Enerji metabolizması:
advertisement
Enerji metabolizması: I. Mitokondri enerji = ATP • Sitosolde meydana gelen bazı reaksiyonlar ile enerjice zengin karbohidrat moleküllerinin kısmi oksidasyonundan ortaya çıkan enerji ATP yapımında kullanılmaktadır. • Enerji elde edilmesi etkin bir metot olarak hayatın başlangıcının çok erken fazında ortaya çıkmıştır. Bu işlev membranlara dayanmaktadır ve hücrelerin çok değişik kökenlerden enerji edinmelerine olanak verir. Örneğin, bu işlev yiyeceklerden (gıda moleküllerinden) bol miktarda ATP üretmek için oksijen kullandığımız aerobik solunumda olduğu gibi, fotosentezde de ışık enerjisinin kimyasal bağ enerjisine dönüşümünde merkezi bir rol oynar. Serbest enerji ATP deki yüksek enerjili fosfoanhidrit bağlarının birinin hidrolizi ile sağlanır: ATP + H2O ∆G= -7.3kCal/mol Eğer 2 fosfoanhidrit bağı hidroliz olursa: ∆G= -14.6kCal/mol ADP +Pi + H • Adenosin -tri-fosfat ATP 2 yolla elde edilir: 1. Substrat düzeyinde fosforilasyon (zarsız ortamda). Enzim organik moleküldeki P grubunu ADP’ye ekleyerek ATP yapar. 2. Kemiozmotik fosforilasyon (zara bağlı) • • Prokaryotlarda ATP üretmek için kullanılan yer hücre zarıdır. Ökaryotik hücrelerde hücre zarı taşınma işlevleri için ayrılmıştır. Enerji-çevrimi organelleri içindeki spesialize olmuş membranlarda gerçekleşir. • Membranla sarılı organeller, tüm ökaryotik organizmaların (mantarları, hayvanları ve bitkileri içeren) hücrelerinde bulunan mitokondriler ve sadece bitkilerde meydana gelen, daha çok kloroplastlar olmak üzere, plastidlerdir. Elektron mikrograflarında mitokondrilerin ve kloroplastların en göze çarpan morfolojik özelliği içerdikleri bol miktarda internal membrandır. Bu internal membran hücre ATP’sinin çoğunu üreten elektron transport işlemlerinin yaygın bir takımı için şebekeyi sağlar. • Güneş enerjisi veya gıda maddelerinin oksidasyonundan çıkan enerji ilk olarak bir membranın iki tarafı arasında bir elektrokimyasal proton gradiyentini yaratmak için kullanılmaktadır. Bu gradiyent bir enerji kökeni olarak iş görmekte ve mitokondrilerde, kloroplastlarda ve bakterilerde enerji gerektiren değişik birçok reaksiyonları yürütmek için kullanılmaktadır. A) Mitokondri kimyasal yakıtlardan enerji çevrimi yapar. (B) Kloroplastlar güneş enerjisinden enerji çevrimi yaparlar. Girenler parlak yeşil, ürünler mavi ve elektron akım yolu kırmızı oklar ile gösterilmektedir. Protein komplekslerinden (oranj) her biri bir membranda gömülü bulunmaktadır. Kloroplastın iki fotosistemi tarafından ortaya konan elektron hareketi kuvveti, kloroplasta H2O’dan karbohidrata elektron transferi yeteneğini sağlar ve bu, bir mitokondrideki enerjetik olarak uygun yöndeki elektron transferine ters yönde gelişmektedir. Böylece karbohidrat molekülleri ve O2 mitokondri için giriş molekülleri olmasına rağmen, bu moleküller kloroplastlarda son ürünlerdir. Oksijensiz ortamda net enerji kazancı 2 ATP dir. Bu verimsizdir çünkü mayalanma ürünleri içinde çok sayıda enerji saklı kalır. (Günümüzde hala bazı canlılar bunu sürdürür)= fermentasyon Anaerobik bakterilerde “Elektron taşıma zincirleri” ana enerji kaynağı olarak fermente olmayan molekülleri kullanma olanağı sağlamıştır. 1. 2. BASAMAK: Hücre içi asitleşmeyi önlemek için hücreden dışarı H+ pompalayan zar proteinlerinin (pompa) evrimi. Bu pompalardan biri ATP hidrolizinden enerji üretebilmiş ve günümüzün ATPsentetazı nın atası olabilir. BASAMAK: Zamanla ATP hidrolizine gerek duymadan H salınabilmesi gerçekleşerek, ATP hücre içi reaksiyonlarda kullanılmış olabilir. Bu tip baskılar H taşınması için gerekli enerji kökenini elektron taşınmasından sağlayabilecek zara bağlı proteinlerin oluşumunu indüklemiş olabilir. Bu proteinler ortamdaki organik asitleri kullanıyor olabilirlerdi. Çünkü günümüzdede örnekleri vardır: Formik asitte yetişen bazı bakteriler elektronlarının formik asitten fumarata taşınmasından doğan az miktardaki redoks enerjisini kullanarak H pomplarlar. 