Transcript Mitokondri SR - Orhan Canbolat

REAKTİF OKSİJEN RADİKALLERİNİN
MİTOKONDRİYAL METABOLİZMASI
• . ROS yapımı için üç önemli bölge
(Kompleks I II III) vardır. Bu ROS’ları yıkan
iki majör enzim sistemi MnSOD ve GPX’tir.
Mitokondriyal ROS kesinlikle zararlıdır
birikmeleri halinde hastalık ve genetik
hasar meydana getirir.
• Bu maksat ile ROS yapımı ve yıkımı için
birden fazla kompleks sistemler vardır.
Hangisinin önemli olduğu doku ve
metabolik duruma göre değişir.
• ROS yapım bölgesinden gelen taşıyıcılar
kinetik olarak kontrol edilir. ROS yapımının
ölçüldüğü memeli mitokondriyal
enzimlerden en az dokuz tanesi tespit
edilmiştir.
• Bu dokuz enzim, memeli mitokondrisinde
aynı anda görülür ve ROS yapım
kapasiteleri ekspresyonları doku ve türe
göre değişiklik gösterir.
• Sitokrom b5 redüktaz: Dış mitokondriyal
membrana yakın yerleşimlidir. Bu protein
memeli dokularında yaygın olarak
bulunur. Okside sitoplazmik NAD(P)H ve
indirgenmiş b5 dış membranda bulunur.
Ayrıca serbest askorbil radikallerini
indirger. Bu askorbatlar rejenerasyonu
memeli karaciğerinde saptanır. Bu
enzimler şizofreni hastalarında yüksek
olarak tespit edilmiştir.
Monoaminoksidaz (MAO): Yine dış membrana
yerleşmiş olup aynı anda tüm memeli
dokularında ekspresse olur. H2O2 salgılayan
biyojenik aminlerin katalizini yapar. Beyin
mitokondrisinde monoamin transmitterlerin
dönüşümünde esas rolü oynar. H202 yapım
gücü diğer mitokondriyal kaynaklardan daha
fazladır. MAOlar H202 yapımının iskemik
dokuda, yaşlıda, eksojen aminlerin
oksidasyonunda majör kaynağıdır. Bazı yazarlar
MAO ların artmasıve buna cevap olarak H202
seviyesinin yükselmesinin Parkinson hastalığını
arttırdığını öne sürmektedirler.
• Dihidroorotat dehidrogenaz (DHOH): Memeli
•
dokularında aynı anda ve mitokondrinin iç
zarının dış yüzeyinde yer alır. Pirimidin
sentezinde bir basamak olan dihidrooratatı
orotata çevirir. Doğal bir elektron alıcısı olan
koenzim Q, DHOH yi azaltarak H202 yapar.
Akonitaz: Mitokondriyal matrikste yer alır.
Trikarboksilik asit siklusunda yer alan sitratı
izositrata çevirir. Bu enzim demir-sülfür bağlı
süperoksit tarafından inaktive edilir.
İnaktivasyondan sonra izole akonitaza bağlı
hidroksil yapımı çoğunlukla salınan Fe’e bağlı
görünmektedir.
• Alfa gliserofosfatın dehidrogenazı: İç
membranın dış yüzeyinde yer alır, farelerin
kahverengi yağ dokusu kas, beyin dokusunda
yer alır. Gliserol 3 fosfatı dihidrooksaton fosfata
çeviren FAD içerikli enzim ile oksidasyonu doğal
elektron alıcısı koenzim Q tarafından kullanılır.
Bu reaksiyon lipid metabolizması içerir ve NAD
dan NADH formu oluşur. Bu enzim ekspresyonu
hipertiroid hayvanlarda artar. Fare ve drosofila
mitokondrisi gliserol 3 fosfatı okside ederek
H202 oluştururlar. Mekanik olarak bu
reaksiyonun sonunda drosofilada H202 havuzu
enzim başına olması beklenirken bu havuzun
%30’ Kompleks I tarafından sağlanır.
• Süksinaz dehidrogenaz: İç membranın iç
yüzeyinde yer alan bir flavoproteindir. Koenzim Q
elektron alıcısı olarak görev yaptığı bir
reaksiyonda süksinatı fumarata çevirir. İzole SDH
lipozomda ROS yapabilir çoğunlukla FAD yoluyla
yapılır. Okside süksinatın submitokondriyal
parçası karboksin tarafından inhibe edilir.
