Embed Size (px)
Citation preview
i
ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ FEN–EDEBİYAT FAKÜLTESİ YAYINLARI NO: 139 KİMYA BÖLÜMÜ
BİYOKİMYA - II DERS NOTLARI
Prof. Dr. Halil KORKMAZ
Prof. Dr. Nihat TINKILIÇ
Prof. Dr. Tevfik ÖZEN
Dr. Aytaç GÜDER
SAMSUN –2018
ii
ÖNSÖZ ..........................................................................................................................1 8. BÖLÜM: VİTAMİNLER ..........................................................................................2 8.1. SUDA ÇÖZÜNEN VİTAMİNLER ...........................................................................3 8.1.1. Tiamin (B1Vitamini) ..............................................................................................3 8.1.2. Riboflavin (B2vitamini) ..........................................................................................4 8.1.3. Nikotinamid (B3 vitamini) ......................................................................................6 8.1.4. Pantotenik Asit (B5 vitamini) .................................................................................9 8.1.5. Piridoksin (B6 vitamini) ....................................................................................... 11 8.1.6. Biyotin ................................................................................................................. 13 8.1.7. Folik asit .............................................................................................................. 15 8.1.8. Lipoik Asit ........................................................................................................... 17 8.1.9. Kobalamin (B12 vitamini) ..................................................................................... 19 8.1.10. C vitamini (Askorbik asit) .................................................................................. 22 8.2. YAĞDA ÇÖZÜNEN VİTAMİNLER ..................................................................... 24 8.2.1. A vitamini ............................................................................................................ 24 8.2.2. D vitamini ............................................................................................................ 27 8.2.3. E vitamini ............................................................................................................ 30 8.2.4. K vitamini ............................................................................................................ 31 9. BÖLÜM: METABOLİZMA VE BİYOENERJETİK ............................................ 33 9.1. HÜCRELERİN KARBON VE ENERJİ KAYNAKLARI ....................................... 34 9.2. KARBON VE AZOT DEVRİ ................................................................................. 35 9.3. BİYOENERJETİĞİN İLKELERİ ........................................................................... 38 9.3.1. Biyoenerjetikler ve Termodinamik ....................................................................... 39 9.4. ATP (ADENOZİN TRİFOSFAT) ........................................................................... 44 9.4.1. ATP Aktif Taşıma ve Kas Kasılmasında Enerji Sağlar ......................................... 46 9.4.2. ATP Hidrolizinin Reaksiyon Dengesine Etkisi ..................................................... 52 9.5. METABOLİZMADAKİ ELEKTRON TAŞIYICILARI .......................................... 53 9.6. KATABOLİZMA VE ANABOLİZMA .................................................................. 55 9.7. METABOLİK YOLLARIN HÜCRE İÇİ KONTROLÜ .......................................... 58 10. BÖLÜM: KARBOHİDRAT METABOLİZMASI ............................................... 61 10.1. KARBOHİDRATLARIN SİNDİRİMİ VE EMİLİMİ ........................................... 61 10.2. GLİKOLİZ ........................................................................................................... 66 10.2.1. Glikoliz Reaksiyonları........................................................................................ 70 10.2.2. Glikoliz Yolunun Enerji Bilançosu ..................................................................... 75 10.2.3. Glikoliz MetabolikYolunun Kontrol Mekanizması ............................................. 76 10.2.4. Glukoz Dışındaki Diğer Monosakkaritlerin Glikolize Girişi ............................... 78 10.2.5. Pirüvatın Etanol, Laktat ve Asetil CoA’ ya Çevrilmesi ....................................... 82 10.2.6. 2,3–Bisfosfogliseratın (2,3–BPG) O2 Taşımasındaki Rolü .................................. 84 10.3. SİTRİK ASİT (TCA) ÇEVRİMİ ........................................................................... 86 10.3.1. TCA Çevrimi Reaksiyonları ............................................................................... 88 10.3.2. Sitrik Asit Çevriminin Düzenlenmesi ................................................................. 95 10.3.3. Pirüvatın Dehidrogenaz Kompleksinin Kontrolü ................................................ 96 10.3.4. Sitrik Asit Çevriminin Kontrolü ......................................................................... 98 10.3.5. TCA Çevrimi Ara Bileşiklerinin Biyosentetik Önemi ......................................... 99
iii
10.4. GLİOKSİLAT ÇEVRİMİ ................................................................................... 100 10.5. OKSİDATİF FOSFORİLASYON ....................................................................... 102 10.5.1. İndirgenme Potansiyelleri ve Serbest Enerji Değişimleri .................................. 103 10.6. ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİ (SOLUNUM ZİNCİRİ) ................................... 107 10.6.1. Oksijenin Eksik İndirgenmesinden Doğan Zararların Giderilmesi .................... 111 10.6.2. Karışık İşlevli Oksidazlar, Oksigenazlar ve Sitokrom P–450 ............................ 112 10.6.3. Fosforilasyon ve Kemiozmotik Teori ............................................................... 114 10.6.4. Glikolizde Oluşan NADH’ ın Solunum Zincirine Girişi ................................... 117 10.6.5. Glukoz Oksidasyonunun ATP Bilançosu .......................................................... 119 10.7. PENTOZ FOSFAT YOLUYLA GLUKOZ OKSİDASYONU ............................ 120 10.7.1. Pentoz Fosfat Yolu Hızının Kontrolü ............................................................... 124 10.7.2. Pentoz fosfat Yolunun Bazı Doku ve Hücrelerdeki Önemi ............................... 125 10.8. GLUKONEOGENEZ ......................................................................................... 126 10.8.1. Glukoneogenezin Reaksiyonları ....................................................................... 129 10.8.2. Glukoneogenezin Enerji Bilançosu ................................................................... 132 10.8.3.Pirüvat Karboksilaz Enziminin Allosterik Özellikleri ve Biyotinin Etki
Mekanizması .................................................................................................. 133 10.9. GLİKOJEN METABOLİZMASI ........................................................................ 134 10.9.1. Glikojenin Yıkımı (Glikojenoliz) ..................................................................... 135 10.9.2. Glikojen Biyosentezi (Glikojenez) ................................................................... 137 10.9.3. Glikojen Metabolizmasının Kontrolü ve Düzenlenmesi .................................... 140 10.10. FOTOSENTEZ VE FOTOSENTETİK KARBOHİDRAT SENTEZİ .............. 143 10.10.1. Fotofosforilasyonun Genel Özellikleri .......................................................... 144 10.10.2. Yüksek Bitkilerdeki Fotosentez ...................................................................... 144 10.10.3. Işık Kloroplastlarda Elektron Akışını Sağlar ................................................... 145 10.10.4. Klorofil Tutulan Enerjiyi Reaksiyon Merkezlerine, Uyarım Transferiyle Aktarır . 146 10.10.5. Yüksek Bitkilerde İki Reaksiyon Merkezi Ardarda Çalışır ........................... 147 10.10.6. Fotofosforilasyonla ATP Sentezi .................................................................... 151 10.10.7. Çevrimsel (Döngüsel) Elektron Akışı ATP Üretir, NADPH veya O2 Üretmez 152 10.10.8. Kloroplastın ATP Sentazı Mitokondridekine Benzer ...................................... 153 10.11. FOTOSENTETİK KARBOHİDRAT SENTEZİ ............................................... 154 10.11.1. Karbondioksit Asimilasyonu (Karbon-Özümlemesi) Üç Safhada Oluşur ........ 155 11.BÖLÜM: LİPİD METABOLİZMASI ................................................................. 162 11.1. YAĞLARIN SİNDİRİMİ VE TAŞINMASI........................................................ 162 11.2. YAĞ ASİTLERİNİN YIKIMI ............................................................................ 167 11.2.1. Yağ Asitlerinin Aktifleştirilmesi ve Mitokondri Matriksine Taşınmaları .......... 168 11.2.2. Doymuş Yağ Asitlerinin β–Oksidasyonu .......................................................... 171 11.2.3. Doymamış Yağ Asitlerinin β–Oksidasyonu ...................................................... 174 11.2.4. Tek Karbon Sayılı Yağ Asitlerinin Oksidasyonu .............................................. 177 11.2.5. Karaciğerde Oluşan Keton Cisimleri Diğer Organlara Taşınır .......................... 178 11.3. LİPİD BİYOSENTEZİ........................................................................................ 180 11.3.1. Yağ Asitlerinin Biyosentezi ........................................................................... 181 11.3.1.1.Malonil CoA, Asetil CoA ve Bikarbonattan Oluşur ........................................ 181 11.3.1.2.Yağ Asitleri Tekrarlayan Reaksiyon Dizileri Şeklinde Sentezlenir ................. 182
iv
11.3.1.3. Yağ Asidi Sentaz Kompleksi Yedi Farklı Aktif Bölgeye Sahiptir .................. 182 11.3.1.4.Yağ Asidi Sentaz Asetil ve Malonil Gruplarını Alır ........................................ 184 11.3.1.5.Yağ Asidi Sentaz Reaksiyonları Palmitat Oluşturmak Üzere Tekrarlanır ........ 186 11.3.1.6.Yağ Asidi Sentezi Birçok Organizmanın Sitozolünde Fakat Bitkilerin ............ 188 Kloroplastlarında Oluşur .............................................................................................. 188 11.3.1.7. Asetat Mitokondrinin Dışına Sitrat Olarak Çıkar ........................................... 189 11.3.1.8. Yağ Asidi Biyosentezi Kuvvetlice Düzenlenir ............................................... 190 11.3.1.9. Uzun Zincirli Doymuş Yağ Asitleri Palmitattan Sentezlenir .......................... 192 11.3.1.10. Bazı Yağ Asitleri Doymamıştır ................................................................... 193 11.4.TRİAÇİLGLİSEROLLERİN BİYOSENTEZİ ..................................................... 193 11.4.1.Triaçilgliseroller ve Gliserofosfolipitler Aynı Öncüllerden Sentezlenir .............. 194 11.4.2.Hayvansal Organizmalarda Triaçilgliserol Biyosentezi Hormonlarla Düzenlenir .... 196 12.BÖLÜM: PROTEİN VE AMİNOASİT METABOLİZMASI ............................ 198 12.1. PROTEİNLERİN SİNDİRİMİ ............................................................................ 198 12.2. AMİNOASİTLERİN YIKIMI VE ÜRE ÇEVRİMİ ............................................. 201 12.2.1. α–Amino Grubunun Uzaklaştırılması ............................................................... 203 12.2.2. Üre Çevrimi ..................................................................................................... 205 12.2.2.1. Aminoasitlerin Karbon İskeletlerinin Yıkım Yolları ...................................... 210 12.2.2.2. Aminoasit Yıkımında Birkaç Enzim Kofaktörü Önemli Rol Oynar ................ 211 12.2.2.3. On Aminoasit Asetil CoA’ ya Yıkılır ............................................................ 212 12.2.2.4. Beş Aminoasit α–Ketoglutarata Dönüştürülür ............................................... 217 12.2.2.5. Dört Aminoasit Süksinil CoA’ ya Dönüştürülür ............................................ 219 12.2.2.6. Dallı Yan Zincirli Aminoasitler Karaciğerde Yıkılmaz .................................. 221 12.2.2.7. Asparagin ve Aspartat Okzalasetata Yıkılır ................................................... 222 12.2.2.8. Bazı Aminoasitler Glukoza Diğerleri Keton Cisimlerine Dönüştürülebilir ..... 223 13. BÖLÜM: NÜKLEOPROTEİN ve NÜKLEİK ASİT METABOLİZMASI ....... 224 13.1. NÜKLEOTİT KATABOLİZMASI ..................................................................... 225 13.1.1. Pürinlerin Katabolizması .................................................................................. 226 13.1.2. Pirimidinlerin Katabolizması ............................................................................ 231 13.2. NÜKLEOTİD BİYOSENTEZİ ........................................................................... 232 13.2.1. De Novo (yeni baştan sentez) Pürin Ribonükleotidlerin Sentezi ........................ 233 13.2.1.1. Pürin Biyoentezi ............................................................................................ 233 13.2.1.2. Pürin Nükleotid Biyosentezinin Regülasyonu ................................................ 239 13.2.1.3. Pürin Nükleotidlerinin Salvaj (kurtarma) Yolu ile Sentezi ............................. 240 13.2.1.4. De Novo Pirimidin Ribonükleotidlerin Sentezi .............................................. 241 13.2.1.5. De Novo Pirimidin Nükleotid Biyosentezinin Regülasyonu ........................... 244 13.2.1.6. Salvaj Yolu ile Pirimidin Nükleotidlerinin Sentezi ........................................ 247 13.3. NÜKLEOTİD METABOLİZMASINDAKİ KALITSAL BOZUKLUKLAR ...... 247 13.3.1. Pürin Metabolizmasındaki Kalıtsal Bozukluklar ............................................... 247 13.3.2. Pirimidin Metabolizmasındaki Kalıtsal Bozukluklar ......................................... 248 13.4. PÜRİN VE PİRİMİDİN NÜKLEOTİDLERİNİN SENTEZİNİN EKZOJEN
MADDELERLE İNHİBİSYONU .................................................................. 248 13.5. DEOKSİRİBONÜKLEOTİDLERİN SENTEZİ .................................................. 250 13.5.1. Deoksiribonükleotid Sentezinin Düzenlenmesi ................................................. 251
v
14.BÖLÜM: METABOLİZMANIN ENTEGRASYONU ve DÜZENLENMESİ ... 254 14.1. DOKUYA ÖZGÜ METABOLİZMA: İŞ BÖLÜMÜ ........................................... 255 14.1.1. Karaciğer Besinleri İşler ve Dağıtır .................................................................. 255 14.1.2. Adipoz Doku Yağ Asitlerini Alır ve Depolar .................................................. 261 14.1.3. Kas Mekanik İş İçin ATP Kullanır .................................................................. 262 14.1.4. Beyin Elektriksel Uyarıları İletmek İçin Enerji Kullanır ................................. 265 14.1.5. Kan; Oksijeni, Metabolitleri ve Hormonları Taşır ........................................... 267 14.2. Yakıt Metabolizmasının Hormonal Düzenlenmesi ............................................. 269 14.2.1. Epinefrin Yaklaşan Aktiviteyi Haber Verir ..................................................... 269 14.2.2. Glukagon Düşük Kan Glukozunun Habercisidir ............................................. 270 14.2.3. Açlık ve Uzamış Açlık Süresince Beyine Enerji Sağlamak İçin ...................... 272 Metabolizma Değişir ................................................................................................... 272 14.2.4. İnsülin Yüksek Kan Glukozunun Habercisidir ................................................ 275 14.2.5. Kortizol Düşük Kan Glukozuna Bağlı Stresin Habercisidir ............................ 276 14.2.6. Diyabet İnsülin Üretimi ya da Etkisindeki bir Hatanın Sonucudur .................. 277 13.3. HORMONLAR: FARKLI İŞLEVLER İÇİN FARKLI YAPILAR ..................... 278 14.3.1. Hormonlar Spesifik Hücresel Reseptörler Aracılığıyla Etki Gösterir .............. 279 14.3.2. Hormonlar Kimyasal Olarak Farklıdır ............................................................. 281 14.4. VÜCUT AĞIRLIĞININ UZUN SÜRELİ DÜZENLENMESİ ........................... 287 14.5.KAHVERENGİ YAĞDAKİ EŞLEŞMEMİŞ MİTOKONDRİ ISI ÜRETİR ....... 288 KAYNAKLAR........................................................................................................... 289
1
ÖNSÖZ
Biyokimya, canlı organizmaların en küçük yapısal birimi olan hücrenin kimyasal
yapısını ve hayatın devamı boyunca hücrede, moleküler düzeyde meydana gelen kimyasal
olayları inceleyen bir bilim dalıdır. Biyokimya, biyolojik olayları kimyasal ilkeler
çerçevesinde inceler ve analiz eder. Biyoloji ve kimya temel bilimlerinin bir çalışma alanı
olan biyokimya, günümüzde başta tıp olmak üzere tarım, beslenme ve endüstride de
uygulama alanı bulan bir bilim dalı haline gelmiştir. Netice olarak biyokimya bilimi, canlının
meydana gelişindeki, canlılığın devamındaki ve nihayet yok oluşundaki kimyasal
mekanizmaları inceleyen bir bilimdir.
Biyokimya–II notlarında, kimya öğrencileri için gerekli biyolojik açıklamalarla
birlikte, biyoloji ve sağlık bilimleri eğitimi görenler için de gerekli kimyasal açıklamalar
yapılmıştır. Bu notlar, hepsi ayrı olarak ele alınmış 7 bölümden oluşmaktadır ve her bölüm
kendi konularıyla sınırlıdır. Biyokimya–II notlarında, metabolizma ve biyoenerjetik temel
bilgileri verildikten sonra; karbohidrat, lipid ve aminoasit metabolizmaları, nükleoprotein ve
nükleik asit metabolizması, metabolizmanın entegrasyonu ve düzenlenmesi açıklanmıştır. Son
bölüm geniş metabolik ilişkileri kapsamaktadır. Bu yaklaşımın öğrencinin biyokimya
bilgisinin temelini oluşturacağını düşünmekteyiz.
Biyokimyada, kimya öğrencilerine ayrı bir tat, çeşni sunmaya çalışacağız. Canlılığın
yani yaşamın temelde, hücrede cereyan eden bir takım kimyasal olayların bir sonucu
olduğunu anlayabilirsek amacımıza ulaşmış olacağız.
Bu notlar uzun, zorlu ve sabır dolu bir sürecin sonunda ellerinize ulaştı. Bu notlarımızı
biyokimya ve ilgili disiplinlerde lisans ve lisansüstü öğrencilerinin kullanımına sunuyoruz.
Notlarımızın geliştirilmesi, eksikliklerinin ve kusurlarının giderilmesinde
meslektaşlarımızın değerli eleştiri ve katkılarını bekliyoruz.
Bu notların yazılmasında büyük emeği olan Dr. Aytaç GÜDER’e katkılarından dolayı
teşekkür etmeyi bir borç biliyoruz.
Öğrencilerimize ve meslektaşlarımıza yararlı olması dileklerimizle.
Prof. Dr. Halil KORKMAZ
2
8. BÖLÜM: VİTAMİNLER Hücrenin yapısını oluşturan proteinler, nükleik asitler, karbohidratlar ve lipidlerin
yanında eser miktarda mevcut vitamin adı verilen belirli organik maddeler vardır. Vitaminin
kelime anlamı hayat aminidir. Bugün vitamin sınıfına giren maddelerin birçoğunun amin
yapısında olmadığı bilinmektedir. Vitaminler insan ve hayvanların gelişmesi ve canlılıklarını
sürdürmesi için gerekli olan, küçük miktarlarda etkilerini gösteren organik maddelerdir.
Vitaminler diğer organik besin maddelerinden farklı olarak doku yapısına girmezler ve
organizmaya enerji sağlamazlar. Fakat vitaminler enerji değişimi ve metabolizmanın
düzenlenmesinde hayati öneme sahiptirler. Vitaminler bazı organizmalar tarafından
sentezlenemez, dışarıdan diyetle alınması gereken esansiyel maddelerdir.
Vitaminler suda çözünenler ve yağda çözünenler olarak iki büyük sınıfa ayrılır
(Tablo 8.1). Suda çözünen vitaminler; B grubu vitaminler ve C vitaminidir. C vitamini hariç
bütün suda çözünen vitaminlerin koenzim fonksiyonları vardır. Yağda çözünen vitaminler ise
A, D, E ve K vitaminleridir. Bu vitaminleri hayvansal organizmalar dışarıdan diyetle
almalıdır; bitkiler ve mikroorganizmalar için esansiyel rolleri belirlenememiştir. Yağda
çözünen vitaminler, koenzimlerin bileşeni değildir ve bazı metabolik olaylara eser miktarda
katılması gereken bileşiklerdir.
Tablo 8.1. Vitaminler ve fonksiyonları
VİTAMİNİN TİPİ VE ADI KOENZİM VEYA AKTİF FORMU
FONKSİYONU
Suda Çözünenler Tiamin (B1 vitamini) Tiaminpirofosfat (TPP) Aldehid grubu taşınması Riboflavin (B2 vitamini) Flavinmononükleotid
(FMN) Hidrojen atomu (elektron) taşınması
Flavin adenin dinükleotid (FAD)
Hidrojen atomu (elektron) taşınması
Nikotinamid (B3 vitamini) Nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+)
Hidrojen atomu (elektron) taşınması
Nikotinamid adenin dinükleotid fosfat (NADP+)
Hidrojen atomu (elektron) taşınması
Pantotenik asit (B5 vitamini) Koenzim A (Co A) Açil grubu taşınması Pridoksin (B6 vitamini) Pridoksal fosfat Amino grubu taşınması Biyotin (H vitamini veya koenzim R) Biyositin Karboksil grubu taşınması Folik asit (B10 veya B11 vitamini) Tetrahidrofolat C1- gruplarının taşınması Kobalamin (Vitamin B12) Koenzim B12 Hidrojen atomlarının 1,2-kayması Lipoik asit Lipoillisin Hidrojen atomu ve açil grubu taşınması Askorbik asit −− Hidroksilasyonlarda kofaktör Yağda Çözünenler A vitamini 11-cis-Retinal Görme siklüsü D vitamini 1,25-Dihidroksikolekalsiferol Kalsiyum ve fosfat metabolizması E vitamini −− Antioksidan K vitamini −− Protrombin biyosentezi
3
Bu bölümde vitaminlerin kimyasal yapısı ve var ise koenzim rolleri örnekleriyle anlatılacaktır.
8.1. SUDA ÇÖZÜNEN VİTAMİNLER 8.1.1. Tiamin (B1Vitamini)
Tiamin, bütün omurgalılar ve bazı mikroorganizmalar için zorunlu olan bir vitamindir.
Tiamin bir metilen grubu üzerinden substitüe bir tiyazol halkasının bir piridine bağlanmasıyla
meydana gelmiştir (Şekil 8.1). Hücrelerde büyük oranda aktif koenzim şekli olan
tiaminpirofosfat (TPP) halinde bulunur.
CN
CN
CH
C
NH2
H3C
CH2 N
C C
SC
CH3
H
CH2 CH2
2 CN
CN
CH
C
NH2
H3C
CH2 N
C C
SC
CH3
H
CH2 CH2
2O
P
O
P
O
O
O
O
O
OH
Tiamin Tiaminpirofosfat
Şekil 8.1. Tiamin ve tiaminpirofosfatın kimyasal yapıları: Substitüe tiyazol molekülün aktif kısmıdır.
Tiaminpirofosfat, metabolizmanın iki tip reaksiyonunda; 1) α–ketoasitlerin
dekarboksilasyonu ve 2) α–keto bileşiklerinin oluşumu veya yıkımında koenzim rolü oynar.
Bu reaksiyonlarda TPP, tiyazol halkasına kovalent ve aktifleşmiş halde bağladığı aldehid
gruplarının uzaklaştırılması ve/veya taşınması fonksiyonunu görür.
Tiaminpirofosfatın α–keto asitlerinin dekarboksilasyonunda oynadığı rolü, pirüvatın
asetaldehide dönüşümü reaksiyonu ile açıklayabiliriz (Şekil 8.2).
C O
COO
CH3
H+ CO2
Pirüvat dekarboksilaz (Mg+2)C O
H
CH3 Pirüvat Asetaldehid
4
N
C C
SC
CH3
H
TPP' in tiyazol halkasI
2
C
O
COOHH3C
Pirüvik asit
N
C C
SC
CH3
2
C COOHH3C
OH
CO2
N
C C
SC
CH3
2
CH OHH3C
C
O
HH3C
-2-Hidroksietil türevi
Asetaldehid
N
C C
SC
CH3
H
TPP' in tiyazol halkasI
2
Şekil 8.2. Pirüvatın, pirüvat dekarboksilaz enzimiyle dekarboksilasyonunda tiaminpirofosfat (TPP)
etkisinin basamakları.
Tiamin en çok bira mayasında ve buğday, pirinç gibi tahılların kabuğunda bulunur.
Bundan başka fasulye, bezelye, ceviz vb. gibi besinlerde yeterli miktarda bulunmaktadır.
Tiamin (B1 vitamini) eksikliğinde gözlenen belirtiler;
1. İştah azalması, yorgunluk, baş dönmesi ve sindirim sitemi bozuklukları,
2. Sinir sistemi bozuklukları şeklinde gözlenen beriberi hastalığında eklemlerde
şişmeler, refleks hareketlerinin durması ve denge kaybı görülür.
8.1.2. Riboflavin (B2vitamini)
B2 vitamini ilk defa sütten elde edilmiştir. Bütün bitkiler ve birçok organizma
tarafından sentezlenebildiği halde hayvansal organizmalarca sentezlenemez.
Riboflavin, bir izoalloksazin türevidir. İzoalloksazinin 10 nolu azotuna riboz şekerinin
indirgenmesiyle oluşan ribitol bağlıdır (Şekil 8.3).
5
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
HC
O
O
HC
HC
HC
CH2OH
OH
OH
OH
OH
12
3
45
10
Şekil 8.3. Riboflavin (B2 vitamini)
Riboflavinin ribitol grubunun 5'–karbon atomuna fosfat grubunun bağlanması sonucu
flavin mono nükleotid (FMN), FMN’ ye adenilat (AMP) bağlanmasıyla flavin adenin
dinükleotid (FAD) meydana gelir (Şekil 8.4).
Adenilat (AMP)
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
HC
O
O
HC
HC
HC
CH2OPO3-2
OH
OH
OH
OH
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
HC
O
O
HC
HC
HC
CH2
OH
OH
OH
OH
O
P
O
P
O
CH2
O
HH
OH
H
OH
H
NCH
NC
NH2
N
N
HC
OHO
HO O
Riboflavin
FMN
FAD
Şekil 8.4. FMN ve FAD’ nin kimyasal yapısı.
6
Flavin nükleotidler (FMN ve FAD), flavoproteinler veya flavoenzimler olarak bilinen
indirgeme–yükseltgeme (dehidrogenaz) enzimlerinin prostetik gruplarıdırlar. Bu enzimler
pirüvatın, yağ asitlerinin, amino asitlerin oksidatif yıkımına ve elektron taşınma olayına
katılırlar. Koenzimi oldukları enzimin katalitik etkisi sırasında, FMN ve FAD’ nin
izoalloksazin halkası dönüşümlü olarak indirgenir. Bu nükleotidlerin indirgenmiş halleri
FMNH2 ve FADH2 şeklinde gösterilir:
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
R
O
O
2H+ + 2e-
2H+ + 2e-
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
R
O
O
H
H Yükseltgenmiş form (FAD) İndirgenmiş form (FADH2)
Besin maddelerinin oksidasyonunda bazı dehidrogenazların koenzimi olarak rol alan
FAD, FADH2’ ye indirgenir ve FADH2’ de elektronlarını solunum zincirine aktararak ATP
sentezlenmesini sağlar. FADH2 enzime sıkı bağlı olduğundan, elektronlarını mitokondri iç
membranında bulunan solunum zincirine (ETS) aktarır ve ATP sentezlenir.
Farklı flavoproteinlerin yükseltgenmiş (FMN, FAD içeren) şekilleri, görünür bölgede
kuvvetli absorpsiyon bantlarından dolayı karakteristik sarı, kırmızı veya yeşil renklidirler.
Flavoproteinlerin indirgenmesi (FMNH2 ve FADH2) sonucu renksizleşmesinden
yararlanılarak bu enzimlerin aktivite ölçümleri yapılır.
Riboflavin en çok süt ve süt ürünleri, bira ve ekmek mayası, karaciğer, böbrek, et,
ıspanak gibi yeşil sebzeler, domates, kuru fasulye, balık ve yumurtada bulunur. Tahıllarda ise
yetersizdir. Riboflavin (B2 vitamini) yetersizliğinde;
1. Gözde kan damarları genişler ve gözde yanma ile görme zorlaşır,
2. Deride ve özellikle dudak kenarlarında yaralar,
3. Sinir sistemi bozuklukları ve anemi görülür.
8.1.3. Nikotinamid (B3 vitamini)
Niasinamid adı da verilen B3 vitamininin diğer adı PP vitaminidir. Pellegra adı verilen
bir hastalığı önlemesi nedeniyle pellegra preventive’ den baş harfleri alınarak bu vitamine
PP vitamini adı verilmiştir. Organizmada nikotinik asit, nikotinamide dönüştürülebildiği
için nikotinik asidin de vitamin etkisi vardır.
7
Bitkiler ve çoğu hayvanlar nikotinik asidi, değişik yollarla özellikle triptofandan
sentezleyebilirler. Hayvanlar, triptofan bakımından zengin proteinlerle beslenirse nikotinik
asit eksikliği görülmez.
N
COOH
N
CONH2
Nikotinik asit (niasin) Nikotinamid
Nikotinamid içeren başlıca iki koenzim vardır: Nikotinamid adenin dinükleotid
(NAD+) ve nikotinamid adenin dinükleotid fosfat (NADP+). Her iki koenzim, piridin
koenzimi veya piridin nükleotidi olarak da adlandırılır (Şekil 8.5). NADP+, NAD+’ den farklı
olarak, adenine bağlı riboz biriminin 2'–hidroksil grubu fosfat esteri halindedir.
N
C
O
HH
OH
H
OH
H
CH2OP
O
P O CH2
O
HH
OR
H
OH
H
N
HCN
C
N
CH
N
12
3
4
5
6O
O
-O
-O
NH2
1
23
4
5
NH2
O
Şekil 8.5. Nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+)’ in yapısı. (R grubu –H ise NAD+; -PO3-2 ise
NADP+ olur.)
8
NAD+ ve NADP+, piridine bağımlı dehidrogenaz enzimlerinin koenzimi olarak
fonksiyon görür.
Substrat moleküllerinden hidrojen atomlarının uzaklaştırılması (yükseltgenme)
sırasında elektron alıcısı rolünü oynarlar. Bu reaksiyonlarda substrat üzerindeki hidrojen
atomlarının birisi, doğrudan NAD+ ve NADP+’ nin nikotinin halkasına aktarılırken, diğeri de
H+ iyonu halinde çözeltiye geçer (Şekil 8.6).
2H+ + 2e-
N
CONH2
R
N
CONH2
R
H H
+ H+
2H+ + 2e-
NAD+ (NADP+) NADH (NADPH) + H+
Buna örnek olarak, malatın okzalasetata dönüşümü reaksiyonu verilmiştir.
N
CONH2
R
N
CONH2
R
H H
+ H+C
COO
CH2
COO
HHO + C
COO
CH2
COO
O +Malat dehidrogenaz
Malat NAD+ Okzalasetat NADH + H+
Şekil 8.6. Malat dehidrogenazın katalizlediği reaksiyonda hidrojen ve elektron alışverişi; bunlardan
biri pridinin 4 pozisyonuna hidrid iyonu olarak taşınır, diğeri ortama H+ iyonu olarak
salınır.
Genellikle piridine bağımlı dehidrogenazlar ya NAD+ veya NADP+ için spesifiktir;
bununla birlikte glutamat dehidrogenaz gibi bazı enzimler her iki koenzimle de aktivite
gösterebilir.
NADPH tamamen indirgeyici biyosentez olaylarında görev alırken, bunu koenzim
olarak kullanan enzimlere redüktazlar denir. NADH ise elektronlarını mitokondri iç
membranında solunum zincirine aktarır ve ATP sentezini sağlar. Biyosentez olaylarının
büyük bölümü sitoplazmada ve ER membranının sitoplazmaya bakan yüzeyinde
gerçekleştiğinden; NADP+’ li enzimler daha çok sitoplazmada, NAD+’ li dehidrogenaz
enzimleri ise daha çok mitokondri matriksinde yer alır. NAD+ ve NADP+’ nin indirgenmiş
formları (NADH ve NADPH), 340 nm’ de maksimum absorpsiyon verir ve bu özelliklerinden
9
piridin nükleotide bağımlı enzimlerin katalizlediği reaksiyonların gerçekleşme derecesini
takip etmede yararlanılır. Enzim katalizli reaksiyon süresince NADH oluşumunun 340 nm’
deki absorbansı izlenir.
B3 vitamini en çok et ve özellikle karaciğerde bulunur. Bunlardan başka bira mayası,
yeşil sebzeler, ceviz, fındık, çay, kahve, buğday, baklagillerde bu vitamin için iyi bir
kaynaktır.
B3 vitamini, karbohidrat, yağ ve protein metabolizması için gereklidir.
Yetersizliğindeki hastalık ve belirtiler şunlardır:
1. Sinir sistemi bozuklukları, hal ve hareketlerde anormallikler,
2. Sindirim sistemi bozuklukları,
3. Deride simetrik yaralar. Bu belirtileri olan hastalık pelegradır.
8.1.4. Pantotenik Asit (B5 vitamini)
Bir β–alanin türevi olan pantotenik asit; 2,4-dihidroksi-3,3-dimetil butirik asit olan
pantoik asidin karboksil grubuyla β–alaninin amino grubunun amid bağıyla bağlanmasından
meydana gelmiştir. Bitkiler ve çoğu mikroorganizmaların sentezleyebildiği pantotenik asit,
omurgalılar için mutlak esansiyel bir vitamindir.
C
CH3
CH3
HCCH2HO C NH CH2 CH2 COOH
O
OH
Pantoik asit kısmı β-alanin kısmı
Pantotenik asit
İnsan ve hayvan organizmasında pantotenik asidin önemi, koenzim A (Co A)’ nın
bileşeni olmasından ileri gelir. Koenzim A başlıca üç birimden oluşmuştur: β–
merkaptoetilamin, pantotenik asit ve riboz şekerinin 3'–hidroksil grubu fosforillenmiş ADP
(Şekil 8.7).
10
CH2HS CH2 N C
H
O
CH2 CH2 N C
H
O
C C
H
OH
CH3
CH3
CH2 O P O P O CH2
O
HH
HO
H
O
H
NCH
NC
NH2
N
N
HCO
OO
O
P
O
OO
-merkaptoetilamin
Pantotenik asit
Adenin
Riboz-3'-fosfat
3-Fosfoadenozin difosfat
Reaktif tiyol grubu
Şekil 8.7. Koenzim A (Co A). Pantotenik asidin hidroksil grubu fosfat ester bağıyla modifiye ADP
parçasına bağlanır ve bunun karboksil grubu amid bağıyla β–merkaptoetile bağlanır. ADP
parçasında 3'–hidroksil grubu, ADP’ nin kendinde bulunmayan bir fosforil grubuna
sahiptir.
Koenzim A’ nın aktif kısmı uçtaki sülfidril (–SH) grubudur. Koenzim A, açil grubu
taşıyıcısı olarak; yağ asitlerinin oksidasyonu, yağ asitlerinin sentezi, pirüvatın oksidasyonu ve
enzimatik biyolojik açilleme reaksiyonlarına iştirak eder. Co A’ ya açil grubu olarak en fazla
bağlanan asetil grubudur.
R C
O
SCoA H3C C
O
SCoA Açil CoA Asetil CoA
Asetil CoA çok negatif bir hidroliz ΔGo değerine sahiptir.
Asetil CoA + H2O Asetat + CoA + H+ Go=-7.5 kcal/mol
Bir başka deyişle, asetil CoA’ nın asetil grubu transfer potansiyeli yüksektir. ATP’ nin
aktifleşmiş fosfat grubu taşıyıcısı olması gibi, CoA’ da aktifleşmiş açil ve asetil grupları
taşıyıcısıdır. Açilleme ve asetilleme reaksiyonlarında gerekli olan enerji tiyoester bağının
hidrolizi ile sağlanır.
Pantotenik asit; karaciğer, böbrek, yumurta, bira mayası, bezelye, kuru fasulye, süzme
bal, karnabahar ve lahanada çok miktarda bulunmaktadır. Hayvansal ve bitkisel besinlerde
yeterince bulunur. Karbohidrat, yağ ve protein metabolizması için gereklidir. Eksikliğinde
deride yaralar, saç dökülmesi ve sinir sistemi bozuklukları görülür.
11
8.1.5. Piridoksin (B6 vitamini)
Bir piridin türevi olan piridoksin (piridoksol), biyolojik olarak pridoksal ve
piridoksamine dönüşebilir. B6 vitamininin aktif koenzimleri de pridoksal fosfat (PLP) ve
piridoksamin fosfattır (Şekil 8.8).
N
CH2OH
CH2OHHO
H3C
N
CHO
CH2OHHO
H3CN
CHO
CH2HO
H3C
O P O
O
O
N
CH2NH2
CH2OHHO
H3CN
CH2NH2
CH2HO
H3C
O P O
O
O
Piridoksin
Piridoksal Piridoksal fosfat
Piridoksamin Piridoksamin fosfat Şekil 8.8. Piridoksin ve koenzim şekilleri.
Piridoksin koenzimleri çok çeşitli enzimatik reaksiyonlara katılırlar. Piridoksal
fosfatın (PLP) zorunlu koenzim olarak katıldığı genel bir enzimatik reaksiyon tipi
transaminasyondur. Transaminasyon reaksiyonunda bir aminoasidin α–amino grubu, bir keto
asidin α–karbon atomuna taşınır. Bu tip reaksiyonları katalizleyen enzimler transaminazlar
olarak adlandırılır.
CH
R1
COO
NH3
C
R2
COO
O
C
R1
COO
O
CH
R2
COO
NH3
+Transaminaz
+PLP
Transaminasyon reaksiyonlarında, bir aminoasidin α–amino grubuyla enzime bağlı
piridoksal fosfat arasında bir Schiff bazı oluşur. Daha sonra bu amino grubu aminoasitten
ayrılır ve bir keto asit oluşur.
12
CH2N
R1
COOH
H
CO+
+
H
E-H2O
CR1
COOH
N
H
CH E CR1
COOH
N ECH2
Ara ürün (Schiff BazI)
H2N CH2 R C COOH
O
E
Piridoksamin fosfat - enzim -Keto asit
-Amino asit Piridoksal fosfat - enzim
+H2O
+H2O
Meydana gelen enzime bağlı pridoksamin fosfat, bu reaksiyon dönüşümüyle bir başka
α–keto asitle reaksiyona girer. Sonuçta yeni bir aminoasit ve piridoksal fosfat–enzim
kompleksi oluşur.
+H2N CH2 R C COOH
O
E
Piridoksamin fosfat - enzim -Keto asit
CO
H
E
Piridoksal fosfat - enzim
CH2N
R
COOH
H
+
-Amino asit Piridoksal fosfat; transaminasyon reaksiyonları dışında aminoasitlerin ara
metabolizmasının; α–amino asitlerin dekarboksilasyonu, molekülden H2O ve H2S’in
uzaklaştırılması ve rasemizasyon reaksiyonlarında da koenzim rolü oynar.
B6 vitamini en çok bira mayasında, tahıl ve özellikle pirinç kabukları, yumurta sarısı
ve sebzelerde; daha az miktarda karaciğer, böbrek, balık ve sütte bulunur.
B6 vitamini; karbohidrat, yağ, protein ve hemoglobin sentezi için gereklidir.
Eksikliğinde merkezi sinir sistemi arızaları nedeni ile havale, anemi ve deride yaralar
meydana gelir.
13
8.1.6. Biyotin
Biyotin birbiriyle kondanse olmuş bir imidazol halkası ile tiyofen halkası ve tiyofen
halkasına bağlı bir valerik asitten ibarettir (Şekil 8.9).
CHN C
Enzimin lizin kalIntIsI
H
O
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
CHHC
CH
CH2
S
HN
NH
C O
Biyotin
C
COO
CH2
H3N H
CH2
CH2
CH2
NH
CH2
CH2
CH2
CH2
C
CHHC
CH
CH2
S
HN
NC O
N-Karboksi biyotinillisin
O
COO-
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
CH2
CH2
CH2
CH2
C
CHHC
CH
CH2
S
HN
NC O
O
COO-
Biyotin
Karboksibiyotinillizin-enzim Şekil 8.9. Biyotin ve bir enzim-lizin kalıntısının biyotinil türevinin karboksillenmiş şekli.
Biyotin CO2’ nin enzimatik taşınmasında rol alır. Mesela biyotin, propiyonil CoA
karboksilaz enziminin yapısındaki spesifik bir lizinin yan zincirindeki ε-amino grubuna amid
bağıyla bağlanır. Bu bileşik biyotin lizin veya biyositin olarak adlandırılır. Propiyonil CoA
karboksilaz, pirüvat karboksilaz ve asetil CoA karboksilaz gibi belirli karboksilleyici
enzimlerde biyotin, karboksi biyotinil lizin halinde CO2’ nin taşıyıcısı rolünü oynar (Şekil
8.10). Karboksilaz enzimlerinin substratı HCO3- anyonudur.
Böyle bir karboksilasyon reaksiyonu aşağıdaki reaksiyonların toplamı olan eşitliğe
göre gerçekleşir.
ATP + HCO3- + Biyotin - enzim ADP + Pi + Karboksibiyotin-enzim
Karboksibiyotin-enzim + Substrat Biyotin-enzim + Karboksillenmis substrat.
14
Memeli karaciğer ve böbreğindeki en önemli telafi edici reaksiyon, pirüvat
karboksilazla katalizlenen ve pirüvatın CO2 ile tersinir karboksillenmesi sonucu okzalasetattın
oluşumudur.
Pirüvat + HCO3- + ATP Okzalasetat + ADP + Pi
Pirüvat karboksilaz
Pirüvat karboksilazın reaksiyonu için, enzimin prostetik grubu (koenzimi) olan biyotin
gerekir (Şekil 8.10).
Şekil 8.10. Biyotinin pirüvat
karboksilaz reaksiyonundaki
rolü. Biyotin, biyotinil-enzim
kompleksini oluşturmak için,
Lys kalıntısının ε-amino grubuna
bağlı amid üzerinden enzime
katılır. Enzim iki basamaklı
süreci katalizler. Basamak 1’ de
biyotinin azot atomu, bikarbonat
iyonuna nükleofilik olarak
katılarak karboksibiyotinil–
enzim oluşur. Basamak 2’ de
enolat formundaki pirüvat, aktif
CO2 üzerine nükleofilik olarak
saldırır ve okzalasetatı oluşturur.
Benzer mekanizmalar,
propiyonil CoA karboksilaz ve
asetil CoA karboksilaz gibi diğer
biyotin bağımlı karboksillenme
reaksiyonlarında da görülür.
AdeninRibozP OO P O P O
O O O
O O O
ATP
COOH
O
Bikarbonat
NHHN
O
S
(CH2)4 C
O
NH
EBiyotinil-enzim
..
ADP + Pi1
NHN
O
S
(CH2)4 C
O
NH
EKarboksibiyotinil-enzim
C
O
O
C C CH2-
O
OO
C C CH2
O
OO
Pirüvat (enolat formu)2
C C CH2
O
OO
C
O
O
+
NHHN
O
S
(CH2)4 C
O
NH
EBiyotinil-enzim
..
Okzalasetat
Pirüvat
15
Biyotin en çok yumurta sarısında, karaciğerde, sütte, böbrekte ve mayada bulunur.
Yiyeceklerde yeteri kadar bulunur. Çiğ yumurta yendiği zaman yumurta beyazında bulunan
avidin adı verilen glikoprotein, biyotinle birleşerek sindirilemeyen bir kompleks meydana
getirir ve dışkı ile atılır. Pişmiş yumurtada avidin denatüre olur ve biyotini bağlayamaz.
Biyotin üre sentezi, yağ asitleri ve aminoasitlerin metabolizması için gereklidir.
8.1.7. Folik asit
İlk olarak ıspanakta bulunmuş olup, folik asit bitkilerde oldukça yaygındır. Folik asit
bağırsaklardaki mikroorganizmalar tarafından da sentezlenir ve memelilerce sentezlenemez.
Folik asit üç çeşit yapı taşından oluşur: Substitüe bir pteridin, p–amino benzoik asit ve
glutamik asit.Folik asidin türevi olan tetrahidrofolik asit (FH4 veya THF), folik asidin 5,6,7
ve 8 nolu atomlarının hidrojenasyonuyla meydana gelir (Şekil 8.11).
CN
CN N
CH
CN
OH
H2N
CH2 NH C NHHC
COOH
CH2 CH2 COOH
O
2-Amino- 4-hidroksi-6-metil pteridin p-Amino benzoik asit Glutamik asit
CN
CN N
C
CN
OH
H2N
CH2 NH C NHHC
COOH
CH2 CH2 COOH
O
Tetrahidrofolik asit (THF)
Folik asit
H
H1
2
34 5 6
78
9 10
H
H
H
Şekil 8.11. Folik asit ve tetrahidrofolik asidin yapısı. N5– ve N10 azot atomları C1– grubunun
taşınmasında görev alır.
Tetrahidrofolat tarafından taşınan bir karbonlu birimler, 5 veya 10 nolu azot atomu
veya her ikisine birden bağlanırlar. Bu bir karbonlu birimler üç yükseltgenme basamağında
olabilirler (Tablo 8.2). En çok yükseltgenmiş bir karbon birimi olan CO2’ in ise biyotin
tarafından taşındığı daha önce anlatılmıştı.
16
Tablo 8.2. THF tarafından taşınan bir karbonlu birimler.
Oksidasyon Derecesi Grup
En çok indirgenmiş –CH3, metil Az indirgenmiş –CH2–, metilen En çok yükseltgenmiş –CHO, formil
–CH=NH, formimino –CH=, metenil
Metabolizma olaylarında en önde gelen bir karbonlu birim kaynağı serin olup, bu
birimi glisine dönüşürken verir. Tetrahidrofolatın çoğu formları birbirine dönüşebilir,
metabolik reaksiyonların bir kısmında tetrahidrofolat tek karbon vericisidir. Tetrahidrofolat
için tek karbon biriminin ana kaynağı, serin-glisin dönüşümünden alınan karbondur ve
N5,N10–metilen THF oluşur ve bu da N5–metil tetrahidrofolata indirgenebilir. Tetrahidrofolat
türevlerinin katıldığı reaksiyonlara örnek olarak homosisteinden metiyonin oluşum
reaksiyonunu verebiliriz. Serinin hidroksimetil grubu N5–metil türevine dönüşür ve metil
grubu homosisteine aktarılarak metiyonin oluşur (Şekil 8.12). N5–metil tetrahidrofolat
karaciğerde metiyonin sentezinde rol alır. Metiyonin bir esansiyel aminoasit olmasına karşın
insanlarca sadece homosistein kısmı sentezlenemez.
17
N
CH2
HN
H
H
CH2
HN
5
10Tetrahidrofolat
(aktif kIsIm)
Transferaz
CH3N COO
H
CH2OHSerin
PLP
CH3N COO
H
HGlisin
H2ON
CH2
HN
H2C
H
CH2
N
5
10
N5,N10-metilentetrahidrofolat
NADH + H+
NAD+
Redüktaz
N
CH2
HN
CH3
H
CH2
HN
5
10
N5-metiltetrahidrofolat
Metiyonin sentaz
C
COO-
CH2
HH3N
CH2
SHHomosistein
C
COO-
CH2
HH3N
CH2
SMetiyonin
+ N
CH2
HN
H
CH2
HN
5
10Tetrahidrofolat
(aktif kIsIm)
H
H3C
Şekil 8.12. Tetrahidrofolat üzerindeki tek karbonlu birimlerin dönüşümü ve metiyonin sentezi.
N5,N10–metilen tetrahidrofolatın N5–metil tetrahidrofolata dönüşümü etkin olarak
dönüşümsüzdür. Bazı organizmalarda metiyonin sentezinde metil grubu vericisi metil
kobalamindir.
Folik asit; en çok yeşil yapraklarda, karaciğer, et, yumurta ve sütte bulunur. Folik asit,
aminoasit metabolizması ve kan hücrelerinin yapımı ve olgunlaşması için gereklidir.
Eksikliğinde üreme zayıflığı, anemi ve deride yaralar görülür. Günde 400–800 mg folik asit
almak belleği koruma bakımından önemli bir yarar sağlayabilir.
8.1.8. Lipoik Asit
Lipoik asit bitkilerin çoğunda ve tiroid bezi hariç bütün hayvansal dokularda bulunur.
Siklik bir disülfid yapıda olan lipoik asit ve 6 ile 8 pozisyonunda birer sülfidril grubu taşıyan
indirgenmiş açık zincirli dihidrolipoik asit olmak üzere iki şekilde bulunur (Şekil 8.13).
Redoks reaksiyonlarıyla bu iki şekil birbirine dönüşebilir.
18
S
S
H2C
H2C
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
Lipoik asit
SH
SHH2C
H2C
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
Dihidrolipoik asit(indirgenmis)
S
S
H2C
H2C
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
C
N-Lipoillisin(Lipoamid)
O
NH
CH2
CH2
CH2
CH2
CHNH2
COOH
S
S
H2C
H2C
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
C O
NH
CH2
CH2
CH2
CH2
CHCN
HO
Lipoik asit
Enzimin lizin kalIntIsI
Enzimin polipeptid zinciri
SH
SHH2C
CH2
HC
CH2
Yükseltgenmis form indirgenmis form..
a b.
Şekil 8.13. a) Lipoik asit ve türevleri. b) Lipoik asitin lizin kalıntısının yan zinciriyle oluşturduğu
amid bağı. Lipoillizil (lipoamid) parçası, dihidrolipoil trans asetilazın prostetik grubudur.
Lipoil grubu oksitlenmiş (disülfid) ve redüklenmiş (ditiyol) formunda bulunur ve hidrojen
ve asetil (ya da açil) grubu taşıyıcısı olarak davranır.
Lipoik asit, pirüvat ve diğer α–keto asitlerinin oksidatif dekarboksilasyonunda
koenzimlerden biri olarak etki eder; bu kompleks reaksiyonlara birçok koenzim katılır.
Pirüvat, önce karboksil grubunu kaybeder ve enzime bağlı tiaminpirofosfatın hidroksietil
türevi oluşur. Son olarak dihidrolipoil trans asetilaz enzimine bağlı lipoik asitle reaksiyon
olur; bu sırada elektronlar ve açil grubu taşınarak 6–asetil dihidrolipoik asit oluşur (Şekil
8.14). Daha sonra lipoik asit rejenere olur, açil grubu koenzim A üzerine taşınır ve tiyol
grupları okside olarak siklik yapıda lipoik asit meydana gelir. Lipoik asit, dihidrolipoil trans
asetilazın spesifik bir lizinin ε-amino grubuna amid bağıyla bağlanır; bu lipoillizin (lipoamid)
olarak adlandırılır.
19
S
S
H2C
H2C
CH
S
C
C
C
N
CH3
HCH3C OH
+
S
C
HC
C
N
CH3
+
S
SHH2C
CH2
HC C CH3
O
TPP' in tiyazol halkasInIn hidroksietil türevi
Lipoik asidindisülfid halkasI
TPP' in serbest tiyazol halkasI
6-Asetil dihidrolipoik asit
Şekil 8.14. Tiaminpirofosfatın hidroksietil türevinden bir asetil grubunun ve hidrojen atomlarının
lipoik asit üzerine taşınması.
8.1.9. Kobalamin (B12 vitamini)
Normal koşullarda izole edildiğinde siyanokobalamin olarak adlandırılan B12 vitamini
iki kısımdan ibarettir. Bunlardan birisi hemoglobinin porfirin halka sistemine benzeyen
korrin halka sistemidir. Hem grubundan farklı olarak dört pirol halkasından ikisi birbirine
metenil köprüsü olmaksızın doğrudan bağlıdır. Halka sisteminin içinde merkezi pozisyonda
bulunan kobalt (Co+3), dört pirol halkasının azot atomlarından birindeki hidrojenin yerine
geçmiş ve diğer üç azot atomu ile koordine kovalent bağ meydana getirmiştir. B12 vitamininin
ikinci bileşeni; D–riboza, α–N–glikozid bağı ile bağlanmış 5,6–dimetilbenzimidazol bazıdır.
Ribonükleotid; diğer azot atomuyla kobalta (Co+3) bir koordinasyon bağı, 3'–fosfat grubu ile
de korrin halkasının yan zincirine bir ester bağı ile bağlanır. Kobaltın altıncı koordinasyon
yerinde bir siyanür anyonu bağlanmışsa, siyanokobalamin adını alır.
Koenzim B12 de siyanür ligandı yerine 5'–deoksiadenozil grubu geçmiştir. Bu bileşikte
5'-deoksiadenozil grubunun C–5 atomu merkezdeki kobalt atomuna kovalent bir bağla
bağlıdır (Şekil 8.15). B12 vitamini kobalt içeren ilk doğal üründür.
Hayvanlar ve bitkiler B12 vitamini sentezleyemez ancak belirli mikroorganizmalar
sentezleyebilir. Besinlerde bulunan B12 vitamini, mide öz suyunda bulunan intrinsik faktör
adı verilen bir glikoproteine bağlanarak ince bağırsaktan emilir ve daha sonra transkobalamin
proteinince bağlanarak dokulara taşınır.
Koenzim B12, değişik enzimlerin etkileri için gereklidir. Koenzim B12’ nin katıldığı
enzimatik reaksiyonlarda, substrat molekülünün bir karbon atomuna bağlı bir hidrojen
atomunun komşu karbona 1,2–kayması gözlenir. Aynı zamanda hidroksil, amino, alkil veya
karboksil gibi gruplar farklı olarak 2,1–kayması gösterir.
20
C
H
C
X
koenzim B121 2 C
X
C
H
1 2
Bu reaksiyon mekanizması henüz tam olarak aydınlatılamamıştır.
B12 vitamininin katıldığı ikinci bir sınıf enzimatik reaksiyonda koenzim B12 türevi olan
metilkobalamin, N5–metiltetrahidrofolat ile birlikte bir metil grubunun belirli akseptör
moleküllere taşınmasında taşıyıcı rolü oynar. Bu akseptör moleküllerin başında metiyonine
dönüşen homosistein gelir. Bakterilerde metiyonin sentazın bir şekli metil vericisi olarak N5–
metiltetrahidrofolat kullanır (Şekil 8.12). Bakteri ve memelilerde bulunan metiyonin sentazın
diğer şekli ya N5–metiltetrahidrofolatı ya da koenzim B12 türevi olan metilkobalamini
kullanır. Metilkobalaminin metil grubu N5–metiltetrahidrofolattan gelir.
B12 vitamini etkisini gösteren maddeler en çok karaciğer ve böbrekte olmak üzere et,
süt (yoğurt, peynir), yumurta ve balıkta bulunur. B12 vitamini eksikliğinde unutkanlık,
yorgunluk ve halsizlik gözlenir.
B12 vitamini, böbrek kanamaları ve karaciğer hastalıklarının önlenmesinde etkilidir.
B12 vitamini eksikliği, persiniyöz anemiye neden olur. Persiniyöz anemide diyetsel bir
eksiklik söz konusu değildir ve gastrointestinal kanaldan vitaminin emilim kusuru yüzünden
eksiklik vardır. Mide mukozasında normalde sentezlenen, bağırsaktan B12 vitamini emilimi
için gereken intrinsik faktör denilen glikoproteinin yokluğu bu duruma sebep olur. Bundan
dolayı persiniyöz anemi tedavisinde parenteral (sindirim kanalı dışında diğer bir yol) yoldan
B12 vitamini vermek gerekir.
21
H3C
H3CN
N
O H
O
H
OH
H CH2OH
H
P O
HC
CH2
NH
C
CH2
CH2
O
CH3
O
N
NN
N
H2C
H
H2C
C
H2N
O
H3C
H3C
H
CH2
H2C
C
H2N
O
CH3
H3C H
CH2C NH2
O
H
H3CCH3
CH2C NH2
O
HCH2
CH2
C
NH2
O
H3C
CH3
CH2CH2N
O
Co+3
R-CN
O
Amino izopropanol
Dimetilbenzimidazolribonükleotid
Korinhalka
sistemi
N
NN
N
O
H
OH
HH
H
CH2
5'-Deoksiadenozin
OH
NH2
Şekil 8.15. B12 vitamini ve türevleri. Siyanokobalaminde –R siyanürdür. Deoksiadenozilkobalaminde
(koenzim B12) R, bir 5'–deoksiadenozil grubudur. B12 vitamini Robert Woodward’ ın
başında bulunduğu araştırma grubu tarafından sentezlenmiştir. Bu başarısından dolayı
Woodward 1965 Kimya Nobel ödülünü almıştır.
22
8.1.10. C vitamini (Askorbik asit)
Yapı itibariyle en basit vitaminlerden biri olan C vitamini bir şeker asidinin
laktonudur. Birçok hayvansal organizma ve bitki askorbik asidi glukozdan ve diğer basit ön
basamaklardan sentezleyebilir. C vitamini insan dahil bazı omurgalılar için esansiyeldir. Bazı
hayvan türleri örneğin maymun, bazı kuşlar ve bazı balıklar glukonolakton oksidaz enzimine
sahip olmadıkları için askorbik asit sentezi yapamazlar ve diyetle almak zorundadırlar.
L–Askorbik asit, kolayca hidrojen atomu veren ve L–dehidroaskorbik aside dönüşen
kuvvetli bir indirgen yani antioksidanttır. L–Dehidroaskorbik asit de C vitamini etkisine
sahiptir. Bu aktivite dehidroaskorbik asidin lakton halkasının diketogulonik aside
hidroliziyle kaybolur (Şekil 8.16).
C
C
C
C
C
CH2OH
O
O
HO
HO
H
HHO
L-Askorbik asit
2H+ + 2e-C
C
C
C
C
CH2OH
O
O
O
O
H
HHO
L-Dehidroaskorbik asit
H2OCOOH
C
C
C
C
CH2OH
O
O
H
HHO
L-Diketogulonik asit
OH
Şekil 8.16. Askorbik asit ve türevleri.
Besinlerin ısıtılması sırasında askorbik asit C vitamini aktivitesini büyük ölçüde
kaybeder. Vitaminler içerisinde en kararsız olanı C vitaminidir ve gıdaların hazırlanması ve
depolanması sırasında da bozunur.
Diğer suda çözünen vitaminlerle karşılaştırıldığında, askorbik asit hayvansal ve
bitkisel dokularda oldukça yüksek konsantrasyonda mevcuttur. İnsan kan plazması 100 mL’
de 1 mg kadar askorbik asit içerir ve 0.4 mg’ a düşerse eksikliği söz konusudur. Günlük C
vitamini ihtiyacı 45–80 mg’ dır.
Narenciye ürünleri ve domates C vitamininin en zengin kaynaklarıdır. Kuşburnu,
çilek, yeşil sebzeler (ıspanak, maydanoz, biber, vb.) ve meyveler de askorbik asit bakımından
zengindir(Tablo 8.3).
23
Tablo 8.3. Bazı gıdaların C vitamini içeriği
Besin maddesi Askorbik asit (mg/100g) Kuşburnu 200 Portakal 50 Limon 50 Ispanak 60 Domates 24 Marul 15 Patates (çiğ) 30 Elma 20 Havuç 6 Süt 2.4
Dokularda askorbik asit konsantrasyonu nispeten fazla olmasına ve basit yapısına
rağmen, vitamin olarak esas önemi henüz bilinmemektedir. C vitamini kofaktör olarak
prolinin hidroksiproline enzimatik hidroksilasyonu gibi hidroksilasyon reaksiyonlarına ve
katekolamin vb. sentezine katılır ancak bu reaksiyonlar için hiçbir spesifitesi yoktur.
Askorbik Asidin Biyolojik Fonksiyonu
1. C vitamini kılcal damar duvarlarının geçirgenliğini azaltır. Yeterli C vitamini
alamayan insanlarda; vitamin eksikliğine bağlı olarak bağ dokuyu oluşturan kollagen
sentezlenemediğinden ciddi bir hastalık olan skorbüt gelişir. Şişmiş ve kanayan diş etleri,
sallanan dişler, eklem ağrıları, deri altı kılcal damarlarda çatlamalar ve yaraların yavaş
iyileşmesi bu hastalığın belirtilerindendir. 1932’ de bu hastalığı iyileştiren faktörün limon
suyunda bulunan C vitamini olduğu gösterilmiştir.
2. Bazı aminoasitlerin metabolizması ve folik asidin etkin duruma geçmesi için
gereklidir.
3. Kuvvetli indirgendir. Antioksidant aktivitesinden dolayı vücudu zehirlenme ve
enfeksiyonlara karşı korur.
4. Ca+2 ve Fe+2 iyonlarının emilimini kolaylaştırır.
24
8.2. YAĞDA ÇÖZÜNEN VİTAMİNLER Yağda çözünen A, D, E ve K vitaminlerinin hepsi de izopren birimlerinden meydana
gelmişlerdir. Yağda çözünen vitaminlerin spesifik biyolojik fonksiyonları hakkında suda
çözünen vitaminlere göre daha az şey bilinmektedir. Şimdiye kadar yağda çözünen
vitaminlerin hiçbirisi için spesifik bir koenzim fonksiyonu bulunamamıştır. Bu vitaminlerden
sadece A ve D vitaminleri etkisinin moleküler mekanizması tanımlanabilmiştir.
8.2.1. A vitamini
A vitamini doğada iki yaygın şekliyle mevcuttur. Memeli dokularında ve deniz suyu
balıklarında A1 vitamini(retinol); tatlı su balıklarında A2 vitamini(retinol2) şeklinde bulunur
(Şekil 8.17). Her iki A vitamini de, altı üyeli bir karbon halkası ve 11 karbonlu bir yan
zincirden oluşur.
H2C
CC
CH2
H2C
CH
CH
C
CH
CH
CH
C
CH3
H3C
H3C
CH3
CH
CH2OH
CH3
A1 vitamini
12
34
5
6
H2C
CC
CH
HC
CH
CH
C
CH
CH
CH
C
CH3
H3C
H3C
CH3
CH
CH2OH
CH3
A2 vitamini
12
34
5
6
Şekil 8.17. A1 vitamini (retinol), A2 vitamini (retinol2). A2 vitamini 3'– ve 4'– nolu karbonlar arasında
ek bir çift bağ içermektedir.
Havuç, patates ve diğer sebzelerin karakteristik rengini veren β–karoten adlı pigment,
omurgalılarda enzimatik olarak A vitaminine dönüşebilir. Simetrik bir yapıya sahip olan α-,
β–, ve γ-karotenler, bağırsak zarında ve karaciğerdeki enzimatik reaksiyonlarla ortadan ikiye
bölünür ve iki molekül A1 vitamini (retinol) meydana gelir (Şekil 8.18).
25
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
H3C
H3C
CH3
CH3
H3C
KIrIlma NoktasI
A1 vitamini (Retinol)
CH3
CH2OH
CH3
H3C
CH3
CH3
Alkolün aldehide oksidasyonu
11-cis-Retinal(görme pigmenti)
CH3
C
H3C
CH3
CH3
OH
Görünür IsIk.
tüm-trans-Retinal
CH3
C
CH3
H3C
CH3
CH3
OH
H3C
26
7
11
15
11
12
11
12
Beyine nöronal sinyal
Retinoik asitAldehidin
aside oksidasyonu
Epitel hücrelere hormonal sinyal
(b)
(c)
(d)
(e)
(a)-karoten
Şekil 8.18. (a) β–karoten, A vitamininin öncülüdür. (b) β-karotenin parçalanması iki molekül A1
(retinol) ortaya çıkarır. (c) C–15’ deki oksidasyon retinolü, retinale dönüştürür. (d) Daha
ileri oksidasyon sonucunda, derideki gen ifadelenmesini düzenleyen bir hormon olan
retinoik asit üretilir. Retinal, opsin proteini ile birleşerek, doğada birçok canlı tarafından
görme pigmenti olarak kullanılan rodopsini oluşturur. Karanlıkta, rodopsinin retinali 11–
cis–retinal(c) şeklindedir. Rodopsin molekülü, görünür ışık tarafından uyarıldığında, 11–
cis–retinal bir seri fotokimyasal reaksiyonla tüm trans-retinale (e) çevrilerek, bütün
rodopsin molekülünün şeklinde bir değişikliğin oluşmasına sebep olur. Omurgalı
retinasının rod (çubuk) hücresindeki bu değişim, beyine görsel iletimin temeli olan bir
elektriksel sinyal gönderir.
Retinol, memeli hayvan dokularında bulunur ve kanda uzun zincirli yağ asidiyle ester
oluşturarak taşınır. A vitamini (retinol)’ nin çeşitli şekilleri, hormon olarak ve omurgalıların
görme pigmentleri (Şekil 8.18) olarak görev yapar. Hücre çekirdeğindeki reseptör proteinler
aracılığıyla etki eden A vitamini türevi retinoik asit, deriyi de içeren epitelyum dokuların
gelişmesindeki gen ifadelenmesini düzenler. Retinoik asit, şiddetli akne ve buruşuk cilt
26
tedavisinde kullanılan ilacın (Retin–A) aktif maddesidir. A vitamini türevi olan retinal,
retinadaki çubuk (rod) ve tıpa (kon) hücrelerinin ışığa tepkilerini başlatan ve beyine giden
sinir uyarısı oluşturan pigmenttir.
A vitamininin genel biyolojik fonksiyonunun belirlenmemesine karşılık, omurgalıların
görme olayındaki rolü hakkında sağlam bilgiler vardır. A vitamininin omurgalıların görme
olayındaki rolü şöyle açıklanabilir:
1. Retinada (Ağ tabaka) fotoreseptör hücrelerin bir pigmenti vasıtasıyla ışık enerjisi
absorplanır, bu sırada bir fotokimyasal ürün meydana gelir,
2. Bu fotokimyasal ürün vasıtasıyla bir sinir impulsu ortaya çıkar,
3. Görme renk maddesi ışığa hassas şekline tekrar döner (Şekil 8.19).
IsIk enerjisi.
11-cis-Retinal
Rodopsin(glikoprotein)
tüm-trans-Retinal
Retinol redüktaz
tüm-trans-RetinolRetinol izomeraz
11-cis-Retinol
Retinol redüktaz
NAD+
NADH+ H+
NAD+
NADH+ H+
Opsin(Protein)
Şekil 8.19. Çubuk hücrelerde görme siklüsü (çevrimi).
Diğer memeli hayvanlarda olduğu gibi insan gözü ağ tabakasında ışığa hassas iki
farklı fotoreseptör hücre bulunur. Çubuk(rod) lar zayıf ışık şiddetini algılayacak yapıda olup,
hiçbir rengi ayırt edemezler. Bu hücreler gece görmekten sorumludur ve A vitamini
eksikliğinden etkilenirler. Buna karşılık tıpa şeklinde olanlar (koniler) rengi algılarlar ve
kuvvetli ışığa uyum sağlarlar.
Ağ tabakanın çubuk hücreleri birbiri üzerine kümelenmiş membran vezikülleri
şeklinde, retinanın ışığa hassas yüzeyinde paralel sıralanmışlardır. Bu veziküllerin membran
proteinlerinin yaklaşık yarısı, ışık absorplayan rodopsin proteininden (M.A. 28000) ibarettir.
Çubuk hücrelerde en önemli ışık reseptörü olan rodopsin, opsin proteini ve ona çok sıkı bağlı
11–cis–retinalden meydana gelmiştir.
27
Rodopsinin opsin ve tüm–trans–retinalden rejenere edilmesi için, tüm–trans–retinol,
11–cis–retinal izomerine dönüştürülmelidir. Böylece oluşan 11–cis–retinal tekrar opsinle
birleşerek rodopsini meydana getirir.
Görme olayının son kısmında, ağ tabakada rodopsin molekülünün beyazlamasıyla sinir
impulsu oluşur ve bu da beyinde özel ışık olarak algılanır.
A vitamini eksikliğinde sadece retina değil memeli organizmanın bütün dokuları
etkilenir. A vitamininin Ca+2iyonlarının belirli membranlar arasından taşınmasında önemli rol
oynadığı düşünülmektedir. A vitamini eksikliği genç hayvanlarda; büyüme geriliğine, kemik
ve sinir sisteminin doğru gelişmemesine sebep olur. Deri kurur ve kalınlaşır, böbrekler ve
değişik bezler dejenerasyona uğrar ve kısırlık görülür. İnsanlarda, A vitamini eksikliğinin çok
çeşitli belirtileri vardır. Bunlar deride, gözlerde ve mukozada kuruluk, gelişme ve büyüme
geriliği ve genellikle A vitamini eksikliğinin tanısında kullanılan erken bir belirti olan gece
körlüğüdür. A vitamini eksikliğinden en fazla etkilenen gözlerdir. İnsanlar daha basit öncül
maddelerden retinal oluşturamazlar, bu nedenle retinali diyetle A vitamini şeklinde almaları
gerekir.
A vitamini, ilk kez balıkların karaciğer yağından izole edilmiştir. Karaciğer, yumurta,
süt ve tereyağı iyi birer A vitamini kaynağıdır. İnsanın günlük A vitamini ihtiyacı 1 mg’ ın
altındadır. Bu ihtiyaç büyük ölçüde salata, ıspanak, patates gibi karotence zengin yeşil ve sarı
bitkisel besinlerden karşılanır. A vitamininin fazla alınması toksiktir; karaciğerde depolanarak
hasara ve çocuklarda kolay kırılan kemiklere sebep olur.
8.2.2. D vitamini
D vitamini etkisi gösteren on kadar farklı bileşik bilinmektedir. D vitaminlerine
kalsiferoller de denir. En önemli olanları D2 vitamini (ergokalsiferol) ve D3 vitamini
(kolekalsiferol)’ dür. Bu bileşikler B–halkası açılmış steroidler olarak düşünülebilir. D2
vitamininin ön maddesi (provitamini) maya ve bitkilerde bulunan ergosterol ve D3
vitamininin provitamini ise kolesterol sentezi ara bileşiği olan 7–dehidrokolesteroldür. Bu
provitaminler UV ışınlarının etkisiyle B–halkasının açılması sonucu vitamin türevlerine
dönüşür (Şekil 8.20).
28
HO
CH3
CH3
CH
CH3
CH CH CH
CH
CH3
H3C
Ergosterol
UV
HO
CH2
CH3
CH
CH3
CH CH
CH
CH3
H3C
D2 vitamini(ergokalsiferol)
CH
CH3 CH3
(a)
(b)
HO
CH3
CH3
HC
CH3
CH2 CH2 CH2
CH
CH3
H3C
7-Dehidrokolesterol
UV
HO
CH2
CH3
CH
CH3
CH2 CH2 CH2
CH
CH3
H3C
D3 vitamini(Kolekalsiferol)
2 basamak deride
Karacigerde 1 basamak
Böbrekte 1 basamak
-
HO
CH2
CH3
CH
CH3
CH2 CH2 CH2
C
CH3
H3C
1,25-Dihidroksikolekalsiferol
OHOH
A B
C D
12
34
56
7
89
10
1112
13
14 15
1617
18
19
20
21
22 23 24
25
26
27
Şekil 8.20. (a) D2 vitamininin provitamininden oluşumu, (b) D3vitamininin provitamininden oluşumu
ve metabolizması. Kolekalsiferol (D3vitamini), deride 7–dehidrokalsiferolün UV ışınına
maruz kalmasıyla üretilir. Karaciğerde, C–25’ e bir hidroksil grubu eklenir. Böbrekte de
C–1’ deki ikinci bir hidroksillenme; aktif bir hormon olan 1,25–dihidrokolekalsiferolü
üretir. Bu hormon, böbreklerdeki, barsak ve kemiklerdeki kalsiyum metabolizmasını
düzenler.
29
Yetişkin bir insanın D vitamini ihtiyacı günlük 20 µg’ dır. D vitamini, karaciğerde
depolanır ve haftalarca kullanılabilir. D vitamini eksikliği hatalı kemik oluşumuna yol açar. A
vitaminin de olduğu gibi, D vitamininin aşırı alınması da kemik iskeletinin kırılabilirliğini
artırır. Bu gözlemler her iki vitaminin kalsiyumun biyolojik taşınması ve depolanmasında rol
oynadığını göstermektedir.
D vitaminleri, kalsiyum ve fosfat iyonlarının ince bağrsaktan emilmesini hızlandırırlar.
D3 vitamininin kendisi biyolojik olarak etkin değildir. Fakat karaciğerde ve böbreklerdeki
enzimler tarafından bağırsaktaki kalsiyum emilimini, kemikler ve böbreklerdeki kalsiyum
seviyelerini düzenleyen bir hormon olan 1,25–dihidrokolekalsiferole çevrilir (Şekil 8.20).
Daha sonra bu hormon kan yoluyla geldiği barsak mukozası hücrelerine etki ederek kalsiyum
iyonlarının emilmesini kolaylaştırır. Bu sırada fosfat iyonlarının emilmesi de
elektronötrallikten dolayı kendiliğinden artar.
D vitamini metabolizması ürünü olan 1,25–dihidrokolekalsiferol; steroid hormonları
gibi gen ifadelenmesini düzenler. Örneğin, Ca+2 bağlayan bir protein sentezini harekete
geçirir. Ca+2 iyonlarının emilmesi, bağırsak mukozasında sentezlenen taşıyıcı bir protein
tarafından kolaylaştırılır.
1,25–dihidrokolekalsiferolün rolü parathormon etkisiyle sınırlıdır. Ca+2konsantrasyonu
normalin altına düşerse; paratiroid bezinden parathormon salgılanır. Bu hormon böbreğe etki
ederek 1,25–dihidrokolekalsiferol oluşumunu uyarır. Organizmaya yeteri kadar kalsiyum
alınmazsa, 1,25–dihidrokolekalsiferolün kemiklerden kalsiyum ve fosfat iyonlarının
mobilizasyonunu hızlandırma etkisi de görülür.
Plazma kalsiyum düzeyi 9–10 mg/100mL arasında tutulmalıdır. Bu düzeyin altında
tüm kaslarda (solunum kasları da dahil) tetanik kasılmalar, kramplar görülür, ölüm oluşur.
Ca+2 iyonları, kalsiyum tuzları, 3Ca3(PO4)2.Ca(OH)2 şeklinde kemiklerde tespit edilir,
dolayısıyla büyümeyi yani iskelet sisteminin normal gelişmesini sağlar. Raşitizmde, bilhassa
uzayan kemikler de çarpıklıklar, normal gelişememe ve eklemlerde şişlikler görülür. Güneşle
temas edenlerde raşitizm daha az görülür.
D2 vitamini (ergokalsiferol), mayada bulunan ergosterolün UV ışığına maruz
tutulmasıyla oluşturulan ticari bir üründür. D2 vitamini D3 vitaminine benzer, sterol halkasına
bağlı zincirde ufak değişiklikler vardır. D2 vitamini genelde besinsel destekleyici olarak süte
ve tereyağına eklenir.
D vitaminleri en çok balıkların karaciğer yağlarında, bundan başka az miktarda
yumurta sarısı, süt ve tereyağında bulunur. D2 provitamini olan ergosterol mantar ve
mayalarda, D3 provitamini olan 7–dehidrokolesterol ise deri altındaki yağda bulunmaktadır.
30
8.2.3. E vitamini
E vitamini etkisi gösteren α–, β–, γ–, δ– vb. tokoferoller olarak adlandırılan sekiz
bileşik bilinmektedir. Bütün tokoferoller tokol türevleridir. Tokoferoller bir kroman halka
sistemi ve izoprenoid bir yan zincir içerir. Kroman halka sistemi, bir benzen halkası ile bir
piran halkasının kondenzasyonundan meydana gelir. Tokoferoller içinde en bol bulunan ve en
aktif olan α–tokoferoldür (Şekil 8.21).
O
HO
CH3
CH2
Tokol
O
HO
CH3
-Tokoferol(5,7,8-trimetiltokol)
CH3
H3C
CH3
O
HO
CH3
-Tokoferol(5,8-dimetiltokol)
CH3
CH3
O
HO
CH3
-Tokoferol(7,8-dimetiltokol)
CH3
H3C
123
4567
8
Kroman halka sistemi izoprenoid
CH2 CH CH2 HCH2
3
H3C
CH2 CH2 CH CH2 HCH2
3
H3C
CH2 CH2 CH CH2 HCH2
3
H3C
CH2 CH2 CH CH2 HCH2
3
H3C
Şekil 8.21. Tokol ve bazı türevleri.
Tokoferoller hidrofobik oldukları için, hücre zarlarıyla, lipid depolarıyla ve kandaki
lipoproteinlerle yakından ilişkilidir. E vitamini (tokoferoller) biyolojik antioksidantlardır,
lipoproteinlerdeki lipid oksidasyonunu önlemede belirleyici rol oynar. α-tokoferol bu etkiden
sorumlu esas E vitaminidir. Çünkü peroksi radikallerinin en yaygın ve en iyi temizleyicisidir.
Aromatik halka, oksijen radikalleri ve diğer serbest radikallerle reaksiyona girip onları yok
ederek; doymamış yağ asitlerini oksidasyondan korur ve hücre parçalanmasına neden
olabilecek membran lipidlerinin oksidatif hasarını engeller. Tokoferollerin, doymamış yağ
asitlerinin oksidasyonunu azalttığı belirlenmiştir. Bu gibi oksidasyonlar doymamış yağ
asitlerinin polimerleşmesine sebep olur. Gerçekten, hayvanlarda tokoferol eksikliğinin bazı
belirtileri, antioksidant özellikli bileşiklerle de giderilebilir. Normal olarak dokularda
31
doymamış yağların hiçbir oksidasyon ürünü görülmez. Ancak E vitamini eksikliğinde bu
durum yağ depo yerlerinde görülebilir.
Tokoferollerin biyolojik fonksiyonları henüz tam olarak aydınlatılamamıştır.
Diyetlerinde, az miktarda E vitamini verilen laboratuvar hayvanlarında; deride pul pul
dökülme, kaslarda güçsüzlük ve yıkım ve kısırlık görülür. E vitamini eksikliğinin insanda
kısırlığa sebep olup olmadığı bilinmemektedir. E vitamini eksikliği insanlarda oldukça
nadirdir. Başlıca belirtisi, eritrositlerin parçalanmaya yatkın olmasıdır.
Tokoferoller en çok yumurta ve bitkisel sıvı yağlarda (mısır özü, soya yağı) özellikle
buğday tohumunda, cevizde boldur. Süt ve süt ürünlerinde, yeşil yapraklı bitkilerde bulunur.
Et ve meyvede çok az vardır.
8.2.4. K vitamini
Naftokinon halkası ihtiva eden K vitamininin etkisini gösteren doğal ve sentetik birçok
bileşik vardır. K1 ve K2 vitamini şeklinde gösterilen iki doğal K vitamini bilinmektedir. K2
vitamini aktif şekil olarak görünmektedir. Sentetik K vitamini olan K3 vitamini (diğer adıyla
menadion) uzun yan zincire sahip değildir (Şekil 8.22). O
O
CH3
CH2 CH C
CH3
CH2 [CH2 CH2 CH
CH3
CH2]2 CH2 CH2 CH
CH3
CH3
K1 vitamini
O
O
CH3
(CH2 CH C
CH3
CH2)nH
K2 vitamini (n=6,7,8,9 veya 10)
O
O
CH3
K3 vitamini Şekil 8.22. K vitaminleri.
