Doç. Dr. Ufuk ÇakatayDoç. Dr. Hakan Ekmekçi

Biyomoleküller: Biyokimyasal Reaksiyonlar

Biyokimyasal Reaksiyon Nedir?

• Canlılığın devamından sorumlu biyomoleküllerin kendi aralarındaki etkileşimlerinden ve dönüşümlerinden oluşan reaksiyonlardır

• Biyokimyasal reaksiyonların sayısı yüksek olmasına rağmen, genel kimya sistemlerinde meydana gelen reaksiyonların sayısından düşüktür. Bunun nedeni canlı hücrelerdeki moleküllerin büyük bir kısmının sadece sınırlı sayıdaki elementten ve fonksiyonel gruplardan oluşmasıdır.

• Canlı yapısında bulunan elementler H, C, O, N, P ve S olup; ayrıca bazı metal iyonları da (Na+, K+, Mg+2, Ca+2, Zn+2 ve Fe+2 veya Fe+3) bu yapıya katılır. Çok daha az miktarda bulunan elementler ise ( I, Co, Mo, Se, Va, Ni, Cr, F, Si ) olarak sayılabilir.

Biyokimyasal reaksiyonlar, sınırlı sayıda fonksiyonel grupları kullanır

• Farklı sınıftaki molekülleri ilgilendiren biyokimyasal reaksiyonlar, sınırlı sayıdaki fonksiyonel grupları kullanır.

• Biyomoleküllerdeki reaktif grupların çoğu bir veya daha fazla fonksiyonel grup içerir. Bu fonksiyonel grupları içeren hücresel reaksiyonların çoğu, organik kimyadaki hücre dışında farklı koşullarda oluşan reaksiyonlara çok benzemektedir.

Biyokimyasal Reaksiyonların Genel Sınıflandırılması I

1) Reaksiyona giren ve çıkan organik bileşiklerdeki karbon atomlarının sayısına bak. Karbon atomu sayısı aynı ise 2. basamağa git. Eğer C atomu sayısı farklı ise

• a) CO2’in molekül yapısına katılması reaksiyonuna karboksilasyon adı verilir. Enzim karboksilazdır.

CO2 kaybı söz konusu ise reaksiyon oksidatif dekarboksilasyondur. Enzim oksidoredüktaz/ dehidrojenazdır.

• b) C-C bağının yıkılması ile birden fazla C atomu kaybediliyorsa reaksiyondan sorumlu enzim ligazdır.

• c) Birden fazla C atomu, C-C bağının oluşumu ile kazanılıyorsa reaksiyon bir kondenzasyon reaksiyonudur. Katalizleyen enzim ligaz grubuna dahildir.

Biyokimyasal Reaksiyonların Sınıflandırılması II

2) Reaksiyona giren ve çıkan fosfat gruplarının sayısına bak. Fosfat gruplarının sayısı aynı ise 3. basamağa git.

• a)Alkol C-OH grubu, C-OPO3H- ester grubuna dönüşüyorsa reaksiyon transferaz/ kinaz tarafından katalizlenen bir fosforilasyon reaksiyonudur.

• b) Aldehit (CHO) grubu, karboksil (COOH) grubuna dönüşüyorsa reaksiyon oksidoredüktaz / dehidrojenaz tarafından katalizlenen bir reaksiyondur

Biyokimyasal Reaksiyonların Genel Sınıflandırılması III

3) Reaksiyona giren ve çıkan biyomoleküllerin bileşim ve yapı formüllerine bakınız.

• a) Biyomolekülün bileşim formülü aynı yapı formülü farklı ise reaksiyon izomeraz tarafından katalizlenen bir izomerizasyon reaksiyonudur.

• b) C=C çift bağına H2O katılması (hidrasyon) ile alkol C-OH grubu oluşuyorsa reaksiyon liyaz tarafından katalizleniyordur

• c) Bir veya daha fazla oksijen atomu kazanılıyorsa reaksiyon oksidoredüktaz/dehidrojenaz tarafından katalizlenen oksidasyon reaksiyonudur.Bu reaksiyonun tersi (O atomunun kaybı) redüksiyondur/indirgenmedir.

