BİYOLOJİK OKSİDASYON

Doç.Dr.Remisa GELİŞGEN

OKSİDASYON-REDÜKSİYON REAKSİYONLARI

Elektronların bir atom veya molekülden bir diğerine geçişleri redoks reaksiyonu olarak adlandırılmaktadır.Redoks : e-transferiBu reaksiyonlarda moleküllerden biri elektron kaybederek oksitlenmekte ( yükseltgenmekte ) diğeri elektron kazanarak redüklenmekte ( indirgenmektedir ).Oksidasyon : elektronların kaybıRedüksiyon : 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, FADH2 )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 özellikleriOksidasyon-Redüksiyon reaksiyonları, iki yarıreaksiyonun 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

AH2 + B A + BH2

1. AH2 2H+ + 2e-2. B + 2e- + 2H+ BH2

Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarında; elektron verici moleküller, redüktan (indirgen) ya da redükleyici bileşikelektron alan moleküller oksidan (yükseltgen) veya oksitleyici bileşikRedükleyici ve oksitleyici bileşik birlikte → Konjugeredoks çifti

Örn : Fe+3/ Fe+2

NAD+ / NADHFAD / FADH2

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 ;

Fe2+ + Cu2+ Fe 3++ Cu+

2. H atomları ( H+ + e- ) şeklinde ( FMN ve FAD bağımlıdehidrogenazlar )

AH2 A + 2H+ + 2e-AH 2+ B A + BH2

A/AH2 Konjuge redoks çiftleriB/BH2

3. Hidrit iyonu ( H+ + 2e- ) şeklinde

NAD-bağımlı dehidrogenazlarla meydana gelir.

4. Doğrudan O2 ile reaksiyon

R – CH3 + ½ O2 R-CH 2OHhidrokarbon alkol

İndirgeyici ekivalan:

Reaksiyondaki transfer edilen elektrondur.Biyolojik sistemlerde, yakıt molekülleri enzimatikdehidrogenasyon 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 olasılığınıbelirleyen 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 yönünüönceden 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, güçlüyükseltgen 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 ΔGºvermektedir.ΔGº = -n F (ΔEº)n = tepkimede transfer edilen elektronların sayısıF = Faraday sabiti (96,5 kJ/V.mol)ΔΕº = elektron kabul eden çiftin Εº değeri-elektron veren çiftin Eº değeriΔGº= standart serbest enerjideki değişim

Biyolojik öneme sahip bazı yarı reaksiyonların standartredüksiyon potansiyelleri

Sistem Eo Volt

H+ / H2 -0.42NAD +/ NADH -0.32Liopat ; oks / red -0.29Asetoasetat / 3-hidroksibütirat -0.27Pirüvat / laktat -0.19Oksaloasetat / malat -0.17Fumarat / süksinat +0.03Sitokrom b; Fe+3 / Fe+2 +0.08Ubikinon; oks / red +0.10sitokrom c1; Fe+3 / Fe+2 +0.22Sitokrom a; Fe+3 / Fe+2 +0.29Oksijen / su +0.82

Biyolojik sistemlerde Eº’ , ΔG’e-

Besin maddesi Elektron transport zinciri

O2 e- ADP+Pi ATP(yüksek redüksiyon

potansiyeli ) mitokondri

Oksidoredüktaz’lar

Oksidasyon, redüksiyona katılan enzimler oksidoredüktazlar olarak adlandırılır, 4 gruba ayrılır:

1. Oksidazlar2. Dehidrogenazlar3. Hidroperoksidazlar4. Oksigenazlar

1. Oksidazlar

Hidrojen alıcısı olarak oksijeni kullanarak bir substrattanhidrojenin uzaklaştırılmasını kataliz eder.Reaksiyon ürünü olarak su veya hidrojen peroksit oluşturur.Moleküler oksijen elektron alıcısı olup, oksijen atomları okside ürün yapısında yer almaz.

