ENZİMLER VE METABOLİZMA

ENZİMLER VE METABOLİZMA

Yaşamsal olaylarda vazgeçilmez bir nitelik taşıyan enzimler, kimyasal tepkimeleri hızlandıran katalizörler gibi işlev görürler.

Hücre metabolizmasının hızı, enzimlerin etkisi olmadan hücresel yapılan etkin bir şekilde yenilemeye yeterli değildir. Enzimler olmasaydı belki de yeryüzünde hayat olmazdı.

ENZİMLER

Enzimlerle ilgili kayda değer ilk çalışmalar XVIII. yy’da, enzim kavramının henüz bilinmediği bir dönemde yapılmıştır. 1752’de Reamur, 1780’de, Spallanzani yaptıkları nispeten basit deneylerle, enzim etkinliğini ortaya çıkarmışlardır: bu iki bilim adamı, kuşların mide salgısının etin sindiriminde rol oynadığım göstermiş ve bu salgıya «eritici» adını vermişlerdir. Parçalanmayı sağlayan etkenler (enzimler) ise çok daha sonra keşfedilmiştir.
Bir hayvansal hücrenin ayrıntılı yapısı. Sitoloji (dokuları ve hücreleri inceleyen bilim dalı) alanındaki boyama yöntemleri sayesinde, bir nerede bulunan çeşitli organitlerin derlenebilmesi mümkün olmuştur. ‘3ek (kırmızıyla çevrili büyük kitle) çevresinde görülen çok sayıda – iokondri (san çizgili yeşil alan) ve Golgi aygıtı (pembe çizgiler), bu hücrenin çok etkin olduğunu göstermektedir.
İÇİNDEKİLER

ENZİMLER METABOLİZMA TidERDE METABOLİZMA HAYVANLARDA METABOLİZMA BAZAL METABOLİZMA
Böyle moleküllerin varlığını düşündüren başka çalışmalar da yapılmıştır. 1826’da, Alman kimyager Eilhard Mitscherlich, filizlenen arpa tanesinde «çözünür fermentlerin» bulunduğunu göstermiştir. Daha sonra söz konusu etkin madde, Payen ve Persoz tarafından 1833’te malttan elde edilmiş, suda eriyebilen beyaz renkli bu katı maddeye diyastaz adı verilmiştir. Bu terim uzun yıllar boyunca mayalanmayı sağlayan maddelerin genel adı olarak kullanılmış, daha sonra -az eki bir molekülün enzim etkisini belirten bir soneke dönüşmüştür. Bu nedenle, malttan elde edilen diyastaza, nişastayı parçalayan bir enzim olduğu için amilaz adı verilmiştir.

Daha çok kimya alanındaki çalışmalarıyla tanınan Jöns Jacob Berzelius, 1835’ten sonra kataliz süreçleriyle ilgili çalışmalar yapmış ve mayalanmanın kataliz sonucunda gerçekleştiğini ortaya çıkarmıştır. Ondan sonra yapılan araştırmalar sayesinde de yeni diyastazlar tanımlanmıştır: pepsin (1836’da, Schwann), emülsin (1837’de, Wöhler ve Liebig), pankreastaki lipaz (1840’ta Claude Bernard), mayadaki invertaz (1860’da Berthelot) ve pankreastaki tripsin (1877’de, Kühne) tarafından bulunmuştur.

Gabriel Bertrand, 1894’te, bilinen fermentlerden farklı özellikler gösteren lakkaz enzimini yalın olarak elde etmeyi başardı. Diğer fermentler hidroliz etkisi (bir molekülün suyla ayrışma tepkimesi) gösterdiği halde bu enzim yükseltgennıe (oksidasyon) etkisi göstermektedir. Bu sırada, mikrobiyoloji alanındaki çalışmalarını ilerleten louis Pasteur, mayalanmanın bazı mikroorganizmaların (maya mantarları) etkisiyle gerçekleştiğini ortaya koydu. Böylece «çözünebilir ferment» kavramının karşısına «şekilli fer-
ment» (gözle görülebilen ve belirli bir şekle sahip olan fenr,;’ ler) kavramı çıktı. Edouard Buchner, 1897’de, şekilli ferment.:-çözünebilir fermentler içerdiğim ve etkilerini bunlar aracılıgı oluşturduklarını göstererek bu soruna çözüm getirdi. Bira mî smda elde ettiği ve zimaz adını verdiği madde, in vitro koşulla: mayaların bütün mayalanma özelliklerini taşıyordu. Buchr.e: * önemli çalışmasıyla 1907’de kimya alanında Nobel ödülüne ’î görüldü. «Enzim» terimi (Yunanca en, «içinde» ve dzume «mi; ; kelimelerinden türetilerek), 1878’de, Kühne tarafından om atıldı.

Enzimoloji (enzimbilim), XX. yy’m başından beri, özellikle s • zimlerin protein yapısıyla ilgili büyük bir gelişim gösterdi, i’ zimlerin protein yapısında olduğu, James B. Sumner’m 1926 –ilk olarak bir enzimi (üreaz) saflaştırması ve kristalleştirmesi; kesinlik kazandı. Bu tarihten itibaren, ribonükleaz gibi yapış: ■ : sin olarak bilinen yüzlerce enzim tanımlandı. Bugün enziır_ı’ bütün canlı organizmalar tarafından üretilen ve her biri yalnız r: lirli bir biyokimyasal tepkimeye özgü olan çözünür kataliz: maddeler olarak tanımlanmaktadır.

Enzimlerin yapısı

Bütün enzimler protin yapısına sahiptir ve hepsi bir veya t.: den çok zincir oluşturacak şekilde bir araya gelmiş aminoasi: -zilerinden meydana gelir. Aminoasitlerin dizilişi genetik ola:; belirlenir ve aminoasitlerin birbirlerine bağlanması hücrede bii_. nan ribozomlar aracılığıyla gerçekleştirilir. Yapılarına göre enzimler iki gruba ayrılır: salt protinlerden oluşanlar (homojen enzrr ler) ve protein yapısında olmayan en az bir molekül taşıyar_ı: (heterojen enzimler). Heterojen enzimlerde protein yapısınds-bölüme apoenzim, protein yapısında olmayan bölümeyse koenz adı verilir.

