Karbonhidrat Metabolizması (CHO Metabolizması) PDF

8.10.2024 Metabolik Yol Haritası Karbonhidrat Metabolizması “metabolik road map” Dr. Öğr. Üyesi Duygu SAĞLAM 1...

8.10.2024 Metabolik Yol Haritası Karbonhidrat Metabolizması “metabolik road map” Dr. Öğr. Üyesi Duygu SAĞLAM 1 2 Hücrelerdeki glukozun katabolik ve anabolik Glukoz sübstrat olarak kullanıldığı yolaklar “katabolik sübstrat olarak” enerji “anabolik sübstrat olarak” kullanıldığı CHO metabolizmasının primer substratı à GLUKOZ eldesinde kullanıldığı yolaklar yolaklar § Glikoliz § Glikojenezis Tüm memeli hücreleri için önemli bir molekül § Oksidatif dekarboksilasyon (Mitokondride § Pentozfosfat yolu piruvik asit Asetil CoA’ya oksidatif olarak dekarboksile § lipogenezis Katabolik sübstrat olması) § Krebs siklusu Anabolik sübstrat § ETS-oksidatif fosforilasyon § Laktat metabolizması § Glukoneogenezis § Glikojenolizis 3 4 1  8.10.2024 Glukoz homeostazisi Organ ve dokularda katabolik ve anabolik glukoz yolaklarının yürütülebilmesi için gerekli glukoz KAN’dan sağlanır. Glukoz Homeostazisi Kanda normal glukoz seviyesi aralığı = 80-100 mg/dL 5 6 Glukoz homeostazisinde normal bireyle diyabetli Glukoz homeostazisi bireyin karşılaştırılması Kan glukoz düzeyinin çeşitli 2 3 temel fark: hormonal mekanizmalarla kararlı denge halinde (steady state) 3 1. Açlıktaki glukoz düzeyleri daha halinde tutulması yüksektir. Kararlı denge à fizyolojik aralığa 1 karşılık gelir. 2. Öğünden sonra kan glukoz seviyesindeki artış daha fazladır. Açlık plazma glukozunun fizyolojik aralığı >70-100 mg/dL 3. Öğün sonrası glukoz konsantrasyonunun açlık seviyesine inmesi daha uzun sürer. öğün 7 8 2  8.10.2024 Glukoz metabolizmasını düzenleyen hormonların metabolik/fizyolojik Glukoz homeostazisini etkileyen faktörler etkileri Katabolik bir hormondur Karaciğerde GLİKOJENOLİZ’i stimüle eder Glukagon İnsülin Karaciğerde GUKONEOGENEZ’i promote eder/destekler Karaciğerde KETOGENEZİ promote eder /destekler Pankreas; 𝛃 hücrelerinden sagılanır. Anabolik bir hormondur Glukagon Glukoz homeostazını etkileyen diğer İskelet kası/kalp kası/adipoz dokudaki HÜCRELERE GLUKOZUN GİRİŞİNİ promote hormonlar eder/destekler Pankreasın 𝒶 hücrelerinden salgılanır. İnsülin Hücrede GLİKOLİZİ promote eder /destekler Epinefrin Amilin Kortizol Postprandiyal GLUKAGON SENTEZİNİ BASKILAR LİPİD VE PROTEİN SENTEZİNİ promote eder/destekler Pankreas; 𝛃 hücrelerinden sagılanır. Büyüme hormonu Postprandiyal dönemde GLUKONEOGENEZİ baskılar GLP-1 Amilin MİDE BOŞALMASINI GECİKTİRİR Besin alımını ve vücut ağırlığını azaltıcı yönde etki gösterir Barsağın L hücrelerinden salgılanır. Pankreastan glukoza bağımlı İNSÜLİN SEKRESYONUNU artırır Glukoza bağımlı insülinotropik peptid (GIP) İNKRETİNLER GLP-1 (glukagona benzer peptid Pankreastan postprandiyal GLUKAGON SEKRESYONUNU BASKILAR MİDE BOŞALMASINI yavaşlatır veya glucagon-like-peptid) Barsağın L hücrelerinden salgılanır. Besin alımını ve vücut ağırlığını azaltıcı yönde etki gösterir Beta hücrelerinin sağlıklı olmasını destekler CCK GIP (glukoza bağımlı insülinotropik Pankreastan glukoza bağımlı İNSÜLİN SEKRESYONUNU arttırır. Duedonum ve jejenumdaki I hücreleri peptid; gastrik inhibitör peptid) 9 10 Glukozun stimüle ettiği insülin sekresyonu glukozdan enerji oluşumuna duyarlı bir mekanizmadır. 1.Glukoz pankreasın beta hücresine GLUT 2 taşıyıcısı ile alınır. 2.Glukokinaz hücre içindeki glukozun fosforilasyonunu sağlar 3.Glukoz glikoliz yolağı ile pirüvata çevrilir. 4.Pirüvat mitokondriye girer ve devamında TCA siklusunda okside olur. İnsülin ve glukagonun kan 5.Oluşan indirgeyici eşdeğerler solunum zincirine şekerinin düzenlenmesinde aktarılır. 6.Mitokondri membranı hiperpolarize olur ve ATP sentezi gerçekleşir. fizyolojik etkileri 7.Bunu takiben hücre membranında ATP’ye duyarlı K kanalları kapanır. 8.Bu durum hücre zarını depolarize eder, bunun üzerine voltaja bağımlı Ca kanalları açılır. 9.Sitozolde Ca2+ artar. 