Elektronu transports mitohondriju elpošanas ķēdē:

struktūra, elektronu transporta kompleksi un redoks kofaktori

Elektronu transportu veic red-oks kofaktori (prostētiskās grupas), kas saistīti pie noteiktām energosajūdzošo membrānu proteīnu struktūrām – elektronu transporta kompleksiem

Elektronu pārnesēju secību elpošanas ķēdē var noteikt:- pievienojot skābekli iepriekš reducētiem elektronu pārnesējiem un izsekojot to oksidēšanās secību, vai- noskaidrojot, kuri pārnesēji kļūst reducēti, bet kuri – oksidēti pēc specifisku inhibitoru pievienošanas

I III IV

Elektronu transporta ķēde membrānā pakāpeniski smazina elektrona enerģiju un

beigās pievieno to terminālajam akceptoram

bc1 komplekss

aa3

E’0 [NAD+/NADH] = -320 mV

E’0 [UQ/UQH2] = 45 mV

E’0 [1/2O2/H2O] = 816 mV

E’0 ķēdē =1.14 V,

kas atbilst G = 220 kJ uz 1 molu oksidēta NADH

Standarta red-oks potenciāli elpošanas ķēdē:

Ja mitohondrijos Gp = 57 kJ uz 1 molu sintezējamā ATP,

tad oksidējot NADH molekulu izdalās enerģija, kas pietiek 3 ATP molekulu sintēzei

Elektroni tiek pārnesti no kofaktora ar zemāko (negatīvāko) red-oks potenciālu uz kofaktoru ar augstāko (pozitīvāko) red-oks potenciālu

Red-oks kofaktora vietu elpošanas ķēdē nosaka tā red-oks potenciāls

NAD(P)H – 2 elektronu pārnesēji

Elektroni katabolismā tiek pārnesti uz universāliem elektronu akceptoriem, kuri funkcionē arī kā red-oks kofaktori elpošanas ķēdes sākumā

Flavīni – dehidrogenāžu kofaktori, 2 elektronu vai 1 elektrona pārnesēji

NAD(P) reducētā un flavīnu oksidētā forma fluorescē

Vitamins B2 - riboflavins (flavins+riboze)

ubihinons

menahinons

hinonu red-oks reakcijas

ubihinolsubihinons

semihinons

Hinoni ir lipīdos šķīstoši savienojumi ar dažāda garuma izoprenoīdu sānķēdēm, kuri, difundējot membrānā, pārnes 1 vai 2 elektronus starp pārējiem elektronu transporta ķēdes komponentiem

Hinonu koncentrācija membrānā ir augstāka, nekā citu elektronu pārnesēju koncentrācija; tie veic e- pārnesēju un bufera funkcijas

FeS klasteri – vienelektrona pārnesēji

tos veido apoproteīna cisteīna –SH grupas un brīvs sērs

Iespējams, tie ir evolucionāri senākie elektronu pārnesēji

To pētīšanai izmanto EPR spektroskopiju

FeS klasteri funkcionē elektronu transporta ķēdes sākuma un vidusdaļā

Reducētiem citohromiem raksturīga gaismas absorbcija redzamajā diapazonā: a – ap 605 nm, b – ap 560 nm, c – ap 550 nm, d – ap 630 nm (sastopams baktērijās)

Prostētiskā grupa – hems, jeb tetrapirola (porfirīna) gredzens ar dzelzs jonu centrā

dažādu citohromu hemi atšķiras pēc aizvietotājgrupām pie porfirīna gredzena

Kā FeS klasteros, tā citohromos Fe jonam saņemot un atdodot elektronus, tā oksidācijas pakāpe mainās starp Fe2+ un Fe3+: tie ir vienelektrona pārnesēji

Citohromi funkcionē kā redoks kofaktori elpošanas ķēdes vidusdaļā un beigās

6. Pozīcija pie dzelzs jona ir brīva tikai terminālajā oksidāzē:

tur var piesaistīties skābeklis, kā arī terminālo

oksidāžu inhibitori - CO, cianīds vai azīds

FAD

Ubihinona reducēšanas ceļi elpošanas ķēdē

Taukskābju beta-oksidācijas 1. reakcija

Electron transfer flavoprotein

Krebsa cikla enzīms sukcinātdehidrogenāze

42 polipeptīdus saturošs komplekss

II tipa NADH dehidrogenāze nepiedalās protondzinējspēka ģenerēšanā, tā sastāv no vienas subvienības, kura veido dimēru, un tās kofaktors ir FAD

II tipa NADH dehidrogenāzi sastop vienšūņu, sēņu un augu mitohondrijos, kā arī baktērijās

Aktīvais centrs

FAD

hinons

NAD(H)

