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