7.5: Complex IV

Complex IV on elektroninsiirtoketjun loppukohde. Tässä hengitys superkompleksin muiden jäsenten läpi kulkeneet elektronit toimitetaan lopulta O2: een, jolloin se pelkistyy vedeksi. Se on vaikuttava taidonnäyte, koska elektronien lisäämisen ja veden lopullisen vapautumisen välillä on muodostuttava useita reaktiivisia happilajeja, mutta reaktiota kontrolloidaan siten, että soluvaurioiden mahdollisuus on mahdollisimman pieni. Samalla sisemmän mitokondriokalvon poikki pumpataan lisää protoneja.

• kompleksissa IV elektronit toimitetaan lopulliseen määränpäähänsä, O2-molekyyliin.
• O2 pelkistyy vedeksi.

kompleksin IV Röntgenrakenne on esitetty alla. Jälleen matriisi on kuvan alapäässä ja intermembraaniavaruus yläosassa. Sytokromi C telakoituu sinne.

liikkuva elektroninkantaja, sytokromi c, sitoutuu kompleksissa IV ja luovuttaa elektronin kaksitumaiseen kuparikohtaan, jota kutsutaan CuA: ksi. Voimme nähdä tuon kaksirenkaisen kuparin paikan, kun katsomme proteiinin sisälle, alla. Se on sidottu vain proteiiniin eikä mihinkään muuhun, joten näemme vain kaksi kupari-Ionia yksinään kuvan yläosassa. Tämä kupariatomipari lähettää elektronin hemiin, sytokromi a: han, jonka näet alla ja vasemmalla. Sieltä elektroni etenee toiseen kaksirenkaiseen klusteriin, joka tällä kertaa koostuu hemiin sitoutuneesta raudasta (sytokromi a3) ja läheisestä kuparista (CuB). Tässä kaksirenkaisessa kohdassa dioksigeeni pelkistyy vedeksi. Rakenteessa on sytokromi a3: n ja CuB: n väliseen aktiiviseen kohtaan sitoutunut hiilimonoksidimolekyyli. Hiiliatomit ovat kiinni raudassa ja happi kuparissa. Sinne happimolekyyli sitoutuisi ja odottaisi pelkistymistä vedeksi.

jos asiaa ajattelee, se tarkoittaa, että elektronit kulkevat vastakkaiseen suuntaan kuin mitä näimme kolmessa ensimmäisessä kompleksissa. Komplekseissa I ja II elektronit vapautuivat mitokondrioiden matriisista ja kulkivat kohti intermembraaniavaruutta pysähtyen mitokondrioiden kalvossa olevaan ubikinoniin. Kompleksissa III elektronit jatkoivat tuohon” ylöspäin ” suuntaan, mitokondrion kalvolta sytokromi c: lle intermembraanitilassa. Kompleksissa IV elektronit kääntävät kurssiaan ja matkaavat takaisin kohti mitokondriomatriisia. Muista, että mitokondrion matriisi on n-seostettu protonipumppauksen takia, joten nämä elektronit kulkevat kalvon positiiviselta puolelta negatiiviselle puolelle. Se on varmasti vaikeaa.

• kompleksissa IV elektronikuljetus on päinvastaiseen suuntaan kuin muilla komplekseilla.
• elektronit kulkevat intermembraanin avaruuden puolelta mitokondrion matriisin puolelle varausgradienttia vastaan.

tarkastellaan vielä kompleksille tärkeitä ligandeja. Pilapiirros näkyy alla. Sarjakuvassa O2-molekyyli on osoitettu sitoutuvan tässä asennossa heme a3: n ja CuB: n välillä. Siinä kaksirenkaisessa metallipaikassa happimolekyyli pelkistyy vedeksi.

koska O2: n pelkistämiseen H2O: ksi tarvitaan neljä elektronia, neljän sytokromi c-molekyylin on sitouduttava kompleksissa IV ennen kuin pelkistys voi edetä. On todennäköistä, että happimolekyylin koordinaatioympäristö-kahden metallin välillä, eikä vain yhteen sitoutuneena-mahdollistaa sen nopeamman pelkistymisen veteen asti sen sijaan, että se muodostaisi solussa säilyviä reaktiivisia happilajeja, kuten peroksideja.

näiden kahden metallin lisäksi on olemassa myös muunnettu histidiini-tyrosiinikonjugaatti, joka on sitoutunut Cubiin. On ehdotettu, että tämä tyrosiini tarjoaa toisen välittömän elektronien lähteen, jota voidaan käyttää pelkistyksessä.

sen lisäksi, että happea on pelkistettävä vedeksi, Complex IV edistää myös protonigradienttia pumppaamalla lisää protoneja mitokondrion kalvon poikki. Tämä tehtävä tuo lisähaasteita. Yksinkertainen kytkentämekanismi ei ole mahdollinen, koska elektronit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. Mekanismiin liittyy kuitenkin konformaatiomuutoksia proteiinissa, joita tapahtuu metallien muuttaessa hapettumistiloja. Hienovaraiset muutokset koordinaatioympäristössä voivat johtaa aminohappojäämien siirtymiseen lähistöllä. On helppo kuvitella, että jos tietty aminohappo siirtyy ylöspäin kohti intermembraanitilaa, se saattaa vetää protonin mukanaan.

• Protonipumppaus ja elektroninsiirto kulkevat kompleksissa IV vastakkaisiin suuntiin ja ne on irrotettava.
• Protonipumppauksen kompleksissa IV on perustuttava konformaatiomuutoksiin.

harjoitus \(\PageIndex{6}\)

yksittäisen kohdan pelkistyspotentiaalia proteiinin sisällä on vaikea mitata. Tutkijat ovat kuitenkin pystyneet arvioimaan näitä arvoja mittaamalla EPR-spektrejä erilaisissa olosuhteissa. Jos oletetaan alla olevat pelkistyspotentiaalit, piirretään reaktion etenemiskaavio elektronin siirtämiseksi sytokromi c: stä molekyylihapelle.

vastaus