3. BASAMAK: Sonuçta bazı bakteriler kendi iç pH’larını korumak için daha çok redoks enerjisi kazandıracak etkin H pompalayan elektron taşıma sistemleri geliştirmişlerdir. Bu durumda her iki tip H pompasını da taşıyan bakteriler üstün durumdaydı. Bu hücrelerde ileri derecede H pompalanmasıyla elde edilen büyük bir elektrokimyasal gradiyent oluşmaktaydı, burada ATP ile işletilen H pompası içinden protonların gerisingeriye hücre içine sızmasına yol açmış ve bu şekilde ters yönde işlettiği bu sistemin ATP oluşturmak üzere ATP sentaz olarak iş görmesini sağlamıştır. Bu tip bakteriler ortamda gittikçe azalan fermente edilebilir besinlere daha az gerek duyduğu için kendi komşularının yok olması pahasına çoğalmışlardır. • Bu kademeler ilkel hücrelerde hücre içi nötral pH’nın korunması ve enerji depolanması sorununu çözmüştür. • Ancak, ortamdaki organik besin maddelerinin hızla tüketilmesi organizmaların şeker üretimi için alternatif bir C kaynağı bulmaları gerektiği anlamına gelmekteydi. Atmosferdeki CO2’ bol bir C kaynağı olsa bile CO2’den her bir CH2O ünitesinin ortaya konması için yüksek enerjili elektronların sağlanması gerekir. SİTOPLAZMA MİTOKONDRİ yunanca "iplik şeklinde granül" anlamına gelir. Mitokondri ökaryotik hücrelerin enerji üretimi görevini üstlenen kendi DNA’sına sahip sitoplazmik bir organeldir. 1. Sayıları enerji ihtiyacına göre, hücreden hücreye değişir, 2. 1-7 mikrometre uzunluğunda çubuk şeklinde veya 2-3 mikrometre çapında küresel yapılardır. 3. Her insan hücresinde yaklaşık 1700 mitokondri bulunur. 4. Mitokondriyal proteinlerin % 2'si mitokondriyal genom tarafından sentezlenirken, 5. % 98'i nüklear genom tarafından sentezlenerek, mitokondriye taşınır. Farklı dokulardaki bulunma tarzı Mitokondri plastisitesi Human mitochondrial genome encodes 13 subunits of respiratory chain complexes: seven subunits (ND 1–6 and 4L) of complex I, cytochrome b (Cyt b) of complex III, the COX I–III subunits of cytochrome oxidase or complex IV, and the ATPase 6 and 8 subunits of FOF1 ATP synthase. MtDNA also encodes 12S and 16S rRNA genes and 22 tRNA genes. The abbreviated amino acid names indicate the corresponding amino acid tRNA genes. The outer strand is heavy-chain DNA and the inner one light-chain DNA. OH and OL are the replication origins of the light and heavy chain, respectively, while PH and PL indicate the transcription sites. Mitokondri • ENERJİ Mitokondriler ökaryotik hücrelerin sitoplazmik hacminin önemli bir kısmını işgal eder ve kompleks hayvanların evriminde esansiyel olmuşlardır. Mitokondriler olmasaydı, hayvan hücreleri tüm ATP’leri için anaerobik glikolize bağımlı kalacaklardı. Şeker metabolizması mitokondrilerde tamamlanmaktadır: mitokondri içine pirüvat alınmakta ve burada oksijen ile CO2 ve H2O’ya okside edilmektedir. Bu işlem tek başına glikolizden elde edilenden 15 kat daha fazla ATP yapılmasına yol açar. İç yapısı: • • • • dış zar, iç zar, krista (iç zar kıvrımları) matriks Dış zar • Lipid bilayer içinde büyük sulu kanallar oluşturan ve porin diye adlandırılan bir transport proteininin çok sayıda kopyalarını içerir. Bu nedenle bu zar küçük proteinleri de içine alan 5000 dalton veya daha az molekül ağırlığına sahip tüm moleküllere geçirgen olan bir eleği andırır. Bu tip moleküller intermembran aralığa geçebilir; fakat bunların çoğu impermeabıl olan (geçirgen olmayan) iç zarı geçemezler. Bu nedenle, içerdiği küçük moleküllerle intermembran aralık kimyasal olarak sitosole ekivalent olmasına rağmen, matriks kısmı bu moleküllerin içinden ileri derecede seçilmiş olanlarını içermektedir. İç Zar • İç zarın geçirgen olmaması