Canlılarda metabolik yolların kontrolü nasıl oluyor?

Değerli kardeşimiz,

EXCELLENT CONTROL OF METABOLIC PATHWAYS IN LIVING BEINGS

Prof. Dr. Ömer İrfan KÜFREVİOĞLU

Atatürk Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, Erzurum, Türkiye [email protected]

Abstract

Vitality requires the fulfillment of millions of tasks. Even in a simple organism like E. coli, a thousand chemical reactions occur. The number of biochemical reactions is very large when we consider the higherlevel living organisms. In fact, each molecule works within the cell with maximum efficiency. In summary, every molecule in living organisms is used in the most economical way.

The reactions in living things take place in a series of metabolic pathways. Each metabolic pathway has specific targets. It is controlled based on these goals. Most of these systems inhibit the first enzyme of the metabolic pathway when the final product of the series of reactions reaches a certain concentration. This type of end product inhibition is called feedback inhibition.

Another important control of metabolic regulation is the genetic control of enzyme synthesis, because enzymes are encoded by the genes in the DNA. The rate of a particular metabolic pathway is closely related to the intracellular amounts of enzymes that work in that pathway. The intracellular amount of some enzymes is constant, while others vary as needed. The genes bearing information about the synthesis of these enzymes are under an inhibition which, if necessary, is removed by some compounds and the enzyme is synthesized.

These control mechanisms within a cell are guided by the needs of an entire organism, such as the human body. These events take place outside of our willpower and cannot be said to have been carried out by unconscious molecules. The excellent control of metabolic events according to their needs is the clear proof of the existence of God, an infinite knowledge and might.

Key Words: Metabolic pathway, Genetic control

CANLILARDA METABOLİK YOLLARIN MÜKEMMEL KONTROLÜ

Prof. Dr. Ömer İrfan KÜFREVİOĞLU Özet

Canlılık hali milyonlarca görevin yerine getirilmesini gerektirmektedir. E.coli gibi basit bir organizmada bile bin civarında kimyasal reaksiyon vuku bulmaktadır. Yüksek canlı yapılarını göz önüne aldığımızda biyokimyasal reaksiyonların sayısı büyük bir rakama ulaşır. Gerçekten her bir molekül hücre içerisinde maksimum verimle çalışır. Özetle, canlılardaki her molekül en ekonomik şekilde kullanılmaktadır.

Canlılardaki reaksiyonlar bir seri metabolik yollarda cereyan etmektedir. Her metabolik yolun belirli hedefleri vardır. Bu hedeflere göre kontrol edilir. Bu sistemlerin çoğunda, seri reaksiyonların son ürünü belirli bir konsantrasyona eriştiğinde metabolik yolun ilk enzimini inhibe eder. Bu tip son ürün inhibisyonuna feedback inhibisyonu adı verilir.

Metabolik düzenlenmenin diğer önemli kontrolü enzim sentezinin genetik yoldan kontrolüdür. Zira enzimler, DNA üzerindeki genler tarafından şifrelenir. Belirli bir metabolik yolun hızı, o yolda görev yapan enzimlerin hücre içi miktarına yakından bağlıdır. Bazı enzimlerin hücre içi miktarı sabit iken, bazıları ise ihtiyaca göre değişir. Bu enzimlerin sentezi ile ilgili bilgileri taşıyan genler bir baskı altındadırlar ve bu baskı ihtiyaç halinde bazı bileşikler vasıtasıyla ortadan kaldırılır ve enzim sentezlenir.

Bir hücre içindeki bu kontrol mekanizmaları, insan vücudu gibi bütün bir organizmanın ihtiyacına göre yönlendirilmektedir. Bu olaylar irademiz dışında cereyan etmektedir ve şuursuz moleküller tarafından yapıldığı söylenemez. Metabolik olayların ihtiyaca göre mükemmel kontrolü, sonsuz bir ilim ve kudret sahibi Allah’ın varlığının apaçık delilleridir.

