Biyolojik Oksidasyon Mitokondri Elektron Tama Zinciri Oksidatif Fosforilasyon

Biyolojik Oksidasyon Mitokondri Elektron Taşıma Zinciri Oksidatif Fosforilasyon Prof. Dr. Orhan CANBOLAT 0 C OC

Çoğu Hücresel işlemler Yükseltgenme - indirgeme Tepkimeleri içerirler Bir atom veya molekülden elektron kaybına yükseltgenme ve bir atom veya molekülün elektron kazanmasına indirgenme denir. Oksijen Fe 2+ (ferrus) iyonlarından elektron çekerek Fe 3+ (ferrik) iyonlar oluşturur. Her bir oksijen atomu, iki Fe 2+ iyonunun her birinden birer tane olmak üzere iki elektron alır: 2 Fe 2+ + 1/2 O 2 → 2 Fe 3+ + O 2 - Böylece Fez+ yükseltgenmiş ve O 2 indirgenmiş olur. Aerobik hücrelerde gerçekleşen 0 C çoğu yükseltgenme tepkimesinde oksijen benzer şekilde elektron kabul eder.

Yükseltgenme ve İndirgenme tepkimeleri Ø Birçok biyolojik açıdan önemli yükseltgenme ve indirgenme tepkimeleri, yalıtılmış elektronların aktarımından çok, hidrojen atomlarının çıkarılması veya eklenmesini içerir. Ø Elektronlar mutlaka doğrudan bir atom veya molekülden diğerine aktarılmalıdırlar. Ø Elektronlar eşzamanlı olarak daha pozitif indirgenme potansiyeline sahip atomlara ve moleküllere doğru hareket ederler. 0 C

Adenozin Trifosfat Hücrelerde A ↔ B + X tipi elverişsiz tepkimeler sıklıkla, serbest enerjisindeki değişim negatif olan bir tepkime (ΔGo' = -7. 3 kkal/mol) ile ; Ø Adenozin trifosfatın (A TP) hidrolizi ile birleşirler, sonuçta tepkimenin toplam serbest enerjisi negatif olur. Ø 0 C

Adenozin Trifosfat Tüm hücreler, negatif serbest enerji değişimlerine sahip bir seri tepkime sonucu yiyeceklerden enerji alırlar. Ø Serbest enerjinin çoğu ısı olarak değil hücresel metabolizmada kullanılması amacıyla diğer moleküller tarafından oluşturulan kimyasal bağlarda depolanırlar. Ø Ø Genel olarak tüm organizmalarda serbest enerjinin yakalaması ve aktarılması için en önemli molekül Adenozin Trifosfat (A TP)'dir. Ø Bir ATP molekülü iki fosfoanhidrit bağına Ø sahiptir. ve sıklıkla adenozin ile Ø birlikte yazılır. - p~p~p veya Ap~p~p; Ø p fosfat grubu anlamına gelir. Ø 0 C

MİTOKONDRİ Ø Şekilleri (küremsi veya uzun silindirik) ve büyüklükleri (çap: 02 -1 μm, uzunlukları: 2 -6 μm) farklılıklar gösterir. Ø Sayıları değişkendir (1 -2000). 0 C

MİTOKONDRİ Ø Hemen hemen bütün ökaryotik hücrelerde ve ökaryotik mikroorganizmalarda bulunur. Ø Eritrositlerde, bakterilerde ve yeşil alglerde mitokondri yoktur. 0 C

MİTOKONDRİ Ø Hücre içindeki yerleşimleri farklılık gösterir. Ø Kalp kasında kasılıp gevşemeyi sağlamak için miyofibriller arasında bulunur. 0 C Ø Spermin kuyruk hareketini sağlamak için boyun bölgesine yerleşmiştir.

