1
GLİKOJENOLİZİS
Glikojen Yıkımı
Hatırlatma
Bir aldehit veya keton alkollerle 1:1 oranda sırasıyla hemiasetal
ve hemiketal oluşturmak üzere reaksiyona girerler. Bu
reaksiyon sonrasında karbonil karbonunda yeni bir kiral merkez
oluşur. Yapıdaki ikinci alkolün değişimi ise bir asetal yada ketal
oluşturur. İkinci alkol diğer bir şekere aitse, oluşan bağa glikozit
bağı denir.
Hatırlatma
D-glukozun iki siklik formunun
oluşumu. C-1 deki aldehit grup
ve C-5’teki hidroksil grubu
arasındaki reaksiyon iki
stereoizomerli (α ve β anomer)
hemiasetal verir (Hemiasetal
karbon çevresindeki
stereokimya değişir). α ve β
anomerlerin birbirine dönüşümü
mutarotasyon olarak bilinir. 2
Şekerler indirgen ajanlardır:
Glukozun anomerik karbon atomunun oksidasyonu Fehling
reaksiyonunun temelini oluşturur. Alkali koşullarda oluşan kuproz
iyon (Cu+) kırmızı kuprozoksit olarak çöker. Hemiasetal (halka)
formda, glukozun C-1’i Cu2+ ile okside olmaz. Ancak, halkanın
açık formu (düz zincirli yapı) halka formu ile denge halindedir.
Reaksiyon düz zincirli form üzerinden gider.
Bir disakkarit iki monosakkaritten oluşur (burada iki D-glukoz molekülü). Burada sağdaki glukozun –
OH grubuyla soldaki glukoz molekülünün molekül içi hemiasetal grubunun bir su çıkışı reaksiyonu
sonucu O-glikozidik bağ oluşur. Bu reaksiyonun tersi hidroliz olup, glikozidik bağa suyun attağı ile
gerçekleşir. Maltoz molekülünde bir adet indirgen uç (hemiasetal) bulunur. Mutarotasyon α ve β
anomerlerin birbirine dönüşümü olarak bilindiğinden sağ uçtaki anomerik karbona bağlı olan bağlar
dalgalışekilde veya tam yapıyı ortaya koyacak şekilde isimlendirilir.
Nişaşta ve glikojen moleküllerinin
elektron mikroskobu görüntüleri.
a)Bir Kloroplast içerisindeki geniş
nişaşta granülleri. Kloroplastlardaki
nişaşta D-glukoz’dan fotosentetik
olarak üretilir.
b)Hepatositlerdeki glikojen
granülleri. Bu granüller (~0.1m)
sitozolde oluşur ve nişaşta
granüllerine kıyasla (~1.0m)
oldukça küçüktür.3
•Nişaşta, glukozun amiloz ve amilopektin olmak üzere iki değişik
polimerine sahiptir.
•Amiloz, uzun dallanmamış glukoz (14) polimerinden oluşur.
Bu tür zincirlerin molekül ağırlıkları birkaçbinden milyona kadar
gider.
•Amilopektinde oldukça yüksek molekül ağırlığına sahiptir (100
milyona kadar).
•Ancak amilozdan farklı olarak yüksek derecede dallanma
bulunmaktadır.
•Amilopektinde de amilozda olduğu gibi (14) bağlanmaların
yanısıra her 24 ila 30 rezidü arasında (16) bağ tipinden oluşan
dallanmalar bulunmaktadır.
Glikojen, hayvan hücrelerinin ana depo
polisakkaritidir. Amilopektinde olduğu gibi
glikojende (14) bağlanmaların yanısıra
dallanmaları oluşturan (16) bağ tipleri
mevcuttur.
Glikojen’in amilopektinden en önemli
farklılığı dallanmaların her 8 ila 12 glukoz
rezidüleri arasında gerekleşmiş olmasıdır.
Dolayısıyla, glikojen nişaştaya kıyasla
daha kompakt bir yapı arzeder. Glikojen
bolca karaciğerde yer alır ve karaciğerin
yaş ağırlığının %7 sini oluşturur.
Glikojen ayrıca kaslarda da yer alır.
Karaciğer hücrelerinde glikojen büyük
granüller halinde görünür. Glikojen
granülleri ayrıca sıkı bağlanmış formunda
glikojen sentezi ve degradasyonundan
sorumlu enzimleri de içerir.
•Glukojen molekülü dallanmadan kaynaklı olarak bol miktarda indirgen olmayan
uç içerir. Ancak sadece bir tane indirgen uç içerir. Glikojen enerji kaynaklı
olarak kullanıldığında indirgen olmayan uçtan başlayarak degrade edilir.
•Degrade edici enzimler (fosforilaz) aynı anda değişik uçlardan degradasyon
işlemine başladığı için polisakkaritin monosakkarite dönüşüm hızı oldukça
yüksektir.
•Neden Glukoz monomerik formda depo edilmez?
•Karaciğer hücreleri glikojeni glukoz ekivalentince 0.4M olacak şekilde depo
eder. Glikojenin gerçek konsantrasyonu ise (çözünmez, sitozolun
osmolaritesine çok az katkı yapar) yaklaşık 0.01 M dır.
•Eğer sitozol 0.4 M glukoz içermiş olsaydı, osmolarite inanılmaz birşekilde
artacak ve hücre içine su girişi yüzünden hücrenin patlamasına neden olacaktı.
•Gerçek nasıl?
•Karaciğer hücrelerimizde bu glukoz eşdeğeri 0.4 M kabul edilirse, kan
dolaşımımızdaki glukoz konsantrasyonu ise 5mM dır. Aradaki bu fark kan
dolaşımından karaciğer hücresine (eğer yeterli glikojen depoları varsa) glukoz
girişine izin vermez. Glukozun hücre içerisine girişine ilişkin serbest enerji
değişimi oldukça yüksek ve pozitiftir.4
Bitişik rijit sandalyelerin en kararlı
konformasyonunda polisakkarit zinciri
eğilir, yani doğrusal değildir!
Amilozun üç boyutlu yapısı
incelendiğinde ise, yapının sıkı olarak
sarılmış sarmal konformasyonda
olduğu gözlenmektedir.
GLİKOJENOLİZİS
• Metabolizmada ana yakıt kaynağı olan glukoz, ATP üretmek üzere
glikolizis ile yıkıma uğrar.
• Yüksek yapılı organizmalar, yakıt kaynağının tükenmesi durumunda
metabolik ihtiyaçlar doğrultusunda kullanmak üzere glukozu yüksek
molekül ağırlıklı glukanlar (glukoz polisakkaritleri) şeklinde
polimerleştirerek depo ederler.
• Glukoz bitkilerde α-amiloz [α(1→4) bağlı glukan] ve amilopektin [α-
amilozun α(1→4) bağına ek olarak 24-30 rezidüde bir α(1→6)
dallanma içerir]’in bir karışımı olan nişasta şeklinde depo edilir.
Glikojenin moleküler yapısı.
• Glukoz hayvanlarda ise glikojen şeklinde depo edilir.
Amilopektinden tek farkı dallanma noktasının 8-14 rezidüde bir
yer almasıdır.5
Glikojenin dallanmış yapısını
gösteren diyagram.
• Glikojen, 100-400 Ã… çapındaki 120,000’e kadar glukoz molekülü
barındırabilen sitoplazmik granüllerde depo edilir.
• Genellikle glikojen en fazla kullanıldığı kas (ağırlığının %1-2 kadarı) ve
karaciğer hücrelerinde (ağırlığının %10 kadarı, vücudun ~12 saatlik enerji
kaynağı) daha bol bulunur.