nedeniyle, nüklear genom tarafından sentezlenen proteinlerin ve metabolitlerin matrikse taşınımı için spesifik mekanizmalar mevcuttur. İç zara gelen yağ asidi, aminoasit ve karbonhidratlardan oksidatif yıkımla yüksek enerjili ATP sentezlenerek, hücrenin enerji ihtiyacı sağlanır. İç zarın lipid bilayeri iki yerine dört yağ asidi içeren ve zarı özellikle iyonlara impermeabıl yapan “çift” fosfolipid Kardiyolipin’den yüksek bir oranda içerir. mitokondri iç zarı hücre zarı Kardiyolipinde 2 yağ asiti zinciri bir alkol gruba bağlı olmaksızın bir gliserol aracılığıyla birbirine bağlanır. İç zar • • Bu zar aynı zamanda, matrikste konsantre olmuş birçok mitokondriyel enzimler tarafından gerek duyulan moleküllere veya metabolize edilen küçük moleküllere selektif olarak geçirgenliği sağlayan değişik transport proteinleri içerir. Solunum zincirine ilişkin enzimler iç mitokondri membranında gömülüdürler ve hayvan hücreleri ATP’sinin çoğunu üreten, oksidatif fosforilasyon işlevi burada yapılır. Matriks • Matriks, asetil CoA oluşturmak üzere pirüvat ve yağ asitlerini metabolize eden ve sitrik asit döngüsünde asetil CoA’yı okside eden enzimleri içermektedir. • Matriksdeki enzimler: piruvat dehidrogenaz, sitrik asit siklusu enzimleri, üre siklusu ve aa metabolizması ile yağ asidi βoksidasyon yolu enzimleri ve metabolitleri. Sitrik asit döngüsü =Krebs döngüsü MATRİKS Sitrik asit döngüsü TOPLAM 3 NADH 1 GTP 1 FADH2 2 CO2 1 ATP GTP Flavin adenin–di-nükleotit • • • • (Pirüvat glukoz ve diğer şekerlerden oluşur, yağ asitleri ise yağlardan gelir. Bu iki molekül iç mitokondri membranından içeri alınırlar ve daha sonra mitokondri matriksinde yerleşmiş enzimler yardımı ile önemli metabolik ara ürün olan asetil CoA’ya çevrilirler. Asetil CoA’daki asetil grupları, sitrik asit döngüsü yolu ile matrikste okside edilmektedir. Bu döngü asetil CoA’daki karbon atomlarını, hücreden bir atık madde olarak uzaklaştırılan CO2’ye çevirir. En önemli olarak bu döngü, aktive edilmiş taşıyıcı moleküller olan NADH ve FADH2 tarafından taşınan yüksek enerjili elektronları ortaya koyar. Bu yüksek enerjili elektronlar daha sonra iç mitokondriyel membrana taşınır ve orada elektron transport zincirine katılır; NADH ve FADH2’den elektronların kaybı devam eden oksidatif metabolizma için gerekli olan NAD+ ve FAD+’yi yeniden ortaya koyar (rejenere eder). Süreç • Yakıt : pirüvat yada yağ asitleri. NAD+ + 2H (2H++2e-) NADH + H+ NAD+ elektron alarak NADH’a redüklenir elektron ekivalentleri • Yüksek enerjili elektronlar bir sarı hidrojen atomu üzerinde iki kırmızı nokta olarak gösterilmektedir. Bir hidrit iyon (H–,bir hidrojen atomu ve bir ekstra elektron ) NADH’tan uzaklaşmakta ve bir proton ile iki yüksek enerjili elektrona çevrilmektedir: H– Æ H+ + 2 e–. Asetil coA Aktive olmuş taşıyıcı moleküldür. Bu moleküller yüksek enerji bağlı ve kolay transfer edilecek kimyasal gruplar taşırlar . AcoA , asetil grubu taşımaktadır. Pirüvat ve yağ asitleri mitokondriye girerler (şeklin altında) ve asetil CoA’ya çevrilirler. Sonra asetil CoA, NAD+’ı NADH’a redükleyen (ve FAD’ı FADH2’ye gösterilmemiştir) sitrik asit döngüsü tarafından metabolize edilmektedir. Oksidatif fosforilasyon işlevinde, NADH’taki (ve FADH2’deki) yüksek enerjili elektronlar daha sonra iç mitokondriyel membranda yer alan elektron transport zinciri boyunca oksijene (O2) geçmektedir. Bu elektron transportu, ATP sentaz tarafından ATP üretimini gerçekleştirmek için kullanılan, iç membranda karşıdan karşıya bir proton gradiyenti ortaya koyar. Glikoliz yolu ile sitosolde ortaya konan NADH’da elektronları solunum zincirine geçirir (gösterilmedi). NADH iç mitokondri membranını geçemediği için, sitosolik NADH’tan elektron transferi, mitokondri içine diğer redüklenmiş bileşiği taşıyan birkaç “mekik” sisteminden