Lizozomlar: Hücrenin İntihar Torbaları

Lizozom-Header

Hücrenin önemli bir organeli olan lizozomlar 1955 yılında Belçikalı biyokimyacı Christen de Duve tarafından keşfedilmiştir. Sürekli dondurulup çözdürülen hücrelerin salgıladığı bir enzimin farklı organelden geldiğini ortaya çıkarmış ve bu organele Lizozom adını vermiştir. Bu organellerin, bakteri ve yıpranmış hücrelerin parçaları gibi farklı tipteki materyallerin ayrıştırılmasında önemli işlevleri olduğunu keşfetmiştir. Bu keşfi nedeniyle 1974 Nobel Tıp ödülüne layık görülmüştür 1.

Lizozomlar, hücreler ölmek üzereyken hücreleri çözme işlevine hizmet eden organellerdir (otofaji). Lizozomlar hücrenin atıklarını ortadan kaldıran sistemi olarak bilinir ve hem hücrenin dışından hem de hücre içindeki eski bileşenlerden sitoplazmada istenmeyen maddeleri sindirerek hareket ederler. Hemen hemen tüm ökaryotik hücrelerde bulunan fosfolipid yapısında tek katmanlı membranı bulunan sitoplazmik organellerdir. Golgi cisimciğinde üretilirler. Büyüklükleri ve şekilleri bulundukları hücreye bağlı olarak değişkenlik gösterir. Ancak şekilleri genel olarak dairesel yapıdadır. Tek katmanlı membranın yapısında, lümen ile organel arasındaki transport sistemleri, elektrojenik proton pompası ve membran proteinleri yer almaktadır 2. Bunlar, endozomal/lizozomal sistemin başlıca degradatif kompartımanı ve proteinler, glikokonjugatlar, lipidler ve nükleik asitler gibi çeşitli makromoleküllerin yapı bloklarına ayrıldığı endositik yolakların terminal kısmıdır. Hücreler içerisinde makromoleküllerin yıkımı ve geri dönüşümünü etkileyen membran dinamikleri, homeostazın korunmasında kritik bir rol oynar. Degredasyona uğramış makromoleküller endozomal/lizozomal sisteme bu yolakların terminal kısmından girebilir 3.

Lizozomların 60’tan fazla farklı enzim içerdikleri bilinmektedir. Sitoplazmanın pH’sı 7.4 iken lizozomlar içerisindeki optimal pH 4.5-5’tir. İçeriğindeki enzimler asit hidolaz sınıfıdır ve asidik ortamda aktifken bazik ve nötral ortamlarda aktivite göstermezler. Bu özellikleri sayesinde hücreye genel olarak bir koruma sağlarlar. Lizozomal enzimlerin kontrolsüz bir şekilde sitoplazmaya sızarak hücrenin sindirilmesi önlenmiş olunur. Lizozomal enzimlere nükleazlar, proteazlar, glikozidazlar örnek olarak verilebilir. Lizozomlar içindeki asidik ortamın korunmasında, lizozomal membranda bulunan hidrojen (proton) pompası rol oynar. Proton pompası, aktif transport ile sitozolden lümene hidrojen iyonlarını pompalayarak asidik ortamı sabit halde tutar. Lizozomal membranlarda çok sayıda glikoprotein bulunmaktadır. Özellikle membranın lümene bakan yüzündeki proteinler yüksek oranda glikozillenmiştir. Glikoproteinler glikokaliks yapısı oluşturarak lizozomu asit hidrolazların etkisinden korur 4.