Ratların iskelet kasındaki bir glikojen
granülünün elektron mikrografı.
Bu derste; glukoz moleküllerinin glukanın indirgen olmayan ucundan
ardışık salınımlarına ilişkin mekanizmalar incelenecektir.
Daha önce de belirtildiği üzere, glikojenin yüksek yapılı dallanmasının
fizyolojik olarak kan dolaşımına çok hızlı glukoz molekülü
salabilmesinden ötürü çok büyük önemi vardır.
Peki neden yağlar gibi vücutta büyük kütleye sahip yapılar dururken
glikojen depo edilir?
Cevap üç kısımdan oluşur:
1. Kaslar yağları glikojende olduğu gibi hızlı metabolize edemez (100
m koşucusunu düşünün)
2. Yağların yağ asidi kalıntıları anaerobik olarak metabolize
edilemezler (100 m kelebek yüzücüsünü düşünün)
3. Hayvanlar yağ asitlerini glukoza dönüştüremezler! Bu yüzden
yağlar tek başlarına kan glukoz seviyesini düzenleyemezler!
• Karaciğer ve kas, glikojenin en fazla depo edildiği iki ana organdır.
• Kaslarda ATP’ye ihtiyaç duyulduğunda glikojen, glikolizise girmesi
için glukoz-6-fosfata (G6P) yıkılır.
• Karaciğerde, düşük kan glukozu konsantrasyonu glikojenin G6P’a
yıkılmasını, G6P’ın hidroliz olarak glukoza dönüşmesini ve glukozun
tekrar kana verilerek kan glukoz düzeyinin normale dönmesini
tetikler. 6
GLİKOJEN ÜÇ ENZİMATİK REAKSİYONLA YIKIMA UĞRAR.
• Reaksiyon 1: Glikojen fosforilaz, glikojenin fosforoliz (fosfat grubunun yer
değiştirmesi ile bağın kırılması)’ini katalizleyerek glukoz-1-fosfat (G1P)
oluşturur.
• Bu enzim dallanma noktasından kalıncaya dek glukozun
açığa çıkmasını sağlar.
• Bu reaksiyon konfigürasyonun değişimi ile ilerler ve bu durum kovalent
glikozil-enzim araürününü de içeren çift yer değiştirme mekanizmasının
göstergesidir.
• Aynı zamanda reaksiyon sırasında enzim·Pi
·glikojen üçlü kompleksini
takiben korunmuş okzonyum iyonu araürününün oluştuğu düşünülmektedir.
GLİKOJEN ÜÇ ENZİMATİK REAKSİYONLA YIKIMA UĞRAR.
• Reaksiyon 2: Glikojen dalkırıcı enzim
Bu enzim glikojenin dallanmalarını uzaklaştırarak glikojenin daha üst düzey
yıkılmasına olanak sağlamak için fosforilaz enzimine kolaylık sağlar. Bu
enzim ayrıca 16 glikozidik bağlarıda kırabilir (dallanmanın olduğu ilk
glukoz molekülü). Bu enziminde yardımıyla glikojen kalıntılarının yaklaşık
%92 lik kısmı G1P ye dönüştürülür.
Geri kalan yaklaşık %8 lik kısım ise (dallanma noktalarındaki), dogrudan glukoza
dönüştürülmüş olur.
GLİKOJEN ÜÇ ENZİMATİK REAKSİYONLA YIKIMA UĞRAR.
• Reaksiyon 3: Fosfoglukomutaz
Bu enzim G1P yi G6P ye dönüştürür. Bu ürün aynı zamanda, glikolizin ilk
adımında heksokinaz enzimince de oluşturulmaktadır.
Oluşan G6P kaslarda glikolitik yoldan devam ederken, karaciğerde glukoza
hidrolizlenerek kana verilir.
Şimdi, bu enzimlerin yapı ve mekanizmalarına biraz daha yakından bakalım…
Reaksiyon 1. Glikojen fosforilazın
reaksiyon mekanizması.
Fosforilaz reaksiyonu sonucunda
glikojenin indirgen olmayan terminal
glikozil birimine ait C1-O1 bağının
kırılmasıyla G1P oluşur.
Bağ kırılması ve ardından
okzonyum iyonunun oluşumu, Pi
tarafından glikozidik oksijenin
protonlanmasıyla gerçekleşir (asit
katalizi).
Oluşan okzonyum iyonu anyonik Pi
ile iyon çifti oluşturarak kararlı hale
gelir (elektrostatik kataliz).
Hemen ardından PLP’a ait fosforil
grubunun Pi
‘tan proton almasıyla
G1P oluşur (baz katalizi).7
Glikojen fosforilaz reaksiyonunun okzonyum iyonu üzerinden
gerçekleştiği 1,5-glukonolakton gözlemine dayanmaktadır.
Bu molekül fosforilazın bir inhibitörüdür. 1,5-glukonolakton
öngörülen okzonyum iyonu ile aynı yarı sandalye
konformasyonuna sahiptir ve bu geçiş basamağı analogu
fosforilazın aktif merkezinde okzonyum iyonunu taklit eder.
• Glikojen fosforilaz, 842 rezidülük altbirimleri birbirine eş
dimerden oluşan glikojen yıkımının kontrol basamağını
katalizleyen enzimdir.
Tavşan kasına ait glikojen fosforilaz a (solda) ve b (sağda)’nin X-ray yapısı.
Fosforilaz, kofaktör olarak
pridoksal-5´-fosfat içerir ve
aktivitesi için gereklidir.
Bu B6
vitamini türevi bir Schiff
bazı ile Lys 679 üzerinden
fosforilaza kovalent olarak
bağlıdır.
X-ray çalışmalarından PLP’ın
fosfat grubunun enzimin aktif
merkezine yakın yer aldığı ve bir
asit-baz katalizörü olarak görev
aldığı tahmin edilmektedir.8
• Reaksiyon 2: Glikojenin dallanma noktalarını yıkan enzim, glikojen
fosforilaz reaksiyonunun tamamlanmasını sağlar.
• Aynı zamanda α(1 → 6) bağlı glikozil birimlerini de glukoza
dönüştürür.
• Sonuç olarak, glikojene ait glukoz rezidülerinin yaklaşık %92’si
G1P’a dönüşmüş olur.
• Kalan %8’lik kısım ise dallanma noktalarından elde edilen glukozu
oluşturur.
• Glikojenin dallanma noktalarını yıkan enzim, 1540 rezidülük
monomer yapısındadır.
• Glikojenin limit dallanma noktasından α(1 → 4) bağlı trisakkarid
birimini başka bir dallanma noktasının indirgen olmayan ucuna
transfer ederek bir α(1 → 4) transglikozilaz (glikozil transferaz)
olarak görev görür.
• Dallanma noktasında geriye kalan glikozil rezidüsünü ana zincire
bağlayan α(1 → 6) bağını da aynı enzim hidroliz ederek glukoz ve
dallanmamış glikojen açığa çıkmasını sağlar. Bu nedenle
dallanma noktalarını yıkan enzim transferaz reaksiyonu ve
α(1→6) glukozidaz reaksiyonu için iki ayrı aktif merkeze sahiptir.
Dallanma noktalarını yıkan enzim tarafından katalizlenen reaksiyonlar.
α(1 → 4) transglikozilaz (glikozil transferaz)
α(1→6) glukozidaz
• Reaksiyon 3: Fosfoglukomutaz G1P’ı G6P’a dönüştürür.
• G6P da ya glikolizis yolağına girer (kaslarda olduğu gibi) ya da
glukoza hidroliz olur (karaciğerde olduğu gibi).
