BİYOLOJİK OKSİDASYON Doç.Dr.Remisa GELİŞGEN
OKSİDASYON-REDÜKSİYON REAKSİYONLARI Elektronların bir atom veya molekülden bir diğerine geçişleri redoks reaksiyonu olarak adlandırılmaktadır. Redoks : e-transferi Bu reaksiyonlarda moleküllerden biri elektron kaybederek oksitlenmekte ( yükseltgenmekte ) diğeri elektron kazanarak redüklenmekte ( indirgenmektedir ). Oksidasyon : elektronların kaybı Redüksiyon : elektron kazanma Fe +2 Fe +3 +e - Fe +2 + Cu +2 Fe +3 + Cu +
Bir molekülün oksidasyonuna daima bir elektron alıcısının indirgenmesi eşlik eder. Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarındaki elektron transferi doğrudan veya dolaylı olarak organizmada gerçekleşen enerji olayları ile ilişkili olup, organizma tarafından gerçekleştirilen işten sorumludur. Fotosentez yapmayan organizmalarda elektronların kaynağı indirgenmiş bileşiklerdir (besin maddeleri; glukoz gibi) Enzim katalizli oksidasyon reaksiyonları ile elektron vericilerden (metabolik yakıt maddeleri) alınan elektronlar bazı özel elektron taşıyıcılara (NAD +,FMN, FAD ) aktarılmaktadır.
Oluşan indirgenmiş ara ürünler (NADH, FADH 2 ) elektronları mitokondride solunum zincirine aktarır. Solunum zincirinde bir dizi kompleks üzerinden elektronlar, en son moleküler oksijene taşınmaktadır. Bu elektron akışına eşleşmiş olan proton hareketinin itici gücü ile ADP+Pi den ATP sentezlenir. Oksijenin elektronlara olan ilgisinin, elektron taşıyıcı ara bileşiklerden daha yüksek olması, elektron transferinin ekzergonik olmasına ve açığa çıkan enerjinin ATP sentezinde kullanılmasına yol açmaktadır. Oksidasyon reaksiyonları enerji elde edilir. İndirgenme reaksiyonları enerjiye gereksinim
Redoks reaksiyonlarının özellikleri Oksidasyon-Redüksiyon reaksiyonları, iki yarı reaksiyonun toplamı olarak kabul edilir. Fe +2 + Cu +2 Fe +3 + Cu +1 ( tüm reaksiyon ) İki yarı reaksiyon şeklinde tanımlanabilir: 1. Fe +2 Fe +3 +e - 2. Cu +2 +e - Cu +1 AH 2 + B A + BH 2 1. AH 2 2H+ + 2e- 2. B + 2e- + 2H + BH 2
Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarında; elektron verici moleküller, redüktan (indirgen) ya da redükleyici bileşik elektron alan moleküller oksidan (yükseltgen) veya oksitleyici bileşik Redükleyici ve oksitleyici bileşik birlikte Konjuge redoks çifti Örn : Fe +3 /Fe +2 NAD + / NADH FAD / FADH 2
Çok sayıda biyolojik oksidasyon moleküler oksijenin katılımı olmadan gerçekleşmektedir. Dehidrogenasyonlar
Elektron transferi Elektronlar bir molekülden (elektron verici), diğer moleküle (elektron alıcısı) 4 farklı yoldan biriyle transfer olur: 1. Doğrudan elektronlar olarak ; Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + 2. H atomları ( H+ + e- ) şeklinde ( FMN ve FAD bağımlı dehidrogenazlar ) AH 2 A + 2H+ + 2e- AH 2 + B A + BH 2 A/AH 2 Konjuge redoks çiftleri B/BH 2
3. Hidrit iyonu ( H + + 2e - ) şeklinde NAD-bağımlı dehidrogenazlarla meydana gelir. 4. Doğrudan O 2 ile reaksiyon R CH 3 + ½ O 2 R-CH 2 OH hidrokarbon alkol
İndirgeyici ekivalan: Reaksiyondaki transfer edilen elektrondur. Biyolojik sistemlerde, yakıt molekülleri enzimatik dehidrogenasyon ile 2 indirgeyici ekivalan ( 2 indirgeyici eşdeğer ) kaybederler.
