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19.1: Reacciones de transferencia de electrones en las mitocondrias - Biología

19.1: Reacciones de transferencia de electrones en las mitocondrias - Biología


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Una descripción general del transporte de electrones mitocondrial

El principal agente oxidante utilizado durante el metabolismo aeróbico es el NAD + (aunque el FAD se utiliza en un solo paso) que se convierte en NADH. A menos que el NAD + pueda regenerarse, la glucólisis y el ciclo de Kreb se detendrán. Las enzimas del ciclo de Kreb y el transporte de electrones se localizan en las mitocondrias.

Por analogía con el mecanismo de acoplamiento en condiciones anaeróbicas, sería útil desde una perspectiva biológica si este transporte de electrones de NADH a dioxígeno, una reacción termodinámicamente favorable (como se calculó en la última guía de estudio, un valor de aproximadamente -55 kcal / mol ), se acoplaron a la síntesis de ATP. ¡Está! Durante años, los científicos intentaron encontrar un intermedio fosforilado de alta energía, similar al formado por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa en la glucólisis, que podría impulsar la síntesis de ATP (que también ocurre en las mitocondrias). No se pudo encontrar ninguno. Peter Mitchell presentó una hipótesis sorprendente, que demostró ser correcta y por la que fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1978. Se demostró que la fuente inmediata de energía para impulsar la síntesis de ATP no proviene de un intermedio fosforilado, sino de un protón. gradiente a través de la membrana interna mitocondrial. Todos los complejos de enzimas en el transporte de electrones se encuentran en la membrana interna de las mitocondrias, a diferencia de las enzimas citoplasmáticas de la glucólisis. Se forma un gradiente de pH a través de la membrana interna que se produce en las mitocondrias que respiran. En el transporte de electrones, los electrones pasan de los portadores de electrones móviles a través de complejos de membranas a otro portador móvil. Inicialmente, NADH lanza electrones (oxidación de 2 electrones, característica de NAD + / NADH), a un derivado de flavina, FMN, unido covalentemente al Complejo I.La forma reducida de FMN luego pasa electrones en pasos de un solo electrón (característica de moléculas similares a FAD, que puede sufrir transferencias de 1 o 2 electrones) a través del complejo hasta el portador de electrones lipófilos, ubiquinona, UQ.

Esto luego pasa los electrones a través del Complejo III a otro portador de electrones móviles, una pequeña proteína, el citocromo C. Luego, el citocromo C pasa los electrones a través del complejo IV, la citocromo C oxidasa, al dioxígeno para formar agua. En cada paso, los electrones pasan a mejores y mejores agentes oxidantes, como se refleja en su creciente potencial de reducción estándar positivo. Por tanto, la oxidación en cada complejo se favorece termodinámicamente.

Jmol: Citocromo C oxidasa actualizado Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

El complejo II (también llamado succinato: quinona oxidorreductasa) es una enzima del ciclo de Kreb que cataliza la oxidación del succinato a fumarato por el FAD unido (de ahí su otro nombre: succinato deshidrogenasa). No participa en el flujo de electrones de NADH a dioxígeno descrito anteriormente, pero pasa electrones del succinato reducido a ubiquinona para formar fumarato y ubicuona reducida que luego puede transferir electrones al citocromo C a través del Complejo III. La estructura cristalina de este complejo ha sido resuelta recientemente por Yankovskaya et al. quienes han demostrado que la disposición de los sitios con actividad redox en el complejo minimiza la oxidación potencial del FADH2 unido por el dióxido, minimizando la producción de especies reactivas de oxígeno dañinas como el superóxido.

Animación del transporte de electrones en las mitocondrias.

Jmol: succinato deshidrogenasa actualizado (complejo II) Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

En cada complejo, la energía liberada por el evento oxidativo se usa para impulsar protones a través de cada complejo desde la matriz hasta el espacio intermembrana de las mitocondrias, y no se usa para formar un anhídrido mixto de alta energía como vimos en el gliceraldehído-3- reacción de fosfato deshidrogenasa. El mecanismo real de transferencia de protones no está claro.

Complejo I - NADH-quinona oxidorreductasa

Ahora exploremos el transporte de electrones con mayor detalle observando los mecanismos de dos complejos específicos, I y IV. Antes de eso, observe una vista detallada de la vía de entrada del transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

El número en recuadro representa el número de comisión de enzimas. Mapa original de KEGG con enlaces incrustados.

