Суперкомплекс
Современные биологические исследования выявили убедительные доказательства того, что ферменты митохондрий дыхательной цепи собираются в более крупные супрамолекулярные структуры, называемые суперкомплексами , вместо традиционной жидкостной модели дискретных ферментов, диспергированных во внутренней митохондриальной мембране . Эти суперкомплексы функционально активны и необходимы для формирования устойчивых дыхательных комплексов. [ 1 ]
Один суперкомплекс комплексов I , III и IV образует единицу, известную как респирасома . Респирасомы были обнаружены во многих видах и тканях, включая мозг крыс, [ 2 ] печень, [ 2 ] почка, [ 2 ] скелетные мышцы, [ 2 ] [ 3 ] сердце, [ 2 ] бычье сердце, [ 4 ] кожи человека фибробласты , [ 5 ] грибы, [ 6 ] растения, [ 7 ] [ 8 ] и C. elegans . [ 9 ]
История
[ редактировать ]В 1955 году биологи Бриттон Ченс и Г.Р. Уильямс первыми выдвинули идею о том, что дыхательные ферменты собираются в более крупные комплексы, [ 10 ] хотя модель жидкого состояния оставалась стандартной. Однако уже в 1985 году исследователи начали выделять комплекса III / комплекса IV. суперкомплексы из бактерий [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] и дрожжи . [ 14 ] [ 15 ] Наконец, в 2000 году Герман Шеггер и Кэти Пфайффер использовали Blue Native PAGE для выделения быка белков митохондриальных мембран , показав, что комплексы I , III и IV организованы в суперкомплексы. [ 16 ]
Состав и формирование
[ редактировать ]Наиболее распространенными наблюдаемыми суперкомплексами являются Комплекс I/III, Комплекс I/III/IV и Комплекс III/IV. Большая часть Комплекса II находится в свободно плавающей форме как в митохондриях растений, так и животных. Комплекс V можно обнаружить мигрирующим в виде димера с другими суперкомплексами, но вряд ли как часть суперкомплексной единицы. [ 1 ]
Сборка суперкомплекса, по-видимому, является динамической, и дыхательные ферменты способны поочередно участвовать в крупных респирасомах и существовать в свободном состоянии. Неизвестно, что вызывает изменения в сборке комплексов, но исследования показали, что образование суперкомплексов сильно зависит от липидного состава митохондриальной мембраны и, в частности, требует присутствия кардиолипина , уникального митохондриального липида. [ 17 ] В митохондриях дрожжей, лишенных кардиолипина, значительно снижено количество ферментов, образующих дыхательные суперкомплексы. [ 17 ] [ 18 ] По данным Венца и др. (2009), кардиолипин стабилизирует образование суперкомплекса, нейтрализуя заряды . в остатков лизина взаимодействия домене Комплекса III с Комплексом IV [ 19 ] В 2012 году Базан и др. смог восстановить тримерные и тетрамерные суперкомплексы комплекса III/IV из очищенных комплексов, выделенных из Saccharomyces cerevisiae и экзогенных кардиолипиновых липосом . [ 20 ]
Другая гипотеза образования респирасом заключается в том, что мембранный потенциал может инициировать изменения в электростатических / гидрофобных взаимодействиях, опосредующих сборку/разборку суперкомплексов. [ 21 ]
Функциональное значение
[ редактировать ]Функциональное значение респирасом не совсем ясно, но более поздние исследования начинают проливать свет на их назначение. Была выдвинута гипотеза, что организация респираторных ферментов в суперкомплексы уменьшает окислительное повреждение и повышает эффективность метаболизма. Шефер и др. (2006) продемонстрировали, что суперкомплексы, включающие Комплекс IV, обладают более высокой активностью в Комплексах I и III, что указывает на то, что присутствие Комплекса IV изменяет конформацию других комплексов для усиления каталитической активности. [ 22 ] Также были накоплены данные, показывающие, что присутствие респирасом необходимо для стабильности и функционирования Комплекса I. [ 21 ] В 2013 году Лапуэнте-Брун и др. продемонстрировали, что сборка суперкомплекса «динамична и организует поток электронов для оптимизации использования доступных субстратов». [ 23 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Вартак, Расика; Поррас, Кристина Анн-Мари; Бай, Идун (2013). «Дыхательные суперкомплексы: строение, функции и сборка» . Белок и клетка . 4 (8): 582–590. дои : 10.1007/s13238-013-3032-y . ISSN 1674-800X . ПМК 4708086 . ПМИД 23828195 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Райфшнайдер, Николь Х.; Гото, Сатаро; Накамото, Хидеко; Такахаши, Рёя; Сугава, Мичиру; Денчер, Норберт А.; Краузе, Франк (2006). «Определение митохондриальных протеомов из пяти органов крысы в физиологически значимом контексте с использованием 2D Blue-Native/SDS-PAGE». Журнал исследований протеома . 5 (5): 1117–1132. дои : 10.1021/pr0504440 . ISSN 1535-3893 . ПМИД 16674101 .
- ^ Ломбарди, А.; Сильвестри, Э.; Чоффи, Ф.; Сенезе, Р.; Ланни, А.; Гоглиа, Ф.; де Ланге, П.; Морено, М. (2009). «Определение транскриптомных и протеомных профилей стареющих скелетных мышц крыс с использованием массива кДНК, подхода 2D- и Blue Native-PAGE». Журнал протеомики . 72 (4): 708–721. дои : 10.1016/j.jprot.2009.02.007 . ISSN 1874-3919 . ПМИД 19268720 .
- ^ Шефер, Ева; Денчер, Норберт А.; Вонк, Джанет; Парсей, Дэвид Н. (2007). «Трехмерная структура суперкомплекса I1III2IV1 дыхательной цепи из митохондрий бычьего сердца †, ‡». Биохимия . 46 (44): 12579–12585. дои : 10.1021/bi700983h . ISSN 0006-2960 . ПМИД 17927210 .
- ^ Родригес-Эрнандес, Анхелес; Кордеро, Марио Д.; Сальвиати, Леонардо Артуч, Рафаэль; Пинеда, Мерсе; Брионес, Пас; Гомес Искьердо, Лурдес; Котан, Дэвид; Навас, Плачидо; Санчес-Алькасар, Хосе А. (2009). «Дефицит коэнзима Q вызывает деградацию митохондрий путем митофагии» . Аутофагия . 5 (1): 19–33. дои : 10.4161/auto.5.1.7174 . hdl : 10261/40287 . ISSN 1554-8627 . ПМИД 19115482 .
- ^ Краузе, Ф. (2006). «Суперкомплексы OXPHOS: контроль дыхания и продолжительности жизни в модели старения Podospora anserina». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1067 (1): 106–115. Бибкод : 2006NYASA1067..106K . дои : 10.1196/анналы.1354.013 . ISSN 0077-8923 . ПМИД 16803975 . S2CID 9939670 .
- ^ Эйбель, Хольгер; Хайнемейер, Джеско; Сандерхаус, Стефани; Браун, Ханс-Петер (2004). «Суперкомплексы дыхательной цепи в митохондриях растений». Физиология и биохимия растений . 42 (12): 937–942. дои : 10.1016/j.plaphy.2004.09.010 . ISSN 0981-9428 . ПМИД 15707832 .
- ^ Сандерхаус, Стефани; Клодманн, Дженнифер; Ленц, Кристоф; Браун, Ханс-Петер (2010). «Супрамолекулярная структура системы OXPHOS в высокотермогенной ткани Arum maculatum» . Физиология и биохимия растений . 48 (4): 265–272. дои : 10.1016/j.plaphy.2010.01.010 . ISSN 0981-9428 . ПМИД 20144873 .
- ^ Сутхаммарак, Вичит; Сомерлот, Бенджамин Х.; Опхайм, Элис; Седенский, Маргарет; Морган, Филип Г. (2013). «Новые взаимодействия между митохондриальными супероксиддисмутазами и цепью переноса электронов» . Стареющая клетка . 12 (6): 1132–1140. дои : 10.1111/acel.12144 . ISSN 1474-9718 . ПМЦ 3838459 . ПМИД 23895727 .
- ^ Шанс, Бриттон; Уильямс, Г. Р. (1955). «Метод локализации сайтов окислительного фосфорилирования». Природа . 176 (4475): 250–254. Бибкод : 1955Natur.176..250C . дои : 10.1038/176250a0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 13244669 . S2CID 4184316 .
- ^ Э. А. Берри и Б. Л. Трампауэр (февраль 1985 г.). «Выделение убихинолоксидазы из Paracoccus denitrificans и разделение на комплексы цитохрома bc1 и цитохрома c-aa3» . Журнал биологической химии . 260 (4): 2458–2467. дои : 10.1016/S0021-9258(18)89576-X . ПМИД 2982819 .
- ^ Т. Ивасаки, К. Мацуура и Т. Осима (декабрь 1995 г.). «Разрешение аэробной дыхательной системы термоацидофильных архей, штамм Sulfolobus sp. 7. I. Суперкомплекс терминальной оксидазы архей представляет собой функциональное слияние дыхательных комплексов III и IV без цитохромов c-типа» . Журнал биологической химии . 270 (52): 30881–30892. дои : 10.1074/jbc.270.52.30881 . ПМИД 8537342 .
