Karbonhidrat Metabolizması
Karbonhidratlar karbon, hidrojen ve oksijen atomlarından oluşan organik moleküllerdir. Karbonhidrat ailesi hem basit hem de kompleks şekerleri içerir. Glikoz ve fruktoz basit şekerlere örnektir; nişasta, glikojen ve selüloz ise kompleks şekerlere örnektir. Kompleks şekerler polisakkaritler olarak da adlandırılır ve birden fazla monosakkarit molekülünden oluşur. Polisakkaritler enerji depolama (örn. nişasta ve glikojen) ve yapısal bileşenler (örn. böceklerde kitin ve bitkilerde selüloz) olarak görev yapar.
Sindirim sırasında karbonhidratlar, bağırsak duvarından dolaşım sistemine geçerek vücutta taşınabilen basit, çözünür şekerlere ayrılır. Karbonhidrat sindirimi ağızda tükürük amilazının nişastalar üzerindeki etkisiyle başlar ve monosakkaritlerin ince bağırsak epiteli boyunca emilmesiyle sona erer. Emilen monosakkaritler dokulara taşındıktan sonra hücresel solunum süreci başlar (aşağıdaki şekil). Bu bölüm ilk olarak monosakkarit glikozun oksitlendiği ve ATP üretmek için bağlarında depolanan enerjiyi serbest bıraktığı bir süreç olan glikolize odaklanacaktır.
Glikoliz
Glikoz vücudun en hazır enerji kaynağıdır. Sindirim süreçleri polisakkaritleri glikoz da dahil olmak üzere monosakkaritlere ayırdıktan sonra, monosakkaritler ince bağırsağın duvarından geçerek dolaşım sistemine taşınır ve buradan da karaciğere ulaşır. Karaciğerde hepatositler ya glikozu dolaşım sistemine aktarır ya da fazla glikozu glikojen olarak depolar. Vücuttaki hücreler insüline yanıt olarak dolaşımdaki glukozu alır ve glikoliz adı verilen bir dizi reaksiyonla glukozdaki enerjinin bir kısmını ATP oluşturmak üzere ADP'ye aktarır (aşağıdaki şekil). Glikolizdeki son adım piruvat ürününü üretir.
Glikoliz, glikoz-6-fosfat oluşturmak için glikozun hekzokinaz tarafından fosforilasyonu ile başlar. Bu adımda fosfat grubunun donörü olan bir ATP kullanılır. Fosfofruktokinazın etkisi altında, glukoz-6-fosfat, fruktoz-6-fosfata dönüştürülür. Bu noktada, ikinci bir ATP fosfat grubunu bağışlayarak fruktoz-1,6-bisfosfat oluşturur. Bu altı karbonlu şeker, her ikisi de gliseraldehit-3-fosfata dönüştürülen iki fosforlanmış üç karbonlu molekül, gliseraldehit-3-fosfat ve dihidroksiaseton fosfat oluşturmak üzere ayrılır. Gliseraldehit-3-fosfat, üç karbonlu molekül 1,3-bifosfogliseratı oluşturmak için hücrede bulunan dihidrojen fosfat tarafından bağışlanan gruplarla daha fazla fosforile edilir. Bu reaksiyonun enerjisi gliseraldehit-3-fosfatın oksidasyonundan (elektronların uzaklaştırılmasından) gelir. Piruvata yol açan bir dizi reaksiyonda, iki fosfat grubu daha sonra iki ATP oluşturmak üzere iki ADP'ye aktarılır. Böylece, glikoliz iki ATP kullanır ancak dört ATP üreterek net olarak iki ATP ve iki piruvat molekülü kazandırır. Oksijen varlığında piruvat Krebs döngüsüne (sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit döngüsü (TCA) olarak da adlandırılır) devam eder ve burada ek enerji elde edilir ve aktarılır.
| İNTERAKTİF BAĞLANTI Glikoliz hakkında bilgi edinmek için bu videoyu izleyin. |
Glikoliz iki aşamaya ayrılabilir: enerji tüketme (kimyasal hazırlama olarak da adlandırılır) ve enerji üretme. İlk aşama enerji tüketen aşamadır, bu nedenle her bir glikoz molekülü için tepkimeyi başlatmak üzere iki ATP molekülü gerekir. Bununla birlikte, tepkimenin sonunda dört ATP üretilir ve net olarak iki ATP enerji molekülü kazanılır.
Glikoliz aşağıdaki denklemle ifade edilebilir:
Bu denklem, glikozun ATP (enerji kaynağı), NAD+ (elektron alıcısı olarak görev yapan bir koenzim) ve inorganik fosfat ile birlikte iki piruvat molekülüne parçalanarak dört ATP molekülü -net iki ATP verimi- ve iki enerji içeren NADH koenzimi ürettiğini belirtir. Bu süreçte üretilen NADH daha sonra mitokondride ATP üretmek için kullanılacaktır. Daha da önemlisi, bu sürecin sonunda bir glikoz molekülü iki piruvat molekülü, iki yüksek enerjili ATP molekülü ve iki elektron taşıyan NADH molekülü üretir.
Aşağıdaki glikoliz tartışmaları, tepkimelerden sorumlu enzimleri içermektedir. Glikoz bir hücreye girdiğinde, hekzokinaz enzimi (veya karaciğerde glukokinaz) onu glikoz-6-fosfata dönüştürmek için hızla bir fosfat ekler. Kinaz, bir substrata (bu durumda glikoz, ancak diğer moleküller için de geçerli olabilir) bir fosfat molekülü ekleyen bir enzim türüdür. Bu dönüşüm adımı bir ATP gerektirir ve esasen glikozu hücre içinde hapsederek plazma zarından geri geçmesini engeller, böylece glikolizin devam etmesine izin verir. Ayrıca kandaki glikoz seviyesinin dokulardakinden daha yüksek olduğu bir konsantrasyon gradyanını koruma işlevi de görür. Bu konsantrasyon gradyanının oluşturulmasıyla kandaki glikoz, kullanılmak veya depolanmak üzere yüksek konsantrasyonlu bir alandan (kan) düşük konsantrasyonlu bir alana (dokular) akabilecektir. Heksokinaz vücuttaki hemen hemen her dokuda bulunur. Öte yandan glukokinaz, karaciğer gibi kan glukoz seviyeleri yüksek olduğunda aktif olan dokularda ifade edilir. Heksokinaz, glukoz için glukokinazdan daha yüksek bir afiniteye sahiptir ve bu nedenle glukozu glukokinazdan daha hızlı bir oranda dönüştürebilir. Bu, glikoz seviyeleri vücutta çok düşük olduğunda önemlidir, çünkü glikozun tercihen daha fazla ihtiyaç duyan dokulara gitmesini sağlar.
Glikolizin ilk aşamasının bir sonraki adımında, glukoz-6-fosfat izomeraz enzimi glukoz-6-fosfatı fruktoz-6-fosfata dönüştürür. Glikoz gibi fruktoz da altı karbon içeren bir şekerdir. Fosfofruktokinaz-1 enzimi daha sonra bir fosfat daha ekleyerek fruktoz-6-fosfatı başka bir ATP molekülü kullanarak başka bir altı karbonlu şeker olan fruktoz-1-6-bisfosfata dönüştürür. Aldolaz daha sonra bu fruktoz-1-6-bisfosfatı iki üç karbonlu moleküle, gliseraldehit-3-fosfat ve dihidroksiaseton fosfata parçalar. Triosefosfat izomeraz enzimi daha sonra dihidroksiaseton fosfatı ikinci bir gliseraldehit-3-fosfat molekülüne dönüştürür. Dolayısıyla, bu kimyasal hazırlama veya enerji tüketme aşamasının sonunda, bir glikoz molekülü iki gliseraldehit-3-fosfat molekülüne parçalanır.
Glikolizin ikinci aşaması olan enerji veren aşama, glikolizin ürünü olan enerjiyi yaratır. Gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz, enerji tüketen faz sırasında üretilen her üç karbonlu gliseraldehit-3-fosfatı 1,3-bisfosfogliserata dönüştürür. Bu reaksiyon bir elektron açığa çıkarır ve bu elektron daha sonra NAD+ tarafından alınarak bir NADH molekülü oluşturur. NADH, ATP gibi yüksek enerjili bir moleküldür, ancak ATP'den farklı olarak hücre tarafından enerji birimi olarak kullanılmaz. İki gliseraldehit-3-fosfat molekülü olduğundan, bu adım sırasında iki NADH molekülü sentezlenir. Her 1,3-bisfosfogliserat daha sonra fosfogliserat kinaz tarafından 3-fosfogliserata defosforile edilir (yani bir fosfat çıkarılır). Bu reaksiyonda açığa çıkan her bir fosfat bir ADP molekülünü bir yüksek enerjili ATP molekülüne dönüştürebilir, bu da iki ATP molekülü kazanımıyla sonuçlanır.
