OKSİDATİF FOSFORİLASYON. Prof. Dr. İzzet Hamdi Öğüş Yakın Doğu Ünversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, Le>oşa, KKTC

Transkript

1 OKSİDATİF FOSFORİLASYON Prof. Dr. İzzet Hamdi Öğüş Yakın Doğu Ünversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, Le>oşa, KKTC

2 ELEKTRON TRANSPORT ZİNCİRİ ve OKSİDATİF FOSFORİLASYON OksidaDf fosforilasyon, aerobik canlılarda enerji üreten metabolizmanın son perdesidir 1. Karbonhidratların, amino asitlerin va yağların yıkımındaki tüm oksidadf basamaklardan elde edilen elektronlar toplanır. 2. Oksidasyon enerjisi ATP sentezini sağlar.

3 ELEKTRON TRANSPORT ZİNCİRİ ve OKSİDATİF FOSFORİLASYON Ökaryotlarda; oksidaef fosforilasyon yeri olarak mitokondri, fotofosforilasyon için ise kloroplast kullanılır. OksidaEf fosforilasyonda, Oksijen (O 2 ), NADH 2 ve FADH 2 den alınan elektronlarla indigenir ve metabolik su (H 2 O) oluşturulur. Bu olaylar, aydınlık ya da karanlıkta eşit olarak gerçekleşir. Fotofosforilasyonda ise, su (H 2 O) oksijene (O 2 ) okside edilir ve elektronlar NADP ye aktarılır. Bu olay kesinlikle ışığa bağımlıdır.

4

5 BİYOLOJİK SİSTEMLERDE REDOKS TEPKİMELERİ Biyolojik sistemlerde redoks tepkimeleri dört şekilde gerçekleşir: 1. Doğrudan elektron alımı Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + 2. Hidrojen iyonu ile birlikte elektron aktarımı AH 2 + B A + BH 2 3. Hidrid iyonu (H - ) şeklinde elektron aktarımı NAD + + 2e - + H + NADH 4. Moleküle oksijen sokularak eletron aktarımı R-H + ½O 2 +2e- R-OH

6

7 ÇEŞİTLİ ELEKTRON TAŞIYICILARIN STANDART İNDİRGEME POTANSİYELLERİ Redoks tepkimesi (yarı tepkime) E (V) 2H + + 2e - H NADP + + 2H + + 2e - NADPH + H NADH dehidr. (FMN) + 2H + + 2e - NADH dehidr. (FMNH 2 ) NAD + + 2H + + 2e - NADH + H Ubikinon + 2H + + 2e - Ubikinol Sitokrom b (Fe 3+ ) + e - Sitokrom b (Fe 2+ ) Sitokrom c 1 (Fe 3+ ) + e - Sitokrom c 1 (Fe 2+ ) Sitokrom c (Fe 3+ ) + e - Sitokrom c (Fe 2+ ) Sitokrom a (Fe 3+ ) + e - Sitokrom a (Fe 2+ ) Sitokrom a 3 (Fe 3+ ) + e - Sitokrom a 3 (Fe 2+ ) ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O

8 ELEKTRON TRANSPORT SİSTEMİNDE KİNONLAR Bitkilerde - plastokinon Bakterilerde - menakinon

9 ELEKTRON TRANSPORT SİSTEMİNDE HEMOPROTEİNLER

10

11 DEMİR-KÜKÜRT MERKEZLERİ

12 ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİNİN BİLEŞENLERİ

13 ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİNİN BİLEŞENLERİ Kompleks-I Flavoprotein I 43 NADH dehidrogenaz, FMN, Fe-S NADH DH. Kompleks -II Flavoprotein 3 E- taşıyıcı flavoprotein, FAD, Fe-S ½ O 2 H 2 O Kompleks -II Flavoprotein 2 Süksinat DH, FAD, Fe-S, Hem Süksinat DH. Q/QH 2 4 Kompleks -II Flavoprotein 4 Gliserofosfat DH, FAD, Fe-S, Hem Kompleks-III 11 Sitokrom bc1 kompleksi, hem, Fe-S Sitokrom c red. Sit c Kompleks-IV 13 Sitokrom aa3 kompleksi, hem, Cu iyonu Sitokrom c oksidaz