MİTOKONDRİ Ø Mitokondri çift membranla çevrili bir organeldir. Ø Çift membran iki mitokondriyal kompartman oluşturur; 0 C

MİTOKONDRİ Membranlar arası alan Ø 40 -80 Ao genişliğindedir. Ø Bazı enzimler bulunur. Ø Sitozole eşdeğer içeriktedir. 0 C

MİTOKONDRİ Dış membran Ø İç membrana (50 -60 Ao) göre daha kalın (70 Ao) olup plazma membranının yapısına benzer. Ø Porin adı verilen kanal proteinleri büyüklüğü 5000 dalton ve daha küçük molekülleri (su, iyonlar) içeri alır. Ø Ayrıca dış membranda mitokondriyal lipid sentezi ile ilişkili enzimler bulunur. 0 C

MİTOKONDRİ İç membran Ø İç membran yarı geçirgen özelliktedir. Bazı moleküller matrikse aktif transport ile geçer. Ø İç membran dış membrana paralel seyreder, ancak matrikse doğru Krista denen kıvrımlar yapar. Ø Kristaların yapısı farklılıklar gösterir ; çubuk, tüp, prizma. 0 C

MİTOKONDRİ Matriks Ø İç membranın çevrelediği alandır. Ø Bol miktarda protein molekülü, çeşitli reaksiyon enzimleri , mt. DNA, ribozomlar ve t. RNA bulunur. Ø Matrikste granül sayısı azdır. Hücre içindeki kalsiyum ve magnezyum gibi katyonların fazlası mitokondriye geçerek granüllere bağlanır. Depolanan bu katyonlar gerektiğinde tekrar sitozole 0 C geri verilir.

MİTOKONDRİ Ø Kristalar iç membran yüzeyini arttırmaya yönelik yapılardır. Örneğin; Karaciğer hücresinin mitokondriyal iç membran alanı hücrenin total membran alanının 1/3’ünü oluşturur. Ø Enerji üretimi fazla olan hücrelerde krista sayısı fazladır. Örneğin, kalp kas hücrelerinin krista sayısı karaciğer hücrelerinin krista sayısından 3 kat 0 C fazladır.

MİTOKONDRİ Ø Yoğun fonksiyonel özelliğin den dolayı iç membranın protein oranı diğer mebranlara göre daha yüksektir. Ø % 70 protein, % 30 lipid ve çok az kolesterol bulunur. Ø İç membranın lipid içeriğinde bol miktarda bulunan Kardiolipin 0 C geçirgenliğini kısıtlar. membranın

MİTOKONDRİ Ø İç membranda üç tip protein bulunur: a) Elektron transport zincirinin oksidasyon reaksiyonlarını gerçekleştiren proteinler (enzimler, sitokromlar) b) Matrikste ATP yapımını gerçekleştiren ATP sentetaz c) Metabolitlerin matrikse giriş çıkışını düzenleyen Permeaz adı verilen transport proteinleri. 0 C

MİTOKONDRİ Ø Mitokondriler hücrenin enerji üretim merkezleridir. Ø Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları ile enerji üretirler. Ø Hücre için gerekli enerjinin % 95’i burada üretilir. 0 C

MİTOKONDRİ Ø Matrix içinde ; Ø Ø Asetil koenzim A CO 2 , FADH 2 ve NADH Ø FADH 2 ve NADH’ın elektronları mitokondri iç membranındaki taşıyıcı proteinler vasıtasıyla moleküler oksijene taşınır ve H 2 O oluşur. 0 C

MİTOKONDRİ Ø Elektronların transferi iç membranda bulunan 4 protein kompleksi tarafından gerçekleştirilir; NADH dehidrogenaz (I) Süksinat dehidrogenaz (II) Sitokrom c redüktaz (III) Sitokrom c oksidaz (IV) 0 C

ZİNCİRİN ORGANİZASYONU Mitokondria iç zarı ETZ ve Oksidatif fosforilasyonu içeren beş ayrı enzim kompleksine sahiptir. Kompleks I, III, IV, V Matriks İntermembran Alanı 0 C

