Enerji
Laboratuvarımızdaki radyoaktivite sayacı sabırsızlıkla beklediğim sayılan basmaya başlamıştı. Bir yıllık çalışma sonucunda, hücrelerin amino asitlerin içine, bunların birbirine bağlanıp protein oluşturmaları için nasıl enerji depoladığı konusunda fikirlerimi sınayacak bir deney tasarlamıştım. Bunu bulmak, vücudun en önemli malzemesi proteinin yapılışı üzerine ışık tutmak demekti. Kuşkulanma rağmen başarının ucu görünüyordu. Sonunda sayılar atomların kendilerine çarpmışım gibi ümitlerimi arttıracak biçimde çıktı. Bilim bize beklentileri düşük tutmayı öğretir ama o anda önemli bir buluş yaptığımdan kuşkum yoktu. Çalışmayı yayınlamamdan az sonra bu, diğer araştırmacılar tarafından da onaylandı. Bu ilk adımı bir seri yeni buluş izledi. Beş yıl içinde protein sentezinin tümüyle anlaşılması sağlandı.
Bu bölüm daha çok bu konuyla ilgili, ama önce birinci bölümde şöyle bir değindiğimiz hayvanlar ve bitkilerin enerjiyi nasıl kullandıkları konusuna daha genişçe bir göz atalım.
Söğüt Hava Alıyor
1630’da Johann Van Helmont,
Bitkiler Güneş Işığını Tutarlar
Karbondioksit de olsa, Helmont’un söğüdü hava toprak ve suyun sağlayamayacağı başka bir şey, yani güneş olmasa yaşamını yitirirdi. Güneş enerjisi, karbondioksiti söğüt maddesine dönüştürecek iç işlemleri yürütmek için gereklidir.
Bundan önceki bölümde, yaşamın başlangıcım sağlayan enerji belki de elektrik yükler ve ultraviyole ışınlarından gelmişti, demiştik. Hücre varlığının oldukça erken aşamalarında, enerji bulmayı garantiye alacak çok etkin bir araç belirdi. Bu araç klorofil sistemiydi. Bitkiler güneş enerjisini bu sistemle “kafesleyip”, hücre içinde hizmete sunarlar.
Klorofil hepimizin bildiği gibi bitkilerin yeşil rengini verir. Yaprakların, otların ve iğnelerin yeşili klorofildendir. Bu boya molekülünün atomları öyle bir biçimde düzenlenmiştir ki, bitkinin yüzeyine çarpan ışık, molekülün içinde kalır. Yakındaki enzimler ve diğer protein moleküllerinin yardımıyla ışık, önce elektrik enerjisine sonra kimyasal enerjiye dönüşür; kimyasal enerji de bitkinin yapımında kullanılır.
Bitki yaşamının dünyaca bilinen en basit dökümü şöyledir:
Bu formüle göre bitkiler, güneş enerjisi kullanarak karbondioksit ve su moleküllerini tüketip onları şeker moleküllerine dönüştürürler. Oksijen, bir atık olarak çıkartılır. Şeker bitki içinde, bitki maddesi yapmak için, yanabilir enerji kaynağı olarak kullanılır. Yani bitkiler büyümek için kendi şekerlerini yerler.
Hayvanlar Bitkileri Tüketirler
Biz hayvanlar doğal olarak serbest oksijen olmazsa yaşayamayız. Daha önce öğrendiğimiz gibi serbest oksijen ilkel atmosferde yoktu. Ama yukarıdaki formülde oksijenin bitkilerin atık ürünü olduğunu görüyoruz. Bitkiler kendi çıkardıkları oksijeni hiçbir yerde kullanamıyorlar. Giderek artıp yeryüzünü yüzlerce milyon yıldan fazla bir hükümlerine aldıklarında bu oksijen atmosferde birikti. Yavaş yavaş hayvan yaşamının doğmasına elverişli bir çevre gelişti. Daha önce belirtmiştik, hatırlayalım; atmosferin üzerinde biriken oksijen zamanla bizi, bitkileri ve hayvanları ultraviyolenin zararlı etkilerinden koruyan bir ozon tabakasına yol açtı. (Şimdilerde, bu ozon tabakası gerosol sprey tenekelerinde parlayıcı olarak kullanılan florokarbonlarla bozuluyor. Florokarbonlar ozon tabakası içinde yüzerek ayrışıyor ve ozon moleküllerinin parçalanıp oksijene dönüşmesine neden oluyorlar. Sonuç, yeryüzüne gittikçe artan miktarlarda, canlılardaki DNA’yı bozabilecek ultraviyole ışınlarının ulaşmasıdır .)