10.Ca iyonarı hücre içine, sitozole hücum etmesi hücreden egzositozla insülin salınımını tetikler. Experimental & M olecular M edicine (2016) 48, e219; doi:10.1038/emm.2016.6 11 12 3  8.10.2024 İnkretin hormonları ve insülin salgılanması MEKANİZMA İnkretin hormonları ve insülin salgılanması Emilen glukoz da pankreasın beta İnkretinlerin etkinlik mekanizması İnce barsak hücrelerini uyararak insülin Glukoz barsakta inkretin salınımını tetikler. sekresyonunu doğrudan arttırır. Bu hormonlar yemek yerken ve emilim İnce İnce barsak barsak lümenine lümenine ulaşan glukoz ulaşan Pankreas sırasında salgılanır. glukoz inkretinlerin inkretinlerin beta hücresi sekresyonunu uyarır. sekresyonunu uyarır. İnkretinler dolaşımdan hedef dokuya; Dolaşımda düzeyleri artan inkretinler ise pankreasın beta hücrelerinde taşınır. glukoza bağımlı Beta hücrelerinin inkretin ile stimülasyonu insülin sekresyonunu uyarır. sadece IV kan şekerinin artması durumunda görülüne insülinden daha fazla İnkretinler insülin artışı sağlar. GIP à glukoza-bağımlı insülinotropik peptid; gastrik inhibitör peptid olarak da bilinir. GLP-1à glukagona benzer peptid veya glukagon like peptid olarak da bilinir. 13 14 Glukoz homeostazisi ile bağıntılı 3 farklı metabolik durum “tanımlar sağlıklı bireyler için yapılmış” Besin Post-prandiyal durum Post-absorptive durum Gerçek açlık alımı 4 saat 6-8 saat 10-12 saat noktası Postprandiyal durum Postabsorptif durum Real fasting/gerçek açlık Öğün bitimini takip eden 4 saatlik Postprandiyal durumun bitiminden Son öğünün üzerinden 10-12 saat süreçteki metabolik durum sonraki 6-8 saat geçtikten sonraki metabolik durum Sindirim: Diyetin CHO’ları çeşitli enzimatik işlemlerle hidrolize edillir. Kan glukoz seviyesi: normal aralıkta tutulur. “>70-100 mg/dL” Kan glukoz seviyesi: Normal aralıkta tutulmaya çalışılır. >70-100 mg/dL Kandan doku/hücrelere glukoz transportu Kan glukoz seviyesi: öğünün bitiminden Kan glukoz seviyesinin sürdürülmesi için Kan glukoz seviyesinin sürdürülmesi için sonraki 2 saate yaklaşırken insülin aktif olan esas metabolik yolak: aktif olan metabolik yolaklar cevabı kan glukoz seviyelerini başlangıç “Glikojenoliz” à postprandiyal Glikojenoliz à postprandiyal düzeyine döndürür. sentezlenen glikojen glikojenoliz yolağı sentezlenen glikojen glikojenoliz yolağı Emilim: tamamlanması öğünün ile parçalanır. ile parçalanır. üzerinden 4 saat geçmesini gerektirir. “Glukoneogenez” àKısmen devrede Glukoneogenez à laktat, alanin, gliserolden glukoz yapımı 15 16 4  8.10.2024 Glukoz transport eden proteinler (GLUT’lar) hücre Hücrelere glukoz transport eden proteinler membranının integral proteinleridir. GLUT’lar (GLUkoz Taşıyıcıları) Polipeptid zincirinin hücre zarına yerleşmiş hidrofobik amino asitler içeren ve kanallar şeklinde organize edilmiş bölümü Glukoz çok polar bir molekül olup hücre zarlarını difüzyon ile geçemez. Hücreye enerjiye bağımlı olmayan taşıyıcıların düzenlediği bir sistemle giriş yapar. Tüm hücrelerin membranlarında en azından bir çeşit GLUT bulunmaktadır. Dokulara göre etkin olan glukoz taşıyıcıları farklıdır. Polipeptid zincirinin hem hücre dışına doğru, hem de hücre içinde sitoplazmaya doğru “ilmek” şeklinde organize olmuş hidrofilik amino asitlerden zengin bölümü 17 18 GLUT-4 İnsülin etkisiyle glukozu taşır. İskelet kası, kalp kası ve adipoz doku hücrelerinde yer alır. İnsülin salındığında/egzersiz yapıldığında 1. GLUT 4’ler membrana doğru harekete geçerler. 2. Membran ile kenetlenirler 3. Membran ile bütünleşirler (füzyon) 4. Glukoz GLUT4’lerden içeri girer 19 20 5  8.10.2024 GLUT-4 GLUT 2 İnsülin etkileşimi İnsülin yoksa Hepatositlere ve pankreasın beta hücrelerine glukozun girişini GLUT 4 veziküllerinin %90’ı hücre içinde hareketsiz etkisiz kalırlar. sağlayan taşıyıcı protein. İnsülin salındığında/egzersiz yapıldığında Bol miktarda glukoz taşıma kapasitesi vardır. 1. GLUT 4’ler membrana doğru harekete geçerler. Glukoza afinitesi düşük, 2. Membran ile kenetlenirler Fosforlanmış glukoz serbest kaldığında dokuyu kolayca terk edebilir. 3. Membran ile bütünleşirler (füzyon) Bu durum karaciğer hücresinde glukoz azaldığında glukoneogenezin 4. Glukoz GLUT4’lerden içeri girer gerçekleşmesine de izin verir. İnsülin stimülasyonu ortadan kalktığında Pankreasta öğün sonrası GLUT2 ile beta hücrelerine taşınan glukoz 1. GLUT4 içeren membran parçası kopar/ayrılır. insülin sekresyonu için ilk adımdır. 2. Yeniden vezikül oluşturur ve hücre içinde bekleme konumuna geçer. 21 22 Karaciğerde GLUT 2 ve glukoz metabolizması Kanda doku/hücrelere geçen glukozun insülinden bağımsızdır. metabolizması GLİKOLİZ 23 25 6  8.10.2024 Glikoliz Bir molekül 6 C’lu glukozun à 3 C’lu iki pirüvat molekülüne ve/ya 3 C’lu Diğer monosakkaritlerin emilim iki laktat molekülüne parçalanmasıdır. Enerji elde etme sürecinin ilk evresidir. sonrasında karaciğerde Glikolizde GLİKOLİZ aracı ürünlerine Hem ATP eldesi Hem de “koenzimlerle elektron aktarma” dönüşerek metabolizmaya işlemi gerçekleştirir. Mitokondri dışında, sitozolde yer alır. katılımı Bu yol sadece glukozu okside etmekle OXYGEN kalmaz. Galaktoz, mannoz ve früktoz gibi diğer diyet şekerlerinin metabolizması ile glikolizin ARACILI ÜRÜNLERİNİ kullanarak gerçekleşir. 