ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİ (SOLUNUM ZİNCİRİ)

ΔGo= –2 x 96,5kJ V^-1 mol^-1 x 0,13 V = –25,1 kJ/mol çıkar.

Pozitif bir Eo değeri, standart şartlarda reaksiyonun ekzergonik yani gösterilen yönde kendiliğinden gerçekleşebilir olduğunu gösterir.

Şimdi aynı hesaplamayı NADH’ nın O2 tarafından yükseltgenmesi reaksiyonu için yapalım. Önce yarı reaksiyonları yazarak toplayalım:

1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e^- H₂O E^o= +0.82 V NADH NAD⁺ + H⁺ + 2e^- E^o= +0.32 V 1/2 O₂ + NADH + H⁺ H₂O + NAD⁺ E^o= +1.14 V Bu reaksiyonun serbest enerji değişimi de

ΔGo= –2 x 96,5kJ V-1 mol-1 x 1,14 V = –220 kJ/mol olarak bulunur. Bu enerji 3 ATP sentezi için yeterlidir.

ADP + P_i + H⁺ ATP + H₂O G^o= +30.5 kj/mol

10.6. ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİ (SOLUNUM ZİNCİRİ)

Elektronlar NADH’ tan O2’ ye flavinlerden, Fe–S protein komplekslerinden, kinonlardan ve hem gruplarından ibaret elektron taşıyıcıları tarafından aktarılır (Şekil 10.16.). Kinonların dışında bu elektron taşıyıcılarının tamamı proteinlerin prostetik gruplarıdır. İlk reaksiyon NADH’ ın NADH dehidrogenaz multienzim kompleksi tarafından yükseltgenmesidir. NADH’ dan iki elektron enzimin prostetik grubu olan flavin mononükleotid (FMN)’ e aktarılarak FMNH2’ ye indirgenir (Şekil 8.4.).

NADH + H⁺ + FMN → FMNH2 + NAD⁺

Daha sonra elektronlar FMNH2’ den NADH dehidrogenaz kompleksinin bir başka prostetik grubunu teşkil eden bir seri Fe–S protein komplekslerine aktarılır. Burada demir atomları hem grubuna ait değildir.

108

Şekil 10.16. Solunum zincirlerinde yer alan elektron taşıyıcıları. Protonlar çerçeve içine alınmış üç

kompleks tarafından pompalanır.*Demir-sülfür proteinleri.

Son yıllarda yapılan araştırmalar Fe–S proteinlerinin biyolojik sistemlerdeki birçok redoks reaksiyonlarında çok önemli roller oynadığını ortaya koymuştur. Üç tip Fe–S merkezi bilinmektedir. Bu komplekslerde demir atomu, Fe⁺² ve Fe⁺³ yükseltgenme basamaklarındadır. NADH dehidrogenaz sisteminde hem Fe2S2 hem de Fe4S4 tipindeki merkezler vardır.

NADH dehidrogenaz enzimindeki Fe–S merkezlerinden elektronlar, koenzim Q’ ya transfer edilir. NADH NAD⁺ FMN FMNH₂ Fe.S (+2) Fe.S (+3) CoQ CoQH₂

NADH dehidrogenaz enzim kompleksi

Koenzim Q (CoQ) uzun bir izopren zinciri takılı bir kinon türevi olup; ubikinon adı verilir. İzopren birimlerinin sayısı türden türe değişir. Memelilerde en bol bulunanı 10 izopren birimine sahiptir ve CoQ10 olarak gösterilir:

C C C C O O H₃CO H₃CO CH₃ (CH₂ C H ^C CH₃ CH₂)₁₀ H

109

İzopren zinciri CoQ’ yu oldukça apolar yapar ve iç mitokondri membranında kolayca difüze olmasını sağlar. CoQ solunum zincirinde bir proteinin prostetik grubu olmayan tek elektron taşıyıcısıdır ve zincirin flavoproteinleri ile sitokromları arasında oldukça hareketli bir taşıyıcılık görevi yapabilmesine yol açar.

