Hayat ve Biyokimyasal Enerji

Canlı sistemler Hayat faaliyetleri dediğimiz bir takım ortak faaliyetler gösterirler, mesela hareketlilik (hücre ve organ seviyesinde) organizma için lüzumlu yeni yapı taşlarının sentezi, üreme, hücre zarlarında aktif madde taşınması gibi faaliyetler bu cümledendir. Ancak bu gibi faaliyetler canlı bir organizmaya has olmakla birlikte, bunların başarılması hücre seviyesinde enerjiye ihtiyaç gösterir. Organizmanın ihtiyacı olan enerjiyi elde ettiği maddelere kısaca besin maddeleri denebilir. Besin maddelerindeki bu enerjinin kaynağı, güneş enerjisini harika bir şekilde kullanarak kimyevi enerji haline tebdil ederek depo eden yeşil (klorofilli) bitkilerdir.

Enerji nasıl elde edilir?

Esasen bu enerji; canlıya dâhil olan besin maddelerinin (karbonhidratlar, yağlar proteinler) parçalanması esnasında veya başka bir tabirle yakımı sırasında hâsıl olan serbest enerjinin bazı yüksek enerjili bileşikleri meydana getirmesiyle depo edilir. Besin maddelerinin parçalanması veya yakımı, onların kimya lisanıyla oksidasyona uğraması veya “yükseltgenmesi’ demektir. İşte, organik maddelerin hücrede “yükseltgenerek” parçalanmasına KATABOLİZMA ve bu parçalanan yakıt mad delerine de KATABOLİT diyoruz. Daha sonra hücredeki substratların (Ana madde veya temel birim madde) kompleks organik bileşikleri ve temel yapı taşlarını sentezlemek üzere enerji isteyecek şekilde birleştirmesine de ANABOLİZMA ve hadiseye BİYOSENTEZ denilir. Şekil ide görüldüğü gibi, organizmadaki bütün bu hadiselerle (Metabolizmaya) baktığımızda tıpkı kimyevi reaksiyonlarda olduğu gibi enerji çıkışı ve enerji girişiyle cereyan eden, termodinamik prensiblere uygun biyokimyevi reaksiyonlardan meydana geldiğini görmekteyiz.

Katabolizma hadiseleri sırasındaki reaksiyonlar Eksergonik (enerji açığa çıkan) tiptedir. Zaten organik besin maddelerinin ‘yükseltgenmesindeki’ safhaların ana hedefi, tedrici olarak enerji açığa çıkartmaktır. Fakat organizmada bu tip bir katabolitin (besin maddesi) “yükseltgenmesi”, ancak hücrede mevcut olması lüzumlu olan bir takım ajanların varlığına ve bunların izhar edilmesine münhasırdır. Bu maddelerin en önemlilerinden ve bütün hücrelerde bulunanları NAD (Nikotinamid Adenin Dinukleotid) ve NADP (Nikotinamid Adenin Dinukleotidfosfat) tır.

Besin maddesinin hücrede parçalanması veya yükseltgenmesi onun elektronlarının (Hidrojenlerinin) bu yakalayıcı moleküller tarafından alınması demektir. Kimyevi prensiplere göre besin maddelerinin hidrojenlerini yakalayan bu (NAD ve NADP ) molekülleri o anda indirgenmiş olurlar. İşte işin en önemli ve hayret verecek kadar şuurlu ve hesaplı yapılan kısmı bundan sonra başlar.

‘İndirgenmiş’ haldeki NAD tekrardan ikinci bir besin maddesinin parçalanabilmesi için aldığı hidrojenleri bırakarak yükseltgenmiş hale geçmesi lazımdır. Önce NAD tarafından koparılıp sonra bırakılan hidrojenlerin hedefi de oksijenli solunumla havadan alınan oksijendir. Gaye ise bu hidrojenlerin son alıcısı oksijene taşınırken tedrici bir şekilde enerjinin açığa çıkarılması ve bu açığa çıkan enerjinin de ATP (Adenozin tri fosfat) molekülü meydana getirerek depolanmasıdır.

Biz bu hadiseyi kimyevi reaksiyonlarda olduğu gibi düşünürsek yani besin maddelerini (katabolit) moleküler hidrojen ve yükseltgeyici ajanı da moleküler oksijen kabul etsek bu ikisi arasındaki reaksiyon sonucu 57,000 kalorilik bir serbest enerji açığa çıkacaktı- Tıpkı bunun gibi hücreler- de besin maddelerinden NAD vasıtasıyla koparılan hidrojen, direkt olarak NAD’den moleküler oksijene aktarılsa idi, yukarıdaki izahta olduğu gibi yaklaşık 52.000 kalorilik ısı hücre içinde açığa çıkacaktı. Bu rakam sadece 1 molekül için cereyan eden reaksiyon içindir. Bu ise hücrede ısı enerjisi şeklinde bulunacağından muhakkak ki hücreyi yok edecektir. Yani yeni meydana gelen bir hücre canlılığın icabı olarak böyle bir reaksiyona girişecek ve o anda yok olması, onun için mukadder olacaktı.

Burada hücrenin yaratıcısı ve Sanatkârı en akıllı kimyagerleri hayran ve aciz bırakacak bir şekilde tedbirle öyle bir düzenleme yapmıştır ki, bu sayede hücrenin tahrib veya yok olması önlenmiş ve aynı zamanda ihtiyacı olan enerji en uygun şekilde sağlanmıştır. Bu düzenleme vasıtasıyla yukarıda anlatılan biyokimyasal reaksiyon aslında içiçe girmiş birçok safhalardan meydana gelmiştir ve bu safhalara, yani hidrojenin tedrici enerji açığa çıkartacak bir şekilde yavaş yavaş oksijene taşınmasına solunum zinciri veya elektron transportu diyoruz.

