1

BİYOKİMYA IIBİYOKİMYA II

METABOLİZMANIN METABOLİZMANIN TEMEL KAVRAMLARI TEMEL KAVRAMLARI

ve ve BİYOENERJETİKBİYOENERJETİK

YARD.DOÇ.DR. ALİ KARAGÖZ

2

BİYOENERJETİK

* Canlı organizma veya hücrelerin yaşamlarını devam ettirmek, büyümek ve çoğalmak üzere iş yapmak

için enerji gereksinimleri bulunmaktadır.

Değişik kaynaklardan sağlanan enerjiyi aktif duruma getirme ve biyolojik bir işte kullanma yeteneği bütün canlıların temel özelliğidir.

Biyoenerjetik, canlı hücreler tarafından enerjinin kullanılması ve transformasyonları ile ilgili olan bir biyokimya koludur.

3

BİYOENERJETİK ve TERMODİNAMİK

* Biyoenerjetik, biyolojik sistemlerde enerji transferini ve kullanımını tanımlar. Kısaca biyoenerjetik, canlı

hücrelerde oluşan enerji dönüşümlerinin ve bu dönüşümlerin gerçekleştirildiği kimyasal olayların yapı ve

fonksiyonunun kantitatif anlatımıdır.

Termodinamik alanı ile ilgili bazı kuralları özellikle de serbest enerji kavramını temel alır.

Serbest enerjideki değişimler (∆G), kimyasal bir reaksiyonun enerji olarak olabilirliği hakkında

bilgi sağlar ve bu şekilde reaksiyonun gerçekleşip gerçekleşemeyeceği hakkında tahminde bulunma olanağı

sağlar.

4

Biyolojik sistemlerdeki enerji dönüşümleri termodinamik yasalara uygun olarak

gerçekleşmektedir.

Termodinamiğin birinci yasasıTermodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu prensibine göre herhangi bir

fiziksel veya kimyasal değişimde enerjinin biçimi değişebilmekte fakat evrenin toplam enerjisi sabit kalmaktadır.

Yani, enerji bir şekilden diğerine dönüşebilir, ancak yok edilemez. Fakat enerji

dönüşümünde her zaman bir kayıp vardır.

5

Termodinamiğin 1. Kanunu: Enerjinin korunumu

Kapalı bir termodinamik sistemin iç enerjisindeki değişiklik, sisteme verilen ısı enerjisi ile sistem üzerinde yapılan işin toplamıdır. Enerji ancak şekil değiştirebilir. Bundan faydalanarak (enerji dönüşümleri) ısınma, hareket ve cisimlerin hareketi sağlanmaktadır. Buhar makineleri, diğer ısı üretim makineleri ve yakıtlı motorlar hepsi bu

kanunun öngördüğü şekilde enerjinin işe dönüştürülmesinden faydalanarak

çalışmaktadır.

6

Termodinamiğin ikinci yasası ;ermodinamiğin ikinci yasası ;

İzole bir termodinamik sistemin toplam İzole bir termodinamik sistemin toplam entropisi zaman içinde artma eğilimi gösterir, entropisi zaman içinde artma eğilimi gösterir, maksimum değere ulaşır. Bu kanun, fiziğe maksimum değere ulaşır. Bu kanun, fiziğe tersinmez (irreversibil) olaylar düşüncesini tersinmez (irreversibil) olaylar düşüncesini getirmiştir. Bu kanuna göre fiziksel olaylarda getirmiştir. Bu kanuna göre fiziksel olaylarda geri döndürülemez belirli bir eğilim vardır. Ör; geri döndürülemez belirli bir eğilim vardır. Ör; bir bardak sıcak çay etrafına ısı vererek soğur bir bardak sıcak çay etrafına ısı vererek soğur ve çay hiçbir zaman verdiği ısıyı kendiliğinden ve çay hiçbir zaman verdiği ısıyı kendiliğinden toplayıp eski haline gelemez. Yukarıdan toplayıp eski haline gelemez. Yukarıdan serbest bırakılan bir top yerden sekip serbest bırakılan bir top yerden sekip bırakıldığı yüksekliğe kadar çıkmayı bırakıldığı yüksekliğe kadar çıkmayı başaramaz.başaramaz.

7

Evrendeki maddelerin sürekli düzensizliğe eğilimli oluşu Termodinamiğin ikinci yasası ermodinamiğin ikinci yasası ile açıklanır. Bu yasaya göre; tüm fiziksel veya kimyasal değişimler öyle bir yönde ilerler ki kullanılabilir enerjinin entropi diye tanımladığımız düzensiz bir şekle irreversibil olarak dağılımını doğurur. Bir denge noktasında bu dağılım durur.

Evrende veya izole bir sistemde (evrenin diğer kısımlarından tamamen ayrılmış madde topluluğu) düzensizliğin derecesi daima artar.

Bu yasa tüm canlılar için de geçerlidir.

8

Düzensizliğe eğilimi tersine döndürmek için ilave bir çaba harcamak ve bir enerji

sarf etmek gerekir.

Biyolojik düzenin kurulması ve sürdürülmesi için de hücrelerden ısı

enerjisi salınmalıdır.

