BİYOKİMYA II EK NOT. Ortak biyokimyasal tepkimeler

Transkript

1 BİYOKİMYA II EK NOT Dr. NaĢit ĠĞCĠ Ortak biyokimyasal tepkimeler Ġndirgenme-yükseltgenme (redüksiyon-oksidasyon, redoks) tepkimeleri de biyokimya açısından çok önemli tepkimelerdir. Basitçe, elektron kaybı yükseltgenme, elektron kazanımı indirgenme olarak adlandırılır. Metabolik yollarda en az fosfat grubu aktarımları kadar önemli olan bir diğer konu da elektronların transferidir. Kemotroflar serbest enerji ihtiyaçlarını glukoz ve yağ asitleri gibi besin maddelerinin. Oksijenli solunum yapan organizmalarda en son elektron alıcısı O2 dir. 1

2 Ortak biyokimyasal tepkimeler Yakıt molekülleri ve onların parçalanma ürünlerinden elektronlar doğrudan O2 ye transfer edilmez. Bu substratlar, elektronlarını önce özel yapıdaki bazı elektron taşıyıcı moleküllere aktarır. Bu taģıyıcıların indirgenmiģ formları yüksek potansiyelli elektronlarını, mitokondri iç membranında yerleģmiģ bulunan bir elektron taģıma zinciri vasıtasıyla oksijene aktarırlarken ATP sentezlenir. Bu olaya oksidatif fosforilasyon adı verilir. Ortak biyokimyasal tepkimeler Nikotinamid adenin dinükleotit (NAD+), besin moleküllerinin yükseltgenmesinde en baģta gelen elektron alıcısıdır. Bir substratın oksidasyonunda, NAD+ nın nikotinamid halkası iki elektron ve bir hidrojen iyonu kabul eder. Bu indirgenmiģ hali NADH ile gösterilir. Dehidrogenasyon reaksiyonu adı verilen bu reaksiyonlarda substrat üzerindeki hidrojen iyonlarından birisi doğrudan NAD+ ya transfer edilirken diğeri de çözeltiye geçer. Substrat tarafından kaybedilen her iki elektron da nikotinamid halkasına aktarılır. 2

3 Ortak biyokimyasal tepkimeler Besin moleküllerinin yükseltgenmesinde (oksidasyonunda) görev alan ikinci bir elektron taģıyıcısı da flavin adenin dinükleotittir. Okside formu FAD, redükte formu FADH2 olarak gösterilir. FAD de NAD+ gibi iki elektron taģıyıcısıdır. Birçok biyosentez olayında ön maddeler, ürünlerden daha yükseltgenmiģ halde bulunur ve ATP nin yanı sıra indirgeyici güce de ihtiyaç duyulur. Ġndirgeyici biyosentez olaylarının çoğunda elektron vericisi nikotinamid adenin dinükleotit fosfattır (NADPH). Bu molekül de aynen NADH gibi elektron taģır. Ortak biyokimyasal tepkimeler Bununla beraber, NADPH indirgeyici biyosentez olaylarında kullanılırken, NADH elektronlarını solunum zincirine aktararak ATP sentezinde görev alır. NADH, NADPH ve FADH2 katalizörlerin, yani enzimlerin yokluğunda O2 ile çok yavaģ reaksiyona girerler. Benzer Ģekilde ATP de enzim olmadan çok yavaģ bir hızda hidrolizlenir. Bu anlamda metabolik yollar temelde enzimler tarafından kontrol edilir. 3