Başlıca Görevleri
Lizozomal enzimler protein, DNA, RNA, polisakkaritler ve lipidleri hidrolize ederler. Bunun yanında hücre içine giren bakteri, virüs otomatik parçalama işlemiyle sindirmekten sorumludurlar. Hücre hasar gördüğünde, lizozomlar patlayabilir ve enzimler kendi hücrelerini sindirebilirler. Bu nedenle, lizozomlar hücrenin intihar torbaları olarak da bilinir. Ancak bu özellik, bir hücre hasar gördüğünde veya hücrenin bölümleri artık fonksiyonelliğini kaybettiği zaman devreye girer. Yani, yaşlı hücreleri ve gerekli olmayan yapıları, moleküllerin tekrar kullanılabilmesi amacıyla parçalar. Apoptoz; programlanmış hücre ölümüdür. Bu sistem sayesinde vücut için gerekli olmayan hücreler ya da görevini tamamlayanlar hücre içinde programlanarak sindirilir. Lizozomların ve lizozomal proteazların, apoptoz sırasında hücreler için intihar eden hücre ölüm yollarına katıldığı bilinmektedir. Polimerleri parçalayabilmenin yanı sıra, lizozomlar diğer organelleri kaynaştırır ve hormon, protein, karbonhidrat, lipid gibi büyük yapıları veya hücresel birikintileri sindirebilir. Lizozomlar, içinde yer alan proteinleri diğer proteinlerden ayıran ve onların lizozoma yönlenmesini sağlayan özellik, sentezden sonra golgi cisimciğinde uğradıkları modifikasyon ile kazandıkları mannoz-6-fosfat (M6P) rezidüleridir. Trans-golgide yer alan M6P reseptörleri yeni sentezlenen lizozomal enzimlerin lizozomlar içinde toplanmasını sağlar 5.

Lizozomların genel olarak dört farklı etki şekli vardır. Bunlar:

1.Ekzositoz: Lökosit ve makrofajlar, doku harabiyeti olan yere hücum ederler. Burada hücre içine alınan partikülleri lizozomlar sindirir.
2.Otofaji: Bu olayda, hücrenin zarar gören ve işlevini yapamaz hale gelen komponentleri lizozom içine alınmakta ve sindirilmektedir.
3.Otoliz: Lizozom membranının açılarak hücrenin kendini parçalamasıdır. Canlı hücreler zarar gören yapılarını mümkün olduğu kadar onarmaya çalışırlar. Bu onarım durduğu anda ilk zarar görecek yer lizozom membranıdır. Ölümden kısa bir süre sonra kokuşmanın başlama nedeni, lizozom membranlarının parçalanması ve enzimlerinin serbest kalmasıdır.
4.Pinositoz: Tiroid bezi hücreleri lümendeki kolloid maddeyi (tiroglobulin) pinositoz yoluyla alırlar. Pinositotik vezikül lizozom ile birleşerek lizozomun hidrolazları tiroglobulini parçalar ve tiroid hormonu sentezlenerek salınır 6.

Hastalıklarla İlişkisi
Lizozomal enzim defektleri ile ilgili hastalıklarda, hücre içinde yıkılmış komponentler çözünmemiş ürünler olarak birikerek fonksiyon bozukluğuna yol açarlar. Bu durumun yol açtığı klinik durumlara Lizozomal Depo Hastalıkları denir. 30’dan fazla hastalık tanımlanmıştır. Mutasyona uğramış genler nedeniyle bu hastalıklar ortaya çıkmaktadır. Lizozomal depo hastalıkları hayvan ve insanlarda farklılıklar gösterir ve farklı açılardan büyük öneme sahiptirler.

Hayvanların Lizozomal Depo Hastalıklarına örnek verilecek olursa; Alfa–mannosidoz evcil hayvanlarda görülen en yaygın ve ekonomik yönden de öneme sahip olan bir Lizozomal Depo Hastalığıdır. Otozomal resesif kalıtımla geçtiği bilinmektedir 7.

GM1 gangliosidoz, lizozomal beta–galaktosidaz enziminin eksikliği sonucu şekillenen, GM1 gangliosidlerin intralizozomal birikimi ile karakterize ölümcül nörodejeneratif ve nörovisseral bir hastalıktır. Hastalığın otozomal resesif kalıtımla geçtiğine dair çalışmalar bulunmaktadır. İlk kez 1971 yılında Siyam kedisinde tanımlanmış ve bunun çocuklarda meydana gelen GM1 gangliosidoz ile aynı özellik taşıdığı bildirilmiştir. GM1 gangliosidoz kedi, köpek ve koyun gibi hayvanlarda görülmektedir 8.

Sonuç olarak , hücrenin intihar torbaları olarak bilinen lizozomlar diğer organeller ile bir uyum içinde çalışmakta ve canlı organizmanın bütünlüğünün korunmasında önemli görevleri yürütmektedir.

Kaynaklar
1. “Christian de Duve-Facts”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 10 Aug 2018. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1974/duve-facts.html.
2. Lodish H, Berk A, Kaiser CA, et al. Molecular Cell Biology. 5th ed. (Lodish H, Berk A, Kaiser CA, et al., eds.). New York, US: W. H. Freeman, Macmillian Learning; 2016.
3. Hu YB, Dammer EB, Ren RJ, Wang G. The endosomal-lysosomal system: From acidification and cargo sorting to neurodegeneration. Transl Neurodegener. 2015;4(1):1-10. doi:10.1186/s40035-015-0041-1
4. Aksoy ZB, Soydemir E. Lizozomal Aktivite. Güncel Gastroenteroloji. 2016;20(4):345-352.
5. Dinçel GÇ, Kul O. Evcil Hayvanların Lizozomal Depo Hastalıklarında Patogenez ve Patolojik Bulgular. Gümüşhane Univ J Heal Sci. 2015;4(4):614-637.
6. Schwake M, Schröder B, Saftig P. Lysosomal Membrane Proteins and Their Central Role in Physiology. Traffic. 2013;14(7):739-748. doi:10.1111/tra.12056
7. Jolly RD, Walkley SU. Lysosomal storage diseases of animals: an essay in comparative pathology. Vet Pathol. 1997;34(6):527-548. doi:10.1177/030098589703400601
8. Warren CD, Alroy J. Morphological, biochemical and molecular biology approaches for the diagnosis of lysosomal storage diseases. J Vet Diagnostic Investig. 2000;12(6):483-496. doi:10.1177/104063870001200601

Sir Hans Adolf Krebs: Hayatın kimyasal reaksiyonunu bulan adam.

tca döngüsü

Krebs Döngüsü, Üre Döngüsü, Glioksilat Döngüsü

Hans Adolf KrebsSir Hans Adolf Krebs 20. yüzyılın başında, 25 Ağustos 1900’de Almanya’nın Hildesheim şehrinde doğdu. Kulak, burun ve boğaz cerrahı Dr. Georg Krebs ve eşi Alma Davidson’ın oğlu olarak dünyaya geldi. Hans Krebs 1918-1923 yılları arasında Göttingen Üniversitesi, Freiburg-im-Breisgau ve Berlin Üniversitelerinde tıp eğitimi aldı. 1925’te Münih Üniversitesi’nden mezun oldu ve hekim ünvanını (MD) aldı.

Tıp eğitiminin ardından Dr. Krebs, Berlin’de kimya eğitimi üzerine bir yıl daha çalışma yaptı. 1926’da, Kaiser Wilhelm Biyoloji Enstitüsü’nde Prof. Otto Warburg‘ a (1931 Nobel Tıp Ödülü sahibi, Solunum enziminin doğasının ve hareket tarzının keşfedilmesi) asistanlık yaptı. Klinik çalışmaya dönmeden önce Dr. Warburg ile 4 yıl çalıştı. Dr. Warburg’un laboratuvarında, hayvan dokularından biyokimyasal (metabolik) yolakların araştırılması yolunu açan ve doku kesitlerinde oksijen tüketimini ölçmek için kullanılan manometri tekniğini öğrendi. Böylece, Dr. Krebs daha sonra sitrik asit döngüsü ve diğer yeni metabolik yolakları keşfetmesini sağlayacak araçları elde etti.

