Kovalent modifikasyon ile düzenlenmesi: Kompleksinin pirüvat dehidrogenaz

bileşeni üzerindeki spesifik bir serin rezidüsü, 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 düzenlenme 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 devrin 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 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 + P_i + 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, izositrat oluşturmak üzere okzalasetatla kondanse olur. 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

i

i

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 Malat Glioksilat 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.

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, özellikle izositrat liyaz ve malat sentaz enzimleri başka sitoplazmik

102

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: