ch20 karbonhidrat biyosentezi yonca duman
TRANSCRIPT
1
2
ANABOLĐK YOLLAR
ATP ve NADH ya da NADPH şeklindeki kimyasal
enerjiyi basit öncüllerinden hücresel yapılarınenerjiyi basit öncüllerinden hücresel yapıların
sentezinde kullanan metabolik yollar (Genellikle
redüktif yollardır).
3
Biyosentezin Đlkeleri
1. Anabolizma (biyosentez) reaksiyonları ve katabolizma
(biyodegradasyon) reaksiyonları farklı enzimlerle
katalizlenir.
2. Birbiri ile ilişkili olan katabolik ve anabolik yollar her
iki yolda da ortak olan bir ya da daha fazla iki yolda da ortak olan bir ya da daha fazla
reaksiyonla kontrol edilir.
3. Enerjiye gereksinen biyosentez süreçleri; enerji açığa
çıkaran ATP yıkımıyla eşleşir. Canlı içi (in-vivo)
koşullarda bu süreçlerin her biri için toplam
reaksiyon geri dönüşümsüzdür.
4
Karbohidrat Biyosentezi
1. Glukoneogenez (Basit öncüllerinden glukoz sentezi),
2. Glukozdan disakkarit ve polisakkaritlerin sentezi,2. Glukozdan disakkarit ve polisakkaritlerin sentezi,
3. CO2 fiksasyonu (CO2 in redükte karbon bileşiklerine
dönüşümü),
4. Bitkilerde karbohidrat metabolizmasının regülasyonu.
5
6
7
8
9
10
11
+ 2CO2
+ 2CO2
12
13
14
15
[ ]
Mitokondriyelpirüvat karboksilaz
3 iBiotin
Mitokondriyelmalat dehidrojenaz+ +
Malat/ -KG trMitokondri
Pirüvat + HCO + ATP Okzaloasetat + ADP + P
Okzaloasetat + NADH + H L-Malat + NAD
L-Malat
-
α
→
→
[ ]ansporterSitoplazma
L-Malat→
+2
Sitoplazmikmalat dehidrojenaz+ +
SitoplazmikPEP karboksikinaz
2Mg
L-Malat + NAD Okzaloasetat + NADH + H
Okzaloasetat + GTP PEP + CO + GDP
__
→
��������⇀�↽���������
3 i 2
_________________________________________________________
Pirüvat + ATP + GTP + HCO PEP + ADP + GDP + P + CO− →
∆G′° = 0.9 kJ/mol , ∆G = -25 kJ/mol 16
Glukoneogenez neden mitokondrilerden sitozole doğru işleyen yoldur ?
17
Sitoplazmada (NADH/NAD+) ≈ 8 × 10-4
mitokondridekinden 105
kez daha az.
Glukoneogenez neden mitokondrilerden sitozole doğru işleyen yoldur ?
+ 2CO2
+ 2CO2
Sitoplazmada (NADH/NAD+) ≈ 8 × 10-4
mitokondridekinden 105
kez daha az.
18
19
20
21
+2
Fruktoz-1,6-bifosfataz o2 iMg
Fruktoz-1,6-bifosfat + H Fruktoz-6-fosfat + P G = -16.3 kJ/molO ′→ ∆-1
+2Glukoz-6-fosfataz o
2 iMgGlukoz-6-fosfat + H Glukoz + P GO ′→ ∆ = -13.8 kJ/mol
22
Glukoz-6-fosfataz
- Karaciğer ve böbrek hücrelerinin endoplazmik retikulumunda bulunur,
- Kas ve beyin hücrelerinde mevcut değildir, bu - Kas ve beyin hücrelerinde mevcut değildir, bu nedenle glukoneogenez bu dokularda görülmez,
- Kas ve beyin dokularına glukoz karaciğer ve böbrekte glukoneogenez ile oluşan glukozun ya da besinlerden gelen gelen glukozun kan dolaşımı ile taşınmasıyla sağlanır.
