Elektron Taşıyıcılar

Açılış sahnesi

Giresun'daki devlet hastanesinin biyokimya laboratuvarında sabah kalibrasyonu yeni bitmiş, merkez analizörün kapağı açık duruyor. Stajının üçüncü haftasına giren Poyraz, glukoz testinin boşalan reaktif kasetini yenisiyle değiştiriyor. Kasetin yan yüzüne yapıştırılmış yöntem etiketinde üç satır var: heksokinaz, glukoz-6-fosfat dehidrojenaz, NAD⁺. Altında küçük harflerle bir dalga boyu yazıyor: 340 nm.

Poyraz boş kaseti çöp kutusuna atmadan önce elinde çeviriyor. "Geçen hafta şeritte glukozun elektronlarını ferrisiyanür almıştı," diyor. "Burada alan NAD⁺ ve her testte bir miktarı gidiyor, kaset bu yüzden bitiyor. Hücre de her glukozda NAD⁺ harcıyorsa, bizim kaseti değiştirdiğimiz gibi onu kim yeniliyor?" Şeniz Hanım tahtanın temiz köşesine önce soldan sağa uzanan düz bir ok, yanına da kendi üstüne kapanan bir daire çiziyor. İkisinin de ortasına aynı molekülün adını yazıyor.

Bu derste ne olacak

NAD⁺ ile FAD'nin elektronu hangi biçimde, kaçar kaçar aldığını yazacağız. Aynı molekülün bir küvette tek kullanımlık bir alıcı, hücrede ise taşıyıcı olmasını ayıran şeyi bulacağız. Sitokromların demirini, demir–kükürt kümelerini ve ubikinonu tanıyacak, glukozun elektronlarının oksijene hangi duraklardan geçtiğini sırasıyla izleyeceğiz. Hesapta elektronları paketlere bölecek ve oksijenin neden dört ayrı teslimat beklediğini göreceğiz.

Metin

Küvetteki NAD⁺

Analizörün yöntemi iki adımlıdır. Heksokinaz glukoza bir fosfat ekler; glukoz-6-fosfat dehidrojenaz da bu ürünün birinci karbonunu yükseltger ve kopardığı elektronları NAD⁺'ya verir. Her glukoz molekülü için bir NADH oluşur. Yükseltgenmiş NAD⁺ 340 nm'de ışık soğurmaz, indirgenmiş NADH soğurur; cihazın ölçtüğü şey bu farktır.

Soğurma ile derişim arasındaki bağ Beer–Lambert yasasıdır: soğurma, molar soğurma katsayısı ile ışık yolu ve derişimin çarpımına eşittir. NADH'ın 340 nm'ye çok yakın tepesindeki katsayı 6220 L/(mol·cm) olarak verilir. Bir santimetrelik küvette soğurma 0,311 arttıysa NADH derişimi 0,311 ÷ 6220 ≈ 5,0 × 10⁻⁵ mol/L, yani 0,050 mmol/L olur. Numune küvette yüz kat seyreltildiyse numunedeki glukoz 0,050 × 100 = 5,0 mmol/L çıkar. Bir glukoz bir NADH verdiği için hesap tek oranla kapanır.

Önceki derste glukozun tam yanmasında yirmi dört elektron saymıştık. Küvette bunlardan yalnız ikisi alınır, geri kalan karbon iskeleti dokunulmadan kalır. Tüpteki NAD⁺ da bir kez indirgenir ve öyle kalır; onu yeniden NAD⁺'ya çevirecek hiçbir şey yoktur. Kaset bu yüzden tükenir. Yöntem ancak NAD⁺ glukozdan bol olduğu sürece doğru ölçer.

Hidrür: iki elektron tek hamlede

NAD⁺'nın elektronu nasıl aldığını anlamak için molekülün bir ucuna bakmak yeter. Nikotinamit halkası yükseltgenmiş hâlde artı yük taşır. Bir dehidrojenaz substrattan iki hidrojen kopardığında bunlardan biri iki elektronuyla birlikte halkanın dördüncü karbonuna geçer, öbürü çıplak bir proton olarak çözeltiye bırakılır.

Bu yazılışın iki sonucu vardır. NAD⁺ elektronları tek tek almaz; çift gelmeyen bir elektron onun işine yaramaz. Denklemin sağ yanında kalan H⁺ da bir yazım inceliği değildir, laboratuvarda tamponun karşılaması gereken gerçek bir protondur. NADH'ın 340 nm'de soğurması da bu değişikliğin izidir: halkanın elektron dizilimi değişince soğurduğu ışık da değişir.

Nikotinamit halkasının kökeni niasindir, yani niasin kimyasal olarak nikotinamidin ve dolayısıyla NAD⁺'nın öncülüdür. Burada bu bağ yalnız molekülün nereden geldiğini söyler.

Flavin: bir mi iki mi?

FAD'nin taşıma ucu riboflavinden gelen flavin halkasıdır. Tam yükseltgenmiş FAD iki elektron ve iki proton alarak FADH₂'ye döner: FAD + 2e⁻ + 2H⁺ → FADH₂. NAD⁺'dan farkı yolun ortasında durabilmesidir. Flavin önce bir elektron ve bir proton alıp yarı indirgenmiş bir ara hâle geçebilir, ikinci elektronu sonra alır.

