Mitokondriaalne elektronide transpordi ahel.
Hingamine - redoksprotsess, kus elektronide akseptoriks (redutseeritav ühend) on
anorgaaniline (meie organismis hapnik), elektronide doonor (oksüdeeritav ühend)
võib olla kas orgaaniline ühend või anorgaaniline ühend. Selles redoksprotsessis
vabaneva energia arvel sünteesitakse ATPd.
Eukarüootsetes rakkudes toimub püruvaadi oksüdatsioon mitokondrites.
Esmalt dekarboksüleeritakse
püruvaat oksüdatiivselt AcCoAks. Edasine atsetüüli
süsiniku oksüdatsioon toimub TCA tsükli vahendusel. Kokku produtseeritakse nendes
protsessides 4 NADH ja 1 reaktsiooni tulemusel FADH2.
Nimetatud reaktsioonid on järgmised:
1. püruvaadi dehüdrogenaas (NADH)
2. isotsitraadi dehüdrogenaas (NADH)
3. α-ketoglutaraadi dehüdrogenaas (NADH)
4. suktsinaadi dehüdrogenaas (FADH2)
5. malaadi dehüdrogenaas (NADH)
Mitokondrites on vastavaid redoksreaktsioonide koensüüme limiteeritud hulgal ja
seetõttu on oluline tagada pidev
oksüdeeritud ja redutseeritud vormi retsükleerimine.
PDH ja TCA tsükli tulemusel moodustunud redutseeritud NADH ja FADH2 tuleb
teisitisõnu uuesti oksüdeerida. Vastasel juhul seiskuvad nii
glükolüüs , PDH kui ka
TCA
tsükkel substraadi puudumise tõttu,
ehkki glükoosi või püruvaati võib olla
piisavalt.
Kuigi suur hulk NADHd, mis tekib TCA tsükli reaktsioonide tulemusel, on
põhimõtteliselt kasutatav taandavaks biosünteesiks, rakendatakse
mitokondriaalse NADH keemiline potentsiaal kõige sagedamini energia saamise eesmärgil ehk ATP
sünteesiks oksüdatiivse fosforüülimise protsessis. NADH oksüdeerimine ja ADP
fosforüülimine ATPks on protsessid, milleks on vajalik mitokondri sisemembraaniga
seotud elektronide ülekande ahel ja ATP süntaas. Nendes protsesside vahendavad
mitokondri sisemembraani integraalsed valkkompleksid.
NADH ja FADH2 loovutavad prootonid ja elektronid ära elektronide transportahelale.
See ahel koosneb neljast valkkompleksist, mis koostöös liikuvate ehk mobiilsete
vahendajatega kannavad elektronid üle hapnikule, redutseerides selle
veeks . Samal
ajal toimub prootonite
pumpamine intermembraansesse ruumi, mille tulemusel tekib
prootonite
gradient mitokondri sisemembraanil. Selle
gradiendi potentsiaalset energiat
kasutatakse ATP süntaasi poolt ATP sünteesiks. Suur osa sünteesitud ATPst
transporditakse mitokondrist välja tsütosooli, kus teda tarbitakse biomolekulide
sünteesiks, transportprotsessides jne.
Seega ei toimu NADH ja FADH2 arvel ATP süntees otseselt ehk substraadi tasemel
fosforüülimisega vaid prootongradiendi poolt vahendatud protsessis.
Millistest komponentidest koosneb mitokondriaalne elektronide ülekandeahel?
Kompleks I sisaldab vähemalt 42 polüpeptiidi, FMN ja 5-7 Fe-S klastrit.
Kompleks II sisaldab 7-8 polüpeptiidi, FAD, 3 Fe-S klastrit ja tsütokroomi b560.
Kompleks III sisaldab tsütokroomi b, tsütokroomi c1 ja Fe-S valku.
Kompleks IV sisaldab tsütokroomi a, tsütokroomi a3 ja 2 Cu iooni sisaldavat tsentrit.
Elektronide pumpamine
maatriksist membraanidevahelisse ruumi toimub
kompleksides I, III ja IV. Väljapumbatud prootonid liiguvad tagasi mitokondri
maatriksisse läbi ATP süntaasi, kus prootonite spontaanne liikumine kontsentratsiooni
gradiendi alanemise suunas on ATP sünteesi käimapanevaks jõuks.
