BİY 315 KarbohidratlarınMetabolizması-I Yrd. Doç. Dr. Ebru SAATÇİ 2008-2009 Güz Yarı Dönemi
Glukoz Glukoz, karbohidrat metabolizmasının temel maddesidir. D- ve L- izomerleri optikçe aktiftir. Birinin çözeltisi polarize ışığın düzlemini sağa (+) çevirir, diğerinin çözeltisi ise aynı derecede sola (-) çevirir.
Karbohidrat Metabolizmasının Başlıca Metabolik Yolları Türü ne olursa olsun organizmaya giren her karbohidrat sonunda glukoza çevrilir. Bu nedenle: Karbohidrat metabolizması deyince akla glukoz metabolizması gelir. 1) Glikojenez: Glukozdan glikojen sentezi. 2) Glikojenoliz: Glikojenin yıkılması. Bu olayın karaciğerdeki son ürünü glukoz, kas dokusundaki son ürünü glukoz- 6-fosfattır. 3) Glikoliz (Embden-Meyerhof Yolu): Glukozun pirüvat veya laktata kadar yıkılması. 4) Pirüvat Metabolizması: Pirüvatın asetil- KoA ya dönüşümü.
5) Trikarboksilik Asit Siklüsü (Krebs Siklüsü) : Asetil- KoA içindeki asetil kısmının O 2 e parçalanması ve bu sırada redükte koenzimlerin oluşumu. 6) Pentoz fosfat yolu: Glukozun bir başka şekilde oksidasyonu ile NADP ve pentoz sentez yoludur. 7) Glukoneojenezis: Karbonhidrat olmayan maddelerden glukoz sentezi. 8) Glukuronik asit yolu: Glukozdan glukuronik asit sentezi.
Karbohidratların Sindirimi ve Emilimi Diyette bulunan karbohidratlar çoğunlukla polisakkarit ve disakkarit (nişasta, laktoz ve sukroz), daha az oranda da monosakkarit (glukoz ve fruktoz) formunda bulunurlar. Karbohidratlarınbağırsaktan emilebilmeleri için monosakkarit haline çevrilmeleri şarttır. Karbohidratların parçalanma işlemi ağızdan itibaren başlayabilir. Tükrükte bulunan α-amilaz polisakkarit parçalayan bir enzim olmasına rağmen, çiğneme süresinin kısalığı nedeniyle fazla etkin değildir. Midenin asit p sı bu enzimin daha fazla çalışmasına olanak vermez.
Pankreastan çok aktif bir başka α-amilaz salgılanır. Gerek tükrük, gerekse pankreas amilazı α- 1,4 glikozit bağına sahip polisakkaritleri bir bağ atlayarak parçalar ve aktivitesi zincir sonuna yahut dallanma noktasına 2 glukoz ünitesi kalınca durur. Böylece α- amilaz etkisi sonunda yaklaşık olarak; % 40 oranında maltoz, % 30 oranında α- 1,4 ve α- 1,6 bağı içeren α-dekstrin % 25 oranında α- 1,4 bağı ile bağlanmış 3 glukozlu maltotrioz, % 5 oranında da 4-9 glukoz içeren polisakkarid molekülleri meydana gelir.
İnce bağırsak mukozasının fırçamsı kenarı tarafından salgılanan diğer hidrolitik enzimlerle karbohidrat sindirimi sürdürülür ve tamamlanır. Bu enzimlerden α-glukozidaz her defasında bir tane olmak üzere α1 4 bağı parçalar. α-dekstrinaz α1 6 bağını koparır ve serbest glukoz üniteleri meydana gelir. Yine bağırsak mukozası kaynaklı β-galaktozidaz veya laktaz laktozu, sükraz ise sükrozu parçalar ve sonunda glukoz, galaktoz ve fruktozdan ibaret monosakkaridler meydana gelir.
Monosakkaridlerin İnce Bağırsaktan Emilimleri Bunun için 3 yol vardır. Bunlar aktif transport, taşıyıcı moleküllerle yürütülen kolaylaştırılmış diffüzyon ve basit diffüzyon dur. Monosakkaritlerin transportunda SGLT1 ve GLUT5 isimli glukoz taşıyıcıları (glucose transporter) rol oynar. SGLT1 taşıyıcıları, ince bağırsak hücresinin serozal tarafına yerleşmiş Na +,K + -ATPaz sistemine (sodyum pompası) bağımlı olarak çalışır ve monosakkarit, enerji harcanarak düşük konsantrasyondaki bağırsak lümeninden alınır ve yüksek konsantrasyonlu ekstraselüler ortama aktarılır.
Glukoz ve galaktoz emilimi tek yönlü olarak çalışan bu yolla gerçekleşir (SGLT1). GLUT5 ise sodyum pompasına bağlı olmaksızın, konsantrasyon farkına dayalı olarak monosakkaritlerin iki yönlü kolaylaştırılmış diffüzyonundan sorumludur. Früktoz ve bir kısım glukoz bu yolla taşınır. Basit diffüzyonda ise taşıyıcı protein yoktur, olayı yönlendiren konsantrasyon gradientidir. Glukoz ve fruktoz emiliminde kullanılır.
