Ufuk 1

Biyomoleküller: Biyokimyasal Reaksiyonlar
Doç. Dr. Ufuk Çakatay
Doç. Dr. Hakan Ekmekçi
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 Reaksiyonu
Yağ asitlerinin sentezinde karboksibiotin ile asetilCoA’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) AsetilCoA’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
6fosfoglukonatın, beş karbonlu ketoz olan ribuloz-5fosfata 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
• Bir asit ile bir alkol arasında bir molekül suyun
ayrılması ile oluşan reaksiyonlardır.
• Karboksilik asit esterlerinin oluşumu
• 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
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 αketoglutarat 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. (AldozKetoz/Fonksiyonel Grup İzomerizasyonudur)
Pentoz fosfat yolunda oluşan ketoz yapısındaki ribuloz5-fosfat izomeraz ile aldoz yapısındaki riboz-5-fosfata,
epimeraz ile ise yine ketoz yapısındaki ksilüloz-5fosfat’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
katalizlenir
Fumaraz 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 GrubununTransferi: ATP
(Adenozin trifosfat)
• 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.
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 Reaksiyonları
ve Biotin
Yağ asitlerinin sentezinde karboksibiotin ile asetilCoA’nın malonil CoA karboksilasyonu
Karboksilasyon Reaksiyonları
ve 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 αamino 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