- ^ Н. Соне, М. Секимачи и Э. Куто (ноябрь 1987 г.). «Идентификация и свойства суперкомплекса хинолоксидазы, состоящего из комплекса bc1 и цитохромоксидазы в термофильной бактерии PS3» . Журнал биологической химии . 262 (32): 15386–15391. дои : 10.1016/S0021-9258(18)47736-8 . ПМИД 2824457 .
- ^ Х. Бауманс, Л. А. Гривелл и Дж. А. Берден (февраль 1998 г.). «Дыхательная цепь у дрожжей ведет себя как единая функциональная единица» . Журнал биологической химии . 273 (9): 4872–4877. дои : 10.1074/jbc.273.9.4872 . ПМИД 9478928 .
- ^ К. Брюэль, Р. Брассер и Б.Л. Трампауэр (февраль 1996 г.). «Субъединица 8 комплекса цитохрома bc1 Saccharomyces cerevisiae взаимодействует с комплексом сукцинат-убихинонредуктазы». Журнал биоэнергетики и биомембран . 28 (1): 59–68. дои : 10.1007/bf02109904 . ПМИД 8786239 . S2CID 23909319 .
- ^ Х. Шаггер и К. Пфайффер (апрель 2000 г.). «Суперкомплексы в дыхательных цепях митохондрий дрожжей и млекопитающих» . Журнал ЭМБО . 19 (8): 1777–1783. дои : 10.1093/emboj/19.8.1777 . ПМК 302020 . ПМИД 10775262 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжан, М. (2002). «Склеиваем дыхательную цепь. КАРДИОЛИПИН НЕОБХОДИМ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СУПЕРКОМПЛЕКСОВ ВО ВНУТРЕННЕЙ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ МЕМБРАНЕ» . Журнал биологической химии . 277 (46): 43553–43556. дои : 10.1074/jbc.C200551200 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 12364341 .
- ^ Чжан, М. (2005). «Кардиолипин необходим для организации комплексов III и IV в суперкомплекс в интактных митохондриях дрожжей» . Журнал биологической химии . 280 (33): 29403–29408. дои : 10.1074/jbc.M504955200 . ISSN 0021-9258 . ПМК 4113954 . ПМИД 15972817 .
- ^ Венц, Тина; Хильшер, Рут; Хеллвиг, Петра; Шеггер, Герман; Ричерс, Себастьян; Хант, Карола (2009). «Роль фосфолипидов в катализе дыхательного комплекса цитохрома bc1 и образовании суперкомплекса» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1787 (6): 609–616. дои : 10.1016/j.bbabio.2009.02.012 . ISSN 0005-2728 . ПМИД 19254687 .
- ^ Базан, С.; Милейковская Е.; Маллампалли, ВКПС; Хикок, П.; Спаранья, ГК; Доухан, В. (2012). «Кардиолипин-зависимое восстановление респираторных суперкомплексов из очищенных комплексов III и IV Saccharomyces cerevisiae» . Журнал биологической химии . 288 (1): 401–411. дои : 10.1074/jbc.M112.425876 . ISSN 0021-9258 . ПМЦ 3537037 . ПМИД 23172229 .
- ^ Перейти обратно: а б Леназ, Джорджио; Генуя, Мария Луиза (2012). «Супрамолекулярная организация митохондриальной дыхательной цепи: новый вызов механизму и контролю окислительного фосфорилирования». Митохондриальное окислительное фосфорилирование . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 748. стр. 107–144. дои : 10.1007/978-1-4614-3573-0_5 . ISBN 978-1-4614-3572-3 . ISSN 0065-2598 . ПМИД 22729856 .
- ^ Шафер, Э. (2006). «Архитектура активных суперкомплексов дыхательной цепи млекопитающих» . Журнал биологической химии . 281 (22): 15370–15375. дои : 10.1074/jbc.M513525200 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 16551638 .
- ^ Лапуэнте-Брун, Э.; Морено-Лошуэртос, Р.; Асин-Перес, Р.; Латорре-Пеллисер, А.; Колас, К.; Бальса, Э.; Пералес-Клементе, Э.; Кирос, премьер-министр; Кальво, Э.; Родригес-Эрнандес, Массачусетс; Навас, П.; Круз, Р.; Карраседо, А.; Лопес-Отин, Дж.; Перес-Мартос, А.; Фернандес-Сильва, П.; Фернандес-Визарра, Э.; Энрикес, JA (2013). «Сборка суперкомплекса определяет поток электронов в митохондриальной цепи транспорта электронов». Наука . 340 (6140): 1567–1570. Бибкод : 2013Sci...340.1567L . дои : 10.1126/science.1230381 . hdl : 10261/129138 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 23812712 . S2CID 206545337 .