Hidrojen Peroksit Metabolizması

Üç adreste aynı ışık

Cuma, ocağın üçüncü haftası. Bu sabahın işi floresan mikroskobunun ısıtmalı tablasında. Eren üç kültür kabını sırayla yerleştiriyor. Hepsinde aynı insan hücre hattı var ve hücreler aynı algılayıcı proteini üretiyor: hidrojen peroksitle karşılaşınca iki dalga boyundaki parlaklık oranını değiştiren bir floresan protein. Farkı proteinin adresi yapıyor. Peroksizom kabındaki proteinin ucuna pazartesi konuşulan üç harfli sinyal eklenmiş; sitozol kabındaki hiçbir sinyal taşımıyor; mitokondri kabındakinin başına o organele yollayan bir dizi takılmış.

Çarşambanın yirmi altı karbonlu yağ asidi üç kaba aynı anda veriliyor. Kırk dakika sonra peroksizom kabındaki oran 3,1 katına çıkmış; sitozol kabında yalnız 1,2, mitokondri kabında 1,1. "Peroksit doğduğu yerde kalıyor," diyor Eren. Mihriban Hanım ikinci bir şişeyi açıyor: katalazı durduran bir madde. Aynı deneme yinelenince sitozoldeki oran 2,4'e tırmanıyor.

Öğleden sonra sitozol algılayıcılı hücrelere bir büyüme faktörü damlatılıyor. Beşinci dakikada hücrenin kenarında, zarın hemen altında ince bir parıltı beliriyor; çekirdeğin çevresi kıpırdamıyor. On beşinci dakikada parıltı sönmüş. Eşi olan kapta zardaki bir su kanalının geni susturulmuş; orada parıltı belli belirsiz.

Mekanizma

Dört kaynak, dört bölme

Reaktif Oksijen Türleri dersinde peroksidin radikal olmadığını ve yüksüz küçük bir molekül olarak zarı aşabildiğini görmüştük; o derste hücrenin onu üç büyük kaynaktan ürettiği de söylenmişti. Bu kaynakların her biri ayrı bir bölmeye oturur. Peroksizomda oksidazlar elektronu doğrudan oksijene verir; çarşamba her tur bir peroksit bırakmıştı. Mitokondride zincirden sızan süperoksidi Antioksidan Savunma dersinde işlenen mangan dismutaz matrikste peroksite çevirir. Sies'in 2017 Redox Biology derlemesi bu üretimde bile alt bölmeler ayırır: krista boşluğundaki peroksit çoğunlukla kompleks III'ten, matrikstekiler kompleks I ve II'den gelir. ER'de ise L03-P02-M02-D04 dersinde disülfit bağı kurduran zincirin sonunda Ero1'in elektronları oksijene verip peroksit bıraktığını görmüştük.

Dördüncü kaynak kasıtlıdır. Serbest Radikaller dersinde fagositin solunum patlamasını yapan NADPH oksidazı tanımıştık; aynı aileden enzimler başka hücrelerde de zarlarda oturur. Lee, Kwon, Kim ve Rhee'nin 1998 Journal of Biological Chemistry makalesi ile Lennicke ve arkadaşlarının 2015 derlemesi, büyüme faktörüyle uyarılan hücrelerde peroksidin geçici olarak arttığını yazar. Bae ekibinin 1997 makalesinde hücrenin içine katalaz sokulunca bu artış da, büyüme faktörünün başlattığı tirozin fosforilasyonu da kaybolmuştu. Yani hücre bu peroksidi bir hata olarak değil, sinyal zincirinin parçası olarak üretir.

Zar bir süzgeçtir

Peroksidin zardan "geçebilmesi" geçişin kolay olduğu anlamına gelmez. Lennicke ekibi peroksidin zar geçirgenliğinin sudan düşük olduğunu yazar. Orrico ve arkadaşlarının 2022 Journal of Biological Chemistry makalesi peroksidin suyla yağ arasındaki dağılımını ölçerek lipit tabakanın ortasında büyük bir termodinamik engel buldu.

