enerjİ ve metabolİzma - abl.gtu.edu.trabl.gtu.edu.tr/hebe/abldrive/71167157/w/storage/... ·...

ENERJİ ve METABOLİZMA

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER


Yaşayan Sistemlerdeki Enerji Akışı

Hücre ve canlılar aslında küçük birer fabrika gibi çalışırlar. Enerji elde etmek ve depolamak için daha önceki

bölümlerde gördüğümüz gibi makro molekülleri (Protein, Karbohidrat vbg) kullanırlar. Bunları metabolize

ederek elde ettikleri enerjileri farklı şekillere çevirirler. Enerji değişimi çalışmalarına termodinamik adı verilir.

Enerji farklı şekillere dönüşebilir.

Enerji çalışma kapasitesidir. Potansiyel enerji depolanan enerji, kinetik enerji ise hareket enerjisidir.

Enerjinin dönüşebildiği şekillere (=formlara) bakarsak bunlar arasında; mekanik enerji, ısı enerjisi, ses enerjisi,

elektrik akımı, ışık veya radyoaktif enerjiyi de sayabiliriz. Isı için enerji ölçme birimi kilokalori olarak bilinir.

Hücre oluşturduğu enerjiyi ile farklı yakıtlar a, yani şekerlere ve proteinlere çevirebilir.

Bunlara en değişik örneklerden biri bioluminesans (bioluminescence) adını alır. Bu bir protein yapısıdır. Bu

proteini oluşturan canlılar karanlıkta parlarlama, ışıma yeteneği kazanırlar.

En kolay ve sıklıkla bu özelliği denizlerde görürüz. Bazı deniz canlıları (balıklar, bitkiler vbg) bu özelliğe

sahiptir ama en sık deniz yüzeyinde görülen bazı tek hücreli dinoflagellatlar bu özelliğe sahiptir . Nispeten daha

nadir olsa da bazı karasal formlarda da örneğin şekildeki mantarlar gibi bu özelliği görmek mümkündür (Şekil

8.1).


Metabolizma nedir?

Bir dizi reaksiyon ile vücuda alınan besin maddelerinin, enzimler ve/veya yakıcı gazlar

vasıtasıyla yıkılması ve/veya yakılması ile canlıya gerekli enerjinin oluşturulmasıdır. Diğer bir

değişle bir dönüşüm prosesidir.

Metabolik yolaklar vücuda alınan makromoleküllerin birim moleküllere dönmesi yani, ör:

şekerlerin, solunumdan elde edilen oksijen yardımıyla, su ve karbondioksite kadar

yıkılmasıdır. Buna Katabolik metabolizma, Katabolizma denir.

Bunun tam tersi olarak canlıda yer alan birim molleküllerin yeniden yapılandırılması ve

şekillendirilmesine Anabolik metabolizma, Anabolizma adı verilir.


Enerji Nedir ve Çeşitleri Nelerdir? (Şekil 8.2) Enerji kabaca iş yapabilme, varolan durumu değiştirme yeteneğidir. Farklı enerji çeşitleri vardır.

Örneğin, Güneş yaşayan canlılar için en büyük termal enerji ve ısı enerjisi kaynağıdır.

Kinetik enerji; bir şeyi hareket ettirebilme, erini değiştirmeye yarayan hareket enerjisidir.

Potansiyel enerji, hareket etme enerjisi olduğu halde henüz kullanılmadığı ve bu enerjinin durağan halde

olduğu enerjidir.

Kimyasal enerji, atomların bağları arasında yer alan ve bağlar bir kimyasal reaksiyonla kırıldığında açığa

çıkan enerjidir. Bu enerjinin canlıda açığa çıkması için Solunum ve fotosentez gibi bir dizi reaksiyon içeren

karmaşık işleyişler kullanılır.

Fotosentez; canlıların Güneşten gelen ışık enerjisini, şeker moleküllerinde bulunan kovalent bağlarla

potansiyel enerji olarak aktaran bir işleyiştir. Yaşayan hücrelerde bu bağların kırılmasıyla, canlının bir diğer

reaksiyon için ihtiyaç duyduğu enerji açığa çıkar.

Oksidasyon-redüksiyon (=Redox) reaksiyonları transfer ettikleri elektronlar yardımıyla bağların yeniden

yapılmasını ve kırılmasını sağlar.

Oksidasyonda reaksiyonunda elektron kaybedilir (+ yüklü olur). Redüksiyonun amacı ise elektron

kazanmaktır (- yüklü olur).


Termodinamiğin Kuralları ve Serbest Enerji (Şekil 8.3)

Kural 1: Hiçbir enerji kendi kendine var olamaz ve yok olamaz.

