OKSİDATİF FOSFORİLASYON Prof. Dr. İzzet Hamdi Öğüş Yakın Doğu Ünversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, Le>oşa, KKTC
OKSİDATİFFOSFORİLASYONProf.Dr.İzzetHamdiÖğüş
YakınDoğuÜnversitesiTıpFakültesiTıbbiBiyokimyaAnabilimDalı,Le>oşa,KKTC
ELEKTRONTRANSPORTZİNCİRİveOKSİDATİFFOSFORİLASYON
OksidaDffosforilasyon,aerobikcanlılardaenerjiüretenmetabolizmanınsonperdesidir1. Karbonhidratların,aminoasitlerinvayağların
yıkımındakitümoksidaDfbasamaklardaneldeedilenelektronlartoplanır.
2. OksidasyonenerjisiATPsentezinisağlar.
ELEKTRONTRANSPORTZİNCİRİveOKSİDATİFFOSFORİLASYON
Ökaryotlarda;oksidaEffosforilasyonyeriolarakmitokondri,fotofosforilasyoniçinisekloroplastkullanılır.• OksidaEffosforilasyonda,Oksijen(O2),NADH2veFADH2’denalınanelektronlarlaindigenirvemetaboliksu(H2O)oluşturulur.Buolaylar,aydınlıkyadakaranlıktaeşitolarakgerçekleşir.• Fotofosforilasyondaise,su(H2O)oksijene(O2)oksideedilirveelektronlarNADP’yeaktarılır.Buolaykesinlikleışığabağımlıdır.
BİYOLOJİKSİSTEMLERDEREDOKSTEPKİMELERİBiyolojiksistemlerderedokstepkimeleridörtşekildegerçekleşir:
1.DoğrudanelektronalımıFe2++Cu2+→Fe3++Cu+
2.HidrojeniyonuilebirlikteelektronaktarımıAH2+B→A+BH2
3.Hidridiyonu(H-)şeklindeelektronaktarımıNAD++2e-+H+→NADH
4.MoleküleoksijensokularakeletronaktarımıR-H+½O2+2e-→R-OH
ÇEŞİTLİELEKTRONTAŞIYICILARINSTANDARTİNDİRGEMEPOTANSİYELLERİ
Redokstepkimesi(yarıtepkime) E’°(V)2H++2e-⇒H2 -0.414
NADP++2H++2e-⇒NADPH+H+ -0.324NADHdehidr.(FMN)+2H++2e-⇒NADHdehidr.(FMNH2) -0.324NAD++2H++2e-⇒NADH+H+ -0.320
Ubikinon+2H++2e-⇒Ubikinol +0.045Sitokromb(Fe3+)+e-⇒Sitokromb(Fe2+) +0.077Sitokromc1(Fe3+)+e-⇒Sitokromc1(Fe2+) +0.220
Sitokromc(Fe3+)+e-⇒Sitokromc(Fe2+) +0.254Sitokroma(Fe3+)+e-⇒Sitokroma(Fe2+) +0.290Sitokroma3(Fe3+)+e-⇒Sitokroma3(Fe2+) +0.350
½O2+2H++2e-⇒H2O +0.817
ELEKTRONTRANSPORTSİSTEMİNDEKİNONLAR
Bitkilerde -plastokinonBakterilerde -menakinon
ELEKTRONTRANSPORTSİSTEMİNDEHEMOPROTEİNLER
DEMİR-KÜKÜRTMERKEZLERİ
ELEKTRONTAŞIMAZİNCİRİNİNBİLEŞENLERİ
Q/QH2
Kompleks-IIFlavoprotein3E-taşıyıcıflavo-protein,FAD,Fe-S
SüksinatDH.
4Kompleks-IIFlavoprotein2SüksinatDH,FAD,Fe-S,Hem
Sitokromcred.
Kompleks-III 11Sitokrombc1kompleksi,hem,Fe-S
½O2
H2O
ELEKTRONTAŞIMAZİNCİRİNİNBİLEŞENLERİ
Kompleks-I
NADHDH.
FlavoproteinI
NADHdehidro-genaz,FMN,Fe-S
43
Flavoprotein4GliserofosfatDH,FAD,Fe-S,Hem
Kompleks-IISitc
Kompleks-IV
Sitokromcoksidaz
13Sitokromaa3kompleksi,hem,Cuiyonu
NADH+H++½O2→NAD++H2O ΔG’0=-220kJ/mol(NADH)Buenerjininbüyükçoğunluğuprotonlarımatrikstendışarıatmakiçinkullanılmaktadır.
Süksinat Fumarat
Zarlararası boşluk (P tarafı)
Matriks (N tarafı)
ELEKTRONTAŞIMAZİNCİRİ
β-OKSİDASYONUİLEETZ’YEELEKTRONAKTARIMI
ELEKTRONTAŞIMAZİNCİRİNİNİNHİBİTÖRLERİ
Kompleks-I(NADHDehidrogenaz)
NADH+5HN++Q→NAD++QH2+4HP
+
NADH→Ubikinon1. NADH+H++CoQ→NAD++CoQH2(ekzergonik).2. Matrikstenzarlararasıbölgeye4protonun
pompalanması(endergonik).
Kompleks-II(SüksinatDehidrogenaz)
KompleksII’de,süksinatdehidrogenazgibibirzarsalflavo-proteinin koenziminden (FAD ya da FMN) elektronlardoğrudan koenzim Q’ya aktarılır. Süksinat DH dışındakidehidrogenazlardabusistemegirebilir.İçzardışınaprotonaktarımısözkonusudeğildir.
Hemeb,Fe-S,FAD
19
CoQ(KoenzimQ)İndirgenmiş ubikinon, CoQH2 elektronlarını sitokromc1’e ikiaşamadaverir. Herelektronverişte,Cytc1içzardışınabirçigprotonaktarır.
20
ElektronlarıQH2’densitokromc’yeaktarır.
Kompleks-III(CoQ-Cytcoksidoredüktaz)
• Sitokrom c mitokondrinin iç zarına gevşek olaraktutunmuşküçükbirhemoproteindir.
• Sitokrom c, diğer sitokromlardan farklı olarak suda iyiçözünür ve elektron taşıma zincir inin temelbileşenlerindenbiridir.
• Sitokrom c, hidrofilik özelliği ve küçük molekül olmasınedeniyle, elektron taşıma zincirindeki komplekslerarasındagezerekelektronalıpverebilir.
• KompleksIII’ten(CoQ-CytCredüktaz)aldığıelektronlarıelektronlarıkompleksIV’e(CytCoksidaz)aktarır.
• Mitokondride yer alan zar geçirgenlik kompleksleri (PTpore) aracılığı ile sitoplazmaya taşınabilir ve apoptozsürecindedeönemliroloynar.
Sitokromc
KompleksIV(Sitokromcoksidaz)
Sitokromc→O2
NADH+H++½O2→NAD++H2O ΔG’0=-220kJ/mol(NADH)Buenerjininbüyükçoğunluğuprotonlarımatrikstendışarıatmakiçinkullanılmaktadır.
NADH+11HN++½O2→NAD++10HP
++H2O
Süksinat Fumarat
Zarlararası boşluk (P tarafı)
Matriks (N tarafı)
ELEKTRONTAŞIMAZİNCİRİ
OKSİDATİFFOSFORİLASYONÜZERİNDEETKİLİİNHİBİTÖRLERİnhibisyongrubu Bileşik Hedef/Etkimekanizması
Elektrontransferiinhibisyonu
Rotenon NADHdehidrogenaz(KompleksI)AmitalAnEmisinA SitokromCredüktaz(Kompleks
III)Siyanür SitokromCoksidaz(KompleksIV)Azid
KarbonmonoksitH2S
ATPsentazinhibisyonu
Oligomisin FoATPazinhibisyonu(KompleksV)DCCD
AuroverEn F1ATPazinhibisyonu(KompleksV)
Kenetsizleyici
2,4-Dinitrofenol İçzardanH+iyonusızdırır,oksidasyon-fosforilasyonklenetlenmesinibozarFCCP
Valinomisin İyonoforanEbiyoEk(K+)Termogenin Kahverengiyağdokusundaproton
iletenporlaroluştururADP-ADPdeğişimi
inhibisyonuAtrakElozid ATP/ADPtranslokazinhibisyonuBongrekicasit
ATPSENTEZİİLEİLGİLİHİPOTEZLER
ATPsenteziileilgiliolarakbaşlıcaüçhipotezortayasürülmüştür:
1. Kimyasalkenetlenmehipotezi Slater,1951
1. Konformasyonelkenetlenmehipotezi Boyer,1957
3. KemiozmoEkkenetlenmehipotezi Mitchell,1961
ATPSENTEZİİLEİLGİLİHİPOTEZLER-1
1.KimyasalkenetlenmehipoteziSlater,1951
Substratdüzeyindefosforilasyonmodeliesasalınmışjr.