• d) İki veya daha fazla hidrojen atomu kazanılıyorsa reaksiyon redüksiyondur. Eğer reaksiyon alkenin (C=C), alkana (C-C), dönüşüm reaksiyonu ise reaksiyon aynı zamanda hidrojenasyon reaksiyonu olarak da adlandırılır.Oksidoredüktazlar tarafından katalizlenir.

• e) Reaksiyon sonucu oluşan ürün bir molekül H2O’yun ayrılması ile oluşuyorsa reaksiyon dehidratasyon reaksiyonudur. Alkol grubunun

(C-OH), alkene dönüşümü (C=C) liyazlar tarafından katalizlenir

• f) Karboksilik asit veya türevlerinin oluşturduğu bağların suyun etkisiyle yıkımı hidroliz reaksiyonu olarak adlandırılır.

Karboksilik Asitler

• Karboksilik asitler karboksil grubu olan , -C(=O)OH formülüne sahiptirler, bu genelde -COOH veya CO2H olarak da yazılır. Karboksilik asitler , yani proton vericileridir. Karboksilik asitlerin tuz ve anyonlarına karboksilat denir. Karboksilik asitler tipik olarak zayıf

asitlerdir, yani sadece kısmen H+ katyonu ve RCOO− anyonlarına ayrışırlar

Karboksilasyon/Dekarboksilasyon Nedir?

• Bir bileşiğe bir karboksilik grubun eklenmesine karboksilasyon denir; onun çıkartılmasına da dekarboksilasyon. Bu tepkimeleri katalizleyen enzimlere karboksilaz ve dekarboksilaz denir

Karboksilasyon Reaksiyonları Nasıl Gerçekleşir?

• Tiyofen ve imidazol halkalarının kondenzasyonu ile oluşan biotin organizmada karboksilasyon yapan yani bir moleküle CO2 bağlanmasını katalize eden karboksilaz enzim sistemlerinin prostetik grubu olarak bulunur

Asetil-CoA Karboksilaz ReaksiyonuYağ asitlerinin sentezinde karboksibiotin ile asetil-

CoA’nın malonil CoA karboksilasyonu

Oksidatif Dekarboksilasyon Nedir?

Karboksil (–COOH) / karboksilat (-COO-) grubunun CO2 şeklinde uzaklaştırılması ile meydana gelen oksidasyon reaksiyonlarıdır. Koenzimlerin varlığı (NAD+,FAD+) bu tip oksidasyon reaksiyonların gerçekleşmesi için mutlaka gereklidir.

Pirüvat dehidrogenaz kompleksi ve oksidatif dekarboksilasyon

• Aşağıdaki reaksiyonda, Koenzim A (CoASH) varlığında, glukozun (6C) glikoliz reaksiyonları ile yıkımı sonucunda oluşan pirüvatın (3C) Asetil-CoA’ya oksidatif dekarboksilasyonu görülmektedir

Mitokondrial Matriksdeki Krebs (Tikarboksilik/Sitrik Asid Çevrimi) ve Oksidatif

Dekarboksilasyon Reaksiyonları

Dallanmış amino asitlerin transaminasyon (aminotransferaz 1) ve oksidatif dekarboksilasyon

(mitokondriyal alfa- ketoasit dehidrojenaz kompleksi 2) reaksiyonları ile yıkımında

Pentoz Fosfat Yolu

• Pentoz fosfat yolunda glukoz 6-fosfat, riboz 5-fosfata ve CO2'ye oksitlenirken NADPH üretilir. Bu beş karbonlu şeker ve onun türevleri, ATP, CoA, NAD+, FAD, RNA ve DNA gibi hayati öneme sahip biyomoleküllerin bileşenleridir.

Pentoz Fosfat Yolu ve Oksidatif

Dekarboksilasyon

• Fosfoglukonat dehidrojenaz, bir aldoz olan 6-fosfoglukonatın, beş karbonlu ketoz olan ribuloz-5-fosfata oksidasyonunu sağlar. CO2 bir numaralı karbon atomundan ayrılırken NADP+ elektron akseptörü/alıcısı olarak iş görür.

