Ünite 8: Biyoenerjetikler ve Metabolizma

Giriş

Bu ünite canlı organizmalarda süre gelen hücre içi biyokimyasal faaliyetleri anlayabilmek için önemlidir. Bu amaçla, öncelikle enerji ve biyoenerjetik kavramları üzerinde durularak, serbest enerji degˆis¸imi (?G), standart serbest enerji degˆis¸imi (?G°), modifiye edilmis¸ serbest enerji degˆis¸imi (?G°') gibi kavramlar açıklanacaktır.

Biyoenerjetikler

En yaygın enerji tanımı s¸udur; Enerji bir sistemin is¸ yapma kapasitesidir. Enerji ne yaratılabilir, ne de yok edilebilir (Enerji Korunumu Yasası), sadece farklı biçimlere dönüs¸türülebilir.

Doğa bilimleri içerisinde çeşitli enerji biçimleri tanımlanabilir. Bunlar; kimyasal enerji, ısı enerjisi, potansiyel enerji, kinetik enerji, mekanik enerji, elektrik enerjisi, manyetik enerji, nükleer enerji, ışık enerjisi, ses enerjisi olarak sıralanabilir. Ancak bu tam bir liste degˆildir, zira ne zaman dogˆa bilimcileri enerji korunumu yasası ile çelis¸en bir olay kes¸federlerse, durumu açıklayacak yeni biçimler bu listeye eklenebilir.

Hücrede enerji degˆis¸iminin merkezi, evrensel enerji tas¸ıyıcısı olan ATP’dir. Bu nedenle ATP ile ilgili enerji miktarını belirlememiz gerekir. Bu amaç için kullanılan en yararlı termodinamik terimi, bir kimyasal proses (süreç) için ‘serbest enerji degˆis¸imi’ni gösteren ?G’dir. Bu terim, yararlı bir is¸ yapmak için kullanılabilir enerjinin bir ölçüsüdür ve belirli kos¸ullar altında gerçekles¸en bir reaksiyon için sabit bir degˆerdir. ?G’nin digˆer bir formu olan ‘Standart serbest enerji degˆis¸imi’ (?G°) ise, standart kos¸ullar altında bir reaksiyonda bas¸langıçtan denge durumuna kadar ki süreçte meydana gelen enerji degˆis¸imidir. Burada standart olarak bahsedilen kos¸ullar; 1 atmosfer (atm) basınç, 25°C sıcaklık ile bas¸langıç (reaktant) ve ürün konsantrasyonlarının 1 molar (M) oldugˆu durumdur. Ancak, bu duruma hücre içi biyokimyasal prosesler için pH’ın 7.0 olması kos¸ulunun eklenmesi gerektigˆinden, ‘modifiye edilmis¸ standart serbest enerji degˆis¸imi’ de ?G°' olarak gösterilir.

Bir reaksiyonun ?G°' değerinin hesaplanması için bu reaksiyonun denge sabiti (K’eq) değerinin bilinmesi gerekmektedir. A ve B gibi iki molekülün geriye dönüs¸lü bir reaksiyonla C ve D’ye dönüs¸tügˆünü kabul edelim.

$A + B \rightleftharpoons C +D$

Bu reaksiyon için denge sabiti K'eq, ürünlerin konsantrasyonunun, reaktantların konsantrasyonuna oranı ile belirlenir.

Burada, K'eq standart kos¸ullardaki denge sabiti olup, basınç = 1 atm, sıcaklık = 25 °C, pH = 7.0 ve A, B, C, D’nin bas¸langıç konsantrasyonları = 1 M’dir.

Bu formül kullanılarak ?G°' değeri hesaplanır;

formülü ile hesaplanır. Burada R, Gaz sabiti olup, degˆeri 8.315 Joule (J)/mol ve T ise Mutlak sıcaklık olup, degˆeri 298 Kelvin’dir.