Daha sonra 1930-1933 yılları arasında Kaiser Wilhelm Enstitüsü, Altona Belediye Hastanesi ve Freiburg-im-Breisgau Üniversitesi kliniğinde Prof. L. Lichtwitz ve Prof. S.J. Thannhauser ile çalıştı. Klinik çalışmaları yanında metabolizma üzerine araştırmalar yapmaya başladı. O dönemde üre üretiminin karaciğerde gerçekleştiği biliniyordu, ancak üre metabolizmasına katılan metabolik yolaklar (pathway) tanımlanmamıştı. Dr. Krebs arjinin sentezleyebileceği yöntemleri araştırdı. Saflaştırılmış ornitin ve sitrulin ile karaciğer doku dilimi deneyi ile arjinin ara maddesi olduğu hipotezini kullanan Dr. Krebs, sitrulin’in, amonyak ve karbon dioksitten üre üretimini teşvik etmek için bir katalizör görevi gördüğünü tespit etti ve böylece Kurt Henseleit ile birlikte elde ettiikleri veriler ışığında 1932 yılında ornitin döngüsünü (Üre Döngüsü veya Krebs-Henseleit Ornitin Döngüsü) keşfettiler.

Nasyonel Sosyalist Hükümetin görevini sonlandırması üzerine 1933 yılında Sir Frederick Gowland Hopkins’ in (1929 Nobel Tıp Ödülü sahibi) daveti üzerine Cambridge’ de yer alan Biyokimya Okuluna gitti. Ertesi yıl Sheffield Üniversitesinde farmakoloji bölümüne öğretim görevlisi olarak atandı ve hızla yükselerek 1938 yılında Biyokimya Bölümünde öğretim görevlisi ve aynı zamanda bölüm sorumlusu olarak göreve başladı. Aynı yıl içinde Margaret Cicely Fieldhouse ile evlendi.

Dr. Krebs, Sheffield Üniversitesi’nde William Johnson ile birlikte, sitrik asit döngüsünün keşfedilmesine yol açan çalışmayı yayınladı. Bu çalışmalar, güvercinin pektoral (göğüs) kası kullanılarak yapıldı ve Dr. Krebs, kas dokusunun özellikle piruvat veya laktik asit varlığında oldukça hızlı oksijen aldığını fark etti. Kas hücrelerinin tek basamakta karbonhidrat metabolizmasını gerçekleştiremeyeceğini öne sürdü ve karbon temelli besinlerin biyokimyasal enerjisini kullanışlı hücresel enerjiyi dönüştürmenin, tanımlanmış bir dizi adımda gerçekleşebileceğini öne sürdü.

Dr. Krebs 1937’de, süksinatın piruvat varlığında hayvan dokuları tarafından sentezlenebildiğini gösterdi. Sitratın hızlı bir şekilde oksidasyonunu gözlemledi, ancak ilginç bir şekilde sitratın bir substrat olarak asla tüketilmediğini tespit etti ve bu durum, sistemde sitrat sentezi için bir kapasite olduğunu düşündürdü. Buna ek olarak, hipoksik koşullar altında (düşük oksijen), yalnızca oksaloasetat ve piruvat varlığında kıyılmış kasta büyük sitrat oluşumunu gözlemledi. Bu çalışmalardan elde edilen bulgular ile Dr. Krebs ve Johnson, sitrik asit döngüsü olarak adlandırdıkları döngüsel bir reaksiyon dizisini açıkladılar. Bu döngü günümüzde trikarboksilik asit döngüsü veya Krebs döngüsü olarakda isimlendirilmektedir.

Dr. Krebs, 1945 yılında Sheffield Üniversitesi’nde profesörlüğe yükseltildi ve Medikal Araştırma Konseyi (Medical Research Council-MRC) araştırma biriminin direktörü olarak atandı. Sheffield Üniversitesi’nde yıllarca çalıştıktan sonra 1954 yılında Oxford Üniversitesi’ne Whitley Biyokimya Profesörü (Whitley Professor of Biochemistry) olarak atandı. MRC Birimi de daha sonra Oxford’a onunla birlikte transfer oldu. Dr. Krebs, bilimsel hayatını sitrik asit döngüsünü doğrulayıcı deneyler yaparak geçirdi. Asetil-koenzim A’nın (Asetil-KoA) keşfi Dr. Krebs’in döngüsünü sağlamlaştırmaya yardımcı oldu. Bununla birlikte, sitrik asit döngüsü organizmaların nasıl hayatta kalabileceği ve asetat ile nasıl karbon iskeletlerini oluşturduğu sorularına cevap verememekteydi. Dr. Krebs önceki hocası Hans Kornberg ile birlikte bu soruya cevap verebilmek için çalışmalar yaptı ve iki anahtar enzim ile yeni bir döngünün keşfi yapıldı. Bu enzimler malat sentaz ve izositrat liyaz’ dır ve sırası ile asetatın glioksilat ile malat oluşturmak için kondenzasyonu ve isositrattan asetat kopartarak glioksilat elde edilmesi reaksiyonlarını katalizlediklerini tespit ettiler. Daha sonra bu reaksiyonların sitrik asit döngüsünü bypass ettiğini belirlediler ve sitrik asit döngüsünün glioksilat bypassı olarak isimlendirdiler. Günümüzde bu döngü glioksilat döngüsü olarak isimlendirilmekte ve bitki, bakteri, fungi ile protistlerde karbonhidratların sentezlendiği anabolik yolaktır.