Sitrik asit çevriminde süksinat dehidrogenaz enzimi tarafından, süksinatın fumarata yükseltgenmesiyle, FADH2’ nin oluştuğunu biliyoruz. Bu enzim süksinat–CoQ redüktaz enzim kompleksinin bir bileşeni olup, diğer bileşeni de bir Fe–S proteinidir. Bu kompleks de NADH dehidrogenaz gibi mitokondri iç membranının integral proteinidir. FADH2’ deki yüksek potansiyele sahip elektronlar kompleksdeki bir flavoprotein ve çeşitli Fe–S merkezleri üzerinden solunum zincirinde CoQ’ ya aktarılır. Aynı şekilde ileride göreceğimiz glikoliz olayında meydana gelen NADH elektronlarını mitokondri içine taşıyan gliserol fosfat

dehidrogenaz ve yağ asitlerinin oksidasyonunda görev alan yağ açil CoA dehidrogenaz

enzimleri de, FADH2 prostetik gruplarındaki elektronlarını farklı yollarla CoQ’ ya aktararak CoQH2’ yi oluştururlar.

CoQH2 ile O2 arasındaki elektron taşıyıcılarının bir tane Fe-S proteinin dışında, hepsi sitokromlardır. Sitokromlar prostetik grup olarak hem grubu ihtiva eden elektron taşıyıcı proteinlerdir. Sitokromlardaki Fe atomları, indirgenmiş Fe+2 hali ile, yükseltgenmiş Fe⁺³ hali arasında mekik dokur. Hem grubu bir Fe–S merkezi gibi tek elektron taşıyabilir. Fakat NADH, flavinler ve CoQ iki elektron transfer edebilir. CoQH2 molekülü yüksek potansiyelli iki elektronunu solunum zincirinin daha sonraki üyesi olan iki adet sitokrom b’ ye aktarır.

CoQH2 ile O2 arasında beş çeşit sitokrom vardır. Sitokrom b,c1 ve c, bir tane Fe–S proteini ile beraber CoQH2–Sit c redüktaz multienzim kompleksinin bileşenleridir. Sitokrom c, elektronları bu kompleksten bileşen olarak sitokrom a ve a3 ihtiva eden, sitokrom

oksidaz (veya Sit c oksidaz) kompleksine transfer ederler. Bu sitokromlar artan indirgenme

potansiyellerine göre sıralanmıştır.

CoQH2 → Sit b → Fe-S → Sit c1 → Sit c → Sit a → Sit a3 → O2

Bu sitokromların yapıları, birbirinden farklı özelliklere sahiptir. Sitokrom b, c1 ve c’ de prostetik grup hem adı verilen bir demir–protoporfirin IX’ dur. Bu, hemoglobin ve miyoglobindeki hem grubuyla aynıdır. Sitokrom b’ de hem, proteine kovalent bağlanmamıştır. Sitokrom c ve c1’ de hem, proteine tiyoeter bağlarıyla bağlanmıştır. Bu bağlar, protein yapısında bulunan iki sisteinin –SH gruplarının hem grubunun vinil gruplarına katılmasıyla oluşmuştur (Şekil 10.17.).

110 CH₂ S CH N N HC N N CH HC CH₂ CH₂ -OOC H₂C _CH 3 CH3 CH S CH₂ CH₃ H3C Fe H3C CH2 COO -H₃C CH P r o t e i n

Şekil 10.17. Sitokrom c ve c1’ in yapısı ve tiyoeter bağı oluşumu.

CoQH2–Sit c redüktaz kompleksi elektronları CoQH2’ den, suda çözünebilen bir periferal membran proteini olan sitokrom c’ ye transfer eder.

