電子輸送チェーン：コンポーネント、シーケンス、阻害剤 - 生物学 - 2025

電子輸送鎖は膜内のタンパク質分子と補酵素のセットからなります。その名前が示すように、コエンザイムNADHまたはFADH2からO2（分子状酸素）である最終受容体への電子の輸送を担当します。

この輸送プロセスでは、電子が補酵素からタンパク質に付​​着したレドックス中心を介して分子酸素に移動するときに放出されるエネルギーは、エネルギー（ATP）の生産に関連しています。このエネルギーは、ミトコンドリア内膜で生成されるプロトン勾配のおかげで得られます。

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この輸送システムは、少なくとも2つの酸化状態にあるさまざまなコンポーネントで構成されています。それらのそれぞれは、NADHまたはFADH2からO2への電子の移動中に効果的に還元および再酸化されます。

コエンザイムNAD +およびFADは、さまざまな基質の酸化の結果として、脂肪酸酸化経路およびクエン酸回路で減少します。これらの補酵素は、その後電子輸送チェーンで酸化されます。

したがって、電子輸送システムは、相互に接続された一連の酸化還元反応で構成されています。

チェーンコンポーネント

生物の種類にもよりますが、電子輸送鎖を構成する3〜6個の成分が観察されます。電子輸送のプロセスと酸化的リン酸化によるATPの合成は、膜で発生するプロセスです。

原核細胞（好気性細菌）の場合、これらのプロセスは原形質膜に関連して発生します。真核細胞ではミトコンドリア膜で発生するため、電子輸送の成分は膜の内部に見られます。

電子は、電子輸送チェーンを構成する4つの複合体を介して徐々に転送されます。

各複合体には、補欠分子族（共役タンパク質の非アミノ酸成分）のレドックスに関連するいくつかのタンパク質成分があり、還元電位を高めることができます。

さらに、この輸送システムは、フラボタンパク質などのさまざまな分子種で構成されています。コエンザイムQはユビキノン（CoQまたはUQ）とも呼ばれます。シトクロムb、c、c1、a、a3などのさまざまなシトクロム。Fe-S基を持つタンパク質とCuに結合したタンパク質。これらの分子は、チトクロームcを除いて、膜に結合します。

コンプレックスI

NADHコエンザイムキノン酸化還元酵素、またはNADHデヒドロゲナーゼと呼ばれる複合体は、約45のポリペプチド鎖で構成され、1つのフラビンモノヌクレオチド（FMN）分子と8〜9個のFe-Sクラスターを含みます。その名前が示すように、この複合体は電子のペアを補酵素NADHからCoQに転送します。

NADHデヒドロゲナーゼ複合体の機能は、NADHがミトコンドリア内膜のマトリックス側の複合体に結合することから始まります。次に、電子はNADHからFMNに輸送されます。その後、電子は還元フラビン（FMNH2）からFe-Sタンパク質に移動します。

FMNH2はNADHとFe-Sタンパク質の間の一種の橋渡しとして機能します。後者は単一の電子のみを転送でき、コエンザイムNADHは2つの電子を転送できるため、フラビンがこの単一の電子の転送を実行するためです。セミキノンのレドックス状態に。

最後に、電子はFe-SクラスターからコエンザイムQに移動します。コエンザイムQは、イソプレノイドテールを備えた可動性の電子キャリアであり、疎水性になり、ミトコンドリア膜の中心を通過できます。

コンプレックスII

コハク酸デヒドロゲナーゼとしてよく知られている複合体IIは、ミトコンドリア内膜の不可欠なタンパク質であり、クエン酸サイクルに介入する酵素です。

この複合体は、フラボタンパク質とFe-Sのタンパク質に加えて、CoQの結合部位を提供するヘムbグループを持つ2つの親水性および2つの疎水性サブユニットで構成されています。

クエン酸サイクル（クレブスまたはトリカルボン酸サイクル）では、コハク酸脱水素酵素によってコハク酸がフマル酸に変換され、補酵素FADがFADH2に還元されます。この最後の補酵素から、電子はFe-S中心に転送され、次にそれらはCoQに転送されます。

この電子移動の反応中、標準的な酸化還元電位は非常に低く、ATPを合成するために必要な自由エネルギーが解放されません。

これは、複合体IIが、ATP合成にエネルギーを提供できない電子輸送チェーン内の唯一の複合体であることを意味します。ただし、この複合体は、電子をFADH2からチェーンの残りの部分に転送するため、プロセスの鍵となります。

コンプレックスIII

複合体III、シトクロムbc1複合体またはCoQシトクロムcレダクターゼは、還元型補酵素Qからシトクロムcに電子を転送します。この転送は、Qサイクルと呼ばれる単一のレドックス経路を介して行われます。

この複合体は、Fe-Sと3つの異なるチトクロームを含むタンパク質で構成され、ヘムグループにある鉄原子は、還元（Fe2 +）状態と酸化（Fe3 +）状態の間で周期的に変化します。

シトクロムは、レドックス活性を有する電子輸送ヘモタンパク質です。それらは、一部の偏性嫌気性菌を除いて、すべての生物に存在します。

これらのタンパク質には、2つの酸化状態（Fe2 +とFe3 +）を交互に繰り返すヘムグループがあります。チトクロームcは、ミトコンドリアの内膜に弱く関連付けられているモバイル電子キャリアです。

この複合体に含まれるシトクロムはシトクロムb、c、aです。3つすべてが、Fe2 +とFe3 +の間で酸化状態を変える特性の異なるhaeグループを持つレドックス活性タンパク質です。