Standart redoks potansiyeli (Standart indirgenme potansiyeli) Redüksiyon potansiyelleri elektronlara olan ilgiyi ölçer. Bir bileşik tarafından bir başka bileşiğin indirgenme olasılığını belirleyen bir parametredir. Redoks reaksiyonunun meydana gelmesi, her bir redoks çiftindeki elektron alıcısının elektronlara olan göreceli ilgisine bağlıdır. Bu ilginin ölçüsü standart redüksiyon potansiyeli, Eº olarak tanımlanmaktadır. Elektronların kazanım ve kayıpları için gerekli olan elektrik potansiyelleri, Volt (V) cinsinden ölçülmektedir. Redoks çiftleri elektron kaybetme eğilimlerinde farklılık gösterirler, bu eğilim o redoks çiftinin özelliğidir.
Redoks sistemlerinin birbirlerine göre durumları, elektronların bir redoks çiftinden diğerine akış yönünü önceden belirlemeyi sağlar. Çeşitli redoks çiftlerinin redoks potansiyellerine göre en negatif Eº dan en pozitif Eº a kadar sıralanabilir. Eº değeri negatif olan bir sistem elektronlarını, daha küçük negatif veya pozitif Eº değerine sahip bir sisteme aktararak, onları indirgemektedir. Daha büyük pozitif Eº değerine sahip olan, güçlü yükseltgen bileşikler, başka atom veya iyonlardan elektronları alarak onları yükseltgemektedir.
Bir redoks çiftinin Eº değeri ne kadar daha fazla negatif ise o çiftin redüktan üyesinin elektron kaybetme eğilimi o kadar fazladır. Eº değeri ne kadar daha fazla pozitif ise redoks çiftinin oksidan üyesinin elektron kabul etme eğilimi o kadar fazladır. Bu nedenle elektronlar daha negatif Eº a sahip bir konjuge redoks çiftinden, daha pozitif Eº a sahip çifte doğru hareket ederler. düşük Eº e - yüksek Eº
Redoks reaksiyonunu oluşturan iki yarı reaksiyonun redüksiyon potansiyellerindeki fark (ΔΕº), reaksiyon sonucu ortaya çıkan serbest enerji değişimini ΔGº vermektedir. ΔGº = -n F (ΔEº) n = tepkimede transfer edilen elektronların sayısı F = Faraday sabiti (96,5 kj/v.mol) ΔΕº = elektron kabul eden çiftin Εº değeri-elektron veren çiftin Eº değeri ΔGº= standart serbest enerjideki değişim
Biyolojik öneme sahip bazı yarı reaksiyonların standart redüksiyon potansiyelleri Sistem Eo Volt H+ / H2-0.42 NAD +/ NADH -0.32 Liopat ; oks / red -0.29 Asetoasetat / 3-hidroksibütirat -0.27 Pirüvat / laktat -0.19 Oksaloasetat / malat -0.17 Fumarat / süksinat +0.03 Sitokrom b; Fe+3 / Fe+2 +0.08 Ubikinon; oks / red +0.10 sitokrom c1; Fe+3 / Fe+2 +0.22 Sitokrom a; Fe+3 / Fe+2 +0.29 Oksijen / su +0.82
Biyolojik sistemlerde Eº, ΔG e - Besin maddesi Elektron transport zinciri (yüksek redüksiyon O 2 e - ADP+Pi ATP potansiyeli ) mitokondri
Oksidoredüktaz lar Oksidasyon, redüksiyona katılan enzimler oksidoredüktazlar olarak adlandırılır, 4 gruba ayrılır: 1. Oksidazlar 2. Dehidrogenazlar 3. Hidroperoksidazlar 4. Oksigenazlar
