ENERJİ ve METABOLİZMA

ENERJİ ve METABOLİZMA
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
•Enzimler bir
biyokimyasal kısayolun
parçasıdırlar ve zaman
zaman birden çok
enzim, multi enzim
kompleksleride
oluşturarak bu
yolaklarda yer alabilirler.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
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.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER