ÜNİTE3 Karbonhidratlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; Karbonhidratların kimyasal yapılarını açıklayabilecek, Karbonhidratları üç farklı ölçüte göre sınıflayabilecek, Karbonhidratların, genel isimlendirmesini öğrenecek, Asimetrik karbon atomunu bilecek, Karbonhidratların absorbsiyonunu öğrenecek, Glukozun organizmada diğer maddelere nasıl dönüştüğünü açıklayabilecek, Organizmanın glukozu vücut dışına nasıl attığını bilecek, Kan glukozunun düzenlenmesini öğrenecek, Şeker hastalığını tanıyacak, Glukoz tolerans testini uygulayabileceksiniz. İçindekiler Giriş Karbonhidratların Sınıflandırılması Karbonhidratların İsimlendirilmesi Asimetrik Karbon Atomu Karbonhidratların Metabolizması Karbonhidratların Absorbsiyonu Glukojenezis Glukojenolizis Glukozun Organizmada Kullanılması Glukolizis Aerobik Glukolizis Pentoz Fosfat Yolu ile Glikolizis Glukoneogenezis Kar Şekeri Kar Glukozunun Düzenlenmesi Karbonhidrat Metabolizması Bozuklukları Şeker astalığı Glukoz Tolerans Testi Özet Değerlendirme Soruları Yaralanılan ve Başvurulabilecek Kaynaklar
1. GİRİŞ Karbonhidratlar doğada, bitkisel ve hayvansal kaynaklı olarak yaygın halde bulunurlar. Bir karbonhidrat olan nişasta tohumlarda, meyvalarda bol miktarda bulunur. Bitkilerin destek maddesini oluşturan selüloz, hayvansıl canlıların vücudunda depo edilen glikojen karbonhidrat bileşikleridir. İnsan ve hayvanların besin maddelerinin büyük kısmı karbonhidratlardan ibarettir. Karbonhidratları, kimyasal olarak hidroksil ( O) grupları yanında serbest aldehitveya keton O O grubu içeren maddeler olarak tanımlayabiliriz. (Aldehit R C, keton R C R olarak O formüle edilir. R: Açil veya aril kökü diye adlandırılır. C ise keton grubunu gösterir.) Karbonhidratlar genellikle C n 2n O n genel formülüne uyarlar. (n harfi, karbonhidrat molekülündeki atom sayısını gösterir). 2. KARBONİDRATLARIN SINIFLANDIRILMASI Karbonhidratlar üç ölçüte göre sınıflandırılır: 1. Molekülde bulunan basit şeker ünitelerin sayısına göre 2. Reaktif gruplarına göre 3. Karbon zincirinin uzunluğuna göre. Moleküldeki basit şeker ünitelerinin sayısına göre karbonhidratlar üçe ayrılır. Monosakkaritler Disakkaritler ve Oligosakkaritler Polisakkaritler Reaktif gruplarına göre: Aldozlar Ketozlar Karbon zincirinin uzunluğuna göre: Diozlar Pentozlar Triozlar egsozlar Tetrozlar eptozlar - 24 -
şeklinde isimlendirilirler: Bunlar sırasıyla bir karbonlu, iki karbonlu, üç karbonlu, dört karbonlu, karbonhidrat molekülü anlamına gelmektedir. Monosakkaritler: Daha basit hidroliz edilemeyen -en küçük- karbonhidrat ünitesidir. Örneğin; glukoz, fruktoz, riboz vb. Disakkaritler: İki monosakkarit ünitesinin birleşmesinden meydana gelen karbonhidrat bileşiğidir. Örneğin çay şekeri olan Sakkaroz, glukoz ve fruktozun birleşmesinden meydana gelmiştir. Maltoz, iki glukoz ünitesinin birleşmesinden meydana gelir. Süt şekeri olan laktoz ise, glukoz ve galaktoz ünitelerinin birleşmesi ile meydana gelmiştir. Oligosakkaritler: İkiden fazla karbonhidrat molekülü içeren bileşiklerdir. Dekstrin gibi. Polisakkaritler: Pek çok sayıda basit üniteden oluşan karbonhidrat bileşikleridir. Örneğin nişasta ve hayvan dokularının karbonhidrat depo maddesi olan glikojen, birçok glukoz ünitesinden oluşan birer polisakkarittirler. Önemli monosakkaritlerin karbon sayılarını, aldehit veya keton grupları içermelerine göre, şöyle gösterebiliriz. Aldozlar Ketozlar 1. Diozlar Glikolaldehit 2. Triozlar Gliseraldehit Dihidroksiaseton 3. Tetrozlar Eritroz Eritrüloz 4. Pentozlar Ksiloz Ksilüloz Riboz Ribüloz 5. egsozlar Glukoz Fruktoz Mannoz Galaktoz 6. eptozlar Sedoheptüloz 3. KARBONİDRATLARIN İSİMLENDİRİLMESİ Bildiğimiz bütün karbonhitratlar gliseraldehit molekülünden türediği kabul edilerek isimlendirilir. Buna göre primer alkol grubu (C 2 O) nun bulunduğu karbon (C)'a en yakın (komşu) olan karbona bağlı hidroksil ( O) grubu sağda ise D -gliseraldehit, solda ise L- gliseraldehit denir. - 25 -
C=O C=O O C C O 2 L - gliseraldehit C O C O 2 D - gliseraldehit Bir aldehit olan glukozu numaralandırıp, isimlendirelim. 1 2 C=O C O 3 O C 4 C O 5 C O 6 C O 2 Primer alkol grubuna en yakın 5 numaralı C' a bağlı (O) grubu sağda olduğuna göre, kimyasal olarak glukoz, D - aldehitroglukoz olarak okunur.? Bir glukoz formülü yazarak, isimlendirin ve Primer alkol grubunu gösteriniz. 4. ASİMETRİK KARBON ATOMU Bir karbonhidrat molekülündeki karbon atomlarından herhangi birisinin dört bağına da değişik atom veya atom grupları bağlanırsa, böyle karbon atomlarına asimetrik karbon atomu denir. Yapısında asimetrik karbon atomu bulunan maddelerin çözeltileri optik aktivite gösterirler, yani bunlar polarize ışığın yönünü sağa veya sola çevirebilirler. Bir molekül içinde birden fazla asimetrik karbon atomu bulunabilir. 1 2 C=O C O 3 O C 4 C O 5 C O 6 C O 2 Glukoz formülündeki 2,3,4,5 nolu karbon atomları asimetriktir. - 26 -
5. KARBONİDRATLARIN METABOLİZMASI Karbonhidratlar, memelilerin başlıca enerji kaynağını teşkil ederler. Alınan besin maddelerinin %60 kadarı karbonhidratlardan oluşur. Bunlardan nişasta önemli bir karbonhidrattır. Çay şekeri olarak bilinen sakkaroz ve çocuk besini yönünden önemli olan laktoz karbonhidratlı besin maddelerindendir. Glukoz, fruktoz, mannoz, galaktoz gibi doğada bulunan monosakkaritler, canlılar için önemli birer enerji kaynağıdır. Karbonhidrat metabolizması başlıca, anaerobik ve aerobik reaksiyonlar olmak üzere iki kısımda incelenir. Anaerobik (oksijensiz) yol ile glukoz molekülü iki mol laktik aside kadar parçalanır. Anaerobik reaksiyonlar dizisine glikolizis denir. Aerobik reaksiyonlara, Sitrik asit siklusu veya Krebs siklusu denilmektedir. 5.1. Karbonhidratlardan Absorbsiyonu Karbonhidratlar sindirim kanalında, bazı enzimlerin etkisiyle, hidrolitik olarak yıkılır ve bağırsaklardan emilir hale gelirler. Besinlerle alınan karbonhidratların bağırsak duvarından emilebilmeleri için monosakkarit haline geçmeleri gerekir, aksi halde emilemezler ve dışarı atılırlar. Bu monosakkaritlerin küçük bir kısmı, bağırsak bakterileri tarafından fermentasyona uğratılır. İnce bağırsak mukozasından emilen monosakkaritlerin büyük kısmı vena portaya, küçük bir kısmı ile lenf damar sistemine geçer. Yararlanılabilen hegsozlardan karaciğerde glikojen meydana gelir. Bunların bir kısmı dolaşım sistemine karışır. Bir kısım hegsozlar kaslara özel glikojeni meydana getirirler. Vücutta toplam 225 g. kadar glikojen vardır. 5.2. Glikojenezis Karaciğerde glukozdan glikojen sentezine glikojenesiz denir. Glikojen hayvansal dolaların da özellikle karaciğer ve kaslarda yaygın halde bulunan polisakkarittir. idroliz edilirse glukoz ünitelerine ayrılır. Kaslarda glikojen oluşumunun, karaciğerde glikojen oluşumundan bir farkı vardır. Kaslarda glukozdan başka şekerler kullanılamaz. Kas kontraksiyonu, glukojenin kullanılmı neden olur. Azalan glikojenin yerini kan şekeri alır, karaciğer glikojeni de kan şekerini tamamlar. - 27 -
