Hücresel redoks – yaşayan kimya Understand article

Çeviren: Esmanur Eren, Hikmet Geckil; Inonu Universitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü. Floresan biyosensörlerlerle canlı hücre kimyasını nasıl izlenebileceğini öğrenin.

İndirgeme ve yükseltgenme (redoks) reaksiyonlarını saf kimya olarak düşünmeye eğilimliyiz. Ancak, organizmalarda redüksiyon elektron kazanma ve oksidasyon ise elektron kaybetmektir. Redoks reaksiyonları çok çeşitli biyokimyasal süreçlerde önemli rol oynarlar. Dengede olmayan hücresel redoks reaksiyonları birçok hastalığa neden olur. Bu nedenle bu reaksiyonlarda denge, sağlık için oldukça önemlidir.

Aşağıdaki iki yarım reaksiyonu göz önünde bulundurun:

C ⇌ C4+ +4e

O2+4e ⇌ 2O2-

Birinde karbon oksitlenir, diğerinde ise oksijen redüklenir. Birlikte, iki denklem basit kimya gibi görünen bir redoks reaksiyonunu tanımlar. Ancak, bu reaksiyon vücudumuzda her zaman gerçekleşir.

Crystal structure of wildtype
Green fluorescent protein
(GFP) from the jellyfish
Aequorea victoria.

Image courtesy of Protein Data
Bank (PDB ID: 1GFL)

Tipik bir redoks reaksiyonu

Redoks reaksiyonunda elektronlar kimyasal türler arasında taşınırlar. Örneğin, bazen demiryolları için kullanılan patlayıcı termit reaksiyonunda elektronlar metalik alüminyumdan ferrik okside geçer:

Fe2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Fe(l)                                                        

Denklemdeki oksijen atomlarını çıkartırsak bu değişim daha da belirginleşmeye başlar:

2Fe3+ + 2Al → 2Al3+ + 2Fe                                                  

Alüminyum atomlarının elektron kaybettiğini (oksitlendiğini) ve elektronların ferrik oksit içindeki demir iyonlarına geçip, onları indirgediğini görebiliriz. Prensip olarak, her redoks reaksiyonu iki yarım reaksiyondan oluşur: oksidasyon yarısını (bu durumda Al / Al3 + çifti), redüksiyon diğer yarısını (burada Fe3 + / Fe çifti) oluşturur.

Biyolojik redoks

Metabolizma

Termit reaksiyonu, spontan (yani kendiliğinden) redoks reaksiyonlarının vücutta yararlı olabilecek enerjiyi serbest bıraktığını gösterir. Makalenin başındaki iki yarım denklem aslında hücresel metabolizmayı tanımlamanın sadece farklı bir yoludur. Bir şey yediğiniz zaman, yiyecek glikoz gibi şekerlere ayrılır. Hücrenin içinde, bu şekerler oksitlenir, elektronlar O2‘ye aktarılır. Denklemi yazmak için alternatif bir yol şudur:

C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) + enerji

Bu denklemde, 48 elektron, şekerdeki karbon atomlarından oksijen atomlarına hareket ederek, yol boyunca daha fazla redoks reaksiyonunu sürdürecek enerjiyi serbest bırakırlar. Bu reaksiyonlarda dengenin korunması, normal hücresel işlev için kritik önem taşır; Denge reaksiyonun her iki tarafından da çok uzaklaşırsa, hastalık gibi istenmeyen sonuçlar doğabilir.

Şekil 1. Yabani tip (üstte) ve prob içeren (altta) hücreler. Prob, mayada sitoplazmayı hedef alır ve 488 nm’de ışıkla uyarıldığında yeşil renk verir.
Şekil Prince S. Amponsah (DKFZ Heidelberg) izni ile

Hücresel iletişim

Oksijen içeren kimyasal olarak reaktif moleküller, reaktif oksijen türü (ROS) olarak bilinen ve bir hücrenin redoks durumunu değiştiren, hücresel metabolizmanın istenmeyen ve zararlı yan ürünleri olarak kabul edilmişlerdir. Normalde, hücrelerdeki sitoplazma indirgenmiş halde tutulur; Kanser de dahil olmak üzere çeşitli hastalıklarda ise daha bu ortamda oksitlenmiş bir duruma kayma söz konusudurw1.