Koenzimin niteliği, bağlı bulunduğu enzimin türüne göre de£-şiklik gösterir. Peroksidaz, katalaz veya sitokromlar gibi bazı en zimlerde, hemoglobinin hem grubuna (dört pirolden oluşan ‘ ; metal iyonlarıyla birleşmiş çekirdek) benzer yapıda bir koenz^r. bulunur. Aralarında tirozin hidoksilaz, arjinaz ve karbonik anfcc. razın da bulunduğu diğer enzimler yalnızca bir metal iyonu”: (çinko, bakır, kobalt, magnezyum veya molibden) bağlanmıştır Bazı koenzimlerse suda eriyen vitaminlerin türevidir: B6 vitamini transaminaza, PP ve B2 vitaminleri dehidrojenazlara, H vitan^-ni (biyotin) de bir karboksilaza bağlı bulunur.

Koenzimler, enzimin kendi alttepkimiyle (kataliz sırasında değişime uğrayan madde) giriştiği tepkimeye doğrudan doğruya katılır. Enzimin protein yapısındaki bölümüyse alttepkinin bağlanmasında ve tepkimenin özgüllüğünde rol oynar. Apoenzim ve koenzim çok güçlü bir bağ kurmuşsa, birbirlerinden ayrılmalar, için enzimin yapısının bozulması gerekir. Bazı hallerde ise ikisin, ayırmak için basit bir diyaliz yeterli olur.

1964’de kabul edilen resmî sınıflamaya göre enzimler, katalizledikleri tepkimelerin türüne göre altı gruba ayrılır. Bu sınıflandırmada her enzime bir numara verilmiştir: birinci rakam onun cahil olduğu grubu, ikinci rakam onun altsınıfını gösterir ve bu dördüncüye kadar bu şekilde devam eder. İlk grupta (ECI) yükselt-genme-indirgenme tepkimelerini katalizleyen oksidoredüktazLz* (hidroksilazlar, dehidrojenazlar, vb) yer alır, ikinci grupta (EC2 bulunan transferazlar, bir alttep kenden bir kök ayırarak diğer bir alttepkene taşır. Bu gruptaki transmetilazlar metil köklerini, tran-saminazlar ise azotlu grupları bir molekülden diğerine aktarır. Üçüncü grubu (EC3) oluşturan hidrolazlar, bir molekül su bağlanmasıyla bir kimyasal bağın yıkıldığı hidroliz tepkimelerini katalizler. Proteinleri parçalayan proteazlar ve gliseritleri ayrıştıran li-pazlar bu grup içinde ele alınır. Dördüncü grupta (EC4) yer alan liyazlar, bir karbon atomuyla diğer bir atom (karbon, azot veya oksijen) arasındaki bağı kırarak ikili bir bağ oluşturur. Dekarbok-silazlar bu gruptandır. Beşinci grubu (EC5) oluşturan izomerazlar, hücre içi molekül yapısının yeniden düzenlenmesini (izomerleşme) sağlar. Bu grupta rasemazlar, mütazlar, epimerazlar bulunur. Altıncı ve son grupsa (EC6) ligazlan (sentetazlar) içerir. Bu enzimler bir karbon atomuyla diğer bir atom arasında (oksijen, kükürt, azot veya karbon) bağ kurarak, iki molekülün birleşmesini sağlar.

Enzimlerin etki mekanizması

Bir katalizör gibi işlev gören enzimler, biyokimyasal tepkimeler sırasında ve tepkime sonrasında yapısal bir değişime uğramazlar. Genellikle küçük miktarlarda bulunurlar, ama etki yetenekleri çok yüksektir: bir tek enzim molekülü, bir dakika içinde milyonlarca alttepken molekülünü değişime uğratabilir. Mesela, katalaz enziminin varlığı, oksijenli suyun ayrışmasını yüz milyon kez hızlandırır.,üF ‘ l*»’

Enzimler genellikle kimyasal tepkimelerin özelliklerini ve tepkime sonunda alttepkenler arasında oluşan dengeyi değiştirmez, yalnızca olayın hızını arttırarak etki gösterirler. Parçalanma tepkimeleri dışında hücre içinde gerçekleşen tepkimelerin çoğu tersinebilir ve enzimler bu tersinmeyi etkilemezler. Bununla biriik-;e karmaşık bir enzim tepkimesi zinciri bulunduğunda, tepkime-_er sonunda dengenin korunamadığı olur. Bu durumda enzimlerden biri diğerlerinden daha yüksek etkinliğe sahipse nicel değişimler ortaya çıkabilir.

Enerji salıverilmesiyle sonuçlanan kimyasal tepkimelerin çoğunda başlangıçta bir miktar enerjiye (etkinleştirme enerjisi) ihtiyaç vardır. Enzimlerin varlığı gerekli enerji miktarını azaltır; crotein hidrolizi için gereken etkinleştirme enerjisi kloridrik asit varsa 20 kcal, tripsin varsa ancak 12 kcal’dir. Aynı şekilde bir tepkimenin tersinin olabilmesi için, enerji veren bir tepkimeyle eşlenmesi gerekir.

Enzimle kalizleme mekanizması hem ilgili alttepken(ler)e, hem de gerçekleşen kimyasal tepkimeye özgüdür. Emil Ficher’in artık klasikleşen «anahtar-kilit» varsayımıyla ifade edilen bu özgüllük, etkin alanın biçimine göre belirlenir. Bu alan tepkimenin fiziksel ve kimyasal süreçlerinin gerçekleştiği yerdir. Söz konusu bölgeye yalnızca alttepken veya yapısal olarak ona çok benzeyen moleküller bağlanarak enzimin etkisine maruz kalabilir. Alttepken bu alana bağlandığında enzimin yapısının daha istikrarlı olduğu gösterilmiştir.

