Наличие суперкомплексов в дыхательной цепи переноса электронов обеспечивается белком SCAFI

Дыхательная цепь переноса электронов — это белковые комплексы и переносчики электронов, плавающие на внутренней мембране митохондрии, передающие друг другу по цепочке электроны и за счет этого вырабатывающие энергию. Дыхательных белковых комплексов четыре, и до сих пор толком неясно, как же они организованы на мембране: плавают ли независимо друг от друга или объединяются вместе, образуя так называемые суперкомплексы. Группа испанских исследователей обнаружила, что белок под названием SCAFI (supercomplex assembly factor I) специфически регулирует объединение дыхательных комплексов в суперкомплексы.

Рис. 1. Дыхательная цепь переноса электронов в митохондрии. В строме (внутреннем пространстве) митохондрии постоянно проходит цикл Кребса. Образующийся в цикле Кребса восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (NADH) подхватывается плавающим по мембране первым дыхательным комплексом (I) и окисляется до NAD+; электроны с NADH передаются на плавающий в мембране липидорастворимый переносчик электронов кофермент Q (убихинон), и в процессе реакции из стромы в межмембранное пространство перекачиваются четыре протона (H+). В то же время, второй дыхательный комплекс (II) (который, кстати, является также одним из ферментов цикла Кребса) окисляет образовавшийся в цикле Кребса сукцинат до фумарата, тоже перенося электроны на убихинон. Третий комплекс (III) переносит электроны с убихинона на водорастворимый переносчик цитохром c (Cyt c), который плавает в межмембранном пространстве и при этом перекачивает из стромы в межмембранное пространство шесть протонов. Четвертый комплекс (IV) переносит электроны с цитохрома c на кислород; кислород восстанавливается до воды, и в процессе реакции из стромы в межмембранное пространство переносится еще четыре протона. В результате в строме оказывается мало протонов, а в межмембранном пространстве, наоборот, много, то есть возникает протонный градиент. Белковый комплекс АТФ-синтаза (часто его называют пятым дыхательным комплексом) использует энергию этого градиента для синтеза АТФ. При этом надо помнить, что помимо цикла Кребса в строме митохондрии постоянно идут и другие метаболические процессы, например, бета-окисление жирных кислот (см. beta oxidation), в котором образуется ацетил кофермент А, поступающий в цикл Кребса, а также NADH и FADH2, которые непосредственно могут быть использованы в электронтранспортной цепи. Заинтересованному читателю я советую не ограничиваться данным скудным описанием захватывающего процесса выработки энергии и продолжить чтение на эту тему, хотя бы из соответствующих статей англоязычной википедии. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Несколько десятилетий назад, когда дыхательные белковые комплексы митохондрий были только выделены и исследованы, предполагалось, что они существуют в мембране независимо друг от друга и общаются только с помощью путешествующих между ними переносчиков электронов — убихинона и цитохрома c (рис. 1). Такое предположение получило название «жидкая модель» (fluid model). Однако постепенно появлялись свидетельства того, что дело обстоит не так просто и дыхательные комплексы, возможно, объединяются между собой в более крупные структуры — «суперкомплексы».

Например, обнаружилось, что комплекс I вообще нестабилен в отсутствие комплексов III или IV. И вот в 2000 году была высказана смелая гипотеза — ее назвали «цельная модель» (solid model), — согласно которой комплексы I, III и IV объединяются вместе в один гигантский суперкомплекс под названием респирасома (respirasome), в результате чего работают более слаженно (см. Hermann Schägger, Kathy Pfeiffer, 2000. Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria). Из митохондрий сердечной мышцы быка были выделены искомые респирасомы, но, как и всегда в таких тонких молекулярных исследованиях, оставалась вероятность того, что это просто артефакт неправильно подобранной методики, и комплексы сцепляются вместе не в мембране митохондрии быка, а непосредственно в пробирке исследователя. В последующие годы делались многократные попытки доказать или опровергнуть существование респирасомы, но тщетно: неоспоримых аргументов ни за респирасому, ни против нее получено не было. Респирасомы и другие суперкомплексы прекрасно обнаруживались в митохондриях с помощью некоторых способов выделения белков, но по-прежнему было неясно, факт это или артефакт.

Авторы обсуждаемой работы решили подойти к проблеме с другой стороны. Если респирасомы (и другие суперкомплексы) — это не артефакт, то они, наверное, будут состоять не только из дыхательных комплексов как таковых, но и из каких-нибудь других, вспомогательных белков. И если эти вспомогательные белки идентифицировать, а потом «поиграть» с ними — например, выключить их или включить, — то можно получить косвенные доказательства (или, наоборот, опровержения) существования суперкомплексов, а также вообще понять, при каких условиях эти комплексы образуются и зачем нужны.