• Aktif fosfo-enzimden G6P’a bir fosforil grubu transferi sonucu
glukoz-1,6-bifosfat (G1,6P) oluşur ve bu araürün enzimi tekrar
fosforillleyerek G1P’a dönüşür.9
(1) C1 karbonuna ait OH grubu fosfoenzime atak yaparak
defosfoenzim-G1,6P araürününü oluşturur.
(2) Defosfoenzimdeki Ser-OH grubu C6 karbonundaki fosforil
grubuna atak yaparak fosfoenzimi rejenere ederken G1P’ın
açığa çıkmasını sağlar.
Glikojen metabolizmasının Termodinamiği:
“Sentez ve Yıkım Yollarını Ayırmak için Gereken İhtiyaç”
Forforilaz enzimi için G0’
(standart biyokimyasal koşullar altındaki G)
değeri +3.1 kJ/mol’dir.
Bu veriye göre fosforilaz reaksiyonu 25 C’de [Pi]/[G1P]=3.5 olduğu
zaman dengeye ulaşır (G=0).
Hücre de bu oran ise 30 – 100 arasında değişir ki, bu da G değerini -5
ila 8 kJ/mol arasına getirir.
Dolayısıyla glikojen yıkımı egzergonik bir reaksiyondur. Bunun tersi ise,
yani G1P ve Pi’den glikojenin sentezi ise istemsiz-endergonik bir
süreçtir.
Bu nedenle, glikojen sentezi ve yıkımı ayrı yolaklarla gerçekleşmelidir.
Çünkü, her iki yolda kullanılan metabolitler benzerdir. Bu nedenle farklı
enzimatik mekanizmaların rol oynaması gerekir (Fosfofruktokinaz-1 ve
Fruktoz-1,6-bisfosfataz’da olduğu gibi)
GLİKOJENEZİS
(Glikojen Sentezi)
McArdle hastalığı
-Nadir, kalıtımsal glikojen depo hastalığı, ılımlı bir egzersiz
sonrası şiddetli krampların oluşumu
- Bu hastalardan alınan doku örneklerinin glikojen fosforilaz
aktivitesinin olmadığı ve glikojen yıkımını gerçekleştiremediği
görülmüştür.
-Bu hastaların kaslarında ise normal düzeylerde glikojen
depolarının olması, sentezin yıkımdan farklı bir mekanizma ile
oluştuğunun bir diğer kanıtıdır.
Glikojen sentezi yolunda rol oynayan enzimler;
UDP-glukoz pirofosforilaz, glikojen sentaz, glikojen dallandırıcı
enzimdir.
İlaveten bir de Glikojenin isimli bir protein bulunmaktadır. 10
UDP-Glukoz Pirofosforilaz Reaksiyonu
G1P’ın glikojen ve Pi
‘a direkt olarak dönüşümü tüm fizyolojik Pi
konsantrasyonları altında termodinamik olarak istemsiz (pozitif ΔG)
olduğundan glikojen biyosentezi için ek bir ekzergonik adıma ihtiyaç
vardır.
Bu adım, G1P’ın üridin trifosfat (UTP) ile birleşimi olan üridin difosfat
glukoz (UDP-glukoz veya UDPG) oluşumuna dayanır.
UDPG’nin yüksek enerjili hali uzayan glikojen zincirine
kendiliğinden bir glukozil grubu vermesine olanak sağlar.
• UDP-glukoz pirofosforilaz UTP ve G1P’ın reaksiyonunu
katalizler.
• Bu reaksiyonda G1P’a ait fosforil grubu oksijeninin UTP’nin α
fosfor atomuna atağı sonucu UDPG oluşur ve PPi açığa çıkar.
• Bu fosfoanhidrit değişiminin ΔG°´ değeri beklenildiği gibi sıfıra
yakındır.
• Ardından, oluşan PPi ortamda bulunan inorganik pirofosfataz
enzimi tarafından katalizlenen ekzergonik bir reaksiyonla
hidroliz olur.
• Bu nedenle UDPG oluşumuna ait toplam reaksiyon da
ekzergoniktir.
UDP-glukoz pirofosforilaz tarafından katalizlenen reaksiyon.
• UDP-glukoz pirofosforilaz UTP ve
G1P’ın reaksiyonunu katalizler.
• Bu reaksiyonda G1P’a ait fosforil
grubu oksijeninin UTP’nin α fosfor
atomuna atağı sonucu UDPG oluşur
ve PPi açığa çıkar.
• Bu fosfoanhidrit değişiminin ΔG°´
değeri beklenildiği gibi sıfıra yakındır.
• Ardından, oluşan PPi ortamda bulunan
inorganik pirofosfataz enzimi tarafından
katalizlenen ekzergonik bir reaksiyonla
hidroliz olur.
• Bu nedenle UDPG oluşumuna ait
toplam reaksiyon da ekzergoniktir.
Glikojen Sentaz Reaksiyonu
•Glikojen sentaz reaksiyonu ile UDPG’ye ait glikozil birimi bir α(1
→ 4) bağı oluşturmak üzere bir glikojen zincirinin indirgen
olmayan ucundaki C4-OH grubuna transfer edilir.
•Bu reaksiyonda da glikojen fosforilaz reaksiyonunda olduğu gibi
bir okzonyum araürünü üzerinden ilerlediği düşünülmektedir.
•Memeliler glikojen sentazın %70 benzerlikte iki izoformunu
eksprese ederler; biri çoğunlukla kasta diğeri ise karaciğerde
bulunur.
•Bitkiler ve bakteriler ise nişasta/glikojen sentazlara sahiptirler
fakat bu canlılar UDP-glukoz yerine glukoz donörü olarak ADPglukozu kullanırlar.11
• Glikojen sentaz reaksiyonu için ΔG°´ değeri -13.4 kJ/mol’dür
ve bu reaksiyon glikojen yıkımındaki istemli gerçekleşen
glikojen fosforilaz reaksiyonunun gerçekleştiği koşullarda
istemlidir.
• Bu iki reaksiyon bir arada düşünüldüğünde glikojenin
döngüsel olarak sentez ve yıkımı sürekli bir hareket
makinasından çok gücünü UTP hidrolizinden sağlayan bir
motora benzetilebilir.
• Tüketilen UTP, nükleozid difosfat kinaz tarafından
katalizlenen fosfat transferi reaksiyonu ile tekrar üretilir.
• Glikojen sentaz iki glukoz rezidüsünü basit bir şekilde
birleştiremez, sadece hazır bulunan bir α(1 → 4) bağlı glukan
rezidüsünü genişletebilir.
• Peki glikojen sentezi nasıl başlar?
• Cevap, glikojen sentezinde bir glukoz rezidüsünün yarı-katalizli
olarak «glikojenin» adı verilen 332 rezidülük homo-dimerik bir
proteinin Tyr 194’e ait OH grubuna aktarılmasıyla başlar.
• «Glikojenin», glukan zincirini UDP-glukoz tarafından sağlanan
~9 rezidüye kadar genişleterek glikojen sentezinin başlaması
için bir primer oluşturur.
• Glikojen sentaz bu noktadan sonra devreye girerek senteze
devam eder.
• Glikojen granüllerinin analizi sonucunda bu iki enzimin 1:1
oranda bulundukları gösterilmiştir.
Glikojenin iki farklı reaksiyonu
katalizler. İlk olarak Tyr 194
üzerindeki hidroksil grubunun UDPglukozun glikozil artığındaki C1
karbonuna atağı ile glikozillenmiş Tyr
rezidüsü oluşur.
Ardından, terminal glukozun C4
hidroksil grubu başka bir UDP-glukoz
molekülünün C1 karbonuna atak
yapar ve bu sekans α(1→4)
glikozidik bağı ile bağlı sekiz glukoz
rezidüsü içeren bir glikojen molekülü
meydana gelinceye kadar uzamaya
devam eder.12
Bir glikojen molekülünün yapısı.
