METABOLİZMA REAKSİYONLARI Prof. Dr. Ayşe CAN Prof.Dr. Nuriye AKEV 2015-2016
METABOLİZMA Canlı sistemde maddelerin uğradığı kimyasal değişikliklerin hepsine birden metabolizma, bu değişiklikleri meydana getiren reaksiyonlara da metabolizma reaksiyonları adı verilir. Metabolizma: Devinsel olarak tekrar eden reaksiyonlar (Yunanca)
METABOLİZMA ANABOLİZMA SENTEZ Endergonik Reaksiyonlar KATABOLİZMA YIKILMA Ekzergonik Reaksiyonlar
İnsan organizmasındaki başlıca metabolizma reaksiyonları Biosentez Yıkılma Depo maddelerinin oluşması Metabolizma sırasında oluşan veya dışarıdan alınan toksik maddelerin zehirsizleştirilmesi Dışarı atılma (ıtrah)
Bitkilerde fotosentetik fosforilasyon Kimyasal bağ enerjisi Karbohidrat, lipid, protein (Besin maddeleri)
İnsan organizmasında Biolojik oksidasyon (Katabolizma) Enerji ADP + Pi ATP
ADENOZİN TRİFOSFAT ATP Adenin riboz fosfat ~ fosfat ~ fosfat
ADENOZİN TRİFOSFAT (ATP) NH 2 HO O - O - O - P + + + ~ O P ~ O P O N N CH 2 N N OH OH OH H H OH O H H OH Adenozin monofosfat (AMP) Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat (ATP) s. 314
İNSAN ORGANİZMASINDA MEYDANA GELEN METABOLİZMA REAKSİYONLARI 1. Hidrolitik yıkılma (Hidrolazlar) 2. Kondansasyon (Ligazlar) 3. Oksido-redüksiyon (Oksidoredüktazlar) 4. Transfosforilasyon 5. Transaminasyon (Transferazlar) 6. Transaçilasyon 7. Transmetilasyon 8. Karboksilasyon (Ligazlar) 9. Dekarboksilasyon (Liyazlar)
Hidrolitik yıkılma (hidroliz) Bir moleküle su girmesi sonucu parçalanmasıdır. Bir maddenin suyun H + ve OH - iyonlarını ayrı ayrı bağlayarak kendini meydana getiren yapı birimlerine ayrılmasıdır.
Karbohidratlar Monosakkaridler (eter, glikozid bağının hidrolizi) Lipidler Gliserol + Yağ asidleri (ester bağının hidrolizi) Proteinler Amino asidler (peptid bağının hidrolizi)
Kondansasyon İki molekülün birbiriyle birleşmesidir. Bu birleşme sırasında H 2 O, NH 3 gibi küçük bir molekül ayrılır ve daha büyük bir molekül meydana gelir. R 1 - CH- COOH Peptid bağı - H 2 O + R 2 - CH- COOH R 1 - CH- CO - NH - CH - COOH NH 2 NH 2 NH 2 R 2
Kondansasyon Monosakkaridler Di- ve polisakkaridler Gliserol + Yağ asidleri Lipidler Amino asidler Peptid ve Proteinler
Oksido-redüksiyon reaksiyonları Organik maddelerin yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarıdır.
Besinler Bir seri enzim reaksiyonu Yükseltgenme Enerji (ATP+H 2 O)
Solunum zinciri=elektron taşınma zinciri (ETS) Bir organik molekülden ayrılan proton ve elektronların hava oksijeni ile su teşkil etmeleri sırasında yer alan enzimlerin oluşturduğu bir sistemdir.
İnsan organizmasında, organik moleküllerin oksidasyonlarının en son basamağı solunum zincirinde cereyan eder ve bu sırada açığa çıkan enerji ile ATP sentez edilir. Böylece enerji ATP şekline değiştirilmiş olur.
Nikotinamid adenin dinükleotidli enzimler
COOH CONH 2 N N N Piridin Nikotinik asid Nikotinamid (Niasin) (Niasinamid)
NAD li enzimler hidrid iyonlarını FMN li enzimlere aktarır. Hiçbir zaman doğrudan oksijene vermezler.
AH 2 A+ H + + H - Hidrojen verici Hidrid iyonu H - = H + + 2e - AH 2 + NAD + A + NADH + H +
AH 2 A+ H + + H - Hidrojen verici Hidrid iyonu H - = H + + 2e - AH 2 + NADP + A + NADPH + H +
NADPH NADPH hidrojen ve elektronları solunum zincirine aktarmaz Biosentez reaksiyonlarındaki indirgeme reaksiyonlarında kullanır: Yağ asidlerinin de novo sentezi Kolesterol sentezi
NADPH Başlıca pentoz fosfat yolunda meydana gelir. Solunum zincirine girmez, ATP oluşturmaz.
