Mitokondriaalne hingamisahel.

1. Mitokondriaalne hingamisahel. Loeng 18

2. Mitokondriaalne elektronide transpordi ahel • Oksüdatiivne fosforüleerimine • Tsütoplasmaatilise NADH retsükleerimine

3. Glükolüüs, TCA tsükkel: substraatide oksüdeerimine (elektronide loovutamine), NAD+ redutseerimine NADH-ks (elektronide liitmine) FAD redutseerimine FADH2-ks Kuidas redutseeritud koensüümides salvestatud energiat kasutada? NADH oksüdeeritakse, elektronide lõplikuks akseptoriks on O2 Elektronide loovutamine toimub üle elektronide ülekande ahela, mis paikneb mitokondri sisemembraanis. Vabanev energia kasutatakse prootongradiendi tekitamiseks, selle energia rakendatakse omakorda oksüdatiivseks fosforüleerimiseks- ATP sünteesiks

4. Süsivesikute metabolismi erinevad staadiumid on lokaliseeritud eukarüootses organismis raku erinevatesse kompartmentidesse Polüsahhariidide lagundamine Glükolüüs TCA tsükkel Elektronide transportahel Oksüdatiivne fosforüleerimine

5. Mitokondriaalne elektronide transportahel • Mitokondri sisemembraan on sopistunud: suur pindala ja lokaalne isolatsioon • Membraan ebahariliku lipiidse koosseisuga ja valgurikas • Hingamisahela komponendid isoleeritavate komplekside kujul • Identifitseeritavad nn. F1 partiklid- vastutavad ATP sünteesi eest HINGAMINE- orgaaniliste ühendite oksüdatsioon (elektronide loovutamine) protsessis, kus oksüdeerijaks (elektronide akseptoriks) on anorgaaniline ühend (molekulaarne hapnik) Respiratsioon=Hingamine

6. Redutseeritud koensüümid NADH ja FADH2 tuleb retsükleerida! Retsükleerimine toimub elektronide hapnikule ülekandega ADP + Pi ATP NADH + H+ + 1/2O2Z NAD+ + H20 FADH2 + 1/2O2Z FAD + H20 ADP + Pi ATP TULEMUSEKS: 1. Kofaktorid retsükleeritud, oksüdatiivne metabolism võib jätkuda 2. Kofaktorite oksüdatsioonil vabanev energia seotud ATP sünteesiprotsessiga

7. Elektronide ülekandeahela struktuur: 4 suurt valkkompleksi Kompleks I- NADH - KoensüümQ reduktaas Kompleks II- Suktsinaat – KoensüümQ reduktaas Kompleks III- TsütokroomC reduktaas Kompleks IV- TsütokroomC oksüdaas Komplekside koosseisu kuulub rida integraalseid membraanivalke Elektronide ülekandel osalevad mitmed prosteetilised rühmad ja mobiilsed redutseeritavad-oksüdeeritavad komponendid

8. Millised protsessid toimuvad hingamisahelas? Spontaanne elektronide ülekanne ühelt kompleksilt teisele Ülekanne toimub vastavalt kandjate afiinsusele elektronide suhtes Nii kandjate järjekord kui ka protsessis vabanev energia on määratud ära redokspotentsiaaliga E0, V -0.4 NADH Elektronide liikumine -0.2 NAD+ Kompleks I 0.0 suktsinaat Q Kompleks II Kompleks III 0.2 fumaraat CytC 0.4 Kompleks IV 0.6 ½ O2 + 2H+ H2O 0.8

9. Kui palju vabaneb hingamisahelas energiat? Vabaneva energia hulk DG0´ on arvutatav vastavalt redokspotentsiaalidele NADH + H+ + 1/2O2Z NAD+ + H20 DG0´ = -220 kJ/mol FADH2 + 1/2O2Z FAD + H20 DG0´ = -152 kJ/mol NB! ATP sünteesireaktsiooni jaoks ADP + Pi Z ATP DG0´ =+30.5 kJ/mol

10. Elektronide transportahela komponendid KompleksI • Esmalt liiguvad elektronid NADH-lt flaviin mononukleotiidile, mis struktuurilt sarnaneb FAD-d • Järgmisena liiguvad elektronid Fe-S klastri prosteetilisele rühmale, kus muutuv Fe oksüdatsiooniaste on kas 3+ või 2+ • Viimasena kantakse elektronid üle koensüümile Q ehk ubikinoonile 2H+ QH2 Fe-S 2 ühe elektroni 2 ühe elektroni FMN FMNH2 ülekannet ülekannet Fe-S Q 2H+ H+ NAD+ NADH

11. Flavoproteiin Fe-S klastrid

12. Koensüüm Q ehk ubikinoon See molekuli osa vastutab membraaniga seostumise eest CoQ võib loovutada-liita elektrone ühekaupa