26 27 1 tane 6 C’lu glukoz molekülü Glikolizin 10 basamağı enerji eldesi Glikoliz 10 basamaklı bir yolak açısından 2 evreye ayrılır. Glikolizde sentezlenen enerji ile alakalı moleküller 1 tane 6 C’lu fruktoz ATP 1.6 bifosfat molekülü Sübstrat düzeyinde sentezlenir. 2 tane 3 C’lu molekül ETS gerekli değildir. gliseraldehit 3 NADH+ H+ fosfat + dihidroksiaseton Elektron ve proton yüklenmiş taşıyıcı fosfat koenzim molekülü Solunumun glikoliz ve oksijenli solunumun da krebs döngüsü evresinde görülen, fosfat içeren bir substratı ADP'ye bağlayarak ATP sentezlenmesine substrat düzeyinde fosforilasyon denir. 28 29 7  8.10.2024 Yatırım fazı Aerobik* / Anaerobik Glikoliz Parçalanmayı kolaylaştırmak için enerji yükleme Glikolizin ağırlıklı olarak veya tamamen (ATP yatırımı) hangi molekülle sonlanacağı (laktat mı? Yoksa pirüvat mı?) Yüklenen enerji ile - Hücredeki oksijen rezervlerinin yeterliliği 1 1 molekül 6 C’lu - Veya hücrede mitokondri şekerin 2 tane 3 C’lu şekere bulunmamasına göre belirlenir. parçalanması Kazanç fazı Açığa çıkan 1 Glikoliz çoğunlukla PİRÜVAT oluşumuyla sonlanır LAKTAT oluşumu vardır. Ancak azdır. 2 2 enerjinin kademeli olarak ATP ve Glikolizin son ürünü LAKTAT’tır. Aerobik glikoliz Anaerobik glikoliz NADH gibi enerji Oksidatif fosforilasyon ATP verimi düşük 2 ATP/1 moleküllerine aktif ve ATP verimi yüksek mol glukoz Ancak çok hızlı yüklenmesi >30 ATP/1mol glikoz ATP üretimi var. 30 31 Dokularda yeterli oksijen yoksa veya hücrede Dokuda yeterli oksijen varsa AEROBİK GLİKOLİZ tercih edilir. mitokondri yoksa; ANAEROBİK GLİKOLİZ tercih edilir. Mitokondri içermeyen hücrelerde (ör: eritrositler) glikolizin son ürünü Mitokondri içeren tüm hücrelerde LAKTAT’TIR. gerçekleşebilir. Mitokondri içermeyen Mitokondri içeren iskelet kası hücrelerinde (glikolitik kas liflerinde) çok hızlı Glikoliz çoğunlukla pirüvat oluşumu ile hücreler hangileridir? sonlanır. enerji çıktısının gerekli olduğu durumlarda gerçekleşir. Örnek; yüksek şiddetli egzersiz sırasında (saniyeler veya birkaç dakika ile ifade edilen Pirüvat asetil CoA’ya okside olur. zaman diliminde) Asetil CoA TCA siklusuna girer. Glikolizin son ürünü LAKTAT’tır. Glikoliz ve Krebs döngüsüsırasında oluşan Oksidatif fosforilasyonla glukoz molekülünün bileşiklerdeki hidrojen atomlarının, ökaryot Kas hücresindeki mitokondriyal oksijen rezervleri ve bunu kullanan yolaklar yeterince tamamı CO2 ve H2O’ya parçalanır. hücrelerde hızlı ATP üretemedikleri için glikolitik kas liflerinde anaerobik glikoliz tercih edilir. Bol miktarda ATP sentezi olur. mitokondrinin, prokaryothücrelerde hücre zarının üzerinde bulunan elektron taşıma Anaerobik glikoliz sırasındaki laktat oluşumu glikolizin devam etmesini LAKTAT oluşumu da vardır ancak az sisteminden (ETS) geçirilmesi sırasında oksijenle (NADH’ı NAD’ya geri döndürerek) sağlar, ancak oksidatif fosforilasyona kıyasla miktardadır. birleşerek su oluşturması ve kalan bileşiklerin minimal ATP üretimi ile sonuçlanır. ATP yapımında kullanılması olayıdır. 32 33 8  8.10.2024 Glikoliz 10 basamaklı bir yolak 34 35 1. basamak Glikolizin 1. basamağı 1. basamak “hücre içinde glukozun yakalanması (trapping) ve fosforlanması” Glukozun fosforlanmasının ikinci amacı Serbest glukozun aksine “glukoz 6 fosfat” Aktivasyon Glukoz hücreye girdikten sonra plazma membranını geçip dışarı çıkamaz. fosforlanarak tuzağa düşürülür. Fosforlanmadığı takdirde kana difüzyonla geri dönebilir. Metabolik yolların devamı için glukozun aktif hale gelmesi şarttır. 36 37 9  8.10.2024 1. basamak 1. basamak Fosforlanmış glukoz glikoliz yanında diğer metabolik yollarla da ilişkilidir. Karaciğer hücresi içinde glukoz 6 Kırmızı kan hücrelerinde glukoz 6 fosfatın primer kullanım şekline fosfatın farklı metabolik yolaklarda örnekler kullanılmasına örnekler 1. glikojen sentezi 1. Glikojen sentez edilemez 1. Glikoliz (glycolysis) 2. glikoliz yolu ile enerji eldesi 2. Glikoliz (EMP = embden 3. pentoz fosfat yolunda okside meyerhof) yolu ile ATP elde edilir. 2. Pentoz fosfat yolu (pentose phosphate pathway) edilerek nükleik asit sentezi için riboz 3. Pentoz fosfat yolu aktiftir. 