Amüotroofne lateraalskleroos

Amüotroofne lateraalskleroos ehk amüotroofiline lateraalskleroos ehk motoorneuroni haigus (ladina keeles sclerosis lateralis amyotrophica, lühendatult ALS) on peamiselt täiskasvanud inimestel esineda võiv terve eluea kestev motoneuronihaiguse vorm, millele on iseloomulik mitmete närvide põletik ja mis põhjustab lihasatroofiat ja halvatust ning lõpeb hingamispuudulikkuse korral harilikult surmaga.

Inimestel

Etioloogia ja esinemine

Amüotroofse lateraalskleroosi täpseid tekkepõhjuseid ja mehhanisme ning ravi seni veel ei tunta, osa ALS-i haigusjuhtumid on perekondlikud ja haigust esineb rohkem meestel kui naistel (meeste ja naiste haigestumussuhe 1,4:1 – 2,5:1).

Haigestunutel võivad erineda nii sümptomid, põhjused, kulg, vastuvõtlikkus palliatiivsele ravile (või selle olemasolu) ja haiguse kestus ning suremus.

ALS-i peetakse väga haruldaseks häireks, uute diagnoositavate juhtude arv on varieeruv, 0,2–2,4 juhtu 100 000 elaniku kohta aastas.

Enamik diagnoositud haigusjuhtudest on sporaadilised (sALS) ja 5–10% juhtudest on perekondlikud (fALS).

Viiendik perekondlikest ALS-i vormidest on seostatavad mutatsiooniga Cu/Zn supreoksiidi dismutaasi (SOD) geenis, mis paikneb inimestel 21. kromosoomis.

Alla 5% kõigist ALS-i juhtudest esineb spinaalne ülemise motoneuroni sündroom (primaarne lateraalskleroos), mis avaldub puhtalt spastilise parapareesina, neil on prognoos parem.

ALS-i seostatakse ka oksüdatiivse stressiga.

Mitmed uuringud seostavad ALS-i haigestumise riski suurenemist ka pestitsiididega kokkupuutumisega.

Ka suitsetamist peetakse riskiteguriks ALS-i avaldumisel.

ALS-i on arvatud ka autoimmuunhaiguseks (GM1 antikehad, AChE antikehad) (va fALS).

Sümptomid

Sümptomite esinemine oleneb haiguse vormidest ja võib alata üsna märkamatu lihasnõrkuse ja lihasjäikusega (spinaalne haigusvorm) ja düsartria (kõnepuue) ja neelamis- (düsfaagia) (bulbaarne haigusvorm) ning hingamisraskustega (düspnoe).

Tahtlikke liigutusi sooritavate lihaste (somaatiline närvisüsteem) kõhetumise tulemusel kaotavad haiged kontrolli enamiku tahtele alluvate liigutuste üle, erandiks on kusepõie ja pärasoole ning silma liigutavate lihaste liigutamine, need kaovad harilikult haiguse hilisemas faasis.

ALS ei kahjusta autonoomset närvisüsteemi.

ALS ei kahjusta teadvuslikkust ja mõtlemisvõimet ega meeleelundeid ja nende tegevust (nägemine, kuulmine, tunnetaimine, maitsete ja lõhnade tundmine). Häireid pole tuvastatud vereringe, seedimise ning sisenõristusnäärmete ja ka südame töös, samuti ei esine meestel ALS-iga seoses funktsionaalseid erektsioonihäireid.

Ligi 40%-l haigestunustest võib esineda kognitiivseid häireid.

Diagnoos

ALS on kliiniline diagnoos, spetsiaalseid uuringuid diagnoosimisel ei kasutata ja spetsiaalseid teste ega proove ei tunta. Diagnoosimisel võidakse võimalusel kasutada elektromüograafiat. Nõel-elektromüograafiaga registreeritakse erinevate lihaste aktiivsust ja närvijuhtekiirust.

Amüotroofne lateraalskleroos
Sclerosis lateralis amyotrophica
Klassifikatsioon ja välisallikad
RHK-10	G12.2
RHK-9	335.20
DiseasesDB	29148
MedlinePlus	000688
eMedicine	neuro/{{{eMedicineTopic}}}
MeSH	D000690 MeSH D000690

Rahvusvahelise haiguste klassifikatsiooni 9.versioonis tähistatakse amüotroofset lateraalskleroosi koodiga 335.20.

RHK-10-s liigitatakse haigus närvisüsteemihaiguste koosseisu, diagnoosi koodiks on : [G12.2]. Kood on ühine motoorneuroni haiguse, perekondliku motoorneuroni haiguse, primaarse lateraalskleroosi, progresseeruva bulbaarparalüüsi ja progresseeruva spinaalse lihasatroofiaga.

Vahel võidakse kasutada ka nimetusi Charcot' haigus, Lou Gehrigi haigus, motoorsete närvirakkude haigus ja lateraalskleroos.

ALS on progresseeruv närvisüsteemi degeneratiivne haigus.

Kui diagnoos leiab kinnitust, soovitatakse neuroloogidel sellest ka patsiendile teada anda.