Evrimin bir aşamasında, bitkilerden iki yoldan “yararlanılan” canlı hayvan biçimleri gelişmeye başladı. Bu hayvanlar, bitkileri içerdikleri besin (şeker) için yediler ve bitkilerin ürettikleri oksijenle nefes aldılar. Dünyadaki hayvan aktivitesinin basit formülü de şöyle:
Hayvanların bitkileri yiyerek elde ettikleri şeker, oksijenin varlığıyla yanar, atık olarak karbondioksit ve su çıkar. Yanma işlemi hücreler için, hayvan maddesi yapımında kullanılacak yararlı kimyasal enerjiyi üretir. Yani hayvanlar büyüyebilmek için bitkileri (şekeri) yerler.
Bitkilerin ve Hayvanların Birbirine Gereksinimleri Vardır
Şimdi, bitkilerle hayvanların tümüyle birbirine bağımlı olduklarını göreceğiz. Bitkiler hayvanların soluduğu oksijeni yaparlar, hayvanlar da bitkilerin yapı malzemesi olarak kullandıktan karbondioksiti üretirler. Bitki ve hayvan formüllerini, bütün canlı varlıkları anlatan bir çember olarak birleştirebiliriz böylece.
Şu açıktır ki bütün yaşam (bitki ve hayvan) güneş ışığına bağlıdır; bitkiler doğrudan, hayvanlar da bitkiler aracılığıyla… Güneş olmazsa, gezegenimiz hem karanlık hem de ölü olacaktı.
Bitkilerle hayvanların birbirine bağımlılığını sınayacak ufak bir deney yapabilirsiniz. Bir sümüklü böceği, küçük bir su bitkisini ve biraz suyu bir test tüpüne kapatın ve güneşe bırakın. Sümüklü böcek de, bitki de haftalarca sağlıklı kalacaklardır. Sümüklü böcek bitkiyi yiyip karbondioksiti atık olarak çıkaracaktır. Bitki karbondioksiti tüketip büyüyecek, oksijen üretecektir. Sümüklü böcek de oksijeni, yediği bitkinin şekerini yakmak için kullanacaktır. Tüpü karanlık bir yere koyarsanız sümüklü böcek de bitki de ölür.
Ölüm Yaşamı Doğurur
Hayvan ve bitkiler öldükleri zaman, protein, DNA ve RNA zincirlerinin son derece karmaşık bir organizasyonu olan vücutları çürür. Şimdi sıra diğer organizmalarda, daha çok da bakterilerdedir. Yaşamın daha önce yarattığı düzenin ziyafetine konarlar, onu yakarak kendilerini çoğaltırlar. Şimdi ana atık madde karbondioksittir ve karbondioksit bitkilerin onu yeniden kullanabilmesi için atmosfere döner. Atmosferdeki karbondioksitin çoğu çürüyen bitki ve hayvanlardan gelir. Eğer çürüme olmasaydı cesetleri ne yapacağımızı düşünmemize gerek olmayacaktı ve bir kaç yıl içinde bütün yaşam yok olacaktı.
Zincir Yapmak İçin Enerji
Klorofilin ortaya çıkışının ne kadar etkin ve önemli bir evrim olayı olduğunu görmek kolaydır. Klorofil oluştuktan sonra, yeryüzünde bitki ve hayvan nüfusunda neredeyse bir patlama oldu.
