Ünite 8: Biyoenerjetikler ve Metabolizma

Biyoenerjetikler

Bütün hücreler yaşamak için enerjiye ihtiyaç duyarlar. Pek çok biçime girebilmesinden dolayı enerjinin kapsamlı bir tanımını yapmak imkânsızdır, ama en yaygın tanım şudur; Enerji bir sistemin iş yapma kapasitesidir. Enerji ne yaratılabilir, ne de yok edilebilir (Enerji Korunumu Yasası), sadece farklı biçimlere dönüştürülebilir. Doğa bilimleri içerisinde çeşitli enerji biçimleri tanımlanabilir. Bunlar;

• Kimyasal enerji: Yemek, pil vb. maddelerdeki depolanmış enerjidir.
• Isı enerjisi: Atomların hareketinin enerjisidir.
• Potansiyel enerji: Bir maddenin durumuna göre sahip olduğu enerjidir (yokuştaki tekerlek veya havada tutulan top gibi).
• Kinetik enerji: Bir maddenin hareket için ihtiyaç duyduğu enerji türüdür.
• Mekanik enerji: Potansiyel enerji ile kinetik enerjinin toplamıdır.
• Elektrik enerjisi: Elektronların hareketlerinden kaynaklanan enerjidir.
• Manyetik enerji : Sadece metallerin sahip olabildiği, atomların dizilimine bağlı çekme veya itme hareketine dönüşebilen enerjidir.
• Nükleer enerji : Atomların içlerinde sakladıkları enerjidir.
• Işık enerjisi: Maddelerden yansıyıp görüntü oluşturan enerjidir.
• Ses enerjisi: Canlıların duyma organı tarafından algılanabilen enerji türüdür.

Biyoenerjetikler, hem kimyanın ve hem de biyolojinin bir alt dalı olan biyokimya biliminin ilgilendiği alanlardan biri olup, daha çok yaşayan hücrelerin enerji transformasyonu ve enerji kullanması ile yakından ilgilidir. Hücrede enerji değişiminin merkezi, evrensel enerji taşıyıcısı olan ATP’dir.

Uluslararası anlaşmaya göre enerji birimi Joule (J) ile ifade edilmektedir. Biyoloji ve tıpta ise, ısı ve enerji değerleri genellikle kalori ile ifade edilir. Kalori ile Joule’ün birbirine dönüştürülmesi gayet kolay olup, 1000 kalori 4.184 Joule’e eşittir.

Enzim: Kimyasal tepkimelerin hızını artıran biyomoleküller olup, katalizledikleri tepkime sonucunda tükenmezler ve tepkimelerin dengesini değiştirmezler. Enzimlerin büyük çoğunluğu protein yapısında olmakla beraber, ribozim adlı bazı RNA moleküllerinin de kimyasal tepkimeleri katalizledikleri yakın zamanda bulunmuştur.

Hücredeki enerji döngüsüne baktığımızda, enerji veren ve enerji gerektiren tüm olayların ATP (Adenozin trifosfat) aracılığı ile gerçekleştiği görülmektedir. ATP’de büyük miktarda kullanılabilir enerji bulunur. Enerjice zengin hücresel yakıt maddelerinin yıkılması ile ortaya çıkan serbest enerji, ADP ve Pi (inorganik fosfat)’tan ATP sentezi için kullanılmaktadır. Sentezi tamamlanan ATP’ler, ihtiyaç halinde kimyasal enerji gerektiren diğer hücresel faaliyetler için yeniden yıkılmakta ve ortaya çıkan (yukarıda hesabını yaptığımız) 30.5 kJ/ mol’lük enerji hücrenin hayatsal olaylarını devam ettirmek için kullanılmaktadır. Böylece denilebilir ki, ATP hücre içi biyokimyasal reaksiyonlar için gerekli olan kimyasal enerjiyi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda bu kimyasal enerjiyi enerji gerektiren ve üreten olaylar arasında bir nevi taşır. Yani, ATP hücre içinde enerji nakitinin yaygın bir formudur. ATP bunun yanı sıra, RNA sentezinde gereken dört monomerden biridir.