Merkez glikojenin molekülünden başlayarak, glikojen zincirleri (12 - 14
rezidülük) katmanlar halinde genişler. İç kısımdaki zincirlerin her birinde iki adet
α(1→6) dallanma noktası bulunur. Dış katmandaki zincirlerde dallanma yoktur.
Olgun bir glikojen partikülünde 12 adet katman bulunur (burada sadece 5
tanesi gösterilmiştir). 21 nm yarıçaplı ve Mr ~1 × 107 olan bir glikojen molekülü
yaklaşık 55,000 adet glukoz rezidüsü içerir.
Glikojen sentaz tarafından katalizlenen reaksiyon.13
Glikojen Dallandıran Enzim
•Glikojen sentaz sadece α(1 → 4) bağı oluşumunu katalizleyerek α-
amiloz meydana getirir. Dallanarak glikojen oluşumu 700 rezidülük
monomerik bir enzim olan amilo-(1,4→1,6)-transglikozilaz (glikojen
dallandıran enzim) tarafından katalizlenir.
•Her bir dal ~7 glikozil rezidüsünden oluşan terminal zincir parçalarının
aynı veya başka bir glikojen zincirindeki glukoz rezidüsünün C6-OH
grubuna transferi ile meydana gelir.
•Transfer edilen her bir parça en az 11 rezidülük bir zincirden gelmelidir
ve yeni dallanma noktası diğer dallanma noktalarından en az 4 rezidü
uzaklıkta bulunmalıdır.
Glikojen’in dallanma reaksiyonu.
GLİKOJENOLİZİS VE
GLİKOJENEZİN METABOLİK
REGÜLASYONU
Glikojen biyosentezi, glikojen sentaz enzimi ve glikojen
yıkımı da glikojen fosforilaz enzimi üzerinden allosterik
efektörler, kovalent modifikasyon ve hormonal kontrol
mekanizmaları aracılığıyla regüle edilir.
• Enzim hem allosterik etkileşimler hem de kovalent modifikasyon ile regüle edilir.
• Enzim katalizli modifikasyon prosesi ile fosforilazın iki formu arasında geçiş
sağlanır:
• Fosforilaz a, her iki altbiriminde de Ser 14’e bağlı fosforil grubu esterine
sahiptir.
• Fosforilaz b, fosforil grubuna sahip değildir.
• Fosforilazın allosterik inhibitörleri ATP, G6P ve glukozdur.
• Allosterik aktivatörü ise enzimin fosforile/defosforile formları ile farklı şekilde
etkileşime girerek duyarlılığı yüksek bir kontrol sağlayan AMP molekülüdür.
Enzimin
ligand
bağlanan
bölgelerinin
şematik
gösterimi.
Glikojen fosforilazın metabolik kontrolü14
Glikojen fosforilaz aktivitesinin kontrolü.
Enzim, enzimatik olarak
inaktif T konformasyonu
(üstte) veya katalitik olarak
aktif olan R formu (altta)
arasında geçiş yapabilir.
Fosforilaz b’nin
konformasyonu AMP, ATP ve
G6P gibi efektörler tarafından
allosterik olarak kontrol edilir
ve fizyolojik koşullarda en çok
T halinde bulunur. Buna
karşılık, enzimin modifiye
formu, fosforilaz a, bu
efektörlere büyük oranda
duyarsızdır ve glukoz düzeyi
çok yüksek olmadıkça R
halinde bulunur.
Olağan fizyolojik koşullar altında, glikojen fosforilazın enzimatik aktivitesi,
enzimin modifikasyon/demodifikasyon hızı ile belirlenir. Enzimin sadece T
formunun modifiye/demodifiye edildiği unutulmamalıdır, bunun sonucu
olarak efektörün bağlanması modifikasyon/demodifikasyon hızını etkiler.
• Karaciğerde, glukoz fosforilaz a’nın allosterik inhibitörüdür ve T
formuna geçmesini sağlar. Aynı zamanda fosforilllenmiş serinleri
fosfataz tarafından hidroliz olmaya hazır hale getirir. Bu durum
dengeyi fosforilaz b yönüne kaydırır.
• Kasta, primer allosterik efektörler ATP, AMP ve G6P’dır. Kaslar
kasılma sırasında ATP’yi kullandığında, AMP düzeyi yükselir ve
artan AMP fosforilaz b’nin aktif olan R formuna geçmesini
tetikler.
• ATP bolluğunda veya G6P oluşturulduğunda, bu moleküller
dengeyi T formuna geri çevirerek allosterik inhibitör olarak
davranırlar.
• Bu değişimler, glikojenin enerjiye ihtiyaç duyulduğu yüksek AMP,
düşük [G6P] ve düşük [ATP] durumlarında yıkılacağını gösterir.
Tam tersi durumda (düşük [AMP], yüksek [G6P] ve yüksek
[ATP]) yani enerji ihtiyacı olmadığında glikojen yıkımı düşüktür.15
• Glikojen sentazın aktivitesi glikojen fosforilazda olduğu gibi aynı tip kovalent
modifikasyon ile düzenlenir. Aradaki fark cevabın tamamen ters olmasıdır.
Glikojen sentaz, fosforile haldeyken inaktif, defosforile haldeyken aktif
formundadır.
• Hormonal sinyaller (glukagon veya epinefrin) glikojen sentazın cAMP bağımlı
protein kinaz üzerinden fosforillenmesini stimule ederler. Glikojen sentaz
fosforilaz kinaz ve glikojen sentaz kinaz gibi enzimler tarafından da
fosforillenebilir.
• Glikojen sentaz, fosforilazdan fosfat grubunu uzaklaştıran aynı fosfoprotein
fosfataz tarafından defosforillenir.
Glikojen sentazın metabolik kontrolü
• Glikojen sentaz aynı zamanda allosterik olarak da kontrol edilir.
ATP varlığında inhibe olurken, G6P aktivatör olarak davranır.
Fakat, enzimin iki formu G6P’a farklı yanıt verir.
• Fosforile (inaktif) formu «glikojen sentaz D» (G6P bağımlı)
olarak adlandırılır çünkü sadece çok yüksek G6P
konsantrasyonlarında aktiftir.
• Defosforile formu «glikojen sentaz ɪ» (G6P bağımsız) olarak
adlandırılır çünkü düşük G6P konsantrasyonlarında dahi aktiftir.
Glikojen sentaz aktivitesi üzerinde insülin’in etkisi.
İnsülinin karaciğer ve kaslardaki plazma membranı reseptörlerine bağlanmasıyla protein kinaz kaskadları
uyarılır ve glikojen sentezi başlar. İnsülinin etkisiyle glikojen sentaz kinaz 3 (GSK3) inaktif hale gelirken,
fosfoprotein fosfataz 1 (PP1) aktif hale geçer ve GLUT4 (glukoz taşıyıcı membran proteini) plazma
membranına yerleşir. Glukozun hücre içine alımı ile birlikte glikojen sentezi için substrat sağlanır. Öte
yandan, G6P glikojen sentazın inaktif formunu allosterik olarak aktive eder.16
Glukagon ve epinefrin,
sırasıyla, karaciğer ve kasta
glikojen yıkımını aktive eden
ve glikojen sentezini inhibe
eden kaskad reaksiyonlarını
aktive ederler.
Glikojen depolanmasında görülen kalıtsal hastalıklar.