Klorofilin güneş enerjisini kafeslemesi, aslında hücre içinde, hücre maddesinin yapımını mükemmelleştirmek için kullanıldı. Şimdi bildiğimiz gibi yapılacak en önemli iş, halkaların zincir yapmak için birleştirilmeğidir. Öyleyse enerjinin, zincirlerin büyümesini nasıl sağladığını anlamak istiyoruz.
ATP Hücrenin Enerji Değişim Aracıdır
Klorofil tarafından emilen ışık enerjisi, o haliyle bitkilere yararlı değildir. Yararlı bir hücre enerjisine, bir kimyasal enerji biçimine dönüşmesi gereklidir. Bitki olsun hayvan olsun bütün canlı hücrelerin enerji sağlayıcısı daha çok ATP olarak bilinen adenosin trifosfattır. ATP, hemen hemen DNA zincirinin tek bir nükleotid halkası büyüklüğünde ve karmaşıklığında bir moleküldür. Aslında, fazladan iki fosfat eklenmiş bir nükleotiddir (adenosin monofosfat) Önce ATP’nın hücre içinde nasıl oluştuğunu inceleyeceğiz. Burada gördüğünüz gibi klorofil ışığı emer, ışığın enerjisini elektriğe çevirir, sonra da şeker yapma işlemi sırasında bu enerji ATP’ye dönüşür. Güneş enerjisi böylece ATP molekülleri içine kilitlenip saklanır.
Hayvan hücrelerinin klorofilleri yoktur. Onlar bitkileri yiyerek sağladıkları şekerden ATP üretmek zorundadırlar. Bitki şekerinin oksijenle yakılıp ATP sağlanması için, hayvan hücrelerinin ufacık şeker yakan odacıkları vardır.
Yanma
Canlılardaki yanma ile bildiğimiz yanma arasındaki en önemli fark, ikincisinde enerjinin tüketilen malzemede (odun, kömür veya şekerde) olup yanma sırasında ısı olarak serbest kalmasıdır. Canlılardaki yanma olayında ise, enerji tüketilen malzemeden (şekerden) ATP olarak elde edilir. Hayvan hücrelerinde şeker yakarak ATP yapımının, bitki hücrelerinin ışıktan ATP yapmasıyla birçok benzerliği vardır. Şeker yanması bir elektrik akımı üretir; başka bir deyişle bir grup protein molekülü boyunca elektron akımı oluşur. Buna benzer olarak klorofil de bir miktar güneş ışığını emdikten sonra, bu enerjiyle elektronlar açığa çıkar ve bir dizi protein molekülünden bir elektrik akımı gibi geçirilirler. İki durumda da akım, fosfat moleküllerinin adenosin nükleotidine bağlanmasına, yani ATP moleküllerinin doğmasına neden olur. Kısaca, hem güneş ışığının emilmesinde, hem de şeker yanmasında, hareket eden elektronlar üretilir; bunlar ATP moleküllerim yaparlar.
ATP, hücrelerin içinde, kendi koruyucu zarları olan özel bölmelerde yapılır. Bunlar hemen hemen hücre içinde ufak ayrı hücreler gibidirler. Bitkilerde güneş ışığından ATP yapılan yerlere kloroplast denir; hayvanlarda ise mitokondria denilen şeker yakarak ATP üretilen şeker fırınları vardır.
Bitkiler Şekeri Kendileri İçin Yaparlar
Buraya kadarki gelişmelerden bitkilerin şekeri hayvanları mutlu etmek için yaptığı sonucunu ortaya çıkartabilirsiniz. Bu tabiî ki böyle değildir. Şeker, fotosentez işleminin ana ürünüdür. Ama hayvanlar gibi bitkilerin de kendi maddelerini yaparken, daha çok ATP ve gereksindikleri diğer bileşikleri elde etmek için yaptıkları şekeri yakmak zorundadırlar. Bunu mitokondria benzeri şeker yakan fırınlarda yaparlar. Sonuç olarak bitkiler iki enerji – çevirme mekanizmasına sahiptir; bunlardan biri şeker yapmak için güneş enerjisi kullanır, öbürü hayvanlardaki gibi ATP ve buna bağlı bitki maddesi yapmak için şeker yakar.
