Organik Moleküller: Bilgileri Kaydetme ve Bütünleştirme (Karbohidrat, Lipit, Protein, Nükleik Asit ve Vitaminlerin Karşılaştırılması, Dehidrasyon-Hidroliz Hesapları, Enerji Değerleri)

Bir bilim insanı gözlemlerini ve okuduklarını düzenli bir defterde kaydetmezse birkaç hafta sonra nereden başladığını bile hatırlayamaz. Biz de son haftalarda beş büyük organik molekül grubunu inceledik: karbohidratlar, lipitler, proteinler, nükleik asitler ve vitaminler. Bu bilgileri ayrı ayrı ezberlemek yerine ortak ölçütlerle karşılaştırmak hem öğrenmeyi kalıcı kılar hem de sorularda hangi bilgiye ihtiyaç duyduğumuzu hızla bulmamızı sağlar. Bir organik molekülü kaydederken en çok kullanılan ölçütler şunlardır: yapı birimi (monomer), oluşan büyük molekül (polimer), birimleri bağlayan bağ, içerdiği elementler, hücredeki görevi ve bulunduğu yerler.

Bu ölçütlerle yapılan karşılaştırmada ilk dikkat çeken nokta, karbohidrat, protein ve nükleik asitlerin gerçek polimerler olmasıdır. Bunlar aynı türden küçük birimlerin zincir hâlinde tekrar etmesiyle oluşur. Lipitler ise farklıdır: Bir trigliserit, bir gliserol ve üç yağ asidinden oluşur; birimler tekrar eden bir zincir oluşturmadığı için lipitler büyük moleküller olsa da polimer olarak sınıflandırılmaz. Fosfolipitlerde yağ asitlerinden birinin yerini fosfat grubu alır; steroitler ise dört halkalı bir iskelete sahiptir ve yağ asidi içermez. Vitaminler de monomer-polimer yapısı göstermez; küçük, düzenleyici moleküllerdir ve sindirime uğramadan emilir.

Kayıt tutarken bir molekülün tek bir özelliğine değil, bir özellikler ağına bakmak gerekir. Örneğin enzimlerin protein yapılı olduğunu bilen bir öğrenci, enzimlerin de amino asitlerden oluştuğunu, peptit bağı içerdiğini, yüksek sıcaklıkta denatüre olabileceğini ve bileşik enzimlerde koenzim olarak vitaminlerle çalıştığını aynı kayıt üzerinde birbirine bağlayabilir. İşte kavram haritası tam olarak bunu yapar: Kavramları kutulara yazar, aralarındaki ilişkiyi oklar ve bağlantı sözcükleriyle (oluşur, içerir, görev yapar gibi) gösterir. Aşağıdaki tablo, bu haftanın bütün çalışmalarında temel alacağımız ana kayıt tablosudur.

Karbohidratlar karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan, genellikle hidrojen ile oksijeni suda olduğu gibi 2:1 oranında içeren moleküllerdir. En küçük birimleri olan monosakkaritler sindirime uğramadan emilir. Beş karbonlu monosakkaritler (pentozlar) olan riboz ve deoksiriboz enerji amacıyla değil, nükleik asitlerin yapısında kullanılır: riboz RNA'da ve ATP'de, deoksiriboz DNA'da bulunur. Altı karbonlu monosakkaritler (heksozlar) olan glikoz, fruktoz ve galaktozun kapalı formülü aynıdır: C₆H₁₂O₆. Atomların sayısı aynı, diziliş biçimi farklı olan bu tür moleküllere izomer denir. Glikoz kan şekeri ve hücrelerin temel yakıtıdır; fruktoz meyvelerde ve balda bulunur ve en tatlı şekerdir; galaktoz ise doğada genellikle süt şekeri laktozun yapısında yer alır.