3. Glikojen sentez yolu (gylcogen synthesis) ve NADPH eldesi 38 39 Hücre içinde glukozun fosforlanmasını sağlayan 1. basamak Glukokinaz enzimler İzoenzimler Fosforlamada kullanılan iki enzim vardır. Hexokinaz (kc ve pankreas hariç tüm Karaciğer, pankreas ve hipotalamusta bulunur. dokularda) “kimyasal yapıları farklı” ancak Mitokondri dış membranına yerleşmiş olarak Glukokinaz (karaciğerde) “fonksiyonları birbirine benzeyen” iki Yüksek glukoz seviyelerinde (öğün sonrası kan glukozunun arttığı durumlar) Bunlar izoenzim çiftidir. bile aktif olarak kalmaya devam eder veya daha fazla sayıda enzim Allosterik bir enzim değildir. Glukoz 6 fosfat glukokinazı doğrudan inhibe etmez. moleküllerine verilen ad Glikolizin regülatör enzimlerinden biridir. İnsülin ve ”glukokinaz düzenleyici protein” tarafından regüle edilir. 40 41 10  8.10.2024 1. basamak 1. basamak Glukokinaz (devam) Glukokinaz (devam) Karaciğerdeki glukokinazın işlevi Pankreastaki glukokinazın işlevi Yemek sonrasında artan kan glukoz düzeyleri kandan hepatosite doğru glukoz taşınmasını sağlar ve glukokinaz etkinliğini arttırır. Böylece ilerde Pankreasın glukoz sensörüdür. kana verilmek üzere fazlaca glukozun karaciğerde depolanmasına ve kan glukozunun stabilize edilmesine olanak sağlar. İnsülinin beta hücrelerinden uygun miktarda salgılanmasında Kandan fazla miktardaki glukozu temizleyip fosforlar (modülasyonunda) rol oynar. Glukoz 6 fosfat enerji depolama sinyali oluşturur (glikojen ve lipid sentezi için) Glukoz 6 fosfatı glukoza geri dönüştüren glukoz 6 fosfataz enzimi ile zıt yönde çalışır. Bu şekilde kan şekerinin homeostazisinde önemli rol oynar. 42 43 2. basamak 3. basamak Glukoz 6 fosfat izomeraz “glukose Fosfofrüktokinaz – PFK 6-phosphate isomerase” PFK basamağı İkinci basamak Glukoz 6 fosfat, fruktoz 6 fosfata izomerize olur. Bu reaksiyon geri dönüşümlü (reversible) reaksiyondur. Glikolitik pathwayin 3. basamağıdır. Glucose 6-phosphate isomerase enzimi tarafından katalizlenir. Bu reaksiyonu katalizleyen enzim PFK enzimidir. Bu basamak irreversible’dir. Tepkimenin ürünü früktoz 1.6 bifosfattır. 44 45 11  8.10.2024 Glikolizin regülasyonunda anahtar enzim Fosfofrüktokinaz enzimi (PFK) sporcularda egzersiz sırasında kaslardaki pH azalmasından olumsuz etkilenir. Aktivatör İnhibitör Ortam pH’ındaki azalma enzimin aktivitesini düşürür. 46 47 Egzersizin kas pH’sına etkisi Fosfofrüktokinaz-1 20-30 saniyeden fazla süren maksimal egzersizde performansın esas kısıtlayıcısı düşük kas pH’sıdır. Dinlenme durumunda kas hücresinin içinde pH değeri 7.1’dir. Ortam pH’sındaki azalma enzimin aktivitesini düşürür. 6.9 pH seviyesinde PFK inhibe olur. ATP üretimi yavaşlar. Egzersize bağlı tükenme durumunda 6.4’e kadar iner. 6.4 pH’da ise ATP iyice düşer, tükenme oluşur. Artmış H+ konsantrasyonu Ca iyonlarının kas kasılmasındaki etkinliğini bozar. pH’nın normale dönmesi 30-35 dakika sürebilir. Ancak pH 6.9 altında sporcu nispeten daha düşük şiddette egzersizleri sürdürebilir. Egzersizden 2 saat önce bikarbonat yükleme ile pH değişimleri azaltılabilir. 48 49 12  8.10.2024 4. basamak 4. basamak Aldolaz A/B Basamağı Aldolaz B “Aldolase A/B” früktoz metabolizması ilişkisi Glikolizin 4.basamağıdır. Karaciğerde ikinci bir aldolaz enzimi daha eksprese edilir à aldolaz B Aldolase A; Aldolaz B esas olarak karaciğerde bulunur. 6 karbonlu “früktoz 1.6 bifosfat” 3 Daha düşük düzeylerde böbrek ve barsak hücrelerinde de yer alır. karbonlu trioz fosfatlara ayrılır. Tepkimenin ürünleri Aldolaz B à fruktozun yıkımında işlev gören bir enzimdir. Glyceraldehyde 3-phosphate Bu enzim nispeten daha az oranda glukozun yıkımında da görev yapabilir. Dihydroxyacetone phosphate (DHAP) 50 51 4. basamak 5. basamak Triozfosfat izomeraz Aldolaz A /Glukoneogenez ilişkisi “triosephosphate isomerase” Glikolizin 5. basamağı Aldolazların katalizlediği tepkimeler reversible tepkimelerdir. Dihidroksiaseton fosfat (DHAP) gliseraldehit 3 Bu nedenle aldolaz A glikolitik yolağın tam tersi yönde işleyen fosfat (GA3P)’a izomerize edilir. Glikolitik yolda Aldolaz A reaksiyonundan ortaya glukoneogenez pathwayinde de ortak kullanılan bir enzimdir. çıkan DHAP ve GA3P yola ayrı ayrı devam etmezler, Aldolaz A eksikliğinin ilişkili olduğu durumlar bunun yerine daha ekonomik bir strateji olarak öncelikle birbirlerine benzer hale getirilirler. Miyopati (kas dokusu veya kaslarda görülen bir bozukluk) Reaksiyonu katalizleyen enzim triozfosfat Hemolitik anemi ile ilişkilidir. izomeraz enzimidir. Geri dönüşümlü bir tepkimedir. 