Flavin nukleotidli enzimler Flavin mono nukleotid (FMN) Flavin adenin dinukleotid (FAD)
NAD + li enzimler hidrojenleri FMN ye aktarırlar. NADH dehidrojenaz NADH+H + + FMN FMNH 2 + NAD + FAD li enzimler hidrojenleri NAD + den almazlar, doğrudan hidrojen vericiden alırlar. AH 2 + FAD FADH 2 + A
Gerek FMNH 2 gerek FADH 2 hidrojen atomlarını kinonlu enzimlere (Q=ubikinon) aktarır.
Koenzim Q 2,3-dimetoksi-5-metilbenzokinon halkasının 6 numaralı C atomunda bir poliizoprenoid yan zincir içerir.
FMNH 2 +Q QH 2 +FMN FADH 2 +Q QH 2 +FAD Kinonlu enzimler sadece elektronları sitokrom sistemine aktarır. Protonlar ortamda kalır.
Sitokrom sistemi Kofaktörü demir-porfirin grubu Bazılarınınki demir veya bakır iyonudur. Bazılarında ise demir ve bakır iyonları kofaktör olarak birlikte bulunur. Fe +3 ve Cu +2 elektron alıcısı Fe +2 ve Cu +1 elektron vericisi
2Fe 3+ + 2e - 2Fe 2+ sitokrom oksidaz sit b c 1 c a a 3
Bir sitokrom c molekülü tek elektron taşıyabilir, QH 2 deki 2 elektronun taşınabilmesi için iki molekül sitokrom c reaksiyona girer.
Sitokrom c
P r o t e i n H 3 C Sis - S CH 3 CH - CH 3 Sis - S CH N N CH 3 Fe N H 3 C N CH 2 - CH 2 - COOH H 3 C CH 2 - CH 2 - COOH Sitokrom c
Sitokrom oksidaz lar elektronları oksijene aktarırlar. Solunum zincirinin sonunda sitokromlar tarafından aktarılan elektronlarla ½ mol oksijen indirgenir ve ortamdaki protonla birleşerek su meydana getirir.
Solunum zincirinin sonucunda Solunum zincirinde 2 proton ve 2 elektronun girmesiyle bir mol H 2 O meydana gelir. Aynı zamanda açığa çıkan enerji ile 3 mol ATP sentez edilir. 2 proton ve 2 elektron NAD li enzimlerle taşınmışsa 3 mol ATP, FAD li enzimlerle taşınmışsa, proton ve elektronlar birinci bölgeyi aşıp, solunum zincirine doğrudan koenzim Q üzerinden girdikleri için, 2 mol ATP oluşur.
Zarlararası boşluk Matriks NADH Dehidrojenaz Süksinat Dehidrojenaz Q-sitokrom c Oksidoredüktaz Sitokrom c oksidaz ATP sentaz Kompleks I Kompleks II Kompleks III Kompleks IV Kompleks V
Solunum zinciri 4 enzim kompleksi içerir NADH FMN NADH dehidrojenaz (NADH Q oksidoredüktaz) (Kompleks I) FADH 2 Süksinat dehidrojenaz Koenzim Q (Kompleks II) Q sitokrom c oksidoredüktaz (Kompleks III) Sitokrom c Sitokrom c oksidaz (Kompleks IV) O 2
Solunum zinciri inhibitörleri Oligomisin ATP sentaz Dikumarol ph gradiyanı Atraktilozid Bongrekik asid ATP sentaz bağlanma bölgesi
Solunum zinciri inhibitörleri NADH Rotenon, Amital FMN NADH dehidrojenaz (NADH Q oksidoredüktaz) (Kompleks I) FADH 2 Süksinat dehidrojenaz Koenzim Q (Kompleks II) Q sitokrom c oksidoredüktaz Süksinat (Kompleks III) Antimisin Sitokrom c CN -, CO Sitokrom c oksidaz (Kompleks IV) O 2
ATP sentezi nerede gerçekleşir? Matriks Krista İç zar Dış zar Zarlararası boşluk İç zar küreleri
ATP sentezi nerede gerçekleşir? Mitokondri iç zar kürelerinin baş kısmında ADP+P i ATP F 0 -F 1 ATPaz = ATP sentaz (Kompleks V) sap baş
F 1 -F 0 ATPaz (ATP sentaz) F 1 } F 0 }
ATP sentezinin yapıldığı bölgelere: enerji kenetleyen bölgeler adı verilir. 1.Bölge: NADH-Q oksidoredüktaz: 4 H + 2.Bölge: Q-sitokrom c oksidoredüktaz: 4 H + 3.Bölge: Sitokrom c oksidaz: 2 H + Toplam: 10 H + Solunum zinciri FADH 2 den başlarsa bu sayı 6 H + olur.