AH2 ½ O2 AH2 O2

(red)oksidaz

A H2O A H2O2

(oks)

Bakır içeren oksidaz, Sitokrom oksidaz (Sitkrom aa3)

Birçok dokuda yaygın olarak bulunan bir hemoprotein prostetik grup: Hemler ( hemave hema3) ,2CuA CuBMitokondri iç membranında yer alan elektron transport zincirinin (solunum zinciri) son üyesidir.Substrat moleküllerinin dehidrogenazlarla oksidasyonu sonucunda ortaya çıkan elektronları, son alıcıları olan oksijene aktarılmasıreaksiyonunu kataliz eder.Enzim CO, CN- ve H2 S tarafından inhibe edilir.2 molekül Hem içerir, bunların her biri oksidasyon ve redüksiyon sırasında Fe3+ ve Fe2+ arasında dönüşen bir Fe atomu içerir. (Toplam 2 Fe atomu)2CuA ve hema3’e bağlı CuB olmak üzere 3 Cu atomu içerir.

½ O2 + 2 e- H2Ositokrom oksidaz

Oksidazların bir çoğu flavoproteinlerdir:

Flavoprotein yapılı oksidazlar prostetik grup olarak; FMN (Flavinmononükleotid) veya FAD (Flavin adenin dinükleotid) içerir.Riboflavin vitamininden (B2) sentezlenir.FMN veya FAD, kendi apoenzim proteinine oldukça sıkı bağlıdırlarFlavoproteinin aktif bölgesinin bir parçası (prostetik grup)Nikotinamid nükleotidlerinden farklıİzoalloksazin halkası + Ribitol-P: FMN

(şeker alkolü)FMN + AMP : FADHidrojen taşıyıcılarıBirçok 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 oksidatifdeaminasyonu

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) izoalloksazinhalkası indirgenir.Bu indirgenme bir semikinon (serbest radikal) ara ürünüüzerinden 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 FMNH2 ve FADH2oluşmaktadır.

2. Dehidrogenazlar

Hidrojen (e-+H+) alıcısı olarak oksijeni kullanmazlarBaşlıca 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 dönüşümlüO2’nin bulunmadığı ortamda oksidatif olayDehidrogenasyonGlikolizin 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

AH2 taşıyıcı BH2

(red) (oks) (red)

A taşıyıcı-H2 B(oks) (red) (oks)

A için spesifik dehidrogenaz B için spesifik dehidrogenaz

2 gruba ayrılır : a. Nikotinamid koenzimlerine bağımlı dehidrogenazlarb. Riboflavin bağımlı dehidrogenazlar

a.Nikotinamid koenzimlerine bağımlı dehidrogenazlar:( NAD+, NADP+ )NAD+, Nikotinamid adenin dinükleotid veya koenzimlerine bağımlı dehidrogenazlarNADP+ , nikotinamid adenin dinükleotid fosfat koenzimlerine bağımlı dehidrognazlarBazı 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 farklıolarak kendi apoenzimlerine gevşek bağlı olup, serbestçe ve geri dönüşümlü olarak apoenzimlerindenayrılabilmektedirler.Enzime geri dönüşümlü bağlanarak indirgenmekte ve indirgenmiş şekilleri bir enzimden, diğerine kolaylıkla aktarılarak indirgeyici ekivalanları ikinci bir substratataşımaktadırlar.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 (AH2) 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+ + AH2 NADH + H+ + AB + NADH + H+ BH2 + NAD+

AH2 + B A + BH2

Hidrojen atomlarından bir tanesi substrattan 2 e-’lu hidridiyonu (: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 koenzimleriolarakZn: Alkol dehidrogenaz, Gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenaz

b.Flavine bağımlı dehidrogenazlar

FMN veya FAD bağımlıFMN ve FAD kendi apoenzimlerine sıkı bağlıSolunum zincirinde veya solunum zincirine elektron taşınmasıNADH 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 (H2O2 ) kullanarak, diğer bir substratı okside eden ve reaksiyon sonucunda H2O oluşturan enzimlera. Peroksidazlarb. KatalazOrganizmayı zararlı peroksidlere ( H2O2 , lipidhidroperoksidler) karşı korur.Peroksidlerin birikimi → serbest radikal üretimi → hücre membranlarının parçalanması→kanser, ateroskleroz

a. Peroksidazlar

Prostetik grup : apoproteine gevşek bağlı protohemSüt, lökosit, trombosit ve eikozanoid metabolizması ile ilişkili dokularda, bitkilerde

H2 O2 + A H2 peroksidaz 2H2O + 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, H2O2 ’nin çok zararlı hidroksil radikaline (OH•) dönüşümünü engeller.Sitozolde ve daha az oranda mitokondri matriksindebulunur.

