Interested Article - Респирасома
![](/images/005/678/5678782/1.jpg?rand=485369)
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/0f65015d6407a6165630a4250ff4a4c5.jpg)
- 2020-07-29
- 1
![](/images/005/678/5678782/1.jpg?rand=735731)
Современные биологические исследования выявили убедительные доказательства того, что митохондриальные ферменты дыхательной цепи переноса электронов собраны в более крупные, супрамолекулярные структуры, называемые респирасомы , что кардинально отличается от стандартной теории о свободно плавающих во внутренней мембране митохондрий дискретных ферментах. Эти суперкомплексы функционально активны и необходимы для стабильной работы дыхательных комплексов .
Респирасомы были обнаружены у разных видов и в разных тканях, включая мозг крыс , печень , почки , скелетные мышцы , сердце , бычье сердце , кожные фибробласты человека , грибы , растения и С. elegans .
История
В 1955 году, биологи Бриттон Ченс и Г. Р. Вильямс впервые выдвинули идею, что дыхательные ферменты собираются в более крупные комплексы , хотя свободно-жидкостная модель организации дыхательной цепи всё ещё оставалась основной и считалась стандартной. Однако, уже в 1985 году, исследователи приступили к выделению суперкомплекса комплексов III / IV из бактерий и дрожжей . Наконец, в 2000 году Герман Шеггер и Кэти Пфайффер, используя гель-электрофорез с кумасси , изолировали индивидуальные бычьи дыхательные комплексы, показав, что комплекс I, III и IV образуют суперкомплекс .
Состав и образование
После того, как искомые респирасомы были выделены, всё ещё оставалась вероятность, что полученные комплексы образуются исключительно в пробирке и являются просто артефактом выделения. После нескольких лет безуспешных попыток доказать или опровергнуть существование респирасом с использованием различных методов выделения белков, Лапуента-Брун и соавт. решили использовать другой подход. Поскольку было очевидно, что если респирасомы действительно существует, то для объединения дыхательных комплексов в один суперкомплекс должен использоваться какой-нибудь вспомогательный белок. Выяснилось, что один белок под именем Cox7a2l ( англ. cytochrome c oxidase subunit VIIa polypeptide 2-like ) присутствует только в суперкомплексах, содержащих дыхательный комплекс IV (респирасомы и суперкомплексе III+IV) и никогда не встречается в одиночных комплексах. Исследователям посчастливилось случайно обнаружить, что в трёх мутантных линиях мышиных клеток с повреждённой формой этого белка в мембране митохондрий не удаётся выявить суперкомплексы с участием комплекса IV . При этом если в мутантные клетки вставить ген нормального белка, то в них начинают образовываться эти суперкомплексы. Из всего этого исследователи сделали закономерный вывод: данный белок помогает комплексу IV образовывать суперкомплексы и потому заслуживает того, чтобы быть переименованным в фактор объединения суперкомплексов I ( англ. supercomplex assembly factor I , или SCAFI) .
Аналогичные белки, Rcf1 и Rcf2, стабилизирующие суперкомплексы были обнаружены у дрожжей .
К наиболее распространённым суперкомплексам относятся комплекс I/III, комплекс I/III/IV и комплекс III/IV. Большинство молекул комплекса II как в растительных так и в животных митохондриях находится в свободно виде. АТФ-синтаза тоже может мигрировать вместе с другими суперкомплексами в виде димера, но едва ли она входит в их состав .
Образование суперкомплекса является по-видимому динамическим процессом. Дыхательные комплексы могут чередовать участие в респирасомах и существование в свободном состоянии. Не известно, что запускает процесс организации дыхательных ферментов в суперкомплексы, но исследования показали, что их формирование во многом зависит от липидного состава митохондриальных мембран, и в частности требует наличия кардиолипина . В дрожжевых митохондриях содержание кардиолипина понижено, а число обнаруженных респирасом было значительно ниже, чем у других организмов . Согласно Венц и соавт. (2009), кардиолипин стабилизирует образование респирасом, нейтрализуя заряды остатков лизина в процессе взаимодействии домена комплекса III и комплекса IV . В 2012 году, Базан и соавт. удалось in vitro получить тримерные и тетрамерные суперкомплексы состава III 2 IV 1 и III 2 IV 2 из очищенных комплексов III и IV Saccharomyces Сerevisiae , добавляя к ним липосомы с кардиолипином .
