sel terprogram berlaku melalui dua laluan isyarat: (i) laluan ekstrinsik yang melibatkan reseptor permukaan sel yang memuncak dalam pengaktifan caspase 8 dan (ii) laluan intrinsik yang memerlukan permeabilisasi membran luar mitokondria. 63 Peranan kompleks mitokondria dalam kematian sel mamalia telah diserlahkan apabila beberapa kajian menjelaskan protein mitokondria pemastautin dapat merangsang kematian sel secara langsung. 2,63,64 Di bawah keadaan selular biasa, protein ini berada dalam ruang antara membran, dan sebagai tindak balas kepada rangsangan kematian dilepaskan ke dalam sitosol. Mereka menggalakkan kematian sel dengan mengaktifkan caspases dan/atau menyahaktifkan perencat sitosolik proses ini. Oleh itu, laluan intrinsik adalah keseimbangan yang halus antara mitokondria dan pelbagai faktor sitosol dan keseimbangan inilah yang mengawal integriti selular.

Protein apoptogenik dan mitokondria

Sitokrom c, komponen penting rantai pengangkutan elektron memulakan apoptosis apabila dibebaskan daripada mitokondria. 65 Setelah dilepaskan, sitokrom c mengikat kepada Apaf-1. Penstabilan lanjut dan pengikatan ATP ke Apaf-1/sitochrome c hasil yang kompleks dalam oligomerisasi dan pembentukan apoptosom (Rajahਃ). Kompleks multimerik ini mendedahkan domain CARD Apaf-1, menghasilkan konformasi terbuka. Kompleks ini mampu merekrut procaspase-9, dan membentuk apoptosom aktif. 66 Hanya caspase-9 yang boleh membelah dan mengaktifkan caspase-3 algojo hiliran. Kajian kehilangan fungsi pada tikus menunjukkan bahawa sitokrom mati c adalah mematikan embrio, bagaimanapun, pada tahap keseluruhan organisma, adalah sukar untuk membezakan sama ada ini sebahagian besarnya disebabkan oleh peranannya dalam fosforilasi oksidatif atau kematian sel. 63 Kajian sel stem embrio dan fibroblas daripada tikus ini menunjukkan kepentingan sitokrom c dari segi rangsangan kematian. Sebagai tindak balas kepada UV, γ-penyinaran dan rawatan dengan ubat kemoterapi, sel gagal menunjukkan aktiviti caspase dan pada asasnya tahan terhadap apoptosis. 64

Pengaktifan apoptosis melalui laluan intrinsik. Rangsangan apoptosis mengaktifkan protein BH3 sahaja, secara serentak menyahaktifkan Bcl-2 dan mengaktifkan translokasi Bax ke mitokondria. Bak dipegang oleh Mcl-1, VDAC2 dan Bcl-xL. Bax/Bakoligomerisasi menghasilkan sitokrom c lepaskan dan MOMP. apaf-1 diaktifkan oleh sitokrom c mengikat, menggantikan domain CARD. Bentuk apoptosom dengan caspase-9, mengaktifkan caspase-3 dan mencetuskan apoptosis.

Bcl-2 adalah contoh pertama onkogen yang menghalang kematian sel daripada menggalakkan percambahan. 67 Keluarga protein Bcl-2 dikelaskan kepada dua kumpulan, pro-survival (Bcl-xL, Bcl-w, A1 dan Mcl-1) dan pro-apoptosis (Bax, Bak, Bok, Bid, Bim, Bad, Noxa dan Puma). 68,69 Protein apoptogenik selanjutnya boleh diklasifikasikan mengikut jumlah domain homologi Bcl-2 yang terkandung di dalamnya. Kelas protein BH3 sahaja mengandungi domain BH3 dan heliks amphipatik yang bertanggungjawab untuk interaksi dengan ahli keluarga Bcl-2. 70 Majoriti protein BH3 sahaja berpindah ke membran luar mitokondria apabila rangsangan kematian. Penempatan semula ke mitokondria adalah peringkat kritikal dan penting dalam kematian sel kerana ia adalah interaksi protein BH3 sahaja dengan ahli keluarga Bcl-2 pro-apoptosis (Bax dan Bak) yang menggalakkan kematian sel. 70 Translokasi protein BH3 sahaja ini berlaku serentak dengan perubahan konformasi dan oligomerisasi Bax dan Bak seterusnya pada permukaan mitokondria. 71

Dalam sel mamalia yang berdaya maju Bax terletak di dalam sitosol dengan jumlah kecil yang longgar dikaitkan dengan permukaan merekamitokondria. 72 Kitaran Bax di dalam dan di luar membran luar di mana ia ditranslokasi semula ke sitosol oleh Bcl-xL. 73 Ini mungkin pusat pemeriksaan kawal selia untuk memastikan tahap Bax pada mitokondria tidak terkumpul ke tahap yang mengakibatkan pengaktifan automatik. Sebaliknya, apabila rangsangan apoptosis Bax mengalami perubahan konformasi dua langkah di mana kawasan terminal-C hidrofobik yang pernah disembunyikan dalam poket hidrofobik terdedah menyebabkan protein dipindahkan ke mitokondria. 74 Perubahan konformasi kedua berlaku apabila heliks 㬕 dan 㬖 dimasukkan terus ke dalam membran luar, yang memuncak dalam permeabilisasi membran luar mitokondria (MOMP) dan sitokrom c lepaskan. 75 Mekanisme yang mencetuskan perkaitan Bax dengan permukaan mitokondria dalam sel yang sihat tidak jelas, bagaimanapun, eksperimen yang dilakukan dengan liposom mencadangkan bahawa sentuhan dengan lapisan dwi lipid mungkin mencukupi. 76 Sebagai tambahan kepada Bcl-xL pusat pemeriksaan yang menghalang tahap maut pengumpulan Bax pada mitokondria, komposisi membran luar itu sendiri, iaitu kandungan kolesterol boleh menghalang perubahan konformasi lengkap yang diperlukan untuk mengaktifkan apoptosis. 77 Regulasi Bax ialah proses kompleks yang memerlukan banyak protein tambahan termasuk Bak pro-apoptosis. Bak ialah protein pemastautin membran luar mitokondria dan dipegang dalam keadaan tidak aktif oleh VDAC2, Mcl-1 dan Bcl-xL. 78,79 Seperti Bax, ia memerlukan protein BH3 sahaja untuk oligomer dan menyebabkan MOMP. 80 Pada awal proses pengaktifan, domain BH3 Bak terdedah dan seterusnya berinteraksi dengan alur hidrofobik molekul Bak yang lain. 81 Adalah dicadangkan bahawa Bax dan Bak yang baru dioligomerkan membentuk liang peralihan, membenarkan protein apoptogenik, seperti sitokrom. c untuk melalui, membentuk apoptosom aktif dan mencetuskan caspases algojo hiliran untuk melengkapkan proses apoptosis. 82,83


Biosintesis komponen sel

Biosintesis komponen sel (anabolisme) boleh dianggap berlaku dalam dua peringkat utama. Pada yang pertama, sebatian perantaraan laluan pusat metabolisme dialihkan daripada katabolisme selanjutnya dan disalurkan ke laluan yang biasanya membawa kepada pembentukan molekul yang agak kecil yang berfungsi sebagai blok bangunan, atau prekursor, makromolekul.

Pada peringkat kedua biosintesis, blok binaan digabungkan untuk menghasilkan makromolekul—protein, asid nukleik, lipid dan polisakarida—yang membentuk sebahagian besar tisu dan komponen selular. Dalam organisma yang mempunyai keupayaan genetik yang sesuai, sebagai contoh, semua asid amino boleh disintesis daripada ammonia dan perantaraan laluan utama pemecahan dan pengoksidaan karbohidrat. Perantaraan tersebut juga bertindak sebagai prekursor untuk purin, pirimidin, dan gula pentosa yang membentuk DNA dan untuk beberapa jenis RNA. Pengumpulan protein memerlukan gabungan tepat asid amino tertentu dengan cara yang sangat teratur dan terkawal ini seterusnya melibatkan penyalinan, atau transkripsi, ke dalam RNA bahagian tertentu DNA (lihat di bawah Asid nukleik dan protein). Oleh itu, peringkat pertama biosintesis memerlukan kekhususan yang biasanya diperlukan untuk berfungsi dengan cekap urutan tindak balas bermangkin enzim. Peringkat kedua juga melibatkan—secara langsung untuk sintesis protein dan asid nukleik, kurang secara langsung untuk sintesis makromolekul lain—penyelenggaraan dan ekspresi maklumat biologi yang menentukan identiti sel, tisu dan organisma.


