Reaktif Oksijen Türleri

Açılış sahnesi

Giresun'daki hastanenin mikrobiyoloji laboratuvarında sabah ekimleri bitmiş, güvenlik kabininin fanı hâlâ uğulduyor. Stajının altıncı haftasındaki Poyraz'ın önünde iki kanlı agar plağı var; kapaklarında öğretim koleksiyonunun etiketleri okunuyor: birinde pozitif kontrol olarak tutulan bir stafilokok, öbüründe negatif kontrol olarak tutulan bir streptokok. Poyraz steril bir çubukla ilk plaktan aldığı koloniyi lama sürüp üstüne bir damla hidrojen peroksit bırakıyor. Damla bir anda köpürüyor. İkinci lamda damla sessizce yayılıp duruyor.

"Kabarcıklar oksijen," diyor Poyraz, lamı ışığa tutarak. "Bakteri peroksidi suya ve oksijene ayırıyor. Protokol, agardan lama kan taşınırsa negatifin de köpürebileceğini yazıyor; alyuvarlarda aynı enzim var. Demek bizim hücrelerimiz de bu maddeyi bekliyor. Oysa peroksit oksijenin kendisinden yapılmış bir şey. Hücre neden hem onu üretiyor hem de parçalayacak bir enzim taşıyor?" Şeniz Hanım cevap vermeden cam kalemini alıyor, boş bir petri kapağının üstüne soldan sağa O₂ ve H₂O yazıyor, aralarına eşit aralıklarla dört küçük ok çiziyor: "Önce bu okların arasına ne düştüğünü bulalım."

Bu derste ne olacak

Oksijenin suya giderken tek tek aldığı dört elektronu izleyip her durakta oluşan türü adlandıracak, hangisinin radikal olduğunu ayıracağız. Basamak potansiyellerini toplayıp dört elektronlu değere ulaşacağız. Ardından demirin peroksitten hidroksil radikali ürettiği tepkimeye, bu türlerin kaynaklarına ve peroksidin haberci rolüne bakacağız.

Metin

Dört elektronun durakları

Elektron Taşıyıcılar dersinde oksijenin suya tam indirgenmesini O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O diye yazmış, sitokrom c her gelişinde tek elektron taşıdığı için bir oksijen molekülünün dört teslimat beklediğini saymıştık. Zincirin sonundaki kompleks IV bu dört elektronu oksijen enzime bağlıyken tamamlar; ders kitapları, oksijen–oksijen bağının hızla koptuğunu ve süperoksit verecek bir ara ürünün serbest kalmadığını yazar. Oksijene elektronu enzimin dışında birer birer veren bir aracı ise ara durakları açığa çıkarır.

Duraklar sırayla şöyledir. Oksijen ilk elektronu alınca süperoksit anyonu (O₂•⁻) olur. İkinci elektron ve iki protonla hidrojen peroksit (H₂O₂) oluşur. Üçüncü elektron peroksidin oksijen–oksijen bağını koparır ve bir su molekülüyle birlikte hidroksil radikali (•OH) doğar. Dördüncü elektron ve bir proton hidroksili de suya çevirir. Oksidasyon ve indirgenme dersinde sorulan bir soru burada anlam kazanır: peroksitte oksijenin basamağı −1'dir. Oksijenin basamağı O₂'de 0, süperoksitte ortalama −½, peroksitte −1, sudaysa −2'dir; her elektron basamağı yarım birim aşağı iter.

Hangisi radikal

Serbest Radikaller dersindeki ölçüt burada doğrudan uygulanır: elektronları sayıp eşleşmemiş olanı ararız. Süperoksit, O₂'nin iki yalnız elektronundan birinin eş bulmasıyla oluşur; on üç değerlik elektronu vardır, biri eşsiz kalır ve tür bir eksi yük taşır. Hem radikal hem anyondur. Proton alınca hidroperoksil radikaline (HO₂•) döner, ama bu dengenin pKa'sı 4,8 dolayındadır ve pH 7'de türün çoğu anyon hâlinde kalır. Adının çağrıştırdığı kadar saldırgan değildir; organik moleküllerin çoğuyla yavaş tepkimeye girer ve daha çok metal iyonlarına elektron veren bir indirgen gibi davranır.

