Oksüdatiivne fosforüülimine

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. 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 sisemises membraanis asuvates või seda läbistavates ensüümkompleksides. Need kompleksid moodustavad kokku ahela, mida nimetatakse elektronide transpordiahelaks (ETA). Neis ensüümides liiguvad vabad elektronid mitmetel redokskandjatel, kuni viimaks redutseeritakse hapnik veeks. Elektronide transpordi käigus viiakse läbi mitokondri sisemembraani maatriksist membraanidevahelisse alasse vabu prootoneid, mis põhjustab membraanil vesinikioonide erineva kontsentratsiooni. 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. Oksüdatiivse fosforüülimise tagamiseks on vaja elektronid viia üle redutseeritud koensüümidelt O2-le. Eukarüootides koosneb see elektronide ülekandeahel neljast suurest valkkompleksist mitokondri sisemisel membraanil. 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 ja võib tekkida organismile kahjulik superoksiid. 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 Toimub elektronide ülekanne suktsinaadilt UQ-le. Kompleks II osaleb nii ETA-s kui ka Krebsi tsüklis. Reaktsioonis ei toimu prootonite väljutamist membraanidevahelisse ruumi. Suktsinaat + UQ -> fumaraat + UQH2 ΔGo’=-16,4kJ/mol Kompleks III teine nimetus on tsütokroom-c reduktaaskompleks. 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. 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 on viimane kompleks elektronide transportahelas. Kompleksis IV, mida nimetatakse ka tsütokroom-c oksüdaaskompleksiks võetakse vastu 4 elektroni 4-lt tsütokroom c molekulilt ja kantakse hapnikumolekulile. Lisandub 4 prootonit maatriksist ja moodustub kaks veemolekuli. Protsessi käigus viiakse membraanidevahelisse alasse ka 4 prootonit, suurendades sellega prootongradienti sisemembraanil. 4 Cyt c (Fe2+) + 8H+(M) + O2 -> 4 cyt c (Fe3+) + 2 H2O + 4 H+(IMS) ΔGo’=-112,5kJ/mol Kompleks V ei kuulu elektronide transpordiahelasse, vaid tegeleb prootongradienti kasutades ADP molekulist ATP loomisega. Prootonite gradient saab tekkida tänu sellele, et mitokondri sisemembraan ei lase ioone läbi. Seega pääsevad vesiniku ioonid, prootonid mitokondrisse tagasi vaid läbi ATP süntaasi. Tekkinud prootonite voog käivitab ensüümi, mis hakkab katalüüsima adenosiindifosfaadi(ADP) fosforüülimist ATP-ks: ADP + Pi → ATP Ühe ATP sünteesimiseks tuleb transportida membraanidevahelisest alast maatriksisse 3–4 prootonit. 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 C- ja E-vitamiin, ensüüme superoksiidi dismutaas, katalaas ja peroksüdaas. Erinevalt eukarüootidest asuvad eeltuumsetes elektronide ülekandevalgud tsütoplasmamembraanis. Teistsugused on ka oksüdatiivse fosforüülimise käigus kasutatavad elektronide aktseptorid ja ETA valgukompleksid: kui päristuumsetel on viis kindlat kompleksi, siis prokarüootidel on ETA komponentide varieeruvus suurem, võimaldades hargnenud hingamisahelaid. See lubab bakteritel ja arhedel kasvada erinevates keskkondades. Eeltuumsetel esineb näiteks metalli- ja nitraatne hingamine, mida eukarüootidel pole. On teada paljusid toksiine ja ravimeid, mis takistavad (inhibeerivad) oksüdatiivse fosforüülimise protsesse. Kuigi inhibiitorid peatavad vaid ühe valgu töö elektronide transpordiahelas, piisab sellest, et seisata kogu metaboolne rada. Näiteks aktinomütseetide sünteesitud oligomütsiin takistab ATP süntaasi, prootonite tagasivool mitokondrisse peatub. Selle tulemusena peatub NADH oksüdatsioon ja tsitraaditsükkel e Krebsi tsükkel jääb seisma, sest NAD+ kontsentratsioon langeb liiga madalale. Oksüdatiivse fosforüülimise protsesside inhibiitoriteks on näiteks ka veel tsüaniid ja vingugaas. 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 auhinna. Oksüdatiivse fosforüülimise selgitamise eest on Nobeli auhind antud ka hiljem. 1997. aasta Nobeli keemiaauhind 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. Mitokondriaalne hingamisahel Tsitraaditsükkel Peter Mitchell "Oksidative phosphorylation" (inglise). D. Voet, J. G. Voet, C. W. Pratt ’’Fundamentals of biochemistry’’, USA: Wiley, 2009 Horsefield R, Iwata S, Byrne B (2004). "Complex II from a structural perspective". Curr. Protein Pept. Sci. 5 (2). DOI:10.2174/1389203043486847. ISSN 1389-2037. PMID 15078221.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Cytochromes/cytochromes.html 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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) 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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Davies K (1995). "Oxidative stress: the paradox of aerobic life". Biochem Soc Symp. 61: 1–31. PMID 8660387. 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. MLA style: "The Nobel Prize in Chemistry 1997". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2013. Web. 30 Sep 2013.