9

Herhangi bir sistemin karmaşa derecesi sayısal olarak

ENTROPİ ENTROPİ terimiterimi (S) (S) ile ifade edilir.

Sistem ne kadar karmaşa içindeyse (düzensizse) entropi

o kadar yüksektir.

10

ENTROPİ (S): ENTROPİ (S):

düzensiz ve dağınıklık formunda bir enerjidir. Bu enerji elde edilebilir bir enerji türü değildir ve işe yaramayan enerjidir.

11

ENTROPİ = bir sistemdeki düzensizliğin miktarıdır.

12

Hücre, enerjiyi çevresinden (besinlerden, fotonlardan veya anorganik moleküllerden) alır. Bu enerjiyi kullanarak kendi içindeki düzeni sağlar. Düzeni sağlayan kimyasal reaksiyonlar sırasında hücrenin kullandığı enerjinin bir kısmı ısı enerjisine çevrilir ve çevreye yayılır. Dolayısıyla çevrenin entropisi sürekli artar.

13

Bir hayvan hücresi besinleri içine alır, bu besin moleküllerinin atomları arasındaki kimyasal bağlarda mevcut enerjinin (kimyasal bağ enerjisi) büyük bir kısmını moleküler düzeni sağlayan süreçlerde kullanır, geri kalanını ise moleküllerin rastgele termal hareketine (ısı enerjisi) dönüştürür.

14

KISACASIKISACASI

• Hücrede enerji açığa çıkartan (katabolik) reaksiyonlar ile enerji gerektiren (anabolik) reaksiyonların uyumlu birlikteliği sayesinde biyolojik sistemdeki düzen sağlanmış olur.

15

Kullanılabilir Enerji:Kullanılabilir Enerji:

İki türlü kullanılabilir enerji vardır,

a- Serbest enerji: sabit temperatür ve basınçta iş yapabilen enerji türü olarak tanımlanabilir.

b- Isı enerjisi : sadece temperatür değişiminde iş görebilen enerji türü olarak ifade edilir.

16

Bir reaksiyonun gerçekleşip

gerçekleşemeyeceğini

SERBEST ENERJİ DEĞİŞİMİ (SERBEST ENERJİ DEĞİŞİMİ (GG))

belirler.

17

SERBEST ENERJİ

* Bir kimyasal tepkimede gerçekleşen enerji değişimlerinin açıklanmasında üç

termodinamik nicelik olan serbest enerjiserbest enerji, entalpientalpi ve entropientropi kullanılmaktadır.

Gibbs serbest enerji terimi (G), sabit basınç ve sıcaklıkta bir tepkime sırasında iş yapabilen

enerji miktarını açıklamaktadır.

18

* Serbest enerji kavramı, ATP’nin enerji veren reaksiyonlardan, enerji gereken reaksiyonlara enerji

taşınmasındaki rolünü anlamak için gereklidir.

Bir kimyasal reaksiyonun yönü ve ne kadar devam edeceği, reaksiyon sırasında iki faktörün ne derece değişeceğine bağlıdır. Bunlar: entalpi (∆H) ve

entropi (∆S) dir.

∆H : reaksiyona giren substrat ve çıkan ürünlerin ısı içeriğindeki değişimin ölçüsüdür.

∆S : substrat ve ürünlerin gelişigüzelliği ve düzensizliğindeki değişimin ölçüsüdür.

19

Biyolojik sistemlerde mevcut şartlar altında, yani sabit temperatür ve basınç altında gerçekleşen kimyasal

reaksiyonlardaki serbest enerji, ısı ve entropi değişimleri kantitatif olarak birbirleri ile ilişkilidir. Bu ilişkiyi şu denklemle gösterebiliriz;

∆G∆G = = ∆H - T∆S∆H - T∆S

∆G = Serbest enerjideki değişim∆H = Entalpi veya ısı içeriğindeki değişimT = derece Kelvin olarak (°K) mutlak sıcaklık

(°K = °C+273)∆S = Entropi değişimi

20

∆G’nin işareti reaksiyonun yönünü belirler.

A A ↔ B↔ B

- ∆G- ∆G : net bir enerji kaybı vardır ve reaksiyon kendiliğinden ilerler. Bu tip reaksiyonlar ekzergonik olarak adlandırılır. (Katabolik reaksiyonlar)

+ ∆G+ ∆G : net bir enerji kazancı vardır ve reaksiyon kendiliğinden ilerlemez. Reaksiyonun ilerleyebilmesi

için sisteme enerji eklenmesi gerekir. Bu tip reaksiyonlar endergonik olarak adlandırılır.(Anabolik reaksiyonlar)

00 ∆G ∆G : eğer ∆G =O ise reaktanlar denge halindedir.

21

22

23

Kimyasal Reaksiyonların Serbest Kimyasal Reaksiyonların Serbest Enerjisi Nasıl Enerjisi Nasıl Ölçülür ve Kantitatif Olarak Ölçülür ve Kantitatif Olarak Nasıl İfade Nasıl İfade Edilir?Edilir?

Her reaksiyon bir karakteristik standart serbest enerji değişimine (∆Go ) sahiptir. Ele alınan herhangi bir reaksiyon için ∆Go bir sabitedir ve standart şartlar altında (1 atm., 298 °K ) reaksiyonun denge sabitesinden gidilerek hesaplanabilir.

