Oksüdatiivne fosforüülumine

Allikas: Vikipeedia
Oksüdatiivse fosforüülimise skeem. Mitokondri sisemembraanil asub elektronide transpordi ahel (ETA).

Oküdatiivne fosforüülimine on mitokondri sisemembraanil toimuv metaboolne rada, mille käigus sünteesivad ensüümid ADP-st ATP-d, kasutades koensüümide NADH ja FADH2 oksüdeerimise käigus vabanevat energiat.[1]

ATP on eluslooduses universaalne energia talletaja ja ülekandja, mille keemiliste sidemete energia võimaldab rakkudes metabolismi. Seepärast on vajalik pidev ATP taastootmine ADP-st. Oksüdatiivne fosforüülimine toimub peaaegu kõigis aeroobsetes organismides. Anaeroobsed organismid kasutavad näiteks käärimist.

ATP sünteesiks tuleb tööle panna ensüüm ATP süntaas. Vajaminev energia saadakse redoksreaktsioonidest, mis leiavad aset mitokondri ensüümkompleksides nimega elektronide transpordi ahel (ETA). Neis ensüümides liiguvad vabad elektronid mitmetel redokskandjatel, kuni viimaks redutseeritakse hapnik veeks. Elektronide transpordi käigus viiakse läbi mitokondri sisemembraani maatriksisse vabu prootoneid, mis põhjustab membraanil vesinikioonide erineva kontsentratsiooni.[2]

Võrreldes substraadi tasemel fosforüülimisega, mille käigus ATP moodustub otse fosfaatiooni lisamisel ADP-le, on oksüdatiivse fosfolüürimise ATP saagis ühe lagundatava püruvaadi molekuli kohta pea 20 korda suurem.

Elektronide transpordi ahel (ETA)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Oksüdatiivne fosforüülimine toimub mitokondri sisemembraanis.

Oksüdatiivse fosforüülimise tagamiseks on vaja elektronid viia üle redutseeritud koensüümidelt O2-le. Eukarüootides koosneb see elektronide ülekandeahel neljast suurest valkkompleksist mitokondri sisemisel membraanil.

Kompleks I[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kompleksis I toimub kahe elektroni ülekanne koensüümilt NADH, mis pärineb sellistest biokeemilistest protsessidest nagu glükolüüs, Krebsi tsükkel ja beeta-oksüdatsioon, rasvlahustuvale koensüümile ubikinoonile (UQ-le). Reaktsiooni käigus viiakse 4 prootonit maatriksist membraanidevahelisse ruumi ning võib tekkida organismile kahjulik superoksiid.[2]

NADH + 5H+(M) +UQ -> NAD+ + UQH2 + 4H+ (IMS)
(M)- (prootonid) maatriksis
(IMS)- (ingl k Intermembrane space) (prootonid) membraanidevahelises alas
Reaktsiooni vabaenergia muut: ΔGo’=-69,5kJ/mol

Kompleks II[muuda | redigeeri lähteteksti]

Toimub elektronide ülekanne suktsinaadilt UQ-le. Kompleks II osaleb nii ETA-s kui ka Krebsi tsüklis.[3]
Reaktsioonis ei toimu prootonite väljutamist membraanidevahelisse ruumi.[2]

Suktsinaat + UQ -> fumaraat + UQH2
ΔGo’=-16,4kJ/mol

Kompleks III[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektronid liiguvad redutseeritud ubikinoonilt (UQH2) heemproteiinile, tsütokroomile c (Cyt c), mis viib elektronid kompleksi IV. Kompleks III-s toimuvates protsessides osaleb ka reaktsioonide tsükkel, mida kutsutakse Q tsükliks. Selle käigus toimub UQH2 oksüdeerimine ja UQ redutseerimine.[2] Toimub nelja prootoni eraldumine maatriksisse, mis suurendab prootongradienti.

UQH2 + 2 Cyt c(Fe3+) 2 H+(M) -> UQ + 4 H+(IMS) + 2 Cyt c(Fe2+)
ΔGo’=-36,7/mol

Kompleks IV[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kompleksis IV eemaldatakse 4 elektroni 4-lt tsütokroom c molekulilt ning kantakse hapnikumolekulile, produtseerides kaks veemolekuli. Protsessi käigus viiakse IMS-i ka 4 prootonid, suurendades sellega prootongradienti.[2] Toimub nelja prootoni eraldumine maatriksisse.

4 Cyt c (Fe2+) + 8H+(M) + O2 -> 4 cyt c (Fe3+) + 2 H2O + 4 H+(IMS)
ΔGo’=-112,5kJ/mol

ATP süntaas (kompleks V)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ensüüm ATP süntaas. Ensüümi paneb tööle prootongradient.