ETZ KOMPENENTLERİ NADH Ø Flavoprotein FMN, FMNH 2, FAD, Ø Demir-sülfür proteini ( Fe - S ) Ø Ubikinon ( CO - Q ) Ø Sitokromlar( a, a , b, b , c, c ) 1 1 3 Ø Cu Ø 0 C

Oksidatif fosforillenmede 3 tip elektron transferi gözlenir : 1. Elektronların doğrudan transferi 2. Hidrojen atomu olarak transfer (H�+ ℮ˉ). 3. Hidrid iyonu olarak transfer (: H )־ 0 C

Nikotinamit nükleotit-bağlı dehideogenazlar Ø NAD- bağlı Dehidrogenazlar iki elektron bir proton transferi yapar ; Hidrit iyonu Kompleks I 0 C

Flavoproteinlar Ø ( FMN , FAD ) FMNH 2 2 Ø Flavoprotein, okside bileşiklerden daha yüksek bir indirgeme potansiyeline sahip olduğu için elektron transferi yapar. Transfer hidrojen atomu şeklindedir 0 C

Koenzim Q = Ubikinon Mitokondri içinde aerobik şartlarda okside kinon formunda, anaerobik şartlarda redükte kinol formunda bulunur. - QH - Ubikinon hem elektron hem de proton taşıyabilir Ø 2 H++2 e Coenzyme Q

Sitokromlar Ø İç zarda integral proteinlerdir Ø Elektronlar zincirde koenzim Q dan sitokrom b, c, a, a doğru ilerler. 0 C

0 C

KOMPLEKS 1 Ø NADH → Ubikinona e transferi. Ø Bir adet FMN. Ø En az altı demir –sülfür merkezi. Ø 42 farklı polipeptit. Matriks 0 C Kompleks I

FMNH FMN 2 Fe. S NAD 2 e’ NADH dehidrogenaz 4 H+ 0 C

KOMPLEKS II Ø Süksinat → Ubikinon Ø Zarda tek enzim bağlı olan süksinat dehidrogenazdır Ø İki tip prostelik grup ve en az dört farklı protein içerir. Ø SAS’ın kompanentidir. 0 C Kompleks II

b 560 Süksinat dehidrogenaz 0 C Fe. S 2 e ’ Fumarat FADH 2

Mitokondrideki dehidrogenazların diğer substratlar : Ø Açil – Ko. A Dehidrogenaz. Ø Gliserol 3 -Fosfat Dehidrogenaz. FAD Gliserol 3 – Fosfat Dehidrogenaz Q Fe-S (FAD) ETF: Q oksidoredüktaz ETF (FAD) FAD Yağ açili-Ko. A 0 C açili-Ko. A Dehidrogenaz

Gliseraldehit 3 -fosfat NADH+H dehidrogenaz Gliserol fosfat mekiği FADH 2 Gliserol 3 -fosfat Q FFA -OKSİDASYON 0 C AÇİL Ko. A FADH 2 DEHİDROGENAZ

KOMPLEKS III Ø Ubikinon → sitokrom C Ø Rieske demir – sülfür proteini Ø Sit. C + Hem 0 C

KOMPLEKS IV Sitokron C ……………. O 2 Ø sitokrom oksidaz Ø Kompleks IV altbirimileri : Hem , cyt a, a 3 , CU A, B Kompleks IV 0 C

2 e’ Cu. A Sita Cu. B Sita 3 1/2 O 2+ 2 H 2 H+ 0 C

ATP SENTEZİ Fosforillenme mekanizması Ø Kemiozmotik model : Kemiozmotik teori, mitokondride elektron transferinin, ATP sentezine bağımlı olmasını anlatır. Ø 0 C