ATP’nin enerjisi onun ADP’ye dönüşmesine yol açan fosfat bağının hidrolizi ile açığa çıkar. Burada transfer reaksiyonu sırasında kırılan bağ, bir fosfoanhidrit bağıdır. Aynı şekilde, ADP’nin hidrolizi ile de ikinci fosfoanhidrit bağı kırılmış olur. Ancak, AMP’nin hidrolizi ile kırılan bağ fosfoanhidrit bağı olmayıp, fosfoester bağıdır ve bu bağın enerjisi fosfoanhidrit bağlarından daha düşüktür.

ATP’nin hücrede enerji kaynağı olarak kullanıldığı yerler kısaca şöyle sıralanabilir:

• Biyosentetik reaksiyonlarda (protein, yağ ve karbonhidrat sentezi gibi)
• Fiziksel hareketlerde (kas kasılması, sitoplazmik hareketler ve hücre bölünmesi gibi)
• Aktif taşımayı sağlayan biyokimyasal reaksiyonlarda
• Sinirsel iletimi sağlayan reaksiyonlarda ve 5. Sekresyon (salgılama) olaylarında.

Standart serbest enerji değişimi sadece ATP ve ADP’nin değil, diğer fosfat bileşiklerinin hidrolizi ile de ortaya çıkabilir.

Metabolizma

Metabolizma genellikle ‘bir organizmadaki tüm kimyasal reaksiyonların toplamı’ olarak tanımlanır, ancak bu eksik ve oldukça basitleştirilmiş bir tanımlamadır. Metabolizma, gerçekten hücredeki binlerce reaksiyonun bir çalışmasıdır, ancak aynı zamanda bu reaksiyonların koordinasyon, düzenlenme ve enerji gereksinimlerinin araştırılmasını da içeren bir çalışmadır. Bir organizma içindeki metabolizma bölümlere ayrılmaktadır. Yani, bazı hücre tipleri enerji üretimi için, diğerleri ise enerji tüketimi için kullanılırlar. Bu durumda metabolik farklılıkları göz önüne alındığında tüm canlı organizmalar 2 temel sınıfa ayrılabilir. Bunlar, ototrof ve heterotrof organizmalardır.

Ototroflar, karbon kaynağı olarak atmosferik CO ₂ ’yi kullanabilirler ve karbon içeren kompleks biyomolekülleri meydana getirirler. Bu gruba örnek olarak fotosentetik bakteriler ve yüksek bitkiler verilebilir. Heterotroflar ise, karbonhidrat ve yağlar gibi kompleks karbon içeren bileşikleri sindirerek enerji elde ederler. Bu grup içerisinde organizmaların büyük bir kısmı ve yüksek hayvanlar yer alır. Heterotroflar bahsi geçen bileşikler için ototroflara bağımlıdır.

Diğer yandan, moleküler O2 ihtiyaçlarına göre heterotroflar da iki altsınıfa ayrılabilirler. Aeroblar, havanın bulunduğu ortamlarda yaşarlar ve moleküler O2 kullanırlar. Anaeroblar ise, yaşamlarını devam ettirmek için O2’e ihtiyaç duymazlar. Maya hücresi gibi pek çok hücre hem oksijenli ve hem de oksijensiz ortamlarda yaşayabilmektedir. Bu tip canlılara fakültatif anaerob canlılar adı verilirken, diğer bazı mikroorganizmalar ise zorunlu anaerobdurlar ve bunlar için moleküler O2 toksik etki yaratır. Pek çok heterotrofik hücre ve özellikle yüksek organizasyonlu hayvanların hücreleri fakültatif özellik arz etmektedir.

Tüm organizmalarda metabolizma süreci, ardarda gerçekleşen ve enzimler tarafından katalizlenen reaksiyonlar aracılığıyla yürütülür. Her reaksiyon basamağı genellikle tek, oldukça spesifik ve bir sonraki basamak için reaktant olacak bir ürün oluşumuna yol açan kimyasal değişikliktir. Bu süreç ara metabolizma (intermedier metabolizma) olarak adlandırılır.

