17 Ekim 2008 Cuma

KARBONHİDRATLAR


KARBONHİDRAT METABOLİZMASI
Karbonhidratların vücuda alınması ve kan şekeri düzeyi
Gelişmiş ülkelerde yetişkin bir insan, günlük kalori gereksiniminin yaklaşık %40-50 gibi büyük bir kısmını karbonhidratlardan sağlamaktadır. Karbonhidratlar günlük diyetin büyük bir kısmını oluştururlar. Günde yaklaşık 300 g karbonhidrat alınır ki bunun büyük bir bölümünü nişasta (∼160 g) ve sakkaroz (∼120 g) oluşturmaktadır. Ayrıca bir miktar laktoz (∼30 g) ve glukoz ile fruktoz (∼10 g) da alınır. Bitkisel besinlerle bol miktarda selüloz, nişasta ve sakkaroz alınır; hayvansal besinlerle ise glikojen ve laktoz alınır. Hayvansal polisakkarit olan glikojen, diyette az miktarda bulunur.
Diyetle alınması zorunlu olan spesifik bir şeker yoktur; karbonhidrat metabolizmasının merkezinde bulunan glukoz, vücutta karbonhidrat olmayan bazı bileşiklerden sentez edilebilmektedir. Ayrıca insanda fruktoz, galaktoz, ksiloz ve metabolik olaylar için gerekli tüm şekerler glukozdan sentez edilebilirler.
Karbonhidratların sindirimi
Diyette bulunan polisakkaritler ve disakkaritlerdeki glikozidik bağları, sindirim kanalında özel glikozidazlarla parçalanır ve böylece karbonhidratlar sindirilirler. Karbonhidratların sindiriminde etkili olan enzimler, karbonhidratlardaki α ve β-glikozidik bağlarına ve şeker sayısına özeldirler.
Nişasta ve glikojen tükürükteki α-amilaz etkisiyle ağızda enzimatik olarak parçalanmaya başlar. Tükürük bezlerinden günde yaklaşık 1 litre tükürük salgılanır. Tükürüğün içerisinde tükürük müsini ve tükürük α-amilazı bulunur. Tükürük müsini, polisakkaritlerin dağılımını ve kayganlığı sağlayan bir glikoproteindir; tükürük α-amilazı ise amilopektin ve amilozdaki α(1→4) glikozid bağlarını rastgele parçalayarak küçük moleküllü dekstrinlerin oluşumunu katalizler. α-amilaz, polisakkaritlerdeki iç bağları hidrolizler. Besin maddeleri mideye geldiğinde, midenin asit pH’ında karbonhidrat sindirimi durur. Besin maddeleri mideden duodenuma geçtiğinde, karbonhidrat sindirimi, bikarbonat (HCO3−) ve pankreas α-amilazı içeren pankreas özsuyunun (Pankreas özsuyu, duodenuma günde 1,5 litre kadar salgılanmaktadır.) etkisi ile devam eder. Pankreas α-amilazı da polisakkaritlerdeki α(1→4) glikozid bağlarını hidrolize eder ve sonuçta maltoz, izomaltoz ve 3-8 glukozil kalıntısı içeren limit dekstrinler oluşur. Limit dekstrinlerdeki α(1→6) glikozid bağlarının hidrolizi, ince bağırsak epitel hücrelerinin salgısı olan ince bağırsak salgısında bulunan ince bağırsak 1,6-glikozidazı etkisiyle olur. Böylece limit dekstrinlerdeki dallı durum ortadan kalkar ve α-amilazın tamamlayıcı rolüyle en sonunda trisakkaritler ve disakkaritler oluşur ki genellikle oluşan maltoz ve izomaltoz disakkaritleridir.. Tükürük α-amilazı, pankreas α-amilazı ve ince bağırsak 1,6-glikozidazı etkisiyle gerçekleşen karbonhidrat sindirimi sonunda ince bağırsak lümeni içinde maltoz, izomaltoz, laktoz ve sakkaroz disakkaritleri ile glukoz, fruktoz ve galaktoz gibi monosakkaritler bulunur. Disakkaritler, ince bağırsak epitel hücresi zarında yerleşik uygun disakkaridazlar tarafından tutulurlar; geçiş sırasında hidrolizlenerek monosakkaritlere ayrılırlar ve böylece oluşan monosakkaritler ince bağırsak epitel hücresi içine ve oradan kana geçerler:
1
Maltaz, izomaltaz, sakkaraz ve laktaz, ince bağırsak epitel hücrelerinin fırçamsı kenarında yerleşmiş olarak bulunan enzimlerdir. Laktaz (β-glikozidaz kompleksi), laktozun yapısında bulunan galaktoz ve glukoz arasındaki β-1,4-glikozid bağını hidrolizler:
Laktaz, sağlıklı kişilerde yoğun olarak jejunumda bulunur. Bu enzim, doğumdan sonra 27-32.haftalarda artar ve 5-7 yaşa kadar bu yükseklikte kalır; bundan sonra erişkindeki düzeye düşer. Akdeniz ülkelerinde, Asya ve Afrika’da toplumun en az %65’inde primer laktaz noksanlığına rastlanmaktadır; ince bağırsak epitel hücrelerinde hasar oluşturan hastalıklarda da sekonder laktaz noksanlığı ortaya çıkar. Laktaz noksanlığı olan hastalarda, sindirilmeyen laktozdan, bağırsak bakterilerinin etkisiyle CO2, H2, metan gibi çeşitli gazlar ve asetat, propiyonat, butirat gibi kısa zincirli yağ asitleri meydana gelir; bu kişiler süt içtikten veya
2
sütlü besinleri yedikten yaklaşık 30 dakika sonra karında ağrı, şişkinlik ve ishal ortaya çıkar; çocuklarda kilo kaybı görülür.
Selüloz, β-1,4-glikozid bağı içerdiğinden ve bu bağı parçalayacak enzim gastrointestinal kanalda bulunmadığından insanlarda sindirilmez. Diyet içerisinde bulunan selüloz, ksilan ve pektin gibi bitkisel karbonhidratlar, sindirilmeden dışa atılırlar ve feçesin hacmini artırarak bağırsakların düzenli çalışmasını sağlarlar. Selüloz, ruminantların rumeninde simbiyoz şekilde yaşayan çeşitli bakterilerin kompleks etkisi ve bir kısım protozooların etkisiyle üç aşamada glukoza parçalanır; oluşan glukoz uçucu yağ asitlerine dönüştürülerek emilir; bu nedenle ruminantlarda sindirilebilir karbonhidratların alınmasından sonra kan şekeri yükselmez.
Karbonhidratların emilimi ve taşınması
İnce bağırsak lümeni içindeki glukoz ve galaktoz aktif transportla, fruktoz ise kolaylaştırılmış diffüzyonla ince bağırsak epitel hücresi içine alınırlar ve oradan kana geçerler.
Glukozun ince bağırsak lümeni içinden ince bağırsak epitel hücresi içine geçişi, kolaylaştırılmış diffüzyon ile ve Na-bağımlı transport sistemiyle olur. Glukozun ince bağırsak lümeni içinden ince bağırsak epitel hücresi içine Na+-bağımlı transport sistemi ile geçişi, simport türden bir geçiştir. Büyük çoğunlukla pankreas sıvısı içeriğinde bağırsak lümenine gelen Na+, epitel hücre membranında translokatör denen taşıyıcı proteine bağlanır; daha sonra besinlerden gelen ve ince bağırsak lümeninde bulunan glukoz da taşıyıcı proteine bağlanır (Taşıyıcı proteinin iki bağlanma yeri vardır; bunlardan birine Na+ diğerine glukoz bağlanır). En son olarak Na+ ve glukoz, taşıyıcı protein tarafından ince bağırsak epitel hücresi sitoplazması içine salıverilirler. Glukozun ince bağırsak epitel hücresinden kana geçişi ise Na+/K+ATPaz pompası ile üniport olur:
Fruktozun ince bağırsak lümeninden epitel hücresi içine girişi kolaylaştırılmış diffüzyonla, galaktozun ince bağırsak lümeninden epitel hücresi içine girişi Na-bağımlı transport sistemiyle olmaktadır.
Vücutta farklı hücrelerde glukozun transportunda rol oynayan taşıyıcılar bulunmaktadır. Bu taşıyıcılar, hücrenin plazma membranında bulunur ve GLUT 1’den GLUT 5’e kadar numaralandırılmışlardır:
3
GLUT-1, kırmızı kan hücreleri, beyin, böbrek, kolon ve plasentada bulunur; beyine glukoz taşınışını sınırlar.
GLUT-2, karaciğer, pankreatik β-hücreleri, ince barsakların basolateral yüzünde bulunur; yüksek kapasiteli, düşük affınitelidir ki Km l5mM ve üstüdür.
GLUT-3, nöronlar, plasenta, testiste bulunur; Km düşüktür (~1 mM)
GLUT-4, adipoz doku, iskelet kasları ve kalpte bulunur; insülin'le uyarılan glukoz alınıp tutuluşunu sağlar.
GLUT-5, ince barsaklar, testis, sperm, böbrek, iskelet kasları, adipoz dokuda ve düşük düzeyde beyinde bulunur; fruktoz ve glukoz taşınmasında rol oynar.