Hidrojen peroksitte bütün elektronlar çiftlenmiştir; bu yüzden radikal değildir ama ailenin üyesidir. Serbest Radikaller dersinde peroksitlerdeki oksijen–oksijen bağının zayıf olduğunu ve radikal başlatıcı olarak kullanıldığını görmüştük. Hidrojen peroksit kendi başına organik moleküllerin çoğuyla çok yavaş tepkimeye girer, yüksüz ve küçük olduğu için zarlardan geçebilir. Onu tehlikeli kılan, zayıf bağının doğru bir elektron vericiyle karşılaştığında kopabilmesidir. Hidroksil radikali ise yedi değerlik elektronuyla açık bir radikaldir ve ailenin en saldırgan üyesidir.

Basamakların potansiyeli

Redoks Potansiyeli dersinde oksijenin suya indirgenmesinin pH 7'deki standart potansiyelini +0,816 V bulmuş, 1,229 − 0,414 hesabıyla da 0,815'e ulaşmıştık. Dört elektronun her biri için ayrı bir potansiyel yazılabilir. Koppenol ile arkadaşlarının 2010'da Free Radical Biology & Medicine'de yayımladığı derleme, gaz hâlindeki oksijenin süperoksite indirgenmesi için −0,35 V, peroksitten hidroksil radikaline geçiş için +0,39 V, hidroksil radikalinin suya indirgenmesi için +2,31 V verir. Buettner'in 1993'te yayımladığı ve hâlâ yaygın kullanılan sıralama tablosu son basamakta aynı +2,31'i yazar; peroksit basamağı için +0,32 verir ve süperoksit basamağını çözünmüş oksijene göre −0,16 olarak listeler. Oksijeni gaz yerine çözünmüş hâlde standart almak ilk basamağı yaklaşık 0,17 V yükseltir; tablolar arasındaki farkın bir kısmı bu seçimdendir.

Potansiyeller elektron başına serbest enerjiyi temsil ettiğinden dört basamağın toplamı dört elektronlu yolun toplamına eşit olmalıdır: 4 × 0,815 = 3,26 V. Bilinen üç basamağın toplamı −0,35 + 0,39 + 2,31 = 2,35 V olduğuna göre ikinci basamak için 3,26 − 2,35 = 0,91 V kalır. Aynı sayıları ikişer ikişer toplayarak yolu iki büyük adıma bölebiliriz. Oksijenden peroksite ortalama potansiyel (−0,35 + 0,91) ÷ 2 = 0,28 V, peroksitten suya (0,39 + 2,31) ÷ 2 = 1,35 V olur ve ikisinin ortalaması (0,28 + 1,35) ÷ 2 ≈ 0,815 V'tur. Yolun ikinci yarısı enerjinin çok büyük kısmını taşır.

Tabloda göze batan satır ilk basamaktır. Potansiyeli eksi olduğu için oksijene tek elektron vermek ancak güçlü bir tek elektron vericisiyle mümkündür. Sitokrom c'nin +0,254 V'luk çiftinden süperoksite geçiş −0,35 − 0,254 = −0,604 V'luk bir yokuştur; bu yüzden sitokrom c oksijene doğrudan elektron sızdırmaz. Zincirin başındaki, NADH'a yakın potansiyelli duraklar, örneğin kompleks I'in indirgenmiş flavini, bu yokuşun dibine çok daha yakındır. Nernst denkleminin öngördüğü gibi, NADH'ın NAD⁺'ya oranı yükseldikçe bu durakların potansiyeli daha da eksiye kayar.

İlk çarptığı molekül

+2,31 V, ölçeğin neredeyse en üstüdür; hidroksil radikali karşısına çıkan hemen her molekülden bir elektron ya da bir hidrojen atomu koparabilir. Kovalent Bağ dersinde (L02-P06-M02-D02) suyun ilk O–H bağını koparmanın mol başına 497,1 kJ istediğini görmüştük. Tersinden okunursa, hidroksil radikali bir hidrojen atomu alıp su olduğunda aynı enerji açığa çıkar. Metanın mol başına 439 kJ'lük C–H bağından hidrojen kopardığında fark 497,1 − 439 = 58,1 kJ'dür; molekül başına 58,1 ÷ 96,485 ≈ 0,60 eV eder. Serbest Radikaller dersindeki alil hidrojeninde fark 125,1 kJ'e çıkar; hidroksil radikali için "fazla sağlam" bir C–H bağı neredeyse yoktur.

Hız da buna uyar. Hidroksil radikalinin organik moleküllerle hız sabitleri litre başına mol ve saniye başına 10⁹ ile 10¹⁰ arasındadır; bu, iki molekülün suda çarpışabildiği hızın sınırına yakındır ve tepkimeye difüzyonla sınırlı denir. Reaksiyon Hızı dersindeki birinci derece yarı ömür bağıntısı burada iş görür. Radikalin çevresinde litrede onda bir mollük tepkimeye hazır molekül bulunduğunu varsayarsak, etkin hız sabiti 10¹⁰ × 0,1 = 10⁹ s⁻¹ olur ve yarı ömür 0,693 ÷ 10⁹ ≈ 7 × 10⁻¹⁰ saniyedir. Varsayım kabadır, ama sonuç yayımlanmış tahminle aynı mertebededir: canlı dokuda hidroksil radikalinin yarı ömrü 10⁻⁹ saniye dolayında verilir. Radikal oluştuğu yerin birkaç molekül ötesine gidemeden bir şeye çarpar.

Aynı düşünce deneyi hidrojen peroksit için bambaşka bir sayı verir. Peroksidin serbest sisteinle hız sabiti on mertebesindedir; aynı varsayımla etkin sabit 10 × 0,1 = 1 s⁻¹, yarı ömür 0,693 ÷ 1 ≈ 0,7 saniye çıkar. İki hız sabitinin oranı 10¹⁰ ÷ 10 = 10⁹'dur. Hidroksil radikali seçici değildir, ilk çarptığını bozar; peroksit ise yol alabilir ve yalnız ona özel olarak hazırlanmış hedeflerle hızlı tepkimeye girer.

Demir sahneye girdiğinde

İngiliz kimyacı Henry Fenton 1894'te Journal of the Chemical Society'de, tartarik asidin demir varlığında hidrojen peroksitle yükseltgenmesini bildirdi. Bugün onun adıyla anılan tepkime şöyle yazılır: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + •OH + OH⁻. Demir peroksite tek elektron verir ve zayıf oksijen–oksijen bağı kopar. İyonlar dersinde (L02-P06-M01-D06) demirin ikinci ve üçüncü iyonlaşma enerjileri arasındaki sıçramanın küçük olduğunu, 3d⁶ ile 3d⁵ dizilimleri arasında kolayca gidip geldiğini görmüştük. Demiri iyi bir tek elektron vericisi yapan bu esnekliktir.

Tepkimenin bir döngüye dönüşmesi için Fe³⁺'ın yeniden Fe²⁺'ya indirgenmesi gerekir; süperoksit bunu yapabilir: Fe³⁺ + O₂•⁻ → Fe²⁺ + O₂. İki adım toplandığında demir sadeleşir ve net tepkime O₂•⁻ + H₂O₂ → O₂ + •OH + OH⁻ kalır. Fritz Haber ile öğrencisi Joseph Weiss, demir tuzlarının hidrojen peroksidi katalitik ayrıştırmasını 1934'te Proceedings of the Royal Society'de ayrıntılı bir makaleyle inceledi ve net tepkime onların adıyla anılır. Tepkime potansiyeller bakımından yokuş aşağıdır ama demirsiz hâli pratikte işlemez; 1970'lerde ölçülen hız sabiti bir mertebesinde ya da daha küçüktür. Koppenol 2001'de yayımladığı tarihsel derlemede, zarar veren adımın süperoksitle peroksidin buluşması değil demirin Fenton adımı olduğunu vurguladı.

Demirin hücrede ve kanda serbest dolaşmaması bu kimyayla anlaşılır. Kanda transferrin her molekülünde iki Fe³⁺'ı son derece sıkı bağlar. Hücre içinde ferritin gelen Fe²⁺'yı Fe³⁺'a çevirip kabuğunun içinde mineral bir çekirdek hâlinde saklar. İki durumda da demir, peroksite tek elektron verebileceği serbest Fe²⁺ biçiminden uzak tutulur.