23
24
+ +
2 i
Glukoneogenezin Toplam Reaksiyonu
2 Pirüvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 4 H Glukoz + 4 ADP + 2 GDP + 6 P + 2 NAD + 2 H
Glikolizin Toplam Reaksiyonu
O →
+i
Glikolizin Toplam Reaksiyonu
Glukoz + 2 ADP + 2 P + 2 NAD 2 Pirüvat + 2 AT→ +2
Glikoliz
Glukoneogenez
P + 2 NADH + 2 H + 2 H O
Hücre içi koşullarda: G = - 63 kJ/mol
G = -16 kJ/mol
∆
∆
25
26
27
28
29
2Acetyl-CoA + 2NAD+ + FAD → Oxaloacetate + 2 CoA + 2NADH + 2H+ + FADH230
PFK-1
Fruktoz-1,6-bifosfataz
Glikolitik yolda ATP + Fruktoz-6-fosfat ADP + Fruktoz-1,6-bifosfat
Glukoneogenezde Fruktoz-1,6-bifosfat + H Fruktoz-6-fosfat + PO
⇒ →
⇒ →
Karbohidrat Metabolizmasındaki Verimsiz Döngüler ATP Harcar
Fruktoz-1,6-bifosfataz2 iGlukoneogenezde Fruktoz-1,6-bifosfat + H Fruktoz-6-fosfat + P
____________________
O⇒ →
2 i
_______________________________________________________
Toplam Reaksiyon ATP + H ADP + P + IsıO⇒ →
31
32
33
34
35
0.13 µM F-2,6-BP 25.0 µM F-2,6-BP
36
37
38
39
40
41
42
Hormonal regulation of Fructose-2,6-biphosphate and Gluconeogenesis43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
The suitability of sugar nucleotides for biosynthetic reactions
stems from several properties:
1. Their formation is metabolically irreversible, contributing to the irreversibility of the
synthetic pathways in which they are intermediates,
2. Although the chemical transformations of sugar nucleotides do not involve the atoms of the nucleotide itself, the nucleotide moiety has many groups that can undergo noncovalent interactions with enzymes; the additional free energy of binding can contribute significantly to catalytic activity,
54
contribute significantly to catalytic activity,
3. Like phosphate, the nucleotidyl group (UMP or AMP, for example) is an excellent leaving group, facilitating nudeophilic attack by activating the sugar carbon to which it is attached,
4. By "tagging" some hexoses with nucleotidyl groups, cells can set them aside in a pool for one purpose (glycogen synthesis, for example), separate from hexose phosphates destined for another purpose (such as glycolysis).
55
Glukokinaz(Karaciğer)
Hekzokinaz(Kas)
Eritrositler KaraciğerGlikoliz Glukoneogenez
Fosfoglukomutaz
D-Glukoz + ATP D-Glukoz-6-fosfat + ADP
D-Glukoz Laktat Glukoz-6-fosfat
Glukoz-6-fosfat
→
→ →
�� ⇀ Glukoz-1-fosfat������↽��������FosfoglukomutazGlukoz-6-fosfat �� ⇀
UDP-glukoz pirofosforilazi
Đnorganik pirofosfataz 0i
Glukoz-1-fosfat
Glukoz-1-fosfat + UTP UDP-Glukoz + PP
+ 2 P (∆G = -25 kJ/mol)i
PP
→
′→
������↽��������
56
57
58
59
glycogen-branching enzyme
also called amylo (1→→→→4) to (1→→→→6) transglycosylase
or glycosyl-(4→→→→6)-transferase
60
glycogen-branching enzyme
also called amylo (1→→→→4) to (1→→→→6) transglycosylase
or glycosyl-(4→→→→6)-transferase
Glycogenin Primes the Initial Sugar
Residues in Glycogen
61
62
Glycogenin structure. Muscle glycogenin (Mr 37,000) forms dimers in solution. Humans have asecond isoform in liver, glycogenin-2. The substrate, UDP-glucose (shown as a red ball-and-stickstructure), is bound to a Rossman fold near the amino terminus and is some distance from the Tyr194
residues (turquoise)–15 Å from that in the same monomer, 12 Å from that in the dimeric partner.Each UDP-glucose is bound through its phosphates to a Mn2+ ion (green) that is essential to catalysis.Mn2+ is believed to function as an electron-pair acceptor (Lewis acid) to stabilize the leaving group,UDP. The glycosidic bond in the product has the same configuration about the C-1 of glucose as thesubstrate UDP-glucose, suggesting that the transfer of glucose from UDP to Tyr194 occurs in twosteps. The first step is probably a nucleophilic attack by Asp162 (orange), forming a temporaryintermediate with inverted configuration. A second nucleophilic attack by Tyr194 then restores thestarting configuration.
