metabolizma mühendisliği

METABOLİZMA
MÜHENDİSLİĞİ
Canay BABAOĞLU
Tuğba ÖZER
1
METABOLİZMA MÜHENDİSLİĞİ
GİRİŞ
Canlı organizmalar ,kendilerini yenilemek,gelişmek ve üremek için kimyasal maddelere
gereksinim duyarlar.Bu kimyasal maddeler,karbonhidratlar,lipidler,proteinler gibi organik
maddeler, kalsiyum, demir, fosfor,kükürt gibi inorganik maddeler ve sudur.
Canlı organizmayı oluşturan bu kimyasal maddelerin ,yani moleküllerin dışarıdan alınması
gereklidir.Alınan bu maddelerin çoğunluğu ise kompleks moleküller halindedir.Organizma
tarafından kullanabilmeleri için ,önce basit moleküllere yani yapı taşlarına parçalanmaları
gerekir.Sonra da bağırsaklardan emilerek organizma içerisinde kullanılırlar.
Gıdalarla alınan ve emilen,moleküller,hücreye girdikten sonra çeşitli biyokimyasal
reaksiyonlara katılırlar.Metabolizma mühendisliği de metabolizma ve metabolizmada
meydana gelen biyokimyasal reaksiyonları ,olayları inceler.
1-METABOLİZMA:
Canlı organizmada meydana gelen kimyasal olayların tamamına metabolizma denir.
Metabolizma, organik yapım ve yıkım olayları esnasında madde ve enerjinin hücre veya
organizma tarafından değişikliğe uğratılması şeklindeki karmaşık ve devamlı olayların hepsini
içine alır.
Gıdalarla alınan veya iç ortamda bulunan moleküllerin organizmanın yapısal veya fonksiyonel
bileşiklerine sentez edilmesine anabolizma denir.
Organizma tarafından sentez edilen ya da hücreye dışarıdan gelen moleküllerin parçalanmasına da
katabolizma denir.
Katabolizma reaksiyonları,vücutta anabolizma reaksiyonlarından daha çok meydana gelir.Çünkü
anabolizma olayları için gerekli enerji bu yoldan sağlanır.Canlı kalmak ,gelişmek,hareket
etmek,üremek için enerji gerekmektedir.İşte bu enerjide katabolizma reaksiyonları ile sağlanır.Bir
hücrede enerji gerektiren reaksiyonlara endergonik ;enerji veren reaksiyonlara ekzergonik reaksiyon
denir.O2li Solunum, Fermantasyon,Fotosentez ekzergonik olaylardır.Protein sentezi,Hücre bölünmesi
endergonik reaksiyonlardır.
Anabolizma ve katabolizma reaksiyonları basamak halinde gelişir.Bu ara basamaklarda meydana
gelen metabolizma olaylarına ara metabolizma denir,oluşan ara ürünlere de ara metabolizma
maddeleri veya metabolitler denir.
2
2-METABOLİZMA REAKSİYONLARI
Organizmada çok çeşitli metabolizma reaksiyonları meydana gelir.Bunları 3 grup altında
toplayabiliriz:



Kondenzasyon ve Hidroliz
Fosfat taşınması
Biyolojik oksidasyon
2.1- KONDENZASYON ve HİDROLİZ
İki molekülün aralarında bir mol su çıkması ile eter,ester ve peptit bağları oluşturarak
birleşmeleri olayına kondenzasyon denir.Organizma içerisinde iki monosakkarit molekülünün
glikozid bağı ile birleşmeleri eter bağına,iki amino asitin birbiriyle birleşmesi peptid bağına
,gliserolün yağ asitleri ile birleşmesi de ester bağına örnektir.
Amino asit-1
Amino asit-2
Dipeptit
Kondenzasyon enerji alan yani endergonik bir reaksiyondur.Gerekli enerjiyi aynı zamanda
meydana gelen eksergonik bir reaksiyondan sağlar.Ancak organizma içerisinde eter,ester ve
peptid bağlarınının biyosentezi için gerekli enerji ATP’den alınır.Çünkü organizma içerisinde
eksergonik reaksiyonlar sonu meydana gelen enerji,örneğin bir hidroliz reaksiyonu sonucu
açığa çıkan enerji ATP de saklanır.
Büyük moleküllü yapıların daha küçük moleküller meydana getirebilmeleri için su ile
parçalanmalarına hidroliz denir.Amilaz enzimi ile amino asitlerin peptid bağların ile
birleşmeleri sonucu oluşan proteinlerin pepsin ile sindirim kanalında parçalanması vücutta
meydana gelen hidroliz olaylarından biridir.
3
2.2-FOSFAT TAŞINMASI
Organizmadaki birçok moleküllerin ,özellikle karbonhidratların reaksiyonlara girebilmesi için
fosforlaşmış olması,yani fosfat esterlerinin oluşması gereklidir.Ancak organizmada
moleküllerin fosforik asitle direk t birleşmeleri mümkün değildir.Bu görevi fosfat taşıyıcılar
yüklenir ve fosfat kalıntısınız gerekli moleküllere verirler.