İki monosakkaritin bir glikozit bağıyla birleşmesinden disakkaritler oluşur. İki glikozdan maltoz (malt şekeri), glikoz ile fruktozdan sükroz (çay şekeri), glikoz ile galaktozdan laktoz (süt şekeri) meydana gelir. Üç disakkaritin kapalı formülü C₁₂H₂₂O₁₁ olup her birinin oluşumunda bir molekül su açığa çıkar. Kayıt tutarken çok işe yarayan bir gözlem şudur: Üç disakkaritin hepsinde glikoz bulunur. Disakkaritler emilebilmek için sindirimle monosakkaritlerine ayrılmalıdır; örneğin laktozu parçalayan laktaz enzimi yeterince üretilemeyen kişilerde süt tüketiminden sonra sindirim sorunları görülebilir.

Çok sayıda monosakkaritin birleşmesiyle oluşan polisakkaritler suda çözünmez ya da çok az çözünür ve tatlı değildir. Nişasta bitkilerin, glikojen ise hayvanların, mantarların ve bakterilerin depo polisakkaritidir; insanda glikojen en çok karaciğerde ve kaslarda depolanır. Selüloz bitki hücre çeperinin yapısını oluşturur ve yeryüzünde en bol bulunan organik moleküldür; insanda selülozu parçalayan enzim bulunmadığından sindirilemez ama lif olarak bağırsak hareketlerini düzenler. Nişasta, glikojen ve selülozun üçü de yalnız glikozdan oluşur; farklarını glikozların bağlanma şekli ve dallanma miktarı belirler. Kitin ise yapısında azot bulunan glikoz türevlerinden oluşur ve eklem bacaklıların dış iskeletinde ve mantarların hücre çeperinde yer alır.

Organik moleküllerin hepsinde büyük yapılar aynı temel tepkimeyle kurulur: dehidrasyon sentezi. Bu tepkimede iki birim birleşirken birinden bir hidrojen (H), diğerinden bir hidroksil (OH) grubu ayrılır ve bunlar birleşerek bir molekül su oluşturur. Tersine olan tepkime hidrolizdir: Su harcanarak bağlar kırılır ve büyük molekül yapı birimlerine ayrılır. Sindirim sistemindeki bütün kimyasal sindirim olayları birer hidroliz tepkimesidir ve enzimlerle gerçekleşir. Dehidrasyon sentezi hücrede enerji (ATP) harcanarak yürür; hidroliz sırasında ise ATP harcanmaz. Böylece kayıt kartımıza herkesin kullanabileceği tek bir kural yazılabilir: Sentezde su çıkar, yıkımda su harcanır.

Sayısal sorularda doğrusal (dallanmamış) zincirler için şu genel kural kullanılır: n tane monomer birleşirse (n − 1) bağ kurulur ve (n − 1) molekül su açığa çıkar. Bu kural glikozit bağı, peptit bağı ve tek zincirdeki fosfodiester bağı için aynen geçerlidir. Örneğin 50 amino asitten oluşan bir polipeptitte 49 peptit bağı vardır ve bu polipeptidin sentezinde 49 su açığa çıkar, hidrolizinde ise 49 su harcanır. Protein birden fazla polipeptit zincirinden oluşuyorsa kural her zincire ayrı ayrı uygulanır ve sonuçlar toplanır. Trigliseritlerde durum biraz farklıdır: Bir gliserole üç yağ asidi bağlandığından her trigliserit için 3 ester bağı kurulur ve 3 su açığa çıkar. Buna göre x tane trigliserit sentezinde x gliserol, 3x yağ asidi kullanılır; 3x ester bağı kurulur ve 3x su açığa çıkar.

Polimerin kütlesi de aynı mantıkla hesaplanır. Her bağ oluşurken bir su (kütlesi 18) ayrıldığı için polimer kütlesi = monomerlerin toplam kütlesi − (bağ sayısı × 18) olur. Glikozun mol kütlesi 180 alındığında bir maltozun kütlesi 180 + 180 − 18 = 342 bulunur; bu değer C₁₂H₂₂O₁₁ formülüyle de doğrulanabilir (12·12 + 22·1 + 11·16 = 144 + 22 + 176 = 342). Birden fazla tepkime aynı anda veriliyorsa her tepkime için bağ ve su sayısı ayrı bulunup toplanır. Bu tür hesapları kaydederken monomer sayısı, bağ sayısı, açığa çıkan su sütunlarından oluşan küçük bir tablo kullanmak hataları büyük ölçüde azaltır.