KAYNAKLAR
Lehninger, Principles of Biochemistry, Fifth Edition
Donald Voet and Judith Voet, Biochemistry, Third Edition
GLİKOJENOLİZİS
Glikojen Yıkımı
Hatırlatma
Bir aldehit veya keton alkollerle 1:1 oranda sırasıyla hemiasetal
ve hemiketal oluşturmak üzere reaksiyona girerler. Bu
reaksiyon sonrasında karbonil karbonunda yeni bir kiral merkez
oluşur. Yapıdaki ikinci alkolün değişimi ise bir asetal yada ketal
oluşturur. İkinci alkol diğer bir şekere aitse, oluşan bağa glikozit
bağı denir.
Hatırlatma
D-glukozun iki siklik formunun
oluşumu. C-1 deki aldehit grup
ve C-5’teki hidroksil grubu
arasındaki reaksiyon iki
stereoizomerli (α ve β anomer)
hemiasetal verir (Hemiasetal
karbon çevresindeki
stereokimya değişir). α ve β
anomerlerin birbirine dönüşümü
mutarotasyon olarak bilinir. 2
Şekerler indirgen ajanlardır:
Glukozun anomerik karbon atomunun oksidasyonu Fehling
reaksiyonunun temelini oluşturur. Alkali koşullarda oluşan kuproz
iyon (Cu+) kırmızı kuprozoksit olarak çöker. Hemiasetal (halka)
formda, glukozun C-1’i Cu2+ ile okside olmaz. Ancak, halkanın
açık formu (düz zincirli yapı) halka formu ile denge halindedir.
Reaksiyon düz zincirli form üzerinden gider.
Bir disakkarit iki monosakkaritten oluşur (burada iki D-glukoz molekülü). Burada sağdaki glukozun –
OH grubuyla soldaki glukoz molekülünün molekül içi hemiasetal grubunun bir su çıkışı reaksiyonu
sonucu O-glikozidik bağ oluşur. Bu reaksiyonun tersi hidroliz olup, glikozidik bağa suyun attağı ile
gerçekleşir. Maltoz molekülünde bir adet indirgen uç (hemiasetal) bulunur. Mutarotasyon α ve β
anomerlerin birbirine dönüşümü olarak bilindiğinden sağ uçtaki anomerik karbona bağlı olan bağlar
dalgalışekilde veya tam yapıyı ortaya koyacak şekilde isimlendirilir.
Nişaşta ve glikojen moleküllerinin
elektron mikroskobu görüntüleri.
a)Bir Kloroplast içerisindeki geniş
nişaşta granülleri. Kloroplastlardaki
nişaşta D-glukoz’dan fotosentetik
olarak üretilir.
b)Hepatositlerdeki glikojen
granülleri. Bu granüller (~0.1m)
sitozolde oluşur ve nişaşta
granüllerine kıyasla (~1.0m)
oldukça küçüktür.3
•Nişaşta, glukozun amiloz ve amilopektin olmak üzere iki değişik
polimerine sahiptir.
•Amiloz, uzun dallanmamış glukoz (14) polimerinden oluşur.
Bu tür zincirlerin molekül ağırlıkları birkaçbinden milyona kadar
gider.
•Amilopektinde oldukça yüksek molekül ağırlığına sahiptir (100
milyona kadar).
•Ancak amilozdan farklı olarak yüksek derecede dallanma
bulunmaktadır.
•Amilopektinde de amilozda olduğu gibi (14) bağlanmaların
yanısıra her 24 ila 30 rezidü arasında (16) bağ tipinden oluşan
dallanmalar bulunmaktadır.
Glikojen, hayvan hücrelerinin ana depo
polisakkaritidir. Amilopektinde olduğu gibi
glikojende (14) bağlanmaların yanısıra
dallanmaları oluşturan (16) bağ tipleri
mevcuttur.
Glikojen’in amilopektinden en önemli
farklılığı dallanmaların her 8 ila 12 glukoz
rezidüleri arasında gerekleşmiş olmasıdır.
Dolayısıyla, glikojen nişaştaya kıyasla
daha kompakt bir yapı arzeder. Glikojen
bolca karaciğerde yer alır ve karaciğerin
yaş ağırlığının %7 sini oluşturur.
Glikojen ayrıca kaslarda da yer alır.
Karaciğer hücrelerinde glikojen büyük
granüller halinde görünür. Glikojen
granülleri ayrıca sıkı bağlanmış formunda
glikojen sentezi ve degradasyonundan
sorumlu enzimleri de içerir.
•Glukojen molekülü dallanmadan kaynaklı olarak bol miktarda indirgen olmayan
uç içerir. Ancak sadece bir tane indirgen uç içerir. Glikojen enerji kaynaklı
olarak kullanıldığında indirgen olmayan uçtan başlayarak degrade edilir.
•Degrade edici enzimler (fosforilaz) aynı anda değişik uçlardan degradasyon
işlemine başladığı için polisakkaritin monosakkarite dönüşüm hızı oldukça
yüksektir.
•Neden Glukoz monomerik formda depo edilmez?
•Karaciğer hücreleri glikojeni glukoz ekivalentince 0.4M olacak şekilde depo
eder. Glikojenin gerçek konsantrasyonu ise (çözünmez, sitozolun
osmolaritesine çok az katkı yapar) yaklaşık 0.01 M dır.
•Eğer sitozol 0.4 M glukoz içermiş olsaydı, osmolarite inanılmaz birşekilde
artacak ve hücre içine su girişi yüzünden hücrenin patlamasına neden olacaktı.
•Gerçek nasıl?
•Karaciğer hücrelerimizde bu glukoz eşdeğeri 0.4 M kabul edilirse, kan
dolaşımımızdaki glukoz konsantrasyonu ise 5mM dır. Aradaki bu fark kan
dolaşımından karaciğer hücresine (eğer yeterli glikojen depoları varsa) glukoz
girişine izin vermez. Glukozun hücre içerisine girişine ilişkin serbest enerji
değişimi oldukça yüksek ve pozitiftir.4
Bitişik rijit sandalyelerin en kararlı
konformasyonunda polisakkarit zinciri
eğilir, yani doğrusal değildir!
Amilozun üç boyutlu yapısı
incelendiğinde ise, yapının sıkı olarak
sarılmış sarmal konformasyonda
olduğu gözlenmektedir.
GLİKOJENOLİZİS
• Metabolizmada ana yakıt kaynağı olan glukoz, ATP üretmek üzere
glikolizis ile yıkıma uğrar.
• Yüksek yapılı organizmalar, yakıt kaynağının tükenmesi durumunda
metabolik ihtiyaçlar doğrultusunda kullanmak üzere glukozu yüksek
molekül ağırlıklı glukanlar (glukoz polisakkaritleri) şeklinde
polimerleştirerek depo ederler.
• Glukoz bitkilerde α-amiloz [α(1→4) bağlı glukan] ve amilopektin [α-
amilozun α(1→4) bağına ek olarak 24-30 rezidüde bir α(1→6)
dallanma içerir]’in bir karışımı olan nişasta şeklinde depo edilir.
Glikojenin moleküler yapısı.
• Glukoz hayvanlarda ise glikojen şeklinde depo edilir.
Amilopektinden tek farkı dallanma noktasının 8-14 rezidüde bir
yer almasıdır.5
Glikojenin dallanmış yapısını
gösteren diyagram.
• Glikojen, 100-400 Ã… çapındaki 120,000’e kadar glukoz molekülü
barındırabilen sitoplazmik granüllerde depo edilir.
• Genellikle glikojen en fazla kullanıldığı kas (ağırlığının %1-2 kadarı) ve
karaciğer hücrelerinde (ağırlığının %10 kadarı, vücudun ~12 saatlik enerji
kaynağı) daha bol bulunur.