Fosfat taşıyıcılar kapsadıkları fosfat kalıntısı sayısına göre 2 gruba ayrılırlar:
2.2.1-Bir fosfat kalıntısı taşıyanlar :
Moleküllerindeki enol,karboksil,hidroksil ya da amino gruplarının bir hidrojeni yerine,bir
fosfat kalıntısı (-H2PO3) taşıyan maddelerdir.
2.2.2-Birden çok fosfat kalıntısı taşıyanlar:
Adenozin difosfat (ADP) ve adenozin trifosfat(ATP) verilebilir.Bu maddeler,bir
nükleoziddeki pentozun alkol grubunun 1 hidrojeni yerine 2 ya da 3 fosfat kalıntısı
geçmesiyle meydana gelmişlerdir.
FOSFAT BAĞLARI VE ENERJİ(ATP):
Hücredeki bir çok reaksiyonun enerji kaynağı olan ATP molekülünde “yüksek enerjili fosfat
bağları” bulunur. Bu yüksek enerjili bağlar yıkıldıklarında, diğer kimyasal bağlara göre çok
daha fazla enerji serbest kalır. ATP molekülünün yapısında adenin bazı, beş karbonlu riboz
şekeri ve üç molekül fosforik asit bulunur. Adenin bazı ile riboz şekerinin oluşturduğu yapıya
“adenozin” denir. Adenozin ile bir fosfat molekülü “adenozin monofosfat (AMP)” ı; iki
fosfat molekülü “adenozin difosfat (ADP)”ı; üç fosfat molekülü “adenozin trifosfat
(ATP)”ı oluşturur
4
ATP molekülünün üç tane fosfat grubu arasındaki iki bağ oldukça yüksek enerji taşır. Bu bağlara
yüksek enerjili fosfat bağları denir.ATP’den bir fosfat ayrılırsa ADP, iki fosfat ayrılırsa AMP oluşur.
Fosfatlar ayrılırken enerji açığa çıkar. Bir yüksek enerjili fosfat bağının kopması ile hücredeki
reaksiyonlarda kullanılabilecek 7300 kalorilik enerji açığa çıkar. Güneş enerjisi fotosentezle
organik moleküllerin bağlarında kimyasal enerjiye dönüştürülerek depolanır. Hücre solunumu
ile organik moleküller parçalanır. Ve açığa çıkan kimyasal enerji ile ATP sentezlenir. Yani hücre
metabolizmasında kullanılan enerjinin kaynağı organik moleküllerdir.
Organik moleküllerden enerji elde edilirken önce karbonhidratlar sonra yağlar ve en son olarak
proteinler kullanılır. Hücre yapısındaki vitaminler ise enerji elde etmek için kullanılmaz.
Proteinlerin enerji verici madde olarak kullanılması ancak uzun süreli açlık durumunda geçerlidir.
Çünkü hücrenin hayal faaliyetlerini yapması enerji üretmesidir. Proteinler yapı maddesi olduğundan
protein elde etmek, hücrenin kendi kendini yemesi demektir.
1 gr karbonhidratın yanmasıyla 4,2 kcal,
1 gr yağın yanmasıyla da 9,5 kcal,
1 gr proteinin yanmasıyla 4,3 kcal’lik enerji açığa çıkar.
1 gr yağ; 1 gr karbonhidrat ve 1 gr protein yaklaşık iki kat enerji vermesine rağmen birinci sırada
enerji elde etmek için kullanılmaz. Çünkü yağların yıkımı zordur.
FOSFORİLASYON
ATP sentezine fosforilasyon denir. Dört çeşit fosforilasyon vardır:
Substrat Düzeyinde Fosforilasyon: Hücre sitoplazmasında O2 ve E.T.S. olmadan
enzim varlığında substrattan direk ATP sentezidir (Fermantasyon). Oksijen ve
elektron taşıma sistemi (ETS) kullanılmaz, organik madde tamamen parçalanmadığı
için ATP kazancı azdır. Enzimler tüm canlılarda var olduğundan tüm canlılarda
görülür. Bazı bakteriler yalnızca fermantasyon yapar.
NOT: Evrimde ilk ortaya çıkan fosforilasyon şeklidir.
Oksidatif Fosforilasyon: Enerji verici besin maddelerinin yıkımından oluşan
yüksek enerjili elektronların mitokondrilerde ETS den Oksijene iletilirken ATP’nin
sentezlenmesidir. Oksijenli solunumda görülür. Prokaryot hücrelerde sitoplazmada,
ökaryot hücrelerde mitokondri de gerçekleşir.
5
Fotofosforilasyon: Işık yardımıyla ADP ye fosfat bağlanarak ATP sentezlenmesine
denir. Klorofile sahip hücrelerde, fotosentezde meydana gelir. Fotosentezin ışıklı
evresinde devirli ve devirsiz basmaklarda gerçekleşir. Elektron taşıma sistemi(ETS)
kullanılır. Oksijenli solunuma benzer ancak klorofil şarttır. Prokaryot canlılarda
sitoplazmada, ökaryot canlılarda ise çift katlı zarı olan kloroplastlarda gerçekleşir.