1 mol ATP sentezi için ATP sentaz enzimi üzerinden membranın sitosolik tarafından matriks tarafına üç proton geçişi gerekmektedir. Ayrıca sentezlenen ATP nin matriksten sitosole geçişi için bir proton daha kullanılır. 1 mol ATP sentezi için toplam 4 H + gerekir
1 mol NADH ın oksidasyonu için matriks dışına pompalanan 10 H +, 2.5 mol ATP 1mol FADH 2 nin oksidasyonu için matriks dışına pompalanan 6 H +, 1.5 mol ATP sentezini gerçekleştirebilir.
Transfosforilasyon Fosfat grubunun yüksek enerjili bir fosfat bileşiğinden bir başka bileşiğe aktarılmasıdır. Fosfotransferazlar=transfosforilazlar= fosfokinazlar=kinazlar Adenin-riboz-fosfat= Adenozin monofosfat (AMP) Adenin-riboz-fosfat~fosfat= Adenozin difosfat (ADP) Adenin-riboz-fosfat~fosfat~fosfat= Adenozin trifosfat (ATP)
YÜKSEK ENERJİLİ BİLEŞİKLER bis
İnsan organizmasında ATP sentezi 1- Elektron aktarılmasına bağlı oksidatif fosforilasyon (oksidatif fosforilasyon) Solunum zincirinde ATP oluşması ADP + P i ATP
İnsan organizmasında ATP sentezi 2- Substrat düzeyinde oksidatif fosforilasyon (substrat düzeyinde fosforilasyon) Fosfat grubunun yüksek enerjili fosfat bileşiğinden ADP ye aktarılması X~P + ADP ATP + X Yüksek enerjili fosfat bileşiği
Substrat düzeyinde fosforilasyon Glikolizin bazı reaksiyonlarında, (sitosolde) TCA siklusunda (mitokondrilerde) meydana gelir.
s.135-136
s. 151
ATP, organizmanın hem enerji kaynağı hem de fosfat grubu vericisidir. İçerdiği yüksek enerjili bağların hidroliziyle açığa çıkan enerji, organizmanın enerji isteyen, bir başka deyişle, endergonik reaksiyonlarında kullanılır: Kas kasılmasında % 60 Aktif transportta % 30 Karbohidrat, lipid, protein ve nukleik asidler gibi maddelerin biosentezinde % 10 Vücut ısısının sağlanmasında
ATP nin bir hücrede yapılıp diğer hücreye taşınması söz konusu değil. Hücre zarı ATP için geçirgen değildir. ATP depo edilmez. Kas hücresinde ATP çoğunlukla kas kasılması için kullanılırken böbreklerde tubuluslarda geri emilimi sağlayan aktif transport için kullanılır. ATP konsantrasyonu azaldığında ADP miktarı artar. Solunum zinciri uyarılır. ATP miktarı artar.
Transaminasyon Amino grubunun bir molekülden diğerine, ara ürün olarak serbest NH 3 meydana gelmeden, aktarılmasıdır. Transferazlar sınıfından transaminazlar alt sınıfındaki enzimler bu reaksiyonu katalizler. Transaminazların kofaktörü piridoksal fosfat (B6 vitamini)
HO H 3 C CH 2 OH 3 4 5 2 1 CH 2 OH HO CH 2 NH 2 CH2 OH HO N H 3 C N H 3 C N CHO CH 2 OH Piridoksol Piridoksamin Piridoksal CHO CH 2 NH 2 HO CH 2 O-PO 3 H 2 HO CH 2 O-PO 3 H 2 H 3 C N Piridoksal fosfat (Amino grubu alıcısı) H 3 C N Piridoksamin fosfat (Amino grubu vericisi) s. 356
Amino grubu alıcısı başlıca üç tane α-keto asid vardır: Piruvat, Okzalasetat 2-oksoglutarat.
Transaminasyon reaksiyonları karaciğer hücrelerinin sitosolünde cereyan eder. GOT ve GPT KC hücrelerinin fonksiyonu hakkında bilgi verir. GOT ayrıca kalp kası ve iskelet kası ile ilgili rahatsızlıklarda aktivitesine bakılır.
