Biyokimya/Metabolizma/Glikoliz

Giriş

Glikoliz, glikozun iki piruvat molekülüne parçalandığı süreçtir. Glikoliz yolağının iki aşaması vardır: enerji yatırım aşaması ve enerji üretim aşaması. Glikolizdeki ilk beş adım, gliseraldehit 3-fosfatın üretildiği enerji yatırımı "hazırlık aşaması" dır. Enerji üretim aşaması "ödeme fazı", ise sonunda iki piruvat molekül oluşan glikolizin son beş basamağı kapsar. Glikoliz sitoplazmada meydana gelir ve oksijen yokluğunda da gerçekleşebilir. Vücutta, glikoliz için glikoz kaynağı diyet disakaritlerinden ve monosakaritlerden gelir.

Glikoliz, süreci glukozun karbondioksit ve suya dönüşmesini kapsayan karbonhidrat metabolizmasının ilk adımdır. Glikozun karbondioksite tamamen yükseltgenmesi sona erdiğinde, büyük miktarda enerji ATP'ye dönüştürülmüş olur.

Glikoliz sırasında, iki NADH molekülü ve net iki ATP molekülü üretilir (yolağı başlatmak için iki ATP molekülü kullanılır, ancak daha sonra dört molekül sentezlenir). Böylece, iki piruvat molekülüne dönüştürülen her glikoz molekülü için iki ATP molekülünün net üretilmiş olur.

Glikoliz işlemin sonunda, tüm glikoz enerjisinin sadece küçük bir kısmı serbest bırakılır ve potansiyel enerjinin geri kalanı, piruvat moleküllerinde kalır. Pirüvat molekülleri ilk önce asetil-CoA'ya dönüştürülür. Daha sonra  asetil-CoA TCA döngüsüne girer. TCA' da NADH ve FADH₂ üretiminin yanı sıra karbondioksit çıkışı gözlenir. TCA döngüsünden elde edilen NADH ve FADH₂, oksidatif fosforilasyon yoluyla ATP üretmek için ETS (Elektron Taşıma Sistemi)' ye girer.  Bahsi geçen bu metabolik adımlar aerobik metabolizmayı, anaerobik (oksijensiz) metabolizmadan çok daha verimli kılar. Bu verimlilikte bugün aerobik canlıların anaerobik canlılara kıyasla neden baskın konumda olduğunu açıklar vaziyettedir, ancak yine de belli fizyolojik koşullar altında hayvanlarda bile anaerobik reaksiyonlar gerçekleşmektedir.

Genel bakış

Glikoliz, altı karbonlu şekerlerin, ADP' yi ATP'ye dönüştürmek için kullanılan enerjinin serbest bırakılmasıyla, üç karbonlu bileşiklere bölündüğü karbonhidratların katabolizmasının merkezi bir yolağıdır. Glikoliz, hem anaerobik hem de aerobik koşullar altında ilerleyebilir.

Glikoliz, glikozu 2 piruvat molekülüne dönüştüren 10 aşamalı bir yolaktır. Genel Glikoliz net bir denklem olarak yazılabilir:

Glikoz + 2ADP + 2NAD⁺ → 2Pirüvat + 2ATP + 2NADH

Görsel Özet

Aşama I: Enerji Yatırımları (adım 1-5) Aşama II: Enerji Hasadı (adım 6-10)

Glikoliz bileşikleri:	Glikoliz enzimleri
Glikoz	1) Hekzokinaz (HK)
Glikoz 6-Fosfat (G6P)	2)Fosfoglukozomeraz (PGI)
Fruktoz 6-Fosfat (F6P)	3)Fosfofruktokinaz (PFK)
Fruktoz 1,6-Bisfosfat (F1,6BP)	4)Aldolaz (ALDO)
Gliseraldehid 3-Fosfat (GADP)	5)Trioz fosfat izomeraz (TPI)
Dihidroksiaseton Fosfat (DHAP)	6)Gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenaz (GAPDH)
1,3-bifosfogliserik asit (1,3PG)	7)Fosfogliserit kinaz (PGK)
3-Fosfogliserik asit (3PG)	8)Fosfogliserat mutaz (PGM)
2-Fosfogliserik asit (2PG)	9)Enolaz (ENO)
Fosfoenolpirüvat (PEP)	10) Piruvat kinaz (PK)
Pirüvat

On adımın ayrıntılı açıklaması

Adım 1: Glukokinaz (heksokinaz IV) veya diğer heksokinazların glikozu 6. karbonundan fosforlaması

δG⁰ = -16.7 kJ/mol

Hücreye giren glukoz sadece bir kadere sahiptir: tipik bir kinaz reaksiyonu ile glikoz 6-fosfata dönüştürülür. Glikoz fosforile edildiğinde, hücrenin içinde tutulur çünkü 6. karbondaki fosforil fosfolipid membranı iter, böylece glukoz 6-fosfat plazma zarına yaklaşamaz bile.