Sodyum pompası, ATP nin parçalanması suretiyle elde edilen enerjiyi sodyumun aktif olarak hücre dışına (ekstraselüler kompartman) transferi için kullanır ve böylece bağırsak hücresi sitoplazmasında Na + konsantrasyonu düşer. Olayı dengelemek üzere bağırsak lümeninde bulunan Na + -taşıyıcı protein aracılığı ile bağırsak hücresine girerken beraberinde glukozu da taşır (simport olayı). Glukozun böbrek tubuluslarındaki geri emiliminde de bağırsaktakine benzer olaylar tekrarlanır.
Glukoz Transporter GLUT1: RB, damar endotel hücrelerinde, beyin, böbrek, kolon ve plasentada yer alan ve bu dokularda glukoz yakalanması, bazal glukoz transportundan sorumlu olan taşıyıcıdır. GLUT2: Karaciğer, pankreas, ince bağırsak ve böbrek proksimal tüp hücrelerinde bulunan ve bu dokularda glukozun hızlı yakalanması ve salınmasını sağlayan taşıyıcıdır. GLUT3: Glukoza affinitesi en yüksek olan, temel olarak beyin nöronlarında ve böbrek ve plasentada bulunan ve glukozun nöronlarda yakalanması ve transportunu gerçekleştiren taşıyıcıdır. GLUT4: Yağ, kas hücrelerinde bulunan glukozun insülinle uyarılan yakalanmasını gerçekleştiren taşıyıcıdır. İnsülinle uyarılabilen tek GLUT budur. GLUT5: İnce bağırsakta ve böbrekte yer alır. Aynı zamanda fruktozunda taşınımını gerçekleştirir. GLUT6: Nonfonksiyonel GLUT7: Karaciğerde mikrozomal fraksiyonda yer alır. Endoplazmik retikulumdan glukozun salınımını gerçekleştirir.
Glukoz ve ücre Bağırsaklardan emildikten sonra vena porta aracılığı ile sistemik dolaşıma katılan glukoz, galaktoz ve fruktoz hücre düzeyinde tek monosakkarit (glukoz) üzerinden metabolize edilir. Fruktozun glukoza dönüşümü bağırsak ve karaciğerde, galaktozun glukoza dönüşümü ise yalnızca karaciğerde gerçekleşir.
6 2 OPO 3 5 O 4 O 1 O O 3 2 O glucose-6-phosphate Glukoz-6-Fosfat, glukoz molekülünü hücre içinde tutan bir tür kapandır ve glukozun hücre dışına çıkışını engeller.
ücre içinde glukozun fosforilasyonu için 2 ayrı enzimin (ekzokinaz ve Glukokinaz) bulunuşu glukozun karaciğer ve diğer organlar tarafından kullanılış önceliğini belirlemeye yöneliktir. Bu uygulama her iki enzimin Km değerlerinin bilinmesi ile açıklık kazanır. ekzokinazın glukoz için Km değeri 0.05 mmol/l, glukokinazın ise 10 mmol/l dir Bu durum glukozun; kan glukozu yüksek iken karaciğer, kan glukozu düştükten sonra diğer organlar tarafından kullanılması anlamına gelir.
GLİKOLİZ Glukoz + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i 2 pirüvat + 2 NAD + 2 ATP şeklinde reaksiyon özetlenebilir. Sitoplazmada, sitoplazmik enzimlerle gerçekleşir Temel amaç enerji elde etmektir. Aerobik ve anaerobik olarak ikiye ayrılır. Aerobikde pirüvat TA siklusuna girer O 2 ve 2 O ya kadar yıkılır. Bu işlemde NAD ve FAD hidrojenle birleştirilir ve indirgenmiş NAD+ ve FAD 2 elde edilir. Bu moleküller solunum zincirine taşırlar. Anaerobik glikolizde ise pirüvat laktata çevrilir ve son ürün laktattır. Mitokondrisi olmayan hücrelerde anaerobik glikoliz görülür, çünkü aerobik glikoliz için gereken enzim sistemleri mitokondride yerleşmiştir.
5 Glikoliz 2 fazdan oluşmaktadır. (a) azırlık fazı: Bu fazdan geçen her glukozdan iki gliseraldehit 3-fosfat oluşur. (b) izmet fazı: Fazın sonundaki ürün pirüvattır. azırlık fazında 2 ATP harcanır; hizmet fazında 4 ATP üretilir. Net ürün 2 ATP dir.
4 O 6 5 2 O O O 3 2 O 6 2 OPO 3 ATP ADP 5 O 4 O 1 1 Mg 2+ O O exokinase 3 2 O O glucose glucose-6-phosphate 1. ekzokinaz aşağıdaki reaksiyonu katalizler. Glukoz + ATP Glukoz-6-P + ADP Reaksiyon, glukozun 6. hidroksil O nin ATP nin terminal P na nükleofilik atak yapmasını içerir. ATP, enzime Mg 2+ ile kompleks oluşturarak bağlanır. Mg 2+ negatif yüklü fosfat esteri ile etkileşir bu şekilde ATP nin hekzokinaz enziminin aktif merkezi için uygun yük konformasyonunu sağlar.