Anahtar Kelimeler: Metabolik yol, Genetik kontrol

1. GİRİŞ

Hücrelerde fonksiyonlarını yerine getirmek için gereken enerjiyi üretecek miktarda besin maddesi kullanılır. Aynı şekilde hücre bileşenlerinin biyosentez hızı acil ihtiyaçlarına göre ayarlanır. Mesela, hücrelerdeki amino asit sentezi, protein sentezi için gerekli olan minimum seviyede amino asit sağlayacak hızda gerçekleşir. Böylece hücredeki metabolizma olaylarında hiçbir besin maddesi israf edilmez, ihtiyaç duyulan kadarı kullanılır, gerektiği kadar sentez yapılır, yani kısaca hücre maksimum ekonomi prensiplerine uygun çalışan bir sistemdir.

E.coli gibi basit bir organizmada bile bin civarında kimyasal reaksiyon vuku bulmaktadır. Yüksek canlı yapılarını göz önüne aldığımızda biyokimyasal reaksiyonların sayısı büyük bir rakama ulaşır. Bir canlı hücrede enerji elde etmek ve biyosentez olayları, son derece karmaşık bir kimyasal reaksiyon ağı ile gerçekleştirilir. Bu ağda yer alan reaksiyonların tümüne birden metabolizma denir. Bu reaksiyonların kontrol edilmemesi canlı hayatının son bulması anlamına gelir. Bu olaylar hücrelerde mükemmel bir şekilde ve farklı yollarla kontrol edilirler (Lehninger, 1983).

2. ALLOSTERİK ENZİMLERİN İNHİBİSYONU VEYA AKTİVASYONU İLE METABOLİK REAKSİYONLARIN KONTROLÜ

Bir seri reaksiyon ihtiva eden bir metabolik yolda, son ürün belirli bir miktara (konsantrasyona) ulaştığında reaksiyon serisinin ilk enzimi veya dallanma noktasındaki enzimi inhibe edilir. Böylece bu reaksiyon serisi yavaşlar veya durur. Aksi takdirde ihtiyaç olmadığı halde boşu boşuna reaksiyonlar olacak ve hücredeki düzen bozulacaktı. Bu olaya feedback inhibisyonu adı verilir.

Bir metabolik yolun kontrol noktasındaki enzimine allosterik enzim denir. Bu enzimleri etkileyen bileşiklere aktivatör veya inhibitör adı verilir. Örnek olarak hücrede ADP’nin yüksek miktarı, hücrede enerji ihtiyacı olduğu anlamına gelir ve ADP katabolizma (yıkım) reaksiyonlarını aktive eder. Bunun yanı sıra, anabolik (biyosentez) ve katabolik reaksiyon dizilerinin düzenleyici enzimleri ve bunları etkileyen faktörler farklı olduğundan, bunlar birbirlerinden bağımsız olarak düzenlenip, kontrol edilirler.

Birçok hücrede meydana gelen önemli bir metabolik yol olan glikolizi ele alalım: Sitozolde meydana gelen bu reaksiyon serisiyle glukoz, iki piruvat molekülüne çevrilirken, bu arada da iki ATP ve iki NADH meydana gelir. Glikoliz iki amaca hizmet eder: (1) ATP üretmek, (2) biyosentez olaylarında kullanılmak üzere karbon iskeletleri sağlamak. Glukozun piruvata çevrilme hızı, bu çifte ihtiyacı karşılamak üzere düzenlenir. Glikolizde en önemli kontrol noktası, fosfofruktokinaz-1 enzimidir. Yüksek ATP ve sitrat seviyeleri bu enzimi inhibe ederken, AMP de inhibisyonu azaltır (Berg et al. , 2014).

İşin bir başka yönü de allosterik enzimlerin miktarı da genetik kontrol altındadır. İhtiyaç duyulursa bu enzimler üretilir. Yani bir canlıdaki bütün olaylar arasında muazzam bir koordinasyon bulunmaktadır. Bu koordinasyonu şuursuz moleküllere vermek ne derece akla uygundur?