Aslında yaşayan tüm organizmalar, yaşamsal faaliyetlerini göstermek için enerjiye

ihtiyaç duyarlar.

Enerji yaşayan organizmalarda değişkendir. Hareket enerjisinden, biyokimyasal

enerjiye kadar farklı şekillere dönüşür ama kendi kendine oluşmaz veya yıkılmaz.

Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve yok

edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür.

Bir sistemin herhangi bir çevrimi için bu çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi

aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı

olmak zorundadır.

Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir.


Kural 2: Enerji değişimi sırasında bir kısım enerji

kaybolur.

Enerji dönüşümleri sırasında ortaya çıkan düzensizlik veya entropi (Entropi iş

yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır) evrende düzenli olarak

artar.

Dünya gibi açık sistemlerde, güneşten gelen enerji korunamayabilir. Miktarı

fazlada olsa harcanmak zorundadır. Genellikle bu fazla enerji ısıya dönüştürülür.


Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin

bir yasasından ziyade göreceli olarak büyük sistemler ve uzun

zamanlar için geçerli bir teorem haline gelir.

Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır. Sisteme

dışardan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe,

düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır.

Buna verilen klasik bir örnek olarak, kırık bir bardağın

durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı

kullanılarak, eski haline döndürülemeyeceği durumudur.

Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için

devirirken harcanan

enerjiden fazlasını kullanmak gerekir.

Özetle bu ilke ışığında potansiyel enerjinin bir kısmının

ısıya dönüştüğü ve geri getirilemediği kabul edilir.

Biyolojide ise canlılar minumum enerji harcayarak elde

edilen maksimum düzenli yapıyı tercih ederler (Şekil 8.4).


Kimyasal reaksiyonlarda serbest Enerjini

değişimi kabaca tahmin edilebilir.

Serbest enerjiye (G) dersek, bu enerji

çalışan herhangi bir sistemde vardır.

Bu durumda serbest enerji değişimi delta G

olur (ΔG) olur.

Bunun reaksiyondaki yönüde tahmin

edilebilir.

Eğer negatif spontan bir reaksiyon ise

ekzergoniktir. Ekzergonik reaksiyonlar ise

çevrelerine enerji salar.

Pozitif, spontan olmayan bir reaksiyon ise

endergoniktir. Endergonik reaksiyonlar

çevrelerindeki enerjiyi absorbe ederler,

toplarlar.


Spontan reaksiyonların

oluşması için aktivasyon

enerjisi gerekir.

Aktivasyon enerjisi var olan

kimyasal reaksiyonları

düzensizleştiren ve kimyasal

reaksiyonları başlatan bir enerjidir.

Ekzergonik reaksiyonlarda bu

aktivasyon enerjisine ihtiyaç duyar ve

burada katalizörler görev alır.

Kimyasal reaksiyonun hızını

arttırmakla aktivasyon enerjisini

düşürürler.


ATP Hücre İçin Enerji Birimi

Adenozin trifosfat (ATP) hücreler

için kullanılan enerji birimidir.

Yapısında, tüm nükleotidlerde

olduğu gibi üç temel bileşen yer alır.

Beş karbonlu Riboz şekeri,

yapısında 2 karbon-nitrojen

halkası bulunduran Adenin ve

son olarak da enerjisi fosfat

bağlarında depolanmış 3 fosfat

(Şekil 8.9).


Hücreler enerjiyi ATP’nin bağlarında depolar veya

salarlar

ATP’de yer alan enerji terminal fosfat gruplarına ait

bağlarda depolanır.

Bu gruplar diğer negatif yüklü gruplara karşı

hassastırlar.

Böyle gruplara bağlanır ve kararsızlık gösterirler.

ATP Hidrolizi endergonik bir reaksiyondur (Şekil

8.10, 8.12).

ATP’nin terminal fosfat grupları enzimler yardımıyla

koparılır ve bu reaksiyondan enerji açığa çıkar.

Bu iki fosfat grubu için üst üste olduğunda ΔG çok

negatif olur ve reaksiyonun yönü ekzergonik reaksiyona

döner.


ATP döngüsü devamlıdır.

ATP hidrolizi ile serbest kalan ve enerji endergonik reaksiyonlarla

yönetilir ama ikinci fosfat grubunun kaybından sonra reaksiyon

ekzergonik reaksiyona döner ve bu dönüşüm canlılık için gerekli ve

devamlıdır.

Enzimler: Biyolojik Katalizörler Bir enzim bir reaksiyonun

aktivasyon enerjisini değiştirir

Enzimler bir reaksiyonun ihtiyacı olan aktivasyon enerjisini

düşürürler.