Enamus elektronide ülekandeahela komponente on integraalsed mitokondri
sisemembraani
valgud , ent lisaks on olulised järgmised redoksreaktsioonides osalevad
molekulid:
-NADH ja suktsinaat on lahustunud kujul mitokondri maatriksis.
-CoQ on väike mobiilne elektronide kandja, mis
vahendab elektrone primaarsete
dehüdrogenaaside ja kompleksi III tsütokroomi b vahel. CoQ on seotud membraani
lipiidse faasiga tänu hüdrofoobsele molekuli iseloomule.
-Tsütokroom c on
perifeerne membraanivalk, mis on seotud mitokondri
sisemembraaniga tsütosooli poolel.
ATP kui makroergilise ühendi süntees toimub NADH ja FADH2 energia arvel.
Selgitada on seda kõige lihtsam vaadeldes
mainitud ühendite redokspotentsiaale.
Redokspotentsiaalide abil on võimalik iseloomustada elektronide liikumist kahe
ühendi segust koosnevas süsteemis.
Biokeemias kasutatakse tavaliselt redokspotentsiaali defineerimiseks
standardelektroodi pH = 7 juures. Mõõdetavat potentsiaali nimetatakse standardseks
bioloogiliseks elektroodipotentsiaaliks Eo’.
Redoksreaktsiooni
vabaenergia on arvutatav otse Eo’ väärtusest Nernsti võrrandi abil.
ΔGo’ = -nFΔEo’
Selles võrrandis on n- reaktsioonis osalevate elektronide arv
F-
Faraday constant (94.4 kJ/V/mol)
Keemiliste reaktsioonide (loomulikult ka redoksreaktsioonide) kulgemisega kaasneb
vabaenergia muutumine ja iga
reaktsioon kulgeb eelistatult ühes suunas.
Kui elektronid liiguvad spontaanselt ühe ühendi koosseisust teisele ühendile, kaasneb
sellega energia
vabanemine . NADH ja FADH2 on väga kõrge negatiivse
redokspotentsiaaliga ja elektronid saavad
liikuda sealt spontaanselt teiste ühendite
koosseisu, mille
redokspotentsiaal on positiivsem. Selle käigus vabaneb energia.
Hapnik, viimane elektronide
akseptor hingamisahelas on kõige positiivsema ehk
madalama redokspotentsiaaliga. NADH redokspotentsiaal on võrreldes FADH2 –ga
suurema negatiivse väärtusega. Seetõttu on võimalik rohkem energiat vabastada
NADH elektronide loovutamisel, võrreldes elektronide loovutamisega FADH2
koosseisust.
NADH oksüdatsioonireaktsiooni
NADH + (1/2)O2 + H+ = NAD+ + H2O
standardne vabaenergia muut on –217 kJ/mol. Seega on NADH oksüdatsiooni arvel
võimalik sünteesida mitu mooli ATPd, sest ADP fosforüülimisreaktsiooni standardne
vabaenergia on +30.5 kJ/mol. Keemiline analüüs on näidanud, et iga kahe elektroni
ülekandega NADH-lt hapnikule sünteesitakse
imetaja rakkudes 2.5 ATPd
ekvivalenti. FADH2 korral on vastav väärtus 1.5.
Elektronide transportahel koosneb seeriast elektronide akseptoritest ehk
redokstsentritest, mis saavad elektronid NADH või FADH2 koosseisust. Need
akseptorid on positiivsema redokspotentsiaaliga, nii et nende redutseerimisel vabaneb
energia.
Hingamisahela komplekside oluline iseärasus on see, et vabanev energia
suudetakse osaliselt säilitada, kasutades seda kindlate aminonohappe jääkide
Kõrvalahelategs seotud prootonite liigutamiseks ja arvatavasti peptiidahela kõrgema
struktuuritaseme konformatsiooniliste muutuste läbiviimiseks, mis kokkuvõttes
võimaldab prootoneid
pumbata vastu kontsentratsiooni gradienti. Prootonite
pumpamisega mitokondrist välja salvestatakse elektronide vabaenergia keemilise ja
elektrokeemilise gradiendi energiana. Keemiline ja elektrokeemiline vabaenergia ei
ole identsed. On võimalik
elimineerida prootonite gradient nii et säilib
membraanipotentsiaal ja vastupidi.
