Koenzim Q10’un Biyokimyasal Fonksiyonları

1. Koenzim Q10’un Biyokimyasal Fonksiyonları Dr.Nilüfer GENÇ ŞİMŞEKADÜTF Biyokimya ADAydın 2007

2. CoQ10 • Balık (uskumru ve sardalye :30mg/0,5kg) • Et (kalp, karaciğer, böbrek, sığır eti(30mg/1kg) ve kümes hayvanları) • Genel olarak tüm canlılarda ve pekçok yiyecekte (yer fıstığı :30mg/1,25kg) • Organik, doğal, yağda çözünen, vitamin benzeri bir maddedir • İlk kez Dr. Frederick Crane (Wisconsin, U.S.A.) tarafından 1957 de izole edilmiştir

3. Yiyeceklerde bulunan miktarı oldukça azdır. • Son 10 yılda dünyada en popüler besin takviyesi (Ek gıda ürünü) haline gelmiştir. • Enerji üretimindeki hayati rolü yüzünden her hücrede bulunur. Özellikle kalp hücrelerinde bol bulunur ve kalbin sağlıklı çalışmasında rol oynar.

4. Koenzim Q’nun bilinen görev ve fonksiyonları • Oksidan reaksiyonlarda hücresel redoks durumunun kontrolü ve sinyal oluşumunda görev alır. • Koenzim Q enerji üretimi için gereklidir. Transmembranal elektron transportu (koenzim Q redükte ekivalanları vezikül içerisine veya hücre dışına taşımaktadır) • Koenzim Q’nun endomembranlar ve plazma membranında proton gradienti oluşumunda rol oynadığına dair ipuçları bulunmaktadır. • Koenzim Q bir antioksidandır! • Koenzim Q diğer antioksidanların rejenerasyonunda görev alır. • Koenzim Q hücre büyümesini stimüle ederken hücre ölümünü inhibe eder

5. Koenzim Q’nun açık formülü 2,3-dimethoxy,5-methyl, 6-polyisoprene • parabenzoquinone’dur. • İnsanlardaki koenzim Q10 her biri 5 karbon taşıyan 10 isoprene ünitesi içeren (veya toplamda 50 karbon olan) poliisopren zinciri içermektedir. • Trans poliisopren hücre membranın iç kısmına karşı affinite sağlamaktadır. • 2 metoksi grup ise metil grubu gibi enzim aktivitesinde rol almaktadır.

6. Esas fonksiyon gören grup kinon halkasıdır! • Kinonun kinole redüksiyonu sırasında proton ve elektron taşınır. • Tamamıyla değişmiş olan kinon halkası hücredeki glutatyon, tioredoksin, tioktik asit gibi tiol gruplarının konjugasyon reaksiyonlarına izin vermemektedir. • Koenzim Q hücredeki tüm membranlar boyunca dağılmıştır! • Mitokondride de koenzimQ’nun oksidasyon redüksiyonunda yer alan enzimlerin protein bağlayıcı yerleri bulunmuştur.

7. ELEKTRON TRANSFER ZİNCİRİ (ETZ) • İç mitokondri zarında dört ayrı elektron taşıyıcı kompleks bulunur. • NADH (Kompleks 1) ve süksinat (Kompleks 2) Ubikinona elektron aktarır. • Kompleks 3 elektronları ubikinondan sitokrom c’ye taşır • Kompleks 4 ise elektronları sitokrom c’den O2 ‘e kadar taşıyarak zinciri sonlandırır

10. Membranlarda • Enzimlerin spesifik koenzim Q bağlayıcı bölgeleri olduğu (bağlı form) • Koenzim Q membranların fosfolipid tabakasında yüzer halde (serbest form) bulunmaktadır. • Lipidlerin yağ asit zincirleri arasında yüzen Lineer trans poliisopren zincirli serbest form lipid tabakasının stabilizasyonuna yardım ettiği düşünülmektedir.