5.3. Glikojenolizis Kandaki glukoz düzeyi azaldığı zaman karaciğerdeki glikojen moleküllerinden glukoz birimleri ayrılarak kana verilir. Glikojen molekülünün, glukoz ünitelerine parçalanmasına glikojenolizis denir. Kanda glukoz düzeyinin artışı, glikojenezisin başlamasına neden olur. Tersi durumlarda, glikojenolizde hızlanma görülür. Glikojenoliz (is), epinefrin hormonu tarafından kontrol edilir. Karaciğerde glikojenolize etki yapan diğer bir hormon glukagondur. İnsülin ise glukagona ters etki yapar. Kaslardaki glikojenolizis de karaciğerdekine benzer. Ancak, kaslarda glukoz serbest hale geçmez ve kan şekerine bir katkıda bulunmaz. Glikojenden meydana gelen glukoz 6 -forsfat, bir seri reaksiyondan geçerek laktik aside yıkılır. 6. GLUKOZUN ORGANİZMADA KULLANILMASI Organizmada glukozun kullanılmasına, yani glukozun karbondioksit ve suya parçalanmasına glikolizis denmektedir. Tüm reaksiyonlar dizisini kısaca: C 6 12 O 6 6CO 2 + 6 2 O formülü ile gösterebiliriz. Glukoz Karbondioksit Su Glukozun karbondioksit vesuya parçalanması iki aşamada olur: 1. Embden-Meyerhoff-Parnas Yolu (Glikolizis) 2.T.C.A. (Krebs) siklusu. Glukozun bir diğer yolla yıkılmasına pentoz fosfat yolu denir. 6.1. Glikolizis (Embden-Meyerhoff-Parnas Glikolitik yolu) Glikolizis (Anaerobik glikolizis) iki aşamada tamamlanmaktadır. Birinci aşamada glukoz, ATP den alınan fosforik asitle fosfatlaşmakta ve gliseraldehit 3- fosfat ve dihidroksi ile birlikte yeni ATP molekülleri oluşmakta, laktik asite kadar yıkılmaktadır. Glikoliz basit bir olay değildir. Diğer birçok biokimyasal reaksiyonlar gibi basamak basamak yürüyerek çeşitli ara maddeler üzerinden geçer. Glukozun laktik asite dönüşmesinde bütün reaksiyonlar - 28 -
Glukoz + 2 ADP + 2 Pi 2 laktik asit + 2 ATP şeklinde özetlenebilir. Laktik asitin fazlası hücrenin plazma zarından artık madde olarak dışarı atılır. 6.2. Aerobik Glikolizis (Trikarboksilik asit - Siklusu) (TCA, Krebs, Sitrik Asit Siklusu) Glikoliz sonucu meydana gelen piruvik asitin Asetil Koenzim - A ya dönüşmesi ve sonra bu siklusa giren asetil Koenzim - A ların CO 2 ve 2 O ya yıkılmasıdır. Trikarboksilik asit siklusu endergonik metabolizma reaksiyonları için gerekli enerjinin en büyük kısmını sağlar. Burada yakıt maddesi olan Asetil-koenzim A karbondioksit ve yağlardan sağlanır. Yani metabolik reaksiyonların son olarak yıkıma uğrayacakları reaksiyonlar dizisi TCA siklusudur. Trikarboksilik asit siklusu kısmen karaciğerde ve daha büyük ölçüde kas hücrelererinin mitokondrileri içinde cereyan eder. Glukozun yıkılması ile kazanılan enerji: Glukozun kas dokusunda anaerobik oksidasyonla 2 adet laktik asit molekülüne yıkılmasıyla, 2 ATP sentezlenerek depo edilir. Buna karşın glukozun aerobik oksidasyon ile, CO 2 vesu moleküllerine kadar yıkılması ile 36 ATP sentezlenerek hücrede depo edilir. Glukozun dokularda CO 2 ve su meydana gelecek şekilde yıkılmasıyla bir miktar ısı enerjisinin elde edilmesinin yanında, bir kısım enerjide yüksek enerjili fosfat bağı (ATP olarak) depo edilir. 6.3. Pentoz - Fosfat (egsoz - Monofosfat) Yolu İle Glikolizis Glikozin, glukoz -6- fosfatta başlayıp, fruktoz -6- fosfatta biten bir yan yolu olup, daha çok karaciğer, aktif süt bezleri, adrenal korteks, yağ dokusu gibi özel dokularda meydana gelmektedir. Bu yol ile 6 molekül Glukoz - 6 fosfattan, 6 molekül CO 2 ve 6 adet 5 karbonlu şeker meydana gelir. Buyolda cereyan eden reaksiyonların tamamını 6 Glukoz - 6 fosfat + 12 NADP + 6 CO 2 + 12 NADP + + 12 P i denklemi ile gösterebiliriz. Bu arada, hegsoz monofosfat yolu cereyan ederken, 5 karbonlu şekerler (riboz - 5 - fosfat, ksilüloz 5 - fosfat) meydana gelir. - 29 -
egsoz monofosfat yolunun iki önemli görevi vardır. 1. Bu reaksiyon dizisi cereyan ederken meydana gelen 5 karbonlu şekerler nükleik asitlerin sentezine girer. 2. egsoz monofosfat yolunda meydana gelen NADP + molekülleri, organizma için gerekli bazı önemli bileşiklerin (kolesterol gibi) sentezinde kullanılırlar. 7. GLUKONEOGENEZİS Karbonhidrat olmayan maddelerden glukoz yapılması demektir. Diyetle yeteri kadar karbonhidrat alınamadığı zaman, vücudun glukoz ihtiyacını sağlar. Eritrositler ve sinir sistemi için glukozun, devamlı enerji kaynağı olarak sağlanması şarttır. Glukoneogenezis, diğer dokuların metabolizma ürünlerini örneğin kas ve eritrositler tarafından kanda oluşturulan laktik asidi ve yağ dokusu tarafından meydana getirilen gliserolü kandan temizlemek için gereklidir. Glukoneogenez glikojenik amino asitten, gliserolden, laktik asitten glukoz veya glikojen oluşturan reaksiyonlar dizisidir.? Aeoribik ve Anaerobik glikolizis ve pentoz fosfat yolu arasındaki farkları söyleyiniz. 8. KAN ŞEKERİ Açlık halinde ölçülen kan glukoz düzeyine açlık kan şekeri denir ve 70-100 % mg. olarak değişir. Yemeklerden sonra bu miktar ortalama 130 mg'ı bulabilir. Sonra iki saat içinde eski düzeyine iner. Kapiller kan şekeri, venvöz kan şekerine kıyasla %10 kadar daha fazladır. Kan şekeri düzeyinin yükselmesine hiperglisemi, düşmesine ise hipoglisemi denir. Çok miktarda karbonhidrat alınmasıyla oluşan hiperglisemiye Alimanter iperglisemi denir. 8.1. Kan Glukozunun Düzenlenmesi Kan glukozu, karaciğerin, ekstrahepatik dokuların, ve bazı hormonların rol oynadığı, çok duyarlı homeostatik bir mekanizma ile kontrol edilir. - 30 -
Yapılan incelemeler çeşitli hormonların karbonhidrat metabolizması üzerine etkili olduklarını ortaya koymuştur. Karbonhidrat metabolizması hormonların bulunuşundan değişik metabolik safhada ve değişik şekilde etkilenmektedir. İnsülin hormonu, kan glukoz konsantrasyonunun düzenlenmesinden önemli rol oynar. İnsülin hiperglisemiye yanıt olarak, pankreastan direk kan içine salgılanır. İnsülin salgılanmasına, glukozun dışında amino asitler, serbest yağ asitleri, keton cisimleri ve glukagon hormonu da neden olur. Epinefrin ve norepinefrin hormonları insülin salgılanmasını engeller. Ön hipofiz bezinden salgılanan büyüme hormonu ve ACT insüline zıt etki göstererek kan glukozunu yükseltme eğilimindedirler. Büyüme hormonu, yağ dokusundan serbest yağ asitlerini serbest hale geçirerek glukozun bu doku tarafından kullanılmasını baskılar (inhibe eder). ACT böbreküstü bezi kabuğu hormonlarının salgılanmasını arttırarak glukoz düzeyi üzerine etkili olur. Böbrek sütü bezi kabuğu hormonlarından glukokortikoidler glukoneojeneze yol açarlar. Ayrıca glukozun ekstrahepatik dokular içinde kullanılışını inhibe ederler. Böbreküstü bezi medulla kısmından salgılanan epinefrin, hem karaciğerde hem de kasta glikojenin parçalanmasını stimüle eder. Pankreastan sentezlenen glukagon hormonunun salğılanışını hipoglisemi stimüle eder, karaciğerde glikojen yıkımını artırarak kan glukoz düzeyini yükseltir. 9. KARBONİDRAT METABOLİZMASI BOZUKLUKLARI Çoğunlukla karbonhidrat metabolizmasinda görülen bozukluklar genetik bir defekt dolayısıyla enzim yetersizliğinden, hormonal bozukluklardan veya beslenme bozukluğundan ileri gelir. Normal şahıslarda, normal beslenme şartları altında, kanda gösterilebilecek miktarda bulunan tek şeker glukozdur. İdrarda aşeker bulunmasına genel olarak "melitüri" adı verilir. İdrarda glukoz, laktoz, fruktoz, galaktoz ve pentoz bulunmasına göre sırasıyla, glukozüri, laktozüri, fruktozüri, galaktozüri ve pentozüri terimleri kullanılır. 10. ŞEKER ASTALIĞI (DİABETES MELLİTUS) Şeker hastalığı, organizmanın karbonhidrat kullanma yeteneğinin azalması ile ortaya çıkar ve genellikle kalıtsal olarak meydana gelen bir metabolizma hastalığıdar. Genellikle yetersiz insülin salınımı ve bunun sonucu olarak kan şekeri yükselmesi ile kendini belli eder. Diabette görülen metabolik bozuklukları şöyle özetleyebiliriz. - 31 -
1. İnsülin yetersizliğine bağlı olarak, karbonhitratların yeterince kullanılamaması, aşırı glikojen yıkımı ve glukoneogenezise bağlı kan şekeri düzeyinin yükselmesi ve idrara glukoz geçmesi (iperglisemi ve Glukozüri) 2. Glukozun yeterince depo edilememesi ve dışarı atılması sebebiyle organizmanın glukoz yerine yağlardan yararlanmaya başlaması ve yağların hidrolizi ile açığa çıkan yağ asitlerinin kan dolaşımına karışmaları ve dokular tarafından kulanılmaları. 3. Yağ asitleri yıkımının artmasına bağlı olarak, keton cisimleri dediğimiz kimyasal bileşikler ve kolesterol sentezi artar. Keton cisimlerinin kanda birikmesi olayına metozis denir. Şeker hastalığının, klinik olarak başlıca üç büyük belirtisi vardır. Çok su içme, çok yemek yeme, çok idrara çıkma, bunların ağız kuruması halsizlik ve yorgunluk gibi belirtileri vardır. Diabet koması: Kanda biriken meton cisimlerinin toksik tesirinden ileri geldiği zannedilmektedir. Çok yüksek kan şekeri düzeyleri de komaya sebep olabilir.? Aşağıdaki kavramların ne anlama geldiğini açıklayın. Maltoz Laktoz Monasakkarit Primer alkol grubu Asimetrik karbon atomu Optik Aktivite Glikoliz Glikojenez Venöz kan şekeri Alimanter hiperglisemi Renal Diabet Glikojenoliz Sitrik asit siklusu 10. 1. Glukoz Tolerans Testi Kan şekerinin hastaların durumuna göre gösterdiği değişikleri incelemek amacı ile uygulanan bir testtir. Bir şahsın glukozf metabolize etme yeteneği birçok faktörlere bağlıdır. İnsülin biosentezindeki önemli bozukluklarda açlık kan şekeri yüksektir ve devamlı bir glukozüri görülür. afif insülin yetmezliğinin tanısı ile belirli miktarda glukoz vermek ve bunun glikojene dönüşme hızını ölçmek suretiyle yapılabilir. Bu deneye glukoz tolerans testi veya glukoz yükleme deneyi denir. - 32 -
Birçok glukoz yükleme deneyleri vardır. Bu deneyler genel olarak, bir insana vücut ağırlığının kilosu başına 1,5-1,75 gr. kadar glukoz vermek suretiyle yapılır. Glukoz verilmeden önce bir kere ve verildikten sonra belirli zaman aralıklarında kan alınır ve glukoz miktarı tayin edilerek bir kan şekeri eğrisi çizilir. glukoz % mg 250 200 150 B 150 100 50 A 0 1 2 3 4 5 6 Saat A: Normal B: Diabetli bir kişinin Glukoz tolerans eğrisi Normal insanlarda glukoz yükleme deneyinde kan şekeri birinci saatin sonunda maksimuma erişir; nadiren %160 mg'ın üstüne çıkar, ikinci saatin sonlarına doğru veya 3. saatte tekrar normal düzeye iner. er kan numunesi alındığında idrar da alınır. Normalde kanın glukoz düzeyi böbrek eşiğini aşmadığı için idrarda hiç şeker bulunmaz. Diabetli bir hastada aisedaha yüksek ve daha uzun süreli kan şekeri eğrileri elde edilir. Bu hallerde kan şekeri ancak daha uzun zaman sonra normal düzeye iner ve uzun zaman devam eden bir glukozüri görülür. Glukoz düzeyi fazla yükselmediği haldeidrarda glukoz görülürse, bu hal Renal Diabet'i gösterir. Bunun aksine glukoz düzeyi yüksek olduğu halde idrarda glukoz bulunmaz ise, bu şeker hastalığı ile birlikte veya şeker hastalığı almadığı halde böbrekte mevcut bir bozukluğa işarettir. - 33 -
Özet Doğada, bitkisel ve hayvansal kaynaklı olarak yaygın olarak bulunan karbonhidratlar organizmada çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. ayvanlarda glukoz ve glikojen halinde en önemli enerji kaynaklarından birini oluşturur. Karbonhidratların metabolize olması ile açığa çıkan enerji hücrede çeşitli amaçlar için kullanılır. Metabolize olmaları sırasında ortaya çıkan enerji hücrede çeşitli amaçlar için kullanılır. Metabolize olmaları sırasında ortaya çıkan ara maddeler birçok biyolojik molekülün sentezinde öncül madde olarak kullanılmaktadır. Glukozun yıkılması ile ortaya çıkan bileşiklerden sentezlenen maddeler arasında, purin ve pirimidinleri, amino asitleri, porfirinleri, kolesterolü ve kolesterol türevlerini, mukopolisakkaritleri, gliserol ve yağ asitlerini, laktozu, askorbik asiti ve sitrik asit siklusu ara bileşiklerini saymak mümkündür. Karbonhidratlar metabolizması, birçok enzim ve hormonların kontrolü altında olan ileri derecede hassas ve karmaşık bir konudur. Değerlendirme Soruları 1. Monosakkarit olan "glukoz" molekülü aşağıda sayılan gruplardan hangisine girer? A) Triozlar B) Tetrozlar C) Pentozlar D) egsozlar E) eptozlar 2. Açlık kan şekeri normal düzeye hangisidir?(%) A) 150-160 mg B) 70-100 mg C) 100-130 mg D) 130-150 mg E) 55-70 mg - 34 -
3. Glukoz - 6 Fosfat'tan başlayıp Fruktoz 6 P. ta biten metabolik yol hangisidir? A) Glikolizis B) Glikojenezis C) TCA Siklusu D) eksoz monofosfat yolu E) Glikojenolizis 4. Normal bir kişiye glukoz tolerans testi uygulandığında kan glukozu hangi saatte maksimum değere ulaşır? A) 1 saat B) 2 saat C) 3 saat D) 4 saat E) 1/2 saat 5. Glukozun CO 2 ve 2 O ya tam oksidasyonu aşağıdakilerden hangi yolla olur? A) Glikojenezis B) TCA Siklusu C) Glikojenolizis D) Glikoneogenezis E) içbiri 6. Kan glukozunun yükselmesini önleyen hormon aşağıdakilerden hangisidir? A) İnsülin B) Glukagon C) Büyüme hormonu D) Prolaktin E) içbiri - 35 -
7. Böbrek eşik değeri, yani kan glukozunun belli birdeğerinden sonra idrarda görüldüğü sınır hangisidir?(%) A) 180-240 mg B) 80-120 mg C) 70-100 mg D) 200-250 mg E) 140-180 mg 8. İdrarda glukoz görülmesine ne denir? A) Galaktozemi B) Galaktozüri C) Glikozemi D) Glikozüri E) Fruktozüri Yararlanılan ve Başvurulabilecek Kaynaklar GÖZÜKARA, Engin. Biyokimya, Ankara, Ofset Pepianet Ltd. Şt. 1990. LENİNGER, Albert L. Biochemistry, New York, Wort Publishers, Inc 1988. TEKMAN, Ş ve Öner, N. Genel Biokimya, Fatih Yayınevi İstanbul, 1981. ARAS, Kazım ve Gülseren Erşen. Klinik Biokimya, Ankara acettepe Taş Kitapçılık Ltd. 1988. - 36 -
33 2. BÖLÜM KARBONİDRAT METABOLİZMASI (v.2001) T.A.Aksu 2.1. GİRİŞ Karbonhidratlar, organizmamõz için önemli gõda maddelerinin en başõnda yer alõr.yaklaşõk olarak günlük enerji ihtiyacõnõn % 50 si karbonhidratlarla karşõlanõr.yetişkinde günlük enerji enerji gereksiniminin 2400 kcal olduğu düşünülürse; 1g karbonhidrat 4 kcal verdiğine göre bir günde yaklaşõk 300 g karbonhidrat almamõz gerekir. Özellikle beyin dokusu enerji ihtiyacõ açõsõndan büyük ölçüde karbonhidratlara bağõmlõdõr ve kan glukozunun düşüklüğü (hipoglisemi) bu organda ciddi fonksiyon bozukluklarõna yol açar (Beynin 1 saattaki glukoz ihtiyacõ 6 g dõr). Enerji sağlamasõ dõşõnda karbonhidratlar laktozun, mukopolisakkaridlerin, glikoprotein ve glikolipidlerin yapõsõna katõlõrlar. Ayrõca karbonhidrat metabolizmasõnõn zaman zaman protein ve lipid metabolizmalarõ ile beraber yürüdüğünü, karbonhidratlardan amino asit ve yağ sentezlendiğini, tersine amino asitlerin deaminasyonu ile oluşan karbon iskeletlerinden glukoz sentezlendiğini göreceğiz. Üç ana besin maddesi arasõndaki bu metabolik ilişki Şekil 2.1A. da görülmektedir. Şekil 2.1A. Karbonhidrat, protein ve yağlarõn metabolik ilişkileri. Şekilde görüldüğü gibi bu üç gõda maddesi,karbonhidrat metabolizmasõnõn belirli reaksiyonlarõnda bir araya gelerek enerji üretiminde kullanõlmaktadõr.