Eristusdiagnoos

Diagnoosiks oleks vaja läbi viia diferentsiaaldiagnoos, välistamaks haigused millega kaasnevad samuti püramidaaltrakti või alumise motoneuroni kahjustuse sümptomid, nagu näiteks multisüsteemne atroofia ja teatud spinotserebellaarse ataksia vormid. Välistada võiks ka haigused, mis haaravad ajutüve või seljaaju, nagu B12-vitamiini puudus, kaelaspondüloos, polüradikulopaatiad, süringomüeelia, adrenomüeloneuropaatia, polüskleroos, perekondlik spastiline paraprees ja troopiline spastiline paraparees.

Lisaks on haigusi, mis kahjustavad eessarve rakke, näiteks spinaalne lihasatroofia. Välistada tuleks ka mitmed lihasehaigused – inklusioonikehakeste müosiit, müotooniline düstroofia, okulofarüngeaalne lihasatroofia.

Palliatiivne ravi

ALS-i ravi ei tunta. Erinevate vormide puhul kasutatakse palliatiivset ravi. Elumust võib mõne kuu võrra pikendada tabletikuur, mille toimeaineks rilusool.

ALS-i haige vajab, olenevalt haiguse faasist, igapäevaste toimingute sooritamisel pidevalt kaasinimeste abi. Neelamisraskuste ja keelekrampide korral tuleb toit valmistada vedelama konsistentsiga. Pidevalt tuleb abistada ka isiklike hügieenitoimingutega, et ratastoolis ehk voodihaige patsient ei saaks lamatisi.

Haiguse progresseerudes ei suuda enamik patsiente rääkida, kõndida, süüa, neelata ja liigutada.

Düspnoe ning kopsude funktsioonide halvenemine on halva prognoosiga ja paljud patsiendid võivad vajada kopsude kunstlikku ventilatsiooni.

Patoloogia

Amüotroofset lateraalskleroosi iseloomustab peaajust (piklikaju) seljaajusse kulgeva püramidaaltrakti kahjustus ja tahtlikke liigutusi sooritavate lihaste kõhetumine.

Degenereeruda võivad kesknärvisüsteemi närvirakud -motoneuronid, mille aksonid mõjutavad (ka vaheneuronite kaudu) lihasrakke, nii suurajukoore otsmikusagara motoorses korteksis (Betsi rakud) (selles ajupiirkonnas on põhiliseks neurotransmitteriks dopamiin), ajutüves (kraniaalnärvide neuronite rakukehade degeneratsioon ja hävimine) kui seljaajus (motoneuronite vähenemine, glioos, aksonite ja müeliinikihi kadumine eesmistes sarvedes ning eesmiste närvijuurte armistumine).

Aju külgvatsakese temporaalsarve ees paiknevad mandeltuumad võivad degenereeruda.

Koosesinevad haigused

On haigusjuhte, kus ALS-ihaigetel patsientidel on samaaegselt põdemisel ka sarkoidoos – sarkoidseid granuloome tuvastatud motoneuronites.

Immunopatoloogia

Immunotsütokeemilised uuringud on tuvastanud ALS-i patsientide seljaajus T-rakke.

Järjest enam uuringuid seostab ALS-i lümfoid(-immuun)süsteemiga, ALS-i põdejate proovides olid tõusnud nii aktiveeritud mikrogliia rakkude (nende rakkude vastus sõltub stiimulist ja teistest faktoritest ning aktivatsioon seisneb rakkude paljunemises, fagotsütoosis, neurotransmitterite ja põletikutsütokiinide ja reaktiivsete hapniku osakeste aga ka põletikuvastaste tsütokiinide vabastamises), reaktiivsete astrotsüütide, dendriitrakkude (DSs) ja CD8(+) T-rakkude hulk.

Immuunrakkude (sh mikrogliia, makrofaagid ja monotsüüdid) neurodegeneratsioonis osalemise mehhanism on aga käesoleval ajal vaidluse all. Uuritakse ka hematolikvoriaalse barjääri (vere-seljaaju barjäär) rolli haiguse progresseerumisel, arvatakse et 'tõke ei pea' ligi 46% ALS-i haigetel.

Ennetamine

Ligi miljoni osaleja toitumusharjumuste alaste uuringute tulemusi (long-running studies) analüüsides avaldasid uurijad arvamust, et toitumise ja ALS-i vahel võib olla seos. Süües rohkelt A-vitamiini eelvitamiinide hulka liigitatud karotenoide, näiteks beetakaroteeni ja luteiini sisaldavaid juurvilju võib ALS-i avaldumist edasi lükata ja haigust ära hoida. Lükopeeni ja β-cryptoxanthin'i ning C-vitamiini tarbimine ei vähendanud ALS-i haigestumise riski.

Teadusuuringud

Uuemad teadusuuringud seostavad ALS-i patogeneesi lümfoid(-immuun)süsteemi mikrogliiarakkudega (immuunvastusega), mis paiknevad ümber sureva motoneuroni.

E-vitamiin, rilusool ja näiv ravim

Ühte uuringusse kaasati ALS-i patsiendid, kelle haigus on kestnud vähem kui 5 aastat ja keda raviti rilusooliga, jagati kahte rühma – ühe rühma liikmetele manustati 18 kuu jooksul igapäevaselt megadoosides (5000 mg/päevas) E-vitamiini vitameeri alfatokoferooli ja teise rühma liikmed said platseebot.

Eksperimentaalne teraapia modifitseeritud kobra süljega

1960.–1980. aastatel leidis dr Murray Sanders (USA) sarnaselt hiinlastega, et ALS-il on palju sarnasusi lastehalvatusjärgse sündroomiga, ja ta asus ALS-i haigetel katsetama kobradelt lüpstud modifitseeritud süljega kobramürgi teraapiat.

Minocycline

Katsed transgeensete laborihiirtega andsid uurijate arvates häid tulemusi – minocycline (tetratsükliini derivaat) inhibeeris mikrogliia aktivatsiooni kuid hilisemates kliinilistes katsetes ALS patsientidega osutus aine hoopis haigust kiirendavaks.

Geeniteraapiad

Tsiliaarne neurotroofne faktor (CNTF)

Kapseldatud muundatud geenidega neuraalsete kasvufaktorite (neural growth factors) nagu tsiliaarne neurotroofne faktor (CNTF) manustamine närvisüsteemi, selleks et valgud avaldaksid motoneuronitele aeglaselt toimet on problemaatiline (1995), selleks püütakse neid manustada ALS-i patsientidele kas naha alla või aju kõvakesta implanteerides.

2004. avaldatud uuringute kokkuvõtte tõi välja selle, et nimetatud faktor võib osadel ALS-i patsientidel raskeid kõrvaltoimeid esile kutsuda.

Loommudelid

ALS-i loommudeliks on mitmed transgeensed närilised.

Loomakatsete käigus on tuvastatud, et alkoholi (punase veini) manustamine hiirtele inhibeerib neuronite apoptoosi ja võib indutseeritud ALS-iga hiirtel elumust pikendada.

Terapeutilise faktorina

Uuritakse närvirakkude kasvufaktori rolli mitmete neurodegeneratiivsete haiguste, nagu Alzheimeri tõbi, Parkinsoni tõbi, amüotroofne lateraalskleroos, perifeerne neuropaatia ja primitiivne neuroektodermaalkasvaja, terapeutilise faktorina.

Ajaloolist

Prantsuse neuroloog Jean-Martin Charcot kirjeldas aastal 1869 lahkamistulemustes ALS-i sümptomeid. Haiguse esmakirjelduse avaldas ta aga aastal 1874 (De la sclérose latérale amyotrophique).

Protoplast

Protoplast on rakuseinaga raku "elus osa". See hõlmab rakutuuma ja protoplasmat.

Sellesse ei kuulu muu hulgas rakukest, varuained ja eritusained.

Taimeraku protoplast silsaldab membraan-, fibrillaar- ja makromolekulaarseid struktuure (kromosoomid, ribosoomid). Need paiknevad tsütosooliks nimetatavas vedelikus.

Vibur

Vibur ehk flagell on bakterite, arhede ja väiksemate eukarüootide väljaulatuv karvataoline liikumisorganell. Vibur võimaldab rakul vedelas keskkonnas liikuda, kuid viburil võib olla ka sensoorne funktsioon ehk sellega tajub rakk temperatuuri muutust ja keskkonnas esinevaid kemikaale.

Bakteriviburi joonis

Vibureid defineeritakse pigem funktsiooni kui ehituse järgi. Näiteks erinevad prokarüootne ja eukarüootne vibur märkimisväärselt nii ehituselt, valguliselt koostiselt kui ka töömehhanismilt, kuid kuna mõlemal juhul kasutab rakk organelli pöörlemist liikumiseks, siis kasutatakse mõistet "vibur". Eukarüootne vibur sarnaneb ehituselt eukarüootse ripsega, aga funktsiooni erinevuse tõttu kasutatakse nende kirjeldamiseks erinevaid termineid.

Viburitüübid

Eristatakse kolme tüüpi vibureid:

• Bakteri vibur on helikaalse ehitusega valguline filament, mis kinnitub "konksu" abil bakteriraku membraanis asuva basaalkeha ehk viburi mootori külge. Basaalkeha võimaldab filamenti pöörata nii päri- kui ka vastupäeva.
• Arhede vibur sarnaneb väliselt bakteri viburiga, kuid oluliste erinevuste tõttu valgulises koostises ja töömehhanismis ei peeta arhede ja bakterite vibureid homoloogideks.
• Eukarüootse raku vibur erineb oluliselt arhede ja bakterite viburitest. Näiteks, eukarüootne vibur ei pöörle, vaid paindub edasi-tagasi.

Chlamydomanas reinhardtii viburite ristlõige. TEMi pilt

Bakteri vibur

Esimesena vaatles vibureid bakteril Chromatium okenii Christian Ehrenberg 1836. aastal ja bakteril Spirillum volutans Ferdinand Cohn 1872. aastal.

Ehitus ja koostis

Bakteri viburi filament koosneb valgust – flagelliinist –, millest moodustub heeliksikujuline viburiniit, läbimõõduga 20–30 nanomeetrit. Viburiniidi keskel on õõnes kanal, mis on oluline viburi pikendamiseks. Filament kinnitub valgulise konksustruktuuri abil viburi mootori külge.

Viburi mootor koosneb staatorist ja rootorist. Staatorid on valgulised kanalid, mille kaudu liiguvad prootonid ning tekib elektrokeemiline gradient. Gradiendi jõul hakkavad rootorvalgud staatorvalkude suhtes liikuma. Rootorvalkudeks on bakterirakkudes nn MS- ja C-ketas. Gramnegatiivsetes rakkudes on lisaks nendele valkudele veel L- ja P-ketas, mille ülesandeks on viburi telgvarda toestamine välismembraanis ja peptidoglükaan kihis.