Ratların iskelet kasındaki bir glikojen
granülünün elektron mikrografı.
Bu derste; glukoz moleküllerinin glukanın indirgen olmayan ucundan
ardışık salınımlarına ilişkin mekanizmalar incelenecektir.
Daha önce de belirtildiği üzere, glikojenin yüksek yapılı dallanmasının
fizyolojik olarak kan dolaşımına çok hızlı glukoz molekülü
salabilmesinden ötürü çok büyük önemi vardır.
Peki neden yağlar gibi vücutta büyük kütleye sahip yapılar dururken
glikojen depo edilir?
Cevap üç kısımdan oluşur:
1. Kaslar yağları glikojende olduğu gibi hızlı metabolize edemez (100
m koşucusunu düşünün)
2. Yağların yağ asidi kalıntıları anaerobik olarak metabolize
edilemezler (100 m kelebek yüzücüsünü düşünün)
3. Hayvanlar yağ asitlerini glukoza dönüştüremezler! Bu yüzden
yağlar tek başlarına kan glukoz seviyesini düzenleyemezler!
• Karaciğer ve kas, glikojenin en fazla depo edildiği iki ana organdır.
• Kaslarda ATP’ye ihtiyaç duyulduğunda glikojen, glikolizise girmesi
için glukoz-6-fosfata (G6P) yıkılır.
• Karaciğerde, düşük kan glukozu konsantrasyonu glikojenin G6P’a
yıkılmasını, G6P’ın hidroliz olarak glukoza dönüşmesini ve glukozun
tekrar kana verilerek kan glukoz düzeyinin normale dönmesini
tetikler. 6
GLİKOJEN ÜÇ ENZİMATİK REAKSİYONLA YIKIMA UĞRAR.
• Reaksiyon 1: Glikojen fosforilaz, glikojenin fosforoliz (fosfat grubunun yer
değiştirmesi ile bağın kırılması)’ini katalizleyerek glukoz-1-fosfat (G1P)
oluşturur.
• Bu enzim dallanma noktasından kalıncaya dek glukozun
açığa çıkmasını sağlar.
• Bu reaksiyon konfigürasyonun değişimi ile ilerler ve bu durum kovalent
glikozil-enzim araürününü de içeren çift yer değiştirme mekanizmasının
göstergesidir.
• Aynı zamanda reaksiyon sırasında enzim·Pi
·glikojen üçlü kompleksini
takiben korunmuş okzonyum iyonu araürününün oluştuğu düşünülmektedir.
GLİKOJEN ÜÇ ENZİMATİK REAKSİYONLA YIKIMA UĞRAR.
• Reaksiyon 2: Glikojen dalkırıcı enzim
Bu enzim glikojenin dallanmalarını uzaklaştırarak glikojenin daha üst düzey
yıkılmasına olanak sağlamak için fosforilaz enzimine kolaylık sağlar. Bu
enzim ayrıca 16 glikozidik bağlarıda kırabilir (dallanmanın olduğu ilk
glukoz molekülü). Bu enziminde yardımıyla glikojen kalıntılarının yaklaşık
%92 lik kısmı G1P ye dönüştürülür.
Geri kalan yaklaşık %8 lik kısım ise (dallanma noktalarındaki), dogrudan glukoza
dönüştürülmüş olur.
GLİKOJEN ÜÇ ENZİMATİK REAKSİYONLA YIKIMA UĞRAR.
• Reaksiyon 3: Fosfoglukomutaz
Bu enzim G1P yi G6P ye dönüştürür. Bu ürün aynı zamanda, glikolizin ilk
adımında heksokinaz enzimince de oluşturulmaktadır.
Oluşan G6P kaslarda glikolitik yoldan devam ederken, karaciğerde glukoza
hidrolizlenerek kana verilir.
Şimdi, bu enzimlerin yapı ve mekanizmalarına biraz daha yakından bakalım…
Reaksiyon 1. Glikojen fosforilazın
reaksiyon mekanizması.
Fosforilaz reaksiyonu sonucunda
glikojenin indirgen olmayan terminal
glikozil birimine ait C1-O1 bağının
kırılmasıyla G1P oluşur.
Bağ kırılması ve ardından
okzonyum iyonunun oluşumu, Pi
tarafından glikozidik oksijenin
protonlanmasıyla gerçekleşir (asit
katalizi).
Oluşan okzonyum iyonu anyonik Pi
ile iyon çifti oluşturarak kararlı hale
gelir (elektrostatik kataliz).
Hemen ardından PLP’a ait fosforil
grubunun Pi
‘tan proton almasıyla
G1P oluşur (baz katalizi).7
Glikojen fosforilaz reaksiyonunun okzonyum iyonu üzerinden
gerçekleştiği 1,5-glukonolakton gözlemine dayanmaktadır.
Bu molekül fosforilazın bir inhibitörüdür. 1,5-glukonolakton
öngörülen okzonyum iyonu ile aynı yarı sandalye
konformasyonuna sahiptir ve bu geçiş basamağı analogu
fosforilazın aktif merkezinde okzonyum iyonunu taklit eder.
• Glikojen fosforilaz, 842 rezidülük altbirimleri birbirine eş
dimerden oluşan glikojen yıkımının kontrol basamağını
katalizleyen enzimdir.
Tavşan kasına ait glikojen fosforilaz a (solda) ve b (sağda)’nin X-ray yapısı.
Fosforilaz, kofaktör olarak
pridoksal-5´-fosfat içerir ve
aktivitesi için gereklidir.
Bu B6
vitamini türevi bir Schiff
bazı ile Lys 679 üzerinden
fosforilaza kovalent olarak
bağlıdır.
X-ray çalışmalarından PLP’ın
fosfat grubunun enzimin aktif
merkezine yakın yer aldığı ve bir
asit-baz katalizörü olarak görev
aldığı tahmin edilmektedir.8
• Reaksiyon 2: Glikojenin dallanma noktalarını yıkan enzim, glikojen
fosforilaz reaksiyonunun tamamlanmasını sağlar.
• Aynı zamanda α(1 → 6) bağlı glikozil birimlerini de glukoza
dönüştürür.
• Sonuç olarak, glikojene ait glukoz rezidülerinin yaklaşık %92’si
G1P’a dönüşmüş olur.
• Kalan %8’lik kısım ise dallanma noktalarından elde edilen glukozu
oluşturur.
• Glikojenin dallanma noktalarını yıkan enzim, 1540 rezidülük
monomer yapısındadır.
• Glikojenin limit dallanma noktasından α(1 → 4) bağlı trisakkarid
birimini başka bir dallanma noktasının indirgen olmayan ucuna
transfer ederek bir α(1 → 4) transglikozilaz (glikozil transferaz)
olarak görev görür.
• Dallanma noktasında geriye kalan glikozil rezidüsünü ana zincire
bağlayan α(1 → 6) bağını da aynı enzim hidroliz ederek glukoz ve
dallanmamış glikojen açığa çıkmasını sağlar. Bu nedenle
dallanma noktalarını yıkan enzim transferaz reaksiyonu ve
α(1→6) glukozidaz reaksiyonu için iki ayrı aktif merkeze sahiptir.
Dallanma noktalarını yıkan enzim tarafından katalizlenen reaksiyonlar.
α(1 → 4) transglikozilaz (glikozil transferaz)
α(1→6) glukozidaz
• Reaksiyon 3: Fosfoglukomutaz G1P’ı G6P’a dönüştürür.
• G6P da ya glikolizis yolağına girer (kaslarda olduğu gibi) ya da
glukoza hidroliz olur (karaciğerde olduğu gibi).
