Elektronide ülekandeahel. Hingamine

12.09.2005

Oksüdatiivne katabolism

AcCoA moodustumine-Glükoos-Aminohapped-Rasvhapped

AcCoA oksüdeerimine(TCA tsükkel)

Elektronide transportahel ja oksüdatiivne fosforüülimine

Hingamine- orgaaniliste molekulide oksüdatsioon kasutades elektronide akseptorina anorgaanilist ühendit

• Mitokondri sisemembraan– Barjäär metaboliitidele – Sisaldab suurel hulgal valke, mille

funktsiooniks on metaboliitide transport

• Rakus toimuvad kataboolsed reaktsioonid välja arvatud glükolüüs toimuvad mitokondris

ATP saagis otseselt glükolüüsi ja TCA tsükli reaktsioonides madal:Substraadi tasemel fosforüülimisel saadakse

4ATPd tekib 2GA3P ->2püruvaati2 ATP kulub glükoos -> Fru-1,6-bisP

2ATP(GTP) tekib püruvaat ->2AcCoA ->4CO2

Summaarselt, 4 ATP sünteesitakse glükoosi kohta otseselt substraadi tasemel fosforüülimise reaktsioonides

Ülejäänud vabanenud energia salvestatakse redutseeritud kofaktorite kujul

10 NADH2 FADH2

Redutseeritud kofaktorite oksüdatsioonil vabaneb energia:

NADH + H+ + 1/2O2 -> NAD+ + H2OGo´= -220 kJ/mol

FADH2 + 1/2O2 -> FAD + H2OGo´= -182 kJ/mol

NB! Flaviini standardne redokspotentsiaal sõltub oluliselt keskkonnast, ehk valgust, millega ta seotud on

Glükoosi oksüdatsioon C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O Go´= -2870 kJ/mol

10x220kJ + 2x182kJ = 2563 kJ, mis on 90% summaarsest glükoosi oksüdatsioonil vabanevast energiast

• Elektronid loovutatakse NADH ja FADH2 koosseisust molekulaarsele hapnikule (toimub oksüdatsioon)

• Protsess on vahendatud mitmete vaheühendite kaudu (kinoonid, tsütokroomid, Fe-S valgud)

• Eksergoonne elektronide liikumine on seotud H+ transpordiga, mille tulemusel moodustub membraanipotentsiaal

• See võimaldab H+ voo tekkimist spetsiifiliste kanalite kaudu, mille tagajärjel on võimalik ATPd sünteesida.

ATP süntees mitokondrites- oksüdatiivne fosforüülimine

Redoksreaktsioonid

Redokspaar- ühendite paar, millest üks on redutseerunud, teine oksüdeerunud Näit. Laktaat-püruvaat, NADH-NAD+

Iga redokspaar moodustab poolreaktsiooni

Redoksreaktsioon koosneb kahest poolreaktsioonist, milles üks paar loovutab elektrone ja teine paar liidab elektrone

Red1 + Ox2 Ox1 + Red2

Laktaat + NAD+ Püruvaat + NADH

Redokspotentsiaal Eo - väljendab seda, kui hästi on üks ühend võimeline teisi redutseerima (elektrone loovutama)

EO:

• Standardne redokspotentiaalide vahe kahe poolreaktsiooni vahel

• Sarnaneb GO (standardne vabaeneria muut)

• EO on positiivne iseeneslike protsesside korral (GO on iseeneslike reaktsioonide korral negatiivne)

Oksüdeerija Redutseerija Eo

Püruvaat Laktaat ‑0.19 V

NAD+ NADH ‑0.32 V

Eo = (-0.19 V) - (-0.32 V) = +0.13 V

Püruvaat + NADH Laktaat + NAD+

Näide 2. Redokspaaride H2O/½O2 ja NADH/NAD+ redokspotentsiaal.

Oksüdeerija Redutseerija Eo

½O2 H2O +0.82 V NAD+ NADH ‑0.32 V

Potentsiaalide vahe:

Eo = (0.82 V) - (-0.32 V) = +1.14 V.