4 O 6 5 2 O O O 3 2 O 6 2 OPO 3 ATP ADP 5 O 4 O 1 1 Mg 2+ O O exokinase 3 2 O O glucose glucose-6-phosphate ekzokinaz la katalize edilen reaksiyon yüksek derecede spontandır. ATP nin fosfoanhidrit (~P) bağı kırılır. Glukoz-6-fosfatta oluşan fosfat ester bağı düşük G ye sahiptir
4 O 6 5 2 OPO 3 O O 3 2 O 6 1 5 O 2 OPO 3 O O 4 3 O 1 2 O 2 O Phosphoglucose Isomerase glucose-6-phosphate fructose-6-phosphate 2. Fosfoglukoizomeraz reaksiyonu: Glukoz-6-P (aldoz) Fruktoz-6-P (ketoz) Mekanizma, asit/baz katalizini içerir. alka açılması enediolat arametaboliti ile izomerizasyon, ve halka kapanması gözlenir. Enzim Mg +2 a gereksinir.
Phosphofructokinase 6 2 OPO 3 O 5 O 1 2 O 6 2 OPO 3 ATP ADP O 2 5 O 1 2 OPO 3 2 4 3 O O Mg 2+ 4 3 O O fructose-6-phosphate fructose-1,6-bisphosphate 3. Fosfofruktokinaz-1 reaksiyonu: fruktoz-6-p + ATP fruktoz-1,6-bip + ADP ekzokinaz reaksiyonuna benzer bir mekanizmayla reaksiyonu katalizler ve yüksek derecede spontan bir reaksiyondur. Glikolizin hız-kısıtlayıcı basamağıdır. Aktivitesi hücrede ADP ve özellikle AMP fazla miktarda olduğu zaman artar. Enzim aktivitesi, fruktoz 2,6-biP ve ATP tarafından inhibe edilir
O 1 2 OPO 3 2 3 4 5 6 O O O 2 OPO 3 fructose-1,6- bisphosphate Aldolase 3 2 1 2 OPO 3 O 2 O + 1 2 3 O O 2 OPO 3 dihydroxyacetone glyceraldehyde-3- phosphate phosphate Triosephosphate Isomerase 4. Aldolaz reaksiyonu: fruktoz-1,6-bip dihidroksiaseton-p + gliseraldehit-3-p Reaksiyon bir aldol kırılımı tepkimesidir (aldol kondenzasyonunun tersinir tepkimesi) atomları aldolaz ürünlerinde tekrar numaralandırılır.
lysine 3 N + OO 2 2 2 2 + N 3 O 1 2 3 4 5 6 2 OPO 3 N + O O 2 OPO 3 ( 2 ) 4 Enzyme Schiff base intermediate of Aldolase reaction Enzimin aktif bölgesindeki Lizin kalıntısı, aktivitede rol oynar. Fruktoz- 1,6- bifosfat ın keto grubu, bu lizin kalıntısının e- amino grubu ile bağlanır ve protone bir Schiff baz ara metaboliti oluşturur. Bunu takiben 3 ve 4 arasındaki bağ kırılır.
O 1 2 OPO 3 2 3 4 5 6 O O O 2 OPO 3 fructose-1,6- bisphosphate Aldolase 5. Trioz Fosfat İzomeraz (TIM) reaksiyonu: dihidroksiaseton-p gliseraldehit-3-p 3 2 1 2 OPO 3 2 O Glikoliz, gliseraldehit- 3-P üzerinden devam eder. Bu tepkime ile glikolizin hazırlık fazı tamamlanır. O + 1 2 3 O O 2 OPO 3 dihydroxyacetone glyceraldehyde-3- phosphate phosphate Triosephosphate Isomerase
Triosephosphate Isomerase O O + + + + O O O O 2 OPO 3 2 OPO 3 2 OPO 3 dihydroxyacetone enediol glyceraldehydephosphate intermediate 3-phosphate Bu ketoz/aldoz dönüşümü, bir enediol arametaboliti üzerinden gerçekleşir. Enzimin aktif bölgesindeki Glu ve is kalıntıları, kataliz sırasında protonları yapılarına alır ve bırakırlar. 2-fosfoglukonat enzimin metabolik inhibitörüdür.
1 2 3 O O 2 OPO 3 Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase + P i + + NAD + NAD O 1 2 3 OPO 3 O 2 OPO 3 glyceraldehyde- 1,3-bisphospho- 3-phosphate glycerate 6. Gliseraldehit-3-fosfat Dehidrojenaz reaksiyonu: gliseraldehit-3-p + NAD + + P i 1,3-bifosfogliserat + NAD + + Bu reaksiyon, glikolizin tek NAD açığa çıkan basamağıdır.
3 N + OO 2 S cysteine 1 2 3 O O 2 OPO 3 glyceraldehyde-3- phosphate Enzimin aktif bölgesindeki ys kalıntısı katalizde rol alır. Gliseraldehit-3-fosfatın aldehiti, sisteinin tiyol grubu ile bir ara form oluşturmak üzere bağlanır.
Aldehit karbonunun, karboksilik aside oksidasyonu (~ tiyoester), NAD + yı NAD a redükler. Yüksek enerjili açil tiyoester e Pi ın bağlanması ile açil fosfat (~P) ürün oluşur. Enz-ys S O O O 2 OPO 3 Enz-ys S 2 OPO 3 NAD + NAD O O Enz-ys S 2 OPO 3 Enz-ys S P i O O 3 PO O glyceraldehyde-3- phosphate thiohemiacetal intermediate acyl-thioester intermediate O 2 OPO 3 1,3-bisphosphoglycerate
O O N 2 N 2 + N R NAD + 2e + + N R NAD NAD + redükte olurken, 2 e - +bir + (a hidrit) yapısına alır.