Fosfogliserat mutaz enzimi daha sonra 3-fosfogliserat moleküllerini 2-fosfogliserata dönüştürür. Enolaz enzimi daha sonra 2-fosfogliserat molekülleri üzerinde etki ederek bunları fosfoenolpiruvat moleküllerine dönüştürür. Glikolizin son adımı, iki piruvat molekülü ve iki ATP molekülü oluşturmak için piruvat kinaz tarafından iki fosfoenolpiruvat molekülünün defosforilasyonunu içerir.
Özetle, bir glikoz molekülü iki piruvat molekülüne ayrılır ve glikoliz yoluyla iki net ATP molekülü ve iki NADH molekülü oluşturur. Bu nedenle, glikoliz hücre için enerji üretir ve aerobik Krebs döngüsü (sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit döngüsü olarak da adlandırılır) yoluyla daha fazla işlenebilen piruvat molekülleri oluşturur; fermantasyon yoluyla laktik asit veya alkole (mayada) dönüştürülür; veya daha sonra glukoneogenez yoluyla glikoz sentezi için kullanılır.
Oksijensiz Solunum
Oksijen sınırlı olduğunda veya bulunmadığında piruvat fermantasyon adı verilen anaerobik bir yola girer. Bu tepkimelerde piruvat laktik aside dönüştürülebilir. Ek bir ATP üretmenin yanı sıra, bu yol piruvat konsantrasyonunu düşük tutmaya hizmet eder, böylece glikoliz devam eder ve NADH'yi glikolizin ihtiyaç duyduğu NAD+'ya okside eder. Bu reaksiyonda laktik asit, son elektron alıcısı olarak oksijenin yerini alır. Anaerobik solunum, oksijen sınırlı olduğunda veya mitokondri bulunmadığında ya da işlevsel olmadığında vücudun çoğu hücresinde meydana gelir. Örneğin, eritrositler (kırmızı kan hücreleri) mitokondriden yoksun oldukları için ATP'lerini oksijensiz solunumdan üretmek zorundadırlar. Bu, saniyeler ile birkaç dakika arasında değişen kısa süreler için etkili bir ATP üretim yoludur. Üretilen laktik asit plazmaya yayılır ve karaciğere taşınır, burada Cori döngüsü yoluyla tekrar piruvat veya glikoza dönüştürülür. Benzer şekilde, bir kişi egzersiz yaptığında, kaslar ATP'yi kendilerine oksijen iletilebileceğinden daha hızlı kullanır. Kaslar hızlı ATP üretimi için glikoliz ve laktik asit üretimine bağlıdırlar.
Oksijenli Solunum
Oksijen varlığında piruvat Krebs döngüsüne girebilir ve burada elektronlar piruvattan NAD+, GDP ve FAD reseptörlerine aktarılırken ek enerji elde edilir ve karbondioksit bir "atık ürün" olur (aşağıdaki şekil). NADH ve FADH2 elektronları elektron taşıma zincirine aktarır ve bu zincir aktarılan enerjiyi ATP üretmek için kullanır. Elektron taşıma zincirinin son basamağı olan oksijen, terminal elektron alıcısıdır ve mitokondri içinde su oluşturur.
