Canlılık ve Enerji: Enerjinin Gerekliliği, ATP Molekülünün Yapısı ve Fosforilasyon Çeşitleri (12.2.1.1)

Canlılık; yüksek düzeyde düzenli yapıların kurulması ve korunması anlamına gelir. Bir hücre, çevresinden farklı iyon derişimlerini sürdürmek, yıpranan proteinlerini yenilemek, DNA'sını eşlemek ve bölünmek için sürekli iş yapar. Fizikteki termodinamik yasalarına göre enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez, yalnızca bir biçimden başka bir biçime dönüşür; ancak her dönüşümde enerjinin bir kısmı ısı olarak çevreye yayılır ve evrendeki düzensizlik (entropi) artar. Bu nedenle canlılar, çevreleriyle madde ve enerji alışverişi yapan açık sistemler olarak dışarıdan sürekli enerji almak zorundadır; enerji akışı durduğunda düzen bozulur ve canlılık sona erer.

Hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimelerin tamamına metabolizma denir. Küçük moleküllerden büyük moleküllerin sentezlendiği, enerji gerektiren yapım tepkimeleri anabolizma; büyük moleküllerin parçalanarak enerji açığa çıkardığı yıkım tepkimeleri ise katabolizma olarak adlandırılır. Yeryüzündeki canlılar için temel enerji kaynağı Güneş'tir: Fotosentetik ototroflar ışık enerjisini, kemosentetik ototroflar inorganik maddelerin oksidasyonundan elde ettikleri enerjiyi organik moleküllerin kimyasal bağ enerjisine dönüştürür; heterotroflar ise bu organik molekülleri besin olarak alır. Ancak besinlerdeki kimyasal enerji hücresel işlerde doğrudan kullanılamaz; önce hücrenin ortak enerji birimi olan ATP'ye aktarılması gerekir.

Hücrede enerji gerektiren başlıca olaylar şunlardır: Derişim farkına karşı madde taşıyan aktif taşıma, endositoz ve ekzositoz; kas kasılması, sil ve kamçı hareketi; protein, nükleik asit, glikojen ve yağ gibi moleküllerin sentezi; mitoz ve mayoz bölünme; sinir hücrelerinde uyartı iletimi ve ateş böceği gibi canlılarda ışık üretimi (biyolüminesans). Enerji akışının kesilmesinin sonuçlarını siyanür zehirlenmesi açıkça gösterir: Siyanür, mitokondrideki elektron taşıma sistemini durdurarak ATP üretimini büyük ölçüde engeller; başta sinir ve kalp kası hücreleri olmak üzere enerji ihtiyacı yüksek hücreler kısa sürede işlevini yitirir.

ATP (adenozin trifosfat), hücrelerin enerji gerektiren hemen her işinde kullandığı, nükleotit yapılı organik bir moleküldür. Yapısında üç bileşen bulunur: Çift halkalı pürin grubundan bir azotlu organik baz olan adenin, beş karbonlu bir şeker olan riboz ve art arda bağlanmış üç fosfat grubu. Adenin ribozun 1. karbonuna, fosfat grupları ise ribozun 5. karbonuna bağlanır. Adenin ile ribozun birleşmesiyle oluşan yapıya adenozin denir. Adenozine bir fosfat bağlanırsa AMP (adenozin monofosfat), iki fosfat bağlanırsa ADP (adenozin difosfat), üç fosfat bağlanırsa ATP oluşur. AMP aynı zamanda RNA'nın yapısına katılan adenin nükleotitidir; bu durum enerji metabolizması ile kalıtım molekülleri arasındaki yapısal yakınlığı gösterir.

Fosfat grupları negatif yüklüdür ve birbirine çok yakın konumda dizildikleri için güçlü biçimde birbirlerini iterler. Bu itme, fosfatlar arasındaki bağları kararsız hâle getirir; bu bağlar su ile koparıldığında oluşan ürünler (ADP ve inorganik fosfat) daha kararlı olduğu için önemli miktarda enerji açığa çıkar. Bu nedenle fosfatlar arasındaki bağlara biyolojide yüksek enerjili bağ denir ve şematik gösterimlerde dalgalı çizgiyle (~) belirtilir. ATP'de iki, ADP'de bir yüksek enerjili bağ bulunur; AMP'de ise riboz ile fosfat arasındaki bağ sıradan bir bağ sayılır, yüksek enerjili bağ yoktur. Enerjinin yalnızca bağın içinde saklı olmadığını, tepkimenin tamamında ürünlerin daha kararlı olmasından kaynaklandığını bilmek kavram yanılgısını önler.

ATP bakterilerden insana kadar tüm hücreli canlılarda aynı yapıda bulunur ve aynı amaçla kullanılır; bu yüzden evrensel enerji birimi olarak nitelendirilir. Virüsler ise hücresel yapıya ve metabolizmaya sahip olmadıkları için kendi ATP'lerini üretemez, konak hücrenin ATP'sini kullanır. ATP büyük ve yüklü bir molekül olduğundan hücre zarından kolayca geçemez; bu nedenle her hücre kendi ATP'sini kendisi üretir ve ATP hücreler arasında taşınmaz. ATP uzun süreli depo molekülü de değildir; hücre, enerjiyi uzun süre saklamak için glikojen, nişasta ve yağ gibi molekülleri kullanır.