O 1 Phosphoglycerate Kinase OPO 3 O ADP ATP O 2 2 Mg 2+ 3 2 OPO 3 3 1 O O 2 OPO 3 1,3-bisphospho- 3-phosphoglycerate glycerate 7. Fosfogliserat Kinaz reaksiyonu: 1,3-bifosfogliserat + ADP 3-fosfogliserat + ATP Reaksiyon sırasında, bir ~P bağı kırılıp tekrar sentezlendiği için bu fosfat transferi geri dönüşümlüdür. Enzim, ekzokinaz gibi substratı tarafından indüklenen konformasyonel bir değişiklikle aktive olur.
O 1 2 3 Phosphoglycerate Mutase O O 2 OPO 3 O 1 2 3 O OPO 3 2 O 3-phosphoglycerate 2-phosphoglycerate 8. Fosfogliserat Mutaz reaksiyonu: 3-fosfogliserat 2-fosfogliserat Fosfat grubu, 2 deki O üzerinden, 3 deki O üzerine geçer.
Enzimin aktif bölgesinde bulunan histidin kalıntısının yan zinciri, fosfatın transferinde donör ve akseptör olarak görev alır. Reaksiyonun ara metaboliti, 2,3-bifosfogliserat dır. histidine 3 N + OO 2 N N + O O 1 2 OPO 3 3 2 OPO 3 2,3-bisphosphoglycerate
O 1 2 3 O 2 O OPO 3 Enolase O 1 2 3 2 O OPO 3 + 2 O 2-phosphoglycerate phosphoenolpyruvate 9. Enolaz reaksiyonu: 2-fosfogliserat fosfoenolpirüvat + 2 O Mg ++ -bağımlı dehidrasyon reaksiyonudur ve fluorit tarafından inhibe edilir. Fluorofosfat, enzimin aktif bölgesindeki Mg ++ ile kompleks yaparak aktiviteyi inhibe eder.
Pyruvate Kinase O 1 2 O OPO 3 ADP ATP O 1 2 O O O 1 2 O O 3 2 10. Piruvat Kinaz reaksiyonu: 2 fosfoenolpiruvat + ADP piruvat + ATP 3 phosphoenolpyruvate enolpyruvate pyruvate Reaksiyon spontan bir reaksiyondur. Fosfoenolpirüvat (PEP) ın hidrolizinin G si, ATP nin hidrolizininkinden daha yüksektir. PEP dan P i ınuzaklaştırılması unstabil bir enol oluşumuna yol açar. Bu ara ürün kendiliğinden keto formu olan pirüvata dönüşür. 3 3
Glikoliz Denge Çizelgesi 4 ATP üretilir. Net ürün glukoz başına 2 ~P dan 2 ATP dir. Glikoliz - total metabolik yol ( + hariç): glukoz + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i 2 piruvat + 2 NAD + 2 ATP
Anaerobik Glikoliz O Lactate Dehydrogenase O O NAD + + NAD + O O O 3 3 pyruvate lactate İskelet kasları egsersiz sırasında anaerobik koşullarda çalışırlar, çünkü aerobik metabolizma ihtiyaç olan enerji miktarını ağır egzersiz sırasında karşılayamaz. Anaerobik glikolizde piruvat, devam eden glikoliz için gereken NAD + nın ortama geri kazandırılabilmesi için laktat a dönüşür. Anaerobik koşullarda, Glikoliz ana enerji kaynağıdır.
-2 molatp Aktivasyon basamakları + 2 mol ATP Fosfogliserat kinaz + 2 mol ATP Pirüvat kinaz + 2 mol NAD Gliseraldehit 3-fosfat dehidrogenaz -2 molnad Laktat dehidrogenaz (Pirüvat laktat) ANAEROBİK GLİKOLİZ -2 molatp Aktivasyon basamakları + 2 mol ATP Fosfogliserat kinaz + 2 mol ATP Pirüvat kinaz + 2 mol NAD Gliseraldehit 3-fosfat dehidrogenaz. AEROBİK GLİKOLİZ
Fermentasyon 1 2 3 O O 2 OPO 3 Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase + P i + + NAD + NAD O 1 2 3 OPO 3 O 2 OPO 3 glyceraldehyde- 1,3-bisphospho- 3-phosphate glycerate Anaerob organizmalar, NAD ı reokisde edecek olan solunum zincirine sahip değillerdir. NAD ı başka bir reaksiyon ile okside etmek zorundadırlar. NAD +, glikolizde Gliseraldehit- 3- PDehidrojenaz için gereklidir.
Fermentasyon O O 3 Pyruvate Alcohol Decarboxylase Dehydrogenase O O NAD + + NAD + 2 O O 3 3 pyruvate acetaldehyde ethanol Fermentasyonda pirüvat, etanole çevrilir. Açığa çıkan etanol organizma tarafından dışarı atılır. Alkol Dehidrojenaz reaksiyonu sonucunda glikolizin sürekliliği için gerekli olan NAD + rejenere edilir.