Koenzimi bulunan enzimlerde etkin alanı koenzim oluşturur. Yalnızca protein içeren enzimlerde ise, zincirin belirli bölgelerinde yerleşmiş özel aminoasitler, alttepkenın bağlama görevini üst-.enmiştir. Bu aminoasitlerden birini bozan bir mutasyon, genellikle enzimin yeterli işlev görmesini engeller.

Enzim etkinliğinin düzenlenmesi

Normal etkinlik gösteren bir enzim, alttepkenine bağlanarak cnu farklı bir ürüne dönüştürür. Sonra o ürünü salıvererek başlangıçtaki yapısını yeniden kazanır. Bu zincirin gerçekleşme hızı, tepkime sırasındaki nicel değişimlerden etkilenir: ürünün yoğunluğu artarken alttepkenin yoğunluğu azalır, enzimin yoğunluğu ise değişmez. Bu değişimlerin zamana göre değerlendirilmesi so-
Bir enzimin yapısı. Kendi üzerine katlanmış uzun bir aminoasit zinciri (A), enzime üç boyutlu karmaşık bir yapı kazandınr. Her enzim, etkin alanlan aracılığıyla belirli bir alttepkene (B) bağlanabilir. Bu bağlanma kataliz tepkimesi için gereklidir.
nucunda tepkimenin hızı belirlenebilir.

Enzim molekülünün birim zamanda dönüştürdüğü alttepken molekülü sayısına göre, enzimin moleküler etkinliği belirlenebilir. Bunun için çoğu zaman kullanılan enzim birimi ölçüsü, uygun koşullarda bir dakikada bir mikromol alttepkeni dönüştürebilen enzim miktarıdır. Bu ölçümün yararı, hesap yaparken enzimin moleküler ağırlığını bilmeyi gerektirmemesidir.

Enzim etkisinin kinetiği, ilgili enzimin tepkimelerini, özelliklerini ve etki şekillerini analiz etmeyi sağlar. Birim zaman içinde dönüştürülen alttepken miktarı sabitse tepkime düzeyi 0, oluşan alttepken miktarıyla orantılıysa l’dir. Çok daha karmaşık bir kinetiğe sahip olan daha yüksek düzeyli tepkimeler de bulunmaktadır.

1905’te Victor Henri, ardından 1913’te Michealis ve Menten, alttepken yoğunluğunun enzim tepkimesinin hızı üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Buna göre yoğunluk arttıkça hız önce düzenli olarak artar, sonra bir birteviyelik düzeyine erişerek sabit kalır. Bu düzey maksimum dönüşüm hızına tekabül eder. Bir enzim tepkimesinde, maksimum tepkime hızının yarısını sağlayan alttepken yoğunluğu «Michaelis değişmezi» olarak tanımlanır. Bu değer, enzimin etkinlik derecesi arttıkça azalır ve enzimin alttepkene ilgisini tahmin etmeyi sağlar. Bu değer, peroksidazlar gibi yüksek etkinlik gösteren enzimlerde 10-6 mol/1, proteazlar gibi daha düşük etkinlikteki enzimlerde ise 10-2 mol/1 kadardır.

pH (asit-baz dengesi) ve sıcaklık enzim tepkimesinin hızım etkileyen fiziksel ve kimyasal etkenler arasında yer alır. Sıcaklığın yükselmesi genellikle moleküllerin hareketlerini artırarak tepkime hızının yükselmesine neden olur. Ama bu iki etkenin ortak noktası, aşırı değerlere yükseldiklerinde enzimlerin yapısını bozarak etkinliklerini tehlikeye sokmalarıdır. Her enzim-alttepken çifti için, en yüksek verimi sağalayacak en uygun sıcaklık ve pH değerleri bulunmaktadır: pepsinin pH’si 1,5 – 2,5 iken, karaciğerde bulunan arginazınki 8-9 arasında değişir; lakaz 100 °C’de 15 dakika dayanabilir, ribonükleaz 60 °C’de etkinlik gösterir.

Enzim etkinliğini değiştirebilme yeteneğine sahip bütün kimyasal bileşiklere «enzim etkinleştiricisi» adı verilir. Bunlar tu-tuklayıcı veya etkinleştirici nitelikte olabilir. Koenzimlerden başka metal katyonları da ATP’ye (adenozin trifosfat) bağlanarak kinazları etkinleştiren magnezyum (Mg2+) gibi etkinleştirici nitelik taşır.

Rakip tutuklayıctlar alttepkene çok benzeyen maddeler olduklarından etkin alanda onun yerini alırlar. Enzimin etkisiyle dönüş-türülmedikleri için de enzimin etkinliği durdurulmuş, tutuklanmış olur. Bu durumda enzimin Michaelis değişmezi yükselir, ama maksimum hızda yükselme olmaz. Rakipsiz tutuklayıctlar tersinmez bir şekilde enzime tutunurlar, ama enzimin etkin alanından farklı bir yere bağlanırlar. Bu durumda enzimin alttepkene olan ilgisi değişmez, ama tepkimenin maksimum hızı azalır.