Dr. Krebs, çalışmalarında hücre metabolizması ve başlıca ara metabolizma ile ilgilenmiştir. Özellikle memeli karaciğerinde üre sentezi, kuşlarda ürik asit ve pürin bazları sentezi, besin maddelerinin oksidasyonundaki ara basamaklar, elektrolitlerin aktif transportu ve yüksek enerjili adenozin polifosfatların üretilmesi konularında çalışmalar gerçekleştirilmiştir ve canlılıkla ilgili bir çok önemli kimyasal reaksiyon süreçlerinin aydınlatılmasında rol oynamıştır.

Oksijenle yaşamaya adapte olmuş canlı organizmalarda (aerob) her an cereyan eden sitrik asit döngüsü yaşamın vazgeçilmezidir. Bu döngü konusundaki anlayışımız, sağlık ve hastalık konusundaki anlayışımız için hayati önem taşımaktadır. Bu döngü üzerinden reaksiyona giren karbonhidratlar, yağlar ve proteinler karbondioksit ve suya kadar parçalanmakta ve organizmanın ihtiyaç duyduğu yüksek enerjili bileşikler (adenozin polifosfatlar) üretilmektedir. Sağlık ve hastalık durumlarında Krebs döngüsünün ayrıntılarını halen aydınlatılmak üzere çalışmalar devam etmektedir.

Sitrik asit döngüsünün keşfi ile Dr. Krebs uluslararası bir üne kavuştu ve bugüne kadarki en büyük bilimsel başarısı olarak kabul edildi. Fritz Lipmann (1953 Nobel Tıp Ödülü Sahibi, Koenzim A’ yı buldu), bu çalışmayı “hala günümüzde, canlı organizmanın iç işleyişlerinin analizindeki merkezi konuların en kapsamlı tartışması ve biyokimyaya yeni başlayanlara mutlaka okuması gereken mükemmel bir araştırma” olarak nitelendirdi.

Dr. Krebs, metabolik döngüler ile ilgili çalışmaları nedeniyle çok sayıda ödül aldı. Bunlardan biri de 1953 Nobel Tıp Ödülü’ydü.  Kendi biyografisinde başarısını şans olarak nitelendirdi ancak “şans hazırlanan zihinleri destekliyor” mesajını iletmiştir. Başarısının eğitim, özellikle Dr. Otto Warburg’un danışmanlığından kaynaklandığına sıkıca inanmıştır.

Dr. Krebs, 22 Kasım 1981 yılında Oxford, İngiltere’ de hayata gözlerini yummuştur.

Kendisi biyokimya dünyasına ve gelecek nesillere büyük bir miras bırakmıştır. Ayrıca, biyokimya alanında çalışan bir çok kişiye halen ilham kaynağı olmaktadır.

Kaynaklar
-Hans Krebs – Biographical”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 23 Aug 2016. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1953/krebs-bio.html
-Krebs HA, Johnson WA (1937). Metabolism of ketonic acids in animal tissues. Biochem J;31:645–660.
-Kornberg HL, Krebs HA (1957). Synthesis of cell constituents from C2-units by a modified tricarboxylic acid cycle. Nature;179:988–991.
-“Sir Frederick Hopkins – Biographical”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 22 Aug 2016. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1929/hopkins-bio.html
-Wilson BA, Schisler JC, Willis MS (2010). Sir Hans Adolf Krebs: Architect of Metabolic Cycles. Laboratory Medicine;41(6):377–380

Glikoliz: Yeni reaksiyon basamakları bulundu!