Laboratuvar hayvanlarında ve diğer memelilerde K vitamini eksikliğinin belirlenmesi
çok zordur. Çünkü bu vitamin söz konusu canlıların bağırsak bakterilerince sentezlenebilir. K
vitamini eksikliğinin bilinen tek sonucu, karaciğerde prokonvertin enziminin biyosentezinin
meydana gelmemesidir. Bu enzim protrombin oluşumu reaksiyon serisinde bir basamağı
katalizler. Protrombin, trombinin ön maddesidir. Trombin, bir kan plazma proteini olan
fibrinojendeki bazı peptid bağlarını kırarak; kan pıhtılarını bir arada tutan ve suda
32
çözünmeyen bir fibröz protein olan fibrine dönüşmesini sağlayan bir proteolitik enzimdir. K
vitamini eksikliğinin kanın pıhtılaşmasını yavaşlattığı keşfedilmiştir; bu durum ölümcül
olabilir. K vitamini eksikliği, insanlarda az rastlanan bir durumdur. Bu yüzden K vitaminine
bir pıhtılaşma faktörü olarak da bakılmaktadır. K vitaminine benzer bir bileşik olan dikumarol
(Şekil 8.23.a) hayvanlarda K vitamini etkinliği bloke ettiğinden, klinikte pıhtılaşmanın
azaltılması için kullanılmaktadır. Warfarin (Şekil 8.23.b) karaciğerde aktif protrombin
oluşmasını inhibe eden bir bileşiktir. Özellikle farelere karşı zehirlidir, iç kanama sonucu
ölüme sebep olur. Bu güçlü rodentisit, aynı zamanda cerrahi hastalar ve kroner trombozlu
kişiler gibi kan pıhtılaşması riski yüksek olan insanların tedavisinde kullanılan antikoagulant
bir ilaçtır.
O
OH
O
CH2
O
OH
O
(a)
O
OH
O
(b)
HC
H2C C CH3
O
Şekil 8.23. (a) K vitamininin antagonisti olan dikumarol (K vitamininin tersi etkiye sahip), (b) Bir kan
antikoagulanı olan Warfarin.
K vitamini birçok mikroorganizmalar ve çoğu bitkiler tarafından sentezlenebildiği ve
bütün organizmaların dokularında bulunduğu için, kan pıhtılaşmasının yanında başka genel
bir görevi olup olmadığı sorusu ortaya çıkmaktadır. Bazı araştırmalar K vitamininin
hayvansal dokularda bazı spesifik elektron transport yollarında koenzim fonksiyonu yaptığını
göstermektedir. K vitamini hidrokinona dönüşümlü indirgenebilen bir kinon olduğu için,
elektron taşıyıcısı görevini üstlenmesi mümkün gözükmektedir.
K1 ve K2 vitaminleri birlikte bulunur. K1 vitamini, yeşil bitki yapraklarında özellikle
ıspanak ve maydanozda bulunur. Ayrıca lahana, karnabahar, domates, soya fasulyesi, pirinç
kepeği ve yulaf filizlerinde de bulunur. K2 vitamini, omurgalıların bağırsaklarında yaşayan
bakteriler tarafından üretilir.
33
9. BÖLÜM: METABOLİZMA VE BİYOENERJETİK
Geçen bölümlerde, canlı organizmalarda bulunan biyomoleküllerin yapı, çeşit ve
özellikleri anlatılmıştı. Şimdi sıra biyokimyanın en önemli iki sorusunun cevaplandırılmasına
gelmiştir.
1. Hücreler çevrelerinden enerji ve indirgeyici gücü nasıl elde ederler?
2. Hücreler kendi makromoleküllerinin yapı taşlarını nasıl sentezlerler?
İşte bu iki sorunun cevabını teşkil eden son derece karmaşık kimyasal reaksiyonların
tümüne birden metabolizma adı verilir. Metabolizma, çoklu enzim sistemlerinin (metabolik
yollar) görev yaptığı çok düzenli hücresel bir aktivite olup; şu dört işlevi yerine getirmektedir:
1. Güneş enerjisinden veya çevredeki yüksek enerjili besinleri parçalayarak kimyasal
enerji elde etmek,
2. Besin moleküllerini, makromoleküllerin öncül bileşikleri de dahil olmak üzere
hücrenin kendi karakteristik moleküllerine dönüştürmek,
3. Monomerik öncül bileşiklerin makromoleküllere polimerizasyonu sonucunda
proteinler, nükleik asitler ve polisakkaritleri oluşturmak,
4. Özel hücresel işlevler için membran lipidleri, hücre içi haberciler, pigmentler gibi
biyomoleküllerin sentezi ve yıkımını sağlamak.
Canlı organizmada meydana gelen kimyasal olayların tümü metabolizmayı oluşturur.
Metabolizmada değişik enzimlerle katalizlenen yüzlerde reaksiyon bulunmakla birlikte, bizim
ilgi odağımız canlının tüm formlarında önemli ölçüde benzerlik gösteren ve az sayıda olan
merkezi metabolik yollar olacaktır.
E. coli gibi basit bir organizmada bile bin kadar kimyasal reaksiyon olmaktadır.
Yüksek canlı yapılarını göz önüne aldığımızda biyokimyasal reaksiyonların sayısı büyük
rakamlara ulaşır. Bununla birlikte, bu reaksiyon çokluğunun yanı sıra reaksiyon çeşitlerinin o
kadar çok olmadığı görülür. Bu reaksiyonların mekanizmaları da oldukça basittir. Örneğin bir
çift bağ genellikle dehidratasyon yoluyla oluşur. Bütün canlı çeşitlerinde yalnız 100 kadar
molekül anahtar rol oynar. Metabolik yollar ortak tarzda düzenlenirler.
Bu bölümde, metabolizmanın genel prensipleri ve motifleri biyoenerjetik adı verilen
ve canlı organizmadaki enerji dönüşümlerini kapsayan temel ilkelerle beraber ele alınacaktır.
Önce hücre hayatı için gerekli olan karbon ve enerji kaynakları ile ilgili bir sınıflandırma
yapılıp; daha sonra karbon ve azot devirleri (çevrimleri) açıklanacaktır.
34
9.1. HÜCRELERİN KARBON VE ENERJİ KAYNAKLARI Canlı organizmalar çevreden aldıkları karbon atomunun kimyasal şekline bağlı olarak
iki büyük gruba ayrılırlar: Ototroflar ve heterotroflar. Ototroflar (fotosentetik bakteri ve
yüksek bitkiler gibi) karbon kaynağı olarak yalnız atmosferdeki karbondioksiti kullanarak
karbon içeren biyomolekülleri oluştururlar (Şekil 9.1.). Siyanobakteriler (mavi–yeşil algler)
gibi bazı ototrof organizmalar, atmosferik azotu da kullanarak tüm azotlu bileşikleri
sentezlerler (Şekil 9.3). Heterotroflar, atmosferik karbondioksiti kullanamadıkları için
karbonu, çevrelerinden glukoz gibi daha kompleks organik moleküllerden sağlarlar. Yüksek
hayvan hücreleri ve mikroorganizmaların çoğu heterotroftur. Ototrof hücreler ve
organizmalar, kendi kendilerine yeterken; heterotrof hücreler ve organizmalar karbonu daha
karmaşık yapılardan alabildikleri için diğer hücrelerin ürünleriyle beslenmek zorundadırlar.
Hücreler enerji kaynaklarına göre de sınıflandırılabilir. Enerji kaynağı olarak ışığı
kullanan hücrelere fototrof, indirgenme-yükseltgenme reaksiyonunu kullananlara da
kemotrof hücreler adı verilir. Kemotroflar, enerji elde etmek için yükseltgedikleri elektron
vericilerinin doğasına göre de ikiye ayrılırlar: Elektron vericisi olarak glukoz gibi kompleks
organik bileşiklere ihtiyaç duyan kemotroflara kemoorganotroflar; H2O, H2S, NH3 ve S gibi
basit inorganik elektron vericileri kullananlara da kemolitotroflar denilir. Benzer sınıflama
fototrof hücreler için de söz konusudur. Tablo 9.1’ de bütün hücrelerin enerji ve karbon
kaynaklarına göre; fotolitotrof, fotoorganotrof, kemolitotrof ve kemoorganotrof grupları
altında sınıflandırılması yapılmıştır.
Organizmaların büyük çoğunluğu fotolitotrof veya kemoorganotroftur; diğer iki grupta
nispeten çok az sayıda tür vardır. Fakat kemolitotrof grubundaki organizmalardan moleküler
azotun fiksasyonunu ve amonyağın nitratlara oksitlenmesini sağlayan toprak
mikroorganizmalarının canlı kürede çok önemli rolleri vardır. Bu arada yeryüzündeki
canlıların hemen hemen yarısının mikroorganizmalardan ibaret olduğunu ve bunların büyük
bir çoğunluğunun toprak ve denizlerde yaşadığını hatırlatmakta fayda vardır.
35
Tablo 9.1. Organizmaların karbon ve enerji kaynaklarına göre sınıflandırılması.
Organizma Tipi Karbon Kaynağı
Enerji Kaynağı
Elektron Vericisi
Örnek Fo
totr
ofla
r Fotolitotroflar CO2 Işık İnorganik bileşikler (H2O, H2S, S)
Yüksek bitkilerin hücreleri, mavi-yeşil algler, fotosentetik bakteriler
Fotoorganotroflar Organik bileşikler
Işık Organik bileşikler
Nonsülfür mor bakteriler
Kem
otro
flar
Kemolitotroflar CO2 İndirgenme-yükseltgenme reaksiyonları
İnorganik bileşikler (H2O, H2S, S, Fe+2, NH3)
Hidrojen, kükürt, demir ve denitrifiye bakteriler.
Kemoorganotroflar Organik bileşikler
İndirgenme-yükseltgenme reaksiyonları
Organik bileşikler (glukoz vb.)
Bütün yüksek hayvanlarla, mikroorganizmaların çoğu ve fotosentetik olmayan bitki hücreleri
Heterotroflar, aynı zamanda aerobik ve anaerobik hücreler şeklinde de
sınıflandırılabilir. Aerobik hücreler organik bileşikler tarafından verilen elektronların son
alıcısı olarak oksijen kullanan, anaerobik hücreler ise elektron alıcısı olarak oksijen dışında
bir bileşik kullanan organizmalardır. Birçok hücre hem aerobik hem de anaerobik halde
yaşayabilir. Bunlara fakültatif organizmalar adı verilir. Heterotrofik hücrelerden çoğu,
bilhassa yüksek organizmaların hücreleri fakültatiftir.
Herhangi bir canlı organizmanın bütün hücreleri aynı sınıftan olmayabilir. Mesela
yüksek bitkilerin klorofil ihtiva eden yaprakları fotosentetik ototrof iken, kök hücreleri
heterotroftur. Aynı zamanda yeşil yaprak hücrelerinin çoğu gün ışığında ototrof olarak
davranırken, karanlıkta heterotroftur.
9.2. KARBON VE AZOT DEVRİ Tabiattaki canlı organizmalar beslenme yönünden birbirlerine bağımlıdır. Eğer canlı
küreyi geniş anlamda ele alırsak, fotosentetik ve heterotrof hücrelerin birbirlerini besledikleri
gözlenir. Biyosferde ototrof ve heterotroflar birlikte yaşarlar. Ototrof organizmaların çoğu
fotosentetik olup enerjilerini güneş ışığından, heterotroflar ise ototrofların ürettikleri organik
ürünleri parçalayarak elde ederler. Fotosentetik hücreler atmosferdeki CO2’ den glukoz gibi
organik bileşikler sentezlerken, dışarıya O2 verir. Heterotrof hücreler ise, bu glukoz ve O2’ yi
kullanarak atmosfere CO2 bırakır (Şekil 9.1). Biyosferdeki karbon devri, bir enerji akımıyla
beraberce seyreder. Fotosentezde, güneş enerjisi, glukoz ve diğer indirgenmiş ürünlerdeki
kimyasal enerjiye dönüştürülür. Bu bileşikler de heterotroflar tarafından enerji isteyen
aktivitelerinde kullanılır (Şekil 9.2). Bu şekilde karbon, oksijen ve su; heterotrof ve ototrof
36
organizmalar arasında güneş enerjisinin de eşliğinde sabit devir oluştururlar. Böylece ister
ototrof isterse fototrof olsun, bütün organizmalar için nihai enerji kaynağı güneş enerjisidir.
Şekil 9.1. Biyosferdeki karbon ve oksijen devri.
Canlılarda enerji dönüşümlerinde iki yapı önem kazanır: Yeşil bitkilerde kloroplastlar,
hem bitki hem de hayvan hücrelerinde mitokondriler.
Canlı sistemlerde enerji dönüşümleri:
1. Güneş enerjisi, fotosentezle kimyasal enerjiye dönüşür,
2. Karbohidrat ve diğer moleküllerin kimyasal enerjisi, solunumla ATP’ de fosfat bağı
enerjisine dönüşür,
3. Fosfat bağı kimyasal enerjisi, canlıların kullandığı serbest enerjiye dönüşür.
Glukoz
O2
Güneş enerjisi
Heterotroflar Fotosentetik ototroflar
H2O
CO2
ENERJİ
Isı, entropi (kullanılmayan enerji)
37
Şekil 9.2. Biyosferdeki enerji akımı. Enerji, biyosferde bir devir oluşturmaz daha ziyade bir yöne
doğru akar.
Biyolojik enerji akımı büyük miktarlarda enerjiyi gerektirmektedir. Biyosferde yılda
yaklaşık 1022 kalorilik güneş enerjisi fotosentez hücreleri tarafından alınmakta ve bununla
yaklaşık 4 x 1011 ton karbon indirgenerek heterotroflara enerji ve biyomolekül yapı taşı
kaynağı temin edilmektedir.
Tüm canlı organizmalar; aminoasitler, nükleotidler ve diğer azotlu bileşiklerin sentezi
için gerekli bir azot kaynağına muhtaçtırlar. Bitkiler genel olarak amonyak veya çözünür
nitratları tek azot kaynağı olarak kullanırken, omurgalılar azotu aminoasit veya diğer azotlu
organik bileşikler şeklinde alırlar. Siyanobakteriler ve bazı bitki köklerinde simbiyotik olarak
yaşayan toprak bakterileri gibi az sayıda organizma atmosferik azotu (N2) bağlayarak bunu
amonyak şekline çevirir (azot fiksasyonu). Rhizibium bakterileri baklagillerin köklerini işgal
ederek nodüller oluşturur ve burada azot fiksasyonu (tespiti) gerçekleşir. Mikroorganizmalar
tarafından yılda yaklaşık 2x108 ton atmosferik azot (N2) tespit edildiği tahmin edilmektedir.
Diğer bakteriler (nitrifiye edici) amonyağı nitrat ve nitrite oksitlerken, bazıları da nitratı nitrite
dönüştürürler. Bu şekilde biyosferde karbon ve oksijen devrine ek olarak yüksek oranda
azotun çevrimi gerçekleşir (Şekil 9.3). Biyosferdeki karbon, oksijen ve azot devri; üreticilerin
(ototroflar) ve tüketicilerin (heterotroflar) aktivitelerindeki dengeye bağlı olarak tüm canlı
türlerinde gerçekleşir.
Güneş enerjisi
Mekanik hareket Taşıma Biyosentez
Kimyasal enerji (ATP, NADPH, glukoz)
Kullanılmayan enerji (Isı, entropi)
Fotosentez
38
Kendi kendine en yeterli hücreler azot fiksasyonu yapabilen ve toprak, temiz su veya
okyanusta bulunan siyanobakteriler (mavi–yeşil algler) dir. Bu organizmalar enerjilerini
güneşten, karbonlarını CO2’ den ve CO2’ nin indirgenmesi için elektronları da sudan alırlar.
İlk oksijen üreten fotosentetik organizmalar olan siyanobakteriler ortaya çıkıncaya kadar,
atmosferde oksijen çok azdı veya hiç yoktu. Denitrifikasyon bakterileri anaerobik şartlarda
(toprağın alt tabakalarında) yaşarlar ve nitratı (NO3-) , azot (N2) ve amonyağa dönüştürler.
Şekil 9.3. Biyosferdeki azot devri. Atmosferik azot (N2) dünya atmosferinin yaklaşık % 80’ nini
oluşturmaktadır.
9.3. BİYOENERJETİĞİN İLKELERİ Canlı hücrelerin ve organizmaların; yaşamak, büyümek ve üremek için bir iş
yapmaları gerekmektedir. Değişik kaynaklardan enerji elde etmek ve bu enerjiyi biyolojik işe
çevirmek canlı organizmaların başlıca özelliğidir. Gelişmiş organizmalar, enerjiyi bir formdan
başka bir forma dönüştürebilirler. Basit öncül moleküllerden kompleks ancak yüksek oranda
düzenliliğe sahip moleküllerin sentezinde, besinlerden elde ettikleri kimyasal enerjiyi
kullanırlar. Yakıtlardan elde ettikleri bu kimyasal enerjiyi derişim gradyanı ve elektriksel
gradyana, hareket ve ısıya ayrıca ateş böceklerinde olduğu gibi ışığa dönüştürürler. Fotosentez
yapan organizmalar ışık enerjisini tüm enerji formlarına çevirirler.
Atmosferik azot (N2)
Azot bağlayıcı bakteriler Denitrifikasyon bakterileri
Nitrifikasyon bakterileri
Amonyak
Hayvanlar
Aminoasitler
Bitkiler
Nitratlar, nitritler
39
Enerji çevriminin kimyasal mekanizmasının açıklanması asırlarca biyologların ilgi
odağı olmuştur. Biyolojik enerji çevrimleri, tüm doğal olayları idare eden bazı fizik yasalarına
göre gerçekleşir. Bir biyokimya öğrencisi için esas olan bu yasaları anlamak ve evrendeki
enerji akışına nasıl uygulandıklarını öğrenmektir. Bu bölümde ilk olarak termodinamiğin
yasalarıyla; serbest enerji, entalpi ve entropi arasındaki nicel ilişkiyi inceleyeceğiz. Daha
sonra biyolojik enerji değişimlerinde ATP’ nin özel rolünü tanımlayacağız. Son olarak, canlı
hücrelerde yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarının önemini, elektron transfer
reaksiyonlarının enerjetiklerini ve reaksiyonları katalizleyen enzimlerin kofaktörleri olan
elektron taşıyıcılarını inceleyeceğiz.
9.3.1. Biyoenerjetikler ve Termodinamik
Biyoenerjetikler, canlı hücrelerde, doğada ve enerji çevrimlerinin temelini oluşturan
kimyasal olaylar sırasında meydana gelen enerji dönüşümlerinin nicel ölçüsüdür.
Metabolizma olaylarındaki enerji dönüşümlerini daha iyi anlamak için, bazı termodinamik
prensipleri kısaca gözden geçirmek faydalı olacaktır. Biyolojik enerji değişimleri
termodinamiğin yasalarına uyar. Evrende hiçbir olay termodinamik yasalara zıt olarak
gerçekleşemez. Termodinamik enerji çeşitleri arasındaki dönüşümleri inceleyen bir bilim
dalıdır ve maddeyi moleküler seviyede değil de, bir yığın halinde ele alır. Termodinamiğin
incelediği madde topluluğuna sistem, sistemin dışındaki her şeye çevre adı verilir. Çevre ve
sistemin toplamı evreni (kainatı) oluşturur. Eğer bir sistem, çevresi ile madde ve enerji
alışverişi içindeyse açık sistem; madde alışverişi yapmayıp yanlıca enerji alışverişi içindeyse
kapalı sistem; her ikisine de kapalıysa yalıtılmış sistem adını alır. Canlı hücreler ve
organizmalar ise açık sistemler olup; çevreleriyle madde ve enerji alışverişinde bulunurlar.
Bir termodinamik büyüklükteki değişim miktarı, o değişimin gerçekleştiği yola yani
mekanizmaya bağlı değilse; ona hal fonksiyonu denir. Mesela ileride daha ayrıntılı
anlatılacak olan iç enerji (E), entalpi (H), entropi (S) ve serbest enerji (G) birer hal
fonksiyonudur.
Termodinamiğin birinci kanununa göre, bir sistem ve çevresinin toplam enerjileri
sabittir. Diğer bir deyimle enerji korunur. Birinci kanunun matematiksel ifadesi;
∆E = E2 – E1 = q – w
şeklindedir. Burada, E sistemin iç enerjisini yani sahip olduğu enerji çeşitlerinin (potansiyel,
kinetik, dönme, titreşim vb.) toplamını ifade eder. E1, sistemin başlangıçtaki; E2 ise değişme
sonundaki enerjisidir. q, sistem tarafından absorbe edilen ısı; w ise sistem tarafından yapılan
iştir.
40
Sistemlerdeki değişimin mesela, bir kimyasal reaksiyonun yönünü, iki eğilim belirler:
1) Enerjisini en aza indirme, 2) Maksimum düzensizliği kazanma. Termodinamiğin birinci
kanunu ile bir reaksiyonun kendiliğinden olup olmayacağı tahmin edilemez.
Entropi (S), olayın olma eğilimi bu işte faydalanılacak fonksiyonlardan birisidir ve bir
sistemin düzensizlik derecesinin bir ölçüsü olarak tanımlanır. Bir sistem daha düzensiz ve
dağınık bir hale geçtiğinde entropi artar ve ∆S pozitif (∆S > 0) olur. Termodinamiğin ikinci
kanununa göre bir olay, ancak ve ancak sistem ve çevre entropilerinin toplamı arttığı zaman,
kendiliğinden cereyan eder (Şekil 9.4). Kendiliğinden yürüyen (istemli) bir olay için daima
∆Ssis+∆Sçev.> 0, yani ∆Sevren > 0’ dır. Burada dikkat edilecek nokta, kendiliğinden yürüyen bir
olayda sistemin entropisi azalabilir fakat bu durumda çevrenin entropisi ∆Ssis+∆Sçev.>0 olacak
kadar artmalıdır. Canlı organizmalar kendilerini oluşturan çevredeki maddelerden çok daha
düzenli hale gelmiş molekülleri içerirler. Organizmalar bir düzenlilik oluşturur ve bunu
korurlar. Bu durum termodinamiğin ikinci yasasına uymuyor gibi görünmektedir. Son derece
teşkilatlı bir yapıya sahip bulunan canlılarda, atomların ve yapı taşı moleküllerin bir araya
gelmesiyle ortaya çıkan düzenli yapıdan dolayı sistemin entropisi azalmaktadır fakat
çevredeki entropi artışı bu azalmadan daha fazla olduğu için toplamları pozitif olmaktadır.
Organizmalar en düşük enerji düzeyine inme eğilimine karşı sürekli enerji harcamak
zorundadır.
(1) (2)
Şekil 9.4. Sistemin entropisinin artışıyla yürüyen olaylara iki örnek: 1) Isı difüzyonu, 2) Çözünen
difüzyonu.
Bir kimyasal olayın kendiliğinden olup olmayacağı termodinamiğin ikinci kanunu
kullanılarak belirlenemez. Çünkü burada sistemimiz olan kimyasal reaksiyonlar ve çevresinin
entropi değişmeleri kolayca ölçülemez. Bu zorluk serbest enerji fonksiyonunun ortaya
atılmasıyla aşılmıştır. G sembolüyle gösterilen serbest enerji, termodinamiğin birinci ve ikinci
kanunlarının birleştirilmesi ile elde edilmiştir. Bu fonksiyonun temel denklemi
∆G = ∆H – T∆S
60 oC 20 oC
40 oC 40 oC
1 M NaCl H2O
0.5 M NaCl 0.5 M NaCl
41
olup, burada ∆G, değişime maruz kalan sistemin sabit basınç (P) ve sıcaklıktaki (T) serbest
enerji değişimini, ∆S’ de sistemin entropisindeki değişimdir. Görüldüğü gibi bu denklemde
çevrenin özellikleri yer almamaktadır. Entalpi değişimi,
∆H = ∆E + P∆V
ile verilir. Entalpi bir hal fonksiyonu olup, sistemlerin ısı içeriğini yansıtır. ∆H, sabit basınçta
sistemin ısı alışverişine eşittir. Kimyasal reaksiyonlar ve canlılar sabit basınç altında açık
sistemler olduğundan ve özellikle, biyokimyasal reaksiyonların hepsinde hacim değişimi (∆V)
çok küçük olacağından, ∆H ≈ ∆E alınırsa; ∆H canlı sistemin toplam enerjisindeki değişimi
tam olarak yansıtmayabilir. Yani,
∆H = ∆E + P∆V ve canlılarda ∆V=0 olduğundan W= 0 olur ve ∆H ≈ ∆E’ dir.
∆G = ∆H – T∆S eşitliğinden ∆G = ∆E – T∆S olur.
yazılabilir. Sonuç olarak, bir reaksiyonun ∆G değeri sistemin iç enerjisi ve entropisindeki
değişime bağlıdır. Hücreler için ısı önemli bir enerji kaynağı değildir. Isı, hücre için sadece
optimum yaşama sıcaklığı sağlar. Hücreler tarafından kullanılan serbest enerji sabit sıcaklık
ve basınçta iş yapmaktadır. Hücreler, sabit sıcaklık ve basınçta iş yapan makineye benzer.
Bir reaksiyonun serbest enerjisindeki değişme (∆G), sistemdeki değişimle ilgili iki
eğilimi de (minimum enerji ve maksimum düzensizlik) ∆H ve ∆S şeklinde içinde
bulundurduğundan, bir reaksiyonun kendiliğinden yürüyüp yürümeyeceğinin önemli bir
kriteri olarak kullanılabilir. Buna göre bir reaksiyonda;
1. ∆G < 0 ise, reaksiyon belirtilen yönde kendiliğinden gerçekleşir,
2. ∆G = 0 ise, reaksiyon dengede olup, bileşenlerin konsantrasyonunda hiçbir net
değişme olmaz,
3. ∆G > 0 ise, reaksiyon belirtilen yönde kendiliğinden gerçekleşmez. Bu reaksiyonun
belirtilen yönde yürütülmesi için dışarıdan serbest enerji verilmesi gerekir.
Yukarıdaki kriterleri canlı sistemler için yorumlarsak, canlılardaki tüm olaylarda ∆G <
0’ dır. Canlı sistemler çevreleriyle hiç dengeye ulaşmazlar. Canlılarda denge hali yani ∆G = 0,
canlının ölümü manasını taşır.
Bir reaksiyonun ∆G değeri, ürünlerin toplam serbest enerjileri ile (son hal),
reaktantların toplam serbest enerjilerinin (ilk hal) arasındaki farka eşittir ve değişimin izlediği
yola bağımlı değildir. Reaksiyon mekanizmasının ∆G üzerine hiçbir etkisi yoktur. Mesela
glukozun CO2 ve H2O’ ya oksidasyonunda glukoz ister in vitro (hücre dışı) olarak yakılsın,
ister in vivo (hücre içi) olarak enzimli reaksiyonlarla yükseltgensin; ortaya çıkan ∆G aynıdır.
∆G reaksiyon hızı hakkında da hiçbir bilgi vermez, yalnızca olabilirliğini ifade eder.
42
∆G ve Denge Sabiti A + B C + D
denge reaksiyonunun serbest enerji değişimi,
ifadesiyle verilir. Burada ∆Go, standart serbest enerji değişimi, R gaz sabiti, T mutlak
sıcaklıktır. ∆Go, standart şartlardaki serbest enerji değişimi olup, 25 oC’ de ve A, B, C ve D’
nin konsantrasyonları 1.0 M iken ölçülür. Özet olarak, bir reaksiyonun serbest enerji değişimi,
reaksiyona katılanların özelliğine ve konsantrasyonlarına bağlı bir değerdir.
Biyokimyasal reaksiyonlardaki serbest enerji hesaplamalarını basitleştirmek üzere bazı
kabuller yapılmıştır. Standart halde pH’ nın 7.0 olduğu, bu pH’ daki H+ ve H2O aktivitesinin
1.0 olarak alınması kabul edilmiştir. Biyokimyasal reaksiyonlar pH = 7.0’ de meydana geldiği
için ∆Go yerine ∆G′o yazılır. Ancak, biz bu farklılığı unutmayacağız ve ∆Go kullanmaya
devam edeceğiz.
Denge durumunda ∆G = 0 olacağından,
ifadesinden ∆Go = –RT lnK yazılır. Çünkü denge durumunda konsantrasyonlar denge
konsantrasyonu olacağından,
ifadesi gerçekleşir.
∆Go = –RT lnK denkleminin logaritmasının 10 tabanına göre alınmasıyla ∆Go = –2.303
RT logK şeklinde yazılabilir. Buda düzenlenirse,
ifadesi çıkar ve burada R=1.98 x 10-3 kcal/ mol x K ve T=298 K değerleri yerine konulursa,
bulunur. Görüldüğü gibi standart serbest enerji değişimi ile denge sabiti arasında basit bir
ilişki vardır. Denge sabiti büyüdükçe, reaksiyona giren moleküllerin ürüne dönüşüm eğilimi
artar, yani ∆Go daha negatif değer alır. Mesela K = 10 iken 25 oC’ de ∆Go = –1,36 kcal/mol;
K=100 ise ∆Go= –2,72 kcal/mol’ dür.
Bir reaksiyonun kendiliğinden oluşma kriteri, ∆Go değil, ∆G değeridir. Şimdi
dihidroksiaseton fosfatın, gliseraldehid–3–fosfat izomerine dönüştüğü reaksiyonun ∆Go ve ∆G
değerini hesaplayalım.
43
CH2OH
C
CH2OPO3-2
O
C
C
CH2OPO3-2
OHH
H O
izomeraz
Dihidroksiaseton fosfat Gliseraldehid–3–fosfat
Bu glukoz metabolizmasında yer alan glikoliz yolu reaksiyonlarındandır. 25oC’ de
dengede gliseraldehid–3–fosfatın, dihidroksiaseton fosfata oranı 0,0475
olduğundan ; K’ da 0,0475’ tir. Yukarıda çıkardığımız eşitlikten,
∆Go = –2,303 RT logK
= –2,303 x 1.98 x 10-3 x 298 x log 0,0475
= + 1.8 kcal/mol bulunur.
Şimdi dihidroksiaseton fosfat başlangıç konsantrasyonunun 2 x 10-4 M ve gliseraldehid–
3–fosfatın başlangıç konsantrasyonunun da 3 x 10-6 M olduğu bir hücre içi halinin ∆G
değerini bulalım. Verilenleri yerine koyduğumuz zaman, olacağı
için;
= 1.8 – 2,5 = –0,7 kcal/mol olarak bulunur.
∆G için bulunan negatif değer, izomerleşme reaksiyonunun her iki reaktifin yukarıda verilen
konsantrasyonlarında kendiliğinden yürüyeceğini göstermektedir. Burada bu reaksiyon için
∆Go pozitif iken, ∆G negatif değerde olmaktadır. Sonuç olarak, hücre içi bir reaksiyonun
kendiliğinden olabilirliğini o reaksiyonun ∆Go değeri değil, hücre içi konsantrasyonlarının
vereceği ∆G değerleri belirler.
Önemli bir başka husus da birden fazla basamaklı bir reaksiyonun toplam serbest enerji
değişimi, her bir basamağın serbest enerji değişimlerinin toplamına eşit olmasıdır. Şimdi
aşağıdaki reaksiyonu ele alalım:
A B + C
B D
A C + D
Go= + 5 kcal/mol
Go= -8 kcal/mol
Go= -3 kcal/mol
44
Standart şartlarda A; B ve C’ ye kendiliğinden dönüştürülemez çünkü ∆Go pozitiftir.
Bununla birlikte aynı şartlarda B; D’ ye dönüştürülebilir (∆Go= –8,0 kcal/mol’ dür). Serbest
enerji değişimleri toplanabilir olduğundan, A’ nın C ve D’ ye dönüşmesinin ∆Go değeri -3
kcal/mol çıkar ve bu da söz konusu reaksiyonun standart şartlarda kendiliğinden
gerçekleşebileceğini göstermektedir. Bundan da anlaşılmaktadır ki, termodinamik yönden
mümkün olmayan reaksiyonlar; termodinamik yönden kolayca gerçekleşebilen bir başka
reaksiyonun beraberliğinde olabilmektedir. Metabolizmada bu tip enerji bağlantılarına sıkça
rastlanılmaktadır. Mesela 6 mol CO2 ve 6 mol H2O’ dan 1 mol glukoz oluşumunun ∆Go değeri
+686 kcal’ dir. Yani, standart şartlarda bu reaksiyon gerçekleşmez. Fakat bu serbest enerjiyi
karşılayacak bir mekanizma beraberliğinde kısacası fotosentez mekanizmasıyla güneş
enerjisinden elde edilen kimyasal enerji ile söz konusu glukoz sentezi yapılır.
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Go= 686kcal/molOksidasyon
Fotosentez
9.4. ATP (ADENOZİN TRİFOSFAT) Canlı varlıklar aşağıdaki fonksiyonların yerine getirilmesi için devamlı bir serbest enerji
kaynağına ihtiyaç duyarlar:
1. Kas kasılmasındaki ve diğer hücresel hareketlerdeki mekanik iş,
2. Molekül ve iyonların aktif taşınması,
3. Makromolekül ve biyomoleküllerin basit başlangıç bileşiklerinden sentezlenmesi
(biyosentez).
Bu olaylarda kullanılan serbest enerji çevreden sağlanır. Kemotroflar bu enerjiyi gıda
maddelerinden; fototroflar da ışık enerjisinden elde ederler. Gıdaların oksidasyonundan ve
ışıktan türetilen serbest enerjinin bir kısmı hareket, aktif taşıma ve biyosentezde
kullanılmadan önce özel bir şekle sokulur. Bu özel serbest enerji taşıyıcısı adenozin trifosfat
(ATP)’ dır (Şekil 9.5). ATP, biyolojik sistemlerdeki enerji alışverişinde anahtar rolü olan
evrensel enerji molekülüdür.
ATP; bir adenin, bir riboz ve bir de trifosfat birimi içeren bir bileşiktir. Açık formülü
aşağıda gösterilmiştir.
45
N
N N
N
NH2
O
H
OH
H
OH
CH2
H H
OPOPOPO
O O O
OOO
Yüksek enerjilifosfoanhidrit baglarI-
Şekil 9.5. Adenozin trifosfat (ATP). (pH=7.0’ de)
ATP’ nin aktif şekli Mg+2 veya Mn+2 iyonları ile kompleks teşkil eden yapısıdır (Şekil
9.6). ATP’ nin enerji taşıyıcısı özelliğinde en önemli rolü trifosfat birimi oynamaktadır.
Çünkü molekül bu kısmından hidrolizlendiği zaman yüksek oranda serbest enerjinin açığa
çıktığı iki adet fosfoanhidrit bağı mevcuttur. ATP, adenozin difosfat (ADP) ve fosfata (Pi)
hidrolizlendiği gibi; adenozin monofosfat (AMP) ve pirofosfata (PPi) da parçalanabilir. Bu
reaksiyonlar için ∆Go değeri, ortamın iyonik şiddetine ve Mg+2, Ca+2 konsantrasyonlarına
bağlıdır. Biz ∆Go= –7,3 kcal/mol alacağız.
OPOPOPO
O O O
OOO
Riboz Adenin
Mg+2
OPOPO
O O
OO
Riboz Adenin
Mg+2
Mg ATP-2
Mg ADP-
Şekil 9.6. Mg+2 ve ATP. Mg+2 ile kompleks oluşması; negatif yükleri kısmen korumakta, ATP ve ADP
gibi nükleotidlerdeki fosfat gruplarının konformasyonunu etkilemektedir.
46
ATP + H2O ADP + Pi + H+ Go= -7.3kcal/mol
ATP + H2O AMP + PPi + H+ Go= -7.3kcal/mol Pirofosfatın (PPi) oluştuğu reaksiyonların gerçekleşmesi için, bir ATP’ nin hidroliziyle
elde edilenden daha fazla enerjiye ihtiyaç gösteren reaksiyonlardır. Oluşan PPi daha sonra,
hücrede bulunan pirofosfataz enzimi katalizörlüğünde hidrolizlenir.
PPi + H2O 2Pi Go= -7.3kcal/molPirofosfataz
Bu enerji de reaksiyonun gerçekleşmesine katkıda bulunur.
Standart koşullar altında ATP hidrolizinin serbest enerji değişikliği –7,3 kcal/mol’ dür.
Ancak, canlı hücrelerde ATP hidrolizinin gerçek serbest enerji değişikliği çok farklıdır. Canlı
hücrelerde ATP, ADP ve Pi konsantrasyonları aynı değildir ve standart koşullardaki 1.0 M
konsantrasyondan çok düşüktür. Örneğin insan eritrositlerindeki ATP; ADP ve Pi derişimleri
sırasıyla 2,25, 0,25 ve 1,65 mM’ dır. Ortamın pH’ sını 7,0 ve sıcaklığını 25oC varsayarsak, bu
koşullar altında eritrositlerdeki ATP hidrolizinin gerçek serbest enerjisi yaklaşık –12
kcal/mol’ dür.
ATP + H2O ADP + Pi + H+ Go= -7.3kcal/mol ATP, ADP ve AMP aşağıdaki reaksiyonla adenilat kinaz enzimi katalizörlüğünde
birbirlerine çevrilebilir:
ATP + AMP 2ADPAdenilat kinaz
Bazı biyosentez reaksiyonları ATP’ ye benzer nükleotidler tarafından yürütülür.
Bunlar protein, polisakkarit ve lipidlerin biyosentezinde serbest enerji molekülü olan
guanozin trifosfat (GTP), üridin trifosfat (UTP) ve sitidin trifosfat (CTP)’ dır. Bu
bileşiklerin fosforil grupları bir nükleotidden diğerine enzimler tarafından taşınabilir.
ATP + GDP ADP + GTP
9.4.1. ATP Aktif Taşıma ve Kas Kasılmasında Enerji Sağlar
ATP, biyolojik sistemlerde serbest enerjinin depolanma şeklinden çok ihtiyaç olduğu
anda enerjinin acil kaynağı olarak görev yapar. Enerjinin gerektiği olaylarda rol alan
enzimler, transport proteinleri, kas enzim ve proteinleri enerji kaynağı olarak yalnız ATP’ yi
tanır ve hidrolizler. Diğer GTP, UTP gibi nükleotidler bile, yüksek enerjili olmalarına rağmen
bu amaçla kullanılmazlar. Hücrelerde ATP, oluşumundan sonra birkaç dakika içinde
kullanılır. ADP ve ATP arasındaki devir çok hızlıdır. Mesela, istirahat halinde bir insan 24
47
saat içinde 40 kg ATP kullanır. Eksersiz halinde ise dakikada 0.5 kg kadar ATP harcar. Söz
konusu ATP sarfiyatının 1/3’ ünü Na+/K+ pompasında olmaktadır. Bir iyon veya molekülün
zardan, derişimlerin daha yüksek olduğu sıvı ortama geçebilmesi için gerekli enerji ATP’ den
sağlanır. Aktif taşıma olayları, enerjinin harcandığı başlıca yerlerdir. Örneğin, insan böbrek ve
beyninde istirahat halinde harcanan enerjinin 2/3’ ü Na+K+ATPaz aracılığıyla zarın bir
tarafından diğer tarafına Na+ ve K+ pompalanmasında kullanılır. Taşıma olayının her bir
devrinde ATP, ADP ve Pi’ ye dönüşmekte, protein konformasyonunda çevrimsel değişiklik
oluşturan ATP hidrolizinin serbest enerji değişikliği de, Na+ ve K+’ un pompalanmasını
sağlamaktadır. Burada ATP substratla değil, fosforil grubu transferiyle enzimle kovalent
olarak etkileşir.
İskelet kası hücrelerinin kontraktil (kasılabilen) sisteminde, miyozin ve aktin ATP’ nin
kimyasal enerjisini harekete dönüştürmek üzere özelleşmiştir. ATP, kovalent olmayan bir
şekilde miyozinin bir konformasyonuna bağlanarak proteini bu konformasyonda tutar.
Miyozine bağlı ATP’ nin hidrolizinde ADP ve Pi proteinden ayrılır. Bu durumda bir sonraki
ATP molekülü bağlanıncaya kadar ikinci bir konformasyonun hakimiyetiyle kas gevşer. ATP’
nin bağlanması ve bunu izleyen hidrolizden sağlanan enerji ile miyozin moleküllerindeki
konformasyonel değişiklik, miyozin fibrillerinin aktin flamentleri boyunca kaymasına neden
olur. Bu kayma sonucunda kas lifinde makroskopik düzeyde kasılma gözlenir. Canlılardaki
hareket, aktif taşıma, sinyal kuvvetlendirilmesi ve biyosentez ancak ve ancak ATP’ nin
sürekli olarak üretilmesiyle mümkündür (Şekil 9.7). Fototroflar ATP’ yi ışık enerjisini
yakalayarak, kemotroflar da besin maddelerini oksitleyerek üretirler.
O2
YAKIT(Organik bilesik).
ADP + Pi
YakIt oksidasyonuveya
katabolizma
ATP
CO2
H2O
Mekanik is.Aktif tasIma.
Biyosentez
Sinyal kuvvetlendirme
Şekil 9.7. Biyolojik sistemlerdeki ATP – ADP devri.
48
Acaba ATP’ nin fosfat grubunun transferiyle yani hidroliziyle niçin yüksek bir serbest
enerji açığa çıkmaktadır? ATP hidrolizinin nispeten büyük ve negatif olan standart serbest
enerji değişikliğinin kimyasal temeli Şekil 9.8’ de özetlenmektedir. ATP molekülündeki uç
(terminal) fosfoanhidrit bağının hidrolitik kopması, negatif yüklü üç fosfat grubundan birinin
ayrılmasını sağlar. Bu şekilde ATP içinde bazı elektrostatik itmeler meydana gelir. Salınan Pi
(HPO4-2), ATP içinde mümkün olmayan bazı rezonans formlarıyla kararlılık kazanır.
Hidrolizin diğer ürünü olan ADP-2 hemen iyonize olarak, düşük [H+] (~10-7 M) derişimli
ortama H+ iyonu salar.
ATP hidrolizinin standart serbest enerjisi yüksek oranda egzergonik (negatif) ise de
(∆G′o=–7.3 kcal/mol), ATP hidrolizinin aktifleşme enerjisi nispeten yüksek olduğu için,
molekül pH=7.0’ da kinetik olarak kararlıdır. Fosfoanhidrit bağının hızlı hidrolizi, reaksiyon
ancak bir enzimle katalizlendiğinde gerçekleşir.
OPOPOPO
O O O
OOO
Riboz Adenin
OH
H
:
Yük itilmesiyle hidroliz
ATP-4
OPOPHOPO
O O O
OOO
Riboz AdeninOH
Pi
ADP-2
Rezonans kararlIlIgI-
PO
O
O
O
-3
H+
iyonizasyon
OPOPO
O O
OO
Riboz Adenin ADP-3H+ +
ATP-4 + H2O ADP-3 + Pi-2 + H+ Go= -7.3kcal/mol
+
Şekil 9.8. ATP hidroliziyle birleşmiş büyük serbest enerji değişikliğinin kimyasal temeli. İlk olarak yük
ayrılmasının neden olduğu hidrolizde, ATP üzerindeki dört negatif yük arasında elektrostatik
itmeler meydana gelir. İkinci aşamada, hidrolizle açığa çıkan inorganik fosfat (Pi) yapısındaki
dört P–O bağının her birinin aynı derecede çift bağ karakteri ve oksijenlerinden herhangi birinin
hidrojenle kalıcı bağ yapmayan bir rezonans hibrit oluşumuyla kararlı hale gelir. Anhidrit veya
ester bağlarına katılan fosfatlarda da belli bir derecede rezonans kararlılığı oluşur. Ancak
rezonans formları Pi’ ye göre çok azdır. Üçüncü aşamada hidrolizle oluşan ADP-2, iyonize
olarak düşük [H+]’ ya sahip ortama (pH=7.0) bir proton salar. ATP hidrolizine yardımcı olan
dördüncü faktör (şekilde gösterilmemiştir), ADP ve Pi ürünlerinin ATP’ ye göre yüksek olan
hidrasyon derecesidir.
49
ATP’ nin hidroliziyle yüksek bir serbest enerji açığa çıkmasının sebebini ortaya
koymak için ATP’ nin yapısını incelememiz gerekmektedir. Bu konuda üç faktörün etkili
olduğu görülür: 1) Elektrostatik itme, 2) Rezonans kararlılığı, 3) Entropi artışı.
pH=7.0’ de ATP’ nin trifosfat birimi, dört tane negatif yük taşımaktadır. Bunlar
birbirlerine yakın olduklarından aralarında kuvvetli bir itme meydana gelir. ATP’ nin yüksek
grup transferi potansiyeline sebep olan ikinci faktör de, ADP ve Pi’ nin ATP’ ye göre daha
yüksek bir rezonans kararlılığına sahip olmasıdır. Mesela fosfatın (Pi) aynı enerjide dört
rezonans şekli varken (Şekil 9.9), ATP’ deki her bir fosfat grubu daha az sayıda rezonans hali
gösterir. ATP’ nin uç fosfat gruplarının her biri daha az sayıda rezonans şekillerine sahip
olmasının nedeni, oksijen üzerindeki elektron çifti için iki fosforun yarışmaya girmesinin
mümkün olmamasıdır.
PHO
O
O
O PHO
O
O
O PHO
O
O
O PHO
O
O
O
Şekil 9.9. Fosfatın (Pi) rezonans şekilleri.
ATP hidroliz ∆Go değerinin çok negatif olmasını sağlayan üçüncü faktör de ürün veya
iyon sayısının daha fazla olmasıyla ortaya çıkan entropi artışıdır.
ATP -4 + H2O ADP -3 + Pi -2 + H+
ATP hidrolizine, ADP ve Pi ürünlerinin ATP’ ye göre hidrasyon derecesinin yüksek
olması da yardımcı olur.
Biyokimyacıların kullandığı yüksek enerjili bağ terimi, bağ enerjisinin yüksek
olmasıyla karıştırılmamalıdır. Çünkü bağ enerjisi, bir bağı parçalamak için ihtiyaç duyulan
yani dışarıdan verilmesi gereken enerji olup; yüksek enerjili bir bağ ise, bu bağın
hidrolizlenmesi olayının ∆Go değerinin çok negatif olması demektir.
Fosfat bileşiklerinin hidroliziyle salınan serbest enerji, kırılan özgül P–O bağından
gelmez; reaksiyon sonucu oluşan ürünlerin, reaksiyona girenlere göre daha küçük serbest
enerjili olmalarından kaynaklanır. Biz kolaylık olması açısından negatif hidroliz standart
enerjili ATP veya diğer fosfat bileşiklerini yüksek enerjili fosfat bileşiği olarak tanımlıyoruz.
Canlı organizmalarda bulunan fosfat bileşikleri, hidrolizin serbest enerjisine bağlı
olarak kendi aralarında iki gruba ayrılır (Şekil 9.10). Yüksek enerjili bileşiklerin hidroliz
∆G′o değeri –25 kJ/mol’ den daha negatiftir (5.98 kcal/mol≈6 kcal/mol). Bu kriter temel
alındığında ATP –30.5 kJ/mol (–7.3 kcal/mol) olan hidroliz ∆G′o değeri ile yüksek enerjili;
50
glukoz–6–fosfat ise, –13.8 kJ/mol (–3.3 kcal/mol) olan ∆G′o değeriyle düşük enerjili bir
bileşiktir.
C
OO
C
H2C
OHH
O
P
P
COO-
C
CH2
O P
KreatinPFosfokreatin
Fosfoenolpirüvat
1,3-Bisfosfogliserat
Adenin Riboz P P P ATP
Glukoz-6- P Gliserol- P
Pi
Yüksek enerjilibilesikler
Düsük enerjilibilesikler
.
..
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
HidrolizinGo degeri
(kj/mol)-
Şekil 9.10. Biyolojik fosfat bileşiklerinin hidroliz standart serbest enerjilerine göre sıralanması. Burada
P ile gösterilen fosfat gruplarının yüksek enerjili fosfat vericilerinden ATP yoluyla düşük
enerjili fosfat türevlerini oluşturmak üzere alıcı moleküllere (glukoz ve gliserol vb.) akışı
gösterilmektedir. Bu fosfat grubu akışı kinazlar adı verilen enzimler ile katalizlenmekte ve
hücre koşulları altında bir serbest enerji kaybına eşlik etmektedir. Düşük enerjili fosfat
bileşiklerinin hidrolizi, düşük fosfat grup transfer potansiyeline sahip Pi’ yi serbestleştirir.
Kreatin fosfat (fosfokreatin), yüksek enerjili fosfat grubunun iskelet kasında geçici
depolama şeklidir. Kas dokusu hücrelerinde fosfokreatin, ATP’ den 5 kat fazladır. Kreatin
fosfat, ADP’ den ATP’ nin hızlı sentezi için hazır fosforil grubu kaynağı olarak görev yapar.
Fosfokreatin molekülünde (Şekil 9.11), P–N bağı serbest kreatin ve Pi oluşturmak üzere
hidrolizlenebilir. Pi’ nin salınması ve kreatinin rezonans kararlılığı reaksiyonu ileriye doğru
hızlandırır.
51
NC CH3
CH2
COO-
NH2
HNP
O
O
O
Hidroliz
H2O Pi
NC CH3
CH2
COO-
NH2
H2N
Fosfokreatin Kreatin
NC CH3
CH2
COO-
NH
HN
+
+
+RezonanskararlIlIgI-
Fosfokreatin-2 + H2O Kreatin + Pi
-2 ∆G'o= -43.0 kJ/mol
Şekil 9.11. Fosfokreatin hidrolizi. Fosfokreatindeki P–N bağının kırılması, bir rezonans hibrit
oluşumuyla kararlı duruma gelen kreatini oluşturur. Diğer ürün olan Pi’ de rezonansla
kararlı hale gelir.
Birbirini izleyen reaksiyonlarda serbest enerji değişikliklerinin birbirine eklenebildiği
nasıl açıksa; fosfatlı herhangi bir bileşiğin sentezi için, hidroliz serbest enerjisi daha negatif
olan bir başka fosfat bileşiğinin yıkılması gereklidir. Örneğin, fosfoenolpirüvat (PEP)’ ın
hidroliz standart serbest enerjisi; Pi’ nin ADP’ ye kondanse olması için gerekli enerjiden daha
negatif olduğu için, fosforil grubunun PEP’ den ADP’ ye verilmesi termodinamik açıdan
istemlidir.
(1) PEP + H2O Pirüvat + Pi Gkcal/mol
(2) ADP + Pi ATP + H2O Gkcal/mol
PEP + ADP Pirüvat + ATP Gkcal/mol Biyolojik sistemlerde yüksek enerjili fosfat bağı ihtiva eden bazı bileşikler Tablo 9.2’
de verilmiştir. Hatta bunlardan fosfoenolpirüvat ve kreatin fosfat gibi bileşiklerin hidroliz ∆Go
değeri ATP’ ninkinden daha negatiftir. Bu fosfoenolpirüvatın fosfat grubunun ADP’ ye
transfer edilerek ATP meydana getirebileceğini göstermektedir. Gerçekten, glukoz
metabolizmasının bir basamağında bu yolla ATP sentezlenmektedir. Buna substrat
seviyesinden fosforilasyon adı verilir ve gerçekleşmesi için de fosforil grubu vericisinin
hidroliz ∆Go değerinin –7,3 kcal/mol’ den daha negatif olması gerekir.
52
Tablo 9.2. Biyolojik önemi olan bazı fosforilli moleküllerin hidroliz standart serbest enerjileri.
Bileşik ∆G0 (kcal/mol) Fosfoenolpirüvat –14.8 Karbomoil fosfat –12.3 Asetil fosfat –10.3 Kreatin fosfat (Fosfokreatin) –10.3 Pirofosfat –8.0 ATP (ADP’ ye dönüşümü) –7.3 Glukoz–1–fosfat –5.0 Glukoz–6–fosfat –3.3 Gliserol–3–fosfat –2.2
9.4.2. ATP Hidrolizinin Reaksiyon Dengesine Etkisi
Termodinamik yönden yürümesi mümkün olmayan bir reaksiyonun ATP
beraberliğinde nasıl cereyan ettiğini göstermek için,
A B GO = +4.0 kcal/mol reaksiyonunu ele alalım. 25oC’ de bu reaksiyonun denge sabiti
olarak bulunur. Bu da [B]/[A] oranının 1.15 x 10-3’ e eşit veya daha küçük değerlerinde A’
nın B’ ye kendiliğinden dönüştürülmeyeceğini göstermektedir. Fakat bu reaksiyon ATP
hidroliziyle beraber gerçekleştiği zaman [B]/[A] oranı 1.15 x 10-3’ den küçük bile olsa A’ nın
B’ ye çevrilmesi gerçekleşebilir. Böyle bir reaksiyon denklemini aşağıdaki şekilde yazılabilir.
A B GO = +4.0 kcal/molATP + H2O ADP + Pi + H+ Go=-7.3 kcal/mol
A + ATP + H2O B + ADP + Pi + H+ Go= -3.3 kcal/mol Bu reaksiyonun denge sabiti K’ yı yazarsak,
bulunur.
ifadesini de yazabiliriz.
ATP üreten hücrelerde [ATP]/[ADP][Pi] oranı 500 civarındadır. Bu değeri ve K’ yı
yerine koyduğumuz zaman,
53
bulunur. Bu da ATP’ nin hidrolizi sayesinde, [B]/[A] oranı 1.34 x 105 değerine ulaşıncaya
kadar A’ nın B’ ye çevrilmesinin kendiliğinden gerçekleşeceğini göstermektedir. Diğer bir
deyimle ATP hidrolizi [B]/[A] denge oranını 108 defa artırmış olmaktadır.
Yukarıdaki örnekte bir ATP hidroliziyle reaksiyon dengesinin 108 defa ürünler lehine
kaydığını gördük. Eğer n molekül ATP hidrolizlense, denge sabiti 108 defa büyüyecektir. 3
ATP’ nin hidrolizlendiği bir reaksiyonun dengesi 1024 oranında değişecektir. Verilen
örnekteki A ve B’ yi genelleştirirsek, bunlar bir proteinin iki farklı konformasyonunu temsil
edebilir. Mesela, kas proteini göz önüne alındığında, kasın gevşek az enerjili hali A, gerilmiş
çok enerjili hali de B olabilir. Bir iyon veya molekülün hücre içindeki ve dışındaki
konsantrasyonu da aynen besin maddelerinin aktif transportunda olduğu gibi, verilen
örnekteki A ve B tarafından temsil edilebilir. Kompleks organik bileşiklerin basit başlangıç
maddelerinden sentezinde de, A ve B bu molekülleri gösterebilir.
ATP canlılarda acil enerji kaynağı rolünün yanı sıra bir başka fonksiyon daha görür.
Hemen hemen tüm fosforilasyon olaylarında fosforil grubu vericisi ATP’ dir. Bu rolü hem ara
metabolizmada hem de metabolik regülasyonda oldukça önemlidir.
9.5. METABOLİZMADAKİ ELEKTRON TAŞIYICILARI Kemotroflar serbest enerji ihtiyaçlarını glukoz ve yağ asitleri gibi besin maddelerinin
oksidasyonundan sağlar. Aerobik organizmalarda en son elektron alıcısı O2’ dir. Yakıt
molekülleri ve onların parçalanma ürünlerinden elektronlar O2’ ye doğrudan doğruya transfer
edilemez. Bu substratlar, elektronlarını önce özel yapıdaki piridin nükleotidlere (NAD+) ve
flavinlere (FAD) aktarır. Bu taşıyıcıların indirgenmiş formları (NADH ve FADH2) yüksek
potansiyelli elektronlarını, mitokondri iç membranında yerleşmiş bulunan bir elektron
transport zinciri vasıtasıyla O2’ ye aktarırlarken ATP sentezlenir. Bu olaya oksidatif
fosforilasyon adı verilir. Bunun yanı sıra yakıt moleküllerinin oksidasyonundan ortaya çıkan
yüksek potansiyelli elektronlar, ATP’ den başka indirgeyici güce (NADPH) ihtiyaç gösteren
biyosentez olaylarında da kullanılır.
Nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+), besin moleküllerinin oksidasyonunda en
başta gelen elektron alıcısıdır (Şekil 8.5). NAD+’ nın reaktif kısmı onun nikotinamid
halkasıdır. Bu substratın oksidasyonunda, NAD+’ nın nikotinamid halkası bir hidrür iyonuna
eşdeğer olan iki elektron ve bir hidrojen iyonunu kabul eder. NAD+’ nın indirgenmiş hali
NADH ile gösterilir.
NAD+, aşağıda bir örnekle verilen birçok dehidrogenasyon reaksiyonunda elektron
alıcısı olarak görev yapmaktadır:
54
NAD+ + CR1 R2
H
OH
NADH + CR1 R2
O
+ H+Dehidrogenaz
Dehidrogenasyon reaksiyonlarında, substrat üzerindeki hidrojen iyonlarından birisi
doğrudan NAD+’ ya transfer edilirken diğeri de çözeltiye geçer. Substrat tarafından
kaybedilen her iki elektron da nikotinamid halkasına aktarılır. Aşağıda NAD+’ nın
yükseltgenmiş ve indirgenmiş formları gösterilmiştir.
N
H
R
CONH2
+ 2H+ + 2e-
N
R
CONH2
+ H+
H H
NAD+ (yüks.) NADH + H+ (ind.) Besin moleküllerinin oksidasyonunda görev yapan ikinci bir elektron taşıyıcısı da
flavin adenin dinükleotiddir (Şekil 8.4). Okside ve redükte formları kısaca FAD ve FADH2 ile
gösterilen bu nükleotid aşağıdaki tipte dehidrogenasyon reaksiyonlarında elektron taşır.
FAD + C R2
H
H
FADH2 + CR1 CCR1
H
H
R2
HH FAD’ nın reaktif kısmı izoalloksazin halkasıdır. FAD, NAD+ gibi iki elektron
taşıyıcısıdır fakat substratın iki hidrojen atomunu da kabul eder. FAD’ nın indirgenmiş ve
yükseltgenmiş şekilleri aşağıda gösterilmiştir.
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
O
O
R
2H++2e-
HC
C
CCH
N
N
NC
NHC
H3C
H3C
O
O
R
H
H
FAD (yük.) FADH2 (ind.) FADH2 elektronlarını solunum zincirine aktarır ve ATP sentezinde görev alır.
Birçok biyosentez olayında ön maddeler, ürünlerden daha yükseltgenmiş halde bulunur
ve ATP’ nin yanı sıra indirgeyici güce de ihtiyaç duyulur. Mesela yağ asitlerinin
biyosentezinde eklenen iki karbon birimindeki keto grubu birkaç basamak reaksiyonla metilen
grubuna indirgenir. Bu reaksiyon basamaklarında dört elektrona ihtiyaç vardır.
C R2CH2
O
R1 + 4H+ + 4e- CH2 R2CH2R1 + H2O
55
İndirgeyici biyosentez olaylarının çoğunda elektron vericisi, nikotinamid adenin
dinükleotid fosfat (NADPH)’ dır. NADPH’ da NADH’ dan farklı olarak riboz biriminin 2'–
hidroksil grubu, fosfat ile ester yapmış haldedir (Şekil 8.5). NADPH aynen NADH gibi
elektron taşır. Bununla beraber NADPH, tamamen indirgeyici biyosentez olaylarında
kullanılırken; NADH, elektronlarını solunum zincirine aktararak ATP sentezinde görev alır.
NADPH üzerindeki fosfat grubu, bu molekülün indirgemeyi katalizleyen enzimler tarafından
tanınmasını sağlar.
Burada NADH, NADPH ve FADH2’ nin katalizörlerin yani enzimlerin yokluğunda O2
ile çok yavaş reaksiyona girdiklerini belirtmeliyiz. Aynı şekilde ATP de enzimsiz çok yavaş
bir hızda hidrolizlenir. Bu moleküllerin, reaksiyon vermeleri termodinamik yönden çok kolay
olduğu halde, kinetik yönden kararlılıkları yüksektir. Spesifik enzimlerin yokluğunda
gözlenen bu kararlılık, bunların biyolojik fonksiyonları için son derece önemlidir. Çünkü bu
yolla serbest enerji ve indirgeyici güç akışının enzimler tarafından kontrol edilmeleri mümkün
olur.
9.6. KATABOLİZMA VE ANABOLİZMA Metabolik yolları oluşturan bir seri enzimatik reaksiyonla hücre veya organizmada
meydana gelen tüm kimyasal dönüşümlerin toplamına metabolizma denir. Bir metabolik
yolda birbirini izleyen basamaklardan her birinde genellikle bir atom veya işlevsel grubun
eklenmesi, aktarılması ve uzaklaştırılması gibi küçük özgül kimyasal değişiklikler oluşur. Bir
öncül madde, metabolitler olarak adlandırılan bir seri metabolik ara ürünün oluşumundan
sonra ana ürüne dönüşür. Ara metabolizma terimi, düşük molekül ağırlıklı öncül madde,
metabolit ve ürünlerin birbirine dönüşümünün gerçekleştiği tüm metabolik yolların birleşmiş
aktivitelerini tanımlar.
Metabolik yollar; 1) Doğrusal, 2) Çevrimsel ve 3) Sarmal şekilde olabilir. Doğrusal
yolun örneği olarak glukozun pirüvata dönüştüğü glikoliz reaksiyonlarını; çevrimsel yola
Krebs ve üre devirlerini; sarmal tarzdaki metabolik yola da ardarda benzer reaksiyon
basamaklarıyla gerçekleşen yağ asitleri sentez ve yıkımıyla protein sentezi reaksiyonlarını
gösterebiliriz. Metabolik yolları bir şehrin yol ağını gösteren bir haritaya benzetebiliriz. Bu
yollardan bir kısmı ana yol, bazıları da yan yollardır. Dışarıdan alınan besin maddelerinin
yıkım ve depolama işlemleri canlı metabolizmasının ana yollarını oluşturur.
Metabolizma, katabolizma ve anabolizma olarak ikiye ayrılır. Katabolizma, hücrenin
çevresinden aldığı veya kendi depolarından kullandığı büyük besin moleküllerini
(karbohidratlar, lipidler ve proteinler) çoğunluğu oksidatif nitelikteki enzimatik
56
reaksiyonlarla; laktik asit, asetik asit, CO2, H2O, amonyak veya üre gibi bir seri daha küçük
moleküllere parçalanması olayıdır. Katabolik yollardan elde edilen enerjinin bir kısmı ATP ve
indirgenmiş elektron taşıyıcılarının (NADH, NADPH ve FADH2) oluşumu için harcanırken,
diğer kısmı ısı olarak çevreye salınır.
Biyosentez olarak adlandırılan anabolizma ise; küçük, basit öncül bileşiklerden
polisakkaritler, nükleik asitler, lipidler ve proteinler gibi hücrenin bileşenlerini oluşturan
büyük kompleks moleküllerin sentezlenmesi olayıdır. Anabolik olaylar, genel olarak ATP’
deki fosforil grup transfer potansiyeli ve NADH, NADPH ve FADH2’ nin indirgeme gücü
şeklinde bir enerjiye ihtiyaç gösterir (Şekil 9.12). Biyosentez olayı yapının daha büyümesi ve
daha da kompleks bir düzene girmesiyle sonuçlandığından, bir entropi azalması söz
konusudur. Canlı organizma en düşük enerji düzeyine inme eğilimine karşı sürekli enerji
harcamak zorundadır. Bu entropi azalışı da ATP’ nin hidroliziyle ortaya çıkan serbest enerji
tarafından karşılanır. Canlı organizmalar; çok düzenli, gelişigüzel hiçbir yapı içermeyen, bilgi
yönünden zengin ve entropi açısından fakir oluşumlardır. Sentezlenen bileşikler başlangıç
maddelerine oranla daha indirgenmiş olduklarından, gerekli elektron ve hidrojenler
indirgeyici güç kaynağı olan NADPH tarafından sağlanır. Katabolizma ve anabolizma hücre
içinde beraberce meydana gelir.
Şekil 9.12. Katabolik ve anabolik yollar arasındaki enerji ilişkisi. Katabolik yollar kimyasal enerjiyi
ATP, NADH, NADPH ve FADH2 şeklinde verir. Bu enerji taşıyıcıları, küçük öncül
moleküllerin hücre makromoleküllerine dönüştürüldüğü anabolik (yapım) yollarda
kullanılır.
Enerji içeren besinler Karbohidratlar
Yağlar Proteinler
Katabolizma
Hücre makromolekülleri
Proteinler Polisakkaritler
Lipidler Nükleik asitler
Enerjiden yoksun son ürünler
CO2 H2O
Öncül moleküller Aminoasitler
Şekerler Yağ asitleri
Azotlu bazlar
Anabolizma
ADP + Pi NAD+
NADP+ FAD
ATP NADH
NADPH FADH2
Kimyasal enerji
57
Şimdi ileride ayrıntılı şekilde inceleyeceğimiz metabolizma olaylarını genel olarak ele
alacağız. Hans Krebs, besin maddelerinin oksidasyonundan enerji üretiminin, yani
katabolizmanın üç safhada gerçekleştiğini ileri sürmüştür. Birinci safhada besin
maddelerindeki büyük moleküller daha küçük birimlere parçalanır. Proteinler yirmi çeşit
aminoasitlere, polisakkaritler glukoz gibi basit şekerlere ve yağlar da gliserol ve yağ asitlerine
hidrolizlenirler. Bu olaylar sindirim sisteminde olduğu gibi, hücre içinde de gerçekleşir. Bu
safhada iş görecek enerji üretilmez. İkinci safhada, bu çok sayıdaki küçük moleküller,
metabolizmada merkezi rolleri olan birkaç basit bileşiğe dönüştürülür. Gerçekten şekerler,
yağ asitleri, gliserol ve bazı aminoasitler asetil CoA’ nın asetil grubuna çevrilir. Bu basamakta
substrat seviyesinde birkaç ATP sentezlenir fakat asetil CoA’ nın tümünün oksidasyonundan
elde edilecek ATP miktarının yanında çok az kalır. Üçüncü safha, sitrik asit (TCA) çevrimi
ve oksidatif fosforilasyondan ibarettir ve yakıt moleküllerinin yıkımındaki son ortak yolu
oluşturur. Bu çevrime, asetil CoA şekline getirilen asetil birimleri, tamamen CO2’ ye
yükseltgenir ve bu arada her bir asetil grubu başına dört çift elektron, 3 adet NAD+ ve 1 adet
de FAD’ ye transfer edilir. Daha sonra da bu elektronların NADH ve FADH2’ dan solunum
zinciri vasıtasıyla O2’ ye kadar akışı sonucu, oksidatif fosforilasyon adı verilen olayla ATP
sentezlenir. Besin maddelerinin yakılmasıyla meydana gelen ATP’ nin büyük bir bölümü bu
üçüncü safhada oluşur. Şekil 9.13’ de söz konusu katabolizma safhaları şematize edilmiştir.
Şekil 9.13. Besin maddelerinin katabolizma safhaları.
58
Anabolizma da katabolizmanın üçüncü safhadaki küçük yapı taşlarından başlayarak üç
safhada gerçekleşir. Mesela protein sentezi, sitrik asit devrinde yer alan α-keto asitlerinin
ikinci safhadaki aminasyonu ile meydana gelen α–amino asitlerden birinci safhada
gerçekleşir. İlerideki bölümlerde anlatacağımız gibi üçüncü safha hem katabolizma hem de
anabolizmanın ortak basamağıdır.
Katabolik ve anabolik olayların en önemli özelliklerinden birisi de aynı reaksiyon
basamaklarına sahip olmamalarıdır. Mesela glikojenin laktik aside çevrilmesi çok iyi bilinen
12 enzimatik basamakla gerçekleşmektedir. Fakat laktik asitten glikojen sentezinde, katabolik
12 enzimatik basamaktan 9’ u kullanılmakta ve 4 tane değişik enzim de görev almaktadır.
Aynı şekilde proteinler ve aminoasitler, yağ asitleri ve asetil CoA arasındaki katabolik ve
anabolik yollar da birbirinden farklıdır. Katabolizma için ayrı, anabolizma için ayrı iki
metabolik yol israf gibi görünmesine rağmen; katabolizma yolu enerji noktasından
anabolizma için uygun olmadığından farklı yollar mutlak bir ihtiyaçtan doğmaktadır. Çünkü
katabolizma enerji yönünden yokuş aşağı bir durum arzederken; sentez olayları yokuş yukarı
çıkmaya benzemektedir. Yokuştan aşağı itilen bir kaya parçası en kestirme yoldan dikine
inerken; aynı taşı yukarı çıkarırken takip edilecek ve en az enerji sarfedilecek yol mutlaka
farklı olacaktır.
Özellikle ökaryotik hücrelerde katabolizma ve anabolizma yolları, hücre içi yerleşim
noktalarında da farklılık gösterir. Mesela yağ asitlerinin asetil CoA’ ya kadar parçalanmasını
katalizleyen enzimler mitokondri matriksinde yer alırken; yağ asitlerinin asetil CoA’ dan
sentezi sitoplazmada bulunan enzimlerle gerçekleşir. Birbirine paralel katabolik ve anabolik
yolların hücrenin ayrı bölümlerinde yer alması, bu iki olayın birbirinden bağımsız olarak aynı
zamanda gerçekleşmesini sağlar.
Metabolizmanın hemen hemen bütün reaksiyonları bir diğerine bağlantılıdır çünkü bir
enzimatik reaksiyonun ürünü, bir sonraki reaksiyon serisinin substratı olur. Böyle reaksiyon
serileri metabolik moleküllerin spesifik fonksiyonel gruplarının enzimatik reaksiyonlarla
uzaklaştırılıp; alıcı moleküllere transferiyle mümkün olmaktadır. Ara metabolizmanın birçok
reaksiyonları amino, asetil, fosforil, metil, formil, karboksil gruplarının veya hidrojen
atomlarının basamak basamak transferlerini içermektedir.
9.7. METABOLİK YOLLARIN HÜCRE İÇİ KONTROLÜ Genellikle bir hücredeki katabolik hız, besin maddelerinin konsantrasyonlarından daha
çok ATP şeklindeki enerji ihtiyacı tarafından belirlenir. ATP oluşturan metabolik yollar
(katabolik); yüksek enerji yükü ile inhibe edilirken, ATP kullanan yollar (anabolik) yüksek
59
enerji yükü ile uyarılır. Kısacası, hücreler fonksiyonlarını yerine getirmek için gereken
enerjiyi üretecek miktarda yakıt yani besin maddesi kullanırlar. Aynı şekilde hücre
bileşenlerinin biyosentez hızı acil ihtiyaçlarına göre ayarlanır. Mesela, hücrelerdeki aminoasit
sentezi, protein sentezi için gerekli olan minimum seviyede aminoasit sağlayacak hızda
gerçekleşir. Özetle, hücredeki metabolizma olaylarında hiçbir besin maddesi israf edilmez,
ihtiyaç duyulan kadarı kullanılır, gerektiği kadar sentez yapılır. Kısacası, hücre maksimum
ekonomi prensiplerine uygun çalışan bir sistemdir.
Metabolik yolların düzenlenmesi çeşitli seviyelerde olur. Bunları komplekslik sırasına
göre ele alacağız.
1. En basit düzenleme tipi, enzimatik reaksiyon hızına etki eden parametreleri kapsar.
Multienzim serisindeki her bir enzimin karakteristik bir optimum pH’ sı, substratları, ürünleri
ve hatta koenzim veya metal iyonlarına özel ilgisi vardır. Hücrede böyle bir multienzim
sistemi reaksiyonlarının net hızı, her bir enzim konsantrasyonunun, hücre içi pH’ sının, her bir
ara bileşiğin ve aktivite için gerekli olan metal iyonu veya koenzimlerin konsantrasyonlarının
fonksiyonudur. Belirli bir metabolik yolun hızı da hücre içi pH’ yı değiştirebilen herhangi bir
hücre içi proses tarafından etkilenebilir. Aynı şekilde her bir metabolik ara bileşiğin hücre
içindeki konsantrasyonu, onun oluşum ve kullanılma hızlarının bileşkesidir. Bu da incelenen
enzim sisteminin aktivitesinin yanı sıra, bu ara bileşiği sentezleyen ve kullanan diğer
enzimatik reaksiyon hızlarına bağlıdır.
2. İkinci düzenleme mekanizması, enzimler konusunda incelediğimiz allosterik
enzimler tarafından gerçekleştirilir. Bu enzimlerin çoğu son ürün tarafından inhibe edilir
(feed–back inhibisyonu).
L-treonin B C D E L-izolösinL-treonin deaminaz
feed-back (geri beslenme) inhibisyonu
E2 E3 E4 E5
Bazıları da modülatörler tarafından aktive veya inhibe edilebilir. Mesela ADP, birçok
katabolizma reaksiyonlarındaki düzenleyici enzimleri aktive eder. Bazı allosterik enzimler
çok değerli olup; iki veya daha fazla reaksiyonun ürünlerine cevap verebilir. Anabolik ve
katabolik reaksiyon dizilerinin düzenleyici enzimleri ve bunları etkileyen faktörler farklı
olduğundan, bunlar birbirlerinden bağımsız olarak düzenlenir ve kontrol edilirler.
3. Metabolik düzenlenmenin üçüncü seviyesi enzim sentezi hızının genetik yoldan
kontrolüdür. Belirli bir metabolik yolun hızı, o yolda görev yapan enzimlerin hücre içi
konsantrasyonuna yakından bağlıdır. Bazı enzimlerin intrasellüler konsantrasyonu sabit iken,
60
bazılarının konsantrasyonu da belirli substratların varlığına bağlıdır. Bu enzimlerin sentezi ile
ilgili bilgileri taşıyan genler bir baskı altındadırlar ve bu baskı bazı bileşikler vasıtasıyla
ortadan kaldırılabilir. Hatta bir multienzim sistemindeki enzimlerin tamamının sentezi
beraberce baskılanabilir veya uyarılabilir. Çünkü bunların sentezi, DNA üzerindeki operon
adı verilen, birbirlerini takip eden genler tarafından şifrelenir. Bunlarda beraberce baskılanır
veya uyarılır. Özellikle bakterilerde bu mekanizma daha önemlidir. Kısacası metabolik yolun
hızı, genetik denetim altında bulunan enzim sentez hızı ile ilgilidir. Operonlar; bakterilerde
çok sayıda genlerin kümelendiği ve bu genlerin regülasyonunu da sağlayan dizilişleri taşıyan
gen bölgeleridir.
4. En kompleks seviyede metabolik kontrol, endokrin sistemi tarafından
gerçekleştirilir. Endokrin sisteminden, hedef doku ve organlardaki metabolik aktiviteleri
uyaran veya inhibe eden; hormon adı verilen kimyasal haberciler salgılanır. Mesela pankreas
tarafından salgılanan insülindeki yetersizlik, glukozun hücre içine girişini azaltır ve bunun
sonucu olarak keton cisimleri artar, yağ asitlerinin biyosentezi azalır. Az miktarda insülin
enjeksiyonu durumu düzeltir. Bugün birçok hormunun etki mekanizmaları bilinmektedir.
Bazıları hücre membranı yüzeyine bağlanır ve sinyaller oluşturarak hücre içi metabolizma
olaylarını ve DNA’ yı etkiler. Bazıları da hücre içine girerek, sitoplazma veya nükleusta
bulunan reseptör proteinlerine bağlanır. Oluşan kompleks DNA’ nın belirli bölgelerine
yapışarak, transkripsiyonu düzenlemektedir. Bölüm 14’ de hormonlar ve etki mekanizmaları
hakkında detaylı bilgi verilecektir.
61
10. BÖLÜM: KARBOHİDRAT METABOLİZMASI Bu bölümde, daha önce yapıları incelenen biyomoleküllerin metabolizması yani canlı
organizmada karşılaştıkları dönüşüm ve değişmeler karbohidratlardan başlanarak
anlatılacaktır.
Karbohidrat metabolizması sözü hemen hemen glukoz metabolizmasıyla eşdeğerdir.
Çünkü heterotroflar karbohidratların tamamına yakınını glukoz şeklinde alırlar. Diğer şeker
türleri (fruktoz, galaktoz, mannoz ve pentozlar) organizmada ya önce glukoza çevrilir ya da
glukoz metabolizmasına bir ara basamakta dahil olur.
Metabolizma olayları incelenirken, bunların insan biyokimyası ile ilgili bazı yönleri de
verilecektir. Bundan dolayı, bu bölüme karbohidratların sindirimi ile başlayıp; daha sonra
sırasıyla glukoz ve glikojenin pirüvat ve laktata kadar anaerobik oksidasyonu (anaerobik
glikoliz), sitrik asit (TCA) çevrimi ve glioksilat devirleri, oksidatif fosforilasyon, pentoz
fosfat yolu ve glukozun karbohidrat yapısında olmayan bileşiklerden sentezi
(glukoneogenez), glikojen yıkım ve sentez mekanizması açıklanacaktır. Ayrıca fotosentez
ve fotosentetik karbohidrat sentezi de anlatılacaktır.
10.1. KARBOHİDRATLARIN SİNDİRİMİ VE EMİLİMİ Sindirim; polisakkarit, protein, lipid ve nükleik asit gibi büyük moleküllerin emilimleri
ve metabolize olabilmeleri için sindirim kanalında enzimatik olarak daha küçük moleküllere
yıkımdır.
İnsan diyetindeki başlıca karbohidrat kaynakları; nişasta ve glikojen gibi α-glikozid
bağlarına ve glukoz birimlerine sahip olan polisakkaritler ile sükroz ve laktoz gibi
disakkaritlerdir. Karbohidratların sindirimi ağızda başlar (Şekil 10.1). Diyetteki
polisakkaritler ve disakkaritlerin monosakkaritlere yıkımı ince bağırsaktan emilmeleri için
zorunludur. Bunlar bir enzim serisi tarafından monosakkaritlere kadar hidrolizlenir (Şekil
10.1). Bu enzimler şunlardır:
1) Tükrük amilazı (α–amilaz); bir α(1→4) glikozidaz olup nişasta ve glikojeni
dallanmış ve düz zincir yapıda oligosakkaritlere (dekstrinlere) parçalarken çok az miktarda da
maltoz ve glukoz meydana gelir. Yiyeceğin ağızda kısa süreli kalışı ve bu enzimin de midede
aktivitesini kaybetmesinden (optimum pH) dolayı, diyetle alınan karbohidratların çok az bir
kısmı ağızda hidrolizlenir.
2) Pankreas salgısı ince bağırsağa giren materyali alkalileştirir. Pankreas amilazı;
diyetle alınan karbohidratların sindirilmesinden başlıca sorumlu olan enzimdir. Tükrük
62
amilazına benzer parçalayıcı özelliklere sahiptir. Pankreatik amilaz; başlıca maltoz, dekstrin
denilen oligosakkaritleri ve α(1→6) dallanma noktaları içeren amilopektin (limit dekstrin)
parçacıklarını açığa çıkarır.
3) Besinsel ve α–amilazların etkisiyle oluşan disakkaritler ve dekstrinlerin sindirimi
ince bağırsakta tamamlanır. İnce bağırsak epitel hücreleri mukozasının fırçamsı yüzeyince
salgılanan ve burada tutunmuş olarak fonksiyon gören maltaz, sükraz, laktaz ve α(1→6)
glikozidaz gibi oligosakkaridazlar sırası ile; maltoz, sükroz, laktoz disakkaritlerini ve limit
dekstrin yapısındaki α(1→6) glikozid bağlarını hidrolizler. Sonuçta, polisakkaritler ve
disakkaritler; glukoz, fruktoz ve galaktoza kadar hidrolizlenirler. Böylece oluşan
monosakkaritler epitel hücreleri içine taşınır; sonra kana geçerek dokulara aktarılır.
Şekil 10.1. Sindirim kanalı ve karbohidratların sindirimi. Sindirim kanalı duvarlarını döşeyen kasların
dalga şeklindeki kasılmaları, yiyeceklerin ve bunların sindirim ürünlerinin kanal boyunca
hareketini sağlar.
63
Bağırsaktan yalnız monosakkaritler emilebilir ve hücreler tarafından kullanılabilir.
Disakkaritler ve bazı polisakkaritler kana enjekte edildiği zaman hiçbir değişikliğe uğramadan
vücuttan atılırlar. Monosakkaritler farklı hızlarda emilirler. D–glukozun emilme hızını 100
alırsak; D–galaktoz 110, D–fruktoz 43, D–mannoz 19, D–ksiloz 15 ve D–arabinoz 9’ luk bir
hızla bağırsak duvarını aşarlar. Bunlardan glukoz ve galaktoz kan dolaşımındaki daha yüksek
bir konsantrasyona karşı serbest enerji kullanılmasıyla aktif olarak emilirken, diğerleri
kolaylaştırılmış difüzyonla geçer. Hayvan hücrelerinde glukozun hücre membranlarından
aktif olarak taşınmasını glukoz taşıyıcı (GLUT) adı verilen bir integral membran protein
ailesi gerçekleştirir. Bu taşıyıcı protein ailesinin farklı hücrelerde fonksiyon gören ve
GLUT1’ den 5’ e kadar isimlendirilen 5 üyesi vardır. Bunlar yapısal olarak benzerlik
göstermelerine rağmen, glukoza karşı afiniteleri ve insülin hormonuna karşı davranışları farklı
farklıdır. Mesela, GLUT1 ve GLUT3 hemen hemen bütün memeli hücrelerinde bulunur ve
bazal glukoz alımından sorumludur. GLUT2 karaciğer, böbrek, ince bağırsak ve pankreas
beta hücrelerinde bulunur. Glukozun hızlı alınması ve salınımında rol alır. GLUT5 ise,
bağırsak epitelyum hücresinin hem absorpsiyon yapan hem de kana glukoz aktaran
bölgelerinde yer alır ve Na+ iyonu gradientinin enerjisinden yararlanarak, glukozu Na+ iyonu
beraberliğinde taşır (Şekil 10.2). Böbrekte de GLUT5 benzer iş görür. GLUT4’ ün hücre
membranı üzerindeki sayısı insüline bağımlı olup, glukoz girişinin bu hormonca çok
arttırıldığı kas, yağ ve kalp hücrelerinde yer alır. Karaciğer ve pankreas hücrelerinde de
(glukoz için KM değeri yüksek olan), GLUT4 bulunur ve ancak yemek sonrası kanda glukoz
seviyesi çok yükseldiğinde devreye girer.
64
Şekil 19.2. Bağırsak epitelyum hücrelerinde glukozun aktif taşınması.
Absorpsiyondan sonra monosakkaritler taşıyıcı dolaşımla (portal dolaşım) karaciğere
ulaştırılır. Bağırsak tarafından emilen suda çözünebilir her bileşiğin ilk ulaştığı doku karaciğer
olup; diğer dokulara karaciğer tarafından alınmayanlar gider. Karaciğer karbohidratların
metabolize edildiği ana merkezdir. Karaciğerde glukoz hızla glikojen halinde depolanır ve
açlık döneminde kan glukoz seviyesinin normalde tutulması için çok önemli bir kaynak
görevini yapar. Dokulara giden glukoz ise hemen kullanılır. Ancak kasta kullanılmayan kısmı
hazır bir enerji kaynağı olan glikojen şeklinde depolanır. Karaciğer, depoladığı glikojeni iki
öğün arasında tekrar glukoza parçalayıp kana aktarır ve kandaki glukoz seviyesini normalde
tutmaya çalışırken, kas dokusu depoladığı glikojeni kendi acil enerji ihtiyacını karşılamada
kullanır (Şekil 10.3). Kandaki normal glukoz konsantrasyonu 65–110 mg/dL iken; bu
değerlerin altındaki seviyeye hipoglisemi, üstündeki seviyeye de hiperglisemi adı verilir.
Glukoz miktarı yaklaşık 170 mg/dL’ den yukarı çıkarsa, böbrek eşiğini aşarak idrara geçer.
Bu olaya glukozüri adı verilir.
65
Şekil 10.3. Kan glukozu kaynakları ve kullanımı
Besin
GLUKOZ KAYNAKLARI
glukoz, fruktoz, diğer karbohidratların sindirimi
Glukoz, fruktoz v.b. (karaciğerde)
Aminoasitler
Propiyonat
Diğer glukogenik bileşikler
Kas glikojeni
Laktik asit
Adipoz doku
Gliserol
Karaciğerde glukoneogenez
Karaciğerde glikojenin yıkımı
ÇEŞİTLİ DOKULARDA GLUKOZUN KULLANILMASI
Glikojen oluşumu
Karbohidratları içeren sentez
Yağ oluşumu
Katabolizma ile glukozun CO2 ve H2O’ ya yıkılması
KAN GLUKOZU Normal düzey: Karbohidratlı besinlerin emilmesinden sonra: 65–110 mg/100mL 120–130 mg/100mL Kan glukoz düzeyi 170–180 mg/100mL aştığında glukozuri ortaya çıkar.
66
10.2. GLİKOLİZ Glikoliz, bütün canlı hücre çeşitlerinde glukozun pirüvata çevrilmesi ve bir miktar ATP
üretimini gerçekleştiren reaksiyon serisine verilen isimdir. Glikolizde bir molekül glukoz bir
seri enzimatik reaksiyon ile iki molekül üç karbonlu bileşik olan pirüvata yıkılır. Bütün canlı
hücre çeşitlerinde glikoliz hemen hemen evrensel bir merkezi yoldur. Glikolizin birbirini
izleyen reaksiyonları sırasında, glukozun serbest enerjisinin bir kısmı ATP ve NADH şekline
dönüştürülür.
Glikoliz bazı memeli doku ve hücre tiplerinde örneğin eritrositler, beyin ve sperm
hücrelerinde tek metabolik enerji kaynağıdır. Nişastayı depolamak üzere özelleşen bazı bitki
dokuları (patates yumruları gibi) enerjilerinin büyük bir kısmını glikolizden sağlar. Birçok
anaerobik organizma tamamen glikolize bağımlıdır.
Glikolize Kısa Bir Bakış
Altı karbonlu glukozun iki molekül üç karbonlu pirüvata parçalanması on basamakta
olur. Bu reaksiyon basamaklarından ilk beşi hazırlık fazını oluşturur (Şekil 10.4.a). Glukoz
molekülünün iki molekül üç karbonlu pirüvat birimlerine bölünmesi için aktifleştirilmesinde
iki molekül ATP harcanır.
Özetle; glikolizin hazırlık fazında bileşiklerin serbest enerjileri artırılır ve matabolize
olan tüm heksozların (altı karbonlu şekerler) karbon zincirleri genel bir ürün olan iki molekül
gliseraldehid–3–fosfata dönüştürülür.
Enerji kazancı glikolizin hizmet fazında olur (Şekil 10.4.b). Glikolizin bu ikinci fazının
son ürünü pirüvattır. Her glukoz molekülü için hazırlık fazında 2 ATP harcanır ve hizmet
fazında 4 ATP üretilir; glukoz molekülü başına net verim 2 ATP’ dir. Enerji, hizmet fazında
her glukoz molekülü için 2 NADH şeklinde de saklanır. Hücrenin stoplazmasında olan
glikolizde oluşan NADH’ ler mitokondri iç membranına taşınır ve elektronlarını O2’ ye
aktararak ATP sentezlenir.
67
Şekil 10.4. Glikolizin iki fazı. a) Hazırlık fazı, b) Hizmet fazı.
68
Glikoliz için toplam reaksiyon aşağıdaki şekildedir.
Glukoz + 2NAD+ 2Pirüvat + 2NADH + 2H+ Go= -146 kj/mol 2ADP + Pi 2ATP + 2H2O Go= 2(+30.5kj/mol)
Glukoz + 2NAD+ + 2ADP + Pi 2Pirüvat + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O Go= -85 kj/molGo -20kcal/mol
Glikoliz, hücre içinde ve standart şartlar altında enerjide net bir azalma ile sürdürülerek
tamamlanan aslında dönüşümsüz bir işlemdir. Glikolizde bir glukoz molekülü için 2 ATP
oluşur. Enerjinin büyük kısmı pirüvatta kalır. Glikoliz, glukoz molekülünün toplam
enerjisinin küçük bir kısmını açığa çıkarır. Glukoz, CO2 ve H2O’ ya tam yükseltgendiği
(oksitlendiği) zaman standart serbest enerji değişimi –2840 kJ/mol’ dür. Bu nedenle, glukozun
iki pirüvat molekülüne glikolitik yıkımı (ΔGo= –146 kJ/mol), glukozun tam oksidasyonuyla
elde edilecek olan toplam enerjinin sadece (146 / 2840) x 100 = % 5.2’ sini açığa çıkarır.
Pirüvatın enerjisinin büyük kısmı sitrik asit çevrimi ve oksidatif fosforilasyon ile ATP’
nin serbest enerjisine dönüştürülür.
Glikoliz ile oluşan pirüvat üç yıkım yolundan biriyle daha ileri metabolize edilir.
Glikoliz aerobik organizmalar ve dokularda aerobik şartlarda glukozun tam oksidasyonunda
sadece ilk aşamadır (Şekil 10.5).
Şekil 10.5. Glikoliz ürünü pirüvatın olası üç katabolik sonu.
Glukoz
2 mol Piruvat Anaerobik şartlarda Anaerobik şartlarda
2 mol Etanol + 2 mol CO2 2 mol Laktat Mayada alkole fermentasyon Şiddetli kasılan kaslarda, Aerobik eritrositlerde, bazı hücrelerde ve şartlarda bazı mikroorganizmalarda laktata fermentasyon 2 mol CO2
2 mol Asetil CoA
4 mol CO2 + 4 mol H2O Aerobik şartlarda,
hayvan, bitki ve birçok mikrobiyal hücre
69
Aerobik şartlarda yani yeterli oksijen bulunması durumunda pirüvat, mitokondriye
girer ve oksidatif dekarboksilasyonu ile asetil CoA’ nın asetil grubunu oluşturur. Asetil grubu
daha sonra sitrik asit (TCA) çevrimi ve oksidatif fosforilasyon ile tamamen CO2 ve H2O’ ya
yükseltgenir. Bu yükseltgenmede açığa çıkan elektronlar asetil birimi başına 3 NADH ve 1
FADH2 tarafından H2O oluşturmak üzere mitokondride bir dizi taşıyıcı aracılığıyla solunum
zincirinde O2’ ye aktarılır. Elektron transfer reaksiyonlarından açığa çıkan enerji
mitokondride ATP sentezini sürdürür.
Eğer O2 yetersiz ise (yoğun kas faaliyeti ve mitokondrisi bulunmayan eritrositlerde)
pirüvat, laktata indirgenir. Glikojenin kaslardaki yıkımı sonucu oluşan laktat, kan dolaşımı ile
karaciğere taşınarak tekrar glikojene çevrilir. Karaciğer glikojeninden kan glukozuna, kas
glikojenine, laktata ve buradan tekrar karaciğer glikojenine kadar olan bu dönüşüme Cori
çevrimi adı verilir. Kasta glukozun laktata ve karaciğerde laktatın glukoza çevrildiği
reaksiyonların yer aldığı Cori çevrimi aşağıda şematik olarak gösterilmiştir (Şekil 10.6).
Glikojen Glukoz Glukoz Glikojen
Pirüvat
LaktatLaktat
Pirüvat
Karaciger Kas Dokusu-
K
A
N
Şekil 10.6. Cori çevrimi
Maya hücresi gibi bazı anaerobik organizmalarda pirüvat etanole dönüştürülür.
Glukozdan etanol ve laktat oluşumu fermentasyon örnekleridir. Fermentasyon; organik
bileşiklerin hem elektron vericisi, hem de elektron alıcısı olarak davrandığı ATP üreten
olaydır. O2 yokluğunda da gerçekleşebilir.
Glikoliz reaksiyonlarının tamamı 1940’ larda aydınlatılmıştır. Bu konuda katkısı olan
başlıca biyokimyacılar Gustav Embden, Otto Meyerhof, Carl Neuberg, Jacop Parnas, Otto
Warburg, Getty Cori ve Carl Cori adlı bilim adamlarıdır.
70
10.2.1. Glikoliz Reaksiyonları
Glikolizin hazırlık fazında iki molekül ATP harcanır ve heksoz zinciri iki trioz fosfata
bölünür. Glikoliz yolu reaksiyonları hücre stoplazmasında meydana gelmektedir. Glukozun,
fruktoz–1,6–bisfosfata dönüşmesinden ibaret olan ilk safhası bir fosforilasyon, bir
izomerleşme ve ikinci bir fosforilasyon reaksiyonlarını kapsamaktadır. Glikolizdeki bu
başlangıç reaksiyonlarının hedefi, fosforillenmiş üç karbon birimlerine parçalanacak yapıda
bir bileşik oluşturmaktadır. Daha sonra bu üç karbonlu birimlerden kullanılabilecek kimyasal
enerji çıkarılmaktadır.
O H
OH
H
OH
OH
H
H
OH
CH2OH
H OCH2OPO3
-2
OH
OH
H
H
OH
CH2OPO3-2
H
Glukoz Fruktoz-1,6-bisfosfat
1. Glukozun Fosforillenmesi
Glukoz hücrelere, daha önce anlatılan taşıyıcı proteinler aracılığıyla aktif taşıma sistemi
ile girer. Hücreye dahil olan glukoz ATP tarafından fosforillenerek glukoz–6–fosfota (G–6–P)
çevrilir. Bu şekilde glukozun hücre dışına çıkışı engellenmiş ve hücre içi konsantrasyonu da
azaltılarak, ekstrasellüler ortamdan pasif taşıma glukoz girişi kolaylaştırılmış olur. ATP’ den
fosforil grubunun glukozun 6 no’ lu karbonuna transfer reaksiyonu hekzokinaz enzimi
tarafından katalizlenir.
O H
OH
H
OH
OH
H
H
OH
CH2OH
H
Glukoz
HekzokinazMg+2
+ ATP
O H
OH
H
OH
OH
H
H
OH
CH2OPO3-2
H
Glukoz-6-fosfat
+ ADP + H+ Go= -16.7 kj/mol
Fosforil grubu transferi biyokimyada temel bir reaksiyondur. ATP’ den bir alıcı bileşiğe
fosforil grubu transferini gerçekleştiren enzimlere kinaz adı verilir. Kinazlar, transferazların
bir alt grubudur. Hekzokinaz, glukozun yanı sıra diğer bazı heksozlara (D–fruktoz,
71
D–mannoz) da fosforil grubu transfer edebilen bir enzimdir. Diğer kinazlarda olduğu gibi,
hekzokinaz da aktivitesi için Mg+2 gibi iki değerlikli metal iyonlarına ihtiyaç duyar. D-glukoz
ve ATP’ den glukoz-6-fosfat sentezini katalizleyen bir diğer enzim glikokinazdır. Bu enzim
glukoza özgüdür. Glukokinaz karaciğerde bulunur ve glukoz düzeyi yükselince aktivite
gösterir. Glikokinazın görevi: 1) Glikojen sentezi, 2) Pentoz fosfat yolu için glukoz–6–fosfat
sağlamaktır. Hekzokinaz ve glikokinaz aktiviteleri farklı şekilde düzenlenir ve metabolizmada
farklı rolleri vardır.
2. Glukoz–6–fosfatın Fruktoz–6–fosfata Dönüşmesi
Glikolizin ikinci reaksiyonu, glukoz–6–fosfatın fruktoz–6–fosfata (F–6–P)
izomerleşmesidir. Burada glukoz–6–fosfatın altı atomlu piran halkası, fruktoz–6–fosfatın beş
atomlu furan halkasına çevrilmektedir.
O H
OH
H
OH
OH
H
H
OH
CH2OPO3-2
H
Glukoz-6-fosfat
Go= +1.7 kj/molFosfoglukoz izomerazO
CH2OH
OH
OH
H
H
OH
CH2OPO3-2
H
Fruktoz-6-fosfat
3. Fruktoz–6–fosfatın fruktoz–1,6–bisfosfata Fosforillenmesi
Bir önceki basamağı ikinci bir fosforilasyon basamağı takip eder ve fruktoz–6–fosfat
ATP tarafından fruktoz–1,6–bisfosfata (F–1,6–BP) fosforillenir.
OCH2OH
OH
OH
H
H
OH
CH2OPO3-2
H
Fruktoz-6-fosfat
Fosfofruktokinaz-I+ ATP + ADP + H+ Go= -14.2 kj/mol
OCH2OPO3
-2
OH
OH
H
H
OH
CH2OPO3-2
H
Fruktoz-1,6-bisfosfat Hücre şartlarında dönüşümsüz olan bu reaksiyon allosterik bir enzim olan
fosfofruktokinaz–I tarafından katalizlenir. İleride de izah edileceği gibi, glikoliz yolunun hızı
bu enzimin aktivite seviyesiyle yakından alakalıdır. Bu enzim, fruktoz–6–fosfatı; fruktoz–
72
2,6–bisfosfata çeviren fosfofruktokinaz–2 enziminden farklıdır. Fosfofruktokinaz–I, hücrede
oluşan fruktoz-6-fosfatların tamamına yakınını fosforiller.
4. Fruktoz–1,6–bisfosfatın Bölünmesi
Glikolizin ikinci safhası dört basamakta gerçekleşir. İlk reaksiyonla fruktoz–1,6–
bisfosfat aldolaz enzimi katalizörlüğünde gliseraldehid–3–fosfat (GA–3–P) ve
dihidroksiaseton fosfata (DHAP) parçalanır. Glikolizin bundan sonraki basamakları üç
karbonlu bileşiklerle devam eder. Aldolaz enzimi ismini, aşağıdaki reaksiyonun tersine
yürümesi aldol kondenzasyonu olmasından almaktadır.
Go= +23.8 kj/mol
Fruktoz-1,6-bisfosfat
AldolazC
CH2OPO3-2
CH2OH
O +
C
H O
C
CH2OPO3-2
OHH
Dihidroksiaseton fosfat Gliseraldehid-3-fosfat
C O
CH2OPO3-2
C
C
C
CH2OPO3-2
HHO
OHH
OHH
5. Trioz Fosfatların Birbirine Dönüştürülmesi
Gliseraldehid–3–fosfat glikoliz yolunun bir ara bileşiği iken, onun izomeri olan
dihidroksiaseton fosfat bu yolda doğrudan yer almaz. Fakat DHAP, trioz fosfat izomeraz
enziminin katalizörlüğünde hemen gliseraldehid–3–fosfata dönüştürülür. Bu reaksiyon
dönüşümlü ve çok hızlıdır. Reaksiyon dengesi % 96 DHAP lehine olmasına rağmen,
gliseraldehid–3–fosfatın hemen kullanılması yüzünden reaksiyon sağ tarafa doğru kolayca
yürür.
Go= +7.5 kj/molC
CH2OPO3-2
CH2OH
O
C
H O
C
CH2OPO3-2
OHH
Dihidroksiaseton fosfat Gliseraldehid-3-fosfat
Trioz fosfatizomeraz
73
Böylece, bir glukoz molekülünden iki molekül gliseraldehid–3–fosfat meydana gelmiş
olur. Buraya kadar ki reaksiyonlarda henüz hiçbir enerji elde edilmemiştir. Aksine, 2 molekül
ATP harcanmıştır.
Glikolizin hizmet fazı ATP ve NADH üretir. Glikolizin hizmet fazı (Şekil 10.4.b),
glukoz molekülünde ATP şeklinde saklanan serbest enerjinin bir kısmını içeren enerji
saklayan fosforillenme basamaklarını içerir. İki molekül gliseraldehid–3–fosfatın iki molekül
pirüvata çevrilmesi, ADP’ den dört molekül ATP oluşumuyla birlikte gider. Fakat parçalanan
her glukoz molekülü başına ATP’ nin net verimi sadece ikidir. Çünkü iki ATP glikolizin
hazırlık fazında glukoz molekülünün iki ucunu fosforillemek için kullanılmıştır.
6. Gliseraldehid–3–fosfatın 1,3–Bisfosfogliserata Yükseltgenmesi
Bundan sonraki reaksiyonlarla gliseraldehid–3–fosfatın ihtiva ettiği enerji açığa
çıkarılmaktadır. Bunlardan birincisi, gliseraldehid–3–fosfatın yükseltgenip fosforillenmesi
sonucu; 1,3–bisfosfogliserata (1,3–BPG) çevrilmesidir. Bu reaksiyonu gliseraldehid–3–fosfat
dehidrogenaz enzimi katalizlemektedir. Bu reaksiyon, fosfata (PO4-3) benzerliği dolayısıyla
arsenat (AsO4-3) iyonu tarafından inhibe edilir.
Go= +6.3 kj/mol
C
H O
C
CH2OPO3-2
OHH
Gliseraldehid-3-fosfat
+ NAD+ + Pi + NADH + H+
C
OPO3-2O
C
CH2OPO3-2
OHH
1,3-Bisfosfogliserat
Gliseraldehid-3-fosfatdehidrogenaz
Buradaki redoks reaksiyonu sonucunda yüksek enerjili bir fosfat bağı meydana
gelmektedir. Aldehid→karboksilik asit yükseltgenmesiyle elektronlar NAD+’ e verilirken,
açığa çıkan enerji de fosforilasyonda kullanılmaktadır.
7. 1,3–Bisfosfogliserattan ADP’ ye Fosforil Transferi ve 3–Fosfogliseratın Oluşumu
Bu basamak; 1,3–bisfosfogliserattaki yüksek enerjili fosfat bağının ADP’ ye transferiyle
ATP’ nin sentezlendiği reaksiyondur.
74
C
OPO3-2O
C
CH2OPO3-2
OHH
1,3-Bisfosfogliserat
+ ADP + ATPFosfogliserat kinaz
C
O-O
C
CH2OPO3-2
OHH
3-Fosfogliserat
Go= -18.5 kj/mol
Fosfogliserat kinaz enzimi tarafından katalizlenen bu reaksiyon substrat seviyesinde
ATP’ nin sentezlendiği bir basamaktır. Canlı organizmalarda ATP başlıca; 1) Substrat
seviyesinde fosforilasyon, 2) Oksidatif fosforilasyon, 3) Fotosentetik fosforilasyon
(fotosentez) olmak üzere 3 yolla sentezlenmektedir. İleride ayrıntılı olarak ele alacağımız
oksidatif fosforilasyon, mitokondri iç membranındaki elektron taşıma zinciri vasıtasıyla
NADH ve FADH2’ deki elektronların O2’ ye iletilmesi esnasında açığa çıkan redoks
enerjisinden kemozmotik bir mekanizma ile ATP sentezlenmesidir. Substrat seviyesindeki
fosforilasyon ise, reaksiyonlar sonucu ara bileşiklerde oluşan yüksek enerjili fosfat bağının
ADP’ ye transferiyle ATP’ nin meydana gelmesidir.
8. 3–Fosfogliseratın 2–Fosfogliserata Çevrilmesi
Glikoliz yolunun son safhasında 3–fosfogliserat üç reaksiyonla pirüvata çevrilmekte ve
ikinci bir ATP oluşmaktadır. Fosfogliseromutaz enzimi katalizörlüğünde molekül içi
düzenleme ile 3–fosfogliserat, 2–fosfogliserata (2–PG) dönüştürülmektedir. Biyokimyasal
reaksiyonlarda molekül içinde bir grubun kaydırılmasını katalizleyen enzimlere mutaz adı
verilir.
FosfogliseromutazC
O-O
C
CH2OPO3-2
OHH
3-Fosfogliserat
Go= +4.4 kj/mol
C
O-O
C
CH2OH
OPO3-2H
2-Fosfogliserat
9. 2–Fosfogliseratın Fosfoenolpirüvata Dehidrasyonu
Bundan sonraki reaksiyon 2–fosfogliseratın dehidrasyonu ile fosfoenolpirüvat (PEP)
oluşumudur. Enolaz enzimin katalizlediği bu reaksiyon sonucu, yüksek bir fosforil grubu
aktarma potansiyeline sahip olan bir enol fosfat bileşiği meydana gelmektedir.
75
Go= +7.5 kj/mol
C
O-O
C
CH2
OPO3-2
Fosfoenolpirüvat
C
O-O
C
CH2OH
OPO3-2H
2-Fosfogliserat
H2O
Normal bir alkol fosfat esterinin hidrolizlenme ΔGo değeri –12.6kJ/mol iken,
fosfoenolpirüvatınki ise –61.9 kJ/mol civarındadır. Bu artışın sebebi, fosforil grubunun
aktarılmasıyla beraber enolün bir ketona yani pirüvata dönüşmesidir.
10. Fosforil Grubunun Fosfoenolpirüvattan ADP’ ye Transferi ve Pirüvat Oluşumu
Glikoliz yolunun son reaksiyonu, fosfoenolpirüvatın bir ATP oluşumu beraberliğinde
pirüvata dönüştürülmesidir. Bu basamak pirüvat kinaz enzimi tarafından katalizlenmektedir
ve dönüşümsüzdür.
Go= -31.4 kj/molPirüvat kinaz
C
O-O
C
CH2
OPO3-2
Fosfoenolpirüvat
COO-
C
CH3
Pirüvat
O+ ADP + H+ + ATP
10.2.2. Glikoliz Yolunun Enerji Bilançosu
Bir glukoz molekülünün iki molekül pirüvata dönüşümü olayının net reaksiyon
denklemi:
Glukoz + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2Pirüvat + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O Go= -85kj/mol şeklindedir. Böylece glukozun pirüvata dönüştürülmesi sonucu, iki molekül ATP’ de
sentezlenmiş olmaktadır. Glikoliz olayında ATP’ nin harcandığı ve sentezlendiği basamaklar
Tablo 10.1’ de yer almaktadır.
76
Tablo 10.1. Glikoliz yolunda ATP’ nin harcandığı ve sentezlendiği reaksiyonlar
Reaksiyon Glukoz başına ATP değişmesi
Glukoz → Glukoz–6–fosfat Fruktoz–6–fosfat → Fruktoz–1,6–bisfosfat 2 mol (1,3–Bisfosfogliserat → 3–Fosfogliserat) 2 mol (Fosfoenolpirüvat → Pirüvat)
-1 -1 +2 +2
TOPLAM +2
10.2.3. Glikoliz MetabolikYolunun Kontrol Mekanizması
Hayvansal organizmalarda glikolizin ikisi yakıt metabolizmasıyla ilgili olmak üzere üç
farklı rolü vardır: 1) Oksijen yokluğunda glukozu ATP sentezlemek üzere yıkmak (anaerobik
glikoliz), 2) Glukozu pirüvata çevirerek sitrik asit çevriminde tam yakılacak hale getirmek
(aerobik glikoliz), 3) Uzun zincirli yağ asitleri, aminoasitler ve fosfolipidler gibi bileşiklerin
sentez reaksiyonları için yapı taşları oluşturmak. Glukozun pirüvata çevrilme hızı da hücrenin
bu üç ihtiyacını karşılayacak şekilde düzenlenir. Metabolik yollarda dönüşümsüz
reaksiyonları katalizleyen enzimler metabolizmanın kontrol noktalarıdır. Glikolizde;
hekzokinaz, fosfofruktokinaz-I ve pirüvat kinaz tarafından katalizlenen reaksiyonlar gerçek
anlamda dönüşümsüzdür. Bu yüzden her üç enzim de glikolizin kontrol noktalarını teşkil
etmektedir.
Metabolik yolların düzenlenmesinde dokudan dokuya farklılıklar da gözlenir. Çünkü
her dokunun öncelikleri farklı olabilir. Mesela kas ve karaciğer dokuları, glukozu glikoliz
yoluyla farklı bir amaç için pirüvata kadar yıkarlar. Kasın hedefi glukozdaki tüm kimyasal
enerjiyi açığa çıkararak kullanmak iken; karaciğer, glukozu yağ asitlerini sentezleyeceği yapı
taşlarına (asetil CoA) dönüştürür. Kanda glukoz seviyesi düştüğü zaman karaciğerde glikoliz
inhibe edilir. Çünkü kana glukoz sağlamak üzere senteze başlamıştır. Fakat açlık durumunda
da bir hayvansal organizma, yoğun kas aktivitesine ihtiyaç duyar. Yakıt olarak kastaki glukoz
deposu olan glikojeni kullanır ve aktif bir glikoliz olayı gerçekleştirir. Yani karaciğerde
glikolizin inhibe edildiği aynı şartlarda, kas hücrelerinde glukoz yıkımı çok etkili olabilir. Bu
ise her iki dokuda glikolizin farklı düzenlenmesiyle mümkündür. Düzenlenme farklılığı birkaç
seviyede gerçekleşebilir. Birincisi, düzenleyici enzimin farklı dokularda farklı izomerleri
görev yapabilir. İkincisi de, dokuların dış sinyallere, özellikle hormonlara karşı cevap
oluşturmasıdır. Bu husus ileride daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır.
Fosfofruktokinaz–I, glikolizin en önemli kontrol elemanıdır. Glikoliz hızı başlıca
fosfofruktokinaz–I aktivite düzeyi ile kontrol edilir. Bu enzim, yüksek ATP seviyesinde,
77
allosterik olarak inhibe edilir ve enzimin fruktoz–6–fosfata afinitesi azalır. Yüksek bir ATP
konsantrasyonu, enzimin fruktoz–6–fosfata ilgisini azaltır ve hiperbolik karakterde olan
bağlanma eğrisini sigmoid şekle dönüştürür (Şekil 10.7). Bu allosterik etki katalitik bölgenin
uzağında yer alan oldukça spesifik bir düzenleyici bölgeye bağlanmakla gerçekleştirilir. ATP’
nin inhibisyon etkisi AMP tarafından önlenir ve enzim aktivitesi ATP/AMP oranının
düşmesiyle tekrar artar. Diğer bir deyişle glikoliz, hücrenin enerji yükü azaldığında yeniden
uyarılır.
Şekil 10.7. Fosfofruktokinaz–I’ in allosterik kontrolü: Yüksek
ATP konsantrasyonu enzimin fruktoz–6–fosfata olan ilgisini
azaltır. AMP, ATP’ nin inhibisyon etkisini azaltırken sitrat da
artırır.
Önceden de söylediğimiz gibi glikoliz yolu vasıtasıyla biyosentez için kullanılacak
karbon iskeletleri de üretilir ve bu yüzden fosfofruktokinaz–I’ in aktivitesi yapı taşlarının
bolluğu veya azlığına göre de düzenlenmesi beklenir. Gerçekten bu enzim, sitrik asit
çevriminin ilk ara bileşiği olan sitrat tarafından inhibe edilir. Yüksek bir sitrat seviyesi,
biyosentetik ön maddelerin bol olduğuna bir işarettir ve glukozun yıkımına ihtiyaç olmadığını
bildirir. Sitrat, ATP’ nin inhibisyon etkisini kuvvetlendirir. Fosfofruktokinaz-I, hücrenin
enerji veya karbon iskeleti ihtiyacı durumunda oldukça aktiftir, her ikisinin de bol olduğu
şartlarda glikoliz olayı hemen hemen durur.
Fosfofruktokinaz-I’ in en önemli allosterik regülatörü, fruktoz–2,6–bisfosfattır. Bu
bileşik, enzimi kuvvetlice aktive eder. Fruktoz–2,6–bisfosfat (F–2,6-BP) fosfofruktokinaz–2
enzimi tarafından katalizlenen bir reaksiyonla, fruktoz–6–fosfatın fosforilasyonuyla oluşur.
Bu bileşik, fruktoz–2,6–bisfosfataz enzimi tarafından tekrar fruktoz–6–fosfata hidroliz edilir.
Ayrıca fosfofruktokinaz–I ve fruktoz–2,6–bisfosfatazın aktiviteleri, karşılıklı olarak tek
bir serin kalıntısının fosforilasyonu ile kontrol edilir. Glukoz seviyesi düştüğünde, kan
glukagon hormonu seviyesi artar ve bu da karaciğerde bu bifonksiyonel enzimin
fosforilasyonuna sebep olur. Bu kovalent modifikasyon fosfofruktokinaz–I’ i inhibe ve
fruktoz–2,6–bisfosfatazı aktive eder. Sonuçta düşük fruktoz–2,6–bisfosfat seviyesine yol açar
ve glikoliz inhibe edilir. Tersine kan glukoz seviyesi yükselirse; enzim, insülin etkisiyle bağlı
Düşük [ATP]
Yüksek [ATP]
78
fosfat grubunu kaybeder ve F–2,6-BP seviyesi artar, onu takıben glikoliz hızlanır. Kas dokusu
glukagon hormonu reseptörleri taşımadığından bu inhibisyona maruz kalmaz.
Pirüvat kinaz da glikoliz hızını düzenleyen bir enzimdir. Kas ve karaciğerde pirüvat
kinaz, ATP tarafından allosterik olarak inhibe edilir ve böylece yüksek enerji yükü
durumunda fosfoenolpirüvatın pirüvata çevrilmesi bloke edilir. Ayrıca karaciğer pirüvat
kinazı, glukagon ve epinefrinin etkisiyle cAMP aracılığıyla fosforillenir ve inhibe olur. Aynı
etki kas pirüvat kinazında görülmez. Bir canlıda aynı reaksiyonu katalizleyen ve farklı
kimyasal yapıya sahip olan enzimlere izoenzim adı verilir. İzoenzimlerin aktiviteleri, substrat,
kofaktör ve inhibitörlere ilgileri farklıdır. Pirüvatın aminasyon (–NH2 grubu takılması) ürünü
olan alanin de bu enzimi inhibe eder. Çünkü alanin çokluğu pirüvat çokluğuna işaret eder.
Hekzokinaz da, glukoz–6–fosfat tarafından allosterik olarak inhibe edilir.
Fosfofruktokinaz inhibe edildiği zaman, hücrede glukoz–6–fosfat konsantrasyonu yükselir ve
hekzokinaz otomatikman inhibe edilir. Fakat karaciğerde yüksek glukoz–6–fosfat
seviyelerinde de glukoz fosforillenerek glukoz–6–fosfata çevrilir. Bu işi hekzokinazın bir
izoenzimi olan glukokinaz enzimi gerçekleştirir. Bu enzimin glukoz için KM değeri diğer
hekzokinazdan daha büyüktür ve glukoz düzeyi yükselince aktivite gösterir. Bu yüzden
glukokinaz yüksek glukoz konsantrasyonunda etkili olabilir. Bu enzimin hücre içi miktarı
karbohidratça zengin diyet ve insülin tarafından artırılır. Aynı zamanda glukokinaz,
hekzokinazdan farklı olarak kendi ürünü olan glukoz–6–fosfat tarafından inhibe edilmez. Bu
enzimin görevi glukozun depolanma şekli olan glikojen sentezi ve pentoz fosfat yolu için
glukoz–6–fosfat sağlamaktır.
Fosfofruktokinaz glikoliz hızını belirlemekte niçin hekzokinazdan daha etkilidir? Bu
sorunun cevabı, glukoz–6–fosfatın yalnız glikoliz ara bileşiği olarak değil de, glikojen sentezi
ve pentoz fosfat yolu için de gerekli olmasının altında yatmaktadır.
10.2.4. Glukoz Dışındaki Diğer Monosakkaritlerin Glikolize Girişi
İnsan besinindeki karbohidratların önemli bir kısmı fruktozdan ibarettir. Fruktoz, günde
ortalama 100 gram kadar sükrozun bileşeni halinde diyetle alınır. Balda, sebze ve meyvelerde
monosakkarit halinde bol bulunur. Fruktozun hücre içine girişi insülinden bağımsızdır ve
glukozdan bir başka farklılığı da insülin salgılanmasını uyarmamasıdır. Sindirim yoluyla ince
bağırsaklardan kana karışan fruktozun büyük bir kısmı, karaciğerde fruktoz–1–fosfat
metabolik yolunda metabolize edilir. Bu yolun ilk basamağı fruktozun 1 no’ lu karbonunun
fruktokinaz ile fosforilasyonudur.
79
Fruktoz + ATP Fruktoz-1-fosfat + ADP + H+Mg+2
Fruktokinaz Meydana gelen fruktoz–1–fosfat, daha sonra fruktoz–1–fosfat aldolaz enzimi
tarafından D-gliseraldehid ve dihidroksiaseton fosfata parçalanır.
Fruktoz-1-fosfat
Fruktoz-1-fosfat aldolazC
CH2OPO3-2
CH2OH
O +
C
H O
C
CH2OH
OHH
Dihidroksiaseton fosfat(DHAP)
D-Gliseraldehid
C O
CH2OPO3-2
C
C
C
CH2OH
HHO
OHH
OHH
Burada oluşan serbest D–gliseraldehid, triozkinaz tarafından gliseraldehid–3–fosfata
fosforillenir.
Gliseraldehid + ATP Gliseraldehid-3-fosfat + ADPMg+2
Triozkinaz Böylece oluşan dihidroksiaseton fosfat (DHAP) ve gliseraldehid–3–fosfat (GA–3–P)
glikolizin ara ürünleri olarak pirüvata kadar yıkılırlar. DHAP, GA–3–P’ a izomerleşir ve
glikoliz yoluna devam eder.
Dihidroksiaseton fosfat Gliseraldehid-3-fosfatTrioz fosfat
izomeraz
Fruktoz, hekzokinaz vasıtasıyla da fruktoz–6–fosfata fosforillenebilir:
Fruktoz + ATP Fruktoz-6-fosfat + ADP + H+Mg+2
Fruktoz–6–fosfat glikoliz yolu ara ürünüdür. Ancak hekzokinazın glukoza ilgisi
fruktozdan 20 kat daha büyüktür. Karaciğerde glukoz seviyesi yüksek olduğundan, fruktozun
fruktoz–6–fosfata dönüşümü çok az miktarda gerçekleşir. Yağ dokusunda fruktoz seviyesi
glukozdan çok daha yüksektir ve fruktozun büyük kısmı fruktoz–6–fosfat üzerinden
metabolize edilir.
Sorbitol, glukoz ve onun keton izomeri olan fruktozun şeker alkolüdür. Sorbitol yolu
adı verilen iki enzimin görev yaptığı reaksiyonlarla, hayvan organizmasında, glukoz fruktoza
çevrilebilir. Önce aldoz redüktaz enzimi,
80
Glukoz + NADPH + H+ Sorbitol + NADP+
dönüşümünü sağlar. Aldoz redüktaz enzimi; eritrosit, böbrek, göz lensi, retinada bulunur ve
şeker hastalarında hücre içi glukoz miktarı çok yükseldiğinden, özellikle lenste ve retinada bol
miktarda sorbitol yığılması ve sonucunda ozmotik basınç artışı meydana gelerek görme
kusurlarına yol açabilir. Sorbitol bazı hücrelerde sorbitol dehidrogenaz enzimi aracılığıyla
fruktoza dönüştürülür:
Sorbitol+ NAD+ Fruktoz + NADH + H+
Sperm hücreleri gibi beslenmesinde fruktoza bağımlı olan hücreler için glukozdan
fruktoz sentezi bu iki enzim tarafından gerçekleştirilir.
Bir monosakkarit olan galaktoz, süt şekeri olan laktozun hidroliziyle meydana gelir.
Galaktoz, 4 basamakta enzimatik reaksiyonla glukoz–6–fosfata dönüşür (Şekil 10.8). İlk
basamakta galaktoz, galaktokinaz vasıtasıyla galaktoz–1–fosfata fosforillenir:
Galaktoz + ATP Galaktoz-1-fosfat + ADP + H+Mg+2
Galaktokinaz Bu enzim, başta karaciğer olmak üzere birçok dokuda bulunur. İkinci basamakta
galaktoz–1–fosfat, üridil transferaz tarafından katalizlenen aşağıdaki reaksiyonla UDP–
galaktoz meydana gelir. Bu enzimin eksikliğinde galaktozemi adı verilen genetik hastalık
meydana gelir.
Galaktoz-1-fosfat + UDP-Glukoz UDP-Galaktoz + Glukoz-1-fosfatÜridiltransferaz
81
Şekil 10.8. Galaktozun, glukoz–1–fosfata dönüştürülmesi. Dönüşüm bir şeker–nükleotid türevi olan
UDP–glukozdan; galaktoz–1–fosfatın glukoz–1–fosfatla yer değiştirmesi sonucunda
oluşan, UDP–galaktoz aracılığıyla olur. UDP–galaktoz daha sonra UDP–glukoz–
epimerazla UDP–glukoza dönüştürülür. UDP–glukoz diğer tur için çevrime girer.
Daha sonra, UDP–galaktoz, UDP–galaktoz–4–epimeraz vasıtasıyla UDP–glukoza
dönüşür. NAD+ bu basamakta koenzim olarak görev yapar.
UDP-Galaktoz UDP-GlukozNAD+
UDP-Glukoz4-epimeraz
82
Böylece 2. basamakta kullanılan UDP–glukoz tekrar kazanılmış olur. Son basamakta
glukoz–1–fosfat fosfoglukomutaz vasıtasıyla glukoz–6–fosfata dönüşür ve bu da glikolize
girer.
Glukoz-1-fosfatFosfoglukomutaz
Glukoz-6-fosfat UDP–galaktoz, aktifleşmiş galaktoz birimi vericisi olarak süt bezlerinde laktoz
senteziyle glikoproteinlerin ve glikolipidlerin yapımında rol alır.
Mannoz, diyetle alınan karbohidratlarda monosakkarit halinde çok az bulunur ve doğal
besinlerdeki polisakkaritler ve glikoproteinlerin sindiriminden ortaya çıkar. D–mannoz
hekzokinaz vasıtasıyla fosforillenir.
Mannoz + ATP Mannoz-6-fosfat + ADPHekzokinazMg+2
D–mannoz–6–fosfat, mannoz fosfat izomeraz beraberliğinde dönüşümlü olarak bir
glikoliz ara ürünü olan fruktoz–6–fosfata izomerize edilir:
Mannoz-6-fosfat Fruktoz-6-fosfatMannoz fosfat izomeraz
Vücut ihtiyacı olan mannozu da bu reaksiyon dönüşümü ile sağlar.
10.2.5. Pirüvatın Etanol, Laktat ve Asetil CoA’ ya Çevrilmesi
Glukozun pirüvata çevrilmesini gerçekleştiren reaksiyon serisi bütün organizmalarda ve
her çeşit hücrede hemen hemen aynıdır. Bunun aksine metabolik enerjinin elde edilmesi için
pirüvatın daha sonraki geleceği farklılık arzetmektedir. Şimdi pirüvatın maruz kaldığı üç
metabolik yolu özetleyelim:
1. Maya hücrelerinde ve bazı mikroorganizmalarda pirüvattan, etanol sentezlenir. Bu
dönüşümün ilk reaksiyonu pirüvatın dekarboksilasyonudur.
Pirüvat + H+ Asetaldehid + CO2Pirüvat dekarboksilaz
TPP Bu reaksiyon koenzim olarak tiamin pirofosfat (TPP) içeren pirüvat dekarboksilaz
enzimi tarafından katalizlenir (Şekil 8.2.). Pirüvat dekarboksilaz karakteristik olarak bira ve
ekmek mayasında, bazı bitkiler dahil alkol fermentasyonu yapan diğer tüm organizmalarda
vardır. İkinci reaksiyon ise asetaldehidin etanole indirgenmesidir. Bu reaksiyon koenzim
olarak NAD+ içeren alkol dehidrogenaz tarafından katalizlenmektedir. İnsan dahil, alkolü
metabolize eden pek çok organizmada alkol dehidrogenaz vardır. Bu enzim, insan
karaciğerinde diyetle alınan veya barsak mikroorganizmalarının ürettiği etanolün
yükseltgenmesini, NAD+’ nin NADH’ ye indirgenmesiyle katalizler.
83
COO-
C
CH3
Pirüvat
O
H+ CO2
OC
CH3
Asetaldehid
NADH + H+ NAD+
HC
CH3
Etanol
OHHPirüvat dekarboksilaz
TPPAlkol dehidrogenaz
H
Glukozun etanole çevrilmesi olayına alkolik fermentasyon adı verilir. Bu anaerobik
prosesin net reaksiyonu şöyledir:
Glukoz + 2Pi + 2ADP + 2H+ 2Etanol + 2CO2 + 2ATP + 2H2O Net reaksiyonda NAD+ ve NADH’ ın bulunmadığı görülmektedir. Asetaldehidin etanole
indirgenmesiyle oluşan NAD+, glikolizde gliseraldehid–3–fosfat dehidrogenaz enzimi
tarafından katalizlenen 1,3–bisfosfogliserat oluşumu reaksiyonda (6. reaksiyon basamağı)
tekrar kullanılmaktadır.
2. Birçok mikroorganizmalar (anaerobik), mitokondrisi olmayan eritrositler ve eksersiz
halindeki kaslarda olduğu gibi, yeterli oksijeni bulamayan bazı yüksek organizma
hücrelerinde pirüvat, laktata çevrilir. Omurgalıların çoğu esasında aerobik organizmalardır;
glukozu glikolizle pirüvata çevirirler. Sonra O2’ yi kullanarak pirüvatı tamamen CO2 ve H2O’
ya yükseltgerler. Glukozun laktata anaerobik yıkımı, şiddetli kas aktivitesi esnasında olur.
Çünkü oksijen kaslarda pirüvata yükseltgeyecek hızda taşınamaz. Pirüvatın NADH tarafından
indirgenmesiyle laktatın oluşumu, laktat dehidrogenaz enzimi tarafından katalizlenir.
COO-
C
CH3
Pirüvat
O
COO-
C
CH3
Laktat
OHH+ NADH + H+ + NAD+Laktat dehidrogenaz
Go=-25.1 kj/mol
Glukozun, laktata çevrilmesi reaksiyonlarının net denklemi şöyledir:
Glukoz + 2Pi + 2ADP 2Laktat + 2ATP + 2H2O Aynen alkolik fermentasyonda olduğu gibi net bir redoks olayı yani herhangi bir
elektron alış verişi yoktur. Gliseraldehid–3–fosfatın yükseltgenmesiyle ortaya çıkan NADH,
pirüvatın indirgenmesinde kullanılmıştır. Bu indirgenme sonucu ortaya çıkan NAD+, yine
anaerobik şartlarda glikolizin devamını sağlar. Eğer NAD+ rejenere edilmezse, glikoliz olayı
gliseraldehid–3–fosfattan ileri yürüyemez ve ATP sentezlenemez. Bir bakıma pirüvatın
laktata çevrilmesiyle organizma zaman kazanır.
84
2Pirüvat 2Laktat
2NADH
2NAD+
Glukoz
Oluşan laktat, karaciğerde glukoneogenez ile tekrar glukoz ve glikojene çevrilir. Bir
anlamda da kas yükünün bir bölümünü karaciğere devredilmiş olur.
3. Laktat veya etanole çevrilme esnasında glukozdaki kimyasal enerjinin yalnız küçük
bir bölümü açığa çıkar. Sitrik asit çevrimi ve elektron transport zinciri vasıtasıyla aerobik
olarak daha fazla enerji elde edilebilir. Bu oksidatif yola giriş asetil CoA ile olur. Asetil CoA,
pirüvatın mitokondri matriksinde oksidatif dekarboksilasyonu ile oluşur:
Pirüvat + NAD+ + CoA Asetil CoA + CO2 + NADH + H+PDC
Pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi (PDC) tarafından katalizlenen bu reaksiyon
sitrik asit çeviriminde daha geniş olarak anlatılacaktır. Bu reaksiyon ve gliseraldehid–3–
fosfatın oksidasyonu için gerekli olan NAD+, NADH’ ın mitokondri iç membranındaki taşıma
zincirinde elektronlarını O2’ ye aktarması sonucu yeniden oluşur.
10.2.6. 2,3–Bisfosfogliseratın (2,3–BPG) O2 Taşımasındaki Rolü
2,3–Bisfosfogliserat, eritrositlerdeki O2 taşınmasında düzenleyici bir role sahiptir.
Hemoglobine oksijen bağlanması 2,3–BPG tarafından düzenlenir. Kırmızı kan hücreleri,
yüksek konsantrasyonda 2,3–BPG ihtiva ederken, diğer hücrelerde eser miktarda bulunur.
Hemoglobinin O2(g) bağlaması, H+, CO2 ve 2,3–BPG ile düzenlenir (Bohr etkisi). Yoğun
çalışan iskelet kasında H+ ve CO2 artması O2’ nin hemoglobinden ayrılmasını uyarır.
HHb+ + O2 HbO2 + H+
Hemoglobin, derişimin yüksek olduğu akciğerde O2(g) bağlar ve periferal dokulara taşır.
Eritrositlerdeki proteinin % 95’ i hemoglobindir. Eritrositlerde yüksek oranda 2,3–BPG
bulunur ve hemoglobinin O2’ e ilgisini azaltır.
Deniz seviyesinde hemoglobin O2’ e doygun, dokularda % 60 doygundur. Dokulara
bırakılan oksijen % 40’ a yakındır. Yüksek irtifada, dokulara bırakılan O2 miktarı kanda
taşınabilen miktarın % 30’ una düşer. Yüksek irtifada, 2,3–BPG derişimindeki artış,
85
hemoglobinin oksijene ilgisini azaltır, taşınabilen oksijenin yaklaşık % 40’ ı tekrar dokulara
bırakılabilir.
Glikolizin 6. reaksiyon basamağında alternatif bir reaksiyon 2,3–bisfosfogliserat
oluşturur. 1,3–bisfosfogliserat, eritrositlerde hemoglobinin oksijen taşımasında önemli bir rol
oynayan 2,3–BPG’ a izomerleştirilir.
2,3–BPG’ nin sentez ve yıkımı glikoliz dışında bazı yan reaksiyonlar vasıtasıyla
gerçekleştirilir.
Gliseraldehid-3-fosfat
1,3-Bisfosfogliserat
3-Fosfogliserat
2-Fosfogliserat
Mutaz
Fosfataz
H2OPi
2,3-Bisfosfogliserat (2,3-BPG)
Bisfosfogliserat mutaz, 1,3–BPG’ yi 2,3–BPG’ ye çevirir. 2,3–BPG’ de 3–
fosfogliserata 2,3–bisfosfogliserat fosfataz enzimi katalizörlüğünde hidrolizlenir.
Eritrositlerde glikoliz yolu ve oksijen taşınması birbirine 2,3–BPG ile bağlantılıdır. Bu
yüzden glikoliz yolundaki bir arıza oksijen taşınmasını etkileyecektir. Gerçekten kırmızı kan
hücrelerinde kalıtsal glikoliz yolu bozukluğu olan bazı hastalara ait kan oksijen ayrışma
eğrilerinde bazı değişmelere rastlanmıştır (Şekil 10.9).
Şekil 10.9. Normal (ortadaki eğri), hekzokinaz ve pirüvat kinaz yetersizliğine sahip kırmızı kan
hücrelerinin oksijen ayrışma eğrileri.
86
Hekzokinaz yetersizliğinde glikoliz ara ürünlerinin konsantrasyonu düşük bulunur.
Çünkü ilk reaksiyon basamağı olan glukoz fosforillenmesi bozulmuştur. Bunun sonucu düşük
2,3–BPG seviyesi hemoglobinin anormal yükseklikte oksijen afinitesine ve dokulara bırakılan
O2’ nin azalmasına sebep olur. Bu olayın tam tersi pirüvat kinaz yetersizliğinde görülür. Son
basamağın inhibisyonu yüzünden 2,3–BPG’ nin konsantrasyonu normalin yaklaşık iki misline
çıkar. Bu da düşük oksijen afinitesine ve dokulara bırakılan O2’ nin artmasına yol açar.
10.3. SİTRİK ASİT (TCA) ÇEVRİMİ Glikoliz olayında glukoz, iki mol pirüvat molekülüne çevrilmektedir. Aerobik şartlarda
glukozdan enerji üretiminin daha sonraki basamağı, mitokondri matriksinde pirüvatın
oksidatif dekarboksilasyonu ile asetil CoA oluşumudur. Bu aktifleşmiş asetil biriminin,
mitokondri matriksinde CO2’ ye kadar tamamen oksitlenmesi reaksiyonları serisine sitrik asit
çevrimi, trikarboksilik asit çevrimi (TCA) veya Krebs çevrimi adı verilir. Sitrik asit
çevrimi; aminoasitler, yağ asitleri ve karbohidratlar gibi yakıt bileşikleri oksidasyonunun en
son ortak yoludur. Yakıt bileşiklerinin birçoğu çevrime asetil CoA olarak girer. TCA çevrimi,
aynı zamanda biyosentezde kullanılan ara bileşiklerin sağlandığı bir metabolik yoldur.
Pirüvat Dehidrogenaz Enzim Kompleksi (PDC)
Başlıca glikoliz yoluyla olmak üzere, sitoplazmada oluşan pirüvat; iç membranda
bulunan spesifik taşıyıcı protein tarafından bir H+ beraberliğinde veya OH- karşılığında
mitokondri matriksine taşınır. Glikoliz ile TCA çevrimi arasındaki bağlantı, mitokondri
matriksinde pirüvatın asetil CoA’ya oksidatif dekarboksilasyonla çevrilmesi sonucu
kurulmaktadır.
COO-
C
CH3Pirüvat
O + CoASH + NAD+ PDC
Asetil CoA
C
O
H3C S CoA + CO2 + NADH + H+ Go= -33.4 kj/mol
Glikoliz ürünü olan pirüvatın asetil CoA’ ya dönüşümsüz olarak çevrilmesini sağlayan
bu reaksiyonun pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi (PDC) tarafından katalizlendiğini
daha önceden belirtmiştik. Bu enzim kompleksi üç çeşit enzimin organize bir topluluğudur
(Tablo 10.2). Bu reaksiyon, stokiyometrisinde görüldüğünden çok daha karmaşıktır. CoA ve
NAD+ gibi denklemde yer alan kofaktörlerin yanı sıra, prostetik grup olarak tiamin pirofosfat
(TPP), lipoamid ve FAD koenzimlerini de ihtiva eder.
87
Pirüvatın asetil CoA’ ya çevrilmesi dört basamakta gerçekleştirilir. Önce pirüvat TPP ile
birleşerek dekarboksile olur. Bu reaksiyon, multienzim kompleksinin pirüvat dehidrogenaz
bileşeni tarafından kataliz edilir.
Pirüvat + TPP Hidroksietil-TPP + CO2Pirüvat dehidrogenaz bileseni (E1).
İkinci basamak reaksiyonda, TPP’ ye bağlı hidroksietil oksitlenerek asetil grubu halinde
lipoamide aktarılır. Bu reaksiyon multienzim kompleksinin bir kısmı olan dihidrolipoil
transasetilaz enzimi tarafından katalizlenir ve asetillipoamid oluşur.
Hidroksietil-TPP + Yükselgenmis lipoamid Asetil lipoamid + TPPDihidrolipoil transasetilaz (E2).
Üçüncü basamakta, asetil grubu CoA’ ya aktarılarak asetil CoA oluşur. Bu reaksiyon da
dihidrolipoil transasetilaz tarafından katalizlenir.
Asetil lipoamid + CoASH Asetil CoA + indirgenmis lipoamidDihidrolipoil transasetilaz (E2).
Tablo 10.2. E.coli’ nin pirüvat dehidrogenaz kompleksi
Enzim Zincir Sayısı
Prostetik Grup
Katalizlediği Reaksiyon
Pirüvat dehidrogenaz birimi (E1) 24 TPP Pirüvatın dekarboksilasyonu Dihidrolipoil transasetilaz (E2) 12 Lipoamid 2 nolu karbonun oksidasyonu ve
CoA’ ya transferi Dihidrolipoil dehidrogenaz (E3) 12 FAD Lipoamidin yükseltgenmiş
formunun tekrar oluşumu
Dördüncü reaksiyon basamağında lipoamidin yükseltgenmiş hali tekrar kazanılarak
reaksiyon tamamlanır. Bu reaksiyonda yükseltgeyici NAD+ olup, olay dihidrolipoil
dehidrogenaz tarafından katalizlenir. FAD, bu enzimin prostetik grubudur.
indirgenmis lipoamid + FAD Yükselgenmis lipoamid + FADH2Dihidrolipoil dehidrogenaz (E3)
..FADH2 + NAD+ FAD + NADH + H+
Şimdi bu karmaşık reaksiyonu aşağıdaki şema ile özetleyelim:
88
H3C C COO-
O
CO2
TPP(E1)
H3C C TPP
OH
H
H3C C S
O
L SH
L
SH
SH
LS
S
FADFADH2
(E2)
(E3)
NAD+ NADH + H+
CoA-SH
H3C C S
O
CoA
Üç çeşit enzimin yapı olarak iç içe organizasyonu, bu karışık reaksiyonun koordineli
olarak katalizine fırsat vermektedir. Bu reaksiyonun bütün ara bileşikleri komplekse sıkıca
bağlı olarak bir enzimden diğerine aktarılmaktadır.
10.3.1. TCA Çevrimi Reaksiyonları
Pirüvatın oksidatif dekarboksilasyonu sonucu oluşan asetil CoA, sitrik asit çevrimine
girer. Hans Krebs tarafından aydınlatılan bu çevrimdeki olayları kısaca ve şematik olarak
gözden geçirelim:
C2 (Asetil CoA)
C6 (Sitrat)NADH
CO2
C5 (-ketoglutarat)
NADH
CO2
C4 (Süksinat)GTP
FADH2
NADH
C4 (Okzalasetat)
TCA çevriminin ilk reaksiyonunda dört karbonlu bir bileşik (okzalasetat) ile iki
karbonlu bir asetil birimi kondanse olarak, altı karbonlu bir trikarboksilik asit (sitrat) meydana
getirirler. Sitrat da dekarboksile olarak, beş karbonlu bir bileşik (α–ketoglutarat) oluşur ve
bunun da oksidatif dekarboksilasyonu ile dört karbonlu dikarboksilik asit (süksinat) meydana
gelir. Daha sonra süksinat çeşitli oksidasyon basamaklarından geçerek tekrar okzalasetata
89
çevrilerek çevrim tamamlanır. Bu suretle asetil birimi halinde çevrime giren iki karbon, iki
adet CO2 halinde çevrimden ayrılır. Bu olayda asetil birimi başına dışarı verilmiş olan 8
elektron, metabolizmadaki elektron taşıyıcıları tarafından alınacaktır. Gerçekten 6 elektron üç
tane NAD+’ ya transfer olurken, iki elektron da FAD’ ye aktarılır. Burada oluşan 3NADH ve
1FADH2 elektron transport zincirinde O2 tarafından oksitlenirken 11 molekül ATP meydana
getirirler. Bunun yanı sıra bir çevrimde, yüksek enerjili fosfat bağına sahip bir de GTP
sentezlenir. Böylece, asetil birimi başına 12 ATP sentezlenmiş olur.
Sitrik asit çevriminin sekiz basamağı vardır. Sitrik asit çevriminin sekiz ardışık
reaksiyonunun incelenmesinde, asetil CoA ve okzalasetatdan sitratın oluşmasına ve CO2
oluşturmak için sitratın oksitlenmesine ve bu oksidasyon enerjisinin NADH ve FADH2’ de
korunmasında yer alan dönüşümlere özel önem verilecektir.
Şimdi sitrik asit çevriminin ardışık reaksiyonlarını enzimleriyle beraber tek tek
inceleyelim:
1. Sitrat Oluşumu
Çevrim; okzalasetatın, asetil CoA’ nın asetil grubuyla birleşme reaksiyonu ile başlar. Bu
reaksiyonun bir basamağı bir hidroliz reaksiyonu olduğundan bir H2O molekülü de kullanılır.
Okzalasetat Asetil CoA SitratGo=-32.2 kj/mol
C COO-O
H2C COO-+
C CH3
O
S CoA+ H2O
C COO-HO
CH2
COO-
H2C COO-
+ HS CoASitrat sentaz
Bir aldol kondenzasyonunu hidrolizin takip ettiği bu reaksiyon, sitrat sentaz enzimi
tarafından katalizlenir. Önce okzalasetat, asetil CoA ile kondanse olarak sitroil CoA oluşturur,
bu da sitrat ve CoA’ ya hidroliz olur.
Sitroil CoA
C COO-HO
CH2
COO-
H2C C
O
S CoA
90
2. cis–Akonitat Üzerinden İzositrat Oluşumu
İkinci reaksiyon, sitratın önce bir dehidrasyon, daha sonra da bir hidrasyon olayı ile
izositrata dönüştürülmesidir. Bunun sonucu olarak, molekül karbon atomları arasında H ve
OH değişimi görülür. Her iki basamağı da katalizleyen enzime, ara bileşik cis–akonitatdan
dolayı akonitaz adı verilir.
Sitrat
Go= +13.3 kj/molC OH-OOC
CH2
COO-
H2C COO-H2O
cis-Akonitat
C-OOC
CH2
COO-
HC COO- H2O
izositrat
C H-OOC
CH2
COO-
C
COO-
OHH
Akonitaz Akonitaz
3. İzositratın α–Ketoglutarat ve CO2’ ye Oksidasyonu
İzositratın α–ketoglutarata oksidatif dekarboksilasyonu, izositrat dehidrogenaz enzimi
tarafından katalizlenir. Reaksiyonun ara bileşiği okzalosüksinat olup; enzime bağlı iken
hemen CO2 ve α–ketoglutarata parçalanır.
Go= -20.9 kj/mol
izositrat
C H-OOC
CH2
COO-
C
COO-
OHH
NAD(P)+ NAD(P)H + H+
Okzalosüksinat
C H-OOC
CH2
COO-
C
COO-
O H+ CO2
-Ketoglutarat
CH2
CH2
COO-
C
COO-
O
izositrat dehidrogenaz
α-ketoglutaratın oluşum hızı ileride ayrıntılı olarak anlatacağımız gibi, çevrimin toplam
hızını belirlemede önemli bir role sahiptir. Hücrelerde iki çeşit izositrat dehidrogenaz enzimi
vardır. Bunlardan birisi NAD+’ yı, diğeri de NADP+’ yı koenzim olarak kullanır. Sitrik asit
çevriminde önemli olan NAD+’ lı enzim mitokondride yer alırken, NADP+ bağımlı enzim
hem mitokondri hem de sitozolde bulunur ve farklı bir metabolik role sahiptir.
4. α–Ketoglutaratın Süksinil CoA ve CO2’ ye Oksidasyonu
TCA çevriminin dördüncü reaksiyonu, α–ketoglutaratın oksidatif dekarboksilasyonu ile
süksinil CoA’ ya çevrilmesidir.
91
Go= -33.5 kj/mol
-Ketoglutarat
CH2
CH2
COO-
C
COO-
O
HS CoA+
NADH + H+NAD+
Süksinil CoA
CH2
CH2
COO-
C S
O
+
CoA
CO2-Ketoglutaratdehidrogenaz
multi enzim kompleksi
Bu reaksiyon, üç çeşit enzimin yer aldığı organize bir yapıya sahip α-ketoglutarat
dehidrogenaz multienzim kompleksi tarafından katalizlenir. Bu reaksiyon mekanizması,
pirüvatın asetil CoA’ ya çevrilmesine çok benzemektedir. Aynı kofaktörler (NAD+, CoA,
TPP, lipoamid ve FAD) kullanılır. Gerçekten pirüvat dehidrogenaz ve α–ketoglutarat
dehidrogenaz multienzim komplekslerin birçok ortak yapısal özellikleri vardır.
5. Süksinil CoA’ nın Süksinata Dönüşümü
Beşinci basamakta, süksinil CoA sentetaz enzimi tarafından katalizlenen aşağıdaki
reaksiyon yer alır:
Go= -2.9 kj/mol
Süksinil CoA
CH2
CH2
COO-
C S
O
CoA
GDP + Pi+
Süksinat
CH2
CH2
COO-
COO-
GTP + CoA+Süksinil CoA sentetaz
Süksinil CoA’ daki tiyoester bağı enerjice zengin bir bağdır ve hidroliz ΔGo değeri
-8.0kcal/mol’ dür. Bu tiyoester bağının parçalanması guanozin difosfat (GDP) ın
fosforillenmesiyle beraber yürür. GTP’ deki fosforil grubu kolayca ADP’ ye aktarılarak ATP
sentezlenir. ATP ve GTP enerji yönünden eşdeğerdir.
GTP + ADP GDP + ATP Go= 0 kj/molNükleosit difosfat kinaz
şeklinde gösterilen bu transfer reaksiyonu nükleosit difosfat kinaz enzimi tarafından
katalizlenir. Süksinil CoA’ dan yüksek enerjili bir fosfat bağının oluşumu, substrat
seviyesinde fosforilasyona bir örnektir.
6. Süksinatın Fumarata Oksidasyonu
Süksinatın fumarata oksidasyonu süksinat dehidrogenaz enzimi tarafından katalizlenir.
92
FAD
Fumarat
C
C
COO-
COO-
Süksinat
CH2
CH2
COO-
COO- FADH2
H
HGo= 0 kj/mol
Süksinat dehidrogenaz
Burada hidrojen alıcısı NAD+ yerine FAD’ dır. Çünkü bu reaksiyonun serbest enerjisi
NAD+’ yi indirgemeye yeterli değildir. Bu tip reaksiyonlarda elektron alıcısı olarak genellikle
FAD rol alır. Süksinat dehidrogenaz enziminde bir histidin yan grubu, FAD’ nın izoalloksazin
halkasıyla kovalent bağlandığında enzim E–FAD şeklinde gösterilebilir.
Süksinat dehidrogenaz FAD’ nin yanı sıra dört adet Fe ve dört adet de inorganik sülfür
(S) ihtiva eder. Bu tipteki bir protein, demir-sülfür (Fe–S) proteini adını alır. Bu proteinler
mitokondri ve kloroplastların elektron taşıyıcı sistemlerinde önemli bir rol oynarlar. Süksinat
dehidrogenaz, birisi bir FAD ve iki Fe–S kümesi; diğeri de tek bir Fe–S kümesi taşıyan iki alt
birimden ibarettir. Bu enzim, iç mitokondri zarının bir integral proteini olarak da TCA
çevriminin diğer enzimlerinden ayrılır. Gerçekten süksinat dehidrogenaz elektron transport
sistemine (ETS) direkt bağlıdır. FADH2 oluştuğu zaman NADH gibi enzimden ayrılmaz ve
yapısındaki iki elektronu doğrudan enzimdeki Fe+3 atomlarına ve oradan da ETS’ deki CoQ’
ya aktarır.
7. Fumaratın Malata Hidrasyonu
Fumaratın, L-malata tersinir hidrasyonu, fumaraz enzimi tarafından katalizlenir. Bu
enzim yüksek derecede stereospesifiktir. Fumaratın trans çift bağının hidrasyonunu katalizler.
H+ ve OH-, fumarata trans halde katılarak yalnız L–malat izomerini oluşturur.
Go= -3.8 kj/mol
Fumarat
C
C
COO-
COO-
H
H
H2O
L-Malat
C
C
COO-
COO-
H
HHO
HFumaraz
8. Malatın Okzalasetata Oksidasyonu
Sitrik asit çevriminin son reaksiyonunda NAD+ bağlı L–malat dehidrogenaz, malatın
okzalasetata oksidasyonunu katalizler.
93
Go= 29.7 kj/mol
NAD+ NADH + H+
L-Malat
C
CH2
COO-
COO-
HHO
Okzalasetat
C
CH2
COO-
COO-
O
L-Malat dehidrogenaz
Bu reaksiyonun standart şartlar altında, okzalasetat oluşumu yönünde ilerlemesi olasılığı
çok zayıftır. Ancak, okzalasetat yüksek egzergonik sentez reaksiyonuyla (basamak 1) sürekli
olarak uzaklaştırılır ve hücre içindeki derişimi ileri düzeyde düşük (<10-6 M) olur. Sonuçta
malat dehidrogenaz, reaksiyonu okzalasetat oluşumu yönünde sürükler.
Sitrik asit çevriminin stokiyometrik denklemi aşağıdaki gibidir:
Asetil CoA+3NAD+ +FAD+GDP+Pi +2H2O 2CO2 +3NADH +FADH2 +GTP +2H+ +CoASH Bu stokiyometrik eşitliği veren TCA çevriminin bütün reaksiyonları Tablo 10.3’ de ve
Şekil 10.10’ da özetlenmiştir.
Tablo 10.3. Sitrik asit çevrimi reaksiyonları.
Reaksiyon Enzim Kofaktör ΔGo (kJ/mol)
Asetil CoA+Ozalasetat + H2O Sitrat + CoA + H+
Sitrat sentaz CoA –32,2
Sitrat cis-Akonitat + H2O izositrat Akonitaz Fe+2 +13,3
izositrat + NAD+ -ketoglutarat + CO2 + NADH + H+
İzositrat dehidrogenaz
NAD+ –20,9
-ketoglutarat + NAD+ + CoA Süksinil CoA + CO2 + NADH + H+
α–ketoglutarat dehidrogenaz kompleksi
NAD+, CoA, TPP, lipoat,
FAD
–33,5
Süksinil CoA + GDP + Pi Süksinat + GTP + CoA Süksinil CoA sentetaz
CoA –2,9
Süksinat + FAD Fumarat + FADH2 Süksinat dehidrogenaz
FAD 0,0
Fumarat + H2O L-Malat Fumaraz – –3,8
L-Malat + NAD+ Okzalasetat + NADH + H+ Malat dehidrogenaz
NAD+ +29,7
94
Şekil 10.10. Sitrik asit çevriminin reaksiyonları. Kutu içindeki karbon atomları döngünün ilk turunda
asetil CoA’ nın asetatından türetilmiş olanlardır. Bunlar ilk turda CO2 olarak ayrılan
karbonlar değildir. Her bir reaksiyon basamağının yanındaki numara, metinde geçen
numaraya karşılıktır. İnce oklar, FADH2 ve NADH + H+ oluşturmak için elektronun FAD
veya NAD+’ ya transferiyle enerjinin nerede depolanacağını göstermektedir. Basamak 1,
3 ve 4 hücrede esas olarak tersinmezdir; diğer tüm basamaklar tersinirdir. Basamak 5’ in
ürünü; katalizörün hangi süksinil CoA sentaz izozimi olduğuna bağımlı olarak, ya ATP
yada GTP’ dir.
95
Sitrik asit çevrimindeki oksidasyonların enerjisi verimli bir şekilde depolanır.
Buraya kadar sitrik asit çevriminin tam bir turunu gözden geçirdik (Şekil 10.11). Bir
tane iki karbonlu asetil grubu, okzalasetatla birleşerek çevrime girdi. İki karbon atomu;
izositrat ve α–ketoglutaratın oksidasyonu ile iki molekül CO2 olarak açığa çıktı. Bu
oksidasyonla açığa çıkan enerji, üç NAD+ ve bir FAD’ nin indirgenmesinde ve bir GTP veya
ATP’ nin oluşumunda korundu. Çevrimin sonunda bir molekül okzalasetat yeniden elde
edilir.
Şekil 10.11. Sitrik asit çevriminin bir turunun ürünleri. Üç NADH, bir FADH2, bir GTP (veya ATP)
ve iki CO2 oksidatif dekarboksilasyon reaksiyonlarında salınır. Burada ve gelecek
şekillerin bir kısmında, döngü (çevrim) reaksiyonlarının hepsi tek yönde gösterilmiştir.
Şekil 10.10’ da görüldüğü gibi, reaksiyonların çoğunun tersinir olduğunu unutmayınız.
10.3.2. Sitrik Asit Çevriminin Düzenlenmesi
Çevreleri ile dengede olmamalarına karşın, yetişkin organizmalar genellikle kararlı bir
durumdadır. Organizma sabit bir şekilde enerji ve besin maddelerinin alımını ve sabit bir
şekilde artık ürünleri bırakmayı başararak, sabit bir bileşimi korur.
Kararlı durum, dış çevre şartlarındaki veya enerji destekli bazı değişikliklerle bozulduğu
zaman; tek tek metabolik yollarda geçici olarak değişen akış, her bir metabolik yolun iç
düzenleyici mekanizmasını tetikler.
96
Metabolik yollardaki anahtar enzimlerin allosterik etkenlerle ve kovalent
modifikasyonla düzenlenmesi, hücrenin kararlı denge durumunda kalmasını sağlayacak
gerekli oranlardaki ara maddelerin ve ürünlerin meydana getirilmesini, savurganlığın
önlenmesini sağlar. Karbon atomlarının, sitrik asit çevrimi boyunca pirüvattan akışı iki
düzeyde sıkı düzenlenme altındadır: sitrik asitin başlangıç maddesi olan pirüvatın asetil CoA’
ya dönüşümü (pirüvat dehidrogenaz kompleksi reaksiyonu) ve asetil CoA’ nın çevrime
girişi (sitrat sentaz reaksiyonu). Pirüvat, asetil CoA’ nın tek kaynağı değildir ve birçok
hücrede yağ asitlerinin ve belirli aminoasitlerin oksidasyonundan da elde edilir. Ara
maddelerin diğer yollarla sağlanması, pirüvatın oksidasyonu ve sitrik asit çevriminin
düzenlenmesinde de önemlidir. Ayrıca çevrim, izositrat dehidrogenaz ve α–ketoglutarat
dehidrogenaz enzim kopleksi reaksiyonlarıyla da düzenlenir.
10.3.3. Pirüvatın Dehidrogenaz Kompleksinin Kontrolü
Pirüvattan asetil CoA’ nın oluşumu, metabolizmada kilit konumda bulunan dönüşümsüz
bir reaksiyondur.
Pirüvat + NAD+ + CoA Asetil CoA + CO2 + NADH + H+ Go= -33.4 kj/molPDC
Çünkü hayvansal organizmalar asetil CoA’ yı glukoza dönüştürecek metabolik yoldan
yoksundur. Bu reaksiyon sonunda, glukozun karbon atomlarından oluşan asetil CoA iki
metabolik yola girebilir. Birincisi, beraberinde enerjinin açığa çıktığı TCA çevrimiyle CO2’
ye yükseltgenmesi ve ikincisi de, lipidlere çevrilmesidir. Bundan dolayı pirüvat dehidrogenaz
kompleksinin aktivitesi çok yönlü olarak düzenlenmelidir. Asetil CoA’ nın pirüvat
dehidrogenaz kompleksinin katalizlediği reaksiyonla oluşumu allosterik ve kovalent
mekanizmalarla düzenlenir (Şekil 10.12). Bu düzenleme üç seviyede gerçekleştirilir:
1. Ürün inhibisyonu ile: Pirüvat oksidasyonunun ürünleri olan NADH ve asetil CoA,
enzim kompleksini inhibe eder. Bu etki CoA ve NAD+ tarafından ortadan kaldırılır.
2. Nükleotidlerin inhibisyonu: Enzim kompleksinin aktivitesi enerji yükü tarafından
da kontrol edilir. Enzimin pirüvat dehidrogenaz bileşeni GTP ile inhibe edilirken, AMP
tarafından tekrar aktive edilir. Yine kompleks aktivitesi, kullanılabilecek enerji yükü olduğu
zaman azaltılır.
3. Kovalent modifikasyon ile düzenlenmesi: Kompleksinin pirüvat dehidrogenaz
bileşeni üzerindeki spesifik bir serin kalıntısı, ATP tarafından fosforillendiği zaman,
kompleks aktivitesini tamamen kaybeder. Fosforilasyon, yeterli metabolik enerjinin
göstergesi olan yüksek ATP/ADP, asetil CoA/CoA ve NADH/NAD+ oranlarında artarken,
enzim kompleksi aktivitesini tamamen kaybeder ve pirüvat tarafından, fosforilasyon inhibe
97
edilir. Enzim kompleksi fosforil grubunun spesifik bir fosfataz enzimi tarafından
hidrolizlenmesi sonucu tekrar aktif hale geçer. Buradaki fosforilasyon hormona bağımlı ve
AMP aracılı değildir.
Şekil 10.12. Sitrik asit çevrimi boyunca pirüvattan metabolit akışının düzenlenmesi. Pirüvat
dehidrogenaz kompleksi, yeterli metabolik enerji durumunun göstergesi olan yüksek
[ATP]/[ADP] ve [NADH]/[NAD+] ve [asetil CoA]/[CoA] oranlarıyla allosterik olarak
inhibe edilir. Bu oranların azalması, pirüvat oksidasyonunun allosterik aktivasyonuna
yol açar. Çevrimin akış hızı, okzalasetat ve asetil CoA gibi sitrat sentaz substratlarının
veya üç NAD+’ ya bağımlı oksidasyon basamağını yavaşlatan NAD+ (NADH’ ye
dönüşümü) ile sınırlandırılabilir. Ayrıca süksinil CoA, sitrat ve ATP ile olan geri
beslemeli (feed–back) inhibisyon; ilk basamakları inhibe ederek çevrimi yavaşlatır. Kas
dokusunda Ca+2, kasılmayla harcanan ATP’ nin yerine konması için enerji üreten
metabolizmayı uyarır.
98
10.3.4. Sitrik Asit Çevriminin Kontrolü
Sitrik asit çevrimindeki metabolitlerin akışı sıkı kontrol altındadır. TCA çevrimindeki
akışı üç faktör yönetir: Substrat varlığı, ürünlerin birikimiyle inhibisyon ve çevrimin ilk
basamaklarını katalizleyen enzimlerin allosterik geri–beslemeli (feed–back) inhibisyonu.
TCA çevrimindeki kuvvetli ekzotermik dönüşümsüz basamaklardan sitrat sentaz,
izositrat dehidrogenaz ve α-ketoglutarat dehidrogenazla katalizlenen her biri (Şekil 10.10 ve
Şekil 10.12.) bazı şartlar altında çevrimin hızını kontrol edebilir.
Okzalasetat ve asetil CoA’ dan sitratın sentezlendiği reaksiyon, çevrimdeki önemli bir
kontrol noktasıdır. ATP, sitrat sentazın allosterik bir inhibitörüdür ve enzimin asetil CoA’ ya
karşı KM değerini artırır. Bunun sonucu olarak; ATP seviyesi yükseldikçe, daha az enzim
asetil CoA ile doyacağından daha az sitrat oluşacaktır.
TCA çevriminin en önemli kontrol noktası izositrat dehidrogenazdır. Bu enzim
allosterik olarak ADP tarafından uyarılarak substratlarına afinitesi artırılır. İzositratın NAD+,
Mg+2 ve ADP’ ye bağlanması kooperatif bir olaydır. NADH ise doğrudan NAD+’nın yerini
alarak enzimi inhibe eder.
TCA çevriminin üçüncü kontrol noktası, α-ketoglutarat dehidrogenaz enzimidir. Bu
enzim kompleksinin kontrolü, pirüvat dehidrogenaz kompleksindeki duruma çok
benzemektedir. Ürünleri olan NADH ile süksinil CoA ve yüksek enerji yükü tarafından inhibe
edilir.
Omurgalı kasında, kasılmanın sinyali olan Ca+2 ve aynı zamanda ATP ihtiyacının artmış
olması, izositrat dehidrogenaz, α-ketoglutarat dehidrogenazın her ikisini de ve pirüvat
dehidrogenaz kompleksini de aktifleştirir. Kısaca bu metabolik yoldaki akış hızı, çevrimdeki
substrat ve ara maddelerin derişimi, ATP ve NADH’ nın optimal derişimini sağlayacak
şekilde ayarlanır.