Elektron transportu veya solunum zinciri besin maddelerinden kopartılan hidrojenlerin takip ettiği yoldur. Bu yolda hidrojen, en başta NAD olmak üzere bir takım taşıyıcı an bileşikler tarafından alınarak tedrici enerji açığa çıkartılmak şartıyla oksijene taşınır. Bu an kademelerde bazen son alıcı oksijen olmayabilir. Genel bir solunum zinciri şeması şekil 2. de verilmiştir.

Şemada da görüldüğü gibi besin maddesinden alınan elektron (hidrojen) NAD‘e aktarılır. Sonra indirgenmiş NAD kendine aldığı elektronu bir Flavoproteine aktarır böylece yükseltgenerek ikinci bir substrattan hidrojen koparabilecek hale gelir. Bu şekilde kâinatta cara azami tasarruf prensibine uygun hareket ederek, sarf edilmeden yine işini yapabilecek hale geçer

Nihayet hidrojen (elektron) Flavoproteinden, sitokromlaca, ondan sitokrom oksidazlara, en son durakta da oksijene taşınır ve 1 molekül su hâsıl olur. Bu suretle hücrede hidrojen oksijene taşınırken meydana çıkacak aşırı ısı enerjisi onu yok edecek bir halden uzaklaştırılır. Peki, ama bu küçük ferdi enerji ihtiva eden ara kademelerde, tedricen açığa çıkan enerjilere ne olur? Daha sonra biyosentez (anabolizma) reaksiyonlarında (dışarıdan enerji isteyen; endergonik) kullanılmak üzere solunum zincirine paralel bir sürü reaksiyon dizisinde kimyevi enerji şeklinde (ATP üzerinde) depolanır denilmektedir. Ancak şu anda araştırıcıların acizliklerini gösterecek şekilde Serbest enerjinin hemen hâsıl olan depolama ürünü ATP’ye nasıl bir mekanizma ile verilir? Prof. Calvin kurduğu laboratuarında birçok araştırıcılarla birlikte bu mevzular üzerinde çalışmaya devam etmektedir ve daha da uzun zaman çalışmaya devam edeceğe benzer görünmektedir. Çünkü ATP’lerin nerede meydana geldikleri bilindiği halde nasıl hâsıl olduğu, hangi enzimlerin rol oynadığı ve hangi ara maddelerin meydana geldiği halen meçhuldür. Bugün için oksidatif fosforilizasyonun (oksijenli solunumda, solunum zincirine bağlı ATP hâsıl oluşu) nasıl vuku bulduğunun açıklanabilmesi, biyokimyanın en mühim meselelerinden biridir.

Gerçi ta ilk yaratılıştan beri mevcut solunum zincirine bağlı reaksiyonlarla mümkün olan ATP sentezine bir “Oksidatif fosforilizasyon diyoruz, ama daha pek çok gizli hususların varlığını araştırmalarımız artırdıkça anlıyor ve her yeni keşiflerle aczimizi daha çok anlıyor ve kâinattaki mevcut sonsuz bir bilgi sahibini tasdik ediyoruz. Nitekim Prof. Feynman adlı bir âlim acizliğini “Lectures on Physics” adlı kitabında “öğrendiğimiz her yeni şey, bizi yeni baştan cehalete gömmektedir” diyerek itiraf ediyor.

Biz bazı faraziyelerle, asıl mekanizmayı bilmemizle birlikte kabaca endergonik reaksiyonlarda enerji sağlayan ATP’nin sentezini şu denklemle gösteriyoruz.

ADP (Adenozin difosfat) + Pi —>(İnorganik forfat) —>ATP (Adenozin trifosfat)

Bu reaksiyonun olabilmesi için de hücre içinde serbest bırakılan enerjinin 7300 kal, kadar bir miktarına ihtiyaç vardır. İşte bu lüzumlu enerji katabolizma esnasında açığa çıkan serbest enerjiden alınarak ATP teşkili şeklinde depolanır. Böylelikle israfa ve en mühimi hücrenin zarar görmesine mani olunur. İlerde organizma için lüzumlu biyosentez reaksiyonlarında bu madde hidrolize edilerek

ATP+H20 —> ADP+Pi

Şekline tahvil olur ve ihtiyaç duyulan enerji sağlanır. Bunu şekil 3. de basitçe hulasa edebiliriz.

ATP’nin kullanımı

Biyosenteze bir misal olarak akılsız ve şuursuz, fakat sevk-i ilahi ile hareket eden Arıların, binbir gayretle yaptığı harika besin batı ele alalım. Balın ham maddesi sakkarozca (pancar şekeri) zengin çiçeklerin öz sularıdır (Nektar). Sakkaroz bitkilerde meydana gelen bir karbonhidrattır. Glikoz ve fruktoz denilen iki monosakkaritin (basit şekerin) birleşmesinden meydana getir. Glikoz ve fruktoz bitkiler- de fotosentez neticesinde meydana gelir ve bu iki basit şekerin birleştirilmesi de ancak enerji isteyen bir reaksiyondur. İşte bu enerji yukarıda anlatıldığı üzere TPden temin edilir.

Bu misal gibi aklımıza canlılarda cereyan eden hangi biyokimyasal hadise gelirse gelsin enerjiye ve dolayısıyla ATPye ihtiyaç vardır.

Asrımızın harika kompüterlerini meydana getiren insan beyni ise bu baş döndürücü programlı, üzenti, intizamlı işleri sadece anlamaya çalışmaktadır. Bundan dolayıdır ki asrımızın ilim adamı bir hücreyi sentetik olarak yapamayacağını idrak etmiş ve onun Hakiki Sanatkârı karşısında boyun bükmüştür.

Mikrobiyolog Fahreddin G.