İnsülin, iskelet kasları ve adipoz dokuda glukoz transportunu uyarmaktadır. İnsülin, reseptörüne bağlandığında glukoz taşıyıcıları, kendilerini içeren veziküllerden hücre membranına göçerler ve orada aktive olurlar:
İnce bağırsaktan emilen monosakkaritlerin 2/3’ü vena porta yoluyla karaciğere gelir; 1/3’ü ise bağırsak lenfatikleri ve duktus torasikus yoluyla genel dolaşıma katılırlar. Sağlıklı erişkin insanlarda 8-12 saatlik açlıktan sonra indirgeme yöntemleriyle ölçüldüğünde %80-120 mg, enzimatik yöntemlerle ölçüldüğünde %60-100 mg olan kan şekeri, yemekten 45-60 dakika sonra %160-180 mg’ı aşmayacak şekilde maksimum değere ulaşır; yemekten 2 saat sonra açlık düzeyine iner.
Kan şekeri düzeyi, ölçümde kullanılan yöntemlere göre farklılık gösterir; günümüzde laboratuvarlarda sıklıkla enzimatik yöntemler kullanılmaktadır ve sağlıklı erişkin bir insanda normal düzey %60-100 mg (60-100 mg/dL) veya 2,5-5,3 mmol/L kadardır ki indirgeme yöntemleriyle bulunan değer biraz daha yüksektir.
Kan şekeri düzeyi, ölçümde kullanılan kan örneğinin tipine göre de farklılık gösterir; kapiller kan glukozu venöz kan glukozundan yaklaşık %10 oranında yüksektir; ancak diyabetlilerde arteriyel, kapiller ve venöz kan glukoz düzeyleri arasında fark yoktur. Plazma ve serum glukoz düzeyleri eşit kabul edilir; tam kan glukozundan yaklaşık %15 oranında yüksektirler.
4
Kan şekeri düzeyi hematokrit değerinin düşük olduğu anemi ve hemodilüsyon durumlarında yüksek bulunur; polisitemi ve hemokonsantrasyon durumlarında ise düşük bulunur.
Kan şekeri deyince sıklıkla kan glukoz düzeyi anlaşılır ki vücutta bazı olaylar kan glukoz düzeyini düşürücü yönde etkili olurken bazı olaylar kan glukoz düzeyini yükseltici yönde etkili olur ve bu olaylar arasındaki denge ile kan glukoz düzeyi ayarlanmaktadır. Kan glukoz düzeyini düşürücü yönde etkili olan olaylar ile kan glukoz düzeyini yükseltici yönde etkili olan olaylar karbonhidrat metabolizmasını oluştururlar.
Kan glukoz düzeyini düşürücü yönde etkili olan, glukozun kullanılmasıyla ilgili olaylar şunlardır: 1) Glikoliz; glukozun anaerobik koşullarda yıkılımı. 2) Glukozun indirekt oksidasyonu; glukozun aerobik koşullarda glikoliz ve sitrik asit döngüsüyle yıkılımı. 3) Glukozun direkt oksidasyonu; glukozun pentoz fosfat yolunda yıkılımı. 4) Glukozun glukuronik asit yolunda yıkılımı. 5) Glikojenez; glukozun glikojene dönüşümü. 6) Liponeojenez; glukozun yağ asitlerine ve yağa dönüşümü. 7) Glukozdan diğer monosakkaritlerin ve kompleks karbonhidratların oluşumu. Kan glukoz düzeyinin böbrek eşiği olan %160-180 mg’ı aştığı durumlarda idrarla glukoz atılımı (glukozüri) de kan glukoz düzeyini düşürücü yönde etkili olur ki diyabet tanısında önemlidir.
Kan glukoz düzeyini yükseltici yönde etkili olan, kana glukoz sağlanmasıyla ilgili olaylar şunlardır: 1) Diyetle karbonhidrat alınması. 2) Glikojenoliz; glikojenin parçalanması. 3) Glukoneojenez; karbonhidrat olmayan maddelerden glukoz yapılması.
Glikoliz
Glikoliz, glukozun anaerobik koşullarda pirüvat üzerinden laktata dönüştüğü reaksiyonlar dizisi olarak tanımlanır. Esasen glukozdan pirüvat oluşuncaya kadarki reaksiyonlar anaerobik koşullarda ve aerobik koşullarda aynıdır ve bu olaylar dizisi de glikoliz olarak bilinir; pirüvattan sonraki olaylar ayrıca incelenir.
Glikoliz, altı karbonlu glukozun, on basamakta iki molekül üç karbonlu pirüvata yıkılması olayıdır:
Glikoliz, hücrenin sitoplazmasında gerçekleşir; glikoliz enzimlerinin çoğunluğu hücrenin sitozolünde bulunur. On basamakta gerçekleşen glikolizin ilk beş basamağı hazırlık fazı, sonraki beş basamağı ise sonuç fazı olarak ayrımlanabilir:
5
Glikolizin hazırlık fazında iki molekül ATP kullanılarak glukoz molekülü kullanıma hazırlanır ve üç karbonlu iki ara ürüne dönüştürülür ki metabolize olan bütün heksozlarda karbon zinciri genel olarak gliseraldehit-3-fosfat haline dönüştürülür. Glikolizin sonuç fazında dört molekül ADP’den dört molekül ATP oluşur; hazırlık fazında iki molekül ATP
6
kullanıldığından glikolize uğrayan her glukoz molekülü için enerjetik kazanç net iki molekül ATP’dir; ayrıca her glukoz molekülü için iki molekül NADH oluşur. Retina, eritrositler, bazı beyin hücreleri ve kıkırdak dokusunda glikoliz, ATP üretilmesinde kullanılan tek yoldur.
1) Glikolizin ilk reaksiyonunda glukoz, glukoz-6-fosfata dönüşmek üzere C-6’da fosfatlanarak sonraki reaksiyonlar için hazırlanır; fosfat donörü ATP’dir:
Bu reaksiyon, glikolizde ATP kullanan iki reaksiyondan biridir; heksokinaz tarafından katalizlenir; intrasellüler şartlar altında irreversibldir. Heksokinaz, yalnızca D-glukozun fosforilasyonunu değil, aynı zamanda D-fruktoz, D-galaktoz ve D-mannoz gibi diğer bazı yaygın heksozların fosforilasyonunu da katalizler. Heksokinaz, aktivitesi için diğer birçok kinazlar gibi Mg2+ gerektirir; enzimin gerçek substratı ATP4− değil, MgATP2− kompleksidir. Heksokinaz, bütün hücre tiplerinde her zaman bulunur. Hepatositler aynı zamanda heksokinaz D veya glukokinaz olarak adlandırılan bir heksokinaz içerirler ki bu, glukoz için daha spesifiktir; fakat glikoliz olayında rol almaz, glikojenez olayı ile ilgilidir. İnsülin, glukokinaz konsantrasyonunu artırır.
Heksokinaz, ürünü olan glukoz-6-fosfat tarafından allosterik olarak inhibe edilir. Memelilerde glikolizin hızı, heksokinazın aktivitesi ile kontrol edilir; heksokinaz, düzenleyici bir enzimdir.
2) Glukoz-6-fosfatın fruktoz-6-fosfata reverzibl izomerizasyonunu fosfoheksoz izomeraz (fosfoglukoz izomeraz), katalizler:
Fosfoheksoz izomeraz, Mg2+ gerektirir; glukoz-6-fosfat ve fruktoz-6-fosfat için spesifiktir.
3) Fruktoz-6-fosfatın fruktoz-1,6-bisfosfata fosforilasyonunu, fosfofruktokinaz-1 katalizler; fosfat grubu donörü ATP’dir:
7
Bu reaksiyon, glikolizde ATP kullanan iki reaksiyondan ikincisidir; sellüler şartlar altında esas olarak irreversibldir.
Fosfofruktokinaz-1 (PFK-1), fruktoz-6-fosfattan fruktoz-2,6-bisfosfat oluşumunu katalize eden fosfofruktokinaz-2 (PFK-2)’den ayrıdır.
Fosfofruktokinaz-1 (PFK-1), heksokinaz gibi, düzenleyici bir enzimdir; glikolizde en önemli düzenleme noktasında bulunur; glikolizin en önemli düzenleyici enzimidir. PFK-1 aktivitesi, hücrede ATP azaldığında veya ATP’nin yıkılım ürünleri ADP ve özellikle AMP aşırı biriktiğinde artar; hücrede bol miktarda ATP bulunduğunda ve ATP yağ asitleri gibi yakıtlardan bolca sağlandığında ise azalır. Yüksek sitrat konsantrasyonu da ATP’nin inhibitör etkisini artırır. Fosfofruktokinaz-1 (PFK-1), fruktoz-2,6-bisfosfat tarafından aktive edilir.
4) Fruktoz-1,6-bisfosfat, fruktoz-1,6-bisfosfat aldolaz (aldolaz) tarafından katalizlenen bir reverzibl aldol kondensasyon reaksiyonunda iki farklı trioz fosfata yıkılır; bir aldoz olan gliseraldehit-3-fosfat ile bir ketoz olan dihidroksiaseton fosfat oluşturur:
İki tip aldolaz vardır: Birinci tip oldolaz olan hayvansal aldolazlar, metal iyonlarına gereksinim duymazlar, etilendiamintetraasetik asit (EDTA) tarafından inaktive edilmezler, sodyum borhidrid (NaBH4) tarafından inaktive edilirler; ikinci tip aldolazlar olan bakteri ve mantar aldolazlar ise aktiviteleri için Zn2+ gerektirirler, EDTA tarafından inaktive edilirler, sodyum borhidrid (NaBH4) tarafından inaktive edilmezler.