34 Glukoz, karbonhidrat metabolizmasõnõn temel maddesidir. Türü ne olursa olsun organizmaya giren her karbonhidrat sonunda glukoza çevrilir. Bu nedenle '' Karbonhidrat metabolizmasõ deyince akla glukoz metabolizmasõ gelir. '' şeklinde düşünmek yerinde bir görüş olur. 2.2. KARBONİDRAT METABOLİZMASININ BAŞLICA METABOLİK YOLLARI 1) Glikojenez: Glukozdan glikojen sentezi. 2) Glikojenoliz: Glikojenin yõkõlmasõ. Bu olayõn karaciğerdeki son ürünü glukoz, kas dokusundaki son ürünü glukoz-6-fosfattõr. 3) Glikoliz ( Embden-Meyerhof Yolu) : Glukozun pirüvat veya laktata kadar yõkõlmasõ. 4) Pirüvat Metabolizmasõ: Pirüvatõn asetil-koa ya dönüşümü 5) Trikarboksilik Asit Siklüsü ( Krebs Siklüsü) : Asetil-KoA içindeki asetil kõsmõnõn CO 2 ye parçalanmasõ ve bu sõrada redükte koenzimlerin oluşumu. 6) Pentoz fosfat Yolu: Glukozun bir başka şekilde oksidasyonu ile NADP ve pentoz sentezi. 7) Glukoneojenezis: Karbonhidrat olmayan maddelerden glukoz sentezi 8) Glukuronik asit Yolu: Glukozdan glukuronik asit sentezi. Karbonhidrat metabolizmasõnõn temel metabolik yollarõ Şekil 2.1B. de topluca gösterilmiştir. 2.3. KARBONİDRATLARIN SİNDİRİMİ VE EMİLİMİ Diyette bulunan karbonhidratlar çoklukla polisakkarid ve disakkarid (nişasta, süt ve çay şekeri), daha az oranda da monosakkarid (glukoz ve früktoz) formunda bulunurlar Karbonhidratlarõn barsaktan emilebilmeleri için monosakkarid haline çevrilmeleri şarttõr.
35 Şekil 2.1B. Karbonhidratlarla ilgili önemli metabolik yollar. Karbonhidratlarõn parçalanma işlemi ağõzdan itibaren başlayabilir. Tükrükte bulunan α- amilaz polisakkarid parçalayan bir enzim olmasõna rağmen, çiğneme süresinin kõsalõğõ nedeniyle fazla etkin değildir. Midenin asit p sõ bu enzimin daha fazla çalõşmasõna olanak vermez. Pankreastan gayet aktif bir başka α-amilaz salgõlanõr. Gerek tükrük gerekse pankreas amilazõ, α1 4 glikozid bağõna sahip polisakkaridleri bir bağ atlayarak parçalar ve aktivitesi zincir sonuna yahut dallanma noktasõna 2 glukoz ünitesi kalõnca durur. Böylece α amilaz etkisi sonunda yaklaşõk olarak % 40 oranõnda maltoz, % 30 oranõnda α1 4 ve α1 6 bağõ içeren α-dekstrin,
36 % 25 oranõnda α1 4 bağõ ile bağlanmõş 3 glukozlu maltotrioz, % 5 oranõnda da 4-9 glukoz içeren polisakkarid molekülleri meydana gelir. Şekil 2.2. Barsakta dallõ polisakkarid sindirimi. İnce barsak mukozasõnõn fõrçamsõ kenarõ tarafõndan salgõlanan diğer hidrolitik enzimlerle karbonhidrat sindirimi sürdürülür ve tamamlanõr. Bu enzimlerden α- glukozidaz her defasõnda bir tane olmak üzere α1 4 bağõ parçalar. α-dekstrinaz, α1 6 bağõnõ koparõr (Şekil 2.2.) ve serbest glukoz üniteleri meydana gelir. Yine barsak mukozasõ kaynaklõ β- galaktozidaz veya laktaz laktozu, sükraz ise sükrozu parçalar ve sonunda glukoz, galaktoz ve früktozdan ibaret monosakkaridler meydana gelir. Monosakkaridlerin ince barsaktan emilimleri için 3 yol vardõr. Bunlar aktif transport, taşõyõcõ moleküllerle yürütülen kolaylaştõrõlmõş diffüzyon ve basit diffüzyon dur. Monosakkaridlerin transportunda SGLT1 ve GLUT5 isimli glukoz taşõyõcõlarõ (glucose transporter) rol oynar. SGLT1 taşõcõlarõ, ince barsak hücresinin serozal tarafõna yerleşmiş Na +,K + -ATP az sistemine (sodyum pompasõ) bağõmlõ olarak çalõşõr ve monosakkarid, enerji harcanarak düşük konsantrasyondaki barsak lumeninden alõnõr ve yüksek konsantrasyonlu ekstraselüler ortama aktarõlõr. Glukoz
37 ve galaktoz emilimi tek yönlü olarak çalõşan bu yolla gerçekleşir. GLUT5 ise sodyum pompasõna bağlõ olmaksõzõn, konsantrasyon farkõna dayalõ olarak monosakkaridlerin iki yönlü kolaylaştõrõlmõş diffüzyonundan sorumludur. Früktoz ve bir kõsõm glukoz bu yolla taşõnõr. Basit diffüzyonda ise taşõyõcõ protein yoktur, olayõ yönlendiren konsantrasyon gradientidir. Basit diffüzyon glukoz ve früktoz emiliminde kullanõlõr. Şekil 2.3. İnce barsakta aktif transportla Na + emilimi. Sodyum pompasõ, ATP nin parçalanmasõ suretiyle elde edilen enerjiyi sodyumun aktif olarak hücre dõşõna (ekstraselüler kompartman) transferi için kullanõr ve böylece barsak hücresi sitoplazmasõnda Na + konsantrasyonu düşer. Olayõ dengelemek üzere barsak lumeninde bulunan Na + taşõyõcõ protein aracõlõğõ ile barsak hücresine girerken beraberinde glukozu da taşõr (simport olayõ). Glukozun böbrek tubuluslarõndaki geri emiliminde de barsaktakine benzer olaylar tekrarlanõr. 2.4. GLUKOZ VE ÜCRE Barsaklardan emildikten sonra vena porta aracõlõğõ ile sistemik dolaşõma katõlan glukoz, galaktoz ve fruktoz hücre düzeyinde tek monosakkarid (glukoz) üzerinden metabolize edilir. Früktozun glukoza dönüşümü barsak ve karaciğerde, galaktozun glukoza dönüşümü ise yalnõzca karaciğerde gerçekleşir.
