Glikoz Kullanım Yolakları

Glikoz hücre içine alındıktan sonra 3 farklı metabolik yolda ilerlemektedir. 1- Piruvata oksidasyon, ki bu yolakta piruvat ileri bir oksidasyonla sitrik asit siklusuna dahil olabilir.

2- Glikojene dönüşüm.

3- Biyosentetik ve/veya metabolik yolaklarda kullanılmak üzere diğer şekerlere dönüşüm.

Kullanılan birim O2 başına en fazla ATP’nin üretildiği biyolojik yakıt kaynağının yağ ya da diğer kaynaklarla karşılaştıldığında glikoz olduğu bildirilmektedir. Diğer yakıt kaynaklarından ayrılan bir başka özellik ise glikozdan oksijensiz ortamlarda da ATP üretilebilmesidir.

39 Piruvata oksidasyon

Hepatik glikoneogenezis ile periferal glikolizis arasındaki denge özellikle uzamış besin yetersizliği ve/veya açlık durumunda olmak üzere organizmanın önemli bir homeostatik fonksiyonudur. Glikoz hücre içerisine girdikten sonra reaksiyonların baslayabilmesi için aktiflesmesi gerekir. Glikozun aktiflesmesi bir molekül fosfat baglayarak glikoz-6-fosfat (G-6-P) haline dönüsmesi ile olmaktadır. G-6-P karbonhidrat metabolizmasında kaynak noktadır.

Glikozun hücre içine girdikten sonra ugradıgı ilk degisiklik, fosfat baglanarak glukoz-6-fosfat (G-6-P)’a dönüsmesidir. G-6-P glukozun metabolik olarak aktif şeklidir. Glikoz hücreden kolaylıkla çıktıgı halde, G-6-P hücreden çıkamaz. Glikozun, G-6-P’a dönüsümünü glukokinaz enzimi katalize eder. Glikoz, fosfatı ATP’den alır. ATP’den ayrılan bir mol fosforik asit glukozun 6. karbonuna baglanır. Reaksiyonun geri dönüşümü ise, baska bir enzim Glukoz-6-fosfataz(G-6-Paz) katalize eder.

Glikozun piruvat ve laktata oksidasyonu hemen hemen tüm yaşayan hücrelerde gerçekleşen bir olaydır. Glikozun devamlı olarak tedariki özellikle nervöz sistem hücreleri ve eritrositler için olmak üzere tüm organizmanın enerji ihtiyacının kaynağı durumundadır. Glikozun nervöz hücreler ve eritrositler için önemi nervöz sistem hücrelerinin minimal depo kapasiteleri ve eritrositlerin glikozu depo edememeleri ya da yakıt olarak başka substratları kullanamamalarından kaynaklanmaktadır.

Fosfoglukoizomeraz enzimi etkisi altında iki yönlü bir tepkime ile Glukoz-6- fosfat, fruktoz-6-fosfat (F-6-P)’a dönüsür. Fruktoz-6-fosfat, ATP’ den bir mol daha fosfat almak sutetiyle, fruktoz-1,6-difosfat (F-1,6-di-P)’a çevrilir. Tepkimeyi katalize eden enzim fosfofruktokinaz’dır. Bu reaksiyon ATP, AMP ve fosfatın hücre içi seviyeleri ile alosterik olarak kontrol edilmektedir. Fosfofrktokinaz enzimi tek yönlüdür ve glikolizin kilit enzimi olarak kabul edilmektedir. Reaksiyonun geri dönüsümü, fruktoz-6-fosfataz (F-6-Paz) enzimi ile gerçeklesir. Ardından fruktoz1,6- di-P, ikiye bölünerek, 2 mol 3 karbonlu aldolaz enzimi ile monasakkarite yani triozlara parçalanır. Bunlar, gliseraldehit-3-fosfat ve dihidroksiaseton fosfat’tır.