Son olarak bazı etkinleştirici maddeler, aüosterik enzimler üzerinde etki gösterir. Bu tür enzimler aynı anda biri düşük, diğeri yüksek etkinlik gösteren iki ayrı şekilde bulunur. Alttepken veya etkinleştirici moleküller katalitik adı verilen etkin şeklin ortaya çıkışını hızlandırarak dengeyi bozarlar. Allosterik tutuklayıcılar ise
□
koenzim
□
alttepken
Enzim tepkimesinin hin. Se ~ z ~

alttepken (Km) yoğunluğa -maddesinin oluşumuna,; zşsr tepkimenin hızındaki a’iş . ’F enzimin miktanyla orant:e r t~z ~ miktan iki katına çıktığınsa :s::■ hızı da paralel olarak ık>
Bir tepkimenin katalizlenmesi

Bazı tepkimelerin katalız.e^ss : ~ bir enzimle bir koenzimm £„ – —z= gerekir, ilk aşamada (Al erz ~.z koenzim alttepkene bağia’’’ ~ez- ~z (B), yeni bir ürünün fCı s ^ş~=£ £ sona erer. Koenzimine bağ z, enzim, aynı türdenyemiraz:zz-;~z bağlanacak duruma gek E’z~ olmadığı zaman (D), teni zz ” düşük bir hızda gerçekleş • e~z~ ~ varlığı, gereken enerji r*S’~ azalttığından tepkime/: l’zz’z~’tam tersine etkisiz şekli baskın hale geçirir. Enzim etkinliğinin bu düzenlenme şekli, hücre metabolizmasının temel mekanizmalarından biridir.
glikoliz piruvik asit (C3)
Hiiere solunumu. Besin maddeleri, sindirimden sonra parçalanarak enerji verici maddelere dönüşür. Bu süreç birbirini izleyen birçok tepkimeden oluşur: hücre sitoplazmasında glikoliz, mitokondrilerde ise solunumsal yükseltgenme tepkimeleri (Krebs çevrimi ve yükseltgen fosforilleme) gerçekleşir.
METABOLİZMA

Canlı organizmaların hücrelerinde gerçekleşen kimyasal dönüşümlerin tümüne metabolizma adı verilir. Bu hücrelerde, düzenli olarak yenilenmesi gereken pekçok karmaşık yapı bulunur. Yeni moleküllerin sentezlendiği bu sürece anabolizma denir. İşlevini kaybederek kullanılamaz hale gelen yapılar ya yeniden kullanılabilecek daha küçük moleküllere parçalanır veya organizmadan dışarı atılır. Katabolizma adı verilen bu ikinci süreç sayesinde hücre, özel bileşimler şeklinde depoladığı enerjiyi geri alır. Enerji yedekleri daha sonra kas kasılması, sinir akışı üretimi ve gerektiğinde yeni moleküllerin sentezlenmesi gibi işlevlerde kullanılır. Sürekli ve birbirine bağımlı nitelik taşıyan anabolizma ve katabolizma süreçleri için genellikle enzimlerin varlığına ihtiyaç vardır.

Biyoenerjetik

Organizmadaki her hücre sürekli bir enerji katkısana gereksinim duyar ve bu enerjiyi dengenin korunması, onarım, kullanılamaz hale gelen yapıların yenilenmesi için kullanılır. Büyüme ve bölünme gibi hücresel etkinliklerin gerektiği gibi yürütülmesi de enerjiye bağlıdır.

Kendiliğinden tepkimeler. Hücrelerin gereksindiği enerji kimyasal tepkimelerden sağlanır. Tepkimeye katılan maddelerin başlangıçtaki enerji düzeyi, tepkime sonunda oluşan maddelerin-kinden yüksekse, kimyasal tepkime kendiliğinden başlayabilir. Bu olay bir tepeye bırakılan topun kendi kendine aşağıya kadar yuvarlanmasına ve daha sonra ancak yeniden itildiği takdirde tepeye çıkabilmesine benzetilebilir. Topun yeniden tepeye çıkabilmesi gerekli enerjinin sağlanmasına bağlıdır.

Başlangıçtaki ve sondaki enerji düzeyleri arasındaki fark, sıcaklık veya iş şeklinde ortama verilen enerjiye eşittir. Kimyasal tepkimenin verimi ne olursa olsun, tepkime sırasında açığa çıkan enerjinin yalnızca belirli bir bölümü etkin olarak iş üretiminde kullanılabilir.

İkili tepkimeler. Çıkışlı tepkimeler sonucunda, enerji düzeyi başlangıçtaki maddelerinkinden daha yüksek olan ürünler oluşur. Bu tür tepkimeler dışarıdan enerji katkısı gerektirir. Hücrede bu enerji daha önce sentezlenen yüksek enerji düzeyine sahip bir bileşiğin parçalanmasından elde edilir. Böyle bileşiklerin parçalanması sonucunda «inişli» tepkime için gereken enerjiden daha fazla miktarda enerji sağlar. Bu amaçla en sık kullanılan bileşik ATP’dir. İstenen maddelerin sentezlenmesi ve ATP’nin parçalan-
Krebs çevrimi, veya diğer adıyla sitrik asit çevrimi, hücresel metabolizma için «kavşak» noktası niteliğindedir. Krebs çevrimi sırasında oluşan 27 molekül ATP’ye karşılıkglikolizle 8, pirüvikasitin asetiikoenzim A’ya dönüşümü sırasında da 3 ATP molekülü oluşur.

ması birbiriyle çok sıkı bir ilişki içindedir. Öyle ki toplam 1 me, enerji açısından gerçekleşebilen «inişli» bir tepkime n kazanır. Bu birleşme çeşidi mekanizmalar sayesinde ortaya bilir: A ve B maddelerinin, C ve D ürünlerini oluşturmak içi: kimeye girdiğini varsayalım; bu ürünlerin enerji düzeyi A maddelerinden daha yüksekse tepkime kendiliğinden ba: maz. Ancak D ürünü, daha düşük bir enerji düzeyinde (yan diliğinden tepkimeyle) E maddesiyle tepkimeye girip F ve G delerim oluşturma yeteneğine sahipse, ikinci tepkimede ür enerji miktarı, birincinin enerji gereksiniminden daha yük: Buna göre bu ikili tepkime kolaylıkla gerçekleştirilebilir.