biri yolu ile indirekt olarak yapılmaktadır; okside olduktan sonra bu bileşik, tekrar NADH ile redükleneceği siklusa geri gelir. Glikolisis ve sitrik asit döngüsü bir çok önemli biyomoleküllerin sentezi için gerekli prekürsörleri sağlar • Mitokondri tarafından katalizlenen ana net enerji dönüşümü. Oksidatif fosforilasyonun bu işlevinde, iç mitokondriyel membran, NADH (ve FADH2) oksidasyonundan bir ana bölüm enerjiyi ATP’deki fosfat bağ enerjisi şekline çevirerek, bir formdaki kimyasal bağ enerjisini diğer forma çeviren bir aygıt olarak iş görür. Oksidatif fosforilasyon • • Oksidatif fosforilasyon, elektron taşıyıcılarının protein molekülleri ile yakın ilşkileri sayesinde gerçekleşir. Solunum zinciri boyunca proteinler elektronlara öyle yol gösterirler ki, hiçbir kısa devre olmadan, elektronlar bir enzim kompleksinden diğerine sırasal olarak taşınır. Elektronların transportu, enerji dönüşümü yapan protein pompalarındaki allosterik değişimle olduğu gibi, yönlenmiş H+ alınımı ve serbest bırakılması ile eşleşmektedir. Bu elektron akışı sırasında iç zarda matriksten zar aralığına H+ pompalanır. Bunun sonucunda: • İç mitokondri zarının iki yüzü arasında, pH’ın genel olarak 7’ye yakın olan sitosolden daha yüksek bir pH gradiyentini ortaya çıkar. • Bu H+ göçü, iç mitokondri membranında karşıdan karşıya iç tarafı negatif ve dış tarafı pozitif olan (pozitif iyonların net olarak dışarı akışının bir sonucu olarak) bir voltaj gradiyenti (membran potansiyeli) ortaya koyar. • İç mitokondri zarında karşıdan karşıya yaratılan total proton hareket kuvveti zar potansiyelinden dolayı ortaya çıkan büyük bir kuvvet ve H+ konsantrasyonu gradiyentinden (∆pH) dolayı oluşan küçük bir kuvvetten oluşmaktadır. Her iki kuvvet matriks içine H+ (protonu) sürmek için iş görür . • Elektron transport zinciri boyunca yüksek enerjili bir elektron yol aldıkça, ortama bırakılan enerjinin bir kısmı protonları (H+) matriksten dışarı pompalayan üç adet enzim kompleksini işletmek için kullanılmaktadır. İç mitokondri membranında karşıdan karşıya oluşturulan elektrokimyasal proton gradiyenti, matrikste ADP ve Pi’tan ATP sentezlemek için H+ akış enerjisini kullanan bir transmembran protein kompleksi olan ATP sentaz içinden H+’ın (protonun) gerisin geri içeri girmesini sağlar. ATP sentaz • ATP Sentaz. Bu enzim F0 ve F1 ATPaz diye de adlandırılmaktadır, 500.000 daltondan daha büyüktür. Enzim F1 ATPaz diye adlandırılan bir baş kısım ve F0 diye adlandırılan bir transmembran H+ taşıyıcıdan oluşmaktadır. F1 ve F0’ın her ikisi de şekilde gösterildiği gibi, birden çok alt birimden oluşmaktadır. Rotasyon yapan bir sap, membranda 10 ile 14 c subunitlerinden (kırmızı) oluşmuş bir halkadan oluşan rotor ile döner. Stator (yeşil), uzamış bir kol yaratan diğer subunitlere bağlanmış, transmembran α subunitlerinden oluşmaktadır. Bu kol, başı oluşturan 3α ve 3β subunitlerinden oluşan bir halkaya statörü sabitleştirir. • Elma şekerine (lolipop) benzeyen ve 6 subunitten enzimatik kısım, iç mitokondri membranının matriks tarafına yönelmiştir. Bu baş kısım, uzamış bir kol tarafından “statör” oluşturan bir grup transmembran proteine bağlanır. Bu statör, 10 ile 14 arası identik transmembran protein subunitleri halkasından oluşan bir “rotor”la kontakt halindedir. Stator-rotor kontaktında oluşan dar bir kanal içinden protonlar geçerken, protonların hareketi rotor halkasının dönmesine neden olur. Bu dönme aynı zamanda rotora bağlı bir sapı da çevirir (Şekil ’deki mavi) ve bu da elma şekeri başı içinin hızla dönmesine neden olur. • Proton Gradiyenti ile İç Membranda Karşıdan Karşıya Eşleşmiş Transport olur • Elektrokimyasal proton gradiyenti ile işletilen tek işlev ATP sentezi değildir. Mitokondrilerde, pirüvat, ADP ve Pi gibi birçok yüklü küçük moleküller