24

A + B ↔ C + D A + B ↔ C + D

[C] [D] ∆Go = - 2,303RTlnK ---------

[A] [B]

∆Go : standart serbest enerji değişimiR : gaz sabitesi (1.987 cal/mol derece)T : mutlak ısı (°K)ln : doğal logaritma K : denge sabitesi[A], [B], [C], [D] : reaktan ve ürünün gerçek

konsantrasyonu

25

A + B ↔ C + D A + B ↔ C + D

Herhangi bir reaksiyon için ∆G ve ∆Go aşağıda verilen eşitlikteki bağlantıyı gösterirler;

[C] [D] ∆G = ∆Go + 2,303RTlnK ---------

[A] [B]

26

∆Go , standart serbest enerji değişimi olarak adlandırılır, çünkü reaktan ve ürünlerin 1

mol/L konsantrasyonda tutulduğu standart koşullardaki serbest enerji değişimine (∆G ) eşittir. Yani bu durumda ürünlerin reaktanlara oranının doğal logaritması 0 dır (Ln 1=0). Dolayısıyla eşitlik;

∆G = ∆Go

∆G∆Go o belirli bir reaksiyon için sabittir, oysabelirli bir reaksiyon için sabittir, oysa ∆G ise sıcaklığa ve madde ∆G ise sıcaklığa ve madde

konsantrasyonuna konsantrasyonuna bağlı bağlı olarak değişir.olarak değişir.

27

Standart koşullarda substratların standart serbest enerji değişimi ile ürünlerin standart enerji değişimi arasındaki fark ∆Go değerini vermektedir. Ürünlerin serbest enerjisi substratlardan daha küçük olduğunda (∆Go < 0) tepkime, standart koşullarda kendiliğinden ürün oluşturmaktadır. Çünkü bu tepkimeler sistemin serbest enerjisinde azalmaya yol açacak yönde ilerleme eğilimindedir. ∆Go > 0 olan tepkime ise ters yönde ilerlemektedir.

28

Özetle:

K ∆Go Reaksiyonun Yönü

> 1 Negatif Sağa doğru ilerler1 Sıfır Dengede kalır< 1 Pozitif Sola doğru ilerler

Yani ∆Go bize bir reaksiyon standart koşullarda gerçekleşirken hangi yönde ve dengeye erişinceye dek ne kadar gideceğini söyler.Biyokimyasal bir tepkime sisteminde bir enzim sadece dengeye ulaşmayı hızlandırır.

29

ENERJİ TAŞIYICI OLARAK ENERJİ TAŞIYICI OLARAK ATPATP

Eşleşmiş Reaksiyonlar:Eşleşmiş Reaksiyonlar:

Hücre membranında konsantrasyon farkına karşı geçen iyonların hareketinde olduğu gibi, büyük + ∆G’ ye sahip reaksiyon ve işlemler, ATP’nin hidrolizi gibi büyük - ∆G’ye sahip ikinci bir reaksiyon ile birleştirilerek mümkün hale getirilir.

Glukoz 6-fosfatın sentezi pek çok organizmada glukozun kullanımının ilk basamağıdır.

Glukoz + Pi → Glukoz 6-fosfat + H2O ∆Go= 3.3 kcal/mol

∆Go > 0 olması, standart koşullarda tepkimenin ok yönünde ilerlemeyeceğini göstermektedir.

30

31

Bir diğer hücresel tepkime olan ATP hidrolizi ile ADP ve Pi oluşması ise ekzergoniktir.

ATP + H2O → ADP + Pi ∆Go= - 7.3 kcal/mol

Ardışık tepkimeler şu şekilde gerçekleşir;

Glukoz + Pi→ Glukoz 6-fosfat + H2O (3.3 kcal/mol )

ATP + H2O → ADP + Pi (-7.3 kcal/mol )

-----------------------------------------------------------Glukoz + ATP → Glukoz 6-fosfat + H2O + ADP

(3.3 kcal/mol) + (-7.3 kcal/mol) = (-4.0 kcal/mol)

Toplam standart enerji değişimi tek tek tepkimelerin standart serbest enerji değişimlerinin toplamı ile

elde edilmektedir.

32

Canlılık olaylarının sürdürülmesi için tüm organizmalar kendi çevrelerinden serbest enerji sağlamak zorundadırlar. Ototrofik organizmalar, metabolizmalarını çevrelerindeki bazı basit ekzergonik

olaylarla eşleştirir; ör, yeşil bitkiler güneş ışığı enerjisini ve bazı ototrofik bakteriler Fe+2 → Fe+3 tepkimesi enerjisini kullanır. Diğer taraftan, heterotrof

organizmalar, metabolizmalarını çevrelerindeki karmaşık organik moleküllerin yıkımına eşleştirerek serbest enerji elde ederler. Bütün bu organizmalarda, serbest enerjinin ekzergonik olaylardan endergonik olaylara aktarılmasında ATP merkezi bir rol oynar.

33

Özetle;

+∆Go değerli bir reaksiyonla - ∆Go değerli reaksiyon birlikte yürüdüğünde net toplam değer - ∆Go olursa

iki reaksiyonda yürür.