Bununla birlikte, bazı ROS’ların sinyal molekülleri olarak önemli yararı vardır ve bu nedenle sağlık için oldukça hayati öneme sahiptirler. Hücreler, iletişim kurmak için binlerce farklı ROS molekülünü sinyal araçları olarak kullanırlar. Örnek olarak, kontrollü bir şekilde üretilen ve yara iyileşmesi, yaşlanma, iltihap ve programlanmış hücre ölümü (apoptoz) gibi süreçlerde rol oynayan süperoksit (O2), hidrojen peroksit (H2O2) ve nitrik oksit (NO.) verilebilir.

Redoks ve kanser

Kanserde hücreler kontrolsüz bir şekilde bölünür ve proteinler garip şekilde davranırlar. Örneğin beklenmedik şekilde ortaya çıkar veya kaybolurlar. Redoks tepkimeleri kanser oluşumunu DNA’mızı  bozarak yaparlar. ROS’lar kanseri teşvik eden genleri (onkogenler) aktive ederken, tümör baskılayıcı genleri deaktive edebilirler. ROS ayrıca proteinleri oksitleyebilir, doğrudan yapısını ve dolayısıyla işlevini değiştirebilir. Bu proteinler hücrelerin bölünmesi veya hareketi için önemliyse, kanser ortaya çıkabilir.

Tümör geliştikten sonra, redoks mekanizmaları da tedavi için kullanılabilir. Birçok anti-kanser ilacı, habis hücrelerdeki ROS üretimini arttırarak tümörlere saldırır. Bununla birlikte, kanser hücreleri tipik olarak antioksidan savunma sistemlerinin üretimini arttırır ve böyle bir etkiye direnç gösterir.

Bu nedenle, redoks mekanizmaları ilaç tedavilerinde terapiye karşı bir direnç olarak ortaya çıkabilir. Tümörlere etkili bir şekilde saldırmak için, bu ilaçlar vücudun taşıma proteinlerini kullanarak hedeflerine ulaşır (örn., habis hücrelerin olduğu yerlerde). Ancak, redoks reaksiyonları bu proteinleri değiştirebilir, böylece onları işlevsiz kılarak terapinin çalışmamasına sebep olabilirler.

Bunlar, biyolojik redoks reaksiyonlarını ve hücrelerin redoks dengesine nasıl ulaştıklarını anlama ve böylece kansere karşı mücadelede yardımcı olabilir.

Şekil 2 Orp1-roGFP2 prob mekanizmasının oksitlenirken verdiği reaksiyon.
Şekil Prince S. Amponsah (DKFZ Heidelberg) izni ile

Redoks reaksiyonlarına ışık tutmak

Sağlıklı ve hastalıklı hücrelerde farklı faktörlerin nasıl etkileştiğini anlamak için,  yeşil fluoresan protein (GFP) olarak bilinen ve floresan bir ışık yayan denizanası proteininin versiyonlarını kullanarak hücrelerdeki redoks işlemlerini görselleştiririz. 1960’lı ve 1970’li yıllarda, araştırmacılar denizanasında (Aequorea Victoria) GFP keşfetti ve onu farklı renkler üretmek üzere değiştirdi. Bu çalışma daha sonra Kimya’da Nobel Ödülü’ne layık görüldüw2.