11. *Kinonun esas grubu okside (kinon) veya redükte (kinol) formunda bulunabilir. *Birçok membranda kinonu redükte, kinolü de okside eden enzimler belirlenmiştir. *Hücrenin metabolik durumunagöre kinol formunun serumdaki yüzdesi %30’lardan %90’lara kadar değişmektedir.

12. *Kinol (hidrokinon) daha hidrofiliktir : esas grup membranın yüzeyine daha yakın yer alır. *Oksidasyon/redüksiyon pozisyonundaki değişiklikler hücrenin yapısal veya enzimatik özelliklerini düzenler. *Genetik mutasyonlar, yaşlanma, kanser ve statin grubu ilaçlar koenzim Q’nun serum ve doku düzeyini düşürür! * Diyetteki koenzim Q 10 miktarı serum koenzim Q 10 miktarını yükseltmek için yeterli değildir. Serum düzeyindeki anlamlı yükselme 100mg/gün alındığı takdirde mümkündür.

13. ENERJİ ÜRETİMİ • Koenzim Q primer substratlardan oksidaz sisteme elektron transfer ederken aynı zamanda mitokondrial membrandan intermembraner aralığa protonları transfer etmektedir. • Bu transfer membranlar arasında proton gradienti oluşumuna neden olmaktadır! • Protonlar ATP oluşumu için mitokondrinin matriksine doğru hareket ederken ATP oluşumunu sağlarlar.

14. Sonuç olarak; Koenzim Q hücrelerin hayati fonksiyonları ve kas kontraksiyonu için gerekli ATP’nin üretimi için önemli bir rol oynamaktadır!

15. *Vücutta bulunan KoQ10 düzeyi üretimin azalması ve ihtiyacın artması nedeniyle yaşla birlikte azalır

16. * ETZ’de redüksiyon işlemi boyunca redükte edilen her koenzim Q için 4 adet proton transport edilmektedir!. *Bu işlemin ayrıntıları bilinmemektedir fakat koenzim Q komplekste elektronlar ikinci gevşek bağlanan koenzime transfer edilmeden önce iki kez indirgenir ve reoksidize edilir. *Kinol bağlanması ve bağlanma bölgelerindeki oksidasyonun ayrıntıları gayet net bilinmektedir. NADH + 5HN+ +Q → NAD + QH2 + 4HP+ P: iki zar arası (pozitif taraf) N: Matriks (negatif taraf)

17. CoQH2+ 2 FeIII-cytochrome c → CoQ + 2 FeII-cytochrome c

19. Oksidasyon-redüksiyon siklusu her kinol oksidasyon siklusu için 4 protonun membrandan geçmesine izin vermektedir. *Kinon siklusu bu yüzden membrandan proton değişimini gerçekleştirmek için koenzim Q’nun etkinliğini iki katına çıkarır. *Sonuçta tek kinol oksidasyonundan elde edilen ATP üretimini 2 katına çıkar. * Siklus tamamlandıktan sonra oksidize kinon kompleks 1’de redükte edilmesi için membran boyunca tekrar göç eder. NADH + 5HN+ +Q → NAD + QH2 + 4HP+ P: iki zar arası (pozitif taraf) N: Matriks (negatif taraf)

21. LİZOZOMLARDA CoQ10 *Oksido-redüksiyon reaksiyonlarında da yer alır. *Kinol lizozomal membrandan iç kısmı asidifiye etmek için proton gradiyentine karşı (TERS YÖNDE) çalışarak bir proton transfer eder. *ATP sentetaz olmadığı için lizozomal membranda ATP oluşmaz. *Lizozomların asidifikasyonu hücresel artıkların sindirimi için gerekli olan hidrolitik enzimleri aktive eder. *Koenzim Q hücresel temizleme işinde de görev almaktadır!. *Lizozomal membranlardaki enzimlerin ve olası koenzim Q bağlayıcı yerlerin ayrıntıları tam olarak bilinmemektedir.

