BİYOKİMYAYA GİRİŞ Yrd. Doç. Dr. Osman İBİŞ

Biyokimyanın tanımı Biyokimya yaşamın moleküllerinin ve kimyasal reaksiyonlarının çalışıldığı bir bilim alandır. Bu alanda kimyanın “dili” ve “prensipleri” kullanılarak biyoloji bilimi moleküler seviyede açıklanmaya çalışılır. Diğer bir deyimle biyokimya biyolojik moleküllerin yapılarını, birbiri ile olan ilişkisini ve transformasyonlarını çalışan bir bilim dalıdır. Yani biyokimyaya hayatın kimyası (Bios, Yunancada yaşam demektir) diyebiliriz.

BÖLÜM 1: Yaşamın Moleküler Anlamı Canlı organizmalar cansız moleküllerden oluşur. Bu moleküller birbirinden ayrılıp tek başlarına incelendiğinde, cansız maddenin davranışını tanımlayan tüm fiziksel ve kimyasal kurallara uydukları görülür. Üstelik canlı organizmalar gelişigüzel bir araya getirilmiş herhangi bir molekül topluluğunca sergilenmeyen olağanüstü niteliklerede sahiptir. Bu bölümde, önce canlı organizmaları diğer madde topluluklarından ayıran özelliklere değineceğiz ve sonra tüm canlı organizmaları karakterize eden bir seri ilkeyi belirleyeceğiz. Bu ilkeler, organizmaların ve onların hücrelerinin düzenlenmesini belirlemekte ve bu ders için bir çerçeve oluşturmaktadır. Bunlar, metinde sunulan görsel örnekleri incelerken, daha geniş bir görüntüyü akılda tutmanıza yardımcı olacaktır.

Farklı Canlı Organizmaların Kimyasal Tekliği Canlı organizmaları cansızlardan farklı kılan nedir? Birincisi, canlıların kimyasal karmaşıklığının ve düzenlenmelerinin derecesidir. Binlerce farklı molekül bir hücrenin karışık iç yapısını oluşturur (Şek. 1-1a). Buna karşın cansız madde-kil, kum, taşlar, deniz suyu-genelde göreceli basit kimyasal bileşiklerin karışımlarından oluşur.

Canlı organizmaları oluşturan moleküller, bilinen fiziksel ve kimyasal kanunlara uygun hareket ederler. Ayrıca bu moleküller biri birleriyle de belli bir ahenk içinde bulunurlar ki buna hayatın moleküler mantığı olarak da bakılabilir. Bu moleküller tek tek izole edilip araştırılırsa, cansız maddelerin özelliklerini gösterdikleri gözlenir. Ancak, bu molekülerin canlı organizmalardaki dizinimi cansızlardaki gelişigüzelliğin tersine, oldukça mükemmeldir. Dolayısı ile canlı organizmaları cansız maddelerden ayıran özelliklerin başında, canlıların yapı olarak karmaşık ve oldukça organize olmaları gelir.

Şelkil 1 – 1: Canlı maddenin bazı özellikleri. (a} Omurgalı kas dokusunun bu renkli ince kesitinde, elektron mikroskopla görüldüğü gibi, mikroskobik bir karmaşıklık ve düzen vardır.

İkincisi, canlı organizmalar, genelde kimyasal besin maddeleri veya güneş ışınları şeklinde bulunan enerjiyi çevrelerinden özütler, dönüştürür ve kullanırlar (Şek. 1-1b). Bu enerji organizmaların, karmaşık yapılarını inşa edebilmesini ve sürekliliklerini sağlayabilmesini, mekanik, kimyasal, ozmotik ve diğer işleri yapabilmesini sağlar. Cansız madde, yapısal sürekliliğini sağlamak veya iş yapmak için sistemli ve dinamik bir şekilde enerji kullanmazlar; aksine çevresiyle denge oluşturmak üzere, çok daha düzensiz bir duruma doğru yıkılmaya eğilimlidir.

Canlılar çevrelerinden enerji (besin veya güneş enerjisi şeklinde) alıp kullanır ve başka bir enerji çeşidine çevirebilirler. Böylece, canlı sistem organize yapısını enerji harcayarak sağlar ve korur (ölünceye kadar).

Şelkil 1 – 1: Canlı maddenin bazı özellikleri. (b} Kır şahini besinlerini daha ufak kuşları yakalayarak elde etmektedir.

