BİYOLOJİK OKSİDASYONLAR. PROF. Dr. Yeşim ÖZKAN

Transkript

1 BİYOLOJİK OKSİDASYONLAR 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 OKSİDOREDÜKSİYON POTANSİYELİ Her konjuge redoks çifti karakteristik standart oksido-redüksiyon potansiyeline (Eo ) sahiptir. Bir indirgen maddenin elektron kaybetmesi veya bir yükseltgen maddenin elektronu alma eğilimi standart redoks potansiyeli ile ifade edilmektedir.

10 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. Oksido-redüksiyon potansiyeli yükseldikçe sistemin elektronları verme eğilimi azalmaktadır. Elektron transportunda elektronlar redoks potansiyeli düşük sistemlerden yüksek olan sisteme doğru akmaktadır.

11 Elektropozitiften elektronegative (elektrona ilgisi olan) 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 potansiyeli E 0 =0 volt olarak kabul edilir. redoks

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 Kaynak: Lehninger, 19 bölüm, 2005

15 ETS BİLEŞENLERİ 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.

16

17

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

19 Mekik Sistemler 1- Malat-Aspartat Mekik Sistemi

20 2- Gliserol Fosfat Mekik Sistemi

21 Flavoproteinler yapısında çok sıkı, bazen kovalent bağlı nükleotit (FMN veya FAD) bulundurmaktadırlar. İki elektron (2e - ) alarak FADH 2 veya FMNH 2 oluştururlar. ETS de kompleks I ve Komplek II nin önemli bileşenidirler.

22

23 NAD ve flavoproteinlerden başka solunum zincirinde üç farklı tipte elektron taşıyan molekül işlev görmektedir: Demir-sülfür proteinleri hidrofobik kinon (ubikinon) sitokromlar

24 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.

25 Rieske Fe-S protein; bir Fe atomu 2 sistein yerine 2 histidin ile koordinedir. Q siklusunda yer alır.

26 Ubikinon: Ubikinon; uzun izoprenoid yan zincire sahip yağda eriyen benzokinon yapısında bir bileşiktir.

27 Ubikinon un tamamen indirgenmesi için 2 e - ve 2 proton (H + ) 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.

28 Stokromlar: Stokromlar demir içeren Hem proteinlerdir. Bunlarda demir atomu, oksidasyon ve redüksiyon sırasında Fe 3+ ve Fe 2+ formunda değişim gösterir. Stokrom oksidaz dışındaki stokromlar dehidrojenazlar olarak sınıflandırılabilirler. Solunum zincirinde flavoproteinlerden aldıkları elektronları stokrom oksidaza iletirler. Solunum zincirinde yer alan stokromların (stokrom b, c1, c ve stokrom oksidaz) yanı sıra endoplazmik retikulumda (stokrom P 450 ve b 5 ) ve bitki hücresi, bakteri ve mayalarda da stokromlar bulunmaktadır.

29 Stokrom adı ilk defa 1925 yılında David Keilin tarafından oksido-redüksiyona uğrayan ve nm civarında yoğun absorbsiyon bandı sergileyen intrasellüler Hem proteinlerini tanımlamak için kullanılmışıtır. Stokromlar, yapılarına ve Hem prostetik grubuna bağlanmaların göre a,b,c olarak sınıflandırılırlar. Grup d IUB Enzim Komisyonu tarafından 1961 yılında önerilmiştir. Hem; demirin tetrapirolik şelatını ifade eder Ferrohem, ferrikhem; Fe(II) ve Fe(III) hem yapsındaki oksidasyon durumunu, Hem protein; Hem prostetik grubunu taşıyan proteinleri ifade etmektedir..

30 Stokromlar, porfirin yapısına ve çevreye bağlı olarak oluşturdukları absorbsiyon spektrumlarına göre isimlendirilebilirler. Farklı stokromlar Hem yapısını çevreleyen protein yapılarına bağlı olarak farklı absorbsiyon piki gösterirler. grup a : nm grup b : nm grup c : 553 nm (1 kovalent tiyoeter) grup c : nm (2 kovalent tiyoeter) grup d : nm

31 Hem c; Hem b deki iki vinil grubunun yerini apoproteindeki sistein ile oluşturulmuş iki kovalent tiyoeter bağı almıştır. Hem a; metil grubu formil grubuna okside olmuştur. Ayrıca yapıya vinil grubu yerine hidroksietilfarnasil grubu gelmiştir.

32 a Tipi Stokromlar; Stokrom aa 3 ; bu protein kompleksi iki Hem grubu taşır. Stokrom a, stokrom a 3. ayrıca bu enzim kompleksinin yapısında iki bakır atomu yer almaktadır. Membrana bağlıdır. Oksijenle mitokondrial stokrom c nin oksidasyonunu sağlamakatadır. b Tipi Stokromlar; Ökaryot hücre mitokondrisinde ve kloroplastlarda bulunur. İntegral membran proteinidir. Stokrom b 1 ; E. Coli Stokrom b 2 ; mayalarda Stokrom b 3 ; fotosentetik olmayan bitki dokusu mikrozomlarında

33 Protoporfirin yapısı, Hemoglobin yapısında yer alan Hem b yapısına örnektir.

34 c Tipi Stokromlar Stokrom c; Ökaryot mitokondrisinde bulunur. Oksidatif fosforilasyondaki terminal oksidaz için substrat görevi görür. Stokrom c 1 ; mitokondrinin membran bağlı c-tipi proteinindir. Mitokondrial ve bakteriyal solunum zincirinde stokrom c için elektron donorü olarak fonksiyon görür. Stokrom c 2,c 3, c 4, c 5, c 6 formları da tanımlanmıştır. d Tipi Stokromlar Önceleri stokrom/hem a 2 olarak da bilinmektedir. Birçok aerobik bakteride yer almaktadır.