Ligasyon/Bağlanma Reaksiyonları Nasıl Gerçekleşir?

• Süksinil-CoA sentetaz/Süksinil tiyokinaz/Süksinat-CoA ligaz Krebs siklusunda Süksinil CoA’nın, süksinata geri dönüşümlü reaksiyonunu katalizler. Süksinatın süksinil CoA dönüşümü bir kondenzasyon reaksiyonudur.

⇄

Esterleşme Reaksiyonları

• Fosforik asit esterlerinin oluşumu: Gliserol kinaz reaksiyonu: Trigliseridlerin yıkımından oluşan gliserol, gliserol kinaz üzerinden gliserol-3-P (fosfolipid sentezine girer) ve dihidroksiaseton fosfatı (glikolize girer) verir. Reaksiyon: 1

• Karboksilik asit esterlerinin oluşumu

• Bir asit ile bir alkol arasında bir molekül suyun ayrılması ile oluşan reaksiyonlardır.

Alkol yerine – SH (sülfhidril grubu) içeren tiyoller bu reaksiyona girerse TİYOESTERLERİ oluşur. Asetil CoA tiyoester yapısında ve metabolizmada anahtar rolü olan bir biyomoleküldür.

Metabolizmada Tiyoester Oluşumu

Metabolizmada Tiyoester Oluşumu

• 1) Karboksil grubunun esterleşmesi ATP hidrolizi ile gerçekleşir (Örnek:Yağ asitlerinin aktivasyonu) (Net sentez +)

• (2) α-keto asitlerin oksidatif dekarboksilasyonu: (Örnek: asetil CoA oluşumundan sorumlu piruvat dehidrojenaz kompleksi ve sitrik asit siklusundaki α-ketoglutarat dehidrojenaz kompleksi) (Net sentez +)

• (3) Tiyol değişimi (Net sentez -)• (4) Açil gruplarının değişimi (Net sentez -)

Pentoz Fosfat Yolu: Glukoz-6-fosfat’ın aldehit grubu dehidrojenaz katalizi ile 6-fosfoglukonat

yapısındaki karboksil grubuna okside olur

• Aldehit (CHO) grubu, karboksil (COOH) grubuna dönüşüyorsa reaksiyon oksidoredüktaz/dehidrojenaz tarafından katalizlenen bir reaksiyondur.

Bileşim formülü aynı yapı formülü farklı ise reaksiyon izomeraz tarafından katalizlenen bir

izomerizasyon reaksiyonudur.

• Glikoliz: Glukoz- 6-fosfatın fosfoheksoz izomeraz kataliziyle Fruktoz-6-fosfata izomerizasyonu. (Aldoz-

Ketoz/Fonksiyonel Grup İzomerizasyonudur)

Pentoz fosfat yolunda oluşan ketoz yapısındaki ribuloz-5-fosfat izomeraz ile aldoz yapısındaki riboz-5-fosfata,

epimeraz ile ise yine ketoz yapısındaki ksilüloz-5-fosfat’a dönüşür

• Tek bir karbon atomunun konfigürasyonu (uzaydaki üç boyutlu düzenlenişi) bakımından farklı olan izomerlere epimer, bu raksiyonları katalizleyen enzimlere ise epimeraz adı verilir.

C=C çift bağına H2O katılması (hidrasyon reaksiyonu) ile alkol C-OH grubu oluşuyorsa reaksiyon liyaz tarafından katalizleniyordur

• Fumaraz Krebs siklusunda fumarat’ın, malata geri dönüşümlü reaksiyonunu katalizler. Fumaratın malata dönüşümü bir hidrasyon reaksiyonudur

Bir veya daha fazla oksijen atomu kazanılıyorsa reaksiyon oksidoredüktaz/dehidrojenaz tarafından

katalizlenen oksidasyon reaksiyonudur.Bu reaksiyonun tersi (O atomunun kaybı) redüksiyondur (indirgenme).

