OKSİDATİF FOSFORİLASYON. Prof. Dr. Yeşim ÖZKAN

Transkript

1 OKSİDATİF FOSFORİLASYON Prof. Dr. Yeşim ÖZKAN

2 Canlı organizmalarda; Biyosentez Aktif Transport Hareket gibi süreçlerde enerjiye ihtiyaç vardır. Bu enerji tüketilen yiyeceklerden sağlanmaktadır.

3 Enerji glukoz ya da yağ asitlerinde bulunan bağların yıkılmasından açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan bu enerji ADP ve Pi tan ATP nin sentezlenmesinde kullanılmaktadır. Açığa çıkan bu enerjiden ATP sentezi iki yolla olamaktadır. 1- Substrat düzeyinde fosforilasyon 2- Oksidatif fosforilasyon

4 1- Substrat Düzeyinde Fosforilasyon Fosfat grubu doğrudan fosforillenmiş ara üründen ADP ye transfer edilmektedir. Örn: Glikoliz ve Krebs Siklusunda substrat düzeyinde fosforilasyon meydana gelmektedir.

5 2- Oksidatif fosforilasyon Aerobik koşullarda oksidasyon meydana gelmektedir. NADH ve FADH 2 yapısında tutulan elektronlar, H 2 O oluşturmak üzere O 2 ye iletilirken açığa çıkan enerji elektron transport zincirinde ATP sentezinde kullanılmaktadır. Mitokondride gerçekleşmektedir. Hücredeki ATP sentezinin %90 ından sorumludur

6 Mitokondri Yapısı

7 70 kg lık bir kişi günlük enerji ihtiyacı 2800 kcal 2800/7.3= 384 mol ATP = 190 kg ATP Vücutta bulunan ATP miktarı 50 g dır. Vücut ihtiyacını ATP yi ADP+Pi ye yıkarak ve bunlardan yeniden sentezleyerek karşılamaktadır. Mitokondri iç membranında yerleşik olan Solunum zinciri (ETS), elektron almaya ve vermeye yetenekli prostetik gruplarla bağlı bulunan proteinlerden oluşmaktadır. ETS ye giren elektronlarlardan açığa çıkan serbest enerji ATP şeklinde depolanarak kullanılmaktadır.

8 Elektronlar bir molekülden diğerine 4 farklı şekilde aktarılmaktadır. 1- Doğrudan elektron şeklinde aktarım; Fe +2 + Cu +2 Fe +3 + Cu Elektronların hidrojen atomu formunda aktarımı; AH 2 + B A+ BH 2 ( 2e - + 2H + ) 3- Elektronlar, vericiden alıcıya hidrid iyonu (H: - ) şeklinde transfer edilebilir NAD-bağımlı dehidrojenazlarda olduğu gibi 4- Oksijenle, oksijenin kovalent bağlandığı ürün vermek üzere birleştiği ve elektronların transfer edildiği reaksiyonlar R-CH 3 + ½ O 2 R-CH 2 -OH

9 Her konjuge redoks çifti karakteristik standart oksidoredüksiyon potansiyeline (Eo ) sahiptir. Bir indirgen maddenin elektron kaybetmesi veya bir yükseltgen maddenin elektronu alma eğilimi standart redoks potansiyeli ile ifade edilmektedir. Her sisteme ait standart redoks potansiyeli o sistemdeki maddelerin birim aktiflikteki çözeltilerini içeren yarı hücre ile standart H elektrodunu içeren diğer hücrenin oluşturduğu elektromotor kuvvet ölçülerek belirlenmektedir.

10 Oksido-redüksiyon potansiyeli yükseldikçe sistemin elektronları verme eğilimi azalmaktadır. Elektron transportunda elektronlar redoks potansiyeli düşük sistemlerden yüksek olan sisteme doğru akmaktadır. Elektropozitiften elektronegative akışta sistemin serbest enerjisi azalmaktadır. İki sistem arasındaki potansiyeller farkı büyükse serbest enerji kaybı da büyük olmaktadır. Standart redüksiyon potansiyeli referans elektroda karşı 1M konsantrasyonda ph 7 de ölçülen redoks potansiyelidir. Referans elektrodun redoks potansiyeli E0 =0 volt olarak kabul edilir.