Glikoliz, + hariç: glukoz + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i 2 piruvat + 2 NAD + 2 ATP Fermentasyon, glukozdan laktata: glukoz + 2 ADP + 2 P i 2 laktat + 2 ATP Anaeroplar fermantasyon ürünlerini (laktat veya etanol) dışarı atarlar. Glukoz metabolizması sonucu sadece 2 ATP açığa çıkar. Aerobik organizmalarda, piruvat, O 2 e kadar okside olacağı Krebs döngüsüne ve oksidatif fosforilasyona kadar devam ederek ek ATP oluşumuna katılır.
Glikoliz Enzim/Reaksiyon G o ' kj/mol G kj/mol eksokinaz -20.9-27.2 Fosfoglukozizomeraz +2.2-1.4 Fosfofruktokinaz -17.2-25.9 Aldolaz +22.8-5.9 Triozfosfat İzomeraz +7.9 negativ Gliseraldehit-3-P Dehidrojenaz & Fosfogliserat Kinaz e -16.7-1.1 Fosfogliserat Mutaz +4.7-0.6 Enolaz -3.2-2.4 Piruvat Kinaz -23.0-13.9 *Values in this table from D. Voet & J. G. Voet (2004) Biochemistry, 3 rd Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 613.
Glikolizin Kontrolü Glikolizdeki spontan oluşan reaksiyonlar: eksokinaz, Fosfofruktokinaz & Piruvat Kinaz Bu enzimlerin katalizlediği reaksiyonlar Glikoliz in kontrol basmaklarıdır. Lokal kontrol, hücre içi substrat veya ara ürün konsantrasyonlarının glikoliz kontrol basamaklarına etkisini içermektedir. ormonal kontrol, hormonal aktivasyonlar sonucu açığa çıkan ikincil mesajcıların hücresel reaksiyonları kontrolüyle olmaktadır.
1. 4 O 6 5 2 O O O 3 2 O 6 2 OPO 3 ATP ADP 5 O 4 O 1 1 Mg 2+ O O exokinase 3 2 O O glucose glucose-6-phosphate eksokinaz ı kendi ürünü olan glukoz-6-fosfat allosterik interaksiyonla, unkompetetif olarak inhibe eder.
Glukokinaz, eksokinazınkaraciğerdeki bir diğer formudur. Glukoz için Km i yüksek olduğundan, sadece yüksek [glukoz] aktiftir. Glukokinaz, glukoz-6-fosfat tarafından inhibe edilemez. Karaciğer Glukokinazı, glukokinaz regulasyon proteini (GKRP) tarafından inhibe edilir. Glukokinazın glukoza karşı olan yüksek Km değeri, karaciğerin kan [glukoz] yüksek olduğu zamanlarda glukozu kandan alarak, glikojen şeklinde depo etmesine olanak sağlar. Glycogen Glucose exokinase or Glucokinase Glucose-6-Pase Glucose-1-P Glucose-6-P Glucose + P i Glycolysis Pathway Pyruvate Glucose metabolism in liver.
2. Glycogen Glucose exokinase or Glucokinase Glucose-6-Pase Glucose-1-P Glucose-6-P Glucose + P i Glycolysis Pathway Pyruvate Glucose metabolism in liver. Glukoz-6-fosfataz, P i ınglukoz- 6-P dan salınımı katalizler. Bu şekilde glukoz karaciğerden salınarak kana karışımasını sağlayarak kan [glukoz] nun düzenlenmesinde rol oynar. Glukokinaz & Glukoz- 6- fosfataz enzimlerinin her ikiside karaciğerde bulunur, fakat diğer hücrelerde bulunmaz. Bu durum kan [glukoz]nun sadece K tarafından düzenlenmesini sağlar.
3. 6 2 OPO 3 O 5 O Phosphofructokinase 1 2 O 6 2 OPO 3 ATP ADP O 2 5 O 1 2 OPO 3 2 4 3 O O Mg 2+ 4 3 O O fructose-6-phosphate fructose-1,6-bisphosphate Fosfofruktokinaz (PFK-1), glikolizin hız-kısıtlayıcı basamağıdır of the Allosterik olarak ATP tarafından inhibe edilir. Düşük ATP konsantrasyonlarında, ATP enzimin sadece aktif bölgesine bağlanır. Yüksek konsantrasyonlarda, ATP aktif bölge dışında düşük- affiniteli regülatör bir bölgeye de bağlanır. Bu da enzimi, inaktif (sıkı) olan bir konformasyonel değişikliğe zorlar.
60 50 low [ATP] PFK Activity 40 30 20 10 0 high [ATP] 0 0.5 1 1.5 2 [Fructose-6-phosphate] mm PFK- 1 nın sıkı konformasyonel değişiklik formu, yüksek [ATP] da, diğer substratı fruktoz- 6-P karşı olan affinitesini de azaltır (aktivite eğrisi sigmoidal eğri şeklini alıyor). AMP konsantrasyonu, ATP nin hücre içi hidrolizi arttıkça artmaktadır ve ATP nin PFK üzerine olan etkisini antagonize eder (azaltır).
Glycogen Glucose exokinase or Glucokinase Glucose-6-Pase Glucose-1-P Glucose-6-P Glucose + P i Glycolysis Pathway Pyruvate Glucose metabolism in liver. Glikolizin, [ATP] yüksek olduğu durumlarda PFK-1 ile durdurulması, glukozun parçalanmasını da durdurur. ATPnin hücre içi konsantrasyonunun çok yüksek olduğu koşullarda glukozun parçalanmak yerine, glikojen olarak depolanması daha yararlıdır.
