Lipitlerde ve karbonhidratlarda depolanmış enerji, tek bir ve büyük tepkimeyle serbest kalmaz. Bunun yerine, moleküllerin parçalanmasını sağlayan bu evrensel katabolik işlem, her biri kendine özgü enzimler tarafından katalizlenen bir dizi küçük tepkimelerle gerçekleşir. Bu tepkimeler sonucunda enerji küçük miktarlar halinde serbest kalır. Bu enerjinin bir bölümü fosforilasyon sayesinde ATP’ye geçirilir. Glukozun parçalanmasına katılan en önemli basamakları inceleyeceğiz. Bunların bir kısmı ya da tamamı, organizmaların tümünde enerjinin açığa çıkmasını sağlayan merkezi yolu oluşturmaktadır.
Glikoliz
Glikozun tamamen parçalanması, anaerobik ve aerobik tepkime serileri arasında gelişen ve birbirinden ayrı olan beş evreyi kapsar. Bu işlemin anaerobik kısmı, yani glikoliz olarak da bilinen glikozun piruvik asite parçalanması, yoldaki en eski tepkime dizisi olup, ortamda serbest oksijen bulunmasından çok önce ortaya çıkmıştır. Glikolizin basamaklarını ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Çünkü bu basamaklar tepkime yollarının küçük ve enzimler tarafından düzenlenen basamaklar şeklinde nasıl organize olduklarını ve serbest enerji değişimlerinin özenle yönetilmeleri sonucu nasıl çalıştıklarını açıkça göstermektedir. Ara madde moleküllerinin kesin termodinamikleri ve yapısal ayrıntılarından ziyade, bu prensipler ve genel basamak sıraları üzerinde yoğunlaşmak daha yararlıdır.
Glikoz kararlı bir bileşiktir yani kendiliğinden, daha basit ürünlere parçalanma eğilimi az olan bir maddedir. Eğer glikozdaki enerji elde edilmek istenirse, öncelikle küçük bir miktar enerji harcanarak bu maddelerin etkinleştirilmesi gerekir. Bu nedenle, glikolizin ilk basamakları hazırlık aşamasıdır.
Glikolizi başlatan gerekli enerji ATP’den gelir. Daha sonrakiler gibi, başlangıç tepkimesi de reaktantlara bağlanan (zayıf bağlarla) ve onları etkinleştiren (bağlı moleküllerin elektronlarının eşit olmayan biçimde dağılımına neden olarak) ve ürünler serbest bırakılmadan önce reaktantlara katılan ya da onları yeniden düzenleyen kendine özgü enzimler tarafından gerçekleştirilir. İlk tepkimede, bir ATP molekülü kendi terminal fosfat grubunu glikoza verir.
(1) C- C – C C C C + ATP — } C- C- C- C C- C- P +ADP (AG = -4.0 kcal/mol)
Glikoz + ATP —} glukoz-6-fosfat
Ürünün adı bize, altıncı karbon atomuna bir fosfat grubu bağlanmış olan glikoz olduğunu ifade etmektedir. Şimdi bu tepkimede neyin oluştuğunu dikkatlice inceleyelim. Bir enzim, yani heksokinaz, glikoz ve ATP’yi bağlamış; fosfat grubunun glikoza geçişini katalizlemiş ve ürünlerin serbest kalmasını sağlamıştır.
Bu tepkimede yeniden düzenlenmiş elektronların serbest enerjisindeki toplam değişim -4.0 kcal/mol dür. Serbest enerji esas olarak ısı şeklinde serbest bırakılmaktadır. Her zamanki gibi, negatif AG, bu tepkimenin kuvvetli bir egzergonik (bozulma) tepkime olduğu anlamına gelmektedir. Aslında, bu tepkimenin denge sabiti yaklaşık 1000’dir. Bu tepkime için gerekli olan serbest enerji ATP’den gelmektedir: ATP’nin terminal ucundaki fosfattan elde edilebilir enerji 7.3 kcal/mol’dür. Glikolizin bu ilk basamağını yürütmek için yalnızca 4.0 kcal/mol serbest kalmakta ve ATP’den gelen diğer 3.3 kcal/mol ise ürüne ait elektronlarda biriktirilmektedir.
Glikolizin bir sonraki basamağında glikoz 6. fosfat, ona eş bileşik olan früktoz – 6- fosfata dönüştürülür.
(2) C- C- C- C- C- C +P —} C- C- C- C- C- P (AG = +0.4 kcal/mol)
(glikoz – 6 – fosfat —} fruktoz-6-fosfat)
AG pozitif olması, bunun kendiliğinden ilerleyemeyen bir sentez, yani endergonik (enerji gerektiren) tepkime olduğunu göstermektedir.