38 Glukozun hücreye girişi, hücre zarõnda bulunan ve transporter(taşõyõcõ molekül) veya permeaz denilen protein yapõsõndaki oluşumlar aracõlõğõ ile gerçekleşir. Yanda resmi görülen glukoz taşõyõcõsõ hücre zarõna 12 defa giriş-çõkõş yapan geniş bir membran proteinidir. Çeşitli glukoz transporterlarõ Tablo 2.1. de topluca sunulmuştur. Tablo 2.1. Çeşitli Glukoz Transporter larõ 1- Sodyum Bağõmlõ Tek Yönlü Transporter İsmi Bulunduğu Yer Görevi SGLT 1 İnce barsak ve böbrek İnce barsak ve böbrekte konsantrasyon gradientine karşõ glukoz emilimi. 2- İki yönlü glukoz taşõnmasõnõ kolaylaştõran transporter lar İsmi Bulunduğu Yer Görevi GLUT 1 Beyin,böbrek,kolon,plasenta, eritrosit GLUT 2 Karaciğer, pankreasõn beta hücreleri, ince barsaklar, böbrek GLUT 3 Beyin, böbrek, plasenta Glukoz alõmõ Glukoz alõmõ õzlõ glukoz alõmõ ve salõverilmesi.düşük afinite ancak yüksek kapasiteye sahip bu taşõyõcõ, enterositlerdeki glukozun kana geçişini sağlar ve pankreasõn beta hücrelerinde glukoz sensörü gibi çalõşõr. GLUT 4 Kalp ve iskelet kasõ, yağ dokusu İnsülinle stimüle edilen glukoz alõmõ GLUT 5 İnce barsak ve böbrek Glukoz emilimi ücre içine giren glukoz, hekzokinaz veya karaciğerde glukokinaz tarafõndan fosforile edilir ve glukoz-6-fosfat oluşur.
39 Glukoz-6-Fosfat, glukoz molekülünü hücre içinde tutan bir tür kapandõr ve glukozun hücre dõşõna çõkõşõnõ engeller. Fosforilasyon için 2 ayrõ enzimin bulunuşu glukozun karaciğer ve diğer organlar tarafõndan kullanõlõş önceliğini belirlemeye yöneliktir. Bu uygulama her iki enzimin K m değerlerinin bilinmesi ile açõklõk kazanõr. ekzokinazõn glukoz için K m değeri 0.05 mmol/l, glukokinazõn ise 10 mmol/l dir. Bu durum, glukozun; kan glukozu yüksek iken karaciğer, kan glukozu düştükten sonra diğer organlar da tarafõndan kullanõlmasõ anlamõna gelir. 2.5. GLİKOJENEZ Glukozdan glikojen sentezi demektir. Glikojen glukozun depolanmõş şeklidir. Karaciğer % 6, kas dokusu %1 oranõnda glikojen içerir. Organizmanõn enerji gereksinimi olmadõğõ zaman fazla glukoz bu iki organõmõz tarafõndan glikojene dönüştürülerek depolanõr. Glikojen sentezi organizmanõn tüm hücrelerinde yapõlmakla birlikte, bu işteki en faal iki organõmõz kana glukoz sağlamakla yükümlü karaciğer ve kasõlma için enerji depolayan kas dokusudur. Glikojenez bir sentez reaksiyonudur ve enerji gerektirir. Enerji UTP den sağlanõr. Enerji yüklü glukoz molekülleri enzimler aracõlõğõ ile primer glikojen
40 molekülüne a1 4 ve a1 6 bağlarõ yaparak bağlanõr ve sentez gerçekleşir.glikojen molekülü temel özellikleri ile yukarõda görülmektedir (Şekil 2.4). Glikojen sentezinin ilk aşamasõnda glukoz-6-fosfat, fosfoglukomutaz ile tersinir olarak glukoz-1-fosfata dönüştürülür. Glukoz-6-fosfat Glukoz-1-fosfat Bundan sonra glikojenezin temel reaksiyonu gelişir. Glukoz-1-fosfat, UDP-glukoz pirofosforilaz tarafõndan UTP katkõsõyla UDP-glukoz a çevrilir. Bu reaksiyon sonunda açõğa çõkan pirofosfat molekülünün pirofosfatazla ekzergonik olarak ortofosfata çevrilmesi nedeniyle bu reaksiyon tersinir değildir. Glukoz-1-fosfat + UTP UDP-glukoz + PP i PPi 2Pi ( G0'=-25 kj/ mol) Enerji yüklü UDP-glukoz, artõk sentez için hazõrdõr. Glikojen sentaz, UDPglukoz içindeki glukoz molekülünü, mevcut enerjiden yararlanarak α1 4 bağõyla primer glikojene bağlar. Glikojen primeri, glikojenin adõ verilen bir protein yardõmõyla oluşmuş en az 4 glukoz ünitesinden ibaret bir yapõdõr. Bu işlem sonunda glikojen molekülü bir glukoz ünitesi kadar uzar. Glikojen(glukoz) n + UDP-glukoz Glikojen(glukoz) n+1 + UDP Glikojen sentaz α1 6 bağõ yapamaz. Bu iş, amilo (1 4),(1 6) transglikozidaz veya glikozil(4 6)-transferaz denilen (dallandõrõcõ enzim) enzimle başarõlõr. Bu enzim, düz glikojen zincirinin indirgen olmayan ucundan aldõğõ en az 6 glukozil ünitelik kõsmõ glikojen molekülüne aktarõr(şekil 2.5.) Şekil 2.5. Glikojen sentezinde dallanma noktasõnõn oluşumu.
41 Glikojende her dal indirgen olmayan bir hidroksil grubu ile sonlanõr. Bu durum glikojene suda daha iyi çözünme özelliği kazandõrõr ve sonuç olarak gerek glikojen sentaz ve gerekse fosforilaz glikojen üzerinde daha etkin hale gelir. 2.6. GLİKOJENOLİZ Glikojenoliz glikojen yõkõmõ demektir. Son ürünü karaciğerde glukoz, kas dokusunda ise glukoz-6-fosfattõr. Glikojenolizin ilk enzimi fosforilaz dõr. Fosforilaz α1 4 bağlarõnõ 1 nolu karbon atomuna P i bağlayarak parçalar. Ürün glukoz-1-fosfattõr. Glukoz-1-fosfat ta fosfoglukomutazla glukoz-6-fosfata çevrilir Glikojen(glukoz) n + P i Glikojen(glukoz) n-1 + Glukoz-1-fosfat Glukoz-1-fosfat Glukoz-6-fosfat Fosforilaz etkisi dallanma noktasõna yaklaşõk 4 glukozil rezidüsü kalõnca durur. Bu noktada dal kõrõcõ enzim (glukan transferaz ismi de verilir) devreye girer. Dal kõrõcõ enzimin iki aktivitesi vardõr. Bunlar etki sõrasõyla glukotransferaz ve glukozidaz aktiviteleridir. Nitekim dal kõrõcõ enzim ilk olarak son üç glukoz rezidüsünü alõr ve komşu düz zincirin C4 ne ekler (glukotransferaz etkisi). Dallanma noktasõnda α1 6 bağõ ile bağlõ duran son glukoz ünitesi de glukozidaz etkisi (amilo 1 6 glukozidaz) ile yerinden koparõlõr. Bu enzimatik etkinin ürünü glukoz-1-fosfat değil sadece glukozdur (Şekil 2.6). Şekil 2.6. Glikojenolizin evreleri.
42 Glikojenoliz sõrasõnda açõğa çõkan glukoz-6-fosfat karaciğerde glukoz-6- fosfataz la parçalanõr. Serbestleşen glukoz kana geçer. Bir başka deyişle karaciğerde glikojenolizin amacõ kana glukoz sağlamaktõr. Benzer olay böbrekte de cereyan eder. Oysa ki kas dokusunda glukoz-6-fosfataz bulunmadõğõ için bu organdan kana glukoz verilmesi söz konusu değildir. Kas hücresinde oluşan glukoz-6-fosfat, glukozdan enerji oluşumunu sağlayan glikoliz reaksiyonuna girer. 2.7. GLİKOJENEZ VE GLİKOJENOLİZİN KONTROLU Glikojenez ve glikojenoliz birbirinden farklõ iki metabolik yoldur ve hiçbir zaman beraberce cereyan etmezler. Yani glikojenez işlerken glikojenoliz durur, glikojenoliz çalõşõrken glikojenez durur. Bu olay, iki önemli enzimin glikojenezde glikojen sentaz, glikojenolizde fosforilaz aktivitelerinin beraberce ancak birbirinin tersi olacak bir biçimde kontrolü ile gerçekleşir. Bu kontrol kovalan modifikasyon ve allosterik olarak sağlanõr. Fosforilaz kovalan bir bağla yapõsõndaki serin amino asidine bir fosfat grubu bağlandõğõ zaman (fosforile edildiği zaman) aktive olur (fosforilaz a). Defosforilasyonla aktivasyon kaybolur (fosforilaz b). Öte yandan aynõ şekilde fosforile edilen glikojen sentaz inaktiftir (glikojen sentaz b), ancak yüksek glukoz- 6-fosfat konsantrasyonunda aktiftir ve bu nedenle D (dependent)form glikojen sentaz olarak ta isimlendirilmiştir. Defosforile glikojen sentaz ise aktiftir (glikojen sentaz a ),glukoz-6-fosfata bağõmlõ değildir ve glukoz-6-fosfatõn varlõğõnda veya yokluğunda aktiftir, bu nedenle I (independent) form glikojen sentaz ismini alõr. Enzim proteininin fosforilasyonu protein kinaz la defosforilasyonu ise protein fosfataz-1 le sağlanõr. camp, camp bağõmlõ protein kinazõ (protein kinaz A) aktive eder. camp bağõmlõ protein kinaz molekülü birbirine yapõşõk dimerik R (regülatuar) ve dimerik C alt birimlerinden oluşmuştur. camp aktivasyon etkisini R ve C ünitelerini birbirinden uzaklaştõrarak gerçekleştirir (Şekil 2.7.).
43 Şekil 2.7. Protein Kinaz A nõn camp tarafõndan aktivasyonu. Glukagon ve epinefrin hücre içi camp konsantrasyonunu artõrõr, insülin azaltõr ve böylece, glukagon ve epinefrinin glikojenezi yavaşlatõrken glikojenolizi hõzlandõrdõğõ, insülinin ise tam tersine glikojenezi hõzlandõrõrken glikojenolizi yavaşlattõğõ anlaşõlmõş olur. Glikojenez ve glikojenolizde gelişen olaylar ve bunlarõn kontrolü aşağõda topluca özetlenmiştir (Şekil 2.8.).
44 Şekil 2.8. Glikojenez ve glikojenolizin evreleri ve kontrol eden faktörler. Fosforilaz ve glikojen sentaz da görülen aktivasyon değişiklikleri camp ile başlatõlan bir seri reaksiyonla gerçekleşir. camp, enzimleri fosforile ederek aktivasyon değişikliğine yol açan protein kinaz A yõ aktive eder. Aktif protein kinaz A, ATP harcõyarak fosforilaz kinaz b yi aktifleştirir ve böylece fosforilaz kinaz a oluşur. Fosforilaz kinaz a da inaktif fosforilaz b yi aktif fosforilaz a ya çevirir (Şekil 2.7.). Bu aşamalarda fosfat grubu bağlayarak aktifleşen enzimler, bu grubun protein fosfataz-1 le uzaklaştõrõlmasõ sonucu aktivasyonlarõnõ kaybeder ve inaktif konuma geçerler. camp nin protein fosfataz-1 üzerine olumsuz etkisi vardõr. Şöyle ki c AMP, protein yapõsõndaki inhibitör-1 denen maddeyi protein kinazlar aracõlõğõ ile ve fosfat grubu bağlamak suretiyle aktive eder. Aktifleşen inhibitör-1 de protein fosfataz-1 i inhibe eder (Şekil 2.10.). Sonuç olarak camp etkisiyle fosforilaz aktif konumda kalõr. Fosforile edilen glikojen sentaz inaktiftir. Glikojen sentaz fosforilasyonu da camp tarafõndan sağlanan protein kinaz aktivasyonu ile gerçekleşir. Özetle camp glikojen sentaz õ inaktif konumda tutar. camp, fosfodiesteraz ile parçalanõr. İnsülin fosfodiestereazõ aktive eden bir hormondur (Şekil 2.9). O halde insülin etkisi ile camp aktivitesinde azalma olurken glikojen sentezi artar, glikojen yõkõmõ ise azalõr.
45 Şekil 2.9. camp nin parçalanmasõ. camp aracõlõğõ ile fosforilaz ve glikojen sentaz aktivasyonu şematik olarak Şekil 2.10. da görülmektedir. camp, hücre içinde hormonal mesaj iletilmesinden sorumlu bir nükleotid tir. Glukagon karaciğer hücresinde, epinefrin ise etkin olarak kas hücresinde camp konsantrasyonunu artõrarak glikojenezi yavaşlatõr, buna karşõlõk glikojenolizi hõzlandõrõr. Şekil 2.10. Fosforilaz ve glikojen sentaz aktivasyonlarõ ile glikojenez ve glikojenolizin kontrolu.
46 Epinefrin hormonunun karaciğerde camp üzerinden yaptõğõ etkiye ek olarak bir başka etki biçimi vardõr. Epinefrinin karaciğerde bağlandõğõ bir diğer reseptör α1 reseptörüdür. Bu reseptörün uyarõlmasõ ile karaciğer hücresinde Ca düzeyi artar. Bu durumda fosforilaz b kinaz fosforilasyon olmaksõzõn Ca tarafõndan allosterik olarak aktive edilir ve glikojen yõkõmõ gerçekleşir. 2.8. GLİKOLİZ Glikoliz, Grekçede şekerin erimesi anlamõna gelir. Biyokimyasal olarak glukozun enerji vermek üzere aerobik şartlarda pirüvata, anaeorobik şartlarda laktata kadar yõkõlmasõdõr. Embden-Meyerhof metabolik yolu olarak da bilinen glikolizde birbirini izleyen reaksiyonlar tamamen sitoplazma içinde cereyan eder. Glikolizin tüm reaksiyon denklemi aşağõda gösterildiği gibidir. glukoz + 2 ADP + 2 NAD + + 2 P i 2 pirüvat + 2 ATP + 2 NAD + 2 + + 2 2 O I - Glikolizin ilk reaksiyonu glukozun fosforilasyonudur. ekzokinazõn katalizlediği bu reaksiyonda glukoz-6-fosfat oluşur. II - İkinci reaksiyonda fosfoheksoz izomeraz, glukoz-6-fosfatõ fruktoz-6-fosfata çevirir. Tersinir bir reaksiyondur.
47 III - Glikolizin bu reaksiyonu fosfofruktokinaz-1 enzimi tarafõndan yürütülür. ATP harcanmasõyla gerçekleştirilen bu aşama, glikolizin kontrolü açõsõndan son derece önemlidir ve geriye dönüşümlü değildir. Bu reaksiyonda fruktoz-6-fosfat, fruktoz-1,6- bifosfata çevrilir. IV - Glikolizin bu aşamasõnda fruktoz-1,6-bifosfat, aldolaz la ortadan 2 ye bölünür. Su molekülü sokulmadan gerçekleşen bu reaksiyon sonucunda birbirinin izomeri olan 2 trioz fosfat oluşur. Bunlardan biri dihidroksiaseton fosfat diğeri gliseraldehid-3-fosfat tõr. Oldukça endergonik(sağa doğru işlemesi için enerji verilmesi gereken) olan bu reaksiyon, organizma şartlarõnda ve glikoliz sõrasõnda dihidroksiaseton fosfat ve gliseraldehid-3-fosfatõn süratle harcanmasõ nedeniyle sağa doğru da kolaylõkla işler. Bu nedenle iki yönlü olarak gösterilmiştir. V - Bu aşamada dihidroksiasetonfosfat, izomeri olan gliseraldehid-3-fosfata çevrilir. Bu olayõ gerçekleştiren enzim trioz fosfat izomeraz dõr.