22. VEZİKÜLLERDE CoQ10 • Bu veziküllerin membranlarında kendi içlerini asidifiye eden redoks sistemi bulunmaktadır. • Asitli ortamda demire bağlı transferrinin redüksiyonu sitoplazma içine demir alımına neden olur. • Bu membranlardaki demir redüksiyonu ve proton transferinde koenzim Q ‘nun rolu henüz tam olarak bilinmemektedir.

23. PLAZMA MEMBRANINDA CoQ10 • *Membran boyunca Na/H antiportu tarafından yürütülen Na/H değişiminin aktivasyonunda yer alır! • Bu işlem için gerekli olan enerji hücrenin dış tarafındaki yüksek konsantrasyonlu Na’un hücredeki protonlarla değişimine dayalıdır. • Na hücreden dışarıya doğru enerjisini ATP’den alan Na/K ATPaz tarafından pompalanır. • Bu ATP hareketi boyunca Na açığı meydana gelir bu da hücrede iç tarafta negatif membran potansiyeli meydana getirir. Bu potansiyel bir çok hücresel fonksiyon ve transport mekanizması için çok önemlidir.

24. PLAZMA MEMBRANINDA CoQ10 • *Bu sistem aktive olduğunda H/Na antiportuylaproton salınımı büyük oranda artar • *Bu sistem Koenzim Q analoglarıyla inhibe edildiği zaman antiport da inhibe olmaktadır. Antiport aktivasyonunun sonucu olarak hücrenin içi daha alkali hale gelir. • * Yeniden Na/K ATPase çalışması için ortam oluşturulmuş olur.

25. ANTİOKSİDAN FONKSİYONLAR *Koenzim Q serbest radikallerin temizleleyebilmek için membranlarda doymamış yağ zincirlerine yakın mesafede lokalize olmuştur. *Membranlardaki koenzim Q miktarları tokoferol içeriğin 3-30 katı arasındadır. *Membranlardaki koenzim Q’nun çoğu kinol formundayken çok etkili bir antioksidan olabilmektedir. *Plazma ve endomembranlarda koenzim Q’yu redükte halde tutan en azından 3 adet enzim bilinmektedir. Bu enzimler tüm membranlarda vardır: (1) NADH cytochrome b-5 reductase , (2) NADH/NADPH Oxidoreductase (DT diaphorase), (3) NADPH coenzyme Q reductase .

26. Membranlardaki Koenzim Q’nun alfa tokoferole göre oranları

27. ANTİOKSİDAN FONKSİYONLAR *Mitokondrilerde NADH ve süksinat dehidrogenaz koenzim Q’yu kısmi olarak redükte halde tutabilir. *Endomembranlardaki NADH sitkorom b-5 redüktaz ve NADPH koenzim Q redüktaz enzimleri reredüksiyonu için çok önemlidirler. *Selenyum ve tokoferolun eksikliğiyle indüklenen oksidatif stres durumlarında membranlardaki koenzim Q çok fazla artar. *Peroksizomal proliferasyonla indüklenen tokoferol azalması koenzim Q’nun fazlaca artmasına neden olur.

28. ANTİOKSİDAN FONKSİYONLAR TOKOFEROL Doğrudan antioksidan etkisine ek olarak kinol, lipid veya oksijenle reaksiyon sonucu oluşan tokoferil radikallerini tekrar tokoferole indirgeyerek dolaylı etki de gösterir!. Koenzim Q olmayan membranda tokoferol rejenerasyonu çok yavaştır!

29. ANTİOKSİDAN ETKİ LERİN GÖSTERİLMESİ *Koenzim Q yetmezliği olan mayalarda koenzim Q ‘nun antioksidan etkinliği demonstratif olarak gösterilebilir. Koenzim Q sentez eksikliği olan mutant mayalar normal mayalara göre daha fazla lipid peroksidasyon oluşumu gösterir. *Serbest radikal eliminasyonu yaşlı kişilerin derilerinin koenzim Q ile tedavisiyle de gösterilebilir. Serbest radikallerden salınan ışık koenzim Q içeren krem tatbik edildiğinde yok olmaktadır.