sitosolden matriks içine pompalanmaktadır; ATP gibi diğerleri ise aksi yönde taşınır. Bu molekülleri bağlayan taşıyıcı proteinler, kendi transportlarını mitokondri matriksi içine enerjetik olarak elverişli olan H+ akışına eşleştirebilirler. Böylece örneğin, pirüvat ve inorganik fosfat (Pi), matriks içine geçerken, H+ ile birlikte içeri doğru ko-transport olmaktadır. • Buna karşın, tek bir taşıyıcı proteinle ADP ters yönlerde olmak üzere ATP ile ko-transport olmaktadır. ATP molekülü ADP’den bir fazla negatif yüke sahip olduğu için, her bir nükleotid değişimi total olarak bir negatif yükün mitokondriden dışarı hareketine neden olmuş olur. Bu nedenle bu ADP-ATP ko-transportu zarın iki tarafındaki voltaj farkı tarafından işletilmektedir. Mitokondri iç zarı NADH a geçirgen değildir Sitosolik NADH ların elektronları mit elektron transport sistemine nasıl geçer? Elektron mekikleri sayesinde başarılır. malat-aspartat mekiği: Alfa-ketoglutarat-malat antiportu başlangıç OAA önce asp. e dönüşür o da glutamat ile yer değiştirir. matriks Proton Gradiyentleri Hücre ATP’sinin Çoğunu Üretir • • • Bir glukoz molekülü başına, glikolizis kademesi tek başına net verim olarak 2 molekül ATP ortaya koyar (oksijen yokluğunda meydana gelen fermantasyon ile aynı) Oksidatif fosforilasyon sırasında, mitokondrilerde üretilen NADH ve FADH tarafından transfer edilen elektronların sağladığı enerjiyle ATP sentezi eşleşmiştir. Sonuç olarak, bir hayvan hücresinde, glukozun oksidasyonundan üretilen ATP’nin büyük çoğunluğu, mitokondri membranındaki kemiosmotik mekanizmalar ile üretilmektedir. net ATP? BİR MOLEKÜL GLİKOZUN OKSİDASYONUNDAN ÇIKAN NET ÜRÜNLER Sitosolde (glikoliz olayı) 1 glukoz Æ 2 pirüvat + 2 NADH +2 ATP Mitokondride (pirüvat dehidrogenaz ve sitrik asit siklusu) 2 pirüvat Æ 2 asetil CoA + 2 NADH 2 asetil CoA Æ 6 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP Mitokondride net sonuç 2 pirüvat Æ 8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP Her Bir NADH molekülünün oksitlenmesine karşılık yaklaşık 10 proton pompalanmaktadır ATP üretimi: her bir NADH ve FADH molekülünün oksitlenmesi için 2 elektron taşıma sisteminde taşınır ve moleküler oksijenin (1/2 O2) bir atomu suya indirgenir. Özet • • Mitokondri hücresel oksidasyonların çoğunu yürütür ve hayvan hücrelerindeki ATP’nin çoğunu üretir. Mitokondri matriksi, pirüvat ve yağ asitlerini asetil CoA’ya çeviren ve asetil CoA’yı sitrik asit siklusu yolu ile okside eden enzimleri içeren çok sayıda değişik enzimleri içermektedir. Bu oksidasyon reaksiyonları ile büyük miktarlarda NADH (ve FADH2) üretilmektedir. NADH ve FADH2 ile taşınan reaktif elektronlar ile moleküler oksijenin birleşmesinden elde edilebilir enerji, mitokondri iç membranında yer alan ve solunum zinciri diye adlandırılan, bir elektron transport zinciri ile kazanılmaktadır. Özet • • Solunum zinciri, bir transmembran elektrokimyasal proton (H+) gradiyenti yaratmak için, matriksten dışarı, H+ pompalar. Proton gradiyentine hem bir membran potansiyeli hem de bir pH farkı katkı sağlamaktadır. Dışarı pompalanan bu protonlar, gerisin geriye matriks içine (iç membrandan geçerek) akarken ortaya çıkan büyük miktarda serbest enerji, ATP sentaz tarafından ATP üretimi için kullanılmaktadır. Transmembran elektrokimyasal gradiyent aynı zamanda, hücre ATP havuzunu hayli yüklü (dolu) tutan, mitokondri ve sitosol arasında etkin bir ATP-ADP değişimini içeren belli metabolitlerin mitokondri iç membranındaki aktif transportunu yürütmek için de kullanılmaktadır. ATP’nin kendi hidroliz ürünlerine (ADP ve Pi) göre yüksek oranda yer alması hücrenin enerji isteyen çok sayıda işlevlerini yürütmek için bu hidroliz reaksiyonuna yol vererek, ATP hidrolizi için serbest enerji değişimini son derece elverişli hale getirir. Elektronlar