Aldolaz vasıtasıyla oluşturulan iki trioz fosfattan yalnızca gliseraldehit-3-fosfat glikolizin sonraki reaksiyonlarında yıkılabilir; diğer trioz fosfat olan dihidroksiaseton fosfat, hızla ve reversibl olarak gliseraldehit-3-fosfata dönüştürülür.
8
5) Dihidroksiaseton fosfat ile gliseraldehit-3-fosfatın karşılıklı dönüşümlerini trioz fosfat izomeraz katalizler:
Bu reaksiyonla glikolizin hazırlık fazı tamamlanmış olur. D-fruktoz, D-galaktoz ve D-mannoz gibi diğer heksozlar da gliseraldehit-3-fosfata dönüştürülebilirler. Aldolaz ve trioz fosfat izomeraz reaksiyonlarının son ürünü iki molekül gliseraldehit-3-fosfattır ki gliseraldehit-3-fosfatın üç karbonundan her biri glukozun iki spesifik karbonunun birinden türer:
6) Glikolizin ATP’nin oluştuğu sonuç fazının ilk basamağı, gliseraldehit-3-fosfatın 1,3-bisfosfogliserata oksidasyonudur; reaksiyonu, gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz katalizler:
9
Gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz reaksiyonunda hidrojen akseptörü, nikotinamid adenin dinükleotidin oksitlenmiş şekli olan NAD+ koenzimidir. NAD+’in indirgenmesi, bir hidrid iyonunun (:H−) gliseraldehit-3-fosfatın aldehit grubundan NAD+’in nikotinamid halkasına enzimatik transferi suretiyle olur ve sonuçta indirgenmiş koenzim olan NADH oluşur; substrat molekülünün diğer hidrojen atomu, çözeltide H+ olarak ortaya çıkar. Gliseraldehit-3-fosfatın oksitlenmesi, substratın enzime kovalent olarak bağlı olduğu ara ürünler oluşumu ile ilgilidir:
Gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz, iyodoasetat vasıtasıyla inhibe edilir:
10
Glikoliz için gerekli NAD+, hücrede sınırlı miktarda bulunur; glikolizin sürmesi için gliseraldehit-3-fosfatın 1,3-bisfosfogliserata oksidasyonu sırasında oluşan NADH, tekrar NAD+ haline okside edilmelidir ki NAD+’in yeniden oluşması, pirüvatın anaerobik şartlarda laktata veya etanole dönüşümü sırasında gerçekleşir.
7) 1,3-bisfosfogliseratın karboksil grubundaki yüksek enerjili fosfat grubu, ATP ve 3-fosfogliserat oluşturmak üzere ADP’ye transfer edilir; reaksiyonu fosfogliserat kinaz katalizler:
İnorganik fosforun (Pi), 1,3-bisfosfogliserat gibi bir substrat aracılığıyla ADP’ye transferi vasıtasıyla ATP oluşması, substrat basamağında fosforilasyon olarak adlandırılır.
8) 3-fosfogliserat, 2-fosfogliserata dönüştürülür; reaksiyonu fosfogliserat mutaz katalizler:
Bu reaksiyon sırasında fosfat grubunun, gliseratın C-3 ve C-2 atomları arasında reversibl yer değiştirmesi olur; reaksiyon için Mg2+ gereklidir. 3-fosfogliseratın, 2-fosfogliserata dönüştürülmesi, iki basamakta gerçekleşir: Önce enzimin aktif yerindeki histidin (His) kalıntısına bağlı olan bir fosfat grubu, 3-fosfogliseratın C-2 atomundaki hidroksil grubuna transfer edilir ve 2,3-bisfosfogliserat (2,3-BPG) oluşur. Daha sonra 2,3-bisfosfogliseratın C-3 atomundaki fosfat, enzimin aynı histidin kalıntısına transfer edilir; 2-fosfogliserat oluşurken fosforile enzim yeniden ortaya çıkar. Enzimin başlangıçta fosforillenmesi, 2,3-bisfosfogliserattan fosfat transferi vasıtasıyla olur. 2,3-bisfosfogliserat, bir kofaktör olarak işlev görür; katalitik döngüyü başlatmak için küçük miktarlarda gereklidir; döngü vasıtasıyla devamlı olarak rejenere edilir:
11
2,3-bisfosfogliserat, hemoglobinin allosterik inhibitörüdür; hemoglobinin oksijene affinitesini azaltır; oksihemoglobinin disosiasyon eğrisini sağa kaydırır.
9) 2-fosfogliseratın yüksek fosfat grubu transfer potansiyeli olan fosfoenolpirüvata (PEP) dehidrasyonu, enolaz vasıtasıyla katalizlenir:
Enolaz, fluorür ile inhibe olur; bu nedenle kan glukozunu tayin etmeden önce glikoliz engellenmek istendiğinde sodyum fluorür kullanılır.
Fosfoenolpirüvat, N-asetilmannozamin ile birlikte, glikoproteinlerin, gangliozidlerin ve glikozaminoglikanların oligosakkaritlerinin uç noktasını oluşturan sialik asitin (N-asetilnöraminik asit, NANA) karbon ve azotlarının ön maddesidir.
10) Glikolizin son basamağında fosfoenolpirüvattaki fosfat grubu ADP’ye transfer edilir; ATP ile pirüvat oluşur; reaksiyonu pirüvat kinaz katalizler:
Bu reaksiyon da bir substrat basamağında fosforilasyon reaksiyonudur. Fosfoenolpirüvattan oluşan pirüvat, önce enol formunda ortaya çıkar. Enol formdaki pirüvat, hızlı ve nonenzimatik olarak keto forma tautomerize edilir; pH 7’de keto form baskındır:
12
Pirüvat kinaz reaksiyonu, intrasellüler şartlar altında irreversibldir.
Pirüvat kinaz, K+ ile Mg2+ veya Mn2+ gerektirir. ATP’nin yüksek konsantrasyonu, pirüvat kinazı allosterik olarak inhibe eder. Pirüvat kinaz, aynı zamanda sitrik asit döngüsü için önemli yakıt olan asetil-CoA ve uzun zincirli yağ asitleri ve alanin tarafından da inhibe edilir. Pirüvat kinaz, fosforilasyon sonucunda inhibe olur ki glukagon ve epinefrin, cAMP’ı artırır, bu da protein kinaz A’yı aktive ederek fosforilasyonu hızlandırır ve sonuçta pirüvat kinaz inhibe olur. Fruktoz-1,6-bisfosfat ise pirüvat kinazı aktive eder.
Glikoliz için besleyici yollar
Glukoza ilave olarak diğer birçok karbonhidrat da enerji veren yıkılıma uğramak için glikolitik yola girerler:
13
Glikolizin düzenlenmesi
Louis Pasteur, maya vasıtasıyla glukozun fermantasyonu çalışmaları sırasında, anaerobik şartlar altında glukozun tüketim miktar ve hızının aerobik şartlardakinden çok daha fazla olduğunu buldu. Daha sonraki kas çalışmalarında anaerobik ve aerobik şartlar altındaki glikolizin hızında aynı büyük farklılıklar görüldü. Glikolizin anaerobik şartlarda hızlı aerobik şartlarda yavaş olması Pasteur etkisi olarak bilinir ki bunun biyokimyasal temeli, anaerobik şartlar altında glikolizden üretilen ATP’nin glukozun aerobik şartlar altında tamamen CO2 ve H2O’ya oksidasyonundan üretilen ATP’den çok daha az olmasıdır. Sabit ATP düzeylerini sağlamak için glikolitik yola glukoz akımı düzenlenir.
Glikolizin hızında gerekli düzenleme, fosfofruktokinaz-1 (PFK-1) ve pirüvat kinaz enzimlerinin düzenlenmesi vasıtasıyla başarılır. Her iki enzim, ATP üretilmesi ve tüketilmesi arasındaki sellüler dengeyi yansıtan bazı anahtar metabolitlerin konsantrasyonlarındaki değişmelerle allosterik olarak düzenlenirler. PFK-1 aktivitesi, hücrede ATP azaldığında veya ATP’nin yıkılım ürünleri ADP ve özellikle AMP aşırı biriktiğinde artar; hücrede bol miktarda ATP bulunduğunda ve ATP yağ asitleri gibi yakıtlardan bolca sağlandığında ise azalır. Yüksek sitrat konsantrasyonu da ATP’nin inhibitör etkisini artırır. Fosfofruktokinaz-1 (PFK-1), fruktoz-2,6-bisfosfat tarafından aktive edilir. Pirüvat kinaz, yüksek konsantrasyonda ATP tarafından allosterik olarak inhibe edilir. Pirüvat kinaz, aynı zamanda sitrik asit döngüsü için önemli yakıt olan asetil-CoA ve uzun zincirli yağ asitleri ve alanin tarafından da inhibe edilir. Pirüvat kinaz, fosforilasyon sonucunda inhibe olur ki glukagon ve epinefrin, cAMP’ı artırır, bu da protein kinaz A’yı aktive ederek fosforilasyonu hızlandırır ve sonuçta pirüvat kinazın inhibe olmasıyla glikoliz yavaşlar. Fruktoz-1,6-bisfosfat ise pirüvat kinazı aktive eder.