52 53 13  8.10.2024 6. basamak GA3P dehidrogenaz Fosfat moleküllerinin biyokimyada gösterilmesi “glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase” Glikolizin 6. basamağıdır. Glikolitik pathway’deki tek oksidasyon redüksiyon redüksiyon tepkimesidir. Reaksiyon geri dönüşümlüdür. Tepkimenin ürünü 1.3 bifosfogliserat’tır. Gliseraldehit 3 fosfat dehidrogenaz enzimi tarafından katalizlenir. Bu tepkime sırasında oksidasyon-redüksiyon reaksiyonu ile aynı anda organik bir bileşik olan İnorganik fosfat “pi” Fosforil grubu veya bir Pirofosfat (fosforik anhidrit) GA3P yapısına inorganik fosfat (pi) eklenmesi yapılır. olarak gösterilir. molekülle yer değiştiren Ppi olarak gösterilir. 1.3 bifosfogliserat yapısında yüksek enerjili fosfat ester bağı ortaya çıkar. fosfor P olarak gösterilir. Bu bağın enerjisi ATP’nin gamma fosfat bağı (terminal fosfat bağından) daha yüksektir. 54 55 7. basamak 8. basamak Fosfogliseromutaz Fosfogliserat kinaz “phosphoglyceromutase” “phosphoglycerate kinase” Glikolizin 7. basamağı 1.3 bifosfogliseratın fosfoanhidri bağındaki enerji ADP’ye aktarılır. Tepkimenin ürünleri 3-fosfogliserat ve ATP’dir. Bu tepkime geri dönüşümlüdür. Tepkime fosfogliserat kinaz tarafından katalizlenir. Glikolizin 8.basamağıdır. Bu tepkimeyi katalizleyen enzim phosphoglyceromutaz’dır. Bu basamak geri dönüşümlüdür. Bu enzim fosfogliseratın yapısında 3-pozisyonunda bulunan fosfat grubunun 2-pozisyonuna transfer edilmesidir. 56 57 14  8.10.2024 9. basamak Enolaz 10. basamak Pirüvat kinaz “Enolase” “pyruvate kinase” Glikolizin son ve 10. basamağı Glikolizin 9.basamağıdır. Fosfoenolpirüvatın yapısındaki fosfat grubu ADP’ye transfer edilir. Bu tepkimeyi katalizleyen enzim enolazdır. Tepkime irreversible’dır Enolaz enzimi 2-fosfogliseratı PEP (fosfoenolpirüvata) dehidrate eder. Tepkimeyi katalizleyen enzim pirüvat kinaz’dır. Tepkime iki yönlüdür. Tepkime ürünleri pirüvat ve ATP’dir. Tepkimelerin ürünleri PEP +H2O’dur. 58 59 Glikolizin regülasyonunda anahtar enzim Sübstrat düzeyinde ATP sentezi “substrat düzeyinde fosforilasyon” Daha etkin sentez yolu İnsülin ise dolaylı olarak Aktivatör (fosfofrüktokinaz-2 enzimini aktifleştirerek) fosfofrüktokinaz- İnhibitör 1 enziminin aktivatörlüğünü yapar ve GLİKOLİZİ ilerletir. TCA siklusu + glikolizden gelen indirgenmiş ekivalanlardan mitokondride (ETS’de) 60 61 15  8.10.2024 Glikoliz enerji eldesi açısından kademeli bir oksidasyon yolağıdır. Hatırlatma !!! Glukozun hücrelerde adım adım/kademeli oksidasyonu. Glukoz homeostazisi ve hormonların durumu Bu sistemde glukoz molekülündeki enerji kademeli olarak azalır. Kan glukoz seviyesinin normal sınırın Kan glukozunun normal sınırın altına inmesi üzerine çıkması (elevated blood glucose, (low blood glucose, hypoglycemia) Kademeli sistemde enzimlerin aktivasyon enerjisi düşüktür. hiperglisemi) İnsülin salınımını uyarır. Glukoneogenezi uyaran hormonları Vücut sıcaklığı ve bazı basamaklarda cepteki ATP’den stimüle eder. yararlanıp aktivasyon enerjisi sağlanır. Bu anabolik bir hormondur. Glukagon Bu hormonların işlevleri Hidrokortizon Glukozun hücre içine girişini sağlamak (kas ve Bu hormonlar bazı metabolik yolları Glukozdan kademeli olarak açığa çıkan enerji ATP ve adipoz dokuya) etkileyerek homeostazisi düzenler. Ör: NADH gibi moleküllerin yapısına aktarılır. Karaciğerde glikojen yıkımını uyarır Glikozun hücre içinde enerji kaynağı olarak (glikojenoliz yolağı) kullanımı (glikoliz) Karaciğerde glukoz sentezini uyarırlar Fazlasının kas ve karaciğerde depo edilmesi (glukoneogenezis) (glikojenez) Böylece kana glukoz geçişini desteklerler. Glukozdan yağ asidi sentezi, kc ve adipoz dokuda (denovo lipogenez) 62 63 Glikolizin son ürünü dokulara göre farklılık gösterir. Glikoliz – enerji ilişkisi Mitokondri içeren dokularda moleküler oksijen varlığında glikolizin Glikolizin ana fonksiyonu ATP üretmektir. son ürünü pirüvattır. Kas Bir molekül glukozun 2 molekül pirüvat veya laktata parçalanması (okside olması) ile net Karaciğer ATP üretimi “2 ATP”dir. Mitokondri içermeyen dokularda veya mitokondri içermesine karşın yeterince oksijen içermeyen bazı durumlarda glikolizin son ürünü Glikolizde üretilebilecek ATP miktarı TCA siklusu ile karşılaştırıldığında çok azdır. laktattır. Glukozun CO2 + H2O’ya tamamen okside olması durumunda ise üretebileceği belirtilen Kırmızı kan hücresi (mitokondri içermez) maksimum enerji yaklaşık 38 ATP ??? Kaslarda à yüksek şiddetli egzersiz yapıldığı durumda 64 65 16  8.10.2024 Glikoz daha ileri düzeyde oksidasyon için sübstrat sağlar. Glikolizin aracı ürünleri ve son ürünleri diğer metabolik yolaklar için sübstrat olarak kullanılır (1) Sitozolde Pirüvat; aerobik