Bu engeli bazı su kanalları kısaltır. Akuaporini Kolaylaştırılmış Difüzyon dersinde tanımlamıştık. Bienert ve arkadaşları 2007'de yirmi dört akuaporini mayada taradı; insan AQP8'i ifade eden mayalar peroksitten daha çok etkilendi ve kanalı tıkayan gümüş iyonu bu etkiyi geri çevirdi. Miller, Dickinson ve Chang 2010'da PNAS'ta memeli hücrelerinde AQP3 ile AQP8'in peroksit girişini hızlandırdığını, klasik AQP1'in hızlandırmadığını gösterdi. Aynı çalışmaya göre büyüme faktörüyle zarın dış yüzünde üretilen peroksidin hücre içine sinyal taşıyabilmesi için AQP3 gerekiyordu. Sies, peroksidi taşıyan bu kanallara ayrı bir ad verildiğini aktarır.

Peroksizom zarı daha belirsiz bir yerdir. Lismont, Revenco ve Fransen'in 2019 International Journal of Molecular Sciences derlemesi peroksizomun peroksit alışverişi yaptığının yalıtılmış organelde, kültür hücrelerinde ve katalazsız farelerin dokularında gösterildiğini, ama bu organele atanmış bir peroksiporin bulunmadığını yazar. Eren'in katalazı durdurduğu kapta sitozolün parlaması bu alışverişin bir yansımasıdır: içerideki yıkıcı susunca dışarı sızan pay büyür. Bu payın kaç olduğuna dair kaynaklarda tek bir sayı yok.

Kim, hangi derişimde

Antioksidan Savunma dersinde katalazın, glutatyon peroksidazın ve peroksiredoksinin peroksidi suya çevirdiğini, peroksiredoksin sisteininin hız sabitinin 10⁶ ile 10⁸ arasında olduğunu görmüştük. Yeni olan, bu enzimlerin hangi derişimde ve nerede devrede olduğudur.

Huang ile Sikes'in 2014 Redox Biology makalesi memeli hücresinde peroksidin baskın yutağının 2-sisteinli peroksiredoksinler olduğunu ölçtü; HeLa hücrelerinde bu enzimlerin onda dokuzundan fazlası sitoplazmadadır. Rhee'nin 2016 Molecules and Cells derlemesi peroksiredoksinlerin peroksidi mikromolün altında bir ilgiyle bağladığını yazar. Karpenko ekibi 2021'de Antioxidants'ta katalazın hem peroksizoma kapalı olduğunu hem de peroksite düşük ilgi gösterdiğini, bu yüzden organelin dışında başlıca yutak olamayacağını yazdı. Huang ile Sikes'in ölçümünde zarı sağlam peroksizomlardaki katalaz dışarıdan gelen peroksidi işleyebiliyordu, ama etkinlik organel zarı deterjanla açılınca belirgin biçimde arttı: zar, peroksidi enzimden kısmen ayırır.

İş bölümünün en açık örneği bakteriden gelir. Seaver ile Imlay 2001'de Escherichia coli'de bir bakteri peroksiredoksininin iz miktardaki peroksidi temizlediğini, ama yaklaşık on mikromolde doyduğunu; peroksit arttığında katalazın devraldığını gösterdi. Memeli hücresinde peroksiredoksin her bölmede vardır; Lennicke ekibi altı üyesinden birinin peroksizomda da bulunduğunu not eder. Katalaz ise peroksizomun kendi yükünü karşılar.

Kaç molekül, ne kadar yol

Sies 2017'de ve 2023'te Science China Life Sciences'taki kısa yazısında hücre geneli peroksidi litrede yaklaşık 10 nanomol olarak tahmin eder ve hücre tipine göre aralığın 1–100 nanomol/L olduğunu yazar. Pazartesi hacmini 5000 µm³ aldığımız hücreyi yeniden kullanalım: 5 × 10⁻¹² litre. 10 nanomol/L'de içindeki molekül sayısı 10⁻⁸ × 5 × 10⁻¹² × 6,022 × 10²³ ≈ 30.000 eder; 1 nanomol/L'de 3000, 100 nanomol/L'de 300.000.

Bu moleküller hücreyi dolaşabilir mi? Difüzyon katsayısını Brown Hareketi dersinde tanımlamıştık. Travasso ve arkadaşlarının 2017 Redox Biology modeli peroksit için 37 °C'de 1,8 × 10⁻⁹ m²/s kullanır; Ledo ekibinin 2022 makalesi de serbest tamponda aynı değeri aktarır. Peroksidi tüketen tepkimenin etkin hızı k ise molekülün tükenmeden önce aldığı tipik yol λ = √(D ÷ k) olur.

Peroksiredoksinin hız sabitini 10⁷, derişimini Travasso ekibinin sitoplazma için kullandığı 50 mikromol/L alalım; Karpenko ekibi mitokondrideki üyesi için 60 mikromol/L aktarır. Etkin hız 10⁷ × 5 × 10⁻⁵ = 500 s⁻¹, ortalama ömür 1 ÷ 500 = 2 milisaniye. Yol √(1,8 × 10⁻⁹ ÷ 500) ≈ 1,9 × 10⁻⁶ metre, yani yaklaşık 1,9 µm. Hız sabitini 10⁸ alırsak etkin hız 5000 s⁻¹'e çıkar ve yol 0,6 µm'ye iner; Travasso ekibinin bulduğu değer budur. Küre sayılırsa hücremizin çapı yaklaşık 21 µm. Kaynaktan 5 µm ötede derişim e^(−5 ÷ 1,9) ≈ 0,07'sine düşer.

Eren'in zar altındaki ince parıltısının açıklaması bu: peroksit doğduğu yerin birkaç mikrometre çevresinde tükenir. Sies bu yerel cepleri "nano bölgeler" diye anar; Lennicke ekibi yıkıcı enzimlerin oluşturduğu dik derişim farklarının sinyali seçici ve yerel tuttuğunu yazar.

Haber nasıl okunur

Reaktif Oksijen Türleri dersinde oksidatif eustres ile distresi ayırmıştık. Sies 2017'de fizyolojik sinyalin yaklaşık 1–10 nanomol/L'de işlediğini, 100 nanomol/L'nin üstünde biyomolekül hasarı başladığını yazar; 2023'teki yazısı da üst eşiği yaklaşık 100 nanomol/L'ye koyar ve bu düzeye yaklaşıldıkça uyum yanıtlarının devreye girdiğini söyler.

Haberi okuyan, belirli proteinlerdeki sisteinlerdir. Lee ekibi 1998'de büyüme faktörüyle uyarılan hücrelerde peroksidin PTP1B adlı tirozin fosfatazın etkin bölgedeki sisteinini büyük olasılıkla sülfenik aside yükseltgediğini, yükseltgenmenin onuncu dakikada en yüksek düzeye ulaştığını ve kırkıncı dakikada tabana döndüğünü bildirdi. Sies ile Rhee de PTP1B'yi bu tür hedeflerin örneği olarak anar. Fosfataz kapandıkça büyüme faktörünün başlattığı fosforilasyon birikir.

Burada bir sorun var. Travasso ekibi bu hedef sisteinlerin peroksitle hız sabitlerini 9 ile 164 arasında verir; Sobotta ekibi 2015'te 1 ile 10 dolayında yazar. En hızlı hedefin yarısını on dakikada yükseltgemek için gereken derişim 0,693 ÷ (164 × 600) ≈ 7 mikromol/L'dir, Sies'in fizyolojik değerinin 700 katı. 10 nanomol/L'de aynı iş 0,693 ÷ (164 × 10⁻⁸) ≈ 4,2 × 10⁵ saniye, yaklaşık beş gün sürerdi.