Normal koşullar altında, glikoliz ve sitrik asit çevriminin hızı, sitrik asit çevriminin
kendi yakıtı olan asetil CoA’ nın asetil gruplarını sağlamak için gerekli olan yeterli glukozun
pirüvata metabolize edilmesi için entegre edilmiştir.
Pirüvat, laktat ve asetil CoA normalde sabit denge derişiminde tutulur. Glikolizin
hızının sitrik asit çevriminin hızıyla uyuşması, sadece ATP ve NADH’ nın yüksek
düzeylerinin inhibisyonu ile olmaz, aynı zamanda sitrat derişimiyle de olur. Sitrik asit
çevriminin ilk ürünü olan sitrat, glikolitik yoldaki fosfofruktokinaz–I enziminin önemli bir
inhibitörüdür.
99
10.3.5. TCA Çevrimi Ara Bileşiklerinin Biyosentetik Önemi
TCA çevriminin aynı zamanda biyosentez olaylarında kullanılmak üzere birtakım ara
bileşikleri sağladığını da belirtmiştik. Mesela, porfirinlerdeki karbon atomlarının çoğu
süksinil CoA’ dan gelmektedir. Aminoasitlerin birçoğu α–ketoglutarattan ve okzalasetattan
aminasyonla türetilir (Şekil 10.13). Aminoasit metabolizmasında bunu daha ayrıntılı olarak
ele alacağız.
Şekil 10.13. Sitrik asit çevriminin biyosentetik rolleri. Biyosentez için harcanan ara bileşikler,
pirüvattan okzalasetatın oluşumu ile telafi edilirler.
Burada önemli bir nokta da, sitrik asit çevriminin biyosentez olaylarında kullanılan ara
bileşikleri telafi edebilmesidir. Mesela, okzalasetat protein sentezinde kullanılmak üzere
aminoasitlere çevrildiği zaman, eğer yeniden okzalasetat üretilmezse TCA çevrimi durur.
Memelilerde asetil CoA’ dan okzalasetat ve diğer TCA çevrimi ara bileşiklerini sentezleyecek
enzimler yoktur. Bunun yerine pirüvat, koenzimi biyotin olan pirüvat karboksilaz enzimi
katalizörlüğü ile okzalasetata çevrilir (Şekil 8.10). Burada, bütün karboksilaz tipi enzimlerin
substrat olarak bikarbonat iyonunu (HCO3-) kullandığının bilinmesinde fayda vardır.
Pirüvat + HCO3- + ATP Okzalasetat + ADP + Pi + 2H+
Pirüvat karboksilaz
Pirüvatın karboksilasyonu TCA çevrimi ara bileşiklerinin telafi edildiği bir reaksiyon
olmanın yanı sıra, pirüvattan glukozun sentezlendiği glukoneogenez yolunun önemli bir
basamağıdır.
Aminoasitler
Pirüvat
Okzalasetat
Porfirinler
Asetil CoA
Sitrat
α-Ketoglutarat Süksinil CoA
Aminoasitler
100
10.4. GLİOKSİLAT ÇEVRİMİ Pirüvat dehidrogenaz multienzim kompleksi tarafından katalizlenen pirüvatın asetil
CoA’ ya dönüştürülmesi reaksiyonu dönüşümsüz olduğundan, hayvansal organizmalarda
asetil CoA’ dan karbohidratların sentezi mümkün değildir. İleride yağ asitlerinin
metabolizmasında göreceğimiz gibi, yağ asitlerinin oksidasyonunda da asetil CoA birimleri
oluşur. Bu yüzden hayvansal organizmalarda lipidlerden şekerlerin sentez yolu kapalıdır.
Fakat yüksek bitkilerde, E.coli gibi mikroorganizmalarda ve alglerde bulunan iki farklı enzim;
bu organizmalarda lipidlerden şekerlerin ve diğer biyosentetik ara bileşiklerin oluşumuna
fırsat verir. Bu enzimler, glioksilat çevrimi adı verilen ve TCA çevriminin modifiye şekli
olan bir metabolik yolda yer alırlar. TCA çevriminde yer alan izositrattan malata kadar
reaksiyon serisinin yerini, izositrat liyaz ve malat sentazın katalizlediği iki reaksiyon alır. Bu
çevrimde önce bir asetil CoA, sitrat oluşturmak üzere okzalasetatla kondanse olur. Daha sonra
sitrat izositrata dönüştürülür. Bu noktada ilk farklı enzim olan izositrat liyaz katalizörlüğünde
bir aldol parçalanmasıyla izositrat, süksinat ve glioksilata ayrılır:
C
H
HO COO-
C
H2C COO-
COO-H
izositrat
COO-
COO-
CH2
CH2
COO-
CHO+izositrat liyaz
Süksinat
Glioksilat
Meydana gelen glioksilat, ikinci farklı enzim malat sentaz katalizörlüğünde ikinci bir
asetil CoA ile kondanse olarak malat oluşturur:
COO-
COO-
H2C
C
COO-
CHO+ H2O
MalatGlioksilat
C
CH3
S
O
CoA
+
Asetil CoA
H OH + CoA-SH
Koenzim A
Malat sentaz
Malat daha sonra bir başka asetil CoA ile kondanse olabilecek okzalasetata oksitlenir
(Şekil 10.14). Glioksilatın her devrinde iki asetil CoA girer ve biyosentetik yolda (özellikle
glukoneogenezde ön bileşik olarak) kullanılacak bir süksinat ve elektron taşıyıcı bir NADH
meydana gelir.
2Asetil CoA + NAD+ + 2H2O Süksinat + 2CoA + NADH + H+
101
Şekil 10.14. Glioksilat çevrimi. Sitrat sentaz, akonitaz ve malat dehidrogenaz, sitrik asit çevrimi
enzimlerinin izozimleridir. İzositrat liyaz ve malat sentaz glioksilat devrine özgüdür. İki
asetil grubunun çevrime girdiğine ve dört karbonun süksinat olarak ayrıldığına dikkat
ediniz.
Bu çevrim hücreye hem enerji hem de dört karbonlu bir biyosentetik ara bileşiği
(süksinat) sağlar. Bu çevrime hayvansal organizmalarda rastlanılmaz, yüksek bitki
tohumlarında çok bulunur. Bu tohumlarda trigliserid depolarındaki yağ asitlerinden türetilen
asetil birimleri, süksinat yoluyla karbohidratlara çevrilir. Glioksilat çevrimiyle oluşan
süksinat, mitokondriye gönderilir ve TCA çevrimi enzimleriyle malata dönüştürülür. Malat
dehidrogenazın sitozolik izoenzimi, malatı glukoneogenez öncülü olan okzalasetata oksitler.
Böylece filizlenen tohumlar depo lipidlerinin karbonlarını glukoza dönüştürebilir.
Yüksek bitkilerde TCA çevrimi reaksiyonları mitokondrilerde meydana gelmesine
rağmen; glioksilat devri (çevrimi), özellikle izositrat liyaz ve malat sentaz enzimleri başka
102
sitoplazmik organellerde yani glioksizomlarda bulunur. Glioksizomlar, bazı bitki dokularında
bulunan özelleşmiş peroksizomlardır. Glioksizomlar tüm bitki dokularında her zaman
bulunmaz. Gelişme öncesi dönemde bitkiler fotosentezle glikoz üretme yeteneğini
kazanmadan, çok yağlı tohumlarda filizlenme sırasında glioksizomlar meydana gelirler.
Böylece, filizlenen tohumlar depo lipidlerinin karbonlarını glukoza dönüştürebilir.
10.5. OKSİDATİF FOSFORİLASYON Oksidatif fosforilasyon, aerobik organizmalarda enerji üreten metabolizmanın ulaştığı
son noktadır. Karbohidratların, yağların ve aminoasitlerin parçalanmalarındaki tüm oksidatif
basamaklar, oksidasyon enerjisi ile ATP’ nin sentezlendiği, hücresel solunumun son safhası
olan bu noktada birleşir.
Glikoliz, yağ asitleri oksidasyonu ve sitrik asit çevriminde oluşan NADH ve FADH2,
enerjice zengin moleküllerdir. Çünkü, her biri yüksek indirgeme potansiyeline sahip olan bir
elektron çifti taşır. Bu elektronlar O2’ ye aktarıldığı zaman, büyük miktarda enerji salınır ve
bu enerji de ATP sentezinde kullanılabilir. İşte NADH ve FADH2’ den elektronların bir seri
elektron taşıyıcıları vasıtasıyla O2’ ye transferi beraberliğinde ATP’ nin sentezlendiği olaya
oksidatif fosforilasyon adı verilir. Aerobik organizmalarda ATP’ nin en önemli kaynağı
oksidatif fosforilasyondur. Mesela, glukozun CO2 ve H2O’ ya oksidasyonunda elde edilen 36
ATP’ den 32’ si oksidatif fosforilasyonla sağlanır. Bu olayın bazı önemli özellikleri şöyle
özetlenebilir:
1. Oksidatif fosforilasyon mitokondri iç membranında yer alan bir solunum zinciri
(elektron taşıma sistemi (ETS)’ de denir) tarafından yürütülür. NADH ve FADH2’ nin önemli
bir kısmını sağlayan TCA çevrimi ve yağ asitlerinin oksidasyonu, mitokondri iç membranına
bitişik olan matriks sıvısında gerçekleşir.
2. NADH’ nin oksidasyonu 3 ATP, FADH2’ nin ki ise 2 ATP verir (son yapılan
araştırmalar, bu bileşiklerin sentezine sebep oldukları ATP’ nin tam sayıda olmadığını;
sırasıyla 2.5 ve 1.5 olabileceğini göstermekte olsa da 3 ve 2 sayıları esas alınacaktır).
Oksidasyon ve fosforilasyon beraber yürüyen mekanizmalardır.
3. Solunum zinciri aralarında protein yapısındaki sitokromların da bulunduğu birçok
çeşit elektron taşıyıcılarından ibarettir. Bu elektron taşıyıcıları artan indirgenme potansiyeline
göre sıralanmıştır. NADH ve FADH2’ den elektronların O2’ ye taşıyıcılar tarafından basamak
basamak transferi esnasında mitokondri matriksi dışına protonlar pompalanır ve bir membran
potansiyelinin oluşmasına yol açar (proton–motif kuvvet). Protonlar, üç çeşit elektron
transfer kompleksi tarafından pompalanır. Bu protonların, bir enzim kompleksi içinden
103
mitokondri matriksine geri akışı esnasında da ATP sentezlenir. Yani oksidasyon ve
fosforilasyon olayları, iç mitokondri membranı üzerindeki, bir proton gradienti ile
bağlantılıdır. Solunum zinciri enzimleri, iç mitokondri membranının integral proteinleridir.
Dış membran birçok küçük molekül ve iyonlara karşı geçirgen olmasına karşılık; mitokondri
iç membranı hemen hemen bütün iyonları ve yüksüz moleküllerin çoğunu geçirmez. ADP ve
uzun zincirli yağ asitleri gibi bazı molekül ve iyonların matrikse taşınması, iç mitokondri
membranında bulunan spesifik protein yapısında taşıyıcılar aracılığıyla gerçekleşir.
10.5.1. İndirgenme Potansiyelleri ve Serbest Enerji Değişimleri
Standart indirgenme potansiyelleri, serbest enerji değişikliğini hesaplamak için
kullanılır. Oksidatif fosforilasyonda NADH ve FADH2’ nin elektronlarını O2’ ye transfer
etme potansiyelleri, ATP’ nin fosfat transfer potansiyeline dönüştürülmektedir. Fosfat transfer
potansiyelinin ölçüsü olarak, önceden ΔGo değerini tanımlamıştık. Elektron transfer
potansiyeline karşılık gelen Eo ile gösterilen redoks (indirgenme yükseltgenme)
potansiyelidir.
Redoks potansiyeli elektrokimyasal bir kavramdır. Yükseltgenmiş ve indirgenmiş hali X
ve X- olan madde, bir ikili redoks çifti olarak isimlendirilir. Bu çiftin redoks potansiyeli, bir
numune yarı pilinin, bir standart referans yarı piline göre ortaya çıkan elektromotor kuvvetin
ölçüsüyle tayin edilir. Numune yarı pili, 1 M yükseltgeyici (X) ve 1 M indirgeyici (X-) içeren
çözeltiye bir elektrot batırılmasıyla elde edilirken; standart referans yarı pili de içine bir
elektrot batırılmış 1 atm basınçta H2 gazıyla dengede olan 1 M’ lık H+ çözeltisinden ibarettir
(Şekil 10.15). Elektrotlar birbirine bir voltmetre ile, yarı piller de elektrik akımını geçirecek
bir tuz köprüsüyle bağlanır. Elektronlar yükseltgenmenin olduğu yarı pilden indirgenmenin
olduğu diğerine akarlar. Eğer reaksiyon;
yönünde ise, yarı pillerdeki reaksiyonlar şunlardır:
ve
Numune yarı pilinden standart referans yarı pile elektronların akışı sonucu numune
elektrodu diğerine göre negatif olur. X / X- çiftinin redoks potansiyeli deneyde okunan
voltajdır. Çünkü H+ / H2 çiftinin redoks potansiyeli Eo=0 volt olarak tanımlanmıştır.
Elektronları alma eğilimi yüksek olan yarı hücrenin Eo değeri pozitif olarak kabul edilir.
Negatif bir indirgeme potansiyeli o maddenin, aynen yukarıdaki örnekte olduğu gibi,
elektronlara H2’ den daha az afinitesi, pozitif bir redoks potansiyeli de H2’ den daha yüksek
bir elektron afinitesi olduğunu gösterir. Bu karşılaştırmalar standart şartlarda, yani 1M
X- + H+ X + ½ H2
X- X + e- H+ + e- ½ H2
104
indirgeyici, 1M yükseltgeyici, 1M H+ ve 1 atm H2 durumunda geçerlidir. Nitekim kuvvetli bir
indirgeyici (NADH gibi) negatif redoks potansiyeline, kuvvetli bir yükseltgeyici de (O2 gibi)
pozitif redoks potansiyeline sahiptir.
Şekil 10.15. Bir redoks çiftinin standart
indirgenme – yükseltgenme potansiyelinin
(Eo) ölçülmesi. Elektronlar numune
elektrodundan, referans elektroda veya tersi
yönünde hareket ederler. Başlıca referans
yarı hücre şekilde de gösterildiği gibi
hidrojen elektrodudur. Bu elektrodun
elektron hareket ettirici kuvveti (emf) 0.00
V olarak kabul edilmektedir. Hidrojen
elektrodu için pH=7’ de, Eo= –0.414 V’ tur.
Tablo 10.4.’ de biyolojik öneme sahip bazı redoks çiftlerinin redoks potansiyelleri
verilmiştir.
Tablo 10.4. Biyolojik yönden önemli bazı yarı-reaksiyonların 25 oC ve pH=7’ de standart indirgenme
potansiyelleri (Eo)
Yarı reaksiyon Eo (V)
Ferredoksin (Fe+3) + e- → ferredoksin (Fe+2) –0,432
2H+ + 2e- → H2 (pH=7’ de) –0,414
NADP+ + H+ + 2e- → NADPH –0,324
NAD+ + H+ + 2e- → NADH –0,320
Lipoik asit + 2H+ + 2e- → dihidrolipoik asit –0,290
Glutatyon + 2H+ + 2e- → 2 indirgenmiş glutatyon –0,230
FAD + 2H+ + 2e- → FADH2 –0,219*
Asetaldehid + 2H+ + 2e- → etanol –0,197
105
Pirüvat- + 2H+ + 2e- → laktat- –0,185
Okzalasetat-2 + 2H+ + 2e- → malat-2 –0,166
2H+ + 2e- → H2 (standart koşullarda, pH=0) 0,000 Fumarat-2 + 2H+ + 2e- → süksinat-2 0,031 Ubikinon + 2H+ + 2e- → Ubikinol + H2 0,045 Sitokrom b (Fe+3) + e- → Sitokrom b (Fe+2) 0,077 Sitokrom c1 (Fe+3) + e- → Sitokrom c1 (Fe+2) 0,220 Sitokrom c (Fe+3) + e- → Sitokrom c (Fe+2) 0,254 Sitokrom a (Fe+3) + e- → Sitokrom a (Fe+2) 0,290 O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 0,295 Sitokrom a3 (Fe+3) + e- → Sitokrom a3 (Fe+2) 0,350 NO3
- + 2H+ + 2e- → NO2- + H2O 0,421
Fe+3 + e- → Fe+2 0,771 ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O 0,816
*Bu serbest FAD değeridir. FAD farklı, Eo’ a sahip özgül bir flavoproteine bağlanır (örneğin, süksinat
dehidrogenaza bağlı ise E–FAD + 2H+ + 2e- → E–FADH2 Eo= –0,181 V olur.).
Biyokimyacıları ilgilendiren yarı reaksiyonların çoğuna protonlar katılmaktadır. ΔGo
tanımında olduğu gibi, biyokimyacılar indirgenme-yükseltgenme reaksiyonlarının standart
durumunu pH=7’ deki indirgenme potansiyeli (Eo) olarak belirlemişlerdir. Tablo 10.4’ de
verilen standart indirgenme potansiyelleri, Eo olup, yalnız nötral pH’ daki sistemler için
geçerlidir. Her değer, redoks çiftinin 1M derişimde, pH=7’ de ve standart hidrojen elektrodu
(pH=0) ile bağlı olduğundaki potansiyel farkını göstermektedir. Konjuge redoks çifti 2H+/H2,
pH=7’ de standart hidrojen elektrodu (pH=0) bağlandığında, elektronlar pH’ nın 7 olduğu
hücreden standart hücreye (pH=0) hareket etmektedir. 2H+/H2 redoks çifti için ölçülen, Eo= –
0.414 V’ dur. Biyolojik şartlarda 2H+/H2 çifti için ölçülen Eo değerinin–0.414 olduğuna dikkat
ediniz.
İki yarı hücre için Eo değerleri standart hidrojen elektroduna bağlı olarak
belirlendiğinden; iki yarı hücre bir dış devre aracılığıyla birbirine bağlandığında veya her iki
yarı hücrenin bileşenleri aynı çözelti içinde bulunduğunda elektronların hareket etmeye
eğilimli oldukları yön tahmin edilebilir. Elektronlar daha pozitif Eo’ ye sahip yarı hücreye
doğru hareket ederler. Bu hareketin şiddeti, standart indirgenme potansiyelleri arasındaki
farklılık ΔEo ile orantılıdır. Kendiliğinden meydana gelen bu elektron akımının oluşturduğu
106
enerji (indirgenme–yükseltgenme reaksiyonunun standart serbest enerji değişikliği) ΔEo ile
orantılıdır.
ΔGo= –nFΔEo
Yarı hücrenin indirgenme potansiyeli, yalnız bulunan kimyasal türlere değil,
derişimlerden kaynaklanan aktivitelerine de bağlıdır. W. Nernst, standart indirgenme
potansiyelini (Eo), hücredeki indirgen ve yükseltgen türlerin herhangi bir derişimdeki
indirgenme potansiyeli (E) ile ilişkilendiren bir eşitlik bulmuştur. 25oC’ de eşitlik aşağıdaki
şekli almaktadır.
İlk önce her iki hücrenin E değerleri hesaplanır ve ΔE değeri bulunur. ΔE, ΔG’ nin
hesaplanmasında kullanılır.
ΔG= –nFΔE
Bu şekilde redoks çiftinin herhangi bir derişimde, herhangi bir biyolojik redoks
reaksiyonunun serbest enerji değişikliği hesaplanabilir.
Bir indirgenme-yükseltgenme reaksiyonunun serbest enerji değişimi (ΔGo),
reaktantların redoks potansiyellerinden faydalanılarak bulunabilir. Mesela pirüvatın NADH
tarafından indirgenme reaksiyonunu ele alalım:
Pirüvat + NADH + H+ Laktat + NAD+
NAD+/ NADH çiftinin redoks potansiyeli –0,32V, pirüvat / laktat çiftinin ise –0,19 V’
dur. Yukarıdaki reaksiyon yönüne göre yarı pil reaksiyonlarını yazdığımızda, ikinci reaksiyon
(NADH → NAD+) Tablo 10.4’deki Eo değerlerinin verildiği yönün tersine cereyan ettiğinden;
indirgenme potansiyelinin işareti değişir.
Pirüvat + 2H+ + 2e- Laktat Eo = - 0.19 VNADH NAD+ + H+ + 2e- Eo = + 0.32 V
Eo = + 0.13 VPirüvat + NADH + H+ Laktat + NAD+
Her iki reaksiyonu ve karşılığındaki redoks potansiyellerini topladığımız zaman,
istenilen reaksiyon ve onun elektromotor kuvvetini elde ederiz. Bunun serbest enerji karşılığı
nedir?
ΔGo ile ΔEo arasında aşağıdaki bağıntı vardır:
ΔGo= –nFΔEo
Burada n, transfer edilen elektron sayısı; F, bir Faradayın kilojoule (kJ) eşdeğeri (96.5kJ
V-1 mol-1)’ dir. Pirüvatın indirgenmesinde n=2 olduğundan,
107
ΔGo= –2 x 96,5kJ V-1 mol-1 x 0,13 V
= –25,1 kJ/mol çıkar.
Pozitif bir Eo değeri, standart şartlarda reaksiyonun ekzergonik yani gösterilen yönde
kendiliğinden gerçekleşebilir olduğunu gösterir.
Şimdi aynı hesaplamayı NADH’ nın O2 tarafından yükseltgenmesi reaksiyonu için
yapalım. Önce yarı reaksiyonları yazarak toplayalım:
1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo= +0.82 VNADH NAD+ + H+ + 2e- Eo= +0.32 V Eo= +1.14 V1/2 O2 + NADH + H+ H2O + NAD+
Bu reaksiyonun serbest enerji değişimi de
ΔGo= –2 x 96,5kJ V-1 mol-1 x 1,14 V
= –220 kJ/mol olarak bulunur.
Bu enerji 3 ATP sentezi için yeterlidir.
ADP + Pi + H+ ATP + H2O Go= +30.5 kj/mol
10.6. ELEKTRON TAŞIMA ZİNCİRİ (SOLUNUM ZİNCİRİ) Elektronlar NADH’ tan O2’ ye flavinlerden, Fe–S protein komplekslerinden,
kinonlardan ve hem gruplarından ibaret elektron taşıyıcıları tarafından aktarılır (Şekil 10.16).
Kinonların dışında bu elektron taşıyıcılarının tamamı proteinlerin prostetik gruplarıdır. İlk
reaksiyon NADH’ ın NADH dehidrogenaz multienzim kompleksi tarafından
yükseltgenmesidir. NADH’ dan iki elektron enzimin prostetik grubu olan flavin
mononükleotid (FMN)’ e aktarılarak FMNH2’ ye indirgenir (Şekil 8.4).
NADH + H+ + FMN → FMNH2 + NAD+
Daha sonra elektronlar FMNH2’ den NADH dehidrogenaz kompleksinin bir başka
prostetik grubunu teşkil eden bir seri Fe–S protein komplekslerine aktarılır. Burada demir
atomları hem grubuna ait değildir.
108
Şekil 10.16. Solunum zincirlerinde yer alan elektron taşıyıcıları. Protonlar çerçeve içine alınmış üç
kompleks tarafından pompalanır.*Demir-sülfür proteinleri.
Son yıllarda yapılan araştırmalar Fe–S proteinlerinin biyolojik sistemlerdeki birçok
redoks reaksiyonlarında çok önemli roller oynadığını ortaya koymuştur. Üç tip Fe–S merkezi
bilinmektedir. Bu komplekslerde demir atomu, Fe+2 ve Fe+3 yükseltgenme basamaklarındadır.
NADH dehidrogenaz sisteminde hem Fe2S2 hem de Fe4S4 tipindeki merkezler vardır.
NADH dehidrogenaz enzimindeki Fe–S merkezlerinden elektronlar, koenzim Q’ ya
transfer edilir. NADH
NAD+
FMN
FMNH2
Fe.S (+2)
Fe.S (+3)
CoQ
CoQH2
NADH dehidrogenaz enzim kompleksi Koenzim Q (CoQ) uzun bir izopren zinciri takılı bir kinon türevi olup; ubikinon adı
verilir. İzopren birimlerinin sayısı türden türe değişir. Memelilerde en bol bulunanı 10 izopren
birimine sahiptir ve CoQ10 olarak gösterilir:
CC
CC
O
O
H3CO
H3CO
CH3
(CH2 CH
C
CH3
CH2)10 H
CoQ10 (yükseltgenmiş şekli)
109
İzopren zinciri CoQ’ yu oldukça apolar yapar ve iç mitokondri membranında kolayca
difüze olmasını sağlar. CoQ solunum zincirinde bir proteinin prostetik grubu olmayan tek
elektron taşıyıcısıdır ve zincirin flavoproteinleri ile sitokromları arasında oldukça hareketli bir
taşıyıcılık görevi yapabilmesine yol açar.
Sitrik asit çevriminde süksinat dehidrogenaz enzimi tarafından, süksinatın fumarata
yükseltgenmesiyle, FADH2’ nin oluştuğunu biliyoruz. Bu enzim süksinat–CoQ redüktaz
enzim kompleksinin bir bileşeni olup, diğer bileşeni de bir Fe–S proteinidir. Bu kompleks de
NADH dehidrogenaz gibi mitokondri iç membranının integral proteinidir. FADH2’ deki
yüksek potansiyele sahip elektronlar kompleksdeki bir flavoprotein ve çeşitli Fe–S merkezleri
üzerinden solunum zincirinde CoQ’ ya aktarılır. Aynı şekilde ileride göreceğimiz glikoliz
olayında meydana gelen NADH elektronlarını mitokondri içine taşıyan gliserol fosfat
dehidrogenaz ve yağ asitlerinin oksidasyonunda görev alan yağ açil CoA dehidrogenaz
enzimleri de, FADH2 prostetik gruplarındaki elektronlarını farklı yollarla CoQ’ ya aktararak
CoQH2’ yi oluştururlar.
CoQH2 ile O2 arasındaki elektron taşıyıcılarının bir tane Fe-S proteinin dışında, hepsi
sitokromlardır. Sitokromlar prostetik grup olarak hem grubu ihtiva eden elektron taşıyıcı
proteinlerdir. Sitokromlardaki Fe atomları, indirgenmiş Fe+2 hali ile, yükseltgenmiş Fe+3 hali
arasında mekik dokur. Hem grubu bir Fe–S merkezi gibi tek elektron taşıyabilir. Fakat
NADH, flavinler ve CoQ iki elektron transfer edebilir. CoQH2 molekülü yüksek potansiyelli
iki elektronunu solunum zincirinin daha sonraki üyesi olan iki adet sitokrom b’ ye aktarır.
CoQH2 ile O2 arasında beş çeşit sitokrom vardır. Sitokrom b, ve c1, bir tane Fe–S
proteini ile beraber CoQH2–Sit c redüktaz multienzim kompleksinin bileşenleridir.
Sitokrom c, elektronları bu kompleksten bileşen olarak sitokrom a ve a3 ihtiva eden, sitokrom
oksidaz (veya Sit c oksidaz) kompleksine transfer ederler. Bu sitokromlar artan indirgenme
potansiyellerine göre sıralanmıştır.
CoQH2 → Sit b → Fe-S → Sit c1 → Sit c → Sit a → Sit a3 → O2
Bu sitokromların yapıları, birbirinden farklı özelliklere sahiptir. Sitokrom b, c1 ve c’ de
prostetik grup hem adı verilen bir demir–protoporfirin IX’ dur. Bu, hemoglobin ve
miyoglobindeki hem grubuyla aynıdır. Sitokrom b’ de hem, proteine kovalent
bağlanmamıştır. Sitokrom c ve c1’ de hem, proteine tiyoeter bağlarıyla bağlanmıştır. Bu
bağlar, protein yapısında bulunan iki sisteinin –SH gruplarının hem grubunun vinil gruplarına
katılmasıyla oluşmuştur (Şekil 10.17).
110
CH2SCHN
N
HC
N
N
CH
HC
CH2CH2-OOC
H2C CH3
CH3
CH S CH2CH3
H3C
Fe
H3C
CH2
COO-
H3C
CH
Protein
Şekil 10.17. Sitokrom c ve c1’ in yapısı ve tiyoeter bağı oluşumu.
CoQH2–Sit c redüktaz kompleksi elektronları CoQH2’ den, suda çözünebilen bir
periferal membran proteini olan sitokrom c’ ye transfer eder.
Sit.b (+3)
Sit.b (+2)
Sit.c1 (+3)
Sit.c1 (+2)
FeS (+2)
FeS (+3)CoQ
CoQH2
CoQH2 - Sit.c redüktaz
Sit.c (+2)
Sit.c (+3)
Daha sonra indirgenmiş sitokrom c, elektronunu sitokrom c oksidaz kompleksine
aktarır. Sitokrom c’ nin rolü CoQ’ ya benzemektedir ve solunum zincirindeki kompleksler
arasında hareketli bir elektron taşıyıcısı görevini görür.
Sitokrom a ve a3, hem A adı verilen farklı bir demir-porfirin prostetik grubuna sahiptir
(Şekil 10.18). Hem’ den farklı olarak metil gruplarından birinin yerini bir formil grubu, vinil
gruplarından birinin yerini de bir hidrokarbon zinciri alır. Sitokrom a ve a3, solunum
zincirinin son üyeleridir.
111
CH2CHN
N
HC
N
N
CH
HC
CH2CH2-OOC
CH2 CH3
CH3
CH OHCH3
C
Fe
(CH2
CH2
COO-
CH
CH2 CH CH2)3 H
CH3
O
H
Şekil 10.18. Hem A’ nın yapısı.
Sit.a (+3)
Sit.a (+2) Sit.a3 (+3)
Sit.a3 (+2) Cu (+2)
Cu (+1) O2
H2OSit.c (+2)
Sit.c (+3)
Elektronlar önce kompleksin sitokrom a bileşenine, oradan da bakır ihtiva eden
sitokrom a3’ e aktarılır. Bu bakır atomu sit a3’ den O2’ ye elektronu transfer ederken +2 ve +1
yükseltgenme basamakları arasında mekik dokur. Bir O2 molekülünden iki H2O molekülünün
oluşumu dört elektron gerektiren bir olaydır fakat hem grupları birer elektron
aktarabilmektedir.
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
10.6.1. Oksijenin Eksik İndirgenmesinden Doğan Zararların Giderilmesi
Mitokondrial solunum zincirinde elektronların oksijene taşınması sırasında, oksijenin
kısmi indirgenmiş ürünleri oluşur. Bu ürünlerin en önemlileri; süperoksit radikali (O2.-) ve
hidrojen peroksittir (H2O2). Her ikisi de oldukça reaktif olup; birçok biyomoleküllerin
dönüşümsüz zarar görmesine yol açarlar. Özellikle membran lipidlerinin doymamış yağ asit
bileşenlerinin peroksidasyonu ile membran yapısını bozarlar. Reaktif oksijen türleri DNA
hasarına yol açabilir.
112
I.Fridovich ve arkadaşlarının araştırmaları sonucunda, aerobik hücrelerde bulunan
süperoksit dismutaz enziminin süperoksit radikalini hidrojen peroksit ve moleküler oksijene
dönüştürebileceğini göstermişlerdir.
2O2.-+ 2H+ H2O2 + O2
Süperoksit dismutazın; biri sitoplazmada diğeri de mitokondrilerde olmak üzere iki
izoenzimi bulunur. Ökaryotlardaki mitokondrial süperoksit dismutaz, karakteristik Mn+2
muhtevası ve aminoasit dizilişi bakımından birçok bakterilerinkine benzer. Buna karşılık
sitoplazmadaki ise, tamamen farklı yapıya sahiptir ve Cu+2 ile Zn+2 iyonları ihtiva eder. Bu
enzimler yüksek konsantrasyonda ve oldukça aktif olarak bulunur. Çünkü mitokondrilerde
kullanılan oksijenin % 1–5 arası süperoksite dönüşmekte ve ancak yüksek konsantrasyonda
bir SOD tarafından bertaraf edilebilmektedir.
Süperoksit dismutaz ve flavine bağımlı oksidazlar vasıtasıyla oluşan hidrojen peroksit,
hem grubu ihtiva eden bir enzim olan katalaz enzimiyle aşağıdaki reaksiyona göre parçalanır:
H2O2 H2O + ½ O2
Katalaz hayvan hücrelerinin peroksizomlarında bol bulunur.
Süperoksit dismutaz ve katalaz enzimlerinin beraberce koruyucu fonksiyonu; askorbik
asit, glutatyon, E ve K vitaminleri tarafından güçlendirilir; çünkü bu bileşikler kolayca
elektron verebilir ve serbest radikali süpürür. Antioksidantlar olarak da anılan bu grupta yer
alan enzim ve bileşiklerinin başka üyelerine de ileride temas edilecektir.
10.6.2. Karışık İşlevli Oksidazlar, Oksigenazlar ve Sitokrom P–450
Moleküler oksijenin elektron alıcısı olduğu oksidasyonları katalizleyen enzimlerin genel
adı oksidazdır, fakat oksijen atomları oksitlenmiş üründe bulunmaz. Oksidazların birçoğu
flavoproteindir. Bazı biyolojik oksidasyonlarda, bir karbon atomu bir oksijen atomuna
bağlanır. Bu yükseltgenme reaksiyonlarını katalizleyen enzimler genellikle oksidazlar olarak
veya oksijen atomu moleküler oksijenden geliyorsa oksigenazlar olarak adlandırılır. Aerobik
yaşayan hücrelerin kullandığı moleküler oksijenin yaklaşık % 95’ i solunum zincirinde
oksidazlar tarafından suya indirgenir. Geri kalan kısmı ise, ya H2O2 oluşturan oksidazlar ya da
oksijen molekülünün bir veya her iki atomunun hidroksil grubuna dönüşüp; direkt olarak
organik substrat moleküllerinin yapısına girdiği reaksiyonları katalizleyen oksigenaz
enzimleri tarafından kullanılır. Oksigenazlar, oksijen atomlarının yeni bir hidroksil ya da
karboksil grubu oluşturmak üzere substrat molekülüne doğrudan girdiği oksidatif
reaksiyonları katalizler. Dioksigenazlar, O2’ nin her iki oksijen atomunun organik substrat
Süperoksit dismutaz
Katalaz
113
molekülüne girmesini katalizler. Oksijen transferazlar olarak da adlandırılan dioksigenazlar
aşağıdaki tipten reaksiyonları katalizlerler:
AH2 + O2 → A(OH)2
Bu reaksiyona göre substrat molekülü dihidroksi formuna dönüşmektedir.
Daha yaygın olan ve etki mekanizması daha karmaşık olan monooksigenazlar O2’ nin
iki oksijen atomundan yalnız birinin organik substrata girmesini katalizler, diğer oksijen H2O’
ya indirgenir. Monooksigenazlar, O2’ nin iki oksijen atomunun indirgeyicisi olarak görev
yapan iki substrata gereksinim duyar. Esas substrat iki oksijen atomundan birini alır ve
yardımcı substrat diğer oksijen atomunu H2O’ ya indirgemek için hidrojen atomlarını sağlar.
Monooksigenazlar için genel reaksiyon eşitliği şöyledir:
AH + BH2 + O–O → A–OH + B + H2O
AH, esas substrat ve BH2 yardımcı substrattır. Esas substratın hidroksillenmesini
katalizleyen birçok monooksigenaz, hidroksilaz olarak da adlandırılır. İki farklı substratı eş
zamanlı olarak oksitlediğini belirtmek için, bunlar bazen karışık–işlevli oksidazlar ya da
karışık–işlevli oksigenazlar olarak adlandırılır. Fenilalaninin fenil halkasını, hidroksilleyerek
tirozin oluşturan enzim (fenilalanin hidroksilaz) bir monooksigenazdır ve yardımcı substrat
tetrahidrobiopteridindir. İnsan genetik hastalığı olan fenilketonürideki (PKU) hatalı enzim
budur.
En karmaşık monooksigenaz reaksiyonları sitokrom P–450 denilen hem protein tipinin
katılımıyla olanıdır. Bu tip sitokrom, genellikle mitokondriden çok düz endoplazmik
retikulumda bulunur. Mitokondri sitokrom oksidazı gibi, sitokrom P–450’ de O2 ile
reaksiyona girebilir ve karbon monoksit bağlar.
Sitokrom P–450, O2’ nin bir oksijen atomunun RH organik substratına sokulmasıyla R–
OH’ a hidroksillendiği hidroksilasyon reaksiyonlarını katalizler. Diğer oksijen atomu, NADH
veya NADPH tarafından H2O’ ya indirgenir. Fakat genellikle bir Fe–S proteini tarafından
sitokrom P–450’ ye geçirilir.
indirgenmis
O2
H2O
NADPH
NADP+
Yülseltgenmis
P-450 sitokromredüktaz (FeS)
.
.
RH
ROH
indirgenmis.
Yülseltgenmis.
Sitokrom P-450
114
Sitokrom P–450, birbirine çok benzeyen gerçek bir protein ailesidir. Örneğin, özgül bir
sitokrom P–450 adrenal kortekste steroid (adrenokortikal) hormonları üretmek için
steroidlerin hidroksillenmesine katılır.
10.6.3. Fosforilasyon ve Kemiozmotik Teori
NADH’ deki elektronların O2’ ye akışı esnasındaki serbest enerji değişiminin –220
kJ/mol olduğunu hesaplamıştık. Bu enerji;
ADP + Pi + H+ ATP + H2O Go= +30.5 kj/mol reaksiyonuyla ATP’ nin sentezinde kullanılmaktadır. Bu reaksiyon mitokondri iç
membranında yer alan F0F1ATPaz enzim kompleksi (ATP sentaz) tarafından
katalizlemektedir.
Acaba NADH oksidasyonu ile ADP’ nin fosforilasyonu arasındaki bağlantı nasıldır?
Buraya kadar 1 mol ATP oluşması için her mol elektron çifti başına elektron
transferinden açığa çıkan ve proton–motif kuvvetinde (proton–hareket gücünde) saklanan,
gerekenden fazla serbest enerji (220 kJ kadar) sağlandığını gördük. Bu yüzden
mitokondrideki oksidatif fosforilasyonda termodinamik bir problem yoktur. Şimdi proton
akışıyla, fosforilasyon eşleşmesinin kimyasal mekanizmasını ele alalım.
Mitokondride ATP sentezi hakkındaki güncel bilgilerimiz Peter Mitchell tarafından
önerilen kemiozmotik teoriye (1961) dayanmaktadır. Kemiozmotik teoriye göre, membran
yüzeyleri arasındaki proton konsantrasyonu farkı, biyolojik oksidasyon reaksiyonlarında
sağlanan enerjinin temel kaynağıdır. Bu modele göre solunum zincirindeki elektron transferi
esnasında; mitokondri matriksinden protonlar, iç mitokondri membranının sitoplazma tarafına
pompalanır. Bunun sonucu olarak bu tarafta H+ konsantrasyonu artar ve bir membran
potansiyeli oluşur (Şekil 10.19). Burada ATPaz enzimi tarafından ATP’ nin sentezlenmesi
olayının proton–motif (proton–hareket) kuvveti tarafından yürütüldüğü kabul edilmektedir.
Bu modele göre mekanizmanın işleyebilmesi için; 1) Solunum zincirindeki elektron
taşıyıcılarının ve ATPaz enziminin mitokondri iç membranının iki yüzüne göre dizilmiş
olmaları ve 2) İç membranın protonlara karşı geçirgen olmaması gerekir. İleri sürülen bu
mekanizmaya göre; NADH’ ın oksidasyonu ile açığa çıkan enerji (–220kj/mol), yüksek bir
proton konsantrasyonuna karşı proton pompalanmasıyla korunmakta ve bu protonların tekrar
matrikse dönmeleriyle ATP sentezlenmektedir.
115
Şekil 10.19. Elektron transportu sonucu, iç mitokondri membranında oluşan proton gradienti ve
membran potansiyeli.
Mitchell’ in bu hipotezi, bugün birçok deneysel sonuçlar tarafından desteklenmektedir.
1. Elektron transportu sonucu mitokondri iç membranı üzerinde bir proton gradienti
meydana gelmektedir. Bunun sonucunda dışarıdaki pH içeriden 1.4 birim daha düşük (ΔpH)
ve dış taraf pozitif olmak üzere 0.14 V’ luk bir membran potansiyeli (Δψ) oluşur. Toplam
elektrokimyasal potansiyel de 0.224 V civarında olur ki, bu da 5.2 kcal/mol proton
değerindedir.
2. Solunum zinciri çeşitli inhibitörlerle durdurularak suni yoldan mitokondri ve
kloroplastlarda oluşturulan pH gradienti sonucunda ATP sentezlendiği gözlenmiştir.
3. Halobakterilerde bulunan mor–membran proteini ışık altında proton
pompalamaktadır. Bu bakteri proteini ve sığır kalp ATPaz’ ından sentetik olarak hazırlanan
fosfolipid veziküllerinin ATP sentezledikleri bulunmuştur. Burada adı geçen protein, solunum
zincirinin görevini yapmaktadır. Elde edilen sonuç, solunum zincirinin faaliyeti ile ATPaz’ ın
fonksiyonunun farklı olduğunu ve bunların proton gradienti ile bağlantılı olduğunu
göstermiştir.
Solunum zincirindeki bazı proteinlerin aktivitelerini inhibe eden antibiyotik ve
inhibitörlerden faydalanılarak zincirin hangi noktalarında proton pompalandığı belirlenmiştir.
Bu noktalar üç tanedir ve daha önce bahsettiğimiz solunum zinciri enzim kompleksleridir:
NADH dehidrogenaz, CoQH2–sitokrom c oksidoredüktaz ve sitokrom oksidaz kompleksleri.
Her bir bölgeden pompalanan protonlar bir ATP’ nin sentezini gerçekleştirmektedir. FADH2’
den gelen elektronlar zincire ikinci yerden girdiği için, bir mol FADH2’ nin oksidasyonu ile 2
ATP sentezlenir.
F0F1ATPaz enzim kompleksi: ATPaz enzim kompleksi F1 ve F0 ile gösterilen başlıca
iki kısım polipeptid zincirlerden ibarettir. ATP sentezini gerçekleştiren F1, iç mitokondri
116
membranının matriks yüzünde bulunur, F0 ise membran içine gömülmüş halde bulunur ve
proton geçişi için bir kanal görevi yapmaktadır. ATPaz kompleksinin şekli genel olarak bir
elma şekerini andırmakta olup; ATP sentezi Şekil 10.20’ deki gibi şematize edilebilir.
Şekil 10.20. Kemiozmotik teori ve ATP sentezinin şematik gösterilişi.
Acaba protonların F0 kanalından matrikse geçişiyle, F1 tarafından ATP nasıl
sentezlenmektedir? Bu konuda proton akışının doğrudan ATP sentezleyen kısmı etkilediği ve
bunun sonucu olarak da Pi’ nin aktifleşerek aynı anda ADP ile birleştiği ileri sürülmektedir.
Ayrıca proton akışının enzim kompleksinde bir konformasyon değişikliğine yol açıp, ATP
sentezini sağladığı da iddia edilmektedir.
Mitokondriye ADP girişi ve ATP çıkışı: ATP, ADP ve fosfat (Pi) iç mitokondri
zarından serbestçe difüze olamazlar. Bu çok yüklü bileşikler özel taşıyıcı proteinler tarafından
taşınır. ATP-ADP taşıyıcısı matrikse bir ADP molekülünü geçirirken aynı zamanda da bir
ATP molekülünü dışarı çıkarır. Bu olay ATP–ADP translokaz (adenin nükleotid taşıyıcısı da
denir) tarafından yürütülür. Bu protein mitokondri iç zarında bol miktarda bulunur, toplam
proteinlerin yaklaşık % 14’ ünü oluşturur. Aynı şekilde, Pi’ de ATP-ADP translokazla uyumlu
çalışan bir fosfat taşıyıcısı tarafından OH- karşılığında matrikse geçirilir. Mitokondri iç
membranında, çok sayıda molekül ve iyonların takas ve taşınmasını gerçekleştiren
117
translokazlar ve taşıyıcı proteinler vardır. Mesela, trikarboksilat ve pirüvat taşıyıcılarıyla, yağ
asitlerinin matrikse taşınmalarını gerçekleştiren karnitin-açil karnitin translokaz önemli
olanlarıdır.
10.6.4. Glikolizde Oluşan NADH’ ın Solunum Zincirine Girişi
Sağlam bir mitokondri zarı NADH ve NAD+’ ya karşı geçirgen değildir. Bu durumda
glikolizde gliseraldehid–3–fosfatın oksidasyonu sonucu meydana gelen NADH’ ın mitokondri
içine özel taşıyıcılarla girmesi lazımdır. Bu taşıyıcılardan birisi gliserol–3–fosfattır. Bu
molekül kolayca mitokondri dış membranından membranlar arası boşluğa difüze
olabilmektedir. İskelet kası, sinir ve beyin hücrelerinde glikolizde oluşan NADH
elektronlarının bu yolla mitokondri içine alınması mekanizmasına gliserol fosfat mekiği adı
verilmektedir (Şekil 10.21). Bu mekikteki ilk basamak, NADH’ daki elektronların
dihidroksiaseton fosfata aktarılıp, gliserol–3–fosfatın oluşmasıdır. Bu reaksiyon sitoplazmada
olmakta ve gliserol–3–fosfat dehidrogenaz enzimi tarafından katalizlenmektedir. Daha sonra
gliserol–3–fosfat, mitokondride membranlar arası boşluğa difüze olur ve burada tekrar
dihidroksiaseton fosfata okside olur. Bu oksidasyonu FAD prostetik grubuna sahip olan ve
mitokondri iç zarının dış yüzeyine yapışık bir başka gliserol–3–fosfat dehidrogenaz enzimi
katalizler. Bu enzim sitozoldeki NAD+ bağlı enzimden farklıdır. Dihidroksiaseton fosfat
tekrar sitozole geçerek mekiği tamamlar. Mekiği şematik olarak şöyle gösterebiliriz:
118
C O
CH2OH
CH2OPO3-2
NADH + H+ NAD+
C
CH2OH
CH2OPO3-2
HHO
Dihidroksiaseton fosfatSitozolde
Gliserol-3-fosfat
Glikoliz
Sitozolde difüze olur Mitokondri dIs membranI. Mitokondriye(intermembran bosluga) difüze olur-
C O
CH2OH
CH2OPO3-2
C
CH2OH
CH2OPO3-2
HHO
E-FADE-FADH2
Mitokondride(iç membranIn dIs yüzeyinde).
Gliserol-3-fosfatdehidrogenaz
Gliserol-3-fosfatdehidrogenaz
Şekil 10.21. Gliserol–3–fosfat mekiği. İndirgeyici eşdeğerliklerin, iskelet kası ve beyinde sitozolden
mitokondri matriksine taşınması.
Mitokondri iç membranı üzerinde oluşan FADH2’ de elektronlarını doğrudan CoQ
yoluyla solunum zincirine aktarır. Gliserol fosfat mekiği vasıtasıyla mitokondriye eşdeğer
elektronları giren sitoplazmik NADH’ lar, 3 yerine 2 molekül ATP sentezine sebep olur.
Kalp, karaciğer ve böbrekte sitoplazmik NADH elektronları mitokondriye bir başka
mekanizma, malat–aspartat mekiği ile taşınır (Şekil 10.22). Bu mekikte iki taşıyıcı
membran proteini ile dört enzim görev alır. Sitoplazmik NADH’ dan elektronlar, sitozoldeki
okzalasetata aktarılarak malat oluşur. Malat da spesifik taşıyıcı protein tarafından mitokondri
içine taşınır ve orada tekrar okzalasetata okside olarak elektronlarıyla yeniden NADH
oluşturur. Okzalasetatı taşıyan yeni bir protein olmadığından aminasyon reaksiyonu ile
aspartata dönüştürülür ve sitozele çıkar. Orada bir deaminasyon reaksiyonu ile tekrar
okzalasetata çevrilir. Malat–aspartat mekiğini kısaca şema ile şöyle özetleyebiliriz:
119
Aspartat
Aspartat-glutamattasIyIcI
-Ketoglutarat-malattasIyIcI.
Mitokondri matriksi
NAD+
. iç membran
Sitoplazmikaspartat
transaminaz-ketoglutarat
Glutamat
Okzalasetat Malat
Sitoplazma
Malat
Mitokondrialaspartat
transaminaz
NADH + H+
Sitoplazmik malat dehidrogenaz
Okzalasetat
Aspartat
Glutamat
-ketoglutarat
Mitokondrialmalat
dehidrogenaz
NAD+
NADH + H+
Şekil 10.22. Malat–aspartat mekiği. Sitozolik NADH’den indirgeyici eşdeğerliklerin, mitokondri
matriksine taşınmasını sağlayan bu mekik; karaciğer, böbrek ve kalp kasında kullanılır.
Gliserol fosfat mekiği tek yönlü işleyen bir mekanizma iken; malat-aspartat mekiği
dönüşümlü bir olaydır. Mitokondri içine NADH’ ın taşınması NADH/NAD+ oranı yüksek
iken gerçekleştirilir. Burada ATP kaybı yoktur ve bir mol sitoplazmik NADH başına üç mol
ATP sentezlenir.
10.6.5. Glukoz Oksidasyonunun ATP Bilançosu
Şimdi glukozun tamamen CO2 ve H2O’ ya oksitlenmesi sonucu kaç ATP
sentezlendiğini hesaplayabiliriz. Bir glukoz molekülü başına glikoliz, TCA çevrimi ve
oksidatif fosforilasyon safhalarındaki ATP verimlerini toplarsak bilançoyu çıkarabiliriz
(Tablo 10.5).
120
Tablo 10.5. Glukozun tam oksidasyonundan elde edilen ATP.
Oksidasyon safhası Glukoz başına ATP verimi Malat-aspartat
mekiği Gliserol fosfat
mekiği Glikoliz
Substrat seviyesinde 2NADH (sitoplazmik)
2 6
2 4
Pirüvatın asetil CoA’ ya çevrilmesi 2NADH
6
6
TCA çevrimi Substrat seviyesinde 6NADH 2FADH2
2
18 4
2
18 4
TOPLAM 38 36
Görüldüğü gibi sitoplazmik NADH’ ın malat-aspartat mekiği ile mitokondriye girişinde
bir molekül glukoz oksidasyonu ile 38 ATP sentezlenmektedir. Eğer gliserol fosfat mekiği
kullanılırsa 36 ATP oluşur. Bu esnada 12 oksijen atomu kullanıldığından P:0 oranı 36/12=3
olur.
Canlı organizmalarda glukoz oksidasyonu sonucu ATP sentezi, verimi yüksek bir
mekanizmadır.
Glukoz + 6O2 → 6CO2 + 6H2O ∆Go= –686 kcal/mol
reaksiyonunun standart serbest enerji değişimi –686 kcal/mol olduğuna ve 36 ATP her biri -
7.3 kcal/mol’ den toplam 263 kcal/mol’ lük bir serbest enerjiyi yapılarında bulundurduğuna
göre, ATP üretimi verimi 263 / 686 x 100= % 38 olarak bulunur. Hücre içi şartlarda bu oran
% 65–70’ lere çıkabilir. Bu dönüşüm oranı kömür, doğalgaz ve benzeri yakıtları yakarak
çıkan ısıyla iş yapan veya elektrik enerjisi üreten makinelerde erişilemeyen bir verimdir.
10.7. PENTOZ FOSFAT YOLUYLA GLUKOZ OKSİDASYONU Birçok hayvan dokusunda, glukozun yıkıldığı glikoliz yolu, sitrik asit çevrimi ve
oksidatif fosforilasyonda başlıca hedef glukozun kimyasal enerjisinden ATP’ nin
sentezlenmesidir. Glukozun başka katabolik sonları da vardır. Bununla beraber hücrenin
ihtiyacı olan özelleşmiş ürünlere çevrilir. Şimdi yeni bir metabolik enerjinin, yani indirgeyici
gücün üretilmesini inceleyeceğiz. Yakıt moleküllerindeki hidrojen atomları ve elektronların
bazılarının biyosentezde kullanılmak üzere korunmaları gerekmektedir. Hücrelerde
indirgeyici gücün hemen kullanılabilir şekli NADPH’ dır.
Fosfoglukonat yolu olarak da adlandırılan pentoz fosfat yolu, NADPH ve riboz–5–
fosfat üretir. Bölüm 9’dan hatırlanacağı üzere, NADPH kimyasal enerjiyi indirgen güç
121
şeklinde taşır ve çoğunlukla anabolik yollarda bir indirgen olarak kullanılır. Memelilerde
NADPH’ ın rolü ve böylece pentoz fosfat yolunun aktivitesi özellikle aktif olarak yağ asidi ve
steroid sentezleyen meme dokusu, adrenal korteks, karaciğer ve yağ dokusu gibi dokularda
baskındır. Bu dokular NADPH’ ı biyosentetik işlemlerdeki ara maddelerin çift bağlarını ve
karbonil gruplarını indirgemek için kullanır. Yağ asitlerini sentezlemede iskelet kası gibi daha
az aktif olan dokular, pentoz fosfat yolundan hemen hemen yoksundur.
Pentoz fosfat yolunun ikinci işlevi, nükleik asit biyosentezi için gerekli olan, özellikle
D–riboz gibi pentozları üretmektir. Nükleik asit biyosentezi büyüyen ve yenilenen dokularda
ve tümörlerde yüksek hızla gerçekleşir.
Pentoz fosfat yolundaki ilk tepkime glukoz–6–fosfatın, glukoz–6–fosfat dehidrogenaz
enzimiyle bir molekül içi ester olan 6–fosfoglukono–δ–lakton’ a dehidrojenlenmesidir (Şekil
10.23). NADP+ elektron alıcısıdır ve tüm denge NADPH üretimi yönündedir.
Lakton, özgül bir laktonazla 6–fosfoglukonata hidrolizlenir. Daha sonra 6–
fosfoglukonat, 6–fosfoglukonat dehidrogenazla ketopentoz olan D–ribuloz–5–fosfatı
oluşturmak üzere oksidatif dekarboksillenmeye uğrar. Bu tepkime ikinci NADPH’ ı üretir.
Fosfopentoz izomeraz, ribuloz–5–fosfatı bunun bir aldoz izomeri olan riboz–5–fosfata
çevirir. Bazı dokularda pentoz fosfat yolu bu noktada biter ve tüm tepkime şöyledir:
Glukoz–6–fosfat + 2NADP+ + H2O → Riboz–5–fosfat + CO2 + 2NADPH + 2H+
Bu net denklemi veren 4 tepkime basamağına pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonları
adı verilir. Net sonuç biyosentetik reaksiyonlarda kullanılan indirgen olan NADPH ve
nükleotid sentezinde kullanılan bir öncül olan riboz–5–fosfatın üretimidir. Bu reaksiyonların
tamamı sitoplazmada cereyan eder.
Öncelikli olarak riboz–5–fosfatın daha çok NADPH gereksinimi olan dokularda
pentoz fosfatlar, bir seri tepkimeyle glukoz–6–fosfata dönüştürülür. İlk önce, riboz–5–fosfat,
ksiluloz–5–fosfata epimerleştirilir. Daha sonra karbon iskeletlerinin bir seri yeniden
düzenlendiği bir seride altı tane beş karbonlu şeker fosfat, beş tane altı karbonlu şeker fosfat
çevrimi tamamlayarak ve glukoz–6–fosfatın NADPH üretmek üzere sürekli yükseltgenmesine
izin vererek dönüştürülür. Eritrositlerde bu yolla üretilen NADPH, hücreyi oksidatif hasardan
korumak için zorunludur. Bu indirgen, hücreyi H2O2 ve süperoksit anyon radikalinin
hasarından korur. Glukoz–6–fosfat dehidrogenazdaki genetik hatanın ciddi sonuçları olabilir.
122
Şekil 10.23. Pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonları.
Pentoz fosfat yolunun oksidatif olmayan bölümünde (Şekil 10.24.a) TPP–bağımlı bir
enzim olan transketolaz, yedi karbonlu bir ürün olan sedoheptuloz–7–fosfatı oluşturmak
üzere, ksiluloz-5-fosfatın iki karbonlu parçasının, (C–1 ve C–2) riboz–5–fosfata transferini
katalizler. Ksilulozun geride kalan üç karbonlu parçası gliseraldehid–3–fosfattır. Transaldolaz
daha sonra glikolizdeki aldolaz reaksiyonuna benzer bir reaksiyonu katalizler; sedoheptuloz–
7–fosfattan üç karbonlu bir parça ayrılır ve fruktoz–6–fosfatı oluşturmak üzere gliseraldehid–
3–fosfatla birleşir. Sedoheptulozun geride kalan dört karbonlu parçası, eritroz–4–fosfattır.
Şimdi transketolaz yeniden rol alır ve eritroz–4–fosfat ve ksiluloz–5–fosfattan; fruktoz–6–
fosfatı ve gliseraldehid–3–fosfatı oluşturur. Tekrarlayan iki tepkimeyle iki molekül
gliseraldehid–3–fosfat bir molekül fruktoz–1,6–bisfosfata çevrilir (Şekil 10.24.b.). Çevrim
daha sonra tamamlanır: altı adet pentoz fosfat, beş adet heksoz fosfata çevrilmiş olur.
Pentoz fosfatın oksidatif olmayan bölümündeki bütün reaksiyonlar tersinirdir ve
böylece heksoz fosfatların da pentoz fosfatlara çevrilmesini sağlar. Bitkilerde pentoz fosfat
yolunun bir bölümü, fotosentez olayı ile CO2’ den glukozun sentezlenmesinde rol alır.
123
Şekil 10.24.a. Pentoz fosfat yolunun oksidatif olmayan reaksiyonları. Bu tepkimeler pentoz fosfatları;
oksidatif reaksiyonların (Şekil 10.23) devamına izin vererek heksozfosfatlara çevirir.
Transketolaz ve transaldolaz enzimleri, bu yola özgüldür. Diğer enzimler ise glikolitik
veya glukoneojetik yollarda da hizmet görür.
124
Şekil 10.24. b. Beş karbonlu (5C) pentozlardan, altı karbonlu (6C) heksozlara giden yolları gösteren
şematik bir çizelge. Bunun Şekil 10.24. a’ da gösterilen iki seri dönüşümü içerdiğine
dikkat ediniz. Burada gösterilen her reaksiyon tersinirdir. Tek yönlü oklar glukoz–6–
fosfatın sürekli oksidasyonu sırasındaki reaksiyonların yönünü açıklamak için
kullanılmıştır. Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarında bu reaksiyonların yönü
terstir.
10.7.1. Pentoz Fosfat Yolu Hızının Kontrolü
Pentoz fosfat yolunun glukoz–6–fosfat dehidrogenaz tarafından katalizlenen ilk
reaksiyonu olan glukoz–6–fosfatın dehidrogenasyonu, dönüşümsüz bir olaydır. Gerçekten bu
basamak fizyolojik şartlarda bu yolun kontrol noktasıdır. NADP+’ da en önemli düzenleyici
125
faktördür. NADPH, NADP+ ile ATP de glukoz–6–fosfatla enzime bağlanmak için yarış
halindedirler. Pentoz fosfat yolunun oksidatif reaksiyonları üzerindeki NADP+ seviyesinin
etkisi, indirgeyici biyosentez olaylarında kullanılan NADPH’ ın üretimini böylece düzenlemiş
olur. Glukoz–6–fosfat dehidrogenaz klinik yönden de çok önemli bir enzimdir. Eksikliğinde
eritrositlerin hemoliz olduğu bir genetik anemi hastalığı görülür.
10.7.2. Pentoz fosfat Yolunun Bazı Doku ve Hücrelerdeki Önemi
Pentoz fosfat yolu ile ilgili radyoaktif 14C ile işaretlenmiş glukoz ile yapılan
denemeler, bu yolun kas dokularından çok adipoz dokuda (yağ dokusunda) aktif olduğunu
göstermiştir. Bu sonuç pentoz fosfat yolunun başlıca rolünün, indirgeyici biyosentez
olaylarında kullanılmak üzere NADPH üretmek olduğu iddiasını desteklemektedir. Çünkü,
yağ dokusu hücrelerinde asetil CoA’dan yağ asitlerinin biyosentezinde büyük miktarda
NADPH kullanılmaktadır. Aynı şekilde, karaciğer ve süt bezlerinde de yağ sentezi ileri
seviyede gerçekleştiğinden, bunların hücrelerinde de pentoz fosfat yolu çok aktiftir.
Pentoz fosfat yolunun eritrositlerde çok hayati bir rolü vardır. Çünkü üretilen NADPH,
okside glutatyonun indirgenmesinde kullanılır. Glutatyon serbest sülfhidril grubuna sahip bir
tripeptiddir (γ–glutamilsisteinilglisin).
CO-O
C
N
C
C
N
C
CH2
CH2
C
HH
H
CH2H
H
H+H3N
CO-O
O
O
SH
Gly
Cys
İndirgenmiş glutatyon (γ–Glu–Cys–Gly)
SH
Alyuvarlarda glutatyonun indirgenmiş şekli (GSH), hemoglobin ve diğer eritrosit
proteinlerinde bulunan sistein kalıntılarını indirgenmiş halde tutarak sülfhidril tamponu görevi
yapar. Kırmızı kan hücrelerinde GSH/GSSG oranı yaklaşık 500’ dür. İndirgenmiş glutatyon,
glutatyon peroksidaz enzimi katalizörlüğünde hidrojen peroksit ve organik peroksitlerle
126
reaksiyona girerek antioksidant etki sergiler. Bu enzim aktif bölgelerinde Se (selenyum)
içerir.
2GSH + R–O–OH → GSSG + H2O + ROH
GSH + H2O2 GSSG + H2O
Yükseltgenmiş glutatyon (GSSG) da, bir FAD’ li enzim olan ve NADPH’ ı kullanan
glutatyon redüktaz aracılığıyla tekrar glutatyona (GSH) indirgenir.
-Glu-Cys-Gly
S
S
-Glu-Cys-Gly
+ NADPH + H+
Glutatyonredüktaz -Glu-Cys-Gly + NADP+
SH
Yükseltgenmiş glutatyon (GSSG) İndirgenmiş glutatyon (GSH)
Antioksidant enzimler olarak bilinen bu iki enzim ve glutatyon, söz konusu etki ve
özellikleriyle karaciğerde de önemlidir. Karaciğerde ayrıca ksenobiyotiklerin (vücuttan
atılması gereken ilaç, kimyasal kirleticiler ve suda çözünmeyen metabolizma atıkları)
detoksifikasyonunda NADPH’ a ihtiyaç vardır. Çünkü detoksifikasyonun ilk basamağı
hidroksilasyon ile 1) çözünürlük artırılmış ve 2) sülfat ve glukuronat ile konjugasyona hazır
bir grup oluşturulmuş olur. Bunun sonucu olarak da böbreklerden veya başka yollarla
atılmaları kolaylaşır. Normal eritrosit hücre yapısının devamı ve hemoglobinin Fe+2 halinde
korunması için GSH zorunludur.
10.8. GLUKONEOGENEZ Glukoneogenez, karbohidrat yapısında olmayan ön maddelerden glukozun
sentezlenmesi olayıdır. Bu metabolik yol, yakıt olarak en çok glukoz kullanan beyin gibi bazı
dokular için çok önemlidir. Yetişkin bir kişide beyin, tek başına günlük olarak 120 gram
glukoza ihtiyaç duyar. Bu günlük 160 gram olan ihtiyacın, önemli bir bölümünü
oluşturmaktadır. Vücut sıvılarındaki glukoz 20 gram ve glikojenden kolayca sağlanabilecek
glukoz da 190 gram civarındadır. Bu glukoz depoları vücudun bir günlük ihtiyacı için
yeterlidir. Daha uzun bir açlık döneminde glukozun karbohidrat olmayan kaynaklardan
sentezlenmesi gerekmektedir. Glukoneogenez yoğun eksersiz süresinde de önemlidir.
Glutatyon peroksidaz
127
Glukoneogenezin önde gelen çıkış maddeleri; laktat, glukogenik aminoasitler ve
gliseroldür. Laktat; mitokondrisi olmayan eritrositlerde, glikoliz hızının sitrik asit çevriminin
ve solunum zincirinin metabolik hızlarını aştığı çok aktif kaslarda meydana gelir. Bu
dokulardan kana difüze olan laktat, kalp ve karaciğer tarafından alınır ve laktat dehidrogenaz
katalizörlüğünde
L-Laktat + NAD+ Pirüvat + NADH + H+
reaksiyonuyla pirüvata çevrilir. Pirüvat; kalp hücreleri tarafından yakıt olarak kullanılırken,
karaciğerde, glukoneogenezle Şekil 10.25.’ de verilen reaksiyon dizisiyle glukoza çevrilir.
Aminoasitler diyette bulunan proteinlerden ve açlık durumunda kas proteinlerinin
parçalanmasıyla ortaya çıkar. Bunlardan glukogenik olanları (Bölüm 12) pirüvat ile TCA
çevrimi ara bileşikleri olan α–ketoglutarat, süksinil CoA, fumarat ve okzalasetata dönüşür
(Şekil 10.13) ve hepsi de okzalasetat üzerinden glukoneogenez yoluna dahil olur.
128
Şekil 10.25. Glukoneogenez yolu. Bu yolun glikolizden farklı reaksiyonlarının okları üzerinde *
işareti vardır. Diğer reaksiyon basamakları glikolizle aynıdır.
Laktat Pirüvat Bazı aminoasitler
Bazı aminoasitler Okzalasetat
Fosfoenolpirüvat
2–Fosfogliserat
3–Fosfogliserat
1,3–Bisfosfogliserat
Gliseraldehid–3–fosfat Dihidroksiaseton fosfat Gliserol
Fruktoz–1,6–bisfosfat
Fruktoz–6–fosfat
Glukoz–6–fosfat
Glukoz
*
*
*
*
Pirüvat karboksilaz
PEP karboksikinaz
F–1,6–bisfosfataz
Glukoz–6–fosfataz
129
Gliserol ise, triaçilgliserollerin lipazlar tarafından yağ asitleri ve gliserole hidroliziyle
oluşur ve kan vasıtasıyla başlıca karaciğere gider. Burada gliserol, gliserol kinaz enzimi
katalizörlüğünde fosforillenir ve daha önce bir mekik enzimi olarak tanıdığımız sitoplazmik
gliserol fosfat dehidrogenaz aracılığıyla dihidroksiaseton fosfata yükseltgenir. Daha sonra,
gliseraldehid-3-fosfata izomerize edilir. Bu bileşik hem glikoliz, hem de glukoneogenez ara
maddesidir ve bu enzimlerin bulunduğu karaciğerde pirüvat veya glukoza dönüştürülür.
Gliserol L-Gliserol-3-fosfat Dihidroksiaseton fosfat
Gliserolkinaz
Gliserol fosfatdehidrogenaz
ATP ADP NAD+ NADH + H+
C
CH2OH
CH2OH
HO H C
CH2OH
H2C
HO H
OPO3-2
C
CH2OH
H2C
O
OPO3-2
Dihidroksiaseton fosfat, trioz fosfat izomerazın katalizlediği reaksiyonla gliseraldehid–
3–fosfata izomerleşerek glikoliz yoluna dahil olur.
Dihidroksiaseton fosfat Gliseraldehid-3-fosfatTrioz fosfat izomeraz
Glukoneogenez yolu, pirüvatın glukoza dönüştürülmesi reaksiyonlarından ibarettir. Bu
yolun reaksiyonlarından yedi tanesi glikoliz reaksiyonlarının dönüşümüdür (Şekil 10.25.).
Glukoneogenez yolunun glikolizden farklı dört enziminden pirüvat karboksilaz mitokondride,
PEP karboksikinaz hem mitokondri, hem de sitoplazmada; glukoz–6–fosfataz endoplazmik
retikulum membranında ve fruktoz–1,6–bisfosfataz sitozolde yer alır.
Glukoneogenezin gerçekleştiği başlıca organ karaciğerdir (% 90’ı). Böbrek korteksinde
de önemli oranda glukoneogenez görülmesine rağmen; küçük hacminden dolayı
karaciğerinkinin onda biri kadardır ve uzun süreli açlıkta önemlidir. Beyin, iskelet kasları ve
kalp kasında çok az miktarda glukoneogenez meydana gelir. Zaten karaciğer ve böbrekteki
glukoneogenezin amacı; kandaki glukoz seviyesini sabit tutmak ve eritrositler ile beyin ve kas
hücrelerinin glukoza olan metabolik ihtiyaçlarını karşılamaktır.
10.8.1. Glukoneogenezin Reaksiyonları
Glikolizde, glukoz pirüvata; glukoneogenezde de pirüvat glukoza dönüştürülmektedir.
Bununla birlikte, glukoneogenez glikolizin dönüşümünden ibaret bir yol değildir. Pirüvatın
glukozdan oluşumunun serbest enerji değişimi (ΔGo) –85 kJ/mol’ dür. Bu serbest enerji
düşüşü; hekzokinaz, fosfofruktokinaz ve pirüvat kinaz enzimleri tarafından katalizlenen üç
dönüşümsüz reaksiyonda ortaya çıkmaktadır. Glikolizin dönüşümsüz üç reaksiyon basamağı:
130
1. Glukoz + ATP Glukoz-6-fosfat + ADP + H+
2. Fruktoz-6-fosfat + ATP Fruktoz-1,6-bisfosfat + ADP + H+
3. Fosfoenolpirüvat + ADP + H+ Pirüvat + ATP
Hekzokinaz
Fosfofruktokinaz-I
Pirüvat kinaz
Glukoneogenezde, glikolizin bu dönüşümsüz reaksiyonları dört farklı enzim tarafından
katalizlenen reaksiyonların oluşturdukları üç basamakta tersine işleyebilir.
1. Pirüvatın okzalasetat üzerinden fosfoenolpirüvata dönüşümü:
Pirüvat öncelikle sitozolden mitokondriye taşınır veya mitokondride alaninin
transaminasyonuyla oluşturulur. Sonra pirüvat biyotin içeren bir mitokondri enzimi olan
pirüvat karboksilazla karboksillenerek okzalasetata dönüştürülür (Şekil 10.26.).
Pirüvat + HCO3- + ATP Okzalasetat + ADP + Pi
Pirüvat karboksilaz
Pirüvat karboksilaz glukoneogenez yolunda ilk düzenleyici enzimdir. Bu reaksiyon
sitrik asit çevrimine ara ürün sağlar.
Pirüvattan oluşturulan okzalasetat NADH kullanan mitokondri malat dehidrogenazıyla
malata indirgenir.
Okzalasetat + NADH + H+ L-Malat + NAD+Malat dehidrogenaz
Böylece mitokondri malat dehidrogenazı, hem sitrik asit çevriminde hem de
glukoneogenezde yer alır.
Malat mitokondri iç membranından sitozole taşınır ve tekrar okzalasetata
yükseltgenirken NADH oluşturulur.
Malat + NAD+ Okzalasetat + NADH + H+
Sonra okzalasetat, fosfoenolpirüvat karboksikinazla fosfoenolpirüvat (PEP)’ a
çevrilir. Bu enzim fosfat vericisi olarak GTP’ yi kullanır (Şekil 10.26).
Okzalasetat + GTP Fosfoenolpirüvat + CO2 + GDPPEP karboksikinaz
Reaksiyon hücre içi şartlarda dönüşümlüdür; yüksek enerjili bir fosfat bileşiği
fosfoenolpirüvat (PEP) oluşumu, GTP’ nin hidroliziyle karşılanır.
Bu reaksiyonlar toplu olarak şöyle yazılabilir:
Pirüvat + ATP + GTP + HCO3- Fosfoenolpirüvat + ADP + GDP + Pi + CO2 Go=0.9kJ/mol
Hücre içi koşullarda, iki yüksek enerjili fosfat bağının hidroliziyle açığa çıkan enerji;
pirüvatın fosforillenmesiyle PEP sentezinde harcanır. Pirüvat kinaz tarafından aynı
131
reaksiyonun katalizlenmesinin ΔGo değeri +30.5kJ/mol olduğu göz önüne alınırsa, bu
basamağın yüksek enerjili bağın (GTP) kullanılmasıyla termodinamik yönden uygun hale
geldiği görülür.
Pirüvatın PEP’ e dönüşümündeki iki basamaklı yolda ∆Go = 0.9kJ/mol olsa da, gerçek
hücre içinde hesaplanan serbest enerji değişimi (∆G) çok daha negatiftir (–25kJ/mol). Bu
karboksilasyon-dekarboksilasyon dizisi pirüvatı aktifleştirerek, PEP oluşumunu kolaylaştırır.
Şekil 10.26. Pirüvattan fosfoenolpirüvat
sentezi. a) Mitokondride pirüvat karboksilaz
tarafından katalizlenen biyotin gerektiren bir
reaksiyonla pirüvat okzalasetata çevrilir. b)
Sitozolde okzalasetat PEP karboksikinazla
fosfoenolpirüvata dönüşür. Pirüvat karboksilaz
reaksiyonuna katılan CO2 burada CO2 olarak
kaybedilir.
132
2. Fruktoz–1,6–bisfosfatın hidrolizlenerek fruktoz–6–fosfata dönüştürülmesi:
Bu ekzergonik hidroliz reaksiyonu sitozolde fruktoz–1,6–bisfosfataz enzimi tarafından
katalizlenir.
Fruktoz-1,6-bisfosfat + H2O Fruktoz-6-fosfat + PiF-1,6-bisfosfataz
3. Glukoz–6–fosfatın hidrolizi ile glukozun oluşumu:
Bu reaksiyon, glukoz–6–fosfataz enzimi tarafından katalizlenir.
Glukoz-6-fosfat + H2O Glukoz + PiG-6-fosfataz
Glukoz–6–fosfataz endoplazmik retikulum membran proteinidir. Bu enzim; böbrek,
karaciğer ve barsak hücrelerinde bol miktarda bulunur. Beyin ve kasta mevcut değildir. Bu
dokular sentezledikleri az miktardaki glukozu, glukoz–6–fosfattan itibaren kendileri kullanır.
10.8.2. Glukoneogenezin Enerji Bilançosu
Glukoneogenezin net denklemi şöyledir:
2Pirüvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6H2O Glukoz + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+ + 2H+
Go = -37.6 kj/mol Eğer glukoz sentezi glikolizin dönüşümüyle olsaydı,
2ATP + 2Pirüvat + 2NADH + 2H+ + 2H2O Glukoz + 2ADP + 2Pi + 2NAD+
Go = +85.0 kj/mol +85 kJ/mol’ lük bir enerji engeli ortaya çıkacaktı.
Glukoneogenezle glukoz sentezinde altı yüksek enerjili fosfat bağı kullanılırken,
glikolizin dönüşümünde iki molekül ATP harcanmaktadır. Yani glukoneogenezin ekstra
masrafı, bir glukoz molekülü başına dört adet yüksek enerjili fosfat bağıdır. Bu sayede +85
kJ/mol’ lük enerji engeli aşılarak, ΔGo değeri –37.6kJ/mol olan termodinamik yönden
yürüyebilen bir olay meydana getirilmektedir.
Glukoneogenez ve glikoliz yolları koordineli olarak çalışıp, birisi nispeten inaktif iken
diğeri oldukça aktiftir. Her bir yolun birbirinden farklı enzimleri öyle etkilenmektedir ki, iki
yol aynı anda aktif olmamaktadır. Mesela AMP, fosfofruktokinaz–I’ i uyarırken, fruktoz–1,6–
bisfosfatazı inhibe eder. Sitrat bu enzimler üzerinde zıt etkide bulunur. Fruktoz–2,6–bisfosfat,
karaciğer fosfofruktokinaz–I’ in güçlü bir aktivatörü iken, fruktoz–1,6–bisfosfatazı inhibe
eder. Glukoz kanda arttığında, hormonal düzenleme ile fruktoz–2,6–bisfosfat seviyesi
yükselir ve bu da fosfofruktokinazın aktivasyonu ile fruktoz–1,6–bisfosfatazın inhibisyonuna
yol açar. Böylece glikoliz hızlanırken, glukoneogenez yavaşlar. Açlık esnasında fruktoz–2,6–
133
bisfosfat, glukozun yıkımı veya sentezini belirleme de önemli bir rol oynar. Pirüvat kinaz ve
pirüvat karboksilaz enzimlerinin katalizledikleri reaksiyonlar da birbirine zıt etkilerle
düzenlenirler. Fruktoz–1,6–bisfosfat, pirüvat kinazı uyarırken, ATP inhibe eder. Glukagon ve
insülin hormonlarının protein kinazlar ve protein fosfatazlar aracılığıyla sebep oldukları
fosforilasyon ve defosforilasyon mekanizmasıyla düzenlemenin yanı sıra, bazı glikoliz ve
glukoneogenez enzimlerinin sentezlerini transkripsiyon seviyesinde baskılama veya uyarma
şeklinde de kontrol edici etkileri vardır. Mesela, insülin glukokinazı uyarırken,
fosfoenolpirüvat karboksikinazı baskılar.
10.8.3. Pirüvat Karboksilaz Enziminin Allosterik Özellikleri ve Biyotinin Etki
Mekanizması
Pirüvat karboksilaz, katalitik ve allosterik özellikleri yönünden çok ilgi çekicidir.
Pirüvat karboksilaz, aktifleşmiş CO2 taşıyan biyotin prostetik grubunu kovalent bağlamıştır.
Biyotinin karboksil ucu, enzim proteininin lizin rezidüsünün ε–amino grubuna amid bağıyla
bağlıdır (Şekil 8.10).
Pirüvatın karboksilasyonu iki basamakta meydana gelir:
Biyotin-enzim + ATP + HCO3- CO2 Biyotin-enzim + ADP + Pi
Asetil CoA
CO2 Biyotin-enzim + Pirüvat Biyotin-enzim + OkzalasetatMn+2
Karboksibiyotin-enzim ara bileşiğinin karboksil grubu, biyotin halkasının 1 nolu N
atomuna bağlıdır. Bu aktifleşmiş karboksil grubu, okzalasetat oluşturmak üzere pirüvata
transfer edilir.
Pirüvat karboksilazın aktivitesi asetil CoA’ nın varlığı ile yakından ilgilidir. Asetil CoA
(veya benzer bir açil CoA) olmaksızın biyotin karboksillenemez. Pirüvat karboksilazın, asetil
CoA tarafından allosterik etkilenmesi fizyolojik yönden çok önemlidir. Bu enzim
reaksiyonunun ürünü olan okzalasetat, hem glukoneogenezin hem de sitrik asit çevriminin ara
bileşiğidir. Yüksek seviyedeki asetil CoA’ nın TCA çevriminde oksidasyonu için, daha fazla
okzalasetata ihtiyaç vardır. Aynı zamanda yüksek asetil CoA, glukoz azaldığı için yağların
yakılmaya başladığını ve glukoz sentezi için de okzalasetat gerektiğini gösterir. Eğer, ATP
fazla ise, okzalasetat glukoneogenezde az ise sitrik asit çevriminde kullanılır. Böylece pirüvat
karboksilaz enzimi; yalnız glukoneogenezde değil, sitrik asit çevrimi ara bileşiklerinin
seviyesini sabit tutmakla da görevlidir.
134
Okzalasetat, mitokondride malat dehidrogenaz enzimi reaksiyonuyla malata
dönüştürülerek stoplazmaya taşınır ve tekrar okzalasetata yükseltgenerek fosfoenolpirüvat
kinazın substratı olur.
