ENERJİ METABOLİZMASI

Mikroorganizmalarda, enerji oluşturan oksidatif nitelikteki biyokimyasal olaylara biyolojik oksidasyon (biyooksidasyon) adı verilir. Oksidasyon, bir substratın oksijenle (O2) birleşmesi veya substrattan, hidrojen (H+) ve elektronun (e-) çıkması olayıdır. Bir madde okside olurken diğeri redükte olur. Bu nedenle de biyooksidasyon bir oksidasyon-redüksiyon reaksiyonudur. Biyooksidasyon birbirini izler ve birlikte oluşurlar. Bir maddeden, hidrojen ve elektronun çıkması için, bir hidrojen alıcısına gereksinme duyulur. Hidrojen veren substrat okside olur ve alıcı da, hidrojen ve elektronla birleşerek, redükte olur. Bu sebeple de elektron veren redüksiyon yapan, ve elektron alan da oksidasyon yapan ajandır.

Bu iki reaksiyonda da oksijen, hidrojen ve elektron alıcısı olarak kullanılmıştır. Oksidasyon olayları sonunda genellikle enerji açığa çıkar.

Biyooksidasyon başlıca iki tarzda oluşmaktadır:

1- Aerobik oksidasyon: İnorganik ve organik substratların, okside olarak moleküler oksijenle (O2) birleşmesi bir aerobik biyooksidasyon olayıdır. Bu reaksiyon oksidase enzimleri aracılığı ile yürütülür. Aerobik oksidasyonda, tam bir oksidasyon meydana gelirse, açığa çıkan enerji çok fazla olur. Bu tarz biyooksidasyon, kemolitotrofik mikroplarda, toprak bakterilerinde, aerobik ve bazı fakültatif mikroorganizmalarda da görülebilir.

İnorganik maddelerin oksidasyonu (oksijenin hidrojen alıcısı olarak kullanıldığı olaylar):

Organik maddelerin oksidasyonu:

Saccharomyces cerevisiae glukozu tam olarak okside eder ve 688 Kcal. açığa çıkar. Bu tarz aerobik oksidasyonda oksijen kullanıldığı ve tam bir ayrışma meydana geldiği için çok fazla enerji üretilmektedir. Ara maddelerin olmaması veya çok az olması, çıkan enerjinin miktarı ile ilişkilidir.

Bazı oksidasyon olaylarında da oksijen kullanılmasına karşın, tam bir oksidasyon meydana gelmeyebilir. Reaksiyon sonu oluşan ara ürünlerin atomları arasında bağlı olarak kalan enerjinin ancak bir kısmı açığa çıkar. Geri kalan kısmı ise bağlı kalır.

Acetobacterlerin şaraptan sirke asiti oluşturması buna örnek olarak verilebilir.Bu olayda, enerjinin çoğu asetik asitin atomları arasında bağlı kalmış, açığa çıkmamıştır. Birçok mantarlar da asetik asiti tam okside ederek CO₂ ve H₂O meydana getirirler ve fazla enerji açığa çıkarırlar.

2- Anaerobik oksidasyon: Bu tür biyooksidasyon, fakültatif ve anaerobik mikroorganizmalar tarafından meydana getirilir. Anaerobik oksidasyonda, aerobikin aksine, hidrojen alıcısı olarak, oksijenin dışında, bir substrat kullanılır. Bu amaç için, inorganik (N, SO₄, S, C, KNO₃, NaNO₃, CO₂, CO vs) ve organik maddelerden yararlanılır (fermentasyon veya glikolizis).

Fermentasyon, anaerobik koşullarda, biyooksidasyon olaylarında, organik substratların hidrojen alıcısı olarak kullanılmasıdır. Anaerobik mikroorganizmalar hidrojen alıcısı olarak, oksijenden başka maddeler (inorganik veya organik) kullanırlar. Fakültatiflerde ise enzimler, hem aerobik ve hem de anaerobik koşullarda oksidasyon yapabilecek yetenektedirler.