Bununla birlikte aynı inhibitör ayrıca antimisine
bağlı ROS yapımını ve ROS yapımını destekleyen
NADH oksidasyonunu süprese eder. Bu iki
reaksiyonun SDH dan bağımsız olduğu
düşünülmektedir. Bunula birlikte SDH’nın intak
solunum zincirinin bir partçası olup olmadığı açık
değildir
• Alfa-ketoglutarat dehidrogenaz kompleksi: İç
membranın matriks yüzüne sıkıca bağlıdır. NAD
ın elektron alıcısı olduğu bir reaksiyonda
ketoglutarat süksinil CoA’ya okside olur. KGDHC
üç ayrı enzimden oluşur: Alfaketoglutarat
dehidrogenaz, süksinil transferaz, lipoamid
dehidrogenaz. Lipoamid dehidrogenaz bir
başka mitokondriyal enzimin pürivat
dehidrogenazın parçasıdır. PDHC ve KGDHC
süperoksit ve hidrojen peroksit oluşturur.
KGDHCden ROS yapımı düşük kullanımlı doğal
elektron alıcısı NAD tarafından stimüle edilir.
KOMPLEKS I’DE ROS YAPIMI
İzole Kompleks I çalışmalarında ROS’un flavin ve
rotenon bölgeleri arasında yapıldığı görüşü vardır.
Ayrıca bu bölgenin süperoksit yapım
bölgelerinden birisi olduğu düşünülmektedir. Bir
başka görüşte Kompleks I’e bağlı ROS yapımının
flavine bağlı olduğu yada kompleksin yarısının
NAD radikallerine bağlı olduğu düşünülmektedir.
Kompleks I’ e bağlı ROS oluşumu ile ilgili üç ayrı
deneysel model vardır. Ters elektron transferi
(RES), rotenona bağlı ROS yapımı, Normal
solunum zincirinde ROS yapımı
• RET; başlangıçta submitokondriyal parçalarla
aypılan deneysel çalışmalarda bulunmuştur.
Mitokondride ROS yapımını gösteren ilk
çalışmalardır. RET solunum zincirinde bir
reaksiyon seti olup elektron taşıyıcıların redoks
potansiyellerine karşı NAD tan Koenzim Q’ya
oksijenin alınmasına izin veren reaksiyonlardır.
Antimisin A ile tedavi edilen sıkı bir şekilde çift
haline getirilmiş submitokondriyal partiküller,
süksinatla gelen RET’e NAD eklenmesiyle çok
sayıda H202 yapımını gerçekleştirirler. Hem NAD
azaltılması hem de ROS yapımı yüksek membran
potansiyeline ihtiyaç duyar, çift olmamış
elektronlardan korunur
İntak mitokondride süksinatın yada alfa
gliserofosfatın oksidasyonu için yüksek membran
potansiyeline ihtiyaç duyar. RET ROS yapımını
yüksek oranda destekler. ROS oluşumu için
yüksek enerjiye ihtiyaç vardır. Transmembran
potansiyelinde %10 indirgenme ROS yapımını
%90 azaltır. Bununla birlikte enerji harcayan
başka bir reaksiyonda da inhibe edilir, örneğin
ATP sentezi, Ca uptake, elektron çift yapısının
bozulması gibi. RET destekli ROS yapımı matriksin
asidifikasyonu ile de süprese edilir, bu durum
Kompleks I’in sağladığı katkı bazik pHda
gerçekleşir. RET destekli ROS yapımı rotenon
tarafından Koenzim Q’dan Kompleks I‘e elektron
transferi önlenerek baskılanır.
• İkinci deneysel çalışma paradigması rotenona
bağlı ROS yapımı; bu durum submitokondriyal
partiküllerde ve intak mitokondride NAD bağlı
substratlarla piruvat, glutamat eklenmiş malat ile
gerçekleşir. Rotenon bağlı ROS yapımı çok yüksek
oranda ve derecede redoks taşıyıcı redüksiyonuna
ihtiyaç duyar. NAD bağlı substratlar açıkça
membran potansiyeli regülasyonuna ihtiyaç
duymazlar. Çünkü bu durum Kompleks I
tarafından inhibe edilir.
• Kompleks I inhibitörlerinin eksikliğinde
ROS yapımı NAD bağımlı substratlarca
yüksek membran potansiyeli ile stimüle
edilir. Bu durum ayrıca Kompleks I’in
proksimalindeki proton pompasıda
bulunan redoks taşıyıcılarının yüksek
derecede redüksiyonu şeklindedir.
Membran potansiyel yüksekliğindeki ROS
yapım hızının bağlılık durumu RET yerine
geçen bir basamak değil termodinmaik
olarak daha önemli bir süreçtir.
Q DÖNGÜSÜ VE KOMPLEKS III’TE ROS YAPIMI
• . Kompleks III mitokondri solunum
zincirinde okside koenzim Q’yu kullanan
bir enzim zinciri olup sitokrom c yi elektron
alıcısı olarak kullanır. Koenzim Q nun
oksidasyonu Q döngüsü olarak adlandırılır.
