Kemotaksonomi – Karşilaştirmali Fitokimya Ve Biyokimya

**Prof. Dr. Sinsi** · 10-10-2012

KEMOTAKSONOMİ ve BİYOKİMYASAL SİSTEMATİK

Bitkilerdeki ikincil metabolizma ürünlerinin üzerinde kimyagerler, farmakologlar ve biyologların uzun zamandır yaptığı ve sürdürdüğü çalışmaların insanlığa sağladığı kuramsal bilgiler ile pratik sonuçları çok iyi bilinmektedir

Canlı türlerinin ve bu madde çeşitlerinin çok yüksek sayılara ulaşması nedeniyle de bu araştırmaların daha çok uzun bir süre tamamlanamayacağı söylenebilir

1960’lı yılların başlarında yayınlanan “Zootaksonomi” kitabında sistematik ve taksonomi terimlerinin günlük dilde eşanlamlı olarak kullanıldığına dikkat çekilerek aslında çok farklı iki yaklaşımı içerdiği belirtilmiş ve daha önce de değindiğimiz tanımlamalar yapılmıştır:
Taksonominin “kuramsal” bir sınıflandırma yöntemine dayanan bilim dalı olduğu, temel kavram ve kuralları ile prensipleri ve özel yöntemleri bulunduğu belirtilerek ,
Sistematiğin ise organizmaların çeşitliliğini ve çeşitler arasındaki benzerlikler ile farklılıkları inceleyerek ortaya çıkartmayı amaçladığını belirtilmiştir

Bu temel ayırım çerçevesinde ele alındığında da,
Kemotaksonominin kimyanın ve taksonominin kuramsal çerçeveleri içinde kalarak özel yöntemler ile,
Biyokimyasal Sistematik ise kimyasal ve biyokimyasal yöntemler yanında sitolojik, genetik ve moleküler biyolojik inceleme yöntemleri ile,
özel taksonomik ve sistematik sorunlarý çözümlemeye çalýþtýklarý belirtilmiþtir

Bazı cins veya türlerdeki madde grupları içinde yer alan bir maddenin çok kompleks olabilen bu madde grubundan ayırılarak saflaştırılmasının çok zor olması bu araştırmaları zorlaştırabilmektedir

Örneğin Vinca - cezayir menekşesinin alkaloidleri böyle karmaşık bir grup olarak yapılarını inceleyen araştırıcıları zorlamıştır

Striknin molekülünün varlığının belirlenmesi, izolasyonu ve yapısının çözülmesi 1910 - 1948 yılları arasında kesintisiz sürdürülen araştırmaları gerektirmiştir

Ancak analiz tekniklerinin ve cihazlarının sürekli olarak geliştirilmesi gerekli işlemleri kısaltmakta ve zorluk derecesini de giderek azaltırken doğruluk ve tekrarlanırlığını arttırmaktadır

Yukarıda değinilen alkaloidlerin bu açıdan özel bir yere sahip olması iyi bir örnektir

Biyologlar için bu ikincil metabolitlerin bitki evreninde doğal seçim, ekoloji - diğer bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalarla olan ilişkiler gibi çok yönlü rolleri de önemlidir

Bu açılardan bakıldığında da tek bir sekonder metabolitle ilgili birçok soruya yanıt aranması gerekir, bunların en önemlilerinden bazıları şu şekilde sıralanabilir:
- - - Bir hücrede ortaya çıkmasını sağlayan genetik, biyokimyasal ve fizyolojik etmenler nelerdir?
- - - Bir türde bulunmasını sağlayan evrimsel ve genetik koşullar nelerdir?
- - - Bitkinin belli bir kısmında maddenin sentezini başlatan içsel düzenleyici mekanizmalar, yani kemojenez ve morfojeneze neden olan etmenler nelerdir?
- - - Bir ikincil metabolit veya grubunun taksonomik bir grupta varlığının açıklaması olabilir mi ve nasıl açıklanabilir?
- - - Biyosentezde önemli rolü olan enzimler homolog mudur, aynı filogenetik kökene mi sahiptirler?

İKİNCİL METABOLİTLERİN KARŞILAŞTIRMALI BİYOKİMYASI

Biyoloji bu gibi temel sorulara ancak karşılaştırmalı çalışmalar ile yanıt bulabilir, sistematik ve özellikle evrim bilgilerinden yararlanılarak karşılaştırmalı kimyasal verilerin anlamı ortaya çıkarılabilir

FİLOGENETİK İÇERİK
Karşılaştırmalı çalışmaların anlamlı ve güvenilir sonuçlara ulaştığından emin olunması zordur

Çünkü konu olarak seçilen taksonun tam olarak incelendiğinden, örneklemelerin gerçekten yeterli ve gereken şekilde yapılmış, bireyler arası farklılıkların nötralize edilmiş ve nedenlerinin anlaşılmış olduğundan emin olunması gerekir