Mikroorganizmalarda enerjinin çok önemli görevleri vardır. Biyokimyasal olaylar ancak enerji yardımı ile gerçekleştirilebilir. Bu enerji, ya ışıktan ya da kimyasal maddelerin (inorganik veya organik substratlar) biyooksidasyonundan sağlanır. Enerjiye en fazla sentez olaylarında gereksinme duyulur. Diğer fonksiyonlar da (hareket, hücre bölünmesi, aktif transport, bioluminesens, vs.) yine enerji yardımıyla oluşturulurlar. Biyooksidasyon reaksiyonları sonu açığa çıkan enerji, elektrostatik kuvvetle, ADP (adenozin difosfat) ve ATP'nin (adenozin trifosfat) fosfat bağları arasında muhafaza edilir.

Böyle bağlara, enerjice zengin fosfat bağları adı verilir. Sentez olaylarında lüzumlu olan enerji, bu bağların hidrolize olması sonu meydana çıkan enerjiden sağlanır. Bu nedenle, ADP ve ATP, enerjiyi depo eden ve lüzumu halinde bunu gerekli yerlere yönelten bir merkez olarak görev yaparlar. Enerjinin depolanması ve kullanılması, hücrenin genetik kontrol sistemi altındadır.

Bakterilerde oluşan enerji ısı şekline dönüştürülemez. Aerobik oksidasyondan elde edilen enerji anaerobik oksidasyondan çok daha fazladır. Örn. glukozun aerobik oksidasyonunda 688 Kcal. ve 38 mol ATP elde edilmesine karşın anaerobik oksidasyonda sadece 54 Kcal. ve 2 mol ATP meydana gelir.

Enerjice zengin bağlar: Substratların biyooksidasyonundan açığa çıkan enerji, özel ve hidrolize olabilir enerjice zengin bağlar tarafından tutulurlar. Bu bağlar ADP ve ATP'nin fosfat atomları arasında saklı kalır ve bu bağlar hidrolize olunca enerji serbest kalır. ADP'de bir ve ATP'de ise iki adet böyle bağ bulunur. ATP hidrolize olunca AMP veya ADP haline dönüşür. Bunların tekrar, ATP haline gelebilmesi için bir seri reaksiyonlara (oksidatif fosforilasyon, substrat fosforilasyonu ve fotofosforilasyon) gereksinme duyulur.

Bu reaksiyonlar ATP oluşturan çok önemli biyokimyasal olaylardır.

1- Oksidatif fosforilasyon: Substrattan, hidrojen ve elektron çıkarılarak, moleküler oksijene kadar aktarılmasında, birçok ara maddelerden (flavoprotein, sitokrom, NAD, NADH₂) geçirilir. Elektron aktarımı, bu işlemler sırasında, ADP'nin fosforilasyonu ile birlikte gerçekleştirilir.

2- Substrat fosforilasyonu: Bu tür fosforilasyon, Embden-Meyerhof biyokimyasal yolunda enerjice zengin bağların meydana gelmesi ile ilişkilidir ve genellikle, ADP ve ATP üretilir. Örn.3-fosfogliserolaldehid, Pi bulunan ortamlarda, NAD tarafından oksitlenerek, 1,3-difosfogliserik asit meydana gelir ve yeni fosfat grubu da ADP'ye aktarılır.

Hücrelerde, ADP ve ATP'den ayrı olarak, enerji içeren substanslar da bulunur. Bunlar arasında, sitozin trifosfat (CTP), guanozin trifosfat (GTP) ve uridin trifosfat (UTP) sayılabilir. Ancak, bunlar da enerjilerini ATP'den temin ederler ve çeşitli reaksiyonlara kanalize ederler.

Elektron Transportu

Substrat moleküllerinden, dehidrogenasyon yolu ile çıkarılan hidrojen ve elektron, diğer hidrojen alıcılarına özel taşıyıcı sistemlerin (elektron transport sistemleri) katalize ettiği reaksiyonlar aracılığı ile aktarılır. En iyi elektron taşıyıcı koenzimler arasında, NAD, NADP, riboflavinfosfat, FAD, çeşitli porfirinler bulunur.

NAD (nikotinamid adenin dinukleotid): Dehidrogenasyon, reaksiyonu birçok hücrede genellikle, NAD veya NADP tarafından başlatılır. Bunlar, birçok apoenzimle birleşerek, esas aktif enzimin , özel substrat için, spesifitesini artırırlar. NAD'nin esas kısmını nikotin amid grubu oluşturur. Bu grubun piridin halkası, substrattan, hidrojen ve elektron alarak, NADH₂ haline redükte olur. Bu da sonradan, ikinci hidrojen alıcıya (FAD) hidrojeni vererek NAD ilk durumuna reokside olur.

