ATP ve NADPH. Pentoz Fosfat Yolu

Transkript

1 ATP ve NADPH Pentoz Fosfat Yolu Levent Çavaş Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, Biyokimya ABD, Hücrenin enerji açısından birimi ATP olup, hidrolizi birçok endergonik reaksiyonla birleşerek bu mekanizmaları istemli hale getirir. Hücrenin ikinci bir enerji birimi daha vardır: İndirgen Güç, NADPH Özellikle yağların ve kolesterolün sentezi ve fotosentez gibi birçok endergonik süreçte ATP nin yanısıra NADPH ye ihtiyaç duyulur. Kimyasal olarak benzerliklerinin tersine NADH ve NADPH birbirlerine kimyasal olarak dönüşemezler. NADH metabolit oksidasyonun serbest enerjisini işleyerek ATP sentezinde rol oynamasına karşın, NADPH metabolit oksidasyonun serbest enerjisinin indirgeyici biyosentez adımlarında yer alır. Yukarıdaki açıklamanın oldukça mantıklı bir gerekçesi vardır, çünkü oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarında rol oynayan dehidrogenaz enzimlerin koenzimlerine yönelik yüksek afiniteleri bulunmaktadır. Gerçekte; hücreler [NAD]/[NADH] oranını yaklaşık olarak 1000 e yakın tutar ki bu durum metabolit oksidasyonunu istemli hale getirir. [NADP]/[NADPH] oranı ise 0.01 düzeylerinde olup, bu durumda metabolit indirgenmeyi istemli hale getirir. 1 2 Pentoz fosfat yolunun net reaksiyonu: NADPH, glikolize alternatif bir yol olan pentoz fosfat yolunda G6P nin oksidasyonuyla elde edilir. Bu yolun bir diğer özelliği ise riboz-5-fosfat üretimi olup, bu metabolit nükleotid biyosentezinde kullanılır. Bu yolun varlığının ispatı Otto Warburg un 1930 yılında yaptığı deneye dayanmaktadır. Dr.Warburg un yaptığı deneyde; G6P nin 6- fosfoglukonata oksidasyonu sırasında NADP yi keşfetmiştir. Daha sonraki deneysel çalışmalarda ise; yüksek florit iyon konsantrasyonları varlığında (glikoliz enzimi enolaz inhibitoru) dokuların solunuma devam etmeleri gözlemine dayanmaktaydı. Daha sonra Frank Dickens, Bernard Horecker, Fritz Lipmann ve Efraim Racker yolu aydınlatmışlardır: Yağ asidi ve kolesterol biyosentezinin yoğun olarak yer aldığı dokular (karaciğer, meme bezleri, adipoz doku ve adrenal korteks) pentoz fosfat yolu enzimlerince zengindi. Karaciğerdeki glukoz oksidasyonunun %30 u pentoz fosfat yolu ile gerçekleşmektedir. Ancak reaksiyon üç aşama şeklinde de yazılabilir: Oksidatif Reaksiyonlar (Reaksiyon 1-3) İzomerizasyon ve Epimerizasyon Reaksiyonları (Reaksiyon 4-5) C-C Bağ Kırılması ve Oluşumu Reaksiyonları (Reaksiyon 6-8) 3 4 1

2 Bu yolun ürünleri hücrenin ihtiyaçlarına göre değişim arzettiği için 2 ve 3.aşamalarda gerçekleşen reaksiyonlar geri dönüşümlü, reversible dür. Örneğin, R5P e nükleotid biyosentezinde ihtiyaç duyulduğu zaman, 3.aşama terse çalışarak F6P ve GAP tan R5P yi non-oksidatif olarak sentezler. 5 6 NADPH Üretiminin Oksidatif Reaksiyonları 1. Glukoz-6-fosfat dehidrogenaz (G6PD) G6P nin C1 karbonundan bir hidrit iyonunun NADP + ye transferini 6-fosfoglukono- -lakton oluşturmak üzere katalizler. G6P in C1 i hemiasetal formunda bir aldehit grubu barındırır, bu yüzden siklik bir estere (lakton) okside olur. Bu enzim NADP ye spesifik olup, NADPH tan kuvvetlice inhibe olur. 6-Fosfoglukonolaktonaz 6-Fosfoglukonolaktonaz, 6-fosfoglukono- -lakton un pentoz fosfat yolundaki bir diger oksidatif enzimin substrati olan 6-fosfoglukonata hidroliz hızını arttırır. Enzimatik olmayan reaksiyonunda bariz bir hızı bulunmaktadır

