Mitokondriaalne hingamisahel

Mitokondriaalne elektronide transpordi ahel ehk hingamisahel on eukarüootsete rakkude mitokondri sisemembraanis toimuv redoksprotsesside jada, mille käigus kanduvad elektrondoonorite elektronid üle elektronaktseptoritele. Aeroobsetes tingimustes toimiv hingamisahel järgneb tsitraaditsüklile ja on oksüdatiivse fosforüülimise protsessi osaks. Oksüdatiivne fosforüülimine on protsess, kus elektrontransportahelas korduva vesiniku oksüdeerimise tagajärjel saadavat energiat kasutades tekib ADP fosforüülimisel ATP.
Hingamisahelas on elektronide doonoriteks NADH ja FADH₂ ning elektronide aktseptoriks on molekulaarne hapnik, mis vastuvõetud elektronide toimel veeks konverteeritakse. Taimedes toimib lisaks mitokondriaalsele hingamisahelale ka fotosünteetiline elektrontransportahel, mille töö tulemusena toodetakse hoopis vee molekulidest hapniku molekule. Erinevate elektronide doonorite ja aktseptoritega elektrontransportahelaid esineb looduses veel mitmeid ning neid leidub nii eukarüootsetes kui prokarüootsetes organismides. Kõikide elektrontransportahelate ühine omadus on, et nende töö tulemusena tekkiva prootongradiendi elektrokeemiline energia salvestatakse keemilise energiana ATP molekulidesse. ATP energiat saab kasutada erinevates metabolismiradades energeetiliselt mittesoodsate ehk toimumiseks täiendavat energiat vajavate reaktsioonide läbiviimiseks. Väike hulk ATPd on võimalik toota substraadi tasemel fosforüülimisega, mis toimub näiteks glükolüüsi rajas, ning osad organismid toodavad ATPd kääritusprotsesside käigus, kuid enamikus organismides on peamiseks keemilise energia tootmise viisiks elektrontransportahelad.
Hingamisahela termodünaamiliselt soodne kulgemine on garanteeritud sellega, et elektronid liiguvad negatiivsema redokspotentsiaaliga ühenditelt aina positiivsema redokspotentsiaaliga ühenditele, st iga järgmine elektronikandja on elektronide suhtes vastuvõtlikum (afiinsem) kui eelmine. Elektronikandjate oksüdeerumisel vabaneva energia toimel pumbatakse prootoneid mitokondri maatriksist membraanidevahelisse ruumi ning tekib prootongradient. ATP süntaas kasutab gradiendi energiat roteerumiseks (s.t gradiendi elektrokeemiline energia muundatakse ATP süntaasi poolt mehaaniliseks energiaks). ATP süntaasi vahendusel liiguvad prootonid tagasi mitokondri maatriksisse ning energia salvestub ATPsse keemilise energia kujul. NADH redokspotentsiaal on suurem (negatiivsem) kui FADH₂ oma, seega NADH redutseerimisel vabaneb rohkem energiat ja saab sünteesida rohkem ATPd.

Hingamisahela kompleksid

Mitokondriaalse elektronide transpordi ahela moodustavad neli suuremat mitokondri sisemembraanis asetsevat valgulist kompleksi koos liikuvate abistavate elektronkandjatega (ubikinoon, tsütokroomid-c). Prokarüootidel, kellel mitokondrid puuduvad, asuvad elektrontransportahelate kompleksid plasmamembraani koostises.

I kompleks ehk NADH-ubikinooni oksidoreduktaasi ehk NADH dehüdrogenaas

Kompleksi reaktsioon: NADH + Q + 5 H⁺ → NAD⁺ + QH₂ + 4 H⁺
See suur ensüüm koosneb umbes 46 polüpeptiidi ahelast, riboflaviin-5'-fosfaadist (FMN) ja raud-väävel (Fe-S) kobaratest. Peamiselt tsitraaditsüklist pärineva NADH elektronid sisenevad hingamisahelasse FMNi redutseerumisega ja liiguvad edasi läbi seitsme Fe-S kobara, liitudes lõpuks ubikinooniga. Elektronide ülekandumise tulemusena muutub I kompleksi struktuur ning avanevad prootonkanalid, läbi mille pumbatakse neli prootonit mitokondri maatriksist välja.
Ubikinooni ehk koensüüm Q (edaspidi ka Q) molekulid asetsevad oma hüdrofoobsuse tõttu mitokondri membraanis ning saavad seal suurte hingamisahela komplekside vahel liikuda. Kui ubikinoon liidab kaks elektroni, on tegemist ubikinooliga (edaspidi QH₂). Peale ubikinooni ja ubikinooli võib membraanist leida ka ubikinooni osaliselt redutseerunud versioone (semikinoone).