NADH + H+ + ½O2 H2O + NAD+

Vabaenergia muutus: Go´= -nFEo´

n- elektronide arv

F=96.4 kJ/molV

Eo´= EAo´- EB

o´

Eo' = 0.10V

Eo' = -0.32V

Eo' = 0.03V

Eo' = 0.42V

Eo' = 0.07V Eo

' = 0.19V

Eo' = 0.29V

Eo' = 0.53V

Eo' = 0.82V

Mitokondriaalne hingamisahel1. Reoksüdeerib kofaktorid2. Konverteerib selle energia sellisele kujule, mis on kasutatav ATP sünteesiks (jt ülesannete täitmiseks)

1, 2 funktsioon on osaliselt lahutatavadreoksüdatsioon kulgeb mitmeetapilisena- elektronid kantakse hapnikule vahendajate kaudu. Elektronide ülekandeahel sisaldab intermediaate, mis jaotavad

oksüdatsiooni osadeks. Mõned etapid on seotud ATP sünteesiga

Elektronide ülekandeahela ja ATP sünteesi side ei ole otsene, vaid toimub vahendatuna elektrokeemilise gradiendi poolt.Samal ajal koos elektronide ülekandeprotsessidega pumbatakse prootoneid läbi membraani (välja mitokondri maatriksist). Prootonite kontsentratsioni erinevus erinevatel membraani külgedel ja laengute eraldumine neutraliseeritakse ATP süntaasi töö tulemusel ADP fosforüülimise protsessis.

•Defineeritud redokspotentsiaaliga, liidavad-loovutavad hüdriidiooni (2 elektroni ja prootoni), ei saa osaleda 1 elektronilistes reaktsioonides •NAD-seoselised dehüdrogenaasi reaktsioonid•Vabanev prooton (H+) vabaneb solventi •Vees lahustuvad ja ainult nõrgalt ensüümiga seotud, seega elektronide ülekande ahelasse sisenevad elektronid difusiooni teel •Ei ole võimelised membraane läbima

NAD+ and NADP+ - püridiinukleotiidi sisaldavad koensüümid

FMN ja FAD flaviini sisaldavad koensüümid

•Redokspotentsiaal varieerub sõltuvalt valgust, millega nad on tugevalt seotud•Võivad osaleda nii 1 kui 2 elektroni ülekannetes

Elektronide ülekandeahela redokstsentrid

Aminohapped- viletsad ühendid redoksreaktsioonides asalemiseks

Redoksreaktsioonide kofaktoridanorgaanilisedhübriidsedorgaanilised

Jaotatakse vastavalt difusioonilemobiilsedtugevalt ensüümidega seotud

KinoonidKinoonid sisaldavad p-bensokinooni ja on enamuses seotud elektronide transpordiga bioloogilistes süsteemidesSisaldavad pikka hüdrofoobset saba (isoprenoidne) 2 positsioonis, mis hoiab neid lipiidses kaksikkihis. Membraani sees võivad vabalt difundeeruda ühe valgu juurest teise juurde

Kinoonid ja flaviinid saavad aksepteerida 1 või 2 elektroni korraga, samuti 1 või 2 prootonit1 elektroni liitmine tekitab semikinoonradikaali, mis võib olla anioon või protoneeritud2 elektroni liitmine tekitab kinooli (dihüdrokinoon)Erinevalt flaviinidest on kinoonid stabiilsed, membraanides difundeeruvad ja seega ideaalsed mobiilsed elektronide kandjad nii elektronide kui prootonite jaoksKasutatavad elektronide ülekande ja prootonite pumpamise sidumiseks

TsütokroomidVäikesed valgud, sisaldavad tugevalt seotud kofaktorit heemi. Heem- tetrapürrool, seotud koordinatiivselt Fe aatomiga. Fe iooni viies

koordinatiivne side moodustub valguga, kuues tavaliselt substraadiga3 klassi heeme1. Fe-protoporfüriin IX: lihtsaim heem, biosünteesi raja esimene produkt.

Esineb b-tüüpi tsütokroomides2. Heem A: üks Me oksüdeeritud formüüliks, vinüülrühm seotud

isoprenoidiga. Esineb a-tüüpi tsütokroomides3. Heem C: Mõlemad vinüülid on seotud tsõsteiinide kaudu valgu külge.