Transaçilasyon Karbohidrat, lipid ve bazı amino asidlerin ara metabolizmaları sırasında asetil, butiril, suksinil, stearil gibi çeşitli açil (R-C=O) gruplarının bir molekülden diğer uygun bir alıcıya aktarılmasıdır. Transaçilazlar Kofaktörü Koenzim A (CoASH)
Koenzim A (CoA-SH)
CH 3 COOH + CoASH CH 3 - CO ~ SCoA + H 2 O Asetil-CoA Asetik asid + Koenzim A
İnsan organizmasında başlıca metil vericisi: Metionin Aktif şekli S-adenozilmetionin Metil transferazlar (transferaz sınıfından).
CH 2 SH CH 2 CH-NH 2 COOH Homosistein Betainden veya N 5 - Metiltetrahidrofolat'tan + CH 2 -S-CH 3 CH 2 + -CH Adenozin ATP S-Adenozilmetionin 3 CH-NH 2 metionin adenozil transferaz COOH Metionin ATP, H 2 O H 2 O PP i + P i
AdoMet, SAM, SAMe, Sam-e, Sammy Depresyon Karaciğer hastalığı Osteoartrit Alzheimer hastalığında beyindeki ve beyin-omurilik sıvısındaki SAM düzeyleri çok düşük bulunmuş.
Metil grubu alıcılar Glisin Sarkosin Betain N-metil glisin N-trimetil glisin Guanidoasetik asid Etanolamin Noradrenalin Kolin Kreatin Adrenalin
N 5 -Metiltetrahidrofolat veya Betain Homosistein -CH 3 Adenozin S- Adenozil Homosistein Metionin ATP Kreatin Sarkosin Kolin Epinefrin Guanidoasetik asid Glisin Etanolamin Norepinefrin -CH 3 S-Adenozilmetionin PPi+Pi
Karboksilasyon ve Dekarboksilasyon Karboksilasyon: Organik moleküle CO 2 bağlanması. Karboksilazlar (Ligazlar). Kofaktör: Biotin (H vit, koenzim R)
COOH CH 3 ATP ADP+P i CH 2 C = O + COOH Piruvik asid CO 2 piruvat karboksilaz biotin, Mn 2+ C = O COOH Okzalasetik asid
Dekarboksilasyon Dekarboksilasyon: Organik molekülden CO 2 ayrılması. Dekarboksilazlar (Liyazlar). α-keto asid dekarboksilazlar: Kofaktörü Tiamin pirofosfat (TPP, B 1 vitamini) α-amino asid dekarboksilazlar: Kofaktörü Piridoksal fosfat (PLP; B 6 vit.) Örnek: Serin Etanolamin Tirozin Tiramin Histidin Histamin
Tirozin Tiramin
KSENOBİYOTİKLERİN METABOLİZMASI Ksenobiyotikler: Organizma için yabancı maddelerdir. Ksenos: Yabancı (Yunanca) Ksenobiyotiklerin metabolizması genellikle, birbirini izleyen iki evre şeklinde gerçekleşir: Faz I ve Faz II Ancak her ksenobiyotik için durum böyle değildir. Bazıları sadece Faz I ile, bazıları sadece Faz II ile, bazıları ise hiç değişmeden organizmayı terk eder.
Organik molekülden bir grubun ayrılması ya da molekülün daha küçük bileşiklere bölünmesi Hava oksijeninin iki atomundan birinin moleküle OH grubu şeklinde bağlanması.
Bu iki fazın amacı Apolar olan (suda çözünmeyen) ve yağ tabakasında birikme eğiliminde olan ksenobiyotiklerin sudaki çözünürlüklerini arttırarak vücuttan atılmalarını kolaylaştırmaktır.
Oksijen molekülünün bir atomu moleküle OH şeklinde bağlanırken diğeri suya indirgenir. Burada görev alan monooksijenazlar karma fonksiyonlu monooksijenazlar olarak da adlandırılır. -OH grubu katılan bileşiğin suda çözünürlüğü artar ve idrarla atılımı artar.
Solunum zincirindeki sitokromlar mitokondride yer alır. Sit P450 düz yüzeyli endoplazmik retikulumda yer alır.