II kompleks ehk suktsinaadi-ubikinooni reduktaas

Suktsinaadi dehüdrogenaasi reaktsioon: suktsinaat + FAD → fumaraat + FADH₂
Kompleksi reaktsioon: FADH₂ + Q → FAD + QH₂
Tsitraaditsükli ensüüm suktsinaadi dehüdrogenaas on ka hingamisahela II kompleksi koostises. Suktsinaadi oksüdeerumise tulemusena tekivad tsitraaditsüklis edasi kasutatav fumaraat ning elektronikandja FADH₂. FADH₂ loovutab oma elektronid edasi II kompleksi raud-väävel kobaratele, kust elektronid jõuavad sarnaselt I kompleksiga liikuva ubikinooni molekulini ja sisenevad elektrontranspordi ahelasse. Selles kompleksis prootonite pumpamist ei toimu ja nii ei saagi FADH₂ ahelas toota sama palju ATPd kui NADH puhul.

III kompleks ehk ubikinooli-tsütokroom c oksidoreduktaas ehk tsütokroom bc1

Kompleksi reaktsioon: 2 QH₂ + Q + 2 Cyt c(Fe³⁺) + 2 H⁺ → 2 Q + QH₂ + 2 Cyt c(Fe²⁺) + 4 H⁺
III kompleks koosneb 22 alaühikust ja sisaldab Rieske raud-väävel kobaraid (2Fe-2S) ning kahte erinevat tsütokroomi (tsütokroom b ja tsütokroom c₁). Mõlemad tsütokroomid sisaldavad heeme, mille keskmes on raua aatomid. Kompleksi vahendusel kanduvad elektronid ubikinoolilt tsütokroom c-le (Cyt c). Ubikinool kannab edasi kahte elektroni, kuid tsütokroom c raua aatom suudab vastu võtta ainult ühe. Selleks, et kõik elektronid edasi kanda, toimib koensüüm Q tsükkel, kus III kompleksi Q₀ seondumiskohale seondub järjest kaks QH₂ molekuli. Mõlema molekuli esimene elektron liigub Rieske kobarale ja sealt tsütokroom c₁-le (ja lõpuks kompleksiga seondunud liikuvale tsütokroom c-le), molekulide teine elektron liigub läbi tsütokroom b ja redutseerib kompleksi Qᵢ saiti seondunud Q molekuli. Kui Q on sidunud kaks elektroni, liidab ta endale maatriksist ka kaks prootonit, moodustades QH₂ ja tekitades prootongradiendi. Ühe tsükli ajal liigub kompleksist läbi kaks elektroni, neli prootonit pumbatakse intermembraansesse ruumi ning kaks maatriksi prootonit seotakse.

IV kompleks ehk tsütokroom c oksüdaas

Kompleksi reaktsioon: 4 Cyt c(Fe²⁺) + 8 H⁺ + O₂ → 4 Cyt c(Fe³⁺) + 2 H₂O + 4 H⁺
IV kompleks sisaldab kahte vase ioonidega tsentrit (CuA ja CuB) ja kahte heemi gruppi (heem a ja heem a₃), kokku koosneb 13 alaühikust. O₂ täielikult veeks redutseerimiseks kulub neli elektroni. Kui kahe tsütokroom c elektronid on redutseerinud CuB ja heem a₃ tsentrid, kasutab hapniku molekul neid kahte elektroni tsentrite vahele peroksiidsilla moodustamiseks. Aktiivtsentriga liituvad veel kahe Cyt c molekuli elektronid ja kaks prootonit, mis viib peroksiidsilla katkemiseni. Veel kahe prootoni liitumisel vabaneb mõlemast tsentrist vee molekul. Lisaks neljale maatriksist vee molekulidesse jõudnud prootonile pumbatakse selle energeetiliselt soodsa reaktsiooniahela jooksul intermembraansesse ruumi veel neli prootonit. IV kompleksis toimuv hapniku redutseerumine on aeroobsete organismide hapnikutarbimise peamiseks põhjuseks.

