Informatie

C10. Proton Gradient Collapse en ATP-synthese - Structuur - Biologie


Het mechanisme waarmee de protongradiënt de ATP-synthese aandrijft, omvat een complexe koppeling van de F0- en F1-subeenheden. Een meer gedetailleerd beeld van het hele ATO-synthasecomplex wordt hieronder getoond.

Afbeelding: Gedetailleerd overzicht van F0F1 ATP-synthasestructuur

Nauwere weergaven van de c-subeenheden en een gele rechthoek die de a-subeenheid vertegenwoordigt (ontbreekt in de gecombineerde kristalstructuur) vormen het Fo-gedeelte van het complex hieronder. Deze subeenheden bevinden zich in het binnenmembraan van de mitochondriën (of celmembraan van bacteriën) en zijn betrokken bij protonentransport van matrix (of cytoplasma van een bacterie) naar de binnenmembraanruimte (of periplasmatische ruimte van bacteriën). De meerdere c-subeenheden bestaan ​​uit twee zeer hydrofobe helices verbonden door een lus in een helix-lus-helix-motief.

Twee klassieke remmers (structuren hieronder weergegeven) van ATP-synthase interageren met de Fo-subeenheid. Eén, oligomycine A, bindt tussen de a- en c-subeenheden en blokkeert de protontransportactiviteit van de Fo-subeenheid. Oligomycine A-gevoeligheid vereist, paradoxaal genoeg, OSCP (Oligomycin-Sensitivity Conferring Protein dat analoog is aan de bacteriële delta-subeenheid), een stengelproteïne-subeenheid distaal van Fo die Fo en F1 koppelt. Een andere remmer, dicyclohexylcarbodiimide, reageert met een geprotoneerd Asp 61 in c-subeenheden van F0. Het doet dit zelfs bij pH 8,0, wat aangeeft dat de pKa van de Asp 61 veel hoger is dan normaal. Dit kan gebeuren als de Asp een zeer hydrofobe omgeving is. De wijziging van één As 61 in slechts één c-subeenheid is nodig om de Fo-activiteit te stoppen. De geprotoneerde carboxylgroep doneert een proton aan een N-atoom in DCCD, dat vervolgens reageert met het gedeprotoneerde Asp om een ​​O-acylisoureumderivaat te vormen.

Figuur: Structuur van Oligomycin A en DCCD - Remmers van protonentransport door Fo

Onderstaande figuren geven de opbouw van het ac-complex van E. Coli weer. Protonen stromen naar de a-keten Arg 210 die zich tussen twee Asp 61 op aangrenzende c-ketens bevindt. Een van de Asp 61 is geprotoneerd waardoor het de conformatie kan veranderen en in wezen in het membraandomein kan bewegen in een beweging die wordt vergemakkelijkt door de ontwikkeling van een neutraal geprotoneerd Asp.

Protonen uit de binnenmembraanruimte of in de periplasmatische ruimte (in de bovenstaande figuren) stromen vervolgens uit het periplasma door een "handschuddend" protonoverdrachtsrelais te vormen dat een ander proton levert aan de gedeprotoneerde Arg 210, waardoor de c-subeenheden in de membraan om door te gaan. Een reeks polaire residuen die volledig binnen subeenheid a vallen, waaronder Gin 252, Asn 214, Asn 148, Asp 119, His 245, Glu 219, Ser 144 en Asn 238, verschaffen het pad zoals hieronder geïllustreerd.

Wanneer een proton wordt doorgegeven aan de niet-geprotoneerde Asp 61, treedt een conformationele verandering in de geprotoneerde c-subeenheid op. Dit leidt tot veranderingen in de interacties van de c-subeenheid die de c12-kern lijken te ratelen. Aangezien het c12-oligomeer contact maakt met de γ-subeenheid die de Fo-steel en F1-ATPase-eenheden verbindt, roteert de γ-subeenheid, wat leidt tot opeenvolgende conformationele veranderingen in elk van de 3 gecontacteerde (αβ)2-dimeren van het F1-enzym. Dit leidt tot veranderingen in ATP-affiniteit door te fietsen door de L-, O- en T-conformaties.