Esineb c-tüüpi tsütokroomides

a ja b tsütokroomid- integraalsed membraanivalgud c tsütokroom- integraalne või perifeerne

Redutseeritud Fe2+ jälgitav tsütokroomides adsorbtsioonspektriga (neelab 550-600 nm juures)

Fe-S klastrid2 põhilist klassi:

2Fe-2S: 2 Fe aatomit seotud 2 sulfiidsillaga ja iga Fe koordineeritud 2 Cys väävliga

4Fe-4S: 4 Fe aatomit seotud 4 sulfiidiga, 4 Cys valgu koosseisust samuti seotudMõlemis klastris Fe koordineeritud 4 S poolt

Fe-S klastrid on 1 elektronilise ülekandeprotsessi kandjadFe-S klastrid ei eksisteeri iseseisvalt vaid ainult valgu koosseisus

Fe-S klastri redokspotentsiaal varieerub suures ulatuses sõltudes konkreetsest keskkonnast (-650 mV ... +450 mV)

Elektronide liikumine on soodustatud madala potentsiaaliga doonoritelt (NADH; Eo´= -320 mV) kõrge potentsiaaliga akseptoritele (O2; Eo´=+820 mV)

Kasutades standardpotentsiaalide väärtusi on võimalik ennustada, kuidas elektronid liiguvad

Redokspotentsiaalid määravad ära ka elektronide liikumise hingamisahelas

NADH-> UQ-> cytb -> cytc1 -> cytc -> cyt (a/a3) -> O2

Sama järjekord on määratud eksperimentaalselt, kasutades inhibiitoreid, mis blokeerivad elektronide ülekandeahela konkreetses etapis

Elektronide ülekandeahel4 integraalset membraanikompleksi elektronide ülekande D/A

Kompleks I: NADH dehüdrogenaas NADH ubikinoonKompleks II: suktsinaadi dehüdrogenaas suktsinaat (FAD) ubikinoonKompleks III: tsütokroom bc1 ubikinoon tsütokroomcKompleks IV: tsütokroomi oksüdaas tsütokroomC O2

Kahes esimeses kompleksis on elektronide akseptoriks ubikinool. NADH on tugevam redutseerija, seetõttu on NADH dehüdrogenaasi reaktsioon seotud prootonite pumpamisega, suktsinaadi dehüdrogenaas pole võimeline seda tegema. Seetõttu on ATP saagis vastavate substraatide oksüderimisel erinev (2.5 ja 1.5 vastavalt)

Järgnevalt kantakse elektronid üle tsütokroom c hapnikule. Prootonite pumpamine toimub ka 2 viimase kompleksi töö tulemusel, iga kahe e- läbimisel on võimalik sünteesida 1.5 ATPd

NADH dehüdrogenaas (kompleks I)

Katalüüsitav reaktsioon:NADH + H+ +UQ -> NAD+ + UQH2

Samal ajal toimub prootonite pumpamine:Redoksring: 2 NADH oksüdeerimisel saadavat prootonit vabanevad intermembraansesse ruumi. 2 prootonit, mida on vaja UQ redutseerimisel tulevad maatriksist. Siit tuleb H+/e- suhe 1

Lisaks peab toimuma täiendav prootonite pumpamine, kokku elektronipaari kohta 4 prootonit

Kompleks I kasutab sisemist kofaktorite ahelat elektronide viimiseks NADH-lt UQ-leNADH -> FMN -> 2Fe-2S -> 2Fe-2S -> UQ

NB! Flaviin seob 2 ja 1 elektroni ülekande protsessid. UQH2 prootonid on pärit maatriksist

Suktsinaadi dehüdrogenaas (kompleks II)Katalüüsitav reaktsioon:Suktsinaat + UQ -> fumaraat + UQH2

Ei ole seotud prootonite pumpamisega, ehkki prootonid, mida seob UQ tulevad maatriksist. (vabanevad intermembraansesse ruumi tsütokroomil bc1)

Kasutatakse sisemist kofaktorite ahelat, kus elektronid liiguvad suktsinaadilt UQ-le

Suktsinaat -> FAD -> 2Fe-2S -> 4Fe-4S -> 4Fe-4S ->UQ

Kompleks II- TCA tsükli membraaniseoseline ensüüm

AtsüülCoA dehüdrogenaasid- osalevad rasvhapete-oksüdatsioonil. Loovutavad elekronid samuti UQ-le

G3P dehüdrogenaas- analoogiliselt, paikneb ainult tsütosooli poolelFLAVOPROTEIINID

Kompleks II struktuur on lihtsam kui kompleks I-l.

4 subühikut, neist 2 integraalsed membraanivalgud, 2 mitokondri maatriksis

5 prosteetilist rühma (FAD, 3 Fe-S klastrit, CoQ)

Elektronide ülekanne läbib 40 Å pikkuse tee, 5 elementaarülekannet

Tsütokroom bc1 (kompleks III)Katalüüsitav reaktsioon: UQH2 + 2cytc(Fe3+) -> UQ + 2H+ + 2cytc(Fe2+)Kompleks III pumpab samaaegselt prootoneid

1. Redoksring: 2 UQH2 oksüdeerimisel vabanevat prootonit lähevad intermembraansesse ruumi. Et kompleksis I või II saadi need prootonid maatriksist, on kokkuvõttes toimunud prootonite pumpamine maatriksist välja.