40 Aldolaz’ın katalize ettigi tüm tepkimelerde reaksiyon ürünlerinden birisi mutlaka dihidroksiaseton fosfat’tır. Sadece bu tepkimeye özel bir enzim olmayan aldolaz başka keto sekerleride parçalamaktadır. Bu tepkimelerin ardısıra oluşan 7 kimyasal tepkime sonunda piruvat formasyonu tamamlanmış olur

Aerobik koşullar altında karbonhidratlar, yağ asitleri ve proteinler okside olarak karbondioksit ve suya dönüşümünün sağlandığı krebs siklusuna dahil olurken glikoz uzamış besin yetersizliği ya da açlık durumlarında laktat, piruvat ve alanin moleküllerinden oluşumu sonucu söz konusu döngüye girmesiyle diğerlerinden ayrılır. Aerobik glikolizis sonucu her molekül glikozdan 38 ATP üretilmektedir.

Glikoneogenezise ya da krebs döngüsüne yakıt kaynağı olmak üzere mitokondriyal membranı geçecek olan piruvatın (Asetil ko enzim A) AsCoA’ya transformasyonu piruvat dehidrojenaz enzim kompleksi tarafından determine edilmektedir. Bu enzim kompleksi; hücresel enerji depo düzeyi yüksek olduğunda ATP ve piruvat dehidrojenaz kinaz(PDK) tarafından kompleksin fosforilasyonunun engellenmesi sureti ile inhibe edilmektedir. PDK ‘nın izoenzimlerinden olan PDK2 ve PDK4 dokuların büyük kısmında expresse edilirken, PDK1 ve PDK3’ün expresyonu daha kısıtlıdır. Glikozun oksidasyonu oranının majör determinantı piruvat dehidrojenaz enzim kompleksidir. AsCoA dönüşümün ardından sonucunda CO2 ve hidrojen atomlarının oluştuğu krebs döngüsünün ilk ürünü olan sitratı meydana getirmek üzere oksalasetat ile kondanse olur. Yedi ardıl reaksiyon sonucunda iki CO2 molekülü bölünerek tekrar oksalasetat oluşmaktadır.

Fosforile edilmiş komponentler elektriksel yükleri nedeni ile membranları geçemezler bu nedenle piruvat dehidrojenaz aktivitesi mitokondriya içinde sınırlı kalmaktadır. Mitokondri iç membranında reverzibil şekilde elektron alarak indirgenen daha sonra okside olarak ATP üretimini sağlayan solunum zinciri proteinleri bulunmaktadır. Karaciğere gelen artmış NEFA düzeyleri hem hepatik NEFA oksidasyonu hem de hepatik glikoz üretimini uyarmaktadır. Randle siklusu olarak da bilinen bu glikoz-yağ asidi siklusunda glikoneogenezin uyarılması yanında insülinin portal dolaşımdaki ekstraksiyonu azalmaktadır.

41 Randle siklusu sonucu mitokondriya içindeki artmış AsCoA ve NADH seviyesi sitozolik sitratın artması ile sonuçlanmaktadır. Sitozolik sitratın artması fosfofruktokinaz seviyesinde glikolizisi inhibe etmekte ve böylece glikozun yakıt kaynağı olarak kullanımı azalırken glikojen şekli artmaktadır. Uzun zincirli yağ asitlerinin mitokondriyaya transferini regüle eden malonyl CoA’nın yakıt kaynağı sensörü işleviyle glikoz metabolizmasında ve insülin aktivesinde merkezi bir rolünün olduğu düşünülmektedir. Mitokondriyal ve glikolitik prosses insülin sekresyonu ile bağımlı haldedir. Glikolizisin sonucu olarak yükselen ATP seviyesi ATP bağımlı potasyum kanallarını kapatarak kalsiyum kanallarını açmakta, bu da insülin sekresyonunu tetiklemektedir(Bouché ve ark 2004).

Krebs döngüsünün aktivitesi sadece mitokondriyal asetil CoA konsantrasyonuna bağlı değildir. Söz konusu metabolik yolak substrat kaynağına bağlı olarak büyük değişiklik gösterir. Örneğin substrat kaynağı olarak yağ asitleri glikoz ile karşılaştırıldığında10 kat daha fazla asetilCoA sağlamaktadır. Sitrat sentaz, izositrat ve α-ketoglutarat dehidreojenaz krebs döngüsünün kontrol noktalarını oluşturan önemli enzimlerdir. Piridin nükleotid redox potansiyeli(NADH/NAD+ oranı), matrix fosforilasyon potansiyeli ve Ca2+ _{konsantrasyonun döngünün değişik} basamaklarında regülasyon faktörleri olarak rol oynadıkları bildirilmektedir. Ayrıca krebs siklusunun aktivitesi troid hormonları, adrenenrjik komponentler ve glikokortikoidler tarafından da etkilenmektedir(Bouché ve ark 2004).

Eritrositler krebs siklusu enzimlerine sahip olmadıklarından glikolitik yolak daima laktat oluşumu ile sonuçlanır. Oysa diğer dokularda anaerobik koşullar altında laktatın yan ürün olarak üretildiği ATP kazanımı ile sonuçlanan glikoz kullanımı söz konusudur. Laktat dehidrojenaz tarafından katalizlenen bu reaksiyon hem sitozolde hemde mitokondri kompartmanlarında cereyan eden krebs döngüsünün aksine sadece sitozelde gerçekleşmektedir, zira Embden-Meyerhof-Parnas yolağının enzimleri sadece sitozolde bulunmaktadır.

Anaerobik koşullarda ATP’nin gerekli olduğu kontraksiyon sırasında iskelet kaslarının kullandığı tek yakıt kaynağı glikozdur. Anaerobik glikoliziste kullanılan her molekül glikoz için kazanım 2 molekül ATP ve 2 molekül indirgenmiş NADH’tir. Bu yüzden anaerobik metabolizma görece etkisizdir ve uzun süre devam ettirilemez. Eritrositler ve iskelet kaslarına ek olarak beyin, sindirim sistemi, renal

42 medulla, adipöz doku ve deri hücrelerininde laktat ürettiği bildirilmektedir. Üretilen laktat glikoneogenezis yolunda ATP harcanarak tekrar glikoza çevrilebilir ya da kas dokusundaki glikojen depolarının restorasyonunda yardımcı madde olarak kullanılabilir. Laktik asidin enerji üretiminde kullanılabilmesi için oksijen varlığında metabolize olarak krebs döngüsüne girecek olan piruvik aside dönüşmesi gerekmektedir.

Glikojene dönüşüm

Memeli hücrelerde glikoz homeostazisi için kritik bir öneme sahip olan glikojen glikozun hücrelerdeki depo şeklidir. Birçok hücre glikojen sentezleyebilmesine rağmen glikozun glikojene konversiyonu primer olarak kontraksiyon enerjisi sağlamak üzere kas doku ve kan glikoz seviyesinin sabit tutulması gibi bir görevi üstlenen organ olan karaciğerde gerçekleşmektedir.

Dallanmış bir yapıya sahip olan memeli glikojeni iki basamakta sentezlenmektedir. İlk basamak oligosakkarit molekülüne kovalent olarak bağlanmak için glikojenin molekülünün self glikolizasyonu ile glikoprotein formunu almasıdır. Glikojenin self-glikolizasyon sürecinde glikoz rezidülerini UDP-glikoz’dan transferini katalize eden enzimdir. Glikojenin proteini glikojen sentaz ve dallandırıcı enzim tarafından katalizlenen elongasyon için substrat olarak görev yapmakta ve oligosakkarit zincir formasyonunun oluşumunu sağlamaktadır.

Glikoz molekülü hücre içine girdikten sonra heksokinazlar tarafından G-6-P’a çevrilmektedir. Bundan sonra sürece daihil olan fosfoglikomutaz enzimi ise G-6-P’ın daha sonra UDP-glikoz pirofosforilaz enziminin etkisi ile uridin difosfoglikoza dönüşecek olan G-1-P’e izomerizasyonunu katalizlemektedir

Glikojen formasyonunun ilk basamağında glikojenin, glikojen sentaz ve dallandırıcı enzimlerin mediyatörlüğünde gerçekleşen sonraki basamaklarında ise glikozil donörü olarak işlev yapan UDPglikoz’un glikojen sentez basamaklarındaki temel protein olduğu bildirilmektedir(Bouché ve ark 2004)..

43 İkinci basamak glikojen sentaz ve dallandırıcı enzimler katalizörlüğünde yığın halinde sentezlenen glikojenin elongasyonunu kapsamaktadır. Glikojen sentezi sırasında pirofosfatazlar tarafından hidrolize edilen pirofosfatlar üretilir. Reaksiyonun tek yönlü olması bu hidrolizasyon süreci ile ilişkilendirilmektedir. Glikojen sentezini katalizleyen enzimler glikoneolizisi yöneten enzimlerden farklılık gösterseler da her iki grup enzimde fosforilasyon-defosforilasyon döngüsünün kontrolü altında işlev görmektedirler. Fosforilasyon tepkimeleri cAMP regülasyonunun ardından gelişen hormonal mekanizmaların kontrolü altında protein kinazlar tarafından katalizlenmekte olan tepkimelerdir.

Açlık ya da egzersiz sırasında glikoz sağlanması için glikojen fosforilaz ve glikojen debranching enzimlerinin her ikisinin de dahil olduğu tepkimelerle glikojen yıkımı gerçekleşmektedir. Kan glikoz seviyesini kontrol altında tutmak için kana heksoz veren karaciğerin aksine kas glikojenin yıkımlanmasıyla elde edilen glikoz kas dokunun ihtiyacı için sadece glikoliziste kullanılmaktadır(Bouché ve ark 2004).

Biyosentetik ve/veya metabolik yolaklarda kullanılmak üzere diğer şekerlere dönüşüm

Pentoz fosfat yolu NADPH üretimini gerçekleştiren glikoz metabolizmasına ait bir başka yolaktır. Üretilen NADPH kırmızı kan hücrelerinin membran bütünüğünün korunmasında, lipit ve steroid biyosentezinde / hidroksilasyonunda ve anabolik reaksiyonlarda kullanılmaktadır. Bu yolağın özellikle karaciğerde, laktasyon sırasında meme dokusunda ve yağ dokuda aktif olduğu bildirilmektedir. Glikoz katabolizmasının heksoz monofosfat yolağındaki oranı dokulara göre farklılık göstermekle birlikte oksidatif stres esnasında yükselmektedir(Bouché ve ark 2004).

Glikozilasyon enzimler aracılığıyla sakkaritlerin birbirine bağlanarak proteinlere, lipitlere veya organik moleküllere bağlı glikanlar oluşturma sürecidirHedef proteinlere bağlı olan polisakkarit zincirler çeşitli işlevlere sahiptir. Örneğin, bazı proteinler önce glikozile olmazlarsa doğru katlanmazlar. Ayrıca, asparajinlerin amit azotuna bağlı olan polisakkaritler salgılanan bazı proteinleri daha kararlı kılar. Bu durumlarda glikozilasyon doğru katlanma için şart değildir ama

44 glikozile olmayan proteinler hızla yıkıma uğrar. Glikozilasyon hücrelerin birbirine yapışmasında da rol oynar.

Birçok sitoplazmik ve nuklear protein serin ve/veya treonin residülerine O- linked –N-asetilglukozaminin tek molekülünün eklenmesi ile glikolize edilmektedir. Protein yapısında olan transkripsiyon faktörleri bu yolla hızlı bir modifikasyona maruz kalmaktadırlar. Bu modifikasyonlar aktivitelerindeki ve stabilitelerindeki değişikliklerin nedeni olarak değerlendirilmektedir. Glikozun bazı gen ürünlerinin expresyonunu etkileyebilme kapasitesinin heksozamin biyosentezi yolu ile olduğu bildirilmektedir(Marshall ve ark 1991). Bu gen ürünleri arasında kas ve yağ dokudaki oksidatif fosforilasyon ve adipositlerdeki leptin expresyonunda rol alan mitokondriyal genler de yer almaktadır. Bu genlerin kodlanmasının modifiye edebilmesi nedeni ile heksozamin yolağının enerji durumu ile ilgili hücresel bir sensör olduğu bildirilmektedir(Bouché ve ark 2004).