Hücre enerjiye ihtiyaç duyduğunda ATP'nin uçtaki fosfat grubu, ATPaz adı verilen enzimlerin etkisiyle bir su molekülü kullanılarak koparılır. Bu hidroliz tepkimesi şu şekilde özetlenir: ATP + H₂O → ADP + Pi + enerji. Burada Pi, inorganik fosfatı gösterir. Standart koşullarda bir mol ATP'nin hidroliziyle yaklaşık 7,3 kcal (yaklaşık 30,5 kJ) enerji açığa çıkar; hücre içindeki gerçek derişim koşullarında bu değer daha da yüksektir. Gerekirse ADP de bir su molekülü daha harcanarak AMP ve Pi'ye ayrılabilir; böylece ATP'den AMP'ye kadar iki yüksek enerjili bağ koparılmış olur.

Kullanılan ATP'nin yeniden kazanılması için ADP'ye bir inorganik fosfat eklenmesi gerekir: ADP + Pi + enerji → ATP + H₂O. Bu tepkime bir dehidrasyon sentezidir; her ATP sentezinde bir molekül su açığa çıkar ve hidrolizde açığa çıkan enerji kadar enerji harcanır. Sentez için gereken enerji fotosentetik canlılarda ışıktan, tüm canlılarda ise besinlerin solunum veya fermantasyonla parçalanmasından, kemosentetik bakterilerde inorganik maddelerin oksidasyonundan sağlanır. Mitokondri ve kloroplast zarlarında bu işi yapan temel enzim ATP sentazdır.

ATP'nin hidrolizi ve yeniden sentezi kesintisiz süren bir döngü oluşturur; buna ATP-ADP döngüsü denir. Bir hücrede herhangi bir anda bulunan ATP miktarı oldukça azdır ve tek bir ATP molekülü çoğu zaman bir dakikadan kısa sürede kullanılıp yeniden üretilir. Tahminlere göre dinlenme hâlindeki bir insan, gün boyunca kendi vücut ağırlığına yakın miktarda ATP'yi bu döngü içinde yıkıp yeniden yapar. Bu yüzden ATP bir enerji deposu değil, enerjiyi üretildiği yerden kullanılacağı yere hızla ulaştıran enerji taşıyıcısı ya da hücrenin "bozuk parası" gibi düşünülmelidir.

Bir moleküle fosfat grubu eklenmesine genel olarak fosforilasyon denir. Enerji metabolizmasında bu terim, özellikle ADP'ye bir inorganik fosfat bağlanarak ATP sentezlenmesini anlatmak için kullanılır. ATP sentezi her zaman enerji gerektirdiğinden fosforilasyon çeşitleri, kullanılan enerjinin kaynağına ve ATP'nin üretilme biçimine göre adlandırılır. Canlılarda üç temel fosforilasyon çeşidi vardır: substrat düzeyinde fosforilasyon, oksidatif fosforilasyon ve fotofosforilasyon.

Substrat düzeyinde fosforilasyon, yüksek enerjili fosfat grubu taşıyan bir organik molekülün (substrat) bu fosfatını bir enzim yardımıyla doğrudan ADP'ye aktarmasıyla gerçekleşir. Bu yolda elektron taşıma sistemine, zar yapısına ve oksijene gerek yoktur; ATP doğrudan kimyasal tepkime sırasında oluşur. Glikoliz, fermantasyon ve Krebs döngüsü sırasında üretilen ATP'ler bu yolla elde edilir. Tüm hücreli canlılarda gözlenen ve evrimsel olarak en eski kabul edilen ATP üretim yoludur.

Oksidatif fosforilasyon, besinlerin yıkımı sırasında koparılan elektronların elektron taşıma sistemi (ETS) boyunca aktarılmasıyla açığa çıkan enerjinin ATP sentezinde kullanılmasıdır; oksijenli solunumda son elektron alıcısı oksijendir ve ATP'nin büyük bölümü bu yolla üretilir. Fotofosforilasyon ise ışık enerjisiyle uyarılan klorofil molekülünden ayrılan elektronların ETS'de taşınmasıyla açığa çıkan enerjinin ATP sentezinde kullanılmasıdır; elektronlar klorofile geri dönüyorsa döngüsel (devirli), geri dönmüyorsa döngüsel olmayan (devirsiz) fotofosforilasyon adını alır. Kemosentetik bakteriler ise amonyak, nitrit, hidrojen sülfür gibi inorganik maddeleri oksitleyerek kazandıkları elektronlarla ETS üzerinden ATP üretir; bu yol bazı kaynaklarda kemofosforilasyon olarak anılır.

