Serbest Radikaller

Açılış sahnesi

Giresun'daki hastanenin hematoloji tezgâhında mesai devrine az kalmış, pencereden gelen ışık sararmış. Stajının beşinci haftasındaki Poyraz, eğitim koleksiyonundan boyalı bir kan yaymasını mikroskoba yerleştirmiş, bir nötrofili ortalamaya çalışıyor. Hücrenin loblu çekirdeğinin yanında, sitoplazmasında birkaç küçük koyu nokta var; lamın etiketinde yalnız "fagositoz örneği" yazıyor.

"Bu hücre yuttuğunu nasıl öldürüyor?" diye soruyor Poyraz, gözünü okülerden ayırmadan. "Hafta başında okuduğum bir kitapta, fagositlerin bir enzimle oksijene tek elektron verdiği yazıyordu. Oysa elektron taşıyıcıları konuşurken oksijenin tek elektron alıp süperoksite dönüşmesini zincirden bir sızıntı gibi anmıştık. Aynı şeyi hücre bir yerde kaçırıyor, bir yerde bilerek yapıyorsa, ortada kötü bir şey mi var, bir araç mı?" Şeniz Hanım mikroskobun yanındaki yapışkan not destesinden bir yaprak koparıyor, ortasına tek bir nokta koyuyor ve kâğıdı okülerin yanına yapıştırıyor: "Önce bu noktanın ne olduğunu konuşalım. İyi mi kötü mü, ondan sonra."

Bu derste ne olacak

Radikali orbital kurallarından tanımlayacak, bir bağın iki biçimde kopabildiğini ve radikallerin nereden doğduğunu göreceğiz. Zincir tepkimesini izleyip bir fotonun dalga boyunu ve bir zincirin uzunluğunu hesaplayacağız. Sonunda aynı kimyanın bağışıklık hücresinde ve DNA yapımında bir araç olarak nasıl çalıştığına bakacağız.

Metin

Yalnız kalan elektron

Elektron orbitallerini işlediğimiz derste (L02-P06-M01-D04) iki kural koymuştuk. Pauli dışlama ilkesine göre bir orbital en fazla iki elektron, zıt spinle alır; Hund kuralına göre enerjisi eşit orbitaller dolarken elektronlar önce tek tek yerleşir. Molekül kimyasının büyük kısmı bu yüzden çiftlerle yürür ve çiftin iki elektronu birbirinin spinini dengeler.

Lewis çizimleri bu durumu kolayca gösterir. Klor molekülü ikiye bölündüğünde her klor atomu yedi değerlik elektronuyla kalır; yedi tek sayıdır ve bir elektron eşsiz kalmak zorundadır. Tek sayıda elektron taşıyan her tür bu yüzden radikaldir. Metil radikalinde karbonun çevresinde üç bağ çifti ve bir yalnız elektron durur.

Çift sayıda elektron ise radikal olmamanın güvencesi değildir. Kimyasal bağlar modülünde oksijen molekülünün Lewis çizimine uymadığını, iki eşleşmemiş elektron taşıdığı için sıvı oksijenin mıknatısa yapıştığını görmüştük. Bu iki elektron enerjisi eşit iki bağ karşıtı (antibonding) orbitale Hund kuralının öngördüğü gibi birer birer ve aynı spinle yerleşir. Toplam spini bir olan bu temel hâle üçlü hâl (triplet) denir ve O₂ bu yüzden bir diradikal olarak anılır.

Buna karşın oksijen, elektronları çiftlenmiş organik moleküllerle oda sıcaklığında çok yavaş tepkimeye girer. Spin tepkime boyunca korunmalıdır ve paralel spinli iki elektronu zıt spinli bir çiftle tek adımda buluşturmak kolay değildir; kâğıdın havada kendiliğinden tutuşmaması bu engelden gelir. Oksijenin yakıcılığını ya ısı ya da elektronları ona tek tek veren bir aracı açığa çıkarır.

Bir bağ iki biçimde kopar

Bir kovalent bağ koparken ortak çiftin elektronları ya iki parçaya birer birer dağılır ya da ikisi birden tek parçada kalır; ilki radikal, ikincisi iyon üretir.

Kovalent bağı konuştuğumuz derste (L02-P06-M02-D02) bağ ayrışma enerjisini, her atom kendi elektronunu alacak biçimde bağı koparmanın bedeli olarak tanımlamıştık; o tanım aslında homolitik bölünmenin enerjisiydi. Suda iyonlarına ayrışan bir asit ise heterolitik yolu izler. Hangi yolun seçileceğini çözücü ile bağın polaritesi belirler: su iyonları sararak iyonik yolu kolaylaştırır, gaz hâli ve apolar ortam radikal yolunu.

Homolitik bölünmenin enerjisi ısıdan ya da ışıktan gelebilir. Bağların çoğu ancak iki yüz dereceyi aşan sıcaklıklarda ısıyla kopar; peroksitlerdeki oksijen–oksijen bağı gibi zayıf bağlar ise oda sıcaklığına yakın koşullarda da ayrışabilir ve bu yüzden radikal başlatıcı olarak kullanılır.

Klor molekülünü mavi–yeşil bir fotonun bölebildiğini daha önce hesaplamıştık. Metandaki bir C–H bağı çok daha sağlamdır: iki ayrı derleme tablosunda ayrışma enerjisi mol başına 439 kJ, yani 105 kcal olarak verilir. Molekül başına 439 ÷ 96,485 ≈ 4,55 eV eder. Bu enerjiyi taşıyan fotonun dalga boyu λ = hc ÷ E ile 1239,84 ÷ 4,55 ≈ 272 nm bulunur. Bu morötesi bir ışıktır; görünür ışığın hiçbir fotonu bu bağı tek başına koparamaz. Hesap yine bir eşiktir, çünkü molekülün o dalga boyunu soğurması da gerekir ve metan onu soğurmaz.

Isı ve ışık dışında radikal doğurmanın bir yolu daha vardır: elektronu tek başına taşımak. Elektron Taşıyıcılar dersinde bir flavin ya da kinon halkasının iki elektrondan yalnız birini alıp semikinona dönüştüğünü görmüştük. Çift sayıda elektron taşıyan bir moleküle tek bir elektron eklenir ya da ondan tek bir elektron alınırsa elektron sayısı teke döner ve ortaya bir radikal çıkar. NAD⁺ gibi yalnız hidrür biçiminde, yani çift çift elektron alan taşıyıcılar bu yüzden radikal üretmez. Tek elektronun el değiştirdiği duraklarda ise semikinon gibi radikal ara ürünler doğabilir.

Eksik yeri doldurmak

Eşleşmemiş bir elektron, doldurulmamış bir yer demektir. Radikal, karşısındaki bir bağdan tek bir elektronu, çoğu zaman onunla birlikte bir hidrojen atomunu çekip çiftini tamamlayınca daha düşük enerjili bir hâle iner. Ama karşısındaki molekülü bir elektron eksik bırakır ve yeni bir radikal doğar; radikaller bu yüzden çoğunlukla ortadan kalkmaz, yer değiştirir. Radikal sayısını ancak iki radikalin kendi aralarında buluşup eşleşmemiş elektronlarını yeni bir bağda birleştirmesi azaltır.

Ders kitaplarının standart örneği, metanın ışık altında klorla tepkimesidir. Başlamada morötesi ışık bir klor molekülünü homolitik olarak böler: Cl₂ → 2 Cl·. İlerlemenin ilk adımında bir klor atomu metandan bir hidrojen koparır ve hidrojen klorür ile metil radikali oluşur: Cl· + CH₄ → HCl + ·CH₃. İkinci adımda metil radikali bir klor molekülünden bir klor atomu alır, klorometan oluşur ve bir klor atomu serbest kalır: ·CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·. İkinci adım, birinci adımın tükettiği radikali geri verir; döngü kendi kendini besler. Sonlanmada iki klor atomu yeniden Cl₂ olur, bir metil ile bir klor klorometana, iki metil ise etana dönüşür.