FAD (flavin adenin dinukleotid): Sarı renkli ve bir koenzim olan FAD'nin bileşiminde vitamin -B2 (riboflavin) bulunur. FAD hidrojen alınca FADH₂'ye redükte olur. Bu sonradan hidrojen vererek FAD haline reokside olur.

Sitokrom sistemi: Bu gruba ait sarı renkli pigmentler (a, a₃, b,c, ve diğerleri) aerobik ve fakültatif mikroorganizmalarda bulunur. Sitokrom pigmentlerinde demir vardır. Sitokromlar hidrojeni aldıktan sonra iyonize ederler (H₂ ®2H+ 2e-). Buradan çıkan hidrojen hücre dışına aktarılarak serbest oksijenle birleşir (H₂O veya H₂O₂) ve elektron da sitokrom sistemine girer.

Eğer serbest oksijen yoksa veya bakteri bunu kullanamazsa, bu takdirde, hidrojen alıcısı olarak oksijen içeren substanslar (NaNO₃, H₂SO₄, CO₂ v.s.) veya diğer bileşikler (H₂S, sülfit, vs.) kullanılır. Böyle mikroorganizmalara, oksijene gereksinme yönünden, fakültatif adı verilir.

Bioluminesens: Fluoresens mikroorganizmalar tarafından ışık oluşturulması olayına bioluminesens adı verilir. Olay, biyooksidasyon reaksiyonlarında oluşan enerjinin ışık enerjisi haline dönüştürülmesidir. Pseudomonas ve vibrio türlerinde böyle ışık verebilen mikroplara rastlanır. Meydana gelen ışık mavi-yeşil olup dalga boyu 490 nm civarındadır. Bioluminesens olayında, serbest bulunan FMN (flavin mono nukleotid), NADH₂ tarafından redükte edilerek enzimle (luciferase) birleşmesi sağlanır. Oluşan kompleks oksijenle okside olarak ışık vermeğe başlar. Işık fotonlarının çıkması ile, luciferase enzimini tekrar eski formuna dönüşür. Bioluminesens olayında uzun zincirli aldehitlerin (palmitil aldehit) önemi fazladır. Bu madde olmazsa, ışık çıkışı 1000 defa azalır.

Karbonhidratların Sentezi

Polisakkaridlerin sentezi, monosakkaridlerden başlar. Dışardan hücreye giren veya hücre içinde bulunan monosakkaridler arasında glikozid bağının kurulması suretiyle polisakkaridler sentezlenirler. Bu sentez olayı bakterilerde başlıca iki tarzda yürütülür:

1- Fosforilasyon: Fosforilase enzimleri tarafından katalize edilen bu reaksiyonda monosakkarid üniteleri arasında glikozid bağı kurularak polisakkaridler sentezlenirler: Örn: N. meningitidis tarafından maltozun sentezi şöyledir.

beta-D-glukoz-1-P6+D-glukoz « beta-D-glukozil D-glukoz +P

2- Transglikozilasyon: Bu reaksiyonda, glikozid bağının bir üniteden diğerine aktarılması ile, yeni bağlar kurulur ve polisakkaridler oluşturulur.

L. mesenteroides, bu biyokimyasal yolla, sakkarozdan bir polisakkarid olan dekstranı sentezler. Dekstran, glukoz monomerlerinden meydana gelmiştir.
 

Kapsül polimerlerinin sentezi: Desktran ve levanlar, disakkaridler (sakkaroz) kullanılarak sentezlenirler. Bu da ortamda sakkaroz ünitelerinin varlığına bağlıdır. Bakterilerde bulunan hyaluronik asit sentezi de benzer yollarla yapılır.

Hücre içi depo polisakkaridlerinin sentezi: Bazı hücreler içinde enerji ve karbon kaynağı olarak polisakkaridler (nişasta, glikojen) biriktirilir. Bunlar, gıda maddesi olarak, dış ortamdaki besin maddelerinin azaldığı durumlarda kullanılır.

GERİ