0 C

+ H+ H+ 2 e’NAD H+ H+ H+ + H H+ H+ Q H+ H+ H+ H+ Sitc H+ H+ 2 e’ e’ 2 e’ Süksinat Fumarat H 2 O NADH+H 4 H+ 0 C 4 H+ H+ H+ 2 H+ H+ H+

MİTOKONDRİ MEMBRANI Ø Ø Ø Membranlar arası boşlukta hem p. H hem de voltaj gradiyenti oluşur. Voltaj Gradiyenti ADP/ATP antiportu: Ø Matrikste toplanan ATP (-4), ADP (-3)’ye göre daha negatif olduğundan membranlar arası boşluğa ve dolayısıyla sitoplazmaya geçer. 0 C

ATP senteziyle elektron transferinin eşleşmesi : Ø ADP , P ve süksinat eklendiğinde : i 1. substrat oksitlenir 2. O 2 tüketilir 3. ATP sentezlenir zaman 0 C zaman

ATP SENTEZİ 0 C

ATP SENTETAZ Ø ADP + den ATP oluşumunu katalizler. ( ADP + P —→ ATP ) Ø Kompleks V iki farklı bileşini vardır: Ø F₁: periferal bir zar proteini. (5 polipeptit, 3 a, 3 b, 1ƴ, 1δ ve 1Ɛ) Ø F₀: zara katılmış integral protein. (3 polipeptit, 1 a, 2 b, 12 c) 0 C

ATP sentezin bağlanmayla değişim modeli F in üç aktif bölgesi ATP sentezini dönerek katalizler: β – ATP Ø β – ADP Ø β – Boş Ø 0 C

H+ H+ H+ + H H+ H+ H+ H+ H+ H+ + H+ H+ H+ ADP PO 4 0 C ATP H+ H+ H+ H+ H+

Oksidatif fosforillenmenin zar transport sistemi : Adenin nükleotit translokaz. Ø Fosfat translokaz. Ø 0 C

İyonoforlar: Ayırıcılar: valinomisin K Nigerisin K ve H Gramisidin A Na, K, H Dikumarol Aspirin ve diğer salisilatlar 2, 4 dinitrofenol Pentaklorofenol Oligomisin Venturosidin DCCD Antraktilazid Bangreikasit FCCP Thenaytrifloroaseton karboksin ATP Cu. A 7 Fe. S QH FMNH 2 2 e’ NADH dehidrogenaz QH 2 Fe. S Sit. B Sit. C 2 FADH 2 NAD Süksinat NADH + H 2 e’ Fe. S Sit C 1 2 e’ Sit a 3 ATP Fosfat taşıyıcı Cu. B Fumarat Süksinat dehidrogenaz Q cycle ADP ½ O 2 + H 2 O HPO 4 H+ Arsenat BAL Miksantiazol Antimisin A 0 C Rotenon Amital Pierisidin A MALONAT ADP+P CO H 2 S Siyanür Sodyum azid ATP Auroventin

0 C

MİTOKONDRİ Termojenin Ø Mitokondrinin bol olduğu kahverengi yağ dokusunda mitokondriyal iç membranda Termogenin adlı bir protein kanalı vardır. Ø Bu kanal proteini proton gradiyentinin oluşumuna olanak vermez ve oksidatif reaksiyonlardan sağlanan enerjiden ATP üretimi yerine ısı oluşumu gerçekleşir. Ø Termogenin miktarı çevre koşullarına bağlıdır. Soğukta yaşayan hayvanlarda termogenin miktarı fazladır. Yeni doğanda vucut ısısının korunmasında kahverengi yağ dokusu önemlidir. 0 C Ø

Mitokondrinin Genetik Yapısı Ø Mitokondriyal genomu nükleer genomdan ayıran farklar; Mitokondi genomu ; 1. Sirkülerdir 2. Katlanmış bir yapı sergilemez 3. İntron yapısı yoktur 4. Mitokondriyal m. RNA’nın başına (Cap) ve sonuna (poli. A) eklentiler yapılmaz 5. Bazı mitokondriyal genom kodonları nükleer genom kodonlarından farklı anlam taşır 0 C