• Aktif fosfo-enzimden G6P’a bir fosforil grubu transferi sonucu
glukoz-1,6-bifosfat (G1,6P) oluşur ve bu araürün enzimi tekrar
fosforillleyerek G1P’a dönüşür.9
(1) C1 karbonuna ait OH grubu fosfoenzime atak yaparak
defosfoenzim-G1,6P araürününü oluşturur.
(2) Defosfoenzimdeki Ser-OH grubu C6 karbonundaki fosforil
grubuna atak yaparak fosfoenzimi rejenere ederken G1P’ın
açığa çıkmasını sağlar.
Glikojen metabolizmasının Termodinamiği:
“Sentez ve Yıkım Yollarını Ayırmak için Gereken İhtiyaç”
Forforilaz enzimi için G0’
(standart biyokimyasal koşullar altındaki G)
değeri +3.1 kJ/mol’dir.
Bu veriye göre fosforilaz reaksiyonu 25 C’de [Pi]/[G1P]=3.5 olduğu
zaman dengeye ulaşır (G=0).
Hücre de bu oran ise 30 – 100 arasında değişir ki, bu da G değerini -5
ila 8 kJ/mol arasına getirir.
Dolayısıyla glikojen yıkımı egzergonik bir reaksiyondur. Bunun tersi ise,
yani G1P ve Pi’den glikojenin sentezi ise istemsiz-endergonik bir
süreçtir.
Bu nedenle, glikojen sentezi ve yıkımı ayrı yolaklarla gerçekleşmelidir.
Çünkü, her iki yolda kullanılan metabolitler benzerdir. Bu nedenle farklı
enzimatik mekanizmaların rol oynaması gerekir (Fosfofruktokinaz-1 ve
Fruktoz-1,6-bisfosfataz’da olduğu gibi)
GLİKOJENEZİS
(Glikojen Sentezi)
McArdle hastalığı
-Nadir, kalıtımsal glikojen depo hastalığı, ılımlı bir egzersiz
sonrası şiddetli krampların oluşumu
- Bu hastalardan alınan doku örneklerinin glikojen fosforilaz
aktivitesinin olmadığı ve glikojen yıkımını gerçekleştiremediği
görülmüştür.
-Bu hastaların kaslarında ise normal düzeylerde glikojen
depolarının olması, sentezin yıkımdan farklı bir mekanizma ile
oluştuğunun bir diğer kanıtıdır.
Glikojen sentezi yolunda rol oynayan enzimler;
UDP-glukoz pirofosforilaz, glikojen sentaz, glikojen dallandırıcı
enzimdir.
İlaveten bir de Glikojenin isimli bir protein bulunmaktadır. 10
UDP-Glukoz Pirofosforilaz Reaksiyonu
G1P’ın glikojen ve Pi
‘a direkt olarak dönüşümü tüm fizyolojik Pi
konsantrasyonları altında termodinamik olarak istemsiz (pozitif ΔG)
olduğundan glikojen biyosentezi için ek bir ekzergonik adıma ihtiyaç
vardır.
Bu adım, G1P’ın üridin trifosfat (UTP) ile birleşimi olan üridin difosfat
glukoz (UDP-glukoz veya UDPG) oluşumuna dayanır.
UDPG’nin yüksek enerjili hali uzayan glikojen zincirine
kendiliğinden bir glukozil grubu vermesine olanak sağlar.
• UDP-glukoz pirofosforilaz UTP ve G1P’ın reaksiyonunu
katalizler.
• Bu reaksiyonda G1P’a ait fosforil grubu oksijeninin UTP’nin α
fosfor atomuna atağı sonucu UDPG oluşur ve PPi açığa çıkar.
• Bu fosfoanhidrit değişiminin ΔG°´ değeri beklenildiği gibi sıfıra
yakındır.
• Ardından, oluşan PPi ortamda bulunan inorganik pirofosfataz
enzimi tarafından katalizlenen ekzergonik bir reaksiyonla
hidroliz olur.
• Bu nedenle UDPG oluşumuna ait toplam reaksiyon da
ekzergoniktir.
UDP-glukoz pirofosforilaz tarafından katalizlenen reaksiyon.
• UDP-glukoz pirofosforilaz UTP ve
G1P’ın reaksiyonunu katalizler.
• Bu reaksiyonda G1P’a ait fosforil
grubu oksijeninin UTP’nin α fosfor
atomuna atağı sonucu UDPG oluşur
ve PPi açığa çıkar.
• Bu fosfoanhidrit değişiminin ΔG°´
değeri beklenildiği gibi sıfıra yakındır.
• Ardından, oluşan PPi ortamda bulunan
inorganik pirofosfataz enzimi tarafından
katalizlenen ekzergonik bir reaksiyonla
hidroliz olur.
• Bu nedenle UDPG oluşumuna ait
toplam reaksiyon da ekzergoniktir.
Glikojen Sentaz Reaksiyonu
•Glikojen sentaz reaksiyonu ile UDPG’ye ait glikozil birimi bir α(1
→ 4) bağı oluşturmak üzere bir glikojen zincirinin indirgen
olmayan ucundaki C4-OH grubuna transfer edilir.
•Bu reaksiyonda da glikojen fosforilaz reaksiyonunda olduğu gibi
bir okzonyum araürünü üzerinden ilerlediği düşünülmektedir.
•Memeliler glikojen sentazın %70 benzerlikte iki izoformunu
eksprese ederler; biri çoğunlukla kasta diğeri ise karaciğerde
bulunur.
•Bitkiler ve bakteriler ise nişasta/glikojen sentazlara sahiptirler
fakat bu canlılar UDP-glukoz yerine glukoz donörü olarak ADPglukozu kullanırlar.11
• Glikojen sentaz reaksiyonu için ΔG°´ değeri -13.4 kJ/mol’dür
ve bu reaksiyon glikojen yıkımındaki istemli gerçekleşen
glikojen fosforilaz reaksiyonunun gerçekleştiği koşullarda
istemlidir.
• Bu iki reaksiyon bir arada düşünüldüğünde glikojenin
döngüsel olarak sentez ve yıkımı sürekli bir hareket
makinasından çok gücünü UTP hidrolizinden sağlayan bir
motora benzetilebilir.
• Tüketilen UTP, nükleozid difosfat kinaz tarafından
katalizlenen fosfat transferi reaksiyonu ile tekrar üretilir.
• Glikojen sentaz iki glukoz rezidüsünü basit bir şekilde
birleştiremez, sadece hazır bulunan bir α(1 → 4) bağlı glukan
rezidüsünü genişletebilir.
• Peki glikojen sentezi nasıl başlar?
• Cevap, glikojen sentezinde bir glukoz rezidüsünün yarı-katalizli
olarak «glikojenin» adı verilen 332 rezidülük homo-dimerik bir
proteinin Tyr 194’e ait OH grubuna aktarılmasıyla başlar.
• «Glikojenin», glukan zincirini UDP-glukoz tarafından sağlanan
~9 rezidüye kadar genişleterek glikojen sentezinin başlaması
için bir primer oluşturur.
• Glikojen sentaz bu noktadan sonra devreye girerek senteze
devam eder.
• Glikojen granüllerinin analizi sonucunda bu iki enzimin 1:1
oranda bulundukları gösterilmiştir.
Glikojenin iki farklı reaksiyonu
katalizler. İlk olarak Tyr 194
üzerindeki hidroksil grubunun UDPglukozun glikozil artığındaki C1
karbonuna atağı ile glikozillenmiş Tyr
rezidüsü oluşur.
Ardından, terminal glukozun C4
hidroksil grubu başka bir UDP-glukoz
molekülünün C1 karbonuna atak
yapar ve bu sekans α(1→4)
glikozidik bağı ile bağlı sekiz glukoz
rezidüsü içeren bir glikojen molekülü
meydana gelinceye kadar uzamaya
devam eder.12
Bir glikojen molekülünün yapısı.
Merkez glikojenin molekülünden başlayarak, glikojen zincirleri (12 - 14
rezidülük) katmanlar halinde genişler. İç kısımdaki zincirlerin her birinde iki adet
α(1→6) dallanma noktası bulunur. Dış katmandaki zincirlerde dallanma yoktur.
Olgun bir glikojen partikülünde 12 adet katman bulunur (burada sadece 5
tanesi gösterilmiştir). 21 nm yarıçaplı ve Mr ~1 × 107 olan bir glikojen molekülü
yaklaşık 55,000 adet glukoz rezidüsü içerir.
Glikojen sentaz tarafından katalizlenen reaksiyon.13
Glikojen Dallandıran Enzim
•Glikojen sentaz sadece α(1 → 4) bağı oluşumunu katalizleyerek α-
amiloz meydana getirir. Dallanarak glikojen oluşumu 700 rezidülük
monomerik bir enzim olan amilo-(1,4→1,6)-transglikozilaz (glikojen
dallandıran enzim) tarafından katalizlenir.
•Her bir dal ~7 glikozil rezidüsünden oluşan terminal zincir parçalarının
aynı veya başka bir glikojen zincirindeki glukoz rezidüsünün C6-OH
grubuna transferi ile meydana gelir.
•Transfer edilen her bir parça en az 11 rezidülük bir zincirden gelmelidir
ve yeni dallanma noktası diğer dallanma noktalarından en az 4 rezidü
uzaklıkta bulunmalıdır.
Glikojen’in dallanma reaksiyonu.
GLİKOJENOLİZİS VE
GLİKOJENEZİN METABOLİK
REGÜLASYONU
Glikojen biyosentezi, glikojen sentaz enzimi ve glikojen
yıkımı da glikojen fosforilaz enzimi üzerinden allosterik
efektörler, kovalent modifikasyon ve hormonal kontrol
mekanizmaları aracılığıyla regüle edilir.
• Enzim hem allosterik etkileşimler hem de kovalent modifikasyon ile regüle edilir.
• Enzim katalizli modifikasyon prosesi ile fosforilazın iki formu arasında geçiş
sağlanır:
• Fosforilaz a, her iki altbiriminde de Ser 14’e bağlı fosforil grubu esterine
sahiptir.
• Fosforilaz b, fosforil grubuna sahip değildir.
• Fosforilazın allosterik inhibitörleri ATP, G6P ve glukozdur.
• Allosterik aktivatörü ise enzimin fosforile/defosforile formları ile farklı şekilde
etkileşime girerek duyarlılığı yüksek bir kontrol sağlayan AMP molekülüdür.
Enzimin
ligand
bağlanan
bölgelerinin
şematik
gösterimi.
Glikojen fosforilazın metabolik kontrolü14
Glikojen fosforilaz aktivitesinin kontrolü.
Enzim, enzimatik olarak
inaktif T konformasyonu
(üstte) veya katalitik olarak
aktif olan R formu (altta)
arasında geçiş yapabilir.
Fosforilaz b’nin
konformasyonu AMP, ATP ve
G6P gibi efektörler tarafından
allosterik olarak kontrol edilir
ve fizyolojik koşullarda en çok
T halinde bulunur. Buna
karşılık, enzimin modifiye
formu, fosforilaz a, bu
efektörlere büyük oranda
duyarsızdır ve glukoz düzeyi
çok yüksek olmadıkça R
halinde bulunur.
Olağan fizyolojik koşullar altında, glikojen fosforilazın enzimatik aktivitesi,
enzimin modifikasyon/demodifikasyon hızı ile belirlenir. Enzimin sadece T
formunun modifiye/demodifiye edildiği unutulmamalıdır, bunun sonucu
olarak efektörün bağlanması modifikasyon/demodifikasyon hızını etkiler.
• Karaciğerde, glukoz fosforilaz a’nın allosterik inhibitörüdür ve T
formuna geçmesini sağlar. Aynı zamanda fosforilllenmiş serinleri
fosfataz tarafından hidroliz olmaya hazır hale getirir. Bu durum
dengeyi fosforilaz b yönüne kaydırır.
• Kasta, primer allosterik efektörler ATP, AMP ve G6P’dır. Kaslar
kasılma sırasında ATP’yi kullandığında, AMP düzeyi yükselir ve
artan AMP fosforilaz b’nin aktif olan R formuna geçmesini
tetikler.
• ATP bolluğunda veya G6P oluşturulduğunda, bu moleküller
dengeyi T formuna geri çevirerek allosterik inhibitör olarak
davranırlar.
• Bu değişimler, glikojenin enerjiye ihtiyaç duyulduğu yüksek AMP,
düşük [G6P] ve düşük [ATP] durumlarında yıkılacağını gösterir.
Tam tersi durumda (düşük [AMP], yüksek [G6P] ve yüksek
[ATP]) yani enerji ihtiyacı olmadığında glikojen yıkımı düşüktür.15
• Glikojen sentazın aktivitesi glikojen fosforilazda olduğu gibi aynı tip kovalent
modifikasyon ile düzenlenir. Aradaki fark cevabın tamamen ters olmasıdır.
Glikojen sentaz, fosforile haldeyken inaktif, defosforile haldeyken aktif
formundadır.
• Hormonal sinyaller (glukagon veya epinefrin) glikojen sentazın cAMP bağımlı
protein kinaz üzerinden fosforillenmesini stimule ederler. Glikojen sentaz
fosforilaz kinaz ve glikojen sentaz kinaz gibi enzimler tarafından da
fosforillenebilir.
• Glikojen sentaz, fosforilazdan fosfat grubunu uzaklaştıran aynı fosfoprotein
fosfataz tarafından defosforillenir.
Glikojen sentazın metabolik kontrolü
• Glikojen sentaz aynı zamanda allosterik olarak da kontrol edilir.
ATP varlığında inhibe olurken, G6P aktivatör olarak davranır.
Fakat, enzimin iki formu G6P’a farklı yanıt verir.
• Fosforile (inaktif) formu «glikojen sentaz D» (G6P bağımlı)
olarak adlandırılır çünkü sadece çok yüksek G6P
konsantrasyonlarında aktiftir.
• Defosforile formu «glikojen sentaz ɪ» (G6P bağımsız) olarak
adlandırılır çünkü düşük G6P konsantrasyonlarında dahi aktiftir.
Glikojen sentaz aktivitesi üzerinde insülin’in etkisi.
İnsülinin karaciğer ve kaslardaki plazma membranı reseptörlerine bağlanmasıyla protein kinaz kaskadları
uyarılır ve glikojen sentezi başlar. İnsülinin etkisiyle glikojen sentaz kinaz 3 (GSK3) inaktif hale gelirken,
fosfoprotein fosfataz 1 (PP1) aktif hale geçer ve GLUT4 (glukoz taşıyıcı membran proteini) plazma
membranına yerleşir. Glukozun hücre içine alımı ile birlikte glikojen sentezi için substrat sağlanır. Öte
yandan, G6P glikojen sentazın inaktif formunu allosterik olarak aktive eder.16
Glukagon ve epinefrin,
sırasıyla, karaciğer ve kasta
glikojen yıkımını aktive eden
ve glikojen sentezini inhibe
eden kaskad reaksiyonlarını
aktive ederler.
Glikojen depolanmasında görülen kalıtsal hastalıklar.
KAYNAKLAR
Lehninger, Principles of Biochemistry, Fifth Edition
Donald Voet and Judith Voet, Biochemistry, Third Edition
Yorum yap