3 6-Fosfoglukonat dehidrogenaz: Bu enzim 6-fosfoglukonatın bir beta-hidroksi asit olan Ru5P ye ve CO2 ye oksidatif dekarboksilasyonunu katalizler. Bu reaksiyona benzer bir reaksiyon, sitrat çevrimindeki izositrat dehidrogenaz tarafından gerçekleştirilir. Riboz-5-P ın epimerizasyonu ve izomerizasyonu Ribuloz-5-fosfat izomeraz ve ribuloz-5-fosfat epimeraz. Bu iki enzim tarafından katalizlenen reaksiyonlar enediolat araürünler üzerinden gerçekleşir. İzomeraz reaksiyonunda (sağda), enzim üzerindeki bir baz Ru5P ın C1 karbonundan bir proton uzaklaştırarak 1,2-enediolat oluşturur ve ardından R5P oluşturmak üzere C2 karbonuna bir proton ekler. Epimeraz reaksiyonunda (solda), enzim üzerindeki bir baz C3 teki bir protonu uzaklaştırarak 2,3-enediolat araürünü oluşturur. Ardından bir proton aynı karbon atomuna Ksilüloz- 5-P oluşturmak üzere konfigürasyon çevrilmesi yoluyla eklenir. Ru5P oluşumuyla, pentoz fosfat yolunun oksidatif kısmı tamamlanmış olur. Bu reaksiyonlar, herbir G6P başına 2 mol NADPH oluşumu ile sonuçlanır. Bu yolun son ürünü olan Ru5P ardından R5P ve Xu5P ye dönüştürülür. 9 Ribuloz-5-P, nükleotidlerin biyosentezinde esansiyel bir öncül moleküldür. Eğer, hücrelerin ihtiyacından fazla miktarda R-5- P oluşursa (Ksilüloz-5-P ile birlikte), fazlası aşağıdaki reaksiyonlarla glikolitik araürünler olan F6P ve GAP a dönüştürülürler. 10 Transaldolaz C3 birimlerinin transferini katalizler C-C bağ kırılması ve oluşumu reaksiyonları Transketolaz C2 grubunun transfer edilmesini katalizler Transketolazın mekanizması. Transketolaz koenzim tiamin pirofosfatı kullanarak Ksilüloz-5-P ın C2-C3 bağının kırılmasıyla açığa çıkan karbanyonu stabilize eder. Reaksiyon şu şekilde gerçekleşir: 1) TPP yilür Ksilüloz-5- P ın karbonil grubuna atak yapar. 2) C2-C3 bağının kırılmasıyla GAP açığa çıkar ve rezonans stabilizasyonuna sahip enzime bağlı 2-(1,2- dihidroksietil)-tpp oluşur. 3) C2 karbanyonu R-5- P ın aldehit karbonuna atak yaparak S7P-TPP katılma ürününü oluşturur. 4) TPP ayrıldıktan sonra 11 S7P ve rejenere TPPenzim oluşur. Transaldolaz mekanizması. Transaldolaz aldol kırılması reaksiyonunu gerçekleştirmek üzere S7P ile bir Schiff bazı oluşturan esansiyel Lizin rezidüsüne sahiptir. Reaksiyon aşağıdaki gibi gerçekleşir: 1) Lizin rezidüsündeki ε-amino grubu S7P ın karbonil grubuna ile bir Schiff bazı oluşturur. 2) E4P ın açığa çıktığı C3-C4 arasındaki aldol kırılması reaksiyonunda bir Schiff baz-stabilize C3 karbanyonu oluşur. 3) Enzime bağlı rezonans kararlılığına sahip karbanyon GAP ın karbonil karbonuna eklenir ve enzime bir Schiff bazı ile bağlı F6P oluşturur. 4) Schiff bazı hidroliz olur, enzim rejenere olur ve F6P salınır. 12 3