11

12 Gerçek redoks potansiyeli; molekül başına transfer edilen iyona (n), sıcaklığa (T) ve elektron alıcısı/elektron vericisi oranına bağlıdır. Go = -n F Eo, G = -n F E n: transfer edilen elektron sayısı F: Faraday sabiti ( kcal/volt.mol) Go : Standart serbest enerji değişikliği

13 Örnek; NADH/NAD çiftinin Eo = V H 2 O/1/2 O 2 çiftinin Eo = V Go = -n F Eo = -2 x [0.82- (-0.32)] = kcal Bu enerji bir çift elektronun NADH tan Oksijen geçişinde salınmaktadır.

14

15 Kaynak: Lehninger, 19 bölüm, 2005

16 Oksidatif fosforillenme elektronların solunum zincirine girişleriyle başlar. Yıkım reaksiyonlarında açığa çıkan elektronları toplayan dehidrojenazlar bu elektronları, ortak elektron alıcılarına -nikotinamit nükleotitler (NAD+ ve NADP+) veya flavin nükleotitler (FMN veya FAD) aktarır. Pek çok dehidrogenaz, elektron alıcısı olarak NAD+'ye özgüldür. Sitozolde ve mitokondride bulunan bazılarının, mitokondri ve sitozol izoenzimleri vardır.

17

18

19 NAD +, NADP-bağımlı dehidrojenazların substratlarından aldığı redükleyi ekivalanları da piridin nükleotid transhidrojenaz enzimi aracılığıyla alabilmektedir. Piridin Nükleotid Dehidfrojenaz NADPH + H + + NAD + NADP + + NADH +H + Ne NADH, ne de NADPH mitokondri iç zarını geçemez, ancak elektronlar, zarı dolaylı olarak mekik sistemleri aracılığıyla geçmektedir.

20 Flavoproteinler yapısında çok sıkı, bazen kovalent bağlı nükleotit (FMN veya FAD) bulundurmaktadırlar, iki elektron alarak FADH 2 veya FMNH 2 oluştururlar. NAD ve flavoproteinlerden başka solunum zincirinde üç farklı tipte elektron taşıyan molekül işlev görmektedir: - hidrofobik kinon (ubikinon) - sitokromlar - demir-sülfür proteinleri

21

22 Ubikinon: Ubikinon; uzun izoprenoid yan zincire sahip yağda eriyen benzokinon yapısında bir bileşiktir. Ubikinon un tamamen indirgenmesi için 2 e- ve 2 proton gereklidir. Ara ürün olarak semikinon radikali oluşmaktadır. Ubikinon, hem küçük hem de hidrofobik olduğundan mitokondri iç zarının lipit çift tabakasından serbestçe geçebilen ve indirgen eşdeğerlikler ile diğerleri arasında mekikleyebilen, zarın az hareketli elektron taşıyıcısıdır.

23 Demir-Sülfür Proteinleri: Demir-sülfür proteinlerinde Fe, proteinlerdeki sistein amino asitinin S atomu ile çevrelenmiştir. Bazı Fe-S proteinlerinde ilave olarak inorganik S molekülleri de bulunmaktadır. Rieske Demir- sülfür protein - Bir Fe atomu 2 sistein yerine 2 histidin ile koordinedir.

24 Stokromlar: Stokromların prostetik grupları

25 Solunum Zinciri Mitokondri iç membranı yerleşmiştir. 1 veya 2 elektron taşınmasını sağlayan prostetik gruplar taşıyan integral membran proteinlerinden (Kompleks I, II, III, IV) ve iki hareketli taşıyıcıdan (Koenzim Q ve Stokrom c) oluşan sistemdir.

26 Kompleks I: NADH:ubikinon oksidoredüktaz da denilen Kompleks I, bir adet FMN-içeren flavoprotein ve en az 6 demir-sülfür merkezi bulunan 42 farklı polipeptit zincirinden oluşan büyük bir enzimdir. NADH + H + NAD + + QH2

27 Kaynak: Lehninger, 19 bölüm, 2005

28 Kompleks II: Süksinat dehidrojenaz koenzim Q Kompleks I'den daha küçük ve basit olmakla beraber, iki tip prostetik grup ve en az dört farklı protein içerir. Bir proteinde, kovalent bağlı FAD ve dört Fe atomlu bir Fe-S merkezi vardır; ikinci bir demir-sülfür protein de bulunur. Elektronlar süksinattan FAD'ye sonra Fe-S merkezler üzerinden ubikinona geçer.