ATPsentezindeyeraldığısöylenenXveYmaddeleribulunamadı.
AH2
A BH2
B
Y
Y-BH2
Y~B
C
CH2
X~Y XPi YX~P
ADPX
ATP
ATPSENTEZİİLEİLGİLİHİPOTEZLER-2
2. KonformasyonelkenetlenmehipoteziBoyer,1957 (1997Nobelödülü)Dinlenmeveçalışmasırasındakimitokondrininiçzarındakikonformasyondeğişikliğiesasalınmışjr.
Dinlenme ATPüretme
ATPSENTEZİİLEİLGİLİÇALIŞMALARRacker,1960
Digitonin Sonikasyon
ATPaz aktivitesi ATP sentezi Oksidasyon
+
+ - + - - + - + +
ATPSENTEZİİLEİLGİLİHİPOTEZLER-3
3.KemiozmoEkkenetlenmehipoteziMitchell,1961(1978Nobelödülü)
ElektrontransportzinciritaralndaniçzarındışınapompalananprotonunoluşturduğugradiyentATPsentezinisağlar.
30
KemiozmoEk Model: Proton derişimi ve yük dağılımındakifarklılıklardankaynaklananelektrokimyasalenerji(protoniEcigücü),protonların ATP sentaz kompleksi ile ilişkili proton porları yoluylapasifbirşekildematriksegirmesiniveATPsentezinisağlamaktadır.
ATPSENTEZİ
ProtoniEcigüç:1. Kimyasalpotansiyelenerji2. Elektrikselpotansiyelenerji
KENETSİZLEYİCİBİLEŞİKLER(UNCOUPLER)KEMİOZMOTİKKENETLENMEHİPOTEZİNİDESTEKLER
2,4-DNP
FCCP
ElektrontransferiveATPsentezibirbirinekenetlenmişEr(coupled).İzolemitokondriADP,Piveoksitlenebiliensubstratiçerentamponaalındığında;a) Substratoksitlenir.b) O2harcanır.c) ATPsentezlenir.
• Mitchel’e göre, sistemin iş yapabil-mesi iç in tek baş ına 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 bekle-neceği gibi yoktu.
• Daha sonra mitokondriler valino-misin içeren nötral (pH=7.0) bir ortama alındılar. İçerideki K+ dışarı s ızdı ve dengelend i . Ayr ıca 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.
Zarlararası boşluk
Kimyasal potansiyel
ΔpH (içerisi
alkalen)
Elektriksel potansiyel
Δφ(içerisi negatif)
ATP sentezi Proton-motif
güç ile sağlanır
Matriks
Süksinat Fumarat
37
F1:9altbirimibulunmaktadır.α3β3γδεFo:3altbirimibulunmaktadır.a,b,c(ab2c10-12)
F1
MitokondriyalATPsentazkompleksi(KompleksV)
MitokondriyalATPsentazkompleksi(KompleksV)ATPsentaz,FoveF1olmaküzereikifonksiyonelbölgeyesahipDr.Fobirintegral,F1iseperiferalproteindir.
FoprotonporunasahipDr.F1iseizoleedildiğindeATPhidroliziyapjğındanilkbaştaF1ATPazolarakadlandırılmışjr.FakatancakFoileyenidenbirleşDğindeATPsenteziyapmaktadır.
MitokondriyalATPsentazkompleksi(KompleksV)RotasyonelKataliz:• F1’inüçakDfbölgesiATP
sentezinde sırayla görevalır.