13. Kompleks II Koensüüm Q tasemel sisenevad elektronid nii kompleksI-st kui ka FADH2 oksüdatsioonist Suktsinaadi dehüdrogenaas Tsitraaditsükli osa. Juhib suktsinaadi osküdeerimisel tekkivad elektronid CoQ-le FADH2 kaudu AtsüülCoA dehüdrogenaas Rasvhapete b-oksüdatsioonil tekkivad elektronid juhitakse CoQ-le FADH2 kaudu Mõlemad ensüümid -on integraalsed membraanikompleksid -sisaldavad Fe-S klastreid

14. Kompleks III Funktsioon: elektronide üle kandmine ubikinoolilt tsütokroomC-le TsütokroomC- teine mobiilne elektronide kandja Sisaldab heemi prosteetilist rühma

15. Kompleks III struktuur Kompleksis III ei toimu elektronide ülekanne lihtsalt lineaarset rada järgides vaid nn. Q tsüklit

16. Kompleks IV Funktsiooniks redutseerunud tsütokroom C elektronide ülekanne hapnikule • Sisaldab 10 valgulist subühikut ja 2 liiki prosteetilisi rühmi, 2 heemi ja 2 Cu aatomit • Koosseisu kuuluvad tsütokroom a ja a3, mis on ainukesed elektronide kandjad, kust toimub elektronide vahetu loovutamine hapnikule

17. Oksüdatiivne fosforüleerimine Elektronide transportahelas toimub NADH ja FADH2 oksüdatsioon redutseeritava O2 arvel Vabanev energia kasutatakse ATP sünteesiks Protsessi katalüüsib mitokondri sisemembraani valk ATP süntaas Elektronide transportahel ja ATP süntees on seotud (coupled)- elektronide voog lakkab kui ATP süntees ei toimu ATP saagis 1 NADH - 2.5 ATP 1 FADH2 – 1.5 ATP

18. Millise mehhanismiga on seotud elektronide transpordi ahel ja ATP süntees? Kemoosmootse seotuse mehhanism, Michell 1964 • Elektronide transport põhjustab prootonite suunatud liikumise maatriksist intermembraansesse ruumi • Tulemusena tekib prootonite gradient • Tekkinud gradiendi potentsiaalset energiat kasutatakse ATP sünteesiks

19. Millise mehhanismiga on seotud elektronide transpordi ahel ja ATP süntees? • ATP süntaas koosneb 2 komponendist • F0 moodustab membraani läbiva H+ kanali • F1 on ATP sünteesi eest vastutav katalüütiline osa, paikneb mitokondri maatriksis F0 F1

20. Millise mehhanismiga on seotud elektronide transpordi ahel ja ATP süntees? • ATP süntaas koosneb 2 komponendist • F0 moodustab membraani läbiva H+ kanali • F1 on ATP sünteesi eest vastutav katalüütiline osa, paikneb mitokondri maatriksis • F1F0 ATPaas seob omavahel prootonigradiendi ja ATP sünteesi Oksüdatiivne fosforüleerimine on Reguleeritud protsess • Elektronide voog lakkab kui ADPd ei ole • Kõrgenenud ADP tase põhjustab rea kataboolsete ensüümide hulga suurenemise • Glükogeeni fosforülaas • Fosfofruktokinaas • Tsitraadi süntaas

21. Elektronide transpordi ja oksüdatiivse fosforüleerimise lahutamine (uncoupling) • Teatud erijuhtudel on võimalik nende kahe protsessi lahutamine • Avaldub: ATPd ei produtseerita, ehkki O2 tarbimine jätkub • Looduses: vastsündinud ja talveunes loomad sooja saamiseks • Pruun rasv- sisaldab mitokondreid • Sisemembraanis valk termogeniin, mis laseb välja pumbatud prootonid maatriksisse tagasi • Protsessis tekib soojus

22. Kuidas saadakse ATP glükoosi kataboliseerimisel

23. Kui palju ATPd on võimalik sünteesida glükoosi kataboliseerimisel? Glükolüüs 2ATP 2ATP 2NADH 2.5 (3) ATP/NADH 5ATP (6) Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks 2NADH 2.5 (3) ATP/NADH 5ATP (6) Tsitraaditsükkel 2GTP 1ATP/1GTP 2ATP 6NADH 2.5 (3)ATP/NADH 15ATP (18) 2FADH2 1.5ATP (2)/FADH2 3ATP (4) 32ATP (38ATP) • Lihastes ja ajus on see number 2 võrra väikesem • Arvestuse aluseks on 3 prootonit ATP süntaasi ühe tsükli jaoks pluss 1 prooton fosfaadi transpordiks mitokondrisse • Hingamisahelas pumbatakse: kompleks I – 4 prootonit, kompleks III – 2 prootonit ja kompleks IV – 4 prootonit ühe paari elekronide kohta

24. Kuidas retsükleerida tsütoplasmaatilist NADH-d? • 2 erinevat süstikmehhanismi võimaldavad glükolüüsil tekkinud NADH oksüdeerimiseks viia mitokondrisse • Glütserool 3-fosfaadi süstik on kasutusel lihasrakkudes ja ajus • Malaadi-aspartaadi süstik on kasutusel südames ja maksas

25. Glütserool-3-fosfaadi süstik

26. Malaadi-aspartaadi süstik