63
Glycogenin and the structure of the glycogen particle. (a) Glycogenin cataly-zes two distinct reactions. Initial attack by the hydroxyl group of Tyr194 on C-1of the glucosyl moiety of UDP-glucose results in a glucosylated Tyr residue.The C-1 of another UDP-glucose molecule is now attacked by the C-4 hydroxylgroup of the terminal glucose, and this sequence repeats to form a nascent gly-cogen molecule of eight glucose residues attached by (αl→4) glycosidic linka-ges. (b) Structure of the glycogen particle. Starting at a central glycogenin mole-cule, glycogen chains (12 to 14 residues) extend in tiers. Inner chains have two(αl→6) branches each. Chains in the outer tier are unbranched. There are 12tiers in a mature glycogen particle (only 5 are shown here), consisting of about55,000 glucose residues in a molecule of about 21 nm diameter and Mr 107.(a)
(b)
Control of glyco-
gen synthesis from
blood glucose in
myocytes. Insulin affects three of the five steps in this pathway, but it is the effects on transport and hexo-
64
transport and hexo-kinase activity, not the change in glycogen synthase activity, that increase the flux toward glycogen.
65
GSα: GTP binding protein, PKA: cAMP binding protein kinase A
66
GSK3: Glycogen synthetase kinase 3, PP1: Phosphoprotein phosphatase, CKII: Casein kinase II.
67
GSK 3: Glycogen synthetase kinase 3, CKII: Casein kinase II.
68
IRS-1: Insulin receptor substrate, PI-3K: Phosphatidylinositol 3-kinase, PIP2: Phosphatidylinositol-4,5-biphosphate, PIP3: Phosphatidyl-3,4,5-triphosphate, PDK-1: A protein kinase, PKB: A second protein kinase. 69
70
ADP-glukozpirofosforilazi
Pirofosfatazi
Glukoz-1-fosfat + ATP ADP-glukoz + PP
2 Pi
PP
→
→
Bitkilerde nişasta biyosentezi
n n+1(Nişasta) + ADP-glukoz (Nişasta) + ADP
_____________________________________________________
(Niş
→
n n+1 iasta) + Glukoz-1-fosfat + ATP (Nişasta) + ADP + 2 P→
71
Nişasta sentazn n+1(Nişasta) + ADP-Glukoz (Nişasta) + ADP→
∆G′° = – 50 kJ/mol
72
73
Bitkilerde sükroz sentezi
Bitkilerde CO2 fiksasyonu ile oluşan trioz fosfatlarçoğunlukla sükroz ya da nişastaya dönüşürler.
Sükroz bitkilerde evrimsel olarak seçilmiş karbonuntranspot formudur. Çünkü:
• Glukoz ve fruktoz arasındaki (α1→β2) glikosidik• Glukoz ve fruktoz arasındaki (α1→β2) glikosidikbağı glukozun C1 ve fruktozun C2 anomerikkarbon atomları arasında,
• Bu bağ karbohidrat kababolizması enzimleriyleparçalanamaz,
• Anomerik karbon atomları olmadığından sükrozaminoasitlerle ve proteinlerle non-enzimatikreaksiyona giremez.
74
Aldolaz
Fruktoz-1,6-bifosfataz
Dihidroksi aseton-P + Gliseraldehit-3-P Fruktoz-1,6-P-P
Fruktoz-1,6-P-P Fruktoz-6-P + P
→
→
Bitkilerde sükroz sentezi
i
Sükroz-6-P sentaz
Fruktoz-1,6-P-P Fruktoz-6-P + P
UDP-Glukoz + Fruktoz-6-P Sükroz-6-P + UDP
Sük
→
→
Sükroz-6-P fosfataziroz-6-P Sükroz + P→
75
76
UDP-Glukoz-galaktoz-1-Püridil transferaz
Galaktoz-1-P + UDP-Glukoz UDP-D-Galaktoz + Glukoz-1-P→
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
First Stage of CO2 Assimilation
Ribulose-1,5-biphosphate carboxylase ≡ Ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase ≡ Rubisco
Reaction
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
Glyceraldehyde-3-
phosphate
Second Stage of CO2 Assimilation
101
102
103
Third Stage of CO2 Assimilation
104
105
106
107
108
109
110
111
112
Pentose Phosphate Cycle
Calvin Cycle
113
114
9 ATP → 9 ADP + 8 Pi + Trioz-P8 ADP + 8 Pi → 8 ATP9. ATP için gerekli Pi stoplazmadan gelir. 115
The overall equation for noncyclic photophosphorylation
2 H2O + 8 Photons + 2 NADP+ + ≈ 3 ADP + ≈ 3Pi → O2 + ≈ 3 ATP + 2 NADPH + 2 H+
116
117
Rubisco
Sedoheptüloz-1,7-bifosfataz
Ribüloz-5-fosfat kinaz
Transaldolaz*
tarafından katalizlenenler dışında Calvin Döngüsü’nüntarafından katalizlenenler dışında Calvin Döngüsü’nünbütün reaksiyonları hayvan dokularında da olur. Bu dörtenzimin eksikliğinden dolayı hayvanlar CO2 i glukozadönüştüremezler.