Sit.b (+3) Sit.b (+2) Sit.c₁ (+3) Sit.c₁ (+2) FeS (+2) FeS (+3) CoQ CoQH₂

CoQH₂ - Sit.c redüktaz

Sit.c (+2)

Sit.c (+3)

Daha sonra indirgenmiş sitokrom c, elektronunu sitokrom c oksidaz kompleksine aktarır. Sitokrom c’ nin rolü CoQ’ ya benzemektedir ve solunum zincirindeki kompleksler arasında hareketli bir elektron taşıyıcısı görevini görür.

Sitokrom a ve a3, hem A adı verilen farklı bir demir-porfirin prostetik grubuna sahiptir (Şekil 10.18.). Hem’ den farklı olarak metil gruplarından birinin yerini bir formil grubu, vinil gruplarından birinin yerini de bir hidrokarbon zinciri alır. Sitokrom a ve a3, solunum zincirinin son üyeleridir.

111 CH₂ CH N N HC N N CH HC CH₂ CH₂ -OOC CH_{2 CH} 3 CH₃ CH OH CH₃ C Fe (CH₂ CH₂ COO -CH CH₂CH CH₂)₃ H CH₃ O H

Şekil 10.18. Hem A’ nın yapısı.

Sit.a (+3) Sit.a (+2) Sit.a₃ (+3) Sit.a₃ (+2) Cu (+2) Cu (+1) _O2 H₂O Sit.c (+2) Sit.c (+3)

Elektronlar önce kompleksin sitokrom a bileşenine, oradan da bakır ihtiva eden sitokrom a3’ e aktarılır. Bu bakır atomu sit a3’ den O2’ ye elektronu transfer ederken +2 ve +1 yükseltgenme basamakları arasında mekik dokur. Bir O2 molekülünden iki H2O molekülünün oluşumu dört elektron gerektiren bir olaydır fakat hem grupları birer elektron aktarabilmektedir.

O2 + 4H⁺ + 4e^- → 2H2O

10.6.1. Oksijenin Eksik İndirgenmesinden Doğan Zararların Giderilmesi

Mitokondrial solunum zincirinde elektronların oksijene taşınması sırasında, oksijenin kısmi indirgenmiş ürünleri oluşur. Bu ürünlerin en önemlileri; süperoksit radikali (O2^.-) ve hidrojen peroksittir (H2O2). Her ikisi de oldukça reaktif olup; birçok biyomoleküllerin dönüşümsüz zarar görmesine yol açarlar. Özellikle membran lipidlerinin doymamış yağ asit bileşenlerinin peroksidasyonu ile membran yapısını bozarlar. Reaktif oksijen türleri DNA hasarına yol açabilir.

112

I.Fridovich ve arkadaşlarının araştırmaları sonucunda, aerobik hücrelerde bulunan

süperoksit dismutaz enziminin süperoksit radikalini hidrojen peroksit ve moleküler oksijene

dönüştürebileceği anlaşılmıştır.

2O2^.-+ 2H⁺ H2O2 + O2

Süperoksit dismutazın; biri sitoplazmada diğeri de mitokondrilerde olmak üzere iki izoenzimi bulunur. Ökaryotlardaki mitokondrial süperoksit dismutaz, karakteristik Mn+2 muhtevası ve aminoasit dizilişi bakımından birçok bakterilerinkine benzer. Buna karşılık sitoplazmadaki ise, tamamen farklı yapıya sahiptir ve Cu+2 ile Zn⁺² iyonları ihtiva eder. Bu enzimler yüksek konsantrasyonda ve oldukça aktif olarak bulunur. Çünkü mitokondrilerde kullanılan oksijenin % 1–5 arası süperoksite dönüşmekte ve ancak yüksek konsantrasyonda bir SOD tarafından bertaraf edilebilmektedir.

Süperoksit dismutaz ve flavine bağımlı oksidazlar vasıtasıyla oluşan hidrojen peroksit, hem grubu ihtiva eden bir enzim olan katalaz enzimiyle aşağıdaki reaksiyona göre parçalanır:

H2O2 H2O + ½ O2

Katalaz hayvan hücrelerinin peroksizomlarında bol bulunur.