3. GENETİK KONTROL MEKANİZMALARI

Normal hücrelerde genetik bilginin akışı;

yönündedir. Ancak her gen, belirli hücrelerde ve belirli zamanlarda organizmanın ihtiyacına göre ekspresyona uğramakta, yani açılmaktadır. Örnek olarak albümin geni sadece karaciğerde açılır; globin geni alyuvarların öncül hali olan retikülositlerde açılır. İnsanı düşünecek olursak insanda mevcut alyuvar hücresi hariç her hücre 23 bin protein genini paket program gibi ihtiva etmesine rağmen, her gen farklı hücrelerde ve ihtiyaca göre açılır.

Belirli bir metabolik yolun hızı, o yolda görev yapan enzimlerin hücre içi konsantrasyonuna yakından bağlıdır. Bazı enzimlerin hücre içi konsantrasyonu sabit iken, bazılarının konsantrasyonu da belirli substratların varlığına bağlıdır. Bu enzimlerin sentezi ile ilgili bilgileri taşıyan genler bir baskı altındadırlar ve bu baskı bazı bileşikler vasıtasıyla ortadan kaldırılabilir. Hatta bir multienzim sistemindeki enzimlerin tamamının sentezi beraberce baskılanabilir veya uyarılabilir, çünkü bunların sentezi, DNA üzerindeki ve operon adı verilen birbirlerini takip eden genler tarafından şifrelenir. Bunlar da beraberce baskılanır veya uyarılır. Özellikle, bakterilerde bu mekanizma daha önemlidir (Keha ve Küfrevioğlu, 2012).

Genetik düzenlenme aşağıdaki basamaklarda olur.

1. Prokaryotlarda genetik ifadenin en önemli kontrol noktası transkripsiyonun başlangıç safhasıdır. Örnek olarak E.coli’de açıklanan lac operon modelinde, laktoz operonunun genetik elemanlarını bir regülatör (düzenleyici) gen, bir operatör gen ve bir seri yapısal genler oluşturmaktadır.

Şekil 1.1.E.coli’de lac operon modeli

Regülatör genden operatör genle etkileşebilen ve protein yapısında molekül olan bir represör protein sentezlenir. Operatör gen kontrol ettiği yapısal genlerin bitişiğinde bulunur. Represör proteinin operatör gene bağlanması sonucu yapısal genlerin transkripsiyonu engellenir. Operatör gen ve beraberindeki yapısal genlere bir arada operon adı verilir. Laktoz operonunda “i” geni regülatör geni, “o” geni, operatör geni, “z,y ve a” genleri de yapısal genleri temsil etmektedir. Ayrıca RNA polimerazın bağlanması için “p” ile gösterilen bir promoter bölgesi vardır. Bu durumda da z,y ve a genleri sözü edilen üç enzimi şifreleyen bir mRNA molekülüne çevrilir.

1. Ortamda laktoz yoksa, i geninden sentezlenen represör protein “o geni”ne bağlanarak yapısal genlerin açılması önlenir.
2. Ortamda laktoz varsa, hücre içinde allolaktoz molekülü sentezlenir, represör proteine bağlanarak üç boyutlu yapısının değişmesine yol açar. “o geni”ne bağlanamayınca yapısal genler açılır. Yapısal genlerden de üç farklı protein yapılır: Permeaz, laktozu hücre içine taşır; Galaktozidaz, laktozu glukoz ve galaktoza parçalar. Transasetilaz, toksik maddeleri uzaklaştırır.

Burada görüldüğü gibi, tamamen hücrenin ihtiyacına ve ortama göre olaylar cereyan etmektedir. Ortamda laktozun (süt şekeri) bulunması yapısal genlerin açılmasına yol açarken, laktozun bulunmaması genlerin baskılanmasına sebep olur (Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. , 1993).

Burada görüldüğü gibi, tamamen hücrenin ihtiyacına ve ortama göre olaylar cereyan etmektedir. Ortamda laktozun (süt şekeri) bulunması yapısal genlerin açılmasına yol açarken, laktozun bulunmaması genlerin baskılanmasına sebep olur (Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. , 1993).