4 İkinci bir transketolaz reaksiyonu GAP ve F6P oluşturur Pentoz fosfat yolağında meydana gelen karbon iskeleti dönüşümlerinin özeti. Bir seri karbon-karbon bağı kırılması ve oluşumu 3 mol 5 karbonlu şekeri iki mol 6 karbonlu ve bir mol 3 karbonlu şekere dönüştürür Pentoz fosfat yolağının kontrolü Pentoz fosfat yolağının birincil ürünleri R-5-P ve NADPH dır. NADPH a yönelik metabolik ihtiyaç nükleotid sentezinde R-5-P a duyulan ihtiyacı aştığında transaldolaz ve transketolaz reaksiyonları ile R-5-P ın aşırısı glikolitik araürünlere dönüşür. Açığa çıkan GAP ve F6P glikoliz ve oksidatif fosforilasyon ile tüketilebilir veya glukoneojenezis ile birlikte G6P oluşturur. İkinci durumda, 1 molekül G6P pentoz fosfat yolağı ve glukoneojenezin 6 çevrimi sonunda eşzamanlı 12 NADPH molekülü oluşumuyla 6 CO 2 molekülüne dönüştürülür. R5P ihtiyacının NADPH a göre artması durumunda, F6P ve GAP, tersinir transaldolaz ve transketolaz reaksiyonları ile R5P sentezinde kullanılmak üzere glikolitik yolaktan çekilirler. Hızla çoğalmakta olan kanser hücrelerine verilen [1,2-13 C]glukoz dan hücrenin RNA sına yerleşen 13 C işaretli karbonların kütle spektrumu analizlerinde de novo riboz sentezinin %70 inden fazlasının bu oksidatif olmayan tersinir pentoz fosfat yolağı ile oluştuğu gösterilmiştir. Oksidatif pentoz fosfat yolağı ve bu nedenle NADPH üretim hızı glukoz-6- fosfat dehidrojenaz reaksiyonunun hızı ile kontrol edilir. Pentoz fosfat yolağının ilk adımını katalizleyen bu enzimin aktivitesi (ΔG=- 176kJ/mol, karaciğerde) NADP+ konsantrasyonu (substratın hazır bulunuşluğu) ile regüle edilir. Hücreler NADPH tükettiğinde NADP+ konsantrasyonu artar, glukoz-6- fosfat dehidrojenaz reaksiyonunun hızını artırır ve sonuç olarak NADPH ın rejenerasyonunu uyarır

5 Glutatyon ve NADPH Glutatyon nedir? Niçin önemlidir? NADPH ile ilişkisi nedir? Glukoz-6-fosfatın glikolizis ve pentoz fosfat yolağı arasında kullanımında NADPH ın regüle edici rolü. NADPH, biyosentez için kullanımı ve glutatyonun indirgenmesinden daha hızlı bir şekilde üretildiğinde, [NADPH] artar ve pentoz fosfat yolağının ilk enzimini inhibe eder. Sonuç olarak, glikolizis için daha fazla glukoz-6-fosfat hazır bulunur Glutatyon, glutamat, sistein ve glisinden oluşan bir tripeptidtir. İndirgenmiş glutatyon (GSH) hücrenin normal indirgenmiş halini dengeler. İndirgenmiş glutatyon (GSH) 19 Glutatyonun Fonksiyonları-1 İndirgen olarak rol oynar. İlaçlarla konjugat oluşturarak suda çözünür hale getirir. Hücre membranlarından amino asit transportunda görev alır. Bazı enzimatik reaksiyonlarda kofaktördür. Protein disülfid bağlarının yeniden düzenlenmesinde. 20 5