Okzalasetat MalatMalat dehidrogenaz
NAD+NADH + H+
10.9. GLİKOJEN METABOLİZMASI Hayvansal organizmalarda glukozun kolayca mobilize edilerek kullanılabileceği bir
depolama şekli olan glikojenin yapısı daha önceden incelenmişti. Çok sayıda glukoz
molekülünün, glikojen makromolekülü halinde bir araya gelmesi osmotik basınç açısından
hücreye bir avantaj sağlamaktadır. Glikojen, glukoz alt birimlerinin α(1→4) glikozid
bağlarıyla oluşturdukları ve yaklaşık on glukoz biriminde bir α(1→6) dallanmalarının olduğu
bir polisakkarittir. Dallanmalar, bu polisakkaritin hem çözünürlüğünü artırmakta hem de
yıkım ve sentezin gerçekleştiği indirgeyici olmayan uçların sayılarını artırarak
metabolizmasının çok hızlı olmasını sağlamaktadır. Glikojen, başlıca karaciğer ve kaslarda
depolanmıştır. İstirahat halinde kas ağırlığının % 1–2’ sini ve yemek sonrası karaciğer
ağırlığının % 6–8’ ini oluşturur. Bu dokuların stoplazmalarında çapları 100–400 Ao arasında
değişen granüller halinde bulunur ve granül yapılarında yapım ve yıkımında katalizörlük
görevi yapan enzimleri de ihtiva ederler.
Glikojen, yemekler arasında veya kas aktivitesi esnasında kullanılabilecek glukoz
sağlamada çok önemlidir. 70 kg’ lık bir kişide, vücut sıvılarındaki glukoz 60 kcal’ lük bir
enerji sağlayabilirken, toplam glikojen miktarının enerji karşılığı 1600 kcal’ den fazladır.
Bu bölümde glikojen sentez (glikojenez) ve yıkımını (glikojenoliz) ayrıntılı olarak ele
alınacaktır. Bu konunun ayrıntılı incelenmesinin nedenleri şunlardır: Birincisi, bu olaylar kan
glukoz seviyesini düzenlemeleri ve kas aktivitesi için bir glukoz kaynağı olmaları yönünden
çok önemlidir. İkincisi, glikojenin sentez ve yıkımı birbirinden farklı yol ve mekanizmalarla
gerçekleştiğinden, katabolizma ve anabolizma yollarının özellikleri için çarpıcı bir örnek
teşkil etmektedir. Üçüncüsü, glikojen metabolizması, canlı organizmadaki olayların hormonal
düzenlenmesine çok güzel bir örnektir. Siklik adenozin monofosfat (cAMP)’ın glikojen
sentez ve yıkımını nasıl koordineli olarak kontrol ettiği tam olarak anlaşılmıştır. Dördüncü
olarak, bugün artık glikojen metabolizmasındaki enzimlerin kalıtsal bozukluklarından ortaya
135
çıkan hastalıkların (glikojen depo hastalıkları) iç yüzü anlaşılmıştır. Bunlardan bazıları çocuk
yaşlarda çok tehlikeli olup; bazıları da tedavi ile düzeltilebilmektedir.
10.9.1. Glikojenin Yıkımı (Glikojenoliz)
Glikojenin dış dallarındaki glukoz birimleri iki enzimin; glikojen fosforilaz ve
fosfoglukomutazın birbirini izleyen etkileriyle glukolitik yola girer. Glikojen, aşağıdaki
reaksiyonu katalizleyen glikojen fosforilaz enzimi tarafından glukoz–1–fosfat halinde
parçalanmaktadır.
Glikojen(n birim) + Pi Glukoz-1-fosfat + Glikojen (n-1 birim)Glikojen fosforilaz
Koenzimi piridoksal fosfat olan glikojen fosforilaz, glikojendeki iki glukozu birleştiren
α(1→4) glikozidik bağına inorganik fosfatın katılmasını sağlayan reaksiyonu katalizler.
İndirgen olmayan uçtaki glukoz, α–D–glukoz–1–fosfat olarak uzaklaştırılır (Şekil 10.27.). Bu
fosforilaz tepkimesi bağırsakta glikojen ve nişastanın glikozidik bağlarının amilazla
hidrolizlenmesinden farklıdır. Fosforilizde, glikozidik bağ enerjisinin bir kısmı fosfat esteri
olan glukoz–1–fosfat oluşumuyla saklanır.
Glikojenin fosforilitik parçalanması, ayrılan glukozun fosforillenmiş olmasından dolayı
enerji yönünden avantajlı bir reaksiyondur. Çünkü glukoz, hem glikoliz hem de pentoz fosfat
yoluna glukoz–6–fosfat şeklinde girerken bir ATP harcanarak fosforillenmesi gerekmektedir.
Fosforilli bir ürünün kas hücreleri için bir diğer avantajı da, glukozdan farklı olarak glukoz–
1–fosfatın hücre dışına difüzyonla çıkamamasıdır.
Şekil 10.27. Glikojen
zincirinin indirgen
olmayan ucundan bir
uç glukoz kalıntısının
glikojen fosforilazla
uzaklaştırılması. Bu
tekrarlayan bir işlem
olup; enzim, ardışık
glukoz birimlerini, bir
dallanma noktasına
dört birim glukoz
kalana kadar
uzaklaştırır.
136
Fosforilaz enzimi katalizörlüğünde, glikojen sınırlı olarak parçalanabilir. Çünkü
dallanma noktalarındaki α(1→6) glikozid bağları bu enzimin substratı değildir. Dallanma
noktasına dört birim kala fosforilaz parçalanmayı durdurur. Şekil 10.28’de glikojen yıkımı
basamak basamak gösterilmiştir.
Şekil 10.28. Bir α(1→6) dallanma noktası
yakınında glikojen yıkımı. Uç glukozun
glikojen fosforilazla sırasıyla
uzaklaştırılmasını takiben (Şekil 10.27), bir
dala yakın glukoz iki basamaklı bir işlemle
uzaklaştırılır. Bu işlem bir iki işlevli dal
kırıcı enzimi gerektirir. Önce enzimin
transferaz aktivitesi üç glukozdan oluşan bir
yapıyı daldan koparıp, yakındaki indirgen
olmayan uca α(1→4) bağı yaparak yeniden
takar. Dallanma noktasında tek kalan
α(1→6) bağlı glukoz, dal kırıcı enzimin
α(1→6) glukozidaz aktivitesiyle serbest
glukoz şeklinde kopartılır ve salınır.
Burada önce bir daldaki beş ve diğer daldaki üç α(1→4) glikozid bağı, fosforilaz
tarafından parçalanır. Parçalanma bu noktada durur. Glikojen fosforilaz, glikojenin indirgen
olmayan ucundan bir α(1→6) dallanma noktasına dört glukoz birimi kalana kadar, defalarca
etki eder. Bu safhada yeni bir enzim gerekmektedir. Dış daldaki üç birimi diğerine transfer
etme görevini yerine getirecek bu dal kırıcı enzim bir transferazdır. Bu transfer sonucunda
dallanma noktasında tek kalan α(1→6) bağlı glukoz, dal kırıcı enzimin α(1→6) glikozidaz
aktivitesiyle serbest glukoz şeklinde kopartılır ve salınır. Böylece transferaz ve α(1→6)
glikozidaz enzimlerinin etkisi sonucu lineer bir yapı ortaya çıkar ve bu da 1 birime kadar
137
defalarca fosforilaz tarafından parçalanır. Transferaz ve α(1→6) glikozidaz iki ayrı enzim
olmayıp; tek bir polipeptid zinciri (dal kırıcı enzim) üzerinde yer alan katalitik bölgeler
tarafından yerine getirilir.
Glikojen fosforilaz reaksiyonunun son ürünü olan glukoz–1–fosfat, fosfoglukomutaz
enzimi katalizörlüğünde glukoz–6–fosfata çevrilir. Denge karışımının % 95’ i glukoz–6–
fosfattır.
Glukoz-1-fosfat Glukoz-6-fosfatFosfoglukomutaz
Karaciğerin başlıca fonksiyonu kanda nispeten sabit bir glukoz seviyesi sağlamaktır. Bu
amaçla kas faaliyeti esnasında ve yemek aralarında kana glukoz salıverir. Daha önceden,
fosforilli glukozun hücre dışına glukoz gibi difüze olamayacağını, bundan dolayı fosforil
grubunun hidrolizlenmesi gerektiğini belirtmiştik. Bu hidroliz reaksiyonu, glukoneogenez için
de gerekli olan glukoz-6-fosfat, glukoz–6–fosfataz enzimi tarafından katalizlenir.
Glukoz-6-fosfat + H2O Glukoz + PiGlukoz-6-fosfataz
10.9.2. Glikojen Biyosentezi (Glikojenez)
Glukoz pek çok organizmada, depolanmak üzere polisakkaritlere ve taşınma amacıyla
disakkaritlere dönüştürülür. Glukozun başlıca depolama şekli omurgalılarda glikojen,
mikroorganizmalarda ve bitkiler de ise nişastadır. Omurgalılarda genellikle glukozun kendisi
kanda taşınır fakat bitkilerde taşınma şekli sükrozdur.
Heksozların dönüşümü veya polimerleşmesi reaksiyonlarının çoğunda şeker
nükleotidleri yer alır. Şeker nükleotidlerinde şekerin anomerik karbon atomu nükleotide
fosfodiester bağı ile bağlanarak aktifleştirilir. Şeker nükleotidleri; monosakkaritlerin
disakkaritlere, glikojene, nişastaya, selüloza ve daha karmaşık polisakkaritlere
polimerleşmesinin substratlarıdır.
Glikojen sentezi hemen hemen bütün hayvansal dokularda görülür fakat özellikle
karaciğer ve kas dokularında yoğun glikojen sentezi olur. Glikojen karaciğerde glukozun
depolanma şeklidir. Diğer dokulara dağıtılmak üzere kolayca kan glukozuna çevrilir. Kas
dokusunda glikojenin yıkımından oluşan glukoz, glikoliz yolundan metabolize olarak kas
kasılmasında gerekli olan ATP’ yi oluşturur.
Glikojen sentezinin başlangıç noktası glukoz–6–fosfattır. Bu serbest glukozdan
glukokinaz (karaciğerde) veya hekzokinazla (kasta) oluşturulur.
D-Glukoz + ATP D-Glukoz-6-fosfat + ADPGlikokinazveya
Hekzokinaz
138
Glukozun glikojene, UDP–glukoz’ un parçalanması sonucu takıldığı gösterilmiştir.
Glikojen sentezi, yıkımının dönüşümü değildir.
Sentez: Glikojen (n birim) + UDP-Glukoz Glikojen (n+1 birim) + UDP
YIkIm: Glikojen (n birim) + Pi Glikojen (n-1 birim) + Glukoz-1-fosfat Daha önceden glukoneogenez olayında gördüğümüz gibi, biyolojik sistemlerde
biyosentez ve yıkım yolları hemen hemen tamamen farklıdır. Glikojen metabolizması buna
çok güzel bir örnektir. Ayrı yollar; hem enerji hem de kontrol noktasından kolaylık
sağlamaktadır.
Glikojen biyosentezinde glukoz vericisi görevini üstlenen UDP–glukoz, glukozun
aktifleşmiş şeklidir. Glukozun 1 nolu karbonuna bağlı hidroksil grubu, UDP’ nin difosfat
kısmıyla ester bağı yaparak yüksek transfer potansiyeline sahip olur.
Glikojen sentezini başlatmak için glukoz–6–fosfat, fosfoglukomutazla glukoz–1–
fosfata dönüştürülür.
Glukoz-6-fosfat Glukoz-1-fosfatFosfoglukomutaz
UDP–glukozpirofosforilaz etkisiyle UDP–glukoz oluşturulması, glikojen
biyosentezinde anahtar tepkimedir.
Glukoz-1-fosfat + UTP UDP-Glukoz + PPiUDP-glukoz pirofosforilaz
Hücre içinde bu reaksiyon UDP–glukozun oluşumu yönünde çalışır çünkü pirofosfat (PPi)
inorganik pirofosfataz tarafından hızla inorganik fosfata (Pi) hidrolizlenir (ΔGo= –25 kJ/mol).
Glukoz-1-fosfat + UTP UDP-Glukoz + PPi
PPi + H2O 2Pi
Glukoz-1-fosfat + UTP + H2O UDP-Glukoz + 2Pi Toplam reaksiyon dönüşümsüzdür. Bu reaksiyon, biyokimyada çok rastlanan bir temel
olaya yani birçok biyosentez olaylarının pirofosfat hidrolizi ile yürümesine örnektir.
UDP–glukoz, glikojen sentazla katalizlenen reaksiyonda glukoz vericisidir. Glikojen
sentaz, kas ve karaciğerde aktiftir. Enzim, UDP–glukozdan glukozun, dallanmış glikojen
molekülünün indirgen olmayan ucuna transferini sağlar (Şekil 10.29). Aktifleşmiş glukoz
birimi, glikojenin C–4 karbonundaki hidroksile aktarılarak bir α(1→4) glikozid bağı
oluşturur. Glukoz–6–fosfattan uzayan glikojene giden yolun toplam dengesi glikojen sentezini
çok kolaylaştırır. Glikojen sentazın başlatıcısı olarak glukoz birimlerini ilave edebilmesi için
en az dört glukoz molekülü uzunluğunda glikojen zinciri veya en az sekiz glukoz molekülü
bulunan bir glikojen dalı olması gerekmektedir. Yani glikojen sentaz, bir primere ihtiyaç
139
duyar. Bu durumda başka sentazların oluşturduğu primer adı verilen bir glikojen zinciri
gerekmektedir.
Şekil 10.29. Glikojen sentezi. Bir glikojen zinciri, glikojen sentazla uzatılır. Enzim (glikojen sentaz)
UDP–glukozun glukozunu, glikojenin bir dalındaki indirgen olmayan uca taşır ve yeni bir
α(1→4) bağı yapar.
Glikojen sentaz, glikojen molekülünün dallanma noktalarında bulunan α(1→6) bağlarını
sentezleyemez; bu bağlar, amilo(1→4)→(1→6) transglikozilaz veya glikozil(4→6)
transferaz olarak adlandırılan glukozun dallanma enzimiyle oluşturulur. Glikozil(4→6)
transferaz; en az 11 glukoz molekülü bulunan bir glikojen dalının indirgen olmayan ucundan
altı veya yedi glukoz içeren bir terminal parçanın, aynı veya başka bir glikojen molekülünün
daha iç tarafında bulunan bir glukoz molekülünün C–6 hidroksil grubuna transfer ederek yeni
bir dal oluşmasını sağlar (Şekil 10.30). Yeni dalın ucuna glikojen sentazla başka glukoz
molekülleri bağlanabilir. Dallanmanın artması glikojen molekülünün suda çözünürlüğünü
artırdığı gibi, aynı zamanda indirgen olmayan uçların sayısını da artırır. Bu artış glikojen
140
sentazın ve glikojen fosforilazın bağlanma yerlerinin sayısını artırır. Bu enzimlerin her ikisi
de sadece indirgen olmayan uçlarda etkindir.
Şekil 10.30. Glikojen dalının sentezi. Glikojen sentezi sırasında glikojen dallandırıcı enzim,
glikozil(4→6) transferaz, yeni dallanma noktaları oluşturur.
Şimdi glukoz–6–fosfatın, glikojene ve tekrar glukoz–6–fosfata çevrilmesi olayının
enerji maliyetini hesaplayalım. Bu hesaplarımızda UTP’ nin bir ATP kullanarak, nükleosit
difosfokinaz enzimi katalizörlüğünde UDP’ den oluşum reaksiyonunu kullanacağız.
(1) Glukoz-6-fosfat Glukoz-1-fosfat(2) Glukoz-1-fosfat + UTP UDP-Glukoz + PPi
(3) PPi + H2O 2Pi
(4) UDP-Glukoz + Glikojen (n birim) Glikojen (n+1 birim) + UDP(5) UDP + ATP UTP + ADP
Toplam: Glukoz-6-fosfat + ATP + Glikojen (n birim) + H2O Glikojen (n+1 birim) + ADP + 2Pi
Fosfoglukomutaz
UDP-Glukoz pirofosforilaz
Pirofosfataz
Sonuç olarak, glukoz–6–fosfatın glikojene dahil edilmesi olayında bir adet yüksek
enerjili fosfat bağı kullanılır. Glikojen yıkımından elde edilen enerji verimi çok yüksektir.
Glukoz birimlerinin yaklaşık % 90’ı fosforilitik olarak glukoz–1–fosfata parçalanır ve bu da
hiçbir enerji maliyeti olmaksızın glukoz–6–fosfata çevrilir. Geride kalan % 10’u ise, dallanma
noktasında tek kalan glukoz olup; glukoz birimlerine hidrolizlendikleri için, her biri bir ATP
kullanarak glukoz–6–fosfata dönüşebilir.
10.9.3. Glikojen Metabolizmasının Kontrolü ve Düzenlenmesi
Glikojen metabolizması glikojen fosforilaz ve glikojen sentaz enzimleri aracılığıyla
düzenlenir. Bu düzenleme, hem allosterik etkileşimlerle hem de kovalent modifikasyonla yani
hormon etkili fosforilasyon ve defosforilasyon mekanizmasıyla gerçekleştirilir. Glikojenin
141
sentez ve yıkımının ayrı ayrı yollarla gerçekleşmesi, bu olayların kolay kontrol edilmelerini
sağlar. Eğer, her iki yolun enzimleri aynı anda aktif olsa, çok miktarda ATP boş yere
hidrolizlenecektir. Gerçekten, glikojen sentaz ve fosforilaz enzimlerinden birisi tam aktif iken,
diğeri inaktif olmaktadır.
Glikojen sentaz, fosforillenmiş ve fosforillenmemiş olarak iki forumda bulunur (Şekil
10.31.). Fosforillenmemiş formu olan glikojen sentaz a, aktif olan halidir. Özgül protein
kinazlarla çok sayıda serin –OH grubundan fosforillendiğinden, daha az aktif olan glikojen
sentaz b formuna çevrilir. Serin kalıntılarınından fosfatları, hidrolizle uzaklaştıran
fosfoprotein fosfataz enzimiyle b formu, aktif a formuna geri dönüşür.
Glikojen fosforilaz enziminin aktif formu olan glikojen fosforilaz a; daha az aktif olan
glikojen fosforilaz b formunun, fosforilaz b kinaz ile serin –OH grubundan
fosforillenmesiyle oluşmuştur. Fosforilaz a fosfataz, fosfat grubunu hidrolizleyerek, daha az
aktif olan fosforilaz b formunu oluşturur. Daha az aktif olan fosforilaz b, allosterik
modülatörü olan AMP’ yle uyarılır. Glikojen fosforilaz ve glikojen sentaz
fosforillenme/defosforillenme devriyle ters düzenlenir. Enzimlerden biri aktif iken, diğerinin
aktivitesi azalmış olur (Şekil 10.31).
Bu iki metabolik yolun hormonal kontrolü; normal şartlarda insülin ve glukagon, stres
ve aşırı aktivite gerektiren durumlarda ise epinefrin (adrenalin) tarafından sağlanmaktadır.
Burada, önce glukagonun karaciğer glikojen metabolizması üzerine olan etkisi özetle
anlatılacaktır. Konuya glukagon etkisiyle artan cAMP’ nin aktifleştirdiği protein kinaz ile
başlayalım:
Protein kinaz, bazı enzim ve proteinleri serin ve treonin –OH grupları üzerinden
fosforiller ve onların fizyolojik ve metabolik özelliklerinde değişim meydana getirir.
Protein kinaz glikojen metabolizmasıyla ilgili (1) glikojen sentaz a ve (2) fosforilaz b
kinaz enzimlerini de fosforiller. Birincisinin inhibisyonuna ve ikincisinin aktivasyonuna
sebep olur.
Glikojen fosforilaz, karaciğerde glukagon hormonuyla ve allosterik mekanizmalarla
düzenlenir. Kan glukoz düzeyi çok düşük olduğunda glukagon, fosforilaz b kinazı
aktifleştirir. Fosforilaz b kinaz, glikojen fosforilaz b’ yi fosforilasyonla aktif fosforilaz a
haline getirir.
Sonuçta, glikojen sentezi aktivitesini kaybederken; glikojen yıkımı hızlanır ve kana
glukoz verilmeye başlanır. Kan glukozu normale döndüğü zaman, glukoz hepatositlere girer
ve fosforilaz a’ nın allosterik bölgesine bağlanır. Bu yapısal değişiklik, fosforilaz a’ nın
fosforil gruplarını fosforilaz a fosfatazla uzaklaştırır ve fosforilaz a inhibe olur. Epinefrin
142
(adrenalin), glukagon benzeri etki gösterir. Ancak bunun hedefi öncelikle kas dokusu
hücreleridir. Oysa glukagonun birinci hedefi karaciğer üzerinedir.
İnsülin, yukarıda özetlenen glukagon etkisini iki enzimi aktifleştirerek tersine çevirir.
(1) cAMP’ i yıkan fosfodiesteraz ve (2) serin ve treonin üzerinden fosforillenmiş proteinleri
defosforile eden protein fosfataz. Bu iki enzimin allosterik düzenlenmesi de tamamen
birbirine zıt şekilde gerçekleşmektedir. Kas ve karaciğer farklılaşması da söz konusudur.
Glukoz–6–fosfat, ATP ile beraber her iki dokunun fosforilazını da inhibe ederken; glikojen
sentazları aktifleştirir. Glukoz bizzat karaciğerde fosforilazı inhibe eder. Kasta ise Ca+2 ve
AMP’ nin, glikojen yıkımını artırıcı etkisi vardır. Kas kasılması için bir sinyal olan Ca+2,
fosforilaz b kinaza bağlanır ve aktifleştirir. İnaktif fosforilaz b’ nin aktif a şekline çevrilmesini
sağlar. ATP düzeyi uygun olduğu zaman fosforilaz a inaktifleşir.
Şekil 10.31. Glikojen sentaz ve glikojen fosforilazın karşılıklı düzenlenmesi. Düzenlenme
osforillenme / defosforillenme çevriimiyle gerçekleşir. Her iki enzimde de
fosforillenme yeri, serin kalıntılarıdır (burada –CH2OH ile gösterilmiştir). Glikojen
yıkımı enzimleri (fosforilaz a ve b) koyu renkli gösterilmiştir.
143
10.10. FOTOSENTEZ VE FOTOSENTETİK KARBOHİDRAT SENTEZİ
Fotosentetik organizmalar tarafından güneş enerjisinin yakalanıp, organik
bileşiklerde kimyasal enerjiye dönüşümü neredeyse tüm biyolojik enerjilerin en büyük
kaynağıdır. Fotosentetik ve heterotrofik organizmalar yeryüzünde bir dengede yaşarlar
(Şekil 10.32). Fotosentetik organizmalar güneş enerjisini ATP ve NADPH şeklinde yakalar,
bunu CO2 ve H2O’ dan karbohidratları ve diğer organik bileşikleri yapmak için enerji
kaynağı olarak kullanırken, aynı zamanda atmosfere de O2 verirler. Aerobik heterotroflar
(örneğin insanlar) yüksek enerjili organik bileşikleri O2 ile yakıp kendisi için ATP
oluştururken sonuçta fotosentezin kullandığı CO2 ve H2O’yu verir. Heterotroflarda
solunumla oluşan CO2 atmosfere döner ve fotosentetik organizmalarca tekrar kullanılır.
Güneş enerjisi yeryüzünde CO2 ve O2 döngüsünün sürekliliğini ve fotosentetik olmayan
organizmaların kullandığı indirgenmiş substratları (yakıtları) örneğin glukozu sağlar.
Fotosentez yüksek bitkilerde olduğu gibi tek hücreli ökaryotlarda (su yosunları) ve
bir grup bakteride (siyanobakteri) de gözlenir. İşlev, bu organizmalarda ayrıntıda farklı
olmamasına karşın, temel mekanizma oldukça benzerdir ve yüksek bitkilerde fotosentezi
açıklamak için yapılan çalışmaların çoğu basit organizmalardan elde edilmiştir. Yüksek
bitkilerde CO2’nin karbohidrata (CH2O) indirgenmesi için, H2O’ nun elektron vericisi
(hidrojen olarak) olduğu bir yükseltgenme-indirgenme reaksiyonu olarak tanımlanan
fotosentezin tüm dengesi şu şekilde yazılabilir:
CO2 + H2O O2 + (CH2O)
Şekil 10.32. Güneş enerjisi tüm biyolojik enerjilerin en
büyük kaynağıdır. Fotosentetik organizmalar güneş ışığı
enerjisini, heterotrofik hücrelerin enerji ve karbon kaynağı
olarak kullandığı glukoz ve diğer organik ürünleri yapmak
için kullanırlar.
Işık
144
10.10.1. Fotofosforilasyonun Genel Özellikleri
Yüksek bitkilerdeki fotosentez iki işlemle donatılmıştır: (1) Işığa bağlı reaksiyonlar
veya ışık reaksiyonları, bunlar sadece bitki ışık aldığında oluşur, (2) karbon-özümleme
veya karbon-fiksasyon (tespit) reaksiyonları, bazen hatalı olarak karanlık reaksiyonları
denir, bunlar ışık reaksiyonlarından gelen ürünleri kullanır (Şekil 10.33). Işık
reaksiyonlarında fotosentetik hücrelerin klorofil ve diğer pigmentleri ışık enerjisini alıp onu
ATP ve NADPH halinde tutarken, O2 üretir. Karbon-özümleme reaksiyonlarında ise CO2’yi
trioz fosfat, nişasta, sükroz ve bunlardan türeyen diğer ürünlere dönüştürmek için ATP ve
NADPH kullanılır.
Şekil 10.33. Güneş enerjisinin harcandığı fotosentezin ışık
reaksiyonları, enerji bakımından zengin NADPH ve ATP
oluşturur. Bu ürünler karbon-özümleme reaksiyonlarında
kullanılır, karanlıkta veya ışıkta oluşabilen bu reaksiyonlarla
CO2 triozlara ve triozlardan türeyen daha karmaşık bileşiklere
(glukoz gibi) dönüştürülür.
10.10.2. Yüksek Bitkilerdeki Fotosentez
Fotosentetik ökaryotik hücrelerde, hem ışığa-bağımlı reaksiyonlar hem de karbon-
özümleme reaksiyonları kloroplastlarda yer alır (Şekil 10.34); kloroplastlar, genelde bir kaç
mikron çapında zara bağlı hücre içi organellerdir. Mitokondri gibi iki membranı vardır, dış
membran küçük molekül ve iyonlara geçirgendir, iç zar ise iç kısmı çevreler. İç kısımda
tilakoitler olarak adlandırılan birkaç kez katlanmış membranla çevrili veziküller bulunur,
genelde grana adı verilen demetler şeklinde istiflenmiştir (Şekil 10.34.b). Tilakoit
reaksiyonları yerleşmiş fotosentetik pigmentler ve enzim kompleksleri, ışık reaksiyonlarını ve
ATP sentezini gerçekleştirir. Stroma (iç zarla çevrelenmiş sıvı kısım) karbon-özümleme
reaksiyonları için gereken çok sayıda enzim bulundurmaktadır.
145
Şekil 10.34. Kloroplast. (a) Elektron mikrografisi (b) Şematik çizim.
Büyük büyütmede grana yani tilakoit membran demetleri görülmektedir.
10.10.3. Işık Kloroplastlarda Elektron Akışını Sağlar
Robert Hill 1937’ de kloroplast içeren yaprak özlerini aydınlattığında bunların Hill
reaksiyonuna göre (1) O2 ürettiğini ve (2) ortama eklenen biyolojik olmayan bir elektron
alıcısını indirgediğini buldu:
2H2O + 2A 2AH2 +O2
A bir elektron alıcısını göstermektedir. Birkaç yıl sonra, kloroplastlarda biyolojik
elektron alıcısının NADP+ olduğunu aşağıdaki eşitlikle göstermiştir;
2H2O + 2NADP+ 2NADPH + 2H+ + O2
Klorofiller fotosentez için ışık enerjisini tutar. Işık enerjisini tutan en önemli
pigmentler tilakoit membranlardaki klorofillerdir, polisiklik, düzlemsel yapıdaki bu yeşil
pigmentler hemoglobinin protoporfirinine benzer ancak bunlarda merkezde Fe+2 yerine Mg+2
bulunur (Şekil 10.35). Bütün klorofillerin uzun bir fitol yan zinciri vardır, bu IV. halkadaki bir
karboksil grubuyla esterleşmiştir. Klorofilin içe doğru yönelen dört azot atomu Mg+2’ a
bağlanmıştır.
Yüksek bitki kloroplastları klorofil a ve klorofil b içerir (Şekil 10.35.a). Her ikisi de
yeşil olmasına karşın absorbsiyon spektrumları, görünür bölgede ışık absorbsiyon sınırlarıyla
birbirinden ayırt edilecek kadar farklıdır. Su yosunları ve fotosentetik bakterilerin
pigmentlerinden çok az fark göstermektedir.
Işık
Işık
146
Şekil 10.35. Birincil ve ikincil fotopigmentler. (a) klorofil a ve b ışık enerjisinin birincil
toplayıcılarıdır. (b) β-Karoten (bir karotenoit) ve (c) Lutein (ksantofil de denir)
bitkilerdeki aksesuar pigmentlerdir.
Klorofiller her zaman özgül bağlayıcı proteinlerle birlikte ışık-toplayan kompleksler
halinde membrana tutunurlar (Şekil 10.35.a). Tilakoit membran klorofillere ek olarak, ikincil
ışık-tutan pigmentler (aksesuar pigmentler) de içerir, bunlar karotenoitlerdir. Karotenoitler
sarı, kırmızı ya da mor olabilir. En önemlileri kırmızı-turuncu bir izoprenoid olan β-karoten
(Şekil 10.35.b) ve sarı karotenoit lutein (Şekil 10.35.c)’ dir. Aksesuar pigmentler ışık
absorblama sınırını genişletir. Karotenoit pigmentler, ışığı klorofillerin tutmadığı dalga
boylarında tutar.
10.10.4. Klorofil Tutulan Enerjiyi Reaksiyon Merkezlerine, Uyarım Transferiyle Aktarır
Tilakoit veya bakteri membranlarının ışık-tutan pigmentleri fotosistem denilen
işlevsel bir düzenlenme göstermektedir. Örneğin ıspanak kloroplastında, her bir fotosistem
200 molekül kadar klorofil ve 50 molekül kadar karotenoit içerir. Bir fotosistemdeki tüm
pigment molekülleri fotonları tutabilir, ancak sadece birkaç klorofil molekülü fotokimyasal
reaksiyon merkezi ile ilişkilidir ve ışığı kimyasal enerjiye çevirebilir. Fotosistemdeki diğer
147
pigment molekülleri ışık-toplayan veya anten moleküller olarak adlandırılır. Bunlar ışık
enerjisini tutar, hızla ve verimli olarak reaksiyon merkezine geçirir (Şekil 10.36).
Şekil 10.36. Fotosistemlerin tilakoit
membrandaki organizasyonu.
Fotosistemler tilakoit membranda
sıkıca, bir fotoreaksiyon merkezini
çevreleyen yüzlerce anten klorofil ve
aksesuar pigment ile paketlenmiştir.
Bir foton herhangi bir anten klorofil
tarafından tutulunca, uyarım transferi
yoluyla reaksiyon merkezine uyarı
ulaşır. Tilakoit membrana yerleşmiş
sitokrom b6f kompleksi ve ATP
sentaz da bulunur (bkz. Şekil 10.38).
10.10.5. Yüksek Bitkilerde İki Reaksiyon Merkezi Ardarda Çalışır
Kloroplast tilakoit membranlarının iki farklı fotosistemi ve ikisinin de kendine ait
fotokimyasal reaksiyon merkezi ve anten molekülleri topluluğu bulunmaktadır. Bu iki sistem
farklı ve birbirini tamamlayan işlevlere sahiptir (Şekil 10.37). Fotosistem II (PSII) feofitin-
kinon tipi sistemdir ve kabaca eş miktarda klorofil a ve b içermektedir. Reaksiyon merkezi
P680’ nin uyarılması, elektronları sitokrom b6f kompleksine yöneltir, beraberinde protonlar
tilakoit membranı geçer. Fotosistem I (PSI) ferrodoksin tiptir, reaksiyon merkezi P700’ dür
ve klorofil a’ nın klorofil b’ e oranı yüksektir. P700 uyarımı elektronları Fe-S protein
ferrodoksine, sonrasında NADP+’ ye geçirir ve NADPH oluşturur. Tek bir ıspanak
kloroplastının tilakoit membranları bu fotosistem tiplerinden yüzlercesini bulundurmaktadır.
Bitkilerdeki bu iki reaksiyon merkezi, elektronların H2O’ dan NADP+’ ye ışık-aracılı
hareketlerini katalizlemek için birlikte eşleşerek çalışır (Şekil 10.37). Elektronlar, iki
fotosistem arasında işlevsel olarak mitokondrideki sitokrom c’ e benzeyen bir elektron
148
taşıyıcısı olan çözünür protein plastosiyanin aracılığıyla taşınmaktadır. Siyanobakteriler ve
bitkiler, elektronlar PSII’ den PSI’ e ve NADP+ akarken, H2O’ u yükseltgeyerek (yeşil sülfür
bakterilerin H2S oksidasyonu gibi) O2 oluşturur (Şekil 10.37. sol alt). Bu işleme oksijenik
fotosentez denir ve bu şekilde yeşil sülfür ve mor bakterilerin anoksijenik fotosentezinden
ayrılır. Bütün O2 oluşturan fotosentetik hücreler (yüksek bitkiler, suyosunları ve
siyanobakteriler) hem PSI hem de PSII içerir; sadece bir fotosistem bulunduran organizmalar
O2 üretemezler. İki fotosistem arasındaki elektron akış yollarını ve ışık reaksiyonlarının enerji
ilişkilerini tümüyle kapsadığı için Z şeması elektronların H2O’ dan NADP+’ ye aşağıdaki
eşitlik doğrultusunda akışının tüm yolunu tanımlar;
2 H2O + 2NADP+ + 8foton → O2 + 2NADPH + 2H+
Absorblanan her iki foton için (her bir fotosistem tarafından) bir elektron H2O’ dan
NADP+’ ye aktarılır. Bir molekül O2 oluşumu için, iki H2O’ dan iki NADP+’ ye dört
elektronun transferi, her bir fotosistem tarafından dörder olmak üzere toplam sekiz fotonun
tutulması gerekir.
P680 (PSII’ de)’ in uyarımı P680* oluşturur, bu mükemmel bir elektron vericisidir
pikosaniyeler içinde bir elektronu feofitine aktararak onu negatif yükler (Feo-) (Şekil 10.37.,
sol yan). Kendi elektronlarının kaybı P680*’ i radikal bir katyona dönüştürür (P680+). Feo-
gelen fazla elektronları hızla protein bağlı plastokinon (PQA)’ a verir, bu da ardından
elektronunu daha gevşek bağlı plastokinon (PQB)’ a aktarır. PQB, bu şekilde PQA’ dan iki
elektron ve sıvı ortam sudan iki proton kazanınca, tam olarak indirgenmiş kinon (PQBH2)
formuna döner. Neticede PQBH2’ deki elektronlar sitokrom b6f kompleksine doğru geçer.
PSII’ deki ışık ile başlatılan tüm reaksiyon şöyledir;
4P680 + 4H+ + 2PQB + 4foton → 4P680+ + 2PQBH2
PSI’ in (P700 reaksiyon merkezinde) uyarımı ile gelişen fotokimyasal olaylar şeklen
PSII’ de gelişene benzer. Uyarılmış reaksiyon merkezi (P700*) bir elektronunu bir alıcıya
(Ao, klorofilin özel bir formu olduğuna inanılır ve işlevsel olarak PSII’ nin feofitinine
benzerdir) verir ve Ao– ile P700+ oluşur (Şekil 10.37., sağ yan). P700+, kuvvetli yükseltgendir,
Cu-içeren elektron taşıyıcı çözünür bir protein olan plastosiyaninden kolayca bir elektron
alır. Ao–, elektronunu zincir taşıyıcıları üzerinden NADP+’ e ileten kuvvetli bir indirgeyicidir.
Önce, filokinon (A1) bir elektron alır ve onu bir demir-sülfür proteine (PSI’ deki üç Fe-S
merkez üzerinden) aktarır. Buradan elektronlar, tilakoit membranla gevşek bağlı bir diğer
demir-sülfür protein olan ferrodoksin (Fd)’ e geçer. Zincirde bulunan dört elektron taşıyıcı
flavoprotein ferrodoksin: NADP oksidoredüktaz, bu elektronları redükte ferrodoksinden
(Fdred) NADP+’ ye aktarır:
149
2Fdred + 2H+ + NADP+ → 2Fdoks + NADPH + H+
Şekil 10.37. Kloroplastlarda fotosistem I ve II’ nin bütünleşmesi. Bu “Z şeması” çevrimsel olmayan
fotosentezde H2O’ dan (sol aşağıda) NADP+’ ye (sağ uçta) elektron transferi yolunu
göstermektedir. Her elektron taşıyıcısının düşey eksene göre pozisyonu kendi standart
indirgenme potansiyeline karşılık gelir. H2O’ dan gelen elektron enerjisinin, NADP+’ yi
NADPH’ a indirgeyebilecek enerji düzeyine çıkarılması için, her bir elektronun PSI ve
PSII’ de tutulan fotonlarca iki kez (kalın oklar) “yüksek enerji düzeyine uyarılması”
gerekmektedir. Her bir fotosistemde elektron başına bir foton gerekir. Uyarım
sonrasında yüksek enerjili elektronların zincir taşıyıcıları boyunca “düşük enerji
düzeyine inişleri” görülmektedir. Protonlar su-yıkım reaksiyonu ve sitokrom b6f
kompleksinden elektron transferi boyunca tilakoit membrandan geçer ve temel olarak
ATP oluşumu için proton gradyanı oluşturur. Kesikli ok sadece PSI’ de bulunan
çevrimsel elektron transfer yolunu gösterir (metinde ileride anlatılmıştır); elektronlar
NADP+’ yi NADPH’ a indirgemeden çevrimsel yolla PSI’ e geri döner.
PSI (P700) uyarımı için gereken enerji PSII (P680) uyarımı için gerekenden daha
azdır. PSI ve PSII fiziksel olarak bitişik olsaydı, uyarılar PSII’ nin anten sisteminden başlayıp
PSI’ in reaksiyon merkezine ulaşacak, PSII sürekli olarak uyarım altında ve iki reaksiyon
sisteminin işleviyle ilişkili kalacaktı. Bu şekildeki bir uyarım kaçağı PSI ve PSII’ nin tilakoit
150
membranda ayrı ayrı yerleşmeleri sayesinde önlenmiştir (Şekil 10.38). PSII her zaman için
tilakoit grananın (granal lamel) kümelenmiş, membran (zar) kısmında sıkıca tutunmuş ve ışık-
toplayan kompleksle sıkı sıkıya bitişik konumda bulunur. PSI ve ATP sentaz kompleksi her
zaman için kümelenmemiş tilakoit membranlarda (stromal lamel) bulunur, her ikisi de ADP
ve NADP+ gibi stroma içeriğinde yer alan bileşiklerle ilişkilidir. Sitokrom b6f kompleksi ise
tilakoit membran boyunca mevcuttur.
Şekil 10.38. Tilakoit membranda PSI ve PSII’ nin yerleşimi. Işık toplayan kompleks ve ATP sentaz
tilakoit membranın hem kümelenmiş hem de kümelenmemiş bölgesinde yer alır ve
stromada kullanımlarına hazır ADP ve NADP+ bulunmaktadır. PSII stromada her zaman
bol olarak kümelenmiş bölgede PSI’ de her zaman kümelenmemiş bölgede yer alır.
PSII’ de P680 uyarımının bir sonucu olarak plastokinonda depolanan elektronlar,
sitokrom b6f kompleksi ve çözünür protein plastosiyanin aracılığıyla PSI’ deki P700’ e taşınır
(Şekil l0.37, orta). Elektronlar, sitokrom b6f kompleksi üzerinden PQBH2’ den sitokrom f’ ye
daha sonra plastosiyanine akar ve dolayısıyla P700’ ü indirger.
Sitokrom b6f elektronları, PQBH2’ den tek elektron taşıyan suda çözünebilen bir
proteine (plastosiyanin) taşır. Bu şekilde elektronlar her seferinde bir tane olmak üzere
151
PQBH2’ den sitokrom b6’ ya geçer. Protonlar bu çevrimle membrandan pompalanır;
kloroplastta proton hareketinin yönü stromal kısımdan tilakoit lümene doğrudur ve her
elektron çifti için dört proton geçer. Tilakoit membranda meydana gelen bu proton farkının
sonucu olarak elektronlar PSII’ den PSI’ e geçer. Böylece sitokrom b6f kompleksi fotosistem
II ve I’ i bağlar.
Bitki (oksijenik) fotosentezinde NADP+’ a geçen elektronların en büyük kaynağı
sudur. Feofitine bir elektronun gelişiyle, P680+ (PSII’ deki)’ in kendi temel durumuna
dönmek için mutlaka bir elektron kazanması gerekir ki bir diğer protonu yakalayabilmek için
hazır olsun. Gereken elektron ilke olarak, herhangi bir organik veya inorganik bileşikten
alınabilir. Yaklaşık üç milyar yıl önce ilkel fotosentetik bakterilerin (modern
siyanobakterilerin ataları) evrimi, elektronları her zaman var olan bir vericiden yani sudan
alabilecek bir fotosistem oluşturmuştur. Su, oksijen üreten bir kompleks tarafından parçalanır.
Bu işlemde iki su molekülü parçalanırken, dört elektron, dört proton ve moleküler oksijen
oluşur:
2H2O → 4H+ + 4e- + O2
Görünür ışığın tek bir fotonu, sudaki bağları kırmak için yeterli enerjiye sahip değildir;
bu fotolitik ayırma reaksiyonu için dört foton gerekir.
10.10.6. Fotofosforilasyonla ATP Sentezi
İki bitki fotosisteminin birlikte çalışmalarıyla elektronlar sudan NADP+’ye geçerken
tutulan ışığın enerjisinin bir kısmı NADPH olarak saklanır (Şekil 10.37.). Protonlar eş
zamanlı olarak tilakoit membrandan pompalanır ve enerji elektrokimyasal bir potansiyel
olarak saklanır. Şimdi işlemin bu proton gradyanıyla yürütülen ATP sentezi kısmına ye ışığa-
bağımlı reaksiyonlardaki enerjiyi koruyan diğer ürünlere bakalım.
Bir proton gradyanı elektron akışı ve fosforilasyonu eşleştirir. Kloroplastlardaki,
fotosentetik elektron transferi ve fotofosforillenmenin çeşitli özellikleri, proton gradyanının,
mitokondrideki oksidatif fosforillenmedekiyle aynı rolü oynadığını göstermektedir: (1)
Reaksiyon merkezleri, elektron taşıyıcıları ve ATP oluşturan enzimler proton geçirmeyen bir
membranda bulunur (tilakoit membran) ve fosforillenme bütünüyle burada gelişir, (2)
Fotofosforillenme ayıraçlarla elektron akışından ayrılabilir böylece protonlar tilakoit
membrana doğru yönelir. (3) Fotofosforillenme bazı ajanlarla engellenebilir. (4) ATP sentezi
tilakoit membranın dış yüzeyinde bulunan F0F1 kompleksiyle katalizlenir, bu da
mitokondrinin F0F1 kompleksine yapı ve işlev olarak çok benzemektedir.
152
PSII ve PSI’ i bağlayan taşıyıcılar zincirinde elektron taşıyan moleküller, tilakoit
membranda asimetrik dizilmiştir; böylece ışığın neden olduğu elektron akışı, protonların
stromal taraftan tilakoit lümene doğru membrandan geçişine neden olur (Şekil 10.39).
Şekil 10.39. Tilakoitlerdeki proton ve elektron çevrimi. H2O’ dan alınan elektronlar PSII üzerinden,
zincir taşıyıcıların ara ürünlerine ve sonuçta NADP+’ ye kadar hareket eder. Protonlar
PSII ve PSI arasındaki zincir taşıyıcıları boyunca akarken tilakoit lümene pompalanır ve
ATP sentazın Fo kısmı (kloroplasttaki enzimde CFo olarak belirtilir) tarafından
oluşturulan proton kanallarından tekrar stromaya girer. F1 alt birimi (CF1) ATP sentezini
katalizler.
10.10.7. Çevrimsel (Döngüsel) Elektron Akışı ATP Üretir, NADPH veya O2 Üretmez
Işıkla oluşan elektron akışının bir diğer yolu, kloroplastın ışıkta farklı oranda NADPH
ve ATP oluşturmasına imkan sağlar; çevrimsel elektron akışı denilen bu yol, normalde tek
yönlü veya çevrimsel olmayan elektron akışından farklıdır. Çevrimsel elektron akışı (Şekil
10.37) sadece PSI’ i kapsar. Elektronlar P700’ den ferrodoksine geçer, NADP+’ e devam
153
etmez; buradan sitokrom b6f kompleksi yoluyla plastosiyanine geri döner. Plastosiyanin
elektronları P700’ e verir ve ışık altında onları ferrodoksine aktarır. Böylece aydınlıkta PSI
elektronların, PSI’ in reaksiyon merkezi dışına çıkarak ve geri içine girerek sürekli olarak
dönebilmelerine neden olur, her bir elektron bir fotonun tutulmasıyla elde edilen enerjiyle
döngüye katılır. Çevrimsel elektron akışında net bir NADPH oluşumu veya O2 açığa çıkışı
olmaz. Ancak bu, sitokrom b6f kompleksiyle proton pompalar ve ADP’ yi ATP’ ye fosforiller,
bundan dolayı çevrimsel (döngüsel) fotofosforilasyon denir. Çevrimsel elektron akışı ve
fosforillenmenin tüm denklemi basitçe şöyledir;
ADP + Pi ATP + H2O
Elektronların NADP+’ nin indirgenmesi ve çevrimsel fosforillenme arasında
paylaşılarak düzenlenmesiyle, bir bitki ışığa bağımlı reaksiyonlarda ürettiği ATP ve NADPH
oranını kendi gereksinimine göre ayarlayabilir, bu ürünleri karbon-özümleme
reaksiyonlarında kullanır. Karbon-özümleme reaksiyonları 3:2 oranında ATP ve NADPH
gerektirir.
10.10.8. Kloroplastın ATP Sentazı Mitokondridekine Benzer
Kloroplastların ATP sentezleyen enzimi, CFo ve CF1 (C kloroplast kökeni ifade
etmektedir) olmak üzere iki işlevsel kısım içeren büyük bir komplekstir. CFo çeşitli integral
membran proteinlerinden oluşmuş, membran proton taşıma kanalıdır ve mitokondrideki Fo ile
türdeştir. CF1 periferik bir membran protein kompleksidir ve alt birimlerin duruş, yapı ve
işlevleri mitokondrideki F1’ e çok benzer.
ATP sentaz kompleksi tilakoit zarın dış yüzü (stroma)’ ne çıkıntı yapmış tokmak gibi
yapısıyla gözlenir; bu kompleksler mitokondri iç membranının iç yüzü (matriks)’ ne ATP
sentazın çıkıntı yapmış görünümüne eş görünümdedir. Kloroplastlardaki ATP sentazın duruşu
ve proton pompalama yönü mitokondridekinin tam tersi konumdadır (Şekil 10.40).
Kloroplast ATP sentaz mekanizmasının da, mitokondrideki benzerine tam eşdeğer
olduğuna inanılmaktadır; ADP ve Pi enzim yüzeyinde kolayca birleşip ATP oluşturur ve bu
enzime bağlı ATP proton-hareket gücüyle serbestleştirilir.
Işık
154
Şekil 10.40. Mitokondri, kloroplast ve E. coli bakteri membranlarında ATP sentezinin ve proton
hareketinin karşılaştırmalı yerleşimi. Proton gradyanının ATP sentaza göre yerleşimi
her üç durumda da aynıdır.
10.11. FOTOSENTETİK KARBOHİDRAT SENTEZİ Hayvan hücrelerinde karbohidrat sentezi daima CO2’ deki karbondan daha düşük
yükseltgenme basamağında bulunan üç karbonlu öncüllerle başlar. Buna karşın, fotosentetik
organizmalar karbohidratlarını CO2 ve H2O kullanarak, ATP ve NADPH katkısıyla,
oluşturulan fotosentetik elektron transferi yardımıyla CO2’ yi indirgeyerek sentezler. Ototrof
(fototrof ve kemlitotrof) ve heterotrof organizmalar arasındaki temel fark budur. Bitkiler gibi
ototroflar, sadece CO2’ nin karbon atomlarını kullanarak selüloz, nişasta, lipit, protein ve pek
çok diğer organik molekülü sentezler. Buna karşın heterotroflar, genellikle “yeni” bir glukoz
molekülü oluşturmak için, CO2’ nin net indirgemesini gerçekleştirmezler. CO2 hayvan
dokularında bazı organik moleküllere katılabilir, örneğin glukoneogenezdeki pirüvat
karboksilaz reaksiyonunda olduğu gibi, ancak bir sonraki reaksiyonda bir karbon CO2 olarak
kaybedilir (Şekil 10.26).
Yeşil bitkiler kloroplastlarında CO2 indirgeyerek, basit (indirgenmiş) organik
moleküller oluşturma özelliğine sahip özgün enzim sistemleri bulundurur. Bu işleme CO2
asimilasyonu (özümlemesi) denir. Aynı zamanda bu işlemle oluşan basit madde 3-
fosfogliserat, daha kompleks büyük ürünlerin (şekerler, polisakkaritler ve türevleri gibi)
155
öncülüdür. Karbondioksit, anahtar ara ürünlerin sürekli yenilendiği bir çevrimde sabitlenir. Bu
çevrim M. Calvin ve arkadaşları tarafından bulunduğundan (1950) Calvin Çevrimi olarak
adlandırılır.
10.11.1. Karbondioksit Asimilasyonu (Karbon-Özümlemesi) Üç Safhada Oluşur
Fotosentez yapan organizmalarda, CO2’ nin biyomoleküllere asimilasyonunda (Şekil
10.41) ilk safha karbon fiksasyon reaksiyonudur: CO2 ve beş karbonlu alıcı ribuloz-1,5-
bisfosfat birleşerek, iki molekül 3-fosfogliserat oluşturur. İkinci safhada 3-fosfogliserat, trioz
fosfatlara indirgenir. Böylece, üç CO2 molekülü üç ribuloz-1,5-bisfosfata sabitlenir ve altı
molekül gliseraldehit-3-fosfat (18 karbon) (dihidroksiaseton fosfatla dengededir) oluşturur.
Üçüncü safhadaki altı molekül trioz fosfatın (18 karbon) beşi (15 karbon), kullanılarak
başlangıç maddesi olan ribuloz-1,5-bisfosfat (15 karbon) yeniden yapılır. Böylece çevrim
CO2’ nin trioz ve heksoz fosfatlara kesintisiz dönüştürülmesiyle tamamlanır. Fruktoz-6-fosfat,
ribuloz-1,5-bisfosfatın yeniden oluşumu veya nişastanın sentezi arasındaki yol ayırımında
üçüncü safhanın anahtar ara ürünüdür. Heksoz fosfattan pentoz bisfosfata giden yoldaki
reaksiyonlar hayvan hücrelerinde glukoz oksitlenmesinin alternatif yolu olan pentoz fosfat
yolundaki (Şekil 10.23) reaksiyonlarla aynıdır, ancak ters yönde (indirgenme reaksiyonları
yönünde) çalışır ve heksoz fosfatları pentoz fosfatlara çevirir. Enzimleri ve ara ürünleri
aynıdır, ancak geri dönüşümsüz bazı reaksiyonlar da bulunur.
156
Şekil 10.41. Fotosentetik organizmalarda CO2 asimilasyonunun üç safhası. Şekilde görüldüğü gibi üç
adet CO2 molekülünden, bir molekül gliseraldehit-3-fosfat sentezlenmiştir. Bu çevrim fo-
tosentetik karbon indirgenme çevrimi veya Calvin çevrimi olarak adlandırılır.
1. Safha: CO2’ nin 3-fosfogliserata Sabitlenmesi Fotosentez yapan organizmalarda
CO2’ nin asimilasyonu, 1940’ ların sonunda aydınlatıldı. Kloroplastlarda, CO2’ nin ribuloz-
1,5-bisfosfata bağlanmasını gerçekleştiren enzim, ribuloz-1,5-bisfosfat karboksilaz veya
kısaca rubisko olarak adlandırılır. Bir karboksilaz olarak rubisko, CO2’ nin beş karbonlu
ribuloz-1,5-bisfosfata katılmasını ve kararsız bir yapıda olan altı karbonlu bileşiğin, iki
molekül 3-fosfogliserata bölünmesini katalizler. Üç 3-fosfogliserat molekülünden biri katılan
CO2’ nin karbon atomunu içerir (Şekil 10.42).
Bitkilerde bu enzim kloroplast stromasında yerleşiktir ve toplam kloroplast
proteinlerinin % 50’ sini oluşturur. Atmosferdeki CO2’ den biyokütle üreten rubisko,
biyosferde miktarca en bol bulunan enzimdir.
157
Şekil 10.42. CO2 asimilasyonunun birinci safhası. CO2 sabitlenmesi ribuloz-1,5-bisfosfat karboksilazla
(rubisko) gerçekleştirilir. Karboksillenmiş altı-karbonlu ara ürün olduğu düşünülen ve
burada gösterilen β-ketoasit enzime bağlı bulunur. Enzim yüzeyinden hidrolizle ayrılınca,
biri CO2’ den gelen karbon atomunu (kutu içerisinde) taşıyan iki adet üç karbonlu benzer
ürün meydana gelir.
2. Safha: 3-Fosfogliserattan Gliseraldehit 3-Fosfat Oluşumu 1. Safhada oluşturulan
3-fosfogliserat, gliseraldehit-3-fosfata çevrilir. Tek fark dehidrogenaz enziminin kofaktör
olarak NADH yerine NADPH kullanmasıdır (Şekil 10.43). Kloroplast stromasında
fosfogliserat mutaz dışında diğer glikoliz enzimlerinin hepsi mevcuttur. Bu stroma enzimleri
sitozolde bulunan glikoliz enzimlerinin izozimleridir. Her iki takım enzim de aynı
reaksiyonları katalizler ama farklı genlerin ürünleridir.
Dizinin ilk basamağında, stromadaki 3-fosfogliserat kinaz önce, ATP’ den bir fosforil
grubunun 3-fosfogliserata aktarılarak 1,3-bisfosfogliserat oluşumunu katalizler (Şekil 10.43).
Sonra, NADPH’ den elektronlar gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenazla 1,3-bisfosfogliserata
aktarılarak indirgenir ve gliseraldehit-3-fosfat oluşur. Trioz fosfat izomeraz, gliseraldehit-3-
fosfat ve dihidroksiaseton fosfatı birbirine dönüştürür. Trioz fosfat kloroplastta nişastaya
çevrilir ve daha sonra kullanılmak üzere depolanır veya hemen stoplazmaya transfer edilerek,
158
bitkinin gelişmekte olan bölgelerine yollanmak üzere sükroza çevrilir. Gelişmekte olan
yapraklarda, trioz fosfatın büyük bir miktarı, büyümeye ek enerji sağlamak üzere glikolizle
yıkılır (Şekil 10.43).
Şekil 10.43. CO2 asimilasyonunun ikinci safhası. 3-Fosfogliserat, gliseraldehit-3-fosfata çevrilir.
Gliseraldehit-3-fosfatın kullanıldığı alternatif yollar da gösterilmiştir. Şekil 10.44.’ da
görüleceği gibi bunun çoğu ribuloz-1,5-bisfosfata geri dönüşür. Nişasta sentezi için
(eğer gerek duyulursa) gliseraldehit-3-fosfat, önce dihidroksiaseton fosfatla stromada
birleşerek fruktoz-1,6-bisfosfatı, nişastanın bir öncülünü oluşturur. Dihidroksiaseton
fosfat sitozolde glikolizle yıkılıp enerji üretebilir veya fruktoz-6-fosfat ve böylece
sükroz oluşturmakta kullanılabilir.
3. Safha: Ribuloz-1,5-Bisfosfatın Trioz Fosfatlardan Yeniden Oluşumu Daha önce
gördüğümüz gibi, trioz fosfata CO2 asimilasyonundaki ilk reaksiyon ribuloz-1,5-bisfosfatın
harcanmasına yol açar. CO2’nin karbohidratlara devamlı akışının sağlanması için ribuloz-1,5-
bisfosfatın yenilenmesi gerekir. Bu, yukarıda açıklanan 1. ve 2. safha ile birlikte, süregelen bir
159
çevrim halinde ilk reaksiyonun ürünü (3-fosfogliserat) bir seri değişimden geçerek, ribuloz-
1,5-bisfosfatın yeniden oluşturulmasıyla sağlanır. Bu değişimler gliseraldehit-3-fosfat ve
dihidroksiaseton fosfat yapılarında karbon iskelette düzenlemeler gerektirir. Metabolik yolun
ara ürünleri üç-, dört-, beş-, altı- ve yedi-karbonlu şekerlerdir. İzleyen açıklamalarda tüm
basamak numaraları Şekil 10.44’deki gibidir.
Şekil 10.44. CO2 asimilasyonunun üçüncü safhası. Bu şematik diyagram, trioz fosfatlarla (3C’ lu
bileşikler) pentoz fosfatların (5C’ lu bileşikler) birbirine çevrilmesini gösterir. Başlangıç
maddeleri gliseraldehit-3-fosfat ve dihidroksiaseton fosfattır. Bunlar transaldolaz (1) ve
(4) ve transketolaz (3) ve (6) reaksiyonlarıyla ribuloz-1,5-bisfosfata dönüşen pentoz
fosfatları (riboz-5-fosfat) riboz-5-fosfat izomerazla (7) ve ksiluloz-5-fosfatı, ribuloz-5-
fosfat epimerazla (8) oluşturur. Basamak (9)’ da ribuloz-5-fosfat fosforillenerek ribuloz-
1,5-bisfosfat oluşturulur.
160
Basamak (1) ve (4) glikolizdeki gibi, gliseraldehit-3-fosfat ve dihidroksiaseton fosfatın
(basamak (1)) ve eritroz-4-fosfatın dihidroksiaseton fosfatla, yedi karbonlu sedoheptuloz-1,7-
bisfosfat oluşturan (basamak (4)) geri dönüşümlü kondenzasyonunu katalizleyen
transaldolazla gerçekleşir. Basamak (3) ve (6) Mg+2’ a gereksinen ve tiaminpirofosfat (TPP)
prostetik grubu olan transketolazla gerçekleşir. Transketolaz bir ketoz fosfat vericisi olan
basamak (3)’ teki fruktoz-6-fosfattan, bir aldoz fosfat alıcısı olan gliseraldehit-3-fosfata bir
ketol (CH2OH-CO-) grubunun transferini gerçekleştirir (Şekil 10.45.a ve b). Aynı temel
reaksiyon sedoheptuloz-7-fosfatı ve gliseraldehit-3-fosfatı, basamak (6)’ daki iki adet pentoz
fosfata dönüştürür.
Şekil 10.45. Calvin çevriminde transketolazla katalizlenen reaksiyonlar. (a) Transketolazlarla
katalizlenen genel reaksiyon. İki karbonlu bir grup bir ketoz vericiden, bir aldoz alıcıya
geçici olarak TPP’ ye bağlanarak taşınır. (b) Bir heksoz ve bir triozun, dört-karbonlu bir
şekere ve pentoza çevrilmesi (Şekil 10.44’ de 3. basamak). (c) Yedi-karbonlu ve üç-
karbonlu şekerlerden iki adet beş karbonlu şeker oluşması (Şekil 10.44’ de 6. basamak).
161
Transketolaz reaksiyonlarında oluşan pentoz fosfatlar (riboz-5-fosfat ve ksiluloz-5-
fosfat) ribuloz-5-fosfata dönüşür (basamak (7) ve (8)). Çevrimin son reaksiyonunda,
(basamak (9)) riboz-5-fosfat, ribuloz-5-fosfat kinazla fosforillenerek ribuloz-1,5-bisfosfata
çevrilir (Şekil 10.46). Bu Calvin çevriminin üçüncü çok yüksek egzergonik reaksiyonudur.
Şekil 10.46. Ribuloz-1,5-bisfosfatın yenilenmesi. Calvin çevriminin başlangıç maddesi olan ribuloz-
1,5-bisfosfat, çevrim sırasında oluşturulan iki pentoz fosfattan yeniden oluşturulur. Bu yol
bir izomeraz ve bir epimerazın etkinliğini daha sonra bir kinazla fosforillenmeyi içerir
(Şekil 10.44. basamak (7), (8) ve (9)).
162
11.BÖLÜM: LİPİD METABOLİZMASI Bu bölümde lipidlerin sindirimi ile yağ asitlerinin yıkımı ve sentezi anlatılacaktır.
Yetişkin bir insan besin maddeleri vasıtasıyla günde yaklaşık 60–150 g arasında lipid alır.
Bunların % 90’ından fazlasını triaçilgliseroller teşkil eder. Bunun yanı sıra fosfolipidler,
kolesterol veya kolesterol esterleri, serbest yağ asitleri ile yağda çözünen A, D, E ve K
vitaminleri de alınan diyette bulunur.
Daha önceden açıklandığı gibi, nötral yağlar bitki ve hayvanlarda yağların depo şekli
olup; yağ asitlerinin gliserolle yapmış oldukları mono–, di– veya triaçilgliserol esterleridir.
Triaçilgliseroller (trigliseridler, nötral yağlar) metabolik enerjinin en verimli ve konsantre
depolanma şeklidir. 1 gram karbohidrat ve protein 4 kcal’lik bir enerji sağlarken; 1 gram
yağın oksidasyonu ile 9 kcal’ lik enerji açığa çıkar. Çünkü yağlar, karbohidratlar ve
proteinlere göre daha indirgenmişlerdir. Bunun yanı sıra yağlar, çok apolar olduklarından
susuz depolanırlar. Fakat proteinler ve karbohidratlar, polar yapılarından dolayı hidratlanmış
şekilde depo edilirler. Mesela 1 gram glikojen, 2 gram su bağlar. Bunun sonucu olarak, 1
gram susuz yağ, hidratlanmış 1 gram glikojenden 6 kat daha fazla metabolik enerji
depolayabilir. Bu da enerjinin glikojen yerine triaçilgliseroller halinde depolanmasını daha
avantajlı kılmaktadır. 70 kg ağırlığında bir yetişkinin, metabolik enerji kaynaklarının yaklaşık
136.000 kcal’si triaçilgliseroller; 25.000 kcal’si çoğunluğu kaslarda olmak üzere proteinler;
1600 kcal’si glikojen ve 60 kcal’ si glukoz halindedir. Toplam vücut ağırlığının yaklaşık 11
kg’ı triaçilgliseroldür. Eğer bu miktar enerji, glikojen halinde depolansaydı; vücut ağırlığı 55
kg daha fazla olurdu.
Memelilerde triaçilgliserollerin depolandığı doku, adipoz doku yani yağ dokusudur. Bu
doku hücrelerinin büyük bölümünü triaçilgliserol kütleleri oluşturmaktadır. Bu hücreler,
triaçilgliserollerin sentez, depolanma ve mobilizasyonu için özelleşmiştir.
11.1. YAĞLARIN SİNDİRİMİ VE TAŞINMASI Besinlerden alınan yağların sindirim yolunda karşılaştığı ilk enzim, dil altından
salgılanan lingual lipazdır. Ağızdaki kısa süreli temastan dolayı, burada kayda değer bir
triaçilgliserol hidrolizi gözlenmez. Bu enzim, asidik ortamda da aktif olduğu için, midede de
etkisini sürdürür. Ayrıca mideden salgılanan gastrik lipazın, mide pH’ ları nötral olan
bebeklerde sütteki yağların sindirimi fonksiyonu gördüğü ve yetişkin kişilerde çok önemli
olmadığı bildirilmektedir. Yağlar, midede safra asitlerinin mevcut olmaması sebebiyle
emülsiyonlaşmış halde değildir. Dolayısıyla lingual ve gastrik lipazlar ancak daha az
163
hidrofobik olan kısa zincirli yağ asitli triaçilgliseroller üzerinde etkili olabilirler. Bu yağ
asitlerinin bir kısmı, mide mukoza hücrelerine ve oradan da kana geçerek karaciğere ulaşır.
Sonuç olarak, midede önemli ölçüde bir yağ sindirimi söz konusu değildir.
Diyet lipidlerin sindirimi ve emilimi ince bağırsakta olur (Şekil 11.1). Diyetle alınan
yağlar, ince bağırsağın üst kısmından girdiği zaman, kolesistokinin hormonu salgılanarak
kana karışır ve bu da safra kesesinden bağırsağa safra sıvısının salgılanmasını uyarır. Safra
sıvısının önemli bir bölümünü oluşturan kolesterolün, polar türevleri olan safra asitleri etkili
deterjan özelliği gösterirler. Safra asitleri karaciğerde sentezlenir, safra kesesinde
depolanırlar. Safra asitleri suda çözünmeyen lipidleri dağıtarak emülsiyon oluştururlar.
Böylece lipidlerin lipaz enzimleri tarafından hidrolizi için uygun fiziksel ortam hazırlanır.
Safra asitleri miseller oluşturarak, lipidlerin absorpsiyonuna katkıda bulunurlar.
Ayrıca yağlar, on iki parmak bağırsağından (duodenum) geçerken, sekretin
hormonunun salgılanmasını uyarır. Bu hormon da, HCO3- bakımından zengin ve mideden
gelen karışımın pH’ sını nötralize eden pankreas sıvısının bağırsaklara salgılanmasını sağlar.
Pankreas salgısı, yağların sindirimi ile ilgili 1) pankreas lipazı, 2) kolesterol esteraz ve 3)
fosfolipaz A2 (PLA2) enzimleriyle; lipazın etkinliği için gerekli olan kolipaz proteini içerir.
Kolipaz, lipazın bu kompleksi içinde adsorpsiyonunu kolaylaştırır. Bu şekilde
triaçilgliserollerin hidrolizini de aktive etmiş olur. Bunlardan fosfolipaz A2 ve kolipaz
zimojen halde salgılanır ve tripsin tarafından aktifleştirilir.
Safra asitlerinin oluşturduğu lipid emülsiyonu–sulu ortam ara yüzeyinde kolipazla 1:1
oranında teşkil edilen kompleks halinde iş görebilen pankreas lipazı, triaçilgliserol
omurgasındaki 1 ve 3 no’lu karbonlardaki ester bağlarını hidrolizler. Ürün olarak, iki yağ
asidi ve 2–monoaçilgliserol oluşur:
OH2C
CHO
H2C O
C
O
R1
C
O
R2
C
O
R3
Pankreas LipazICOOHR1
COOHR3
+ 2 H2O ++
OHH2C
CHO
H2C OH
C
O
R2
Triaçilgliserol 2–Monoaçilgliserol + 2 Yağ asidi
164
Şekil 11.1. Omurgalılarda diyet lipidlerin işlenmesi. Diyet lipidlerin sindirimi ve emilimleri ince
bağırsaklarda olur ve triaçilgliserollerden salınan yağ asitleri, kas ve adipoz dokuya salınır
ve depolanır. Burada sekiz basamak tartışılacaktır. 1-Safra asitleri, ince bağırsaklarda
diyet yağlarını emülsifiye eder ve karışık miselleri oluşturur. 2-İnce bağırsak lipazları
triaçil gliserolleri parçalar. 3-Yağ asitleri ve diğer yıkım ürünleri, ince bağırsak mukozası
tarafından alınır ve triaçilgliserollere çevrilir. 4-Triaçilgliseroller, kolesterol ve
apolipoproteinlerle birleşerek şilomikronları oluşturur. 5-Şilomikronlar, lenf sistemi ve
kan dolaşımı aracılığıyla dokulara taşınır. 6-Kapilerde, ApO-C-II ile aktifleştirilen
lipoprotein lipaz; yağ asitleri ve gliserol salınımını sağlar. 7-Yağ asitleri hücreye girer. 8-
Yağ asitleri, yakıt olarak oksitlenir veya yeniden esterleştirilerek depo edilir.
165
Kolesterol esteraz ise, kolesterol esterlerini serbest kolesterol ve yağ asidine parçalar.
Fosfolipaz A2, bağırsakta tripsin tarafından aktifleştirildikten sonra, fosfogliseridlerin 2 no’ lu
karbonundaki yağ asidini uzaklaştırarak lizofosfogliseridleri oluşturur:
OH2C
CHO
H2C O
C
O
R1
C
O
R2
P
O
O
PLA2 COOHR2+ H2O +
O
(CH2)2 N
CH3
CH3
CH3
OH2C
CHHO
H2C O
C
O
R1
P
O
O
O
(CH2)2 N
CH3
CH3
CH3
Fosfatidil kolin 1-Açil lizofosfogliserid
Lizofosfogliserit ya ince bağırsak mukoza hücrelerine girer ya da yapılarındaki diğer
yağ asidi de lizofosfolipazlarca daha ileri parçalanmaya uğrar.
Diyetle alınan lipidlerin sindirimi sonucu oluşan karışımda başlıca, 1) yağ asitleri, 2)
serbest kolesterol, 3) 2–monoaçilgliserol ve 4) lizofosfogliseridler bulunmaktadır. Bunlar
safra asitleriyle birlikte miseller teşkil ederler. Yağda çözünen vitaminlerin de yer aldığı misel
yapısında bu moleküllerin polar kısımları dışarıya; apolar hidrofobik kısımları da içeriye
yönelmiştir. Miseller ince bağırsak mukoza hücreleri tarafından emilir.
4–12 karbon uzunluğundaki yağ asitleri, ince bağırsak tarafından emilir ve taşıyıcı kan
dolaşımı (portal ven)yoluyla karaciğere taşınır.
Bağırsak mukoza hücreleri ER lümeninde, yağ asitlerinin aktifleşmesi ve tekrar
esterleşme reaksiyonları ile triaçilgliseroller ve kolesterol esterleri sentezlenir. Bu nötral
lipidler; çok hidrofobik oldukları için fosfolipid, serbest kolesterol ve özgül proteinlere
bağlanarak lipid tabakası içinde toplanmış şilomikron adı verilen lipoprotein kümelerini
oluşturur (Şekil 11.1). Şilomikronlar, ekzositozla bağırsak mukoza hücrelerinden lenf
dolaşımına aktarılır ve buradan da kan dolaşımına geçerler. Şilomikronlar; % 89
triaçilgliserol, % 8 fosfolipid, % 1 protein ve % 2 kolesterolden ibarettir.
Normal bir yemek sonrası kanda bir hiperlipidemi (kanda yüksek lipid konsantrasyonu)
gözlenir. Bu durum 2 saati maksimumda olmak üzere 4–5 saat sürer. Şilomikronlar, plazmaya
bulanık görünüm verirler. Bu bulanık plazma, çeşitli organlardan geçerken lipoprotein lipaz
enzimi tarafından berraklaştırılır. Lipoprotein lipaz, başlıca kas ve yağ dokusunda
sentezlenerek salgılanır ve periferal dokuların kapiler damarları endotel hücrelerin dış tarafına
tutunmuş halde bulunur. Şilomikronların yapısındaki triaçilgliseroller, yağ asitleri ve gliserole
hidrolizlenir. Yağ asitleri hücrelerin içine girerken, gliserol karaciğere giderek
glikoneogenezle glukoza çevrilir (Bölüm 10. Glukoneogenez). Adipoz doku hücrelerinde,
166
gliserolün ATP ile fosforilasyonunu katalizleyen gliserol kinaz enzimi bulunmadığı için
gliserolü kullanamazlar.
Kolesterol, triaçilgliseroller ve diğer lipidler, vücut sıvılarında artan yoğunluklarına
göre sınıflandırılan bir seri lipoproteinler tarafından taşınır. Yukarıda sözü edilen
şilomikronlar, bunların bir çeşididir. Diğerleri ise, çok düşük dansiteli lipoproteinler
(VLDL), düşük dansiteli lipoproteinler (LDL), yüksek dansiteli lipoproteinler (HDL) dir
(Tablo 11.1). Bu lipoproteinler, aynen şilomikronlarda anlatıldığı gibi; polar lipidler
tarafından sarılmış bir hidrofobik lipid çekirdeğinden ve bunun etrafında da
apolipoproteinlerden ibaret bir kabuktan oluşmuştur. A’dan H’ ye kadar birçok apolipoprotein
sınıfı ve apo A–I veya apo C–II gibi alt sınıfları belirlenmiştir. Bu kompleksler son derece
hidrofobik lipidleri çözünebilir hale getirir. Ayrıca apolipoproteinler, lipoproteinlerin
metabolizma ve fonksiyonlarını da düzenlerler. Mesela şilomikronlar ve VLDL yapısındaki
apo C–II proteini lipoprotein lipaz enzimine bağlanarak onu aktifleştirir. Hepsinin spesifik
fonksiyonları henüz aydınlatılamamıştır.
Tablo 11.1. Plazma lipoproteinleri. TG:Triaçilgliserol
Lipoprotein çeşidi
Çap (nm)
Yoğunluğu (g/mL)
Başlıca polipeptidler
Lipoprotein bileşim (%) Protein Fosfolipit Kolesterol TG
Şilomikronlar 75-2000 < 0.940 apo A, B, C 2 3 5 90
VLDL 30-80 0.940 – 1.006 apo B, C, E 6 14 20 60
LDL 25-35 1.006 – 1.063 apo B 21 22 50 7
HDL 7-12 1.063 – 1.210 apo A 37-54 26-32 17-25 3-6
Şilomikronların tamamı ve VLDL’ nin az bir bölümü bağırsaklarda ve diğerleri
tamamen karaciğerde sentezlenir ve salgılanır. Bunların en büyüğü olan şilomikronlar, diyetle
alınan triaçilgliserolleri ve diğer lipidleri bağırsaktan karaciğere ve adipoz dokuya taşırlar.
Çok miktarda triaçilgliserol ve düşük oranda (% 2’den az) protein ihtiva ettiklerinden
dansiteleri çok düşüktür (< 0.940). Şilomikronlardaki triaçilgliserollerin periferal dokulardaki
lipoprotein lipazlar tarafından birkaç dakika içinde hidrolizlenmesi sonucu geride kalan
kolesterolce zengin şilomikron kalıntıları, karaciğer tarafından alınır. Yani diyetle alınan
eksojen kolesterolün tamamına yakını, karaciğere taşınmış olur. VLDL; vücutta (büyük
ölçüde karaciğerde) sentezlenmiş olan triaçilgliserolleri, adipoz dokuya ve iskelet kaslarına
ulaştırır. VLDL’den lipoprotein lipazla triaçilgliserollerin uzaklaştırılması sonucu geriye
167
kalan kısım, HDL’ye apo A–II ve apo E vererek kolesterol esterlerince zengin olan düşük
dansiteli lipoproteinlere (LDL) dönüştürülür. LDL’nin görevi karaciğerden kolesterolü
periferal dokulara taşımak ve buralarda yeniden kolesterol sentezini düzenlemektir. LDL
kolesterolü arter duvarlarına taşıdığı için, yüksek plazma LDL veya apo B düzeyleri
arteroskleroz için artmış riskin en iyi göstergesidir. Bu hücrelerde LDL; spesifik reseptörlere
bağlanarak, endositozla hücre içine alınır ve lizozomlarda yıkılır. Bu reseptörlerden yoksun
kişilerin kanında yüksek kolesterol görülür. Yüksek dansiteli lipoproteinlerin (HDL) görevi
ise, periferal dokulardan kolesterolü karaciğere taşımak ve diğer lipoproteinlerin
fonksiyonlarını yönlendirmektir.
Herhangi bir andaki plazma lipid seviyeleri, lipid metabolizmasının ve diyet depo
yağlarının kullanım dengesinin genel durumu hakkında bilgi verir. Tablo 11.2’de normal bir
yetişkin plazmasındaki başlıca lipidlerin açlık seviyeleri yaklaşık olarak sıralanmıştır.
Tablo 11.2. Plazma açlık lipid seviyeleri (mg/100 mL plazma)
Toplam lipid 430–725
Triaçilgliseroller 30–140
Fosfolipidler 140–225
Toplam kolesterol 120–200
Esterleşmiş kolesterol Toplam kolesterolün % 70–78’ i
11.2. YAĞ ASİTLERİNİN YIKIMI Yağ asitleri vücutta triaçilgliseroller halinde depo edildiklerinden, önce lipaz enzimleri
tarafından hidrolizlenir. Yağ hücrelerindeki lipazlar, hormonal kontrol altındadır ve cAMP ile
aktifleştirilen protein kinazların fosforillenmesi ile aktif hale geçer.
OH2C
CHO
H2C O
C
O
R1
C
O
R2
C
O
R3
LipazlarCOO-R1
COO-R3
+3 H2O +
OHH2C
CHHO
H2C OH
COO-R2 3H++
Lipazların hidrolizi ile oluşan gliserol, kan vasıtasıyla karaciğere gider ve metabolize
olur (Bölüm 10. Glukoneogenez). Yağ asitleri ise kana verilir ancak kanda serbest halde değil
de, albümin proteinlerine bağlanarak taşınır.
168
Franz Knoop (1904), yağ asidi oksidasyonu mekanizmasını aydınlatmada büyük
katkıları olan bir seri deneyler yapmıştır. Köpeklere, ω–karbon atomuna fenil takılmış düz
zincirli yağ asitleri vermiştir. Knoop, fenil bütiratla beslenen köpeklerin idrarında, bir fenil
asetik asit türevi; fenil propiyonatla beslenenlerin idrarında ise, bir benzoik asit türevi tespit
etti. Gerçekten çift karbon sayılı yağ asitleri verildiği zaman fenil asetik asit; tek karbon sayılı
yağ asitleri verildiği zaman da benzoik asit oluşmaktaydı. Knoop, bu buluşlarından sonra yağ
asitlerinin β–karbonu üzerinden oksitlenerek; iki karbonlu birimler halinde yıkıldığı sonucuna
varmıştır (Şekil 11.2).
Tek karbon sayılı yağ asidi Çift karbon sayılı yağ asidi
CH2 CH2 CO
O-
CH2 CH2 CH2 CO
O-
CO
O-
CH2 CO
O-
Fenil propiyonat Fenil bütirat
Benzoat Fenil asetat
Şekil 11.2. Knoop’ un yağ asitlerinin ikişer karbon birimi uzaklaştırılmasıyla yıkıldığını gösteren
deneyi.
11.2.1. Yağ Asitlerinin Aktifleştirilmesi ve Mitokondri Matriksine Taşınmaları
Albümine bağlı yağ asitleri, kas ve karaciğere gelerek hücre içine girer ve bu hücrelere
enerji sağlamak amacıyla yakılır. Beyin ise yağ asidi–albümin kompleksi, kan–beyin engelini
aşamadığı için; yağ asitlerini yakıt olarak kullanamaz.
Yağ asitleri, mitokondri matriksinde yükseltgenir. Daha sonraki araştırmalar yağ
asitlerinin, mitokondri matriksine girmeden önce aktifleştirildiklerini ortaya koymuştur.