Glikoz metabolizması, yüksek organizasyon düzeyinde çalışan ve enzimler, hormonlar ile ara ürünler tarafından düzenlenen reaksiyonlar dizisininden oluşmaktadır.

Yeni yapılan çalışmalarla birlikte, özellikle iki glikolitik enzimin ikincil yan ürünlerin oluşumunu da katalizlediği ve bunların metabolizmada görev alan farklı enzimler üzerine inhibitör etkisi olduğu gösterilmiştir.

Bir dizi enzimatik reaksiyon sonucu karbonhidratların parçalanması ile hücrelerin katabolik ve anabolik ihtiyaçları karşılanmaktadır. Glikoz metabolizmasında yer alan her bir enzimatik reaksiyon fizyolojik ve kimyasal fonksiyonların yerine getirilmesini sağlar.

glycolysis_side_product_accumulationGlikolitik enzimler, hücre içinde yer alan proteinlerin yaklaşık % 10’ unu oluştururlar. Warburg Etkisi gibi bazı durumlarda glikolizin hızı oldukça artmaktadır. Böylece glikolitik bir enzim 1 M üzerinde ürün oluşumunu katalizleyebilir. Bu enzimlerden herhangi biri ana reaksiyonun 10-6 etkinliğinde dahi alternatif bir reaksiyonu katalizler ise mikromolar (µM) konsantrasyonlarda yan ürünlerin hücre içinde birikmesine neden olabilir. Glikoz metabolizmasında, metabolik yan ürünlerin varlığına ilişkin olarak yapılan son çalışmalarda laktat dehidrojenaz A (LDH A) ve fosfogliserat dehidrojenaz (PHGDH) enzimlerinin minör ürünü olarak 2-hidroksiglutarat (2-HG) isimli molekülün farklı enantiomerik formlarını ürettiği gösterilmiştir. Bunların yanında gliseraldehit fosfat dehidrojenaz (GAPDH) ve pirüvat kinaz (PK) enzimlerinin de ikincil ve alternatif aktiviteleri olduğu tespit edilmiştir.

Bu yan ürünlerin birikmesinin fizyolojik sonuçları ve farklı enzimler ile metabolize olmaları beklenmektedir. Bu ara ürünlerden biri olan 4-fosfoeritronat (4-PE)’ ın heksoz monofosfat geçidinde yer alan glikoz-6-fosfat dehidrojenaz (G6PD)’ ı inhibe edebildiği ve 2-fosfolaktat (2PL)’ ın fosfofruktokinaz 2’ yi inhibe edebildiği dolayısı ile toksik etkileri olduğu gösterilmiştir. Özellikle fosfoglikolat fosfataz (PGP) isimli yeni bir enzimin varlığı ile bu ara ürünlerin metabolize edilerek toksik etkilerinin engellendiği tespit edilmiştir.

2PL ve 4PE’ nin yapıları, fonksiyonları ve ilişkili olduğu reaksiyonlara olan etkileri ilgili ileri çalışmlar yapılması gerekliliği bildirilmektedir. Yapılacak çalışmalar ile fosfoglikolat fosfataz (PGP) enziminin regülasyonu, önemi ve fizyolojik durumu aydınlatılmalıdır. Bu enzimin kanser gibi hastalıklar ve yaşlanmaya karşı korunmada etkisi olabileceği düşünülmektedir.

Kaynaklar
-Liberti MV, Locasale JW (2016). A new layer of glycolysis. Nature Chemical Biology, 12: 577-578. DOI: 10.1038/nchembio.2133
-Collard F, Baldin F, Gerin I et al. (2016). A conserved phosphatase destroys toxic glycolytic side products in mammals and yeast. Nature Chemical Biology, 12; 601–607 doi:10.1038/nchembio.2104