Pirüvatın anaerobik ve aerobik şartlarda akıbeti
Glikoliz vasıtasıyla oluşan piruvatın akıbeti için üç alternatif katabolik yol vardır:
Glikoliz yolunda gliseraldehit-3-fosfatın dehidrojenasyonu sırasında oluşan NADH, aerobik organizmalar veya dokularda aerobik şartlar altında, elektronlarının mitokondriyal solunum (oksidatif fosforilasyon) sürecinde O2’ye geçmesi suretiyle yeniden NAD+ haline oksitlenir.
14
Ancak çok aktif iskelet kasları, su altı bitkileri ve laktat kullanan bakterilerde olduğu gibi anaerobik şartlar altında glikoliz yoluyla oluşan NADH, O2 vasıtasıyla yeniden NAD+ haline oksitlenemez. Glikolizin devamı için NAD+ gerekli olduğundan, oluşan NADH, bir başka reaksiyon vasıtasıyla yeniden NAD+ haline oksitlenmelidir ki bu reaksiyonlardan biri laktat dehidrojenaz (LD, LDH) enzimi tarafından katalizlenir ve pirüvat, laktata indirgenir:
Esasen hayvansal dokularda glikolizin amacı, organizmaya gerekli olan kimyasal enerjiyi ve ATP’yi, glukozun özellikle oksijen gerektirmeyen kısa bir yoldan yıkılması suretiyle sağlamaktır. Eğer solunum artmaksızın birdenbire ve şiddetli bir kas çalışması olursa, bu durumda ortaya çıkan şiddetli enerji gereksinimi glikoliz yoluyla karşılanır; aşırı laktik asit oluşur, dokularda ve kanda laktik asit artar ki ağır egzersiz sonucu kaslarda kramp meydana gelmesinin nedeni, glikoliz sonucu aşırı laktik asit oluşmasıdır. Memeli kaslarında egzersiz sırasında oluşan laktat, kan yoluyla kas hücrelerinden karaciğere taşınır ve hepatik laktat dehidrojenaz etkisiyle pirüvata dönüştürülür. Pirüvat da glukoneojenez yoluyla tekrar glukoza dönüştürülebilir. Glukozun ekstrahepatik dokularda laktata dönüşmesinin ardından laktatın karaciğerde tekrar glukoza dönüşmesi Cori döngüsü olarak bilinir.
Embriyon dokusu ve habis urlar gibi çabuk gelişen bazı dokularda, retina, böbrek medüllası, beyinin bir bölümü, omurilik, bağırsak mukozası gibi bazı organ ve sistemlerde, oksijenin yeterli olduğu aerobik koşullarda da glikoliz olur. Retina dokusu, eritrositler, bazı beyin hücreleri ve kıkırdak dokusunda enerji elde etmek için yalnızca glikolizden yararlanılır.
Maya ve diğer mikroorganizmalar glukozu laktattan daha çok etanol ve CO2’e fermente ederler. Alkol fermantasyon olarak adlandırılan bu olay sırasında glukoz, glikoliz yoluyla pirüvata dönüştürülür; pirüvat da iki basamaklı bir proçeste etanol ve CO2’e dönüştürülür. Pirüvatın etanol ve CO2’e dönüştürülmesi proçesinin ilk basamağı pirüvat dekarboksilaz tarafından katalizlenir ve pirüvattan asetaldehit oluşturulur; ikinci basamakta ise asetaldehit, NADH gerektiren alkol dehidrojenaz enzimi tarafından katalizlenen bir reaksiyonda etanole dönüştürülür:
15
Bazı spesifik mikroorganizmalar, karbonhidrattan zengin materyali laktat ve etanolden başka ürünlere fermente ederler ki bu yolla metanol, formik asit, asetik asit, propiyonik asit, butirik asit, süksinik asit, gliserol, izopropanol, butanol, butandiol gibi maddeler elde edilir.
Aerobik organizmalar veya dokularda aerobik şartlar altında pirüvat, karboksil grubunu CO2 şeklinde kaybetmek suretiyle oksitlenerek asetil-CoA’ya dönüşür; pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu olarak bilinen bu reaksiyonu, pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksi katalizler:
Asetil-CoA, sitrik asit döngüsünde tamamen CO2 ve H2O’ya oksitlenir. Glikoliz yolunda gliseraldehit-3-fosfatın dehidrojenasyonu sırasında ve pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu sırasında oluşan NADH, aerobik şartlar altında elektronlarının mitokondriyal solunum (oksidatif fosforilasyon) sürecinde O2’ye geçmesi suretiyle yeniden NAD+ haline oksitlenir.
Pirüvat ayrıca birçok anabolik reaksiyon için prekürsör olarak işlev görür: Pirüvatın aerobik koşullar altında oksidatif dekarboksilasyonu sonucu oluşan asetil-CoA, yağ asitleri, kolesterol, steroid hormonlar, vitamin D, keton cisimleri gibi birçok önemli madde için prekürsördür. Pirüvattan sitoplazmada alanin, mitokondride ise oksaloasetat da oluşabilir:
16
Sitrik asit döngüsü (sitrat döngüsü)
Sitrik asit döngüsü, trikarboksilik asit döngüsü (TCA döngüsü), Krebs döngüsü olarak da bilinir. Sitrik asit döngüsü, aerobik metabolizmanın merkezini oluşturur; hücresel solunumda karbonhidrat, yağ ve protein katabolizmasının ortak son ürünü olan asetil-CoA’nın asetil gruplarının oksitlendiği döngüsel olaylar dizisidir:
Karbonhidratlardan glikoliz yolunda oluşan pirüvat, aerobik şartlar altında karboksil grubunu CO2 şeklinde kaybetmek suretiyle oksitlenerek asetil-CoA’ya dönüşür; pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu olarak bilinen bu reaksiyonu, pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksi katalizler:
Pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksi üç farklı enzimi kapsar: Pirüvat dehidrojenaz (E1), dihidrolipoil transasetilaz (E2) ve dihidrolipoil dehidrojenaz (E3). Bu enzim sisteminde beş farklı koenzim veya prostetik grup görev alır: Pirüvat dehidrojenaz etkisi için tiamin pirofosfat (TPP); dihidrolipoil transasetilaz etkisi için lipoat ve koenzim A (CoA⋅SH); dihidrolipoil dehidrojenaz etkisi için flavin adenin dinükleotid (FAD) ve nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+).
17
İnsan beslenmesinde gerekli vitaminler olan tiamin, riboflavin, niasin ve pantotenik asit ile vitamin benzeri bileşik olan lipoik asit, bu sistemin vital komponentleridirler.
Pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksi, ökaryotik hücrelerde mitokondride lokalizedir; prokaryotlarda sitozolde lokalizedir. Ökaryotik hücrelerde glukozun glikoliz yolunda yıkılması sonucu sitoplazmada oluşan pirüvat, aerobik koşullarda sitrik asit döngüsüne girmek için mitokondriye geçer ve burada pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksinin etkisiyle oksidatif dekarboksilasyona uğrar ve asetil-CoA’ya dönüşür. Asetil-CoA da mitokondride sitrik asit döngüsüne girerek CO2 oluşturmak üzere yıkılır; sitrik asit döngüsü enzimleri mitokondride bulunmaktadırlar. Sitrik asit döngüsüne giren her asetil-CoA molekülünden iki molekül CO2 oluşur.
Sitrik asit döngüsü, oksaloasetik asitle başlar ve birbirini izleyen sekiz reaksiyon basamağından sonra yeniden oksaloasetik asit oluşumuyla sona erer; oksaloasetat, sitrik asit döngüsünün temel maddesi ve anahtar ürünüdür:
18
1) Sitrik asit döngüsünün ilk reaksiyonu, asetil-CoA’nın oksaloasetat ile kondensasyonudur; reaksiyonu sitrat sentaz katalizler ve sitrat oluşur:
19
Bu reaksiyonda oluşan CoA⋅SH, döngüye girecek bir başka asetil-CoA molekülü oluşturmak üzere bir başka pirüvat molekülünün pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksi vasıtasıyla oksidatif dekarboksilasyonuna katılır.
Sitrat döngüsünde ilk reaksiyon olan ve sitrat sentaz tarafından katalizlenen, asetil-CoA’nın oksaloasetat ile kondensasyonu reaksiyonu, irreversibldir; ancak mitokondri dışında bulunan ve ATP ile desteklenen sitrat liyaz adlı bir enzim ters yönde etkili olur.
2) Akonitaz(akonitat hidrataz) enzimi, sitratın cis-akonitat ara ürünü üzerinden izositrata reversibl dönüşümünü katalizler; bu basamakta dehidrasyon ve hidrasyon reaksiyonları birbirini izler:
Akonitaz, bir Fe/S merkez içerir ki bu merkez, hem aktif yerde substratı bağlamak için hem H2O’nun moleküle eklenmesi veya çıkarılması için etki gösterir.
3) İzositrat dehidrojenaz enzimi, izositratın oksidatif dekarboksilasyonunu katalizleyerek izositratı α-ketoglutarat ve CO2’e oksitler:
İki farklı izositrat dehidrojenaz vardır; elektron akseptörü olarak biri NAD+ gerektirir, diğeri ise NADP+ gerektirir. İki izoenzim vasıtasıyla katalizlenen reaksiyonlar büyük ölçüde birbirine benzer. NAD-bağımlı enzim, mitokondriyal matrikste bulunur ve sitrik asit döngüsünde izositratın α-ketoglutarata oksidatif dekarboksilasyonunu katalizler; NADP- bağımlı enzim ise hem mitokondriyal matrikste hem sitozolde bulunur ve anabolik indirgeme reaksiyonlarında gerekli olan NADPH’ın oluşması için fonksiyon görebilir.