Viburi ehitamine algab basaalkeha MS-ketta paigutumisel membraani ning sellega seondub C-ketas. Moodustunud kompleksi külge ehitatakse transpordi aparaat, mille kaudu paigutuvad õigetesse kohtadesse järgmised mootori komponendid: P- ja L-ketas (kui on tegemist gramnegatiivse bakteriga) ning valgulise ehitusega konks. Filamenti hakatakse ehitama konksu külge. Tänu konksu ja moodustuva filamendi õõnsale struktuurile liiguvad flagelliini valgud viburiniidi distaalsesse otsa ning kinnituvad sinna, seeläbi pikendades viburiniiti.

Töömehhanism

Ühe täispöörde tegemiseks kulub viburi mootoril umbes 1150 H⁺ iooni energia. Mootori pöörlemiskiirus võib olla väga erinev, näiteks soolekepikesel (Escherichia coli) on see maksimaalselt 15 000 pööret/minutis, mõnede Vibrio perekonda kuuluvate bakterite puhul on täheldatud kiirust 100 000 pööret/minutis. Sellest olenemata on bakteril võimalik mootori pöörlemissuunda muuta peaaegu momentaanselt. Pöörlemissuuna muutmine võimaldab bakteril tervikuna oma kehaasendit muuta.

Bakteri liikumiskiirus varieerub suuresti. Väikestel bakteritel võib see jääda alla 10 µm/min. Näiteks Listeria monocytogenes liigub keskmiselt kiirusel 6 µm/min. Suuremad bakterid liiguvad kiirustel 20–50 µm/s (Escherichia coli ca 20 µm/s). Üks kõige kiiremaid baktereid on Thiovulum majus, mille liikumiskiiruseks on mõõdetud 600 µm/s.

Viburite paigutus

Viburite paigutuse näited. A – monotrihh; B – polütrihh ehk lofotrihh; C – bipolaarne monotrihh; D – peritrihh.

Viburid paiknevad bakteril liigiti väga erinevalt ning on seetõttu väga heaks vahendiks bakterite identifitseerimisel. Eristatakse peamiselt nelja tüüpi viburite paigutust:

1. Monotrihhil (e.g. perekond Vibrio) on ainult üks vibur.
2. Polütrihhil ehk lofotrihhil (e. g. perekond Pseudomonas) on mitu viburit, mis kõik kinnituvad ühele väiksele alale bakteri poolusel.
3. Bipolaarsel monotrihhil (e.g. Wolinella succinogenes) paikneb bakteri mõlemal poolusel üks vibur, bipolaarsel polütrihhil (e.g. perekond Spirillum) mõlemal poolusel mitu viburit. Mõlemal juhul töötavad rakul korraga ainult ühe pooluse viburid.
4. Peritrihhil (e.g. Escherichia coli) paiknevad viburid terve bakteri pinna ulatuses kaootiliselt.

Spiroheetide hõimkonda kuuluvatel bakteritel puudub välismembraanist väljaulatuv vibur. Neil paiknevad viburid periplasmas ning nende pöörlemise tagajärjel hakkab terve bakter sõukruvisarnaselt edasi liikuma.

Evolutsioon

Bakteri viburil on sarnasusi III tüüpi sekretsioonisüsteemiga (ingl k type three secretion system – TTSS). TTSS on süstlataoline valgulise ehitusega organell, mille abil tunnevad bakterid ära keskkonnas leiduvad eukarüootseid rakke ning võivad neisse ka eri liiki toksilisi valke "süstida". Hüpoteesi kohaselt tekkis vibur mutatsioonide kaudu, mis muutsid nõela basaalkeha struktuuri nii, et sellest moodustus pöörlev mootor.

Sarnaselt viburiga kinnitub ka TTSS membraani ketaste abil ning nii viburi niit kui ka TTSS-i "nõel" koosnevad valgust flagelliin. Samas on püstitatud hüpotees, et TTSS on arenenud bakteri viburist deletsioonide kaudu ning on seega viburist evolutsiooniliselt noorem.

Arhe vibur

Arhedele annab edasiliikumiseks hoogu pöörlev niitjas organ, mille töömehhanism sarnaneb pealiskaudselt bakteri viburi omaga. Molekulaarsete uuringute tulemusena avastati, et ehituselt sarnaneb see organell hoopis bakteri IV tüüpi piilidega, millega bakter kinnitub tahkele pinnale ning piili kokkutõmbel liigub bakter kinnituskohale lähemale. Kuna arhedes töötab see struktuur siiski viburi kombel ehk pööreldes, siis kasutatakse kirjeldamisel ikkagi terminit "vibur".^[18]

Peamised erinevused bakteri ja arhe viburi vahel on järgmised:

• Sarnaselt IV tüüpi piiliga kasvab ka arhe filament juuksekarva kombel proksimaalsest ehk membraanipoolsest otsast, mitte tipust nagu bakteri vibur. Seetõttu pole ka vajadust kanalile viburiniidi keskel, mistõttu on arhe vibur peenem kui bakteri vibur.
• Arhe viburi mootor saab pöörlemiseks vajaliku energia ATP hüdrolüüsist, mitte prootonite voolust nagu bakteri vibur.
• Arhe viburi komponentide geenijärjestused ei oma homoloogiat bakteri viburi komponentidega, aga sarnanevad IV tüüpi piilide osadega.
• Arhe viburiniidi valgud on glükosüleeritud, et säilitada funktsioon ka ekstreemsetes tingimustes

Nende erinevuste tõttu arvatakse, et arhe ja bakteri vibur on analoogsed organellid ja on seega näiteks konvergentse evolutsiooni kohta.