Поэтому исследователи вначале выделили из митохондрий суперкомплексы и дыхательные комплексы поодиночке (это было сделано с помощью синего нативного электрофореза (см. BN-PAGE) — одного из самых щадящих способов разделения белковых смесей), а затем проанализировали белки, из которых состоят суперкомплексы и «одинокие» дыхательные комплексы.

И выяснилось, что один белок (который носил невразумительное название Cox7a2l — cytochrome c oxidase subunit VIIa polypeptide 2-like) присутствует только в суперкомплексах, содержащих дыхательный комплекс IV (то есть в респирасоме и суперкомплексе III+IV), а в одиноких комплексах не встречается. Параллельно исследователям посчастливилось случайно обнаружить, что в трех мутантных линиях мышиных клеток с поврежденной (и, видимо, нежизнеспособной) формой этого белка суперкомплексы с участием комплекса IV в мембране митохондрий вообще не выявляются. При этом если в мутантные клетки вставить ген нормального белка, то эти суперкомплексы начинают в них образовываться. 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 (supercomplex assembly factor I, или SCAFI) и быть исследованным подробнее.

Справедливости ради отметим, что идея про белки, стабилизирующие суперкомплексы, не нова: в прошлом году у дрожжей уже были обнаружены два белка, Rcf1 и Rcf2, которые также участвовали в образовании суперкомплексов (см.: 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).

Зачем же нужно образование суперкомплексов? Исследователи предложили элегантное объяснение этого явления (рис. 2).

Рис. 2. Наличие суперкомплексов сильно разветвляет возможные потоки электронов в электронтранспортной цепи. Объяснения в тексте. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Допустим, в мембране нет никаких суперкомплексов, а дыхательные комплексы работают поодиночке и независимо друг от друга. Тогда передача электронов производится по простому, имеющему всего одно разветвление маршруту: комплекс I переносит электроны с NADH на кофермент Q (назовем этот пул кофермента Q «CoQ_NADH»), комплекс II — с сукцината на кофермент Q (этот пул кофермента Q мы назовем «CoQ_FAD», поскольку окисление в комплексе II происходит с помощью кофактора FAD); после этого c обоих пулов кофермента Q электроны с помощью комплекса III передаются на цитохром c (то есть образуется только один большой пул цитохрома c, назовем его Cyt c_both, потому что он относится к обоим потокам); и наконец, цитохром c, пойманный комплексом IV, переносит электроны на кислород. Иными словами, во всей системе существует только один пул комплексов IV — назовем его IV_both.

Если же в мембране, помимо одиноких комплексов, плавают еще и суперкомплексы, то маршрут электронов сложнее и разветвленнее. Помимо вышеописанного пути по свободным комплексам, они также могут попасть в респирасому, где в конце концов отдельный пул комплекса IV (назовем его IV_NADH) перенесет их с отдельного пула цитохрома c на кислород. Могут с помощью комплекса II попасть на суперкомплекс III+IV, откуда, опять же, отправятся на кислород (этот пул комплексов IV мы назовем IV_FAD). Таким образом, у нас есть три пула комплексов IV — IV_NADH, IV_FAD и IV_both.

В результате такого разделения система становится более гибкой, застрахованной от перенасыщения одним субстратом и конкуренции между субстратами и, наоборот, адаптированной под использование разных субстратов на оптимальных уровнях. Например, если «кормить» митохондрии исключительно сукцинатом (отправляющим электроны по FAD-пути), то в отсутствие суперкомплексов они будут обрабатывать его быстрей, чем в их присутствии. Однако если поместить эти митохондрии в среду, содержащую и сукцинат, и пируват+малат (отправляющие электроны по NADH-пути), то обработка сукцината в митохондриях, содержащих суперкомплексы, не изменится, а вот в митохондриях без суперкомплексов — существенно упадет (рис. 3).

Рис. 3. Наличие суперкомплексов позволяет электронтранспортной цепи одновременно обрабатывать разные субстраты. В отсутствие суперкомплексов (SCAFI–) электронтранспортная цепь хорошо обрабатывает сукцинат, если он является единственным субстратом, однако при комбинации сукцината с пируватом+малатом обработка сукцината сильно замедляется. В то же время при наличии суперкомплексов (SCAFI+) добавление второго субстрата не мешает обработке сукцината. По вертикальной оси — уровень обработки сукцината, измеренный по выходу его продукта — фумарата. По горизонтальной оси — время. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Судя по всему, наличие суперкомплексов — это просто дополнительный и необязательный «бантик» в электронтранспортной цепи. Хотя суперкомплексы, видимо, и добавляют этой цепи эргономичности, но и в их отсутствие митохондрии (а также животные, в которых работают эти митохондрии) прекрасно себя чувствуют. Обсуждаемая же работа, во-первых, предоставляет генетическое свидетельство наличия суперкомплексов, а во-вторых, предлагает элегантную теорию пластичности электронтранспортной цепи.

Источник: 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.

Вера Башмакова