Glikoliz: Glikozun Pirüvata Dönüşümünün 10 Basamağı

Glikolizin amacı, gerçekleştiği bölge ve genel bilançosu

Glikolizin temel amacı, altı karbonlu glikozu iki üç karbonlu pirüvata dönüştürürken hücrenin kullanabileceği ATP’yi ve elektron taşıyıcısı NADH’yi üretmektir. Ökaryot hücrelerde glikolizin bütün reaksiyonları sitoplazmanın sıvı kısmı olan sitozolde gerçekleşir; mitokondriye doğrudan ihtiyaç duymaz. Bu nedenle oksijenin hücreye ulaşmadığı durumlarda da yolak belirli bir koşulla sürdürülebilir.

Bir glikoz molekülü yol boyunca iki ATP harcar, dört ATP üretir ve iki NADH oluşturur. Böylece net bilanço 2 pirüvat, 2 ATP ve 2 NADH şeklindedir. Karbon bakımından başlangıçtaki altı karbon, iki adet üç karbonlu pirüvata dağılır; karbon kaybı glikolizin kendisinde gerçekleşmez. Glikolizden sonra pirüvatın ve NADH’nin kaderi hücrenin oksijenli ya da oksijensiz koşullarına bağlıdır. Glikolizin hücresel solunum ve başka metabolik yollar içindeki yeri, hücresel solunumun genel akışıyla birlikte değerlendirilebilir.

Enerji yatırım ve enerji kazanım evreleri

Glikoliz iki işlevsel evreye ayrılır. Enerji yatırım evresinde hücre, glikozu daha reaktif ve parçalanmaya uygun hâle getirmek için iki ATP harcar. İlk fosfat glikoza, ikinci fosfat ise daha sonra oluşan fruktoz-6-fosfata aktarılır. Bu yatırımla altı karbonlu şeker, iki üç karbonlu moleküle ayrılabilecek biçimde hazırlanır.

Enerji kazanım evresinde iki üç karbonlu molekülün her biri aynı reaksiyon dizisinden geçer. Bu nedenle sonraki basamaklarda ATP ve NADH üretimi iki kez gerçekleşir. Yüksek enerjili ara ürünler fosfatlarını ADP’ye doğrudan aktararak ATP oluşturur; bu üretim biçimine substrat düzeyinde fosforilasyon denir. Kazanım evresinde toplam dört ATP ve iki NADH meydana gelir. Başlangıçta harcanan iki ATP çıkarıldığında hücrenin net kazancı iki ATP olur. Yani yatırım evresi yolun ilerlemesi için enerji sağlar, kazanım evresi ise bu yatırımı geri ödeyip ek enerji üretir.

Glikolizin on reaksiyon basamağı ve ara ürünlerin dönüşümü

Glikolizin on basamağı, glikozun önce fosforillenip yeniden düzenlenmesi, iki üç karbonlu parçaya ayrılması ve bu parçaların pirüvata dönüştürülmesi mantığıyla ilerler. İlk beş basamakta enerji harcanır ve iki gliseraldehit-3-fosfat molekülü hazırlanır.

1. Hekzokinaz, ATP’den aldığı fosfatı glikoza aktarır ve glikoz-6-fosfat oluşturur. Fosfat eklenmesi glikozu daha reaktif hâle getirir; ayrıca negatif yüklü fosfat, molekülün hücre zarından kolayca dışarı çıkmasını engeller.

2. Bir izomeraz, glikoz-6-fosfatı onun izomeri olan fruktoz-6-fosfata dönüştürür. Bu yeniden düzenleme, altı karbonlu şekerin ileride iki eşdeğer üç karbonlu moleküle ayrılabilmesini sağlar.

3. Fosfofruktokinaz-1, fruktoz-6-fosfata ikinci fosfatı aktarır. Bu ATP harcamasıyla fruktoz-1,6-bisfosfat oluşur. Böylece glikoz başına toplam iki ATP yatırılmış olur.

4. Aldolaz, fruktoz-1,6-bisfosfatı iki üç karbonlu izomere ayırır: dihidroksiaseton fosfat ve gliseraldehit-3-fosfat.

5. Bir izomeraz, dihidroksiaseton fosfatı gliseraldehit-3-fosfata çevirir. Bundan sonra yolakta iki aynı molekül, yani iki gliseraldehit-3-fosfat, paralel olarak ilerler.

6. Her gliseraldehit-3-fosfat oksitlenirken inorganik fosfat eklenir ve 1,3-bisfosfogliserat oluşur. Bu sırada NAD+ elektron kabul ederek NADH’ye indirgenir. İki gliseraldehit-3-fosfat bulunduğu için bu basamak toplam iki NADH üretir ve NAD+’ın yeniden sağlanmasına bağlıdır.

7. 1,3-bisfosfogliserat, yüksek enerjili fosfatını ADP’ye aktarır. Fosfogliserat kinazın katalizlediği bu substrat düzeyinde fosforilasyonla ATP ve 3-fosfogliserat oluşur. Reaksiyon iki molekül üzerinden yürüdüğü için toplam iki ATP üretilir.

8. 3-fosfogliserattaki fosfat grubu üçüncü karbonundan ikinci karbonuna taşınır ve 2-fosfogliserat oluşur. Bu basamakta molekülün karbon iskeleti değişmez; yalnızca fosfatın konumu değiştirilir.

9. Enolaz, 2-fosfogliserattan su çıkarır. Dehidrasyon adı verilen bu işlem, kalan fosfat bağının enerji potansiyelini artırır ve fosfoenolpirüvatı (PEP) oluşturur.