Metabolik yolaklar katabolizma ve anabolizma olarak iki yol halinde gruplandırılabilirler. Katabolizma yağlar, karbonhidratlar ve proteinler gibi kompleks organik moleküllerin laktat, pirüvat, etanol, CO ₂ , H ₂ O ve NH ₃ gibi daha basit moleküllere yıkılması ile gerçekleşen degradatif bir yolaktır. 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 oluşturulmasıdır. Katabolizmanın tersine, anabolizma genellikle redüksiyon reaksiyonları ve enerji girişi ile karakterize edilir. Enerji, katabolizmadan salınan enerjiyi içeren ATP, NADH ve NADPH molekülleri ile sağlanır.

Katabolizma ve anabolizma, koordineli bir reaksiyon ağı oluşturur.

Katabolizmanın I. evresi, makromoleküllerin (proteinler, yağlar, polisakkaritler) kendi yapıtaşlarına yıkımıdır.

II. evrede, I. evrede oluşan çeşitli amino asitler, yağ asitleri ve monosakkaritler, genel bir metabolit olan asetil CoA’ya okside olurlar. II. evre sırasında NADH ve ATP formunda bir miktar enerji salınır ve yakalanır. III. evrede ise, II. evre sonunda oluşan asetil CoA, sitrik asit (Krebs) döngüsüne girer ve aerobik karbon metabolizmasının son ürünü olan CO ₂ ’e okside olur. Sitrik asit döngüsü ara ürünlerinin oksidasyonu ile (daha sonra elektronlarını verecek olan) redükte ve reaktif kofaktörler olan NADH ve FADH ₂ oluşur. Bu moleküllerin taşıdığı elektronlar, solunum yoluyla moleküler oksijene taşınır. Elektron transportunda salınan enerji, ADP ve Pi’den direkt olarak ATP sentezi için kullanılır.

Katabolizmanın III. evresi, oksidatif fosforilasyon denen bir proses tarafından ATP üretiminin yer aldığı evredir.

Kofaktör: Protein yapıda olmayan, ancak enzim aktivitesi için gerekli olan moleküllere kofaktör denir.

Anabolik yolakların çoğu ATP ve NADPH formunda enerjiye ihtiyaç duyar. Anabolizma ve katabolizma sadece birbirlerinin tam zıttı değildir. İki proses, ara maddeler ve enzimler bakımından benzerdirler, fakat aynı değildirler.

Metabolik Yolların Düzenlenmesi

Bir metabolik yolda ortaya çıkan ara ya da son ürünün ortamda fazla veya az miktarda bulunması hücreler için zararlı sonuçlar doğurmaktadır. Büyümekte olan bir çocukta ya da gençlerde anabolik olaylar, katabolik olaylardan daha fazla düzeyde meydana gelmekte, dolayısı ile çocuk boyca ve kiloca artış göstermektedir. Yetişkin bir bireyin metabolik bakımdan çok kararlı bir durumda olduğu söylenebilir. Zira, hem vücut ağırlığı ve hem de bileşimi artık daha az değişime uğramaktadır. Buna karşılık, yaşlılık durumunda ve bazı hastalık hallerinde, bu sefer katabolik olaylar anabolik olaylardan daha fazla oranda meydana geldiği için, kişide hem kilo kaybı ve hem de doku harabiyeti oluşabilmektedir.

Metabolizma genellikle üç farklı mekanizma ile regüle edilmektedir. Bunlar allosterik etki, hormonal etki ve enzim konsantrasyonu şeklinde ifade edilebilir.

Allosterik etkide metabolik yolakların dallanma noktasına yerleşmiş olan allosterik enzimler, metabolik yolağın hızını ayarlayan basamağı katalize ederler.

Metabolizmanın ikinci kontrol şekli olarak hormonal düzenlenme gelmektedir.

Üçüncü önemli kontrol mekanizmasında ise enzim konsantrasyonları rol almaktadır.

Metabolizmanın Kimyası

Tek hücreli basit bir organizmada enzimlerle katalize edilen yaklaşık 100 farklı reaksiyon bilinmekteyken, insan hücrelerinde reaksiyon sayısı 3000’e kadar çıkmaktadır. O zaman, acaba her bir biyokimyasal reaksiyon eşsiz midir, yoksa farklı metabolik yollar benzer kimyasal süreçler mi uygulamaktadır gibi bazı soruların cevabı bize metabolizmanın kimyasını anlamak noktasında yol gösterici olacaktır. Yüzlerce kimyasal reaksiyonun incelenmesine dayanılarak yapılan çalışmalar göstermiştir ki, organizmalar birkaç çeşit kimyasal reaksiyon ile metabolizmalarını gerçekleştirmektedir. Günümüzde biyokimyasal reaksiyonların altı kategorisi tanımlanmıştır. Bunlar;

• Oksidasyon - redüksiyon reaksiyonları,
• Grup-transferi,
• Hidrolitik kırılma (Hidroliz)
• Non-hidrolitik kırılma,
• İzomerizasyon ve yeniden düzenlenme ile
• ATP enerjisi kullanılarak bağ oluşum reaksiyonlarıdır.