Bu durumda glikolizin durmaksızın devam etmesi nasıl sağlanmaktadır? Bunun yanıtı reaksiyonların eşleşmiş olmasında yatmaktadır. Ortak bir ara bileşiği paylaşan iki tepkime bu örnekte, birinci basamağın ürünü ve ikinci basamağın reaktantı olan glukoz-6- fosfat tek bir tepkime gibi ilerleyebilir. 1. basamakta ürünlerin reaktantlara oranının 100’e 1 olması, 2. basamağa büyük miktarlarda reaktant molekülü sağlar; bu bolluk, ikinci tepkimenin denge sabiti yaklaşık yalnızca 0,2 (yani, ürünlerin reaktantlara oranı 1 ‘e 5’tir) olsa bile, üçüncü basamağı beslemek için birçok ürün molekülünün oluşturulduğunun garantisidir.
Termodinamikler açısından, bu iki basamak tek bir tepkime gibi ele alınabilir. 1. basamakta serbest bırakılan 4.0 kcal/mol’lük enerji, 3,6 kcal/mol’lük net bir AG oluşturmak için 2. Basamakta harcanan + 4.0 kcal/mol’lük enerji ile birleştirilir. Birlikte alınınca, iki basamak kuvvetli bir şekilde egzergoniktir ve böylece reaksiyon ilerler. Glikolitik yol, bu tür eşleşmiş reaksiyonlar serisidir. Glikolizde egzergonik basamaklar endergonik basamakları iter ya da çeker. Basamakların uygunlaştırıcı net serbest enerji değişikliği reaksiyon sıralarının ilerlemesini sağlar.
Öte yandan, glikoz fosfatın früktoz fosfata dönüşümü de enzimatik yolların nasıl çalıştığı konusuna iyi bir örnek oluşturur. Bir substrat zayıf bağlarla bir enzime bağlanınca, o substratın elektron dağılımında küçük bir değişimin uyarıldığını hatırlayabilirsiniz. Bu uyarılma, bağ oluşumunda belirli bir değişim için gerekli aktivasyon enerjisini azaltarak tepkimeyi katalize eder. Yeni elektron dağılımlarının sonucu 2. basamakta görülebilir. Burada beşinci karbona ve onun oksijenine bağlanmış iki hidrojen, birinci karbona ve onun oksijenine geçirilmektedir. Bu önemsiz değişiklik glikolizisin bir sonraki basamağına hazırlanmak için gereklidir. Değişiklik oluştuktan sonra, substrat, enzim için artık uygunsuz hale gelir ve sıradaki diğer enzim tarafından yakalanarak uzaklaştırılır. Bu nedenle, glikolitik yoldaki her bir basamak çok küçük olup, oldukça özgün enzimler tarafından gerçekleştirilir. 2. basamakta früktoz fosfat oluştuktan sonra, molekülün diğer ucuna bir fosfatı n eklenmesi için diğer bir ATP molekülü harcanır. ATP enerjisindeki 3.9 kcal/mol üründe depolanırken, diğer 3.4 kcal/mol’lük enerji ısı olarak serbest bırakılır; bu nedenle, tepkime egzergoniktir.
(3) C -C C- C- C- P+ ATP —–} P C – C- C C- C- C– P+ADP (AG = 3.4 kcal/mol)
(fruktoz-6-fosfat) —-enzim–} fruktoz-1,6-bifosfat)
Bu tepkime de kendisinden bir öncekiyle eşleşmiş olduğundan (früktoz fosfat ara bileşiğini kullanarak), yol boyunca birbirinden ayrı basamakların serbest enerjilerini toplayabiliriz. Buraya kadar tüm tepkime zinciri 7.0 k cal/mol’lük enerjinin serbest kalmasını sağlamıştır. Bundan sonra, fruktoz-1-6-bifosfat üçüncü ve dördüncü karbonlarından ikiye parçalanır ve birbirine çok benzeyen üç karbonlu iki molekül oluşur (4. basamak). Bu maddelerden biri fosfogliseraldehit’e diğeri ise genellikle 5. basamakta hızla PGAL’e dönüştürülen bir ara bileşiktir. (Hücre, koşulların uygun olması halinde, PGAL’yi yağ sentezinde de kullanabilir). Fosforlanmış üç karbonlu bir şeker olan PGAL, hem glikolizis, hem de fotosentezde kilit bir ara bileşiktir.
