Pentoz Fosfat Yolu ATP ve NADPH

ATP ve NADPH
•
•
•
Pentoz Fosfat Yolu
•
•
Levent Çavaş
Dokuz Eylül Üniversitesi
Fen Fakültesi, Kimya Bölümü,
Biyokimya ABD, 2011-2012
http://people.deu.edu.tr/lcavas
•
•
•
Hücrenin enerji açısından birimi ATP olup, hidrolizi birçok endergonik
reaksiyonla birleşerek bu mekanizmaları istemli hale getirir.
Hücrenin ikinci bir enerji birimi daha vardır: İndirgen Güç, NADPH
Özellikle yağların ve kolesterolün sentezi ve fotosentez gibi birçok
endergonik süreçte ATP’nin yanısıra NADPH’ye ihtiyaç duyulur.
Kimyasal olarak benzerliklerinin tersine NADH ve NADPH birbirlerine
kimyasal olarak dönüşemezler.
NADH metabolit oksidasyonun serbest enerjisini işleyerek ATP sentezinde
rol oynamasına karşın, NADPH metabolit oksidasyonun serbest enerjisinin
indirgeyici biyosentez adımlarında yer alır.
Yukarıdaki açıklamanın oldukça mantıklı bir gerekçesi vardır, çünkü
oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarında rol oynayan “dehidrogenaz”
enzimlerin koenzimlerine yönelik yüksek afiniteleri bulunmaktadır.
Gerçekte; hücreler [NAD]/[NADH] oranını yaklaşık olarak 1000’e yakın tutar
ki bu durum metabolit oksidasyonunu istemli hale getirir.
[NADP]/[NADPH] oranı ise 0.01 düzeylerinde olup, bu durumda “metabolit
indirgenmeyi” istemli hale getirir.
1
2
Pentoz fosfat yolunun net reaksiyonu:
• NADPH, glikolize alternatif bir yol olan pentoz fosfat yolunda
G6P’nin oksidasyonuyla elde edilir.
• Bu yolun bir diğer özelliği ise riboz-5-fosfat üretimi olup, bu metabolit
nükleotid biyosentezinde kullanılır.
• Bu yolun varlığının ispatı Otto Warburg’un 1930 yılında yaptığı
deneye dayanmaktadır. Dr.Warburg’un yaptığı deneyde; G6P’nin 6fosfoglukonata oksidasyonu sırasında NADP’yi keşfetmiştir.
• Daha sonraki deneysel çalışmalarda ise; yüksek florit iyon
konsantrasyonları varlığında (glikoliz enzimi enolaz inhibitoru)
dokuların solunuma devam etmeleri gözlemine dayanmaktaydı.
• Daha sonra Frank Dickens, Bernard Horecker, Fritz Lipmann ve
Efraim Racker yolu aydınlatmışlardır: Yağ asidi ve kolesterol
biyosentezinin yoğun olarak yer aldığı dokular (karaciğer, meme
bezleri, adipoz doku ve adrenal korteks) pentoz fosfat yolu
enzimlerince zengindi.
• Karaciğerdeki glukoz oksidasyonunun %30 u pentoz fosfat yolu ile
gerçekleşmektedir.
3
Ancak reaksiyon üç aşama şeklinde de yazılabilir:
Oksidatif Reaksiyonlar (Reaksiyon 1-3)
İzomerizasyon ve Epimerizasyon Reaksiyonları (Reaksiyon 4-5)
C-C Bağ Kırılması ve Oluşumu Reaksiyonları (Reaksiyon 6-8)
4
1
Bu yolun ürünleri hücrenin ihtiyaçlarına göre değişim arzettiği için 2 ve
3.aşamalarda gerçekleşen reaksiyonlar “geri dönüşümlü, reversible” dür.
Örneğin, R5P’e nükleotid biyosentezinde ihtiyaç duyulduğu zaman, 3.aşama
terse çalışarak F6P ve GAP’tan R5P’yi non-oksidatif olarak sentezler.
5
6
6-Fosfoglukonolaktonaz
NADPH Üretiminin Oksidatif Reaksiyonları
6-Fosfoglukonolaktonaz, 6-fosfoglukono--lakton’un pentoz fosfat yolundaki bir diger
oksidatif enzimin substrati olan 6-fosfoglukonata hidroliz hızını arttırır.