( +∆Go) + (-∆Go) = - ∆Go ise reaksiyon yürür……

34

35

Böbrek ve beyin hücreleri ATP enerjisinin % 70 ini sodyum-potasyum pompasında kullanırlar. Bu pompa hücre içi ve dışı arasındaki ozmotik dengenin sağlanmasında, hücre hacminin sabit kalmasında, hücre içi bazı enzimler için K seviyesinin yüksek tutulmasında ve sinir impulslarının iletimi ve sekonder aktif taşınma için gerekli Na-K gradientininin yaratılmasında kullanılırlar.

36

ATP’nin yarılanma süresi hücre tipine bağlı olarak, birkaç saniye ile birkaç dakika arasında değişir. Yani ATP sürekli harcanıp yeniden yapılan bir moleküldür. Beyin hücrelerinde bulunan ATP sadece saniyeler süresinde tüketilir. Bu nedenle oksijen yokluğunda en çabuk zarar gören organ beyindir. Yani total ATP/ADP havuzu son derece küçük olduğu ve etkin bir dokuya ancak birkaç saniye yettiği için ATP sentez ve yıkımı çok yüksek bir hızla gerçekleşir.

37

*ATP’nin hidroliziyle oluşan yüksek serbest enerji değişimi:eksi yüklü komşu oksijen atomlarının yük itmesinden vetepkime ürünlerinin özellikle fosfatın rezonans hibritleri olarak kararlı hale gelmesinden kaynaklanır.

38

39

Reaksiyonlar ortak ara ürünler yolu ile birleşir

İki kimyasal reaksiyon, birinci reaksiyonun ürünü ikinci reaksiyon için substrat oluşturacak şekilde birbirini

takip ederse ortak bir ara ürünü paylaşırlar.

A + B ↔ C + D

D + E ↔ F + G

D ortak ara üründür ve iki reaksiyon arasında kimyasal enerji taşıyıcısı olarak görev yapar.

Birçok birleşik reaksiyon ortak ara ürün oluşturmak için ATP kullanır.

40

ATP İle Taşınan EnerjiATP İle Taşınan Enerji

ATP hidrolizinin ∆Go’si terminal fosfat gruplarının her biri için ortalama -7300 cal/mol’dür. Bu büyük - ∆Go

nedeniyle ATP yüksek enerjili fosfat bileşiği olarak adlandırılır.

ATP’den daha yüksek enerjiye sahip fosfat içeren başka bileşikler de vardır. Bunlar;

- fosfoenol piruvat ( ∆Go= -14.8 kcal )

- karbamoil fosfat ( ∆Go= -12.3 kcal )- 1,3-bifosfogliserat ( ∆Go= -11.8

kcal ) - fosfokreatin ( ∆Go= -10 kcal ) - asetil koenzim A ( ∆Go= -8.2 kcal )

41

Enerji veren ve enerji isteyen hücre aktiviteleri arasında ATP bir kimyasal araçtır

Hücreler serbest enerjiyi besin moleküllerini (özellikle de karbonhidrat ve yağları) yıkarak kimyasal olarak kazanırlar. Bu serbest enerjiyi çeşitli sentez reaksiyonlarında, mekaniksel işlerde (kas kasılması gibi), aktif taşımada ve bilgi transferinde kullanırlar. ADP’den ATP oluşması ile serbest enerji depo edilmiş olur. Sonra ATP enerji gerektiren işlevlere kimyasal enerjisini vererek ADP’ye tekrar dönüşür. Bu nedenle ATP bir enerji taşıyıcısı olarak hizmet eder.

42

Neden ATP bir ara moleküldür?

Çünkü, hücreler süper yüksek enerjili fosfat bileşiklerinden direkt olarak

düşük enerjili bileşiklere fosfat gruplarını transfer edecek bir enzime enzime sahip

değillerdir.

43

44

Düşük enerjili fosfat bileşikleri, fosfatlarının hidrolizi sonucu – 4 kcal/mol den daha düşük bir ∆Go değeri ortaya koyarlar.

- Glukoz-6-fosfat ( ∆Go= -3.3 kcal)- Gliserol-3-fosfat ( ∆Go= -2.2 kcal) - AMP ( ∆Go= -2.2 kcal)

45

46

 

 Diğer Enerji Molekülleri

 

47

48

NAD+ + 2 e- + 2H+ → NADH + H+

NADP+ + 2 e- + 2H+ → NADPH + H+

49

Riboflavin

Flavin mononükleotid

50

FAD + 2 e- + 2 H+  →   FADH2

51

 

   

.

52

METABOLİZMANIN METABOLİZMANIN TEMEL KAVRAMLARITEMEL KAVRAMLARI

53

 

  Metabolizmaya Genel Bir BakışMetabolizmaya Genel Bir Bakış

Genellikle reaksiyonlar incelenirken tek tek enzimatik reaksiyonlar şeklinde incelenir. Oysa hücrelerde bu reaksiyonlar ayrı ayrı değil, bir reaksiyonun ürününün onu takip eden basamağının substratı olarak kullanıldığı ve “yol” (pathway) olarak isimlendirilen ardışık basamaklar şeklinde meydana gelir.