Elektronide ülekandeahela kompleksid
Kompleksid I ja II ning samuti valk ETF ja mitokondriaalne
glütserool -3-
fosfaadi dehüdrogenaas osalevad kõik ubikinooni redutseerimisel kasutades elektronide
allikana erinevaid substraate.
Kompleks I – NADH dehüdrogenaasi kompleks.
Kompleksis I toimub elektronide ülekanne NADHlt CoQle. Selle protsessi ΔEo’ on
0.42V, mis vastab ΔGo’= 78 kJ/mol süsteemi läbiva elektroni kohta. Seda vabanenud
energiat on enam kui piisavalt ATP sünteesiks ja seda kasutatakse prootonite
pumpamiseks .
Iga NADH oksüdeerimisega antakse edasi 2 elektroni ja pumbatakse mitokondrist
välja arvatavasti 4 prootonit.
Imetajate hingamisahela kompleks I koosneb vähemalt 42 subühikust. Kompleksi Mw
on umbes miljon daltonit. Mitokondriaalse genoomi poolt on kodeeritud 7 kompleks
I subühikut. See on tähelepanuväärselt palju, sest mitokondriaalses
genoomis on
kokku vaid 13 valgu geeni, umbes pooled kuuluvad
nendest kompleksi I. Kompleks I
koosneb struktuurselt 2 osast, membraaniga tugevalt seotud ja perifeerne osa. Need
üksused assambleeritakse arvatavasti eraldi. Perifeerses üksuses paikneb enamus
redokstsentritest. Mitokondriaalse genoomi poolt kodeeritud valgud paiknevad
membraanses osas.
S. cerevisiae ehk pagaripärmi hingamisahelas on kompleks I asemel 57 kDa suurune
valk, mille funktsioon on analoogiline imetajate kompleks I-ga, st. mis täidab
NADH-ubikinooni oksidoreduktaasi funktsiooni.
E. coli kompleks I ekvivalendil on
14 subühikut, neist 7 on
homoloogilised imetajate mitokondriaalse genoomi poolt
kodeeritud subühikutega.
Rotenoon on kompleks I spetsiifiline
inhibiitor . Rotenoon on ubikinooni konkurentne
inhibitor, mis ei võimalda kompleksil I siduda elektronide ülekandeahela järgmist
mobiilset komponenti. Seetõttu blokeerib rotenoon elektronide ülekande kompleksilt
I.
Kompleksi I redokstsentrite hulka kuuluvad
1.FMN
2.Fe-S
tsentrid FMN struktuur redoksreaktsentri osas on identne FADga (vt. Püruvaadi
dehüdrogenaasi kompleks)
FeS klastreid on mitu tüüpi. Nii kompleks I kui ka allpool vaadeldav kompleks II ja
teised ubikinooni redutseerivad kompleksid sisaldavad FeS klastreid, samuti sisaldab
FeS klastrit TCA tsükli
ensüüm akonitaas . FeS klastrite assambleerimine on aktiivselt
uuritav
valdkond . Mitokondrites on valk ferredoksiin, mille üks funktsioon imetaja
rakkudes on olla elektronide doonoriks tsütokroom P450 sisaldavatele
ensüümidele .
Analoogiline valk on ka pärmi mitokondrites, kus P450 puudub. Ferredoksiini
homoloogi
deletsioon pärmis on
letaalne ning
praeguseks on selge, et ta osaleb FeS
klastrite assambleerimisel.