Süperoksit dismutaz ve katalaz enzimlerinin beraberce koruyucu fonksiyonu; askorbik asit, glutatyon, E ve K vitaminleri tarafından güçlendirilir; çünkü bu bileşikler kolayca elektron verebilir ve serbest radikali süpürür. Antioksidantlar olarak da anılan bu grupta yer alan enzim ve bileşiklerinin başka üyelerine de ileride temas edilecektir.

10.6.2. Karışık İşlevli Oksidazlar, Oksigenazlar ve Sitokrom P–450

Moleküler oksijenin elektron alıcısı olduğu oksidasyonları katalizleyen enzimlerin genel adı oksidazdır, fakat oksijen atomları oksitlenmiş üründe bulunmaz. Oksidazların birçoğu flavoproteindir. Bazı biyolojik oksidasyonlarda, bir karbon atomu bir oksijen atomuna bağlanır. Bu yükseltgenme reaksiyonlarını katalizleyen enzimler genellikle oksidazlar olarak veya oksijen atomu moleküler oksijenden geliyorsa oksigenazlar olarak adlandırılır. Aerobik yaşayan hücrelerin kullandığı moleküler oksijenin yaklaşık % 95’ i solunum zincirinde oksidazlar tarafından suya indirgenir. Geri kalan kısmı ise, ya H2O2 oluşturan oksidazlar yada oksijen molekülünün bir veya her iki atomunun hidroksil grubuna dönüşüp; direkt olarak organik substrat moleküllerinin yapısına girdiği reaksiyonları katalizleyen oksigenaz enzimleri tarafından kullanılır. Oksigenazlar, oksijen atomlarının yeni bir hidroksil yada karboksil grubu oluşturmak üzere substrat molekülüne doğrudan girdiği oksidatif reaksiyonları katalizler. Dioksigenazlar, O2’ nin her iki oksijen atomunun organik substrat

Süperoksit dismutaz

113

molekülüne girmesini katalizler. Oksijen transferazlar olarak da adlandırılan dioksigenazlar aşağıdaki tipten reaksiyonları katalizlerler:

AH2 + O2 → A(OH)2

Bu reaksiyona göre substrat molekülü dihidroksi formuna dönüşmektedir.

Daha yaygın olan ve etki mekanizması daha karmaşık olan monooksigenazlar O2’ nin iki oksijen atomundan yalnız birinin organik substrata girmesini katalizler, diğer oksijen H2O’ ya indirgenir. Monooksigenazlar, O2’ nin iki oksijen atomunun indirgeyicisi olarak görev yapan iki substrata gereksinim duyar. Esas substrat iki oksijen atomundan birini alır ve yardımcı substrat diğer oksijen atomunu H2O’ ya indirgemek için hidrojen atomlarını sağlar. Monooksigenazlar için genel reaksiyon eşitliği şöyledir:

AH + BH2 + O–O → A–OH + B + H2O

AH, esas substrat ve BH2 yardımcı substrattır. Esas substratın hidroksillenmesini katalizleyen birçok monooksigenaz, hidroksilaz olarak da adlandırılır. İki farklı substratı eş zamanlı olarak oksitlediğini belirtmek için, bunlar bazen karışık–işlevli oksidazlar ya da

karışık–işlevli oksigenazlar olarak adlandırılır. Fenilalaninin fenil halkasını, hidroksilleyerek

tirozin oluşturan enzim (fenilalanin hidroksilaz) bir monooksigenazdır ve yardımcı substrat tetrahidrobiopteridindir. İnsan genetik hastalığı olan fenilketonürideki (PKU) hatalı enzim budur.