Herhangi bir biyokimyasal sistem, doğal olarak daha düş-enerji düzeyine doğru gelişir. Bu kavram genelleştirilebilir v modinamik yasalarında da belirtildiği gibi bütün sistemlere ı lanabilir.

Solunum zinciri. Metabolizmanın bazı kimyasal tepki ri, çok yüksek enerji düzeyine sahip hidrojenli bileşiklerin masını sağlar. Krebs çevriminde yer alan dekarboksilasyon’ hidrojenasyon tepkimeleriyle glikoliz veya (3-oksidasyon b ruma örnek verilebilir. Hidrojen taşıyan bileşiklerin başında tinamid adenin dinükleotid (NAD veya hidrojenize şe NADH2) ve Havin adenin dinükleotiddir (FAD veya hidroj şekliyle FADH2). Bu moleküller «solunum zinciri» adı verili yükseltgenme sistemi içine girerek çok büyük miktarda açığa çıkmasını sağlarlar.

Bir hücre organiti olan mitokondrilerin iç zarının üzerin bünyesinde, yüksetgenme-indirgenme tepkimelerini hız artarda gerçekleştirme yeteneğine sahip büyük moleküller nur. Hidrojen taşıyan her NAD molekülünden, iki elektron proton açığa çıkar. Sistem, elektronların birbirini izleyen tep. ler boyunca aktarılmasına dayanır. Protonlar da ilk bileşikler raber (riboflavin vitamini, demirli ve kükürtlü bileşikler ve zim Q adı verilen bir kinon) mitokondrinin kalıbında taşım ha sonra elektronlar bir dizi sitokromdan (yapısal olarak he lobine çok benzeyen moleküller) geçer ve sonuncu sitokrom tronlar, protonlar ve organizmanın soluduğu havanın oksi kullanarak su molekülleri sentezler. Bu sitokromlar elektrc gittikçe artan bir ilgi gösterdiğinden birbirini izleyen tepki inişli niteliktedir ve sonuçta çok büyük bir enerji açığa çık

Yükseltgen fosforilleme olayları. Solunum zinciri bo; üretilen enerji, adenozin difosfat (ADP) ile organik olmay; fosfat molekülü (P) arasında kimyasal bir bağ oluşturmak içi lanılır; bu birleşme sonucunda da ATP molekülü meydana Sonuçta oksijene bağlanacak bir elektron çiftinin taşıma sis nin bir ucundan diğrine aktarılması sırasında, üç ATP mole nün oluşumuna yetecek enerji sağlanabilmektedir. İşlevlerin münü sağlayabilme yeteneğine sahip hücrelerde elektronla! şınması büyük oranda yükseltgen fosforillemeye bağın ENZİMLER VE METABOLİZMA
\DP veya oksijen yetersizliğine bağlı olarak ATP sentezinin en-llendiği durumlarda elektron taşınması da gerçekleştirilemez, ntezlenen ATP, hücre içinde enerji gerektiren tepkimelerde kul-ulmaktadır.

Omurgalılarda iskelet kasları ve beyin gibi bazı dokular, ek lerji depolama yeteneğine sahiptir. ATP yedekleri bu deponun sü-kliliğini sağlar ve enerji, kreatin kullanılarak yüksek enerji düzeyi-: sahip diğer bir bileşiğin oluşturulmasında kullanılır. Bu bileşiğe eatin fosfat (fos fagen) adı verilir. ATP gereksinimi ortaya çıktığın-i kreatin fosfatın fosfat grubu hızla ADP’ye aktarılır ve böylece ge-kli ATP molekülleri oluşturulabilir. Omurgasızlardaysa ise bu naçla kreatin fosfat yerine fosfaorginin molekülü kullanılır.

Genel metabolizma

Hücredeki temel enerji kaynağı, besinlerde bulunan hidrojenin Dİunumla alman oksijenle yükseltgenmesine dayanır. Bu tepki-ıenin sonucunda su oluşur. Hans Adolphe Krebs tarafından ta-ımlanan Krebs çevrimi, hidrojen moleküllerinin birincil kayna-ım oluşturmaktadır.

Krebs çevrimi. Krebs çevrimi sitrik asit çevrim olarak da bililir. Hücre içinde bu çevrime katılan bütün maddeler, sitoplazma-la yer alan mitokondrilerde bulunur. Bakteri hücrelerindeyse bu naddeler hücre içine dağılmış durumdadır.

Çevrime katılan dokuz bileşenden her biri bir sonraki bileşenin ıluşumuna katılır ve böylece tekrar başlangıçtaki bileşik elde edi-ebilir (biyokimyasal çevrim). Son bileşen oksalasetattır. Dört karbon atomu taşıyan bu molekül, hücre sitoplazmasındaki glikoliz .epkimesinden açığa çıkan asetilkoenzim A’rnn iki karbonlu ase-i\ grubuyla birleşerek, çevrimin ilk bileşeni olan altı karbonlu sitrik asidi verir. Her çevrimin sonunda, bir sonraki çevrimi başlatmaya hazır yeni bir oksalasetat molekülü oluşur. Krebs çevriminde yer alan tepkimelerin her biri özgün bir enzim tarafından katalizlenir. Her yeni «tur»da altı karbon atomu taşıyan bileşenlerden dört karbonlu bileşenler meydana gelir. Bu olaylar sırasında açığa çıkan çok sayıda hidrojen atomu, bir vitamin türevi olan NAD’ye aktarılır ve iki karbon atomu da karbon dioksit şeklinde solukla dışarı atılır. Krebs çevrimine katılan ara maddelerin bir bölümü glikozdan, bir bölümü de aminoasitlerden meydana gelir. Krebs çevrimini sürekli olarak beslemesi gereken asetil grupları vağ asitlerinden veya glikozdan elde edilir. Proteinler, glüsitler ve yağlar bu şekilde, dolaylı olarak yüksek enerjili moleküllerin üretildiği tepkimelere katılmaktadır. Pekçok metabolizma tepkimesine katılan bu ara metabolitlerin uygun yoğunlukları, hücre tarafından kolayca korunabilmektedir.

Glikoliz ve pentoz çevrimi. Glikozun pirüvik aside dönüşmesini sağlayan tepkimelere glikoliz veya anaerobik yol (anaerop
terimi tepkimelerin oksijensiz ortamda gerçekleştiğini belirtir) yahut Embden Meyerhof yolu adı verilir. Krebs çevrimi ATP oluşumu açısından glikolize göre daha etkindir: hücresel solunumla bir molekül glikozdan elde edilen 38 molekül ATP’nin 27’si Krebs çevriminden, 8’iyse glikolizden sağlanmaktadır.

Glikoz gibi altı karbon atomu içeren heksozlar (basit şekerler), pentoz çevrimine girerek kısmen parçalanabilirler. Ribozlar gibi glüsit metabolizmasında rol oynayan beş karbonlu şekerlere pentoz adı verilmektedir. Bu çevrim sayesinde, hücrenin nükleik asit metabolizması sırasında gereksinim duyduğu beş karbonlu ozla-rın (şekerlerin) üretilmesi ve parçalanması mümkün olmaktadır.

Lipitler. Lipiderin başlıca bileşeni olan yağ asideri, p-oksidas-yon adı verilen bir süreç sayesinde parçalanırlar. Yağları meydana getiren karbonlu uzun zincirler, Krebs çevriminde tamamen parçalanmadan önce bu yolla iki karbonlu moleküllere ayrılmaktadır.

İki karbonlu küçük halkalardan oluşan zincirlerin sentezlen-mesiyse parçalanma olayının tamamen tersi şeklindedir. Bu iki olay arasındaki en büyük fark, sentezin mitokondri içinde yağ asitlerine özgü bazı enzimler aracılığıyla (Lynen sarmalı enzimleri), yıkımınsa hücre sitoplazmasında gerçekleşmesidir.

Polimerleşme. Polimerleşme, belirli bir sıraya göre dizilmiş aminoasitlerden protein sentezlenmesine dayanır. Aminoasit sentezine öncülük eden moleküllerin büyük bir bölümü Krebs çevrimi ve glikolizin ara maddeleridir. Hücre tarafından sntezle-nemeyen «onsuz olmaz» aminoasitler ise besin maddeleriyle vücuda alınır. Aminoasitlerin yıkımı daima bir aminsizleşme süreciyle başlar (üre çevriminde olduğu gibi). Yıkım sonucunda açığa çıkan ürünler, bazı çevrimlerde ara madde işlevi görür.

Polimerleşmenin diğer bir şekli de mononükleotidlerden (fosforik aside birbirine bağlanmış bir baz ve bir pentozdan oluşan moleküller) yararlanılarak DNA ve RNA sentezlenmesidir. Polimerleşmenin gerçekleşebilmesi için ATP veya guanozin trifosfat (GTP) gibi ATP’nin türevi niteliğindeki diğer yüksek enerjili bileşiklere ihtiyaç vardır.

Anaerobik tepkimeler. Bütün hücreler oksijen yokluğunda ATP sentezleme yeteneğine sahiptir. Genellikle hücrenin temel şeker kaynağım oluşturan glikoz yıkılarak pirüvik asite ayrılır, pirüvik asitten doğan laktik asit de hücre tarafından ortadan kaldırılır. Şekeri alıp laktik aside dönüştüren süt bakterileri de, ihtiyaç duydukları ATP’yi bu metabolik süreç sayesinde elde ederler. Daha sonra bakteri hücresinden atılan laktik asit süte ekşi bir tat verir. Aynı şekilde hayvanlarda da kas etkinliği çok kısa bir süre oksijensiz olarak sürdürülebilir ve oluşan laktik asit kana karışır. Oksijensizliğin uzun sürmesi halinde asitlik metabolizma etkinliklerini engeller ve kas hücresi ölür.
Bir mitokondri. Geçşa e =<•” mikroskobu, hücre eısz~zır – -mükemmel bir şeklide. s s—fî ~f imkân verir. Suniboi’a”‘3J^ı~ f sayesinde, hücrenin (ar* jzz srır edilebilir. Yandaki foioğ^s mitokondrinin iç ve ttş arss yer alan zarlar arası bnş:L< ■—r çizgi), iç zar ve oiuşlu’Hjğ- ssysr kıvrımlarla (pembe/ te’.oısrz-ı yapısı (yeşil ve sanı çûr«. * 5. yapı içinde DNA liflen t i

protein kristalleri ve is~e: <sr bulunur.

BİTKİLERDE METABOLİZMA

Muhtaç oldukları besinleri ve enerjiyi yedikleri maddelerden sağlayan hayvanlardan farklı olarak bitkiler, biyosentezleri için gerekli bileşikleri, havanın karbondioksidinden yararlanarak kendileri yaparlar. Suyu, mineral tuzları, azot ve fosforu ise topraktan alırlar.

Enerji ve sentezleme etkinliği

Fotosentez adı verilen süreç sırasında ışık enerjisi, yapraklardaki hücrelerde yer alan ve krolofil içeren kloroplastlar tarafından soğrulur. Hücresel bileşiklerin üretiminde kullanılan temel yapıtaşı olan şeker, kloroplastlarda su, karbon dioksit ve güneş enerjisinden yararlanarak sentezlenir. Bitki metabolizması için gereken enerji şekerin katabolizması sonucunda elde edilir.

Bazı bakteriler, protozoalar ve mavi suyosunlan da fotosentez yeteneğine sahiptir. Organik besinlerini kimyasal, sentez yoluyla yapan bazı bakterilerse bulundukları ortamdan sağladıkları su, karbondioksit, nitrat ve amonyağı kullanırlar. Bu bakteriler ışık enerjisini soğuramaz, ama demir veya kükürt gibi basit maddeleri yükseltgeyerek enerji sağlarlar.