Kemosentetik Fosforilasyon : Kemosentez reaksiyonlarında açığa çıkan enerji ile
ATP sentezi yapılmasıdır. İnorganik bileşikleri oksitleyerek elde ettikleri enerji ile
organik madde yani besin üretirler. Bu olay sadece kemosentetik bakterilerde
gerçekleşir. Örneğin; kükürt bakterileri, nitrit ve nitrat bakterileri.
2.3-BİYOLOJİK OKSİDASYON-REDOKS REAKSİYONLARI
Elektronların bir atom veya molekülden bir diğerine geçişine redoks reaksiyonları denir.Bu
reaksiyonlarda moleküllerden biri elektron kaybederek oksitlenmekte (yükseltgenmekte)
,diğeri elektron kazanarak redüklenmekte(indirgenmekte)dir.
Bir molekülün oksidasyonuna daima bir elektron alıcısının indirgenmesi eşlik
eder.Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarındaki elektron transferi doğrudan veya dolaylı
olarak organizmada gerçekleşen enerji olayları ile ilişkili olup,organizma tarafından
gerçekleştirilen işten sorumludur.
Enzim katalizli oksidasyon reaksiyonları ile elektron vericilerden alınan elektronlar bazı özel
elektron taşıyıcılara(NAD+,FAD) aktarılmaktadır.
Oluşan indirgenmiş ara ürünler (NAFH,FADH2) elektronları mitokondride solunum zincirine
aktarır.Solunum zincirinde bir dizi kompleks üzerinden elektronlar,en son moleküler oksijene
taşınmaktadır.
Oksijenin elektronlara olan ilgisinin,elektron taşıyıcı ara bileşiklerinden daha yüksek
olması,elektron transferinin ekzergonik olmasına ve açığa çıkan enerjinin ATP sentezinde
kullanılmasına yol açmaktadır.
6
Mikroorganizmalarda metabolizma başlıca üç temel grupta incelenir. Bunlar da;
1) Karbonhidrat metabolizması,
2) Lipid metabolizması,
3) Protein ve amino asit metabolizması.
KARBONHİDRAT METABOLİZMASI
Karbonhidratlar, organizmamız için önemli gıda maddelerinin en başında yer alır.Yaklaşık
olarak günlük enerji ihtiyacının % 50 si karbonhidratlarla karşılanır.Yetişkinde günlük enerji
enerji gereksiniminin 2400 kcal olduğu düşünülürse; 1g karbonhidrat 4 kcal verdiğine göre bir
günde yaklaşık 300 g karbonhidrat almamız gerekir. Özellikle beyin dokusu enerji ihtiyacı
açısından büyük ölçüde karbonhidratlara bağımlıdır ve kan glukozunun düşüklüğü
(hipoglisemi) bu organda ciddi fonksiyon bozukluklarına yol açar .Beynin 1 saattaki glukoz
ihtiyacı 6 gdır. Enerji sağlaması dışında karbonhidratlar laktozun, mukopolisakkaridlerin,
glikoprotein ve glikolipidlerin yapısına katılırlar.Glukoz, karbonhidrat metabolizmasının
temel maddesidir. Türü ne olursa olsun organizmaya giren her karbonhidrat sonunda glukoza
çevrilir. Bu nedenle ’’Karbonhidrat metabolizması deyince akla glukoz metabolizması
gelir. ’’ şeklinde düşünmek yerinde bir görüş olur.
Karbonhidratlar, karbon (C), hidrojen (H) ve oksijenden (O) oluşmuş organik bileşiklerdir. Bu
komponentler, kendi aralarında (CH2O)n oranında bir araya gelmişlerdir. Karbonhidratlar
heterotrofik mikroorganizmalar için enerji kaynağı ve karbonları da organik bileşikleri
sentezlerken yapı taşları olarak görev yaparlar. Karbonhidratlar yapılarında bulunan karbon
atomları sayısına göre kısımlara ayrılırlar. Bunlar;
Monosakkaridler
Ampirik formülü (CH2O)n olan monosakkaridler, karbon atomlarına göre, kendi aralarında
klasifiye edilirler. Triose (C3H6O3): Gliseraldehid; Tetrose (C4H8O4): Eritroz; Pentoz
(C5H10O5): Arabinoz, ksiloz, ramnoz, riboz. Riboz ve deoksiriboz nukleik asit moleküllerinde
bulunması bakımından önem taşırlar. Hekzoz (C6H12O6): Galaktoz, glukoz, fruktoz, mannoz.
Glukoz kolayca fermente olabilmesi nedeniyle hücreler için iyi bir karbon ve enerji
kaynağıdır.
7
Disakkaridler (C12H22O11)
Disakkaridler, iki monomer monosakkaridin su kaybederek kondenzasyonu sonu meydana
gelirler. Önemli disakkaridler arasında, laktoz, maltoz, sakkaroz, sellobioz, trehaloz vardır.
Laktoz
Laktoz
Maltoz
Sakkaroz
:glukoz + galaktoz
:glukoz + galaktoz
:glukoz + glukoz
:glukoz + fruktoz
Trisakkaridler (C18H32O16)
Bunlar üç monosakkaridden oluşmuşlardır."