Canlı organizmaların üçüncü niteliği, tam bir kendini-eşleme ve kendini-oluşturma kapasitesidir, bu özellik canlılığın anahtarıdır (Şek. 1-1c). Steril bir besi ortamına bırakılmış tek bir bakteri, 24 saat içinde bir milyar sayıda eş "yavru" hücre oluşturabilir. Hücrelerin her biri, bazıları son derece karmaşık binlerce farklı moleküle sahiptir; buna karşın her bir bakteri orijinal bakterinin tam bir kopyası olup; yapımı tamamiyle, ilk bakteri hücresinin genetik maddesi içinde yerleşmiş bilgiyle yönlendirilmiştir.

Şelkil 1 -1: Canlı maddenin bazı özellikleri. (c} Biyolojik üreme mükemmele yakın bir duyarlılıkla gerçekleşir.

Kendini eşleme yeteneğinin cansız dünyada gerçek bir eşdeğeri olmamasına karşın, doymuş çözeltilerdeki kristallerin çoğalmasında aydınlatıcı bir benzerlik vardır. Kristalleşme, orijinal "tohum« kristaline eş bir yapısal çatı taşıyan daha fazla madde oluşturur. Kristaller en basit canlı organizmadan çok daha az karmaşık olup yapıları canlı hücreler gibi dinamik değil statiktir.

Her hücre, kimisi oldukça kompleks binlerce farklı molekül içerir ve bunların hepsi en başta kullanılan tek hücrenin genetik yapısından orijin almışlardır. Cansızlarda üreme ve büyüme diye bir şey söz konusu olmaz. Kristaller her ne kadar zaman içinde büyürlerse de, bunların yapısı statik olup, canlılardaki gibi dinamik değildir. Diğer bir deyimle, canlı hücre öyle bir sistemdir ki, özel bir yapısı, kendini oluşturma, ortama uyum sağlama, çoğalma ve gerekli materyalleri çevreden alarak bütün bunları yapabilecek özellikte olmasıdır.

Canlılar son derece çeşitlidir (Şek. 1- 2) Canlılar son derece çeşitlidir (Şek. 1- 2). Görünüm ve işlevde, kuşlar ve hayvanlar, ağaçlar, otlar ve mikroskobik organizmalar çok farklıdır. Ancak biyokimyasal araştırmalar tüm canlıların hücresel ve kimyasal düzeylerde önemli ölçüde birbirlerine benzer olduklarını göstermektedir. Biyokimya tüm organizmalarda ortak olan yapıları, mekanizmaları ve kimyasal süreçleri moleküler anlamda tanımlar ve bütünüyle yaşamın moleküler anlamı diyebileceğimiz yaşamın tüm değişik formlarının, ilkelerinin yaşamla bağdaşan düzenleyici ilkelerini açıklar. Biyokimyanın tıp, tarım, beslenme ve endüstride de önemli uygulamaları olmasına karşın, öncelikli ilgisi yaşamın inanılmazlığının açıklanmasıdır.

Tüm Makromoleküller Bir Kaç Basit Bileşikten Oluşur

Canlı sistemlerin moleküler yapıtaşlarının pek çoğu, diğer karbon atomlarıyla ve hidrojen, oksijen, ya da azot atomlarıyla kovalent şekilde bağlı karbon atomlarından oluşur. Karbonun özel bağ yapabilme özellikleri, çok farklı moleküllerin oluşumuna izin verir. Molekül ağırlığı (bağıl moleküler kütle, Mr olarak da ifade edilir) 500‘den az olan amino asitler, nükleotitler ve monosakkaritler gibi organik bileşikler makromoleküllerin; proteinler, nükleik asitler ve polisakkaritler, monomerik altbirimleri olarak görev yapar. Tek bir protein molekülü 1,000 ya da daha fazla amino asitten oluşurken, deoksiribonükleik asit milyonlarca nükleotit içerir.

Her bir makromolekül sınıfının (proteinler, nükleik asitler, polisalkaritler) küçük, ortak bir monomerik altbirimler dizisinden oluştuğu gerçeği olmasaydı, bu moleküllerin tümünü saflaştırmak ve tam anlamıyla karakterize etmek çok zor bir iş olurdu. Aynen İngiliz alfabesindeki 26 harfin kullanılmasıyla sonsuz sayıda kelime, cümle ve kitap oluşturulabildiği gibi, bu monomerik altbirimler sonsuz sayıda farklı sıralamalar meydana getirmek üzere birbiriyle kovalent bağlarla bağlanabilir (Şek. 1- 3).