• βaltbirimiönceβ-ADP�konformasyonun-dadır.
• β-ATP�’nin oluşmasıylaaltbirim konformasyondeğişDrir. Daha sonraaltbirim
• β - b o ş � ( e m p t y )durumunagelir.
• Sentezlenen ATP enzimyüzeyindenayrılır.
�
�
�
Bu konformasyonel değişime neden olan protonların Fo kanalıyoluylayenidenmatriksegirmesivecaltbirimivebunabağlıolanγaltbiriminin dikey eksende dönmesidir. Her 120o’lik dönüşsonrasında γ altbirimi farklı bir β altbirimi ile karşılaşır ve bualtbiriminboşkonformasyonageçmesinenedenolur.
xADP+xPi+½O2+H++NADH→xATP+H2O+NAD+
X=P/O-
P/OyadaP/2e-oranları---------------------------------------------------------------------------1molNADHiçin(10)proton,1molsüksinatiçin(6)protondışarıawlmaktadır.1ATPmolekülününsenteziiçin(4)protongerekir.Dolayısıylaoraları;NADHiçin P/O=10/4=2.5 veSüksinatiçin P/O=6/4=1.5 olmaktadır.
MitokondriyalATPsentezininverimideğişebilir.
PROTONDERİŞİMGRADİYENTİEVRENSELDİR
Adeninnükleo>dtranslokaz(anEport)
Fosfattranslokaz(simport)
ATPsentetaz
ZarlararasıBoşluk
Matriks
Bongrekikasit⊗AtrakElozid
İ ç m i tokond r i ye lzardabulunanadeninnükleoDd translokazve fosfat translokazsistemleri sayesindeADPvePi’ninmatrik-se, ATP’nin ise sito-zole geçmesi müm-künolmaktadır.
OKSİDATİFFOSFORİLASYONÜZERİNDEETKİLİİNHİBİTÖRLERİnhibisyon grubu Bileşik Hedef / Etki mekanizması
Elektron transferi inhibisyonu
Rotenon NADH dehidrogenaz (Kompleks I) Amital Antimisin A Sitokrom C redüktaz (Kompleks III) Siyanür
Sitokrom C oksidaz (Kompleks IV) Azid Karbon monoksit H2S
ATP sentaz inhibisyonu
Oligomisin Fo ATPaz inhibisyonu (Kompleks V) DCCD Aurovertin F1 ATPaz inhibisyonu (Kompleks V)
Kenetsizleyici
2,4-Dinitrofenol İç zardan H+ iyonu sızdırır, oksidasyon-fosforilasyon kenetlenmesini bozar FCCP
Valinomisin İyonofor antibiyotik (K+) Termogenin Kahverengi yağ dokusunda proton
ileten porlar oluşturur ADP-ADP takası
inhibisyonu Atraktilozid ATP/ADP translokaz inhibisyonu Bongrekic asit
Mitokondriyal gliserol 3- fosfat dehidrogenaz
GLİSEROFOSFATMEKİĞİGliserol3-fosfatmekiği:ElektronlarıCoQüzerindenkompleksIII’eaktarır.Herelektronçigiiçin1.5ATPeldeedilir.
MALAT–ASPARTATMEKİĞİ
Matriks Zarlararası boşluk
Malat-aspartat mekiği: Elektronları doğrudankompleks I’eaktarır.Herelektronçigi için2.5ATPeldeedilir.
Matriks Zarlararası boşluk
MALAT–ASPARTATMEKİĞİ
Olay Ürün ATPeldesiGlikoliz 2NADH(sitozolik) 3yada5*
2ATP 2Piruvatoksidasyonu(herglukoziçiniki)
2NADH(mitokondriyalmatriks)
5
TCA’daaseElCoAoksidasyonu(herglukoziçiniki)
6NADH2FADH22ATPyadaGTP
1532
Toplamverim 30yada32
*Sayılarelektronlarımitokondriyeaktaranmekiğebağlıdır.
GLUKOZUNTAMOKSİDASYONUNUNATPVERİMİ
MatriksZarlararasıboşluk
ISIKenetsizleyici
proteinTermogenin
MİTOKONDRİYAL OKSİDATİF STRES