Bu yetenek flavinlere aracı rolü verir. NADH iki elektronunu bir flavine birlikte teslim eder, flavin onları tek tek, bir elektronluk duraklara dağıtır. Eşleşmemiş elektron taşıyan türlerin kimyasını Serbest Radikaller dersinde ayrıca göreceğiz.

Bir fark daha var. NAD⁺ enzimler arasında serbestçe dolaşır; bir dehidrojenazda indirgenir, bir başkasında yükseltgenir. FAD ise çoğunlukla enzimine sıkıca, kimi zaman kovalent olarak bağlıdır. Kofaktör ile koenzimi ayırdığımız enzim dersinde (L02-P06-M05-D08) enzime kalıcı bağlı organik parçaya prostetik grup adını vermiştik; FAD'nin çoğu bu sınıfa girer.

Taşıyıcıyı taşıyıcı yapan

Poyraz'ın sorusunun cevabı tahtadaki iki çizimdedir. Düz okta NAD⁺ bir kez indirgenir ve biter. Dairede ise NADH elektronlarını başka bir alıcıya verir, yeniden NAD⁺ olur ve bir sonraki dehidrojenazın önüne döner.

Tanımda belirleyici olan molekülün kendisi değil, onu geri yükseltgeyen bir yolun varlığıdır. Aynı NAD⁺ küvette tek kullanımlık bir alıcıdır, hücrede taşıyıcıdır. Şeritteki ferrisiyanür iki rolün arasındadır. Elektrot ferrosiyanürü yeniden ferrisiyanüre çevirir, ama şerit birkaç saniyelik ölçümden sonra atılır.

Yuvarlak sayılarla bir düşünce deneyi farkı büyütür. Bir hücrede bir süre boyunca yüz bin NADH oluşuyor, havuzda ise toplam bin NAD molekülü bulunuyor olsun. Her molekül 100.000 ÷ 1.000 = 100 tur atmak zorundadır. Geri yükseltgenme durursa havuz yüzüncü değil, bininci dehidrojenaz tepkimesinden sonra kurur. Sayılar örnektir, ama oran taşıyıcının neden katalitik miktarda yettiğini gösterir.

Havuzun ne kadarının yükseltgenmiş durduğu ayrı bir büyüklüktür. Williamson, Lund ve Krebs 1967'de Biochemical Journal'da sıçan karaciğerinde serbest NAD⁺'nın NADH'a oranını, laktat ile pirüvat gibi dengedeki substrat çiftlerinden dolaylı olarak hesapladı. Sitoplazmada serbest NAD⁺ NADH'tan yüzlerce kat fazla, mitokondri içinde oran çok daha küçük çıktı. Yükseltgenmiş taraf baskın olduğu için sitoplazmadaki dehidrojenaz tepkimeleri substratı yükseltgeme yönüne yatkındır.

Metal merkezli taşıyıcılar

Organik taşıyıcıların yanında zincirin önemli bir kısmı metal atomlarından geçer. Sitokromlar hem grubu taşıyan proteinlerdir ve hemin demiri Fe³⁺ ile Fe²⁺ arasında gidip gelir: Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺. Bu, önceki derste methemoglobin için yazdığımız yarı tepkimenin tersidir. Her geçişte tek bir elektron el değiştirir.

Hemoglobindeki demirle aradaki fark ligandlardadır. Kovalent Bağ dersinde (L02-P06-M02-D02) koordine bağı, çiftini metale sunan bir ligandla tanımlamıştık. Sitokrom c'de hemin demirinin iki yanındaki koordinasyon yerlerinden birini bir histidin, öbürünü bir metiyonin tutar. Oksijenin oturabileceği boş bir yer kalmaz; sitokrom c'nin demirinin tek işi bir elektron alıp bir elektron vermektir. Zincirin sonundaki kompleks IV'te ise oksijeni bağlayıp indirgeyen yine bir hem demiridir, yanında bir bakır atomuyla birlikte.

Demir–kükürt kümeleri ise hem içermez. İki ya da dört demir atomu sülfür köprüleriyle birbirine bağlanır, sistein yan zincirlerinin kükürdü de kümeyi proteine tutturur. Küme ne kadar demir içerirse içersin, bir seferde bir elektron alır ve bir elektron verir.

Zarın içinde ve dışında

Ubikinon, ya da kısaca Q, bir kinon halkası ile uzun bir izoprenoit kuyruğundan oluşur. Halka iki elektron ve iki proton alarak ubikinole indirgenir; arada tek elektronlu bir semikinon durağı vardır. Kuyruk apolardır. Hidrofobik Etki dersinde (L02-P06-M02-D06) lipit çift tabakasının iç katmanının apolar kuyruklardan oluştuğunu görmüştük; Q bu yüzden zarın yağlı iç kısmında erir ve orada serbestçe yer değiştirir.