4. Pirüvat Kinazın Düzenlenmesi [ATP] = Pirüvat kinazın, substratı olan fosfoenolpiruvata olan ilgisini azaltarak, allosterik olarak inhibe eder. [ATP] = Fosfoenolpiruvata olan ilgisi artar. Reaksiyon hızlanır. Asetil-KoA ve uzun zincirli yağ asitleriyle de inhibe edilir.
Pirüvat Metabolizması Mitokondriye sahip ve aerobik olan hücrelerde pirüvat mitokondri içine girer. Bu olay özel bir transport sistemi ile (kolaylaştırılmış diffüzyon) gerçekleşir. Pirüvat mitokondride pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi tarafından oksidatif dekarboksilasyon işlemine tabi tutularak asetil-koa ya çevrilir.
Reaksiyon geri dönüşümsüzdür ve oldukça kompleks bir reaksiyondur. Olayı yürüten pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi 3 farklı enzimden oluşmuştur. Bunlar: E1 Pirüvat Dehidrogenaz E2 Dihidrolipoil transasetilaz E3 Dihidrolipoil dehidrogenaz enzimleridir. Olayda görev alan 5 koenzim de sırasıyla şunlardır: 1) Tiyamin pirofosfat (TPP) 2) KoA-S 3) Lipoik asit (okside ve redükte formlar) 4) FAD/FAD 2 5) NAD + /NAD+ +
TPP a bağlanan pirüvat, pirüvat dehidrogenaz tarafından dekarboksile edilir. Ürün olarak hidroksietil tiyamin difosfat meydana gelir. Daha sonra bu bileşik, bünyesindeki asetil grubunu dihidrolipoil transasetilaz yardımıyla KoA- S ya aktarır. 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 sırasıyla FAD ve NAD + ye aktarılır. Bu son aşamadaki işlemler dihidrolipoil dehidrogenaz tarafından katalizlenir.
Sitrik Asit Döngüsü (TA Döngüsü) Aerobik organizmalarda enerji veriminin en yüksek olduğu metabolik yol sitrik asit döngüsüdür. Bu metabolik yol, 3 karboksilli asitler içerdiği için Tri arboxylic Acid siklüsü, kısaca TA siklüsü veya siklüs reaksiyonlarını keşfeden Sir ans Krebs in ismine izafeten Krebs Siklüsü isimlerini alır.
Döngü reaksiyonları okzaloasetatla başlar ve bir çok ara üründen sonra yine okzaloasetatla sonuçlanır. er dönüşünde 1 asetil-koa yı parçalar. KoA-S ilk reaksiyonda ayrıldıktan sonra geriye kalan asetil ünitesi O 2 ve 2 O ya ayrışır. Sitrik asit döngüsü kaynak olarak karbohidrat ve yağlardan gelen asetil-koa lar dışında, amino asitlerden gelen karbon iskeletleri ile de beslenir. Tüm reaksiyonları mitokondri matriksinde geçer. Bu reaksiyonların tüm amacı redükte koenzimler (NAD+ + ve FAD 2 ) oluşturmaktır. Bu koenzimler daha sonra ATP sentezi için mitokondri iç zarındaki elektron transport zincirine aktarılır. Döngüde birbirini izleyen 8 reaksiyon vardır.
1. Reaksiyon Sitrat sentaz tarafından katalizlenen ilk reaksiyonda okzaloasetat asetil- KoA ile birleşerek sitrat ve KoA-S yı meydana gelir. Bu reaksiyon, kuvvetle ekzergoniktir ve döngünün kontrolünde önemli bir noktadır.
2. Reaksiyon Sitrat, akonitaz tarafından önce cis- akonitata daha sonra izositrata çevrilir. Ara ürün olan cis- akonitat reaksiyon sırasında enzimin aktif merkezini terketmez, yani serbestleşmez. Olayın bir diğer yönü ilk aşamada reaksiyondan ayrılan suyun ikinci aşamada tekrar devreye girmesidir.
3. Reaksiyon İzositrat dehidrogenaz, izositratı önce okside eder ve okzalosüksinat meydana gelir. Daha sonra aynı enzim dekarboksilasyon işlemini gerçekleştirir ve sonuçta α-keto glutarat oluşur. İzositrat dehidrogenazın NAD + ve NADP + yi koenzim olarak kullanan iki izoenzimi vardır. Birinci izoenzim sadece mitokonride, ikinci izoenzim ise hem mitokondri hem de sitoplazmada bulunur. İzositrat dehidrogenaz reaksiyonu irreversibl olup ilk redükte koenzimlerin oluştuğu evredir.
4. Reaksiyon α-ketoglutarat dehidrogenaz enzim kompleksi α- ketoglutaratı süksinil- KoA ya çevirir. Bu reaksiyon tümüyle pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksinin katalizlediği pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu reaksiyonuna benzer. Alfa- ketoglutaratın oksidasyon enerjisi süksinil- KoA daki tiyoester bağında saklı tutulur.
5. Reaksiyon Süksinat tiyokinaz veya süksinil-koa sentetaz ile süksinil- KoA süksinata çevrilir. Süksinil- KoA daki yüksek enerjili tiyoester bağı enerjisi GDP den GTP sentezinde kullanılır. Bu olay substrat düzeyinde bir fosforilasyondur. Ürün olarak oluşan GTP, nükleosid difosfat kinaz ile ATP ye çevrilir. Net ürünler süksinat ve ATP dir.
6. Reaksiyon Süksinat dehidrogenaz süksinatı fumarata çevrilir. TA döngüsünün diğer enzimlerinin aksine bu enzim mitokondri iç zarına yerleşmiştir ve koenzim olarak FAD kullanır. Bu reaksiyonda oluşan FAD 2 hidrojen ve elektronlarını Koenzim Q (ubikinon) ya aktardığı için oluşan ATP her hidrojen çifti başına 3 değil 2 mol dür. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi yapı bakımından süksinata çok benzeyen malonat, süksinat dehidrogenazın kompetitif inhibitörüdür.
7. Reaksiyon Bu aşamada fumarat, fumaraz tarafından L- malat a çevrilir. Stereospesifik olan fumaraz reaksiyonun tersine işlemesi halinde L- malatı substrat olarak kullanır.
8. Reaksiyon TA siklüsünün son aşamasında L- malat, malat dehidrogenaz tarafından okzaloasetata çevrilir. Standart şartlarda ileri derecede endergonik olan bu reaksiyon, okzaloasetatın süratle kullanılarak konsantrasyonunun düşürülmesi nedeniyle sağa doğru da kolayca işler.
Pirüvat Dekarboksilasyonunun Kontrolü Pirüvatın mitokondriye girdikten sonra O 2 ve 2 O ya kadar yıkılması ATP oluşumu ile beraber gider. ATP ve ATP oluşumuna yol açacak olan her türlü metabolit pirüvat dekarboksilasyonu ve sitrik asit döngüsünü yavaşlatırken, organizmanın ATP açığının göstergesi olan maddeler de bu olayları hızlandırırlar. Pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonundaki regülatör enzim pirüvat dehidrogenaz dır. Bu enzim hem allosterik hem de kovalent modifikasyonla regüle edilir. AMP, a 2+ ve NAD + bu enzimi allosterik olarak aktive ederken, asetil-koa, ATP, NAD ve yağ asitleri inhibe ederler. Öte yandan aynı enzimdeki spesifik serin kökü fosforile olduğu zaman enzim inaktif konuma geçer, defosforilasyon ise aktiviteyi yeniden kazandırır.
Pirüvat Dehidrogenazın kovalent modifikasyonla kontrolu +
Sitrik Asit Döngüsünün Kontrolü Sitrik asit dögüsünün kontrolünde de aynı temel kural işler. Substratların varlığı, biriken ürünlerin oluşturduğu inhibisyon ve döngünün son ürünleri olarak ortaya çıkan metabolitlerin yarattığı allosterik regülasyon bu metabolik yoldaki kontrolü sağlayan mekanizmalardır. Regülasyon 3 enzim üzerinden sağlanır. 1. Sitrat sentaz: Bu enzimin kontrol mekanizması iyi bilinmemektedir. Aktivatör: ADP İnhibitör: ATP, NAD, süksinil KoA ve sitrat. 2. İzositrat Dehidrogenaz: Allosterik aktivatör: a 2+, ADP Allosterik inhibitör: NAD E. oli de kovalent modifikasyonla regülasyon gösterilmiş. Fosforilasyonla inaktif, defosforilasyonla aktif enzim formu oluşuyor. 3. Alfa-ketoglutarat dehidrogenaz: Aktivatör: a 2+ İnhibitör: NAD ve süksinil-koa nın inhibitör etkisi in vitro olarak gösterilmiştir.
Pirüvat dekarboksilasyonu ve Sitrik asit Döngüsünün Kontrolü
Sitrik Asit Döngüsünün Metabolik Önemi Sitrik asit döngüsü birçok metabolik yolun birleştiği bir noktada yer alır. Bu nedenle karbohidratlardan başka yağlar, amino asitler, nükleotidler ve porfirinlerin bu metabolik yolla ilişkileri vardır. Karbohidrat olmayan maddelerden glukoz sentezi de bu metabolik yolun reaksiyonlarının kullanılması ile gerçekleşir. Döngüde yer alan ara metabolizma maddeleri, bir katalizör gibi görev yaparak, çok miktardaki substratın ürünlerine dönmesini sağlar. Örneğin pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu, yağların oksidasyonu sonunda meydana gelen asetil- KoA lar katalitik dozdaki OAA yardımıyla parçalanmaya uğrar. Bu nedenle döngü ara maddelerinin konsantrasyonlarının korunması önemlidir.
Sitrik Asit Döngüsü ile Metabolik İlişkisi Olan Yollar Yağ asitleri
Bir mol glukozun aerobik olarak oksidasyonu ile elde edilen ATP miktarı Glikoliz, pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu ve sitrik asit döngüsünde oluşan ATP miktarları
Glukuronik Asit Metabolik Yolu Organizmamızda glukozun ufak bir bölümü bu metabolik yolda kullanılır. Üronik asit metabolik yolu karaciğerde gerçekleşir ve yolun başlangıç reaksiyonları glikojen sentezi ile aynıdır. İlk aşamada glukoz-6-fosfat fosfoglukomutaz la glukoz-1-fosfata çevrilir.