Rafinoz: galaktoz + glukoz + glukoz
Polisakkaridler (C6H10O5)n
Bunlar birçok monosakkarid moleküllerinin su kaybederek kondenzasyonu sonucu oluşurlar.
En önemli homopolisakkaridler arasında dekstrin,glikojen, nişasta,sellüloz ve
heteropolisakkaridlerden de mukopolisakkaridler (hyaluronik asit) vardır.
KARBONHİDRAT METABOLİZMASININ BAŞLICA METABOLİK YOLLARI
1) Glikojenez: Glukozdan glikojen sentezi.
2) Glikojenoliz: Glikojenin yıkılması. Bu olayın karaciğerdeki son ürünü glukoz,
kas dokusundaki son ürünü glukoz-6-fosfattır.
3) Glikoliz ( Embden-Meyerhof Yolu) : Glukozun pirüvat veya laktata kadar yıkılması.
4) Pirüvat Metabolizması: Pirüvatın asetil-KoA ya dönüşümü
5) Trikarboksilik Asit Siklüsü ( Krebs Siklüsü) : Asetil-KoA içindeki asetil kısmının CO2
ye parçalanması ve bu sırada redükte koenzimlerin oluşumu.
6) Pentoz fosfat Yolu: Glukozun bir başka şekilde oksidasyonu ile NADPH ve pentoz
sentezi.
7) Glukoneojenezis: Karbonhidrat olmayan maddelerden glukoz sentezi
8) Glukuronik asit Yolu: Glukozdan glukuronik asit sentezi.
8
KARBONHİDRATLARIN SİNDİRİMİ VE EMİLİMİ
Diyette bulunan karbonhidratlar çoklukla polisakkarid ve disakkarid (nişasta, süt ve çay
şekeri), daha az oranda da monosakkarid (glukoz ve früktoz) formunda bulunurlar.
Karbonhidratların parçalanma işlemi ağızdan itibaren başlayabilir. Tükrükte bulunan
α- amilaz polisakkarid parçalayan bir enzim olmasına rağmen, çiğneme süresinin kısalığı
nedeniyle fazla etkin değildir. Midenin asit pH sı bu enzimin daha fazla çalışmasına olanak
vermez. Pankreastan çok aktif bir başka amilaz salgılanır. Gerek tükrük gerekse pankreas
amilazı, polisakkaridleri parçalar ve aktivitesi zincir sonunda durur. Böylece amilaz etkisi
sonunda yaklaşık olarak;
 % 40 oranında maltoz,
 % 30 oranında α- 1,4 ve α- 1,6 bağı içeren α- dekstrin
 % 25 oranında α- 1,4 bağı ile bağlanmış 3 glukozlu maltotrioz,
 % 5 oranında da 4-9 glukoz içeren polisakkarid molekülleri meydana gelir.
Karbonhidratların barsaktan emilebilmeleri için monosakkarid haline çevrilmeleri şarttır.
Monosakkaridlerin ince barsaktan emilimleri için 3 yol vardır. Bunlar aktif transport,
taşıyıcı moleküllerle yürütülen kolaylaştırılmış diffüzyon ve basit diffüzyon dur.
Barsaklardan emildikten sonra vena porta aracılığı ile sistemik dolaşıma katılan glukoz,
galaktoz ve fruktoz hücre düzeyinde tek monosakkarid (glukoz) üzerinden metabolize edilir.
Fruktozun glukoza dönüşümü barsak ve karaciğerde, galaktozun glukoza dönüşümü ise
yalnızca karaciğerde gerçekleşir.
Glukozun hücreye girişi , hücre zarında bulunan ve
transporter(taşıyıcı molekül) veya permeaz denilen
protein yapısındaki oluşumlar aracılığı ile gerçekleşir.
Yanda resmi görülen glukoz taşıyıcısı hücre zarına 12
defa giriş çıkış yapan geniş bir membran proteinidir.
9
HÜCRE SOLUNUMU
Diğer hücresel işlemlerde kullanılmak üzere, karmaşık yapılı organik moleküllerin yıkılarak
enerji elde edildiği tepkimelerdir. Hücre solunumu genellikle oksijen varlığında
gerçekleştirilir. Buna aerobik solunum denir. Fakat bazı durumlarda hücre yeterince oksijen
bulamaz. Böylece molekül yıkımı oksijensiz olarak devam eder. Buna anaerobik solunum
denir.
İnsanlarda ve yüksek organizasyonlu canlılarda aerobik solunumla birlikte anaerobik solunum
da gözlenir. Özellikle aktivitenin arttığı anlarda ya da havasız kalındığında, dokulara yeterince
oksijen gitmez. Bu durumda glikozun yıkımı oksijensiz olarak gerçekleşir. Fakat tam yıkım
yapılamadığı için hem yeterince enerji elde edilemez hem de kasta son ürün olarak lâktik asit
birikir. Bu da yorgunluğa neden olur.Anaerobik solunum, bazı bakteri ve mayalarda da
gözlenir. Oksijenin olmadığı ortamda bu canlılar şeker moleküllerini parçalayarak enerji elde
ederler. Bu canlılarda son ürün alkoldür. Bu olaya fermantasyon (mayalanma) denir.
