KATABOLİZMA VE ANABOLİZMA

Metabolik yolları oluşturan bir seri enzimatik reaksiyonla hücre veya organizmada meydana gelen tüm kimyasal dönüşümlerin toplamına metabolizma denir. Bir metabolik yolda birbirini izleyen basamaklardan her birinde genellikle bir atom veya işlevsel grubun eklenmesi, aktarılması ve uzaklaştırılması gibi küçük özgül kimyasal değişiklikler oluşur. Bir öncül madde, metabolitler olarak adlandırılan bir seri metabolik ara ürünün oluşumundan sonra ana ürüne dönüşür. Ara metabolizma terimi, düşük molekül ağırlıklı öncül madde, metabolit ve ürünlerin birbirine dönüşümünün gerçekleştiği tüm metabolik yolların birleşmiş aktivitelerini tanımlar.

Metabolik yollar; 1) Doğrusal, 2) Çevrimsel ve 3) Sarmal şekilde olabilir. Doğrusal yolun örneği olarak glukozun pirüvata dönüştüğü glikoliz reaksiyonlarını; çevrimsel yola Krebs ve üre devirlerini; sarmal tarzdaki metabolik yola da ardarda benzer reaksiyon basamaklarıyla gerçekleşen yağ asitleri sentez ve yıkımıyla protein sentezi reaksiyonlarını gösterebiliriz. Metabolik yolları bir şehrin yol ağını gösteren bir haritaya benzetebiliriz. Bu yollardan bir kısmı ana yol, bazıları da yan yollardır. Dışarıdan alınan besin maddelerinin yıkım ve depolama işlemleri canlı metabolizmasının ana yollarını oluşturur.

Metabolizma, katabolizma ve anabolizma olarak ikiye ayrılır. Katabolizma, hücrenin çevresinden aldığı veya kendi depolarından kullandığı büyük besin moleküllerini (karbohidratlar, lipidler ve proteinler) çoğunluğu oksidatif nitelikteki enzimatik

56

reaksiyonlarla; laktik asit, asetik asit, CO2, H2O, amonyak veya üre gibi bir seri daha küçük moleküllere parçalanması olayıdır. Katabolik yollardan elde edilen enerjinin bir kısmı ATP ve indirgenmiş elektron taşıyıcılarının (NADH, NADPH ve FADH2) oluşumu için harcanırken, diğer kısmı ısı olarak çevreye salınır.

Biyosentez olarak adlandırılan anabolizma ise; küçük, basit öncül bileşiklerden

polisakkaritler, nükleik asitler, lipidler ve proteinler gibi hücrenin bileşenlerini oluşturan büyük kompleks moleküllerin sentezlenmesi olayıdır. Anabolik olaylar, genel olarak ATP’ deki fosforil grup transfer potansiyeli ve NADH, NADPH ve FADH2’ nin indirgeme gücü şeklinde bir enerjiye ihtiyaç gösterir (Şekil 9.12.). Biyosentez olayı yapının daha büyümesi ve daha da kompleks bir düzene girmesiyle sonuçlandığından, bir entropi azalması söz konusudur. Canlı organizma en düşük enerji düzeyine inme eğilimine karşı sürekli enerji harcamak zorundadır. Bu entropi azalışı da ATP’ nin hidroliziyle ortaya çıkan serbest enerji tarafından karşılanır. Canlı organizmalar; çok düzenli, gelişigüzel hiçbir yapı içermeyen, bilgi yönünden zengin ve entropi açısından fakir oluşumlardır. Sentezlenen bileşikler başlangıç maddelerine oranla daha indirgenmiş olduklarından, gerekli elektron ve hidrojenler indirgeyici güç kaynağı olan NADPH tarafından sağlanır. Katabolizma ve anabolizma hücre içinde beraberce meydana gelir.

Şekil 9.12. Katabolik ve anabolik yollar arasındaki enerji ilişkisi. Katabolik yollar kimyasal enerjiyi

ATP, NADH, NADPH ve FADH2 şeklinde verir. Bu enerji taşıyıcıları, küçük öncül

moleküllerin hücre makromoleküllerine dönüştürüldüğü anabolik (yapım) yollarda kullanılır.

