Metabolizma | Anabolik ve Katabolik Yollar, ATP, NAD+, FAD ve CoA

Hücrede temel olarak iki tip metabolik olay gerçekleşir: Anabolik olaylar (yapım olayları) ve katabolik olaylar (yıkım olayları). Katabolik reaksiyonlarda atomlar arası bağlar kırılır -örneğin midede proteinlerin amino asitlerine parçalanması sırasında amino asitler arasındaki peptit bağlarının kopması- ve bu kopma sonucunda bir enerji açığa çıkar. Kısacası katabolik reaksiyonlarda ΔG negatiftir. Bunun tam tersi olarak anabolik reaksiyonlarda atomlar arası yeni bağlar kurulur ve küçük parçalar bir araya getirilip büyük parçalar oluşturulur -örneğin hücrede translasyon esnasında amino asitlerin peptit bağıyla bir araya gelip proteinleri oluşturması- ve bu yeni bağların oluşturulması için enerjiye gereksinim duyulur. Kısacası anabolik reaksiyonlarda ΔG pozitiftir.

Hücredeki bazı yolaklar hem anabolik hem de kataboliktir yani hem yapım hem de yıkım reaksiyonlarını içerirler ve amfibolik olarak adlandırılırlar.

Katabolik reaksiyonların en önemlisi karbon yakıtların özellikle glukoz ve yağ asitlerinin oksitlenmesidir. Oksitlenme esnasında -örneğin, metan -> metanol -> formaldehit -> formik asit -> karbondioksit- enerji açığa çıkar çünkü bu oksitlenme esnasında belli bir enerjiye sahip olan elektronlar maddeden koparılır, düzenli halden düzensiz hale geçilir, entropi artar ve serbest enerji azalır. 

Anabolik reaksiyonlarda ise düzensizlikten düzenli hale geçilir, yani entropi azalır ve serbest enerji artar. Tüm bunların olabilmesi için de yüksek enerjili elektronlara veya ATP gibi moleküller tarafından verilebilecek enerjiye ihtiyaç duyulur. 

Yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere metabolizma çok karmaşık bir yapıya sahiptir fakat bu yazıda da üzerinde durulacağı gibi metabolik yollar çok fazla ortak motife sahiptir, örneğin ATP, NAD+, FAD ve Coa. [ Çok detaylı olduğu için bu yazıda bu yolakların nasıl keşfedildiği üzerinde durulmayacaktır. Fakat nasıl hücrede hangi genlerin bulunduğuna dair araştırmalar yapan "genomics", hangi RNA'ların bulunduğuna dair araştırmalar yapan "transcriptomics" gibi alanlar varsa hücrede hangi metabolitlerin bulunduğuna dair ( genellikle mass spectrometry'yi kullanarak) araştırmalar yapan "metabolomics" adlı bir alan vardır.]

ATP:

  Yukarıda da bahsedildiği gibi hücrede enerji salan katabolik reaksiyonlar (ΔG<0 font=""> ve enerjiye ihtiyaç duyan anabolik reaksiyonlar (ΔG>0) gerçekleşmektedir. Ve tahmin edebileceğiniz üzere bu iki reaksiyon arasında enerjiyi iletebilecek bir moleküle ihtiyaç duyulmaktadır.

ATP adenin bazına ve alfa, beta, gama olarak adlandırılan fosfat gruplarına bağlı ribozdan oluşur ve hücrede yukarıda bahsedilen enerji taşınımı yani "energy coupling" görevini üstlenir.

ATP'nin hidrolizi ( yani gama fosfatın ATP'den ayrılması ) olayı çok büyük ve negatif ΔG değerine sahiptir. Bir başka değişle ATP'nin hidrolizi sırasında büyük miktarda enerji salınımı gerçekleşir. Eğer bu hidroliz endegonik reaksiyonlarla birleştirilirse endergonik reaksiyonlar enzimler tarafından katalizlenebilir. Kısacası, katabolik reaksiyonlar esnasında ATP üretilir yani bu reaksiyonlarda açığa çıkan enerji gama ve beta fosfat arasında bulunan fosfoanhidrid bağında depolanır ve anabolik reaksiyonlarda yüksek enerji depolayan fosfoanhidrid bağı yıkılarak negatif ΔG değeri elde edilir. 