4 Ortak biyokimyasal tepkimeler Hans Krebs tarafından ileri sürüldüğü Ģekliyle, besin maddelerinin oksidasyonuyla enerji üretimi, yani katabolizma üç safhada gerçekleģir. Safha I Safha II Safha III Asetil birimleri CO2 ye yükseltgenir ve her bir asetil grubu için 4 çift elektron 3 adet NAD+ ve 1 adet FAD ye transfer edilir. Ortak biyokimyasal tepkimeler Anabolizma da, katabolizmanın üçüncü safhasındaki küçük yapı taģlarından baģlayarak üç safhada gerçekleģir. Örneğin protein sentezinde, sitrik asit devrinde yer alan alfa-keto asitlerin aminasyonu ile meydana gelen alfa-amino asitler kullanılır. Bu anlamda üçüncü safha, anabolizma ve katabolizmanın ortak basamağıdır. Bununla birlikte, katabolik ve anabolik yollar aynı reaksiyon basamaklarına sahip değillerdir. Örneğin glikojenin laktik aside çevrilmesi çok iyi bilinen 12 enzimatik basamakla gerçekleģmektedir. Fakat laktik asitten glikojen sentezinde katabolik 12 enzimatik basamaktan 9 u kullanılmakta ve 4 tane değiģik enzim de görev almaktadır. 4

5 Ortak biyokimyasal tepkimeler Özellikle ökartyotik hücrelerde, katabolizma ve anabolizma yolları hücre içi yerleģim olarak da farklılık gösterir. Örneğin yağ asitlerinin asetil CoA ya kadar parçalanmasını katalizleyen enzimler mitokondri matriksinde yer alırken, yağ asitlerinin asetil CoA dan sentezi sitoplazmada bulunan enzimler vasıtası ile gerçekleģir. Bu durum, birbirine paralel anabolik ve katabolik yolların birbirinden bağımsız olarak aynı zamanda gerçekleģmesini sağlar. Metabolik yolların hücre içi kontrolü 5

6 Protein Metabolizması Amino Asit Metabolizması Amino asitler; Protein monomerleri Azot içeren diğer bileģiklerin sentezinde amino grubu ya da azot vericisi olarak görev alırlar Glikoz hemostazında önemli, glikojenik amio asitlerden glikoz oluģumu. Karaciğer amino asit metabolizmasında çok önemlidir. Emilen amino asitlerin önemli bir kısmı karaciğerde iģlem görür: baģka amino asitlerin ve proteinlerin sentezinde kullanılır, amonyak koparılarak keto asitlere dönüģtürülürler. 6

7 H H 3 N + C COOH Aminoasidin karboniskeleti Veya ketoasid R Amino grubu amonyak kaynağıdır Amino Asit Metabolizması Keto asitler ise yağ asitlerine veya glikoza dönüģtürülürler, veya CO2 ve suya kadar yıkımlanırlar. Amino asitler katabolize olurken önce amino grubu ayrılır ve sonra da karbon iskeleti katabolize olur. Bu amino grupları hücrede amonyak kaynağıdırlar. Bu yolla elde edilen amonyağın bir kısmı tekrar bazı biyolojik reaksiyonlarda kullanılır. Ancak amonyak fazla miktarda hücre için toksik olan bir bileģiktir. Amino asitlerin amino gruplarından oluģan serbest amonyağın bir kısmı azot içeren bileģiklerin yapı taģı olarak kullanılabilir, kalan kısmıysa karaciğerde üreye dönüģtürülür, kan yoluyla böbreklere taģınır ve idrarla atılır. Ġdrarın azot içeren bileģiklerinin yaklaģık %90 ı üredir. 7

8 Amino Asit Metabolizması Üre, aminoasidlerden elde edilen amino gruplarının temel atılım Ģeklidir ve idrarın azot içeren bileģiklerinin %90 nını oluģturur. Üre molekülünün içerdiği azotlardan birisi serbest NH3 den (amonyak) diğeri aspartattan gelir. Üre karaciğerde oluģur (üre döngüsü) ve böbreklerle (idrar yoluyla) atılır. Böbrek bozukluğu olan hastalarda kan üre düzeyi artar. Diyet primer olarak proteinlerden oluģtuğu zaman, aminoasidlerin karbon iskeletleri metabolik yakıt olarak kullanılır ve fazla miktardaki amino grubundan yüksek miktarda üre elde edilir. Uzun süreli açlıkta metabolik enerji olarak kas proteinleri kullanılmaya baģlayınca da üre sentezi artmaktadır. Amino Asit Metabolizması Protein yıkımı sonucu oluģan serbest amino asitlerin yaklaģık yarısı tekrar protein sentezinde kullanılır. TCA döngüsündeki ara metabolit keto-asitler olan pirüvik asit, okzaloasetik asit, alfaketoglutarik asitin keton grupları yerine amino grupları gelmesiyle sırasıyla alanin, aspartik asit ve glutamik asit oluģur. Tarnsaminasyon olarak adlandırılan bu reaksiyonlarda pirisoksamin fosfat koenzim olarak iģ görür. Hücreler, transaminasyonla uygun amino asitlere dönüģtürülebilecek keto asitleri sentezleyebilirler. 8