Eukarüoodi vibur

Ehitus

Eukarüoodi vibur. 1 – aksoneem, 2 – rakumembraan, 3 – IFT-osakesed, 4 – kinetosoom, 5 – viburi läbilõige, 6 – tsentriooli mikrotuubulite kolmikud

Pea kõikidel eukarüootsetel viburitel ja ripsetel ehk tsiilidel on sarnane ülesehitus, koosnedes kesksest mikrotuubulite kimbust, mida nimetatakse aksoneemiks. Aksoneemil on "9+2 struktuur", mille nimetus tuleneb sellest, et aksoneemi keskel on kaks eraldiseisvat mikrotuubulit, mida ümbritsevad üheksa mikrotuubulite paari. Aksoneemi ümbritseb rakumembraan. Aksoneem kinnitub basaalkehale, mida eukarüootses rakus nimetatakse ka kinetosoomiks. Kinetosoomi moodustavad tsentrioolid, mis koosnevad samuti mikrotuubulitest. Tsentriooli moodustavad üheksa mikrotuubulite kolmikut, mis on ringikujuliselt agregeerunud.

Viburi moodustumiseks peab kinetosoom liikuma raku pinnale ning kinnituma kortikaalse tsütoplasma külge. Selle protsessi käigus seostub kinetosoom membraansete vesiikulitega, mis sulanduvad raku plasmamembraani ning moodustavad viburi membraanitasku, kuhu hakkab tsentrioolist lähtuv aksoneem kasvama. Mikrotuubulid pikenevad distaalsest otsast, kuid kuna valgusüntees toimub ainult tsütoplasmas, siis on vajalikud IFT-osakesed (IFT – ingl k intraflagellar transport – viburisisene transport), mis transpordivad tsütoplasmas sünteesitud tubuliini valke mööda aksoneemi mikrotuubulite tippu. Kui vibur on kasvanud vajaliku pikkuseni, siis mikrotuubulite pikendamine jätkub, kuid samaaegselt hakatakse neid alumisest otsast lagundama. Seeläbi ei muutu viburi pikkus, kuid uuenevad pidevalt aksoneemi valgud.

Töömehhanism

Aksoneemis paiknevaid mikrotuubuleid ühendavad sillad, mis koosnevad valgust düneiin. Düneiinisildade lühenemisel liibuvad ühenduses olevad mikrotuubulid ning seeläbi toimub viburi painutamine. Düneiinisillad saavad pikkuse muutmiseks vajamineva energia ATP hüdrolüüsist.

Oksüdatiivne fosfüülumine

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.

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

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 transpordi ahelaks (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.

Elektronide transpordi ahel (ETA)

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

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

Kompleks II

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

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 kutsutakseQ 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

Kompleks IV: Tsütokroom-c oksüdaaskompleks.

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 membraanide vahelisse alasse ka 4 prootonit, suurendades sellega prootongradienti siemembraanil.

4 Cyt c (Fe2+) + 8H+(M) + O2 -> 4 cyt c (Fe3+) + 2 H2O + 4 H+(IMS)

ΔGo’=-112,5kJ/mol

ATP süntaas (kompleks V)

Ensüüm ATP süntaas. Ensüümi paneb tööle prootongradient. Roosast alast pildil, kus vesinikioone rohkem toimub nende liikumine läbi ATP süntaasi maatriksisse (pildil sinakas) ja selle abil luuakse ADP molekulidest ATP molekule.

Kompleks V ei kuulu elektronide transportahelasse, 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.

Hapnik kui oksüdeerija ETA-s

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.

Prokarüoodid

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.

Inhibiitorid

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 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.

Ajalugu

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

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.

Mitokondriaalse elektrontransportahela üldskeem

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.

Mitokondriaalse elektronide transpordi ahela I kompleks

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).^[1]

Mitokondriaalse elektronide transpordi ahela II kompleks

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.

Elektrontransportahela III kompleks. Cyt c(Fe³⁺) on Cyt c oksüdeerunud vorm, Cyt c(Fe²⁺) on redutseerunud vorm

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 Q_i 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.

Hingamisahela IV kompleks. Cyt c(Fe2+) on tsütokroom c redutseerunud vorm, Cyt c(Fe3+) on oksüdeerunud vorm

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 (Cu_A ja Cu_B) 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 Cu_B 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 P_i (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.

NADP (nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaat )

NADP ehk nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaat on koensüüm, mis osaleb ainevahetuse sünteesireaktsioonides (anabolism), nt lipiidide ja nukleiinhapete sünteesis, samuti fotosünteesis (niinimetatud pimereaktsioonides kloroplastide stroomas) olles redutseerunud vormina (NADPH-na) reaktsioonides redutseerija, elektronide ja ka prootonite loovutaja.

