Mitokondri ve Serbest Radikaller

1. Mitokondri ve Serbest Radikaller

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

3. Mitokondri çift membranla çevrili bir organeldir. • Çift membran iki mitokondriyal kompartman oluşturur; Membranlar arası alan Matriks

4. Membranlar arası alan • 40-80 Ao genişliğindedir. • Bazı enzimler bulunur. • Sitozole eşdeğer içeriktedir.

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

6. Dış membran • İç membrana (50-60 Ao) göre daha kalın (70 Ao) olup plazma membranının yapısına benzer. • Porinadı verilen kanal proteinleri büyüklüğü 5000 dalton ve daha küçük molekülleri (su, iyonlar) içeri alır. • Ayrıca dış membranda mitokondriyal lipid sentezi ile ilişkili enzimler ve lipid substratları matrikste metabolize olabilecek formlara dönüştüren enzimler bulunur.

7. İç membran • İç membran yarı geçirgen özelliktedir. Bazı moleküller matrikse aktif transport ile geçer. • İç membran dış membrana paralel seyreder, ancak matrikse doğru Krista denen kıvrımlar yapar. • Kristaların yapısı farklılıklar gösterir (çubuk, tüp, prizma).

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

9. Yoğun fonksiyonel özelliğin den dolayı iç membranın protein oranı diğer membranlara göre daha yüksektir. • % 70 protein, % 30 lipid ve çok az kolesterol. • İç membranın lipid içeriğinde bol miktarda bulunan Kardiolipin membranın geçirgenliğini kısıtlar.

10. 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.

11. Mitokondriler hücrenin enerji üretim merkezleridir, oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları ile enerji üretirler. • Hücre için gerekli enerjinin % 95’i burada üretilir.

12. Matrix içinde purivat, amino asit ve yağ asitlerinin metabolizasyonu sonucu oluşan Asetil koenzim A sitrik asit siklüsüne girerek okside olur. • CO2 , FADH2 ve NADH oluşur. • Bu reaksiyonlar sırasında oluşan yüksek enerjili elektronları taşıyan FADH2 ve NADH’ın elektronları mitokondri iç membranındaki taşıyıcı proteinler vasıtasıyla moleküler oksijene taşınır ve H2O oluşur.

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

14. Elektron transfer işlemlerinden sağlanan protonlar membranlar arası boşluğa yollanır. • Burada bir proton gradiyenti oluşturulur. • Membranlar arası boşlukta toplanan protonlar beşinci protein kompleksi olan ATP sentetaz tarafından matrikse yollanırken ADP’den ATP sentezlenir.

15. ATP sentetaz iki subünitten oluşur; Fo ve F1. • Fo iç membrana gömülüdür ve matriksteki F1 ile etkileşir. • Fo subünitinden proton akışı sırasında F1’de meydana gelen rotasyon hareketi, ADP’ ye yüksek enerjili fosfat (Pi) gruplarının transferini katalizleyerek ATP sentezini sağlar (oksidatif fosforilasyon). • Matrikse yollanan 4 proton başına 1 mol ATP sentezlenir.

16. Membranlar arası boşlukta hem pH hem de voltaj gradiyenti oluşur (Elektrokimyasal gradiyent). • Bu gradiyent ATP sentezinin dışında moleküllerin transferi için de kullanılır. • Voltaj Gradiyenti (ADP/ATP antiportu): Matrikste toplanan ATP (-4), ADP (-3)’ye göre daha negatif olduğundan membranlar arası boşluğa ve dolayısıyla sitoplazmaya geçer.

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

18. Serbest Radikaller Radikal olmayan bir atom veya molekülden bir elektron çıkmasıyla veya bir elektron ilavesiyle oluşurlar

19. Başlıca serbest radikal kaynaklarını şu şekilde sınıflandırabiliriz Endojen kaynaklar: • Mitokondrial elektron transport zinciri • Endoplazmik retikulum • Redoks döngüsü • Araşidonik asit metabolizması • Fagositik hücreler (monosit ve makrofajlar, nötrofil, eozinofil) ve endotelyal hücreler gibi hücrelerdeki oksidatif reaksiyonlar. • Ksantin Oksidaz, NADPH Oksidaz gibi oksidan enzimler. • Otooksidasyon reaksiyonları

20. Eksojen Kaynaklar: • Diyet faktörleri • Çevresel faktörler • İlaçlar

21. Serbest radkaller genellikle hücrede elektron transport sistemi reaksiyonları ile meydana gelir.Bu reaksiyonlar ya enzimlerin etkisi ile yada geçiş metal iyonlarının redoks kimyası aracılığı ile meydana gelir. • Normalde hücrede en önemli serbest radikal kaynağı mitokondri iç membranında lokalize olmuş elektron transport sisteminden elektron sızmasıdır.