Sonuç olarak sırasıyla değişik yollar kesişerek karmaşık ve belli bir amaca yönelik kimyasal reaksiyonlar ağı oluştururlar ki buna genel olarak metabolizma diyoruz.

54

55

   Açık birer sistem oluşturan canlı organizmalarda yaşamı sürdürebilmek için sürekli kimyasal değişmeler meydana gelir. Bunların hepsine birden metabolizma ve metabolik reaksiyonlarda yer alan maddelere de metabolit denir.

Metabolizmada başlıca 4 temel fonksiyon söz konusudur:

1- Güneşten veya yakıt moleküllerinden gerekli enerjiyi sağlamak,2- Besin maddelerinin sindirilmesi, bunların amino asit,

şeker, yağ asidi, gliserol gibi yapıtaşlarına ayrılması,3- Yapıtaşlarından organizmanın ihtiyaç duyduğu küçük ve büyük moleküllerin sentezi ve4- Spesifik fonksiyonu olan moleküllerin sentezi (hormon, prostoglandin vb).

56

 

 

57

 

 

Metabolizmanın kısa bir özeti  

58

59

 

  Metabolizma aslında çeşitli yıkım yolları (katabolizma) ve sentez yollarının (anabolizma) toplamıdır.

Katabolik reaksiyonlar, proteinler, polisakkaritler ve lipidler gibi kompleks molekülleri CO2, NH3 ve H2O

gibi basit moleküllere parçalarlar.

Anabolik reaksiyonlar ise basit moleküllerden kompleks ürünler oluştururlar.

60

 

  Katabolizma:Katabolizma:

Katabolik reaksiyonlar, enerjiden zengin yakıt moleküllerinin yıkımından açığa çıkan kimyasal enerjinin

ATP şeklinde ortaya çıkmasına yol açar.

Katabolizma ayrıca diyetteki bileşiklerin veya hücrelerde depolanmış bileşiklerin, başka kompleks moleküllerin sentezi için gerekli olan yapıtaşlarına dönüşmesini de sağlar.

61

Katabolizmayı 5 ana kademeye ayırabiliriz:

1-Polimerlerin yapıtaşlarına ayrılması

62

 

  Anabolizma:Anabolizma:

Anabolizma, amino asitler gibi küçük moleküllerin, proteinler gibi kompleks moleküller oluşturmak

üzere birleşmesini sağlayan reaksiyonlar toplamıdır.

Anabolik reaksiyonlar enerji gerektirir ve bu enerji de ATP’nin hidrolizinden sağlanır.

Bir molekül için biyosentetik yol genellikle aynı bileşiğin yıkım yolundan farklıdır.

63

  

Metabolik reaksiyonların temel karakteristikleri:

1- Katabolizma ve anabolizma belirli bir çıkış maddesi ile ürün arasında reaksiyonların iki yönde tekrarlanması ile yürümez.

Dizinin bazı basamakları tersinir (reversibil) olsa bile hepsi tersinir basamaklardan oluşmaz.

2- Katabolizma ve anabolizma enerji bakımından da farklıdır.

3- Ökaryotik hücrelerde katabolik ve anabolik olaylar hücrenin farklı organellerinde meydana gelir. Bu durum bu rekasiyonların aynı anda meydana gelebilmesini ve bağımsız olarak kontrol edilebilmesini sağlar.

4- Metabolik reaksiyonlar dizisinde birçok tersinir basamak bulunmakla birlikte genellikle dizinin ilk reaksiyonlarından

birisi tersinmezdir (irreversibil).

64

  

Biyokimyasal reaksiyonlar temelde enzimlerle katalizlenen organik reaksiyonlardır ve bu reaksiyonlar 4 gruba ayrılır:

1- Grup transferinin yapıldığı reaksiyonlar,2- Redoks reaksiyonları,3- Eliminasyon, izomerleşme ve molekül

düzenlemesi olan reaksiyonlar,4- Bağ oluşumuna veya kırılmasına yol açan

reaksiyonlar.

65

  

Hayvansal ve bitkisel kökenli gelişmiş organizmalar, enerjiyi karbonhidrat ve lipid şeklinde depolayabilirler. Mikroorganizmalar bunu yapamadığı için ihtiyaçlarını anında çevreden veya hücre içi bileşenlerinin harcanması ile sağlamak zorundadırlar. Amino

asitler canlılara enerji vermek için depolanamaz. Sadece bitkilerin tohumlarında ve hayvansal organizmalarda yumurtalarda bir miktar protein depolanabilir.

66

HOMEOSTASİS ...hücre enerjisinin pek çoğu

mevcut durumun sürdürülmesinde kullanılır.

67

68

 Şekil.Karbonhidrat katabolizmasının başlangıç aşaması.

69

 Şekil.Oksidatif metabolizma

70

 Şekil.Lipid ve steroid metabolizması.

71

 Şekil.Amino asit metabolizması.

72

 Şekil.Karbonhidrat anabolizması

73

 Şekil.Fotosentez

74

 Şekil.Metabolizmada iş gören nikotinamid nükleotidleri.

75

 

  METABOLİZMANIN DÜZENLENMESİMETABOLİZMANIN DÜZENLENMESİ

Metabolizmanın yolları o şekilde düzenlenmeli ki, enerji oluşumu veya son ürünlerin sentezi hücrenin

gereksinimini karşılayacak düzeyde olmalıdır. Ne fazla ne de eksik.