Bu tepkimeleri basitçe şöyle özetleyebiliriz:
(4 ve 5) P-C- C- C- C- C- C- P —-} 2CCCP (AG = +7,5 kcal/mol)
fruktoz-1,6-bifosfat –enzim —} PGAL
Bu noktaya kadar, yeni ATP moleküllerinin yapımı için glukozdaki enerji serbest kalmamış, glikolizis hücrede iki ATP’nin harcanmasına neden olmuştur. Gerçekten, 4. ve 5. basamaklar enerjitik olarak çok elverişsizdir. Burada serbest enerjideki net değişim +0,5 kcal/mol dür. Daha sonraki tepkimeleri ilerlemesi için, önceki beş hazırlık basamağının reaktantlarını sürüklemek için önemli miktarlarda serbest enerjinin serbest bırakılması gerekir.
Aslında bir sonraki tepkime, birbirinden ayrı iki moleküler değişikliği kapsar. Basitleştirmek için bunlar bir basamakta özetlenecektir. Birinci değişiklik, nikotinamit adenindinukleotit ya da NAD’ın indirgenmesine bağlı PGAL’nin oksidasyonudur.
Oksitlenmiş her bir NAD, indirgenmiş NAD, ve bir H+ iyonu oluşturmak için iki hidrojenden birini ve diğeri hidrojenin elektronunu tutarak iki hidrojen alır. İkinci değişiklik PGAL’nin fosforilasyonudur:
Enzim
(6) 2 P-C-C-C +2NAD(ox) + 2Pi —–} 2P-C-C-C-P+2NAD(re) +2H (AG = +3.0 kcal/mol)
Tek başına, bu tepkimenin, fosforilasyon evresi kuvvetli bir şekilde endergonik olmasına karşın, oksidasyon evresi kuvvetli bir şekilde egzergoniktir. Bu iki işlem birlikte oluştuğundan, oksidasyon sonucu serbest kalmış olan enerji (100 kcal/mol den daha fazla), indirgenmiş NAD ‘de ve fosforile olmuş PGAL’de korunur. 6. Basamağın sonunda tüm tepkime zinciri için serbest enerjideki net değişim daha uygunsuz hale gelir (+3.5 kcal/mol); ancak yüksek enerjili fosfat bağı parçalandıkça 6. basamakla eşleşmiş olan bir sonraki bozunma tepkimesi bir kez daha dengeyi sağlamaya başlar. Serbest enerjinin bir bölümü, ATP oluşturmak üzere fosfat grubunun ADP’ye taşınmasıyla kazanılır.
(7) 2P-C-C-C-P+2ADP —–} 2P-C-C-C+2ATP (AG = -9.0 kcal/mol)
Öyleyse, bu noktada hücre, glikozu etkinleştirmek için 1. ve 3. basamaklarda harcanan iki ATP molekülünü yeniden kazanmakta ve serbest enerjideki toplam net değişiklik tekrar uygun hale gelmektedir: -5.5 kcal/mol. Ayrıca, enerjinin büyük bir bölümü indirgenmiş NAD de biriktirilmiştir.
Bundan sonra, geriye kalan fosfat gruplarının enerji veren bir tepkime gelir. Subtratı yeniden düzenleyen ve -0.4 kcal/mol’lük bir AG’ye sahip olan bir tepkimeden (9. basamak) sonra, bu enerjilenmiş fosfat grupları ADP’ye taşınırlar; oluşan ürünler pirüvik asit (pirüvat olarak ta belirtilir) ve ATPdir.
Glikolizin en önemli özelliklerini şöyle özetleyebiliriz:
1. Her bir glikoz molekülü (altı karbonlu bir bileşik) iki molekül pirüvik asit (üç karbonlu bir bileşik) ‘e parçalanır.
2. işlemi başlatmak için iki ATP molekülü kullanılır. Daha sonra, her bir glikoz molekülün parçalanmasından iki ATP moleküllük net bir kazanç için dört yeni ATP molekülü sentezlenir. Yeni ATP moleküllerinde biriktirilen enerji, glukoz molekülündeki orijinal enerjinin yaklaşık sadece yüzde ikisi kadardır.
3. İki molekül indirgenmiş NAD oluşur.
4. Glikoliziste moleküler oksijen kullanılmadığından, O2’li ya da O2’siz ortamda oluşabilir. Yaşam şekilleri ne olursa olsun, tüm canlı hücrelerin sitoplazmalarında gerçekleşebilir.
Kaynakça:
Khan Academy
Yazar: Taner Tunç