Elektronu transports mitohondriju elpošanas ķēdē: skābekļa reducēšana un protonu translokācija

1. Elektronu transports mitohondriju elpošanas ķēdē: skābekļa reducēšana un protonu translokācija Elektronu transporta ķēdē notiek skābekļa četrelektronu reducēšana par ūdeni, un elektronu transports ir sajūgts ar protondzinējspēka veidošanu.

3. Citohroma c oksidāzē skābekļa reducēšana ir saistīta ar protonu translokāciju “vektoriālie protoni” “ skalārie protoni”

4. Divi protondzinējspēka veidošanās mehanismi, kas saistīti jeb sajūgti ar elektronu transportu, ir: •“protonu pumpja” jeb konformāciju sūkņa mehanisms; vektoriālieprotoni • tāds red-oks reakciju telpiskais izkārtojums elektronu transporta ķēdē, ka membrānas iekšpusē notiek reducēšanās ar protonu saistīšanu, un/vai ārpusē – oksidēšanās ar protonu atbrīvošanu; skalārieprotoni Protondzinējspēka veidošanos atvieglo tas, ka protoni tieši iesaistīti daudzās red-oks reakcijās

5. Fea33+- O -– O --Cub2+ Fea33+- O -– O --Cub2+ Brzezinski and Gennis (2008) J Bioenerg Biomembr 40:521–531

6. Kā tiek pētīti citohroma c oksidāzes elementārie reakcijas etapi? Stacionārās kinētikas dati nesniedz informāciju par enzimātiskās reakcijas mehanisma elementārajiem soļiem, piemēram, elementārajām konstantēm P To ļauj priekšstacionārā kinētika, kas aplūko periodu, kurā [ES] nav vēl stabilizējies – no pikosekundēm līdz sekundei

7. Lai noskaidrotu elementāros reakcijas etapus, kuru laika mērogs ir mikrosekunžu diapazonā, pielieto flash-fotolīzi, vienu no priekšstacionārās kinētikas metodēm O2 e- O2 O2 CuA e- e- e- O2 CO CuB a a3 O2 O2 O2 cyt c oksidāzes preparātu anaerobos apstākļos reducē, izgāzē ar CO, kas cieši piesaistās binukleārajā centrā, un tad piesātina vidi ar skābekli matrix

8. Lai noskaidrotu elementāros reakcijas etapus, kuru laika mērogs ir mikrosekunžu diapazonā, pielieto flash-fotolīzi O2 e- O2 O2 CuA e- e- e- O2 CuB a a3 CO O2 O2 O2 Tad ar ≈ 10 nanosekunžu lāzera impulsu (‘flash’) izraisa CO disociāciju no binukleārā centra, kam var sekot pārākumā esošā skābekļa piesaistīšanās matrix

9. Notikumiem pēc skābekļa piesaistīšanās var izsekot spektroskopiski, ar mikrosekunžu izšķirtspēju: 560 nm – citohroma redox stāvoklis; 610 nm – peroksisavienojuma veidošanās; 570 nm – pH indikators fenolsarkanais, kura absorbcija pieaug, saistot protonu; 830 nm – CuA redox stāvokļa izmaiņas Ballmoos et al. (2011) PNAS vol. 108: 11057–11062

10. Kā darbojas protonu sūknis? Elektronam nonākot hidrofobajā vidē pie binukleārā centra, kur vides dielektriskā konstante ir ļoti zema, tā nekompensētais negatīvais lādiņš rada enerģētiski nestabilu stāvokli CuA e- CuB a a3 H+ Vektoriālais H+ elektriski kompensē elektronu matrix

11. Kā darbojas protonu sūknis? Binukleārajā centrā saistoties skalārajam protonam, tas ar savu elektrisko lādiņu sekmē vektoriālā protona disociāciju H+ CuA CuB a a3 H+ matrix

12. Ne visas vara-hema oksidāzes ir cyt c oksidāzes, un ne visas terminālās oksidāzes pieder vara-hema grupai piemēram, E. coli terminālās oksidāzes: bo bd • abas oksidē ubihinolu, nevis cyt. c Periplazma 2H+ 2H+ 2H+ • tikai bo pieder vara – hema oksidāžu grupai 2e- 2e- b o Cu b595 d UQH2 UQ UQH2 UQ 2e- b558 •bo pumpē protonus, H+/e-=2 2H+ 2H++ 0.5O2 H2O 2H++ 0.5O2 H2O Citoplazma •bd nepumpē protonus, H+/e-=1; protondzinēj-spēku veido tikai skalārie protoni