Üks positiivselt laetud NADP⁺ molekul seob korraga 2 vesiniku aatomit. NADP vananenud nimetus on trifosfopüridiinnukleotiid ehk lühendina TPN.

Erinevalt NAD-ist on NADP-l üks fosfaatrühm, fosforhappe jääk rohkem.

NADP avastasid 1931. aastal hobuse erütrotsüütides Otto Heinrich Warburg ja William Christian.

Mitokondrid

Mitokondrid (varasemas eesti keeles ka mitokondrion; ka kondriosoom; kreeka keelest μίτος mitos, 'niit' + χονδρίον chondrion, 'terake') on raku energiat tootvad organellid. Rakubioloogias nimetatakse mitokondriks suurt rakusisest organelli, mis on ümbritsetud kahe membraaniga. Mitokondrites viiakse lõpule glükoosi lagundamine ja sünteesitakse makroergilisi ühendeid (ATP). Nad on nähtavad valgusmikroskoobis. Mitokondrite olemasolu rakkudes selgus 19. sajandil, rakust eraldamine osutus võimalikuks 20. sajandil.

Mitokonder elektronmikroskoobis nähtuna

Mitokondrid on silindrikujulised organellid diameetriga 0,5–1 µm, sarnanedes bakteritega, ning on 1–10 µm pikad. Eukarüootses rakus võib mitokondrite arv suuresti varieeruda. Näiteks maksa ja lihasrakkudes võib neid olla üle 1000. Vere punalibledes aga mitokondreid pole. Mitokondrite arv rakus varieerub ka vastavalt organismile ja koele ning need organellid võtavad enda alla mahuka osa raku tsütoplasma ruumalast. Nad on väga liikuvad ja plastilised organellid. Liikudes tsütoplasmas, on nad tihti seondunud mikrotuubulitega. Mitokondrites viiakse suhkrute metabolism lõpuni, püruvaat imporditakse mitokondrisse ja oksüdeeritakse hapniku abil süsihappegaasiks ja veeks. See võimaldab rakul toota 15 korda rohkem ATP-d, kui võimaldaks vaid glükolüüs. Ilma mitokondrita peaks eukarüootse raku ATP süntees sõltuma ainult anaeroobsest glükolüüsist.

Kahe membraani tõttu on mitokondrites 2 erinevat ruumi: välismembraan ja sisemembraan loovad membraanidevahelise ruumi ja maatriksi. Mitokonder sisaldab oma mitokondriaalset DNA-d ning ribosoome. Arvatakse, et energiat tootvad organellid, nii mitokondrid kui ka kloroplastid, arenesid endosümbioosi teel. Endosümbioosi teooria väidab, et prokarüoot "neelas alla" algelise eukarüootse raku ning omavahel arendati sümbioosne suhe. See hüpotees seletab, kuidas on võimalik mitokondril sisaldada oma RNA-d (mis antakse edasi ainult ema-liini pidi) ja ribosoome.

Mitokondri struktuur

Mitokondri struktuur: 1-sisemembraan; 2-välismembraan; 3-krista, mis on üks osa membraanidevahelisest ruumist; 4-maatriks

Mitokondri mudel

Mitokonder koosneb kahest membraanist, mille vahele jääb membraanidevaheline ruum. Sisemembraaniga ümbritsetud piirkonda nimetatakse maatriksiks. Kõik need neli osa: välismembraan, sisemembraan, membraanidevaheline ruum ja maatriks sisaldavad ainulaadset valkude kogumikku. Kuigi mitokondrites on ka oma ringikujuline DNA, siiski kodeeritakse enamik neist valkudest rakutuumas ja imporditakse mitokondrisse läbi tsütoplasma spetsiaalsete translokaaside abil, milleks välismembraani jaoks kasutatakse TOM-i (eellasvalgu välismembraanis asuv translokaas) ja sisemembraani jaoks TIM-i (eellasvalgu sisemembraanis asuv translokaas).

Välismembraan

Mitokondri välismembraan koosneb lipiididest ja valkudest suhtes 1:1. Sisaldab mitu poriini molekuli, mis on multimeerne transpordivalk. Poriin moodustab veekanaleid läbi lipiidse kaksikkihi välismembraanis. Kanal moodustab sõela, mis on läbitav kõigile molekulidele suuruses 5000 daltonit või vähem. Sellest suuremad molekulid läbivad välismembraani ainult valgu N-terminaalses otsas paikneva signaaljärjestuse ja translokaasi seondumise abil.

Sisemembraan

Sisemembraani lipiidne kaksikkiht koosneb 20% lipiididest ja 80% valkudest. Sisaldab suures hulgas kardiolipiidi, mis teeb temast üsna läbimatu membraani, lisaks puuduvad selles poriinid. Sisemembraan sisaldab transportvalke, mis teevad selle valikuliselt läbitavaks väikestele molekulidele, mis metaboliseeritakse mitmete maatriksi, rakuhingamises osalevate ensüümide abil. Sisemembraani pinda suurendavad väljasopistused (või ka sissesopistused siseruumi maatriksi poole), mida nimetatakse kristadeks. Kristade membraanid sisaldavad valke, millel on kolm funktsiooni: oksüdatsioonireaktsioonide läbiviimine elektronide transpordi ahelas, ATP süntaasi olemasolu ning metaboliitide transport sisemembraani ja maatriksi vahel. Läbi ATP süntaasi liiguvad väljapumbatud prootonid tsütosoolist maatriksisse osalemaks mitokondriaalses elektronide transpordi ahelas. Prootonite elektrokeemiline gradient, mis paneb tööle ATP süntaasi, tekib sisemembraanil. Membraan on läbimatu ioonidele ja enamikule väikestele laetud molekulidele. Vaata ka artiklit oksüdatiivne fosforüülumine.