Complejo I - NADH-quinona oxidorreductasa

El complejo I se encuentra en la membrana mitocondrial interna de los eucariotas y en la membrana plasmática de las bacterias. El complejo de mamíferos 1 consta de 45 subunidades, 7 de las cuales están codificadas por el gen mitocondrial. Las bacterias tienen solo 13-14 subunidades. La importancia de las subunidades de mamíferos adicionales aún no está clara. A continuación se muestra un modelo de caricatura y la estructura cristalina real del complejo Thermus thermophilus (bacteriano). El dominio hidrófilo o periférico cataliza la transferencia de electrones, mientras que el dominio de la membrana (codificado por el ADN mitocondrial) participa en el transporte activo de protones.

10/7/17: Los siguientes enlaces de Jmol contienen vistas múltiples de partes del complejo, así como de todo el complejo. Se repite varias veces a continuación.

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

Transporte de electrones

El flujo de electrones ocurre de NADH a UQ a ​​través de una serie de portadores de un electrón en el dominio hidrófilo o periférico del complejo 1. La transferencia inicial de electrones ocurre a un cofactor de flavina, FMN, y luego a través de una serie de grupos de Fe / S. En la figura de la izquierda a continuación, estos aceptores de electrones incluyen un grupo tetranuclear Fe / S (SF4 se muestra con relleno espacial amarillo / rojo, un grupo binuclear Fe / S (FE2 / S2) se muestra en azul, un mononucleótido de flavina FMN se muestra en rojo y un MN El ion (II), mostrado en púrpura N1a y N1b son grupos binucleares y N2, N3, N4, N5 y N6 son grupos tetranucleares.

El grupo tetranuclear de Fe / S se basa en la estructura de cubano con Fe y S ocupando esquinas alternas de un cuadrado en una geometría tetraédrica. Cada Fe también está coordinado para tiolar aniones. La estructura real es un cubo distorsionado como se muestra a continuación, junto con el del grupo binuclear, cuyo ángulo de enlace también se desvía de los de un tetraedro.

Muchos estados micro-redox posibles con diferentes potenciales de reducción estándar son posibles para los clústeres tetranucleares de Fe / S, tanto como un ácido poliprótico tiene múltiples valores de pKa. Los dos relevantes para el Complejo I y otros grupos tetranucleares se muestran a continuación:

una. FeIIFe3IIIS4 (CysS) 41- + e- ↔ Fe2IIFe2IIIS4 (CysS) 42- (potenciales de reducción estándar más bajos)

B. Fe2IIFe2IIIS4 (CysS) 42- + e- ↔ Fe3IIFeIIIS4 (CysS) 43- (potenciales de reducción estándar más altos)

Los electrones se pasan individualmente al UQ oxidado en pasos de un electrón para formar UQH2.

Los grupos de Fe-S se sintetizan predominantemente en las mitocondrias, donde sirven como cofactores redox en el transporte de electrones, como se describió anteriormente. Son ubicuos en todas las formas de vida y cumplen funciones además de los cofactores redox per se, ya que cumplen funciones estructurales en proteínas y se utilizan en la señalización redox dentro de la célula a medida que cambian los estados de oxidación. Muchas proteínas que interactúan con el ADN (enzimas reparadoras, polimerasas y helicasas) contienen un grupo de Fe-S.

La evidencia sugiere que colocaron papeles críticos en la evolución abiótica de la vida en ausencia de oxígeno como aceptor de electrones terminal en las reacciones de oxidación exergónica. Cuando la oxidación estuvo disponible, se volvieron potencialmente tóxicos para la célula, ya que el Fe2 + podría participar en reacciones (como la reacción de Fenton) que conducen a la generación de especies reactivas de oxígeno nocivas (como el superóxido). Para prevenir la toxicidad, cuando se administran al citoplasma y al núcleo, deben ser transportados y administrados por proteínas citoplasmáticas de ensamblaje hierro-azufre (CIA).

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El transporte de protones ocurre en el dominio de la membrana.

La evidencia disponible sugiere que 4 protones se mueven desde el citoplasma al espacio periplásmico contra un gradiente de concentración durante un ciclo catalítico del Complejo I en bacterias. Uno parece estar asociado con la reducción de UQ en el grupo N2 tetranuclear terminal de Fe / S. Los otros tres protones se mueven a través del dominio de la membrana.