ATP’nin Anatomisi
Şimdi ATP’yi daha dikkatle yakından incelemeye hazırız. Nasıl çalıştığını anlamak için ana özelliklerini tanıyalım: Büyükçe parça adenosin mono fosfat -AMP, kendisinden daha küçük pirofosfat– PP’ye bağlıdır, îki parçayı ve aralarındaki bağı göstermek için AMP-PP yazıyoruz. Şeker yakma işleminde elde edilmiş AMP-PP, AMP ve PP arasındaki bağlantıda, depo edilmiş enerji içerir. Potansiyel enerjidir bu. Söylediğimizin doğruluğunu, AMP-PP bağını AMP ve PP yapmak için kopardığımızda kolayca görürüz.
Bunu yaptığımızda ısı çıkaran küçük bir patlama olur. AMP-PP’nin sağladığı enerjiyi görmenin en etkin yolu, canlı sistemlerde molekülün ne yaptığını izlemektedir.
ATP Bağlantılara Enerji Verir
Bu bölümü, ATP enerjisinin protein yapımında nasıl kullanıldığı üzerine buluşumun bana verdiği heyecandan söz ederek açtım. Şimdi bu önemli ilk adıma daha ayrıntılı bakabiliriz.
ATP’den (AMP-PP)ne beklendiğim bir benzetme ile görebilirsiniz: Bir avuç dolusu bildiğimiz telden yapılmış zincir halkamız olsa ve bunları birbirine eklemek istesek, bir kerpeten alıp her halkayı açıp ondan sonrakine geçirip yeniden kapatarak ilerleriz. Bu işlemi iş bitene kadar yineleriz. Tamamlamak için uzun zaman enerji kullanıyoruz, (fiziksel kas enerjisi). ATP de ellerinizin ve kaslarınızın yaptığına benzer bir iş yapmak zorunda.
İşte ATP’nın zincir halkalarını eklemek için kullandığı yol:
AMP-PP’yi gerçek bir halkayla, örneğin bir amino asitle bağlanmaya hazır bir durumda çizdim, ilkin zincir halkası gösterdim eklenmeye hazır. Sanırım, bunların eklenebilmelerinin yardım görmeden olanaksız olduğu yeterince açık görülüyor. İlk önemli adım, AMP-PP’nin AMP bölümünün halkalardan birine gerçek bir kimyasal bağlantısının sağlanmasıdır. Bu olunca, PP’ye gerek kalmaz. AMP halkayı PP’yle bağlantısı pahasına almıştır. Bu reaksiyon aradaki enerji bağını sürdürür, ama bu sefer AMP ile halka arasında….
Şimdi zincir halkasının “harekete geçirildiği” söylenebilir. Bu, zincirdeki başka bir halkayla reaksiyona girmeye hazır olacak biçimde değişikliğe uğradığı anlamındadır. Bunu yeni bağlantıdan akan enerjinin halkanın açılmasına neden olduğunu göstererek resimledim. Halkanın bu hareketlendirilmiş durumu, kendisi için rahat değildir. Reaksiyona girmek için başka halkalar “arar”. Bu bir bağlantının yapıldığı ve aynı anda AMP’nin serbest kaldığı en son evrede gösterilmiştir.
İki ayrı halka eklenirken, ATP (AMP-PP)’nin de AMP ve PP olarak ayrıldığını gözden kaçırmayın.
Enerji Titizlikle Korunur
Enerjinin ne kadar titizlikle korunduğuna bakalım. AMP-PP’yi kimyasal olarak AMP ve PP’ye ayırsaydık, enerji kullanılmayan ısı olarak çıkacaktı. Hücre de AMP-PP’yi AMP ve PP olmak ayırır, ama enerjiyi yapım işleminde iki halkanın bağlanmasında kullanarak bir amaca yönlendirmiş olur, böylece korur.
Mitokondria’ya dönersek; AMP’nin yeniden ATP üretmesi için kendisine yeni fosfatlar bağlanabilir. PP özel bir enzimle ikiye ayrılıp iki fosforik asit çıkarabilir. Bunlar da yeniden kullanılabilir.