Membraanidevaheline ruum

Membraanidevaheline ruum on välis- ja sisemembraani vahel olev piirkond, sisaldades mitmeid ensüüme, mis kasutavad ATP-d. Erinevalt sisemembraanist on välismembraan läbitav ioonidele ja väikestele molekulidele, seega on selle ala ensüümide sisaldus sarnane tsütosooliga.

Mitokondri maatriks

Maatriks on ruum, mis on ümbritsetud mitokondri sisemembraaniga. Maatriksis toimub ATP süntees sisemembraanis lokaliseeruva ATP süntaasi abil. Maatriks sisaldab segu sadadest ensüümidest, kaasa arvatud need, mis on vajalikud püruvaadi ja rasvhapete oksüdatsiooniks ning tsitraaditsükliks. Maatriksis sisalduvad ka mitu identset koopiat mitokondriaalsest DNA genoomist, mitokondri ribosoomid, tRNAd ja mitmed ensüümid mitokondri geenide ekspressiooniks.

Mitokondri funktsioonid

Mitokondri kõige üldisemaks ja esmasemaks funktsiooniks on energia tootmine. Metabolismireaktsioonidest olulisemad on

1. mitokondri maatriksis toimuv püruvaadi ja rasvhapete oksüdatsioon süsihappegaasini, millega kaasneb NADH ja FADH₂ teke;
2. elektronide transport NADPH-lt ja FADH₂-lt hapnikule, mis toimub mitokondrite sisemembraanis ja millega kaasneb prootonite kontsentratsiooni erinevuse teke kahel pool mitokondri sisemembraani (prootonite arv suureneb välis- ja sisemembraani vahelises alas, tekitades gradiendi matriksis olevate vesinikioonidega);
3. ATP süntees, mis toimub mitokondrite sisemembraanis paikneva ATP süntaasi vahendusel prootonite kontsentratsiooni gradiendi ärakasutamisel. Ka püruvaadi dehüdrogenaasi kompleks asub mitokondri maatriksis. Lisaks energia tootmisele säilitavad mitokondrid kaltsiumi, osalevad rakkudevahelises signalisatsioonis, toodavad soojust, osalevad raku kasvamises, kuid samas ka raku kärbumise, nekroosi ja loomuliku, programmeeritud surma apoptoosi vallandamises.

Püruvaadi dehüdrogenaasikompleks ja tsitraaditsükkel

Mitokonder saab kasutada kütusena nii püruvaati kui rasvhappeid. Mitokondrisse transporditud püruvaat võib kasutada ensüümidena nii püruvaadi karboksülaasi (glükogeoneetilises rajas) kui ka püruvaadi dehüdrogenaasi (esimene ensüüm püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksist). Püruvaat või rasvhapped teisendatakse atsetüül-CoA-ks, mis on väga oluline vaheühend metabolismis ning tsitraaditsükli substaat. Järgnevalt oksüdeeritakse atsetüülirühmad maatriksis tsitraaditsükli abil, mis teisendab süsinikuaatomid süsihappegaasiks. Süsihappegaas seejärel eraldub. Oksüdatsioon genereerib elektrone, mis saavad edasi kantud NADH ja FADH₂ abil. Need elektronid transporditakse mitokondri sisemembraani, kus nad sisenevad mitokondriaalsesse elektronide transpordi ahelasse. Tekkinud redutseeritud koensüümid NADH ja FADH₂ kasutatakse ATP sünteesiks oksüdatiivse fosforüleerimise protsessis.

Rasvhapete oksüdatsioon

Rasvhapete oksüdatsiooni põhirada on β-oksüdatsioon. Nimetus tuleneb substraadiks kasutatava rasvhappe aktiivvormi β-süsiniku kasutamisest selles protsessis. Kuna rasvhappe aktiivvorm (atsüül-CoA) ei läbi mitokondri sisemembraani iseseisvalt, transporditakse atsüülijääk karnitiini osalusel mitokondritesse. Tekib ühend rasvhappeatsüül-CoA. See oksüdeerub astmeliselt. Iga astmega eraldub rasvhappe ahelast kahesüsinikuline aktiivne atsetüülijääk, st ühe astmega lüheneb rasvhappeahel kahe süsiniku võrra. Samuti tekivad iga astme läbimisel koensüümid NADH ja FADH₂. Iga β-oksüdatsiooniring toodab kuni 15 ATP molekuli koostöös hingamisahelaga. Reaktsioon toimub seni, kuni kogu rasvhappeatsüül-CoA on lagunenud atsetüül-CoA molekulideks. Atsetüül-CoA molekulid lülituvad tsitraaditsüklisse ja oksüdeeruvad süsihappegaasini. Tekkivad NADH ja FADH₂ oksüdeeruvad mitokondriaalses elektronide transpordi ahelas. Iga NADH oksüdeerumine annab kümme prootonit ja iga FADH₂ oksüdeerumine kuus prootonit maatriksist kahe membraani vahelisse piirkonda. Rasvhapete oksüdatsioon on maksarakkude põhiline ATP allikas. Enamikus teistes rakkudes toimub see ilma ATP sünteesita peroksüsoomides.