glikolizin son ürünü iken; Adipoz doku ve karaciğerde Mitokondride gerçekleşecek oksidasyon basamaklarının başlangıç Her iki organın da triaçilgliserol sentezleme kapasitesi yüksektir. sübstratıdır. Çünkü “glycerol 3-phosphate dehydrogenase” enzimi içerirler. Mitokondride Bu enzim glikoliz yolağının aracı ürünü (5. basamak) olan dihidroksiaseton 1.Pirüvat dehidrogenaz enzimi ile fosfatı (DHAP) gliserol fosfata çeviren enzimdir. DHAP : triaçilgliserol ve fosfolipid sentez yolaklarının sübstratıdır. Pirüvat à asetil CoA + CO2 2. TCA’da daha ileri oksidasyon basamakları ile Asetil CoA à CO2 + H2O 66 67 Glikolizin aracı ürünleri ve son ürünleri diğer metabolik yolaklar için Glikolizin aracı ürünleri ve son ürünleri diğer metabolik yolaklar için sübstrat olarak kullanılır (3) sübstrat olarak kullanılır (2) Karaciğerde Kırmızı kan hücrelerinde Pirüvat à Alanin sentezi 1,3 bisphosphoglycerate, glikoliz yolağının ara ürünü (6.basamak) olup Aerobik glikolizin son ürünü olup, transaminasyon ile bir amino grubu 2,3-bisphospoglycerate sentezi için kullanılır. kazanarak ALANİN amino asidine çevrilir. Oksijen ile hemoglobin arasındaki etkileşimin allosterik düzenleyicisidir. Hgb’nin oksijene affinitesini düzenler. Asetil CoAà yağ asidi veya kolesterol sentezi Bunların birbirine dönüşümü Pirüvat mitokondriye girer, okside olur ve Asetil-CoA oluşur. “biphosphoglycerate mutase” enzimi ile gerçekleşir. Asetil CoA hem kolesterol sentez pathwayi hem de yağ asidi sentez yolağının sübstratıdır. 68 69 17  8.10.2024 Tüm hücreler glukozu pirüvat ve laktata okside edebilir. ATP eldesi için anaerobik glikolize bağımlı olan hücreler Oysa ki diğer önemli yakıt olan yağ asitlerinin bazı hücreler enerji kaynağı olarak kullanamazlar. Örneğin: Nöronlarda mitokondri bulunur. Ancak uzun zincirli yağ asitleri kan beyin bariyerini geçemez. Mitokondri içermeyen hücrelerdir. Bu nedenle de nöronlar yağ asitlerini enerji kaynağı olarak kullanamazlar. Eritrositler Yağ asitleri önce karaciğerde keton cisimciklerine dönüşmek zorundadır. Gözdeki lens ve kornea hücreleri Nöronlar keton cisimciklerini enerji kaynağı olarak kullanabilir. Nöronlar keton cisimciklerini asetil CoA’ya çevirerek kullanırlar. 70 71 Glikolizin regülasyonu Fosfofruktokinaz-1 Fruktoz 1.6 bisfosfataz İnhibitörleri à ATP , sitrat, uzun zincirli yağ asitleri (LCFA) Açlık – Tokluk Durumunda Devreye Giren Aktifleştiren ise à AMP ve ADP Metabolik Yolaklar İnsülin ise dolaylı olarak (fosfofrüktokinaz-2 enzimini aktifleştirerek) fosfofrüktokinaz-1 enziminin aktivatörlüğünü yapar ve GLİKOLİZİ ilerletir. 72 73 18  8.10.2024 Tokluk durumunda Açlık durumunda Sindirilmiş gıdaların işlenmesi oluşan metabolitlerin ileride kullanılmak üzere depolanması gerekir. Endojen yakıt kaynaklarından enerji oluşturmak gereklidir. Bol miktardaki postprandiyal glukoz; Endojen yakıt kaynakları (depolanmış yakıtlar) Bir yandan enerji oluşumu için kullanılır. Adipoz dokuda triaçilgliserol formunda depolanmış olan yağ asitlerinin oksidasyonu Diğer yandan kas ve karaciğerde glikojen depolarının yenilenmesi, Karaciğer ve kasta glikojen formunda depolanmış olan glukozun oksidasyonu doldurulması için kullanılır. Öyleyse metabolik yolların işleyişi şöyle olabilir. Bunlardan arta kalan glukoz (excess glucose) karaciğerde ve yağ hücrelerinde Yağ asitlerinin yapımında kullanılırlar. Depolanmış yakıtların oksidasyonunu sağlayan metabolik yollar aktiftir. Ortaya çıkan trigliseridler (yağ asidi + gliserol bileşikleri) adipositlerde depolanır. Beta oksidasyon TCA siklusu Öyleyse TOKLUKTA metabolik yolların işleyişi şöyle olabilir. Glikoliz Glukoz metabolizması ile ilgili yollar aktif olmalıdır. Örnekler Glikoliz Gece açlığı sırasında vücudun enerji gereksiniminin çoğu yağ asitlerinin Glikojenez oksidasyonu ile karşılanabilir. Denovo lipogenez 74 75 Pirüvatın önemi ve akıbeti 76 77 19  8.10.2024 Hücrede enerji akışı ve pirüvatın akıbeti Mitokondriye pirüvat transportunu özel bir taşıyıcı gerçekleştirir. Pirüvat önce mitokondriye transport edilir. Pirüvat mitokondri içerisinde 2 ana enzim ile karşılanır. Pirüvat taşıyıcısı: Pirüvat karboksilaz B taşıyıcı “pirüvat simporter” veya organik asit carrier” olarak bilinir. Glukoneogenik enzim Bu taşıyıcı mitokondri iç membranından pirüvat + 1 proton transfer Pirüvat dehidrogenaz yapar. TCA’ya yönlendiren PDH kompleksinin ilk enzimidir. 