48 Glikolizin bu aşamasõnda ortamda iki adet gliseraldehid-3-fosfat bulunur ve izleyen reaksiyonlar bu nedenle bundan böyle iki kanal halinde cereyan eder. VI- Glikolizin bundan sonraki aşamalarõ ürün almaya yönelik dönemlerdir. İlk olarak gliseraldehid-3-fosfat tan, inorganik fosfat ve NAD + katõlõmõyla 1,3- Bifosfogliserat oluşur. Olayõ katalizleyen enzim gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenaz dõr. Glikolizin bu kademesinde üzerinde durulacak iki nokta vardõr. Yukarõda da görüldüğü gibi bu aşama, NAD + ve inorganik fosfatõn katõlõmõ ile gerçekleşmiştir. O halde glikolizin bu noktadan itibaren devamõ için ortamda bu iki maddenin bulunmasõ şarttõr. VII - Fosfogliserat kinaz, 1,3-Bifosfogliseratõn 1 nolu karbon atomuna bağlõ fosfat grubunu ADP ye nakleder ve böylece ATP ve 3-fosfogliserat oluşur. Enerjice yüksek bir madde, enerjisini ATP sentezinde kullanarak daha düşük enerjili bir maddeye dönüştüğü için bu olay substrat düzeyinde bir ATP sentezi dir. Eritrositlerde 1,3-Bifosfogiserat, bifosfogliserat mutaz tarafõndan 2,3- Bifosfogliserata çevrilir. 2,3-Bifosfogliserat eritrositlerin yükledikleri oksijeni salõvermeleri için gerekli bir maddedir. Dokularda 2,3-Bifosfogliserat konsantrasyonunun yükselmesi hemoglobinin oksijen yükünün boşalmasõna
49 yol açar. 2,3-Bifosfogliserat daha sonra 2,3-Bifosfogliserat fosfataz tarafõndan 3- Fosfogliserat ve P i ye parçalanõr. Yukarõdaki şekilde de görüldüğü gibi eritrositlerde 2,3-Bifosfogliserat oluştuğu zaman ATP oluşumu olmaz. VIII - 3-Fosfogliserat, fosfogliserat mutaz tarafõndan 2-Fosfogliserata çevrilir. IX - 2-Fosfogliserat içindeki fosfat grubunun ATP sentezine yatkõn bir hale getirilebilmesi için bu molekülün yeniden düzenlenmesi gerekir. Bu düzenleme enolaz tarafõndan gerçekleştirilir ve bir molekül su çõkmasõ ile 2-fosfogliserat tan fosfoenolpirüvat oluşur
50 Enolaz, florür tarafõndan inhibe edilen bir enzimdir. erhangibir nedenle glikolizin durdurulmasõ gerektiğinde florür iyonunun bu özelliğinden yararlanõlõr. X - Bu aşama glikolizin son aşamasõdõr. Pirüvatkinaz, fosfoenolpirüvattaki yüksek enerjili fosfat grubunu ADP ye aktarõr ve ATP oluşur. Bu esnada ortamdan bir adet proton ( + )alõnõr. Fizyolojik şartlarda bu reaksiyon irreversibl dir. XI - Glikolizin anaerobik şartlarda yürümesi durumunda ortama NAD + sağlanmasõ amacõ ile VI reaksiyonda oluşan NAD+ + õn indirgenmesi gerekir. Bu iş sitoplazmik bir enzim olan laktat dehidrogenaz tarafõndan başarõlõr. Glikolizin ek reaksiyonu olan bu evrede pirüvat laktata indirgenirken NAD+ + da NAD + ya yükseltgenir. Glikoliz ve evreleri Şekil 2.11. de topluca görülmektedir. 9. Glikolizdeki ATP kazancõ Glikoliz hem ATP sarfõ hem de ATP kazancõ ile seyreden bir metabolik yoldur. Bu konu ile ilgili açõklama aşağõda verilmiştir.
51
52 GLİKOLİZ EVRELERİNE TOPLU BAKIŞ C 2 -O O O glukoz O I O O O C 2 -O- P O O II O O ATP ADP glukoz-6-fosfat C 2 -O- P O C 2 -O O fruktoz-6-fosfat O O III ATP ADP C 2 -O- P O C 2 -O- P O früktoz-1,6-bifosfat O O Glikoliz Enzimleri : I ekzokinaz II Fosfoheksoz izomeraz III Fosfofrüktokinaz IV Aldolaz V Fosfotrioz izomeraz VI Gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz VII Fosfogliserat kinaz VIII Fosfogliserat mutaz IX Enolaz X Pirüvat kinaz XI Laktat dehidrogenaz O gliseraldehit-3-fosfat O O P V IV O O O P dihidroksiaseton fosfat NAD + VI NAD+ + O O P P i O O VII O O P O ATP 1,3-bifosfogliserat ADP O O O O NAD+ + XI O O laktat NAD + pirüvat VIII O P 3-Fosfogliserat ADP X O ATP O O O P O O IX P O Fosfoenolpirüvat X2 2-Fosfogliserat
53 2.9. ALKOLİK FERMENTASYON Maya hücreleri (örneğin bira mayasõ, hamur mayasõ) glikolizi farklõ bir ürünle sonlandõrõrlar. Bu ürün etil alkol dür ve olay da alkolik fermentasyon olarak isimlendirilir. Burada da amaç NAD + oluşturarak glikolizin devamõnõ sağlamak bir başka deyişle glikoliz sõrasõnda oluşan NAD + + õ okside etmektir. Maya hücrelerinde bulunan enzimler reaksiyonu etil alkol oluşacak biçimde yönlendirirler. Alkolik fermentasyonda glikoliz ürünü olarak oluşan pirüvat, önce pirüvat dekarboksilazla asetaldehide dönüştürülür. Asetaldehid de alkol dehidrogenazla etanole çevrilir. Bu sõrada NAD + + õn oksidasyonu yani NAD + şekline dönüşümü sağlanõr. 2.10. GLİKOLİZİN KONTROLU Buraya kadar glikoliz ile ilgili tüm reaksiyonlarõ gözden geçirmiş olduk. Çok iyi anlaşõlacağõ gibi glikoliz, glukoz kullanarak ATP eldesine yönelik bir metabolik yoldur. Bu nedenle organizmada glukoz düzeyi düşük ise glikoliz yavaşlamalõ, yüksek ise hõzlanmalõdõr veya olaya ATP yönünden bakõldõğõnda, ATP düzeyi yetersiz ise glikolitik yol çalõşmalõ, yeterli ise durmalõdõr. Tüm bu olaylar glikolizin hassas bir biçimde kontrolunu gerektirir.
54 Glikolizin kontrolu, bu metabolik yolda geriye dönüşü olmayan 3 reaksiyonu katalizleyen 3 enzim aracõlõğõ ile yapõlõr. Şekil 2.11. de de görüldüğü gibi bu enzimler: 1) ekzokinaz 2) Fosfofrüktokinaz 1 3) Pirüvat kinaz dõr. 1) ekzokinaz, ürünü olan glukoz-6-fosfat tarafõndan inhibe edilir. Ancak bu olay hekzokinaz benzeri görev yapan glukokinaz için geçerli değildir. atõrlanacağõ gibi sadece karaciğerde bulunan glukokinaz özellikle yüksek glukoz konsantrasyonlarõnda glukoz-6-fosfat üretmeye devam eder ve glikojen üretimini destekler. 2) Fosfofrüktokinaz 1, glikolizi kontrol eden en önemli enzimdir (key enzyme). Allosterik bir enzim olan fosfofrüktokinaz 1, ATP ve sitrat tarafõndan inhibe edilirken fruktoz-2,6-bifosfat tarafõndan aktive edilir Fruktoz-2,6-bifosfat son yõllarda keşfedilen bir allosterik modülatördür. Fosfofrüktokinaz 2 olarak isimlendirilen bir enzim ATP harcayarak fruktoz-6-fosfatõ fruktoz-2,6-bifosfata çevirir. Fruktoz-2,6-bifosfat ta fruktoz-2,6-bifosfataz (fruktoz bifosfataz2 )ile fruktoz-6- fosfat ve Pi ye parçalanõr. Buradaki enterasan olan nokta, fosfofruktokinaz 2 ve fruktoz-2,6-bifosfataz aktivitelerinin aynõ protein molekülünde yer almasõdõr. Enzimolojide bu tip enzimlere çift kişilikli enzim (tandem enzyme ) denir. Bu enzimlerde aktivasyon türünü enzim molekülünde yer alan serin amino asidinin fosforilasyonu belirler. Nitekim fosforile enzim fruktoz-2,6-bifosfataz 2 aktivitesine sahipken defosforile enzim fosfofruktokinaz 2 görevi yapar. Bütün bu anlatõlanlardan çõkan önemli sonuç fruktoz-2,6-bifosfat