NADH’dan moleküler O2’e akar • Lipid bilayer membranda gömülü olan bir elektron transport zinciri boyunca bir elektron geçerken, her bir kademede elektron bir protona bağlanır ve ayrılır. Bu şekilde, elektron taşıyıcı B, taşıyıcı A’dan bir elektron (e-) kabul ettiği zaman, membranın bir tarafından bir protonu (H+) çeker, elektron taşıyıcısı B elektronunu taşıyıcı C’ye verdiği zaman, protonu da membranın diğer tarafına bırakır. elektron taşıyıcıları Solunum zincirindeki birçok elektron taşıyıcıları görülür ışığı absorbe ederler ve okside olduklarında veya redüklendiklerinde renk değiştirirler. Genel olarak, ham ekstrelerde bile spektrofotometrik olarak izlenebilecek düzeyde her biri absorbsiyon spektrumuna sahip bulunmaktadır. Bu nedenle, bu bileşenlerin saflaştırılması, tam fonksiyonlarının bilinmesinden önce başarılmıştır. (Sitokromlar, bakteriler, mayalar ve böcekler gibi tamamen farklı canlı organizmalarda hızla oksidasyon veya redüksiyon geçiren bileşikler olarak 1925’te keşfedilmişlerdir). Farklı absorbsiyon spektrumuna sahip olmaları nedeniyle üç tip sitokrom belirlendi. Bunlar sitokrom a, b ve c diye adlandırıldılar. Günümüzde her bir tipte birçok sitokromları içeren hücrelerin bilinmesine ve tipler şeklindeki sınıflandırmanın fonksiyonel olarak önemli olmadığı bilinmesine rağmen, bu nomenklatür izlenmektedir. 1. Sitokromlar sahip olduğu demir atomu ferrik oksidasyon durumundan (Fe3+) ferrous oksidasyon durumuna (Fe2+) değişen bir hem grubu içerir. Bu hem grubu, bir karenin köşelerindeki dört azot atomu ile tutulan bir demir atomuna sahip porfirin halkasından oluşur. Hemoglobinde bu halkanın demir ve klorofilde ise magnezyum bağlaması, sırasıyla kanın kırmızı renginden ve yaprakların yeşil renginden sorumludur. • Sitokrom c’ye kovalent olarak bağlı hem grubunun yapısı. Porfirin halka mavi gösterilmiştir. Solunum zincirinde beş farklı sitokrom vardır. Hem’lerden dolayı farklı sitokromlar oldukça farklı yapılara sahiptir ve ilgili proteinlerde farklı şekillere tutulmaktadırlar, sitokromların her biri elektronlar için farklı afinite gösterir. 2. Demir sülfür proteinleri elektron taşıyıcılarının ikinci bir ana 3. familyasıdır. Bu proteinlerde protein üzerinde bir demir sülfür merkezi oluşturan ya iki veya dört demir atomu eşit sayıda sülfür atomuna ve sistein yan zincirlerine bağlanmıştır . Solunum zincirinde sitokromlardan daha çok demir sülfür merkezleri vardır. Ancak bunların spektroskopik belirlenmesi için elektron spin rezonans (ESR) spektroskopisine gerek vardır ve bunlar daha az karakterize edilmişlerdir. Sitokromlar gibi, bu merkezler bir keresinde bir elektron taşırlar. Solunum zincirindeki elektron taşıyıcıların en basit olanı ve bir proteinin kısmı olmayan tek örneği oluşturanı, ubikinon (koenzim Q) olarak bilinen, lipid bilayerde serbestçe hareket eden, küçük hidrofobik bir moleküldür. Bir kinon (Q) ya bir veya iki elektron alır veya verir; redüklendiğinde taşıdığı her elektronla birlikte ortamdan bir proton alır. ÇEŞİTLENME: Sitokromlara bağlı altı farklı hem, yediden fazla demir sülfür merkezleri ve ubikinona ek olarak, solunum zinciri proteinlerine kuvvetle bağlı elektron taşıyıcıları olarak iş gören bir flavin ve iki bakır atomu da vardır. Bu yolda toplam olarak 60 farklı protein iş görmektedir. • Kinon elektron taşıyıcıları. Solunum zincirindeki ubikinon, kabul ettiği her elektron için sulu ortamdan bir H+ kopar ve bir hidrojen atomunun (sarı) kısmı olarak ya bir veya iki elektron taşıyabilir. Redüklenmiş ubikinon elektronlarını zincirdeki daha sonraki taşıyıcıya aktardığı zaman, bu protonlar serbest kalmaktadır. Uzun bir hidrofobik kuyruk ubikinonu membrana bağlı kılar ve bu kuyruk, sayısı organizmaya bağlı olarak 6-10 adet beş karbonlu izopren ünitelerinden oluşur. Kloroplastlardaki