Afbeelding: Protonstroom in F0 koppelen aan conformatieverandering

Herdrukt met toestemming van Nature. Rastogi & Girvin. Nature 402, 263-268 (1999) Copyright 1999 McMilllan Publishers LTD

Samengevat is FOF1ATPase (of synthase) een roterend enzym dat uiteindelijk de ineenstorting van een protongradiënt (een chemische potentiaalgradiënt die bijdraagt ​​aan de elektrische potentiaal van het transmembraan) koppelt aan een chemische (fosforylerings)stap. De rotor, die in contact staat met zowel de FO-protonporie als het F1-synthase, beweegt ten opzichte van beide subeenheden, waardoor ze worden gekoppeld. Beweging is natuurlijk relatief, dus de rotor kan worden beschouwd als statisch met de FO- en F1-subeenheden als roterend. De FO-porie kan daarom worden beschouwd als een elektrische motor en de F1-synthase als een chemische motor. Door de analogie van een motor nog verder te voeren, verandert de FO-elektromotor de F1-chemische motor in een generator, niet van elektriciteit maar van ATP. Onderstaande figuur en link, afkomstig uit de Protein Data Bank, gaan dieper in op deze nanomotor.

  • ATP-synthase uit de PDB

Melatonine als mitochondriale beschermer bij neurodegeneratieve ziekten

Mitochondriën zijn cruciale organellen vanwege hun rol in de cellulaire energieproductie van eukaryoten. Omdat de hersencellen veel energie nodig hebben om hun normale activiteiten in stand te houden, kunnen verstoringen in de mitochondriale fysiologie leiden tot neuropathologische gebeurtenissen die ten grondslag liggen aan neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en de ziekte van Huntington. Melatonine is een endogene verbinding met verschillende fysiologische rollen. Bovendien bezit het krachtige antioxiderende eigenschappen die effectief een beschermende rol spelen bij verschillende pathologische aandoeningen. Verschillende bewijslijnen onthullen ook de rol van melatonine in mitochondriale bescherming, wat de ontwikkeling en progressie van neurodegeneratie zou kunnen voorkomen. Aangezien de mitochondriale disfunctie een primaire gebeurtenis is bij neurodegeneratie, is de neuroprotectie die wordt geboden door melatonine daardoor effectiever in vroege stadia van de ziekten. Dit artikel bespreekt mechanismen die melatonine zijn beschermende rol op mitochondriën uitoefenen als een potentiële therapeutische strategie tegen neurodegeneratieve aandoeningen.

Dit is een voorbeeld van abonnementsinhoud, toegang via uw instelling.


Abstract

Intracellulaire pH-regulatie regelt de energiebalans en celproliferatie: chemisch en biologisch bewijs van principe

Chemisch bewijs van principe

Biologisch bewijs van principe: de rol van de Na + /H + -wisselaar-1

Oncogenactivering en transformatie veroorzaken acidose

Warburg-effect (aërobe glycolyse)

Remming van tumorsuppressorgenen en oncogenactivering stimuleren het 'Warburg-effect' en veroorzaken acidose

Neoplastische transformatie stimuleert intracellulaire alkalinisatie en extracellulaire verzuring door de activering en opregulatie van pHi-regulerende systemen

Hypoxie bevordert acidose door over te schakelen van oxidatieve fosforylering naar glycolytisch metabolisme

HIF bemiddelt cellulaire aanpassing aan lage zuurstofbeschikbaarheid

HIF-geïnduceerde metabole herprogrammering als reactie op tumorhypoxie veroorzaakt acidose

Acidose kan de HIF-α-stabilisatie en HIF-geïnduceerde genregulatie beïnvloeden

Hypoxie verbetert de expressie en activiteit van pHi-regulerende systemen om overleving en invasie van cellen te bevorderen