Los residuos de Nqo4 (proximal al dominio de membrana como se ve en el diagrama KEGG) en la cadena D se han implicado en el flujo de H + al grupo de N2. Estos incluyen, a partir del grupo N2, H169, H170, D86, R350, D401, H129, R279, H89, R125, E122, R249, Y257, Y254, Y260, R296 (los residuos conservados están en negrita). El grupo de N2 terminal está coordinado por dos cadenas laterales de Cys en tándem (C45 y C46) que en su tiolato (forma desprotonada) se ligan al Fe en el grupo. ¿Qué propiedades tienen estos aminoácidos que los hacen candidatos para este flujo de H +?

A continuación se muestra un modelo de flujo de electrones y H + (según Berrisford y Sazanov, JBC, 284, 29773, 2009). Los grupos de hierro-azufre N2 y N6b se representan como O (para oxidado) o R (para reducido). C46 y C45 indican las cisteínas en tándem de la subunidad Nqo6 (más cercana al dominio de membrana). Q / QH2 indican quinona / quinol. Tyr 87 (Y-O) y Glu 49 (D-O) son aceptores de protones. La ruta H indica la ruta de suministro de protones desde el citosol hasta las cisteínas en tándem. Un protón de este ciclo parece transportarse a través de la membrana. ¿Qué sucede con los otros dos protones que se muestran en el diagrama?

El dominio de membrana transporta protones adicionales. Los dominios transmembrana NuoL, M, N, A / J / K y H se muestran a continuación. Los dominios L, M y N tienen estructuras similares a las proteínas implicadas en el movimiento acoplado de K + / H + en direcciones opuestas a través de una membrana (antiportador). Hay hélices discontinuas en cada subunidad. Los posibles residuos en la discontinuidad enterrados en las hélices de la membrana son Glu 144 y Lys 234. ¿Esperaría encontrarlos enterrados en la membrana? Si son parte de un canal sin abrir que está expuesto a un cambio conformacional concertado a través de 3 dominios de proteínas de membrana similares, ¿cómo participarían en la transferencia de protones?

Figura: Dominio transmembrana del complejo I de T. Thermophilus

Al mirar las tres subunidades antiportadoras L, M y N de la izquierda, observe una gran hélice que se extiende horizontalmente a través de todas ellas. ¿Cómo podría funcionar esa hélice para acoplar el movimiento de los protones a través de todas las subunidades antiporter (L, M y N)? (Pista: piensa mecánicamente)

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Inhibición del complejo I

El complejo I es inhibido por más de 60 familias diferentes de compuestos. Incluyen el clásico inhibidor del Complejo I rotenona y muchos otros insecticidas / acaricidas sintéticos. Las clases incluyen: Clase I / A (cuyo prototipo es Piericidina A), Clase II / B (cuyo prototipo es Rotenona) y Clase C (cuyo prototipo es Capsaicina). Parecen unirse en el mismo sitio. De la estructura de los 3 prototipos, ¿cuáles son las características del farmacóforo, el “ligando de unión ideal”? ¿Dónde se unen probablemente? ¿Qué tan "promiscuo" es el sitio de unión?

Muchas enfermedades neurológicas devastadoras están asociadas con defectos en el Complejo I. Además de los principales problemas con la producción de ATP oxidativo, aumentan las especies reactivas de oxígeno (ROS). Los sitios principales para la generación de ROS son el Complejo 1 y el Complejo III. Dadas las ubicaciones de los portadores de electrones en la periferia y en el interior del complejo proteico, ¿qué portadores de electrones podrían filtrar más fácilmente electrones al dioxígeno? ¿Qué ROS es probable que se forme en el proceso?

Los inhibidores pueden bloquear el acceso de UQ o cambios conformacionales necesarios para la reducción final del radical libre ubiqinona. Los inhibidores de clase A aumentan drásticamente la producción de ROS. El sitio real de producción de ROS en Complex es un poco controvertido. Un posible donante de electrones a dioxígeno es FMN. ¿Por qué es este un candidato probable? Los mutantes que carecen del grupo N2 hierro-azufre mostraron producción de ROS. ¿Es esto consistente con la participación del sitio FMN en la producción de ROS?

En las preparaciones submitocondriales, se produce una actividad normal del Complejo I (que conduce a la formación de un gradiente de protones sostenido). También puede ocurrir el transporte inverso de electrones, impulsado por un gradiente de protones artificial, lo que conduce a la reducción de NAD + (ver diagrama a continuación).

Figura: Complejo de transporte de electrones normal e inverso I

A continuación se ofrece un resumen de los hallazgos sobre la producción de superóxido por el Complejo I:

  • La producción de superóxido es inhibidores del sitio de flavina pero no inhibidores del sitio Q.
  • El transporte inverso de electrones conduce a la reducción de NAD + y O2
  • Tanto la flavina como los inhibidores del sitio Q inhiben la producción de superóxido por transporte inverso de electrones

Con base en estos hallazgos, ¿qué sitio, el sitio de flavina o Q, está involucrado en la producción de superóxido?

Complejo III

El complejo III es una proteína compleja de múltiples subunidades. Las subunidades involucradas en la transferencia de electrones son el citocromo b, el citocromo c1y la proteína de azufre de hierro de Rieske (ISP). El citocromo b tiene dos hemes. Uno es cyto b562 que también se llama hemo de bajo potencial o citobL. El otro es cyto b566 que se llama hemo de alto potencial o citobH. El citocromo c1 subunidad tiene un hemo.

Los siguientes enlaces de Jmol contienen múltiples vistas del complejo. Se repite varias veces a continuación.

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

La proteína de azufre de hierro de Rieske tiene un Fe2S2 grupo de hierro y azufre que se diferencia de otros grupos de este tipo en que cada Fe también está coordinado con dos cambios de lado de His, como se muestra en la figura siguiente. Las alteraciones en los enlaces de H a las histidinas y a los azufres en el complejo pueden afectar drásticamente el potencial de reducción estándar del grupo.

Jmol: Centro Rieske del Complejo III Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Al igual que con los complejos I y IV, la transferencia de protones y electrones son procesos acoplados. Sin embargo, a diferencia del Complejo I, en el que los protones atraviesan dominios de proteínas que tienen homología con K+/ H+ antiportadores y el Complejo IV, en el que atraviesan una combinación de un canal de agua y la red de enlaces H, los protones del Complejo III son transportados a través de la membrana interna por la propia ubiquinona. Dos ubiquinonas reducidas (UQH2) del complejo I paso sus cuatro protones derivados de la matriz al espacio de la membrana interna. En el proceso, se eliminan cuatro electrones en un proceso de varios pasos llamado ciclo Q.

Los dos electrones de cada UQH2 tomar diferentes caminos. Un electrón se mueve a un grupo de Rieske Fe / S y el otro al citocromo bL. Los electrones se trasladaron al centro de Rieske y luego se trasladaron al citocromo c1sy luego al citocromo C portador de electrones móviles que está unido al complejo en el espacio intermolecular. Los electrones se trasladaron al cito bLs se transfieren al citocromo bH en el complejo. Aunque este último camino, dos electrones (de dos UQH2) luego se mueven a UQ oxidado, y se agregan dos protones de matriz para reformar un UQH2. Por lo tanto, solo una UQH2 participa en la reacción neta que se muestra a continuación.

Ayuda rápida2 + 2 cito c3+ + 2H+matriz → Q + 2 cito c 2+ + 4H+SOY S

Esta reacción global neta, el ciclo Q, se ilustra a continuación. Esta reacción global neta, el ciclo Q, se ilustra a continuación.

Una vez más, no hay canales de "protones" o redes de enlaces H en la proteína para la transferencia de protones a través de la membrana interna.

La siguiente figura muestra la posición relativa del portador de electrones móviles unido, el citocromo C, y los internos, el grupo Rieske Fe / S y el citocromo bL y bH. Observe también la molécula de estigmatina A, que se une al sitio donde UQ se reduce (llamado sitio Qo) e inhibe el complejo. Esto muestra que UQ / UQH2 están en posición de reaccionar fácilmente con el galope de Rieske y el citocromo bL hemo.

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

Otra forma de pensar sobre el proceso de transferencia de electrones desde UQH2 al citocromo C es que los 2 electrones de UQH2 toman dos caminos diferentes, uno un camino de alto potencial al centro de Rieske y al citocromo C, y otro camino de bajo potencial al hemo bL y luego al hemo bH y luego a UQ para reforma UQH2 (ver figura anterior).