En karmaşık monooksigenaz reaksiyonları sitokrom P–450 denilen hem protein tipinin katılımıyla olanıdır. Bu tip sitokrom, genellikle mitokondriden çok düz endoplazmik retikulumda bulunur. Mitokondri sitokrom oksidazı gibi, sitokrom P–450’ de O2 ile reaksiyona girebilir ve karbon monoksit bağlar.

Sitokrom P–450, O2’ nin bir oksijen atomunun RH organik substratına sokulmasıyla R– OH’ a hidroksillendiği hidroksilasyon reaksiyonlarını katalizler. Diğer oksijen atomu, NADH veya NADPH tarafından H2O’ ya indirgenir. Fakat genellikle bir Fe–S proteini tarafından sitokrom P–450’ ye geçirilir.

i

.

.

i

.

.

114

Sitokrom P–450, birbirine çok benzeyen gerçek bir protein ailesidir. Örneğin, özgül bir sitokrom P–450 adrenal kortekste steroid (adrenokortikal) hormonları üretmek için steroidlerin hidroksillenmesine katılır.

10.6.3. Fosforilasyon ve Kemiozmotik Teori

NADH’ deki elektronların O2’ ye akışı esnasındaki serbest enerji değişiminin –220 kJ/mol olduğunu hesaplamıştık. Bu enerji;

ADP + P_i + H⁺ ATP + H₂O G^o= +30.5 kj/mol

reaksiyonuyla ATP’ nin sentezinde kullanılmaktadır. Bu reaksiyon mitokondri iç membranında yer alan F0F1ATPaz enzim kompleksi (ATP sentaz) tarafından

katalizlemektedir.

Acaba NADH oksidasyonu ile ADP’ nin fosforilasyonu arasındaki bağlantı nasıldır? Buraya kadar 1 mol ATP oluşması için her mol elektron çifti başına elektron transferinden açığa çıkan ve proton–motif kuvvetinde (proton–hareket gücünde) saklanan, gerekenden fazla serbest enerji (220 kJ kadar) sağlandığını gördük. Bu yüzden mitokondrideki oksidatif fosforilasyonda termodinamik bir problem yoktur. Şimdi proton akışıyla, fosforilasyon eşleşmesinin kimyasal mekanizmasını ele alalım.

Mitokondride ATP sentezi hakkındaki güncel bilgilerimiz Peter Mitchell tarafından önerilen kemiozmotik teoriye (1961) dayanmaktadır. Kemiozmotik teoriye göre, membran yüzeyleri arasındaki proton konsantrasyonu farkı, biyolojik oksidasyon reaksiyonlarında sağlanan enerjinin temel kaynağıdır. Bu modele göre solunum zincirindeki elektron transferi esnasında; mitokondri matriksinden protonlar, iç mitokondri membranının sitoplazma tarafına pompalanır. Bunun sonucu olarak bu tarafta H+ konsantrasyonu artar ve bir membran potansiyeli oluşur (Şekil 10.19.). Burada ATPaz enzimi tarafından ATP’ nin sentezlenmesi olayının proton–motif (proton–hareket) kuvveti tarafından yürütüldüğü kabul edilmektedir. Bu modele göre mekanizmanın işleyebilmesi için; 1) Solunum zincirindeki elektron taşıyıcılarının ve ATPaz enziminin mitokondri iç membranının iki yüzüne göre dizilmiş olmaları ve 2) İç membranın protonlara karşı geçirgen olmaması gerekir. İleri sürülen bu mekanizmaya göre; NADH’ ın oksidasyonu ile açığa çıkan enerji (–220kj/mol), yüksek bir proton konsantrasyonuna karşı proton pompalanmasıyla korunmakta ve bu protonların tekrar matrikse dönmeleriyle ATP sentezlenmektedir.

115

Şekil 10.19. Elektron transportu sonucu, iç mitokondri membranında oluşan proton gradienti ve

membran potansiyeli.

Mitchell’ in bu hipotezi, bugün birçok deneysel sonuçlar tarafından desteklenmektedir.