2. Täiendav prootonite pumpamine toimub Q tsükli abilN- membraani negatiivne pool (maatriks)P- positiivne pool (intermembraanne ruum)cytbL madala potentsiaaliga tsütokroom b (QP läheduses)cytbH kõrge potentsiaaliga tsütokroom b (QN läheduses)

Kompleks III 250 kDa, 9 – 10 polypeptides

Science (1998) v.281 p.64

Q tsükkel

Kompleksis III on kaks sisemist elektronide ülekandeahelat

1. UQH2 -> 2Fe-2S -> cyt c1 -> cyt c2. UQH• -> cyt bL -> cyt bH -> UQ

Mõlemad ahelad algavad kinooni oksüdeerimisega intermembraanse ruumi läheduses (QP)

Esimene elektron liigub tsütokroomile c üle Rieske valgu 2Fe-2S klastri, tekib semikinoon UQH• . Semikinooni redokspotentsiaal on madalam kui UQH2-l ja ta on võimeline redutseerima cyt bL , millelt elektronid liiguvad kiiresti cyt bH –le, mis asub membraani teisel küljel kinooni redutseerimissaidi QN juures maatriksi pool. Selles QN saidis toimub 2 etapiline UQ redutseerimine UQH2-ks.

Igas Q tsüklis toimub:

1. 2 UQH2 oksüdeerimine UQ-ks QP saidis, tekib 2 UQ, 4 H+ vabaneb intermembraansesse ruumi

2. 2 cyt c (Fe3+) redutseeritakse 2 cyt c (Fe2+), paiknevad intermembraanses ruumis

3. 1 UQ redutseeritakse UQH2-ks QN saidis, võttes 2 H+ maatriksist

2 UQH2 -> 2UQ + 4H+ + 4e-

1 UQ + 2H+ + 2 e- -> 1UQH2

2 cyt c (Fe3+) + 2e- -> 2 cyt c (Fe2+)

UQH2 + 2cyt c (Fe3+) -> UQ + 2H+ + 2 cyt c(Fe2+)Tsükliga kaasneb 2 prootoni pumpamine maatriksist intermembraansesse

ruumi iga bc1 kompleksi poolt oksüdeeritud ubikinooli kohta

Tsütokroomi oksüdaas (Kompleks IV)Katalüüsitav reaktsioon:4cyt c (Fe2+) + 4H+ + O2 -> 4 cyt c (Fe3+) + 2H2O

Samal ajal toimub prootonite pumpamine1. Redoksring : 4 hapniku redutseerimiseks vajalikku prootonit võetakse maatriksist2. Täiendavalt 4 prootonit pumbatakse iga redutseeritud O2 kohta

O2 redutseeritakse heemi a3 ja CuB läheduses. Heem a ja 2 CuA kasutatakse1. Tsütokroom c oksüdeerimiseks2. Elektronide ülekandeks O2 redutseerimissaiti (heem a3/CuB)

SCIENCE (1997) V. 280 p.1723

Kompleks IV-Tsütokroomi oksüdaas

170kDa dimeer, 13 polüpeptiidi

Elektrokeemiline gradient

Iga NADH oksüdeerimisega on seotud 10 prootoni pumpamine maatriksist välja: (NADH + H+) + ½ O2 + 10 H+

N -> NAD+ + H2O + 10 H+P

Elektrokeemililse gradiendi energia:G= RTln([M+]P/[M+]N) + ZF

Antud juhul G= RTln([H+]P/[H+]N) + ZF = =5.7 kJ/mol (pH) + 96.5 kJ/Vmol ()

Aktiivsete mitokondrite korral

pH = 0.75 = 150-200 mV

= 0.15-0.2 V

0.75 pH ühikut kõrgem kui P poolel

Järelikult, G= 4.3 kJ/mol + 14.5-23.6 kJ/mol = 18.8-23.6 kJ/mol

St. on vaja umbes 20 kJ energiat selleks et pumbata 1 mool prootoneid vastu elektrokeemilist gradienti mitokondrist välja, 10 prootoni pumpamiseks on vaja ligi 200 kJ energiat, mis on praktiliselt võrdne energiaga, mis vabaneb NADH oksüdeerimisel