El Complejo III, junto con el Complejo I, también puede producir especies reactivas de oxígeno (ROS) no deseadas. Solo tres de las subunidades de proteínas, el citocromo b (con el bL y BH hemes), citocromo c1, y la proteína de azufre de hierro de Rieske (ISP) están involucrados en la transferencia de electrones, por lo que uno de ellos probablemente esté involucrado en la producción de ROS. Los experimentos y los modelos matemáticos apoyan un mecanismo que implica una reducción de UQ mediante la adición de un electrón del citocromo bL para formar UQ. que luego pasa su electrón al dioxígeno para formar superóxido (O2-.).

Como dos ubiquinonas deben unirse al complejo, debe haber dos sitios proximales. Uno es el sitio Qi donde el UQ oxidado se une y recibe un electrón. El otro es el sitio Qo donde UQH2 se une.

Desde una perspectiva cinética, el primer UQH2 une y transfiere dos electrones, uno al grupo de Rieske (y luego al citocromo c1 y luego al citocromo C) y uno al citocromo bL (y en hem bH) y luego a un UQ oxidado unido en el sitio Qi. La UQ. El radical es estabilizado por el hemo bH adyacente que tiene una afinidad menor por los electrones. Ahora una segunda UQH2 se une al sitio Qo y transfiere dos electrones, nuevamente uno a través del grupo de Rieske y el segundo a través del citocromo bL y bH al UQ. Radical presente en el sitio Qi para formar UQH2 después de que se le hayan transferido dos protones desde la matriz.

Ahora una segunda UQH2 se une al sitio Qo y transfiere dos electrones, nuevamente uno a través del grupo de Rieske y el segundo a través del citocromo bL y BH a la UQ. Radical presente en el sitio Qi para formar UQH2 después de que se le hayan transferido dos protones desde la matriz.

La antimicina A, un fármaco extremadamente tóxico, se une al sitio UQ Qi y, por lo tanto, bloquea la transferencia de electrones del citocromo bL a bH en el sitio de Qi. Hem bL luego puede pasar su electrón al dioxígeno para producir superóxido.

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Complejo IV - Citocromo C oxidasa (CCOx)

La estructura del complejo IV se muestra en la figura de la izquierda y a la derecha en un diagrama tomado de las vías de KEGG (con permiso).

El citocromo C, el "sustrato" inicial de este complejo, entrega electrones de su cofactor hemo a un grupo de cobre dinuclear, CuA. Desde allí, los electrones fluyen a un hemo adyacente a (espín bajo) que los transfiere a otro hemo a3 (espín alto) y finalmente al dioxígeno que se coordina con el Fe en el hemo a3 y con un CuB adyacente. El cúmulo dinuclear hemo a3 Fe: Cu es único entre todos los hemes. ¿Cuál de los hemes es más probable que tenga dos cadenas laterales coordinadas con el hemo de hierro? ¿Uno?

13/7/17: Los siguientes enlaces de Jmol contienen múltiples vistas del complejo. Se repite varias veces a continuación.

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

Primero, consideremos la transferencia de electrones del hemo a al hemo a3 a dioxígeno (consideraremos la entrada de electrones en el complejo más adelante). ¿Cuál sería la consecuencia si el dioxígeno, un sustrato de la reacción, se disociara del hemo a3 Fe antes de que se redujera por completo? Sugiera una razón para que la evolución de esta enzima clave haya producido el cúmulo dinuclear hemo a3 Fe: Cu único. El hemo a y el a3 varían del hemo en la hemoglobina, ya que ambos tienen un grupo formilo que reemplaza un grupo metilo y un grupo hidroxietilfarnesilo añadido a un sustituyente vinilo. Su estructura se muestra a continuación. ¿Cuál es su carga general del hemo en su estado reducido? ¿En su estado oxidado?

El desafío clave ha sido comprender el acoplamiento redox al transporte de H +. ¿Cómo se hace esto? El grupo formilo en el hemo es coplanar con el hemo en ambos estados de oxidación. ¿Cómo podría esta coplanariedad afectar la carga en el hemo?

Figura: Grupo hemo-formilo de la citocromo C oxidasa

De la figura anterior, ¿qué tipo de interacción probablemente ocurriría entre Arg 38 (R38) y el grupo formilo? ¿Qué podría ocurrir con el estado de protonación de las cadenas laterales de proteínas adyacentes, específicamente Arg 38 (R38) en la reducción del hemo? ¿Cómo vincularía la transferencia de electrones y protones?