Aktifleştirilme işlemi, bir ATP’ nin AMP’ ye kadar hidrolizlenmesi sonucu, bir yağ asidinin
karboksil grubuyla CoA’ nın sülfhidril grubunun bir tiyoester bağı oluşturması sonucu
gerçekleşir. Bu reaksiyon, mitokondri membranı üzerinde bulunan açil CoA sentetaz enzimi
tarafından katalizlenir. Reaksiyon iki basamakta oluşur ve yağ açil adenilat ara ürünü içerir
(Şekil 11.3). Önce yağ asidi, bir açil adenilat oluşturmak üzere ATP ile reaksiyona girer.
ATP’ nin diğer iki fosforil grubu, pirofosfat (PPi) olarak ayrılır. Daha sonra CoA’ nın
169
sülfhidril grubu, enzime sıkıca bağlanmış olan açil adenilatla reaksiyona girerek; açil CoA ve
AMP’ yi meydana getirir.
R CO
O-
Yag asidi
+ ATP R CO
O AMP
+ PPi
R CO
O AMP
+ HS CoA R CO
S CoA
+ AMP
- Açil adenilat
Yag açil CoA-Açil adenilat
Şekil 11.3. Yağ asidinin yağ açili–CoA’ ya dönüşümü. Dönüşüm yağ açili–CoA sentetaz ve inorganik
pirofosfataz ile katalizlenir. Yağ açili–CoA türevleri yoluyla yağ asidi aktifleşmesi, iki
basamakta olur. Birincisinde, karboksil iyonu ATP’ nin iki dış fosfatıyla (β ve γ) yer
değiştirerek; yağ açili adenilatı oluşturur. Diğer ürün olan PPi, anında 2 Pi’ ye
hidrolizlenerek; tepkimenin devamını sağlayan bir gruptur. CoA’ nın tiyol grubu, enzime
bağlı açil adenilata atak yapar; AMP ayrılır ve tiyoester yağ açili–CoA oluşur. Toplu
tepkime yüksek oranda ekzergoniktir.
Bu reaksiyonlar dönüşümlüdür fakat birinci basamakta oluşan pirofosfatın (PPi)
hidrolizi, bu reaksiyonu büyük ölçüde ürünler lehine çevirerek dönüşümsüz yapar. Toplu
reaksiyon aşağıdaki gibidir:
170
Yağ asidi + HS-CoA + ATP → Yağ açil CoA + AMP + 2Pi ∆Go = –34 kJ/mol
Açil CoA’ ların önünde iki yol vardır; ya mitokondriye geçerek yıkılır ya da
triaçilgliserol sentezinde kullanılır.
Yağ asitleri, dış mitokondri membranı üzerinde aktifleştirilirken; mitokondri
matriksinde oksitlenir. Uzun zincirli yağ açil CoA molekülleri, iç mitokondri membranından
geçemezler ve matrikse karnitin adı verilen polar bir bileşiğe bağlanarak açil karnitin
şeklinde taşınırlar. Önce açil grubu, CoA’ nın kükürt atomundan karnitinin hidroksil grubuna
aktarılır ve böylece açil karnitin oluşur. Bu reaksiyon, dış mitokondri membranının sitozol
tarafında lokalize olmuş karnitin açiltransferaz–I tarafından katalizlenir.
R C
O
S CoA + N
CH3
CH3
CH2H3C C
H
OH
CH2 C
O
O-
R
C O
N
CH3
CH3
CH2H3C C
H
O
CH2 C
O
O-+ CoA SH
Açil karnitin
Açil CoA Karnitin
Daha sonra açil karnitin, iç mitokondri membranından translokaz taşıyıcı proteini
aracılığıyla matrikse aktarılır. Açil grubu, membranın matriks tarafında tekrar CoA’ya
transfer olur. Karnitin açiltransferaz–II tarafından katalizlenen bu reaksiyon, termodinamik
yönden mümkündür. Çünkü karnitindeki O–açil bağı yüksek bir grup transfer potansiyeline
sahiptir. Son olarak karnitin, translokaz tarafından sitozol tarafına geri döner (Şekil 11.4). Bu
sistem sayesinde, mitokondri ve sitoplazma CoA havuzları birbirine karışmamış olur.
Şekil 11.4. Bir translokaz enzimiyle, açil karnitinin mitokondrial matrikse girişi ve karnitinin iç
mitokondri membranının sitozol tarafına geri dönüşü.
171
Kısa ve orta zincirli (4–12 karbonlu) yağ asitleri, sitoplazmada aktifleşmeden ve
karnitine bağlanmadan matrikse geçebilirler. Matrikste aktifleşerek β–oksidasyonla yıkılırlar.
11.2.2. Doymuş Yağ Asitlerinin β–Oksidasyonu
Mitokondri matriksine taşınan doymuş açil CoA, dört reaksiyonun tekrarlanmasıyla
yıkılmaktadır: 1) FAD’ye bağlı bir oksidasyon, 2) hidrasyon, 3) NAD+’ya bağlı ikinci bir
oksidasyon ve 4) CoA tarafından tiyoliz. Yağ açil zincirleri, bu reaksiyonların sonucu iki
karbon kısalır ve FADH2, NADH ile asetil CoA oluşur (Şekil 11.5). Bu reaksiyon serisine,
yağ asitlerinin β–oksidasyonu yolu adı verilir. Şimdi bu reaksiyonları ayrıntılı olarak
inceleyelim:
172
Şekil 11.5. β-oksidasyon yolu. a) Dört
basamaklı dizinin her devrinde, bir asetil
kalıntısı (koyu ile gösterilmiştir) yağ açil
zincirinin karboksil ucundan asetil CoA
oluşturularak ayrılır. Örnekte palmitoil–CoA
olarak reaksiyona giren palmitat (C16)
verilmiştir. b) Devrin altı kez daha tekrarıyla,
sonuçta sekiz molekül asetil CoA oluşmuştur.
Yıkımın her devrinde ilk reaksiyon, açil CoA’ nın bir açil CoA dehidrogenaz enzimi
tarafından bir enoil CoA vermek üzere katalizlenen reaksiyondur. C–2 ile C–3 arasındaki çift
bağ transdır.
Açil CoA + E–FAD → trans–Δ2–enoil CoA + E–FADH2
Açil CoA’ nın dehidrogenasyonu, TCA çevriminde süksinatın dehidrogenasyonuna çok
benzemektedir. Gerçekten β–oksidasyonunun ilk üç reaksiyonu, sitrik asit çevrinin son
basamaklarına benzemektedir.
Açil CoA → Enoil CoA → Hidroksiaçil CoA → Ketoaçil CoA
Süksinat → Fumarat → Malat → Okzalasetat
173
Daha sonraki reaksiyon, C–2 ve C–3 arasındaki çift bağın, enoil CoA hidrataz enzimi
katalizörlüğünde hidrasyonudur:
trans-2-Enoil CoA + H2O L-3-Hidroksiaçil CoA Enoil CoA’ nın hidrasyonu, sitrik asit çevrimindeki fumaratın hidrasyonuna
benzemektedir. Bu enzim tarafından trans–Δ2 çift bağı hidrasyonu ile, L–3–hidroksiaçil CoA
meydana gelir.
Üçüncü reaksiyon ise, C–3 (β) hidroksil grubunun, bir NADH açığa çıkarılmasıyla keto
haline oksidasyonudur. Bu yükseltgenme reaksiyonu, hidroksiaçil substratın L–izomerine
mutlak anlamda spesifik olan L–3–hidroksiaçil CoA dehidrogenaz enzimi tarafından
katalizlenir.
L-3-Hidroksiaçil CoA + NAD+ 3-Ketoaçil CoA + NADH + H+
Son basamak, 3–ketoaçil CoA’ nın ikinci bir CoA molekülü tiyol grubu tarafından
parçalanmasıdır. Bu tiyolitik parçalanma reaksiyonu, β–ketotiyolaz enzimi tarafından
katalizlenir ve ürün olarak bir molekül asetil CoA ve iki karbon kısaltılmış açil CoA meydana
gelir. Böylece bir devir tamamlanmış olur. Kısaltılmış açil CoA, tekrar açil CoA dehidrogenaz
tarafından katalizlenen reaksiyondan başlayarak bir başka oksidasyon devrine girer. Buradaki
β–ketotiyolaz, hidroksil açil CoA dehidrogenaz ve enoil CoA hidrataz enzimleri hemen
hemen her uzunluktaki açil zincirleri için spesifiktir.
Şimdi bir yağ asidinin oksidasyonu sonucu enerji (ATP) verimini hesaplayabiliriz. Her
bir reaksiyon devrinde, yani iki karbon biriminin yağ asidinden asetil CoA olarak
koparılmasıyla bir FADH2 ile bir NADH oluşur.
Cn-Açil CoA + FAD + NAD+ + H2O + CoA Cn-2-Açil CoA + FADH2 + NADH + H+ + Asetil CoA
Yağ asitlerinin β–oksidasyonu sonucu oluşan asetil CoA’ lar, sitrik asit çevrimi ve onu
takip eden solunum zincirinde tamamen CO2 ve H2O’ ya yükseltgenir.
16 karbonlu doymuş bir yağ asidi olan palmitik asidin yıkımı, 7 reaksiyon devriyle
gerçekleşir. Buradan palmitoil CoA’ nın oksidasyon reaksiyonunun stokiyometrik denklemini
şu şekilde yazabiliriz:
Palmitoil CoA + 7FAD + 7NAD+ + 7H2O + 7CoA 8Asetil CoA + 7FADH2 + 7NADH + 7H+
Bir NADH molekülünün oksidatif fosforilasyonla 3 ATP, bir FADH2’ nin de 2 ATP
oluşumuna sebep olduğu göz önüne alınır ve asetil CoA’ nın sitrik asit çevrimi ve oksidatif
fosforilasyonla 12 ATP verdiği hatırlanırsa; bir palmitoil CoA’ nın tam oksidasyonu ile (7x3)
174
+ (7x2) + (8x12) = 131 ATP sentezlendiği görülür. Palmitatın aktifleştirilmesi esnasında,
ATP’ nin AMP’ ye ve 2Pi’ ye parçalanmasıyla iki yüksek enerjili fosfat bağı harcanmaktadır.
Böylece bir palmitat molekülünün tam oksidasyonu ile net olarak 129 ATP oluşmaktadır.
11.2.3. Doymamış Yağ Asitlerinin β–Oksidasyonu
Doymamış yağ asitlerinin oksidasyonu reaksiyonlarının birçoğu, doymuş yağ
asitlerininki ile aynıdır. Farklı olarak bir izomeraz ve memelilerde 2,4–dienoil CoA redüktaz
rol almaktadır. Hemen hemen bütün biyolojik kaynaklı doymamış yağ asitleri, sadece cis–çift
bağı içerirler. Bu çift bağlar, C–9 ve C–10 arasından itibaren başlar. Diğer çift bağlar,
konjugasyon göstermezler. Doymamış yağ asitlerine örnek olarak; oleatın ve linoleatın β–
oksidasyonunu açıklayalım.
C
O
O-18 9
Oleatcis-9-Oktadekenoik asit
C
O
O-18 912
1
1
Linoleatcis-9,12-Oktadekadienoik asit
Oleat; 18 karbonlu ve C–9 ile C–10 arasında doymamış cis–çift bağı içeren bol bulunan
tekli doymamış bir yağ asididir. Oleat, aynen doymuş yağ asitleri gibi aktifleştirilerek oleil
CoA’ ya çevrilir ve mitokondri membranından oleil–karnitin olarak taşınarak; matrikste
yeniden oleil CoA’ ya çevrilir. Daha sonra oleil CoA, üç tur β–oksidasyonuna girerek üç mol
asetil CoA ve cis–Δ3–dodekenoil CoA’ ya dönüşür (Şekil 11.6).
Bu ürün, sadece trans-çift bağlarını etkiyen enoil CoA hidratazın substratı değildir.
Yardımcı enzim enoil CoA izomeraz; cis–Δ3–enoil CoA’nın, trans–Δ2–enoil CoA’ ya
izomerleşmesini katalizler. Böylece oluşan bileşik, enoil CoA hidratazın normal susbtratı
olduğundan β–oksidasyonunu beş tur daha geçirerek; altı molekül asetil CoA’ ya dönüşür.
Sonuçta 18 karbonlu oleat molekülünden 9 molekül asetil CoA üretilir. Ancak bu sırada, β–
oksidasyonun dördüncü turunda FAD bağımlı ilk basamağı atlandığı (hidrasyon
basamağından devam edileceği) için FADH2 oluşmaz.
18
175
Şekil 11.6. Tekli
doymamış yağ asitlerinin
oksidasyonu. Burada oleat,
oleil CoA (Δ9) olarak
örnek verilmiştir. Enoil
CoA izomeraz, çift bağla
yer değiştirterek; cis
izomerini β-oskidasyonun
normal bir ara bileşiği olan
trans izomerine çevirir.
Oleil CoA’ nın yıkımı sekiz reaksiyon turunda gerçekleşir.
Oleil CoA + 7FAD + 8NAD+ + 8CoA + 8H2O → 9Asetil CoA + 7FADH2 + 8NADH + 8H+
Bir mol oleil CoA’ nın tam oksidasyonu ile (9x12) + (7x2) + (8x3) = 146 ATP
sentezlenir. Oleatın aktifleştirilmesinde, iki yüksek enerjili fosfat bağı (2ATP)
harcanmaktadır. Böylece bir mol oleatın tam oksidasyonu ile, net 144 ATP oluşmaktadır.
Linoleik asidin çift bağlarının birisi tek numaralı karbon atomunda ve diğeri de çift
numaralı karbon atomundadır. Yağ asitlerinin bu pozisyonlardaki çift bağlarının varlığı, β–
oksidasyon yolu için iki ilave enzimin fonksiyon görmesini gerektirir.
Diğer yardımcı enzim (redüktaz), çoklu doymamış yağ asitlerinin β–oksidasyonunda
gereklidir. Örneğin 18 karbonlu linoleat, cis–Δ9, cis–Δ12 konfigürasyonuna sahiptir (Şekil
11.7). Linoleil CoA, β–oksidasyonu basamaklarından üç tur geçerek; üç molekül asetil CoA
ve 12 karbonlu doymamış cis–Δ3, cis–Δ6 ara bileşiğini oluşturur.
Linoleil CoA’ nın üç tur β–oksidasyonundan sonra ilk enzimatik zorluk ortaya çıkar.
Enoil CoA’ nın, cis–Δ3 çift bağı, enoil CoA hidrataz enziminin substratı değildir. Bu zorluk,
farklı bir enzim olan enoil CoA izomeraz’ ın cis–Δ3 çift bağını daha sağlam trans–Δ2formuna
dönüştürmesiyle aşılır.
176
Oluşan bu bileşik, enoil CoA hidratazın normal substratı olduğundan, β–oksidasyon bu
safhadan itibaren bir tur daha devam eder. Ancak bu sırada, β–oksidasyonun FAD bağımlı ilk
reaksiyonu atlanır ve dolayısıyla bu basamakta FADH2 oluşmaz.
Şekil 11.7. Çoklu
doymamış yağ asitlerinin
oksidasyonu. Burada
linoleat, linoleil CoA
(Δ9,12) olarak örnek
verilmiştir. Oksidasyon,
enoil CoA izomeraza ek
olarak ikinci bir yardımcı
enzimi gerektirir:
NADPH–bağımlı 2,4–
dienoil CoA redüktaz.
Bu iki enzimin birlikte
etkisiyle trans–Δ2, cis–Δ4
dienoil CoA ara bileşiği;
β–oksidasyonda gerekli
trans–Δ2 enoil CoA
substratına dönüşür.
Linoleik asidin β–oksidasyonunun diğer zorluğu, 5. oksidasyon turunda ortaya çıkar.
Çift numaralı bir karbon atomunda bir çift bağın varlığı, enoil CoA hidratazın zayıf bir
substratı olan 2,4–dienoil CoA’ nın oluşumuna yol açar. Bu zorluk, ikinci farklı enzim olan
NADPH–bağımlı 2,4–dienoil CoA redüktazın 2,4–dienoil CoA’nın, cis–Δ4 çift bağını
indirgemesiyle aşılır. Memelilerde bulunan bir redüktaz enzimi, trans–Δ3–enoil CoA
oluşumunu katalizler; bu bileşik de β–oksidasyonunun devamı için yukarıda gördüğümüz
177
enoil CoA izomeraz aracılığıyla trans–Δ2–enoil CoA’ ya dönüşür. Bu enzimler sayesinde,
linoleik asidin 12 ile 13 numaralı karbonları arasındaki çift bağdan dolayı FADH2 sentezinde
eksiklik olmaz. Yani ATP kaybı yoktur. E.coli 2,4–dienoil CoA redüktazı, β–
oksidasyonunun normal bir substratı olan trans–Δ2–enoil CoA oluşturur.
Linoleil CoA’ nın β–oksidasyonunun net denklemi:
Linoleil CoA + 7FAD + 8NAD+ + 8H2O + 8CoA 9Asetil CoA + 7FADH2 + 8NADH + 8H+
18:2 cis-9,12
Buna göre linoleatın (18:2 cis–Δ9,12) CO2 ve H2O’ ya kadar tamamen oksidasyonunun
ATP bilançosunu çıkarırsak; 1 linoleat başına 9 asetil CoA, 8 NADH ve 7 FADH2 oluşur.
Asetil CoA’ ların sitrik asit çevrimine girmesi sonucu oksidatif fosforilasyonla 12 ATP
oluştuğu hatırlanırsa; (9x12) + (7x2) + (8x3) = 146 ATP sentezlenir. Linoleatın aktifleşmesi
esnasında ATP’ nin AMP’ ye hidroliziyle iki yüksek enerjili fosfat bağı harcandığından;
linoleatın tam oksidasyonundan 144 ATP oluşmaktadır.
11.2.4. Tek Karbon Sayılı Yağ Asitlerinin Oksidasyonu
Doğal olarak oluşmuş birçok lipid, çift sayıda karbon atomuna sahip yağ asidi
içermesine karşın, bazı bitki ve deniz organizmalarının lipidleri tek karbon sayılı yağ asidi
içermektedir.
Uzun zincirli tek karbon sayılı yağ asitleri, çift karbon sayılı asitler gibi; zincir ucundaki
karboksil grubundan başlayarak aynı yolla oksitlenir. Bununla birlikte yıkımın son turunda
asetil CoA yerine propiyonil CoA meydana gelmektedir.
Propiyonil CoA, kofaktör olarak biyotin içeren propiyonil karboksilazla metil malonil
CoA’ nın D–izomerine karboksillenir (Şekil 11.8). D–metilmalonil CoA, metilmalonil CoA
epimerazla L–izomerine epimerleştirilir. Daha sonra L–metilmalonil CoA, koenzim B12’ yi
kullanan metilmalonil CoA mutazla süksinil CoA’ ya çevrilir ve sitrik asit çevrimine girer.
Propiyonil CoA, bazı aminoasitlerin de yıkım ürünüdür. Geviş getiren hayvanların sindirim
sisteminde (lümeninde) bakteriler bol miktarda propiyonik asit oluşturmakta ve bu da
karaciğere giderek propiyonil CoA üzerinden metabolize olmaktadır.
178
Şekil 11.8. Tek karbon sayılı yağ asitlerinin β–oksidasyonuyla üretilen propiyonil CoA’ nın
oksitlenmesi.
11.2.5. Karaciğerde Oluşan Keton Cisimleri Diğer Organlara Taşınır
Yağ asitleri oksidasyonunda oluşan asetil CoA’ lar, eğer yağ ve karbohidrat yıkımları
dengeli ise; sitrik asit çevrimine girerler. Asetil CoA’ nın TCA’ ya girişi, sitrat oluşumu için
ortamda okzalasetatın varlığına bağlıdır. Eğer yağ yıkımı fazla ise, asetil CoA farklı bir yola
gider. Açlık ve şeker hastalığı durumunda okzalasetat, glukoneogenez yolunda
kullanılacağından asetil CoA ile birleşebilecek seviyenin altına düşer. Bu şartlar altında asetil
CoA, asetoasetat ve D–3–hidroksibütirata dönüştürülür. İşte bu mekanizma ile oluşan
aseton, asetoasetat ve D–3–hidroksibütirat, keton cisimleri adını alır.
Asetoasetat karaciğerde asetil CoA’ dan üç basamakta oluşur (Şekil 11.9). Önce iki
asetil CoA β–ketotiyolaz (tiyolaz) (1) enzimi katalizörlüğünde birleşerek; asetoasetil CoA
oluşturur. Bu reaksiyon yağ asitleri oksidasyonunun tiyolitik parçalanma basamağının (son
basamak) dönüşümünden ibarettir. Daha sonra asetoasetil CoA, asetil CoA ile
Metilmalonil KoA Epimeraz
179
hidroksimetilglutaril CoA (HMGCoA) sentetaz (2) enzimi katalizörlüğünde, 3–hidroksi–3–
metilglutaril CoA’ yı meydana getirir. Bu da daha sonra hidroksimetilglutaril CoA
parçalayıcı enzim (HMGCoA liyaz) (3) vasıtasıyla asetil CoA ve asetoasetata ayrılır. D-3–
hidrokibütirat, D–3–hidroksibütirat dehidrogenaz (4) katalizörlüğünde asetoasetatın
mitokondri matriksinde indirgenmesi sonucu oluşur. Asetoasetat, kendiliğinden veya
asetoasetat dekarboksilaz enzimiyle kolayca dekarboksilasyonla asetona çevrilir (Şekil 11.9).
Bu yüzden tedavi edilmeyen diyabetli bireylerin kanlarında, önemli miktarda toksik bir
bileşik olan aseton bulunur. Kanında asetoasetat seviyesi yüksek olan bireylerin nefesleri
aseton kokar.
Şekil 11.9. Asetil CoA’ dan keton
cisimlerinin oluşumu. İyi beslenen
bireylerde keton cismi üretim hızı
düşüktür. Asetil CoA biriktiğinde, tiyolaz
iki mol asetil CoA’ nın asetoasetil CoA’
ya kondenzasyonunu katalizler. Oluşan
ana bileşikler, üç tane keton cismidir.
Keton cisimlerinin oluşum reaksiyonları,
karaciğer mitokondrilerinin matriksinde
yürütülür.
180
Asetoasetat ve D–3–hidroksibütiratın üretildiği başlıca organ karaciğerdir (matrikste).
Daha sonra karaciğer mitokondrilerinin matriksinden difüze olarak periferal dokulara kan
dolaşımıyla taşınırlar. Asetoasetat ve D–3–hidroksibütirat bazı dokuların normal yakıt
maddeleri şeklinde enerji kaynağı olarak önemli miktarda kullanılmaktadır. Gerçekten kalp
kası ve böbrek korteksi hücreleri, asetoasetatı yakıt olarak glukoza tercih eder. Beyin dokusu
ise, başlıca yakıt kaynağı olarak dengeli beslenme durumunda glukoz kullanır. Bununla
birlikte açlık ve şeker hastalığında asetoasetattan faydalanacak şekle adapte olur. Uzun açlık
döneminde beynin yakıt ihtiyacının % 75’ i asetoasetat tarafından sağlanır.
Kanda D–3–hidroksibütirat olarak taşınan ve girdiği periferal doku hücrelerinde tekrar
asetoasetata yükseltgenen keton cisimleri; spesifik bir CoA transferaz enzimi tarafından
katalizlenen bir reaksiyonla, süksinil CoA’ dan CoA transferi sonucu aktifleştirilir.
Asetoasetil CoA daha sonra iki molekül asetil CoA vermek üzere parçalanır.
Asetoasetat Asetoasetil CoA 2Asetil CoA
Süksinil CoA Süksinat CoA
CoA transferaz
Asetil CoA’ lar daha sonra enerji (ATP) oluşturmak üzere sitrik asit çevrimine girerler.
Karaciğerde spesifik CoA transferaz enzimi bulunmadığı ve eritrositlerde de mitokondri
olmadığı için keton cisimlerini yakıt olarak kullanamazlar.
Asetoasetat, asetil CoA’ nın suda çözünebilir ve taşınabilir bir şekli olarak
değerlendirilebilir. Yağ asitleri adipoz doku tarafından salıverilir, karaciğer tarafından
asetoasetata çevrilerek diğer dokulara gönderilir. Asetoasetatın düzenleyici bir rolü de vardır.
Kandaki yüksek asetoasetat seviyesi, asetil birimlerinin bolluğuna işarettir ve adipoz dokuda
lipolizin azalmasına yol açar.
11.3. LİPİD BİYOSENTEZİ Lipidlerin çeşitli hücresel rolleri vardır. Lipidler hücre membranlarının başlıca
bileşenleri oldukları gibi birçok organizmada depolanmış enerjinin temel şeklidir. Özelleşmiş
lipidler; pigmentler (retinol, karoten), kofaktörler (vitamin K), deterjanlar (safra tuzları),
hormonlar (vitamin D türevleri, cinsiyet hormonları), hücre içi ve hücre dışı mesaj ileticileri
(eikosanoitler) ve membran proteinleri için tutunma yerleri (fosfatidil inositol) olarak hizmet
etmektedir. Değişik lipidleri sentezleme yeteneği tüm canlılar için gereklidir. Bu bölümde,
birçok hücrede bulunan başlıca lipidlerden bazıları için biyosentetik yollar açıklanacaktır. Bu
181
reaksiyonlar dizisi, diğer biyosentetik yollar gibi endergonik ve indirgeyicidir. Metabolik
enerji kaynağı olarak ATP ve indirgeyici olarak elektron taşıyıcı NADPH kullanılır.
Önce triaçilgliserol ve fosfolipidlerin temel bileşenleri olan yağ asitlerinin biyosentezini
sonra da yağ asitlerinden triaçilgliserollerin biyosentezini açıklayacağız.
11.3.1. Yağ Asitlerinin Biyosentezi
Yağ asidi oksidasyonunun iki karbonlu (asetil CoA) birimlerin ardı ardına oksidatif
uzaklaştırılması yoluyla olduğu bulunduğu zaman, biyokimyacılar yağ asitleri biyosentezinin,
oksidasyonlarındaki aynı enzimatik reaksiyonların basitçe tersine dönmesiyle oluştuğunu
düşündüler. Bununla birlikte, yağ asidi sentez ve yıkımı farklı yollarda farklı enzimler
tarafından katalizlenmekte ve hücrenin farklı bölmelerinde oluşmaktadır. Yağ asitlerinin
oksidatif yıkımı mitokondri matriksinde olurken, biyosentezi sitozolde gerçekleşir. Bundan
başka, üç karbonlu bir ara ürün olan malonil CoA, yalnızca yağ asitlerinin biyosentezinde yer
alır.
Önce yağ asitlerinin biyosentez yolunu ele alacağız, sonra uzun zincirli yağ asitlerinin,
doymamış yağ asitlerinin ve bunların türevlerinin biyosentezini inceleyeceğiz.
11.3.1.1. Malonil CoA, Asetil CoA ve Bikarbonattan Oluşur
Yağ asitlerinin sentezi malonil CoA ile başlamaktadır. Yağ asidi sentezinde zincir
uzaması malonil CoA’ dan iki karbonun zincire katılması ile olmaktadır.
Malonil CoA’ nın asetil CoA’ dan tek yönlü oluşumu asetil CoA karboksilazla
katalizlenir. Bakteri asetil CoA karboksilazı üç farklı polipeptid alt birimine sahiptir (Şekil
11.10). Hayvan hücrelerinde üç aktivitenin tümü de çok işlevli tek bir polipeptidin parçasıdır.
182
Şekil 11.10. Asetil CoA karboksilaz reaksiyonu. Asetil CoA karboksilaz üç işlevsel bölgeye sahiptir.
Biyotin taşıyıcı protein; CO2’ i ATP bağımlı bir reaksiyonla biyotin halkasındaki azota
bağlayarak aktifleştiren biyotin; karboksilaz ve biyotinden asetil CoA’ ya aktif CO2
taşıyarak malonil CoA oluşturan transkarboksilaz.
Bikarbonattan (HCO3-) gelen karboksil grubu ATP bağımlı bir reaksiyonla önce
biyotine taşınır. Biyotinli grup, geçici bir CO2 taşıyıcısı olarak hizmet eder ve karbondioksiti
ikinci adımda, malonil CoA oluşturmak üzere asetil CoA’ ya aktarır.
Biyotin-enzim + ATP + HCO3- CO2 Biyotin-enzim + ADP + Pi
CO2 Biyotin-enzim + Asetil CoA Malonil CoA + Biyotin-enzim
11.3.1.2. Yağ Asitleri Tekrarlayan Reaksiyon Dizileri Şeklinde Sentezlenir
Yağ asitlerinin uzun karbon zincirleri tekrarlayan dört basamaklı dizide
oluşturulmaktadır (Şekil 11.11). Bu reaksiyon dizisi tarafından oluşturulan doymuş açil
grupları, aktifleştirilmiş sonraki malonil grubuyla birleşecek substrattır. Çevrimin her bir
turunda yağ asidi zinciri iki karbon uzatılır. Ürün (palmitat, 16:0) zincir uzunluğu 16 karbona
ulaştığı zaman çevrimi terk eder. Asetil grubunun metil ve karboksil karbon atomları
palmitatın sırasıyla C–16 ve C–15’ i olur, diğer karbon atomları malonil CoA yoluyla asetil
CoA’ dan gelir.
Yağ asitleri biyosentezinde indirgeyici güç NADPH’ dır ve aktifleştiren gruplar aşağıda
tanımlanan enzim kompleksine bağlı iki farklı –SH grubudur.
Sentez işlemlerindeki reaksiyonların tümü çoklu enzim kompleksi olan yağ asidi
sentazla katalizlenir. Ökaryotlarda ve E.coli gibi prokaryotlarda enzim yapısının ayrıntısının
farklı olmasına karşın, yağ asidi sentezinin dört adımlı işlemi tüm organizmalarda aynıdır.
Önce E.coli’ deki işlemleri tanımlayacak, sonra da diğer organizmalardaki enzim yapısındaki
farklılıkları anlatacağız.
11.3.1.3. Yağ Asidi Sentaz Kompleksi Yedi Farklı Aktif Bölgeye Sahiptir
E.coli yağ asidi sentazının çekirdeği yedi farklı polipeptitten oluşur ve işlemlerin bazı
bölümlerinde en az üç başka protein görev yapmaktadır (Tablo 11.3). Proteinler birlikte
çalışarak asetil CoA ve malonil CoA’ dan yağ asitlerinin oluşumunu katalizler. Yağ asidi
sentaz sistemi, fonksiyonel iki tiyol (–SH) grubu içermektedir. İşlem boyunca ara ürünler
kompleksin iki tiyol grubundan birine kovalent olarak bağlı kalır. Bağlanmanın birinci noktası
yedi proteinden birindeki sisteinin –SH grubu; diğeri ise yağ asidi sentezi açil ara ürünüyle bir
tiyoester oluşturan açil taşıyıcı proteinin –SH grubudur.
183
Tablo 11.3. E.coli Yağ Asidi Sentaz Kompleksinin Proteinleri
Protein Rolü
1- Açil taşıyıcı protein (ACP) Tiyoester bağlı açil gruplarını taşır
2- Asetil CoA–ACP transasetilaz (AT) Açil grubunu CoA’ dan KS’ nin Cys aminoasidine taşır.
3- 3–Ketoaçil–ACP sentaz (KS) Açil ve malonil gruplarını birleştirir (KS’ nin en az 3 izozimi vardır.)
4- Malonil CoA–ACP transferaz (MT) Malonil grubunu CoA’ dan ACP’ ye taşır.
5- 3–Ketoaçil–ACP redüktaz (KR) 3–keto grubunu 3–hidroksi grubuna indirger
6- 3–Hidroksiaçil–ACP dehidrataz (HD) 3–hidroksiaçil–ACP’ den H2O uzaklaştırarak, çift bağ oluşturur.
7- Enoil–ACP redüktaz (ER) Doymuş açil–ACP oluşturmak üzere çift bağı indirger.
Şekil 11.11. Uzayan yağ açili zincirinin iki karbonla dört basamaklı uzatılma işlemi. Her bir malonil
ve asetil grubu yağ asidi sentaza bağlı bir tiyoester tarafından aktifleştirilir. 1) Birinci
basamak aktif açil grubunun (birinci açil grubu bir asetil grubudur) CO2 kaybeden malonil
CoA’ dan gelen iki karbonla birleşmesidir; net etki açil zincirinin iki karbon uzamasıdır.
Bu birleşmenin β–keto ürünü, hemen hemen β oksidasyon reaksiyonlarına benzeyen fakat
ters sırada olan üç basamakta indirgenir, 2) β–keto grubu bir alkole indirgenir, 3) H2O’
nun uzaklaştırılması bir çift bağ oluşturur ve 4) Çift bağ ilgili doymuş yağ açili grubunu
oluşturmak üzere indirgenir.
E.coli’ nin açil taşıyıcı proteini (ACP) 4'–fosfopantetein prostetik grubu taşıyan küçük
bir proteindir (Mr 8860) (Şekil 11.12), CoA’ nın pantotenik asit ve β–merkaptoetilamin
kısımlarıyla karşılaştırınız.
184
Şekil 11.12. Açil taşıyıcı protein (ACP). 4'–fosfopantetein prostetik grubu ACP’ de bir Ser
aminoasidinin hidroksil grubuna kovalent olarak tutunmuştur. Fosfopantetein CoA
molekülünde de bulunan B vitamini pantotenatı içerir. Bunun –SH grubu yağ asidi
sentezi sırasında malonil gruplarının giriş yeridir.
11.3.1.4. Yağ Asidi Sentaz Asetil ve Malonil Gruplarını Alır
Yağ asidi zincirini oluşturmaya başlayan birleştirme reaksiyonlarından önce, enzim
kompleksi üzerindeki iki tiyol grubu doğru açil gruplarıyla yüklenmelidir (Şekil 11.13.’ ün üst
tarafı). Önce asetil CoA’ nın asetil grubu 3–ketoaçil–ACP sentazın sistein –SH grubuna
taşınır. Bu reaksiyon asetil CoA–ACP transferazla katalizlenir. İkinci reaksiyon malonil
CoA’ dan malonil grubunun, kompleksin bir parçası olan malonil CoA–ACP transferazla
katalizlenen işlemle ACP’ nin –SH grubuna taşınmasıdır. Yüklenmiş sentaz kompleksi de
asetil ve malonil grupları birbirine çok yakındır ve daha önce dört basamaktan oluştuğu
açıklanan zincir uzatılma işlemleri için aktifleştirilmiştir. Şekil 11.13.’ te gösterilen bu
basamaklar şimdi daha ayrıntılı olarak incelenecektir.
Basamak 1. Birleştirme (Kondenzasyon): Yağ asidi zincirinin oluşmasında birinci
adım aktif asetil ve malonil gruplarının asetoasetil–ACP oluşturmak üzere birleşmesidir.
Asetoasetil grubu fosfopantetein –SH grubu aracılığıyla ACP’ ye bağlanırken, eş zamanlı
olarak bir molekül CO2 oluşur (Şekil 11.13). 3–ketoaçil–ACP sentaz tarafından katalizlenen
bu reaksiyonda bu enzimin sistein –SH grubundan bir asetil grubu, yeni asetoasetil grubunun
metille sonlanan iki karbon birimini oluşturmak üzere ACP’ nin –SH’ ındaki malonil grubuna
taşınır.
Bu reaksiyonda oluşan CO2’ deki karbon atomu, asetil CoA karboksilaz reaksiyonuyla
başlangıçta HCO3- tan malonil CoA’ ya sokulmuş olan aynı karbon atomudur. Böylece CO2,
yağ asidi biyosentezi sırasında geçici olarak kovalent şekilde bağlı olup; her iki karbon
biriminin eklenmesiyle uzaklaştırılmaktadır.
185
Basamak 2. Karbonil Grubunun İndirgenmesi:Kondenzasyonda oluşan asetoasetil–
ACP, D–3–hidroksibutiril–ACP oluşturmak üzere C–3’ teki karbonil grubu indirgenir. Bu
reaksiyon, 3–ketoaçil–ACP redüktazla katalizlenir ve elektron vericisi NADPH’ tır.
Basamak 3. Dehidrasyon: Üçüncü basamakta su, D–3–hidroksibutiril–ACP’ nin C–2
ve C–3’ ünden trans–Δ2–butenoil–ACP ürününde çift bağ oluşturmak üzere uzaklaştırılır. Bu
dehidrasyonu 3–hidroksiaçil–ACP dehidrataz enzimi katalizler.
Basamak 4. Çift Bağın İndirgenmesi: Son olarak trans–Δ2–butenoil–ACP’ nin çift
bağı, butiril–ACP oluşturmak üzere enoil–ACP redüktazla indirgenir (doyurulur); elektron
vericisi NADPH’ tır.
186
Şekil 11.13. Yağ asidi sentezi sırasındaki olaylar dizisi. Yağ asidi sentaz kompleksi şematik olarak
gösterilmiştir. Diskin her dilimi kompleksin altı enzimatik aktivitesinden birini temsil
etmektedir. Merkezde bir diğer –SH’ la sonlanan fosfopantetein kolu olan açil taşıyıcı
protein (ACP) bulunmaktadır.
11.3.1.5. Yağ Asidi Sentaz Reaksiyonları Palmitat Oluşturmak Üzere Tekrarlanır
Dört karbonlu doymuş yağ açili–ACP (butiril–ACP)’ nin oluşumuyla yağ asidi sentaz
kompleksinde bir tur tamamlanır. Şimdi butiril grubu ACP’ nin fosfopantetein –SH
grubundan, 3–ketoaçil–ACP sentazın (KS) (başlangıçta asetil grubu taşıyan) sistein –SH
grubuna taşınır (Şekil 11.13’ ün son kısmı).
Zinciri iki karbon daha uzatacak dört reaksiyonlu bir sonraki çevrimi başlatmak için bir
başka malonil grubu, ACP’ nin boş olan fosfopantetein –SH grubuna bağlanır (Şekil 11.14).
Kondenzasyon birinci çevrimdeki asetil grubu gibi davranan butiril grubunun CO2 kaybıyla
malonil–ACP grubunun iki karbonuna bağlanmasıyla oluşur. Bu kondenzasyonun ürünü,
fosfopanteteinin –SH grubuna kovalent olarak bağlı altı karbonlu bir açil grubudur. Bunun 3–
keto grubu, sentaz çevriminin sonraki üç adımında altı karbonlu doymuş açil grubunu
oluşturmak üzere tam olarak reaksiyonların birinci turundaki gibi indirgenir.
Kondenzasyon ve indirgenmenin yedi turu, hala ACP’ ye bağlı olan 16 karbonlu
doymuş palmitoil grubunu oluşturur. İyi anlaşılamamış olan nedenlerle, zincir uzatılması
genellikle bu noktada durur ve serbest palmitat, sentaz kompleksinin hidrolitik aktivitesi
tarafından ACP molekülünden uzaklaştırılır. Küçük miktarlarda stearat (18:0) gibi daha uzun
yağ asitleri de oluşturulur. Bazı bitkilerde (hindistan cevizi ve palmiye) zincir sonlanması
daha erken olmaktadır. Bu bitkilerin yağlarındaki yağ asitlerinin % 90 kadarı 8–14 karbon
uzunluğundadır.
Asetil CoA’ dan palmitat sentezi için toplam reaksiyon iki kısımda düşünülebilir.
Birincisi yedi malonil CoA oluşumudur:
7Asetil CoA + 7CO2 + 7ATP → 7Malonil CoA + 7ADP + 7Pi
sonra yedi kondenzasyon ve indirgenme çevrimi:
Asetil CoA+7Malonil CoA+14NADPH+14H+ → Palmitat+7CO2+8CoA+14NADP+ +6H2O
Tüm işlemler (İki eşitliğin toplamı):
8Asetil CoA+7ATP+14NADPH+14H+ → Palmitat+8CoA+6H2O+7ADP+7Pi + 14NADP+
Bir palmitat molekülünün sentezlenmesi için 8 molekül asetil CoA, 14NADPH ve
7ATP gereklidir. Böylece palmitat gibi yağ asitlerinin biyosentezi, ATP’ nin grup transfer
potansiyeli ve NADPH’ ın indirgeyici gücü olarak iki formda kimyasal enerji girdisini ve
asetil CoA’yı gerektirir. ATP, asetil CoA’ yı CO2 bağlayarak malonil CoA sentezi için
187
gereklidir. NADPH ise çift bağları indirgemek için gereklidir. Asetil CoA ve NADPH’ ın
kaynaklarına çok geçmeden döneceğiz.
Şekil 11.14. Yağ asidi sentezi çevriminin ikinci turunun başlangıcı. Butiril grubu sistein –SH grubu
üzerindedir. Gelen malonil grubu önce fosfopantetein –SH grubuna tutunur. Sonra
kondenzasyon basamağında sistein –SH’ daki butiril grubu bütünüyle malonilin, CO2
olarak kaybedilen karboksil grubuyla yer değiştirir. Bu basamak Şekil 11.13’ teki
basamak 1’ in analoğudur. Ürün, yani altı karbonlu 3–ketoaçil grubu şimdi reaksiyonu
başlatan asetil CoA’ dan iki ve malonil CoA’ dan dört karbon taşımaktadır. Sonra 3–
ketoaçil grubu Şekil 11.13’ teki gibi basamakları 2’ den 4’ e doğru geçer.
188
11.3.1.6. Yağ Asidi Sentezi Birçok Organizmanın Sitozolünde Fakat Bitkilerin Kloroplastlarında Oluşur
Yüksek ökaryotlarda yağ asidi sentaz kompleksi nükleotitler, aminoasitler ve glukoz
biyosentetik enzimlerin de olduğu gibi, büyük oranda sitozolde bulunur (Şekil 11.15). Bu
yerleşim sentetik işlemleri, birçoğu mitokondri matriksinde yer alan yıkım reaksiyonlarından
ayırır. Anabolizma için elektron taşıyan kofaktörlerin ve katabolizma için olanların birbiriyle
uyumlu bir dağılımı vardır. Genellikle NADPH anabolik reaksiyonlar için elektron
taşıyıcısıdır ve NAD+ katabolik reaksiyonlarda yer alır. Hepatositlerde [NADPH]/[NADP+]
oranı yağ asidi ve diğer biyomoleküllerin biyosentezleri için kuvvetli indirgeyici bir ortam
hazırlamak üzere sitozolde çok yüksektir. Mitokondri içindeki [NADH]/[NAD+] oranı NAD’
ye yağ asitleri, aminoasitler, pirüvat ve asetil CoA oksidasyonundan elektron akışı nedeniyle
sitozoldekinden çok daha yüksektir. Bu yüksek [NADH]/[NAD+] oranı solunum zincirinde
oksijenin indirgenmesini sağlamaktadır.
Şekil 11.15. Lipit metabolizmasının hücre içi yerleşimi. Maya ve omurgalı hayvan hücreleri lipit
metabolizmasının yerleşiminde yüksek bitki hücrelerininkinden farklılık gösterir.
189
Hepatositler ve adipositlerde sitozol NADPH’ı büyük oranda pentoz fosfat yolu ve
malik enzim tarafından üretilmektedir. Hepatositlerde ve emziren hayvanların meme
bezlerinde yağ asidi sentezi için gerekli olan NADPH öncelikle pentoz fosfat yolundan
sağlanır (Şekil 11.16).
Şekil 11.16. NADPH üretimi. NADPH’ a giden a) Malik enzim ve b) Pentoz fosfat yolu tarafından
katalizlenen iki yol.
11.3.1.7. Asetat Mitokondrinin Dışına Sitrat Olarak Çıkar
Fotosentez yapamayan ökaryotlarda yağ asidi sentezinde kullanılan tüm asetil CoA
mitokondride, aminoasitlerin karbon iskeletlerinin yıkımından ve pirüvat oksidasyonundan
oluşturulur. Yağ asitlerinin oksidasyonundan gelen asetil CoA hayvanlarda yağ asidi sentezi
için önemli bir kaynak teşkil etmez çünkü iki metabolik yol, aşağıda tanımlandığı gibi
karşılıklı olarak düzenlenir.
Mitokondri iç membranı asetil CoA’ ya geçirgen değildir. Bu nedenle asetil grubu
eşdeğerlikleri iç membrandan dolaylı mekik yollarıyla taşınır (Şekil 11.17). Mitokondri
içindeki asetil CoA, sitrat oluşturmak üzere önce okzalasetatla reaksiyona girer. Reaksiyon
sitrik asit çevriminde sitrat sentazla katalizlenir (Şekil 10.10). Sonra sitrat mitokondri iç
membranı üzerindeki sitrat taşıyıcısı aracılığıyla sitozole geçer. Sitrat sitozolde ATP bağımlı
bir reaksiyonda sitrat liyazla parçalanarak asetil CoA yeniden açığa çıkar. Okzalasetat
taşıyıcısı olmadığı için, okzalasetat mitokondri matriksine doğrudan dönemez. Bunun yerine
okzalasetat sitozol malat dehidrogenazı tarafından malata indirgenir, bu da sitratla yer
değiştiren malat–α–ketoglutarat taşıyıcısı üzerinden mitokondriye döner. Orada, mekik
190
sistemini tamamlamak için tekrar okzalasetata yükseltgenir. Alternatif olarak sitozolde oluşan
malat, malik enzim aktivitesiyle sitozol NADPH’ ını üretmekte kullanılır (Şekil 11.16.a).
Şekil 11.17. Mitokondriden sitozole asetil gruplarını taşıyan mekik. Mitokondri dış membranı bu
bileşiklerin tümüne geçirgendir. Mitokondri matriksinde aminoasit katabolizmasından
yada sitozolde glikolizle glukozdan türetilen pirüvat, matrikste asetil CoA’ ya çevrilir.
Asetil grupları sitrat olarak mitokondri dışına çıkar. Sitozolde yağ asidi sentezi için asetil
CoA olarak dağıtılır. Okzalasetat malata indirgenerek mitokondri matriksine döner ve
okzalasetata çevrilir. Sitozol malatı için alternatif bir yol sitozol NADPH’ ını üretmek
üzere malik enzim tarafından oksidasyondur. Oluşan pirüvat mitokondri matriksine geri
döner.
11.3.1.8. Yağ Asidi Biyosentezi Kuvvetlice Düzenlenir
Bir hücre ya da organizma enerji ihtiyacını karşılamak için elverişli metabolik yakıtın
yeterinden fazlasına sahip olduğu zaman, fazlası yağ asitlerine çevrilerek triaçilgliserol gibi
lipit olarak depo edilmektedir. Asetil CoA karboksilaz tarafından katalizlenen reaksiyon, yağ
asidi biyosentezinde hız sınırlayıcı bir basamaktır ve bu enzim önemli bir düzenlenme
191
bölgesidir. Omurgalılarda yağ asidi sentezinin başlıca ürünü olan palmitoil CoA, enzimin geri
beslemeli (feed–back) inhibitörü olarak davranır ve sitrat Vmax’ı artıran allosterik bir
aktivatördür (Şekil 11.18). Sitrat, hücre metabolizmasının yönlendirilmesinde metabolik
yakıtın alınmasından (oksidasyon) yağ asidi olarak depolanmasına kadar merkezi bir rol
oynar. Mitokondride ATP ve asetil CoA konsantrasyonu yükseldiği zaman, sitrat mitokondri
dışına taşınarak hem sitozol asetil CoA’ sının öncülü olur hem de asetil CoA karboksilazın
aktifleşmesi için allosterik sinyal oluşturur. Sitrat aynı zamanda glikolize karbon akışını
azaltarak fosfofruktokinaz–I’ in aktivitesini inhibe eder.
Asetil CoA karboksilaz aktivitesi kovalent modifikasyonla da düzenlenir. Glukagon ve
epinefrin hormonları tarafından tetiklenen fosforillenme bunu inaktifleştirerek yağ asidi
sentezinin yavaşlamasına neden olur.
Yağ asidi sentezi ve β–oksidasyonu eş zamanlı gerçekleşseydi iki olay enerjiyi boşa
harcayan, yararsız bir çevrim oluşturacaktı. Daha önce değindiğimiz gibi β–oksidasyon
karnitin asetil transferaz–I’ i inhibe eden, malonil CoA tarafından durdurulmaktadır. Böylece
yağ asidi sentezi sırasında ilk ara ürün olan malonil CoA’ nın oluşumu, β–oksidasyonu
mitokondri iç membranında taşıyıcı sistem düzeyinde kapatır.
Şekil 11.18. Yağ asidi sentezinin düzenlenmesi. Omurgalıların hücrelerinde hem allosterik
düzenlenme hem de hormona bağımlı kovalent modifikasyon öncüllerin malonil CoA’
ya akışını etkiler.
192
11.3.1.9. Uzun Zincirli Doymuş Yağ Asitleri Palmitattan Sentezlenir
Hayvan hücrelerinde yağ asidi sentaz sisteminin başlıca ürünü olan palmitat, diğer uzun
zincirli yağ asitlerinin öncülüdür (Şekil 11.19). Stearat (18:0) veya daha uzun doymuş yağ
asitleri, mitokondri ve düz endoplazmik retikulumda bulunan yağ asidi uzatma sistemlerinin
etkisiyle asetil gruplarının eklenmesi yoluyla uzatılabilir. Endoplazmik retikulumun daha aktif
uzatma sistemi stearoil CoA oluşturmak üzere palmitoil CoA’ nın 16 karbonlu zincirini iki
karbon kadar uzatır. Endoplazmik retikulumdaki uzatma mekanizması farklı enzim
sistemlerinin olaya karışması açil taşıyıcısının ACP’ den daha ziyade koenzim A olması
dışında, malonil CoA’ dan iki karbonun verilmesini, indirgenme, dehidrasyon ve 18 karbonlu
ürün olan stearil CoA’ ya indirgenmesinin izlenmesiyle, palmitat sentezindekiyle aynıdır.
Şekil 11.19. Diğer yağ asitlerinin sentez yolları. Palmitat tekli doymamış asitler olan oleat ve
palmitoleatın yanı sıra, stearat ve daha uzun zincirli doymuş yağ asitlerinin de
öncülüdür. Memeliler oleatı linoleata veya α–linolenata çeviremezler (koyu gölgeli).
Bu nedenle bunlara diyette esansiyel yağ asidi olarak ihtiyaç duyulur. Linoleatın diğer
çoklu doymamış yağ asitlerine ve eikosanoitlere çevrilmesi özetlenmiştir.
193
11.3.1.10. Bazı Yağ Asitleri Doymamıştır
Palmitat ve stearat hayvan dokularının en çok bilinen tekli doymamış iki yağ asidi olan
palmitoleat 16:1(Δ9) ve oleat 18:1(Δ9)’ ın öncülleri olarak hizmet eder (Şekil 11.19). Bu yağ
asitlerinin her biri Δ9 pozisyonunda (C–9 ve C–10 arasında) tek bir cis– çift bağına sahiptir.
Çift bağ, bir karışık işlevli oksidaz olan yağ açili CoA desatüraz (Şekil 11.20) tarafından
katalizlenen oksidatif bir reaksiyonla yağ asidi zincirine sokulur. İki farklı substrat olan yağ
asidi ve NADPH, eş zamanlı olarak iki elektron oksidasyonuna uğrar. Elektron akış yolu bir
sitokrom (sitokrom b5) ve bir flavoproteini (sitokrom b5 redüktaz) içerir. Her ikisi de yağ açili
CoA desatüraz gibi düz endoplazmik retikulumda bulunur.
Şekil 11.20. Omurgalılarda yağ asitlerinin desatürasyonunda elektron taşınması. Koyu oklar,
moleküler oksijen tarafından oksidasyona uğratılan iki farklı substrat (yağ açili CoA ve
NADPH) için elektron akış yönünü göstermektedir. Bu reaksiyonlar düz endoplazmik
retikulumun lümene bakan yüzünde gerçekleşir.
Memeli hepatositleri yağ asitlerinin Δ9 pozisyonuna kolaylıkla çift bağ sokar. Ancak C–
10 ve metil ucu arasına ek bir çift bağı sokamaz. Linoleat 18:2(Δ9,12) ve α–linolenat
18:3(Δ9,12,15) memeliler tarafından sentezlenemez fakat bitkiler her ikisini de sentezleyebilir.
Linoleat ve linolenat diğer ürünlerin sentezi için gerekli öncüller olduklarından,
memeliler için esansiyel yağ asitleridir ve bitkisel kaynaklı besinlerden sağlanmalıdır.
Linoleat bir kez alındıktan sonra, sadece linoleattan yapılabilen diğer bilinen çoklu doymamış
asitlere dönüştürülebilir (Şekil 11.19).
11.4. TRİAÇİLGLİSEROLLERİN BİYOSENTEZİ Bir organizma tarafından alınan yada sentezlenen yağ asitlerinin çoğu iki sondan birine
uğrar. Yağ asitleri metabolik enerjinin depolanması için triaçilgliserollere katılır ya da
membranın fosfolipit bileşenlerine katılır. Bu alternatif yollar arasındaki dağılım
organizmanın gereksinimlerine bağlıdır. Hızlı büyüme sırasında yeni membranların sentezi
194
membran fosfolipit sentezini gerektirir. Organizma çok çeşitli yiyecek maddesine sahiptir
ancak bunların yağ asitlerinin çoğu aktif olarak büyümeye değil depo yağlarına yönlenir. Her
iki yol da gliserolün yağ açili esterlerinin oluşumu ile başlar. Biz triaçilgliserollere giden yolu
ve düzenlenmesini inceleyerek başlayacağız.
11.4.1. Triaçilgliseroller ve Gliserofosfolipitler Aynı Öncüllerden Sentezlenir
Hayvanlar daha sonra yakıt olarak kullanmak üzere büyük miktarda triaçilgliserol
sentezler ve depolayabilirler. İnsanlar karaciğer ve kas hücrelerinde ancak birkaç yüz gram
glikojen depolayabilirler. Bu nedenle ancak 12 saatlik enerji gereksimini karşılayabilir.
Aksine ortalama 70 kg olan bir erkekte depolanmış triaçilgliserol miktarı yaklaşık 15 kg’ dır
ve bazal enerji gereksimini 12 hafta kadar süreyle karşılamak için yeterlidir. Triaçilgliseroller
depolanmış besinlerin en fazla enerji taşıyanıdır (~38 kj/g’ dan fazla). Karbohidrat glikojen
depolama kapasitesinden daha fazla alındığı zaman, triaçilgliserollere çevrilir ve adipoz
dokuda depolanır. Bitkiler triaçilgliserolleri başlıca meyvelerde, kabuklu yemişlerde ve
tohumlarda depolanan enerjice zengin bir yakıt olarak yapar.
Triaçilgliseroller ve gliserofosfolipitler (fosfatidiletanolamin gibi) hayvan dokularında
iki öncülü (yağ açili CoA’ lar ve L–gliserol–3–fosfat) ve birçok biyosentez basamağını
paylaşır. Gliserol–3–fosfat iki yolda oluşabilir (Şekil 11.21). Glikoliz sırasında üretilen
dihidroksiaseton fosfattan sitozolik NAD+ bağlı gliserol–3–fosfat dehidrogenaz etkisiyle
oluşabilir (Bölüm 10). Karaciğer ve böbrekte gliserol kinaz etkisiyle gliserolden de oluşur
(Bölüm 10. Glukoneogenez). Triaçilgliserollerin diğer öncülleri açil CoA sentetazlar
tarafından yağ asitlerinden oluşturulan yağ açili CoA’ lardır (Şekil 11.21). Aynı enzim β–
oksidasyon için yağ asitlerinin aktifleştirilmesinden sorumludur.
Triaçilgliserollerin biyosentezindeki ilk basamak diaçilgliserol–3–fosfat (fosfatidik
asit veya fosfatidat) oluşturmak üzere L–gliserol–3–fosfatın iki serbest hidroksil grubunun
iki molekül yağ açil CoA’ yla açilasyonudur (Şekil 11.21). Fosfatidik asit hücrelerde ancak
eser miktarda yer alır fakat lipit biyosentezinde merkezi ara üründür; ya triaçilgliserole ya da
gliserofosfolipide çevrilir. Fosfatidik asit triaçilgliserole dönüşüm yolunda 1,2–diaçilgliserol
vermek üzere fosfatidik asit fosfataz tarafından hidrolizlenir (Şekil 11.22). Daha sonra
diaçilgliserolle üçüncü bir yağ açili CoA ile trans esterleşmeyle triaçilgliserole çevrilir.
195
Şekil 11.21. Fosfatidik asidin biyosentez yolu. Yağ açili grupları önce yağ açili CoA molekülleri
oluşturarak aktifleştirilir, sonra gösterilen iki yoldan birinde oluşan L–gliserol–3–fosfatla
ester bağı yapmak için taşınır.
196
Şekil 11.22. Lipit biyosentezinde fosfatidik asit. Fosfatidik asit hem triaçilgliserollerin hem de
gliserofosfolipitlerin öncülüdür.
11.4.2. Hayvansal Organizmalarda Triaçilgliserol Biyosentezi Hormonlarla Düzenlenir
Enerji gereksiniminden fazla alınan karbohidrat, yağ ya da protein triaçilgliserol
şeklinde depolanır ve vücudun açlığa dayanabilmesi için enerji kaynağı olarak kullanılır.
Triaçilgliserollerin biyosentez ve yıkımları anlık gereksinim ve metabolik ihtiyaçlara
bağlı elverişli bir yolla karşılıklı olarak düzenlenir. Triaçilgliserollerin biyosentez hızı birçok
hormonun etkisiyle tümüyle değiştirilir. Örneğin insülin, karbohidratların triaçilgliserollere
çevrilmesini teşvik eder (Şekil 11.23). Ağır diabetes mellituslu insanlar yalnız glukozu
kullanamamakla kalmaz aynı zamanda karbohidrat ve aminoasitlerden yağ asitleri de
sentezleyemezler, keton cisimleri oluşur. Triaçilgliserol metabolizması glukagondan, hem
hipofiz büyüme hormonu hem de adrenal korteks hormonlarından etkilenir.
197
Şekil 11.23. Triaçilgliserol sentezinin insülinle düzenlenmesi. İnsülin diyetle alınan karbohidrat ve
proteinlerin lipitlere çevrilmesini uyarır. Tedavi edilmemiş diabetes mellituslu
bireylerde insülin yoktur. Sonuçta karbohidrat ve protein katabolizmasından gelen asetil
CoA azalan yağ asidi sentezi nedeniyle keton cismi sentezine kaydırılır.
198
12.BÖLÜM: PROTEİN VE AMİNOASİT METABOLİZMASI Proteinlerin diyetle alınmalarındaki amaç, içerdikleri aminoasitlerden vücudun kendi
spesifik proteinlerinin sentezlenmesidir. Sağlıklı kişilerde ve yeterli beslenmede, proteinlerin
yakıt metabolizmasına katkısı % 15–20 arasında değişir. Ayrıca azot içeren porfirinler, pürin
ve pirimidin nükleotidleri, DNA, RNA ve kreatin gibi birçok molekül sentezinde
aminoasitlerin ya kendileri ya da azotları kullanılır.
Bu bölümde önce memeliler tarafından aminoasit kaynağı olarak alınan proteinlerin
sindirimi ve hücre içi yıkımı açıklandıktan sonra aminoasitlerin yıkımı üre çevrimiyle birlikte
anlatılacaktır.
12.1. PROTEİNLERİN SİNDİRİMİ Diyetteki proteinler, önce enzimatik reaksiyonlarla tamamen aminoasitlerine kadar
hidrolizlenirler. Çünkü proteinler ve birçok polipeptidler hücre membranlarını aşamazlar.
Fakat aminoasitler kolayca hücre içine alınabilirler.
Canlılarda, sindirim sisteminde ya da hücre içinde proteinleri parçalayan enzimlere
proteolitik enzimler, proteazlar veya peptidazlar adı verilir. Bu enzimlerden proteinleri iç
peptid bağlarından hidrolizleyenlere endopeptidazlar, karboksil veya amino uçlarındaki
aminoasitlerini hidrolizleyenlere de ekzopeptidazlar denir.
Memelilerde proteinlerin hidrolizi midede başlar. Mide özsuyunda bulunan pepsin,
mide mukozası hücrelerinden aktif olmayan pepsinojen şeklinde salınır. Mide mukozası
hücrelerinden salgılanan ve mide özsuyunda bulunan HCl’ den kaynaklanan düşük pH
(pH=1.0–2.5) etkisi ile küçük bir miktar pepsinojen kendi kendine aktive olur. Bu şekilde
oluşan pepsin geri kalan pepsinojeni hidrolizleyerek aktive eder.
Pepsinojen Pepsin (321 aa) + Peptidler (42 aa)
Besin Proteinleri Proteazlar + Peptonlar
Pepsin enziminin hidrolitik ürünlerinin çoğu büyük peptidlerdir. Bunların vücut
tarafından kullanılabilmesi için diğer bağırsak proteolitik enzimleri tarafından hidroliz
edilmeleri gerekir.
Midede, pepsin protein moleküllerinin iç kısmındaki Trp, Tyr, Phe aromatik
aminoasitlerin amino ucundaki peptid bağlarını hidrolizleyerek uzun polipeptid zincirlerini
daha küçük peptid karışımlarına parçalar. Pepsinin özgüllük sınırı geniş olup –COOH ucu
peptid bağlarını da parçalayabilir. Pepsinin etkilediği basamak önemlidir ancak gerekli
Pepsin
Midede, H+
199
değildir. Midesinin tamamı çıkarılmış bazı hastalar pozitif azot dengesi sağlayabilecek kadar
protein sindirebilir.
Asidik mide içeriği ince bağırsağa girince sekretin hormonu kana salgılanır. Sekretin
pankreastan ince bağırsağa bikarbonat (HCO3-) salınımını uyararak pH’yı aniden 7.0 civarına
yükseltir. Proteinlerin sindirimi ince bağırsakta devam eder. Mideden gelen polipeptid
zincirleri ince bağırsakta bir takım proteolitik enzimlerle karşılaşır. Mideden gelen kısa
peptidler karışımının bağırsağın üst kısmına (duodenum) ulaşması, optimum pH’ sı 7.0–8.0
olan birkaç pankreatik enzimin salınımını uyaran, kolesistokinin hormonunun kana
salınımına neden olur. Tripsin, kimotripsin, karboksipeptidaz A ve B ile elastaz’ ın
zimojenleri olan tripsinojen, kimotripsinojen, prokarboksipeptidaz A ve B ile proelestaz
pankreas hücreleri tarafından sentezlenir ve salgılanır. Tripsinojen aktif formu olan tripsine
bağırsak hücrelerinden salınan proteolitik bir enzim olan enteropeptidaz A tarafından
çevrilir. Tripsin de pankreastan salgılanan tüm zimojenleri aktifleştirir.
Tripsinojen Tripsin + Hekzapeptid
Kimotripsinojen Kimotripsin
Prokarboksipeptidaz A ve B Karboksipeptidaz A ve B
Proelestaz Elestaz
pH = 7.0’ de optimum aktivite gösteren tripsin polipeptid zincirindeki Arg, Lys
kalıntılarının peptid bağlarını karboksil ucundan hidroliz ile parçalar. Kimotripsinde başlıca
aromatik aminoasitlerin (Phe, Trp, Tyr) çok az oranda da lösin ve metiyoninin peptid
bağlarını karboksil ucundan hidrolizler.
Peptid zincirinin seçimli hidrolizi:
N C C
O
N C C
O
H H
R1
H H
R2 aa1 aa2
Tripsin, aa1: Lys veya Arg
Kimotripsin, aa1: Phe, Trp, Tyr ve çok az Leu ve Met
Pepsin, aa2: Phe, Trp, Tyr.
Karboksipeptidazlar ekzopeptidazlar olup, yalnız karboksil uçlarındaki peptid
bağlarını hidrolizler. Karboksipeptidaz A (Zn+2içerir) –COOH ucu peptid bağlarını lizin ve
Tripsin
Enteropeptidaz A
200
arginine veya prolinden bir önceki aminoaside kadar olan ve karboksipeptidaz B’ de yalnız –
COOH ucundaki lizin ve arginin kalıntılarının bağlı bulunduğu peptid bağlarını hidrolizler.
Elestaz nötral aminoasitleri içeren peptid bağlarını parçalayabilirken özellikle elastin
üzerinde etkilidir.
İnce bağırsak mukozası hücrelerinin dış yüzeylerinde bulunan amino peptidaz da bir
ekzopeptidaz olup polipeptid zincirinin –NH2 ucundaki peptid bağlarını hemen hemen hiçbir
aminoasit ayırt etmeksizin hidrolizler. Bağırsak mukozası yüzeyinde dipeptid ve tripeptidleri
parçalayabilecek dipeptidaz ve tripeptidaz enzimleri de tutunmuş olarak bulunur.
Mide ve bağırsakta enzimlerin birlikte etkisi sonucu proteinler tamamen aminoasitlere
hidrolizlenir. Aminoasitler daha sonra kan dolaşımı yoluyla bütün dokulara taşınırlar. Doku
hücrelerine de aktif taşıma ile giren aminoasitler, burada protein sentezinde kullanılırlar veya
yıkıma uğrarlar. Bir hücrede protein sentezinin başlaması için 20 çeşit aminoasidin de
ortamda mevcut olması gerekir.
Vücuttaki proteinler devamlı olarak yenilenme içindedir. Bu yenilenme ve değişimin
süresi, proteinin yarı ömrü şeklinde ifade edilir. Bu süre kan, karaciğer ve diğer iç organ
proteinleri için 2.5–10 gün arasında, toplam kas proteinlerinin 180 gün, kollagenin ise 1000
gündür. Kas proteinlerinin miktarı çok olduğundan birim zamanda yıkılan ve sentezlenen
protein miktarı karaciğerdekine eşittir. Sağlıklı kişilerde protein sentez hızı, yıkılan
proteinlerin yerine yenisi sentezlemek için yeterli olduğundan, vücuttaki toplam protein
miktarı sabit kalır. Protein turnover’ i denilen bu olayla günde ortalama 300–400 g proteinin
yıkım ve sentezi gerçekleşir. Yaşlılarda ve özellikle yetersiz beslenme durumunda yıkım
sentezden fazla olduğu için, dışarıdan alınan azottan (N) daha fazla azot (N) vücuttan idrar,
ter veya dışkı yoluyla atılır. Bu duruma negatif azot dengesi denir. Yeterli beslenen sağlıklı
kişilerde azot dengesi vardır. Büyüme çağında, hastalıktan iyileşme ve hamilelik döneminde
pozitif azot dengesi gözlenir.
İnsan vücudunda 100 g kadar serbest aminoasit vardır. Bunun yaklaşık yarısı
Glu+Gln, % 10’ u da esansiyel (temel) aminoasitlerdir. Glu ve Gln azotlu bileşiklerin
metabolizmasında hem amino grubu vericisi hem de taşıyıcısıdır. Özetle vücudun aminoasit
havuzunu (Şekil 12.1);
1. Diyetle alınan proteinlerin sindirimi,
2. Sindirim enzimleri ve bağırsak epiteli proteinlerinin parçalanması
3. Hücre içinde, özellikle plazma proteinlerinin karaciğerde hidroliz sonucu oluşan
aminoasitlerden ibarettir.
201
Aminoasitler, karbohidrat veya yağlar gibi depolanmazlar. Vücutta sentezlenen her
protein molekülü fonksiyoneldir ve hiçbir zaman aminoasit deposu değildir. Fakat uzun süreli
açlıkta kas proteinleri, aminoasit sağlamak amacıyla değil de, kan glikozunu normal seviyede
tutmak için aminoasitlerden glikozun sentezlenmesi amacıyla yıkılır. Süt ve yumurta
proteinleri istisna olarak aminoasit deposu fonksiyonu görürler.
Aminoasitlerden vücutta ihtiyaç duyulan proteinlerin ve diğer biyomoleküllerin
sentezinden arta kalan kısmı atılamadığı ve depolanamadığına göre, hücre içinde bunların tek
akıbeti yakıt metabolizmasına dahil olmak ve enerji oluşturmaktır (Şekil 12.1).
Aminoasit Metabolizmasının Genel Planı
Kaynaklar (a–c) Kullanım (d–g)
Şekil 12.1. Protein metabolizmasının genel görünümü.
12.2. AMİNOASİTLERİN YIKIMI VE ÜRE ÇEVRİMİ Tüm metabolik durumlarda aminoasitler amino gruplarını kaybederek, aminoasitlerin
karbon iskeletleri olan α–keto asitleri oluşturur. Aminoasitlerin yıkım yolları çoğu
organizmada oldukça benzerdir. Memelilerde karbohidrat ve yağ asidi yıkımında olduğu gibi,
aminoasit yıkım işlemleri çoğu aminoasidin karbon iskeletlerinin sitrik asit çevrimine
katılmasıyla merkezi yıkım yollarında birbirine yaklaşır. Aminoasit yıkım yolu tepkimelerinin
bazıları yağ asitlerinin yıkım yolu basamaklarıyla yakın benzerlik gösterir (Bölüm 11).
Aminoasit yıkımını diğer yıkım işlemlerinden ayıran önemli bir özellik her
aminoasidin bir amino grubu içermesidir. Bu nedenle aminoasit yıkımı için yollar α–amino
KANDA AMİNO
ASİTLER
a)Besin proteini aminoasitlerine hidroliz
olur ve bağırsaktan emilir.
b)Doku proteini yıkılması
c) Sentez (başlıca karaciğerde)
d)Vücut proteinlerinin sentezi.
Örneğin: Yapısal proteinler, plazma
proteinleri, enzimler, süt proteinleri,
hormonlar
e)Protein olmayan gerekli azotlu
bileşiklerin sentezi. Hormonlar,
kolin, kreatin, pürinler, pirimidinler,
koenzimler, glutation, melanin,
transaminasyon ile diğer
aminoasitlerin oluşumu; üre, NH3
sentezinde.
g) Enerji oluşumu f) Glukoz gibi azot içermeyen moleküllerin sentezi
202
grubunun karbon iskeletten ayrıldığı ve amino grubu metabolizmasının yollarına bağlandığı
bir anahtar basamak içerir (Şekil 12.2). Hücreiçi protein
Amino asitlerDiyet proteini
NH4+Amino asitler, nükleotidler ve
biyolojik aminlerin biyosentezi
Karbamoil fosfat
Üre çevrimi
ÜRE(azot atIm ürünü)
Karbon iskeletleri
- Keto asitler
Sitrik asit çevriminin aspartat - arginino süksinat mekigi
Sitrik asit çevrimi
Oksaloasetat
Glukoz(glukoneogenezle sentezlenen)
CO2 + H2O + ATP
-
Şekil 12.2. Memelilerde aminoasitlerin yıkımına genel bakış. Amino grupları ve karbon iskeletleri,
ayrı fakat birbirine ara bağlantılı yollar izler.
Biz önce amino grubu metabolizması ve azot atımını, sonra aminoasitlerden
kaynaklanan karbon iskeletlerinin akıbetini ve bu yoldan giderek metabolik yolların nasıl
birbirine bağlandığını inceleyeceğiz. Aminoasitlerin α–amino grubu transaminasyon ve
oksidatif deaminasyon reaksiyonlarıyla uzaklaştırılıp çoğu üreye çevrilirken, karbon
iskeletleri de asetil CoA, asetoasetil CoA, piruvat veya TCA çevriminin ara bileşiklerinden
birine dönüştürülür. Aminoasitlerin karbon iskeletleri ya CO2 ve H2O’ ya kadar
yükseltgenerek organizmaya enerji sağlar yada yağ asitlerine, keton cisimlerine ve beyin,
203
iskelet kası ve diğer dokuların yakıtı olan glukoza dönüştürülür. Memelilerde aminoasit
yıkımının meydana geldiği en önemli organ karaciğerdir.
12.2.1. α–Amino Grubunun Uzaklaştırılması
Birçok aminoasidin α–amino grupları glutamat oluşturmak üzere α–ketoglutarata
aktarılır (Şekil 12.3). Bu olaya transaminasyon adı verilir. Daha sonra glutamatın oksidatif
deaminasyonu sonucu NH4+ oluşur. Bir α–aminoasitten bir α–keto aside α–amino grubunun
transferini katalizleyen enzimlere aminotransferazlar veya transaminazlar adı verilir. Bu
enzimler genelde, sitoplazmada ve az miktarda da mitokondri de bulunur. Transaminasyon
reaksiyonu aşağıda olduğu gibi gerçekleşir:
H C COO-
NH3
R1
+
C
O
CH2
COO-
AminotransferazC
O
R1
COO-
H C COO-
NH3
+CH2
COO-
CH2
CH2
COO-
L--Aminoasit -Ketoglutarat -Ketoasit L--Glutamat
PLP
Şekil 12.3. Enzimle katalizlenen transaminasyonlar. Birçok aminotransferaz reaksiyonunda α-
ketoglutarat amino grubu alıcısıdır. Tüm aminotransferazlarda kofaktör olarak pridoksal
fosfat (PLP) bulunur.
Memeli dokularında iki transaminaz enzimi öne çıkar. Bunlardan en önemlisi aspartat
aminotransaminaz (AST) olup aspartat yapısındaki bir amino grubunun α–ketoglutarata
aktarılması reaksiyonu katalizler.
Aspartat + α–Ketoglutarat Okzalaasetat + Glutamat
Memeli dokularında önemli olan bir başka transaminaz enzimi de,
Alanin + α–Ketoglutarat Piruvat + Glutamat
reaksiyonunu katalizleyen alanin aminotransaminaz (ALT)’ dır. Burada oluşan reaksiyon ile
alanin de amino grubunu α–ketoglutarata transfer ederek glutamatı oluşturur. Bu iki
transaminazın katalizlediği reaksiyonlar sonucu α–amino grupları, sonradan oksidatif
deaminasyona uğrayacak olan glutamat moleküllerinde, bir başka deyimle bir “glutamat
havuzunda” toplanmış olur.
Alanin aminotransaminaz (ALT) ve aspartat aminotransaminaz (AST); kalp
ataklarının, ilaç toksisitesinin ve karaciğer hasarlarının tanısında önemlidir. Bir kalp atağından
204
sonra bu aminotransaminazları da içeren bir grup enzim, hasarlı kalp hücrelerinden sızarak
kan dolaşımına geçer.
Bütün transaminaz enzimlerinde koenzim olarak piridoksinin (B6 vitamini) bir türevi
olan piridoksal fosfat (PLP) görev yapar. Transaminasyon reaksiyonunda piridoksal fosfat,
piridoksamin fosfat ara bileşiğine dönüşür (Bölüm 8).
Glutamatın oksidatif deaminasyonu, koenzim olarak hem NAD+ hemde NADP+
kullanan glutamat dehidrogenaz enzimi tarafından gerçekleştirilir. Glutamat dehidrogeneaz
birçok doku mitokondrilerinde belirlenmiş olup karaciğerde çok aktiftir. Glutamat
dehidrogeneazın reaksiyonu dönüşümlü olarak katalizlemesine karşın olayın dengesi glutamat
sentezi yönünedir. Yemek sonrası glutamat seviyesi yükseldiği zaman oksidatif deaminasyon
reaksiyonu gerçekleşir.
+
NH3
CH COO
CH2
CH2
COO
NAD(P)+ + H2O
Glutamatdehidrogenaz
C COO
CH2
CH2
COO
O
+ NAD(P)H + NH4+
Glutamat α–Keto glutarat
Glutamat dehidrogenaz enziminin aktivitesi allosterik olarak düzenlenmektedir. ATP
ve GTP, enzimi allosterik olarak inhibe ederken ADP ve GDP nükleotidleri de allosterik
olarak aktive eder. Yani hücre enerji yükündeki bir azalma aminoasit oksidasyonunu
hızlandırır.
Karada yaşayan omurgalılarda NH4+ üreye çevrilir ve atılır. Bu reaksiyonların tümünü
bir arada şematize edersek α–amino grubunun metabolik yolunu özetlemiş oluruz.
α–Aminoasit α–Ketoglutarat NAD(P)H + NH4+
α–Keto asit Glutamat NAD(P)+ + H2O
Serin ve treonin aminoasitlerinin deaminasyonu farklı bir yolla da doğrudan
gerçekleştirilebilir. Bu özellikleri her iki aminoasidin yan zincirlerinde bir hidroksil grubu
içermelerinden kaynaklanmaktadır. Bu deaminasyon reaksiyonları yine piridoksal fosfat
koenzimi taşıyan serin dehidrataz ve treonin dehidrataz enzimleri tarafından katalizlenir.
Serin Piruvat + NH4+
Treonin α–Ketobütirat + NH4+
NH2C
O
H2N
ÜRE
205
Bu enzimlere dehidrataz adı verilmesinin nedeni deaminasyondan önce bir
dehidratasyon olayının meydana gelmesidir. Serinin piruvat ve NH4+’ ya parçalanması
reaksiyonu şöyledir:
H2N C
COO
CH2
OH
H
H2O
H2N C
COO
CH2
H2O
C
COO
CH3
O + NH4+
Serin Aminoakrilat Piruvat
D– ve L– Aminoasit Oksidazlar
D–aminoasitler bitkilerde ve mikroorganizmaların hücre çeperlerinde mevcut olup,
hayvan proteinlerinde yer almaz. Bununla beraber, yukarıda belirtilen kaynaklardan dolayı
diyette bulunduğundan karaciğer tarafından metabolize edilirler. D–aminoasit oksidaz,
karaciğer ve böbrekte bulunan FAD bağlı bir peroksizom enzimidir ve D–aminoasitlerin
oksidatif deaminasyonunu sağlar. Oluşan α–keto asitler, daha sonra transaminasyonla L–
izomerlerine dönüşürken, H2O2 de katalaz enzimi tarafından parçalanır. D–aminoasit
oksidazın katalizlediği reaksiyonun net denklemi:
D–aminoasit + H2O + O2 α–Keto asitler + H2O2 + NH4+
H2O2 H2O + 1/2O2
Burada oluşan α–keto asitler, L–α–aminoasitlerin transaminasyonuyla oluşan
α-ketoasitlerin girdiği metabolik yollara dahil olur.
L–Aminoasit oksidaz enzimleri de yine karaciğer ve böbrekte aktivite gösteren
peroksizomal moleküllerdir. Yukarıdakine benzer bir reaksiyonla hemen hemen tüm L–
aminoasitleri etkiler. Aminoasitlerin yıkımında bu enzimlerin önemi azdır.
12.2.2. Üre Çevrimi
Aminoasitlerin yıkımında oluşan NH4+’ ın bir kısmı azotlu bileşiklerin biyosentezinde
kullanılır. Karada yaşayan omurgalılarda, NH4+ üreye çevrilerek atılır. Kuşlarda ve
sürüngenlerde NH4+ ürik aside dönüştürülerek atılırken, deniz hayvanlarında NH4
+ olduğu
gibi atılır.
İnsanlarda NH4+’ ın tek kaynağı aminoasitler değildir:
1. Bağırsaklardaki bakteriyel faaliyetlerde oluşan ve emilerek kana karışan, diyetle
alınan ve amin oksidaz enzimlerince yıkılan aminlerden gelen,
206
2. Pürin ve pirimidin katabolizmasından oluşan NH4+ iyonları da karaciğere taşınarak
üreye dönüştürülmelidir.
Kara omurgalılarında üre yalnız karaciğerde üre çevrimi tarafından sentezlenmektedir.