Biyokimyasal etkinlik

Bitkilerdeki azot genellikle köklerle emilen nitradardan gelir. Protein sentezi sırasında azotun kullanılabilmesi için, nitratların amonyağa dönüştürülmesi gereklidir. Bu dönüşüm, solunumun yükseltgenme süreçleri tarafından başlatılan tepkimelere dayanmaktadır.

Bitkisel bileşiklerin hemen hemen hepsi, fotosentez sayesinde üretilen glikozun türevleridir. Bitkinin yapısında yer alan temel maddeler şeker türevleri ve bunların oluşturdukları bileşiklerdir: polisakaritler (sellüloz), selüloz dışı polisakaritler (ksilan, mannan), «hemiselüloz», pektinler veya odunsu bitkilerdeki odunözü.

Enerji depolan

Bitkilerin bir bölümü şekerleri sakaroz şeklinde, daha büyük
Kloroplast. Bitki hücresine özgü bir organit olan kioroplast (aşağıda geçişli elektron mikroskobunda büyütülmüş olarak görülüyor) zarlar aracılığıyla birleşmiş (yeşil çizgiler) ve birbiri üzerine yığılmış tilakoit keseciklerinden (yeşil) oluşur. Fotosentez için gerekli klorofilleri ve enzimleri içeren bu yapılann arasında, şeker deposu işlevi gören nişasta tanecikleri (siyah) bulunmaktadır.
Kamamber peynirinin mayalanması. Bu amaçla, kuzu veya buzağı şirdeninden elde edilen bir enzim, peynir mayası olarak süte katılmaktadır.
ENZİMLER VE SANAYİ

Enzimlerin sanayi alanında kullanımı keşfedilmelerinden çok daha rr-çelere dayanır. Bunun en güzel örneği, binlerce yıldan beri kullanılır maylanmış içkilerdir. Mayalardaki enzimlerin en eski kullanım alar_=-rından bir diğeri de ekmek yapımıdır.

Enzimler, özellikle, şarap ve meyve sulannın işlenmesi amacıyla e ■ da sanayiinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Süt sanayiinde bur..: yoğurt ve peynir türleri, özel enzimlerle üretilmektedir. Peynirlerin;; -şitliliğı, kullanılan mikroorganizmaların ve bunların içerdiği mayala—i enzimlerinin çeşitliliğiyle ilişkilidir.

Tekstil sanayiinde en çok kullanılan enzim amilazdır. Diğer erglerden de büyük oranda dokuma işlemlerinde yararlanılmaktadır yapıştırma, çözme veya apreleme). Doğal ham ipek, malt veya bakt;.-proteazlarıyla işlenir. Deri sanayiinde proteazlar, derinin kollajen e elastik yapısını koruyarak, keratini ve elastini gidermeye yarar.

Tıp ve eczacılık alanlarında da enzimlerden yararlanılmaktadır. Enzim miktarının ölçülmesi değerli bir tanı kriteridir, ilaç olarak kullanılan bazı enzimler de vardır. Tripsin, cerrahide ölü dokuları temizleme;; trombaz, pıhtılaşma bozukluklarını gidermek için kullanılır. Bazı ilaçların tedavi edici etkileri de, enzimler üzerindeki etkilerine bağlıdır.
bir çoğunluğu ise nişasta halinde depolar. Büyük bir molekül oiar. nişasta, sakaroza göre az çözünür, ama daha dayanıklıdır. Nişasta, filizlenme sırasında besin maddesi olarak kullanılmak üzer; bazı tohum türlerinde, sürgünlerin gelişmesi için gerekli enerjine kaynağı olarak genç dallarda veya büyüyecek yeni bitkiyi beslemek için yumru ve köklerde depolanmaktadır.

Nişasta, hayvanlarda glikojen oluşumunu sağlayan tepkimelere benzeyen bir dizi tepkime sonucunda meydana gelir. Glikcz gereksinimi belirli bir eşik değerine ulaştığı zaman, bitkide depolanan nişastanın yeniden glikoza dönüşmesini sağlayan bir süre; başlar ve açığa çıkan glikoz, solunumla katabolize edilir. Aynı şekilde yağlar da yedek besin maddesi olarak depolanır. Yağ en yoğun olarak meyve ve tohumlarda bulunduğundan, beslenmede kullanılan bitkisel yağlar mısırdan, pamuk tohumundan, hindis-tancevizinden veya soya cücüklerinden elde edilir.

HAYVANLARDA METABOLİZMA

Hayvanlarda metabolizma, sindirim yoluyla emilen besin maddelerinin kullanımına, katabolizmayla enerji verici maddelere parçalanmasına ve vücut bileşenlerine dönüştürülmelerine dayanır. Metabolizma, vücudu oluşturan hücre ve moleküllerin yaşam süreleriyle bağlantılı olan sürekli bir yenilenme sürecidir. Böylelikle dokuların kendine özgü yapısının korunması sağlanır Herhangi bir hücresel bileşenin miktarındaki değişime bağlı olmayan bu kesintisiz süreç «dinamik durağanlık» adıyla bilinir.İnsanda besin maddelerinin sindirilirken izlediği yol. Tükürük içinde bulunan amilaz enzimi, karbonhidratları disakaritlere parçalar. Aynı şekilde, proteinlerde, midedeki pepsin ve klohidrik asit yardımıyla parçalanır. Sindirim ürünleri (şekerler, yağ asitleri ve aminoasitler), bağırsağa geldiklerinde aynlarak kan veya lenf damarlarına geçerler. Yağ asitlerinin fazlası yağ dokusunda depolanır

Metabolizma için gerekli yapısal maddeler, besinlerdeki kar-Donhidratların sindiriminden elde edilen glikoz, besinsel proteinlerden sağlanan aminoasitler, yağların türevi olan giiserol ve yağ asitleridir. Hücrelerin büyük bir bölümünde yemeklerden hemen sonra mevcut glikoz depoları kullanılırsa da, yemekten birkaç saat sonra birincil enerji kaynağı olarak yağlardan yararlanılır. Açlığın uzaması halindeyse, vücut dokularındaki protein depolan tüketilmeye başlar.