Другая гипотеза заключается в том, что риспирасомы могу образовываться под воздействием мембранного потенциала , который приводит к изменениям в электростатических и гидрофобных взаимодействиях, что и опосредует сборку или разборку суперкомплексов .
Согласно некоторым данным, респирасомы могут быть не самой высокой формой организации дыхательных комплексов. Основываясь на данных электронной микроскопии, а также на том факте, что комплексы IV из митохондрий быка способны при некоторых условиях образовывать тетрамеры, была выдвинута гипотеза о мегакомплексах, состоящих из респирасом или по иному дыхательных «цепей». Согласно этой модели, основу этой цепи составляет одиночный димер комплекса III (III 2 ), окружённый с двух боков двумя комплексами IV. Эти структурные единицы соединяются через димеризацию, комплексов IV, в результате чего должна образовываться нить типа IV-IV-III 2 -IV-IV-III 2 , которая с боков плотно окружена комплексами I. Структурной единицей такой нити должен быть суперкомплекс состава I 1 III 2 IV .
Функции
Функциональное назначение респирасом не совсем понятно, но недавние исследования проливают свет на их предназначение. Была выдвинута гипотеза, что организация дыхательных ферментов в суперкомплексы сокращает окислительные повреждения и повышает эффективность обмена веществ. Шефер с соавт. (2006) продемонстрировали, что у суперкомплексов в составе которых есть комплекс IV, активность комплексов I и III была выше. Это указывает на то, что комплекс IV неким образом изменяет конформацию других комплексов что приводит к повышению их каталитической активности . Постепенно стали накапливаться доказательства, что присутствие респирасом необходимо для стабильности и функционирования комплекса I, который в отсутствии комплексов III или IV практически нестабилен. Так, на мутантных клетках человека показано, что комплекс I является необходимым для формирования комплекса III, и с другой стороны, отсутствие комплекса III приводит к потере комплекса I. Кроме того, в ряде исследований на клетках животных приводятся доказательства того, что для стабильности комплекса I необходимы комплексы IV и димер комплекса III.
В 2013, Лапуента-Брун и соавт. продемонстрировали, что сборка суперкомплексов «динамически организует поток электронов, чтобы оптимизировать использование имеющихся субстратов». Наличие респирасом делает систему более разветвлённой и гибкой, что даёт возможность одновременно быстро окислять сразу несколько субстратов ( сукцинат и пируват + малат ), а вот если в митохондрии поступает исключительно сукцинат , который передаёт электроны в транспорт через ФАД , то в таком случае его окисление идёт быстрее в отсутствии респирасом .
Внешние ссылки
Примечания
- ↑ Vartak, Rasika; Porras, Christina Ann-Marie; Bai, Yidong. Respiratory supercomplexes: structure, function and assembly (англ.) // Vol. 4 , no. 8 . — P. 582—590 . — ISSN . — doi : . : journal. — 2013. —
- ↑ Reifschneider, Nicole H.; Goto, Sataro; Nakamoto, Hideko; Takahashi, Ryoya; Sugawa, Michiru; Dencher, Norbert A.; Krause, Frank. Defining the Mitochondrial Proteomes from Five Rat Organs in a Physiologically Significant Context Using 2D Blue-Native/SDS-PAGE (англ.) // Vol. 5 , no. 5 . — P. 1117—1132 . — ISSN . — doi : . : journal. — 2006. —
- Lombardi, A.; Silvestri, E.; Cioffi, F.; Senese, R.; Lanni, A.; Goglia, F.; de Lange, P.; Moreno, M. Defining the transcriptomic and proteomic profiles of rat ageing skeletal muscle by the use of a cDNA array, 2D- and Blue native-PAGE approach (англ.) // Vol. 72 , no. 4 . — P. 708—721 . — ISSN . — doi : . : journal. — 2009. —
- Schäfer, Eva; Dencher, Norbert A.; Vonck, Janet; Parcej, David N. . Three-Dimensional Structure of the Respiratory Chain Supercomplex I1III2IV1from Bovine Heart Mitochondria†,‡ (англ.) // Biochemistry : journal. — 2007. — Vol. 46 , no. 44 . — P. 12579—12585 . — ISSN . — doi : .