Biraz genetik kullanarak, hücrelerin redoks durumlarını izlemek için hücrelerde GFP’ye dayalı floresan biyosensörler üretebiliriz. Bu tür bir biyosensör, roGFP2 olarak bilinen bir çeşit GFP varyantı olup, belirli hedeflere ulaşmak için farklı protein segmentleri ile modifiye edilmiştir. Örneğin, hücredeki belirli konumlara (ör., sitozol veya mitokondriye) hedeflenebilir (şekil 1). Alternatif olarak, belirli bir redoks molekülü için özel bir biyolojik sensör, bu redoks türü ile reaksiyona giren spesifik bir protein segmenti eklenerek üretilebilir.

Şekil 3 İndirgenmiş (sarı) ve yükseltgenmiş (mavi) probun floresan yanıtı

Hücredeki H2Oseviyesini belirlemek için , Orp1-roGFP2 sensörünü kullanırız (şekil 2). Biyosensörün Orp1 bölümünüb sülfürü peroksitle tepkimeye girer ve protein oksitlenir, böylece proteinin şeklini değiştiren ve ölçülen aralıktaki fluoransını  düşüren disülfit köprüleri oluşur (şekil 3).

Bu modifiye edilmiş GFP proteinlerini kullanarak, hem sağlıklı bireylerde hem de kanser hastalarında, redoks türünün hücrelerde nereye gittiğini ve bu hücrelerde redoks durumunun nasıl etkilediğini veya koruduğunu gerçek zamanlı olarak görebiliriz. Bu, sağlıkta veya kanser durumunda hücrelerin dinamiklerini anlamamıza yardımcı olabilir. Belki bir gün hastalığa yeni tedaviler önermek için bulgularımızı kullanabiliriz.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Alman Kanser Araştırma Merkezi (DKFZ) profesörü Tobias Dick’in grubu normal ve kanser hücrelerindeki redoks düzenlenmesini incelemektedir. Araştırma hakkında daha fazla bilgi için: www.dkfz.de/en/redoxregulation/index.php
  • w2 – GFP’nin keşfi ve geliştirilmesi ve bu iş için Kimya alanında verilen 2008 Nobel Ödülü hakkında daha fazla bilgi için Nobel Ödül web sitesinden ulaşılabilir:  http://tinyurl.com/7y8df4s

Resources

Author(s)

Prince S Amponsah Alamanya Heidelberg üniversitesinde master öğrencisidir. Gana Üniversitesi’nde biyokimya alanında yüksek lisans yapmış ve ve Ekim 2013 Heidelberg Üniversitesi’nin moleküler biyoloji programına ve Alman Kanser Araştırma Merkezinde kanser biyolojisi bölümüne katılmıştır. Prince aynı zamanda Şubat ve Ağustos 2014 tarihleri arasında School of Science‘da öğrenci asistanı olarak çalışmıştır.


Review

Canlı hücrelerde gerçekleşen redoks reaksiyonlarını anlamak yaşlanma, enflamasyon (yangı), apoptoz ve kanser gibi birçok hücresel mekanizmanın anlaşılması açısından önemlidir.

Bu makale, bazıları GFP’ye dayanan biosensörlerin, redoks reaksiyonuna katılan kimyasalların seviyesini tespit etmede ve bu nedenle hücrelerin dinamiklerini anlamak için nasıl kullanılabileceğini gösteriyor.

Makale moleküler biyolojide kullanılan laboratuvar tekniklerini açıklamak ve antioksidanların rolü ve biyolojide GFP kullanımı tartışmaları için temel oluşturmak için kullanılabilir.

  • Hücresel solunumda hangi element oksitlenir ve hangi element indirgenir?
  • 48 elektronun hücresel solunumda nasıl alıp-verildiğini gösterin.
  • Reaktif oksijen türleri nelerdir?
  • Hücrede süperoksit, hidrojen peroksit ve nitrik oksitin rollerini tanımlayın.
  • Reaktif oksijen türünün kanser tedavisinde nasıl kullanılabileceğini açıklayın.

Monica Menesini, Liceo Scientifico A Vallisneri, Italya




License

CC-BY
CC BY