1. Glukoz-6-fosfat dehidrogenaz (G6PD) G6P’nin C1 karbonundan bir
hidrit iyonunun NADP+ye transferini 6-fosfoglukono--lakton oluşturmak
üzere katalizler. G6P’in C1’i hemiasetal formunda bir aldehit grubu
barındırır, bu yüzden siklik bir estere (lakton) okside olur. Bu enzim
NADP ye spesifik olup, NADPH’tan kuvvetlice inhibe olur.
Enzimatik olmayan reaksiyonunda bariz bir hızı bulunmaktadır.
7
8
2
6-Fosfoglukonat dehidrogenaz:
Bu enzim 6-fosfoglukonatın bir beta-hidroksi asit olan Ru5P’ye ve CO2’ye oksidatif
dekarboksilasyonunu katalizler.
Bu reaksiyona benzer bir reaksiyon, sitrat çevrimindeki izositrat dehidrogenaz tarafından
gerçekleştirilir.
Riboz-5-P’ın epimerizasyonu ve izomerizasyonu
Ribuloz-5-fosfat izomeraz ve ribuloz-5-fosfat epimeraz.
Bu iki enzim tarafından katalizlenen reaksiyonlar enediolat
araürünler üzerinden gerçekleşir. İzomeraz reaksiyonunda
(sağda), enzim üzerindeki bir baz Ru5P’ın C1 karbonundan
bir proton uzaklaştırarak 1,2-enediolat oluşturur ve ardından
R5P oluşturmak üzere C2 karbonuna bir proton ekler.
Epimeraz reaksiyonunda (solda), enzim üzerindeki bir baz
C3’teki bir protonu uzaklaştırarak 2,3-enediolat araürünü
oluşturur. Ardından bir proton aynı karbon atomuna Ksilüloz5-P oluşturmak üzere konfigürasyon çevrilmesi yoluyla
eklenir.
Ru5P oluşumuyla, pentoz fosfat yolunun oksidatif kısmı tamamlanmış olur. Bu
reaksiyonlar, herbir G6P başına 2 mol NADPH oluşumu ile sonuçlanır. Bu yolun son
ürünü olan Ru5P ardından R5P ve Xu5P’ye dönüştürülür.
Ribuloz-5-P, nükleotidlerin biyosentezinde esansiyel bir öncül
moleküldür. Eğer, hücrelerin ihtiyacından fazla miktarda R-5P oluşursa (Ksilüloz-5-P ile birlikte), fazlası aşağıdaki
reaksiyonlarla glikolitik araürünler olan F6P ve GAP’a
dönüştürülürler.
9
10
Transaldolaz C3 birimlerinin transferini katalizler
C-C bağ kırılması ve oluşumu reaksiyonları
Transketolaz C2 grubunun transfer edilmesini katalizler
Transketolazın
mekanizması.
Transketolaz koenzim
tiamin pirofosfatı
kullanarak Ksilüloz-5-P’ın
C2-C3 bağının
kırılmasıyla açığa çıkan
karbanyonu stabilize eder.
Reaksiyon şu şekilde
gerçekleşir:
1) TPP yilür Ksilüloz-5P’ın karbonil grubuna atak
yapar.
2) C2-C3 bağının
kırılmasıyla GAP açığa
çıkar ve rezonans
stabilizasyonuna sahip
enzime bağlı 2-(1,2dihidroksietil)-TPP oluşur.
3) C2 karbanyonu R-5P’ın aldehit karbonuna
atak yaparak S7P-TPP
katılma ürününü oluşturur.
4) TPP ayrıldıktan sonra
11
S7P ve rejenere TPPenzim oluşur.
Transaldolaz mekanizması. Transaldolaz
aldol kırılması reaksiyonunu
gerçekleştirmek üzere S7P ile bir Schiff
bazı oluşturan esansiyel Lizin
rezidüsüne sahiptir. Reaksiyon
aşağıdaki gibi gerçekleşir:
1)
Lizin rezidüsündeki ε-amino grubu
S7P’ın karbonil grubuna ile bir Schiff
bazı oluşturur.
2)
E4P’ın açığa çıktığı C3-C4 arasındaki
aldol kırılması reaksiyonunda bir Schiff
baz-stabilize C3 karbanyonu oluşur.
3)
Enzime bağlı rezonans kararlılığına
sahip karbanyon GAP’ın karbonil
karbonuna eklenir ve enzime bir Schiff
bazı ile bağlı F6P oluşturur.