6 Glutatyonun Fonksiyonları-2 GSH ın sülfhidril grubu oksijen transportu sırasında oluşan peroksitlerin (ROS) indirgenmesinde kullanılır. Reaktif oksijen türleri (ROS) makromoleküllere (DNA, RNA ve protein) hasar verir ve dahası hücreyi ölüme götürür. GSH ın okside formu birbirine disülfid bağı ile bağlı iki molekülden (GSSG) oluşur. Glutatyon redüktaz enzimi GSSG yi tekrardan iki molekül GSH a indirgemek için NADPH ı kofaktör olarak kullanır. Bu nedenle, pentoz fosfat yolağı yeterli miktarda GSH kaynağına bağlıdır Peki, glukoz-6-fosfat DH hasar görmüşse ne olur? NADPH yetersiz miktarda üretilir. Bu da yetersiz glutatyon anlamına gelir. Bu tıbbi bir problem midir? EVET 23 Glutatyon ve Eritrositler -1 GSH, kırmızı kan hücresinin (KKH) bulunduğu aşırı derecede yükseltgeyici ortamda çok önemli bir moleküldür. Olgun KKH leri mitokondriye sahip değildirler ve tamamen GSSG den GSH ı glutatyon redüktaz ile rejenere edecek pentoz fosfat yolağı kaynaklı NADPH a bağımlıdırlar. Gerçekte, eritrositlerce tüketilen glukozun en fazla %10 u pentoz fosfat yolağı tarafından sağlanır. 24 6

7 Glutatyon ve Eritrositler -2 Glutatyonun indirgenmiş hali sülfhidril tamponu olarak davranır. Hemoglobindeki veya başka proteindeki sistein rezidülerinin indirgenmiş halde kalmasını sağlar. GSH normal KKH yapısı ve hemoglobinin Fe ++ formunu koruması için esansiyeldir. Glutatyon ve Eritrositler -3 İndirgenmiş glutatyon aynı zamanda peroksitleri detoksifiye eder. 2GSH + ROOH GSSG + H 2 O + ROH Düşük GSH düzeyine sahip hücreler hemolize açıktırlar. Bu durumda klinik olarak belirli koşullarda siyah idrarın görülür G6PD eksikliği ile ilişkili hemolitik anemi için şartlar Peroksitler ve reaktif oksijen türlerinin (ROS) oluşumuna yol açan oksidatif ajanların yutulması. Antimalarya ilaçları - pamaquine Fava fasulyesinde bulunan pürin glikozidleri. G6PD eksikliği bulunan bireyler ROSlar ile baş edecek kadar GSH ı üretemezler. Proteinler çapraz bağlı hale gelerek Heinz vücudu oluşur ve hücreler lizise giderler

8 Glukoz-6-fosfat DH noksanlığı ve sferositik olmayan hemolitik anemi G6PD proteininin 300 ün üzerinde genetik varyantı bilinmektedir. Bu nedenle, klinik spektrumda belirgin bir varyasyon bulunmaktadır. G6PD noksanlığı kalıtımsal olan X genine bağlı resesif bir bozukluktur. Erkek Afro Amerikan populasyonunun yaklaşık %10-14 kadarı bu hastalığa sahiptir. Aynı zamanda Akdeniz kökenli Kafkas (Caucasians) toplumunda da görülür. 29 Bu bozukluğa sahip kişilerde normalde anemi görülmez ve kırmızı kan hücreleri yükseltgen veya strese maruz kalana dek hastalığın belirtisi görülmez. Bu reaksiyona katkıda bulunabilecek ilaçlar : Antimalarya ajanları sülfonamidler (antibiyotik) aspirin Steroid içermeyen antiinflamatuar ilaçlar nitrofurantoin quinidine quinine Belirli kimyasallara maruz kalmak 30 FAVİZM G6PD noksanlığına sahip bireyler Fava fasülyesi yememelidirler. Pitagoras Eritrositler lizise uğrar = koyu veya siyah idrar görülür. İlginç olan Plasmodium falciparum (malarya paraziti) un büyümesi G6PD noksanlığına sahip bireylerde düşmektedir. Kaynaklar Lehninger, Principles of Biochemistry, Fifth Edition Donald Voet and Judith Voet, Biochemistry, Third Edition phate.ppt