20
İzositrat dehidrojenaz, sitrik asit döngüsünde hız sınırlayıcı tepkimeyi katalizlemektedir. Mitokondride NAD+/NADH oranının artması, tepkimenin hızlanmasını sağlamaktadır. ADP, izositrat dehidrojenazın pozitif allosterik düzenleyicisidir.
4) α-Ketoglutarat, oksidatif dekarboksilasyona uğrayarak süksinil-CoA ve CO2’e oksitlenir; reaksiyonu α-ketoglutarat dehidrojenaz enzim kompleksi katalize eder ve NAD+ elektron akseptörü olarak görev görür:
α-ketoglutarat dehidrojenaz reaksiyonu, pirüvat dehidrojenaz reaksiyonuna hemen hemen benzer; her iki reaksiyonda da bir α-keto asit, karboksil gruplarının CO2 şeklinde kaybı ile okside olmaktadır. α-ketoglutarat dehidrojenaz kompleksi de yapı ve fonksiyon bakımından pirüvat dehidrojenaz kompleksine benzer.
5) Sitrik asit döngüsünde α-ketoglutaratın oksidasyon enerjisi, süksinil-CoA’nın tiyoester bağlarının oluşmasında kullanılmıştır. Sitrik asit döngüsünün sonraki basamağında, süksinil-CoA’nın tiyoester bağlarının yüksek derecede negatif hidroliz standart serbest enerjisi(ΔGoi ≈ −36 kJ/mol), bu bağların yıkılması sırasında salınır ve GTP veya ATP’de bir fosfoanhidrid bağının sentezi için kullanılır. Bu reaksiyon, reversibldir; süksinil-CoA sentetaz veya süksinik tiyokinaz diye adlandırılan enzim tarafından katalizlenir; süksinil-CoA’dan süksinat oluşur:
Sentazlar, enerji kaynağı olarak ATP, GTP gibi bir nükleozid trifosfat gerektirmeyen kondensasyon reaksiyonlarını katalizledikleri halde sentetazlar, enerji kaynağı olarak ATP veya diğer nükleozid trifosfatları gerektiren kondensasyon reaksiyonlarını katalizlerler.
Bazı hayvansal dokularda, süksinil-CoA sentetazın biri GDP için diğeri ADP için spesifik iki izoenzimi bulunur. Ayrıca süksinil-CoA sentetaz vasıtasıyla oluşturulan GTP, terminal fosfat grubunu ADP’ye bağışlayarak ATP oluşmasını sağlayabilir:
Bu reaksiyonu, nükleozid difosfat kinaz katalizler.
6) Süksinil-CoA’dan oluşan süksinat, flavoprotein süksinat dehidrojenaz vasıtasıyla fumarata okside edilir:
21
Sitrik asit döngüsünde görevli enzimlerin hepsi mitokondride bulunurlar; ancak α-ketoglutarat dehidrojenaz ve süksinat dehidrojenaz yalnızca mitokondride bulundukları halde diğerleri mitokondri dışında da bulunurlar.
Süksinat dehidrojenaz, prokaryotlarda plazma membranına bağlıdır; ökaryotlarda ise mitokondrilerin iç membranına sıkıca bağlıdır ki sitrik asit döngüsünün membrana bağlı tek enzimi süksinat dehidrojenazdır. Sığır kalp mitokondrilerinden elde edilen süksinat dehidrojenaz, kovalent bağlı FAD’nin bir molekülü gibi üç farklı Fe/S grubu içerir. Elektronlar, süksinattan mitokondriyal iç membrandaki elektron taşıyıcı zincirin bir komponenti olan ubikinona (Q), FAD ve Fe/S merkez vasıtasıyla geçerler. Elektronların süksinattan elektron taşıyıcı zincir vasıtasıyla son elektron akseptörü O2’e akışı, her elektron çifti başına iki ATP molekulü sentezine bağlanmıştır; solunum zincirinde bir FADH2 molekülünden iki molekül ATP sentezlenir.
Malonat, süksinatın bir analoğu ve süksinat dehidrojenazın kuvvetli bir kompetitif inhibitörüdür; dolayısıyla sitrik asit döngüsünü bloke eder:
7) Fumaraz (fumarat hidrataz) enzimi vasıtasıyla katalizlenen bir reversibl hidrasyon reaksiyonu sonunda fumarat, L-malata dönüştürülür:
22
Fumaraz, yüksek derecede stereospesifiktir; fumaratın trans çift bağının hidrasyonunu katalizler, fakat fumaratın cis izomeri olan maleat üzerine etkili değildir. Fumaraz, aksi yönde yani L-malattan fumarat oluşması yönünde de stereospesifiktir; D-malat, fumaraz için substrat değildir.
8) Sitrik asit döngüsünün son reaksiyonunda, NAD-bağımlı L-malat dehidrojenaz, L-malatın oksaloasetata oksidasyonunu katalizler:
Bu reaksiyonun dengesi, standart termodinamik şartlar altında sola doğrudur. Fakat salim hücrede oksaloasetat, yüksek derecede ekzergonik sitrat sentaz reaksiyonu vasıtasıyla devamlı olarak ortadan kaldırılır; oksaloasetat konsantrasyonu oldukça düşük(< 10−6 M) olarak tutulduğundan malat dehidrojenaz reaksiyonu oksaloasetat oluşması yönünde gerçekleşir.
Sitrik asit döngüsü reaksiyonlarından oksaloasetattan sitrat oluşumu ve α-ketoglutarattan süksinil-KoA oluşumu tek yönlü, diğer reaksiyonlar iki yönlüdür:
Toplam eşitlik
Asetil CoA+NAD++Q+GDP (veya ADP) +Pi+2H20→HS-CoA+3NADH+QH2+GTP (veya ATP) +2C02+2H+
23
Sitrik asit döngüsünde elde edilen biyolojik enerji
Sitrik asit döngüsünün her dönüşünde üç NADH, bir FADH2 ve bir GTP(veya ATP) ortaya çıkar ve oksidatif dekarboksilasyon reaksiyonlarında iki CO2 serbestleşir:
Sitrik asit döngüsünde döngünün her dönüşünde bir ATP molekülü oluşmakla beraber döngüde dört oksidasyon basamağı da solunum zincirine büyük bir elektron akımı sağlar ve böylece sonuç olarak oksidatif fosforilasyon sırasında fazla miktarda ATP oluşmasına yol açar ki solunum zincirinde bir FADH2, 2 ATP oluşmasını sağlar; bir NADH ise 3 ATP oluşmasını sağlar.
Bir glukoz molekülünden glikoliz yolunda iki pirüvat oluştuğunu biliyoruz. Bu iki pirüvat da pirüvat dehidrojenaz enzim kompleksi vasıtasıyla asetil-CoA’ya dönüştükten sonra sitrik asit döngüsüne girmektedirler. Sitrik asit döngüsü ve oksidatif fosforilasyon ile bir asetil-CoA molekülünün tam olarak oksitlenmesi sonucunda yaklaşık 12 ATP elde edilmektedir:
24
Bir tek glukoz molekülünün tamamen CO2 ve H2O’ya oksitlenmesi suretiyle net 38 adet ATP kazancı olduğu hesaplanabilir:
38 ATP, 38x30,5kJ/mol=1,160 kJ/mol enerji demek olduğuna ve teorik olarak glukozun tam oksidasyonundan maksimum 2,840 kJ/mol enerji oluşabileceğine göre glukozdan indirekt oksidasyon yoluyla enerji elde edilmesinde verimin %40 olduğu anlaşılmaktadır. Ancak canlı hücrede ATP’nin basit hidroliz yoluyla değil de grup transferi yoluyla enerji sağladığı gözönüne alınırsa, verim daha büyüktür.
Sitrik asit döngüsü ara ürünlerinin anabolik proçeslerde kullanılması
Sitrik asit döngüsü, aerobik organizmalarda bir amfibolik yoldur; hem katabolik hem anabolik proçeslerde görev alır. Sitrik asit döngüsü, yalnızca karbonhidratlar, yağ asitleri ve amino asitlerin oksidatif katabolizmasında fonksiyon görmez aynı zamanda birçok biyosentetik yol için prekürsörleri de sağlar:
25
Birkaç önemli yardımcı enzimin etkisi, özellikle α-ketoglutarat ve oksaloasetatı amino asitlerin prekürsörleri olarak kullanılmak üzere sitrik asit döngüsünden çıkarabilir; oksaloasetat ve α-ketoglutarattan transaminasyon reaksiyonu sonunda sırasıyla aspartat ve glutamat sentezlenir; bunlar da diğer amino asitler ile purin ve pirimidin nükleotidlerinin sentezinde kullanılırlar. Oksaloasetat, glukoneojenez proçesinde glukoz haline de dönüştürülebilir. Süksinil-CoA, hem gruplarının porfirin halkasının sentezinde merkezi bir ara üründür ki hem, hemoglobin ve miyoglobinde oksijen taşıyıcı olarak sitokromlarda ise elektron taşıyıcı olarak görev görür.
