Elektronu pārnesēju secību elpošanas ķēdē var noteikt:

1. 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

3. 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 III IV I

4. bc1 komplekss aa3 Elektronu transporta ķēde membrānā pakāpeniski smazina elektrona enerģiju un beigās pievieno to terminālajam akceptoram

5. Red-oks kofaktora vietu elpošanas ķēdē nosaka tā red-oks potenciāls Elektroni tiek pārnesti no kofaktora ar zemāko (negatīvāko) red-oks potenciālu uz kofaktoru ar augstāko (pozitīvāko) red-oks potenciālu Standarta red-oks potenciāli elpošanas ķēdē: E’0 [NAD+/NADH] = -320 mV E’0 [UQ/UQH2] =45 mV E’0 [1/2O2/H2O] =816 mV E’0ķēdē =1.14 V, kas atbilst G =220 kJuz 1 molu oksidēta NADH Ja mitohondrijos Gp =57 kJuz 1 molu sintezējamā ATP, tad oksidējot NADH molekulu izdalās enerģija, kas pietiek 3 ATP molekulu sintēzei

6. Elektroni katabolismā tiek pārnesti uz universāliem elektronu akceptoriem, kuri funkcionē arī kā red-oks kofaktori elpošanas ķēdes sākumā NAD(P)H – 2 elektronu pārnesēji

8. Flavīni – dehidrogenāžu kofaktori, 2 elektronu vai 1 elektrona pārnesēji Vitamins B2 - riboflavins (flavins+riboze) NAD(P) reducētā un flavīnu oksidētā forma fluorescē

9. ubihinols ubihinons ubihinons semihinons menahinons hinonu red-oks reakcijas 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 unbufera funkcijas

10. 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

11. Citohromi funkcionē kā redoks kofaktori elpošanas ķēdes vidusdaļā un beigās Prostētiskā grupa – hems, jeb tetrapirola (porfirīna) gredzens ar dzelzs jonu centrā dažādu citohromu hemi atšķiras pēc aizvietotājgrupām pie porfirīna gredzena 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) Kā FeS klasteros, tā citohromos Fe jonam saņemot un atdodot elektronus, tā oksidācijas pakāpe mainās starp Fe2+ un Fe3+: tie ir vienelektrona pārnesēji

14. 6. Pozīcija pie dzelzs jona ir brīva tikai terminālajā oksidāzē: tur var piesaistīties skābeklis, kā arī terminālo oksidāžu inhibitori - CO, cianīds vai azīds

15. FAD Electron transfer flavoprotein Krebsa cikla enzīms sukcinātdehidrogenāze Ubihinona reducēšanas ceļi elpošanas ķēdē Taukskābju beta-oksidācijas 1. reakcija

16. 42 polipeptīdus saturošs komplekss

17. NAD(H) FAD hinons Aktīvais centrs 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 Iwata et al. (2012) PNAS v.109: 15247-15252

18. Iespējamie divsubstrātu-divproduktu reakciju mehanismi ping-pong mehanisms [NADH] pieaug QH2 Q NAD+ NADH raksturīgs transamināzēm, fosfātgrupu, acilgrupu pārnesējiem, biotīnsaturošajām karboksilāzēm S1 P1 S2 P2 E ES1 E’ E’S2 E enzīms ar oksidētu FAD enzīms ar reducētu FAD mehanisms ar trešējā kompleksa veidošanos raksturīgs NAD(P)H-atkarīgajām dehidrogenāzēm, hidrolāzēm S1 S2 P1 P2 E ES1 ES1S2 EP2 E EP1P2

19. 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 Fenotiazīna analogi – inhibē NADH dehidrogenāzi Mycobacterium tuberculosis mikromolārā koncentrāciju diapazonā 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.

20. 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

21. Hinonu analogi darbojas kā konkurentie inhibitori III kompleksā Hinonu analogiem – III kompleksa inhibitoriem ir svarīgs praktisks pielietojums kā insekticīdiem un herbicīdiem

22. 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

23. Anaerobā elpošana – terminālais elektronu akceptors nav skābeklis Baktērijām var būt dažādi terminālie elektronu akceptori

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

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

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