FMN ehk flaviinmononukleotiid on kompleks I perifeerse osaga tugevalt seotud
kofaktor . Seega on kompleks I flavoproetiin. Elektronide allikana ubikinooni
redutseerimisel funktsioneerivad kokku 4 erinevat flavoproteiini:
1. Kompleks I
2. Kompleks II
3. ETF ehk elektrone ülekandev flavoproteiin-dehüdrogenaas
4. glütserool-3-fosfaadi dehüdrogenaas
Kompleks II – suktsinaadi dehüdrogenaasi kompleks
Kompleksi II tuntakse kui suktsinaadi dehüdrogenaasi või suktsinaat:CoQ
oksidoreduktaasi. Elektronide liikumist läbi selle kompleksi iseloomustab ΔEo’
0.05V, millele vastav ΔGo’= -9.6 kJ/mol iga ülekantud elektronide kohta. Seda ei ole
piisavalt ATP sünteesiks. Energiate erinevus protsessides, mis on seotud vastavalt I
või siis II kompleksiga, on ka põhjuseks, miks NADH ja suktsinaadi
oksüdatsioonil on võimalik ühe paari elektronide ülekandel hapnikule sünteesida erinev hulk ATPd
(2.5 ja 1.5 ekvivalenti vastavalt).
Kompleks II on neljast
erinevast subühikust koosnev tetrameer, sisaldades FAD ja 3
Fe-S klastrit. Suktsinaadi dehüdrogenaas on TCA tsükli
komponent , ainuke TCA
tsükli ensüümidest, mis lokaliseerub sisemembraanis. Kompleks II subühikud ei ole
kodeeritud mitokondriaalse genoomi poolt.
Kompleksis II ei toimu prootonite
pumpamist ning seega ei kontributeeri kompleks II prootongradiendi
moodustamisel, erinevalt kompleksidest I , III ja IV. Bakteriaalse suktsinaadi dehüdrogenaasi kompleksi ruumiline struktuur määrati
esimesena. Valk on modulaarne, FAD sisaldav subühik on
kontaktis FeS tsentreid
sisaldava subühikuga ja see omakorda kontaktis kahe membraaniseoselise
subühikuga. Fe-S tsentreid sisaldavas subühikus on 3 erinevat Fe-S klastrit, 2Fe-2S,
3Fe-3S ja 4Fe-4S tüüpi struktuuriga.
Kompleksi II koosseisu kuuluvad kaks hüdrofoobset integraalset membraani
subühikut on väikesed ja
E. coli puhul on
näidatud , et nende kahe vahel paikneb
heemi
molekul . Heemi ligandideks on 2 His jääki, kumbki eri subühikult.
Heem ei ole
aga funktsionaalselt ega ka strukturaalselt vajalik, sest mutantsed
ensüümid , mis ei ole
võimelised heemi siduma, funktsioneerivad sama edukalt kui metsikut tüüpi
kompleks. Sarnase funktsiooniga fumaraadi reduktaas
bakterites ei sisalda heemi,
selle asemel on aga 2 kinooni, mis on tugevalt ensüümiga seotud teine
teiselpool membraani. Fumaraadi reduktaasis liiguvad elektronid maatriksipoolselt kinoonilt Fe-
S klastritele ja edasi aktiivtsentri FAD-le. Suktsinaadi dehüdrogenaasi korral liiguvad
elektronid suktsinaadilt FAD-le ja edasi FeS klastritele ja sealt edasi kinoonile.
ETF on membraanivalk, mille koostisesse kuulub üks FAD ja üks 4Fe-4S
tsenter .
Erinevalt kompleksidest I ja II on selles kompleksis ainult üks 67 kDa subühik, milles
on 2 ennustatavat transmembraanset
segmenti . Vähemalt 9 erinevat mitokondriaalse
maatriksi dehüdrogenaasi on elektronide doonoriks sellele elektrone ülekandvale
valgule.
Elektronide allikad ETF valgule on:
1-4. 4 erinevat, ahela pikkuse spetsiifilist atsüülCoA dehüdrogenaasi
5. isovalerüülCoA dehüdrogenaas
6. 2-metüülbutürüülCoA dehüdrogenaas
7. glutarüülCoA dehüdrogenaas
8. sarkosiini dehüdrogenaas
9. dimetüülglütsiini dehüdrogenaas
Defektne ETF põhjustab vastavate dehüdrogenaasisubstraatide akumuleerumise, mis
võib olla tõsine metabolismi probleem.