Kaynaklar iki çıkış önerir. Rhee'ye göre büyüme faktörüyle uyarılan hücrede zardaki lipit sallarına bağlı peroksiredoksin I fosforile edilip geçici olarak kapatılır ve peroksit yalnız o odakta yükselir. Öbür yolda peroksiredoksin peroksidi yakalayıp yükseltgenmiş hâlini yanındaki proteine aktarır. Sobotta ekibi peroksiredoksin-2'nin bu biçimde STAT3'ü yükseltgediğini gösterdi; Gutscher ekibi 2009'da maya peroksidazı Orp1'in yakınındaki floresan proteini aynı yolla yükseltgediğini buldu. Eren'in algılayıcılarının bir türü tam da bu eşleşmeyle kurulur.

Modelin sınırı

• λ hesabı peroksiredoksinin hücrede düzgün dağıldığını ve hep indirgenmiş kaldığını varsayar. Enzim zara toplanırsa ya da yükseltgenip tükenirse yol uzar.
• Hücre dışı ile içi arasındaki fark için Sies kabaca 100 kat, Huang ile Sikes yaklaşık 650 kat verir; içerideki nanomolar değerlerin bir kısmı bu farktan geri hesaplanmıştır.
• Peroksizom zarından geçişin yolu bilinmiyor. Lismont ekibi zardaki küçük molekül gözeneği PXMP2'nin ve PEX11B'nin bu geçiş için gerekli olmadığını buldu.
• Floresan algılayıcıların bir kısmı pH'a da duyarlıdır; Sies bu uyarıyı not eder, Huang ile Sikes ölçümlerinde pH denetimi kullandı.

Bu ders neyi göstermiyor

• Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler.
• Peroksidin aynı hücrede hem haber hem hasar taşıması, dışarıdan antioksidan almanın, bir "oksidatif stres testi" yaptırmanın ya da peroksit içeren herhangi bir uygulamanın bir kişide yarar sağladığını göstermez.
• Peroksit dengesinin bozulması bazı hastalıklarda tartışılır; buradaki hiçbir algılayıcı okuması klinikte bir karar dayanağı değildir.

Ekrandan defter sayfasına

Eren defterin bir sayfasını üçe bölüyor. "Peroksizom: oksidaz doğurur, katalaz yıkar, kapanınca taşar." "Sitozol: peroksiredoksin, 2 ms, 1,9 µm." "Zar altı: büyüme faktörü, AQP3, PTP1B kapanır." Sayfanın altına "10 nM ≈ 30.000 molekül" ve "164 × 600 → 7 µM" yazıyor.

Mihriban Hanım katalaz şişesini rafa geri koyuyor. "Peroksizomun içi hâlâ kör nokta," diyor. "Pazartesi şişedeki enzimin kendisine bakacağız."

Kendini sına

1. 50 nanomol/L peroksit içeren 5000 µm³'lük bir hücrede kaç molekül vardır?
2. Peroksiredoksin derişimi yarıya inerse λ kaç katına çıkar? Neden?
3. Eren'in katalazı durdurduğu kapta sitozol algılayıcısının yükselmesi peroksizom zarı için hangi sonuca izin verir, hangi soruyu açık bırakır?
4. AQP1 ile AQP3'ü peroksit taşıma bakımından karşılaştırın. Alyuvardaki bulgu bu genellemeyi nasıl sınırlar?
5. PTP1B'nin hız sabiti ile Sies'in fizyolojik derişimi bir arada düşünüldüğünde, sinyalin ulaşması için hangi iki düzenek önerilmiştir?

Bir sonraki derse köprü

Katalaz dersi peroksizomun içindeki yıkıcıyı yakından inceleyecek. Dört alt biriminin her birinde demirli bir hem taşıyan bu enzim, iki peroksit molekülünden su ve oksijeni hangi iki adımda çıkarır? Bir molekülün saniyede milyonlarca peroksit çevirebilmesi neden onu düşük derişimde değil, peroksit biriktiğinde öne çıkarır? Pazartesi gördüğümüz uçtaki sinyal ve katlanmış proteinin alımı, dört parçalı bu enzimin organele girişinde nasıl iş görür?