Penjelasan Langkah demi Langkah Sistem Pengangkutan Elektron

Sistem pengangkutan elektron boleh diringkaskan ke dalam langkah-langkah berikut:

Langkah 1: Penjanaan daya motif proton

Dalam langkah pertama rantai pengangkutan elektron, NADH + dan FADH2 molekul glikolisis dan kitaran Kreb masing-masing dioksidakan menjadi NAD + dan FAD, bersama-sama dengan pembebasan elektron dan proton tenaga tinggi. Elektron meresap ke dalam membran dalam mitokondria yang terdiri daripada satu siri kompleks protein yang besar.

Laluan elektron dari satu protein pembawa ke yang lain mengakibatkan kehilangan beberapa tenaga atau ATP. ATP kemudiannya digunakan oleh kompleks protein untuk memindahkan proton dari matriks ke ruang antara membran. Oleh itu, resapan proton merentasi membran mitokondria dalam diantarkan melalui kemiosmosis, yang mewujudkan a daya motif proton merentasi kecerunan elektrokimia.

Langkah 2: Sintesis molekul tenaga tinggi ATP

Ion H + menjana daya motif proton yang memudahkan menuruni bukit pergerakan melintasi kecerunan kepekatan membran dalam mitokondria. Ion H + cenderung untuk meresap kembali ke dalam matriks mitokondria melalui protein saluran melalui a enzim transmembran (ATP synthase), dan dengan itu menghasilkan ATP.

Langkah 3: Pengurangan oksigen

Untuk kesinambungan sistem pengangkutan elektron, elektron yang dinyahtenaga mesti dilepaskan keluar melalui penerima elektron. O2molekul. Oksigen menerima elektron dari kompleks keempat. Akhirnya, pembawa oksigen mengaitkan dengan proton percuma dan berkurangan kepada hasil H2O.

Komponen ETS

Sistem pengangkutan elektron ialah gabungan unsur-unsur berikut:

Kompleks I

Ia terdiri daripada flavin mononucleotide dan protein besi-sulfur. Kompleks I atau "NADH dehidrogenase” mengoksidakan NADH + menjadi NAD + dan membebaskan dua elektron dan empat proton. NADH dehidrogenase mengepam keluar empat proton daripada matriks kepada sitosol dan memindahkan dua elektron dalam membran mitokondria dalam. Oleh itu, NADH dehidrogenase mencipta kepekatan ion H + yang tinggi merentasi kecerunan elektrokimia.

Koenzim-Q atau “Ubiquinone” menghubungkan kompleks I dan II. Ubiquinone adalah kompleks larut lipid, yang boleh bergerak bebas dalam teras hidrofobik daripada membran mitokondria. Q berkurang menjadi QH2 and delivers its electron to the third complex. Coenzyme-Q receives the electron released from the NADH and FADH2 molekul.

Complex II

It consists of an enzyme, “Succinate dehydrogenase”, and contains iron and succinate. Complex II oxidizes FADH2 ke dalam FAD + . Succinate dehydrogenase plus FADH2 directly transfers the electrons to the ETC, bypassing complex I. It does not energize the complex I and produce a few ATPs.

Kompleks III

Cytochrome-b, Oxidoreductase atau complex III consists of Fe-S protein with Rieske centre (2Fe-Fs). In cytochromes, the prosthetic group is heme, carrying electrons. As the electrons pass, the iron is reduced to Fe 2+ and oxidized to Fe 3+ . Therefore, cytochrome-b transfers electrons to the next complex, i.e. cytochrome c.

Sitokrom c

Cytochrome-c also contains Fe-S protein and prosthetic heme group. It only accepts one electron at a time and further transports electrons to the fourth complex.

Complex IV

It is composed of Cytochrome a dan a3, which contains two heme groups (one in each). Cytochrome-a3 consists of three copper ions (two CuA dan one CuB). The function of complex IV is to hold the oxygen carrier firmly between the iron and copper ions until the reduction of oxygen into a water molecule. Oxygen combines with the two proton molecules and releases water by maintaining the membrane ion potential.

Complex V

It is the protein ion channel consisting of a transmembrane enzyme (ATP-synthase or ATP-synthase complex). Complex V allows the passage of protons from a high to low concentration terhadap the potential gradient. The chemiosmotic passage of the protons results in molecular rotation of the enzyme ATP synthase and thereby causing a release of ATP.