- Rodríguez-Hernández, Ángeles; Cordero, Mario D.; Salviati, Leonardo; Artuch, Rafael; Pineda, Mercé; Briones, Paz; Gómez Izquierdo, Lourdes; Cotán, David; Navas, Plácido; Sánchez-Alcázar, José A. Coenzyme Q deficiency triggers mitochondria degradation by mitophagy (англ.) // Taylor & Francis , 2009. — Vol. 5 , no. 1 . — P. 19—33 . — ISSN . — doi : . : journal. —
- Krause, F. OXPHOS Supercomplexes: Respiration and Life-Span Control in the Aging Model Podospora anserina (англ.) // Vol. 1067 , no. 1 . — P. 106—115 . — ISSN . — doi : . : journal. — 2006. —
- Eubel, Holger; Heinemeyer, Jesco; Sunderhaus, Stephanie; Braun, Hans-Peter. Respiratory chain supercomplexes in plant mitochondria (англ.) // Plant Physiology : journal. — American Society of Plant Biologists , 2004. — Vol. 42 , no. 12 . — P. 937—942 . — ISSN . — doi : .
- Sunderhaus, Stephanie; Klodmann, Jennifer; Lenz, Christof; Braun, Hans-Peter. Supramolecular structure of the OXPHOS system in highly thermogenic tissue of Arum maculatum (англ.) // Plant Physiology : journal. — American Society of Plant Biologists , 2010. — Vol. 48 , no. 4 . — P. 265—272 . — ISSN . — doi : .
- Suthammarak, Wichit; Somerlot, Benjamin H.; Opheim, Elyce; Sedensky, Margaret; Morgan, Philip G. Novel interactions between mitochondrial superoxide dismutases and the electron transport chain (англ.) // Aging Cell : journal. — 2013. — Vol. 12 , no. 6 . — P. 1132—1140 . — ISSN . — doi : .
- Chance, Britton; Williams, G. R. A Method for the Localization of Sites for Oxidative Phosphorylation (англ.) // Nature : journal. — 1955. — Vol. 176 , no. 4475 . — P. 250—254 . — ISSN . — doi : .
- E. A. Berry & B. L. Trumpower. Isolation of ubiquinol oxidase from Paracoccus denitrificans and resolution into cytochrome bc1 and cytochrome c-aa3 complexes (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 1985. — February ( vol. 260 , no. 4 ). — P. 2458—2467 . — .
- T. Iwasaki, K. Matsuura & T. Oshima. Resolution of the aerobic respiratory system of the thermoacidophilic archaeon, Sulfolobus sp. strain 7. I. The archaeal terminal oxidase supercomplex is a functional fusion of respiratory complexes III and IV with no c-type cytochromes (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 1995. — December ( vol. 270 , no. 52 ). — P. 30881—30892 . — doi : . — .
- N. Sone, M. Sekimachi & E. Kutoh. Identification and properties of a quinol oxidase super-complex composed of a bc1 complex and cytochrome oxidase in the thermophilic bacterium PS3 (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 1987. — November ( vol. 262 , no. 32 ). — P. 15386—15391 . — .