*Sedoheptüloz-1,7-bifosfat oluşumunu katalizleyen transaldolaz
(DHAP + E-4-P ���� S-1,7-PP)
118
119
Aldolaz
Fruktoz-1,6-bifosfataz
Dihidroksi aseton-P + Gliseraldehit-3-P Fruktoz-1,6-P-P
Fruktoz-1,6-P-P Fruktoz-6-P + P
→
→
Bitkilerde sükroz sentezi
i
Sükroz-6-P sentaz
Fruktoz-1,6-P-P Fruktoz-6-P + P
UDP-Glukoz + Fruktoz-6-P Sükroz-6-P + UDP
Sük
→
→
Sükroz-6-P fosfataziroz-6-P Sükroz + P→
120
121
Bitkilerde karbohidrat metabolizması
• Glikoliz
• Glukoneogenez• Glukoneogenez
• CO2’in triozfosfata redüksiyonu
• Redüktif pentoz fosfat yolu
122
Bitkilerde karbohidrat metabolizmasının regülasyonu
1. Kloroplastların thylacoid lumen ve stromasında ışık etkisinden kaynaklanan Mg+2 konsantrasyonu ve pH daki değişiklikler,
2. Fotosistem I den elektron aktarımıyla stromada bulunan bazı stromal enzimler ve thioredoxin denilen bulunan bazı stromal enzimler ve thioredoxin denilen bir proteinin içerdiği disülfit bağlarının redüksiyonu,
3. Bir ya da daha fazla metabolik ara ürün tarafından yapılan konvansiyonel allosterik regülasyon,
4. Kovalent modifikasyon.
123
124
1. Kloroplastların thylacoid lumen ve stromasında ışık
etkisinden kaynaklanan Mg+2 konsantrasyonu ve pH etkisinden kaynaklanan Mg konsantrasyonu ve pH
daki değişiklikler,
125
Alkaline pH
High [Mg+2]High [Mg ]
126
127
128
129
First Stage of CO2 Assimilation
Rubisco Reaction
130
H+
Alkaline pH
High [Mg+2]
131
Stromal enzimler :
Rubisco (Ribüloz-1,5-bifosfat karboksilaz),
Fruktoz-1,6-bifosfataz,
Sedoheptüloz-1,7-bifosfatazSedoheptüloz-1,7-bifosfataz
artan stromal pH (pH=8.0) ve artan stromal [Mg+2]
da aktive olurlar.
132
133
134
2. Fotosistem I den elektron aktarımıyla stromada bulunan
bazı stromal enzimler ve thioredoxin denilen bir proteinin bazı stromal enzimler ve thioredoxin denilen bir proteinin
içerdiği disülfit bağlarının redüksiyonu,
135
Calvin Döngüsü’nün dört zorunlu (esansiyel) enzimi:
Ribüloz-5-fosfat kinaz,Fruktoz-1,6-bifosfataz,Sedoheptüloz-1,7-bifosfataz,Gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz
Đki Cys rezidüsü arasındaki disülfit bağlarının ışıktan Đki Cys rezidüsü arasındaki disülfit bağlarının ışıktan
kaynaklanan redüksiyonuyla aktive olurlar.