Deoksiribonükleik asitler (DNA), deoksiribonükleotit adı verilen sadece dört çeşit monomerik altbirimden inşa edilir. Ribonükleik asitler (RNA), sadece dört tip ribonükleotitten oluşturulur. Proteinler 20 farklı amino asitten oluşmaktadır. Tüm nükleik asitlerin oluşumunda kullanılan sekiz çeşit nükleotit ve tüm proteinlerin yapımında kullanılan yirmi çeşit amino asit tüm canlı organizmalarda aynıdır. Monomerik altbirimlerin özgül dizilişlerinin yanı sıra üç boyutlu düzenlenimleri, makromoleküllerin genler, katalizörler, hormonlar ve diğerleri gibi özel biyolojik işlevlerini belirler.

Tüm makromoleküllerin inşa edildiği monomerik alt birimlerin pek çoğu, hücrelerde birden fazla işlev yapmak üzere görevlidir. Nükleotitler sadece nükleik asitlerin yapıtaşları olarak değil, enerji-taşıyıcı moleküller olarak da görev yapar. Amino asitler proteinlerin alt birimleridir ve hormonların, nörotransmitörlerin, pigmentlerin ve birçok diğer biyomolekülün de öncülleridir.

Hücre ürettiği özel proteinler (enzimler)’le bir çok reaksiyonun oluşmasına imkan sağlar. Yine hücre, kendi çevresi ile dinamik bir halde bulunur ve asla çevre ile denge haline gelmez. Bunu da çevreden aldığı maddelerden sağladığı enerji ile sağlar. Moleküller arasında kurulan kuvvetli kovalent ve daha zayıf bağlarla çeşitli yapıların oluşması sağlanır. Bütün bu mekanizmalar biyokimyanın konusu içine girmektedir.

Bir canlı organizmadaki her parça özel bir fonksiyona sahiptir Bir canlı organizmadaki her parça özel bir fonksiyona sahiptir. Bu durum sadece yaprak, kalp, dalak gibi makroskobik yapılar için değil, nukleus, kloroplast, mitokondri gibi mikroskobik yapılar için de geçerlidir. Mikroskobik ve makroskobik yapıyı oluşturan moleküllerin belli bir program içinde hareket etmeleri, canlının oluşumu, çoğalması için bir gerekliliktir.

Biyokimyacılar bakteri, bitki ve insan gibi biri birinden oldukça farklı organizmalarda bile aynı kimyasal bileşiklerin ve aynı temel metabolik yolların olduğunu keşfetmişlerdir. Şimdi biliyoruz ki tüm canlı organizmalarda biyokimyanın temel prensipleri ortaktır. Her ne kadar bilim adamları genellikle özel bir organizma türü ile çalışırlarsa da, bir canlı için elde edilen sonuçlar genel olarak diğer organizmalar için de uygulanabilir.

Görünüşte bir çınar ağacı, onun dalına konmuş bir kartal, gölgesinde oturan bir insan ve köklerinde bulunan bir toprak bakterisi oldukça farklı organizmalardır. Ancak, yüzlerce yıllık biyokimyasal çalışmalar göstermiştir ki, bu kadar farklı görünüşe sahip bu organizmalar mikroskobik ve kimyasal olarak birbirlerine oldukça benzerlik göstermektedirler. Biyokimya, canlıların moleküler seviyedeki bu benzerliklerini, bu moleküllerin her birinin yapı ve fonksiyonunu araştırmayı konu edinir.

Canlı organizmalar oldukça düzenli olan yapılarını çevreden sağlamış oldukları enerji ile elde tutarlar. Ekzergonik kimyasal reaksiyonlar ve fotokimyasal reaksiyonlar endergonik reaksiyonların oluşmasını mümkün kılarak bu ısı yaparlar. Tüm canlı hücreler belli ısılarda çalışan kimyasal makinelerdir. Esasta canlılar için gerekli enerjinin hepsi direkt veya indirekt olarak güneş ışığına bağlıdır. Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları canlılardaki enerji akis ve depolanmasında temel rol oynarlar. Enerjinin çevreden alınıp, bir canlıdan diğerine transferi için tüm organizmalar birbirine ihtiyaç duyar.

En düşük enerji seviyelerine düşmemek için (yani ölmemek için) canlılara enerji gereklidir ve bunu da çevreden beslenme ile alırlar. Organizmaların iç yapısı dış dünya ile yani çevre ile asla denge halinde değildir. Ölüm halinde ancak dengeye ulaşılır. Organizmalar yaşadıkları çevre ile enerji ve madde alışverişinde bulunurlar.