Yukarıda anlatıldığı gibi ATP'nin enerji taşıyıcısı olarak kullanılmasının nedeni büyük ve negatif ΔG değerine sahip olmasıdır, bu değerin sebebi ise şunlardır:

   - ATP üç adet negatif yüke sahip fosfat grubu bulundurmaktadır. Bu da ATP içerisinde elektrostatik itme kuvvetine sebep olmaktadır.

   - Hidroliz olayı hücrede entropinin artmasını sağlamaktadır.

   - Hidroliz sonucu oluşan inorganik fosfat solüsyon içerisinde resonans yaparak ATP'nin içerisinde bulunduğundan daha stabil bir durumda bulunmaktadır.

  - Hidrolizden sonra su molekülleri ADP ve P'ye bağlanarak onları stabil hale getirmektedir.

Burada belirtmek gerekir ki ATP'nin enerji taşıyıcısı olarak kullanılmasının bir diğer sebebi kinetik olarak çok stabil olmasıdır. Bir başka değişle herhangi bir enzim yokken ATP hidrolizi gerçekleşmez. 

NAD+ / NADH ( Nikotinamid Adenin Dinükleotit ) FAD / FADH2 ( Flavin Adenin Dinükleotit) :

NAD+ ve FAD yüksek enerjili elektron taşıyıcılarıdır. 

NAD+ (Nikotinamid Adenin Dinükleotit) adından da anlaşılabileceği üzere iki nükleotitin bir araya gelmesinden oluşur. Bu iki nükleotitten bir tanesi RNA'nın da yapıtaşı olan AMP iken diğeri organik baz olarak niasin vitamininden türeyen nikotinamidi içeren nükleotittir.  

Organik moleküller -örneğin Krebs döngüsü esnasında acetil- oksitlenirken bu moleküllerden kopan iki adet elektron bir adet hidrojen ile birlikte NAD+ 'a verilir ve NADH oluşturulur. Daha sonradan NADH bünyesinde bulundurduğu elektronları ya kristada bulunan elektron taşıma sistemine aktarır ve ATP sentezini sağlar ya da başka bir yolakta redükleyici ajan olarak görev yapar. Kısacası, yüksek enerjili elektronları taşıma görevini üstlenir.

 FAD ( Flavin Adenin Dinükleotit) de NAD+ gibi iki adet nükleotitten oluşturmaktadır. Bu nükleotitlerden biri AMP iken diğeri riboflavin vitamininden türeyen bir nükleotittir.

 FAD aynı NAD+ gibi yüksek enerjili elektronları taşımaktan sorumludur. Fakat arada iki temel vardır:

 - FAD redüklenirken iki yüksek enerjili elektronla birlikte iki adet hidrojen alır ve FADH2'ye dönüşür.

 - FADH2 oluşturmak için gereken serbest enerji miktarı NADH oluşturmak için gerekenden daha azdır.

 Aynı ATP gibi, NADH ve FADH2 kinetik olarak çok stabil moleküllerdir. Bir başka değişle hem NADH hem de FADH2 gerekli proteinler olmadan taşıdığı yüksek enerjili elektronları ortama bırakmaz.

CoA:

CoA Vitamin B5'ten türeyen asil (açil)  grubu taşıyıcısıdır.

En önemli görevi, pirüvatın ya da yağ asitlerinin oksitlenmesi sonucu oluşan asetil grubuna bağlanıp asetil CoA olarak Krebs döngüsünde rol almasıdır. 

Referanslar:
Alberts, B. (2018). Essential Cell Biolog. Essential Cell Biolog. Garland Science. https://doi.org/10.1201/9781315815015
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Biochemistry (5th ed.). Vasa (5th ed.). New York: W.H.Freeman & Co Ltd.