Prootonite gradient saab tekkida tänu sellele, et mitokondri sisemembraan ei lase ioone läbi. Seega pääsevad vesiniku ioonid mitokondrisse tagasi vaid läbi ATP süntaasi. Tekkinud prootonite voog paneb käivitab ensüümi, mis hakkab katalüüsima adenosiindifosfaadi(ADP) fosforüülimist ATP-ks[4]:

ADP + Pi → ATP

Ühe ATP sünteesimiseks tuleb transportida membraanidevahelisest alast maatriksisse 3–4 prootonit.[5][6]

Hapnik kui oksüdeerija ETA-s[muuda | redigeeri lähteteksti]

Eukarüootsed organismid ei suuda hapnikuta elada, kuna seda on vaja oksüdatiivses fosforüülimises, kuid O2 redutseerimine veeks võib endaga kaasa tuua selliste ohtlike anioonide tekke nagu peroksiid ja superoksiid. Seega on elutähtis oksüdatiivne fosforüülimine paradoksaalselt ka üheks potentsiaalseks vabade radikaalide tekkeallikaks organismis ning võib põhjustada oksüdatiivset stressi, mille tagajärgedeks on rakukahjustused ja haigused. Selle vastu võitlemiseks kasutab rakk näiteks selliseid antioksüdatiivseid vitamiine nagu vitamiin C ja E, ensüüme superoksiidi dismutaas, katalaas ja peroksüdaas.[7]

Prokarüoodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Erinevalt eukarüootidest asuvad eeltuumsetes elektronide ülekandevalgud mitokondri membraanidevahelises alas, mitte sisemembraanis. Teistsugused on ka oksüdatiivse fosforüülimise käigus kasutatavad elektronide doonorid, -aktseptorid ja ETA valgukompleksid: kui päristuumsetel on 5 kindlat kompleksi, siis prokarüootidel on neid palju erinevaid. See lubab bakteritel ja arhedel kasvada erinevates keskkondades.

Inhibiitorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

On teada paljusid toksiine ja ravimeid, mis takistavad (inhibeerivad) oksüdatiivse fosforüülimise protsesse. Kuigi inhibiitorid peatavad vaid ühe valgu töö elektronide transpordi ahelas, piisab sellest, et seisata kogu metaboolne rada. Näiteks aktinomütseetide poolt sünteesitud oligomütsiin takistab ATP süntaasi, prootonite tagasivool mitokondrisse peatub. Selle tulemusena peatub NADH oksüdatsioon ning tsitraaditsükkel e Krebsi tsükkel jääb seisma, sest NAD+ kontsentratsioon langeb liiga madalale.

Oksüdatiivse fosforüülimise protsesside inhibiitoriteks on näiteks ka veel tsüaniid ja vingugaas.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1961. aastal kirjeldas Peter D. Mitchell oma kemiosmoosi teoorias oksüdatiivse- ja fosforüülimis reaktsioonide omavahelist seotust. Väljapakutud seletus oli esmalt teadlaste seas vaidlust tekitav, kuid hiljem siiski tunnustatud, ning aastal 1978 sai ta Nobeli preemia.[8]

Oksüdatiivse fosforüülimise selgitamise eest on Nobeli preemia antud ka hiljem. 1997. aasta Nobeli keemiapreemia jagati kolme mehe vahel: pool auhinnast jagati John Ernest Walkeri ja Paul D. Boyerile ATP sünteesi mehhanismide selgitamise eest ning teine pool Jens Christian Skoule ioonide transportensüümi avastamise eest. [9]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Oksidative phosphorylation. (inglise)
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 D. Voet, J. G. Voet, C. W. Pratt ’’Fundamentals of biochemistry’’, USA: Wiley, 2009
  3. Horsefield R, Iwata S, Byrne B (2004). "Complex II from a structural perspective". Curr. Protein Pept. Sci. 5 (2). doi:10.2174/1389203043486847. PMID 15078221. 
  4. http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Cytochromes/cytochromes.html
  5. Van Walraven HS, Strotmann H, Schwarz O, Rumberg B (1996). "The H+/ATP coupling ratio of the ATP synthase from thiol-modulated chloroplasts and two cyanobacterial strains is four". FEBS Lett. 379 (3): 309–13. doi:10.1016/0014-5793(95)01536-1. PMID 8603713. 
  6. Yoshida M, Muneyuki E, Hisabori T (2001). "ATP synthase—a marvellous rotary engine of the cell". Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2 (9): 669–77. doi:10.1038/35089509. PMID 11533724. 
  7. Davies K (1995). "Oxidative stress: the paradox of aerobic life". Biochem Soc Symp 61: 1–31. PMID 8660387. 
  8. Mitchell P. (1961). "Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemi-Osmotic type of Mechanism". Nature 191 (4784): 144–8. Bibcode:1961Natur.191..144M. doi:10.1038/191144a0. PMID 13771349. 
  9. MLA style: "The Nobel Prize in Chemistry 1997". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2013. Web. 30 Sep 2013.