Наявність суперкомплексів у дихальному ланцюгу перенесення електронів забезпечується білком SCAFI

Дихальний ланцюг перенесення електронів — це білкові комплекси і переносники електронів, що плавають на внутрішній мембрані мітохондрії, що передають один одному по ланцюжку електрони і за рахунок цього виробляють енергію. Дихальних білкових комплексів чотири, і досі неясно, як же вони організовані на мембрані: чи плавають незалежно один від одного або об’єднуються разом, утворюючи так звані суперкомплекси. Група іспанських дослідників виявила, що білок під назвою SCAFI (supercomplex assembly factor I) специфічно регулює об’єднання дихальних комплексів у суперкомплекси.

Ріс. 1. Дихальний ланцюг перенесення електронів у мітохондрії. У стромі (внутрішньому просторі) мітохондрії постійно проходить цикл Кребса. Кребс, який утворюється в циклі, відновлений нікотинамідаденіндінуклеотид (NADH) підхоплюється плаваючим по мембрані першим дихальним комплексом (I) і окисляється до NAD +; електрони з NADH передаються на липидорастворимий переносник електронів кофермент Q (убіхінон), що плаває в мембрані, і в процесі реакції зі строми в міжмембранний простір перекачуються чотири протони (^H +

). У той же час, другий дихальний комплекс (II) (який, до речі, є також одним з ферментів циклу Кребса) окисне утворюється в циклі

. Третій комплекс (III) переносить електрони з убіхінона на водорозчинний переносник цитохром c (Cyt c), який плаває в міжмембранному просторі і при цьому перекачує зі строми в міжмембранний простір шість протонів

. Четвертий комплекс (IV) переносить електрони з цитохрому c на кисень; кисень відновлюється до води, і в процесі реакції зі строми в міжмембранний простір переноситься ще чотири протони. В результаті в стромі виявляється мало протонів, а в міжмембранному просторі, навпаки, багато, тобто виникає протонний градієнт. Білковий комплекс АТФ-синтазу (часто його називають п’ятим дихальним комплексом) використовує енергію цього градієнта для синтезу АТФ. При цьому треба пам’ятати, що крім циклу Кребса в стромі мітохондрії постійно йдуть і інші метаболічні процеси, наприклад, бета-окислення жирних кислот (див. beta oxidation), в якому утворюється ацетил кофермент А, що надходить до циклу Кребса, а також NADH і F_ADH2, які безпосередньо можуть бути використані в електронтранспортному ланцюгу

. Зацікавленому читачеві я раджу не обмежуватися цим мізерним описом захоплюючого процесу вироблення енергії і продовжити читання на цю тему, хоча б з відповідних статей англомовної вікіпедії

. Зображення з сайту en.wikipedia.org

Кілька десятиліть тому, коли дихальні білкові комплекси мітохондрій були тільки виділені і досліджені, передбачалося, що вони існують в мембрані незалежно один від одного і спілкуються тільки за допомогою подорожуючих між ними переносників електронів — убіхінона і цитохрому c (рис. 1). Таке припущення отримало назву «рідка модель» (fluid model). Однак поступово з’являлися свідчення того, що справа йде не так просто і дихальні комплекси, можливо, об’єднуються між собою в більш великі структури — «суперкомплекси».

Наприклад, виявилося, що комплекс I взагалі нестабільний за відсутності комплексів III або IV. І ось у 2000 році була висловлена смілива гіпотеза — її назвали «цільна модель» (solid model), — згідно з якою комплекси I, III і IV об’єднуються разом в один гігантський суперкомплекс під назвою респірасома (respirasome), в результаті чого працюють більш злагоджено (див HGanGanGanGanFanGanGanGanSanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGanGE- Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria). З мітохондрій серцевого м’яза бика були виділені шукані респірасоми, але, як і завжди в таких тонких молекулярних дослідженнях, залишалася ймовірність того, що це просто артефакт неправильно підібраної методики, і комплекси зчепляються разом не в мембрані мітохондрії бика, а безпосередньо в пробірці дослідника. У наступні роки робилися багаторазові спроби довести або спростувати існування респірасоми, але марно: незаперечних аргументів ні за респірасому, ні проти неї отримано не було. Респірасоми та інші суперкомплекси прекрасно виявлялися в мітохондріях за допомогою деяких способів виділення білків, але як і раніше було неясно, факт це або артефакт.

Автори обговорюваної роботи вирішили підійти до проблеми з іншого боку. Якщо респірасоми (і інші суперкомплекси) — це не артефакт, то вони, напевно, будуть складатися не тільки з дихальних комплексів як таких, але і з яких-небудь інших, допоміжних білків. І якщо ці допоміжні білки ідентифікувати, а потім «пограти» з ними — наприклад, вимкнути їх або включити, — то можна отримати непрямі докази (або, навпаки, спростування) існування суперкомплексів, а також взагалі зрозуміти, за яких умов ці комплекси утворюються і навіщо потрібні.

Тому дослідники спочатку виділили з мітохондрій суперкомплекси і дихальні комплекси поодинці (це було зроблено за допомогою синього нативного електрофорезу (див. BN-PAGE) — одного з найщадніших способів поділу білкових сумішей), а потім проаналізували білки, з яких складаються суперкомплекси і «самотні» дихальні комплекси.