¿Cómo podría un electrón ser "transportado" la distancia de 20 ½ desde el cúmulo dinuclear de CuA al Fe en el hemo ay finalmente al dioxígeno? La transferencia de H + no ocurre por el movimiento físico de un protón individual a través de un "poro de protón". ¿Cuál es el mecanismo de transferencia más probable? Considere la relación entre la masa de un protón y un electrón. ¿Cuál es más probable que muestre un comportamiento ondulatorio?

Las estructuras cristalinas de CCOx oxidada y reducida muestran canales de agua y pequeñas "cavidades" que, según los cálculos, pueden contener de 1 a 3 moléculas de agua. Por lo tanto, los grupos alrededor del hemo, incluido el R38, son evaluables al agua. ¿Cuál podría ser la función / papel de las aguas en el canal? Algunos de los residuos de aminoácidos asociados con los canales de agua se muestran en la figura siguiente e incluyen R38, S34, T 424, S461, S382, H413. ¿Cómo podrían estos aminoácidos estar involucrados en la transferencia de protones? Dibuja una flecha en el diagrama que muestre la dirección del flujo de protones.

Figura: Transferencia de protones en la citocromo C oxidasa

Otra consecuencia de la transferencia de electrones al hemo a implica la interacción de S382 y el grupo farnesil OH, que están cerca en el espacio y próximos a una cavidad de agua. ¿Cómo podrían interactuar? Al reducir el hemo, se produce un cambio de conformación que aumenta el grupo S382-farnesil OH. ¿Qué efecto tendría esto en la interacción de los dos y la conformación localizada S382-L381-Val380? Una nueva cavidad de agua parece emerger al reducirse en esta región. ¿Cómo podría afectar esto a la transferencia de protones de la matriz?

Ahora consideremos el sitio de entrada de los electrones en el complejo y cómo podrían influir en el transporte de protones. Los estudios estructurales y funcionales muestran un papel clave para Asp 51 (D51) (ver figura anterior). En el estado oxidado, D51 interactúa con dos cadenas laterales OH y grupos de estructura amida NH pero no está expuesta al agua. Al reducirse, D51 se encuentra en la superficie en un ambiente acuoso. Dibuje ambas cadenas laterales en su probable estado de protonación tanto en el complejo oxidado como en el reducido. ¿Cuáles son las consecuencias de estas estructuras para el transporte de protones?

Cerca de D51 está Y440-S441. El grupo carbonilo de la columna vertebral entre 440 y 441 forma una interacción "indirecta" con R38 que mostramos anteriormente se ve afectada por el estado redox del hemo a. Están demasiado separados para formar enlaces H. Muestre agregando dos aguas cómo podría ocurrir una interacción entre el carbonilo O y la cadena lateral R38 a través de Y371. También muestre cómo el agua que interactúa con Y371 también forma un enlace H con el propionato de hemo.

Figura: Papel de los aminoácidos cerca de D51 en la citocromo C oxidasa

¿Cómo podrían estos grupos participar en un mecanismo de transferencia de protones acoplado a la transferencia de electrones? ¿Esperaría que un carbonilo de la columna vertebral estuviera involucrado en la transferencia de protones? Dibuje un mecanismo de reacción que muestre cómo la protonación del carbonilo O podría conducir a la formación de un ácido imídico que conduce a la transferencia de protones desde el esqueleto N. También muestre la reforma del enlace amida normal a través de una reacción de tautomerización. ¿Por qué ocurriría esto?

¿Cómo se conecta D51 a esta red de enlace H? En estado oxidado, D51 se expone en la superficie. ¿Cómo podría cambiar en la reducción? Se ha utilizado mutagénesis específica de sitio para cambiar D51. ¿Qué reemplazo de aminoácidos podría ser óptimo para afectar la actividad pero no el plegamiento de proteínas? La mutación desacopla el transporte de electrones y protones. ¿Qué es probable que se vea afectado?