- H. Boumans, L. A. Grivell & J. A. Berden. The respiratory chain in yeast behaves as a single functional unit (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 1998. — February ( vol. 273 , no. 9 ). — P. 4872—4877 . — doi : . — .
- C. Bruel, R. Brasseur & B. L. Trumpower. Subunit 8 of the Saccharomyces cerevisiae cytochrome bc1 complex interacts with succinate-ubiquinone reductase complex (англ.) // Journal of bioenergetics and biomembranes : journal. — 1996. — February ( vol. 28 , no. 1 ). — P. 59—68 . — doi : . — .
- H. Schagger & K. Pfeiffer. Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria (англ.) // vol. 19 , no. 8 ). — P. 1777—1783 . — doi : . — . — PMC . : journal. — 2000. — April (
- ↑ Lapuente-Brun, E.; Moreno-Loshuertos, R.; Acin-Perez, R.; Latorre-Pellicer, A.; Colas, C.; Balsa, E.; Perales-Clemente, E.; Quiros, P. M.; Calvo, E.; Rodriguez-Hernandez, M. A.; Navas, P.; Cruz, R.; Carracedo, A.; Lopez-Otin, C.; Perez-Martos, A.; Fernandez-Silva, P.; Fernandez-Vizarra, E.; Enriquez, J. A. Supercomplex Assembly Determines Electron Flux in the Mitochondrial Electron Transport Chain (англ.) // Science : journal. — 2013. — Vol. 340 , no. 6140 . — P. 1567—1570 . — ISSN . — doi : .
- Rcf1 and Rcf2, Members of the Hypoxia-Induced Gene 1 Protein Family, Are Critical Components of the Mitochondrial Cytochrome bc1-Cytochrome c Oxidase Supercomplex (англ.) // Vol. 32 , no. 8 . — P. 1363—1373 . — doi : . : journal. — 2012. —
- ↑ Gluing the Respiratory Chain Together. CARDIOLIPIN IS REQUIRED FOR SUPERCOMPLEX FORMATION IN THE INNER MITOCHONDRIAL MEMBRANE (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2002. — Vol. 277 , no. 46 . — P. 43553—43556 . — ISSN . — doi : .
- Zhang M. Cardiolipin Is Essential for Organization of Complexes III and IV into a Supercomplex in Intact Yeast Mitochondria (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2005. — Vol. 280 , no. 33 . — P. 29403—29408 . — ISSN . — doi : .
- Wenz Tina, Hielscher Ruth, Hellwig Petra,Schägger Hermann, Richers Sebastian, Hunte Carola. Role of phospholipids in respiratory cytochrome bc1 complex catalysis and supercomplex formation (англ.) // Vol. 1787 , no. 6 . — P. 609—616 . — ISSN . — doi : . : journal. — 2009. —
- Bazan, S.; Mileykovskaya, E.; Mallampalli, V. K. P. S.; Heacock, P.; Sparagna, G. C.; Dowhan, W. Cardiolipin-dependent Reconstitution of Respiratory Supercomplexes from Purified Saccharomyces cerevisiae Complexes III and IV (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2012. — Vol. 288 , no. 1 . — P. 401—411 . — ISSN . — doi : .
- Lenaz Giorgio, Genova Maria Luisa. Supramolecular Organisation of the Mitochondrial Respiratory Chain: A New Challenge for the Mechanism and Control of Oxidative Phosphorylation (англ.) : journal. — 2012. — Vol. 748 . — P. 107—144 . — ISSN . — doi : .
- Wittig Ilka , Schägger Hermann. // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. — 2009. — Июнь ( т. 1787 , № 6 ). — С. 672—680 . — ISSN . — doi : .
- Schafer E. Architecture of Active Mammalian Respiratory Chain Supercomplexes (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2006. — Vol. 281 , no. 22 . — P. 15370—15375 . — ISSN . — doi : .
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/0f65015d6407a6165630a4250ff4a4c5.jpg)
- 2020-07-29
- 1