Krebs Döngüsü / Sitrik Asit Döngüsü / Trikarboksilik Asit Döngüsü
Glikoliz sırasında üretilen piruvat molekülleri mitokondriyal zar boyunca iç mitokondriyal matrikse taşınır ve burada Krebs döngüsü adı verilen bir yolda enzimler tarafından metabolize edilir (aşağıdaki şekil). Krebs döngüsü genellikle sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit (TCA) döngüsü olarak da adlandırılır. Krebs döngüsü sırasında ATP, NADH ve FADH2 dahil olmak üzere yüksek enerjili moleküller oluşturulur. NADH ve FADH2 daha sonra elektronları mitokondrideki elektron taşıma zincirinden geçirerek daha fazla ATP molekülü üretir.
| İNTERAKTİF BAĞLANTI Krebs döngüsünü gözlemlemek için bu animasyonu izleyin. |
Glikoliz sırasında üretilen üç karbonlu piruvat molekülü sitoplazmadan mitokondriyal matrise geçer ve burada piruvat dehidrojenaz enzimi tarafından iki karbonlu asetil koenzim A (asetil CoA) molekülüne dönüştürülür. Bu tepkime bir oksidatif dekarboksilasyon tepkimesidir. Üç karbonlu pirüvatı iki karbonlu asetil CoA molekülüne dönüştürerek karbondioksiti serbest bırakır ve NAD+ ile birleşerek NADH oluşturmak üzere iki elektron aktarır. Asetil CoA, Krebs döngüsüne dört karbonlu bir molekül olan oksaloasetat ile birleşerek altı karbonlu sitrat veya sitrik asit molekülünü oluşturur ve aynı zamanda koenzim A molekülünü serbest bırakır.
Altı karbonlu sitrat molekülü sistematik olarak beş karbonlu bir moleküle ve ardından dört karbonlu bir moleküle dönüştürülür ve döngünün başlangıcı olan oksaloasetat ile son bulur. Yol boyunca her sitrat molekülü bir ATP, bir FADH2 ve üç NADH üretecektir. FADH2 ve NADH iç mitokondriyal zarda bulunan oksidatif fosforilasyon sistemine girecektir. Ayrıca Krebs döngüsü, protein ve yağların işlenmesi ve parçalanması için başlangıç malzemelerini sağlar.
Krebs döngüsünü başlatmak için sitrat sentaz, asetil CoA ve oksaloasetatı birleştirerek altı karbonlu bir sitrat molekülü oluşturur; CoA daha sonra serbest kalır ve döngüyü yeniden başlatmak için başka bir piruvat molekülü ile birleşebilir. Akonitaz enzimi sitratı izositrata dönüştürür. Oksidatif dekarboksilasyonun iki ardışık adımında, izositrat dehidrojenaz izositratı beş karbonlu α-ketoglutarata dönüştürdüğünde iki molekül CO2 ve iki NADH molekülü üretilir, bu da daha sonra katalize edilir ve α-ketoglutarat dehidrojenaz tarafından dört karbonlu süksinil CoA'ya dönüştürülür. Süksinil CoA dehidrojenaz enzimi daha sonra süksinil CoA'yı süksinata dönüştürür ve ATP üretmek için enerjisini ADP'ye aktaran yüksek enerjili molekül GTP'yi oluşturur. Süksinat dehidrojenaz daha sonra süksinatı fumarata dönüştürerek bir FADH2 molekülü oluşturur. Fumaraz daha sonra fumaratı malata dönüştürür, malat dehidrojenaz da NAD+ 'yi NADH'ye indirgerken oksaloasetata geri dönüştürür. Oksaloasetat daha sonra Krebs döngüsünü tekrar başlatmak için bir sonraki asetil CoA ile birleşmeye hazırdır (yukarıdaki şekil). Döngünün her turunda üç NADH, bir ATP (GTP aracılığıyla) ve bir FADH2 oluşturulur. Piruvatın her bir karbonu, oksidatif (aerobik) solunumun bir yan ürünü olarak açığa çıkan CO2'ye dönüştürülür.