Bitkilerde, bazı omurgasızlarda, E.coli ve maya gibi bazı mikroorganizmalarda asetatın hem yüksek enerji kaynağı olarak hem de karbonhidrat sentezi için fosfoenolpirüvat kaynağı olarak görev görmesi önemlidir. Bu organizmalar, asetatı oksaloasetata dönüştüren, glioksilat döngüsü denen bir döngüye sahiptirler. Glioksilat döngüsünde izositrat, izositrat liyaz vasıtasıyla süksinat ve glioksilata yıkılır; daha sonra glioksilat, malat sentaz tarafından katalizlenen bir reaksiyonda malat oluşturmak üzere asetil-CoA ile kondense olur:
Sitrik asit döngüsünün ara ürünleri biyosentetik prekürsörler olarak kullanılmak üzere çıkarıldığında, bu ara ürünlerin konsantrasyonunun azalmasıyla sitrik asit döngüsüne akışlarının azalacağı tahmin edilir. Fakat bu ara ürünler, anaplerotik reaksiyonlar olarak adlandırılan reaksiyonlar vasıtasıyla yerine konur ve böylece sitrik asit döngüsü ara ürünlerinin konsantrasyonu hemen daima sabit kalır:
26
Hayvansal dokularda önemli bir anaplerotik reaksiyon, pirüvatın CO2 vasıtasıyla oksaloasetata reversibl karboksilasyonudur. Sitrik asit döngüsünde oksaloasetat veya diğer herhangi bir ara üründe yetersizlik olduğunda pirüvat, daha fazla oksaloasetat oluşturmak üzere karboksillenir.
Pirüvatın karboksilasyonu, ATP ve biotin vitamini gerektirir. Pirüvat karboksilaz, düzenleyici bir enzimdir ve gerçekte asetil-CoA yokluğunda inaktifdir; asetil-CoA, pirüvat karboksilazın pozitif allosterik modülatörüdür. Sitrik asit döngüsü için yakıt olan asetil-CoA aşırı miktarda olduğunda, daha fazla oksaloasetat oluşturmak üzere pirüvat karboksilaz reaksiyonu stimüle edilir ve böylece döngü, sitrat sentaz reaksiyonunda daha fazla asetil-CoA kullanmak üzere yeterli hale gelir.
Diğer anaplerotik reaksiyonlar da sitrik asit döngüsü aktivitesini desteklemek için yeterli ara ürün düzeylerini korumak üzere düzenlenirler. Örneğin fosfoenolpirüvat karboksilaz, sitrik asit döngüsünün işleyişi yavaşladığında, glikoliz yolunda oluşan pirüvatın işlenememesine bağlı olarak seviyesi artan glikolitik ara ürün fruktoz-1,6-bisfosfat tarafından aktive edilir.
Sitrik asit döngüsünün düzenlenmesi
Karbon atomlarının pirüvattan sitrik asit döngüsüne geçişi iki düzeyde sıkı bir şekilde düzenlenir; pirüvat dehidrojenaz kompleksi reaksiyonu vasıtasıyla pirüvatın asetil-CoA’ya dönüşümü basamağı ve sitrat sentaz reaksiyonu vasıtasıyla asetil-CoA’nın döngüye giriş basamağı. Sitrik asit döngüsü, aynı zamanda izositrat dehidrojenaz ve α-ketoglutarat dehidrojenaz reaksiyonlarında düzenlenir:
27
Omurgalıların pirüvat dehidrojenaz kompleksi, hem allosterik olarak hem kovalent modifikasyon vasıtasıyla düzenlenir. Pirüvat dehidrojenaz kompleksi, ATP, asetil-CoA ve NADH tarafından kuvvetli olarak inhibe edilir; pirüvat oksidasyonunun allosterik inhibisyonu, uzun zincirli yağ asitleri varlığında oldukça artar. Sitrik asit döngüsüne çok az asetat akımı olduğunda biriken AMP, NAD+ ve CoA⋅SH, pirüvat dehidrojenaz kompleksini allosterik olarak aktive ederler. Buna göre bu enzimin aktivitesi, yağ asitleri ve asetil-CoA formunda bolca yakıt olduğunda ve hücrede ATP konsantrasyonu ile [NADH]/[NAD+] oranı yüksek olduğunda kapatılır; enerji ihtiyacı yüksek ve sitrik asit döngüsüne daha büyük asetil-CoA akımı gerektiğinde açılır. Omurgalıların pirüvat dehidrojenaz kompleksindeki bu allosterik regülasyon mekanizmaları, ikinci bir düzenlenme şekli olan kovalent protein modifikasyonu vasıtasıyla tamamlanır; enzim kompleksi, E1’in iki alt ünitesinden biri üzerindeki spesifik serin kalıntılarının reversibl fosforilasyonu vasıtasıyla inhibe edilir.
Spesifik bir protein kinaz, E1’i fosforiller ve dolayısıyla inaktive eder; spesifik bir fosfoprotein fosfataz ise hidroliz vasıtasıyla fosfat gruplarını çıkarır ve dolayısıyla E1’i aktive eder. Kinaz, ATP tarafından allosterik olarak aktive edilir; ATP konsantrasyonu yüksek olduğunda, pirüvat dehidrojenaz kompleksi E1’in fosforilasyonu suretiyle inaktive edilir.
Sitrik asit döngüsünde, kuvvetli olarak ekzergonik üç basamak vardır; bunlar, sitraz sentaz, izositrat dehidrojenaz ve α-ketoglutarat dehidrojenaz tarafından katalizlenen reaksiyonlardır. Bu reaksiyonların her biri bazı şartlar altında hız sınırlayıcı basamak olabilir. Sitrat sentaz için asetil-CoA ve oksaloasetat substratlarının varlığı, metabolik durumlar ile değişir ve bazen sitrat oluşumunu sınırlar. NADH, izositrat ve α-ketoglutaratın oksidasyon ürünlerinden biridir; bazı şartlar altında birikir ve [NADH]/[NAD+] oranı büyür ki bu durumda her iki dehidrojenaz reaksiyonu kuvvetle inhibe edilir. Hücrede malat dehidrojenaz reaksiyonu, esas olarak dengededir; [NADH]/[NAD+] oranı büyüdüğünde oksaloasetat konsantrasyonu azalır ve dolayısıyla döngüde ilk basamak yavaşlar. Sitrat, sitrat sentazı bloke eder; süksinil-CoA, α-ketoglutarat dehidrojenazı ve aynı zamanda sitrat sentazı inhibe eder; son ürün ATP, hem sitrat sentazı hem izositrat dehidrojenazı inhibe eder.
Sitrat sentazın ATP tarafından inhibisyonu, bu enzimin allosterik bir aktivatörü olan ADP tarafından ortadan kaldırılır. Kalsiyum iyonu, omurgalı kaslarında kontraksiyon ve artmış ATP ihtiyacı için sinyaldir; pirüvat dehidrojenaz kompleksini aktive ettiği gibi hem izositrat dehidrojenazı hem α-ketoglutarat dehidrojenazı aktive eder. Özet olarak; sitrik asit döngüsünün substratlarının ve ara ürünlerinin konsantrasyonu, bu yolun işleyişini, optimal ATP ve NADH konsantrasyonu sağlayacak hızda olacak şekilde ayarlar.
Normal şartlar altında glikolizin ve sitrik asit döngüsünün hızları birbirini tamamlar; pirüvat, laktat ve asetil-CoA, uygun konsantrasyonlarda tutulur. Sitrik asit döngüsünün ilk basamağının ürünü olan sitrat, glikolitik yolda fosfofruktokinaz-1 vasıtasıyla fruktoz-6-fosfatın fosforilasyonunun önemli bir allosterik inhibitörü olarak görev görür.
Glukozun pentoz fosfat yolunda direkt oksidasyonu
Hayvansal dokularda tüketilen glukozun çoğu glikoliz yoluyla pirüvata yıkılır; pirüvatın çoğu da sitrik asit döngüsü yoluyla okside edilir. Bu yolla glukoz katabolizmasının esas fonksiyonu ATP oluşturmaktır. Ancak glukoz, hücre için gerekli özel ürünlerin oluşumuna yol açan katabolik yollara da girer ki pentoz fosfat yolu bu yollardan biridir.
Pentoz fosfat yolu, fosfoglukonat yolu veya heksoz monofosfat yolu olarak da bilinir. Pentoz fosfat yolundaki reaksiyonlar, oksidatif reaksiyonlar ve oksidatif olmayan reaksiyonlar olmak üzere iki bölüme ayrılmaktadır.
28
Pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonlarında NADPH ve riboz-5-fosfat üretilir. Pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonları sonucunda glukoz-6-fosfattan D-riboz-5-fosfat ve NADPH oluşmasının ayrıntıları ve toplu reaksiyonu şu şekildedir:
Pentoz fosfat yolunun oksidatif bölümünde bir heksoz monofosfattan iki mol NADPH elde edilmektedir.
29
NADPH, memelilerde özellikle küçük prekürsörlerden yağ asitleri ve steroidlerin sentez edildiği meme bezleri, yağ doku, adrenal korteks ve karaciğerde indirgeyici güç olarak önemlidir; yağ asitlerinin biyosentezi yolunda ara ürünlerin karbonil gruplarını ve çift bağlarını indirgemek için NADPH gerekir. Özellikle meme bezleri, yağ doku, karaciğer ve böbrek üstü bezlerinde yağ asidi ve steroid biyosentezi önemli olduğundan bu dokularda glukozun yaklaşık %10’u pentoz fosfat yolu ile metabolize olur. İskelet kaslarında ise NADPH değil ATP gerekli olduğundan pentoz fosfat yolu iskelet kaslarında işlemez. Pentoz fosfat yolunda üretilen riboz-5-fosfat, nükleotid biyosentezinde kullanılır.