І з’ясувалося, що один білок (який носив незрозумілу назву   — cytochrome c oxidase subunit   a polypeptide 2-like) присутній тільки в суперкомплексах, що містять дихальний комплекс IV (тобто в респірасомі і суперкомплексі III + IV), а в самотніх комплексах не зустрічається. Паралельно дослідникам пощастило випадково виявити, що в трьох мутантних лініях мишачих клітин з пошкодженою (і, мабуть, нежиттєздатною) формою цього білка суперкомплекси за участю комплексу IV в мембрані мітохондрій взагалі не виявляються. При цьому якщо в мутантні клітини вставити ген нормального білка, то ці суперкомплекси починають в них утворюватися. З усього цього дослідники зробили закономірний висновок: даний білок допомагає комплексу IV утворювати суперкомплекси і тому заслуговує на те, щоб бути перейменованим у фактор об’єднання суперкомплексів I (supercomplex assembly factor I, або SCAFI) і бути дослідженим детальніше.

Справедливості заради зазначимо, що ідея про білки, які стабілізують суперкомплекси, не нова: торік у дріжджів вже були виявлені два білки, Rcf1 і Rcf2, які також брали участь в утворенні суперкомплексів (див.: V. Strogolova et al., 2012. Rcf1 and Rcf2, members of the hypoxia-induced gene 1 protein family, are critical components of the mitochondrial cytochrome bc1-cytochrome c oxidase supercomplex).

Навіщо ж потрібна освіта суперкомплексів? Дослідники запропонували елегантне пояснення цього явища (рис. 2).

Рис, 2. Наявність суперкомплексів сильно розгалужує можливі потоки електронів в електронтранспортному ланцюгу. Пояснення в тексті. Зображення з обговорюваної статті в Science

Припустимо, в мембрані немає ніяких суперкомплексів, а дихальні комплекси працюють поодинці і незалежно один від одного. Тоді передача електронів проводиться за простим маршрутом, що має всього одне розгалуження: комплекс I переносить електрони з NADH на кофермент Q (назвемо цей пул коферменту Q «CoQ_NADH»), комплекс II — з сукцинату на кофермент Q (цей пул коферменту Q ми назвемо «CoQ_FAD», оскільки окислення в комплексі II відбувається за допомогою кофактора FAD); після цього c обох пулів коферменту Q електрони за допомогою комплексу III передаються на цитохром c (тобто утворюється тільки один великий пул цитохрому c, назвемо його Cyt c_both, тому що він відноситься до обох потоків); і нарешті, цитохром c, спійманий комплексом IV, переносить електрони на кисень. Іншими словами, у всій системі існує тільки один пул комплексів IV — назвемо його IV_both.

Якщо ж у мембрані, крім самотніх комплексів, плавають ще й суперкомплекси, то маршрут електронів складніший і розгалужений. Крім вищеописаного шляху вільними комплексами, вони також можуть потрапити в респірасому, де врешті-решт окремий пул комплексу IV (назвемо його IV_NADH) перенесе їх з окремого пулу цитохрому c на кисень. Можуть за допомогою комплексу II потрапити на суперкомплекс III + IV, звідки, знову ж таки, відправляться на кисень (цей пул комплексів IV ми назвемо _IVFAD). Таким чином, у нас є три пули комплексів IV — _IVNADH, _IVFAD і _IVboth.

В результаті такого поділу система стає більш гнучкою, застрахованою від перенасичення одним субстратом і конкуренції між субстратами і, навпаки, адаптованою під використання різних субстратів на оптимальних рівнях. Наприклад, якщо «годувати» мітохондрії виключно сукцинатом (що відправляє електрони по FAD-шляху), то за відсутності суперкомплексів вони будуть обробляти його швидше, ніж у їх присутності. Однак якщо помістити ці мітохондрії в середовище, що містить і сукцинат, і піруват + малат (відправляють електрони по NADH-шляху), то обробка сукцинату в мітохондріях, що містять суперкомплекси, не зміниться, а ось в мітохондріях без суперкомплексів — істотно впаде (рис. 3).

Рис, 3. Наявність суперкомплексів дозволяє електронтранспортному ланцюгу одночасно обробляти різні субстрати. За відсутності суперкомплексів (SCAFI-) електронтранспортний ланцюг добре обробляє сукцинат, якщо він є єдиним субстратом, однак при комбінації сукцинату з піруватом + малатом обробка сукцинату сильно сповільнюється. Водночас за наявності суперкомплексів (SCAFI +) додавання другого субстрату не заважає обробці сукцинату. По вертикальній осі — рівень обробки сукцинату, вимірений по виходу його продукту — фумарату. По горизонтальній осі — час. Зображення з обговорюваної статті в Science

Судячи з усього, наявність суперкомплексів — це просто додатковий і необов’язковий «бантик» в електронтранспортному ланцюгу. Хоча суперкомплекси, мабуть, і додають цьому ланцюгу ергономічності, але і за їх відсутності мітохондрії (а також тварини, в яких працюють ці мітохондрії) прекрасно себе почувають. Обговорювана ж робота, по-перше, надає генетичне свідчення наявності суперкомплексів, а по-друге, пропонує елегантну теорію пластичності електронтранспортного ланцюга.

Джерело: Esther Lapuente-Brun, Raquel Moreno-Loshuertos, Rebeca Acín-Pérez, Ana Latorre-Pellicer, Carmen Colás, Eduardo Balsa, Ester Perales-Clemente, Pedro M. Quirós, Enrique Calvo, M. A. Rodríguez-Hernández, Plácido Navas, Raquel Cruz, Ángel Carracedo, Carlos López-Otín, Acisclo Pérez-Martos, Patricio Fernández-Silva, Erika Fernández-Vizarra, José Antonio Enríquez. Supercomplex assembly determines electron flux in the mitochondrial electron transport chain // Science. 2013. V. 340. P. 1567–1570. Doi: 10.1126/science.1230381.

Віра Башмакова