Mitokondriaalne glütserool-3-fosfaadi dehüdrogenaas on osa glütseroolfosfaadi
süstikust, mille eesmärk on elektronide ülekanne tsütosoolse NADH koosseisust
elektronide ülekandeahelasse. NADH ei suuda läbida mitokondri sisemembraani,
seetõttu kantakse elektronid üle intermembraansest ruumist glütserool-3-fosfaadi
koosseisus . See ühend oksüdeeritakse dihüdroksüatsetoonfosfaadiks mitokondriaalse
glütseroolfosfaadi dehüdrogenaasi poolt, mis paikneb sisemembraani välisküljel.
Tsütosoolne ja mitokondriaalse glütseroolfosfaadi dehüdrogenaasi
struktuurid inimese
rakkudes ei ole sarnased, tegemist on kahe erineva valguga; koos moodustavada nad
süsteemi, mille abil toimib glütseroolfosfaadi süstik. Erinevalt kompleks I poolt
vahendatud NADH oksüdatsioonist, ei toimu membraaniseoselise glütserool-3-
fosfaadi dehüdrogenaasi tööga seotult prootonite pumpamist, mistõttu sellise protsessi
korral on akumuleeritav energia väiksem. Glütserool-3-fosfaadi dehüdrogenaas,
nagu ka kompleks I, sisaldab mitteheemset rauda.
Mainitud flavoproteiine iseloomustab see, et
esmalt kantakse elektronid üle
flaviinile ja siis edasi Fe-S klastritele. Selline ahel on vajalik, sest NADH ei saa
elektrone loovutada-liita muidu kui 2-kaupa. Fe-S klastrid on aga üheelektronilised
elektronide
kandjad . Seetõttu on NADH ja Fe-S klastrite vahel ahelas kasutatud
flaviini, mis võib elektrone liita-loovutada kas 1- või 2-kaupa.
Fe-S klastritelt kantakse elektronid üle mobiilsele vahendajamolekulile- ubikinoonile
(
KoensüümQ). Ubikinoon on lahustuv lipiidides ja vahendab ülekandeahela
komplekside vahel elektrone difundeerudes mitokondri sisemembraanis.
Analoogiliselt flaviinile saab ubikinoon loovutada-liita elektrone kahe või ühekaupa.
Ühe elektroni liitnud radikaalset vormi nimetatakse semikinooniks. Ubikinoon saab
elektronid 4 erinevalt flavoproteiinilt. Membraanis difundeeruvana on ubikinoon kas
täielikult redutseeritud või oksüdeeritud. Semikinoon võib arvatavasti eksisteerida
kompleksis valkudega, ent vabal kujul ei esine. Teise analoogilise mobiilse
kandjana mitokondriaalses elektronide ülekandeahelas funktsioneerib tsütokroom c.
Redutseeritud CoQ (CoQH2) difundeerub membraani lipiidses faasis ja annab
oma elektronid üle kompleksile III, mille olulised elektronide ülekandjad on heemi
sisaldavad valgud tsütokroom b ja c1 ning mitteheemset rauda sisaldav Rieske Fe-S
valk.
Erinevalt hemoglobiini ja müoglobiini koosseisu kuuluvast heemist osaleb
tsütokroomide heemi raua ioon pöörduvas redoksreaktsioonis, mis kuulub
elektronide ülekandehahela koosseisu. Raua iooni oksüdatsiooniaste muutub
sealjuures Fe+3 ja Fe+2 vormi vahel.Elektronide kandjana kompleksi III ja IV vahel
funktsioneerib kõige väikesem tsütokroomidest, tsütokroom c (
molekulmass 12000).
Kompleks IV ehk tsütokroomi oksidaas, sisaldab heemvalke tsütokroom a ja
tsütokroom a3. Lisaks on kompleksis IV veel vaske sisaldavad tsentrid, kus Cu
muudab oma oksüdatsiooniastet Cu+ ja Cu2+ vormi vahel vahendades elektrone läbi
kompleksi molekulaarsele hapnikule. Hapnik on elektronide
terminaalne akseptor,
tema redutseerumise tagajärjel moodustub vesi.
NADH või suktsinaadi oksüdatsioon on 2 elektronili loovutamise protsess, mille
käigus kantakse hüdriidioon üle flaviinile. Hüdriidioon koosneb prootonist ja kahest
elektronist (H-). Erinevalt NADHst ja suktsinaadist, on flaviinid võimelised
osalema kas 1- või 2- elektronilistes ülekandeprotsessides.