Oksidasyon-redüksiyon (redoks) reaksiyonları, elektronların bir molekül veya atomdan bir diğerine transferidir. Her zaman bir elektron vericisi ve bir elektron alıcısı olmak üzere iki reaktant molekül olmalıdır. Reaksiyonda elektron vererek yükseltgenen element karşısındakini indirgediği için indirgen, elektron alarak indirgenen element karşısındakini yükseltgediği için yükseltgen olarak tanımlanır.

Bir karbon merkezi veya diğer fonksiyonel grup ya da atom okside olduğunda, diğer molekül veya atomlardan bazıları bu elektronları kabul ederler ve bunun sonucunda da redükte olurlar. Biyokimyada oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarının çoğu, NAD+ / NADH, NADP ⁺ / NADPH ve FAD / FADH ₂ gibi koenzim redoks çiftleri ile gerçekleşir.

Grup-transfer reaksiyonları, bir molekülden diğerine (moleküller arası) bir kimyasal fonksiyonel veya tek bir molekül içinde (molekül içi) bir kimyasal grubun transferini kapsar. Biyokimyada transfer edilen grupların en önemlilerinden biri fosforil grubudur (–PO ₃ ² - ). Aşağıdaki örnek, hekzokinaz olarak bilinen bir fosfotransferaz tarafından katalizlenen bir reaksiyon ile bir fosforil grubunun ATP’den glukoza taşınmasını gösterir. Biyokimyasal reaksiyonlarda transfer edilen diğer önemli gruplar asil grubu ve glikosil grubudur.

Hidroliz reaksiyonlarında, bir molekülü 2 farklı moleküle ayırmak için su kullanılmaktadır. Yani, bir maddenin suyun H ⁺ ve OH ^– iyonunu ayrı ayrı bağlayarak, kendini oluşturan yapı birimlerine ayrılmasıdır. Bu tip metabolik reaksiyon en çok sindirim sisteminde meydana gelir.

Non-Hidrolitik kırılma reaksiyonlarda moleküller su kullanılmadan ayrılır. Bu kategorideki en yaygın reaksiyon C-C bağı kırılmasıdır. Bu reaksiyonları katalizleyen enzimler liyazlar olarak adlandırılır. Non-hidrolitik C-C bağı ayrılmasına örnek olarak aldolaz tarafından katalizlenen fruktoz 1,6-bifosfat’ın ikiye ayrılması verilebilir.

İzomerizasyon ve yeniden düzenlenme reaksiyonları metabolizmada önemli roller oynarlar. Bu kategori 2 çeşit kimyasal transformasyonu kapsar:

1. Molekül içinde H atomunun başka bir yere kayması ile bir çiftli bağın yerinin değişmesi,
2. Fonksiyonel grupların hücre içi yeniden düzenlenmesi.

Her iki durumda da, substrat molekülü kendi izomerine transforme edilir. 1. gruptaki en belirgin reaksiyon, aldozketoz izomerizasyonudur.

İki ayrı molekülün birleşmesini katalizleyen enzimler ligazlar veya sentetazlar olarak adlandırılır. Canlı organizmalardaki C-C bağları genellikle ketonlar, esterler veya CO ₂ karbonil fonksiyonel grupları ile kararlı bir karbanyon reaksiyonu tarafından oluşturulur. Enzim tarafından katalizlenen ve kararlı karbanyon üzerinden ilerleyen reaksiyonlara iki örnek verebiliriz. Bunlardan birincisi, glukoz sentezi için önemli bir reaksiyon olan pirüvatın karboksilasyonu ve ikincisi de sitrik asit döngüsünde sitroil CoA sentezidir.