Metabolizmanın düzenlenmesi

Hayvanlarda, yaşamsal işlevleri sağlayan hücresel metabolizma iki önemli özellik taşır: bütünsellik ve eşgüdüm. Eşgüdüm hücrelerarası alışverişler sayesinde gerçekleştirilir. Vücudun birbirinden uzak iki ayrı bölgesinde bulunan hücreler bile, çeşitli mekanizmalar sayesinde birbirleriyle iletişim kurabilmektedir.

Üstün yapılı hayvanların çoğunda bu iletişim, sinir sistemi ve haberci moleküller aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Haberci moleküllerin en iyi bilinenleri, içsalgı bezlerinden salgılanarak kanla bütün organizmaya dağılan hormonlardır. Her hormon, kendisine özgü alıcılar taşıyan hücrelerin metabolizması üzerinde etki gösterir. Hedef hücrenin bir başka içsalgı hücresi olduğu durumda, buradan, diğer hücreleri etkileyecek hormonlar salgılanır. Hormonal salgılar, vücudun birçok bölgesindeki metabolik değişimlerden sorumludur.

Yalnızca yerel etki gösteren bazı kimyasal maddeler, farklı bir haberci grubu oluşturur. Bu grupta yer alan prostaglandinler bütün vücutta bulunur, ancak yalnız salıverildikleri bölgedeki hücreler üzerinde etki gösterirler. Yerel habercilerin bir kısmı sinir dokusuna etki gösterir. Bazı kimyasal maddelerse yalnız salgılandıkları hücredeki enzimleri etkileyecek kadar sınırlı bir etkiye sahiptir.

Enerji depolan

Enerji gereksinimini karşılamak için hemen kullanılmayan besin maddelerinin fazlası, karbonhidrat ve trigliserit şeklinde depolanır. Karbonhidratlar glikojen halinde karaciğer ve iskelet kaslarında, trigliseritler ise yağ dokularında depolanır. Omurgalılarda, karbonhidratların fazlası hızla yağlara dönüştürülebilir. Ancak yağlardan tekrar karbon hidrat elde edilmesi mümkün değildir. Memelilerde glikozun yaklaşık yüzde 50’si, yükseltgenerek amamen karbon dioksit ve suyla parçalanır, yüzde 5’i glikojen yapımında kullanılır ve yüzde 30 – 40’ı da yağa dönüştürülür. Glikojen halinde depolanan karbonhidratlar, ancak birkaç saatlik enerji gereksinimini karşılayabilir. Oysa erişkin bir insanın yağ vedekleri, birkaç haftalık açlığa dayanmaya yeterlidir.

BAZAL METABOLİZMA

Besinlerin yakılması sırasında, oksijen (02) tüketilir ve karbon dioksit (CO,) açığa çıkar. Kullanılan oksijen miktarı, organizmanın harcadığı enerjinin, yani o organizmanın metabolizmasının hesaplanmasını sağlar. Bir canlının metabolizması zamana ve koşullara göre birtakım değişiklikler gösterir. Kas etkinliğinin yoğunluğu, beslenme şekli, sindirim, emzirme veya hamilelik gibi etkenler, metabolizmada bazı değişikliklere neden olur. Aynı zamanda metabolizma, günün değişik saatlerinde, yılın farklı dönemlerinde, kadında âdet çevrimi sırasında veya ruhsal duruma ■ öre de değişir. Bu durumda uzmanlar, dış etkenlerden bağımsız bir metabolizma tanımı üzerinde karara varabilmek için bazı kriterler belirlemişlerdir. Bu amaçla fizyolojik olarak en uygun koşullarda bulunan bir hayvanın metabolizması kriter olarak alınır, insanda, diğer memelilerde ve kuşlarda, minimum enerji sarfiyatıyla çalışan bu metabolizmaya «bazal metabolizma» adı verilir. Bazal metabolizma canlının, mutiak istirahat halinde, açlık durumunda ve ısı kaynaklı bütün fizikî streslerden uzak bir ortamdaki metabolizmasını ifade eder.

İnsanda bazal metabolizma, organizmanın mutlak istirahatte, en az 8 saatlik bir uykudan ve 12 saatlik açlıktan sonra, 30 dakika uzanarak dinlenmesi halinde ve 16,7 ve 30,6 °C’deki oda sı-
caklığında harcadığı oksijen miktarıyla ölçülür. Buna göre, bazal metabolizma, birim zamanda canlının yaşamını sürdürmesi için gereken en büyük enerji miktarı olarak tanımlanabilir. Bu enerji de solunum sırasındaki kas kasılmaları, kalp atımı, kas tonusunun korunması, hücrelerde sürekli olarak gelişen sentez etkinlikleri ve beynin elektriksel etkinliğinin korunması gibi işlevler için kullanılır.

«Bazal metabolizma» terimi, farklı özellikte bir metabolizmaya sahip olan soğukkanlı hayvanlar için geçerli değildir. Bu hayvanlarda vücut sıcaklığı ortamın sıcaklığına bağımlıdır ve metabolizma da vücut sıcaklığına göre değişiklikler gösterir. Bu hayvanlar için kullanılan «standart metabolizma» terimi, açlık döneminde ve belirli sıcaklık koşullarında bulunan canlının minimum metabolizmasını ifade eder. □
AYRICA BAKINIZ

– [Kfflig biyokimya

– ib.ansli fotosentez

> KM glüsitler, lipitler, protitler

– IB.MSLI hücre

– 1B.MŞU kataliz ve kır.et^c

– |b.msl[ kimya

– IB.ansii sindirim sistem;

– IB.ANSLI solunum

– İffla yaşam