?G°'’in sayısal değeri -100kJ/mol ise reaksiyon dışarıya ısı salınımı yapıyor. Digˆer yandan, +100kJ/ mol ?G°'’ye sahip bir reaksiyonun yazıldığı yönde ilerleyebilmesi için dışarıdan o kadar enerji verilmesi gerekmektedir.Bu bir endergonik reaksiyondur.

Örneğin Glukoz-1-fosfat ? Glukoz-6-fosfat reaksiyonunda denge durumunda elimizde 0.001 M glukoz-1-fosfat ve 0.019 M glukoz-6-fosfat olsun. ?G°'=?

Buradan K'eq’ı hesapladıgˆımızda;

K'eq = Ürün Konsantrasyonu [glukoz-6-fosfat] / Reaktant Konsantrasyonu [glukoz-1-fosfat] = 0.019 M / 0.001 M = 19.0

Yine ?G°' = - 2.303 RT log K'eq formülünde, K'eq degˆerini yerine koyarsak;

?G°' = - 2.303 RT log K'eq

?G°' = (- 2.303) (8.315 J/mol) (298 K) log (19.0)

?G°' = - 1744 J/mol = -1.74 kJ/mol

Reaksiyon dıs¸arıya enerji salar ve yazıldıgˆı s¸ekilde soldan sagˆa dogˆru gider. Bu bir ekzergonik reaksiyondur.

Hücrenin temel enerji kaynağı ATP (Adenozin trifosfat)’dir (S:216 Şekil 8.1). Enerjice zengin hücresel yakıt maddelerinin yıkılması ile ortaya çıkan serbest enerji, ADP ve Pi (inorganik fosfat)’tan ATP sentezi için kullanılmaktadır. ATP yıkıldığında hücreler için kullanılabilecek 30.5 kj/mol’lük bir enerji açığa çıkar. ATP hücre içi biyokimyasal reaksiyonlar için gerekli olan kimyasal enerjiyi sagˆlamakla kalmaz, aynı zamanda bu kimyasal enerjiyi enerji gerektiren ve üreten olaylar arasında bir nevi tas¸ır. ATP’nin enerjisi onun ADP’ye dönüs¸mesine yol açan fosfat bagˆının hidrolizi ile açıgˆa çıkar.ATP’nin hücrede enerji kaynağı olarak kullanıldığı yerler;

1. Biyosentetik reaksiyonlarda (protein, yagˆ ve karbonhidrat sentezi gibi)

2. Fiziksel hareketlerde (kas kasılması, sitoplazmik hareketler ve hücre bölünmesi gibi)

3. Aktif tas¸ımayı sagˆlayan biyokimyasal reaksiyonlarda

4. Sinirsel iletimi sagˆlayan reaksiyonlarda ve

5. Sekresyon (salgılama) olaylarında kullanılır.

Enerji transferi için ATP’den başka moleküllerde vardır. Buna örnek olarak Fosfoenolpirüvat (PEP)’ın için ?G°' -61.9 kJ/mol’dür, ki bu degˆer ATP’nin yaklas¸ık iki katıdır.

Metabolizma

Metabolizma, gerçekten hücredeki binlerce reaksiyonun bir çalıs¸masıdır, ancak aynı zamanda bu reaksiyonların koordinasyon, düzenlenme ve enerji gereksinimlerinin aras¸tırılmasını da içeren bir çalıs¸madır. Metabolik farklılıkları göz önüne alındıgˆında tüm canlı organizmalar 2 temel sınıfa ayrılabilir. Bunlar, ototrof ve heterotrof organizmalardır. Ototroflar, karbon kaynagˆı olarak atmosferik CO2’yi kullanabilirler ve karbon içeren kompleks biyomolekülleri meydana getirirler. Bu gruba örnek olarak fotosentetik bakteriler ve yüksek bitkiler verilebilir. Heterotroflar ise, karbonhidrat ve yagˆlar gibi kompleks karbon içeren biles¸ikleri sindirerek enerji elde ederler. Bu grup içerisinde organizmaların büyük bir kısmı ve yüksek hayvanlar yer alır.