1. Oksidazlar Hidrojen alıcısı olarak oksijeni kullanarak bir substrattan hidrojenin uzaklaştırılmasını kataliz eder. Reaksiyon ürünü olarak su veya hidrojen peroksit oluşturur. Moleküler oksijen elektron alıcısı olup, oksijen atomları okside ürün yapısında yer almaz. AH 2 ½O 2 AH 2 O 2 (red) oksidaz A H 2 O A H 2 O 2 (oks)
Bakır içeren oksidaz, Sitokrom oksidaz (Sitkrom aa3) Birçok dokuda yaygın olarak bulunan bir hemoprotein prostetik grup: Hemler ( hem a ve hem a3 ),2Cu A Cu B Mitokondri iç membranında yer alan elektron transport zincirinin (solunum zinciri) son üyesidir. Substrat moleküllerinin dehidrogenazlarla oksidasyonu sonucunda ortaya çıkan elektronları, son alıcıları olan oksijene aktarılması reaksiyonunu kataliz eder. Enzim CO, CN- ve H 2 S tarafından inhibe edilir. 2 molekül Hem içerir, bunların her biri oksidasyon ve redüksiyon sırasında Fe 3+ ve Fe 2+ arasında dönüşen bir Fe atomu içerir. (Toplam 2 Fe atomu) 2Cu A ve hem a3 e bağlı Cu B olmak üzere 3 Cu atomu içerir. ½O 2 + 2 e - H 2 O sitokrom oksidaz
Oksidazların bir çoğu flavoproteinlerdir: Flavoprotein yapılı oksidazlar prostetik grup olarak; FMN (Flavin mononükleotid) veya FAD (Flavin adenin dinükleotid) içerir. Riboflavin vitamininden (B 2 ) sentezlenir. FMN veya FAD, kendi apoenzim proteinine oldukça sıkı bağlıdırlar Flavoproteinin aktif bölgesinin bir parçası (prostetik grup) Nikotinamid nükleotidlerinden farklı İzoalloksazin halkası + Ribitol-P: FMN FMN + AMP : FAD Hidrojen taşıyıcıları (şeker alkolü) Birçok flavoprotein yapılı oksidaz kofaktör olarak bir veya daha fazla metal içerir. Bunlar metalloflavoproteinler olarak isimlendirilir.
L-amino asid oksidaz : FMN ye bağlı bir enzim, böbrekte L-amino asidlerin oksidatif deaminasyonu Ksantin oksidaz : Mo içerir. Pürin bazlarının ürik aside çevrilmesinde süt, ince barsak, böbrek ve karaciğerde Aldehid dehidrogenaz : FAD A bağlı enzim Mo ve hem yapısında olmayan Fe içerir aldehidler ve N-heterosiklik substratlara etkili Karaciğerde Glukoz oksidaz : Mantarlarda, FAD a bağlı bir enzim Glukoz ölçümünde kullanılır.
Flavoprotein enzimlerde oksidasyon-redüksiyon mekanizması Flavin nükleotidlerindeki (FMN, FAD) izoalloksazin halkası indirgenir. Bu indirgenme bir semikinon (serbest radikal) ara ürünü üzerinden giden 2 basamaklı bir olaydır. Flavoproteinler bir veya iki elektronun transferinde rol alırlar. İndirgenmiş substrattan bir hidrojen atomu alarak FMNH veya FADH şeklinde semikinon radikaline çevrilen flavin nükleotidlerine bir hidrojen atomunun daha eklenmesi ile tam indirgenmiş FMNH 2 ve FADH 2 oluşmaktadır.