Flaviin , mis on maksimaalselt
redutseeritud dehüdrogenaasi reaktsioonis, võib edaspidises oksüdeeruda, loovutades
kas ühe või kaks elektroni. Täielikult
redutseerunud flaviini vormi nimetatakse
kinooliks, täielikult oksüdeerunud vorm on kinoon,
paardumata elektroni sisaldav
vahepealne vorm on semikinoon.
Nii nagu flaviinid, on ka CoQ ehk ubikinoon võimeline elektrone liitma-loovutama
kas ühe või kahe kaupa, moodustades vastavalt redutseeritud kinooli, vahevormi
semikinooni või oksüdeerunud kinooni. Flaviinid ja CoQ võivad moodustada
semikinooni intermediaate. See on mitokondriaalse hingamisahela
seisukohast oluline, kuivõrd seal osalevad elektronide ülekandel ka tsentrid, mis on võimelised
liitma-loovutama vaid 1 elektroni- Fe-S klastrid ja
tsütokroomid .
Tsütokroomid on heemi sisaldavad valgud. Nagu
hemoglobiin ja müoglobiin,
sisaldavad ka nemad üldiselt 1 heemi rühma polüpeptiidahela kohta. Heemi
rühmitused jaotatakse 3 klasssi, kõik on nad vaadeldavad protoporfüriin IX
derivaatidena. Fe-protoporfüriin IX kompleks on heem b.
Tsütokroomid erinevad teineteisest heemi struktuuri osas ja selles, kuidas heem on
seotud apoproteiiniga.
c tüüpi tsütokroomid sisaldavad c klassi heemi, mis on kahe vinüülsidemega seotud
kovalentselt apoproteiini tsüsteiini külgahelate külge. Tsütokroom c on ainuke klass
tsütokroome, kus side heemi ja valgu vahel on
kovalentne . Heem a esineb a klassi
tsütokroomides ja roheliste taimede klorofülli koosseisus.
Kompleks III ehk bc1 kompleks
Ubikinoonile järgneb elektronide ülekandeahelas kompleks III ehk bc1 kompleks.
Selle kompleksi ruumiline struktuur lahendati 1996 aastal. Imetajate bc1 kompleks
koosneb 11 subühikust ja bakterites on ainult kolm subühikut. Nendes
kolmes subühikus on ka olulised redokstsentrid, teiste subühikute funktsioon ei ole piisavalt
selge.
Kompleks III redokstsentrid on kaks b tüüpi heemi, mille tasapind on paralleelne
membraaniga ja mis paiknevad üksteise peal, erandlikult ühe subühiku koosseisus.
Membraani tsütosoolsel küljel paikneb Rieske Fe-S valk ning tsütokroom c1.
Imetajate kompleks III-s on 13 transmembraanset segmenti, millest 8 pärinevad b
tüüpi heemi sisaldavast tsütokroom b valgust. Üks transmembaanne segmant on ka
Rieske F-eS valgu prejärjestus, mis lõigatakse ära mitokondriaalse maatriksi
metalloproteinaasi poolt. See
segment kuulub iseseisva osana kompleks III koosseisu,
kusjuures orientatsioon membraanis pööratakse võrreldes esialgsega vastupidiseks.
Kompleks III baasil toimub nn. Q tsükkel. Selle tsükli aluseks on ubikinoonilt pärit
elektronide lahknemine kahte erinevat rada pidi.
Kompleks III saab elektronid ubikinoolilt. Q tsükli korral on oluline eristada
prootonite ja elektronide liikumist, sest need ei ole siin identsed. Esiteks difundeerub
täielikult redutseeritud ubikinoon membraani tsütosoolsele poolele, kus ta
seondub tsentrisse P (P tähistab siin membraani
positiivset poolt) ehk oksüdatsioonitsentrisse.