9 Amino Asit Metabolizması Aminoasit yıkımında temel problem amino gruplarının uzaklaģtırılıp yok edilmesidir. Bu amaçla insanda temel iki sistem kullanılmaktadır: 1. Direkt deaminasyon 2. Transdeaminasyon Aminoasitlerin amino gruplarını yok edilmesinde vücutta temel kullanılan sistem transdeaminasyondur. Direk deaminasyon sistemleri çok fazla kullanılan yöntemler değildir. Lizin, treonin, prolin ve hidroksiprolin aminoasidleri hariç tüm aminoasidler transaminasyona uğrar. Serin ve treonin aminoasidleri serin dehidrataz ve treonin dehidrataz enzimleri ile direkt olarak deamine edilmektedir. Amino Asit Metabolizması Transdeaminasyon sistemi iki temel reaksiyondan oluģmaktadır: 1. Transaminasyon 2. Deaminasyon Amino asitlerin çoğu bu reaksiyona uğrar. Birinci aģama olan Transaminasyonda amino asitlerden amino grubu transaminaz (aminotransferaz) enzimi ile uzaklaģtırılır. Bu reaksiyonlar sonucunda amino grubu baģka bir bileģiğe aktarılarak en sonunda L-glutamat ve L- aspartat amino asitleri oluģur. 9

10 H H 3 N + C COO - -KETOGLUTARAT H C COO - R 1 R 1 AMİNOTRANSFERAZ PP H C COO - R 1 Ketoasid GLUTAMAT H H 3 N + C COO - R 2 Amino Asit Metabolizması Hücreler çeģitli aminotransferaz enzimleri içerirler. Bunlardan en önemli iki tanesi: AST (Aspartat aminotransferaz, Glutamat okzaloasetat transaminaz) ALT (Alanin aminotransferaz, Glutamat pirüvat transaminaz) Amino asitlerin çoğunun amino grubu glutamatta toplanır. Deaminasyon basamağında ise bunlar glutamat dehidrogenaz enzimiyle amonyak oluģturmak üzere ayrılır. Daha önce bahsedilen aminotransferaz enzimlerinin ve glutamat dehidrogenazın birlikte yaptıkları iģ genel olarak transdeaminasyon olarak adlandırılır. 10

11 Karbonhidrat Metabolizması Karbonhidrat metabolizması Karbonhidrat metabolizması adı altında ilk akla gelen ve en önemli olan yol glukoz metabolizmasıdır. Glukoz, potansiyel enerji açısından oldukça zengin olması nedeniyle iyi bir yakıttır. Aynı zamanda biyosentetik tepkimeler için çok sayıda metabolik ara ürün sağlayan bir öncül maddedir. Aerobik organizmalarda son elektron alıcı molekül oksijendir ve bu canlılarda glukoz en son CO2 ve H2O ya dönüģtürülerek büyük miktarda enerji açığa çıkar. Bu enerjinin bir kısmı ATP formunda kazanılır, bir kısmı da diğer amaçlar için (vücut ısısını dengede tutmak gibi) kullanılır. 11

12 Karbonhidrat metabolizması Hayvanlarda ve damarlı bitkilerde glukozun 4 ana akıbeti (yolu) vardır: 1) Hücre dıģı boģlukta yer alan yapısal polisakkaritlerin sentezinde kullanılabilir 2) Hücrelerde depolanabilir (glikojen, niģasta vb.) 3) Glikoliz yolu ile ATP ve bazı metabolik ara ürünler oluģturarak üç karbonlu bir bileģik olan pirüvat oluģturmak üzere yükseltgenir. 4) Pentoz fosfat yolağı ile yükseltgenerek nükleik asit sentezinde kullanılmak üzere riboz 5-fosfat ve indirgen biyokimyasal reaksiyonlar için NADPH oluģumunu sağlar. GLUKOZ KULLANIMININ ANA YOLAKLARI Hücre dıģı matriks ve hücre duvarı polisakkaritleri Glikojen, niģasta, sükroz Yapısal polimerlerin sentezi Pentoz fosfat yolu ile yükseltgenme Glikonik asit üzerinden Glukoz Depolama Glikoliz yolu ile yükseltgenme Riboz 5-fosfat *** Pirüvat 12