78 79 Ek : Kotransport Enerji yükü fazla olan hücrelerde/dokularda Pirüvat doğrudan glukoneogeneze yönlendirilir. Mekanizma İki farklı maddenin aynı anda taşınması Koenzim A asetilasyonunun olup olmaması 1. antiport (zıt yönlü) 2. simport (symport) (aynı yönde) 80 81 20  8.10.2024 CoA / asetillenmiş CoA Enerji yükü fazla olan hücrelerde/dokularda “Coenzyme A / Acetyl CoA” Pirüvat doğrudan glukoneogeneze yönlendirilir. Mekanizma Koenzim A; enerji yükünün fazla olduğu durumda asil grupları ile bağlanmış, özellikle de asetillenmiş (CoA’nın metil thioester formu; yani asetil CoA formunda) artmış durumdadır. Asetil CoA; pirüvat karboksilaz enzimini allosterik olarak aktif hale getirir.. Pirüvat glukoneogeneze yönlendirilir. 82 83 Glikoliz ve glukoneogenez Enerji yükü düşük olan hücrelerde/dokularda Glukoneogenez karaciğerde Pirüvatın TCA siklusunda okside edilmesi tercih edilmesi edilir. Glikoliz Glukoneogenez gerçekleşir. Mekanizma Glukoneogenezin pirüvat karboksilaz Koenzim A; enerji yükünün düşük olduğu durumda asil grupları ile bağlanır. Pirüvat karboksilaz enzimi inaktiftir. enzimi mitokondri içinde yer alır. Pirüvat TCA siklusuna yönlendirilir. Diğer enzimler ise sitozolde bulunur. 84 85 21  8.10.2024 Pirüvat dehidrogenaz kompleksinin yapısı Çok büyüktür ve çoklu alt ünitelere sahiptir. Yapısında; 3 tane katalitik enzim içeren bir multienzim kompleksidir. 1.Pirüvat dehidrogenaz 2. Dihidrolipoamid asetiltransferaz 3. Dihdrolipoamid dehidrogenaz 2 tane regülatör enzim bulunur. 1. PDH kinaz 2. PDH fosfataz PDH kompleksi PDH enzim kompleksi 5 koenzime ihtiyaç duyar. o Coenzyme A (pantotenik asit) Quarterner yapı o NAD (niasin) o FAD (riboflavin) o Lipoic asit En büyük ve en kompleks çoklu o Tiamin pirofosfat (tiamin) enzim (multienzim) sistemlerinden biridir. 86 87 Pyruvate dehydrogenase complex PDH tepkimesinin ana fonksiyonları Asetil CoA üretmek (CoA’nın metil thioesterlerini üretmek) Tüm mitokondri içeren hücrelerin Asetil CoA TCA siklusuna girerek enerji vermek üzere tamamıyla CO2’ya okside olur. Asetil CoA’nın diğer bir kaynağı yağ asitlerinin beta oksidasyonudur. PDH kompleksi TCA için PDH enzimleri bulunmaktadır. gerekli olan Asetil CoA’yı pirüvattan elde eder. Pirüvat dehidrogenaz kompleksi mitokondri iç membranının matrikse NADH + H üretmek (indirgenmiş NAD üretmek) bakan yüzeyinde bulunur. İndirgenmiş NAD molekülleri mitokondri içinde yer alan ETS’de okside edilerek ATP sentezinde kullanılır. 89 90 22  8.10.2024 PDH glikoliz ile TCA arasında bir köprüdür 2 tane regülatör enzim 1. PDH kinaz 2. PDH fosfataz Bu köprü tek yönlüdür à CO2 kaybı nedeni ile Bu tepkimenin tek yönlü olmasından dolayı karaciğer Asetil CoA’yı glukoneogenezde kullanamaz. Stimüle edenler à NADH, Acetyl CoA, ATP Stimüle edenler İnhibe edenler à NAD+, CoA, ADP, pirüvat àCa , Mg 91 92 PDH enzim kompleksi aktivitesinin arttığı PDH ile ilgili bilinmesi gerekenler veya azaldığı fizyolojik durumlar Çok büyük bir multi enzim kompleksidir. Tokluk durumunda à PDH aktivitesi artar Kuarterner yapıdadır. Çok sayıda koenzimle idare edilir. Açlık durumunda à PDH aktivitesi azalır. Önemli bir regülasyon basamağıdır. Aerobik egzersizde à PDH aktivitesi artar. Çıktısı asetil CoA’dır. Aynı zamanda CO2 oluşumu ile sonlanır. 93 94 23  8.10.2024 PDH aktivitesinin arttığı veya azaldığı fizyolojik durumlar “PDH aktivitesi yemek yendikten sonra (post prandiyal state) artar. Pek çok hücreler postprandiyal durumda enerji ihtiyaçlarını esas olarak glukozdan karşılarlar. Bu sebepten kas hücrelerine glukoz akışı insülinle stimüle edildiğinde PDH aktivitesi ve CHO oksidasyonu artar. “PDH aktivitesi “fasted state (açlık durumu) da azalır Hücre solunumu Yağ asit oksidasyonuna bağımlı ATP sentezlemek C6H12O6 + 6O2 ààà 6CO2 + 6H2O + ATP “PDH aktivitesi aerobik egzersizde artar” 95 96 Hücre solunumu Hücre solunumunun parçaları Besin ögelerinin kimyasal bağlarında bulunan enerjiyi ATP’ye aktarmak için gerçekleşen metabolik süreçlerin tamamına denir. Glikoliz Bu tepkime ve reaksiyonlar sonucunda ATP yanında Hazırlık aşaması (pirüvattan asetil CoA oluşumu) Isı CO2 Krebs siklusu H2O ortaya çıkar. Isı enzimatik tepkimelerin gerçekleşmesi için gerekli olan aktivasyon Elektron transport zinciri ve oksidatif fosforilasyon (chemiosmosis) enerjisini sağlar. 97 98 24  8.10.2024 Hücre solunumunun parçaları 1.Yatırım fazı (cepten harcama) à - 2 ATP Glikoliz 2. Ödeme (hesabı kapatma) fazı à +4 ATP NET KAZANÇ NAD VE FAD ???? 