Enerji içeren besinler

Karbohidratlar Yağlar Proteinler Katabolizma Hücre makromolekülleri Proteinler Polisakkaritler Lipidler Nükleik asitler

Enerjiden yoksun son ürünler CO2 H2O NH3 Öncül moleküller Aminoasitler Şekerler Yağ asitleri Azotlu bazlar Anabolizma ADP + Pi NAD⁺ NADP⁺ FAD ATP NADH NADPH FADH2 Kimyasal enerji

57

Şimdi ileride ayrıntılı şekilde inceleyeceğimiz metabolizma olaylarını genel olarak ele alacağız. Hans Krebs, besin maddelerinin oksidasyonundan enerji üretiminin, yani katabolizmanın üç safhada gerçekleştiğini ileri sürmüştür. Birinci safhada besin maddelerindeki büyük moleküller daha küçük birimlere parçalanır. Proteinler yirmi çeşit aminoasitlere, polisakkaritler glukoz gibi basit şekerlere ve yağlar da gliserol ve yağ asitlerine hidrolizlenirler. Bu olaylar sindirim sisteminde olduğu gibi, hücre içinde de gerçekleşir. Bu safhada iş görecek enerji üretilmez. İkinci safhada, bu çok sayıdaki küçük moleküller, metabolizmada merkezi rolleri olan birkaç basit bileşiğe dönüştürülür. Gerçekten şekerler, yağ asitleri, gliserol ve bazı aminoasitler asetil CoA’ nın asetil grubuna çevrilir. Bu basamakta substrat seviyesinde birkaç ATP sentezlenir fakat asetil CoA’ nın tümünün oksidasyonundan elde edilecek ATP miktarının yanında çok az kalır. Üçüncü safha, sitrik asit (TCA) çevrimi ve oksidatif fosforilasyondan ibarettir ve yakıt moleküllerinin yıkımındaki son ortak yolu oluşturur. Bu çevrime, asetil CoA şekline getirilen asetil birimleri, tamamen CO2’ ye yükseltgenir ve bu arada her bir asetil grubu başına dört çift elektron, 3 adet NAD+ ve 1 adet de FAD’ ye transfer edilir. Daha sonra da bu elektronların NADH ve FADH2’ dan solunum zinciri vasıtasıyla O2’ ye kadar akışı sonucu, oksidatif fosforilasyon adı verilen olayla ATP sentezlenir. Besin maddelerinin yakılmasıyla meydana gelen ATP’ nin büyük bir bölümü bu üçüncü safhada oluşur. Şekil 9.13.’ de söz konusu katabolizma safhaları şematize edilmiştir.

58

Anabolizma da katabolizmanın üçüncü safhadaki küçük yapı taşlarından başlayarak üç safhada gerçekleşir. Mesela protein sentezi, sitrik asit devrinde yer alan α-keto asitlerinin ikinci safhadaki aminasyonu ile meydana gelen α–amino asitlerden birinci safhada gerçekleşir. İlerideki bölümlerde anlatacağımız gibi üçüncü safha hem katabolizma hem de anabolizmanın ortak basamağıdır.

Katabolik ve anabolik olayların en önemli özelliklerinden birisi de aynı reaksiyon basamaklarına sahip olmamalarıdır. Mesela glikojenin laktik aside çevrilmesi çok iyi bilinen 12 enzimatik basamakla gerçekleşmektedir. Fakat laktik asitten glikojen sentezinde, katabolik 12 enzimatik basamaktan 9’ u kullanılmakta ve 4 tane değişik enzim de görev almaktadır. Aynı şekilde proteinler ve aminoasitler, yağ asitleri ve asetil CoA arasındaki katabolik ve anabolik yollar da birbirinden farklıdır. Katabolizma için ayrı, anabolizma için ayrı iki metabolik yol israf gibi görünmesine rağmen; katabolizma yolu enerji noktasından anabolizma için uygun olmadığından farklı yollar mutlak bir ihtiyaçtan doğmaktadır. Çünkü katabolizma enerji yönünden yokuş aşağı bir durum arzederken; sentez olayları yokuş yukarı çıkmaya benzemektedir. Yokuştan aşağı itilen bir kaya parçası en kestirme yoldan dikine inerken; aynı taşı yukarı çıkarırken takip edilecek ve en az enerji sarfedilecek yol mutlaka farklı olacaktır.

Özellikle ökaryotik hücrelerde katabolizma ve anabolizma yolları, hücre içi yerleşim noktalarında da farklılık gösterir. Mesela yağ asitlerinin asetil CoA’ ya kadar parçalanmasını katalizleyen enzimler mitokondri matriksinde yer alırken; yağ asitlerinin asetil CoA’ dan sentezi sitoplazmada bulunan enzimlerle gerçekleşir. Birbirine paralel katabolik ve anabolik yolların hücrenin ayrı bölümlerinde yer alması, bu iki olayın birbirinden bağımsız olarak aynı zamanda gerçekleşmesini sağlar.

Metabolizmanın hemen hemen bütün reaksiyonları bir diğerine bağlantılıdır çünkü bir enzimatik reaksiyonun ürünü, bir sonraki reaksiyon serisinin substratı olur. Böyle reaksiyon serileri metabolik moleküllerin spesifik fonksiyonel gruplarının enzimatik reaksiyonlarla uzaklaştırılıp; alıcı moleküllere transferiyle mümkün olmaktadır. Ara metabolizmanın birçok reaksiyonları amino, asetil, fosforil, metil, formil, karboksil gruplarının veya hidrojen atomlarının basamak basamak transferlerini içermektedir.