Hingamisahel (0)

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