30. ANTİOKSİDAN FONKSİYONLAR • ASKORBAT • *Plazma membranındaki koenzim Q bağımlı elektron transportunun hücre dışında askorbat radikalinden (monodehidroaskorbat), askorbat rejenerasyonunda kullanılabileceğine dair ipuçları vardır. • *Hücre içindekiaskorbat, glutatyona dayalı sistemle rejenere olur. Dış taraftaki rejenerasyon plazma membranı boyunca elektron transferine ihtiyaç duymaktadır ve bunlardan bazıları da membranda koenzim Q varlığına bağlıdır.

33. HÜCRE SİNYALİZASYONU VE GEN EKSPRESYONU • *Koenzim Q sinyal oluşumu ve hücre de oksidasyon/redüksiyon kontrol işlemlerinde yer alabilir. • Elektron transportu boyunca çeşitli membranlarda semikinonun oluşturduğu otooksidasyon H2O2 oluşturur. • H2O2,NFKB gibi transkripsiyon faktörlerini gen ekspresyonunu indüklemek için aktive eder. • Peroksid kalp kasında kalsiyum sinyalizasyonunda yer alabilir. • Reaktif oksijen türlerinin oluşumu diğer genlerin supresyonuna yol açabilir

34. HÜCRE SİNYALİZASYONU VE GEN EKSPRESYONU • Growth Faktör reseptörleri veya membran iyon kanallarında kinon, tiol (-SH) gruplarının oksidasyonunda görev alır. • Disülfit bağlarının(-S-S-) kinol tarafından indirgenmesi ters elektron transportundan elde edilen enerjiye ihtiyaç duymaktadır çünkü koenzim Q’nun redoks potansiyeli (100mV) tiol-disülfit çiftinden (320mV) daha yüksektir. • Hücre yüzeyinde protein disülfit izomerazın redoks durumunun kontrolünde kinol oksidaz veya kinol redüktaz tartışılmaktadır.

35. Mitokondride kompleks III’te koenzim Q semikinon oluşumu hücrelerdeki süperoksit, hidrojen peroksidin kaynağı olabilir. • Koenzim Q’nun redüksiyon/oksidasyon bölgeleri olan süksinat dehidrogenaz (kompleks II) veya NADH dehidrogenazda (kompleks I) da benzer kontrol H2O2 üretimiyle de ilgilidir. • Bu komplekslerde semikinonun bağlanması otooksidasyonu azalttığı tahmin ediliyor fakat kinon ve bağlayıcı protein arasındaki dengeyi bozan herhangi bir durum peroksit üretimine neden olacaktır.

38. Lizozom, golgi ve plazma membranlardaki koenzim Q oksido-redüksiyona gider ve tüm membranlarda peroksit oluşumu için bir potansiyel oluşur. • Tüm endomembranlar ve plazma membranında koenzim Q’yu indirgeyen enzimler olmasına rağmen semikinonu otooksidasyondan koruyan ve peroksit üretimini önleyen bağlayıcı bölgelerin varlığı bilinmemektedir. • Kinol oksidasyonu enzimleri plazma membranında tespit edilmiştir: • *Hücre yüzey NADH oksidaz (kinol oksidazı gibi hareket eder ve superoksit oluşumuna neden olur ) • *Transplazma membran NADH oksidaz(Koenzim Q bağımlı)

39. Hücre yüzey NADH oksidaz • (kinol oksidazı gibi hareket eder ve superoksit oluşumuna neden olur ) • Nötrofil plazma membranında bulunan süperoksit oluşturan NADPH oksidazla homolog ikinci bir transplazma membran NAD(P)H oksidaz tanımlanmıştır: Bu enzim süperoksit oluşturmak için sitokrom b558’i kullanmaktadır ve yapısı değişmiş hücrelerde ve tümör hücrelerinde karakteristiktir.

40. 2. Transplazma membran NADH oksidaz(Koenzim Q bağımlı) • Koenzim Q bağımlı transmembran enzimi rat karaciğeri ve kalp hücrelerinde belirlenmiştir ve tüm hayvan hücrelerinin normal bir komponenti olduğu görülmektedir.

41. CoQ’ya bağlı süperoksit üretimi • Süperoksit üretimi için aktivasyon şartı henüz bilinmemektedir: • (İmmünsüpresyon oluşturulmuş) farelerde Forbol miristat asetatla indüklenen süperoksit üretimi koenzim Q’ya bağlıdır ve bunun da (Balb 3T3 ) hücrelerinde retinoik asit inhibisyonuyla olduğu düşünülmektedir. • Retinoik asit transforme Balb 3T3 hücrelerini inhibe etmemektedir. • Retinoik aside cevabın kaybı bazı transforme hücrelerde b558 oksidazın koenzim Q’ya daha üstün olduğunu düşündürtmektedir!?

42. Koenzim Q bağımlı transmembran enzimi *Tahmini olarak nontransforme hücrelerde retinoik asidin spesifik koenzim Q bağımlı sistemin inhibitörü olduğu görünmektedir çünkü normal karaciğer hücrelerinde transmembran enzim büyük oranda koenzim Q bağımlıdır.

43. *Farklı tipteki hücrelerin yüzeylerinde hangi plazma membran elektron transport sisteminin süperoksit ve peroksit oluşumundan sorumlu olduğu bilinmemektedir. *Tahmini olarak nontransforme hücrelerde retinoik asidin spesifik koenzim Q bağımlı sistemin inhibitörü olduğu görünmektedir çünkü normal karaciğer hücrelerinde transmembran enzim büyük oranda koenzim Q bağımlıdır.

44. HÜCRE PROLİFERASYONU-APOPTOZ *Hücre proliferasyonuna etkisi sadece H2O2 oluşumuna bağlı değildir. *Proliferasyonla ilgili olan c-myc ve c-fos genlerinin ekspresyonunun etkisi kanıtlanmıştır. *Ferrisiyanit hücre yüzeyinde oluşan herhangi peroksidi yok eder. Ancak bu durumda da hücrelerin proliferasyonu devam etmektedir. Bu etki olasılıkla NADH oksidasyonu aracılığıyla sitozolik redoks durumunun değişikliğine bağlıdır.

45. APOPTOZ *Koenzim Q ile apopitozisin inhibisyonun temeli hala tam olarak net değildir! *Sinyal transdüksiyonu, gen ekspresyonu ve membran kanallarında koenzim Q’nun rolü şu aşamada daha fazla çalışılması gereken bir konu olarak görülmektedir. *Önemli kontrol fonksiyonlarında görev aldığına dair çok önemli bulgular vardır.

46. CoQ EKSİKLİĞİ • Koenzim Q tüm hücrelerde tirozin (veya fenil alanin) ve mevalonattan sentezlenmektedir. • Genetik kökenli sentez yetmezliği şimdiye kadar sadece 4 vakada belirtilmiştir. • Yaşlılık ve hastalıklarda koenzim Q’nun düşük seviyelerine rastlanmıştır. • Koenzim Q desteği ile, karaciğer ve dalak dokuları dışında normalin üstüne çıkarmamaktadır(genç ve sağlıklı hayvanlarda). • Azalmış koenzim Q’lu yaşlı hayvanlarda, bazı dokularda ilave koenzim Q normal seviyeleri koruyabilir.

49. CoQ10 Synthesis in Cells

50. Biyosentezdeki azalmaya ek olarak kinon hareketine engel olan membran lipidlerindeki değişimi ve yıkımındaki artış koenzim Q’nun fonksiyon ve seviyelerini etkileyebilmektedir. • Farklı dokular ve yaşlanan hücre membranlarındaki koenzim Q seviyeleri farklılılar göstermektedir. • Yaşlanan ratlarda iskelet kas mitokondrilerinde koenzim Q azalırkenbeyin mitokondrisinde artmaktadır.