Family Function Members Names CYP1 drug and steroid (especially estrogen) metabolism, benzo(a)pyrene toxification 3 subfamilies, 3 genes, 1 pseudogene CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1 CYP2 drug and steroid metabolism 13 subfamilies, 16 genes, 16 pseudogenes CYP2A6, CYP2A7, CYP2A13, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1, CYP2F1, CYP2J2, CYP2R1, CYP2S1, CYP2U1, CYP2W1 CYP3 CYP4 drug and steroid (including testosterone) metabolism arachidonic acid or fatty acid metabolism 1 subfamily, 4 genes, 2 pseudogenes 6 subfamilies, 12 genes, 10 pseudogenes CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7, CYP3A43 CYP4A11, CYP4A22, CYP4B1, CYP4F2, CYP4F3, CYP4F8, CYP4F11, CYP4F12, CYP4F22, CYP4V2, CYP4X1, CYP4Z1 CYP5 thromboxane A 2 synthase 1 subfamily, 1 gene CYP5A1 CYP7 bile acid biosynthesis 7-alpha hydroxylase of steroid nucleus 2 subfamilies, 2 genes CYP7A1, CYP7B1 CYP8 varied 2 subfamilies, 2 genes CYP8A1 (prostacyclin synthase), CYP8B1 (bile acid biosynthesis) CYP11 steroid biosynthesis 2 subfamilies, 3 genes CYP11A1, CYP11B1, CYP11B2 CYP17 steroid biosynthesis, 17-alpha hydroxylase 1 subfamily, 1 gene CYP17A1 CYP19 steroid biosynthesis: aromatase synthesizes estrogen 1 subfamily, 1 gene CYP19A1 CYP20 unknown function 1 subfamily, 1 gene CYP20A1 CYP21 steroid biosynthesis 2 subfamilies, 1 gene, 1 pseudogene CYP21A2 CYP24 vitamin D degradation 1 subfamily, 1 gene CYP24A1 CYP26 retinoic acid hydroxylase 3 subfamilies, 3 genes CYP26A1, CYP26B1, CYP26C1 CYP27 varied 3 subfamilies, 3 genes CYP27A1 (bile acid biosynthesis), CYP27B1 (vitamin D 3 1-alpha hydroxylase, activates vitamin D 3 ), CYP27C1 (unknown function) CYP39 7-alpha hydroxylation of 24- hydroxycholesterol 1 subfamily, 1 gene CYP39A1 CYP46 cholesterol 24-hydroxylase 1 subfamily, 1 gene CYP46A1 CYP51 cholesterol biosynthesis 1 subfamily, 1 gene, 3 pseudogenes CYP51A1 (lanosterol 14-alpha demethylase
İndirgenmiş karma fonksiyonlu monooksijenazların bulunduğu çözeltiye eklenen CO, çözeltinin max. abs. değerini 450 nm de değiştirdiği için Sit P450 adı verilmiştir. CYP ile gösterilirler. CYP1A1, CYP3A4: Greyfurt suyu ile bu yok olur ve ilacın metabolize olması uzar.
Sit P 450 enzimleri sadece ilaçların ve ksenobiyotiklerin metabolizmasında değil organizmanın endojen maddeleri olan; Steroidlerin, Yağ asidlerinin, Safra asidlerinin, Prostaglandinlerin, Bazı biolojik aminlerin ve amino asidlerin metabolizmasında da rol oynar.
Winston Churchill 1874-1965 Fidel Castro 1926- Genetik polimorfizm
H C OH H C O - P - P - riboz - urasil H C OH H C OH HO C H O HO C H O H C OH H C OH H C H C COOH Glukuronik asid COOH UDP-Glukuronik UDP-Glukuronat asid
Glukuronat UDP- glukuronat (uridin difosfat glukuronat) DP-glukuronat + KSE-OH UDP Ksenobiyotiğin ester bileşiği (glukuronid) Ksenobiyotiğin eter bileşiği (glukuronozid)
UDP-glukuronattan sağlanan glukuronatın asetal hidroksili Fenollerin Alifatik alkollerin İndoksilin Aromatik asidlerin hidroksil grupları ile eter, karboksil grupları ile ester Glukuronatın karboksil grubu, zehirsizleştirilecek maddenin hidroksil grubu ile birleşirse, oluşan estere glukuronat adı verilir.
Sülfat
Aktif sülfat (Adenozin-3 -fosfat- 5 -fosfosülfat =PAPS) Kse + Aktif SO 4 Kse SO 4
PAPS
Sistein: Glutation sistein verici (KC sitosolünde)
Faz II reaksiyonları sadece ksenobiyotiklerin metabolizmasında değil, normal olarak organizmada meydana gelen bileşiklerin metabolizmasında da oluşur. Bilirubin, Östrojen, projesteron, Sürrenal korteks hormonlarının, indirgenme ürünleri glukuronat ve sülfatla birleşirler. Steroid hormonların bu bileşiklerinin oluşumu adı geçen hormonların kandaki düzeyinin kontrolüne yardım eder ve suda çözünerek idrarla atılmalarını sağlar