EŞDEĞERİ plastokinon’dur. Solunum Zinciri İç Membranda Gömülü Üç Büyük Enzim Kompleksini İçermektedir • Membran proteinlerini sağlam kompleksler olarak saflaştırmak zordur çünkü bu proteinler sulu solüsyonlarda çözünmezler ve bunları solubilize etmek için kullanılan bazı deterjanlar normal protein-protein etkileşimlerini bozabilirler. Buna rağmen 1960’ın ilk yıllarında, deoksikolat örneği gibi oldukça yumuşak iyonik deterjanların mitokondri iç membranındaki belli bileşenleri kendi doğal formlarında solubilize edebildiği bulunmuştur. Bu buluş NADH’tan oksijene giden yolda membrana bağlı üç ana solunum enzimi komplekslerinin belirlenmesine ve saflaştırılmasına yol vermiştir . Bu komplekslerin her biri bir elektron transportu ile işletilen H+ pompası gibi iş görür; 1. 40’tan fazla polipeptid zinciri içeren NADH dehidrogenaz kompleksi (genel olarak kompleks I olarak bilinen) solunuma ilişkin enzim komplekslerinin en büyüğüdür. Bu kompleks NADH’tan elektronları alır ve bir flavin ve en az yedi demir sülfür merkezleri yolu ile ubikinona geçirir. Ubikinon sonra kendi elektronlarını ikinci bir solunum enzim kompleksine, sitokrom b-c1 kompleksine transfer eder. Üç solunum enzim kompleksi içinden elektronların izlediği yol. Her bir kompleksin rölatif boyutu ve şekli gösterilmektedir. Elektronların NADH’tan oksijene transferi sırasında (kırmızı hatlar) ubikinon ve sitokrom c, elektronları bir kompleksten diğer komplekse taşıyan mobil taşıyıcılar olarak iş görürler. Gösterildiği gibi, solunum enzim komplekslerinin her biri tarafından protonlar membrandan aralığa pompalanmaktadır. 2. Sitokrom b-c1 kompleksi en azından 11 farklı polipeptid zinciri içerir ve bir dimer olarak iş görür. Her bir monomer sitokromlara bağlı üç hem ve bir demir sülfür protein içerir. Bu kompleks elektronları ubikinondan alır ve bu elektronları, elektronlarını sitokrom oksidaz kompleksine taşıyan sitokrom c’ye geçirir. 3. Sitokrom oksidaz kompleksi de bir dimer olarak iş görür, her bir monomer iki sitokrom ve iki bakır atomu içeren 13 farklı polipeptid zincirlerinden oluşur. Bu kompleks sitokrom c’den her seferinde bir elektron kabul eder ve oksijene bir seferde 4 elektron geçirir. • • Sitokrom oksidazda oksijenin (O2) elektronlarla reaksiyonu. Hem a’daki demir atomu bir elektron kuyruğu noktası olarak iş görür; bu hem aktif yerin bimetalik merkezinde tutulan bir O2 molekülüne dört elektron sağlar. Aktif yer diğer hem bağlı demir ve yakın şekilde karşı duran bir bakır atomu ile oluşmaktadır. 4e⎯ + 4H+ + O2 Æ 2 H2O reaksiyonunu geçiren her O2 molekülü başına, matriksten dışarı dört proton pompalanır. Bakteriler De Enerji Elde Etmek İçin Kemiosmotik Mekanizmaları Kullanırlar • Bakteriler çok sayıda farklı enerji kökenlerini kullanırlar. Bazıları, hayvansal hücrelerde olduğu gibi, aerobiktirler; bu tipler glikolizis ve sitrik asit siklusu ile CO2 ve H2O’ya okside ettikleri şekerlerden ATP sentezlerler ve bunların plazma membranlarında yer alan solunum zinciri ökaryotik hücrelerdeki mitokondri iç membranında yer alan solunum zincirine benzerdir. Diğer bakteriler kesin anaerobturlar, yani enerjilerini ya sadece glikolizisten (fermantasyon ile) veya son elektron alıcısı olarak oksijenden başka bir molekülün iş gördüğü bir elektron transport zincirinden elde etmektedirler. Alternatif elektron alıcısı, örneğin bir azot bileşiği (nitrat veya nitrit), bir sülfür bileşiği (sülfat veya sülfit) veya bir karbon bileşiği (fumarat veya karbonat) olabilir. Elektronlar, plazma membranında yer alan ve mitokondrilerdeki solunum zincirindekilerle karşılaştırılabilen bir seri elektron taşıyıcılarından geçerek bu akseptörlere transfer olmaktadır. • • Bakterilerin büyük bir çoğunluğunun plazma membranı, mitokondrilerde bulunana çok benzer bir ATP