22. İnsanlarda normal şartlarda oksijenin%98’i sitokrom oksidaz enzimiyle mitokondrilerde dört elektron alarak indirgenmesiyle suya dönüşür. Ancak bunun yanında oksijenin çok az bir kısmı mitokondrial ETZ de yer alan elektron taşıyıcılardansızan elektronlar tarafından indirgenerek oksijen radikali oluşturur.

23. Oluşan oksijen radikalinin ETZ de başlıca iki kaynağı vardır. Ubikinon sitokrom b bölgesi oksijen radikali üretiminin en önemli bölgesidir. Bu bölgede oksijen radilai üretimi ubisemikinonun oksidasyonu sonucu gelişir.

24. NADH dehidrogenaz ve dehidrooratat dehidrogenaz okside olabilen elektron taşıyıcılarıdır ve mitokondrial oksijen radikali oluşumunun ikinci basamağını oluşturu.

25. Oksijenden oluşan başlıca reaktif oksijen türevleri: • O2-. (Süperoksit) radikali, • H2O2 (Hidrojen peroksit), • HO. (Hidroksil) radikali, • HOCl (Hipokloröz asit), • Singlet O2 (O2), • R. (Alkil radikali), • ROO. (Peroksil radikali), • RCOO. (Organik peroksit radikali), • HO2. (Perhidroksil radikali), • RO. (Alkoksil radikali).

26. O2-. (Süperoksit) Radikali: • Moleküler oksijenin (O2) bir elektron alarak indirgenmesiyle kararsız bir yapı olan O2-. radikali oluşur: • O2 + e-  O2-.

27. H2O2 (Hidrojen Peroksit): • O2-.’e bir elektron eklenirse (süperoksit dismutasyonu) veya O2 direkt olarak indirgenmesiyle hidrojen peroksit oluşur. Dismutasyon spontan olarak veya Süperoksit Dismutaz (SOD) enzimi aracılığıyla katalizle olabilir. • 2 O2-. + 2 H+  O2 + H2O2

28. HO. (Hidroksil) Radikali, Fenton ve Haber-Weiss Reaksiyonları: • Fenton reaksiyonu: hidrojen peroksit Fe+2 ve diğer geçiş (transition) elementleri (Cu, Zn, Mn, Cr, Co, Ni, Mo) varlığında indirgenerek HO. radikali oluşur: • Fe+2 + H2O2  Fe+3 + HO. + OH-

29. Haber-Weiss reaksiyonu: Hidrojen peroksit O2-. ile reaksiyona girerek hidroksil radikalini oluşturur. (Bu reaksiyon bakır ve demir tarafından katalizlenir.) O2-. + H2O2+ H+  O2 + H2O+ HO. • Suyun yüksek enerjili iyonizan radyasyona maruz kalmasıyla da HO. oluşur: X veya  ışını H2O  H. + HO. • H2O2’nin UV ışığına maruz kalması ile de HO. oluşabilir: Enerji (UV) H2O2  2 HO.

30. HOCL (Hipokloröz Asit): Hipokloröz asit de radikal olmadığı halde ROT arasında yer almaktadır. Fagositik hücrelerce bakterilerin öldürülmesinde önemli rol oynar. Aktive olan nötrofiller, monosit ve makrofajlar, eozinofiller O2-. üretirler. Radikal üretimi fagositik hücrelerin bakterileri öldürmesinde büyük önem arz etmektedir. Özellikle nötrofiller içerdikleri myeloperoksidaz enzimi aracılığıyla O2-.‘in dismutasyonuyla oluşan hidrojen peroksiti klorür iyonuyla birleştirerek güçlü bir antibakteriyel ajan olan HOCl’e dönüştürür: Myeloperoksidaz H2O2 + Cl-  HOCl + OH-