Enzimler Olmadan Hiç Bir Şey Olmaz
Bütün bu anlattıklarımız, enzimlerin yardımı olmasaydı olmazdı. Enzimler, her şeyi hücrenin amaçlarını sağlayacak oranlarda ayarlayan protein molekülleridir, işlevleri AMP-PP ve zincir halkalarım, olmaları gereken doğru biçimlerde tutarak yan yana olmalarını gözetmektir.
İşleme katkıda bulunacakların birbirleriyle doğru ilişkide olmaları sağlandıktan sonra, geri kalan olaylar kolayca gelişir. Enzimler olmasa, olayların kahramanlarının yan yana gelmeleri rastlantıya kalacak, böylece bilinmeyen uzunlukta bir zaman alacaktı.
Transfer RNA Yeniden Karşımızda
Protein zinciri yapımı işlemine ATP’nin nasıl katıldığını size açıklayabilmek için, olayların gerçek sırasını olduğu gibi belirtmedim. Şimdi her şeyi doğru sırasına göre anlatayım. Bir amino asit halkası AMP’ye bağlanıp harekete geçirildikten sonra (halka açıldıktan sonra), biraz önce resimde gösterdiğim gibi hemen başka bir amino asit halkasına bağlanır, ikinci bölümden hatırlayacaksınız, amino asitler tRNA’ya, bir kimlik sahibi olsunlar, böylece mesajcı RNA kendilerini doğru düzene uygun şekilde tanıyabilsin diye bağlanırlar. Amino asitler ancak ribosom veya mesaj okuyan makine üzerinde doğru yerleştirildikleri zaman, komşu amino asitle birleşmeye hazırdırlar. Prensip olarak orada anlattıklarım geçerlidir. Yalnız şu noktaya dikkat edelim: Yalnızca reaksiyona hazır (“açılmış halka”), tRNA’ya açık olarak iletilir ve ribosom üzerinde doğru biçimde yerleştikten sonrasıdır ki kendisinden sonraki halkayla birleşme yapar.
Mekanizmanın ne kadar akıllıca olduğuna dikkat edin. Hareketlendirme adımı, amino asit halkasını herhangi bir başka halkayla reaksiyona hazırlar. Ama bu yetmez; halkalar ancak doğru düzende yerleştikten sonra birleşmek zorundadırlar. Düzen, her amino asitin kendi özel tRNA’sıyla birleşmesini gerektirir. Amino asiti hareketlendiren (açan) enzim, aynı zamanda onun açılmış durumda doğru tRNA’ya bağlanmasını sağlar.
Böylece şimdi bütün sistemlerde enerjinin, protein moleküllerindeki halkaların bir araya getirilmeleri için nasıl kullanıldığını biliyoruz. Daha önce de söylediğimiz gibi protein, yaşamın ana malzemesidir ve buna göre yalnızca bilgi değil enerji kaynağını da oluşturan dev bir maden ocağıdır. Çünkü her halka, bağlantısı ATP’den üretilmiş enerjiyi korur. Benzer prensipler, DNA ve RNA moleküllerinin halkalarıyla diğer molekül tiplerinin halkalarının bağlanmasında da geçerlidir.
Herşeyi Yürüten ATP’dir.
Son olarak, canlı sistemlerde her yerde bulunan ATP konusunda biraz fikir edinmelisiniz. ATP gerçekten enerji alış-verişin evrensel birimidir. Anlattıklarımızı onun zincir molekülleri yapımında kullanılışıyla sınırlamıştık.
Diğer yandan bizim gibi bir hayvanda ATP’nin günlük kullanılışının % 10’u bu amaca yöneliktir. Geri kalan enerjinin çoğu, kasları hareket ettirmek için kullanılır. ATP kas liflerinin birbirinin üzerinden kayabilmeleri için gerekli enerjiyi verir, bu amaçla büzülmeyi sağlar.