sentaz içermektedir. Enerji elde etmek için (AEROB) bir elektron transport zinciri kullanan bakterilerde, elektron transportu H+’ı hücre dışına pompalar ve böylece plazma membranının içi ve dışı arasında (karşıdan karşıya) ATP yapmak için ATP sentazı işleten bir proton hareket kuvveti ortaya koyar. Diğer bakterilerde (ANAEROB) , H+ pompalamak için glikoliz yolu ile elde edilen ATP’yi kullanarak ATP sentaz ters yönde çalışır ve plazma membranının dışında bir proton gradiyenti ortaya konur. • Bakterilerde H+ tarafından yürütülen transportun önemi. Plazma membranında karşıdan karşıya yaratılan bir proton hareket kuvveti besleyicileri (kimyasal maddeleri) hücre içine pompalar ve Na+’yı dışarı atar. (A) Bir aerobik bakteride, bir solunum zinciri ile plazma membranında karşıdan karşıya bir elektrokimyasal proton gradiyenti oluşturulmakta ve daha sonra bu gradiyent hem bazı besleyicilerin hücre içine taşınması ve hem de ATP yapımı için kullanılmaktadır. (B) Anaerobik koşulda çoğalan aynı bakteri kendi ATP’sini glikolizisten elde edebilir. (A) daki solunum zincirine bağımlı olan aynı transport işlevlerini yürüten bir elektrokimyasal proton gradiyentini ortaya koymak için, bu ATP’nin bir kısmı ATP sentaz tarafından hidroliz edilmektedir. ÖZET 1. Mitokondri iç membranındaki solunum zinciri, NADH’tan O2’e olan yolda içlerinden elektronların geçtiği üç adet solunum enzim kompleksi içerir. 2. Bunların her biri saflaştırılmış, sentetik lipid vesiküller içine sokulmuş ve elektronların bunun içinden taşındığında H+ pompaladıkları gösterilmiştir. Sağlam (doğal) membranda, mobil (hareketli) elektron taşıyıcıları olan ubikinon ve sitokrom c, enzim kompleksleri arasında mekik görevi yaparak elektron transport zincirini tamamlar. 3. Elektron akış yolu NADHÆ NADH dehidrogenaz kompleksi Æ ubikinon Æ sitokrom b-c1 kompleksi Æ sitokrom cÆ sitokrom oksidaz kompleksi Æ moleküler oksijen (O2) şeklindedir. • Solunum enzim kompleksleri enerjetik olarak elverişli olan elektronların transportunu matriksten dışarı H+ pompalanmasına eşleştirir. Ortaya çıkan elektrokimyasal proton gradiyenti, diğer bir transmembran protein kompleksi olan ATP sentaz tarafından, bu kompleksin içinden H+ gerisin geriye matriks içine akarken, ATP yapmak için kullanılmaktadır. ATP sentaz normal olarak ADP+Pi Æ ATP reaksiyonunu katalizleyerek H+’in geri akışını ATP fosfat bağı enerjisine çeviren bir reversibıl (tersinir) eşleştirme aygıtıdır fakat bu enzim aynı zamanda zıt yönde de çalışabilir ve eğer elektrokimyasal proton gradiyenti yeterli derecede azaltılmış ise H+ pompalamak için ATP’yi hidroliz eder. Bu enzimin varlığı mitokondrilerde, kloroplastlarda ve prokaryotlarda evrensel kemiosmotik mekanizmaların hücrelerdeki sentral önemini kanıtlamaktadır. net ATP? Her Bir NADH molekülünün oksitlenmesine karşılık yaklaşık 10 proton pompalanmaktadır. Bu protonların 4’ü 1 molekül ATP sentezlenmesi için zara geri döner. Bunların 3’ü ATP sentezlerken, 1’i sitosolik ADP için ATP’nin değişiminde kullanılır. Oksidatif fosforilasyon verimi, fosfor-oksijen oranı (P-O) ile belirlenir. Bu bir O2 atomuna karşılık elde edilen ATP sayısıdır. Buna göre NADH’ın NAD+ ye oksidasyonu için P-O yaklaşık , 2.5 ATP molekülü; FADH2’in P-O’su 1.5 ATP ‘dir. net ATP? BİR MOLEKÜL GLİKOZUN OKSİDASYONUNDAN ÇIKAN NET ÜRÜNLER Sitosolde (glikoliz olayı) 1 glukoz Æ 2 pirüvat + 2 NADH +2 ATP Mitokondride (pirüvat dehidrogenaz ve sitrik asit siklusu) 2 pirüvat Æ 2 asetil CoA + 2 NADH 2 asetil CoA Æ 6 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP _________________________________________ 2 ATP + 25 ATP (10 NADH x 2.5) + 3 ATP (2 FADH2x 1.5) +2 ATP (2 GTP) = 32 ATP Bazı kaynaklarda NADH’ın max, 3 ATP ve FADH2’nin max, 2 ATP üreteceği şeklinde hesaplanırsa total ATP, 38 molekül olur