14 ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİ NADH + H + + ½ O 2 NAD + + H 2 O ΔG 0 = -220 kj/mol (NADH) Bu enerjinin büyük çoğunluğu protonları matriksten dışarı atmak için kullanılmaktadır. Zarlararası boşluk (P tarafı) Matriks (N tarafı) Süksinat Fumarat

15 β-oksidasyonu İLE ETZ YE ELEKTRON AKTARIMI

16 ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİNİN İNHİBİTÖRLERİ

17 Kompleks - I (NADH Dehidrogenaz) NADH Ubikinon 1. NADH + H + + CoQ NAD + + CoQH 2 (ekzergonik). 2. Matriksten zarlararası bölgeye 4 protonun pompalanması (endergonik). NADH + 5H N + + Q NAD + + QH 2 + 4H P +

18 Kompleks - II (Süksinat Dehidrogenaz) Heme b, Fe-S, FAD Kompleks II de, süksinat dehidrogenaz gibi bir zarsal flavoproteinin koenziminden (FAD ya da FMN) elektronlar doğrudan koenzim Q ya aktarılır. Süksinat DH dışındaki dehidrogenazlar da bu sisteme girebilir. İç zar dışına proton aktarımı söz konusu değildir.

19 CoQ (Koenzim Q ) İndirgenmiş ubikinon, CoQH 2 elektronlarını sitokrom c1 e iki aşamada verir. Her elektron verişte, Cyt c1 iç zar dışına bir çig proton aktarır. 19

20 Kompleks - III (CoQ-Cyt c oksidoredüktaz) Elektronları QH 2 den sitokrom c ye aktarır. 20

21 Sitokrom c Sitokrom c mitokondrinin iç zarına gevşek olarak tutunmuş küçük bir hemoproteindir. Sitokrom c, diğer sitokromlardan farklı olarak suda iyi çözünür ve elektron taşıma zincirinin temel bileşenlerinden biridir. Sitokrom c, hidrofilik özelliği ve küçük molekül olması nedeniyle, elektron taşıma zincirindeki kompleksler arasında gezerek elektron alıp verebilir. Kompleks III ten (CoQ-Cyt C redüktaz) aldığı elektronları elektronları kompleks IV e (Cyt C oksidaz) aktarır. Mitokondride yer alan zar geçirgenlik kompleksleri (PT pore) aracılığı ile sitoplazmaya taşınabilir ve apoptoz sürecinde de önemli rol oynar.

22 Kompleks IV (Sitokrom c oksidaz) Sitokrom c O 2

23 ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİ NADH + H + + ½ O 2 NAD + + H 2 O ΔG 0 = -220 kj/mol (NADH) Bu enerjinin büyük çoğunluğu protonları matriksten dışarı atmak için kullanılmaktadır. NADH + 11H N + + ½ O 2 NAD H P + + H 2 O Zarlararası boşluk (P tarafı) Matriks (N tarafı) Süksinat Fumarat

24 OKSİDATİF FOSFORİLASYON ÜZERİNDE ETKİLİ İnhibisyon grubu Bileşik İNHİBİTÖRLER Hedef / Etki mekanizması Elektron transferi inhibisyonu ATP sentaz inhibisyonu Kenetsizleyici ADP-ADP değişimi inhibisyonu Rotenon NADH dehidrogenaz (Kompleks I) Amital AnEmisin A Sitokrom C redüktaz (Kompleks Siyanür III) Azid Sitokrom C oksidaz (Kompleks IV) Karbon monoksit H 2 S Oligomisin Fo ATPaz inhibisyonu (Kompleks DCCD V) AuroverEn F1 ATPaz inhibisyonu (Kompleks 2,4-Dinitrofenol V) İç zardan H+ iyonu sızdırır, FCCP oksidasyon-fosforilasyon klenetlenmesini bozar Valinomisin İyonofor anebiyoek (K + ) Termogenin Kahverengi yağ dokusunda proton ileten porlar oluşturur AtrakElozid ATP/ADP translokaz inhibisyonu Bongrekic asit

25 ATP SENTEZİ İLE İLGİLİ HİPOTEZLER ATP sentezi ile ilgili olarak başlıca üç hipotez ortaya sürülmüştür: 1. Kimyasal kenetlenme hipotezi Slater, Konformasyonel kenetlenme hipotezi Boyer, KemiozmoEk kenetlenme hipotezi Mitchell, 1961