Mitokondriaalne elektronide transpordi ahel ehk hingamisahel

 Mitokondriaalse elektronide transpordi ahela e hingamisahela peamine funktsioon on ATP tootmine. Hingamisahelate hulk organismides ja erinevates rakkudes võib erineda, nii võib maksaraku ühes mitokondris olla toimida üheaegselt palju hingamisahelaid. Püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksis ning tsitraaditsüklis moodustunud NADH ja FADH₂ annavad prootonid ja elektronid ära hingamisahelale. Ülekanne toimub redokspaaride (elektronide aktseptor/elektronide doonor ehk iga ülekandja on vaheldumisi oksüdeerunud ja redutseerunud vormis) vahel, mida saab iseloomustada redokspotentsiaali abil. Elektronid liiguvad negatiivsema redokspotentsiaaliga ühendilt positiivsema redokspotentsiaaliga ühendile. NADH ja FADH₂ on kõrge negatiivse redokspotentsiaaliga, elektronid liiguvad nendelt positiivsena redokspotentsiaaliga ühenditele. Hingamisahel algab oksüdeeritavalt ühendilt vesinikuaatomite äravõtmisega ning lõpeb elektronide ja prootonite astmelise ülekandega õhuhapnikule, kokkuvõttes tekib vesi. Lisaks koensüümidele NADH ja FADH₂ on hingamisahelas olulised ka koensüüm Q ning raud-väävel tsentrid. Mitokondri sisemembraani kristades asuvad kindlas järjestuses funktsionaalsed hingamisahela kompleksid, mida nimetatakse kompleks I, II, III ja IV. Elektronide pumpamine maatriksist membraanidevahelisse ruumi toimub kõigis kompleksides välja arvatud kompleks II, kuna tema redokspotentsiaali muut pole piisav ATP sünteesiks. Iga kahe NADH elektroni ülekandega hapnikule sünteesitakse kuni kolm ATP, FADH₂ võimaldab vastavalt toota kaks ATP-d. Elektronide transport hingamisahelas on eksergooniline protsess, kuna NADH ja FADH₂ on väga head elektronide doonorid ning hapnik on väga hea elektronide aktseptor. Tekkiva vaba energia suur muut teisendatakse ATP sünteesimiseks läbi protsessi, mida nimetatakse oksüdatiivseks fosforüleerimiseks. Nimelt põhjustab prootonite transport mitokondri maatriksist membraanidevahelisse ruumi sisemembraani välispinna positiivse laadumise, maatriksipoolne pind laadub aga negatiivselt. Selle tõttu tekib prootonite elektrokeemiline gradient mitokondri sisemembraanil. Gradient on jõuks, mis võimaldab ATP süntaasil toota ATP-d.

Mitokondri valgud ja genoom

Inimese mtDNA

 Tuumas asuv DNA kodeerib suure osa mitokondri geene. Nendest kodeeritud valgud sünteesitakse tsütosoolsetel ribosoomidel ja transporditakse mitokondrisse. Mitokondri enda kodeeritud vähesed valgud asuvad põhiliselt mitokondrite sisemembraanil. Valkude transpordil mitokondrisse kasutatakse lisaks ATP lagundamise energiale ka elektrokeemilise gradiendi energiat. Mitokondri maatriksisse liikumise signaal on valkude N-terminaalse otsa 15–30 aminohappe pikkune signaaljärjestus. Valgu liikumine läbi kahe membraani vajab multimeerseid valgukomplekse TIM ja TOM. Mitokondriaalne DNA on endosümbioosi tõttu sarnane prokarüootidega, struktuur on rõngasjas. Ühes mitokondris võib esineda kuni 15 mtDNA koopiat. Mitokondrite genoom pärandub emaliini pidi, muteerub umbes kümme korda kiiremini kui rakutuumas paiknev DNA ning mitokondrile on omane rekombinatsiooni puudumine. Need omadused koostöös mtDNA mutatsioonidega võimaldavad koostada fülogeneetilisi puid ning analüüsida inimpopulatsioonide rännet ja ajalugu. Inimese mitokondriaalne DNA on üks väiksemaid, pikkusega 16 569 aluspaari, kodeerib kahte rRNA ja 22 tRNA tüüpi . Mitokondritel on unikaalne genoom, mis inimese puhul kodeerib 37 geeniprodukti.

Atsetüülkoeensüüm A

Atsetüülkoensüüm A ehk atsetüül-CoA on paljudes organismi biokeemilistes reaktsioonides (eriti ainevahetuses) osalev molekul. Atsetüül-CoA peamine ülesanne on süsinikuaatomite toomine atsetüül-grupina (CH₃CO-) tsitraaditsüklisse, kus seda energia saamiseks oksüdeeritakse.

Atsetüül-CoA mängib olulist rolli ka rasvhapete ja kolesterooli sünteesis ning lõhustamises.

Atsetüülkoensüüm

Atsetüül-CoA