Se ha propuesto una vía final para acoplar el transporte de electrones y protones. Utilice la información anterior para completar las siguientes afirmaciones: Cuando el hemo a se oxida, Arg-38 es principalmente ____________ (protonado / desprotonado) ya que _______ está disponible en la matriz. Asp 51 está ______________ (enterrado o expuesto) y está ______________ (protonado / desprotonado). Al reducir el hemo a, la carga neta del hemo a _________________ Esto conduce a _________ (mayor exposición / menor exposición) de Asp-51 al ___________ (espacio intermembrana, matriz, membrana) y _______ aumento / disminución del tamaño del canal de agua. Por lo tanto, las moléculas de agua son _____________ (tomadas / liberadas) de la matriz. Acoplado a esto, los protones en Asp-51 son ___________ (liberados hacia o tomados de) el espacio intermembrana En la reoxidación del hemo a, Asp-51 regresa al ___________ (interior / exterior) de la proteína y la carga neta positiva en hemo a ___________ (aumenta o disminuye) Esto conduce a una afinidad _________ (aumentada o disminuida) del grupo hemo formilo por Arg 38. Esto conduce a la transferencia de protones __________ (hacia / desde) Arg 38 hacia Asp 51. Arg-38 luego _____________ (abandona / toma) protones de las moléculas de agua en el canal de agua.

19/7/17 Mecanismos de estructuras de mayor resolución

Una comprensión más matizada del mecanismo y el vínculo entre H+ ye- el movimiento se deriva de estructuras de alta resolución determinadas por Yano et al (2016). En su modelo (que se muestra en las figuras siguientes basado en la forma oxidada de la proteína, pdb 5b1a), los protones del lado N negativo (matriz) del complejo ingresan a través de un canal de agua y continúan hacia el lado positivo (lado intermembrana) a través de un Red de enlace H (como se describe arriba y se muestra a continuación). Éstos comprenden la vía H.

El movimiento direccional está mediado por el protón: repulsión del protón ayudada por un aumento de la carga + en el hemo a cuando transfiere un electrón al hemo a3. Por supuesto, la repulsión protón: protón movería protones en ambas direcciones. El flujo inverso de regreso a través del canal de agua se evita mediante un cambio conformacional en la unión del oxígeno que cierra el canal.

En última instancia, se transfieren 4 electrones del citocromo C (en pasos de un solo electrón) al grupo dicopper, CuA, y luego secuencialmente al hemo a al hemo a3 (cerca del ion cobre B) a dioxígeno para formar agua. El movimiento de electrones y protones está acoplado electrostáticamente.

La siguiente figura ofrece una descripción general de estos movimientos. Los pequeños puntos rojos son los átomos de oxígeno de las moléculas de agua internas (el resto se ha eliminado con Pymol). Debería ser evidente, dado el número y la ubicación de las moléculas de agua internas, que muchas estarían involucradas en las vías de translocación de protones.

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

Lo interesante de este modelo es la descripción detallada de dos tipos de protones, los que se suman al dioxígeno y terminan en el agua, y los que se transportan vectorialmente al IMS. En su modelo, el H+Los s que terminan siendo transportados se mueven a través del agua y la red de enlace H a través de una región de enlace de enlace H de conexión a un Mg.2+/ grupo de agua. Dado que la unión de oxígeno conduce a cambios estructurales que cierran el canal de agua, todos los protones que se transportarán al IMS deben unirse en el grupo antes de la unión de dioxígeno.

La siguiente figura muestra que inicialmente, 4 H+s se mueven a través del sistema H hasta el Mg2+/ H2O racimo. La unión de oxígeno cierra los canales de agua. Esta acumulación de cargas positivas indudablemente conduciría a una mayor atracción electrostática para la siguiente fase de la reacción, el movimiento de electrones hacia los cofactores del hemo. Además, el 4 H+Los s en el grupo probablemente eviten que se filtren hacia el lado P a través del agua proximal (ver figura anterior) por el grupo de prolina, que presumiblemente restringe el movimiento dinámico de la proteína en esa región necesaria para el movimiento de los protones. La figura no muestra cambios de carga en los portadores de electrones.

La siguiente figura desglosa el mecanismo para mostrar la adición del primer electrón al CuA (grupo dicopper), entregado por el citocromo C, y el transporte posterior de un protón desde el Mg completamente cargado de protones.2+/ grupo de agua después de la unión de dioxígeno. Esta figura muestra los cambios redox escalonados en los portadores de electrones.

Después de que CuA recibe un electrón del citocromo C, lo dona al hemo a y no al hemo a3, aunque ambos están cerca. El negativo adicional en el hemo a facilita el bombeo de protones a través de las vías H que se muestran.

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

animación: ox-phos

otra animación ox phos


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