2. Çok hücreli ökaryotlarda genetik düzenlenme, çok daha karmaşık ve bir çok faktörün rol aldığı bir olaydır. Aslında, bir gen yapısı transkripsiyonunu düzenleyen "transkripsiyon elementlerini (TE)" de içinde bulundurur. Transkripsiyon elementleri, transkripsiyon faktörleri (TF) adı verilen çeşitli proteinlerin bağlanarak transkripsiyon hızının düzenlendiği DNA üzerindeki dizilişlerdir. Bu bölgelere, hormon-reseptör komplekslerinin de aralarında bulunduğu, birbirinden farklı yapıda olan ve farklı şekillerde aktifleştirilen yüzlerce çeşit transkripsiyon faktörlerinden bir veya birkaçı bağlanarak ökaryotik genetik ekspresyonu düzenlenir.

3. Ökaryotik canlılardaki genlerin büyük çoğunluğunda protein yapısına dönüşen ekzon bölgelerinin yanı sıra intron denilen protein yapısına dönüşmeyen bölgeler de bulunmaktadır. Bir gen açılırken önce heterojen nükleer adı verilen mRNA’ların öncül hali (hnRNA) sentezlenir. Daha sonra intronlara karşılık gelen kısımlar splicing adı verilen bir mekanizmayla uzaklaştırılır. Bir gende çok sayıda intron bölgeleri bulunabilir. Bir mRNA üzerinde alternatif splicing'lerle farklı mRNA'lar oluşturulabilmektedir. Alternatif splicing’ler yapılarak ilgili hücrenin ihtiyacı olan farklı proteinler sentezlenir.

4. Bazen, aynı mRNA'nın farklı hücrelerde farklı baz modifikasyonu farklı proteinleri ortaya çıkarabilmektedir. Mesela, şilomikronların yapısındaki apoB-48 ve VLDL yapısındaki apoB-100, sırasıyla, bağırsak ve karaciğerde aynı mRNA'dan sentezlenmektedir. ApoB-48, apoB-100'ün amino ucundaki amino asitleri aynen taşımakta olan ve 48kDa molekül ağırlığında bir proteindir. Bağırsakta, bu proteinlerin mRNA'sındaki CAA kodonunun bir 'sitidin deaminaz' enzimince UAA kodonuna, yani, glutamin kodonundan 'stop' kodonuna dönüştürüldüğünü ve bunun sonucu olarak, DNA üzerinde aynı gen tarafından şifrelenen iki farklı uzunlukta proteinin karaciğer ve bağırsakta böyle bir mekanizma ile ortaya çıktığını göstermiştir (Keha ve Küfrevioğlu, 2012).

​ 5. Genetik kontrol protein sentezi safhasında da olabilir. Translasyonal düzenlemeye örnek olarak, 'hem' grubu eksikliğinde, retikülositlerde hemoglobin alt birimleri olan ve altbirimleri sentezinin yavaşlatılması verilebilir. Bu durumda, eIF-2 özel bir kinaz tarafından fosforillenerek inaktif hale dönüştürülmekte ve protein sentezinin başlaması önlenmektedir. Böylece “hem” grubu eksik olduğunda globin protein sentezi yapılmamaktadır.

Canlılarda her an meydana gelen binlerce metabolik olay, yukarıda anlatıldığı şekilde çok farklı yollarla kontrol edilmektedir. Böylece hem israf önlenmekte hem de canlının hayatı devam ettirilmektedir. Bu da bütün kainatta her an sonsuz ilim, irade ve kudretle tasarruf eden Allah’ın varlığının en büyük elillerindendir. “Akıllar O’nun sanatı karşısında hayrettedirler” vecizesi bunu ne güzel ifade etmektedir.

KAYNAKLAR

1. Keha, E.E., Küfrevioğlu, Ö.İ. , Biyokimya, Aktif Yayınevi, 9.Baskı, 2012.
2. Lehninger, A.L., (1983), Biochemie (übersetzt von H. Kleinig und B. Liedvogel), Weinheim, Verlag Chemie, 2.Auflage.
3. Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. (1993), Principles of Biochemistry, New York, Worth Publishers, Inc., second edition.
4. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L., (2014), Biyokimya, 7.Baskıdan çeviri (ed. Deanizli, A., Özden, A.K., , Ankara, Palme Yayıncılık.

Kaynak: Bilim Işığında Yaratılış Derneği

Selam ve dua ile...
Sorularla İslamiyet