Enzimlerin aktif bölgeleri

reaksiyona giren substratın

şekline tam olarak uyar.

Substrat enzimlerin bu aktif

bölgelerine bağlanırlar (Şekil

6.10).

Böylece enzimler

substaratın şeklini düzenleyerek

onların reaksiyona girebilecek

en uygun formu almalarını da

sağlarlar (Şekil 6.8).


Enzimlerin pek çok şekiller (formlar) meydana getirirler.

•Enzimler sitosölde serbest halde veya bazı organellerde, zarlarda birimler halinde

bulunurlar.

•Enzimlerin çoğu protein yapısındadır. Nadiren RNA yapısında olanları vardır. Bunlara

ribozimler-ribozomlar denir.


•Enzimler bir

biyokimyasal kısayolun

parçasıdırlar ve zaman

zaman birden çok

enzim, multi enzim

kompleksleride

oluşturarak bu

yolaklarda yer alabilirler.


Çevre şartları ve diğer faktörlerin enzimler

fonksiyonları üzerine etkisi

Enzimlerin fonksiyonel olmaları onların üç boyutlu yapıları

ile yakından ilişkilidir.

Buna ek olarak sıcaklıktan, pH’dan ve inhibitör

maddelerden de etkilenirler.

Rekabetçi inhibitörler enzimlerin aktif bölgelerine

bağlanarak substratın buraya bağlanmasını ve dolayısıyla

enzimin iş yapmasını engeller.

Yine benzer şekilde ama tersine olmak üzere, enzimleri

aktive eden aktifleştiricilerde enzimlerin kontrolünde

kullanılabilir.

Allosterik enzimlerde, iki aktif bölge vardır. Bulardan birine

veya diğerine bağlanacak olan aktive edici yada inhibe edici

madde enzimin işleyişini bozabilir.

Bununla berber bu tip enzimler ko-faktör adı verilen metal

iyonlarından veya vitaminlerden oluşan aktive edicilere ihtiyaç

duyarlar. Bu ko-enzimler genellikle bir elektron alıcısı olarak

görev yaparlar (Şekil 6.13).


Metabolizma: Hücre İşleyişinin Kimyasal

Açıklaması

Metabolizma bir hücredeki bütün biyokimyasal

reaksiyonların toplamıdır.

Anabolik reaksiyonlar molekülleri oluşturmak

için enerjiye ihtiyaç duyarlar ve katabolik

reaksiyonlar moleküllerin yıkılması ile

moleküllerin bağlarında tutulan enerjiyi serbest

enerji hale getirirler.

Biyokimyasal yolları kullanarak hücrelerinde

kimyasal reaksiyonları düzenlemek.

Biyokimyasal yollarda yer alan kimyasal

reaksiyonlar birbirinin ürününü kullanarak, bir

sonraki reaksiyon için substrat olur.


Biyokimyasal yollar kademeli şekilde gelişmiş

(evrimleşmiş) olabilir.

Dünyanın oluşmasını takiben organik moleküllerin oluşması ait ilk

zamanlarda okyanuslarda yer alan ilkel molekül "çorba" içinde birçok

tepkimeler vardı.

Muhtemelen bu karmaşa içinde bir reaksiyonda iki molekül

birleştirildi. Bunlardan biri substrat molekülü olarak kullanıldı. Diğer

molekülde enzim gibi davrandı.

Zamanla bu organizasyon değişip ilk canlılar oluşmaya başlayınca, bu

molekülleri bulunduran ve kullanabilen organizmalar seçildiler.

Böylece yaşamlarını sürdürdüler. Bu şekilde, biyokimyasal yolların

geliştiği düşünülmektedir.


Ürün-baskılayıcı (Feedback) Mekanizmaları İçeren Reaksiyonlar

Biyosentetik yolaklarda ürün baskılama son derece sık görülen bir metabolizma düzenleme yöntemidir.

Burada yolakta üretilen ürün, belli bir miktarın üstüne çıktığında yolağı baskılar ve çalışmasını engeller.

Böylece hücrenin istediği maddenin gereğinden fazla üretimini de kontrol etmiş olur.

Bunu genellikle o yolakta kullanılan enzimi ve/veya substratı baskılayarak yapar (Şekil 6.15).


Kaynaklar Campbell Biology 10th ed.(2014) Neil A. Campbell,

Jane B. Reece, Unit 2, Part:8, p: 141-161 Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA 94111.

Biology / 9th ed (2008)Peter H. Raven George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Chapter 6, p:107-121. The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020.


enerjİ ve metabolİzma - abl.gtu.edu.trabl.gtu.edu.tr/hebe/abldrive/71167157/w/storage/... ·...

Documents