Oksidatif Fosforilasyon ve Elektron Taşıma Zinciri
Elektron taşıma zinciri (ETC), ATP üretmek için Krebs döngüsü tarafından üretilen NADH ve FADH2'yi kullanır. NADH ve FADH2'den gelen elektronlar, bir dizi enzimatik tepkimeyle iç mitokondriyal zara gömülü protein kompleksleri aracılığıyla aktarılır. Elektron taşıma zinciri bir dizi dört enzim kompleksinden (Kompleks I - Kompleks IV) ve iki koenzimden (ubikinon ve Sitokrom c) oluşur; bunlar elektron taşıyıcıları ve H+ iyonlarını iç ve dış mitokondriyal zarlar arasındaki boşluğa aktarmak için kullanılan proton pompaları olarak işlev görür (aşağıdaki şekil). ETC, bir donör (NADH gibi) ve bir elektron alıcısı (O2 gibi) arasındaki elektron transferini, iç mitokondriyal zar boyunca protonların (H+ iyonları) transferi ile birleştirerek oksidatif fosforilasyon sürecini mümkün kılar. Oksijen varlığında enerji, ADP'ye bir fosfat bağlamak ve ATP üretmek için gereken enerjiyi kademeli olarak toplamak üzere elektron taşıyıcılarından kademeli olarak geçirilir. Moleküler oksijen O2'nin rolü, ETC için terminal elektron alıcısı olmaktır. Bu da elektronların tüm ETC'den geçtikten sonra başka, ayrı bir moleküle aktarılması gerektiği anlamına gelir. Matriksten gelen bu elektronlar, O2 ve H+ iyonları birleşerek yeni su molekülleri oluşturur. Bu, oksijen soluma ihtiyacınızın temelidir. Oksijen olmadan ETC'deki elektron akışı durur.
| İNTERAKTİF BAĞLANTI Elektron taşıma zinciri hakkında bilgi edinmek için bu videoyu izleyin. |
NADH ve FADH2'den salınan elektronlar, elektronu aldıklarında indirgenen ve bir sonraki taşıyıcıya aktarırken oksitlenen taşıyıcıların her biri tarafından zincir boyunca iletilir. Bu tepkimelerin her biri, H+ iyonlarını iç zar boyunca pompalamak için kullanılan az miktarda enerji açığa çıkarır. Bu protonların zarlar arasındaki boşlukta birikmesi mitokondriyal matrikse göre bir proton gradyanı oluşturur.
Ayrıca iç mitokondriyal zarda ATP sentaz adı verilen şaşırtıcı bir protein gözenek kompleksi bulunur. Etkili bir şekilde, H+ iyonlarının iç zar boyunca bir gradyandan aşağıya ve mitokondriyal matrise akmasıyla çalışan bir türbindir. H+ iyonları kompleksin içinden geçerken kompleksin şaftı döner. Bu rotasyon ATP sentazın diğer bölümlerinin ADP ve Pi'yi ATP oluşturmaya teşvik etmesini sağlar. Aerobik solunum yoluyla glikoz molekülü başına üretilen toplam ATP sayısını hesaplarken aşağıdaki noktaları hatırlamak önemlidir:
- Glikoliz yoluyla net iki ATP üretilir (enerji tüketme aşamasında dört üretilir ve iki tüketilir). Ancak bu iki ATP, glikoliz sırasında üretilen NADH'nin sitoplazmadan mitokondriye taşınması için kullanılır. Bu nedenle, glikoliz sırasında net ATP üretimi sıfırdır.
- Glikolizden sonraki tüm aşamalarda, üretilen ATP, NADH ve FADH2 sayısı, her bir glikoz molekülünün nasıl iki piruvat molekülü ürettiğini yansıtmak için iki ile çarpılmalıdır.
- ETC'de, oksitlenen her NADH için yaklaşık üç ATP üretilir. Ancak, oksitlenen her FADH2 için sadece yaklaşık iki ATP üretilir. FADH2'den gelen elektronlar daha az ATP üretir, çünkü ETC'de (Kompleks II) NADH'den (Kompleks I) gelen elektronlara kıyasla daha düşük bir noktada başlarlar (yukarıdaki şekil).
Bu nedenle, oksijenli solunuma giren her glikoz molekülü için net toplam 36 ATP üretilir (aşağıdaki şekil).
Glukoneogenez
Glukoneogenez, piruvat, laktat, gliserol veya alanin ya da glutamin amino asitlerinden yeni glukoz moleküllerinin sentezlenmesidir. Bu süreç öncelikle düşük glikoz dönemlerinde, yani açlık ve düşük karbonhidratlı diyet koşullarında karaciğerde gerçekleşir. O halde, vücudun parçalamak için oldukça fazla çaba harcadığı bir şeyi neden yaratacağı sorusu sorulabilir. Beyin de dahil olmak üzere bazı önemli organlar enerji kaynağı olarak yalnızca glikoz kullanabilir; bu nedenle vücudun minimum kan glikoz konsantrasyonunu koruması esastır. Kan glikoz konsantrasyonu belirli bir noktanın altına düştüğünde, kan konsantrasyonunu normale yükseltmek için karaciğer tarafından yeni glikoz sentezlenir.