26 ATP SENTEZİ İLE İLGİLİ HİPOTEZLER Kimyasal kenetlenme hipotezi Slater, 1951 Substrat düzeyinde fosforilasyon modeli esas alınmışjr. Y A BH 2 AH 2 B Y-BH 2 Y~B C CH 2 ATP sentezinde yer aldığı söylenen X ve Y maddeleri bulunamadı. P i X~Y X~P ADP ATP Y X X

27 ATP SENTEZİ İLE İLGİLİ HİPOTEZLER Konformasyonel kenetlenme hipotezi Boyer, 1957 (1997 Nobel ödülü) Dinlenme ve çalışma sırasındaki mitokondrinin iç zarındaki konformasyon değişikliği esas alınmışjr. Dinlenme ATP üretme

28 ATP SENTEZİ İLE İLGİLİ ÇALIŞMALAR Racker, 1960 Digitonin Sonikasyon + Oksidasyon ATP sentezi ATPaz aktivitesi + - +

29 ATP SENTEZİ İLE İLGİLİ HİPOTEZLER KemiozmoEk kenetlenme hipotezi Mitchell, 1961 (1978 Nobel ödülü) Elektron transport zinciri taralndan iç zarın dışına pompalanan protonun oluşturduğu gradiyent ATP sentezini sağlar.

30 ATP SENTEZİ KemiozmoEk Model: Proton derişimi ve yük dağılımındaki farklılıklardan kaynaklanan elektrokimyasal enerji (proton ieci gücü), protonların ATP sentaz kompleksi ile ilişkili proton porları yoluyla pasif bir şekilde matrikse girmesini ve ATP sentezini sağlamaktadır. 30

31 Proton ieci güç: 1. Kimyasal potansiyel enerji 2. Elektriksel potansiyel enerji

32 KENETSİZLEYİCİ BİLEŞİKLER (UNCOUPLER) KEMİOZMOTİK KENETLENME HİPOTEZİNİ DESTEKLER 2,4-DNP FCCP

33 Elektron transferi ve ATP sentezi birbirine kenetlenmişer (coupled). İzole mitokondri ADP, Pi ve oksitlenebilien substrat içeren tampona alındığında; a) Substrat oksitlenir. b) O 2 harcanır. c) ATP sentezlenir.

34 Mitchel e göre, sistemin iş yapabilmesi için tek başına proton gradiyenti bile yeterlidir. Şöyle bir deney yapıldı: İzole edilmiş mitokondriler yıkandı ve ph=9.0 olan bir ortama eklendi ve dengeye gelmesi beklendi. Matrikste ve zar dışında [H+] derişimi eşitti. ATP sentezi bekleneceği gibi yoktu. Daha sonra mitokondriler valinomisin içeren nötral (ph=7.0) bir ortama alındılar. İçerideki K + dışarı sızdı ve dengelendi. Ayrıca dışarıdaki H+ derişimi de içeriye göre 100 kat fazla idi. Bu iki etki birleşince ATP-sentazın çalıştığı ve ATP sentezlendiği gözlendi. ETZ olmadan gerçekleşen bir ATP sentezi kemiozmotik kenetlenme h i p o t e z i n i k e s i n o l a r a k kanıtlamaktadır.

35 Zarlararası boşluk Fumarat Süksinat Matriks Kimyasal potansiyel ΔpH (içerisi alkalen) ATP sentezi Proton-motif güç ile sağlanır Elektriksel potansiyel Δφ (içerisi negatif)

36

37 Mitokondriyal ATP sentaz kompleksi (Kompleks V) F 1 : 9 alt birimi bulunmaktadır. α 3 β 3 γδε F o : 3 alt birimi bulunmaktadır. a, b, c (ab 2 c ) F 1 37

38 Mitokondriyal ATP sentaz kompleksi (Kompleks V) ATP sentaz, F o ve F 1 olmak üzere iki fonksiyonel bölgeye sahipdr. F o bir integral, F 1 ise periferal proteindir. F o proton poruna sahipdr. F 1 ise izole edildiğinde ATP hidrolizi yapjğından ilk başta F 1 ATPaz olarak adlandırılmışjr. Fakat ancak F o ile yeniden birleşdğinde ATP sentezi yapmaktadır.