Mitokondrinin Genetik Yapısı Ø Ortalama olarak bir hücrede bulunan mt. DNA sayısı 100010. 000 arasında değişir. Ø İnsan ve çoğu hayvan hücrelerinde mt. DNA’nın boyu yaklaşık 16, 5 kb’dır rilirler. Ø Mitokondriyal proteinlerin çoğu sitoplazmik ribozomlarda sentezlendikten sonra özel sinyal dizileri sayesinde mitokondrilere yönlendi 0 C

0 C

Mitokondriyal Hastalıklar Bazı dokular ; kalp, iskelet kası, merkez sinir sistemi, böbrek , Ø mitokondriyal enerji üretimine yüksek oranda bağlı olduğundan mt. DNA mutasyonlarından Ø Ø Ø nokta mutasyonları, delesyonlar, dublikasyonlar daha fazla etkilenirler. Başlıca klinik bulgular; hipotoni, gelişme geriliği, mental gerilik, konvülsiyon nöbetleri ve ataksidir. Ø Vucut sıvılarında laktik asit düzeyinin artması en önemli laboratuar bulgusudur. Ø 0 C

Mitokondriyal Hastalıklar Ø Yaşlanma süreci içersinde mt. DNA mutasyonlarının birikmesine bağlı olarak oksidatif fosforilasyon sisteminin verimliliği düşer. Ø Geç başlangıçlı nörodejeneratif hastalıklar olan Parkinson, Alzheimer ve Huntington’da mitokondriyal solunum zincir disfonksiyonu patogenezlerden biri olarak kabul edilir. Ø Bu hastalıklarda, yaşlanma ile birlikte dokuda mitokondriyal mutasyonlar gösterilmiştir. 0 C

Mitokondriyal Hastalıklar Ø Çeşitli hastalıklarda görülen mt. DNA mutasyonları 4 gruba ayrılabilir; 1. Missense mutasyonları (Örn; LHON, Leigh sendromu) 2. Protein sentezi (t. RNA mutasyonları) mutasyonları (Örn; MELAS, MERRF) 3. İnsersiyon/Delesyon mutasyonları (Örn; Pearson, Kearns-Sayre) 4. Kopya sayısı mutasyonları 0 C

Leber’in Herediter Optik Nöropatisi (LHON): Maternal geçişli Genç, erkek Retinal ganglion hücrelerde selektif kayıp, santral görme kaybı, optik atrofi Mitokondrial nokta mutasyonları: G 11778 A/ND 4 G 3460 A /ND 1 T 14484 C/ND 6 Solunum zincirine e- ların giriş yeri olan kompleks I’in alt ünitelerinde etkilenmeye yol açmakta kompleks III ve IV ‘de etkilemektedir 0 C

Nörojenik Kas Güçsüzlüğü, Ataksi ve Retinitis Pigmentosa (NARP): Mt DNA 8993 bp nokta mutasyonu T G neden olmakta sonucunda da 156. pozisyondaki Leu Arg veya Leu Pro yer değiştirmektedir ATPaz 6. alt ünite geninde mutasyon olmaktadır (kompleks V) Mutasyonun F 0/F 1 fonksiyonunu etkilediği veya protonların tek taraflı akımına neden olarak ATP sentezini etkilediği düşünülmektedir %60 -75 oranında mutant mt DNA varlığında tipik SSS bulguları ortaya çıkar 0 C

Düzensiz Kırmızı Kas Fibrilleri İle Beraber olan Myoklonik Epilepsi (MERRF): t RNA geninde 8344. pozisyonda A G değişimi var Solunum zincirinin hızında azalma Membran potansiyelinde azalma Yüksek düzeylerde mutant mt DNA varlığında MERRF kliniği ortaya çıkar 0 C