Glikoliz reaksiyonları :
Glikozun prüvik asite kadar parçalanması reaksiyonlarına Glikoliz denir.Bu reaksiyonlar hem
O2’li hem de O2’siz solunumun başlangıç kısmını oluşturur. Her canlı hücre glikoliz olayını
gerçekleştirebilir.Bütün canlılarda glikoliz safhasında görev yapan enzimler aynıdır.Pirüvik
asitden sonra kullanılan enzimler farklı türlerde farklılık gösterir.Bunun için fermantasyonun
son ürünleri canlı türlerinde farklılık gösterir.Pasif haldeki glikoz moleküllerinin aktifleşerek
reaksiyona girebilmesi için canlıların vücut ısısı yetersizdir.Bunun için aktivasyon enerjisi
olarak ATP harcanır.
Glikozun aktifleşmesi için 2 molekül ATP gereklidir.
Glikoliz sonucu :
a-) 4 molekül ATP
b-) 2 molekül NADH2
c-) 2 molekül pirüvik asit (Pürivat)
10
Son ürünlerin oluşması :
Pirüvik asit her canlı türünde en uygun artık maddeye dönüştürülerek vücut dışına atılır.Bu
dönüşümü sağlayan enzimlerde farklıdır.Bu kademelerde ATP harcanmaz ve oluşmaz.
1-)Etil alkol fermantasyonu :
Bira mayası (bakteri) ve maya mantarlarında (Fungi) ve şarap bakterilerinde görülür.
Glikoz
2 Pirüvat
2 Asetaldehit
2Etil alkol
CO2
2NADH2 2NAD
Pirüvik asit CO2 kaybederek, asetaldehide dönüşür.Bu da NADH2’nin hidrojenlerini tutarak
etil alkole dönüşür.Bu reaksiyonda serbest kalan NAD glikolizde tekrar kullanılabilir.
Glikoz+2 ATP
2 CO2+ 2Etil alkol+4 ATP+Isı
Enzimler
Bu canlılarda fermantasyon ürünleri üremeyi durdurucu etki yapar.Bira mayasının ortamdaki
alkol oranı % 18’i geçerse üremesi engellenir.
2-)Laktik asit fermantasyonu :
Omurgalıların çizgili kaslarında ve yoğurt bakterilerinde olur.
Glikoz
2 Pirüvat
2 Laktik asit(C3H6O3)
2NADH2
2 NAD
İnsanda çizgili kas hücrelerinde oksijensiz solunum,oksijen yetmezliğinde gerçekleştirilir.
Pirüvat NADH2’nin hidrojenlerini tutarak laktik asite dönüşür.Yoğurt bakterileri süt şekerini
fermente ederek laktik asit yaparlar.Az miktarda oluşan laktik asit kasın daha iyi çalışmasını
sağlar.Fakat fazla birikirse kasın sertleşmesine ve kasılamamasına neden olur.Laktik asit
hücre stoplazmasından kana geçer ve kanın pH’ını düşürür ve beyne giderek yorgunluk hissi
verir.
Laktik asit kalpte karaciğerde ve yeterli O2 varlığında kas hücrelerinde yeniden prüvik asite
dönüştürülür.Karaciğer ve kas hücrelerinde glikozda üretilebilir yani dönüştürülebilir.Pirüvat
da yeniden mitokondriye girerek enerji üretimi gerçekleşir.
Glikoz+2ATP
2C3H6O3 (Laktik asit)+4ATP
Enerji kazancının az olması O2’nin kullanılmaması,monomerlerine tam olarak
parçalanamamasından kaynaklanır.
11
O2’li Solunum :
Karbonhidrat,yağ ve proteinlerin O2’ile parçalanması ve ATP sentezlenmesi olayına denir.
O2’li solunumun 3 kademesi vardır:
1-Glikoliz (Stoplazmada görülür) (O2’li ve O2’siz solunumda görülür)
2-Krebs çemberi (Mitokondride görülür) (O2’li solunumda görülür.)
3-Oksidatif fosforilasyon (Mitokondride görülür)( O2’li solunumda görülür)
Krebs çemberi :
Krebs döngüsü, trikarboksilik asit döngüsü veya Sitrik asit döngüsü, canlı hücrelerin besinleri
yükseltgeyerek enerji elde etmesini sağlayan ve bütün yaşam biçimlerinde önemli bir yer
tutan kimyasal süreçlerin son aşamasıdır. 1937'de Hans Adolf Krebs tarafından açıklığa
kavuşturulan tepkimelerin hayvan, bitki, mikroorganizma ve mantar gibi birçok hücre türünde
oluştuğu saptanmıştır.Krebs döngüsü, hücresel oksijenli solunumun, glikoliz evresinden sonra
gelen ikinci aşamasıdır. Krebs devri reaksiyonları mitokondride gerçekleşir. Reaksiyonlar
başlamadan önce 2 molekül pirüvik asit mitokondriye geçer. Döngüde basamaklarda oluşan
her NADH2+ ve FADH2+ , Elektron Taşıma Sistemi'ne aktarılır.