Iwata et al. (2012) PNAS v.109: 15247-15252

E ES1 E’ E’S2 E

S1 P1 S2 P2

ping-pong mehanisms

mehanisms ar trešējā kompleksa veidošanos

E ES1 ES1S2 EP2 E

EP1P2

S1 S2 P1 P2

enzīms ar oksidētu FAD enzīms ar reducētu FAD

NADH NAD+ Q QH2

Iespējamie divsubstrātu-divproduktu reakciju mehanismi

raksturīgs transamināzēm, fosfātgrupu, acilgrupu pārnesējiem, biotīnsaturošajām karboksilāzēm

raksturīgs NAD(P)H-atkarīgajām dehidrogenāzēm, hidrolāzēm

[NADH] pieaug

Fenotiazīna analogi – inhibē NADH dehidrogenāzi Mycobacterium tuberculosis mikromolārā koncentrāciju diapazonā

II tipa NADH dehidrogenāžu inhibitori – selektīvi līdzekļi pret slimību ierosinātājiem

Patogēnie vienšūņi un tuberkulozes ierosinātājas mikobaktērijas ir atkarīgas no šīs NADH dehidrogenāzes, kura augstāko dzīvnieku mitohondrijos nav sastopama

1-Hydroxy-2-Dodecyl-4(1H)Quinolone – inhibē NADH dehidrogenāzi malārijas plazmodijā un toksoplazmā nanomolārā koncentrāciju diapazonā

I kompleksa defekti izraisa smagas slimības:iedzimtu redzes nerva neiropātiju un Parkinsona slimību.Ar žurkām un drozofilām parādīts, ka Saccharomyces cerevisiae NADH dehidrogenāzi var izmantot gēnu terapijā, lai kompensētu I kompleksa disfunkciju.

III, jeb citohromu bc1 komplekss

dimērs, no kuriem katrs sastāv no 11 polipeptīdiem;

no tiem būtiskākie: cyt c1, cyt b un Rīskes (Rieske) Fe-S proteīns –

tos sastop arī baktēriju elektronu transporta ķēdēs

III komplekss pārnes elektronus no QH2 uz cyt c un ģenerē protondzinējspēku

Hinonu analogi darbojas kā konkurentie inhibitori III kompleksā

Hinonu analogiem – III kompleksa inhibitoriem ir svarīgs praktisks pielietojums kā insekticīdiem un herbicīdiem

IV, jeb citohroma c oksidāzes komplekss

sastāv no 13 subvienībām;

no tām 3 ir galvenā loma kompleksa funkcionēšanā; tās sastop arī baktēriju elektronu transporta ķēdēs

IV komplekss pārnes elektronus no cyt c uz skābekli un ģenerē protondzinējspēku

Anaerobā elpošana – terminālais elektronu akceptors nav skābeklis

Baktērijām var būt dažādi terminālie elektronu akceptori

Vai elpošanas ķēdes kompleksi savstarpēji mijiedarbojoties veido superkompleksus, kuru iekšienē elektronu pārnese ir stingri ‘kanalizēta’ (Chance and Williams (1955) JBiolChem v. 217: 409-427)

vai

elektronu pārnesi var izskaidrot tikai ar brīvu kompleksu un hinona molekulu difūziju lipīdu dubultslānī un to nejaušām sadursmēm (Hackenbrock et al. (1986) JBioenergBiomembr v. 18: 331-368)

?

Lenaz and Genova (2007) AmJPhysiolCellPhysiol v.292 C1221-C1239

Althoff et al. (2011) EMBO Journal v.30: 4652-4664

Tomēr ar saudzīgu solubilizēšanu un nedenaturējošo poliakrilamīda elektroforēzi izdevies parādīt no vairākiem elektronu transport kompleksiem veidotus superkompleksus.

Attēlā – ar krioelektronmikroskopiju iegūts I1III2IV1 superkompleksa attēls ar 19 angstrēmu izšķirtspēju no vērša sirds muskuļa mitohondrijiem, to membrānas solubilizējot ar polimēru amfipolu.

Elektroni no NADH oksidēšanas saita līdz citohromoksidāzes aktīvajam centram, kur notiek ūdens veidošanās, pārvietojas 40 nm. Pusi no šī ceļa tos pārnes hinons vai citohroms c.

Elektronu transports notiek:

• pateicoties pārnesēju (hinonu) difūzijai

• kā tunelēšana (elektronu “pārlekšana”) starp 2 paralēli orientētām un ne tālāk kā 20 Å vienu no otras situētām red-oks (piem. citohromu hema) grupām

• elektronu transporta kompleksu proteīnu subvienības tieši nepiedalās elektronu pārnesē; to funkcija ir nodrošināt atbilstošu red-oks grupu orientāciju un mikrovidi ap tām

e-