Biyokimyanın temelleri

Canlı bir hücre küçük ama çok karmaşık bir kimya fabrikasıdır: saniyede binlerce tepkime yalnızca 37 °C'de, nötr bir ortamda ve enzimler sayesinde şaşırtıcı bir hızla gerçekleşir. Bu derste önceki konuları, yani termodinamiği, kinetiği, asit–baz dengelerini ve bağları biyomoleküllere uygulayacağız.

Karbonhidratlar

Monosakkaritler — glikoz (bir aldoheksoz) ve fruktoz (bir ketoheksoz), ikisi de C₆H₁₂O₆ — suda çoğunlukla halka hâlinde bulunur. İki monosakkarit yoğunlaşarak glikozit bağıyla bir disakkarit oluşturur: C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆ → C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O. Sakkaroz = glikoz + fruktoz, maltoz = 2 glikoz, laktoz = glikoz + galaktoz. Polisakkaritler (C₆H₁₀O₅)ₙ: nişasta (bitkilerin deposu, α-1,4 ve α-1,6 bağları), daha çok dallanmış glikojen (hayvanların deposu) ve selüloz (β-1,4 bağları, yapı malzemesi; insanda onu parçalayacak enzim yoktur).

Lipitler

Trigliseritler, gliserinin üç yağ asidiyle oluşturduğu esterlerdir. Doymuş asitler (stearik C₁₇H₃₅COOH, palmitik C₁₅H₃₁COOH) düz zincirlidir ve sıkı paketlenir; hayvansal yağlar katıdır. Doymamış asitlerde (oleik C₁₇H₃₃COOH) cis C=C bağı zinciri büker; bitkisel yağlar sıvıdır. Hidrojenleme ikili bağları doyurur: C₁₇H₃₃COOH + H₂ → C₁₇H₃₅COOH (margarin böyle üretilir). Fosfolipitlerin hidrofilik bir “başı” ve iki hidrofobik “kuyruğu” vardır: suda hücre zarlarının temeli olan çift katmanı oluştururlar. Yağlar en yoğun enerji deposudur: ≈ 9 kcal/g (≈ 37 kJ/g); karbonhidrat ve proteinlerde ise ≈ 4 kcal/g.

Proteinler ve enzimler

Proteinler peptit bağlarıyla birleşmiş amino asitlerden oluşur ve dört yapı düzeyine sahiptir. Taşıma (hemoglobin), yapı (kolajen, keratin), savunma (antikorlar) ve düzenleme (insülin) görevleri yapar; en önemlisi de enzim olarak çalışırlar. Enzim substratı aktif bölgeye bağlar (anahtar-kilit ya da uyarılmış uyum modeli) ve aktifleşme enerjisini düşürür. Her enzimin en uygun sıcaklığı ve pH'ı vardır: midedeki pepsin en iyi pH ≈ 2'de, bağırsaktaki tripsin pH ≈ 8'de çalışır.

Michaelis–Menten denkleminin türetilmesi. E + S ⇌ ES → E + P şemasında ES kompleksinin derişimi kısa sürede sabitlenir (kararlı hâl): k₁[E][S] = (k₋₁ + k₂)[ES]. [E]₀ = [E] + [ES] ve v = k₂[ES] yerine konursa aşağıdaki formül elde edilir; burada Vmax = k₂[E]₀ ve Km = (k₋₁ + k₂) / k₁'dir.

Nükleik asitler

Bir nükleotit; azotlu bir baz, bir pentoz (DNA'da deoksiriboz, RNA'da riboz) ve bir fosfat grubundan oluşur. DNA'nın iki antiparalel zinciri tamamlayıcı baz çiftleriyle bağlanır: A–T (2 hidrojen bağı) ve G–C (3 hidrojen bağı). Bu yüzden Chargaff kuralı geçerlidir: A = T, G = C. RNA'da timin yerine urasil (U) bulunur. Genetik bilgi DNA → RNA → protein yönünde aktarılır; her amino asidi üç nükleotitlik bir kodon şifreler (64 kodon, 20 amino asit).

ATP — hücrenin enerji para birimi

ATP; adenin, riboz ve üç fosfat grubundan oluşur. Hidrolizi enerji verir: ATP + H₂O → ADP + Pᵢ, ΔG°′ ≈ −30,5 kJ/mol (hücre koşullarında daha negatif, yaklaşık −50 kJ/mol). İstemsiz bir tepkime ATP hidroliziyle eşleştirilir: Gibbs enerjileri toplanır ve toplam negatif olur. Solunumda bir glikoz molekülü yaklaşık 30–32 ATP verir (eski ders kitaplarında 36–38); yani yükseltgenme enerjisinin kabaca üçte biri ATP'de depolanır.