İki veya daha fazla hidrojen atomu kazanılıyorsa reaksiyon redüksiyondur/indirgenmedir. Eğer reaksiyon alkenin (C=C), alkana (C-C), dönüşüm reaksiyonu ise reaksiyon aynı zamanda hidrojenasyon reaksiyonu olarak da adlandırılır.Oksidoredüktaz tarafından katalizlenir.Rea

• Yağ asidi (palmitat) biyosentezi enoil ACP’den enoil ACP redüktaz ile bütiril ACP oluşumu sırasında enoil ACP’deki çift bağ NADPH ile indirgenir.

Reaksiyon sonucu oluşan ürün bir molekül H2O’yun ayrılması ile oluşuyorsa reaksiyon dehidratasyon reaksiyonudur. Alkol grubunun (C-OH), alkene dönüşümü (C=C) liyazlar tarafından katalizlenirFumaraz Krebs siklusunda fumarat’ın, malata geri dönüşümlü reaksiyonunu katalizler. Malatın fumarata dönüşümü bir dehidratasyon reaksiyonudur

Karboksilik asit veya türevlerinin oluşturduğu bağların su etkisiyle yıkımı hidroliz reaksiyonu

olarak adlandırılır. (Peptid/Amid bağının hidrolizi)

Kofaktör Nedir? Biyokimyasal Reaksiyonlardaki Rolü

• Kofaktörler enzim tarafından katalizlenen biyokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli olan küçük organik moleküller (Koenzim) veya inorganik iyonlardır

(Cu+2, Zn+2 Fe+2, Se+2) .• Apoenzim: Enzimin protein yapısındaki kofaktör

içermeyen kısmıdır. Koenzim, apoenzime sıkı bir şekilde bağlı ise Prostetik Grup adını alır.

Biyokimyasal Reaksiyonları Katalizleyen Koenzimler ve Fonksiyonel Grupların

Transfer Reaksiyonları

• Fosfat transferinden/Fosforilasyon’dan sorumlu koenzim olan adenozin trifosfat (ATP),aktif fosfat grubu taşır. Aktivitesi için magnezyum iyonuna ihtiyaç gösterir. Fiziksel hareket, aktif transport ve biyosentez olaylarında kullanılır Oksidatif ve substrat düzeyinde fosforilasyon ile sentezlenir.

Fosfat GrubununTransferi: ATP

(Adenozin trifosfat)

Hidrojen Transferini Katalizleyen Koenzimler

Nikotinamid içeren koenzimler: Nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+), dinükleotid yapısındadır. Dinükleotid= 2x(Nükleotid=Baz+Şeker+Fosfat). Adenozin bakiyesi, nikotinamid nükleosidine iki fosfat ünitesi ile bağlıdır.AMP ünitesindeki şekerin 2 numaralı C atomu fosfat esteri halindeyse NADP oluşur.

NAD/NADP ’nin Oksitlenmiş ve İndirgenmiş Formları

• NAD+ ve NADP+ okside formları substratdan (AH2) hidrid iyonu halinde (2e- + H+) iki elektron alarak, bir proton NADH ve NADPH (indirgenmiş koenzimler) haline dönüşmektedirler. Substrattan ayrılan ikinci proton sulu ortamda serbest kalmaktadır. (Substrattan toplam 2 hidrojen atomu çıkarılmaktadır)

NAD’nin Oksitlenmiş ve İndirgenmiş Formları

FAD ’nin Oksitlenmiş ve İndirgenmiş Formları

• Flavin içeren koenzimler izoalloksazin halka sistemi içerirler.

• Hidrojenasyon ve dehidrojenasyon reaksiyonlarında rol oynarlar.

• Hem bir, hem de iki elektron transfer edebilme özelliğine sahiptirler.

• Flavinler koenzimlerin aksine enzime kuvvetle bağlıdırlar. Bu yüzden prostetik grup olarak değerlendirilirler.

• Glutatyon redüktaz,Lipoamid dehidrojenaz,Süksinat dehidrojenaz, Asetil-CoA dehidrojenaz, Amino asit oksidaz gibi enzimlerin yapısında yer alırlar.