Hücreleri dokudan izole ettiğimizde normal görevlerini yapamazlar çünkü birbirleriyle ilişkisi olan dokular topluluğunun parçalarıdırlar. Bu nedenle vücudun görevini düzenlemek için oldukça kompleks bir iletişim sistemi gelişmiştir.

Tek bir hücreyi vücudun metabolik durumundan haberdar eden düzenleyici sinyaller; hormonlar, sinir sistemi ve hücrenin kendi içinde sinyallerin oluşumunu etkileyen besinlerin varlığıdır.

76

 

  Hayvansal organizmalarda değişik doku ve organlar arasındaki metabolik entegrasyon başlıca iki şekilde sağlanır. Bunlardan birisi sinir sistemi ile iletişim,

diğeri dolaşım sistemidir. Sinir sistemi gerekli uyarıları yaparken, dolaşım sıvıları da farklı doku ve organlara gereken maddeleri taşırlar. Bu maddeler besinler, metabolizma ürünleri, atılması gereken atıklar ve düzenleyici maddelerdir. Hedef hücreye bu iki sistem vasıtası ile mesajlar aktarıldığı zaman, hücre dışı sinyaller hücre içi etkilere dönüşür, yani gelen sinyaller hücre içindeki ilgili mekanizmaları harekete geçirir ve gerekli cevap oluşur.

77

 

  Hücre içi iletişimHücre içi iletişim

Metabolik yolun hızı, hücre içindeki düzenleyici sinyallerle etkilenebilir. Metabolik yolların hızı;

substratların varlığından, ürün inhibisyonundan, aktivatör veya inhibitörlerin düzeyindeki

değişimlerden etkilenebilir.

Bu intrasellüler sinyaller hızlı cevaplara neden olurlar.

78

 

  Hücreler arası iletişimHücreler arası iletişim

Hücreler arası haberleşme metabolizmanın geniş bir alanda integrasyonunu sağlar ve genellikle hücre

içinden köken alan değişikliklere göre daha yavaş bir cevap oluşturur. Özellikle enerji metabolizması için en önemli iletişim yolu, hücreler arası kimyasal sinyalizasyondur (hormonlar ve sinir sisteminden salınan nörotransmitterler gibi).

79

 

 Bütün bu hücre içi ve hücreler arası iletişimin bir

toplamı olarak metabolik kontrol mekanizmaları üç şekilde kendisini gösterir:

1- Enzim seviyesinin kontrolü2- Enzim aktivitesinin kontrolü3- Kompartmentasyon

80

 Şekil.Enzim aktivitesini kontrol eden kovalent modifikasyonlar.

81

 Şekil. Adenilat siklaz içeren sinyal iletim yolu.

82 Şekil.Ökaryotik bir hücre içerisinde temel metabolik yolların yerleşimi

83

FOTOSENTEZ

84

 

 * Bütün biyolojik sistemlerdeki enerjinin temel kaynağı güneştir.

* Fotosentezle yılda 1011 ton karbon, karbonhidrat şeklinde tutulmaktadır. Oluşan bu karbonhidratlar oksitlenerek karbondioksite dönüşürken,

atmosferdeki karbondioksit, fotosentezle tekrar karbonhidratlara çevrilmektedir.

* Yani tabiatta sürekli bir karbon devri meydana gelmektedir.

* Fotosentez sırasında açığa çıkan oksijen, karbondioksidin indirgenmesinden değil, suyun ayrışmasından meydana gelir.

85

 

 * Fotosentetik ökaryotik hücrelerde (bitkiler, deniz

yosunları, diatomeler) fotosentezin meydana geldiği organel kloroplastlardır.

* Fotosentetik prokaryotlarda ise (mavi yeşil algler, yeşil ve mor sülfür bakterileri) kloroplast olmadığından,

fotosentez hücrenin iç zarında, özellikle zarın kıvrımlı bölgelerinde meydana gelir. Bu bölgelere kromatofor adı verilir.

86

87

 * Kloroplastların dış zarı oldukça geçirgendir, iç zarın

geçirgenliği ise çok sınırlıdır. İç zar matrikse benzeyen ve stroma adı verilen bir sıvıyı çevreler. Stromada çözünmüş enzimler bulunur. Bu enzimler fotosentezin karanlık safhasında karbondioksidin karbonhidratlara dönüştürülmesinde görev alırlar.

* Stromaya dağılmış olarak, tilakoid adı verilen yassı keseciklerin bozuk para sütunları gibi üst üste dizilmelerinden oluşan granalar bulunur.

* Granalar birbirleri ve iç zar ile stroma lamella adı verilen yassı, zarlı kanalcıklar ile bağlanmışlardır.

88

89

 

 * Tilakoid zarları üzerinde fotosentezin aydınlık fazı ile

ilgili enzimler ve taşıyıcı moleküller bulunur.