Glikoliz evresinde, glikoz pirüvata kadar parçalanır. Üretilen pirüvik asitler oksijen varlığında
ortama birer tane CO2 ve H2 vererek asetik asite parçalanır.Asetik asit kısa adı CoA olan bir
enzim ile bağlanarak asetil CoA oluşur.Bu arada açığa çıkan hidrojenler NAD tarafından
tutularak NADH2 üretimi yapılır.
2Pirüvik asit
2 Asetil CoA+2CO2+2NADH2
Pirüvik asitin asetil CoA ya dönüştüğü reaksiyonlar glikoliz veya krebs devri reaksiyonlarına
dahil olmayıp ara bir reaksiyondur.Bu reaksiyonlar mitokondride gerçekleşir.Asetil CoA,
krebs döngüsünü başlatacak temel maddedir.
12

Asetil CoAs dan sonraki basamakları şu şekilde sıralayabiliriz:
2C lu asetil ko enzim A ortamda bulunan 4C lu bileşikle birleşerek 6C lu sitrik asit
meydana gelir.
 6C lu bileşikten bir CO2
ve iki hidrojen atomu kopar. 5C
lu bileşik oluşur.
 5C lu bileşikten bir CO2
ve iki hidrojen atomu kopar. 4C
lu bileşik oluşur.
 4C lu bileşikten üç ayrı
kademede ikişer hidrojen atomu
kopar. Bu hidrojen atomlarını
NAD ve FAD tutar. Hidrojen
tutucu bu moleküller, hidrojen
moleküllerini oksijenle
birleştirirken ATP moleküllerinin
sentezlenmesini sağlar. Solunum sonucu oluşan 12 molekül suyun 6 molekülü krebs
devrinde kullanılır.Glikoliz evresinde oluşan Pirüvatın mitokondri içerisindeki
matrixe geçip O2’li solunuma katılabilmesi için Asetil CoA ya dönüşmesi
gerekir.Ortamda O2 varsa pirüvat,Asetil CoA ya döndürülür.
Sonuçta = 4 CO2,6 NADH2,2 FADH2 , 2 ATP üretilir.(Substrat düzeyinde).
NADH2 kendi başına enerji değildir.Enerji haline dönüşmesi ,ATP üretiminin
yapılabilmesi için NADH2’nin taşıdığı yüksek enerjili elektronlerın ve hidrojenin ETS ye
aktarılması gerekir.
ETS ( Elektron taşıma sistemi) :
Yükseltgenme yolu ile ETS’de ATP sentezlenmesine oksidatif fosforilasyon denir.Bu
safhada görev yapan NAD( nikotin amid adenin dinüklleotid) ,FAD (Flavin adenin di
nükleotid),koenzim ve stokromlar(Sit-b, Sit-c, Sit-a , Sit –a3) gibi elektron alıcıları yukarıda
olduğu gibi elektron çekme özelliğine göre mitikondrinin iç zarında yer alırlar.
NAD ve FAD hidrojen ve elektron taşıyıcı koenzimler olup ilk elektron alıcı NAD’dır.
13
ETS elamanlarının özellikleri :
NAD,FAD ve CoQ organik yapılı koenzimler olup H ve elektron taşırlar.Yapılarında
vitamin vardır.Sitokromlar yapısında demir bulunan kofaktörler olup sadece elektron taşırlar.
 ETS’de bir NADH2 kullanımı sonucu : 3 ATP ve H2O üretilir.Bir atom oksijen tüketilir.
 ETS’de bir FADH2 kullanımı sonucu : 2 ATP ve H2O üretilir.Bir atom oksijen tüketilir.
NAD ile koparılan hidrojenler ETS’ne en üst basamaktan girdiklerinden NADH2’den 3
ATP, FAD ile koparılanlar ETS’ne bir alt basamaktan girdiğinden dolayı FADH2’den 2 ATP
sentezlenir.
Yağ asitleri,gliserol,aminoasitler ve karbonhidratlar farklı sayıda karbon taşıdıkları için
farklı sayılarda ATP üretilmesine sebep olurlar. Solunumda ATP üretiminin hesaplanması
karbon sayısına ve reaksiyona hangi basamaktan katıldığına bakılarak yapılır.
4C’lu Aminoasitler krebsden, 3C’lu Aminoasitler Pirüvatdan,2C’lu aminoasitler Asetil
Co-a’dan solunuma katılırlar.2C’lu yağ asitleri Asetil Co-a’dan ,3C’lu Gliserol Prüvatdan
solunuma katılırlar.Glikoz, galaktoz ve fruktoz ;glikoza dönüşerek katılırlar.
Görevi biten 24 H ile O2 birleşir ve su oluşur.O2 li solunum reaksiyonlarında 6H2O açığa
çıktığı gösterilir.Çünkü diğer 6H2O mitokondride tutularak enzimlerin aktive edilmesinde
kullanılır.