31. Singlet O2 (O2): Yapısında eşleşmemiş elektronu bulunmaması nedeniyle serbest radikal olmadığı halde ROT’leri arasında yer alan O2 serbest radikal reaksiyonlarının başlamasına neden olması açısından önem taşımaktadır. Singlet O2 , oksijen elektronlarından birinin dışarıdan enerji alması sonucu kendi dönüş yönünün tersi yönde olan farklı bir yörüngeye yer değiştirmesi neticesi oluşabileceği gibi süperoksit radikalinin dismutasyonu ve hidrojen peroksitin hipoklorit ile reaksiyonu sonucunda da oluşabilir.

32. R. (Alkil Radikali, Organik radikaller): Hidroksil radikali yağ asitleri başta olmak üzere, nükleik asitler, karbohidratlar ve proteinler gibi çeşitli moleküllerden bir proton çıkarıp karbon merkezli organik radikallerin oluşmasına neden olur. • ROO. (Peroksil Radikali) Karbon merkezli radikaller hızlı bir şekilde oksijen ile reaksiyona girerek peroksil radikalini oluştururlar. Bu peroksil radikali lipid peroksidasyonunu başlatan radikal olup çok uzun ömürlüdür.

33. RCOO. (Organik Peroksit Radikali): Lipid yıkımında ortaya çıkan serbest radikaller gibi organik bir peroksit radikalidir. • HO2. (Perhidroksil Radikali): Süperoksit radikali düşük pH’da daha reaktif olup protonlanarak kendisinden daha kuvvetli bir oksidan olan perhidroksil radikalini oluşturur. 2 O2-. + 2 H+  2 HO2. • RO. (Alkoksil Radikali): Peroksil radikalinden bir oksijen atomu çıkması sonucu oluşur.

34. OKSİJEN TÜREVİ OLMAYAN SERBEST RADİKALLER Oksijen ve ksenobiyotik radikallerinden başka radikaller de vücutta oluşabilmektedir: • Tiyol bileşikleri (R-SH) geçiş metallerinin varlığında oksitlenerek RS. (til) radikali oluştururlar: RSH + Cu+2  RS. + Cu+ + H+ • RS. radikali oksijen ile birleşebilir: RS. + O2  RSO2.

35. Karbon merkezli radikaller de birçok biyolojik sistemlerde oluşabilmektedir. Ör: CCl4. CCl4  .CCl3 + Cl- • Karbon merkezli radikaller çoğunlukla O2 ile reaksiyona girerek peroksil radikali verirler: CCl3 + O2  .O2CCl3 Triklorometilperoksil radikali

36. Azot merkezli radikaller de oluşabilir. Örneğin eritrositlerde fenilhidrazin metabolizmasında fenilhidrazin radikali (C6H5N=N.) oluşur. Bu başlık altında Nitrik Oksit (NO) önem arz etmektedir. • Fosfor merkezli radikallerin de olduğu bildirilmiştir.

37. Nitrik Oksit (NO): • Biyolojik sistemlerde oluşan reaktif nitrojen türevlerinin en önemlisi oksidasyon değerliği +2 olan NO’dir. NO, bir atom azot ile bir atom oksijenin çiftleşmemiş elektron vererek birleşmesinden meydana gelmiştir ve bu yüzden radikal tanımına uymaktadır. NO metabolize olurken moleküler oksijen ile bağlanıp azot dioksit (NO2) oluşturur: 2 NO+ O2  2 NO2

38. NO’in tek başına radikal özelliği ortaya çıkan toksisiteyi tanımlamaya yetmemektedir. NO’in oluşmuş olan ROT’leri ile reaksiyon vererek güçlü bir oksidan olan peroksinitrit (ONOOH) oluşturduğu ve bunun da ileri dekompozisyonla HO. radikali oluşumuna yol açtığı ifade edilmektedir: NO + O2-.  ONOO- ONOO- + H+  ONOOH ONOOH  NO2 + HO. HO. ise biyolojik olarak yıkıcı bir moleküldür. Ayrıca, peroksinitrit de tirozin gibi fenolik amino asitleri nitrolayarak toksik nitro- türevleri (nitrotirozin) oluşturmaktadır.

39. Serbest oksijen radikallerinin etkileri