MİTOKONDRİYAL REAKTİF OKSİJEN TÜRLERİNİN OLUŞUMU Mehmet ŞENEŞ

Moleküler oksijen Yaşam için moleküler oksijeni (O2) tüketiyoruz. Molekül paralel spin durumlu iki tane ortaklanmamış elektron içerir (biradikal). Radikal olmayan maddlerle yavaş reaksiyon, radikallerle kolay reaksiyon. Biradikal doğası sonucu yüksek derecede reaktif oksijen türleri oluşturma eğilimi.

Reaktif oksijen türleri (ROT) Süperoksit radikali (O2-•), hidrojen peroksit (H2O2) ve hidroksil radikalidir (OH-•). ROT’nin sabit durum konsantrasyonlarını intraselüler sinyal iletiminde rol oynarken, sabit durum konsantrasyonlarının artmasıyla (oksidatif stres) proteinleri, lipitleri, polisakkaritleri ve DNA’yı etkileyen serbest radikal zincir reaksiyonlarını başlamasına neden olurlar.

O2-• Oksijenin bir elektron alarak indirgenmesi sonucu oluşur. Çoğu ROT’lerinin öncülüdür. Oksidatif zincir reaksiyonlarında mediatördür. Non enzimatik (indirgenmiş koenzimler, veya xenobiotiklerden bir elektronun oksijene transfer edilmesiyle) veya enzimatik reaksiyonlarla oluşur (NADPH oksidaz, sitokrom P450 bağımlı oksijenazlar veya Xantin dehidrogenaz gibi).

ROT’nin mitokondri oluşum yerleri

Moleküler oksijenin O2-• dönüşme için ihtiyaç duyduğu standart indirgenme potansiyeli -160 mV’tur. Solunum zincirinin standart indirgenme potansiyeli -320’den +390 mV’a kadar değişkenlik gösterir. Mitokondri içindeki yüksek indirgeme potansiyeli nedeniyle dinamik olarak oksijene bir elektron transfer edilir (yani sürekli bir O2-• oluşumu var) Ancak mitokondride bunları elimine edecek güçlü antioksidan savunma sistemleri de var. Mitokondride sabit durum O2-• ve H2O2 konsantrasyonları sırasıyla 10-10 ve 5X10-9 M’dır.

Matrikste oluşan O2-• burada elimine edilirken, membranlar arası alanda oluşanlar voltaj bağımlı anyon kanallarıyla sitoplazmaya taşınabilir. O2-• üretimine bu bölgelerin katkısı organdan organa değişir (kalpte Kompleks III, akciğerlerde Kompleks I). Özellikle Kompleks I’in yaşlanmadan Parkinson hastalığına kadar pek çok hastalıkta ROT’lerinin primer kaynağını oluşturduğu bilinmektedir.

ETZ O2-• ve H2O2 oluşum hızı zincirin metabolik durumuyla ilişkilidir: Durum 4: Solunum hızı yavaş ve kullanılabilir ADP yok. Bununla birlikte solunum zincir elemanlarının yüksek indirgen durumları artmış O2-• ve H2O2’ye neden olur. Durum 3: Mitokondriyal solunum aktif durumdadır. Yeterli oksijen ve ADP varlığında zincir elemanlarının oksidize formda olmaları nedeniyle O2-• ve H2O2 oluşum hızı nispeten yavaştır. Durum 5: O2 sağlanımındaki sınırlama ve respirasyon yokluğu nedeniyle O2’nin O2•־ veya H2O2’ye indirgenmesi gerçekleşmez.

İnhibitörlerin etkisi Kompleks I’i inhibe eden rotenon ve Kompleks III’ü inhibe eden antimisin A O2-• oluşumunu arttırır. Kompleks I’de primer O2-• kaynağı demir sülfür proteinidir. Kompleks III’te ise iç mitokondriyal membranın hem dış hem de iç kısmında ubisemikinonun otooksidasyonu sonucu oluştuğu düşünülmektedir.

Tüm inhibitörlerin böyle bir etkisi yok. Myxothiazol, siyanid veya sitokrom c tükenmesi gibi durumlarda Kompleks III’ün Rieske Fe-sülfür merkezi ve oksijen arasındaki elektron akışı inhibe edilecek olursa O2-• oluşumu da inhibe olur (O2-• ‘nin Q döngüsüyle oluşma zorunluluğu).

Dış mitokondriyal H2O2 kaynağı: Monoamin oksidaz Primer aromatik aminlerin oksidatif deaminasyonlarını katalizler. Vücuttaki çoğu hücre tiplerinde mitokondriyal dış membrana bağlı olarak bulunurlar. Katalizledikleri reaksiyonda amin grubunu uzaklaştırmak için oksijeni kullanırlar. Sonuçta aldehit, amonyak ve H2O2 oluşur. Alzheimer’dan Parkinsona pek çok nörodejeneratif hastalıkta monoamin oksidazların oluşturduğu H2O2 ‘nin mitokondriyal membranda neden olduğu hasarın sorumlu tutalbileceği varsayılıyor. H H R-C-NH2 + O2 + H2O → R-C=O + NH3 + H2O2 H

Mitokondri ve NO NO arginin nitrik oksit sentaz ile sitrülline yıkılması sonucu oluşan vazodilatatör bileşik. Mitokondriyal matriks NO sentazın bir formunu bulundurmaktadır. Fizyolojik rolü tam olarak bilinmemesine rağmen mitokondriyal NO sitokrom oksidaza bağlanarak solunumu inhibe eder. Böylece ubiquinolün ubisemiquinona oksidasyonuna neden olarak otooksidasyonla O2-• oluşumuna neden olur. Artan O2-• radikali NO ile etkileşerek potent peroksinitrit radikalini oluşturur. Peroksinitrit önemli enzimleri inhibe eder ve mitokondri bütünlüğünü bozar.

Hiperoksi ve Hipoksi Durumlarında Mitokondriyal ROT’lerinin Oluşumu Mitokondriyal O2-• üretimi oksijen konsantrasyonu ile doğru orantılı olarak artar. Oksijenin (220 µM) in vitro koşullarda O2-• ‘ radikaline dönüşüm oranı yaklaşık %1-2’dir. İn vivo koşullarda ise intramitokondriyal oksijen konsantrasyonunu 3-30 µM olduğu düşünülürse son derece düşüktür. Oksijen konsantrasyonu arttıkça mitokondriyal O2-• yapım hızı artar.

Normobarik hiperoksik koşullarda ROT’lerinin oluşumundan etkilenen tek organ akciğerlerdir. Çünkü atmosferik oksijenle direkt temas halindedir. Hiperbarik koşullarda ise plazmada oksijen daha fazla çözüneceğinden diğer dokularda hiperoksik koşullara maruz kalırlar. Böyle koşullarda ilk etkilenen organ beyindir (konvülzyon). Hipoksik şartlarda ROT’lerinin oluşumu azalacaktır. Bunla birlikte hipokside de ROT’lerinide artış olduğunu gösteren çalışmalar vardır.

TNF-α ve Mitokondriyal ROT’lerinin Oluşumu Anti-tümöral aktivitesi yanında immün cevabın regülasyonu, konakçı savunma reaksiyonlarında ve gen ekspresyonunda fonksiyonları vardır. Önemi inflamasyon ve sepsis gibi durumlarda açıkça gösterilmiştir. Hücresel oksidatif stresteki artış TNF- α’ nın tümör hücreleri üzerine sitotoksik etkisi ve gen ekspresyonunun regülasyonuyla ilişkilidir.

Tümör hücreleri, hepatosit ve kardiyomiyositlerde TNF- α tarafından indüklenen reaktif oksijen türlerinin yapımına sitotoksik veya apoptotik etki eşlik eder. Bu çalışmalarda mitokondriler TNF ile indüklenen ROT yapımının majör bölgesi olarak belirlenmişlerdir (Kompleks III).

Ceramid bir lipittir. Uzun yıllar hücre membranlarının yapısal elemanı olarak bilindi. Ancak hücre membranından ayrıldıktansonra ikincil mesajcı olarak fonksiyonu olduğu sonradananlaşıldı. Özellikle hücre farklılaşması, proliferasyonu ve apoptoziste önemlidir. Ceramid’in ROT oluşumuna katkısı için çeşitli teoriler ileri sürüldü. Bunların tümü molekülün Kompleks III’ ün aktivitesi üzerine etki gösterdiği yönündedir.

Ksenobiyotiklere Maruz Kalmayla Sonuçlanan Mitokondriyal ROT Oluşumu Ksenobiyotikler iki mekanizmayla ETZ’de O2-• oluşumunu artırır: ETZ’ni bloke ederek (inhibisyon bölgesinin yukarı kısmındaki taşıyıcıların indirgenmedüzeylerini artırarak), Redoks döngüsü ile. Bazı ksenobiyotikler solunum zincir taşıyıcılarından elektron alabilir ve bunu da solunum zincirinde herhangi bir inhibisyona neden olmadan moleküler oksijene transfer ederek O2-• oluşumunu stimüle ederler.

ETZ’ni bloke eden ksenobiyotiklere örnek rotenonu (Kompleks I’i inhibe eder), redoks döngüsüne neden olan ilaçlara örnek olarakta bir anti-tümör ilaç olan adriamisin (doxorubisin) verilebilir. Bu bileşikler kompleks I’den elektronları direkt alarak O2 transfer ederler. Böylece O2-• oluşumunu artırırlar.

Mitokondriyal antioksidan savunma Mitokondriyal SOD: Aktif bölgesinde manganez taşır. Matrikste ve iç membranın iç yüzeyinde oluşan O2-• elimine eder. H2O2 oluşur. Enzimin ekspresyonu radyasyon ve hiperoksi gibi oksidatif strtes durumlarında artar. Membranlar arası alanda oluşan O2-• üç farklı mekanizmayla elimine edilir: Cu-SOD, sitokrom c (O2-• ile indirgenebilir ve aldığı elektronu terminal oksidazlara transfer ederek Kompleks IV’ün H+ pompalaması için ihtiyaç duyduğu enerjiye katkı sağlar) ve spontane dismutasyon (düşük pH ile kolaylaştırılır).

Glutatyon peroksidaz: O2-• eliminasyonu sırasında oluşan H2O2 bu enzim ile bileşenlerine ayrılır. Karaciğerde hücredeki glutatyon peroksidazların 1/3’ü mitokondrilerde bulunur. Mitokondriyal dışmembranda bulunan fosfolipit-hidroperoksit glutatyon peroksidazı özellikle membranla ilişkili lipit peroksitlerinin indirgenmesinden sorumludur.

Diğer mitokondriyal antioksidanlar: Katalaz: Peroksizomlarda major hidrojen peroksit detoksifiye edici enzim olan katalazı kalp hücre mitokondrilerinin içerdikleri gösterilmiştir. Ancak kas hücre mitokondrilerinde yoktur. Ubikinol (QH2): Sitokrom c’ den başka diğer elektron taşıyıcılarının da ROT’lerine karşı detoksifiye edici özellikleri bulunmaktadır. Vitamin E: Mitokondri iç membranında bulunur. Serbest radikal aracılı zincir reaksiyonlarının uzamasını durdurur.