Sitokrom c bunun tam tersidir: suda iyi çözünen küçük bir proteindir ve mitokondri iç zarının dış yüzünde, iki zar arasındaki sulu bölmede dolaşır. İki hareketli taşıyıcının biri yağda, öbürü suda yaşar. Zincirin sabit büyük komplekslerini birbirine bağlayan tam da bu ikisidir.

Oksijene giden duraklar

Duraklar sırayla şöyledir. NADH iki elektronunu kompleks I'e verir; orada bir flavin çifti alır ve demir–kükürt kümeleri üzerinden tek tek Q'ya aktarır. Süksinattan gelen elektronlar kompleks II'ye girer: bu kompleksin içindeki FAD, süksinattan iki elektron alıp FADH₂ olur ve onları yine demir–kükürt kümeleriyle Q'ya iletir. İki giriş Q'da birleşir. Q'dan kompleks III'e, oradan sitokrom c'ye, sitokrom c'den kompleks IV'e ve son olarak oksijene gidilir.

Zincirin inişli olduğunu söylemek şimdilik yeter: elektron her durakta, onu biraz daha güçlü çeken bir alıcıya geçer. Bu çekimin nasıl ölçüldüğü bir sonraki dersin konusudur. Elektronların bir kısmının zincirin sonuna varmadan oksijene erken sızıp süperoksit oluşturabileceğini de Reaktif Oksijen Türleri dersinde ele alacağız. Komplekslerin iç yapısı ve bu akışın enerjisinin nasıl yakalandığı ise ilerideki hücre biyolojisi derslerinin işidir.

Paketleri saymak

Önceki derste glukozun tam yanmasında yirmi dört elektron el değiştirdiğini bulmuştuk. Taşıyıcıların her biri iki elektron taşıdığına göre bu, 24 ÷ 2 = 12 indirgenmiş taşıyıcıya karşılık gelir. Ders kitaplarındaki döküm de on iki verir: glikoliz iki, pirüvatın asetil-KoA'ya dönüşümü iki, sitrik asit döngüsü altı NADH ile iki FADH₂ üretir. Toplam on NADH ve iki FADH₂'dir; 10 × 2 + 2 × 2 = 24 elektronla hesap kapanır.

Aynı paketleme enerjiyi de böler. Glukoz yanmasının −2805 kJ/mol'lük entalpisi on iki çifte dağıtılırsa 2805 ÷ 12 ≈ 233,8 kJ düşer; bu, bir mol elektron başına bulduğumuz 116,9 kJ'ün iki katıdır. Hesap bir ortalamadır, çünkü NADH ile FADH₂'nin elektronları zincire farklı yerlerden girer.

Oksijen ucunda paketler çözülür. Tam indirgenme yarı tepkimesi O₂ + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H₂O'dur ve dört elektron ister. Kompleks IV'e elektron getiren sitokrom c ise her gelişinde tek elektron taşır; bir O₂ molekülü için 4 ÷ 1 = 4 sitokrom c teslimatı gerekir. Glukoz başına altı O₂ indirgendiğine göre 6 × 4 = 24 teslimat yapılır ve sayı yine yirmi dört elektrona döner.

Daire ile düz ok

Poyraz yeni kaseti yerine oturtup analizörün kapağını kapatıyor. Tahtadaki düz okun altına "küvet: NAD⁺ biter", dairenin içine "hücre: NADH geri döner" yazıyor. Şeniz Hanım dairenin kenarına küçük bir kol ekliyor ve ucuna bir soru işareti koyuyor: NADH'ın elektronlarını kim alıyor, onu kim alıyor? Poyraz soru işaretinin yanına kompleks I'den oksijene uzanan durakları sıralıyor ve sitokrom c'nin üstüne ince bir "1" yazıyor.

Kendini sına

1. Küvette soğurma 0,187 arttıysa ve ışık yolu bir santimetreyse NADH derişimi kaç mmol/L olur? Numune elli kat seyreltildiyse numunedeki glukoz ne kadardır?
2. NAD⁺'nın indirgenmesinde substrattan kopan iki hidrojenin biri NADH'a geçer. Öbürüne ne olur, denklemde nerede görünür?
3. Aynı molekülün bir tüpte tek kullanımlık alıcı, hücrede taşıyıcı olmasını ayıran nedir? Şeritteki ferrisiyanürü bu iki rolden hangisine daha yakın bulursun, neden?
4. Ubikinon ile sitokrom c'nin çözünürlük farkı zincirdeki yerleriyle nasıl uyuşur?
5. Bir O₂ molekülünün suya indirgenmesi için kaç sitokrom c molekülünün elektron getirmesi gerekir? Bir FADH₂'nin elektronları için bu sayı kaçtır?

Bir sonraki derse köprü

Bu derste zincirin sırasını verdik ama nedenini açık bıraktık: elektron neden NADH'tan Q'ya gider de tersine gitmez? Redoks Potansiyeli dersi bu sırayı sayıya çevirecek. Bir yarı tepkimenin elektron çekme eğilimini standart indirgenme potansiyeli (E°) nasıl ölçer, iki çift arasındaki potansiyel farkı serbest enerji değişimine hangi bağıntıyla çevrilir ve derişimler standarttan saptığında potansiyel nasıl kayar?