Sonuçta ETS’ler de toplam 34 ATP elde edilir.Bu durumda ETS’ler oksijenli solunumda
en fazla ATP üretilen yerlerdir.Ayrıca 12 H2O oluşurken dışarıdan alınan 6 O2’de harcanır.
14
Oksijenli solunum(Glikoliz+Krebs+ETS)
Stoplazma
Mitokondri
Glikoliz
Substrat düzeyinde fosforilasyonla
Oksidatif fosforilasyon ile (2NADH+H) 4H
Aktivasyon İçin
Pirüvat
Asetil CoA
Oksidatif fosforilasyon ile (2NADH+H) 4H
Krebs Çemberi ve ETS
Substrat düzeyinde fosforilasyonla
Oksidatif fosforilasyonla (2FADH+H)
4H
Oksidatif fosforilasyonla (6NADH+H) 12H
Toplam
Substrat düzeyinde fosforilasyonla
Aktivasyon için
10 NADH+H
24 H
2 FADH+H
ATP
Net Kazanç
4
6
-2
8 ATP
6
6 ATP
2
4
18
24 ATP
6
-2
34
38 ATP
277.400 Kalori
Oksijensiz solunum
1-Bazı bakteriler ,tohumlar , omurgalıların
çizgili kaslarında görülür.
2-Stoplazma da gerçekleşir
3-Net 2 ATP elde edilir.
4-Sonuçta etil alkol,laktik asit,asetik
asit,CO2 gibi artık ürünler oluşur.
Oksijenli solunum
1-Bütün ökaryotik canlılar, bazı bakteriler ve
mavi yeşil alglerde görülür.
2-Stoplazma ve mitokondride olur.
3-Net 38 ATP üretilir.
4-Sonuçta CO2,H2O ve NH3 gibi inorganik
artık ürünler oluşur.
5-Sadece substrat düzeyinde fosforilasyon
meydana gelir.
6-Enerji verimliliği % 2-10 kadardır.
5-Substrat ve oksidatif fosforilasyon
meydana gelir.
6-Enerji verimliliği % 40 kadardır.
15
YAĞ (Lipid) METABOLİZMASI
Besinlerle alınan yağ moleküllerinin büyük kısmını trigliserid adı verilen moleküller
oluşturmaktadır.Bunun yanında fosfolipid, ve kolestrol molekülleri yağlı besinlerde
bulunular.Lipidler yapı itibariyle gliserin ve yağ asitlerinin teşkil ettiği moleküllerdir.Lipid
molekülleri hidrofobik özellik göstermelerine karşın organik eriticilerde çözünürler.Örneğin
alkol, eter, aseton ve klorofom gibi uçucu sıvılar içerisinde çözünebilir.
Yağlar, vücudun ince bağırsağında pankreas ve safra kesesinden gelen enzimlerle küçük
parçalara ayrılırlar.Yağların parçalanması ise " Lipaz " adı verilen bir enzim ile olur.Yağlar
parçalanıp yağ asitlerine kadar ayrıştırıldıktan sonra ince bağırsaklardan emilir ve kana
karışır.Yağ asitleri hücreler tarafından enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılırlar.Yağ
asitleri bazı hücrelerde sitoplazma içerisinde okside olarak ATP üretimine katılırken, çoğu
hücrede mitokondri içerisine girerek ATP sentezlenmesini sağlar. Yağ asitleri vücutta fazla
miktarlarda bulunduğu zaman trigliserid şekline dönüştürüldükten sonra yağ dokularında depo
edilirler.İnsanların şişmanlamasının nedeni de budur.
Yağ asitlerinin mitokondriye girişi direkt değildir.Öncelikle Asetil CoA ile bileşik kurarak
Yağ asidi + CoA + ATP <-----> Yağ asil – CoA + AMP + PPi kompleksini kurar.
Denklemde yağ asitinin CoA (Koenzim A) ile kompleks oluştururken ATP
harcamaktadır.ATP enerjisi kullanılınca ATP (Adenin trifosfat) AMP (Adenin monofosfat)' a
dönüşmektedir.
AMİNOASİT METABOLİZMASI
Proteinler, kompleks organik bileşikler olup hücrelerin esas yapılarını oluştururlar.
Proteinlerin bileşiminde, genellikle, karbon (C) %50, oksijen (O) %25 nitrogen (N) %16 ve
hidrojen (H) %7 bulunur. Bazı proteinler de %1 kadar sülfür (S) ihtiva ederler. Bir kısmında
da ayrıca, fosfor, demir, çinko ve bakır da bulunabilir.
Hücrelerde, yapı ve görevleri bakımından çok çeşitli proteinler vardır. Proteinler yüksek
moleküllü (5000-bir milyon) olduklarında kolloidal solüsyonlar meydana getirirler ve
diyalize olmazlar. Fiziksel (ısı, UV-ışınları, X-ışınları, v.s.) ve kimyasal faktörler (asit, alkali,
deterjan, ağır metaller ve bunların tuzları, vs.) proteinler üzerine olumsuz etki yaparlar.