Zincirin verimini zincir uzunluğu anlatır: başlamada doğan her taşıyıcı radikalin sonlanmaya kadar çevirdiği ilerleme döngüsü sayısı. Kurgusal bir kapta ışık beş yüz klor molekülünü bölüyor, bu da 500 × 2 = 1.000 klor atomu eder. Sonlanmaya kadar iki milyon klorometan molekülü oluşuyorsa, her döngü bir klorometan ürettiğine göre zincir uzunluğu 2.000.000 ÷ 1.000 = 2.000 olur. Sayılar örnektir, oranın anlamı ise gerçek: az sayıda foton çok sayıda molekülü değiştirebilir. Zinciri ilerlemenin hızı uzatır, radikallerin birbirini bulma sıklığı kısaltır.

Kararlılık: elektronun nereye yayıldığı

Eşleşmemiş elektronu tek bir atomda sıkışıp kalan bir radikal çok tepkimeye yatkındır. Elektron komşu çift bağlara ya da bir halkaya yayılabiliyorsa radikal daha az isteklidir. Bu yayılma tek bir Lewis çizimine sığmaz; kimyacılar elektronun farklı atomlarda durduğu birkaç çizimi, rezonans yapılarını, birlikte yazar ve gerçek molekülü bunların ortalaması sayar.

Bunun sayısal bir izi bağ ayrışma enerjilerinde görülür. Propen molekülünde çift bağın hemen yanındaki karbondan bir hidrojen koparmak, aynı tablolara göre mol başına 372 kJ ister; metandakinden 439 − 372 = 67 kJ daha azdır. Fark, geride kalan radikalin eşleşmemiş elektronunu çift bağla paylaşabilmesinden gelir. Aynı bağı koparacak fotonun eşiği de buna göre kayar: 372 ÷ 96,485 ≈ 3,86 eV ve 1239,84 ÷ 3,86 ≈ 321 nm. Kararlı radikal üreten bağ zayıf bağdır.

İlk kararlı organik radikal bu ilkenin uç bir örneğiydi. Moses Gomberg 1900'de Michigan Üniversitesi'nde, Journal of the American Chemical Society'de yayımladığı makalede, merkez karbonu üç benzen halkası taşıyan trifenilmetil radikalini tanımladı. Eşleşmemiş elektron rezonansla üç halkaya yayılır. Radikal çözeltide varlığını sürdürür ve kendi dimeriyle dengede durur; bu tür dayanıklı radikallere kalıcı radikal denir.

Ortam da kararlılığı değiştirir. Semikinon elektronunu halkaya yaydığı için sıradan bir karbon radikalinden ılımlıdır, ama çözeltide kısa ömürlüdür: iki semikinon elektron alışverişiyle birini tam yükseltgenmiş, öbürünü tam indirgenmiş hâle çevirir. Flavodoksin gibi bazı flavin proteinleri ise halkaya kurdukları bir hidrojen bağı ve yakındaki bir triptofanla semikinonu tutar, tepkimeye yatkınlığını düşürür.

Radikal bir araç olduğunda

Poyraz'ın mikroskopta baktığı hücre bu kimyanın kontrollü bir kullanımıdır. Nötrofiller ve makrofajlar bir mikrobu yuttuklarında, zarlarındaki NADPH oksidaz enzimi NADPH'ın elektronlarını tek tek oksijene aktarır; bu ani oksijen tüketimine solunum patlaması (respiratory burst) denir. Oluşan türler mikrobun öldürülmesinde görev alır. Enzimin genlerinden birinde kusur taşıyan kişilerde fagositler mikrobu yutar ama patlamayı üretemez; kronik granülomatöz hastalık adıyla bilinen bu kalıtsal tabloda tekrarlayan, ağır enfeksiyonlar görülür. Oluşan türlerin kimliği ve birbirine dönüşmesi, Reaktif Oksijen Türleri dersinin işi olacak.