Ökaryot hücrelerde fosforilasyon çeşitleri farklı bölmelerde gerçekleşir. Glikoliz ve fermantasyon sitoplazmada yürür; burada ATP yalnızca substrat düzeyinde fosforilasyonla üretilir. Krebs döngüsü mitokondri matriksinde gerçekleşir ve burada da substrat düzeyinde fosforilasyonla ATP elde edilir. Elektron taşıma sistemi ve ATP sentaz enzimleri ise mitokondri iç zarında (krista) yer aldığından oksidatif fosforilasyon bu zarda gerçekleşir. Bitki ve alg hücrelerinde ayrıca kloroplastın tilakoit zarlarında ışık enerjisiyle fotofosforilasyon yapılır; burada üretilen ATP büyük ölçüde stromadaki ışıktan bağımsız tepkimelerde, yani organik madde sentezinde harcanır.

Prokaryot hücrelerde mitokondri ve kloroplast bulunmaz; bu nedenle elektron taşıma sistemi elemanları hücre zarı üzerinde yer alır. Oksijenli solunum yapan bakterilerde oksidatif fosforilasyon hücre zarında gerçekleşir. Siyanobakteriler gibi fotosentetik prokaryotlarda ışık enerjisini yakalayan pigmentler hücre zarının içe doğru oluşturduğu zar sistemlerinde (tilakoit benzeri katlanmalar) bulunur ve fotofosforilasyon bu zarlarda yapılır. Substrat düzeyinde fosforilasyon ise prokaryotlarda da sitoplazmada gerçekleşir.

Bu bilgiler hangi hücrede hangi fosforilasyon çeşidinin bulunabileceğini yorumlamamızı sağlar. Bir bitkinin yeşil yaprak hücresinde üç çeşidin üçü de görülebilirken, kloroplastı olmayan kök hücrelerinde ve hayvan hücrelerinde fotofosforilasyon görülmez. Memelilerin olgun alyuvarlarında çekirdek ve mitokondri bulunmadığı için bu hücreler ATP'yi yalnızca sitoplazmada substrat düzeyinde fosforilasyonla (laktik asit fermantasyonu) üretir. Yeşil bir yaprak hücresi gece fotofosforilasyon yapamaz; ancak solunuma devam ettiği için substrat düzeyinde ve oksidatif fosforilasyon gece de sürer. Bu durum, substrat düzeyinde fosforilasyonun tüm hücreli canlılarda ve her koşulda görülebilen ortak yol olduğunu gösterir.

Hücredeki tepkimelerin bir kısmı enerji açığa çıkarır ve kendiliğinden yürüyebilir; bunlara ekzergonik tepkimeler denir. Büyük moleküllerin sentezi gibi tepkimeler ise enerji gerektirir ve tek başına kendiliğinden gerçekleşmez; bunlar endergonik tepkimelerdir. Hücre, endergonik bir tepkimeyi ATP hidrolizi gibi ekzergonik bir tepkimeyle birlikte yürüterek gerçekleştirir; buna tepkime eşleşmesi (enerji eşleşmesi) denir. Eşleşmede ATP'nin fosfat grubu çoğu zaman tepkimeye girecek moleküle aktarılır; fosfat bağlanmış bu fosforile ara ürün daha kararsız ve tepkimeye yatkın hâle gelir. Örneğin glutamik asit ve amonyaktan glutamin sentezi tek başına yaklaşık +3,4 kcal/mol enerji gerektirir; bu tepkime yaklaşık −7,3 kcal/mol enerji açığa çıkaran ATP hidroliziyle eşleştiğinde toplam enerji değişimi yaklaşık −3,9 kcal/mol olur ve sentez gerçekleşir.

ATP'nin enerjisi hücrede üç temel iş türünde kullanılır. Kimyasal işte protein, nükleik asit ve polisakkarit gibi moleküllerin sentezi sağlanır. Taşıma işinde zar proteinleri fosfat bağlanmasıyla şekil değiştirerek maddeleri derişim farkına karşı taşır; örneğin sodyum-potasyum pompası her ATP hidrolizinde 3 sodyum iyonunu hücre dışına, 2 potasyum iyonunu hücre içine pompalar. Mekanik işte ise kas hücrelerindeki miyozin proteinleri ATP enerjisiyle aktin ipliklerini çekerek kasılmayı sağlar; sil ve kamçılar da aynı şekilde ATP ile hareket eder. Her üç durumda da ortak nokta, ATP'den ayrılan fosfatın bir proteine ya da moleküle bağlanıp onun şeklini veya tepkime yeteneğini değiştirmesidir.

Bu hafta öğrendiklerimiz canlılardaki enerji dönüşümlerini tek bir zincirde birleştirir: Güneş ışığı fotosentezde fotofosforilasyonla ATP'ye, bu ATP de glikoz gibi organik moleküllerin kimyasal bağ enerjisine dönüşür. Organik moleküller solunum ve fermantasyonda yıkılırken substrat düzeyinde ve oksidatif fosforilasyonla yeniden ATP üretilir; ATP hücresel işlerde harcanır ve enerjinin bir kısmı her basamakta ısı olarak çevreye verilir. Hiçbir enerji dönüşümü yüzde yüz verimli olmadığı için canlılar enerji almayı bir an bile bırakamaz. Canlılığın devamı için enerjinin gerekliliği, işte bu kesintisiz dönüşüm zincirinin sonucudur.