16
Proteolitik enzimlerle veya asit hidrolizasyonla, kendilerini oluşturan amino asitlere ayrışırlar.
Proteinler, 20 tür amino asitin değişik sıralarda yan yana gelerek oluşturdukları
polipeptidlerden meydana gelmiş polimerlerdir. Amino asitler birbirlerine kovalent olarak
peptid bağları ile birleşmiştir. Bu peptid bağ, bir amino asitin karboksil ucundan suyun
çıkması ile, diğer amino asitin a-amino grubu arasında kurulur.
Hücrelerde bulunan serbest amino asitler ya proteinlerin parçalanmasından, ya da hazır olarak
dışardan sağlanırlar. Mide hücreleri tarafından salgılanan ve mide özsuyunda bulunan pepsin
adı verilen bir enzim yine mide özsuyundaki HCI proteinlerin yardımıyla peptid bağlarını
yıkar. İnce bağırsağa geçen bu karışım burada enzimlerin etkisi ile proteinlerin çoğunluğu
amino asitlere yıkılarak emilirler.
Amino Asit + FAD + H2O
a-Keto Asit + NH4+ FADH2
Deaminasyon sonunda açığa çıkan NH3 toksik bir maddedir.NH3’ın uzaklaştırılması
organizma türüne göre farklı şekilde gerçekleşir. Memelilerde üre, kuş ve sürüngenlerde ürik
asit şeklinde atılır.
Deaminasyon: Amino asitlerin bu tarzdaki sentezinde amonyak (NH3) önemli görev yapar
ve sentez için NH2‘ye çevrilir. Sonra, amin grubu, organik asitin hidrojeni yerine geçerek,
amino asit oluşturulur.
17
Soru:
1-Fosforilasyon çeşitleri nelerdir ?Kısaca anlatınız.
ATP sentezine fosforilasyon denir. Dört çeşit fosforilasyon vardır:
Substrat Düzeyinde Fosforilasyon: Hücre sitoplazmasında O2 ve E.T.S. olmadan
enzim varlığında substrattan direk ATP sentezidir (Fermantasyon). Oksijen ve
elektron taşıma sistemi (ETS) kullanılmaz, organik madde tamamen parçalanmadığı
için ATP kazancı azdır. Enzimler tüm canlılarda var olduğundan tüm canlılarda
görülür. Bazı bakteriler yalnızca fermantasyon yapar.
NOT: Evrimde ilk ortaya çıkan fosforilasyon şeklidir.
Oksidatif Fosforilasyon: Enerji verici besin maddelerinin yıkımından oluşan
yüksek enerjili
elektronların mitokondrilerde ETS den Oksijene iletilirken ATP’nin sentezlenmesidir.
Oksijenli solunumda görülür. Prokaryot hücrelerde sitoplazmada, ökaryot hücrelerde
mitokondri de gerçekleşir.
Fotofosforilasyon: Işık yardımıyla ADP ye fosfat bağlanarak ATP sentezlenmesine denir.
Klorofile sahip hücrelerde, fotosentezde meydana gelir. Fotosentezin ışıklı evresinde devirli
ve devirsiz basmaklarda gerçekleşir. Elektron taşıma sistemi(ETS) kullanılır. Oksijenli
solunuma benzer ancak klorofil şarttır. Prokaryot canlılarda sitoplazmada, ökaryot canlılarda
ise çift katlı zarı olan kloroplastlarda gerçekleşir.
Kemosentetik Fosforilasyon : Kemosentez reaksiyonlarında açığa çıkan enerji ile
ATP sentezi yapılmasıdır. İnorganik bileşikleri oksitleyerek elde ettikleri enerji ile
organik madde yani besin üretirler. Bu olay sadece kemosentetik bakterilerde
gerçekleşir. Örneğin; kükürt bakterileri, nitrit ve nitrat bakterileri.
2-Krebs çemberi hangi organelde gerçekleşir?Krebs çemberinin aşamalarını anlatınız.
Mitokondride gerçekleşir.Asetil CoAs dan sonraki basamakları şu şekilde sıralayabiliriz:




2C lu asetil ko enzim A ortamda bulunan 4C lu bileşikle birleşerek 6C lu sitrik asit
meydana gelir.
6C lu bileşikten bir CO2 ve iki hidrojen atomu kopar. 5C lu bileşik oluşur.
5C lu bileşikten bir CO2 ve iki hidrojen atomu kopar. 4C lu bileşik oluşur.
4C lu bileşikten üç ayrı kademede ikişer hidrojen atomu kopar. Bu hidrojen atomlarını
NAD ve FAD tutar. Hidrojen tutucu bu moleküller, hidrojen moleküllerini oksijenle
birleştirirken ATP moleküllerinin sentezlenmesini sağlar. Solunum sonucu oluşan 12
molekül suyun 6 molekülü krebs devrinde kullanılır.Glikoliz evresinde oluşan
Pirüvatın mitokondri içerisindeki matrixe geçip O2’li solunuma katılabilmesi için
Asetil CoA ya dönüşmesi gerekir.Ortamda O2 varsa pirüvat,Asetil CoA ya
döndürülür.
18