• Spesifik Kompleks III
inhibitörleri süperoksit
yapımı ve bulunduğu
bölgede çok önemli rol
oynar. Miksotiazol QH2
nin Qo sitesine
bağlanmasını engeller.
Antimisin A Qi sitesine
ikinci elektronun
transferini önler. Kinoldan
elektron transferini
spesifik olarak ISP
(stigmatellin) inhibe eder.
• Süperoksite mitokondri membranının geçirgen
•
•
olduğu son dönem çalışmalarda gösterilmiştir. İç
mitokondri zarı süperoksitin kendine yada H202
eklenmiş haline karşı bir bariyer değildir.
Bir raporda Martin Brand matriks akonitozunun
süperoksit oluşumunu inhibe ettiğini ve
ekstramitokondriyal süperoksit dismutazın bu
durumdan koruduğunu göstermiştir.
Ayrıca Kompleks I ve III’ün her ikisininde
süperoksit yaptığı, I’ in daha çok mitokondriyal
matrikste yaparken III’ün bu işlemi hem matriks
hem de sitozolik yüzeyde yaptığını
göstermişlerdir.
MİTOKONDRİYAL ROS
DETOKSİFİKASYON SİSTEMLERİ
• MnSOD: Mitokondrideki primer ROS yapımına
•
•
karşı olan ikinci defans sistemidir. Bu ernzim
özellikle mitokondri matriksinde yer alır.
Süperoksit radikalini dismutasyonla H202’ye
çevirir. Mitokondrinin demir- sülfür bileşenlerini
süperoksit atağından korur.
Sitokrom C: Süperoksit yakalama kapasitesi
olan, mitokondri membranları arasındaki bölgeye
yerleşen bir moleküldür. Sitokrom C alternatif
olarak mitokondri respiratuvar sisteminde
indirgenme yapar. İndirgenmiş sitokrom C doğal
elektron alıcısı konumundadır.
Katalaz: ROS’tan üretilen H202 hala daha toksik
özellik taşıdığından diğer enzimlerce detoksifiye
edilir. Bu enzimlerden birisi de katalazdır.
Katalaz, H202’yi O2 ve H20’ya çevirir.
• Glutatyon peroksidaz: En çok çalışılan
antioksidan enzimdir. GSH yıkımından sonra H202
ve H20 oluşumuna neden olur. Bu seleno enzim
memeli dokusunda mitokondri matriksi ve
intermembranöz boşlukta yer alır. GPX aktivitesi
karaciğer, böbrek, kalpte en yüksektir. Beyin ve
iskelet kas mitokondrisinde nispeten düşüktür.
Hücresel antioksidan defans sisteminin en önemli
parçasıdır. Ayrıca asıl görevi akut yaygın oksidatif
strese yanıt vermektir. Mitokondride yavaş
yapılan ROS’tan daha öncelikli olarak akut stresi
karşılar.
ROS YAPIM VE YIKIM BALANSI
• Beyin mitokondrisinin H202’yi yaklaşık
6.5nmol/dak mg protein başına ortadan
kaldırdığı gösterilmiştir. Bu yıkım hızı
mitokondride ROS yapım hızının 3-12 katı
kadar olmuştur. Ancak bu ölçüm dışarıdan
verilen H202 nin yıkım hızını gösterir.
Endojen yapılanın yıkımını tam olarak
yansıtmaz.
•
•
Bir çalışmada H202’yi saptayan Horseradish
enzimi mitokondri reaksiyonunun başlangıcında
ve beşinci dakikasında ölçülmüştür. Bu
çalışmadan üç önmeli sonuç çıkarılmıştır:
Sağlam mitokondride en hızlı olarak üretilen
ROS’ları bile kendi ROS ortadan kaldırma
sistemi ile kontrol edebilir. Fonksiyonel ve
yapısal olarak yeterli mitokondri bunu
sağlayabilir.
ROS defans sistemleri mitokondrinin değişik
yapısal bölümlerinde aktivite gösterir. Matriks
içinde ortadan kaldırılan düşük molekül ağırlıklı
solüsyonların dönüşümü mitokondrinin net ROS
miktarını yansıtır. Glutatyon peroksidaz/
glutatyon redüktaz sistemi en önemli ROS
ortadan kaldırma sistemidir. Mitokondriyal
glutatyonun alametisin ile ortadan kaldırılması
hücre yaşamı ile bağdaşmaz.
• Öbür yandan hücre içine giren Ca ROS
ortadan kaldırma sistemlerinden GPX1’i
inhibe etmekte bu durum da ROS miktarı
artışına neden olmaktadır. Bu durum
doğrudan stoplazmada glutatyon, NADPH
ve membran potansiyeli kaybına neden
olur.
İyi mitokondri ATP
kötüsü ise ROS yapar.