チトクロームcは、シトクロームc1と複雑なIVの電子「シャトル」として機能する末梢膜タンパク質です。

コンプレックスIV

チトクロームcとO2は、有機物質の酸化に由来する電子の最終的な受容体であるため、複合体IVまたはチトクロームcオキシダーゼは、電子輸送プロセスの最終酵素です。これは、チトクロームcから電子を受け取り、それらをO2還元に転送します。

複合体の機能は、還元型チトクロームcの4つの連続分子の1つの電子の酸化を触媒することです。つまり、1分子のO2の4つの電子を同時に還元し、最終的に2分子のH2Oを生成します。

電子輸送シーケンス

電子は、コエンザイムQのおかげで複合体IおよびIIから複合体IIIに移動し、そこからシトクロムcを介して複合体IVに移動します。電子がこれらの4つの錯体を通過すると、還元電位が増加し、エネルギーが放出されて、ATPの合成に使用されます。

全体として、1対の電子の移動により、膜を通過する10個のプロトンが移動します。複合体IとIVでは4つ、複合体IIIでは2つ。

NADHデヒドロゲナーゼ

この酵素は、コエンザイムQによるコエンザイムNADHの酸化を触媒します。電子はNADHから複雑なIの親水性尾部に付着しているFMNに移動します。Fe-Sのクラスターは、一度に1つずつ電子を移動します。これらのFe-Sグループは、膜に埋め込まれているCoQをユビキノール（還元CoQ）に還元します。

電子がCoQに移動する間に、4つの陽子が内膜を通って膜間空間に移動します。これらのプロトンが移動するメカニズムには、複合体Iの疎水性尾部にあるタンパク質が関係しています。

このステップの電子移動プロセスでは、自由エネルギー、具体的には-16.6 kcal / molが放出されます。

CoQ-チトクロームcレダクターゼとサイクルQ

コエンザイムQは、このコエンザイムによって触媒される反応で、チトクロームcによって酸化されます。ユビキノールの酸化（還元されたCoQ）は、ミトコンドリア膜の複合体の特定の部位（Qoまたは酸化部位）で発生し、2つの電子を1つはFe-Sグループを持つタンパク質に、もう1つはヘムグループに転送します。

Qサイクルでは、CoQの酸化によりセミキノンが生成されます。セミキノンでは、電子がヘムグループb1およびbhに移動します。この電子移動が発生すると、2番目のCoQがQoサイトで酸化され、サイクルが繰り返されます。

このサイクルにより、2つの電子が移動し、次に膜間空間に4つの陽子が移動し、-10.64 kcal /モルの自由エネルギーが放出されます。

チトクロームcオキシダーゼ

この酵素（複合体IV）は、最終的な電子受容体であるO2によるシトクロムc（還元）の酸化を触媒します。この移動により、膜を通過するプロトンの移動に加えて、移動した電子の各ペアに対して1つのH2O分子が生成されます。

電子は、還元されたチトクロームcからCuAイオンのペアに1つずつ移動し、ヘムグループに渡され、最終的に、CuBイオンとヘムa3を含む複合体の二核中心に到達します。酸素まで。

複合体IVでは、元素が1つずつ電子を移動するため、O2は徐々に還元され、スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシルラジカルなどの一部の毒性化合物の放出は発生しません。

この段階で放出されるエネルギーは-32 kcal / molに相当します。移動プロセス中に生成される電気化学的勾配と、4つの錯体を通過するときに電子対によって引き起こされるエネルギー変化（ΔE）は、各段階で、ATP分子の生成に必要な自由エネルギーに対応します。

コハク酸デヒドロゲナーゼ

述べたように、この複合体は、FADH2の電子をクエン酸回路から電子輸送鎖に導入する唯一の重要な機能を持っています。

この酵素は、コエンザイムQ（酸化）によるコエンザイムFADH2の酸化を触媒します。クエン酸サイクルでは、コハク酸が酸化されてフマル酸になるため、2つの電子と2つのプロトンがFADに転送されます。その後、FADH2は複合体のFe-S中心を介してこれらの電子をCoQに転送します。

最後に、CoQから電子は、上記の手順に従って複合体IIIに転送されます。

鎖の複合体は独立しています

電子輸送チェーンを構成する4つの複合体は独立しています。つまり、それらはミトコンドリア内膜で発見され、独立して動作します。膜内でのそれぞれの動きは、他の複合体に依存しないか、リンクされています。

複合体IとIIは膜内を移動し、電子をCoQに転送します。CoQも膜内で拡散し、複合体IIIに転送します。ここから電子はシトクロムcに移動します。コンプレックスIV。

電子輸送チェーンの阻害剤

一部の特定の阻害剤は、そのプロセスを妨害する電子輸送チェーンに作用します。ロテノンは、化学量論的に複合体Iに結合する一般的に使用される殺虫剤であり、CoQの低下を防ぎます。

PiericidinやAmytalなどの一部のバルビツール酸系薬物は、複合体Iを阻害し、Fe-SグループからCoQへの電子の移動を妨害します。

複合体IIでは、テノイルトリフルオロアセトンやマロン酸などのいくつかの化合物が、コハク酸との競合阻害剤として機能し、その酸化を防止し、電子のFADへの移動を防止します。

ミクソチアゾールやスチグマテリンなどのいくつかの抗生物質は、CoQのQ結合部位に結合し、補酵素Qからタンパク質のFe-S中心への電子の移動を阻害します。

シアン化物、アジ化物（N3-）、硫酸、および一酸化炭素は、錯体IVを阻害します。これらの化合物はヘム基に結合し、複合体の二核中心または酸素（O2）への電子の移動を防ぎます。

電子輸送鎖を阻害することにより、酸化的リン酸化によりエネルギー産生が停​​止し、深刻な損傷を引き起こし、さらには死に至ります。

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