Görevleri Yolun sonunda oluşan UDP- glukuronat, glukuronik asidin aktif şekli olup, glukuronik asidin steroid hormonlara, bilirübine, ve organizmaya yabancı olan bir çok maddeye (ksenobiyotik) bağlanmasını sağlar. Bu işleme glukuronidasyon denir. Glukuronik asitle birleşen her madde suda daha iyi çözünür konuma gelir ve organizmayı kolayca terkeder (detoksifikasyon). UDP- glukuronat ayrıca mukopolisakkaridlerin oluşumunda, vitamini sentezinde görev alır. Üronik asit metabolik yolu aynı zamanda glukoz için bir oksidasyon yoludur. Ancak bu sırada ATP sentezi gerçekleşmez ve oluşan ksilüloz-5- fosfat, pentoz fosfat metabolik yolu içinde kullanılır.
1. Reaksiyon Glukoz-6-fosfat, fosfoglukomutaz ile tersinir olarak glukoz-1-fosfata dönüştürülür. Glukoz-6-fosfat Glukoz-1-fosfat
2. Reaksiyon UDP-glukoz pirofosforilaz glukoz-1-fosfatı UTP ile birleştirerek UDP-glukoz (üridin difosfat glukoz) oluşturur.
3. Reaksiyon UDP-glukoz da UDP-glukoz dehidrogenaz tarafından 6.karbonundan UDP-glukuronata oksitlenir.
4. Reaksiyon UDP-glukuronat; glukuronidasyon dışında, proteoglikan, vitamini ve ksilüloz-5-fosfat sentezlerinde de kullanılır.
Pentoz Fosfat Yolu eksozmonofosfat metabolik yolu veya fosfoglukonat yolu ismi de verilmektedir. Amaç enerji üretimi değil, redükleyici güce sahip olan NADP + + ları üretmektir. Bu fonksiyon özellikle karaciğer, adrenal korteks ve meme bezleri gibi yağ asidi ve steroid sentezi yapan dokuların hücrelerinde önemli bir yer tutmaktadır. eksozların pentozlara dönüsümü: Yolda oluşan Riboz 5- fosfat hem nükleik asit sentezine hem de koenzimlerin koenzimlerin yapısına girer. Pentozların oksidatif yıkımları için heksozlara dönüştürülmesinde kullanılır. Fotosentezin karanlık devre reaksiyonlarında O 2 den glukoz oluşumunda görev alırlar.
Pentoz fosfat yolunun oksidatif aşamasında 3 glukoz-6- fosfattan 3O 2, 6 NADP+ + ve 3 riboz meydana gelir. İkinci aşama reorganizasyon dönemidir. Burada 3 riboz kendi aralarında düzenlemeler yaparak sonunda iki glukoz- 6-fosfat ve bir gliseraldehit- 3- fosfatoluştururlar. GENEL REAKSİYON
Glukoz 6-fosfat + 2 NAD+ + 2O 2 NADP + + + Riboz 5-fosfat + O2
1. Reaksiyon Glukoz- 6-fosfat, 6- fosfoglukonata çevrilirken ilk NADP + + da oluşur. Reaksiyon 6- fosfoglukanolakton üzerinden gerçekleşir. Enzimler: Glukoz-6-fosfat dehidrojenaz ve 6-fosfoglukanolaktonaz
2. Reaksiyon 6- fosfoglukonat, 6-fosfoglukonat dehidrogenaz tarafından oksidatif- dekarboksilasyonla ribüloz- 5-fosfata çevrilirken, ikinci NADP + + da sentezlenir ve O 2 açığa çıkar.
3. Reaksiyon - Reorganizasyon Üç molekül ribüloz- 5-fosfat, ribüloz-5-fosfat epimeraz ve ribüloz-5-fosfat keto izomeraz ile epimeri olan ksilüloz- 5-fosfatve ketoizomeri olan riboz- 5- fosfata çevrilir.
4. Reaksiyon Ksilüloz-5-fosfattaki ketol grubu transketolaz ile riboz-5-fosfata aktarılır ve böylece 7 karbonlu sedoheptüloz -7-fosfat oluşur. Ksilüloz-5-fosfattan geriye kalan ise gliseraldehit-3-fosfattır.
5. Reaksiyon Sedoheptüloz- 7-fosfattaki aktif dihidroksiaseton grubu transaldolaz enzimi ile gliseraldehid- 3- fosfata aktarılır. Bu kez ürün olarak fruktoz- 6-fosfat ve eritroz- 4-fosfat ortaya çıkar.
6. Reaksiyon Transketolaz reaksiyonu ikinci kez tekrarlar. Reorganizasyon için yukarılarda sıra bekleyen ikinci ksilüloz- 5- fosfatın ketol grubu eritroz- 4- fosfata aktarılır. Sonuçta fruktoz- 6-fosfat ve gliseraldehid- 3-fosfat oluşur.
Bu şekilde pentoz fosfat yolunun ikinci aşaması olan reorganizasyon reaksiyonları da tamamlanmış olur. Bu kademenin ürünleri olan iki früktoz-6- fosfat ve bir gliseraldehid-3-fosfat glikolize girerek pentoz fosfat yolunun oluşturduğu by pass olayını tamamlar. Pentoz fosfat yolunun tüm reaksiyonları şekilde topluca görülmektedir.