2. Dehidrogenazlar Hidrojen (e - +H + ) alıcısı olarak oksijeni kullanmazlar Başlıca 2 fonksiyonları vardır: 1. Kenetli oksidasyon-redüksiyon sisteminde hidrojen atomlarını bir substrattan diğerine transfer ederler. Substrat spesifikliği gösterirler, fakat sıklıkla aynı koenzim veya hidrojen taşıyıcıyı örn: NAD+ yi kullanırlar. Reaksiyonlar geri dönüşümlü O2 nin bulunmadığı ortamda oksidatif olay Dehidrogenasyon Glikolizin anaerobik evresinde olduğu gibi, oksidatif olayların oksijen yokluğunda gerçekleşmesi dehidrogenasyon reaksiyonu ile olur. 2. Solunum zincirinin üyeleri olarak substrattan oksijene elektron transportu
Kenetli dehidrogenaz sistemi ile metabolit oksidasyonu AH 2 taşıyıcı BH 2 (red) (oks) (red) A taşıyıcı-h 2 B (oks) (red) (oks) A için spesifik dehidrogenaz B için spesifik dehidrogenaz 2 gruba ayrılır : a. Nikotinamid koenzimlerine bağımlı dehidrogenazlar b. Riboflavin bağımlı dehidrogenazlar
a.nikotinamid koenzimlerine bağımlı dehidrogenazlar: ( NAD +, NADP + ) NAD +, Nikotinamid adenin dinükleotid veya koenzimlerine bağımlı dehidrogenazlar NADP +, nikotinamid adenin dinükleotid fosfat koenzimlerine bağımlı dehidrognazlar Bazı dehidrogenazlar hem NAD + ve hem de NADP + yi kullanabilirler. Organizmada suda çözünene Niasin vitamininden sentezlenir. Dehidrogenazın spesifik substratı tarafından koenzim (NAD + veya NADP +, Hidrojen/elektron taşıyıcıları) indirgenir ve uygun bir elektron alıcı tarafından tekrar okside edilir.
Nikotinamid adenin nükleotidleri, FMN ve FAD+ dan farklı olarak kendi apoenzimlerine gevşek bağlı olup, serbestçe ve geri dönüşümlü olarak apoenzimlerinden ayrılabilmektedirler. Enzime geri dönüşümlü bağlanarak indirgenmekte ve indirgenmiş şekilleri bir enzimden, diğerine kolaylıkla aktarılarak indirgeyici ekivalanları ikinci bir substrata taşımaktadırlar. İndirgenmiş koenzimler (NADH+H + ) elektronları, başka bir enzim aracılığıyla veya mitokondriyal solunum zincirine aktararak yeniden yükseltgenir (NAD +, okside form) Sonuç olarak organizmada NAD + ve NADH konsantrasyonunda bir değişiklik olmaz.
Nikotinamid koenzimleri ile oksidasyon ve redüksiyon mekanizması NAD + ve NADP + (okside formda koenzimler) substratdan (AH 2 ) hidrid iyonu halinde (2e - +H + ) iki elektron alarak bir proton NADH ve NADPH (indirgenmiş koenzimler) haline dönüşmektedirler. Substrattan ayrılan ikinci proton sulu ortamda serbest kalmaktadır. (Substrattan 2 hidrojen atomu (2e - +2H + ) çıkarılmaktadır). NAD + + AH 2 NADH + H + + A B + NADH + H + BH 2 + NAD + AH 2 + B A + BH 2
Hidrojen atomlarından bir tanesi substrattan 2 e- lu hidrid iyonu (:H-) halinde çıkarılır ve reaksiyonu kataliz eden spesifik dehidrogenaz tarafından spesifikliğe bağlı olarak A veya B durumuna göre piridin halkasının 4.konumuna aktarılır. Substrattan çıkarılan hidrojen çiftinden geride kalan bir hidrojen iyonu serbest kalır. NAD + ve NADP +, piridin nükleotidleri olarak da isimlendirilir.
NAD + ye bağlı dehidrogenazlar Metabolizmanın oksidatif yollarında (Glikoliz, Sitrik asid siklusu, solunum zinciri) yer alan oksideredüksiyon reaksiyonlarnı kataliz eder. NADP + ya bağlı dehidrogenazlar: Redüktif (indirgeyici) sentezlerde yer alır. (Yağ asidi ve steroid sentezinin mitokondri dışı yolları) Pentoz fosfat yolu dehidrogenazlarının koenzimleri olarak Zn: Alkol dehidrogenaz, Gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenaz
b.flavine bağımlı dehidrogenazlar FMN veya FAD bağımlı FMN ve FAD kendi apoenzimlerine sıkı bağlı Solunum zincirinde veya solunum zincirine elektron taşınması NADH dehidrogenaz : Prostetik grup olarak FMN ve Fe- S proteineri içeren, solunum zinciriniin bir üyesidir. NADH ve daha yüksek redoks potansiyeli yapılar arasında elektron taşıyıcı olarak görev yapar. Süksinat dehidrogenaz (FAD, Fe-S) Açil KoA dehidrogenaz (FAD, Fe-S) Mitokondriyal gliserol 3-fosfat dehidrogenaz (FAD), Substrattan indirgeyici ekivalanları doğrudan solunum zincirine aktarırlar.