ATP süntaas

Hingamisahelaga kaasnevat ATP sünteesi viib läbi ATP süntaas ehk mitokondriaalne ATPaas ehk F₁F₀ATPaas, mida vahel tuntakse ka hingamisahela V kompleksi nime all. ATP süntaas asetseb koos hingamisahela nelja põhikompleksiga mitokondri sisemembraanil ning koosneb kahest allüksusest: keerlev F₁ üksus ja paigalseisev F₀ üksus. F₀ üksuse koostises asub prootonkanal, mille kaudu hingamisahelas välja pumbatud prootonid liiguvad spontaanselt ehk iseeneslikult tagasi mitokondri maatriksisse. Prootonite liikumine paneb F₁ üksuse keerlema. ATP süntaasil on funktsionaalselt kolm aktiivset keskust, mis asuvad F₁ üksuse koostises ning vahetavad oma funktsioone F₁ keerlemise käigus. Aktiivkeskuste funktsioonideks on kordamööda ADP ja Pᵢ (anorgaaniline fosfaatrühm) sidumine, ATP süntees ning ATP vabastamine.
Hingamisahel ja ATP süntaas on biokeemiliselt eraldiseisvad süsteemid, kuid nad on ühenduses mitokondri sisemembraanil tekkiva prootongradiendi kaudu. NADH ja FADH₂ redutseerimiseks on vajalik ATPaasi poolt vahendatav ATP süntees ja vastupidi. Protsesside koostoime tulemusena on ühe NADH molekuli kohta võimalik sünteesida 2,5 ATP molekuli, ühe FADH₂ molekuli kohta 1,5 ATP molekuli.
Teatud tingimustes toimivad osadel organismidel ka valgud (nt 2,4-dinitrofenool), mis suudavad hingamisahela ja ATP sünteesi protsessid üksteisest lahutada selleks, et toota soojust (kehatemperatuuri säilitamiseks).

Hapnik elektrontransportahela lõppaktseptorina

Kui hingamisahela elektronide lõppaktseptoriks on hapnik, on tegemist aeroobse hingamisega. Looduses esineb ka anaaeroobseid hingamisahelaid, kus hapniku asemel on mõni teine molekul. Hapniku redutseerumisel vabaneb rohkem energiat kui teiste elektronide lõppaktseptorite redutseerumisel, sest hapnik on neist elektronegatiivsem ja elektronide suhtes vastuvõtlikum. Seega on aeroobne hingamine energeetiliselt kasulikum kui anaeroobne hingamine.

Hingamisahelaga kaasnevad kõrvalefektid

Hapnikhingamise käigus esineb ohtlikke kõrvalefekte. Hapniku osalisel redutseerumisel tekivad ülimalt reaktiivsed hapnikuühendid (superoksiidioon, vesinikperoksiid, hüdroksüülradikaal), mis võivad reageerida peaaegu kõikide rakus leiduvate makromolekulidega, põhjustades oksüdatiivset stressi, mida seostatakse vananemise ja paljude haigustega. Selleks, et reaktiivsete hapnikuühendite tekitatavaid kahjustusi vältida, on rakkudes ensüümid, mis neid ühendeid neutraliseerivad. Olulisemad ja efektiivsemad ensüümid on superoksiidi dismutaas, mis viib läbi superoksiidioone siduvat reaktsiooni, ning katalaas, mis teostab vesinikperoksiidist vabastavat reaktsiooni.
Superoksiidi dismutaasi reaktsioon: 2 O₂⁻· + 2 H⁺ ↔ O₂ + H₂O₂
Katalaasi reaktsioon: 2 H₂O₂ ↔ O₂ + 2 H₂O
Oksüdatiivsete kahjustuste eest kaitsevad ka näiteks antioksüdantsed vitamiinid C ja E ning ubikinool; viimased kaks on rasvlahustuvad ning kaitsevad eriti hästi membraane.