13. III komplekss, jeb bc1 komplekss, jeb ubihinol:cyt. c oksidoreduktāze Ciklisks elektronu transports – red-oks reakcijas ar H+ saistīšanu un atbrīvošanu notiek pretējās membrānas pusēs • Ciklam ir 2 apgriezieni: • QH2 pie ārējās virsmas oksidējas par Q, 2H+ tiek atbrīvoti starpmembrānu telpā, 1e- tiek pārnests uz c1 un 1e- caur cit. blun bh uz Q pie membrānas iekšējās virsmas, to reducējot par QH., protonu piesaistot no matriksa puses • tas pats, tikai pie iekšējās virsmas QH., piesaistotvēl vienu protonu no matriksa puses, reducējas par QH2 matrix

14. matrix I komplekss(NADH:UQ oksidoreduktāze)ir vislielākais elpošanas ķēdes komplekss Red-oks kofaktori –FMN, vairāki (7)Fe/Scentri (N1a, N1b, N2,...) unkompleksā saistītsubihinons H+ translokācijas mehanisms – iespējams,protonu sūknis, kā citohromoksidāzē: red-oks reakcijas pie N2 izsauc konformāciju izmaiņas, kuras darbina H+ vai Na+ sūkni (daļai baktēriju)

15. Elpošanas ķēde ir aktīvo skābekļa formu avots O2.- O2.- Elektronu pārnesēju autooksidācija: flavīni semihinons Vienelektrona skābekļa molekulas reducēšana dod superoksīda anjonradikāli; divelektronu skābekļa molekulas reducēšana dod ūdeņraža peroksīdu Četrelektronu skābekļa reducēšanā terminālajā oksidāzē rodas ūdens

16. Oksidatīvo stresu šūnā rada skābekļa aktīvās formas, tām mijiedarbojoties ar brīvu (kofaktoros neiesaistītu) Fe2+ Divvērtīgā dzelzs viegli asociē pie proteīniem un DNS, un iesaistoties Fentona reakcijā izraisa oksidatīvus bojājumus Fentona reakcija: Aerobos augšanas apstākļos šie oksidatīvie bojājumi ir galvenais mutaģenēzes avots. Mutanti ar defektīvām DNS reparācijas sistēmām ir hipersensitīvi pret H2O2.

17. Superoksīds un ūdeņraža peroksīds noārda dzelzs-sēra klasterus, kas ir daudzu fermentu prostētiskās grupas: [4Fe – 4S]2+ O2.- H2O2 [3Fe – 4S]2+ + Fe2+ [3Fe – 4S]+ + Fe3+ H2O2 • Aizsardzības mehanismi: • šūnā pēc oksidatīvā stresa notiek strauja klasteru reparācija • parādīts, ka oksidatīvā stresa apstākļos Fe-S klasterus saturoši enzīmi (piem. fumarāze un akonitāze Krebsa ciklā) tiek nomainīti pret izoenzīmiem, kas šādus kofaktorus nesatur Fentona reakcija Fe3+ + HO.

18. Kas pazemina superoksīda un H2O2 līmeni šūnā? Superoksīddismutāzes reakcija: 2 O2.- + 2 H+ O2 + H2O2 Katalāzes reakcija: Peroksidāžu reakcijas:

19. H2O2 izraisa S-S saišu veidošanos proteīnos. Tioredoksīni un glutaredoksīni ir nelieli –SH grupas saturoši olbaltumi, kuri veic oksidētu makromolekulu redox reparāciju, reducējot to S-S saites. Glutations ir tripeptīds (Glu-Cys-Gly) ar līdzīgu funkciju Savu SH grupu reģenerēšanai kā reducējošo ekvivalentu avotu tie izmanto NADPH. NADPH ir svarīgākais elektronu donors šūnas aizsargsistēmām oksidatīvā stresa apstākļos.

21. H2O2 inhibē GAPDH un novirza katabolismu uz pentozofosfāta ceļu

22. Augos iespējams alternatīvs elektronu transports, kurš neietver I, III un IV kompleksus, un ģenerē siltumu, neveidojot protondzinējspēku a member of the di-iron carboxylate group of proteins, characterized by an active site that includes two iron atoms coordinated by several highly conserved glutamate and histidine residues