3. Hidroperoksidazlar Hidrojen peroksid (H 2 O 2 ) kullanarak, diğer bir substratı okside eden ve reaksiyon sonucunda H2O oluşturan enzimler a. Peroksidazlar b. Katalaz Organizmayı zararlı peroksidlere ( H 2 O 2, lipid hidroperoksidler) karşı korur. Peroksidlerin birikimi serbest radikal üretimi hücre membranlarının parçalanması kanser, ateroskleroz
a. Peroksidazlar Prostetik grup : apoproteine gevşek bağlı protohem Süt, lökosit, trombosit ve eikozanoid metabolizması ile ilişkili dokularda, bitkilerde H 2 O 2 + A H 2 peroksidaz 2H 2 O + A Askorbat, kinonlar ve sitokrom c gibi elektron alıcılarını ikinci bir substrat olarak kullanırlar. Geniş bir substrat spesifitesine sahiptir. Bazıları tek bir substrata spesifiktir. Örn: Glutatyon peroksidaz, GSH (indirgenmiş glutatyon) a spesifiktir.
Glutatyon peroksidaz (GPx): Eritrositlerde ve diğer dokularda prostetik grup olarak selenyum içerir. 4 protein alt birim, alt birimlerin herbirinin aktif bölgesinde Se atomu bulunur. H2O2 ve lipid hidroperoksidlerin, indirgenmiş glutatyon (GSH) aracılığı ile indirgenmesini kataliz eder. Membran lipidlerini ve hemoglobin peroksitlerle oksidasyondan korur. Antioksidan enzim, H 2 O 2 nin çok zararlı hidroksil radikaline (OH ) dönüşümünü engeller. Sitozolde ve daha az oranda mitokondri matriksinde bulunur.
H 2 O 2 + 2 GSH GPx 2H 2 O + GSGG GPx ile katalizlenen bu reaksiyonda H 2 O 2 suya indirgenirken gluttayonun sülfidril grubu (GSH), disülfide (GSSG) yükseltgenir. GSSG (Disülfid) pentaz fosfat yolundan sağlanan NADPH ı elektron vericisi olarak kullanan glutatyon redüktaz ile tekrar sülfidril şekline dönüştürülür. GSGG + NADPH + H + glutatyon redüktaz 2GSH +NADP +
b. Katalaz: Hemoprotein yapılı antioksidan enzim 4 alt birim, her bir alt birime bağlı Fe 2+ taşıyan hem grubu Toplam 4 hem 1molekül H 2 O 2 yi elektron verici ve diğer H 2 O 2 molekülü elektron alıcı veya oksidan olarak kullanabilir. H 2 O 2 yi yıkar. Peroksidaz aktivitesi de gösterir. İn vivo koşullar altında bu aktivitesi daha önem taşır. Kan, kemik iliği, müköz membranlar, böbrek ve karaciğerde bulunur. Peroksizomlar: Oksidaz ve katalaz yüksek aktivitede
H 2 O 2 kaynakları Peroksizomal enzimler Ksantin oksidaz Mitokondriyal elektron transport sistemi Mikrozomal elektron transport sistemi SOD tarafından dismutasyon reaksiyonu
4. Oksigenazlar Oksigenazlar, oksijenin bir substrat molekülüne katılımını katalizlemektedir. Hücreye enerji sağlayan reaksiyonlarda yer almaz. Çok sayıda farklı metabolit türünün yapım ve yıkımında rol alır. a. Dioksigenazlar b. Monooksigenazlar
a. Dioksigenazlar: Moleküler oksijenin her iki atomunu substrat yapısına eklemektedir. A + O 2 AO 2 3-hidroksiantranilat dioksigenaz (Fe) Homogentisat dioksigenaz (Fe) L-triptofan dioksigenaz (triptofan pirrolaz) (Hem)
b. Monooksigenazlar (Karma fonksiyonlu oksidazlar, Hidroksilazlar) Moleküler oksijenin sadece bir atomunu substrat yapısına eklemekte, diğer oksijen atomunu suya indirgemektedir. Bu amaçla ek bir elektron verici veya kosubstrat gerekir. Her iki O 2 atomunun indirgeyeceği iki substrata gereksinim vardır. A-H + O 2 + ZH 2 A-OH + H 2 O + Z
Mikrozomal Sitokrom P450 Monooksigenaz Sistemi: Karaciğer mikrozomlarında sitokrom p450 ve sitokrom b5 ile birlikte bulunur. İLAÇ-H + O 2 + 2 Fe 2+ + 2 H+ hidroksilaz İLAÇ-OH + H 2 O + 2 Fe 3+ (sitokrom P450 oks) Monooksigenaz ile katalizlenen reaksiyonlarda α-ketoglutarat, FMNH 2,FADH 2, NADH veya NADPH kosubstrat olarak bulunmaktadır. NADH, NADPH bu sitokromların indirgenmesi için indirgeyici ekivalanları sağlar, indirgenmiş sitokromlar substratlar tarafından bir dizi enzimatik reaksiyon ile okside olur.