4)
Schiff bazı hidroliz olur, enzim rejenere
olur ve F6P salınır.
12
3
İkinci bir transketolaz reaksiyonu GAP ve F6P oluşturur
Pentoz fosfat yolağında meydana gelen karbon iskeleti dönüşümlerinin
özeti. Bir seri karbon-karbon bağı kırılması ve oluşumu 3 mol 5 karbonlu şekeri iki
mol 6 karbonlu ve bir mol 3 karbonlu şekere dönüştürür.
13
14
Pentoz fosfat yolağının kontrolü
• Pentoz fosfat yolağının birincil ürünleri R-5-P ve NADPH’dır.
• Oksidatif pentoz fosfat yolağı ve bu nedenle NADPH üretim hızı glukoz-6fosfat dehidrojenaz reaksiyonunun hızı ile kontrol edilir.
• NADPH’a yönelik metabolik ihtiyaç nükleotid sentezinde R-5-P’a duyulan ihtiyacı
aştığında transaldolaz ve transketolaz reaksiyonları ile R-5-P’ın aşırısı glikolitik
araürünlere dönüşür.
• Pentoz fosfat yolağının ilk adımını katalizleyen bu enzimin aktivitesi (ΔG=176kJ/mol, karaciğerde) NADP+ konsantrasyonu (substratın hazır
bulunuşluğu) ile regüle edilir.
• Açığa çıkan GAP ve F6P glikoliz ve oksidatif fosforilasyon ile tüketilebilir veya
glukoneojenezis ile birlikte G6P oluşturur. İkinci durumda, 1 molekül G6P pentoz
fosfat yolağı ve glukoneojenezin 6 çevrimi sonunda eşzamanlı 12 NADPH molekülü
oluşumuyla 6 CO2 molekülüne dönüştürülür.
• Hücreler NADPH tükettiğinde NADP+ konsantrasyonu artar, glukoz-6fosfat dehidrojenaz reaksiyonunun hızını artırır ve sonuç olarak NADPH’ın
rejenerasyonunu uyarır.
• R5P ihtiyacının NADPH’a göre artması durumunda, F6P ve GAP, tersinir
transaldolaz ve transketolaz reaksiyonları ile R5P sentezinde kullanılmak üzere
glikolitik yolaktan çekilirler.
• Hızla çoğalmakta olan kanser hücrelerine verilen [1,2-13C]glukoz’dan hücrenin
RNA’sına yerleşen 13C işaretli karbonların kütle spektrumu analizlerinde de novo riboz
sentezinin %70’inden fazlasının bu oksidatif olmayan tersinir pentoz fosfat yolağı ile
oluştuğu gösterilmiştir.
15
16
4
Glutatyon ve NADPH
• Glutatyon nedir?
• Niçin önemlidir?
• NADPH ile ilişkisi nedir?
Glukoz-6-fosfatın glikolizis ve pentoz fosfat yolağı arasında kullanımında
NADPH’ın regüle edici rolü.
NADPH, biyosentez için kullanımı ve glutatyonun indirgenmesinden daha hızlı
bir şekilde üretildiğinde, [NADPH] artar ve pentoz fosfat yolağının ilk enzimini
inhibe eder. Sonuç olarak, glikolizis için daha fazla glukoz-6-fosfat hazır
bulunur.
17
18
Glutatyonun Fonksiyonları-1
Glutatyon, glutamat,
sistein ve glisinden
oluşan bir
tripeptidtir.
• İndirgen olarak rol oynar.
• İlaçlarla konjugat oluşturarak suda
çözünür hale getirir.
• Hücre membranlarından amino asit
transportunda görev alır.
• Bazı enzimatik reaksiyonlarda
kofaktördür.
İndirgenmiş
glutatyon (GSH)
hücrenin normal
indirgenmiş halini
dengeler.
– Protein disülfid bağlarının yeniden
düzenlenmesinde.
İndirgenmiş
glutatyon (GSH)
19
20
5
Glutatyonun Fonksiyonları-2
Glutatyon
redüktaz enzimi
GSSG’yi tekrardan
iki molekül GSH’a
indirgemek için
NADPH’ı kofaktör
olarak kullanır. Bu
nedenle, pentoz
fosfat yolağı
yeterli miktarda
GSH kaynağına
bağlıdır.