13 Glikoliz Glikozun enerji temini (ATP sentezi) için pirüvik asit üzerinden yıkımlanmasına genel olarak glikoliz adı verilir. Anaerob ve aerob olmak üzere iki farklı yoldan cereyan eder. Her iki yolda da pirüvik asit (pirüvat) ortak ara üründür. Mitokondrisi ve yeterli oksijeni olan hücrelerde glikolizde pirüvat asetil koenzim A ya dönüģtürülür ve son olarak CO2 ve H2O ya kadar yıkım gerçekleģir. Glukozun laktata dönüģümü ise anaerobik glikolizdir. Glikolizde oluģturulan pirüvatın olası 3 akıbeti Hipoksi veya anaerobik Ģartlarda Glikoliz (10 ardıģık tepkime) Aerobik Ģartlarda Anaerobik Ģartlarda LDH Fermentasyon: Enerji elde etmek üzere glukoz veya diğer organik besinlerin anaerobik olarak parçalanmasına verilen genel bir isimdir. Mayalarda etanole fermantasyon Sitrik asit döngüsü Aerobik Ģartlarda hayvan, bitki ve birçok mikroorganizmada ġiddetli kasılan kaslarda, eritrositlerde, diğer bazı hücrelerde ve mikroorganizmalar da laktat fermantasyonu 13

14 Trikarboksilik (Sitrik) Asit Döngüsü Pirüvattan, pirüvat dehidrogenaz enzim kompleksi katalizörlüğünde sentezlenen Asetil koenzim A, okzaloasetat ile reaksiyona girerek sitratı meydana getirir. Bu nedenle sitrat döngüsü olarak isimlendirilir. Sitrat ve bundan sonra Ģekillenecek olan bazı reaksiyon ürünleri 3 er karboksil grubu taģıdığından TCA döngüsü de denir. Bu döngüde, glikolizisten gelen asetil koa lar tamamen yıkımlanarak enerji bakımından zengin moleküller elde edilirken, okzaloasetat reaksiyon sonunda yenilenir. Trikarboksilik (Sitrik) Asit Döngüsü Piruvattan; piruvat karboksilaz ile okzaloasetat oluģurken, piruvat dehidrogenaz enzim kompleksi ile asetil koa oluģur. 14

15 15

16 Trikarboksilik (Sitrik) Asit Döngüsü Sitoplazmada glikolizde 1 glikozdan 4-2=2 ATP ve 2 NADH+H + Mitokondride; 2 pirüvat > 2 Asetil koa = 2 NADH+H + 2 Asetil koa > TCA döngüsü > 6 NADH+H FADH2 + 2 ATP (GTP den) Toplam 10 NADH+H + 2 FADH2 + 4 ATP Oksidatif fosforilasyonda her bir NADH+H + tan 3 ATP, her bir FADH2 den 2 ATP sentezlenir. Bu durumda süreç sonunda 38 molekül ATP sentezlenir. (iskelet kası hücrelerinde 36, NADH+H + ların mitokondriye taģınmasıyla iliģkili) 16

17 Oksidatif fosforilasyon ADP den ATP sentezi Substrat seviyesinde fosforilasyona glikoliz örnek verilebilir. Oksidatif fosforilasyon mitokondride gerçekleģir. NADH+H, FADH2 gibi elektron transfer potansiyelleri yüksek moleküller enerji bakımından zengindir. Bu moleküllerdeki elektronların iç mitokondri membranlarındaki elektron transport enzimlerince oksijene transfer edilmesiyle açığa çıkan enerji ATP sentezinde kullanılır. 17