2 ATP 99 100 Hazırlık Basamağı Kreb’s Cycle Hücre solunumunun majör metabolik yolaklarından biridir. Pirüvat mitokondriye transport edilir. Glikoliz, beta oksidasyon ve diğer katabolik süreçlerden üretilen iki karbonlu asetil CoA molekülünün tamamiyle CO2’e okside edildiği ve İki karbonlu asetil grubuna katabolize Bu esnada oluşan protonların ve enerji taşıyıcısı elektronların NAD ve edilir. FAD moleküllerine aktarıldığı tepkimeler döngüsüdür. Enerji NADH olarak salınır. Serbest kalan karbon CO2 olarak ortama salınır. Asetil grubu Coenzim A ile kombine olur ve bir sonraki basamak olan Krebs siklusuna yönlendirilir. 101 102 25  8.10.2024 Kreb’s siklusu (basitçe) Kreb’s siklusu (basitçe) Her TCA döngüsü sırasında; Her siklus şöyle başlar Bir molekül asetat asetil CoA formunda tepkimeye girer. 2 asetil CoA + 4 C oxaloacetate Asetil CoA, 4C’lu OAA ile birleşerek 6C’lu sitrat oluşturur. ile kombine olur à 6 C sitrat Siklusun daha sonraki tepkimelerinde iki karbon atomu CO2 formunda oluşur. salınır ve OAA oluşur. Her siklus şöyle biter OAA’ın tepkimeleri başlatması ve tepkimeler sonucunda yeniden 2 C à CO2 olarak kaybolur. OAA ortaya çıkması TCA siklusuna dairesel özellik kazandırır. (oksaloasetat) yeniden oluşur. Amaç à asetatın yapısındaki enerjiyi açığa çıkarmak 103 104 1 mol glukozdan (2 asetil CoA) Krebs siklusunun TCA siklusu enzimlerinin lokasyonu çıktıları Süksinat dehidrogenaz (succinate dehydrogenase) Mitokondri iç membranına yerleşmiş integral bir proteindir. Tüm diğer TCA enzimleri Mitokondri matriksi içinde yer alırlar. 105 106 26  8.10.2024 TCA’nın fonksiyonları Glukoneogenez TCA siklusunun temel fonksiyonu ATP + OAA ile direk veya indirgenmiş eşdeğerler Glukoneogenezde glukoz sentezi için kullanılır. (NADH veya FADH2) ile ETS’de enerji eldesi sağlamaktır. Sitozoldeki “malat dehidrogenaz” enzimi malat’ı OAA’ okside eder. ETS için substrat sağlar. 𝓪-ketoglutarat TCA siklusunun bazı aracı ürünleri Belli amino asitlerin yıkımı ile ortaya çıkan alfa keto asittir. havuzdan çekilerek diğer hücre bileşenlerinin biyosentezinde kullanılır. TCA siklusuna girer ve malata çevrilerek mitokondriden sitozole Succinyl-CoA transport edilir. “hem sentezi” yolağın sübstratıdır. Glukoneogenez için OAA’a çevrilerek kullanılır. 107 108 Bu siklusun bazı ara ürünleri diğer metabolik yolakların düzenleyici basamaklarını oluşturur. Hücredeki sitrat konsantrasyonu hücrenin enerji yükü ile yakından ilişkilidir. Hücrenin enerji yükü fazla olduğu zaman; yani mitokondrideki ATP konsantrasyonu yüksek olduğunda: Sitrat à glikoliz inhibe edilir (fosfofruktokinaz) ATP konsantrasyonu ve sitrat konsantrasyonu artarsa à sitrat mitokondriden sitozole geçiş yapar ve inhibisyona neden olur. 110 116 27  8.10.2024 TCA’nın fonksiyonları TCA’nın fonksiyonları sitozoldeki sitrat hangi metabolik yolakların yağ asidi sentezi ve kolesterol sentezi için ortamda hazır aktivitesini regüle eder? asetil CoA bulundururlar. 1. Glikoliz Hepatositler ve adipositler; Glikolizi inhibe eder à fosfofrüktokinaz-1 (PFK- 1) enzimini etkileyerek, En fazla yağ asidi sentez kapasitesine sahip olan hücreler 2. Glukoneogenez Yağ asidi sentezinde kullanılacak asetil Glukoneogenezi stimüle eder à fruktoz 1.6- CoA’nın tamamına yakını mitokondride bisphosphatase enzimini etkileyerek PDH reaksiyonu ile oluşturulur. 3. Yağ asidi biyosentezi Asetil gruplarının mitokondriden transferi sitrat formunda olur. De novo fatty acid sentezini ilerletir à asetil CoA Sitrattan asetil CoA’nın yeniden sentezi karboksilazı aktive ederek FA sentezi ve kolesterol sentezine fırsat sağlar. 117 118 TCA siklusunun aktif ve inaktif olduğu fizyolojik durumlar TCA’nın başlangıç reaksiyonu Enzim Aerobik egzersiz Sitrat sentaz İskelet ve kalp kasında TCA siklus aktivitesi artar. Reaksiyon tipi Açlıkta à Karaciğerde İrreversible Aktif değil Sübstratlar OAA glukoneogenez için kullanıldığından tükenmiştir. OAA ve asetil CoA Malata çevrilen TCA ara ürünleri mitokondriden sitozole transport edilir ve glukoneogenez için kullanılır. OAA son basamakta yeniden oluşur. Bu koşullarda asetil CoA ketonların sentezinde kullanılır ve hepatositlerden Ürün kana verilir. àDiğer dokular Sitrat Ketonlar başta kaslar olmak üzere CO2 ve suya metabolize edilir. 119 120 28  8.10.2024 TCA’nın ikinci reaksiyonu TCA’nın üçüncü reaksiyonu Enzim Enzim İzositrat dehidrogenaz Aconitase (bir çeşit isomerase) NAD’yle bağlantılı enzim Bu enzimin sitozolik formu da mevcut. Hücrelere demir transportunda ve vücutta TCA’nın ilk redoks tepkimesi demir düzeylerinin regülasyonunda Reaksiyon tipi Reaksiyon tipi İrreversible Reversible Sübstratlar Sübstratlar