Pentoz fosfat yolunun ilk reaksiyonu, glukoz-6-fosfatın glukoz-6-fosfat dehidrojenaz vasıtasıyla dehidrojenasyonudur ki reaksiyonda elektron akseptörü NADP+’tır; 6-fosfoglukono-δ-lakton ve NADPH oluşur. 6-fosfoglukono-δ-lakton, intramoleküler ester bağı içerir ki bu ester bağı, spesifik bir laktonaz, tarafından hidroliz edilir ve serbest asit 6-fosfoglukonat oluşur.
6-fosfoglukonat, sonraki basamakta 6-fosfoglukonat dehidrojenaz tarafından dehidrojenasyona ve dekarboksilasyona uğratılır; bir ketopentoz olan D-ribuloz-5-fosfat ile birlikte bir molekül NADPH oluşur.
Daha sonra D-ribuloz-5-fosfat, fosfopentoz izomeraz tarafından, aldoz izomer şekli olan D-riboz-5-fosfat haline dönüştürülür.
Pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonlarının net sonucu, biyosentetik indirgeme reaksiyonları için NADPH ve nükleotid biyosentezi için bir prekürsör olarak riboz-5-fosfat oluşturmaktır. Bazı dokularda pentoz fosfat yolu bu noktada son bulur.
Pentoz fosfat yolunun oksidatif olmayan reaksiyonlarında pentoz fosfat, riboz-5-fosfattan daha çok özellikle NADPH’ın gerekli olduğu dokularda, bir seri reaksiyon sonucunda tekrar glukoz-6-fosfat haline dönüşür ve pentoz fosfat yoluna girer:
Bu reaksiyonlar, pentoz fosfat yolunun oksidatif olmayan reaksiyonları olarak bilinirler; burada transketolaz enzimi, tiamin pirofosfat(TPP) gerektiren bir enzimdir.
Glukoz-6-fosfattan pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonlarında bir adet CO2 ayrılmaktadır. Buna göre bir glukoz molekülünün pentoz fosfat yolunda tamamen oksidasyona uğraması için altı kez pentoz fosfat yoluna girmesi gerekir.
Pentoz fosfat yolunda anahtar rolü oynayan düzenleyici enzim, glukoz-6-fosfat dehidrojenazdır. NADPH ve yağ asidi biyosentezinin açil-CoA ara ürünü, glukoz-6-fosfat dehidrojenaz enzimini inhibe ederler.
30
Pentoz fosfat yolunun amaçları ve yararları
Pentoz fosfat yolu, memeli hücrelerinde sitozolde gerçekleşir; NADPH ve riboz-5-fosfat oluşturur. NADPH, yağ asidi sentezi, redükte glutatyon sentezi, methemoglobinin redüksiyonu, kolesterol sentezi, steroid hormon sentezi, bazı amino asitlerin sentezinde görevlidir ve gerektiğinde enerji üretimi için kullanılır; riboz-5-fosfat ise nükleik asitlerin ve yapısında nükleotid içeren koenzimlerin sentezi için gereklidir. Pentoz fosfat yolu, özellikle adipoz doku, karaciğer, adrenal korteks ve süt veren meme bezinde aktiftir.
Yağ asidi sentezinin β-ketoaçil redüktaz ve enoil redüktaz kademelerinde NADPH molekülleri indirgeyici molekül olarak kullanılır:
Hücrede bulunan redükte glutatyon(GSH), çevresel oksidan ajanların etkisini kendi üzerine çekerek hücrenin fonksiyonel proteinlerini okside olmaktan korur; ancak bu sırada glutatyonun kendisi oksitlenir ve okside glutatyon(GSSG) oluşur. Örneğin eritrositlerin hidrojen peroksidin zararlı etkilerinden korunmasında indirgenmiş glutatyon (GSH), kofaktör olarak selenyum içeren glutatyon peroksidazın katalizlediği bir reaksiyonla hidrojen peroksidi etkisizleştirirken kendisi okside glutatyon (GSSG) haline gelir:
2GSH + H2O2 → GSSG + 2H2O
Okside glutatyonun tekrar fonksiyon görebilir redükte glutatyon haline çevrilmesi, glutatyon redüktaz enzimi aracılığıyla ve NADPH kullanılarak olur:
Böylece eritrosit bütünlüğünün korunmasında pentoz fosfat yolunun önemli rolü olduğu anlaşılmaktadır.
Eritrositlerde bulunan methemoglobin, oksijen bağlayamaz ve taşıyamaz; ancak methemoglobin redüktaz enzimi, NADPH kullanarak methemoglobini redükler ve oksijen taşıyabilir duruma getirir:
31
Kolesterol sentez edilirken hidroksimetil glutaril-CoA redüktaz, skualen sentetaz ve desmosterolün kolesterole dönüştüğü kademelerde indirgeyici molekül olarak NADPH kullanılmaktadır:
Steroid hormon sentezinde birçok basamakta indirgeyici molekül olarak NADPH kullanılmaktadır:
Bazı amino asitlerin sentezinde NADPH kullanılır:
32
Pentoz fosfat yolunun nonoksidatif reaksiyonları sırasında meydana gelen gliseraldehit-3-fosfat, glikoliz yoluna girerek enerji elde edilmesinde kullanılabilir. Hücre, gereksinme duyduğu enerji açığını glikolitik yol ve sitrik asit döngüsünden sağlayamadığında, transhidrojenaz katalize edici enzim sistemi, NADPH üzerindeki elektronları NAD+ üzerine transfer ederek NADH oluşturur:
Glukozun glukuronik aside oksitlenmesi
Glukozun metabolize edildiği ikinci yan yol, glukuronik asit yoludur. Glukoz metabolizmasında glukuronik aside giden yol, glukoz-1-fosfat ile başlar ki glukoz-6-fosfat, fosfoglukomutaz enzimi etkisiyle glukoz-1-fosfata dönüştürülür:
Glukuronik asit yolunda glukoz-1-fosfat, öncelikle UTP yardımıyla UDP-glukoza dönüşmektedir. Daha sonra UDP-glukozun glukoz kısmı dehidrojenlenerek UDP-glukuronat oluşur:
Şekerlerin, UDP-glukoz gibi, nükleotidlerle birleşmiş şekilleri, aktifdirler; diğer şekerlere ve şeker asitlerine dönüşebilirler. UDP-şekerlerdeki şeker kalıntıları, ayrıca glikozidik bağ oluşturarak proteinler, lipidler ve diğer şekerlere bağlanabilirler:
33
Üronik asit yolu enzimlerinden L-ksilüloz redüktaz (ksilitol dehidrojenaz) eksikliğinde esansiyel pentozüri diye tanımlanan klinik durum ortaya çıkar ki böyle kişilerde idrarda L-ksilüloz atılışı artar.
Glukuronik asit yolu UDP-glukoz metabolizmasının önemli bir yoludur. Bu yolda ATP üretimi olmaz, oluşan UDP-glukuronat, birçok metabolik olaya katılır:
Glukuronat, glikozaminoglikanların yapısına girdikten sonra bir başka şeker asidi olan idüronik aside çevrilir ki bu iki şeker asidi, glikozaminoglikanların taşıdıkları negatif yüklerden sorumludurlar.
34
UDP-glukuronat, ayrıca glikozaminoglikanların ön maddelerinden biri olan UDP-ksiloza da çevrilir.
Hem katabolizması ürünü olan bilirubin, retiküloendotelyal sistemde oluşur; suda çözünmediğinden albümine bağlı olarak karaciğere taşınır. Bilirubinin yapısındaki iki propiyonik asit grubu, karaciğerde glukuronik asit ile konjuge olur; mono ve diglukuronidler oluşur; suda çözünebilen konjuge bilirubin de safra ile atılır.
UDP-glukuronatın en önemli işlevi, −OH grubu içeren steroidler, ilaçlar ve ksenobiyotiklerle birleşerek onların çözünürlüğünü ve ekskresyonunu artırmaktır. UDP-glukuronat, bir grup detoksifiye edici enzim vasıtasıyla çeşitli nonpolar ilaçlar, çevresel toksinler ve karsinojenlerin detoksifiye edilmesinde glukuronozil donörüdür. Adı geçen bileşiklerin karaciğer ve böbrek hücrelerinin sitoplazma ve endoplazmik retikulumunda bulunan glukuronozil transferazların katalitik etkisiyle glukuronat ile konjugasyonu (Glukuronat ile konjugasyon, glukuronidasyon olarak adlandırılır.), kendilerini, kandan böbrekler vasıtasıyla kolayca temizlenebilen ve idrarla atılabilen çok daha polar türevler haline dönüştürür. Örneğin karsinojen bir madde olan 3-hidroksibenzo[a]piren, insan karaciğerinde UDP-glukuronozil transferaz vasıtasıyla katalizlenen glukuronidasyona uğrayarak suda çözülebilir hidroksibenzo[a]piren glukuronozide dönüşür:
Dişi seks hormonu olan östrojenler, bir steroid hormon olan progesteron, tiroit hormonu olan triiyodotironin, karsinojen bir ksenobiyotik olan asetilaminoflüoren, uyku ilacı olan meprobamate, ağrı kesici olan morfin, üriner glukuronidler halinde idrarla atılan bazı bileşiklerdir.