Üre sentezindeki azotlardan biri amonyaktan (NH4+), diğeri ise aspartattan sağlanır. Karbon
atomu da CO2’den gelir. Üre, bir anlamda metabolizmanın atık toksik maddeleri olan CO2 ve
amonyağın beraberce atılma şeklidir. Ornitin aminoasidi üredeki karbon ve azot atomlarının
taşıyıcısı rolünü oynar.
Üre amonyaktan beş enzimatik basamakta sentezlenir. Üre çevrimi karaciğer
mitokondrisi içinde başlar fakat izleyen üç basamak sitozolde gerçekleşir. Böylece çevrim iki
hücresel bölümü kateder (Şekil 12.4).
Üre çevriminin ilk reaksiyonu, CO2 ile glutamatın oksidatif deaminasyonu sonucu
oluşan NH4+’ün reaksiyonudur. 2 mol ATP’ nin harcandığı bu dönüşümsüz reaksiyonla
yüksek enerjili bir bileşik olan karbamoil fosfat oluşur. Bu kompleks reaksiyonu bir
mitokondri enzimi olan karbamoil fosfat sentetaz katalizler.
CO2 + NH4+ + 2ATP + H2O
Karbamoil fosfat
Karbamoil fosfat, karbamoil grubunu ornitine aktararak sitrulini oluşturur ve fosfat
grubu da serbest hale (Pi) geçer. Bu reaksiyon, ornitin transkarbamoilaz enzimi tarafından
katalizlenir. Oluşan sitrülin bir translokaz proteini vasıtasıyla ornitin karşılığında
sitoplazmaya taşınır.
H2N C
O
O Pi+ PO3-2 CH
NH3
(H2C)3 COO-H2NCH
NH3
(CH2)3 COO-H3N +C
O
NH
Ornitin Karbamoil fosfat Sitrulin
Üçüncü reaksiyonla, üre çevriminin ikinci amino grubu aspartattan devreye girer.
Aspartatın amino grubu da ileride göreceğimiz gibi glutamattan sağlanmaktadır. Sonuç
itibariyle ürenin iki azotu da glutamat havuzundan sağlanmaktadır.
H2N C
O
O P
O
O
O + 2ADP + Pi
207
CH
NH3
(H2C)3 COO-H2N +C
O
NH
Sitrulin Aspartat Argininosüksinat
CH
NH3
COO-CH2-OOC
ATP AMP + PPi
CH3N
(CH2)3
COO-
NHC
NH2
NH
H
CH
COO-
CH2
COO-
Bu kondenzasyon reaksiyonu, arginosüksinat sentetaz tarafından katalizlenir; bir
ATP ve PPi’ nin hidrolizi ile ürünler yönüne ilerler.
Arginosüksinat, arginosüksinazla arginin ve fumarata parçalanır.
Argininosüksinat Arginin Fumarat
CH3N
(CH2)3
COO-
NHC
NH2
NH
H
CH
COO-
CH2
COO- CH3N
(CH2)3
COO-
NH2C
NH2
NH
H
+C
CH-OOC
H COO-
Burada oluşan fumarat, sitrik asit çevrimine gider (Şekil 12.4). Aspartatın fumarata
dönüşmesi, aspartatın amino grubu vericisi olduğu reaksiyonlara bir örnektir. Bu reaksiyon
basamakları birçok canlılarda arginin sentezinde kullanılmaktadır.
Karada yaşayan omurgalıların karaciğerinde bulunan arginaz enzimi, arginini ornitin
ve üreye parçalar.
Arginin + H2O + OrnitinC
O
H2N NH2Arginaz
Böylece ortaya çıkan ornitin, bir başka karbamoil fosfatla reaksiyona girmek üzere
mitokondriye geri dönerek çevrim tamamlanır.
208
Şekil 12.4. Üre çevrimi ve sitrik asit çevrimi arasındaki bağlantılar. Sitrik asit ve üre çevrimlerini
bağlayan çevrim aspartat–arjininosüksinant mekiği olarak da adlandırılır. Bu yollar
aminoasitlerin karbon iskeletleri ve amino gruplarının sonlarıyla etkin olarak ilişkilidir. Bu
ara bağlantılı durum okların gösterdiğinden daha ayrıntılıdır. Sitozolde sentezlenen fumarat
–üre çevrimi, pürin biyosentezi veya diğer süreçlerden herhangi birinde oluşturulursa da
sitozolik malat ve okzaloasetata dönüşerek sitozolde kullanılabilir. Okzaloasetat glukoz ve
bazı aminoasitler için öncüldür. Alternatif olarak, sitozolik malat ve okzaloasetat
mitokondriye taşınabilir, sitrik asit çevriminde kullanılır. Mitokondri içine malat taşınması
şekilde gösterilen malat–aspartat mekiğinin parçasıdır.
Üre çevrimi reaksiyonlarının bir bölümü karaciğer hücrelerinin mitokondri
matriksinde bir bölümü de stoplazmasında cereyan eder. NH4+’ un glutamat dehidrogenaz
enzimi ile oluşumu ve karbamoil fosfata dönüşümü ve daha sonra bunun da ornitinle
birleşerek sitrulinin meydana getirişi mitokondri matriksinde cereyan eder. Üre çevriminin
geri kalan üç reaksiyonu da sitoplazmada gerçekleşir (Şekil 12.4).
Üre sentezinin net denklemi şöyle özetlenebilir.
CO2 + NH4+ + 3ATP + Aspartat + H2O Üre + 2ADP + 2 Pi + AMP + PPi + Fumarat
Pirofasfatın da hemen hidrolizlendiği göz önüne alınırsa;
PPi + H2O 2PiΔGo = –8.0 kcal/mol
bir mol ürenin sentezi için dört yüksek enerjili fosfat bağının harcandığı görülür. Sonuç olarak
üre sentezinin net denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir.
CO2 + NH4+ + 3ATP + Aspartat + H2O Üre + 2ADP + 4 Pi + AMP + Fumarat
Üre çevriminde oluşan fumarat üzerinden üre çevrimi ve TCA çevrimi birbirine
bağlanır (Şekil 12.4.). Fumarat önce hidrasyonla malata dönüşür ve daha sonra okzalasetata
209
yükseltgenir. Okzalasetat üç metabolik yolda daha ileri metabolize edilir; (1) aminasyonla
aspartata dönüşür, (2) glukoneogenezle glukoza çevrilebilir, (3) asetil CoA ile kondense
olarak sitrat oluşturabilir (TCA çevrimi).
İnsanlarda yüksek NH4+ seviyeleri, özellikle beyin için toksiktir. Karaciğerdeki üre
sentezi NH4+’ un uzaklaştırılması için en önemli yoldur. Üre çevriminin herhangi bir
basamağının bloke olması hayati tehlike arz eder. Çünkü bu durumda kanda NH4+ seviyesi
artar. Bunun sonucu olarak da glutamat dehidrogenaz enziminin katalizlediği reaksiyonun
dengesi glutamat yönüne kayar ve α–ketoglutarat miktarı azalır. Oluşan glutamat da bir başka
NH4+ ile reaksiyona girerek glutamini oluşturur.
α–ketoglutarat Glutamat Glutamin
Bu reaksiyonla bir TCA çevrimi ara bileşiği olan α–ketoglutaratın mitokondrideki
konsantrasyonu azalır ve TCA çevriminin yavaşlamasından dolayı ATP sentez hızı düşer.
Beyin hücreleri ATP seviyesindeki azalmalara karşı son derece hassastır ve geri dönüşümsüz
bir hasar meydana gelebilir. Burada karaciğer dışındaki dokularda, özellikle aminoasitlerin
yakıt olarak kullanılabildiği beyin ve kas dokusu hücrelerinde oluşan NH4+’ un kandaki
miktarını toksik seviyeye çıkarmadan atılabilmesi önemlidir. Bir karaciğer hastalığı sonucu
üre sentez eden sistem çalışmazsa NH4+ iyonları sistematik dolaşıma geçer ve amonyak
zehirlenmesi görülür, koma ve ölümle sonuçlanır. Kanda NH4+’ un toksik seviyeye çıkması iki
mekanizma ile önlenir: (1) Kas ve karaciğer dokuları arasında gerçekleşen glukoz–alanin
çevrimi (2) periferal dokularla böbrek ve karaciğer arasındaki glutamin yolu.
Glukoz – alanin çevrimi şöyle özetlenebilir: Glutamatın –NH2 grubu glikoliz yoluyla
kasta oluşan pirüvata aktarılır ve oluşan alanin kan yoluyla karaciğere taşınır. Karaciğerde
alanin karaciğer alanin transaminaz (ALT) enzimi ile tekrar pirüvata dönüştürülür.
Glutamat + Pirüvat α–Ketoglutarat + Alanin
Karaciğerde oluşan pirüvat glukoneogenezle glukoza çevrilir ve glukoz kan yoluyla
tekrar kas dokusuna ulaştırılır. Bu şekilde devir tamamlanmış olur. Karaciğerde ALT
enzimiyle oluşturulan glutamatın, oksidatif deaminasyonuyla uzaklaştırılan NH4+, üre
çevrimine dahil olur.
Glutamin yolunda periferal dokularda, NH4+ önce glutamin sentetaz enziminin
katalizlediği reaksiyonla glutamatla birleşerek glutamin oluşturur.
NH4+ NH4
+ Glutamat
dehidrogenaz Glutamin sentetaz
Kas dokusuKaraciger-
210
H3N C
COO
CH2
CH2
COO
+ NH4+
H
+ ATP
H3N C
COO
CH2
CH2
C
H
O
NH2
+ ADP + Pi + H+Glutamin sentetaz
Glutamat Glutamin
Sonra glutamin, başta böbrek ve karaciğere ulaştırılmak üzere kan dolaşımına aktarılır.
Her iki dokuda glutamin glutaminaz enziminin katalizlediği bir reaksiyon ile glutamat ve
NH4+’ a hidrolizlenir.
Glutamin + H2O Glutamat + NH4+
Böbrekte NH4+ idrarla dışarı atılırken, karaciğerde üreye dönüştürülür. Bu
mekanizmada böbrek karaciğerden daha etkilidir.
12.2.2.1. Aminoasitlerin Karbon İskeletlerinin Yıkım Yolları
Aminoasitlerin karbon iskeletleri metabolik enerji elde etmek için kullanılır.
Aminoasitlerin yıkım yolları birlikte ele alınırsa, insan vücudunun enerji üretiminin normalde
sadece % 10–15’ ini karşılar. Bu yollar, glikoliz ve yağ asidi oksidasyonu kadar aktif değildir.
Bu yollarda akış, biyosentetik işlemler için gereksinimler ve özel bir aminoasidin varlığı
arasındaki dengeye bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Yirmi aminoasit için yirmi katabolik
yol, sadece beş ürün oluşturarak birbirine yaklaşır ve bunların tümü de sitrik asit çevrimine
girer (Şekil 12.5). Karbon iskeletleri buradan glukoneogenez veya ketogeneze yönlenir ya da
tamamen CO2 ve H2O’ ya yükseltgenir.
On aminoasidin karbon iskeletleri tamamen veya kısmen asetil CoA’ ya kadar yıkılır.
Beş aminoasit α–ketoglutarata; dördü süksinil CoA’ ya; ikisi fumarata ve ikisi de okzalasetata
dönüşür. Akış şemalarında 20 aminoasidin ayrı yollarını, her birinin sitrik asit çevrimine özel
giriş noktalarını özetledik. Bu şemalarda sitrik asit çevrimine giren karbon atomları koyu
renkli gösterilmiştir. Bazı aminoasitlerin birden fazla görülmesinin sebebi, karbon
iskeletlerinin değişik kısımlarının akıbetinin farkını göstermektir. Biz aminoasit
katabolizmasında, her yolun her basamağını izlemekten ziyade mekanizmaları tartışacağız.
Glutaminaz
211
Şekil 12.5. Standart aminoasitlerin sitrik asit çevrimine giriş noktalarının özeti. Bazı aminoasitlerin
birden fazla son ürünü olduğundan bir kereden fazla listelenmiştir. Bu şekil omurgalı
hayvanların başlıca aminoasit yıkım yollarını göstermektedir fakat omurgalı türler
arasında ufak değişiklikler vardır. Örneğin treonin bazı organizmalarda asetil CoA’ya
pirüvat yoluyla yıkılır.
12.2.2.2. Aminoasit Yıkımında Birkaç Enzim Kofaktörü Önemli Rol Oynar
Aminoasitlerin katabolik yollarında ilginç kimyasal düzenlemelerin bir karışımı
görülür. Bu yolları incelemeye başlarken reaksiyon sınıflarını tekrarlamak ve enzim
kofaktörlerini tanıtmak uygun olacaktır. Önemli bir sınıfı daha önce göz önüne aldık:
transaminasyon reaksiyonları pridoksal fosfata ihtiyaç duyar. Aminoasit yıkımında diğer bir
yaygın reaksiyon tek–karbon transferleri olup; genellikle şu kofaktörlerden birini gerektirir:
biotin, tetrahidrofolat veya S–adenozil metiyonin (Şekil 12.6). Bu kofaktörler tek karbon
gruplarını farklı yükseltgenme durumlarında transfer eder. Biotin karbonun en yükseltgenmiş
şekli olan CO2’i transfer eder (Şekil 8.10.); tetrahidrofolat tek karbon gruplarını ara
yükseltgenme durumunda bazen metil grubu olarak transfer eder (Şekil 8.12); S–
212
adenozilmetiyonin karbonun en indirgenmiş şekli olan metil gruplarını transfer eder. Son iki
kofaktör özellikle aminoasit ve nükleotid metabolizmasında önemlidir.
Şekil 12.6. Tek karbon transferi reaksiyonlarındaki bazı önemli enzim kofaktörleri. Tetrahidrofolatta
tek karbon gruplarının bağlandığı azot atomları (5 ve 10 nolu) koyu gösterilmiştir.
12.2.2.3. On Aminoasit Asetil CoA’ ya Yıkılır
On aminoasidin karbon iskeletleri asetil CoA üreterek sitrik asit çevrimine doğrudan
girebilir (Şekil 12.5) veya yağ asidi sentezi için kullanılabilir. On aminoasitten beşi pirüvat
yoluyla asetil CoA’ ya yıkılır. Diğer beşi doğrudan asetil CoA’ ya ve/veya asetoasetil CoA’
ya dönüşür sonra asetil CoA’ya parçalanır.
Pirüvat yoluyla katılan aminoasitler alanin, triptofan, sistein, serin ve glisindir (Şekil
12.7). Bazı organizmalarda treonin de asetil CoA’ya yıkılır; insanlarda daha sonra
bahsedileceği gibi süksinil CoA’ya yıkılır. Alanin α–ketoglutaratla transaminasyon üzerinden
doğrudan pirüvata dönüşür, triptofanın yan zinciri alanine dönüşerek kopar ve böylece pirüvat
oluşur. Sistein iki basamakla pirüvata dönüşür; birinci basamakta sülfür atomu uzaklaşır,
ikinci basamak ise transaminasyondur. Serin, serin dehidratazla pirüvata çevrilir. Serinin hem
β–hidroksil hem de α–amino grupları bu tek basamaklı piridoksal fosfata bağımlı reaksiyonla
uzaklaştırılır (benzer bir reaksiyon Şekil 12.13’ de treoninle gösterilmiştir).
213
Şekil 12.7. Alanin, glisin, serin, sistein, triptofan ve treonin için yıkım yolları. Triptofanın indol
grubunun sonu Şekil 12.9’ da görülmektedir. Glisinin serine dönüşümünün ayrıntıları ve
glisin için ikinci bir son Şekil 12.8’ da görülmektedir. Treonin insanda farklı bir yolla
yıkılır (Şekil 12.13). Sistein yıkımının birkaç yolu pirüvata gider.
214
Şekil 12.8. Glisinin iki metabolik sonu. a)Serine dönüşümü ve b) CO2 ve NH4
+’ a yıkımı. Bu
reaksiyonların her ikisinde de tek karbon birimlerini tetrahidrofolat taşır.
Bakterideki bir ana yolda glisin, bir hidroksimetil grubunun enzimatik olarak
eklenmesiyle serine dönüştürülür (Şekil 12.8.a). Bu reaksiyon serin hidroksimetil transferazla
katalizlenirken ayrıca tetrahidrofolat ve pridoksal fosfat koenzimlerine ihtiyaç duyar.
Hayvanlarda öncelikle baskın olan ikinci yolda glisin, CO2, NH4+ ve bir metilen (–CH2–)
grubu şeklinde oksidatif parçalanmaya uğrar (Şekil 12.8.b). Bu geri dönüşümlü reaksiyon
glisin sentazla katalizlenir ve metilen grubu alıcısı olarak tetrahidrofolata ihtiyaç duyar. Bu
oksidatif yıkım yolunda glisinin iki karbon atomu sitrik asit çevrimine girmez. Bir karbon
CO2 olarak kaybolur ve diğeri bazı biyosentetik yollarda tek–karbon grup vericisi olan
N5,N10–metilen tetrahidrofolatın metilen grubunu oluşturur (Şekil 8.12).
Altı aminoasidin (triptofan, lizin, fenilalanin, tirozin, lösin ve izolösin) karbon
iskeletlerinin kısımları asetil CoA, asetoasetil CoA veya her ikisini oluşturur ve daha sonra
asetil CoA’ ya dönüştürülür (Şekil 12.9). Lösin, lizin ve triptofan için yıkım yollarında son
basamakların bazıları yağ asidi oksidasyonundaki basamaklara benzer. Bu altı aminoasidin
ikisinin yıkım yolu özel bir şekilde değinmeyi gerektirir.
Triptofan yıkımı hayvan dokularındaki aminoasit yıkımının tüm yollarının en
karmaşık olanıdır. Triptofanın kısımları (toplam karbonunun altısı) iki farklı yolla asetil CoA’
ya dönüşür. Bunlardan birisi pirüvat aracılığıyla diğeri asetoasetil CoA aracılığıyla
gerçekleşir. Triptofan katabolizmasının ara ürünlerinin bazıları diğer biyomoleküllerin sentezi
için öncüldür (Şekil 12.10): hayvanlarda NAD+ ve NADP+’ nin bir öncülü olan nikotinat;
omurgalılardaki bir nörotransmitör olan serotonin ve bitkilerdeki bir büyüme faktörü olan
indolasetat.
215
Şekil 12.9. Triptofan, lizin, fenilalanin, tirozin, lösin ve izolösin için yıkım yolları. Bu aminoasitler
bazı karbonlarını (koyu) asetil CoA’ ya verir. Triptofan, fenilalanin, tirozin ve izolösin;
pirüvat veya sitrik asit çevrimi aracılarının karbonlarına katkıda bulunur. Azot
atomlarının sonu bu şemada izlenmemiş olup; çoğu durumda α–ketoglutarata transfer
edilerek glutamat oluşur.
216
Şekil 12.10. Öncül
olarak triptofan.
Triptofanın aromatik
halkaları nikotinat,
indolasetat ve
serotonini verir.
Fenil alaninin yıkımı aşağıda tartışıldığı gibi, bu yoldaki enzimlerin genetik hataları,
çeşitli kalıtsal insan hastalıklarına yol açtığından önemlidir (Şekil 12.9)
Bazı kişilerde fenilalanin yıkımı genetik olarak hatalıdır.
İnsanlarda aminoasit metabolizmasının birçok genetik hataları saptanmıştır. Bu tür
hastalıkların çoğunda özel ara ürünler birikerek kusurlu nöral gelişime ve zihinsel geriliğe yol
açar. Örneğin fenilalanin yıkım yolunun (Şekil 12.11) ilk enzimi fenilalanin hidroksilazdaki
genetik hata fenilalanin düzeyinin yükselmesinin (hiperfenilalaninemi) en yaygın nedeni olan,
fenilketonüri (PKU) hastalığından sorumludur.
Fenilalanin hidroksilaz, karışık–işlevli oksidazlar olarak adlandırılan genel bir grup
enzimden biridir (Bölüm 10. Karışık İşlevli Oksidazlar, Oksigenazlar ve Sitokrom P–450).
Fenilalanin hidroksilaz tetrahidrobiopterin kofaktörüne ihtiyaç duyar ve bu yapı süreç içinde
elektronları NADH’ den O2’ ye taşır ve dihidrobiopterine yükseltgenir.
217
Şekil 12.11. Fenilalanin ve tirozin için yıkım yolları. Bu aminoasitler insanlarda normalde asetoasetil
CoA ve fumarata dönüştürülür.
12.2.2.4. Beş Aminoasit α–Ketoglutarata Dönüştürülür
Beş aminoasidin (prolin, glutamat, glutamin, arginin ve histidin) karbon iskeletleri
sitrik asit çevrimine α-ketoglutarat olarak girer (Şekil 12.12). Prolin, glutamat ve glutamin;
beş karbonlu iskelete sahiptir. Prolinin halkalı yapısı, karboksil grubundan en uzak karbondan
yükseltgenmeyle açılarak bir Schiff bazı oluşur. Daha sonra Schiff bazı doğrusal bir
semialdehid olan glutamat ɣ–semialdehide hidrolizlenir. Bu da aynı karbonun ileri
yükseltgenmesiyle glutamata dönüşür. Glutamin, glutaminazın etkisiyle glutamata dönüşür.
Glutamat transaminasyon veya deaminasyonla α–ketoglutarat oluşturur.
Arginin ve histidin beş bitişik karbon içerir ve altıncı karbon azot atomu aracılığıyla
bağlanır. Bu aminoasitlerin glutamata katabolik dönüşümü; bundan dolayı prolin veya
glutamin yolundan biraz daha karmaşıktır (Şekil 12.12). Arginin üre çevrimindeki ornitinin
beş karbonlu iskeletine dönüştürülür ve ornitin transamine edilerek; glutamat γ–semialdehid
oluşur. Histidinin beş karbonlu glutamata dönüşümü çok basamaklı bir yolla gerçekleşir;
ekstra karbon, kofaktör olarak tetrahidrofolat kullanan bir basamakla uzaklaştırılır.
218
Şekil 12.12. Arginin, histidin, glutamat, glutamin ve prolin için katabolik yollar. Bu aminoasitler –
ketoglutarata çevrilir. Histidin yolundaki numaralandırılmış basamaklar (1) histidin
amonyak liyaz, (2) ürokonat hidrataz, (3) imidazolpropionaz ve (4) glutamat formimino
transferazla katalizlenir.
219
12.2.2.5. Dört Aminoasit Süksinil CoA’ ya Dönüştürülür
Metiyonin, izolösin, treonin ve valinin karbon iskeletleri sitrik asit çevriminin bir ara
ürünü olan süksinil CoA’ya dönüşerek yıkılır (Şekil 12.13). Metiyonin metil grubunu S–
adenozilmetiyonin yoluyla birkaç olası alıcıdan birine verir. Geriye kalan dört karbon
atomundan üçü süksinil CoA’nın bir öncülü olan propiyonil CoA’ nın propiyonatına çevrilir.
İzolösin transaminasyon geçirir ve bunu izleyen oksidatif dekarboksillenme ile α–keto asit
oluşur. Geri kalan beş karbonlu iskelet asetil CoA ve propiyonil CoA’ya kadar daha ileri bir
yükseltgenme geçirir. Valin transaminasyon ve dekarboksilasyon geçirir. Daha sonra bir geri
yükseltgenme reaksiyonuyla geri kalan dört karbon, propiyonil CoA’ya çevrilir. Valin ve
izolösin bazı kısımlarının yıkım yolları, yağ asidi yıkımının basamaklarıyla birbirine yakındır
(Şekil 11.5). İnsan dokularında treonin propiyonil CoA’ya da dönüşür.
Bu üç aminoasitten çıkan propiyonil CoA Bölüm 11’de tanımlanan bir yolla süksinil
CoA’ya dönüştürülür (Şekil 11.8).
220
Şekil 12.13. Metiyonin, izolösin, treonin ve valin için yıkım yolları. Bu aminoasitler süksinil CoA’ya
dönüştürülür. İzolösin aynı zamanda karbon atomlarından ikisiyle asetil CoA’ ya katkıda
bulunur (Şekil 12.9). Burada insanlardaki treonin yıkımının yolu gösterilmiştir; diğer
organizmalarda bulunan bir yol Şekil 12.7’ de gösterilmektedir.
221
12.2.2.6. Dallı Yan Zincirli Aminoasitler Karaciğerde Yıkılmaz
Aminoasitlerin yıkımının çoğu karaciğerde yer almakla birlikte dallı yan zincirli üç
aminoasit (lösin, izolösin ve valin) birincil olarak kas, adipoz, böbrek ve beyin dokusunda
yakıt olarak yükseltgenebilir. Bu ekstrahepatik dokular karaciğerde olmayan bir
aminotransferaz içerir. Bu enzimin üç dallı yan zincirli aminoasitlere etkisi, karşılık gelen α–
keto asitlerini üretir (Şekil 12.14). Sonra dallı zincirli α–keto asit dehidrogenaz kompleksi
tüm üç α–keto asidin oksidatif dekarboksillenmesini katalizler ve her birinden CO2 olarak
karboksil grubu açığa çıkar ve açil CoA türevleri oluşur. Bu reaksiyon pirüvatın asetil CoA’
ya pirüvat dehidrogenaz kompleksiyle oksidatif dekarboksillenmesine yapısal olarak
benzerdir. Burada beş kofaktöre (tiamin pirofosfat, FAD, NAD+, lipoat ve koenzim A) ihtiyaç
duyulmaktadır.
Şekil 12.14. Üç dallı yan zincirli aminoasit; valin, lösin ve izolösin için yıkım yolları. Ekstrahepatik
dokularda gerçekleşen üç yol ilk iki enzimi paylaşır. Dallı zincirli α–keto asit
dehidrogenaz kompleksi, pirüvat ve α–ketoglutarat dehidrogenaz kompleksleriyle
benzerdir ve beş aynı kofaktöre ihtiyaç duyar. Bu enzim Akçaağaç şurubu idrar hastalığı
olan kişilerde hatalıdır.
222
Üç dallı yan zincirli aminoasidin α–keto asitlerinin kanda biriktiği ve fazlasının idrara
geçtiği göreceli ender genetik bir hastalık vardır. Bu durum α–keto asitlerin idrara verdiği
karakteristik koku nedeniyle akçaağaç şurubu idrar hastalığı olarak adlandırılır ve dallı zincirli
α–keto asit dehidrogenaz kompleksinin bir hatası sonucudur. Bu hastalık tedavi
edilmediğinde, beyinin anormal gelişimi, zihinsel gerilik ve bebeğin erken ölümüyle
sonuçlanır. Tedavi normal büyümeye izin veren en az valin, izolösin ve lösinin sınırlı alımının
diyetle sıkı kontrolünü gerektirir.
12.2.2.7. Asparagin ve Aspartat Okzalasetata Yıkılır
Asparagin ve aspartatın karbon iskeletleri, sonunda okzalasetat olarak sitrik asit
çevrimine girer. Asparaginaz enzimi asparaginin aspartata hidrolizini katalizler, bu da α–
ketoglutaratla transaminasyon geçirerek glutamat ve okzalasetata dönüşür (Şekil 12.15).
Şimdiye kadar 20 standart aminoasidin azot atomlarını kaybettikten sonra;
dehidrojenlenme, dekarboksillenme ve diğer reaksiyonlarla karbon iskeletlerinin parçalarını
sitrik asit çevrimine girebilen, beş merkezi metabolit yapıyı oluşturma için yıkıldıklarını
gördük. Asetil CoA’ya yıkılan bu parçalar, oksidatif fosforillenmeyle ATP oluştururken;
tamamen CO2 ve H2O’ya yükseltgenir. Böylece aminoasitlerin karbon iskeletlerinin bazı
alternatif sonlarının kısa tartışmasını bitiriyoruz.
Şekil 12.15. Asparagin ve aspartat için yıkım yolu. Her iki aminoasit de okzalasetata dönüşür.
223
12.2.2.8. Bazı Aminoasitler Glukoza Diğerleri Keton Cisimlerine Dönüştürülebilir
Asetoasetil CoA ve/veya asetil CoA’ ya yıkılan altı aminoasit (triptofan, fenilalanin,
tirozin, izolösin, lösin ve lizin) karaciğerde keton cisimlerine dönüşebilir. Asetoasetil CoA,
burada asetoasetat ve β–hidroksibutirata dönüştürülür (Şekil 11.9). Bunlar ketojenik
aminoasitlerdir (Şekil 12.16). Bunların keton cisimlerini oluşturma eğilimleri özellikle tedavi
edilmemiş diabetes mellitusta belirgindir. Bu durumda karaciğer, hem yağ asitlerinden hem de
ketojenik aminoasitlerden çok miktarda keton cisimleri üretir.
Pirüvat, α–ketoglutarat, süksinil CoA, fumarat ve/veya okzalasetata yıkılan
aminoasitler, açlık durumunda glukoz ve glikojene dönüştürülebilir (Bölüm 10.
Glukoneogenez). Bunlar glukojenik aminoasitlerdir. Ketojenik ve glukojenik aminoasitler
arasındaki ayırım kesin değildir. Dört aminoasit (triptofan, fenilalanin, tirozin ve izolösin)
hem ketojenik hem de glukojeniktir. Yirmi α–aminoasitten yalnız lösin ve lizin tamamen
ketogeniktir. Aminoasitlerin yıkımı, hayvanların yüksek proteinli diyette veya açlık sırasında
yaşamlarını sürdürmesinde özellikle kritiktir. Özellikle ketojenik bir aminoasit olan lösin
proteinlerde çok yaygındır. Onun yıkımı açlık durumlarında ketozise önemli bir katkı sağlar.
Şekil 12.16. Glukojenik ve ketojenik aminoasitlerin sitrik asit çevrimine dahil olmaları.
Aminoasitlerden dördünün hem glukojenik hem ketojenik olduğuna dikkat ediniz.
Pirüvata yıkılan beş aminoasit aynı zamanda potansiyel ketojeniktir. Yalnız iki aminoasit
(lösin ve lizin) sadece ketojeniktir.
224
13. BÖLÜM: NÜKLEOPROTEİN ve NÜKLEİK ASİT METABOLİZMASI
Bilgiyi depolamaları, canlı organizmaların büyüme, gelişme ve çoğalması (kendini
yenilemesi) için gerekli olan tüm genetik bilgiyi içermelerinden dolayı nükleik asitler oldukça
önemli biyolojik moleküllerdir. Nükleik asitlerin birimlerini de oluşturan nükleotidler hemen
hemen tüm biyokimyasal işlemlere katılırlar. Ayrıca nükleotidler;
1. Nükleik asitlerin monomerik birimlerini oluştururlar. Gerçekte, nükleik asitler
nükleotidlerin aktifleştirilmiş şekilleri olan nükleozit trifosfatlardan doğrudan sentez
edilirler.
2. Nükleozid trifosfatlar ve özellikle ATP, pek çok enerji salıveren metabolik yolun enerjice
zengin nihai ürünleridirler ve bu moleküllerin kullanılması ile enerji gerektiren işlemlerin
gerçekleşmesi sağlanır.
3. Metabolik yolların çoğu kısmen de olsa ATP, ADP ve AMP gibi nükleotidlerin
konsantrasyon düzeyleri ile regüle edilir.
4. Adenin nükleotidler NADH, NADPH, FMN, FADH2 ve koenzim A gibi koenzimlerin
yapısal bileşenleridirler.
Besin maddelerinde bulunan nükleoproteinler mide öz suyunun asitliği ile temas
ettiğnde nükleik asit-protein bağı açılır ve protein kısmı, diğer proteinlerde olduğu gibi,
midede kısmen sindirilir. Protein sindirimi ince bağırsaklarda tamamlanırken nükleik asitler
(RNA, DNA) pankreas özsuyunun nükleaz (ribonükleaz ve deoksiribonükleaz) adlı
enzimleri tarafından hidroliz edilirler. Böylece mono- ve oligonükleotidler meydana gelir.
Oligonükleotidler bağırsak mukozasında bulunan ve daha az spesifık olan fosfodiesterazlar
tarafından mononükleotidlere parçalanırlar.
Bağırsak mukozasında ve buradan ayrılan hücreler dolayısıyla bağırsak boşluğunda
bulunan nükleotidazlar (fosforikmonoester hidrolazlar) mononükleotidlerin pentoz-fosfat
bağını nukleozid ve inorganik fosfat meydana getirerek hidroliz ederler. Bu şekilde meydana
gelen nükleozidler emilir ve sindirim bağırsak mukozası hücrelerinde devam eder. Bağırsak
mukozası hücreleri tarafından emilen bu nükleozidler bağırsak mukozası hücrelerinde
bulunan nükleozidaz veya nükleozit fosforilazlar tarafından inorganik fosfat varlığında
serbest pürin veya pirimidin ve pentoz fosfat vermek üzere parçalanırlar. Bununla beraber
nükleozidler kana da karışırlar (Şekil 13.1).
225
Şekil 13.1. Nükleoproteinlerin sindirimi
13.1. NÜKLEOTİD KATABOLİZMASI Hücreler tarafından oluşturulan yani hücre esaslı besin maddelerinin çoğu nükleik
asitleri içerir. Bu şekilde alınan nükleik asitler sindirim sisteminde çeşitli nükleaz ve
fosfodiesterazlar tarafından kendi bileşenleri olan nükleotidlerine parçalanırlar. Hücre
membranını geçemeyen bu iyonik bileşikler daha sonra çeşitli nükleotidaz ve spesifik
olmayan fosfataz tarafından kendilerini oluşturan nükleozidlere hidrolizlenirler ve daha ileri
bir parçalanma ile nükleozidaz ve nükleozid fosforilazların da etkisiyle serbest bazlar ve
riboz veya riboz-1-fosfatlar oluşturulur.
226
Diğer hücre bileşenlerinde olduğu gibi nükleik asitler de yenilenmek üzere
parçalanırlar.
Nükleik asitlerin sindirim ürünleri ile bağırsak metabolizması ürünleri, vena porta yolu
ile önce karaciğere gelir sonra büyük dolaşıma geçerler. Kana geçen nukleozidler de
karaciğer, böbrek, dalak, kemik iliği vb. dokularda, bu dokularda bulunan nükleozid
fosforilazlar tarafından inorganik fosfat varlığında pürin veya pirimidin ile pentoz fosfata
parçalanırlar. Guanozine bir nukleozid fosforilaz'ın etkisiyle serbest guanin oluşurken,
adenozin adenozin aminohidrolaz in etkisiyle önce inozine ve sonra bir nükleotid fosforilaz'ın
etkisiyle hipoksantine değişir (Şekil 13.2). Gerek kan yolu ile dokulara gelen ve gerekse
dokularda serbest hale geçen pürin ve pirimidinler de yıkılır.
Şekil 13.2. Kan yolu ile dokulara gelen nükleozidler
13.1.1. Pürinlerin Katabolizması
İnsanlarda, maymunlarda, kuşlarda, sürüngenlerde pürin halka sistemi metabolizma
esnasında yıkılmaz, son ürün yine pürin türevi olan ürik asitdir. Dokularda bulunan özel
enzimler pürinleri hidrolitik deaminasyonla hidroksipürinlere dönüştürürler. Gerek guanin
gerekse adenin bu şekilde ksantin ve hipoksantine dönüşürler. Bundan sonra, ksantin oksidaz
hipoksantini ksantine ve ksantini ürik asite çevirir (Şekil 13.3).
Şekil 13.3. Pürin katabolizmasının farklı hayvansal organizmalardaki farklı ürünleri
227
Sonuçta bütün pürinlerin dezaminasvonu veya yükseltgenmesi ile ürik asit meydana
gelir (Şekil 13.4). Ürik asit trihidroksipürindir. Ürik asit hem besin maddeleri ile alınan
(eksojen) ve hem organizmanın yaptığı (endojen) pürinlerden meydana gelir. Normal halde
kanda % 2-5 mg kadar ürik asit bulunur. İdrarla günde çıkarılan miktar 0,5-0,85 g kadardır.
Lösemide, böbrek yetersizliğinde kandaki ürik asit miktarı fazlalaşır. Gut (nikris) adı verilen
bir hastalıkta da kandaki ürik asit miktarı artar ve sodyum ürat seklinde kristalleşen ürik asit
eklemlerde, bağ dokusunda toplanarak, özellikle ayak baş parmağında odaklanan şiddetli
ağrılara neden olur. Ürik asit ve suda az çözünen üratların (ürik asit tuzlarının) idrarla
atılmasının çoğaldığı bazı hallerde idrar yollarında ürat taşları oluşabilir. Gut hastalığı ksantin
oksidaz' ın kompetjtif inhibitörü olan allopürinol ile tedavi edilebilir (Şekil 13.4).
Hiperürisemi oluşturarak primer guta yol açan diğer kalıtsal bozukluk, glutatyon
redüktaz aktivitesinin artmasına bağlı olarak NADP+ düzeyinin yükselmesi ile ortaya
çıkmaktadır. NADP+ artışı riboz 5-fosfat sentezini hızlandırır. Buda von Gierke hastalığına
benzer şekilde primer gut oluşumuna yol açar. Ayrıca, lösemi gibi nükleik asit yapım ve
yıkımının arttığı durumlarda, kronik böbrek yetmezliğinde ve ürik asitin atılamamasına yol
açan diğer nedenlerle sekonder gut görülmektedir.
Gut tedavisinde nükleoprotein içeriği bakımından zengin besinler kısıtlanmalıdır.
Ayrıca serum ürat düzeyinin azalmasına yol açan bazı ilaçlar, özellikle ksantin oksidaz
inhibitörü ve hipoksantin analogu olan allopürinol tedavide kullanılır. Allopürinolün ksantin
oksidaz ile hidroksillenmesi alloksantin oluşumuna yol açar. Alloksantin, ksantin oksidazın
inhibitörüdür. Böylece ürik asit oluşumu azalırken serum hipoksantin ve ksantin düzeyleri
artar. Ancak bu bileşiklerin serum düzeylerinin artışı hiperürisemide görülen bozukluklara
yol açmaz. Tedavide ayrıca, idrarla ürat atılımını kolaylaştıran ürikozürik ilaçlar da etkilidir.
Gut ağrılarının azaltılmasında kolşisinden yararlanılmaktadır.
Lesch-Nyhan Sendromu: 2-3 yaşlarında nörolojik belirtilerle ortaya çıkan X' e bağlı
resesif kalıtsal bir bozukluktur. El ve ayak parmakları ile dudaklarını ısırarak kendilerine
zarar veren bu çocuklar başkalarına karşı da saldırgan davranışlar gösterir. Bu hastalarda zekâ
geriliği ve spastik kusurlar görülmektedir. Lesch-Nyhan sendromu, pürin salvaj (kurtarma)
yolunda hipoksantin-guanin fosforibozil transferaz (HGPRT) aktivitesinin düşüklüğü veya
yokluğu sonucunda ortaya çıkmaktadır. Enzim eksikliğinde fosforibozil-1-pirofosfat (PRPP)'
nin pürin salvaj yoluna girmemesi nedeniyle de novo pürin sentezi artar. Guanin ve
hipoksantin katabolizmasının artmasına bağlı olarak ürik asit düzeyi yükselir. Bu enzim
eksikliği ile nörolojik belirtiler arasındaki ilişki henüz tam olarak bilinmemektedir. Normal
şartlarda, beyinde hipoksantin-guanin fosforibozil transferaz düzeyi diğer dokulardan daha
228
fazla, pürinlerin de novo sentezinde görev yapan amidotransferaz düzeyleri ise daha azdır.
Bu sebeple beyin IMP ve GMP sentezi için salvaj yoluna diğer dokulara göre daha
bağımlıdır.
Pürinler insan, maymunlar, kuşlar ve sürüngenlerde ürik asit halinde dışarı atılmakta
ve memeli hayvanlarda pürin metabolizmasının son ürünü allantoindir. Bu hayvanlarda ürik
asit karaciğer ve böbreklerde bulunan ürat oksidaz yardımıyla allantoine çevrilir. Bu
reaksiyon esnasında 6 numaralı C atomu CO2 şeklinde ayrılır, altı üyeli halka kapanır, beşli
olur ve beşli halka açılır.
Şekil 13.4. Pürinlerin katabolizması ve ürik asit oluşumu.
Kurbağa ve balıklarda allantoin, allontoinaz' ın etkisiyle allantoik asite ve allantoik asit,
allantoikaz aracılığı ile, iki molekül üre ve bir molekül glioksilik asite dönüşür. Buna göre
kurbağa ve balıklarda pürin metabolizmasının son ürünü üredir.
Adenozin ve deoksiadenozin, pürin nükleotid fosforilaz ile parçalanamaz. Daha ziyade,
adenin nükleozidler ve nükleotidler adenozin deaminaz ile karşılık gelen inozin türevlerini
vermek üzere amin grubu uzaklaştırıldıktan (deaminasyon) sonra parçalanırlar.
229
Adenozin monofosfatın (AMP) inozin monofosfata (IMP) deaminasyonu, AMP’ nin
IMP’ tan sentezi ile birleştirildiğinde asparattın fumarata deaminasyonu ile ilişkilidir.
Dolayısıyla pürin nükleotid çevrimi iskelet kasında önemli bir metabolik göreve sahiptir.
Böylece kas dokusu sitrik asit çevrimi ara ürünlerini pürin nükleotid çevriminde üretilen
fumarattan sağlar.
230
Şekil 13.5. Ürük asitten NH4
+ oluşumu
Pürin katabolizmasında önemli bir
görev yapan ksantin oksidaz, hipoksantini
ksantine ve ksantini de ürik asite dönüştürür.
Dimerik bir protein olan ksantin oksidaz
birbirinin benzeri ve 130 kDa luk iki altbirim
içerir. Ayrıca prostetik grup olarak bir FAD,
Mo(IV) ile Mo(VI) yükseltgenme
basamaklarına sahip bir molibden kompleksi
ve iki farklı Fe-S kümesi içerir. Bu
bilgilerden de anlaşılacağı gibi bu enzim
küçük bir elektron-transfer proteinidir. Bu
işlemlerde nihai elektron kabul edici molekül
oksijendir ve hücre hasarı yapabilecek bir
türev olan H2O2 'e dönüştürülür ancak
katalazın etkisiyle bu molekül H2O ve O2 'e
parçalanır.
İnsanlarda pürin parçalanmasının
nihai ürünü ürik asittir. Diğer tüm
organizmalarda ise ürik asit daha ileri
işlemlere uğrar ve bir organizmadan diğerine
oluşan nihai ürünler farklılıklar gösterirler.
Bu ürünler allantoin, allantoik asit, üre ve
amonyum iyonu olarak sıralanabilir (Şekil
13.5).
231
13.1.2. Pirimidinlerin Katabolizması
İnsan ve hayvan hücreleri pirimidin nükleotidleri bazlarına parçalarlar. Pürin
nükleotidlerinde olduğu gibi bu reaksiyonlar defosforillenme, deaminasyon ve glikozidik bağ
parçalanması üzerinden gerçekleşir. Oluşan urasil ve timin daha sonra karaciğerde
indirgenme ile parçalanırlar.
Gerek kan yolu ile dokulara gelen ve gerekse dokularda serbest hale geçen pirimidin
bazları karaciğerde yıkılırlar. Pirimidin azotu, amino asit azotu gibi, idrarla üre ve amonyak
halinde çıkarılır. Pirimidin yıkılmasının son ürünleri olan -alanin ve -aminoizobutirik asit
amino asit olduklarından transaminasyon ile yıkılırlar (Şekil 13.6). -Alaninin
transaminasyonu ile maloniksemialdehid ve bunun transaçilasyonu ile malonil-CoA ve
metilmalonil- CoA meydana gelir.
Pirimidin katabolizmasımn nihai ürünleri β-alanin ve β-aminoizobutirattır. Bunlar daha
ileri işlemlerde kullanılmak üzere transaminasyon ve aktivasvon reaksiyonlan ile malonil-
CoA ve metilmalonil-CoA' ya dönüştürülürler.
232
Şekil 13.6. Pirimidinlerin katabolizması ve malonil CoA oluşumu
13.2. NÜKLEOTİD BİYOSENTEZİ Nükleik asitler ve nükleoproteinler endojen maddelerdir. Nükleotidlerin yapı taşlarından
olan pürin ve pirimidinlerin sentezi, izotop atomlarla işaretlenmiş maddelerin organizmaya
verilmesi ile aydınlatılmıştır. Yüksek organizmalarda pürinler, pirimidinler ve bunlara karşılık
233
gelen nükleozidler bir seri enzimatik reaksiyonla sentez edilir. Organizma bu maddelerin
sentezi için protein ve karbohidrat metabolizması ürünlerini kullanır.
Hücre metabolizmasındaki önemli görevleri ile nükleotidler hemen hemen tüm
hücreler tarafından baştan sona kadar ve nükleik asitlerin parçalanma ürünlerinden
sentezlenirler.
Karaciğer, bağırsak mukozası ve timus pürin halka sistemini içeren nukleotidleri sentez
edebilir, fakat başlıca kaynak karaciğerdir.
13.2.1. De Novo (yeni baştan sentez) Pürin Ribonükleotidlerin Sentezi
13.2.1.1. Pürin Biyoentezi
Çeşitli bilimsel çalışmalar sonucu, pürinlerin yapısındaki N(l) azotun aspartatın amin
grubundan kaynaklandığı, C(2) ve C(8) karbonlarının formattan geldiği, N(3) ve N(9)
azotlarının ise glutaminin amit grubundan katıldığı, C(4), C(5) ve N(7) atomlannın ise
glisinden türediği ve son olarak C(6) atomunun ise CO2 ten geldiği tespit edilmiştir (Şekil
13.7).
Şekil 13.7. Pürin biosentezinde karbon ve azot atomlarının kaynakları
Bu taşıyıcı moleküllerden sentezlenen ilk pürin türevi inozin monofosfattır (IMP) ve
daha sonra da bu molekülden farklı yollarla adenozin monofosfat (AMP) ve guanozin
monofosfat (GMP) sentezlenir. Dolayısıyla pürinler başlangıçta ribonükleotid olarak
oluşturulurlar ve bu işlemler hemen hemen tüm organizmalarda benzer yollarla
gerçekleştirilir.
Pürin biyosentezinin başlangıç maddesi pentoz fosfat yolunun bir ürünü olan riboz-5-
fosfattır. İlk basamakta bu molekül, riboz fosfat pirofosfokinaz tarafindan ATP ile
aktifleştirilir ve 5-fosforibozil--pirofosfat (FRPF) meydana gelir. FRPF aynı zamanda hem
pirimidin biyosentezinin ve hem de histidin ile triptofanın da ön maddesidir.
Riboz-5-fosfat + ATP → 5-fosforibozil--pirofosfat + AMP
234
Şekil 13.8. Pürin biyosentezinin başlaması
Pürin biyosentezine has bir
reaksiyonla amidofosforibozil transferaz
FRPF nin pirofosfat grubunu glutaminin
amit azotu ile yer değiştirmesini katalizler ve
moleküliçi bir konfigürasyon değişimine
bağlı olarak -5-fosforibozilamin oluşur.
Glisinin karboksil grubunun fosforillenmesi
ile kolaylaştırılan bir reaksiyonla glisinin
karboksil grubu fosforibozilaminin amino
grubu ile glisinamit ribotid (GAR) adı
verilen bir amit oluşturur (Şekil 13.8).
235
Şekil 13.9. Pürin biyosentezinin devamı
GAR’ ın serbest -amino grubu
formilglisinamit ribotit (FGAR) vermek
üzere formillendirilir. Bu reaksiyondaki
formil salıcı grup N10-
formiltetrahidrofolattır. Bu kofaktör serin,
glisin ve format gibi salıcı moleküllerden bir
C lu üniteleri biyosentetik reaksiyonlardaki
alıcı moleküllere transfer eder. İkinci bir
glutaminin amid fonksiyonundaki amino
grubu formilglisinamit ribotit (FGAM)
oluşturmak üzere büyüyen pürin halkasına
transfer edilir. ATP nin hidrolizini gerektiren
bu endergonik reaksiyon FGAM sentetaz ile
katalizlenir. Pürin imidazol halkası yine
ATP-gerektiren bir moleküliçi
kondenzasyon ile kapanır ve 5-
aminoimidazol ribotid (AIR) oluşur (Şekil
13.9).
236
Şekil 13.10. Pürin biyosentezinin devamı
Pürindeki C(6) atomu bir
karboksillenme reaksiyonu ile CO2
'den gelir ve bu reaksiyon
karboksiaminoimidazol ribotit
(KAIR) verir. Bu karboksillenme
reaksiyonu biyotin gerektirmediği gibi
ATP nin hidrolizine de gereksinim
duymaz. Pürin N(l) atomu bir amit
oluşumu reaksiyonuyla aspartattan
sağlanır ve bu kondenzasyon
reaksiyonu 5-aminoimidazol- 4(N’-
süksinilokarboksamit) ribotid
(SAKAIR) oluşturur. SAKAIR 'den
fumarat ayrılmasıyla 5-
aminoimidazol-4-karboksamit ribotid
(AKAR) oluşur (Şekil 13.10).
237
Şekil 13.11. Pürin biyosentezinin devamı
Pürin halkasına katılacak en son
grup formildir ve yine N’-
formiltetrahidrofolat ile sağlanır. Böylece
5-formaminoimidazol-4-karboksamit
ribotit (FAIKAR) oluşturulmuş olur. Bu
biyosentez reaksiyonlanndaki son adım
IMP oluşturmak üzere FAIKAR 'ten su
ayrılmasıyla gerçekleşen bir halka
kapanma reaksiyonudur (Şekil 13.11).
IMP oluştuktan sonra çabucak AMP ve GMP' a dönüştürülür. Her iki üründe IMP den
birbirinden farklı iki ayrı basamakta sentezlenir. AMP nin sentezi adenilosüksinat üzerinden
gerçekleşir. Önce aspartatın amino grubunun IMP' a katılması ile adenilosüksinat oluşturulur
ve daha sonra bu üründen fumaratın ayrılması ile AMP sentezlenmiş olur ki bu reaksiyon
adenilosüksinat liyaz ile katalizlenir.
238
GMP' nin sentezinde ise önce bir yükseltgenme-indirgenme reaksiyonu ile ksantozin
monofosfat (XMP) ve daha sonra da GMP sentaz ile katalizlenen ve ATP hidrolizi gerektiren
bir reaksiyonla glutaminin amid fonksiyonundaki amin grubu XMP' a transfer edilerek GMP
oluşturulur.
Bu biyosentetik yollarla oluşturulan nükleozid monofosfatlann nükleik asit sentezine
katılabilmeleri için nükleozid trifosfatlara dönüştürülmeleri gerekir. Önce nükleozid
monofosfatlardan nükleozid monofosfat kinazlar tarafından katalizlenen bir reaksiyonla
nükleozid difosfatlar oluşturulur. Nükleozid difosfatlar ise nükleozid difosfat kinazlarla
katalizlenen işlemlerle karşılık gelen nükleozid trifosfatlara dönüştürülür (Şekil 13.12).
Şekil 13.12. Nükleozid di- ve trifosfatların kinazlarla sentezi
239
13.2.1.2. Pürin Nükleotid Biyosentezinin Regülasyonu
Nükleik asit metabolizmasındaki yollar oldukça sıkı bir şekilde regüle edilirler. IMP,
ATP ve GMP sentezleyen yollar pek çok hücrede ayrı ayrı regüle edilirler ve böylece sadece
üretilen pürin nükleotidlerin toplam miktarları kontrol edilmekle kalmaz ayrıca ATP ve GTP
nin bağıl miktarları da koordine edilir.
IMP yolu ilk iki reaksiyonda regüle edilir ki bunlar FRPF ve 5-fosforibozilamin
sentezini sağlayan reaksiyonlardır. İlk reaksiyonu katalizleyen riboz fosfat pirofosfokinaz
hem ADP ve hem de GDP ile inhibe edilir. IMP yolunun hız tayin basamağı olan ikinci
reaksiyonu katalizleyen amidofosforibozil transferaz ise nihai ürünlerle yani ilk reaksiyonları
besleme ile önlenir. Bu enzimin aktivitesi allosterik olarak FRPF tarafından uyarılır (ileriye
doğru besleme ile aktivasyon) (Şekil 13.13).
Şekil 13.13. Pürin biyosentez yolunun kontrolü
Bu metabolik yollardaki ikincil düzeyde bir regülasyon IMP den AMP ve GMP’ ye
geçiş noktasında gerçekleşir. Bu aşamada regülasyon bu iki molekül tarafından sağlanır yani
240
kendi sentezleri için birer yarışmalı inhibitör olarak görev yaparlar. Böylece bu ürünlerin
aşırı miktarlarının sentezlenmesi engellenmiş olur. Bu reaksiyonlarla sentezlenen ATP, IMP’
den GMP sentezinin ve GTP de IMP’ den AMP sentezinin gerçekleşmesinde itici birer güç
olarak rol oynayarak kendi sentezlerinden ziyade zıt bir etkiyle birbirlerinin sentezini
sağlayan AMP ve GMP üretimini dengelerler. Böylece, GMP’ nin sentez hızı ATP
konsantrasyonundaki artma ile ve AMP nin sentez hızı da GTP’ nin konsantrasyonundaki
artma ile artar.
13.2.1.3. Pürin Nükleotidlerinin Salvaj (kurtarma) Yolu ile Sentezi
Nükleik asitlerin yıkımı ile serbest hale geçen pürin bazları yeniden nükleotid
sentezinde kullanılabilmekte ve bu yolla daha az enerji harcanmaktadır. Adenin, guanin ve
hipoksantin, tek aşamada FRPF ile reaksiyona girerek sırasıyla AMP, GMP ve IMP
sentezlenir ve PPi açığa çıkar. AMP sentezinde adenin fosforibozil transferaz, IMP ve GMP
sentezlerinde hipoksantin-guanin fosforibozil transferaz (HGPRT) enzimleri görev alır
(Şekil 13.14).
Kısaca, salvaj yolunun özelliği mevcut baza riboz-fosfatın eklenmesidir. De novo
sentezde ise aktiflenmiş riboz-fosfatın üzerine pürin halkası elemanları bir dizi reaksiyonla
eklenmektedir.
Memelilerde pürin nükleotidlerinin de novo sentezi en fazla karaciğerde olur. Yeterli
derecede de novo pürin nükleotid sentezi yapmayan dokular salvaj yolunu kullanır. Örneğin,
beyinde FRPF amidotransferaz aktivitesi düşük olduğundan daha çok salvaj yolu ile pürin
nükleotid sentezi olmaktadır.
241
Şekil 13.14. Pürin nükleotidlerinin salvaj yolu ile sentezi
13.2.1.4. De Novo Pirimidin Ribonükleotidlerin Sentezi
Pirimidinlerin biyosentezi pürinlerinkinden daha basit bir işlemdir ve çeşitli teknikler
yardımıyla sistemin üyesi olan atomların kaynaklandığı moleküller belirlenmiştir. Bu
çalışmalarda, pirimidin halkasının N(l), C(4), C(5) ve C(6) atomlarının aspartik asit, N(3)
atomunun glutamin ve C(2) atomunun da bikarbonattan kaynaklandığı tespit edilmiştir (Şekil
13.15).
Şekil 13.15. Pirimidin biyosentezinin karbon ve azot kaynakları
242
Şekil 13.16. Pirimidin biyosentezi ve oratat oluşumu
Pürin biyosentezinin aksine
pirimidin halkası sentezlendikten
sonra riboz-5-fosfata katılır. Bu
şekilde, UMP biyosentezinin 6-
basamaklı bir yolla gerçekleştiği
ortaya konmuştur. Pirimidin
biyosentezinin ilk basamağında,
sitozolik bir enzim olan karbamoil
fosfat sentetaz II enzimi
yardımıyla bikarbonat ve
glutaminden karbamoil fosfat
sentezlenir ve böylece bir nevi
aktive edilmiş olur. Aspartat
transkarbomilaz enzminin de
etkisiyle oluşturulan karbamoil
fosfat aspartat ile reaksiyona
girerek karbamoil aspartat oluşur ki
bu basamak UMP sentezinin akışını
sağlar. Takiben karbamoil aspartat
dihidroorotata ve bu molekül de
dihidroorotat dehidrojenaz enzimi
ile dönüşümsüz olarak orotata
yükseltgenir (Şekil 13.16).
243
Şekil 13.17. Pirimidin biyosentezi ve UMP
oluşumu
Oluşturulan orotat, fosforibozilpirofosfat
ile ve orotat fosforibozil transferaz ile
katalizlenen bir işlem yoluyla orotidin-5'-
monofosfata dönüştürülür ve bu bileşiğin
orotidin monofosfat dekarboksilaz enzimi ile
ve bir kofaktör gerektirmeksizin
dekarboksillenmesi sonucu UMP sentezi
tamamlanmış olur (Şekil 13.17).
244
Oluşturulan UMP tan UDP ve UTP’ ların oluşturulmaları nükleozid monofosfat
kinaz ve nükleozit difosfat kinaz enzimleri aracılığıyla gerçekleşir.
Sitidin trifosfat ise CTP sentaz ile katalizlenen bir işlemle UTP nin aminlendirilmesi
sonucu sentezlenir.
13.2.1.5. De Novo Pirimidin Nükleotid Biyosentezinin Regülasyonu
Bakterilerde pirimidin biyosentezi esasen aspartat transkarbomilaz reaksiyonunda
regüle edilir. Bu enzimin uyarılması allosterik olarak ve ATP ile sağlanır, inhibisyonu ise
yine allosterizm ile ancak CTP tarafından gerçekleştirilir (Şekil 13.18.A). Ancak bazı
bakterilerde aspartat transkarbomilaz inhibitörü UTP’ dir.
245
Şekil 13.18.A. Prokaryotlarda pirimidin biyosentezi Şekil 13.18.B. Ökaryotlarda pirimidin
Biyosentezi
İnsan ve hayvanlarda ise pirimidin biyosentezi, karbamoil fosfat sentetaz II' ın
aktivitesinin kontrolü ile gerçekleştirilir. Bu enzimin aktivitesinin inhibisyonu UDP ve UTP
ile sağlanırken aktivasyonu ATP ve FRPF ile sağlanır (Şekil 13.18.B).
Buraya kadar izah edilen işlemlerle 4 temel ribonükleotidin biyosentezinden
bahsedilmiştir. Deoksiribonükleik asit yapısına katılan nükleotidler riboz birimlerinden
ziyade deoksiriboz birimlerini içerirler. Dolayısıyla sentezlenen ribonükleotidlere karşılık
gelen deoksiribonükleotidlerin üretilmesi, riboz biriminin 2'-grubunun indirgenmesi ile
sağlanır ve bu işlem ribonükleotid redüktazlarla katalizlenir.
246
Böyle bir indirgenme reaksiyonu ile oluşturulan dNDP moleküllerinin nükleozitdifosfat kinaz
yardımıyla fosforillenmesi ile karşılık gelen deoksiribonükleozid trifosfatlar (dNTP)
sentezlenir.
RNA moleküllerinden farklı olarak DNA molekülleri urasil bazı yerine timin (5-metil
urasil) bazını içerirler. Bu bazı içeren nükleotidin (dTMP) sentezi dUMP nin timidilat sentaz
yardımıyla metillendirilmesi ile sağlanır.
Yaklaşık 70 kDa moleküler ağırlığa sahip olan bu enzim bir metil grubu salıcısı olarak
N5,N10-metilentetrahidrofolat kofaktörünü içerir. Bu enzim, tetrahidrofolatı dihidrofolata
yükseltgemesi yönüyle ilginçtir ve bu olay da biyokimyasal olaylarda az görülen yegane bir
işlem olarak kabul edilir.
DNA ve RNA yapısına katılan bu nükleotitler yanında oldukça önemli biyokimyasal
fonksiyonları ile NADH, NADPH, FMN, FAD ve koenzim A gibi nükleotid birimleri içeren
nükleotid koenzimlerin sentezi, insan ve hayvanlarda çeşitli vitamin ön moleküllerinden
başlanarak gerçekleştirilir. Bu koenzimlerin oluşturulmasında kullanılan nikotin amit,
riboflavin ve pantotenat gibi vitaminler ise bitki ve bakteriler tarafından baştan sona (de novo)
sentezlenirler.
247
13.2.1.6. Salvaj Yolu ile Pirimidin Nükleotidlerinin Sentezi
Salvaj yolu ile pirimidin nükleotidlerinin sentezi diğer yönteme göre daha az enerji
gerektirir. Gelişmiş canlılarda ve insanda önemi az olan bu yolun mikroorganizmalarda aktif
olduğu bilinmektedir. Yıkım yoluna giren pirimidin nükleozid trifosfatlar önce
nükleozidlerine, sonra azotlu bazlarına ayrılır. Atılım ürünlerine dönüşmeden önce azotlu
bazlar veya nükleozidler iki farklı yolla yeniden pirimidin nükleotid sentezinde kullanılır.
Birinci yolda, urasilin FRPF ile birleşmesiyle, ikinci yolda ise üridin, sitidin ve timidin
nükleozidlerinin fosforillenmesiyle sentez tamamlanır. Üridin ve sitidin ribonükleozidleri
üridin-sitidin kinaz ile; dezoksiribonükleozid olan timidin spesifik timidin kinaz ile
nükleotidlerine çevrilir. 2'-deoksisitidin, özgünlüğü zayıf olan ve deoksipürin nükleozidlerini
de fosforilleyen deoksisitidin kinazı kullanır (Şekil 13.19).
Şekil 13.19. Pirimidin nükleotidlerinin salvaj yolu reaksiyonları ile sentezi
13.3. NÜKLEOTİD METABOLİZMASINDAKİ KALITSAL BOZUKLUKLAR 13.3.1. Pürin Metabolizmasındaki Kalıtsal Bozukluklar
Kalıtsal olarak adenozin deaminaz ve pürin nükleozid fosforilaz enzimlerinin
aktivitelerinin eksikliği, insanda immün sistem yetersizliğine yol açar.
Adenozin deaminaz (ADA) eksikliği: Bu otozomal resesif hastalıkta timus kökenli T
lenfositler ve kemik iliğinden türeyen B lenfositler az sayıda ve immün fonksiyonları
yetersizdir. Pürin nükleotidlerinin katabolizmasında görev yapan adenozin deaminaz
248
eksikliğine bağlı olarak hücre içi dATP konsantrasyonu 100 kat artar. Ribonükleotid redük-
tazın her iki düzenleyici bölgesine bağlanan dATP, enzimi kuvvetle inhibe eder. Bu enzimin
inhibisyonuyla T lenfositlerdeki diğer deoksiribonükleozid trifosfatların oluşumu durur ve
dolayısıyla DNA sentezi azalır. Ancak B lenfositlerin hangi yolla etkilendiği açık değildir.
Adenozin deaminaz eksikliği olan kişilerin immün sistem yetersizliği nedeniyle steril
ortamda yaşamaları gerekmektedir.
Pürin nükleozid fosforilaz eksikliği: Bu hastalıkta B lenfositlerin fonksiyonu normal,
T lenfositlerin fonksiyonu bozuktur. Pürin nükleozid fosforilaz eksikliğine bağlı olarak pürin
nükleotid katabolizması azalmıştır. Buna bağlı olarak ürik asit sentezi azalmış, pürin
nükleozidlerinin (guanozin, deoksiguanozin, inozin, deoksiinozin) düzeyleri artmıştır.
Ribonükleotid redüktazı allosterik olarak inhibe eden, böylece hücrede DNA sentezini
engelleyen dGTP ve dATP' nin birikimi sonucunda immün sistemde bozukluklar meydana
gelir.
Hipoürisemiler: Pürin yıkımı sırasında ürik asit oluşumunun azalmasına bağlı olarak
görülmektedir. Ağır karaciğer hasarında veya kalıtsal ksantin oksidaz eksikliğinde gelişen
hipoürisemide hipoksantin ve ksantin oluşumu artar ve bu maddeler idrarla atılır (ksantinüri).
Ağır ksantin oksidaz eksikliğinde böbrekte ksantin taşları oluşur.
13.3.2. Pirimidin Metabolizmasındaki Kalıtsal Bozukluklar
Pürin katabolizmasından farklı olarak pirimidin katabolizması ürünlerinin
çözünürlüğü yüksektir. Böylece aşırı pirimidin sentezinin meydana geldiği durumlarda bile
bozukluklar oldukça nadir görülmektedir. Pirimidin metabolizması bozukluklarının en
önemlisi orotik asitüridir. Tip I orotik asitüride hem orotat fosforibozil transferaz, hem de
orotidilat dekarboksilaz aktivitelerinde bozunma vardır. Tip I' e göre daha seyrek olan tip II
formunda sadece orotidilat dekarboksilaz aktivitesi eksiktir. Hastalara gerekli olan pirimidin
nükleotidlerinden üridin ve sitidin verilmesi karbamoil fosfat sentetaz II’ yi feed-back
inhibisyona uğratmakta ve orotik asit oluşumu azalmaktadır.
13.4. PÜRİN VE PİRİMİDİN NÜKLEOTİDLERİNİN SENTEZİNİN
EKZOJEN MADDELERLE İNHİBİSYONU Kanser hücrelerinin normal hücrelere göre çok daha hızlı büyümeleri, DNA ve RNA
sentezi için daha fazla nükleotidin oluşumuyla gerçekleşmektedir. Bu nedenle kanser
tedavisinde de novo pürin ve pirimidin nükleotid sentezini engelleyen bileşiklerin bulunması
için pek çok araştırma yapılmıştır.
249
Kanser tedavisinde kullanılan azaserin ve asivisin, glutamin analogları olarak pürin ve
pirimidin sentezinde glutaminin girdiği reaksiyonları inhibe eder. Aminopterin ve metotreksat
(ametopterin), dihidrofolat redüktaz inhibitörü olarak bir çok kanser türünde tedavi
amacıyla kullanılmaktadır. Tetrahidrofolat yeniden oluşamayınca timidilat sentazın
katalizlediği reaksiyon durur. Bu şekilde DNA ve RNA sentezi önlenerek hücre çoğalması
yavaşlatılabilir.
5-fluoroürasil, timidilat sentaz inhibitörü olarak tedavide kullanılmaktadır (Şekil
13.20). 5-fluoroürasil hücrelerde fluorodeoksiüridin monofosfata (f-dUMP) dönüşür ve
dUMP analogu olarak timidilat sentazı yarışmalı inhibisyona uğratır.
Antikarsinojenik ilaçlar özellikle fetus, kemik iliği, deri, gastrointestinal yollar, saç
folikülleri gibi hızla büyüyen hücrelerle birlikte normal hücreleri de etkilediğinden bu ilâçları
kullanan kişilerde anemi, pullu-kepekli deri, saç dökülmesi görülür.
Şekil 13.20. dUMP' den TMP sentezi ve inhibitörlerin etki ettiği reaksiyonlar.
250
13.5. DEOKSİRİBONÜKLEOTİDLERİN SENTEZİ DNA' daki şeker deoksiriboz olduğundan DNA sentezinde kullanılacak nükleotidlerde
ribozun 2. karbonundaki hidroksil grubunun indirgenmesi gerekir. Bu reaksiyon, ribonükleotid
redüktaz kataliziyle gerçekleşir (Şekil 13.21). Substrat olarak nükleozid difosfatlann
kullanıldığı bu reaksiyonda ribonükleotid redüktazın yapısındaki -SH grupları
yükseltgenirken nükleozitdeki riboz indirgenir. Böylece ADP, GDP, CDP ve UDP' den
dADP, dGDP, dCDP ve dUDP sentez edilir. dUDP ve dCDP daha sonra timidilat sentezinde
kullanılır.
Oksitlenmiş enzimin tekrar aktif hale geçebilmesi, NADPH' dan hidrojen
aktarılmasıyla yapılır. Bu aktarım, aracı bir proteinin (tiyoredoksin veya glutaredoksin) ve
ikinci bir enzimin (tiyoredoksin redüktaz veya glutaredoksin redüktaz) kullanıldığı bir
sistemle gerçekleştirilir. Aracı protein tiyoredoksinin (glutaredoksinin) iki sülfidril
grubundaki hidrojen atomları, yükseltgenmiş ribonükleotid redüktazın disülfit bağına
aktarılarak enzim rejenerasyonu tamamlanır.
Oksitlenmiş olan tiyoredoksinin (glutaredoksinin) indirgenmesi ise ikinci enzim
tarafından gerçekleştirilir. Bir flavoprotein olan tiyoredoksin redüktaz, NADPH' dan aldığı
indirgeme ekivalanlarını prostetik grubunu oluşturan FAD aracılığıyla tiyoredoksine aktarır.
Glutaredoksin redüktaz ise, glutatyonu oksitlemek suretiyle glutaredoksini indirgemektedir
(Şekil 13.22). Ancak glutatyonun rejenerasyonu, koenzimi NADPH olan glutatyon redüktaz
tarafından yapıldığından indirgeyici son kaynak bu yolda da NADPH' tır.
Kısaca tiyoredoksin (veya glutaredoksin) sisteminde, ribonükleotidlerin yapısındaki
ribozun indirgenmesinde NADPH' dan ribonükleotid redüktaza aktarılan hidrojen atomları
kullanılmaktadır.
Şekil 13.21. Deoksiribonükleozid difosfat sentezi
251
Şekil 13.22. Ribonükleotidlerin deoksiribonükleotidlere dönüşüm mekanizması.
(1)Ribozun deoksiriboza ribonükleotid redüktazla indirgenmesi; (2) Ribonükleotid redüktazın disülfit
bağının (a) tiyoredoksin ile, (b) glutaredoksin ile indirgenmesi
13.5.1. Deoksiribonükleotid Sentezinin Düzenlenmesi
Tetramerik ribonükleotid redüktaz, ikişer tane B1 ve B2 altbirimlerinden oluşur. B1
altbirimleri ribozun indirgenmesinde rol oynayan sülfıdril gruplarını, B2 altbirimleri serbest
radikal oluşturan tirozin ve Fe3+ içermektedir. Enzimin yapısındaki Fe3+, tirozil radikalinin
oluşması ve stabil halde tutulmasında etkilidir. Ribonükleotid redüktaz, yapısında bir radikal
bulunan ve katalitik aktivitesi sırasında bu radikali geçici olarak substratına aktaran bir
enzimdir. Bu mekanizma şu şekilde işlemektedir.
a) Enzimin katalitik bölgesinden uzakta bulunan tirozil radikali, tek elektronunu aktif
bölgede yer alan amino asite (muhtemelen sistein) aktarır. Enzim substratla
bağlanmamış halde iken aktif bölgesinden uzağında tirozil radikali, enzim-substrat
kompleksinde ise enzimin aktif bölgesinde tiyil radikali (S°) bulunur.
b) Tiyil radikalindeki tek elektron, substratın riboz halkasındaki 3. karbona aktarılarak
substrat radikal haline dönüştürülür. Bu aşamadaki amaç, ribozun 2. karbonu enzim
tarafından indirgenirken oluşan pozitif yükün radikalle dengelenmesidir.
c) İkinci karbonundan indirgenmesi tamamlanan substratın 3. karbonundaki radikal (tek
elektron), önce aktif bölgedeki sisteine, daha sonra tirozine aktarılır.
Ribonükleotid redüktazın Bı altbiriminde modülatörlerin bağlandığı primer düzenleyici
bölge, aktivitenin kontrolünden başlıca sorumlu olan yerdir. Substrat-spesifik bölge ise
252
buraya bağlanan düzenleyici substratların (allosterik; effektör) türüne göre etkilenmektedir.
Enzimin gerçek substratları, B1 ve B2 altbirimleri arasındaki boşluğa yerleşir (Şekil 13.23).
Şekil 13.23. Ribonükleotid redüktaz yapısı. Primer düzenleyici bölge ve substrat spesifik bölgeye
allosterik effektörler (dNTP ve NTP ler) bağlanır.
Deoksiribonükleotid sentezinin düzenlenmesinde görevli nükleotidler üç grupta
toplanır:
1. Pürinli ribonükleotidler: ATP
2. Pürinli deoksiribonükleotidler: dATP, dGTP
3. Pirimidinli deoksiribonükleotidler: dCDP, dUDP, dTTP
ATP ve dATP, hem primer düzenleyici bölgeye, hem de substrat-spesifık bölgeye
bağlanır. ATP düzenleyici bölgeye bağlandığında deoksiribonükleozid difosfat sentezi
artmakta, dATP bağlandığında inhibe olmaktadır. Substrat-spesifik bölgeye bağlanan ATP
veya dATP, pirimidin deoksinükleotidlerinin (dCDP ve dUDP) sentezini arttırır. Substrat-
spesifik bölgeye bağlanan TTP, kendi benzerlerinin (dCDP ve dUDP) sentezini inhibe
ederken dGDP sentezini uyarır. Substrat spesifik bölgeye bağlanan dGTP ise, kendi
oluşumuna giden dGDP senteziyle birlikte (negatif feed-back) pirimidin deoksinükleotid
sentezini (dCDP, dUDP) de azaltmakta, dADP sentezini ise arttırmaktadır (Şekil 13.24). Bu
düzenleme ile DNA sentezi için gerekli deoksiribonükleotidlerin sentezi ve dolayısıyla
birbirlerine oranları dengelenmektedir.
253
Şekil 13.24. NTP ve dNTP’ ler tarafından nükleotid redüktaz aktivitesinin düzenlenmesi
254
14.BÖLÜM: METABOLİZMANIN ENTEGRASYONU ve DÜZENLENMESİ
Metabolik yolların tüm prokaryotik ve ökaryotik
hücrelerde ortak olduğunu vurgulayarak tek hücre düzeyindeki
metabolizmayı tartışmıştık. Hücrelerdeki metabolik yolların
substrat sağlanabilirliği, allosterik mekanizmalar ve/veya
enzimlerin fosforilenmesi veya diğer kovalent
modifikasyonlarıyla (her bir enzim düzeyinde) nasıl
düzenlendiğini gördük.
Bu iki çocuk aynı yaştadır ve aynı
genetik özelliklere sahiptir.
Sadece soldaki çocuk beslenme
davranışını ve metabolik
aktiviteyi düzenleyen bir hormon
(leptin) üretimi genetik olarak
hatalıdır. Sonuç olarak, hormon
yetersiz çocuk, adipoz dokusunda
çok fazla miktarda triaçilgliserit
biriktirir. Bu bölümde sağlıklı
yaşamın devamı için
organizmanın çevreye uyum
göstererek denge ve düzen içinde
yaşaması halini (homeostazı)
oluşturan bütün dokuların
metabolik aktivitelerini entegre ve
koordine eden hormonal
mekanizmaları tartışacağız.
Her bir metabolik yolun ve bu yolların düzenlenmesinin
öneminin tam olarak değerlendirilebilmesi için bu yolların
organizmanın bütünü içinde gözden geçirilmesi gerekir. Çok
hücreli organizmaların zorunlu bir özelliği, hücre farklılaşması
ve iş bölümüdür. Tüm hücrelerde oluşan metabolizmanın enerji
oluşturan merkezi yollarına ek olarak, insanlar gibi karmaşık
organizmaların organ ve dokuları özelleşmiş işlevlere sahiptir.
Bunlar kendilerine özgü yakıt gereksinimlerine ve metabolizma
modellerine sahiptir. Hormonal sinyaller, farklı dokuların
metabolik aktivitelerini entegre ve koordine eder ve her bir
organa yakıt ve öncül sağlanmasını en iyi şekilde düzenler. Bu
bölümde, bazı önemli organ ve dokuların özelleşmiş
metabolizmalarına ve tüm organizmadaki metabolizmanın
entegrasyonunu (birleştirilmesini) gözden geçireceğiz.
Besinlerin değişik organlara dağılımını (burada merkezi
rol karaciğere aittir) ve bu organlar arasındaki metabolik
işbirliğini inceleyerek başlayacağız. Hormonların bütünleştirici
rolünü anlatmak için kas, karaciğer ve adipoz dokudaki yakıt
metabolizmasının koordinasyonunda epinefrin, glukagon ve
insülinin karşılıklı etkilerini tanımlayacağız. Bundan sonra
diyabetteki metabolik değişikliklerde, metabolizmanın hormonal
düzenlenmesinin önemini göreceğiz. Daha sonra yakıt
metabolizmasından başka süreçlerdeki hormon tipleri ve
hormon etkilerini gözden geçireceğiz. Son olarak, vücuttaki
olayların hormonlarla uzun süreli düzenlenmesini tartışacağız.
255
14.1. DOKUYA ÖZGÜ METABOLİZMA: İŞ BÖLÜMÜ İnsan vücudundaki her bir doku, kendi anatomisini ve metabolik aktivitesini yansıtan
özelleşmiş bir işleve sahiptir. İskelet kası, yönlendirilmiş harekete izin verir; adipoz doku,
vücudun her yerinde yakıt olarak iş gören yağları depolar ve serbestleştirir; beyin, elektriksel
sinyaller üretmek için iyonları pompalar; karaciğer, metabolik işlemlemede ve dağıtımda
merkezi bir rol oynar; tüm diğer organlara ve dokulara kan dolaşımı aracılığıyla uygun besin
bileşimini gönderir. Bundan dolayı memeli karaciğerindeki karbohidratlar, aminoasitler ve
yağların dönüşümleri gözönünde tutularak metabolik iş bölümünün tartışılmasıyla
başlayacağız. Bunu adipoz dokunun, kasın, beyinin ve tüm diğer dokularla bağlantı kuran
kanın başlıca metabolik işlevlerinin kısa tanımlamaları izleyecektir.
14.1.1. Karaciğer Besinleri İşler ve Dağıtır
Memelilerdeki sindirim sırasında başlıca üç besin sınıfı (karbohidratlar, proteinler ve
lipitler) enzimatik hidrolize uğrar ve kendi monomerik alt birimlerine ayrılır. Bu yıkılım
gereklidir çünkü intestinal lümende bulunan epitel hücreleri göreceli olarak sadece küçük
molekülleri absorblar. Bağırsaktaki sindirim sırasında serbestleştirilen yağ asitlerinin ve
monoaçilgliserollerin çoğu, epitel hücreleri içinde yeniden triaçilgliserolleri oluşturmak üzere
birleşir.
Şekerlerin ve aminoasitlerin pek çoğu ve triaçilgliserollerin bir kısmı absorblandıktan
sonra kan aracılığıyla karaciğerdeki hepatositlere geçer; triaçilgliserollerin geri kalanı ise
lenfatik sistem aracılığıyla adipoz dokuya gider. Hepatositler, diyetteki besinleri diğer dokular
için gerekli olan öncüllere ve yakıtlara dönüştürür ve bunlar kan aracılığıyla hepatosit dışına
taşınır. Karaciğere gelen besinlerin türü ve miktarı, diyet ve öğünler arasındaki süreler gibi
çeşitli unsurlara göre değişir. Ekstrahepatik (karaciğer dışı) dokuların yakıt ve öncül
gereksinimi, organlar arasında ve organizmanın aktivitesine göre değişir.
Bu değişen koşullara uyum sağlamak için karaciğer belirgin bir esnekliğe sahiptir.