55 konsantrasyonun organizmanõn durumuna göre değişebilmesi ve bunun da fosfofruktokinaz 1 aktivitesini etkilemesidir. Örneğin hiperglisemide glikoliz hõzlanõr. Olayõn oluş mekanizmasõnõ şu şekilde açõklamak mümkündür. iperglisemi nedeni ile insülin salgõlanõr. Bu hormon, fosfodiesterazõ aktive ederek camp düzeyini düşürürür (bak sayfa 42). Düşük camp nedeniyle fosforilasyon azalõr. Bu durum fosfofruktokinaz 2 aktivitesinin artmasõna yol açar. Bu da artmõş fruktoz-2,6-bifosfat hõzlanmõş fosfofruktokinaz 1 ve sonuç olarak hõzlanmõş glikoliz demektir. Fosfofrüktokinaz 1 aktivitesinin kontrolü ile ilgili bilgiler şematik olarak Şekil 2.12. de görülmektedir. Şekil 2.12. Fosfofruktokinaz 1 in kontrolu. Epinefrinin kas hücrelerinde glikolizi hõzlandõrõcõ etkisi vardõr. Bilindiği gibi karaciğerde β adrenerjik stimülasyon camp miktarõnõn artmasõna, glikolizin yavaşlamasõna, glukoneogenezisin artmasõna yol açar. Oysa ki epinefrin kas dokusunda glikojenolizi hõzlandõrõr,oluşan glukoz-6-fosfat glukoz olarak kana geçemediği için glikolize kayar, früktoz-6-fosfat sentezi artar. Bilindiği gibi fruktoz-6-
56 fosfat, früktoz-2,6-bifosfat için ön maddedir. Özetle epinefrin kas dokusunda früktoz- 2,6-bifosfat konsantrasyonunu artõrõr, bu madde de fosfofruktokinaz1 i aktive eder ve sonuçta glikolizi hõzlandõran bir etkiye ortaya çõkar.epinefrin kas dokusunda glikolizi hõzlandõrõr ve daha fazla ATP ve laktat üretilmesine neden olur. 3) Pirüvat kinaz da glikolizin son kontrol enzimidir. ATP allosterik olarak bu enzimi inhibe eder.alanin, pirüvat kinazõ inhibe ederken fruktoz-1,6-bifosfat aktivatör görevi yapar. Pirüvat kinazõn bir başka kontrol şekli fosforilasyon-defosforilasyon mekanizmasõdõr. Fosforile enzim inaktifken defosforile enzim aktif formundadõr. Pirüvat kinazõn kontrolü Şekil 2.13 te görülmektedir. Şekil 2.13. Pirüvat kinazõn kontrolu. Aneorobik organizmalarda oksijen glikolizi yavaşlatõr. Bu olaya Pasteur etkisi denir. Açõklama için 67. Sayfaya bakõnõz. 2.11. PİRÜVAT METABOLİZMASI Mitokondriye sahip ve aerobik olan hücrelerde pirüvat mitokondri içine girer. Bu olay özel bir transport sistemi ile (kolaylaştõrõlmõş diffüzyon) gerçekleşir. Pirüvat mitokondride pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi tarafõndan oksidatif dekarboksilasyon işlemine tabi tutularak asetil-koa ya çevrilir. Reaksiyonun genel denklemi aşağõda gösterilmiştir.
57 Yukarõda da görüldüğü gibi bu reaksiyon irreversbl dir ve oldukça kompleks bir reaksiyondur. Olayõ yürüten pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi 3 farklõ enzimden oluşmuştur. Bunlar: E 1 Pirüvat Dehidrogenaz E 2 Dihidrolipoil transasetilaz E 3 Dihidrolipoil dehidrogenaz enzimleridir. Olayda görev alan 5 koenzim de sõrasõyla şunlardõr: 1) Tiyamin pirofosfat (TPP) 2) KoA-S 3) Lipoik asit (okside ve redükte formlar) 4) FAD/FAD 2 5) NAD + /NAD+ + Pirüvat õn oksidatif dekarboksilasyonu Şekil 2.14 te topluca gösterilmiştir. Görüldüğü gibi TPP a bağlanan pirüvat, pirüvat dehidrogenaz tarafõndan dekarboksile edilir. Ürün olarak hidroksietil tiyamin difosfat meydana gelir. Daha sonra bu bileşik, bünyesindeki asetil grubunu dihidrolipoil transasetilaz yardõmõyla KoA-S ya aktarõr. Bu aktarma reaksiyonunda okside lipoik asit koenzim görevi yapar. Ancak görevi bittiği zaman lipoik asit redükte forma geçmiştir. Bundan sonraki reaksiyonlarda ise lipoik asit tekrar okside forma rejenere edilirken hidrojen ve elektronlar sõrasõyla FAD ve NAD + ye aktarõlõr. Bu son aşamadaki işlemler dihidrolipoil dehidrogenaz tarafõndan katalizlenir.
58 Şekil 2.14. Pirüvatõn oksidatif dekarboksilasyonu 2.12. SİTRİK ASİT SİKLÜSÜ
59 Aerobik organizmalarda enerji veriminin en yüksek olduğu metabolik yol sitrik asit siklüsüdür. Bu metabolik yol, 3 karboksilli asitler içerdiği için Tri Carboxylic Acid siklüsü, kõsaca TCA siklüsü veya siklüs reaksiyonlarõnõ keşfeden Sir ans Krebs in ismine izafeten Krebs Siklüsü isimlerini alõr. Şekil 2.15. Sitrik Asit Siklüsü reaksiyonlarõ Siklüs reaksiyonlarõ okzaloasetatla başlar ve bir çok ara üründen sonra yine okzaloasetatla sonuçlanõr (Şekil 2.15). Bu nedenle olaylar dönen değirmen taşõna
60 benzetilebilir. Taş her dönüşünde 1 asetil-koa öğütür. KoA-S ilk reaksiyonda ayrõldõktan sonra geriye kalan asetil ünitesi CO2 ve 2O ya ayrõşõr. Sitrik asit siklüsü kaynak olarak karbonhidrat ve yağlardan gelen asetil-koa lar dõşõnda, amino asitlerden gelen karbon iskeletleri ile de beslenir. Ancak bir amino asidin bu siklüse girebilmesi için parçalandõğõ zaman geriye kalan iskeletin, sitrik asit siklüsünün ara maddelerine aynen benzemesi gerekir. Bu itibarla sitrik asit siklüsü sadece karbonhidratlarõn değil amino asit ve yağlarõn da kullanõldõğõ bir metabolik yoldur. Sitrik asit siklüsünün tüm reaksiyonlarõ mitokondri matriksinde geçer. Bu reaksiyonlarõn tüm amacõ redükte koenzimler (NAD+ + ve FAD2) oluşturmaktõr. Bu koenzimler daha sonra ATP sentezi için mitokondri iç zarõndaki elektron transport zincirine aktarõlõr. Sitrik asit siklüsünde birbirini izleyen 8 reaksiyon vardõr. 1. Siklüsün ilk reaksiyonunda okzaloasetat asetil-koa ile birleşir. Ürün olarak sitrat ve KoA-S meydana gelir. Bu reaksiyon sitrat sentaz tarafõndan katalizlenir, kuvvetle ekzergoniktir ve siklüsün kontrolünde önemli bir nokta oluşturur. 2. Siklüsün bu evresinde sitrat, akonitaz tarafõndan önce cis-akonitata daha sonra izositrata çevrilir. Ara ürün olan cis- akonitat reaksiyon sõrasõnda enzimin aktif merkezini terketmez,yani serbestleşmez. Olayõn bir diğer yönü ilk aşamada reaksiyondan ayrõlan suyun ikinci aşamada tekrar devreye girmesidir.
61 3. Bu evrede izositrat dehidrogenaz, izositratõ önce okside eder ve okzalosüksinat meydana gelir. Daha sonra aynõ enzim dekarboksilasyon işlemini gerçekleştirir ve sonuçta α-keto glutarat oluşur. İzositrat dehidrogenazõn NAD + ve NADP + yi koenzim olarak kullanan iki izoenzimi vardõr. Birinci izoenzim sadece mitokonride, ikinci izoenzim ise hem mitokondri hem de sitoplazmada bulunur. İzositrat dehidrogenaz reaksiyonu irreversibl olup ilk redükte koenzimlerin oluştuğu evredir. 4. TCA siklusunun 4. reaksiyonunda α-ketoglutarat dehidrogenaz enzim kompleksi α- ketoglutaratõ süksinil-koa ya çevirir. Bu reaksiyon tümüyle pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksinin katalizlediği pirüvatõn oksidatif dekarboksilasyonu reaksiyonuna benzer. Farklõ olan sadece pirüvat dehidrogenaz yerine α-ketoglutarat dehidrogenazõn geçmesidir. Diğer enzim ve koenzimler burada da aynen mevcuttur. Alfa-ketoglutaratõn oksidasyon enerjisi süksinil-koa daki tiyoester bağõnda saklõ tutulur.