136
137
138
139
3. Bir ya da daha fazla metabolik ara ürün
tarafından yapılan konvansiyonel allosterik tarafından yapılan konvansiyonel allosterik
regülasyon,
140
Bitkilerde trioz fosfatlardan sükroz ve nişasta biyosentezinin regülasyonu
Parlak gün ışığında Calvin Döngüsü ile üretilen trioz fosfatlar
Geçici olarak kloroplastlarda nişasta Sükroza dönüşerek bitkinin foto- olarak depolanır sentez yapmayan dokularına gider
⇓
Sıkı Regülasyon (Karbon fiksasyon hızıyla koordinasyonlu olmalı) (Karbon fiksasyon hızıyla koordinasyonlu olmalı)
⇓
5/6 trioz fosfat ⇒ ribüloz-1,5-bifosfat rejenerasonunda kullanılır
1/6 trioz fosfat ⇒ sükroz – nişasta biyosentezinde kullanılır
1/6 dan daha fazla trioz fosfat kullanılırsa 1/6 dan daha az trioz fosfat kullanılırsa Calvin Döngüsü yavaşlar ya da durur kloroplasta giren Pi miktarı azalırki bu da döngüyü yavaşlatır
141
142
143
Aldolaz
Fruktoz-1,6-bifosfatazi
Sükroz-6-P sentaz
Dihidroksi aseton-P + Gliseraldehit-3-P Fruktoz-1,6-P-P
Fruktoz-1,6-P-P Fruktoz-6-P + P
UDP-Glukoz + Fruktoz-6-P Sükroz-6-P + UDP
Sük
→
→
→
Sükroz-6-P fosfataziroz-6-P Sükroz + P→Sük iroz-6-P Sükroz + P→
Fosfoheksoz izomerazFruktoz-6-P Glukoz-6-P���������⇀�↽����������
Artan [glukoz-6-P] sükraz sentazı aktive eder, artan [Pi] ise inhibe eder.
144
4. Kovalent modifikasyon4. Kovalent modifikasyon
145
Dark Light
146
147
Ribulose-1,5-biphosphate carbocxylase ≡ Ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase ≡ Rubisco
Oxygenase activity of Rubisco:
Rubisco can incor-
porate 02 rather than
CO2 into ribulose
1,5-bisphosphate.
The unstable
intermediate thus
148
intermediate thus
formed splits into 2-
phosphoglycolate
and 3-phospho-
glycerate, which can
reenter the Calvin
cycle.
Glycolate Pathway
Photorespiration ≡ Oxidative photosynthetic carbon cycle ≡ C2 cycle
HHHH2222OOOO
149
H: Protein H
P: Protein P
Glysine decarboxylase ≡ Glysine synthase
P: Protein P
PLP: Pyridoxal phosphate
T: Protein T
H4F: Tetrahydrofolate
L: Protein L
150
151
152
H2O
HHHH2222OOOO
Glycine + THF + NAD+ ⇌ CO2 + NH3 +N5,N10-THF + NADH + H+
Glycine + N5,N10-THF + H2O ⇌ Serine + THF
2 Glycine + NAD+ + H2O ⇌ Serine + CO2 + NH3 + NADH + H+
153
154
C4 Bitkileri
� Yüksek sıcaklık ve yüksek ışık yoğunluğu olan
ortamlarda büyürler,
� Yüksek fotosentez hızları vardır,
� Yüksek büyüme hızları vardır,� Yüksek büyüme hızları vardır,
� Düşük fotorespirasyon hızları vardır,
� Su kaybetme hızları düşüktür,
� Olağan dışı yaprak anatomisine sahiptirler.
155
156
157
PEP karboksilaz (Mezofilik hücre sitoplazmasında)
� 3HCO− a yüksek afinite gösterir, � CO2 i Rubisco’dan daha verimli fikse eder, � Rubisco gibi alternatif substrat olarak O2 kullanmaz, � CO2 ve O2 arasında bu enzim için bir rekabet yoktur, � Enzim CO2’in hem konsantre edilmesi hemde malat formunda fikse
edilmesi reaksiyonunu katalizler.
C4 bitkileri 1 mol CO2 fiksasyonu için 5 ATP tüketir,
C3 bitkileri 1 mol CO2 fiksasyonu için 3 ATP tüketir.
158
In mesophyll cellTransamination
OAA + α-AA⇄Aspartate + α-Keto acid
In bundle sheath cellTransamination
Aspartate + α-Keto acid⇄OAA + α-AAOAA + NADPH + H+ → Malate + NADP+
159
PEP karboksilaz (Mezofilik hücre sitoplazmasında)
� 3HCO− a yüksek afinite gösterir, � CO2 i Rubisco’dan daha verimli fikse eder, � Rubisco gibi alternatif substrat olarak O kullanmaz, � Rubisco gibi alternatif substrat olarak O2 kullanmaz, � CO2 ve O2 arasında bu enzim için bir rekabet yoktur, � Enzim CO2’in hem konsantre edilmesi hemde malat formunda fikse
edilmesi reaksiyonunu katalizler.
160
161