H2O2 + 2 GSH GPx 2H2O + GSGGGPx ile katalizlenen bu reaksiyonda H2O2 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 sülfidrilşekline dönüştürülür.

GSGG + NADPH + H+ glutatyon redüktaz2GSH +NADP+

b. Katalaz:

Hemoprotein yapılı antioksidan enzim4 alt birim, her bir alt birime bağlı Fe2+ taşıyan hem grubuToplam 4 hem1molekül H2O2 ’yi elektron verici ve diğer H2O2 molekülüelektron alıcı veya oksidan olarak kullanabilir.H2O2’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

H2O2 kaynakları

Peroksizomal enzimlerKsantin oksidazMitokondriyal elektron transport sistemiMikrozomal elektron transport sistemiSOD 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. Dioksigenazlarb. Monooksigenazlar

a. Dioksigenazlar: Moleküler oksijenin her iki atomunu substrat yapısına eklemektedir.

A + O2 AO2

3-hidroksiantranilat dioksigenaz (Fe)Homogentisat dioksigenaz (Fe)L-triptofan dioksigenaz (triptofan pirrolaz) (Hem)

b. Monooksigenazlar(Karma fonksiyonlu oksidazlar, Hidroksilazlar)

Moleküler oksijenin sadece bir atomunu substratyapısına eklemekte, diğer oksijen atomunu suya indirgemektedir. Bu amaçla ek bir elektron verici veya kosubstrat gerekir.Her iki O2 atomunun indirgeyeceği iki substratagereksinim vardır.

A-H + O2 + ZH2 A-OH + H2O + 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 + H2O + 2 Fe3+

(sitokrom P450 oks)Monooksigenaz ile katalizlenen reaksiyonlarda α-ketoglutarat, FMNH2 ,FADH2 , 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 monooksigenazsistemi ( Hidroksilazlar )

Çok sayıda ilacın hidroksilasyonunu kataliz eder.Benpiren, Aminopirin, anilin, morfin ve benzfetamin gibi ilaçlar bu sistemle metabolizeedilir.Fenobarbital, mikrozomal enzimler ve sitokromP450 oluşumunu indükler.

Mitokondriyal Sitokrom P450 Monooksigenaz sistemi

Steroidal hidroksilasyonlazı katalizler.Adrenal korteks, testis, over ve plasenta gibi steroidüreten 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 radikaliO2•¯Oksijenin tek elektron alınımı ile indirgenmesinden süperoksidanyon radikali oluşur.Mitokondriyal solunum zincirinde ve oksidoredüktazlar ile katalizlenen reaksiyonlarda (ksantin oksidaz, sit p450 monooksigenaz sistemi gibi) yan ürün olarak oluşmaktadır.O2•¯ , 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:O2•¯ , hem grubu içeren hemoglobin ve sitokromlar ile etkileşime girer, bu bileşiklerin yapısında bulunan demir yükseltgenir.

Fe-S grupları ile etkileşime girebilir.

O2 •¯ + sitc ( Fe3+ ) O2 + sit c ( Fe 2+ )

Süperoksid okside olmuş sitokrom c’yiindirgeyebilir.

Süperoksid dismutaz (SOD):

Hasara neden olan süperoksid anyon serbest radikali, süperoksiddismutaz ile ortadan kaldırılır.SOD, süperoksid anyonu dismutasyona uğratır.

•O2 •¯ + O2 •¯ + 2 H+ SOD H2O2 + O2

Bu reaksiyonda süperoksid hem oksitleyici hem indirgeyiciSüperoksid anyon serbest radikali, serbest radikal zincir reaksiyonlarının kuvvetli bir tetikleyicisidir Serbest radikal

SOD, oksidatif strese karşı savunma mekanizması oluşturur.Antioksidan enzimAerobik organizmaları süperoksid anyon serbest radikalinin zararlı etkilerine karşı korur.Sitozolik SOD, yapısında Cu ve Zn içerir (CuZn-SOD)Mitokondriyal SOD, yapısında Mn içerir (MnSOD)