* Fotosentez sırasında meydana gelen olaylardan bir kısmı ışık gerektirir, bunlara aydınlık fazı reaksiyonları veya ışık reaksiyonları denir. Bazı reaksiyonlar için ise ışığa gerek yoktur. Bunlara da karanlık fazı reaksiyonları denir. Karanlık fazı reaksiyonlarının karanlıkta meydana geldiği anlaşılmamalı, sadece ışığa gerek olmadığı için bu isim verilmiştir.

90

 

 * Güneşten gelen görünür ve UV bölgedeki ışınların

absorplanabilmesi için fotosentetik çeşitli pigmentler bulunur. Bunların en başında klorofiller gelir.

* Bitkilerde klorofilin a ve b olmak üzere iki farklı tipi vardır. Klorofil molekülü, hem molekülüne benzer şekilde bir protoporfirin halkası içerir. Ancak hem molekülüne göre bazı farklılıklar vardır. Merkezdeki

Fe atomunun yerini Mg almıştır. III no’lu pirol halkası bir siklopentan halkası ile kaynaşmıştır.

* Klorofil a ve b molekülleri arasındaki fark ise II no’lu pirol halkasına metil grubu yerine klorofil b de CHO

grubunun geçmiş olmasıdır.

91

 

 

92

93

94

95

FOTOSENTEZİN IŞIK REAKSİYONLARI

 * Bakteriler dışında bütün fotosentetik organizmalar elektron ve H verici olarak su kullanırlar ve sonuçta moleküler oksijen meydana gelir. Bu organizmalar

için fotosentez denklemi şöyle gösterilir;

2H2O* + CO2 IŞIK

CH2O + O*2 + H2O

96

 * Bu eşitlik fotosentetik bakterilerin hepsi için geçerli değildir. Çünkü çoğu anaerob olan fotosentetik

bakteriler elektron verici olarak sudan farklı bileşikler kullanırlar. Örneğin yeşil ve mor kükürt bakterileri H2S ve HSO-

2, nonsülfür bakteriler ise H2 veya laktat, izopropanol gibi organik bileşikleri kullanırlar.

2H2S + CO2 IŞIK

CH2O + H2O + 2S

2CH3CHOHCH3 + CO2 IŞIK

CH2O + 2CH3COCH3 + H2O

İzopropanol

2CH3CHOHCOO + CO2 IŞIK

CH2O + 2CH3COCOO +H2O

Laktat

97

Fotosistem I (FSI)

* Bu sistem 700 nm dalga boylu ışıkla uyarılınca bir elektron fırlatır. Bu sebeple P700 şeklinde gösterilir. NADP+’nin indirgenmesinden sorumludur. Bu

sistemin reaksiyon merkezinde, bir klorofil dimeri vardır. Karanlıkta P700’ün redoks potansiyeli 0.47 volttur. Işıkla uyarılınca elektron dağılımında bir değişiklik olur ve potansiyel -1.3 volta değişir. Böylece ışık yardımı ile FSI de meydana gelen potansiyel değişmesi sonucu bir elektron 0.47 volttan -1.3 volta pompalanır ve zayıf bir oksitleyici P700+ meydana gelir. Fırlatılan elektron bir dizi taşıyıcı üzerinden NADP+’ye aktarılır.* P700 de meydana gelen elektron açığı (P700+)

fotosentezin devam edebilmesi için doldurulmalıdır. Bu elektron fotosistem II yardımı ile suyun ayrışmasından sağlanır.

98

Fotosistem II (FSII)

* P680 adı verilen FSII ye 680 nm dalga boylu ışık gönderilince uyarılır ve reaksiyon merkezindeki klorofilden bir elektron fırlatılarak kuvvetli bir

oksitleyici (Z+) meydana gelir. Bu sistemin uyarılmış haldeki elektron potansiyeli -0.8 volttur.* Fırlatılan elektron bir dizi taşıyıcı üzerinden FSI e

aktarılır. FSII de meydana gelmiş olan oksitleyici suyu ayrıştırır ve moleküler oksijen açığa çıkar. Oksijenin

verdiği elektronlar P680 tarafından alınır, böylece ışık enerjisi ile fırlatılan elektronlar yerine konmuş olur.* Su çok kararlı bir molekül olduğundan ayrışması oldukça zordur. O-H bağlarının zayıflatılmasında Mn atomları rol oynar. Meydana gelen O2 molekülü kloroplasttan dışarı difüzlenir, protonlar ise tilakoidin içine (lümen) geçer. Açığa çıkan elektronlar P680 deki elektron açığını kapatır.

99

IŞIK

2H2O 4H+ + O2 + 4e-

* İki fotosistem birbirine bir dizi elektron taşıyıcı ile bağlanmıştır ve bu elektron akışı sırasında

mitokondrilerdekine benzer şekilde ATP sentezi yapılır.* İki fotosistem arasındaki elektron taşıyıcılar FSII den

itibaren sırası ile feofitin, plastokinonlar, sitokrom bf kompleksi ve plastosiyanindir. Bu

taşıyıcılardan bf kompleksi zara bağlıdır. Bu kompleksle iki fotosistem arasındaki diğer taşıyıcılar ise hareketlidir. Plastokinon lipid fazında (zarda) çözünebilir ve hareket eder. Plastosiyanin ise lümende hareket eder. Böylece elektronların FSII den FSI e doğru hareketi sağlanmış olur.