Viimane nimetus tuleneb sellest, et siin toimub ubikinooni oksüdeerimine. Ubikinooni
2 elektroni lahutatakse siin. Esimene
elektron liigub Rieske valgu Fe-S tsentrisse
(redokspotentsiaal +290 mV), teine liigub ühele b heemidest, nn bL heemile (low, ehk
madala potentsiaaliga –20 mV). Nagu mainitud liiguvad elektronid madalama
redokspotentsiaali suunas, nii et nad võiksid mõlemad liikuda tegelikult Rieske
valgule, elektronide jagamine kahte rada pidi on unikaalne bc1 kompleksi
omapära. Nii Rieske valk kui ka bL tsütokroom on võimelised
aksepteerima vaid 1
elektroni korraga, kuid bc1 kompleksis sunnitakse ubikinoon loovutama korraga kahte
elektroni. Seetõttu peavadki need elektronid valima erineva raja.
P tsentrisse seondub arvatavasti korraga 2 ubikinooni. Üks neist on ca 10x tugevamini
seotud ja funktsioneerib kui prosteetiline rühm, reaalselt kunagi ensüümi kooseisust
lahkumata. See tugevalt seotud ubikinoon oksüdeeritakse Q tsükli algul. Põhiline
energeetiline
barjäär , mis tuleb tsükli töös ületada, on nõrgalt seotud ubikinooni
deprotoneerimine. See toimub enne elektronide liikuma hakkamist. Mudeli
kohaselt loovutatakse deprotoneeritud ubikinoonilt järgnevalt üks elektron, mis liigub
tugevalt valguga seotud ubikinoonile, nii et mõlemad transformeeruvad
semikinoonideks. Need semikinoonid annavad koos elektronid edasi elektronide
ülekande ahelatesse. Järgnevalt dissotseerub nõrgalt seotud oksüdeeritud ubikinoon.
FeS valgule loovutatud elektron liigub edasi tsütokroom c1-le ja sealt tsütokroom c-le.
Seda elektroni kasutatakse kompleksis IV ehk tsütokroomi oksüdaasi poolt hapniku
redutseerimiseks. Teine nn. mitteproduktiivne elektron liigub bL heemilt bH heemile
(redokspotentsiaal +50 mV). Edasi antakse see elektron täielikult oksüdeeritud
ubikinoonile, mis on seotud N (Negatiivne) tsentrisse membraani maatriksi poolel.
See on erinev P tsentrist, ja sinna seotud ubikinoon on teine molekul, mitte see mis
oksüdeeriti P
tsentris .
Samad reaktsioonid korduvad peale teise ubikinooni sidumist P tsentrisse. Madala
potentsiaaliga elektron liigub üle kahe heemi semikinoonile ja redutseerib selle.
Ubikinoon seob 2 prootonit membraani maatriksi küljelt ja vabaneb seejärel.
Kaks prootonit vabanevad tsütosooli poolel P tsentris iga kord kui ubikinoon
oksüdeeritakse. 2 prootonit seotakse maatriksi poolel iga kord kui 2 elektroni liiguvad
üle b heemi tagasi teise ubikinooni molekuli koosseisu. Kokkuvõttes toimub 4
prootoni väljutamine tsütosooli ja 2 prootoni sidumine maatriksist iga kahe
oksüdeeritava ubikinooni molekuli kohta. Prootonite sellise suunatud liikumise jaoks
tulev vabaenergia muutus pärineb eelkõige Rieske Fe-S
valgul toimuvast elektronide
ülekandeprotsessist, mis on suure negatiivse vabaenergia muuduga.
bc1 kompleksiga seonduvad inhibiitorid
Maatriksi poolses membraani osas paikneva N tsentriga seondub tugevalt
antimütsiin, mis ei luba elektronidel jõuda ubikinoonini b heemidelt. Selles
olukorras konverteeruvad need kaks heemi redutseeritud vormiks, mille elektronid ei
saa
kuhugi edasi liikuda.
Stigmastelliin seondub P tsentriga, Fe-S valgu ja
tsütokroom b vahel. Takistab nõrgalt seotud ubikinooni seondumist ja lõpetab seeläbi
elektronide liikumise läbi kompleksi. b tüüpi heemid ja teised redokstsentrid
muutuvad täielikult oksüdeerituteks, sest elektronid lahkuvad ja neid ei asendata.
