Q циклы: Митохондриялық және хлоропласттық электрондық тасымалдау механизмі

Кіріспе

Q циклы (хинол үшін аталған) липофильді электрон тасымалдаушы Коэнзим Q (CoQ) –дің убихинол және убихинон түрлерінің тізбектей тотығуы мен тотықсыздануы липидтік екі қабат арқылы протондардың таза қозғалысына алып келетін реакциялар тізбесін сипаттайды (митохондриялар жағдайында, ішкі митохондриялық мембрана). Q циклын алғаш рет Питер Д. Митчелл ұсынды, бірақ Митчеллдің бастапқы схемасының өңделген нұсқасы қазір III кешенінің протондарды қозғау механизмі ретінде қабылданады (яғни III кешені протонның немесе pH градиентінің биохимиялық генерациясына қалай үлес қосады, ол АТФ-тың биохимиялық генерациясына қолданылады). Q циклының бірінші реакциясы – екі тотықтырушымен, c1 (Fe3+) және убихинондың 2 электронды тотығуы: CoQH2 + цитохром c1 (Fe3+) + CoQ' → CoQ + CoQ'−• + цитохром c1 (Fe2+) + 2 H+ (мембрана аралық кеңістік). Циклдің екінші реакциясы екінші убихинолды екі тотықтырушымен, жаңа c1 (Fe3+) және бірінші қадамда түзілген CoQ'−•: CoQH2 + цитохром c1 (Fe3+) + CoQ'−• + 2 H+ (матрикс) → CoQ + CoQ'H−2 + цитохром c1 (Fe2+) + 2 H+ (мембрана аралық кеңістік) тотығуынан тұрады.

Бұл реакциялар 2Fe-2S кластері (c1-ге шағылыстырушы) және cb (CoQ' және кейін CoQ'−•-ге шағылыстырушы) сияқты электрондық тасымалдау медиаторлары арқылы жүзеге асырылады.

Хлоропласттарда, ұқсас реакция пластохинонмен b6f цитохромдық кешені арқылы жүзеге асырылады.

Процесс

III кешендегі модификацияланған Q циклының жұмыс істеуі цитохром c-нің тотығуын азайтуға, убиквинолды убихинонға окистендіруге және екі циклдық процесте мембранааралық кеңістікке төрт протонның өтуіне әкеледі. Убихинол (QH2) Риске темір-күкірт белгішесінің His182 және цитохром b-нің Glu272 қалдықтарымен сутекті байланыс арқылы III кешенінің Qo орнына байланысады. Убихинон (Q) өз кезегінде III кешенінің Qi орнына байланысады. Убихинол әртүрлі тотығады (әрқайсысы бір электронды береді) Риске темір-күкірт белгішесінің "(FeS) ақуызына" және bL гемоглобиніне. Бұл тотығу реакциясы убихинонға толық тотығудан бұрын уақытша жартылай хинон тудырады, содан кейін III кешенінің Qo орнын тастайды. Убихинолдан бір электрон алғаннан кейін "FeS ақуызы" электрон донорынан босатылады және цитохром c1 суббірлігіне миграциялай алады. "FeS ақуызы" цитохром c1-ге электронын береді, оның байланысқан гемоглобин тобын тотығуын азайтады. Электрон одан III кешеніне сырттан байланысқан цитохром c молекуласына беріледі, содан кейін ол кешеннен ажыратылады. Сонымен қатар, "FeS ақуызының" қайта тотығуы His181-ге байланысқан протонды мембранааралық кеңістікке босатады. bL гемоглобиніне берілген екінші электрон bH гемоглобинін тотығуын азайтуға пайдаланылады, ол өз кезегінде электронды Qi орнына байланысқан убихинонға береді. Бұл электронның қозғалысы энергетикалық тұрғыдан тиімсіз, өйткені электрон мембрананың теріс зарядталған жағына қарай жылжиды. Бұл BL гемоглобинінен +50 мВ-қа дейін BH гемоглобиніндегі ЭМ-нің +100 мВ-қа өзгеруімен өтелуге болады. Осылайша, байланысқан убихинон жартылай хинон радикалына дейін тотығуын азайтады. Glu272 қабылдаған протон кейіннен сутекті байланысқан су тізбегіне беріледі, өйткені Glu272 170° бұрылып, су молекуласына сутекті байланыс жасайды, ол өз кезегінде bL гемоглобинінің пропионатына сутекті байланыс жасайды. Соңғы қадам Qi орнында тұрақсыз жартылай хинон қалдырғандықтан, реакция әлі толыққан жоқ. Екінші Q циклы қажет, цитохром bH-дан екінші электронды беру арқылы жартылай хинон убихинолға дейін тотығуын азайтады. Q циклының соңғы өнімдері – мембранааралық кеңістікке өтетін төрт протон, екеуі матрицадан және екеуі цитохром c-нің екі молекуласының тотығуын азайтудан. Азайтқыш цитохром c ақырында IV кешенімен қайта тотығады. Бұл процесс циклды, өйткені Qi орнында құрылған убихинолды III кешенінің Qo орнына байланысу арқылы қайта пайдалануға болады.

Operation of the modified Q cycle in Complex III results in the reduction of Cytochrome c, oxidation of ubiquinol to ubiquinone, and the transfer of four protons into the intermembrane space, per two cycle process. Ubiquinol (QH2) binds to the Qo site of complex III via hydrogen bonding to His182 of the Rieske iron sulfur protein and Glu272 of Cytochrome b. Ubiquinone (Q), in turn, binds the Qi site of complex III. Ubiquinol is divergently oxidized (gives up one electron each) to the Rieske iron sulfur '(FeS) protein' and to the bL heme. This oxidation reaction produces a transient semiquinone before complete oxidation to ubiquinone, which then leaves the Qo site of complex III. Having acquired one electron from ubiquinol, the 'FeS protein' is freed from its electron donor and is able to migrate to the Cytochrome c1 subunit. 'FeS protein' then donates its electron to Cytochrome c1, reducing its bound heme group. The electron is from there transferred to an oxidized molecule of Cytochrome c externally bound to complex III, which then dissociates from the complex. In addition, the reoxidation of the 'FeS protein' releases the proton bound to His181 into the intermembrane space. The other electron, which was transferred to the bL heme, is used to reduce the bH heme, which in turn transfers the electron to the ubiquinone bound at the Qi site. The movement of this electron is energetically unfavourable, as the electron is moving towards the negatively charged side of the membrane. This is offset by a favourable change in EM from −100 mV in BL to +50mV in the BH heme. The attached ubiquinone is thus reduced to a semiquinone radical. The proton taken up by Glu272 is subsequently transferred to a hydrogen bonded water chain as Glu272 rotates 170° to hydrogen bond a water molecule, in turn hydrogen bonded to a propionate of the bL heme. Because the last step leaves an unstable semiquinone at the Qi site, the reaction is not yet fully completed. A second Q cycle is necessary, with the second electron transfer from cytochrome bH reducing the semiquinone to ubiquinol. The ultimate products of the Q cycle are four protons entering the intermembrane space, two from the matrix and two from the reduction of two molecules of cytochrome c. The reduced cytochrome c is eventually reoxidized by complex IV. The process is cyclic as the ubiquinol created at the Qi site can be reused by binding to the Qo site of complex III.