Ch20 Karbonhidrat Biyosentezi Yonca Duman

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