Toplu ışık reaksiyonu şöyle özetlenebilir; IŞIK

2NADP+ + 2H2O 2NADPH + 2H+ + O2

100

101

102

ATP SENTEZİ* Fotosentetik elektron akışı sırasında ATP sentezlenir.

Bu sentez mitokondriyel senteze benzer, reaksiyon merkezleri ve sentezde görevli enzimler tilakoit zarı üzerinde yerleşmişlerdir. Bu zar mitokondri iç

zarına benzer şekilde H+ iyonlarını geçirmez.* Fotofosforilasyon da oksitleyici fosforilasyon gibi

oligomisin tarafından inhibe edilir.* Elektronlar FSII den FSI e taşınırken taşıyıcıların

farklı özellikte olmalarından dolayı protonlar stromadan lümene doğru pompalanır. Böylece ışık enerjisi ile sağlanan elektron akışı, tilakoit zarının iki tarafı arasında bir proton gradienti yaratır.

Tilakoidin içerisi daha asidik olur. Lümende biriken H+lar stromaya ancak ATPaz enziminin oluşturduğu kanalcıklar yardımı ile geçebilir.

103

* Zarın iki tarafı arasındaki pH farkı mitokondrilerdekinden daha büyüktür, çünkü burada protonların pompalandığı lümen hacmi çok küçüktür.* 2,0-3,5 arasında bir pH farkı meydana gelir. Bu fark

ATP sentezi için gerekli potansiyeli sağlar.* Sentez FSII ve FSI arasındaki bölgede gerçekleşir.

Pompalanan her üç proton (zincirden geçen iki elektron) için bir ATP sentezlenir. * Sentezlenen ATP ve indirgenen NADPH stromaya geçer.

104

105

106

FOTOSENTEZİN KARANLIK FAZ REAKSİYONLARI

* Bu fazda, atmosferde bulunan CO2 tutularak karbonhidrat sentezinde kullanılır.* CO2 her seferinde birer tane olmak üzere alıcı moleküle katılır. Çevrim tamamlandıktan sonra alıcı molekül rejenere edilir.* Karanlık faz reaksiyonları ilk defa Melvin Calvin tarafından açıklandığı için bu reaksiyonların hepsine birden Calvin çevrimi denir.* İlk reaksiyon CO2 in ribüloz-1,5-bifosfata (Rib1,5bP)

katılmasıdır.* Bu aşamada iş gören enzim Ribüloz-1,5-bifosfat

karboksilaz’dır. Bu enzim doğada en çok bulunan, en önemli enzimlerden birisidir. Kloroplastlardaki toplam proteinlerin % 15 ini, yapraktaki proteinlerin ise % 25 ini oluştururlar.

107

* CO2 katılması sonucu oluşan ürün kararsızdır. Su ile iki mol 3- fosfogliserata ayrışır.

* Birinci basamakta oluşan 3-fosfogliserat, ATP tarafından fosfatlanır ve 1,3 bifosfogliserata dönüşür. Bu bileşik de fosfat grubunun uzaklaştırılması ile NADPH tarafından gliseraldehit-3-fosfata indirgenir. Burada iş gören enzim gliseraldehit-3-fosfat dehidrogenazdır. Bu enzim glikolizde de görev alan enzimdir.

* İlk üç basamakta CO2 in üç karbonlu birimlerin yapısına girdiği ve reaksiyonlar için ATP ve NADPH gerektiği görülmektedir. Tutulan her CO2 için 2 tane ATP hidroliz olmakta, 2NADPH yükseltgenmektedir. Buna göre 1 mol glikoz oluşması için 6 mol CO2 , 12 mol NADPH ve 12 mol ATP gerekir.

108

* Gliseraldehit 3-fosfat basamağından sonra reaksiyonlar iki şekilde devam eder;

A- 6 mol CO2 nin tutulması ile oluşan 12 molekül gliseraldehit 3-fosfattan 2 tanesi dihidroksiaseton fosfata çevrilerek sitoplazmaya geçer. Orada

biri tekrar gliseraldehit 3-fosfata izomerleştikten sonra aldol katılması ile fruktoz üzerinden glikoza

dönüşür. Meydana gelen glikoz, sakkaroz ve nişasta sentezinde kullanılır.B- Geriye kalan 10 mol gliseraldehit 3-fosfat, 6 mol

ribüloz-1,5-bifosfata rejenere edilir.

109

Fotosentezin toplu reaksiyon denklemi;

6CO2 + 18ATP + 12 NADPH + 12H2O C6H12O6 + 18ADP + 18Pi + 12 NADP+

18ADP + 18Pi + 12 NADP+ + 6H+ 6O2 + 12 NADPH + 18ATP + 6 H2O

6H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2

110

111

112

* Aydınlık fazında meydana gelen indirgen koenzimler ve ATP, karanlık faz reaksiyonlarında kullanıldığı için bu iki faz birbirine bağlıdır ve birlikte kontrol edilirler.

* Karanlıkta bitkiler de hayvanlar gibi karbonhidratları yakarak enerji sağlarlar. Işıkta ise bu yol inhibe

edilir ve fotosentez aktif hale geçer. Bu aşamada ışıkla inhibe olan enzimler fosfofruktokinaz ve G6P dehidrogenazdır.