Aynı kimya DNA yapımına da uzanır. DNA'nın yapı taşları olan deoksiribonükleotitleri, ribonükleotit redüktaz enzimi riboz halkasından bir oksijen çıkararak yapar. Pek çok canlıda kullanılan sınıftaki enzimde bu iş bir tirozin radikaliyle başlar. Radikal küçük alt birimde, iki demir atomunun yanındaki yağlı bir cepte oluşur ve orada son derece dayanıklıdır. Substrat bağlanınca radikal bir amino asit dizisi üzerinden öbür birimin aktif bölgesindeki bir sisteine aktarılır, o sistein de riboz halkasından bir hidrojen koparır.

Yaşlanmayla kurulan bağ ise bir kuram olarak kalmıştır. Denham Harman 1956'da Journal of Gerontology'de, yaşlanmayı hücrelerde normal metabolizma sırasında oluşan radikallerin birikmiş hasarıyla açıklayan bir kuram önerdi. Kuram bugün de tartışmalıdır: bir laboratuvarın farelerde radikal temizleyen enzimlerin genleriyle yaptığı on sekiz ayrı değişiklikten yalnız biri ömrü etkiledi, solucanlarda bu enzimlerden birinin genini silmek ömrü kısaltmak yerine uzattı. Radikallerin hasar verebilmesi, yaşlanmanın başlıca nedeni olduklarını göstermez. O enzimlerin kimyası Antioksidan Savunma dersinin, takviyelerin bu kurama dayanan mantığı da ondan sonraki dersin konusu olacak.

Tek noktalı yapışkan not

Poyraz mikroskobun ışığını kısıyor ve yapışkan notu okülerin yanından alıyor. Şeniz Hanım'ın koyduğu noktanın yanına küçük bir yarım uçlu ok çizip "tek elektron" yazıyor. Altına iki satır ekliyor: "fagosit: bilerek", "zincir: sızıntı". Şeniz Hanım üçüncü bir satır istiyor; Poyraz biraz düşünüp "ribonükleotit redüktaz: saklıyor" yazıyor. Not, lam kutusunun kapağına yapışık kalıyor.

Kendini sına

1. Azot monoksit (NO) molekülünde toplam kaç değerlik elektronu vardır? Bu sayıdan molekülün radikal olup olmadığını nasıl anlarsın?
2. Bir bağın ayrışma enerjisi mol başına 293 kJ ise, onu tek fotonla koparacak ışığın eşik dalga boyu yaklaşık kaç nanometredir?
3. Kurgusal bir kapta bin iki yüz klor atomu başlamada doğuyor ve sonlanmaya kadar altı yüz bin klorometan oluşuyor. Zincir uzunluğu nedir?
4. Heterolitik bölünmeyi su gibi polar bir çözücü neden kolaylaştırır?
5. Semikinon çözeltide kısa, bir protein cebinde daha uzun ömürlüdür. Bu farkı nasıl açıklarsın?

Bir sonraki derse köprü

Bu derste oksijenin bir diradikal olduğunu ama spin kuralı yüzünden elektronları ancak tek tek veren bir aracıyla kolayca tepkimeye girdiğini gördük; fagosit de ona elektronları böyle, birer birer veriyordu. Reaktif Oksijen Türleri dersi bu tek elektronluk basamakları izleyecek. Oksijen elektronları birer birer aldıkça süperoksit, hidrojen peroksit ve hidroksil radikali gibi hangi ara türler doğar, bunlardan hangileri radikaldir ve demir iyonu Fenton tepkimesinde hidrojen peroksitten nasıl daha saldırgan bir tür üretir?