Hareketi içeren diğer işlemler de (örneğin, kimyasal maddelerin hücre zarlarını geçerek taşınması) ATP’ye gerek duyarlar. Ama bana göre, ATP’nin en ilginç kullanımlarından biri, onun hareket mekanizmasını en iyi açıklayan olay, ateş böceğinin fenerini yakmasıdır.
Herhangi bir ışık yakmak için enerji gerekir. Bir el fenerinde bunu pil; ateş böceğinde ise ATP sağlar. Ateş böceği fenerlerini suda ezseniz, bu özel malzemeyi ayırıp, fener proteinleri solüsyonunu bir test tüpüne koysanız, karanlık bir yerde tutarken içine ufacık bir miktar ATP atarsanız, bütün tüp aydınlanır! Işık kaybolduktan sonra biraz daha ATP, onu yine yakacak ve bu böyle sürüp gidecektir.
Bu sistemin incelenmesi, mekanizmanın, temelde zincir bağlantıları için anlattıklarımızın aynısı olduğunu açığa çıkarıyor. ATP, AMP’sini kısmen proteine bağlıyor ve proteine verilen enerji, onun biçiminin değişmesine neden oluyor. Bu özel biçim değiştirmiş protein, ışık saçıyor. Meslektaşım William Mc Elroy bunları yüzlerce küçük çocuğun yardımıyla ve yakaladıkları her yüz ateş böceğine bir penny vererek buldu. Bu deneyler yirmi yıl önce yapıldı. Şimdi ABD’de kutu kutu ateş böceği fenerlerini, laboratuvar malzemesi satan yerlerden ucuz fiyata sağlamak mümkün.
Mars’ta Yaşam
Öykümüzde bir başka gezegene atlamamız garip görünebilir. Ama daha ben bunu yazarken, biz dünyalılar bir Viking aracını Mars’a indirdik ve kepçesi yaşam olup olmadığının incelenmesi amacıyla toprak örnekleri almak üzere uzanıyor bile. Dahası, siz okuyucular, Mars’ta yaşamın ipuçlarını nasıl arayabileceğimiz konusunu anlayabilmek için yeterince bilgi birikimine sahipsiniz.
Mars’taki koşullar öyle ki her ne biçim yaşam olursa olsun, çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük, mikroskobik olacaktır ve aracın kolunun alabildiği nispeten ufak bir yüzey toprak örneğinde bulunması gerekecektir.
Şimdi Mars atmosferinde bolca karbondioksit olduğunu size söylersem, neyi aramamız gerektiği üzerine iyi bir tahmin yapabiliriz. Güneş ışığının varlığıyla karbondioksiti daha karmaşık maddelere çevirebilecek, ilkel bitki gibi bir şeyleri aramamız gerekir. Araçtaki ufacık laboratuvar bunun olup olmadığını saptayabilir.
Bir toprak örneğine radyoaktif karbondioksit verip sonra toprakta, bu radyoaktivitenin daha büyük moleküllerin parçası haline gelip gelmediğine bakabiliyor. Veya radyoaktif şeker ekleyip, radyoaktif karbondioksitin çıkıp çıkmadığını gözleyerek hayvan benzeri yaşamın olup olmadığını irdeleyebiliriz. Çünkü böylece topraktaki bir-şeylerin o şekeri yakıp yakmadıkları ortaya çıkacaktır.
Araçtaki Mars laboratuvarı bunu ve buna bağlı otomatik deneyleri yapıp sonuçlan Dünya’ya iletebilecek kapasitededir. İlk denemelerden sonuç almak çok olanaklı görünmüyor. Ama yapılanlar, başka yerlerde yaşam ipuçlarının nasıl aranacağını belirleyebilmek için dünyadaki yaşam üzerine bilgimizin değerini kanıtlıyor.
ilgi ve enerjinin birlikte çalışarak temeldeki zincir yapma işini nasıl sağladıklarını ve bu işlemlerin Dünyada nasıl doğabileceklerini öğrendik. Şimdi doğanın dünyada üç milyar yıldır, ilk başlangıçtan bugünkü girift karmaşıklığı üretebilmesinin altında yatan güçleri araştıralım.
Kaynak: Hayatın kökleri
belgesi-602