Nereden çıkarlar

Mitokondride süperoksit, zincirin tek elektronlu duraklarında oksijene erken sızan elektronlardan doğar. Murphy 2009'da Biochemical Journal'da yayımladığı derlemede, yalıtılmış mitokondride bu üretimin çoğunlukla kompleks I'den geldiğini, en çok da mitokondri ATP yapmadığında ve NADH oranı yüksek olduğunda arttığını, ATP üreten mitokondride ise çok daha düşük kaldığını yazdı. Aynı derleme, yalıtılmış organelden canlı dokudaki üretimi tahmin etmenin yanıltıcı olduğunu vurgular; sızan elektronların payı için tek bir sayı bu yüzden verilmiyor.

Fagositlerin zar enzimi NADPH oksidazı Serbest Radikaller dersinde görmüştük; bu enzim oksijene tek elektronu bilerek verir ve ürünü süperoksittir. Üçüncü büyük kaynak, adını bu maddeden alan peroksizomdur. Christian de Duve'ün 1960'larda tanımladığı bu organelde bazı oksidazlar substrattan hidrojen koparıp doğrudan oksijene vererek hidrojen peroksit üretir. Aynı organel, Poyraz'ın lamında kabarcık çıkaran enzimi de taşır.

Zarar mı, haber mi

Sies, Berndt ve Jones 2017'de Annual Review of Biochemistry'de oksidatif stresi iki yüzlü bir kavram olarak tanımladı. Oksitleyici yük aşırıya kaçtığında biyomoleküller hasar görür; Sies bunu oksidatif distres diye adlandırır. Fizyolojik düzeyde tutulan bir oksitleyici yük ise redoks sinyali yoluyla hücrenin işleyişini yönetir ve oksidatif eustres adını alır. Aynı yıl Redox Biology'de yayımlanan bir derleme, bu sinyalin baş aktörü olarak hidrojen peroksidi gösterir: peroksit, belirli proteinlerdeki özel olarak hazırlanmış sistein kükürtlerini yükseltger ve proteinin işlevini geri döndürülebilir biçimde değiştirir. Yavaş ve seçici peroksidin haberci olabilmesiyle hızlı ve seçici olmayan hidroksil radikalinin olamaması aynı kimyadan gelir.

Kapaktaki dört ok

Poyraz iki lamı dezenfektan kabına bırakıp petri kapağını önüne çekiyor. İlk okun altına "O₂•⁻, radikal, −0,35" yazıyor; ikincinin altına "H₂O₂, radikal değil", üçüncünün yanına küçük bir "Fe²⁺" ve "•OH", dördüncünün altına "+2,31" ekliyor. Şeniz Hanım H₂O₂'nin altından biri O₂'ye geri, öbürü H₂O'ya ileri giden iki kavisli ok çekiyor: "Lamdaki kabarcıklar, peroksidin bir kısmı geri dönerken çıktı." Poyraz iki kavisin arasına bir soru işareti koyuyor; kapak, test kayıt defterinin arasına kaldırılıyor.

Kendini sına

1. Süperoksitte, peroksitte ve hidroksil radikalinde oksijenin yükseltgenme basamağı kaçtır? Hangileri radikaldir, nasıl anlarsın?
2. Oksijenin süperoksite indirgenmesi −0,35 V, NAD⁺/NADH çiftininki −0,320 V ise NADH'tan oksijene tek elektronun geçişi standart koşullarda ne kadarlık bir potansiyel farkı gösterir? NADH oranı artınca bu fark hangi yöne kayar?
3. Hidroksil radikalinin çevresinde litrede 0,1 mol yerine 0,01 mol tepkimeye hazır molekül olsaydı, 10¹⁰'luk hız sabitiyle yarı ömür ne olurdu?
4. Fenton tepkimesinde demir yükseltgenir mi indirgenir mi? Haber–Weiss net tepkimesinde demir neden görünmez?

Bir sonraki derse köprü

Bu derste dört elektronun yolunu izledik ve hücrenin Fenton adımını demiri bağlı tutarak nasıl kısıtladığını gördük. Süperoksidin ve peroksidin kendisinin hücrede nasıl temizlendiği Antioksidan Savunma dersinde ele alınacak. Elektron Orbitalleri dersinde bakırın elektron taşıdığı, çinkonun yapıyı sabitlediği enzim olarak andığımız bakır-çinko süperoksit dismutaz, iki süperoksidi hangi adımlarla oksijene ve peroksite çevirir? Lamdaki kabarcıkları çıkaran katalaz ile glutatyon peroksidaz aynı peroksidi hangi yollarla suya indirger ve glutatyonun kükürdü bu işte nasıl bir elektron vericisi olur?