35 Stokrom b 5 ; hayvan mikrozomlarında ve eritrosit stoplazmasında, Stokrom b 5 redüktaz enzimi aracılığıyla NADH ile redüklenir. Yağ asitlerinin zincir uzama ve desatürasyonu reaksiyonlarında elektron transferinde rol oynar. Hemoglobinin ferröz formda kalmasını sağlar Stokromb 6, stokrom b 7 ve stokrom b 8 detanımlanmıştır. Stokrom b ; eskiden stokrom o olarak da bilinir. Prokaryotik terminal oksidazdır.

36 Solunum zinciri Kompleks Proteinleri 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.

37 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.

38 Kaynak: Lehninger, 19 bölüm, 2005

39

40 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.

41

42 Kompleks III: sitokrom bcı kompleksi veya ubikinon: sitokrom c oksidoredüktaz olarak da bilinir. Ubikinolden (QH 2 ) 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

43 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 den, CuA merkeze, Hem a ya, Hem a 3 - CuB merkeze ve sonunda O 2 'ye doğrudur.

44 Bu reaksiyonda matriksteki 2 H + kullanılmakta, 2 H+ membranlar arası boşluğa atılmaktadır.

45 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

46 Mitokondrial Süperoksit radikal oluşum mekanizmaları Mitokondri solunum zincirinde, süperoksit (O.- 2 ) oluşturan iki ana reaksiyon tanımlanmıştır. NADH dehidrojenazın (FMNH 2 )/FMN redoks çifti ve ubikinon/ubikinol redoks çiftinden oluşan semikinonlar aracılığıyla olmaktadır. Kompleks III de oluşan süperoksit membranlar arası boşluğa salınırken, kompleks I de oluşan süperoksit matrikse salınmaktadır.

47

48 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.

49

50 NE KADAR ENERJİ DEPOLAYABİLİRİZ? 1 mol NADH ın oksidasyonu ile 220 kj enerji salmaktadır. 10 proton, bu süreçte membranlar arası boşluğa pompalanır 200 kj Sadece % 10 luk kayıp vardır. Eğer az proton pompalanırsa, daha az enerji depolayabiliriz.

51 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

52 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.

53 ATP ve ADP Taşıyıcıları

54 Transporter systems in the inner mitochondrial membrane. 1 Phosphate transporter, 2 pyruvate symport, 3 dicarboxylate transporter, 4 tricarboxylate transporter, 5 - ketoglutarate transporter, 6 adenine nucleotide transporter. N- Ethylmaleimide, hydroxycinnamate, and atractyloside inhibit (- ) the indicated systems. Also present (but not shown) are transporter systems for glutamate/aspartate (Figure 13 13), glutamine, ornithine, neutral amino acids, and carnitine

55 KAHVERENGİ YAĞ DOKUSU VE ISI ÜRETİMİ Kış uykusuna yatan hayvanlarda ve birçok yenidoğan memelide (insan da dahil) kahverengi yağ denilen bir tip yağ dokusu vardır. Kahverengi yağ dokusu (Brown adipose tissue, BAT), Bu özel yağ dokusu, çok sayıda mitokondri ve dolayısıyla büyük miktarda sitokrom bulundurduğundan kahve renklidir (sitokromlardaki hem grupları görünür ışığı kuvvetle absorblar). Yenidoğanlar boyun ve üst ekstremitelerinde üşümeyi önleyerek termojenezi sağlayan kahverenği yağ dokusu taşımaktadırlar.

56 Kahverengi yağ dokusunda termojenez, adipoz dokuda trigliseritlerden yağ asidinin salınımıyla başlatılır. BAT deki mitokondriler uncoupling protein 1 (UCP 1, termojenin olarak da bilinir) olarak adlandırılan bir protein içermektedir. İnsanlarda 3 adet UCP geni bulunmaktadır. UCP 2 birçok dokuda exprese edilmektedir. UCP 3 ise iskelet ve kalp kasında exprese edilmektedir. Sadece UCP 1, adaptif termojenezde görev almaktadır.

57 Kahverengi yağ dokusu mitokondrisi, bir özellik hariç diğer memeli hücrelerindekilerle aynı özelliği gösterir: iç zarda bu mitokondrilere özel bir protein olan UCP 1 (Termojenin), protonları F 0 F 1 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.

58 Soğuk hissine karşı noradrenalin salgılandığında, noradrenalin BAT membranı üzerindeki -adrenerjik reseptörlere bağlanır, adenilat siklazı aktive ederek camp düzeyini ve buna bağlı olarak PKA aktivasyonunu sağlar. PKA ise hormono duyarlı lipazın fosforilasyonunu sağlayarak aktivasyonuna ve trigliserid yıkımına yol açar.

59

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

61 Oksidatif Fosforilasyon İnhibitörleri

62

63