UDP-glukuronat, ayrıca vitamin C (L-askorbat) sentez eden hayvan ve bitkilerde vitamin C sentezi için öncül maddedir:
35
İnsanlar, kobaylar, maymunlar, bazı kuşlar ve bazı balıklarda gulonolakton oksidaz olmadığından bu canlılar vitamin C sentezi yapamazlar; vitamin C’yi besinlerle dışarıdan hazır almak durumundadırlar.
Glukozun yağ asitlerine ve yağa dönüştürülmesi
Glukozdan pirüvik asit üzerinden oluşan asetil-KoA’lar kondensasyona uğrayarak çeşitli yağ asitlerini oluştururlar. Aktif yağ asitleri de gliserolle kondensasyona uğrayarak trigliseridleri ve fosfolipidleri oluştururlar:
Yağ asitlerinin ve trigliseridlerin biyosentezi lipid metabolizmasında incelenecektir.
Glukozdan diğer monosakkaritlerin ve kompleks karbonhidratların biyosentezi
Glukozdan diğer monosakkaritlerin ve kompleks karbonhidratların biyosentezinde de başlangıç maddesi glukoz-6-fosfattır.
Glukoz-6-fosfat, spesifik bir izomeraz tarafından fruktoz-6-fosfata, bu da mannoz-6-fosfata dönüştürülür. Glukoz-6-fosfat spesifik bir mutaz etkisiyle glukoz-1-fosfata dönüştükten sonra glukuronik asit yoluna girer ve bu yolda oluşan UDP-glukoz, spesifik bir 4-epimeraz vasıtasıyla UDP-galaktoz haline dönüşür. Özet olarak çeşitli enzimatik reaksiyonlarla monosakkaridlerin birbirlerine karşılıklı dönüşümleri ve kompleks karbonhidratların biyosentezi mümkündür. Monosakkaritlerin birbirlerine dönüşümleri şematik olarak şu şekilde gösterilebilir:
36
Kompleks karbonhidratların biyosentezi de şematik olarak şu şekilde gösterilebilir:
Amino şekerler, glikozaminoglikanların, glikoproteinlerin, glikolipidlerin ve bazı oligosakkaritlerle bazı antibiyotiklerin yapı taşıdırlar. Amino şekerlerin sentezi, bağ dokusunda çok aktifdir; burada glukozun yaklaşık %20’si amino şeker sentezi için kullanılır.
37
Amino şekerlerden N-asetilglukozamin (GlcNAc), N-asetilgalaktozamin (GalNAc) ve N-asetilnöraminik asitin (NANA, sialik asit) ön maddesi fruktoz-6-fosfattır:
Sialik asit (N-asetilnöraminik asit, NANA), glikoproteinlerin, gangliozidlerin ve glikozaminoglikanların oligosakkaritlerinin uç noktasını oluşturur. NANA’in karbon ve azotlarının ön maddesi, N-asetilmannozamin ve fosfoenolpirüvattır. NANA, uzayan oligosakkarit zincirine eklenmeden önce sitidin trifosfat (CTP) ile tepkimeye girerek CMP-NANA şeklinde aktiflenir.
Laktasyon döneminde meme bezlerinde laktoz sentaz aktivitesiyle laktoz oluşur ki reaksiyon, UDP-galaktozdaki galaktozil grubunun glukoza transferi şeklinde gerçekleşir:
Meme bezlerinde laktoz sentazın galaktozil transferaz ve α-laktalbumin olmak üzere iki komponenti vardır. Meme bezleri dışında bulunan galaktozil transferaz, glikozidik bağ oluşturur ki bunun substratları UDP-galaktoz ve N-asetil glukozamindir:
38
Glikojen biyosentezi (glikojenez)
Omurgalılarda glukoz, kanda genellikle kendisi transport edilir; fakat bitkilerdeki transport şekli sukroz veya galaktozillenmiş türevleridir. Organizmaların geniş bir bölümü, glukozun fazlasını depolamak ve transport etmek için polimerik forma dönüştürür. Glukozun başlıca depo şekli omurgalılarda ve birçok mikroorganizmada glikojen; bitkilerde ise nişastadır. Glukoz, glikojen şeklinde başlıca karaciğer ve kaslarda depolanır.
Glikojen sentezi, gerçekte bütün hayvansal dokularda meydana gelir; fakat özellikle karaciğerde ve iskelet kaslarında önemlidir. Karaciğerdeki glikojen, glukoz yedeği olarak görev görür; gerektiğinde diğer dokular için kan glukozu haline dönüşür. Kaslardaki glikojen ise kas kontraksiyonu için ATP sağlamak üzere glikoliz yoluyla yıkılır.
Glikojen sentezi için başlangıç noktası glukoz-6-fosfattır. Glukoz-6-fosfat, serbest glukozdan karaciğerde heksokinaz vasıtasıyla kaslarda ise glukokinaz vasıtasıyla oluşturulur:
Aslında yiyeceklerle alınan glukozun çoğu kandan eritrositler tarafından alınır ve glikolitik olarak laktata dönüştürülür. Daha sonra laktat, karaciğer tarafından alınır ve glukoneojenez olarak adlandırılan yolda glukoz-6-fosfata dönüştürülür.
Karaciğerde glukozun heksokinaz vasıtasıyla glukoz-6-fosfata dönüşümü, hipofizer büyüme hormonu tarafından inhibe edilir; insülin bu inhibisyonu engeller, adrenal korteks steroid hormonları ise bu inhibisyonu devam ettirir.
Glikojen sentezini başlatmak için glukoz-6-fosfat, fosfoglukomutaz vasıtasıyla glukoz-1-fosfat haline dönüştürülür:
Glukoz-1-fosfat ve UTP, UDP-glukoz pirofosforilaz etkisiyle UDP-glukoz (aktif glukoz) oluştururlar:
Bu reaksiyon, glikojen biyosentezinde anahtar reaksiyondur. Reaksiyon, UDP-glukoz oluşması yönünde yürür; çünkü oluşan pirofosfat (PPi), inorganik pirofosfataz tarafından hızlı olarak ortofosfata (Pi) hidroliz edilir:
UDP-glukozdaki glukoz kalıntıları, glikojen sentaz etkisiyle dallanmış glikojen molekülünün indirgeyici olmayan ucuna aktarılır; böylece glukoz, var olan bir glikojen molekülüne katılmış ve glikojendeki glukoz kalıntısı sayısı 1 artmış olur:
39
Glikojen sentaz, öncül olarak bir α1→4 poliglukoz zincir veya en azından dört glukoz kalıntısına sahip bir dal (glikojen primeri) gerektirir. Ayrıca glikojen sentaz, glikojenin dallanma noktalarında bulunan α1→6 bağlarını oluşturamaz; bu bağların oluşması, amilo (1,4-1,6)transglikozilaz veya glikozil-(4→6)-transferaz adlı glikojen dallandırıcı enzim vasıtasıyla oluşturulur. Glikozil-(4→6)-transferaz, en azından 11 glikozil kalıntısına sahip bir glikojen dalının indirgeyici olmayan ucundan 6 veya 7 glikozil kalıntılı uç parçanın aynı veya bir başka glikojen zincirinin biraz daha iç taraftaki bir glikozil kalıntısının C-6 hidroksil grubuna transferini katalizler ve böylece yeni bir dal oluşur:
40
Glikojen sentaz, yeni bir glikojen oluşumunda başlangıçta etkili değildir. Yeni bir glikojen molekünün sentezi, glikogenin denen bir proteinin 194 numaralı tirozin kalıntısına bir glukoz kalıntısının bağlanmasıyla başlar; glikojen sentaz, ancak 8 glukozil kalıntılı bir glikojen molekülü oluştuktan sonra etkili olur. Aktif bir hücrede glukozun glikojen sentezine katılması, esas olarak glikojen moleküllerinin sayısını artırmamaktadır; ancak var olan glikojen moleküllerinin dallarının uzaması ve yeni dallar oluşması suretiyle büyümesini sağlamaktadır.
Karaciğerde ve kasta glikojenez, glikojen sentaz enzimi ile düzenlenir. Glikojen sentazın, glikojen sentaz a ve glikojen sentaz b diye iki formu vardır. Glikojen sentaz a, aktif formdur; fosforile olarak daha az aktif olan glikojen sentaz b formuna dönüşür. Aktif olan glikojen sentaz a’nın fosforillenerek daha az aktif olan glikojen sentaz b formuna dönüşmesi, cAMP’a bağımlı protein kinaz tarafından katalizlenir; glikojen sentaz b’nin tekrar aktif glikojen sentaz a formuna dönüşümünü ise fosfoprotein fosfataz sağlar.
Adrenalin ve glukagon, glikojen sentazın inaktif hale gelmesini sağlayarak glikojen sentezini inhibe ederler; tiroid hormonları, adrenalin ve glukagonun etkisini kuvvetlendirirler. Glikojen de glikojen sentazın inaktif hale gelmesini uyararak kendi konsantrasyonunun düzenlenmesinde etkili olur.
İnsülin, glikojen sentazın aktif kalmasını sağlayarak glikojen sentezini artırır; ayrıca karaciğerde heksokinaz üzerine etki ile glukozun hücreye girişini uyarır.