Kompleks IV, tsütokroomi c oksüdaas
Bakteriaalse kompleks IV struktuur defineeriti 1995, imetaja kompleksi struktuur
1996
Kompleks IV funktsiooniks on hapniku redutseerimine tsütokroom c arvel. Töötab
nagu kompleksid I ja III prootonite pumbana. Sisaldab rea redokstsentreid
analoogiliselt
eelmiste kompleksidega.
Tsütokroom c oksüdaasil on imetajate mitokondrites 13 subühikut, 28
transmembraanset domeeni, molekulmass ca 210000 Da. 3 subühikut kodeeritud
mitokondriaalse genoomi poolt ja just need sisaldavad redokstsentreid. 10 tuuma
genoomi poolt kodeeritud polüpeptiidi on regulatoorse või isoleeriva funktsiooniga.
Hapnik jõuab aktiivtsentrisse kanali kaudu, mis algab lipiidses kaksikkihis.
Arvestades hapniku suuremat lahustuvust lipiidides on see tegelikult ootuspärane.
Elektronid jõuavad tsütokroomi oksüdaasini mobiilse kandja, tsütokroomi c
vahendusel. Tsütokroomid vahendavad elektrone ühekaupa ja kuivõrd 1 hapniku
molekuli redutseerimiseks kulub 4 elektroni, on vaja nelja tsütokroom c molekuli
sidumine kompleksiga IV membraanidevahelise ruumi
suunast . Laengu
viimine valgu
sisemusse , st elektroni
loovutamine kompleksile, on energeetiliselt kulukas protsess.
Laengu kompensatsiooniks seotakse maatriksi poolelt samas ka 4 prootonit. Viimane
protsess on seotud tsütokroom c kui prootonipumba funktsioonidega.
Kompleks IV redokstsentrid
2 Cu iooni sisaldavat tsentrit, CuA ja CuB. CuA tsentris on tegelikult 2 lähestikku
paiknevat vase iooni.
Samuti paiknevad kompleksis kaks a tüüpi heemi, heem a ja heem a3.
Kompleksis olevate Mg ja Zn ioonide roll pole selge.
CuA on
tsentriks , kuhu tsütokroom c elektronid esmalt liiguvad. Mõlemad Cu ioonid
on aktiivsuseks vajalikud, sest mutant, mis seob vaid ühe Cu iooni on funktsionaalselt
inaktiivne.
CuA tsentrilt liiguvad elektronid
heemile a ja siis
heemile a3.
Heem a3 ja CuB moodustavad
binukleaarse tsentri. Heemi a3 Fe
aatom ja CuB
ioon
paiknevad väga lähestikku, mis on kriiitiline ensüümi funktsionaalsuse tagamiseks.
Miks on ensüümis kaks a heemi, pole selge, sest põhimõtteliselt oleks võimalik
elektronide liikumine otse CuA tsentrist heemile a3
Millises järjekorras liidetakse hapniku redutseerimiseks kasutatavad elektronid?
Spektroskoopilised andmed demonstreerivad, et 2 elektroni siseneb heemi-CuB saiti,
B
üks
kummagi metalliooni kohta. Järgnevalt seondub hapnik nende vahele ja temaga
seotakse üheaegselt mõlemad elektronid. Moodustub peroksiidne side kahe
metalliooni vahel: Fe-O-O-Cu. Lisanduvad 2 prootonit ja elektron ning O-O
side katkeb. Veel 2 prootonit ja elektron on vajalikud hapniku redutseerimiseks. 2
tekkinud vee molekuli lahkuvad seejärel spetsiifilise kanali kaudu.
Eelpool kirjeldatud redoksprotsessidega kompleksis IV kaasneb prootonite
pumpamine läbi mitokondri membraani valkude kaasabil. On olemas küllaltki head
hüpoteesid selle kohta, millest moodustub prootoneid juhtiva kanali võrgustik.
Eksperimentaalselt on raske kontrollida, sest mutageneesi nendele mitokondri
genoomi poolt kodeeritud subühikutele on keeruline teha Lisaks prootonitele, mis
pumbatakse kompleksis IV maatriksist intermembraansesse ruumi, seotakse seal ka
maatriksist prootoneid selleks, et oleks võimalik hapnikku redutseerida.
Document Outline
- Elektronide ülekandeahela kompleksid
Kõik kommentaarid