• GSH’ın sülfhidril grubu oksijen
transportu sırasında oluşan peroksitlerin
(ROS) indirgenmesinde kullanılır.
– Reaktif oksijen türleri (ROS)
makromoleküllere (DNA, RNA ve protein)
hasar verir ve dahası hücreyi ölüme
götürür.
– GSH’ın okside formu birbirine disülfid bağı
ile bağlı iki molekülden (GSSG) oluşur.
21
22
Glutatyon ve Eritrositler -1
Peki, glukoz-6-fosfat DH hasar
görmüşse ne olur?
NADPH yetersiz miktarda üretilir.
Bu da yetersiz glutatyon anlamına
gelir.
Bu tıbbi bir problem midir?
EVET
23
• GSH, kırmızı kan hücresinin (KKH)
bulunduğu aşırı derecede yükseltgeyici
ortamda çok önemli bir moleküldür.
• Olgun KKH’leri mitokondriye sahip
değildirler ve tamamen GSSG’den
GSH’ı glutatyon redüktaz ile rejenere
edecek pentoz fosfat yolağı kaynaklı
NADPH’a bağımlıdırlar.
• Gerçekte, eritrositlerce tüketilen
glukozun en fazla %10’u pentoz fosfat
yolağı tarafından sağlanır.
24
6
Glutatyon ve Eritrositler -2
Glutatyon ve Eritrositler -3
• Glutatyonun indirgenmiş hali sülfhidril
tamponu olarak davranır.
• Hemoglobindeki veya başka proteindeki
sistein rezidülerinin indirgenmiş halde
kalmasını sağlar.
• GSH normal KKH yapısı ve
hemoglobinin Fe++ formunu koruması
için esansiyeldir.
• İndirgenmiş glutatyon aynı zamanda
peroksitleri detoksifiye eder.
2GSH + ROOH  GSSG + H2O + ROH
• Düşük GSH düzeyine sahip hücreler
hemolize açıktırlar.
• Bu durumda klinik olarak belirli koşullarda
siyah idrarın görülür.
25
26
• G6PD eksikliği bulunan bireyler ROSlar ile
baş edecek kadar GSH’ı üretemezler.
• Proteinler çapraz bağlı hale gelerek Heinz
vücudu oluşur ve hücreler lizise giderler. 27
28
G6PD eksikliği ile ilişkili
hemolitik anemi için şartlar
• Peroksitler ve reaktif oksijen türlerinin
(ROS) oluşumuna yol açan oksidatif
ajanların yutulması.
– Antimalarya ilaçları - pamaquine
– Fava fasulyesinde bulunan pürin glikozidleri.
7
Glukoz-6-fosfat DH noksanlığı
ve sferositik olmayan hemolitik
anemi
• G6PD proteininin 300’ün üzerinde genetik
varyantı bilinmektedir.
• Bu nedenle, klinik spektrumda belirgin bir
varyasyon bulunmaktadır.
• G6PD noksanlığı kalıtımsal olan X genine bağlı
resesif bir bozukluktur.
• Erkek Afro Amerikan populasyonunun yaklaşık
%10-14 kadarı bu hastalığa sahiptir.
• Aynı zamanda Akdeniz kökenli Kafkas
29
(Caucasians) toplumunda da görülür.
FAVİZM
• Bu bozukluğa sahip kişilerde normalde anemi
görülmez ve kırmızı kan hücreleri yükseltgen veya
strese maruz kalana dek hastalığın belirtisi görülmez.
Bu reaksiyona katkıda bulunabilecek ilaçlar :
• Antimalarya ajanları
• sülfonamidler (antibiyotik)
• aspirin
• Steroid içermeyen antiinflamatuar ilaçlar
• nitrofurantoin
• quinidine
• quinine
• Belirli kimyasallara maruz kalmak
30
Kaynaklar
Lehninger, Principles of Biochemistry, Fifth Edition
• G6PD noksanlığına sahip bireyler Fava
fasülyesi yememelidirler.
• Pitagoras
• Eritrositler lizise uğrar = koyu veya siyah
idrar görülür.
• İlginç olan
Donald Voet and Judith Voet, Biochemistry, Third Edition
http://www.medschool.lsuhsc.edu/biochemistry/courses/.../pentosephos
phate.ppt
– Plasmodium falciparum (malarya paraziti)’un
büyümesi G6PD noksanlığına sahip
bireylerde düşmektedir.
31
32
8