Glukoneogenez basitçe glikolizin tersi değildir. Bazı önemli farklılıklar vardır (aşağıdaki şekil). Piruvat, glukoneogenez için yaygın bir başlangıç maddesidir. İlk olarak piruvat oksaloasetata dönüştürülür. Oksaloasetat daha sonra, oksaloasetatı fosfoenolpiruvata (PEP) dönüştüren fosfoenolpiruvat karboksikinaz (PEPCK) enzimi için bir substrat görevi görür. Bu adımdan itibaren glukoneogenez, glikolizin neredeyse tersidir. PEP tekrar 2-fosfogliserata dönüştürülür, bu da 3-fosfogliserata dönüştürülür. Daha sonra 3-fosfogliserat 1,3 bifosfogliserata ve ardından gliseraldehit-3-fosfata dönüştürülür. İki gliseraldehit-3-fosfat molekülü daha sonra birleşerek fruktoz-1-6-bisfosfat oluşturur ve bu da fruktoz 6-fosfata ve ardından glukoz-6-fosfata dönüşür. Son olarak, bir dizi tepkime glikozun kendisini üretir. Glukoneogenezde (glikolizle karşılaştırıldığında), hekzokinaz enziminin yerini glukoz-6-fosfataz ve fosfofruktokinaz-1 enziminin yerini fruktoz-1,6-bisfosfataz alır. Bu, hücrenin glikoliz ve glukoneogenezi birbirinden bağımsız olarak düzenlemesine yardımcı olur.
Lipolizin bir parçası olarak tartışılacağı üzere, yağlar gliserole parçalanabilir ve bu da dihidroksiaseton fosfat veya DHAP oluşturmak üzere fosforile edilebilir. DHAP ya glikolitik yola girebilir ya da karaciğer tarafından glukoneogenez için bir substrat olarak kullanılabilir.
| YAŞLANMA VE… Vücudun Metabolizma Hızı İnsan vücudunun metabolizma hızı 30 yaşından sonra her on yılda yaklaşık yüzde 2 azalır. Azalan yağsız kas kütlesi de dahil olmak üzere vücut bileşimindeki değişiklikler bu düşüşten çoğunlukla sorumludur. Kas kütlesindeki en dramatik kayıp ve buna bağlı olarak metabolizma hızındaki düşüş, 50 ila 70 yaş arasında meydana gelir. Kas kütlesi kaybı, gücün azalmasına eşdeğerdir ve bu da yaşlıların yeterli fiziksel aktivitede bulunmasını engelleme eğilimindedir. Bu durum, azalan fiziksel aktivitenin daha da fazla kas kaybına yol açarak metabolizmayı daha da azalttığı pozitif bir geri bildirim sistemi ile sonuçlanır. Metabolizmadaki genel düşüşleri önlemeye yardımcı olmak ve bu düşüşlerin döngüsel doğasına karşı mücadele etmek için yapılabilecek birkaç şey vardır. Bunlar arasında kahvaltı yapmak, sık sık küçük öğünler yemek, bol miktarda yağsız protein tüketmek, susuz kalmamak için su içmek, egzersiz yapmak (kuvvet antrenmanı dahil) ve yeterince uyumak yer alır. Bu önlemler, enerji seviyelerinin düşmesini önlemeye ve aşırı atıştırma nedeniyle artan kalori tüketimi dürtüsünü engellemeye yardımcı olabilir. Bu stratejiler metabolizmayı korumayı garanti etmese de kas kaybını önlemeye yardımcı olur ve enerji seviyelerini artırabilir. Bazı uzmanlar da aşırı yağ depolanmasına yol açabilen şekerden kaçınılmasını önermektedir. Baharatlı yiyecekler ve yeşil çay da faydalı olabilir. Stres kortizol salınımını harekete geçirdiğinden ve kortizol metabolizmayı yavaşlattığından, stresten kaçınmak veya en azından gevşeme teknikleri uygulamak da yardımcı olabilir. |
Yorumlar
Yorum Gönder