ATP, fosforil grubu deposu olarak kullanılır. Mg²⁺ enzimin kofaktörü olarak görev alır. Mg²⁺ 'nın varlığı ATP' nin fosforili üzerindeki negatif yükü kapatır. Böylece bileşik ATP ile daha kolay bir şekilde yakınlaşır.

Reaksiyonda, bir pirofosfat bağı parçalanır (-7.5 kcal/mol) ve bir fosfat ester bağı oluşur (+3 kcal/mol), bu da net -4.0 kcal/mol enerji ile sonuçlanır. Buradan yola çıkarak, ürünün (glikoz 6-fosfat), reaktanttan (glikoz) daha az enerjiye sahip olduğu sonucuna varılabilir. Daha az enerji, daha fazla kararlılık anlamına gelir. Bu nedenle, ürün reaktandan daha kararlıdır. Bu durum reaksiyonu geri döndürülemez hale getirir yani reaksiyon tek yönlü çalışır.

Adım 2: Glukoz 6-fosfatın Fosfoglukozomeraz aracılığı ile izomerleştirilmesi

δG⁰ = +1.7 kJ/mol

Bu dönüşüm geri dönüşümlüdür (çift yönlüdür). 6C siklik bileşiği 5C siklik bileşiğe dönüştürmek suretiyle, iki eşit sayıda karbon içeren (3C) bileşiğe bölünebilen bir molekül üretilmesi amaçlanmaktadır.

Adım 3: Fosfofruktokinaz ile katalize edilen ikinci fosforilasyon reaksiyonu:

δG⁰ = -18.5 kJ/mol

Bu adımın yardımı ile fosforil grubu açısından da dengelenmiş iki eşit karbon içerikli (3C) bileşiğe bölünebilecek bir molekül elde edilmiş olunur.

Yine Mg²⁺, enzimin kofaktörü olarak görev alır ve 1. adımda bahsedildiği gibi çalışır.

Bu reaksiyon negatif δG^0' ye sahiptir ve tek yönlü çalışır.

Adım 4: Aldolaz ile katalize edilen iki trioz fosfata bölünme:

δG⁰ = +28 kJ/mol

Bu adımda iki tane 3C' li bir fosforlu bileşik üretilir.

Adım 5: Trioz fosfat izomeraz ile katalize edilen dihidroksiaseton fosfatın izomerleştirilmesi:

δG⁰ = +7.6 kJ/mol

Bu adımdan sonra her reaksiyon iki kez meydana gelir çünkü daha ileri adımlar için 2 adet gliseraldehit-3-fosfat molekülü mevcuttur.

Adım 6: Gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenazın katalizörlüğünde 1,3-bifosfolgliseratın üretilmesi:

δG⁰ = +6.3 kJ/mol

Burada, daha sonraki adımda ATP' yi oluşturmak için ADP'ye aktarılacak olan fosforil grubunun yerleştirilmesi amaçlanmaktadır. Ayrıca bu adımda NADH üretimi de olur.

Adım 7: Fosfogliserat kinaz ile katalize edilen substrat düzeyinde fosforilasyon yoluyla 3-fosfogliserat üretimi:

δG⁰ = -18.8 kJ/mol

ATP'nin üretildiği ilk adım 7. adımdır.

Adım 8: Fosfogliserat mutaz tarafından katalizlenen 3. karbondan 2. karbona 3-Fosfogliseratın fosfat transferi:

δG⁰ = +4.4 kJ/mol

Bu reaksiyonun sayesinde 8. adım ürünü olan PEP' de rezonans elde edilir.

Adım 9: Enolaz tarafından katalize edilen fosfoenolpirüvatın sentezi:

δG⁰ = +1.7 kJ/mol

Su çıkışı gözlenir.

Adım 10: Piruvat kinaz tarafından katalizlenen piruvat sentezi:

δG⁰ = -31.4 kJ/mol

Substrat düzeyinde fosforilasyon ile ATP üretimi meydana gelir. Pirüvat enol formundan keto formuna çabucak ve enzim yardımı olmasızın tautomerize (bir tür rezonans) olarak kararlılık kazanır. Bu adım glikolizin son ve tek yönlü adımlarından biridir.

Kaynakça

• Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Glycolysis, gluconeogenesis, and the pentose phosphate pathway. Lehninger Principles of Biochemistry, 4, 521-559.
• Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition. New York: W H Freeman; 2002. Chapter 16, Glycolysis and Gluconeogenesis.