10. Pirüvat kinaz, PEP’ten fosfatı ADP’ye aktarır. Böylece ikinci substrat düzeyinde fosforilasyon gerçekleşir; ATP ve pirüvat oluşur. Her bir gliseraldehit-3-fosfat bu diziyi izlediğinden, bir glikozdan iki pirüvat meydana gelir. Glikoliz enzimlerinin ayrıntılı kinetik ve termodinamik analizi bu basamakların ötesinde ayrı bir konudur.

Karbon, ATP ve NADH bilançosu

Glikoliz bilançosu, yolaktaki moleküllerin kaç kez işlendiğini dikkate alarak kurulur. İlk beş basamakta bir glikoz molekülü iki ATP harcar ve sonunda iki gliseraldehit-3-fosfat oluşturur. Bu noktadan sonra her reaksiyon iki üç karbonlu molekül üzerinde gerçekleşir.

Karbon bilançosunda başlangıçtaki glikozun altı karbonu korunur ve iki pirüvata ayrılır. Her pirüvat üç karbon taşıdığı için sonuç 6 karbon = 2 × 3 karbon şeklindedir. Glikolizin kendisinde karbondioksit açığa çıkmadığından karbonların tamamı iki pirüvatın yapısında bulunur.

ATP hesabında yatırım evresinde 2 ATP tüketilir. Kazanım evresinde 7. basamakta toplam 2 ATP, 10. basamakta toplam 2 ATP üretilir. Brüt üretim 4 ATP’dir; net ATP hesabı ise 4 - 2 = 2 ATP olur. Bu ayrım, toplam ATP ile hücrenin gerçekten elde ettiği ATP’nin karıştırılmasını önler.

NADH yalnızca gliseraldehit-3-fosfatın oksidasyonu sırasında oluşur. İki gliseraldehit-3-fosfat bulunduğu için iki NAD+ elektron kabul eder ve 2 NADH meydana gelir. Böylece bir glikoz için özet bilanço şöyledir:

Glikoz + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pirüvat + 2 ATP net + 2 NADH + 2 H2O

Bu özet, ATP’nin brüt değil net miktarını gösterir; çünkü dört ATP üretilmiş, iki ATP önceden harcanmıştır. Örneğin bir hücrede tek bir glikoz molekülünün glikolizi tamamlandığında pirüvat sayısı iki, net ATP sayısı iki ve NADH sayısı ikidir. Pirüvat daha ileri parçalanamadığında glikozdan doğrudan elde edilen ATP miktarı yine net iki ATP ile sınırlı kalır.

NAD+ gereksinimi ve pirüvatın oksijenli ya da oksijensiz koşullardaki kaderi

Glikolizin altıncı basamağında gliseraldehit-3-fosfat oksitlenirken NAD+ elektron kabul eder ve NADH’ye dönüşür. Bu nedenle yolakta kullanılabilecek NAD+ miktarı sınırlanırsa aynı basamak tekrar yürüyemez. NADH’nin yeniden NAD+ hâline getirilmesi, kazanım evresinin ve dolayısıyla glikolizin devamı için zorunludur.

Oksijenli koşullarda NADH’nin elektronları dolaylı olarak oksitlenebilir ve elektronlardan enerji üretiminde yararlanılır. Oksijensiz koşullarda ise hücre, NADH’yi NAD+’a döndürebilmek için fermantasyon adı verilen alternatif yolu kullanabilir; fermantasyon türlerinin ve mekanizmalarının ayrıntıları ayrı bir konudur. Pirüvatın oksijenli koşullardaki sonraki oksidatif işlenmesi de glikolizden sonraki ayrı aşamadır. Bu nedenle oksijen, glikolizin bir basamağında doğrudan tüketilmese de NAD+ yenilenmesi ve pirüvatın sonraki kaderi üzerinden yolun sürdürülebilmesini etkiler.

Glikolizin temel kontrol noktaları ve düzenleyici enzimleri

Glikoliz akışı, özellikle geri dönüşü sınırlı ve enerji durumuna duyarlı basamaklarda kontrol edilir. Hekzokinaz glikozun hücre içinde fosforillenmesini başlatır. Bu reaksiyon glikozu daha reaktif hâle getirir ve fosfatın negatif yükü sayesinde hücre içinde tutulmasına yardım eder. Karaciğer gibi dokularda glukokinaz da glikozun fosforillenmesinde görev alan bir enzim biçimidir; ancak glikoliz kontrolünün temel kavramsal noktaları hekzokinaz reaksiyonuyla birlikte düşünülür.

Fosfofruktokinaz-1 (PFK-1), fruktoz-6-fosfatın fruktoz-1,6-bisfosfata dönüşümünü katalizler ve yolun hız sınırlayıcı kontrol noktalarından biridir. ADP düzeyi yüksek olduğunda daha aktiftir; ATP düzeyi yüksek olduğunda aktivitesi azalır. Böylece hücrenin enerji ihtiyacı arttığında glikoliz hızlanabilir, ATP yeterliyse glikozun parçalanması yavaşlar. ATP’nin bollaştığında erken bir basamağı yavaşlatması, hücrenin enerji durumuna bağlı allosterik düzenlemeye örnektir.

Pirüvat kinaz, son basamakta PEP’ten pirüvat oluşumunu ve ATP üretimini sağlar. Bu enzimin miktarı yeterli değilse glikolizin son reaksiyonu etkilenir ve kazanım evresindeki ATP üretimi azalır. Buna rağmen yolaktaki önceki basamaklar bir süre ilerleyebilir; ancak son basamağın yavaşlaması toplam akışı sınırlar. Böylece hekzokinaz veya glukokinaz başlangıçtaki glikoz girişini, PFK-1 enerji durumuna göre orta bölümdeki akışı, pirüvat kinaz ise son ürün oluşumunu etkileyen başlıca kontrol noktaları olarak öne çıkar.