FAD ’nin Oksitlenmiş ve İndirgenmiş Formları

Koenzim A Açil Grubunun Transferinden Sorumludur

• Karbonhidrat ve lipid metabolizmasında anahtar rol oynar

Koenzim A Açil Grubunun Transferinden Sorumludur

Koenzim A Yağ Asitlerinin Aktivasyonundan Sorumludur

Koenzim A ve Yağ Asitlerinin Mitokondriye Transportu Koenzim A ve

Yağ Asitlerinin Mitokondriye Transportu

Koenzim A ve Yağ Asitlerinin Yıkımı

Metilasyondan Sorumlu Koenzim ve Metilasyon Reaksiyonları

• Metilasyon reaksiyonlarında metil grubu donörü olarak iş gören biyomolekül S-adenozilmetiyonin’dir (SAM)

Metilasyondan Sorumlu Koenzim ve Metilasyon Reaksiyonları

Metilasyon Reaksiyonlarının Metabolik Ürünleri

• DNA, RNA, Proteinlerlerin metil türevleri ile Katekolaminler, Fosfolipidler ve Kreatin sentezinde rol oynar

Karboksilasyon Reaksiyonlarıve Biotin

Yağ asitlerinin sentezinde karboksibiotin ile asetil-CoA’nın malonil CoA karboksilasyonu

Karboksilasyon Reaksiyonlarıve Biotin

Aldehit Grubunun Transferinden Sorumlu Koenzim (Tiyamin Piro/Di/fosfat)

• Vucuda tiyamin olarak alınır ve fosforilasyon ile aktif formu tiyamin piro/di/fosfata dönüşür. α-keto asitlerin metabolik reaksiyonlarında rol oynar.

Bu metabolik reaksiyonlar:• Oksidatif dekarboksilasyon• Non-oksidatif dekarboksilasyon• Pentoz fosfat yolundaki transketolaz reaksiyonudur

Oksidatif ve Non-oksidatif Dekarboksilasyon Reaksiyonları

Transketolaz Reaksiyonu’nun Aldehit Grubu Transfer Mekanizması

• Pentoz fosfat yoluyla glikolizi birbirine bağlayan reaksiyonların ilkinde, iki pentozdan gliseraldehid 3-fosfat ve sedoheptulaz 7-fosfat meydana gelir. Transketolaz iki karbonlu aldol grubu olan (glikoaldehit) biriminin transferini sağlar

Amino Grubunun Transferinden/ Transaminasyon Sorumlu Koenzim

(pridoksalfosfat:PLP) ve Rol Oynadığı Diğer Reaksiyonlar

Pridoksal Fosfat ve Tiamin Difosfat Yapılarının Karşılaştırılması

• Pridoksal fosfat: 5 karbon ve tek bir N atomundan oluşan altı üyeli heterosiklik pridin halka yapısı içerir

• Tiamin difosfat: Tiazol halkası: 3 karbon atomu ile N ve S hetero atomlarını içeren, beş üyeli heterosiklik halka (tiazol halkası) ve bu halkaya bağlı 4 karbon ve 2 azot atomu içeren altı üyeli primidin halkasından oluşur.

PLP: Transaminasyon Reaksiyonunun Mekanizması

• Amino grubu bir α-amino asitten (glutamat), bir alfa keto aside (α-ketoglutarata) transfer edilir. Sonuçta yeni bir α-amino asit (aspartat) ve yeni bir keto asit (oksaloasetat) oluşur.

PLP: Dekarboksilasyon Reaksiyonunun Mekanizması

• Amino asitlerin PLP varlığında dekarboksilasyonu sonucunda primer aminler oluşur

• Örnek: Serin’den etanolamin, glutamat’tan glutamin triptofandan triptamin sentezi

• Etanolamin fosfolipidlerin, glutamin nörotransmitter’lerin, triptamin seratonin ve melatonin hormonlarının yapısında yer alır.

PLP: Rasemizasyon Reaksiyonunun Mekanizması