Tüm organizmalarda metabolizma süreci, ardarda gerçekles¸en ve enzimler tarafından katalizlenen reaksiyonlar aracılıgˆıyla yürütülür. Her reaksiyon basamagˆı genellikle tek, oldukça spesifik ve bir sonraki basamak için reaktant olacak bir ürün oluşumuna yol açan kimyasal degˆis¸ikliktir. Bu süreç ara metabolizma (intermedier metabolizma) olarak adlandırılır, çünkü her reaksiyon kararlı bir ürün veya ara madde üretimi ile sonuçlanır. Metabolik yolaklar katabolizma ve anabolizma olarak iki yol halinde gruplandırılabilirler. Katabolizma, oksidasyon reaksiyonları ve serbest enerji salınımı ile karakterize edilir, bu enerji daha sonra ATP formunda tutulur. Anabolizma ise, küçük öncül moleküllerden daha büyük ve kompleks biyomoleküllerin olus¸turulmasıdır. Katabolizmanın tersine, anabolizma genellikle redüksiyon reaksiyonları ve enerji giris¸i ile karakterize edilir.

Katabolizma ve anabolizma, koordineli bir reaksiyon agˆı olus¸turur. Katabolizmanın I. Evresi (S:220 Şekil 8.4), makromoleküllerin (proteinler, yagˆlar, polisakkaritler) kendi yapıtas¸larına yıkımıdır. II. evrede, I. evrede olus¸an çes¸itli amino asitler, yagˆ asitleri ve monosakkaritler, genel bir metabolit olan asetil CoA’ya okside olurlar. III. evrede ise, II.evre sonunda olus¸anasetil CoA, sitrik asit(Krebs) döngüsüne girer ve aerobik karbon metabolizmasının son ürünü olan CO2’e okside olur. Anabolizma da üç evreye ayrılabilir. Genel öncül moleküller olan okzaloasetat, asetil CoA ve pirüvat gibi bazı ortak metabolitler aracılıgˆı ile proteinler, triaçilgliseroller ve polisakkaritler (katabolizmanın tersine) sentez edilir.

Metabolik Yolların Düzenlenmesi

Büyümekte olan bir çocukta ya da gençlerde anabolik olaylar, katabolik olaylardan daha fazla düzeyde meydana gelmekte, dolayısı ile çocuk boyca ve kiloca artıs¸ göstermektedir. Yetis¸kin bir bireyin metabolik bakımdan çok kararlı bir durumda oldugˆu söylenebilir. Zira, hem vücut agˆırlıgˆı ve hem de biles¸imi artık daha az degˆis¸ime ugˆramaktadır. Buna kars¸ılık, yas¸lılık durumunda ve bazı hastalık hallerinde, bu sefer katabolik olaylar anabolik olaylardan daha fazla oranda meydana geldigˆi için, kis¸ide hem kilo kaybı ve hem de doku harabiyeti olus¸abilmektedir. Metabolizma genellikle üç farklı mekanizma ile regüle edilmektedir. Bunlar allosterik etki, hormonal etki ve enzim konsantrasyonu s¸eklinde ifade edilebilir.

Metabolizmanın Kimyası

Tek hücreli basit bir organizmada enzimlerle katalize edilen yaklas¸ık 100 farklı reaksiyon bilinmekteyken, insan hücrelerinde reaksiyon sayısı 3000’e kadar çıkmaktadır. Yüzlerce kimyasal reaksiyonun incelenmesine dayanılarak yapılan çalıs¸malar göstermis¸tir ki, organizmalar birkaç çes¸it kimyasal reaksiyon ile metabolizmalarını gerçekles¸tirmektedir. Günümüzde biyokimyasal reaksiyonların altı kategorisi tanımlanmıs¸tır. Bunlar;

1. Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları,

2. Grup-transferi,

3. Hidrolitik kırılma (hidroliz),

4. Non-hidrolitik kırılma,

5. İzomerizasyon ve yeniden düzenlenme ile

6. ATP enerjisi kullanılarak bağ oluşum reaksiyonlarıdır (S:223 Tablo 8.3).