39 Mitokondriyal ATP sentaz kompleksi (Kompleks V) Rotasyonel Kataliz: F 1 in üç akdf bölgesi ATP sentezinde sırayla görev alır. β altbirimi önce β- ADP konformasyonundadır. β-atp nin oluşmasıyla altbirim konformasyon değişdrir. Daha sonra altbirim β -boş ( empty) durumuna gelir. Sentezlenen ATP enzim yüzeyinden ayrılır.

40 Mitokondriyal ATP sentezinin verimi değişebilir. Bu konformasyonel değişime neden olan protonların F o kanalı yoluyla yeniden matrikse girmesi ve c altbirimi ve buna bağlı olan γ altbiriminin dikey eksende dönmesidir. Her 120 o lik dönüş sonrasında γ altbirimi farklı bir β altbirimi ile karşılaşır ve bu altbirimin boş konformasyona geçmesine neden olur. xadp + xp i + ½ O 2 + H + + NADH xatp + H 2 O + NAD + X = P/O - P/O ya da P/2e - oranları mol NADH için (10) proton, 1 mol süksinat için (6) proton dışarı awlmaktadır. 1 ATP molekülünün sentezi için (4) proton gerekir. Dolayısıyla oraları; NADH için P/O = 10/4= 2.5 ve Süksinat için P/O = 6/4= 1.5 olmaktadır.

41

42

43 PROTON DERİŞİM GRADİYENTİ EVRENSELDİR

44 Zarlararası Boşluk Adenin nükleo>d translokaz (aneport) ATP sentetaz Fosfat translokaz (simport) Matriks AtrakElozid Bongrekik asit İç mitokondriyel zarda bulunan adenin nükleodd translokaz ve fosfat translokaz sistemleri sayesinde ADP ve Pi nin matrikse, ATP nin ise sitozole geçmesi mümkün olmaktadır.

45 OKSİDATİF FOSFORİLASYON ÜZERİNDE ETKİLİ İNHİBİTÖRLER İnhibisyon grubu Bileşik Hedef / Etki mekanizması Elektron transferi inhibisyonu ATP sentaz inhibisyonu Kenetsizleyici ADP-ADP takası inhibisyonu Rotenon NADH dehidrogenaz (Kompleks I) Amital Antimisin A Sitokrom C redüktaz (Kompleks III) Siyanür Azid Sitokrom C oksidaz (Kompleks IV) Karbon monoksit H 2 S Oligomisin Fo ATPaz inhibisyonu (Kompleks V) DCCD Aurovertin F1 ATPaz inhibisyonu (Kompleks V) 2,4-Dinitrofenol İç zardan H+ iyonu sızdırır, FCCP oksidasyon-fosforilasyon kenetlenmesini bozar Valinomisin İyonofor antibiyotik (K + ) Termogenin Kahverengi yağ dokusunda proton ileten porlar oluşturur Atraktilozid ATP/ADP translokaz inhibisyonu Bongrekic asit

46 GLİSEROFOSFAT MEKİĞİ Gliserol 3-fosfat mekiği: Elektronları CoQ üzerinden kompleks III e aktarır. Her elektron çigi için 1.5 ATP elde edilir. Mitokondriyal gliserol 3- fosfat dehidrogenaz

47 MALAT ASPARTAT MEKİĞİ Zarlararası boşluk Matriks Malat-aspartat mekiği: Elektronları doğrudan kompleks I e aktarır. Her elektron çigi için 2.5 ATP elde edilir.

48 MALAT ASPARTAT MEKİĞİ Zarlararası boşluk Matriks

49 GLUKOZUN TAM OKSİDASYONUNUN ATP VERİMİ Olay Ürün ATP eldesi Glikoliz 2 NADH (sitozolik) 3 ya da 5* Piruvat oksidasyonu (her glukoz için iki) TCA da aseel CoA oksidasyonu (her glukoz için iki) 2 ATP 2 2 NADH (mitokondriyal matriks) 6 NADH 2 FADH 2 2 ATP ya da GTP Toplam verim 30 ya da 32 * Sayılar elektronları mitokondriye aktaran mekiğe bağlıdır

50 Zarlararası boşluk Matriks Kenetsizleyici protein Termogenin ISI

51

52

53

54 MİTOKONDRİYAL OKSİDATİF STRES