29

30

31 Kompleks III: sitokrom bcı kompleksi veya ubikinon: sitokrom c oksidoredüktaz olarak da bilinir. Ubikinolden (QH2) sitokrom c'ye elektron aktarırken, matriksten zarlararası boşluğa protonların transferini de sağlar. Kompleks iki farklı monomerden oluşmuş bir dimerdir, herbirinde 11 ayrı altbirim vardır. NADH + H NAD Site 1 Site 3 Site 4 1/2 O 2 cyt a cyt a 3 FMN FeS 1 FeS 2 FeS 3 FeS 4 FeS n Q b 562 b 566 FeS cyt c 1 cyt c H 2 O FeS Site 2 FAD FADH 2 FAD

32 Kompleks IV: Sitokrom oksidaz olarak da bilinir; solunum zincirinin son basamağında elektronları sitokrom c'den moleküler oksijene taşırken oksijeni de suya indirger. Kompleks IV boyunca elektron transferi, sitokrom c'ye, CuA merkeze, hem a ya, hem a3-cub merkeze ve sonunda O2'ye doğrudur.

33

34

35 Kompleks I, III, ve IV protonları mitokondrial matriksten membranlar arası boşluğa pompalamaktadır. Taşınan elektron çifti başına Kompleks I, 4 proton, Kompleks III 4 proton, ve kompleks IV ise 2 proton pompalamaktadır. NADH + 11H N+ + ½ O 2 NAD + 10H P+ + H 2 O

36

37 ATP Sentezi Kemiozmotik Teori Elektron transportu esnasında matriksten membranlar arası boşluğa H + iyonu pompalanması ve böylece membranın her iki tarafında oluşan gradient farkının oluşturduğu ozmotik enerjinin ATP sentezinde kullanılmasına dayanmaktadır.

38

39 Komplex V ATP Sentaz veya F 0 F 1 -ATPaz 380 kda; polipeptid F 1 ; mitokondri membranından izole edildiğinde tek başına ATP sentezleyemez ancak ATP yi hidroliz edebilir. Fo; F 1 den ayrıldığında elektron transportunu katalizleyebilir ancak sentezleyemez

40 NADH ve diğer oksitlenebilen substratlardan gelen elektronlar, iç zarda asimetrik şekilde yer alan taşıyıcılar zinciri üzerinden geçer. Elektron akışı zardan proton transferiyle birlikte olur, hem kimyasal fark ( ph) hem de elektriksel fark ( ψ) meydana gelir. İç zar protonlara geçirgen değildir; protonlar sadece protona özgül kanallardan (Fo) matrikse tekrar geri girebilir. Protonların matrikse hareketinin oluşturduğu güç, F 1 kompleksi ve birlikte çalıştığı Fo tarafından katalizlenen ATP sentezi için enerji sağlar.

41 Taşınan elektron çifti başına Kompleks I 4 proton, Kompleks III 4 proton, ve kompleks IV ise 2 proton pompalamaktadır. Teoriye göre pompalanan her 4 proton (H+) için 1 ATP sentezinin olduğu kabul edilmektedir. Buna göre ETS ye kompleks 1 den giren moleküller (4+4+2=10 proton) 2.5 ATP sentezlenmesini, ETS ye Kompleks II den giren moleküller ise (4+2=6 proton) 1.5 ATP sentezlenmesini sağlamaktadırlar.

42 ATP ve ADP Taşıyıcıları

43 TERMOJENİN Kış uykusuna yatan hayvanlarda ve birçok yenidoğan memelide (insan da dahil) kahverengi yağ denilen bir tip yağ dokusu vardır. Bu doku, yakıt oksidasyonundan ATP elde etmez, ısı oluşturarak yenidoğanı sıcak tutar. Bu özel yağ dokusu, çok sayıda mitokondri ve dolayısıyla büyük miktarda sitokrom bulundurduğundan kahve renklidir (sitokromlardaki hem grupları görünür ışığı kuvvetle absorblar).

44 Kahverengi yağ dokusu mitokondrisi, bir özellik hariç diğer memeli hücrelerindekilerle aynı özelliği gösterir: iç zarda bu mitokondrilere özel bir protein olan Termojenin, protonları FoF1 kompleksinden geçirmeksizin, onların matrikse dönüşleri için bir yol sağlar. Protonların bu kısa turunun bir sonucu olarak, oksidasyon enerjisi ATP yapımında tutulamaz ve ısı olarak açığa çıkar.

45

46 DNF ve FCCP gibi bileşikler eşleşmeyi bozan bileşiklerdir, oksidasyon gerçekleşirken fosforilasyonu engellemektedirler.

47 Oksidatif Fosforilasyon İnhibitörleri

48