Organik moleküllerin hepsi hücre için değerlidir ama hepsi aynı amaçla kullanılmaz. Hücre solunumunda yakılarak enerji sağlayan başlıca moleküller karbohidratlar, yağlar ve proteinlerdir. Yaklaşık değerlerle bir gram karbohidrat 4, bir gram protein 4, bir gram yağ ise 9 kilokalori enerji verir. Yağların bu kadar yüksek enerji vermesinin nedeni, yapılarındaki hidrojen oranının çok yüksek, oksijen oranının ise düşük olmasıdır. Bu yüzden yağlar aynı kütlede daha fazla enerji depolar ve hayvanlarda uzun süreli enerji deposu olarak kullanılır. Bununla birlikte yağların yıkımı için daha fazla oksijen gerekir.

Hücre, enerji ihtiyacını karşılarken belirli bir kullanım sırası izler: Önce kolay ve hızlı parçalanan karbohidratlar, karbohidratlar azalınca yağlar, en son da proteinler kullanılır. Proteinlerin enerji için kullanılması istenmeyen bir durumdur, çünkü proteinler enzim, hormon, taşıyıcı ve yapı molekülü olarak çok önemli görevler üstlenir; uzun süreli açlıkta kas proteinlerinin yıkılmaya başlaması bu yüzden tehlikelidir. Yapıya katılma sırası ise tam tersidir: Hücrenin yapısına en çok protein, sonra yağ, en az karbohidrat katılır. Nükleik asitler ve vitaminler ise enerji amacıyla kullanılmaz; nükleik asitler bilgi taşır, vitaminler metabolizmayı düzenler.

Yağların yakılması sırasında açığa çıkan metabolik su miktarı da aynı kütledeki karbohidratlara göre fazladır. Bu nedenle kurak ortamlarda yaşayan bazı hayvanlar ve uzun göç yapan kuşlar için yağ depoları hem enerji hem de su kaynağı açısından avantaj sağlar. Bitkiler ise enerjiyi genellikle nişasta olarak depolar; bazı tohumlar (fındık, ayçiçeği, zeytin) ise yağ depolar. Enerji hesabı yaparken her besin grubunun gram miktarı kendi enerji değeriyle çarpılır ve sonuçlar toplanır. Örneğin 20 g karbohidrat, 10 g yağ ve 5 g protein içeren bir besin 20·4 + 10·9 + 5·4 = 80 + 90 + 20 = 190 kilokalori enerji sağlar.

Organik molekülleri birbirinden ayırmanın güvenilir yollarından biri içerdikleri elementlere bakmaktır. Bütün organik moleküllerin ortak elementleri karbon (C), hidrojen (H) ve oksijendir (O). Karbohidratlar ve trigliseritler genellikle yalnız bu üç elementi içerir; ancak kitin yapısında azot, fosfolipitler yapısında fosfor bulundurur. Proteinlerin hepsinde bu üç elemente ek olarak azot (N) vardır; bazı amino asitler (örneğin sistein ve metiyonin) kükürt (S) içerdiği için birçok protein kükürt de taşır. Nükleik asitlerde ise C, H, O, N elementlerinin yanında nükleotitteki fosfat grubundan gelen fosfor (P) her zaman bulunur. Vitaminlerin element içeriği çeşitlidir; örneğin B12 vitamini yapısında kobalt taşır.

Organik moleküller hücrenin farklı bölgelerinde birlikte çalışır. Hücre zarı bunun en güzel örneğidir: Zarın temel iskeletini çift sıra hâlindeki fosfolipitler oluşturur; zara yerleşmiş proteinler madde taşınmasında görev alır; dış yüzeydeki karbohidratlar proteinlere veya lipitlere bağlanarak hücrelerin birbirini tanımasını sağlar; hayvan hücrelerinde ise kolesterol zarın akışkanlığını dengeler. Çekirdekte DNA proteinlerle birlikte kromatini oluşturur; ribozom ise rRNA ve proteinlerden yapılmıştır. Karaciğer hücreleri glikojen depolar, yağ dokusu trigliserit depolar, bitki hücrelerinde nişasta özel depolama yapılarında birikir.