Mikrozomal sitokrom p450 monooksigenaz sistemi ( Hidroksilazlar ) Çok sayıda ilacın hidroksilasyonunu kataliz eder. Benpiren, Aminopirin, anilin, morfin ve benzfetamin gibi ilaçlar bu sistemle metabolize edilir. Fenobarbital, mikrozomal enzimler ve sitokrom P450 oluşumunu indükler.
Mitokondriyal Sitokrom P450 Monooksigenaz sistemi Steroidal hidroksilasyonlazı katalizler. Adrenal korteks, testis, over ve plasenta gibi steroid üreten dokularda bulunur. Kolesterol ------> Steroid hormonların sentezinde C22, C20 hidroksilasyonları C11β ve C18 konumlarında hidroksilasyonlar
Böbrek: 25-hidroksikolekalsiferol ün C1α ve C24 konumlarında hidroksilasyonları kataliz ederler. Karaciğerde safra asidleri biyosentezinde C26 hidroksilasyonu kataliz eder. Adrenal kortekste Mit. Sit p450 > Solunum zinciri sitokromları 6 kat daha fazla
Süperoksid anyon serbest radikali O 2 Oksijenin tek elektron alınımı ile indirgenmesinden süperoksid anyon radikali oluşur. Mitokondriyal solunum zincirinde ve oksidoredüktazlar ile katalizlenen reaksiyonlarda (ksantin oksidaz, sit p450 monooksigenaz sistemi gibi) yan ürün olarak oluşmaktadır. O 2, hücresel moleküller ile etkileşime girerek, hasara neden olur. Serbest radikal bir orbitalinde paylaşılmamış bir elektron taşıyan herhangi bir bileşiktir. Paylaşılmamış elektrona sahip bileşikler herhangi bir molekül ile etkileşime girerek elektron alırlar veya verirler: O 2, hem grubu içeren hemoglobin ve sitokromlar ile etkileşime girer, bu bileşiklerin yapısında bulunan demir yükseltgenir.
Fe-S grupları ile etkileşime girebilir. O 2 + sitc ( Fe 3+ ) O 2 + sit c ( Fe 2+ ) Süperoksid okside olmuş sitokrom c yi indirgeyebilir.
Süperoksid dismutaz (SOD): Hasara neden olan süperoksid anyon serbest radikali, süperoksid dismutaz ile ortadan kaldırılır. SOD, süperoksid anyonu dismutasyona uğratır. O 2 + O 2 + 2 H+ SOD H 2 O 2 + O 2 Bu reaksiyonda süperoksid hem oksitleyici hem indirgeyici Süperoksid anyon serbest radikali, serbest radikal zincir reaksiyonlarının kuvvetli bir tetikleyicisidir Serbest radikal
SOD, oksidatif strese karşı savunma mekanizması oluşturur. Antioksidan enzim Aerobik organizmaları süperoksid anyon serbest radikalinin zararlı etkilerine karşı korur. Sitozolik SOD, yapısında Cu ve Zn içerir (CuZn- SOD) Mitokondriyal SOD, yapısında Mn içerir (MnSOD)