Electron Transport Chain Summary

ETS refers to a system producing energy in the form of ATP via a series of chemical reactions. The ETS is located in the inner membrane of mitochondria, containing electron carrier protein complexes, electron carriers and channel proteins. Electrons pass from one complex to the other by redox reactions.

The free energy during electron transfer is captured as a proton gradient and used up by the ATP synthase to derive ATP. The electron carrier Co-Q receives the electrons formed by the reduction of FADH2 and NADH. Coenzyme-Q reduces into QH2 and passes the electrons to the third protein complex (cyt-b).

Complex III contains a heme group, where the Fe 3+ reduces into Fe 2+ after accepting the electrons coming from Co-Q. The third complex further transfers the electrons to cyt-c, where Fe 3+ reduces into Fe 2+ and transfers electrons to the fourth complex.

Complex IV accepts the electrons and transfers them to the oxygen carrier. The oxygen carries the de-energized electrons and combines with the free proton ions in the matrix, and releases waste in the form of water.

Mechanism of Electron Transport System

The electron transport chain sometimes refers to the “Respiratory chain”, which is the third or final stage of respirasi selular. It requires the presence of oxygen to carry out cellular respiration. The energy is produced during the transfer of electrons from one carrier to the other.

A cell harnesses the energy loss during electron transport to pump protons into the cytosol. It creates a chemiosmotic gradient. A chemiosmotic gradient becomes charged by the potential energy of the electrons. Akhirnya, yang tenaga keupayaan converts into chemical energy (ATP) by the ATP synthase complex.

Thus, the electron transport system is an energy-producing mechanism, which obeys the principle of “Takes energy to make energy”. The ETS possesses a series of redox reactions where the electrons lose energy. The membrane uses the energy loss during the diffusion of protons back into the matrix and creates a high energy molecule, ATP.

Location of ETS

The electron transport system and its protein complexes, along with the ATP synthase channel protein, are located in the inner mitochondrial membrane. In a diagram, we could see the site of the electron transport chain, which is present in between the cytosol and matrix.

Disana ada four large protein complexes in the electron transport chain, which mediate the transfer of electrons. In addition to protein complexes, there are individual electron carriers present like Co-Q dan Cyt-C.

Both coenzyme-Q and cytochrome-C are diffusible electron carriers, which can travel within the membrane. Besides this, there is one ion channel protein (ATP-synthase) that mediates the transport of protons down the concentration gradient by generating ATP.

Equation of ETC

The overall reaction in the electron transport chain can be equated in a way given in a picture. In the electron transport chain, per molecule of glucose can produce 34 molecules of ATP, as given in the equation below:


Thus, the net production of energy in the electron transport chain is 34 ATP molekul.


The First Steps of Cellular Respiration

The first step of cellular respiration is glycolysis. Glycolysis occurs in the cytoplasm and involves the splitting of one molecule of glucose into two molecules of the chemical compound pyruvate. In all, two molecules of ATP and two molecules of NADH (high energy, electron carrying molecule) are generated.

The second step, called the citric acid cycle or Krebs cycle, is when pyruvate is transported across the outer and inner mitochondrial membranes into the mitochondrial matrix. Pyruvate is further oxidized in the Krebs cycle producing two more molecules of ATP, as well as NADH and FADH 2 molekul. Electrons from NADH and FADH2 are transferred to the third step of cellular respiration, the electron transport chain.


Stopping the Electron Transport Chain

One of the best ways to understand the function and purpose is to understand what happens if the electron transport chain stops. This can happen from two basic scenarios. The electron transport chain can stop because it does not have a source of electrons, or it can stop because it can no longer pass electrons on.

The first scenario would be caused by something like starvation. Without a source of glucose or other energy-rich molecules, cells would not be able to collect electrons on electron carriers. Without anything to transfer, the chain would simply stop pumping hydrogen ions. In turn, ATP synthase would stop functioning and the entire cell would soon run out of energy and deteriorate.

The second scenario is somewhat more common and happens when cells run out of oxygen. Organisms which are facultative anaerobes are able to use different processes when there is no oxygen for oxidative phosphorylation. In some organisms the process of penapaian allows glycolysis to continue, producing only a small amount of ATP. Without the electron transport chain, the cell still needs to recycle electron carriers. Dalam kes alcohol fermentation, the electron carriers dump their electrons in a reaction which creates etanol as a final product. This allows glycolysis to continue producing ATP, allowing the cells to live through periods of low oxygen content.