Örneğin, diyet protein bakımından zengin olduğu zaman hepatositler yüksek düzeylerde
aminoasit katabolizması ve glukoneogenez enzimlerini içerir. Yüksek karbohidrat diyetiyle
birleştikten sonraki saatler içinde bu enzimlerin düzeyi düşer ve karbohidrat metabolizması
için zorunlu olan enzimlerin sentezi başlar. Diğer dokular da metabolizmalarını değişen
koşullara göre ayarlar, fakat dokuların hiçbiri organizmanın tüm metabolizması için karaciğer
kadar uyum sağlayamaz ve merkezi rol oynayamaz. Kan ile karaciğere gelen şekerler,
aminoasitler ve lipitler olası sonlarına nasıl bir yolla ulaşır? Burada tartışılan metabolik
256
dönüşümleri hatırlamaya yardım etmek için başlıca metabolik yollar ve bu yollara ait ayrıntılı
süreçler Tablo 14.1’ de verilmiştir.
Tablo 14.1. Daha önce şekillerle gösterilen karbohidrat, aminoasit ve lipid metabolizmasına ait yollar.
Metabolik Yol
Sitrik asit çevrimi: Asetil CoA → 2CO2
Oksidatif fosforilasyon: ATP sentezi
Karbohidrat Katabolizması
Glikojenoliz: Glikojen → Glukoz–1–fosfat → Kan glukozu
Glikolize heksoz girişi: Fruktoz, mannoz, galaktoz → Glukoz–6–fosfat
Glikoliz: Glukoz → Pirüvat
Pirüvat dehidrogenaz reaksiyonu: Pirüvat → Asetil CoA
Laktik asit fermentasyonu: Glikojen → Laktat + 2ATP
Pentoz fosfat yolu: Glukoz–6–fosfat → Pentoz fosfatlar + NADPH
Karbohidrat Anabolizması
Glukoneogenez: Sitrik asit çevrimi ara ürünleri → Glukoz
Glukoz–Alanin çevrimi: Glukoz → Alanin → Glukoz
Glikojen sentezi: Glukoz–6–fosfat → Glukoz–1–fosfat → Glikojen
Aminoasit ve Nükleotid Metabolizması
Aminoasit yıkılımı: Aminoasitler → Asetil CoA, sitrik asit çevrimi ara ürünleri
Aminoasit sentezi:
Üre çevrimi: NH3 → Üre
Glukoz–Alanin çevrimi: Alanin → Glukoz
Nükleotid sentezi: Aminoasitler → Pürinler, pirimidinler
Hormon ve nörotransmitter sentezi:
Lipid Katabolizması
Yağ asitlerinin β–oksidasyonu: Yağ asidi → Asetil CoA
Keton cisimlerinin oksidasyonu: β–hidroksibütirat → Asetil CoA → CO2
Lipid Anabolizması
Yağ asidi sentezi: Asetil CoA → Yağ asitleri
Triaçilgliserol sentezi: Asetil CoA → Yağ asitleri → Triaçilgliseroller
Keton cisimleri oluşumu: Asetil CoA → asetoasetat, β–hidroksibütirat
Kolesterol ve kolesterol esterleri sentezi: Asetil CoA → Kolesterol →Kolesterol esterleri
Fosfolipid sentezi: Yağ asitleri → Fosfolipidler
257
14.1.1.1 Şekerler
Hepatositlerdeki glukoz taşıyıcısı (GlUT2), kan glukoz derişimi kadar hepatosit
içindeki glukoz derişimini de etkiler. Hepatositlere giren glukoz, glukokinazla fosforillenerek
glukoz–6–fosfatı oluşturur. Glukokinazın glukoz için KM değeri, hekzokinazın KM
değerinden daha yüksektir. Hekzokinazın aksine glukokinaz, kendi ürünü olan glukoz–6–
fosfat tarafından inhibe edilmez. Glukoz derişimi hekzokinazın fosforilleyebileceği düzeyin
üzerine çıktığında, glukokinazın varlığı hepatositlerde glukozun fosforilenmesinin devam
etmesi olanağı sağlar. Fruktoz, galaktoz ve mannoz da ince bağırsaktan absorblandıktan sonra
enzimatik yollar aracılığıyla glukoz–6–fosfata dönüştürülür. Glukoz–6–fosfat karaciğerde
karbohidrat metabolizmasının kesişim noktasıdır. Glukoz–6–fosfat, organizmanın o anki
metabolik ihtiyacına bağlı olarak beş ana metabolik yoldan herhangi birine girebilir (Şekil
14.1). Allosterik olarak düzenlenen çeşitli enzimlerin etkisiyle ve enzim sentezinin ve
aktivitesinin hormonal düzenlenmesi aracılığıyla glukoz akışı karaciğerde bu yollardan birine
veya birkaçına doğru yönlendirilir.
Şekil 14.1. Glukoz–6–fosfatın karaciğerdeki metabolik yolları. Burada ve bunu izleyen şekillerde
anabolik yollar yönü yukarı doğru olan oklarla, katabolik yollar yönü aşağı doğru olan
oklarla ve diğer organlara dağılım ise yatay olarak gösterilmiştir.
258
(1) Glukoz–6–fosfat, serbest glukoz oluşturmak üzere glukoz–6–fosfatazla defosforillenir.
Serbest glukoz ise kan glukozunu oluşturmak amacıyla karaciğer dışına taşınır. Karaciğer
dışına, glukoz–6–fosfat sınırlı olduğu zaman seçilen bir yoldur, çünkü kan glukoz derişimi,
beyin ve diğer dokular için gerekli enerjiyi sağlamak için yeterli yüksek düzeyde
korunmalıdır.
(2) Glukoz–6–fosfat, kan glukozunu oluşturmak üzere hemen kullanılmayacaksa karaciğerde
glikojene çevrilir.
(3) Glukoz–6–fosfat, glikoliz, pirüvatın dekarboksillenmesi (pirüvat dehidrogenaz
reaksiyonuyla) ve sitrik asit çevrimi aracılığıyla enerji üretmek için oksitlenebilir. Bunun
sonucunda oluşan elektron transferi ve oksidatif fosforillenme ile ATP üretilir. (Buna karşın,
normalde hepatositlerde enerji üretimi için tercih edilen yakıt yağ asitleridir.)
(4) Glukoz–6–fosfat, kana glukoz sağlamak için veya karaciğerde glikojen oluşturmak için
kullanılmayacaksa glikoliz ve pirüvat dehidrogenaz tepkimesi aracılığıyla lipitlerin sentezi
için öncül olarak iş gören asetil CoA’ ya yıkılır. Bu lipitler, triaçilgliseroller ve fosfolipitlerin
yapısına katılan yağ asitleri ve kolesteroldür. Karaciğerde sentezlenen lipidin pek çoğu kan
lipoproteinleri aracılığıyla diğer dokulara taşınır.
(5) Son olarak glukoz–6–fosfat, hem yağ asitleri ve kolesterol biyosentezi için gerekli olan
indirgeyici eşdeğerleri (NADPH) sağlayan hem de nükleotit biyosentezi için D–riboz–5–
fosfat sağlayan pentoz fosfat yolunun substratıdır.
14.1.1.2 Aminoasitler
Karaciğere giren aminoasitlerin izlediği bir kaç önemli metabolik yol vardır (Şekil
14.2).
(1)Hepatositlerdeki protein sentezi için öncüldür. Karaciğer ortalama yarı ömrü sadece
birkaç günle çok yüksek bir dönüşüm hızına sahip olan kendi proteinlerini sürekli olarak
yeniler. Karaciğer aynı zamanda kanın plazma proteinlerinin pek çoğunun biyosentez
yeridir.
(2) Aminoasitler tercihen doku proteinlerinin sentezinde öncül olarak kullanılmak üzere kan
aracılığıyla karaciğerden diğer dokulara taşınabilir.
(3) Belirli aminoasitler, karaciğer ve diğer dokulardaki nükleotitlerin, hormonların ve diğer
azotlu bileşiklerin biyosentezinde öncüldür.
(4) Aminoasitlere biyosentetik öncül olarak ihtiyaç yoksa aminoasitler asetil CoA ve sitrik
asit çevrimi ara ürünlerini vermek üzere deamine olur ve yıkılırlar. Sitrik asit çevrimi ara
ürünleri, glukoneojenik yol aracılığıyla glukoza ve glikojene dönüştürülebilir (4a). Asetil
259
CoA, ATP şeklinde enerji sağlamak için sitrik asit çevrimi aracılığıyla oksitlenebilir (4b)
veya depolanmak üzere lipitlere dönüştürülebilir (4c). Aminoasitlerin yıkılımıyla salınan
amonyak, atılım ürünü olan üreye dönüştürülür (4d).
Karaciğer aynı zamanda diğer dokulardan aralıklı olarak karaciğere ulaşan
aminoasitleri de metabolize eder. Kan, diyetteki karbohidratların sindirimi ve
absorbsiyonundan hemen sonra veya öğünler arasında karaciğer glikojenini kan glukozuna
çevirerek yeterli glukozu sağlar. Öğünler arasındaki süre eğer uzamışsa bir miktar kas
proteini aminoasitlere yıkılır (5). Bu aminoasitler, kendi amino gruplarını alanin oluşturmak
üzere glikolizin ürünü olan pirüvata (transaminasyonla) verirler, alanin ise karaciğere taşınır
ve deamine olur. Sonuçta oluşan pirüvat, hepatositler tarafından kan glukozuna
(glukoneogenezle) dönüştürülür ve amonyak atılmak üzere üreye çevrilir. Glukoz, kas
glikojen depolarını yeniden doldurmak için iskelet kaslarına döner. Bu glukoz–alanin
devrinin bir yararı, öğünler arasında kan glukoz düzeylerindeki dalgalanmaları düzeltmektir.
Kaslarda oluşan aminoasit açığı, bir sonraki öğünden sonra diyetteki aminoasitlerin girişiyle
kapatılır.
Şekil 14.2. Karaciğerdeki aminoasit metabolizması.
Kandaki aminoasitler
Plazma proteinleri
Doku proteinleri
260
14.1.1.3. Lipitler
Hepatositlere giren lipitlerin yağ asidi bileşenlerinin de birkaç farklı sonu vardır
(Şekil 14.3). (1) Yağ asitleri karaciğer lipitlerine dönüştürülür. (2) Pek çok durumda yağ
asitleri karaciğerdeki başlıca oksidatif yakıttır. Serbest yağ asitleri, asetil CoA ve NADH
oluşturmak üzere aktifleştirilerek oksitlenebilir. Asetil CoA, oksidatif fosforilenmeyle ATP
oluşturmak üzere sitrik asit çevrimi aracılığıyla daha ileri oksitlenir. (3) Yağ asitlerinin
oksidasyonu sonucu oluşan asetil CoA’ ların fazlası, karaciğer tarafından kullanılmayacaksa
keton cisimlerine dönüştürülür. Keton cisimleri olan asetoasetat ve β–hidroksibütirat,
sitrik asit çevrimi için yakıt olarak kullanılmak üzere kan yolu ile diğer dokulara taşınır.
Keton cisimleri, asetil gruplarının transport formu olarak kabul edilebilir. Karaciğer
dışındaki bazı dokularda enerjinin belirli bir bölümünü karşılarlar. Örneğin, kalpteki
enerjinin üçte birini ve uzamış açlıkta beyindeki enerjinin % 60–% 70 kadarını sağlarlar. (4)
Yağ asitlerinden (ve glukozdan) oluşturulan asetil CoA’ ların bir kısmı, zar biyosentezinde
gerekli olan kolesterol biyosentezi için kullanılır. Kolesterol aynı zamanda, lipitlerin
sindirim ve emiliminde esansiyel olan safra tuzlarının ve tüm steroit hormonların da
öncülüdür. Lipitlerin son iki metabolik yolu, kanda çözünmeyen lipitlerin transportu için
özelleşmiş olan mekanizmalarla ilgilidir. (5) Yağ asitleri, plazma lipoproteinlerinin
triaçilgliserollerine ve fosfolipitlerine çevrilir, plazma lipoproteinleri lipitleri triaçilgliserol
şeklinde depolanmak üzere adipoz dokuya taşır. Kolesterol ve kolesterol esterleri de
lipoproteinler şeklinde taşınır. (6) Serbest yağ asitlerinin bir kısmı serum albuminine
bağlanır ve kan aracılığıyla başlıca enerji kaynağı olarak serbest yağ asitlerini oksitleyen ve
kullanan kalp ve iskelet kaslarına taşınır. Serum albumini, en bol bulunan plazma
proteinidir. Bir molekül serum albumini 10 molekül serbest yağ asidi taşıyabilir, bu yağ
asitleri tüketilecekleri dokuya difüzyonla alınır ve ilgili dokuda serbestleştirilir.
Böylece, karaciğer besinleri diğer organlara doğru oranlarda gönderen, beslenme
aralıklarına bağlı metabolizmada oluşan dalgalanmaları düzelten ve amino gruplarının
fazlasını böbreklerle atılmak üzere üreye ve diğer ürünlere çeviren, vücudun dağıtım
merkezi olarak iş görür. Karaciğer aynı zamanda ilaçlar, katkı maddeleri, koruyucular ve
herhangi bir besin değeri olmayan zararlı maddeler gibi yabancı organik bileşikleri
detoksifiye eder. Detoksifikasyon, göreceli olarak çözünmeyen organik bileşiklerin daha
ileri yıkılımı ve atılımı için yeterince çözünür hale getirildiği sitokrom P–450 bağımlı
hidroksillenmeyle ilgilidir.
261
Şekil 14.3.Yağ asitlerinin karaciğerdeki metabolizması.
14.1.2. Adipoz Doku Yağ Asitlerini Alır ve Depolar
Yağ hücreleri içeren adipoz doku amorf yapıdadır ve vücutta yaygın bir dağılım
gösterir: deri altında, derindeki kan damarlarının çevresinde ve karın boşluğunda bulunur.
Genç yetişkin bir insanın ağırlığının yaklaşık % 15’ ini oluşturur bu ağırlığın yaklaşık % 65’
i triaçilgliserol formundadır. Yağ hücreleri metabolik olarak çok aktiftir: karaciğer, iskelet
kasları ve kalple ilgili karşılıklı metabolik etkileşimlerde görülen hormonal uyarılara derhal
cevap oluşturur. Vücuttaki diğer hücre tiplerine benzer şekilde, yağ hücreleri aktif glikolitik
metabolizmaya sahiptir, pirüvatı ve yağ asitlerini oksitlemek için sitrik asit çevrimini ve
mitokondriyal oksidatif fosforillenmeyi kullanır.
Yüksek karbohidrat tüketimi sürecinde, adipoz doku glukozu pirüvat ve asetil CoA
aracılığıyla yağ asitlerine dönüştürebilir, yağ asitleri de triaçilgliserolleri oluşturur ve büyük
yağ tanecikleri şeklinde depolanırlar. İnsanlarda, yağ asidi sentezinin pek çoğu yağ
hücrelerinde değil, hepatositlerde oluşur. Yağ hücreleri özellikle yağlı beslenmeden sonra
bağırsaklardan ve karaciğerden gelen triaçilgliserolleri (kanda VLDL olarak taşınır)
depolar.
262
Enerjiye ihtiyaç olduğu zaman, adipoz dokuda depolanan triaçilgliseroller, yağ
hücreleri içinde lipazlarla hidrolizlenerek serbest yağ asitlerini oluştururlar, daha sonra
serbest yağ asitleri kan dolaşımı aracılığıyla iskelet kaslarına ve kalbe taşınırlar. Yağ
hücrelerinden serbest yağ asitlerinin oluşumu, büyük oranda triaçilgliserol lipazın
aktivasyonunu stimüle eden (uyaran) epinefrin hormonu tarafından artırılır. İnsülin,
triaçilgliserol lipazın aktivitesini azaltarak epinefrinin bu etkisine zıt etki gösterir. İnsanlar
ve diğer pek çok hayvanlar, özellikle kış uykusuna yatan hayvanlar kahverengi yağ olarak
adlandırılan adipoz dokuya sahiptir. Bu doku yağ asitlerinin oksidasyonu sırasında ATP
yerine ısı üretmek üzere özelleşmiştir.
14.1.3. Kas Mekanik İş için ATP Kullanır
İskelet kası, dinlenme halindeki bir insanda toplam O2’ nin % 50’ den fazlasının ve
çok aktif kas çalışması sırasında % 90’ ının tüketimini sağlar. İskelet kasındaki
metabolizma, acil enerji kaynağı olarak ATP üretmek üzere özelleşmiştir. Ayrıca, iskelet
kası gerektiğinde aralıklı olarak kendi mekanik çalışmasını karşılamak üzere uyum sağlar.
Bazı durumlarda iskelet kasları (100 m koşucusunda olduğu gibi) kısa bir süre içinde çok
çalışmak zorunda kalır.
İskelet kası, kas aktivitesinin derecesine bağlı olarak serbest yağ asitlerini, keton
cisimlerini veya glukozu enerji kaynağı olarak kullanabilir (Şekil 14.4). Dinlenme halindeki
kasta, başlıca yakıtlar adipoz dokudan salınan serbest yağ asitleri ve karaciğerden gelen
keton cisimleridir. Serbest yağ asitleri ve keton cisimleri, asetil CoA vermek üzere
oksitlenir ve yıkılırlar. Oluşan asetil CoA, CO2’ ye oksitlenmek için sitrik asit çevrimine
girer. Elektronların O2’ ye transferi, oksidatif fosforilenme yoluyla ATP sentezi için enerji
sağlar. Orta düzeyde aktif kas, yağ asitleri ve keton cisimlerine ek olarak kan glukozunu
kullanır. Glukoz fosforillenir, daha sonra glikolizle pirüvata yıkılır. Pirüvat, asetil CoA’ ya
çevrilir ve sitrik asit çevrimi aracılığıyla oksitlenir.
En yüksek düzeyde aktif kaslarda ATP ihtiyacı öylesine büyüktür ki, kan akımı tek
başına aerobik solunumla gerekli ATP’ yi üretmeye yetecek hızda yakıt ve O2 sağlayamaz.
Böylesi koşullar altında depolanmış kas glikojeni, fermentasyonla laktata yıkılır. Yıkılan
her bir glukoz birimi üç molekül ATP verir; çünkü glikojenin fosforolizi heksokinaz
tepkimesinde tüketilen ATP’ yi harcayarak glukoz–6–fosfat oluşturur. Laktik asit
fermentasyonu böylelikle diğer kaynakların sitrik asit çevrimi aracılığıyla aerobik
oksidasyonundan oluşan bazal ATP üretimini destekleyerek, ekstra ATP enerjisi sağlar. Kan
glukozunun ve kas glikojeninin kas aktivitesi için yakıt olarak kullanılması, epinefrin
263
salgılanmasıyla büyük oranda artırılır. Epinefrin karaciğer glikojeninden kan glukozunun
oluşmasını ve kas dokusundaki glikojenin yıkılmasını uyarır. İskelet kası glukoz–6–fosfataz
içermez ve glukoz–6–fosfatı diğer dokulara göndermek için serbest glukoza çeviremez.
Sonuç olarak, kas glikojeni tamamıyla, glikoliz aracılığıyla kastaki enerjiyi sağlamak üzere
görevlidir.
Şekil 14.4. Kas kasılması için enerji kaynakları. Ağır ve hafif etkinlik veya dinlenme halinde ATP
sentezi için farklı yakıtlar kullanılır. ATP, çok hızlı bir şekilde fosfokreatinden
sağlanabilir.
İskelet kası göreceli olarak az miktarda glikojen depoladığından (yaklaşık total
ağırlığının % 1’ i) kasın ağır çalışma sürecinde glikolitik enerji miktarı sınırlıdır. Ayrıca çok
aktif kaslarda oluşan laktat birikimi ve bunun sonucunda pH’ nın düşmesi, kasların
etkinliğini azaltır.
Yoğun bir kas aktivitesi sürecinden sonra, ağır solunum bir süre devam eder.
Böylelikle sağlanan O2’nin pek çoğu karaciğerde oksidatif fosforilenmesiyle ATP
üretiminde kullanılır. Bu ATP, kastan karaciğere kanla taşınan laktattan glukoneogenez
oluşturmak için kullanılır. Bu yolla oluşan glukoz yeniden glikojen oluşturmak için kaslara
döner ve Cori çevrimi tamamlanır (Şekil 14.5).
264
Şekil 14.5. İskelet kası ve karaciğer arasındaki metabolik etkileşim. Çok yüksek düzeyde aktif olan
kaslar, enerji kaynağı olarak glikojeni kullanır ve glikoliz aracılığıyla laktat üretir. Kas
eski durumuna dönerken laktatın bir kısmı karaciğere taşınır ve glukoneogenez
aracılığıyla glukoz oluşturmak için kullanılır. Bu glukoz kana verilir ve kastaki glikojen
depolarını yeniden oluşturmak için kaslara gönderilir. Yolun tamamı Cori çevrimini
oluşturur (glukoz→laktat→glukoz)
İskelet kası 10–30 mM fosfokreatin içerir ve fosfokreatin, kreatin kinaz
tepkimesiyle hızlıca ADP’ den yeniden ATP oluşturabilir. Aktif kasılma ve glikoliz
sürecinde, bu tepkime çoğunlukla ATP sentezi yönünde çalışır (Şekil 14.4). Kas eski
durumuna dönerken, aynı enzim ATP harcayarak kreatinden fosfokreatini yeniden
sentezlemekte kullanılır.
265
ATP + + ADPC NH2+
NH2
N
CH2
H3C
COO-
C NH2+
NH
N
CH2
H3C
COO-
P O
O-
-O
Kreatin Fosfokreatin
Kreatinkinaz
Kalp kası iskelet kasından farklıdır, kalp kası düzenli bir kasılma ve gevşeme
ritminde sürekli olarak aktiftir. İskelet kasının aksine kalp kası, her zaman tümüyle aerobik
metabolizmaya sahiptir. Kalp kasında iskelet kasından çok daha fazla mitokondri vardır,
kalp kasında hücrelerin hacminin yarısını mitokondriler oluşturur. Kalp kası, kanda oluşan
glukoz, serbest yağ asitleri ye keton cisimlerinin karışımını yakıt olarak kullanır. Bu yakıtlar
ATP üretmek için gerekli olan enerjiyi sağlamak üzere sitrik asit çevrimiyle oksitlenirler.
Bu sabit aerobik metabolizma kalp kasının dakikada 6 litre, saatte 350 litre veya 70 yılda
200 milyon litre kan pompalanmasını sağlar. İskelet kasına benzer şekilde kalp kası çok
fazla miktarlarda glikojen ve lipit depolamaz. Küçük miktarlarda rezerv enerji, birkaç
saniyelik kasılmaya yetecek miktarda fosfokreatin şeklinde depolanır. Kalp, normal olarak
aerobik olduğundan ve enerjisini oksidatif fosforilenmeden sağladığından, kan damarları,
lipit plakları (aterosikleroz) veya kan pıhtıları (koroner tromboz) tarafından tıkandığı
zaman kalp kasının bir kısmına O2’nin ulaşması zorlaşacağı için kalp kasının bu bölgesinin
ölümüne yol açabilir. Bu süreç, miyokart enfarktüsü olarak adlandırılır ve daha yaygın
şekilde kalp krizi olarak bilinir.
14.1.4. Beyin Elektriksel Uyarıları İletmek İçin Enerji Kullanır
Beyin metabolizması, birkaç yönden dikkat çekicidir. İlk olarak, yetişkin
memelilerin beyini yakıt olarak sadece glukozu kullanır (Şekil 14.6). İkinci olarak, beyin
çok aktif solunum metabolizmasına sahiptir. Dinlenme halinde tüketilen total O2’ nin % 20’
sini karşılayacak şekilde oldukça sabit oranda O2 kullanır. Beyin çok az glikojen içerir; bu
yüzden sürekli olarak kandan gelecek olan glukoza bağımlıdır. Kan glukozu çok kısa bir
süre için kritik düzeyin altına düşerse, beyin işlevlerinde ağır ve bazen geri dönüşümsüz
değişiklikler oluşabilir.
266
Beyin, yakıt olarak kandan gelen lipitleri veya serbest yağ asitlerini doğrudan
kullanamamasına karşın gerektiğinde hepatositlerdeki yağ asitlerinden oluşturulan β–
hidroksibutiratı (bir keton cismi) kullanabilir. Çünkü kanda β–hidroksibutirat olarak taşınır.
Beynin β–hidroksibutiratı asetil CoA aracılığıyla oksitleme kapasitesi, karaciğer glikojeni
tüketildikten sonra açlıkta veya uzamış açlık sırasında önem kazanır. Çünkü β–
hidroksibutirat beynin enerji kaynağı olarak vücut yağını kullanmasına imkan verir. Bu, kas
proteinlerini tüketir, çünkü ağır açlık durumunda kas proteinleri beynin en son glukoz
kaynağını (karaciğerdeki glukoneogenez aracılığıyla) oluşturur.
Şekil 14.6. Beyindeki enerji kaynakları beslenmeyle değişir. Beyin tarafından kullanılan keton cismi
kanda keton cisimlerinin taşıma şekli olan β–hidroksibutirattır.
Glukoz, beyin tarafından kullanılan ATP’ nin pek çoğunu sağlayan glikoliz ve sitrik
asit çevrimi aracılığıyla oksitlenir. Enerji, nöronların plazma zarının karşı yüzünde
elektriksel potansiyel yaratmak ve korumak için gereklidir. Sonuçta oluşan transmembran
potansiyel geçici olarak değişir, bir nöronun ucundan diğerine bir elektriksel sinyal şeklinde
(aksiyon potansiyeli) yayılır. Aksiyon potansiyelleri, sinir sistemindeki bilginin başlıca
transfer mekanizmasıdır.
267
14.1.5. Kan; Oksijeni, Metabolitleri ve Hormonları Taşır
Kan, bütün dokular arasındaki metabolik etkileşimleri yönlendirir. Kan besinleri ince
bağırsaktan karaciğere, karaciğerden ve adipoz dokudan diğer dokulara taşır. Aynı zamanda
atık ürünleri karaciğerden atılmak üzere böbreklere taşır. Oksijen, akciğerlerden dokulara
kan aracılığıyla taşınır ve dokuda solunumla üretilen CO2 kan aracılığıyla atılmak üzere
akciğerlere geri döner. Kan aynı zamanda bir dokudan diğerine hormonal sinyalleri taşır.
Sinyal taşıyıcı rolünde dolaşım sistemi, sinir sistemine benzer; farklı organların
aktivitelerini hem düzenler hem de birleştirir.
Ortalama yetişkin insanda 5–6 litre kan vardır. Bu hacmin yarısını üç tip kan
hücreleri oluşturur (Şekil 14.7). Eritrositler (alyuvar), hemoglobinle yüklüdür ve O2 ve
CO2 taşınması için özelleşmişlerdir. Daha az sayıda bulunan lökositlerin (akyuvar) çeşitli
tipleri vardır, enfeksiyonlara karşı savunmada immün sistemde merkezi rollere sahiptir.
Trombositler, kan pıhtılaşmasının düzenlenmesine yardım ederler. Sıvı kısım kan
plazmasıdır ve % 90’ ı su % 10’ u çözünmüş maddelerden oluşur. Kan plazmasının içinde
çok sayıda protein, lipoprotein, besinler, metabolitler, atık ürünler, inorganik iyonlar ve
hormonlar çözünmüş olarak veya süspansiyon halinde bulunur. Plazmadaki çözünmüş
maddelerin % 70’ i plazma proteinleri (Şekil 14.7) olan, başlıca immünglobulinler
(dolaşımdaki antikorlar), serum albumin, lipitlerin transportunda görevli apolipoproteinler,
transferrin (demir transportu için) fibrinojen ve protrombin gibi kan pıhtılaşması
proteinleridir.
Kan plazmasındaki iyonlar ve düşük molekül ağırlıklı çözünmüş maddeler, sabit
bileşenler değildir, fakat kan ve çeşitli dokular arasında sabit bir akış vardır. İnorganik
iyonların diyetle alımı, genelde idrardaki atılımlarıyla ters ilişkilidir. Kan bileşenlerinin
çoğu için dinamik bir sabit düzey mevcuttur. Sindirim yolu, kan ve idrar arasında sürekli bir
akış oluşmasına rağmen bileşenlerin derişimi az miktarda değişir. Na+, K+ ve Ca+2’ un
plazma düzeyleri, sırasıyla 140, 5 ve 2.5 mM’ a yakındır. Beslenme durumu çok küçük
düzey değişikliği oluşturur. Bu değerlerden belirgin bir uzaklaşma ciddi bir hastalık veya
ölümle sonuçlanabilir. Böbrekler esansiyel besinlerin ve iyonların kaybını önleyecek şekilde
iyon fazlalarını ve atılım ürünlerini seçici olarak filtre ederek iyon dengesinin korunmasında
özellikle önemli bir rol oynar.
268
Şekil 14.7. Kanın bileşeni. Tam kan, santrifüjlemeyle kan plazması ve hücrelere ayrılır. Kan
plazmasının % 10’ u çözünür maddelerden oluşur. Bu % 10’ luk çözünür kısmın %
10’ u inorganik tuzlar, % 20’ si küçük organik moleküller ve % 70’ i plazma
proteinleridir. Başlıca çözünmüş bileşenler belirtilmiştir. Kan diğer bileşenlerin pek
çoğunu eser miktarlarda içerir. Bunlar enzimler, hormonlar, vitaminler, eser
elementler, safra tuzları ve diğer metabolitleri içerir. Kan plazmasındaki bileşenlerin
derişimlerinin ölçülmesi, hastalığın tanı ve tedavisinde önemlidir.
Plazmadaki çözünmüş glukoz, derişimi de sıkı bir şekilde kontrol edilir. Beyinin
glukoz ihtiyacı için glukoz derişiminin 60–90 mg/100 mL kan (yaklaşık 4.5 mM) aralığında
korunmasında karaciğerin rolüne değinmiştik. İnsanda kan glukozu 40 mg/100 mL’ ye
(hipoglisemik durum) düştüğü zaman, kişi huzursuz olur ve zihin bulanıklığı gelişir (Şekil
14.8); daha fazla düşerse komaya yol açar ve çok ileri hipoglisemi ölüme yol açar. Bundan
dolayı kanda glukozun normal derişimde korunmasına organizma büyük öncelik verir ve
bunu başarmak için çeşitli düzenleyici mekanizmalar geliştirir. Kan glukozunun en önemli
düzenleyicileri arasında insülin, glukagon ve epinefrin hormonları bulunur.
269
Şekil 14.8. İnsanlardaki düşük kan glukozunun
fizyolojik etkileri. 40 mg/100 mL ve altında kan
glukoz düzeylerinde ağır hipoglisemi gelişir.
14.2. Yakıt Metabolizmasının Hormonal Düzenlenmesi
Kan glukoz düzeyini 4.5 mM (60-90 mg/100mL) civarında koruyan anlık
ayarlamalar, pek çok vücut dokusundaki fakat özellikle karaciğer, kas ve adipoz dokudaki
metabolik süreçler üzerine insülin, glukagon ve epinefrinin ortak etkileriyle ilgilidir. Peptid
hormonlar olan insülin ve glukagon pankreasın Langerhans adacıklarının özelleşmiş hücre
kümeleri tarafından üretilir. Herbir adacık hücre tipi, tek bir hormon üretir: α hücreleri
glukagon, β hücreleri insülin üretir. Kan glukoz derişimi gereksinim duyulandan daha
yüksek olursa insülin bu dokulara sinyal gönderir. Bunun sonucunda fazla glukoz kandan
hücre içine alınır ve depo bileşikleri olan glikojen ve triaçilgliserole dönüştürülür.
Glukagon, kan glukozu çok düşük olduğu zaman mesaj taşır. Dokular glikojen yıkımı ve
glukoneogenez aracılığıyla glukoz üreterek ve glukoz kullanımını azaltmak için yağları
oksitleyerek kan glukozunu düzenler. Kasları, akciğerleri ve kalbi ani aktivite artışına
hazırlamak için kana epinefrin salgılanır.
14.2.1. Epinefrin Yaklaşan Aktiviteyi Haber Verir
Bir hayvansal organizma aktivite artışını gerektiren stresli bir durumla karşılaştığı
zaman beyinden giden nöronal sinyaller adrenal medulladan epinefrin ve norepinefrin
salgılanmasını tetikler. Her iki hormon da nabzın hızını ve atım gücünü artırır ve dokulara
270
oksijen ve yakıt girişini artırarak kan basıncını yükseltir ve hormonlar oksijen alımını
kolaylaştırarak solunum yollarını genişletir (Tablo14.2).
Epinefrin başlıca kas, adipoz doku ve karaciğer üzerine etkilidir. Enzimlerin cAMP
bağımlı fosforilenmesiyle glikojen fosforilazı aktifleştirir ve glikojen sentazı inaktifleştirir.
Böylece anaerobik kas işlevi için yakıt sağlamak üzere karaciğer glikojeninin kan
glukozuna çevrilmesini stimüle eder. Epinefrin aynı zamanda iskelet kası glikojeninin
fermentasyonla laktata anaerobik yıkılımını tetikler, böylelikle glikolitik ATP üretimini
stimüle eder.
Tablo 14.2. Epinefrinin fizyolojik ve metabolik etkileri: Göreve hazırlık.
Fizyolojik ↑ Nabız
↑ Kan basıncı Dokulara O2 girişinde artış (kas)
↑ Solunum yollarının dilatasyonu (genişlemesi)
Metabolik
↑ Glikojen yıkılımı (kas, karaciğer)
↓ Glikojen sentezi (kas, karaciğer) Yakıt sağlamak için artmış glukoz üretimi
↑ Glukoneogenez (karaciğer)
↑ Glikoliz (kas) Kasta artmış ATP üretimi
↑ Yağ asidi metabolizması (adipoz doku) Yakıt olarak yağ asitlerinin temininde artış
↑ Glukagon salgılanması
↓ İnsülin salgılanması Epinefrinin etkilerini kuvvetlendirmek
Glikolitik yolun kilit enzimlerinden fosfofruktokinaz–1’in güçlü allosterik
aktivatörüolan fruktoz–2,6–bisfosfatın derişimi artırılarak glikolizin stimülasyonu
(uyarılması) gerçekleştirilir. Epinefrin aynı zamanda triaçilgliserol lipazı aktifleştirerek
(cAMP bağımlı fosforilenmeyle) adipoz dokudan yağ mobilizasyonunu stimüle eder. Sonuç
olarak epinefrin yakıtların mobilize edilmesini sağlayıcı ve yakıtların depolanmasını inhibe
edici etkisini kuvvetlendiren glukagon salgılanmasını stimüle eder ve insülin salgılanmasını
inhibe eder.
14.2.2. Glukagon Düşük Kan Glukozunun Habercisidir
Belirgin fiziksel aktivite veya stres yokluğunda bile diyetle karbohidrat alınımından
birkaç saat sonra kan glukozu 4.5 mM’ in altına düşer. Çünkü beyin ve diğer dokular
tarafından glukoz oksidasyonu devam eder. Düşük kan glukozu, glukagon salınımını tetikler
ve insülin salınımını azaltır (Şekil 14.9). Glukagon, pankreasın α hücrelerinden salgılanır ve
271
kan glukoz derişiminde birkaç yolla artışa neden olur (Tablo 14.3). Glukagon, epinefrine
benzer şekilde glikojen fosforilazı aktifleştirerek, glikojen sentazı inaktifleştirerek karaciğer
glikojeninin net yıkılımını stimüle eder. Her iki etki cAMP tarafından tetiklenerek dü-
zenlenen enzimlerin fosforillenmesinin sonucudur. Glukagon, epinefrinin tersine,
karaciğerde glikolizle glukoz yıkımını inhibe eder ve glukoneogenez aracılığıyla glukoz
sentezini stimüle eder. Bu etkilerin her ikisi de, glukoneojenik bir enzim olan fruktoz–1,6–
bisfosfatazın allosterik inhibitörü ve fosfofruktokinaz–1’ in aktivatörü olan fruktoz–2,6–
bisfosfat düzeyinin düşürülmesiyle gerçekleşir. Fruktoz–2,6–bisfosfat düzeyinin cAMP
bağımlı protein fosforillenme tepkimesiyle kontrol edildiğini hatırlayınız. Glukagon aynı
zamanda glikolitik enzim olan pirüvat kinazı (enzimin cAMP bağımlı fosforillenmesini
sağlayarak) inhibe eder, böylelikle fosfoenolpirüvatın pirüvata dönüşümü bloke edilir ve
pirüvatın sitrik asit çevrimiyle oksitlenmesi engellenir. Sonuçta oluşan fosfoenolpirüvat
birikimi, glukoneogenez lehinedir. Glukagon, karaciğerde glikojen yıkımını stimüle ederek,
karaciğerde glikolizle glukoz kullanımını engelleyerek ve glukoneogenez oluşumunu
sağlayarak karaciğerden kana glukoz verilmesini ve kan glukozunun normal düzeyine
ulaşmasını sağlar (Şekil14.9).
Şekil 14.9. İnsülin ve glukagonla kan glukozunun düzenlenmesi. Yüksek kan glukozu pankreas
tarafından insülin salınımına, düşük kan glukozu ise metinde belirtildiği gibi glukagon
salınımına yol açar.
272
Glukagon, hedef organı karaciğer olmasına karşın epinefrine benzer şekilde adipoz
dokuyu da etkiler. Glukagon, triaçilgliserol lipazı cAMP bağımlı fosforillenmeyle
aktifleştirerek serbest yağ asitlerini açığa çıkarır, böylelikle oluşan glukoz beyin için
kullanılır. Bundan dolayı, glukagonun net etkisi, glukozun sentezini stimüle ederek
karaciğerden salgılanmasını ve beyin dışındaki dokular tarafından yakıt olarak glukoz
yerine kullanılmak üzere adipoz dokudan yağ asitlerinin mobilizasyonunu sağlamaktır
(Tablo 14.3). Glukagonun bütün etkileri, cAMP bağımlı protein fosforilenmesiyle
yönlendirilir.
Tablo 14.3. Glukagonun kan glukozuna etkileri: Karaciğerde glukozun sentezi ve salınması.
Metabolik Etki Glukoz Metabolizmasına Etkisi Hedef Enzim ↑ Glikojen yıkılımı Glikojen → Glukoz ↑ Glikojen fosforilaz
↓ Glikojen sentezi Daha az glukoz glikojen şeklinde depolanır ↓ Glikojen sentaz
↓ Glikojen Daha az glukoz karaciğerde yakıt olarak kullanılır ↓ Fosfofruktokinaz–1
↑ Glukoneogenez Aminoasitler ↑Fruktoz–1,6–bisfosfataz
Gliserol→Glukoz ↓ Pirüvat kinaz
Okzalasetat
↑ Yağ asidi Daha az glukoz karaciğerde, kasta yakıt olarak kullanılır ↑ Triaçilgliserol lipaz
mobilizasyonu
14.2.3. Açlık ve Uzamış Açlık Süresince Beyine Enerji Sağlamak İçin
Metabolizma Değişir
Normal yetişkin bir insanın yakıt rezervleri vardır. Bunlar karaciğerde ve göreceli
olarak daha az miktarlarda kasta depolanan glikojen; adipoz dokudaki çok miktarda
triaçilgliserol ve yakıt sağlamak için gerektiğinde yıkılabilen doku proteinleridir
(Tablo14.4).
273
Tablo 14.4. 70 kg’ lık normal bir insan ve 140 kg’ lık şişman bir insanda açlığın başlangıcında
sağlanabilecek metabolik yakıtlar.
Yakıt türü Ağırlık (kg) Kalorik eşdeğer Tahmini açlığa (1000 kcal (kj)) dayanabilme süresi (ay)*
Normal 70 kg’ lık insan
Triaçilgliserol (adipoz doku) 15 141 (589)
Proteinler (başlıca kas) 6 24 (100)
Glikojen (kas, karaciğer) 0,225 0.90 (3,8)
Dolaşımdaki yakıtlar(glukoz, 0,023 0,10 (0,42)
yağ asitleri, triaçilgliserol vb.)
Toplam: 166 (694) 3
Şişman 140 kg’ lık insan
Triaçilgliserol (adipoz doku) 80 166 (694)
Proteinler (başlıca kas) 8 32 (134)
Glikojen (kas, karaciğer) 0,23 0.92 (3,8)
Dolaşımdaki yakıtlar 0,025 0,11 (0,46)
Toplam: 785 (3280) 14
* Açlığa dayanabilme süresi günlük 1800 kcal bazal enerji sarfiyatı üzerinden hesaplanmıştır.
Şekil 14.10, açlık sırasında yakıt metabolizmasındaki değişiklikleri göstermektedir.
Bir gecelik açlıktan sonra karaciğer glikojeninin hemen tamamı ve kas glikojeninin pek
çoğu tüketilir. 24 saat içinde, kan glukoz derişimi düşmeye başlar, insülin salınımı yavaşlar
ve glukogon salınımı stimüle edilir. Bu hormonal sinyaller, kas ve karaciğer için başlıca
yakıt haline gelen triaçilgliserolleri mobilize eder. Beyine glukoz sağlamak için karaciğer
belli proteinleri yıkar (bunların pek çoğu bir organizmada harcanabilen, sindirilen besin
değildir) (1). Bu proteinlerin esansiyel olmayan aminoasitleri deamine edilir ve bunların
amino grupları karaciğerde üreye dönüştürülür (2). Üre, kan dolaşımı aracılığıyla böbreğe
taşınır ve atılır. Aynı zamanda karaciğerde, glikojenik aminoasitlerin karbon iskeletleri
pirüvata veya sitrik asit çevrimi ara ürünlerine dönüştürülür (3). Bu ara ürünler, adipoz
dokudaki triaçilgliserollerden türeyen gliserol gibi, karaciğerdeki glukoneogenez için
başlangıç maddeleri sağlar ve beyin için glukoz oluşturur. Sitrik asit çevrimi ara ürünlerinin
glukoneogenez için kullanılması sonucu, asetil CoA’ nın sitrik asit çevrimine girmesi inhibe
edilerek oksaloasetat tüketilir (Şekil 14.10. basamak (4)). Yağ asidi oksidasyonuyla üretilen
asetil CoA (basamak (5) ve (6)) birikir, bu ise karaciğerde asetoasetil CoA (basamak (7)) ve
keton cisimleri oluşumu lehinedir. Açlığın ilk birkaç gününden sonra kandaki keton
274
cisimleri düzeyi yükselir, çünkü bu yakıtlar karaciğerden kalbe, iskelet kasına ve beyine
taşınır, beyin glukoz yerine keton cisimlerini kullanır (basamak(8)).
Normal ağırlıktaki bir yetişkinin adipoz dokusunda depolanan triaçilgliseroller
yaklaşık üç ay süresince bazal metabolizma hızını korumaya yetecek kadar yakıt
sağlayabilir. Çok şişman bir yetişkin bir yıldan daha uzun süren açlığa yetecek depo
yakıtına sahiptir (Tablo 14.4). Fakat böylesi bir açlık çok tehlikelidir. Keton cisimlerinin
çok aşırı üretimine (aşağıda değinilecektir) ve belki ölüme yol açabilir. Yağ depoları
tükendiği zaman esansiyel proteinlerin yıkımı başlar; bu kalp ve karaciğer yetmezliğine yol
açar ve sonunda ölüme neden olur. Depo yağları, açlık veya sıkı diyet süresince yeterli
enerji (kalori) sağlayabilir fakat vitaminler ve mineraller mutlaka sağlanmalıdır ve
glukoneogenez için kullanılmak üzere diyetle glukojenik aminoasitlerin alınması gereklidir.
Bu neden diyetle uygulamaları vitaminler, mineraller ve aminoasitler veya proteinlerle
desteklenir.
275
Şekil 14.10. Uzamış açlıkta karaciğerdeki yakıt metabolizması. Depolanmış karbohidratların
tüketilmesinden sonra, proteinler glukoneogenez aracılığıyla glukojenik
aminoasitlerden üretilen önemli bir glukoz kaynağı haline gelir (basamak (1) ve (4)).
Adipoz dokudan taşınan yağ asitleri beyine taşınmak üzere keton cisimlerine çevrilir
(basamak (5) ve (8)). Kesikli çizgiler açlık sırasında indirgen eşdeğerlerin izlediği
yolu gösterir.
14.2.4. İnsülin Yüksek Kan Glukozunun Habercisidir
Glukoz, karbohidrat bakımından zengin bir diyetten sonra ince bağırsaktan kan
dolaşımına girdiği zaman, kan glukozunda artış olması insülin salgılanmasının artmasına ve
glukagon salgılanmasının azalmasına yol açar (Şekil 14.9). İnsülin, glukozun glukoz–6–
fosfata dönüştürüldüğü kas dokusu tarafından alımını stimüle eder. İnsülin, aynı zamanda
glikojen sentazı aktifleştirirken glikojen fosforilazı inaktifleştirir. Böylece glukoz–6–fosfatın
pek çoğunu glikojen oluşumuna yönlendirir. Kandan glukoz alınmasının artması sonucunda
276
pankreastan insülin salgılanması yavaşlar ve kan glukoz derişimi normal düzeye düşer.
İnsülin salgılanma hızı ve kan glukoz derişimi arasında çok sıkı düzenlenmiş bir feedback
(geri beslemeli) düzenleme vardır. Bu sayede beslenmedeki değişikliklere rağmen kan
glukoz derişimi sabit kalır.
İnsülin aynı zamanda yakıt fazlalığının yağ olarak depolanmasını stimüle eder. Hem
glukoz–6–fosfatın glikoliz aracılığıyla pirüvata oksidasyonunu hem de pirüvatın asetil CoA’
ya oksidasyonunu aktifleştirir. Bu asetil CoA, enerji üretimi için daha ileri oksitlenmediği
takdirde karaciğerde yağ asidi sentezi için kullanılır ve bu yağ asitleri plazma
lipoproteinlerinin (VLDL) triaçilgliserolleri şeklinde adipoz dokuya taşınır. İnsülin, VLDL’
nin triaçilgliserollerinden serbestleşen yağ asitlerini kullanarak yağ hücrelerinde
triaçilgliserol sentezini stimüle eder. Bu yağ asitleri, karaciğer tarafından kandan alınan
glukoz fazlalarından oluşturulur.
Özet olarak, insülinin etkisi kan glukozunun fazlasının iki depo formuna dönüşümü
lehinedir: Glikojen (karaciğer ve kasta) ve triaçilgliseroller (adipoz dokuda) (Tablo14.5).
Tablo 14.5. Kan glukozu üzerine insülinin etkisi: Glukozun hücreler tarafından alınması ve
triaçilgliserol ve glikojen olarak depolanması.
Metabolik Etki Hedef Enzim
↑ Glikozun alınması (kas) ↑ Glukoz taşıyıcısı
↑ Glikozun alınması (karaciğer) ↑ Glikokinaz
↑ Glikojen sentezi (karaciğer, kas) ↑ Glikojen sentaz
↓ Glikojen yıkılımı (karaciğer, kas) ↓ Glikojen fosforilaz
↑ Glikoliz, asetil CoA üretimi (karaciğer, kas) ↑ Fosfofruktokinaz–1
↑ Pirüvat dehidrogenaz kompleksi
↑ Yağ asidi sentezi (karaciğer) ↑ Asetil CoA karboksilaz
↑Triaçilgliserol sentezi (adipoz doku) ↑ Lipoprotein lipaz
14.2.5. Kortizol Düşük Kan Glukozuna Bağlı Stresin Habercisidir
Değişik stres kaynakları (heyecan, korku, yaralanma, kanama, enfeksiyonlar, düşük
kan glukozu) adrenal korteksten kortikosteroit hormon olan kortizol salgılanmasını stimüle
eder. Kortizol, karşılaşılacak yoğun aktiviteye karşı organizmaya yakıt sağlamak için kas,
karaciğer ve adipoz doku üzerinde etki gösterir.
Kortizol adipoz dokuda depo triaçilgliserollerden yağ asitlerinin salınmasını stimüle
eder. Bu yağ asitleri değişik dokularda yakıt olarak iş görmesi için kana verilir ve
277
triaçilgliserol yıkımından oluşan gliserol ise karaciğerde glukoneogenez için kullanılır.
Kortizol, esansiyel olmayan kas proteinlerinin yıkılımını ve aminoasitlerin glukoneogenez
için öncül olarak iş gördükleri yer olan karaciğere taşınmalarını stimüle eder. Karaciğerde
kortizol, anahtar enzim PEP karboksikinazın sentezini stimüle ederek glukoneogenezi
devam ettirir. Glukagon da bu etkiye sahiptir fakat insülin zıt etkiye sahiptir. Bu yolla
üretilen glukoz, glikojen şeklinde karaciğerde depolanır veya enerji için acil glukoza
gereksinen dokulara taşınır. Bu metabolik değişikliklerin net etkisi kan glukozunu yükseltip
daha sonra normal düzeyine getirmek ve glikojen depolamaktır. Bundan dolayı kortizolün
etkileri insülin etkileriyle karşılıklı dengeli etkileşim içindedir.
14.2.6. Diyabet İnsülin Üretimi ya da Etkisindeki bir Hatanın Sonucudur
Diabetes mellitus, insülin etkisi veya salgılanmasındaki bir eksikliğin yol açtığı
yaygın görülen bir hastalıktır. Diabetes mellitus, gerçekte insülinin düzenleyici aktivitesinin
bozuk olduğu bir hastalık grubudur. Hastalığın klinik olarak başlıca iki sınıfı vardır: Tip I
veya insüline bağımlı diabetes mellitus ve tip II veya insülinden bağımsız diabetes
mellitus. Hastalığın birinci tipi, erken yaşlarda başlar ve çok hızla ağırlaşır. İkinci tip ise
daha yavaş gelişir ve sıklıkla tanımlanamaz. İnsüline bağımlı diabetes mellitus, insülin
tedavisini gerektirir ve glukoz alınması ve insülin dozu arasındaki dengenin yaşam boyu
dikkatli bir şekilde kontrolünü gerektirir. Diyabetin karakteristik belirtileri olan aşırı susama
ve sık idrara çıkma (poliüri) çok fazla miktarlarda su tüketimine yol açar. Bu
değişiklikler, glukozüri olarak bilinen idrarla çok fazla miktarda glukoz atılımı nedeniyle
gerçekleşir. Diabetes mellitus terimi aşırı miktarda şekerin idrarla atılımı anlamına
gelir.
Diyabette hatalı insülin etkisi nedeniyle oluşan diğer karakteristik metabolik
değişiklik, karaciğerdeki yağ asitlerinin aşırı fakat tam olmayan oksidasyonudur. Bu
oksidasyon, keton cisimlerinin yani asetoasetat ve β–hidroksibütiratın aşırı üretimiyle
sonuçlanır. β–hidroksibütirat ve asetoasetata ek olarak diyabetiklerin kanı aynı zamanda
asetoasetatın kendiliğinden dekarboksilasyonuyla oluşan asetonu da içerir:
H3C C
O
CH2 COO- + H2O H3C C
O
CH3 + HCO3-
Asetoasetat Aseton Aseton uçucudur ve solunumla dışarı atılır, kontrol altına alınmamış bir diyabetik
kişinin nefesi aseton kokar. Keton cisimlerinin aşırı üretimi ketozis olarak adlandırılır
278
ve kandaki (ketonemi) ve idrardaki derişiminin çok fazla miktarda artışıyla (ketonüri)
sonuçlanır.
Keton cisimlerini oluşturmak üzere triaçilgliserollerin oksidasyonu iyonlaşabilen
karboksilik asitleri oluşturur. Bu, kontrol altına alınmamış diyabette kanın bikarbonat
tampon sisteminin kapasitesini aşabilir ve kan pH’ sını düşürerek asidoz oluşturur veya
ketosizle birlikte olduğunda ketoasidoz oluşur ki bu yaşamı tehdit eden bir durumdur.
Kan ve idrarda yapılan biyokimyasal ölçümler, metabolizmada çok büyük
değişikliklere sebep olan diyabetin tanı ve tedavisinde esansiyeldir. Duyarlı bir tanı kriteri
glukoztolerans testiyle sağlanır. Bir gecelik açlıktan sonra, hasta test dozu olan 100 g
glukozun suda çözünmüş şeklini içer. Kan glukoz derişimi, test dozu alınmadan önce
ölçülür ve alındıktan sonra birkaç saat boyunca 30 dakika aralıklarla ölçülür. Normal bir
birey glukozu hemen sindirir ve kan glukozu 9 veya 10 mM’ dan daha yükseğe çıkmaz.
İdrarda çok az glukoz görülür veya hiç görülmez. Diyabetik bireyler glukozun test dozunu
zayıf bir şekilde sindirirler. Kan glukoz düzeyleri böbrek eşik değerinin (yaklaşık l0mM)
çok üzerindedir, bu nedenle idrarlarında glukoz belirir.
14.3. HORMONLAR: FARKLI İŞLEVLER İÇİN FARKLI YAPILAR Yakıt metabolizmasının düzenlenmesi, hormonların pek çok bütünleştirici
rollerinden sadece biridir. Kompleks organizmalardaki hemen her süreç bir veya birden
fazla hormon tarafından düzenlenir. Örneğin kan basıncının, kan hacminin ve elektrolit
dengesinin korunması; embriyogenez; cinsel farklılaşma, gelişme ve üreme; acıkma,
beslenme alışkanlığı ve sindirim, bu süreçlerden sadece bir kaçıdır. Bu bölümde,
hormonların reseptörlerle etkileşimlerini inceleyeceğiz ve hormon tiplerinin bazı
temsilcilerini gözden geçireceğiz.
Memelilerin farklı organlarındaki metabolizmanın koordinasyonu nöroendrokrin
sistem tarafından düzenlenir. Bir dokudaki herbir hücre, organizmanın içinde bulunduğu
koşullardaki bir değişikliğe karşı duyarlıdır ve bir ekstrasellüler kimyasal iletici salgılayarak
buna cevap verir. Bu kimyasal iletici, diğer hücredeki bir reseptör molekülüne bağlanır ve
ikinci hücredeki bir değişikliği tetikler.
Nöronal sinyal iletiminde (Şekil 14.11.a), kimyasal iletici (nörotransmitör; örneğin
asetilkolin) nöron ağındaki bir diğer nörona geçiş yapabilir. Bunun aksine hormonlar kan
aracılığıyla uzak organlara ve dokulara taşınır; hormonlar hedef hücreleriyle karşılaşmadan
önce bir veya daha fazla metre yol alabilir (Şekil 14.11.b). Bu anatomik farklılık dışında,
her iki kimyasal iletim mekanizması son derece benzerdir. Örneğin epinefrin (adrenalin) ve
279
norepinefrin, beyin ve düz kaslarda belli sinapslarda nörotransmitör olarak hareket eder ve
aynı zamanda karaciğer ve kasta yakıt metabolizmasını düzenleyen hormonlar olarak iş
görür.
Şekil 14.11. Nöroendokrin sistem tarafından
sinyal iletimi. a) Nöronal sinyal iletiminde
elektrik sinyalleri (sinir impulsları) bir sinir
hücresinin gövdesinden çıkar ve
nörotransmitörlerin salgıladığı ve hedef hücrelere
difüzlendiği yer olan akson ucundan uzak
mesafelere çok hızlı bir şekilde taşınır. Hedef
hücre (bir diğer nöron veya bir salgı hücresi
olabilir) nörotransmitörün salgıladığı bölgeden
sadece bir veya birkaç mikrometre uzaktadır. b)
Endokrin sistemde hormonlar kana verilir ve
hedef dokuya kan aracılığıyla taşınır.
14.3.1. Hormonlar Spesifik Hücresel Reseptörler Aracılığıyla Etki Gösterir
Her bir hücre tipi hormona olan ilgisinin düzeyini belirleyen hormon reseptörlerine
sahiptir. Ayrıca aynı reseptöre sahip iki hücre tipi, hormon etkisini farklı hücre içi
hedeflerde gösterebilir ve bundan dolayı aynı hormona farklı cevap verebilir. Hormon
etkisinin spesifikliği, hormon ve reseptörü arasındaki yapısal tamamlayıcılığın bir
sonucudur. Bu etkileşim oldukça seçicidir, yapısal olarak benzer olan hormonların farklı
280
etkiler göstermesine imkan tanır ve yüksek ilgili etkileşim, hücrelerin çok düşük
derişimlerdeki hormonlara yanıt vermesini mümkün kılar.
Hormon ve reseptörün birbiriyle karşılaşma bölgesi, hormon tipine bağlı olarak
hücre dışı, sitozolik veya nüklear olabilir. Hormon–reseptör etkileşiminin hücre içi
sonuçları genel olarak dört çeşittir:(1) bir hormon–kapılı iyon kanalının açılması veya
kapanması sonucu zar potansiyelinde bir değişiklik; (2) bir reseptör–enzim kompleksinin
hücre dışı hormon tarafından aktifleştirilmesi; (3) hücre içinde bazı anahtar enzim veya
enzimlerin allosterik düzenleyicisi olarak davranan cAMP veya inozitol trifosfat gibi bir
ikincil mesajcının üretilmesi; (4) bir nüklear hormon reseptör proteini tarafından
yönlendirilen bazı genlerin ifadelenme düzeyinde bir değişiklik olması.
Suda çözünen peptit ve amin hormonlar (örneğin, insülin ve epinefrin), plazma
zarına tutunan hücre–yüzey reseptörlerine bağlanarak hedef hücrelerin dış yüzünden etkili
olurlar (Şekil 14.12.). Hormon, reseptörün hücre dışı bölümüne bağlandığı zaman reseptör,
bir allosterik enzime bir modülatör molekül bağlandığında oluşan değişikliğe benzer bir
yapısal değişikliğe uğrar. Bu yapısal değişiklik, hormonların etkilerinin başlatılmasını
sağlar.
Bir hormon–reseptör kompleksi oluşurken tek bir hormon molekülü, pek çok ikincil
mesajcı molekülleri üreten bir katalizörü aktifleştirir, böylece reseptör sadece bir sinyal
ileticisi olarak değil, aynı zamanda sinyal büyütücüsü olarak da iş görür. Pek çok hormon,
sinyal kaskatı (oluşum prosesleri) aracılığıyla etki gösterir, bu kaskatın her bir basamağında
bir katalizör bir diğer katalizörü aktifleştirir ve orijinal sinyal çok fazla büyütülmüş olur.
Sinyal kaskatına bir örnek, glikojen sentezi ve yıkımının düzenlenmesinde epinefrin ta-
rafından oluşturulur. Epinefrin, adenilil siklazı (reseptörü aracılığıyla) aktifleştirir, adenilil
siklaz reseptöre bağlı her bir hormon molekülü için pek çok cAMP molekülü oluşturur.
Suda çözünmeyen hormonlar (steroit, retinoit ve tiroit hormonları), çekirdekteki
reseptör proteinlerine ulaşmak için kendi hedef hücrelerinin plazma zarından hemen geçer
(Şekil 14.12). Bu sınıftaki hormonlar, hormon–reseptör kompleksi oluşturarak mesajı
taşırlar; bu kompleks, hücrenin enzimatik içeriğini ve dolayısıyla metabolizmasını
değiştiren spesifik genlerin ifadelenmesini değiştirmek üzere DNA ile etkileşime girer.
281
Şekil 14.12. Hormon etki mekanizmaları.
Peptid ve amin hormonlar, steroit ve tiroid
hormonlardan daha hızlı etki gösterirler.
Plazma zarı reseptörleri aracılığıyla etki gösteren hormonlar, genellikle çok hızlı
oluşan fizyolojik veya biyokimyasal cevapları başlatırlar. Epinefrin, adrenal medulladan
kana salgılandıktan sadece saniyeler sonra, iskelet kası glikojen yıkımını artırarak cevap
verir. Bunun aksine, tiroit hormonları ve cinsiyet (steroit) hormonları hedef dokularda
saatler hatta günler sonra cevap oluşturur. Cevap zamanındaki bu farklılıklar, etki
şekillerinin farklı olmasıyla açıklanır. Genelde, hızlı etki oluşturan hormonlar hücrede daha
önceden var olan bir ya da daha çok enzimin aktivitesinde allosterik mekanizmalar veya
enzimlerin kovalent modifikasyonuyla bir değişikliğe yol açar. Yavaş etki oluşturan
hormonlar genellikle gen ifadelenmesini etkileyerek düzenlenilen protein sentezinde az çok
değişiklik oluşturur.
14.3.2. Hormonlar Kimyasal Olarak Farklıdır
Memelilerde, kimyasal yapılarına ve etki şekillerine göre birkaç farklı hormon sınıfı
vardır (Tablo 14.6). Peptit, amin ve eikozanoit hormonlar yüzey reseptörleri aracılığıyla
hedef hücrenin dışından etki gösterirler. Steroit, D vitamini, retinoit ve tiroit hormonlar
hücreye girer ve nüklear reseptörler aracılığıyla etki gösterir. Nitrik oksit hücreye girer
fakat sitozolik bir enzim olan guanilat siklazı aktifleştirir.
282
Hormonlar, salgılandıkları noktadan hedef dokulara ulaşma yoluna göre de
sınıflandırılabilir. Endokrin hormonlar, kana salıverilir ve vücut içinde hedef hücrelere
taşınır. Parakrin hormonlar, bir hücreden hücre dışı alana salıverilir ve komşu hedef
hücrelere difüzlenir. Otokrin hormonlar, bir hücreden salıverilir ve kendi yüzey
reseptörlerine bağlanarak aynı hücrede etki gösterir.
Memeliler, hormonal iletim sistemlerine sahip olan yegane canlılardır. Bitkiler de
farklı dokularındaki aktiviteleri düzenlemek için hormonal sinyalleri kullanır. Memeli
hormonlarının yapısal farklılıklığını ve etki düzeylerini göstermek için Tablo 14.6’ da
başlıca sınıflara ait birer örnek verilmiştir.
Tablo 14.6. Hormon sınıfları. Tip Örnek Orijin Etki şekli
Peptid Leu-enkefalin Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu
Katekolamin Epinefrin Tirozin Plazma zarı reseptörleri ikinci
Eikozanoit PGE1 20:4 Yağ asidi mesajcı
Steroit Testosteron Kolesterol
Retinoit Retinoik asit A vitamini Nüklear reseptörler;
Tiroit Triiyodotironin (T3) Tiroglobülindeki Tyr transkripsiyonel regülasyon
D vitamini 1,25-dihidroksikolekalsiferol Kolesterol veya D vitamini
Nitrik oksit Nitrik oksit NO. Sitozolik reseptör ve ikinci
mesajcı(cGMP)
Peptit Hormonlar: Peptit hormonlar 3–200 aminoasit kalıntısı içerebilir. Bu
hormon sınıfı pankreatik hormonlar olan insülin, glukagon ve hipotalamus ve hipofize ait
olan tüm hormonları içerir. Bu hormonlar, ribozomlar üzerinde salgı granülleri içinde
paketlenen daha uzun öncül proteinler (prohormonlar) şeklinde sentezlenir ve aktif
peptitleri oluşturmak üzere proteolitik olarak kısaltılırlar. İnsülin iki disülfit bağıyla
birleşen A ve B polipeptit zincirlerinden oluşan küçük bir proteindir (Mr 5700). Pankreasta,
inaktif tek zincirli preproinsülin (Şekil 14.13) şeklinde sentezlenir. Artmış kan glukozu
insülin salgılanmasını tetiklediği zaman, proinsülin özgül proteazlarla aktif insüline
dönüştürülür. Proteazlar aktif insülin molekülünü oluşturmak için iki peptit bağını parçalar.
Salgı granülleri içindeki peptit hormonların derişimi o kadar yüksektir ki içeriği
hemen hemen kristallenmiştir; bir granülün içeriği egzositozla salıverildiği zaman derhal
çok fazla miktarda hormon açığa çıkar. Peptit hormonların tümü, plazma zarındaki
reseptörleri aracılığıyla hedef hücrenin dışından etkilerini gösterirler. Bu hormonlar, sitozol
283
içinde bir ikincil mesajcının (cAMP, Ca+2, ve diğerleri) oluşmasına neden olurlar. İkincil
mesajcılar bazı hücre içi enzimlerin aktivitesini değiştirerek hücrelerin metabolizmasını
etkilerler.
Şekil 14.13. İnsülin. Olgun insülin, daha büyük öncülü preproinsülinden proteolitik süreçle
oluşturulur. Preproinsülinin amino ucundan 23 aminoasidin (sinyal dizisi)
uzaklaştırılması ve üç disülfid bağının oluşumuyla proinsülin meydana gelir. Daha
ileri proteolitik kesim proinsülinden C peptidi çıkarır ve geride A ve B zincirlerinden
oluşan olgun insülin kalır. Şekil 3.14’ de insülinin aminoasit dizisi verilmiştir.
Katekolamin Hormonları: Suda çözünen bileşikler olan epinefrin ve
norepinefrin(noradrenalin) tirozinden sentezlenir ve yapısal olarak ilgili bileşik olan
katekol nedeniyle katekolaminler olarak adlandırılır (Şekil 14.14). Beyinde ve diğer nöral
dokularda yapılan katekolaminler nörotransmitör olarak işlev gösterir, fakat epinefrin ve
norepinefrin hormon olarak adrenal bezlerde de yapılır ve salgılanır. Peptit hormonlara
benzer şekilde katekolaminler salgı granülleri içinde hayli yüksek yoğunlaşmıştır ve
egzositozla salıverilirler ve hücre içi ikincil mesajcıları oluşturmak üzere yüzey reseptörleri
aracılığıyla etkili olurlar. Katekolaminler, akut strese çok çeşitli fizyolojik cevaplar
oluştururlar (Tablo 14.2).
284
Tirozin L-DOPA Dopamin Norepinefrin Epinefrin Şekil 14.14. Tirozinden epinefrin ve norepinefrin sentezi.
Eikozanoitler: Eikozanoit hormonlar (prostaglandinler, tromboksanlar ve
lökotrienler) 20 karbonlu çoklu doymamış yağ asidi araşidonattan türetilirler. Bu
hormonlar ihtiyaç olduğu zaman membran fosfolipitlerinden fosfolipaz A2 ile enzimatik
olarak serbestleştirilen araşidonattan yapılırlar (Şekil 14.15). Prostaglandinleri ve
tromboksanları oluşturan yolun enzimleri memeli dokularında çok yaygın bir şekilde
bulunmaktadır; hücrelerin pek çoğu bu sinyalleri üretebilir ve pek çok dokunun hücreleri
plazma membranındaki spesifik reseptörler aracılığıyla cevap oluşturabilir. Eikozanoit
hormonlar bir hücrenin dışındaki sıvı içine salgılanırlar (öncelikle kana değil) ve komşu
hücreler üzerinde parakrin özellikte etki gösterirler. Prostaglandinler, ince bağırsak ve
uterusta (rahimde) da olduğu gibi, düz kasların kasılmasını sağlarlar. Aynı zamanda bütün
dokulardaki ağrı ve inflamasyon ile de ilgilidirler. Antienflamatuar ilaçlar, sıklıkla
prostaglandin sentez yolundaki basamakları inhibe ederek etki gösterirler. Tromboksanlar,
trombosit işlevini ve dolayısıyla kan pıhtılaşmasını düzenlerler. Lökotrienler, ince
bağırsak, pulmoner (akciğerle ilgili) hava yolları ve trakeadaki (nefes borusu) düz kas
kontraksiyonunu stimüle ederler ve anafilaksi adı verilen ağır immün cevabın aracılarıdır.
Şekil 14.15. Fosfolipitlerden eikozanoit hormon sentezi.
Steroit Hormonlar: Steroit hormonlar (adrenokortikal hormonlar ve cinsiyet
hormonların) birkaç endokrin dokuda kolesterolden sentezlenirler (Şekil 14.16) ve taşıyıcı
proteinlere bağlanarak kan dolaşımı aracılığıyla hedef hücrelerine taşınırlar. Steroit
hormonların tümü, spesifik genlerin ifadelenme düzeyini değiştiren nükleer reseptörler
aracılığıyla etki gösterirler. Glukokortikoitler (kortizol gibi) başlıca karbohitrat
metabolizmasını etkiler; mineralkortikoitler (aldosteron) kandaki elektrolitlerin derişimini
düzenler. Androjenler (testosteron) ve östrojenler (östradiol gibi) testislerde ve overlerde
Fosfolipitler
Araşidonik asit (20:4)
Prostogladinler Tromboksanlar Lökotrienler
285
ve bir dereceye kadar adrenal kortekste sentezlenirler. Bu hormonların sentezleri aynı
zamanda kolesterolün yan zincirini koparan ve yapıya oksijen atomlarını sokan sitokrom P–
450 enzimlerini içerir. Bu hormonlar, cinsel gelişimi, cinsel davranışı, üremeyle ilgili ve
ilgili olmayan diğer işlevleri etkiler.
Şekil 14.16. Kolesterolden steroit hormonların sentezi.
Vitamin D Hormonu:Kalsitriol (1,25–dihidroksikolekalsiferol), karaciğer ve
böbrekte bulunan hidroksilenme enzimleriyle D vitamininden oluşturulur (Şekil 14.17). D
vitamini diyetten sağlanır veya derideki 7–dehidrokolesterolün (güneş ışığı tarafından)
fotoliziyle oluşturulur. Kalsitriol kemikten Ca+2 çözülmesi ve Ca+2 çökmesi arasındaki
dengeyi ve kandaki Ca+2 derişimini düzenlemek için paratiroit hormonla uyum içinde
çalışır. Diyetle yetersiz D vitamini alınması veya kalsitriol biyosentezindeki hatalar raşitizm
gibi ciddi hastalıklara yol açar.
Şekil 14.17. Kalsitriol sentezi.
Retinoit Hormonlar: Retinoitler, nükleer reseptörler aracılığıyla hücre büyümesi,
yaşaması ve farklılaşmasını düzenleyen etkin hormonlardır. Prohormon retinol, başlıca
7-Dehidroksikolesterol
UV ışığı
D3 vitmini (kolekalsiferol)
25-Hidroksikolekalsiferol
1,25-Hidroksikolekalsiferol
Kolesterol
Progesteron
Kortizol Aldesteron Testosteron
(glukokortikoit) (mineralokortikoit) Östradiol (cinsiyet hormonları)
286
karaciğerde A vitamininden sentezlenir (Şekil 14.18) ve pek çok doku retinolü retinoik asit
(RA) hormonuna dönüştürür. Tüm dokular retinoitlerin hedefidir, çünkü hücre tiplerinin
tümü en azından bir nükleer retinoit reseptör formuna sahiptir. Yetişkinlerdeki başlıca
hedefler, kornea, deri, akciğer ve trakeanın epitel hücreleri ve immün sistemdir. RA,
büyüme ve farklılaşma için esansiyel olan proteinlerin sentezini düzenler.
Şekil 14.18. Retinoik asit sentezi.
Tiroit Hormonlar: Tiroit hormonları olan T4 (tiroksin) ve T3 (triiyodotironin)
tiroit bezinde öncül protein tiroglobülinden (Mr 650.000) sentezlenir (Şekil 14.19).
Tiroglobülindeki iki Tyr kalıntısı enzimatik olarak iyotlanır ve kovalent olarak birleşir;
proteolizle serbest T4 ve T3 açığa çıkar. Tiroit hormonlar, özellikle karaciğer ve kasta,
anahtar katabolik enzimleri kodlayan genlerin ifadelenmesini aktifleştirerek enerji verici
metabolizmayı stimüle eder.
Şekil 14.19. Tiroit hormonlarının sentezi.
Nitrik Oksit (NO): Nitrik oksit, nitrit oksit sentaz tarafından katalizlenen bir
tepkimede argininin guanidino azotu ve moleküler oksijenden sentezlenen göreceli
olarak kararlı bir serbest radikaldir (Şekil 14.20.).
Arginin Sitrulin + NONO sentaz
Ca2+
O2 + NADPH NADP+
Şekil 14.20. Arginin ve moleküler oksijenden NO sentezi.
Tiroglobülin (Tyr)
Tiroglobülin (Tyr-I) [iyotlanmış Tyr kalıntıları]
Proteoliz
Tiroksin (T4) ve triiyodotironin (T3)
-karoten
A1 vitmini (Retinol)
Retinoik asit
287
Bu enzim pek çok dokuda ve hücre tipinde bulunur: nöronlar, makrofajlar,
hepatositler, düz kas hücreleri, kan damarlarının endotel hücreleri ve böbreğin epitel
hücreleri. NO, salgılandığı bölgenin yakınında etki gösterir, hedef hücreye girer ve ikincil
mesajcı cGMP’ nin oluşumunu katalizleyen sitozolik enzim guanilil siklazı aktifleştirir.
Kalp kasında cGMP, düşük bir sitozolik Ca2+ konsantrasyonunu sağlayan iyon pompalarını
uyarmak suretiyle daha az güçlü kasılmaya yol açar.
Nitrik oksit dayanıksızdır ve aktivitesi kısa sürelidir. Oluştuktan sonra saniyelerle
ifade edilen sürelerde nitrit veya nitrata yükseltgenir. Nitrogliserin yavaşça NO’ ya
dönüştüğü için, kalp kasının uzun süreli gevşemesine yol açar.
14.4. VÜCUT AĞIRLIĞININ UZUN SÜRELİ DÜZENLENMESİ İnsülin, glukagon ve epinefrin tarafından başlatılan metabolik düzenlemeler
saniyeler veya dakikalar gibi kısa bir zaman içinde oluşur. Diğer düzenleyici mekanizmalar,
organizmanın çevreye uyum göstererek denge ve düzen içinde yaşamasında (homeostazda)
memeli bünyesini koruyacak şekilde kontrollü beslenme ve enerji harcanmasıyla daha uzun
bir zaman diliminde gerçekleşir. Adipoz doku tüm vücut kütlesinin en fazla yer kaplayan
bölümü haline gelirse ortalama ömür azalır. Sonuç olarak vücut kütlesinin ve adipoz
dokudaki yağların depolanmasının nasıl düzenlendiğini anlamak konusunda büyük merak
uyanmıştır. Vücut ağırlığının göreceli olarak sabit tutulmasını öngören lipostat teorisine
göre, vücut ağırlığı belli bir değeri aştığı zaman (ayar noktası) beslenme davranışını inhibe
eden ve enerji tüketimini artıran geri–beslemeli bir mekanizmanın var olduğu kabul edilir:
vücut ağırlığı ayar noktasının altına düştüğü zaman inhibisyon ortadan kaldırılır.
Adipozitlerde üretilen küçük bir protein olan (167 aminoasit kalıntılı) leptin kan aracılığıyla
beyine taşınarak iştahı azaltmak üzere hipotalamustaki reseptörler üzerine etki gösterir.
Leptin sadece adipozitlerde üretilir, çok az düzeyde intestinal epitel hücrelerde ve
plasentalarda üretilir. Leptin reseptörü, başlıca beslenme davranışını düzenlediği bilinen
beyin bölgelerinde (hipotalamus) ifadelenir. Leptin reseptörü hatalı olduğunda leptinin
iletim işlevi kaybolur.
Leptin, yağ rezervi yeterli olduğunda mesaj taşır ve yakıt alınmasında ve enerji
harcanmasında artışı destekler. Leptinin hipotalamustaki reseptörüyle etkileşimi, iştahı
etkileyen sinyallerin salıverilmesini etkiler. Leptin aynı zamanda sempatik sinir sistemini
uyarır; kan basıncını, nabzı ve termogenezi artırır. Termogenez (metabolik enerjinin kaybı
pahasına ısı üretimi), adipoz dokunun mitokondrisinde elektron transferinin ATP senteziyle
kenetlenmemesi sonucu oluşur.
288
14.5. KAHVERENGİ YAĞDAKİ EŞLEŞMEMİŞ MİTOKONDRİ ISI ÜRETİR
Birçok yeni doğan memelide (insanda dahil) kahverengi yağ denilen bir tip yağ
dokusu vardır. Bu doku, yakıt oksidasyonundan ATP elde etmez, ısı oluşturarak yeni doğanı
sıcak tutar. Bu özel yağ dokusu, çok sayıda mitokondri ve sitokrom bulundurduğundan
kahve renklidir.
Kahverengi yağ dokusu mitokondrisi, diğer memeli hücrelerden farklı olarak iç
membranda özgül bir proteine sahiptir. Termojen (ayırıcı protein) denilen bu protein,
protonları F0F1kompleksinden geçirmeksizin, onların matrikse dönmesi için bir yol sağlar.
Protonların bu kısa turun bir sonucu olarak, oksidasyon enerjisi ATP sentezinde
kullanılamaz ve ısı enerjisi olarak açığa çıkar. Bu ısı da yeni doğanın vücut ısısını korur.
Kış uykusuna yatan hayvanlarda uzun uykuları boyunca ısı oluşturulması da kahverengi yağ
dokularındaki eşleşmemiş mitokondrilere bağlıdır.
289
KAYNAKLAR 1. Bingöl, G., (1983), Biyokimya, Hacettepe –TAŞ Kitapcılık ltd. Şti. Yayını. 2. Champe, P.C., Harvey, R.A., Ferrier, D.R., (2007), Biyokimya (Lippicott’s Illustrated
Reviews Serisinden, Çeviri Editörü: Ulukaya, E.), Istanbul, Nobel Tıp Biyokimya, 3. Baskı, ISBN: 987-975-420-579-4.
3. Conn, E.E., Stumpf, P.K., (1976), Outlines of Biochemistry, Fourth Edition, John Willey and Sons, INC, New York, USA.
4. Gözükara, E.M., (1997), Biyokimya (Cilt 1 ve Cilt 2), İstanbul, Nobel Tıp Kitapevi, Üçüncü Baskı.
5. Güner, S., (2007), Biyokimya, Karadeniz Teknik Üniversitesi Yayınları, Trabzon, No: 224.
6. Gürdöl, F., Ademoğlu, E., (2006), Biyokimya, Nobel Tıp Kitapevleri, İstanbul. ISBN: 975-420-462-4.
7. Keha E., Küfrevioğlu, İ., (2005), Biyokimya, İstanbul, Aktif Yayınevi, 2. Baskı, ISBN: 975-6755-20-02.
8. Montgomery, R., Conway, T.M., Spector, A.A., Chappell, D., (2000), Biyokimya (Olgu Sunumlu Yaklaşım, Çeviri Editörü: Altan, N.), Palme Yayıncılık, Altıncı Baskıdan Çeviri, ISBN: 975-7477-67-2.
9. Montgomery, R., Dryer, R.L., Conway, T.W., Spector, A.A., (1977), Biochemistry (A Case-orientted Approach), Second Edition, Saint Louis, The C. V. Mosby Company, ISBN 0-8016-3469-5.
10. Murray, R.K., Granner, D.K., Mayes, P.A., Rodwell, V.W., Çeviri: Dikmen, n., Özgünen , T., (1998), Adana, Harper’in Biyokimyası, 24. Baskı, barış kitabevi, ISBN: 975-95-331-1-1.
11. Nelson, D.L., Cox, M.M., (2005), Lehninger Biyokimyanın İlkeleri (Çeviri Editörü: Kılıç, N.), Ankara, Palme Yayıncılık, Üçüncü Baskıdan Çeviri, ISBN:1-57259-931-6.
12. Tekman, Ş., Öner, N., (1981), Ankara, Genel Biykimya, İstanbul Üniversitesi yayınları No. 2810, Eczacılık Fakültesi No. 30, Üçüncü Baskı. İstanbul.
13. Tüzün, C., (1992), Biyokimya, Ankara, Palme Yayınları, İkinci Baskı, Tıp Serisi: 111. 14. Tüzün, C., (1993), Medikal Biyokimya, Palme Yayınları, Ankara, Tıp Serisi: 112,
ISBN: 975-7477-05-2. 15. Voet, D., Voet, J.G., (1990). Biochemistry, Jhon Willey and Sons, Canada. ISBN:
QP514.2.V64.