Hypoxie verhoogt de NHE-1-expressie en -activiteit

De door hypoxie geïnduceerde membraan-geassocieerde koolzuuranhydrasen zijn sleutelenzymen die betrokken zijn bij pH-homeostase, celoverleving en migratie in een hypoxische/zure micro-omgeving

CAIX-regulering en expressie

CAXII-regulering en expressie

De activiteit en functies van CAIX en CAXII

De door hypoxie geïnduceerde monocarboxylaattransporter MCT4, de constitutief tot expressie gebrachte MCT1 en hun chaperonne CD147 zijn belangrijke plasmamembraaneiwitten die betrokken zijn bij pH-regulatie, energiebalans, tumorprogressie en metastase

MCT-regulatie, expressie, structuur en implicatie van hun chaperonne CD147

De MCT1, MCT4 en CD147 activiteit en functies

Strategieën die profiteren van veranderingen in het zuurstofniveau, de energiebalans en pH-homeostase om primaire tumoren en metastasen aan te pakken

Verlaging van de pHi van hypoxische cellen van de primaire tumor door remming van belangrijke pHi-regulerende systemen om de ATP-productie in te storten

Verhoging van de pHo en de extracellulaire buffercapaciteit bij het aanpakken van metastase en het verminderen van resistentie tegen meerdere geneesmiddelen

Onderhoud van cellulaire pH-homeostase is van fundamenteel belang voor het leven. Een aantal belangrijke intracellulaire pH (pHi)-regelsystemen, waaronder de Na+/H+-wisselaars, de protonpomp, de monocarboxylaattransporters, de HCO3 − transporters en uitwisselaars en de membraan-geassocieerde en cytosolische koolzuuranhydrasen werken samen bij het handhaven van een pHi die toelaatbaar is voor celoverleving. Een veel voorkomend kenmerk van tumoren is acidose veroorzaakt door hypoxie (lage zuurstofspanning). Naast oncogenactivering en transformatie is hypoxie verantwoordelijk voor het induceren van acidose door een verschuiving in het cellulaire metabolisme die een hoge zuurbelasting in de micro-omgeving van de tumor genereert. Door hypoxie en oncogenactivering kunnen cellen zich echter ook aanpassen aan de potentieel toxische effecten van een overmaat aan acidose. Hypoxie doet dit door de activiteit te induceren van een transcriptiefactor, de hypoxie-induceerbare factor (HIF), en in het bijzonder HIF-1, die op zijn beurt de expressie verbetert van een aantal pHi-regulerende systemen die omgaan met acidose. In deze review zullen we ons concentreren op de karakterisering en functie van enkele van de hypoxie-induceerbare pH-regulerende systemen en hun inductie door hypoxische stress. Het is essentieel om de basisprincipes van pH-regulatie te begrijpen om de uitdaging aan te gaan die bestaat in het aanpakken van tumormetabolisme en acidose als een antitumorbenadering. We zullen strategieën samenvatten die profiteren van intracellulaire en extracellulaire pH-regulatie om de primaire tumor en metastatische groei aan te pakken, en om weerstand tegen chemotherapie en radiotherapie om te keren.


Conclusie

Aangezien pHi-regulatie veel cellulaire functies regelt die betrokken zijn bij energieproductie, celoverleving, proliferatie en migratie, wordt een strategie die enkele van de belangrijkste pHi-regulerende systemen van sterk glycolytische cellen zou remmen, zoals getransformeerde cellen en hypoxische tumorcellen, nu intensief toegepast. onderzocht. Validatie van de rol van HIF-1-geïnduceerde pHi-regulerende systemen zoals CAIX, CAXII en MCT4 in tumorigenese en tumorontwikkeling is aan de gang. De uitdaging bestaat er nu in om de meest specifieke en veelbelovende geneesmiddelen die op deze systemen zijn gericht, te evalueren voor mogelijke combinaties met chemotherapeutische verbindingen.


Bekijk de video: Bioloģija 9. klasei. Asinis. (December 2021).