Kayıt tutarken ortak özellikleri de yazmak gerekir. Karbohidrat, lipit, protein ve nükleik asitlerin hepsi hücrede enzimler yardımıyla sentezlenir ve parçalanır; büyük olanlar sindirilmeden hücreye alınamaz. Bu dört grubun hepsi bütün canlılarda bulunur; canlılar arasındaki farkı ise özellikle proteinlerin amino asit dizilişi ve DNA'nın nükleotit dizilişi oluşturur. Bu yüzden proteinler ve nükleik asitler türe özgüdür; buna karşılık glikoz, gliserol, amino asit veya nükleotit gibi yapı birimleri bütün canlılarda aynıdır. Bitkiler bu moleküllerin tamamını inorganik maddelerden üretebilir; insan ise bazı amino asitleri, bazı yağ asitlerini ve vitaminlerin çoğunu hazır almak zorundadır. Bu dışarıdan alınması gereken maddelere temel (zorunlu) amino asitler ve yağ asitleri denir.

Organik moleküller hakkında internette, dergilerde ve reklamlarda çok sayıda bilgi dolaşır; ancak bunların hepsi doğru değildir. Bilgiyi kaydetmeden önce kaynağın güvenilirliği sorgulanmalıdır: Bilgiyi kim yazmış, bir bilimsel kuruluşa ya da üniversiteye mi dayanıyor, güncel mi, bir ürün satmaya mı çalışıyor? Aynı bilgi en az iki farklı güvenilir kaynakta karşılaştırılmalı, çelişki varsa öğretmenle ya da uzman kuruluşların yayımladığı rehberlerle doğrulanmalıdır. Doğrulanan bilgi kopyalanarak değil, kendi cümlelerimizle kaydedilmeli ve hangi kaynaktan alındığı not edilmelidir. Bu sayede hem bilimsel etik korunur hem de bilgi gerçekten öğrenilmiş olur.

Kayıt araçlarından karşılaştırma tablosu birden çok molekülü aynı ölçütlerle yan yana gösterir; kavram haritası kavramlar arasındaki ilişkileri görünür kılar; bilgi kartı ise tek bir molekülün adını, yapı birimini, bağını, görevini, kaynak besinlerini ve eksiklik ya da fazlalık durumlarını küçük bir kartta toplar. İyi bir kayıt, yaygın yanılgıları da düzeltir. Örneğin yağların tamamen zararlı olduğu düşüncesi yanlıştır; yağlar zar yapısı, ısı yalıtımı ve yağda çözünen vitaminlerin emilimi için gereklidir. Kolesterol de hücre zarının ve bazı hormonların yapısına katılır; sorun yalnızca kandaki düzeyinin aşırı artmasıdır. Selülozun sindirilemediği için gereksiz olduğu düşüncesi de yanlıştır; lif olarak bağırsak sağlığına katkı sağlar.

Öğrendiklerimizi günlük yaşama aktarmanın en pratik yolu besin etiketi okumaktır. Etiketlerde genellikle 100 gram veya bir porsiyon için enerji, yağ, doymuş yağ, karbohidrat, şekerler, lif, protein ve tuz değerleri yazılır. Doymuş yağ asitleri çoğunlukla hayvansal kaynaklıdır ve oda sıcaklığında katıdır; doymamış yağ asitleri yapılarında çift bağ bulunduğu için oda sıcaklığında genellikle sıvıdır. Etiketteki karbohidrat, yağ ve protein değerleri enerji değerleriyle çarpılarak toplam enerji kontrol edilebilir. Örneğin 100 gramında 60 g karbohidrat, 10 g yağ ve 10 g protein bulunan bir kraker 60·4 + 10·9 + 10·4 = 240 + 90 + 40 = 370 kilokalori enerji verir; etikette yazan değerle karşılaştırarak bilgiyi doğrulamış oluruz.