Ancak tümüyle sistematik sınıflandırma amacı güdülüyorsa bu sorunlar önemlerini büyük ölçüde kaybeder

Çünkü elde edilen sonuçlar değerlendirmeye yalnızca birer karakter olarak katılacak ve başka karakterlerle korelasyonlarına bakılacaktır

Filogenetik sonuçlar veya evrimle ilgili bilgiler elde edilmeye çalışıldığında ise tüm bu sayılan kaygılar geçerlilik kazanır

Bu nedenle de birçok sistematikçi kemotaksonomik verileri kullanmaktan kaçınma eğilimindedir

Benzer şekilde morfolojik karakterleri kullanarak filogenetik değerlendirmeler yapılması ancak fosil serilerinden yararlanılabilirse nesnel sonuçlara ulaşabilmektedir

Taksonomistler de genelde nesnelliğinden emin olunması zor olan verilerin morfolojik verilerden daha ayrıntılı bilgi vermesinin pek bir anlamı olmadığını düşünürler

Aynı yaklaşım uzun bir süre klinisyen hekimlerin de laboratuar verilerine pek önem vermemelerine neden olmuştur

Daha kolay ve çabuk sonuç veren muayene sonuçlarına dayanarak tedavi uygulayıp, sonucuna göre tedavinin devamı veya başka bir tedavi şeklinin denenmesi yolunu yeğlemişlerdir

Ancak enstrumantal tekniklerin daha kısa sürede daha ayrıntılı sonuçlar verir hale gelmesi ile bu eğilim zayıflamıştır

Kemotaksonomik yaklaşımla inceleme konusu iki bitki grubunda aynı maddenin bulunduğu, diğer yakın gruplarda olmadığı görüldüğünde ortaya bu korelasyonu doğrulayacak başka korelasyonların bulunması sorunu çıkar

Bu veriler de ancak sistematik ve genetik karakterlerden elde edilebilir

Diğer önemli bir konu da yukarıda belirtildiği üzere paralel veya kesişen evrimler olup olmadığını anlamaktır

BİYOSENTETİK MEKANİZMALAR
Bilindiği üzere canlılardaki maddelerin birincil ve ikincil ve atık maddeler şeklinde canlılığın varlığı için şart olan ve olmayan ile canlılık atığı olan maddelerin sentezine öncülük eden temel maddelerin diğer maddelere dönüşümlerinin mekanizmalarının incelenmesi biyolojinin temel konularından biridir

İki bitki grubunda kimyasal açıdan önemli benzerliği olan maddeler bulunduğunda, birinin diğerinin öncüsü olup, olmadığı ve karışımlarından oluşan maddelerin söz konusu olup olmadığının da araştırılması gerekir

Bu tür araştırmalar da ancak radyoetiketleme gibi ileride değinilecek olan tekniklerle sentezleme mekanizmalarının incelenmesi ile ortaya çıkarılabilir

Taksonomik değerleri yanında bu tür dönüşümlerin enzimolojisi incelenerek de kalıtsal altyapısı ve yürüdüğü yol göz önüne alınmak suretiyle filogenetik açıdan değerlendirmesi yapılabilir

Biyosentez İmceleme Yöntemleri
Bu inceleme oldukça zor ve yanıltıcı özellikleri fazla olan denemeler ve duyarlı analizlere gerek gösterir

İlk denemeler belli bir metabolitin öncüsü olabileceği düşünülen maddelerin incelenen canlı organ, doku veya hücrelere verilerek tepkimenin yürümesi için gerekli koşullarda hangi öncü maddenin o ürün derişiminde artışa neden olduğunu görmek ve sonra da o tepkimenin optimum koşullarını araştırarak bulguyu kesinleştirmektir

Örneğin morfin biyosentezinin hangi amino aside dayandığı canlılarda bulunabilen tüm a-amino asitlerin tek tek uygulanması ile araştırılarak tirozinden sentezlendiği bulunmuştur

Burda uygulanacak analitik işlem morfin tayini olup, kullanılan yöntem ne kadar seçici ve duyarlı olursa sonuca o kadar kolay ulaşılır ve sonuç kesin olur

Diğer bir yöntem ise radyoaktif veya stabl bir izotopla işaretlenmiş – etiketlenmiş olan öncü maddenin deney materyaline verilmesi, gene uygun koşullarda yürümesi sağlanan tepkime sonucunda işaretin hangi maddeye ne oranda geçtiğini belirlemektir

Bu yöntemlerden radyoaktiv işaret analizinin girişim sorunu olmadan uygulanabilmesi yanında izlemegücünün yüksek, belirleme sınırının küçük oluşu üstünlüğüne sahiptir

Genelde radyoaktif işaretleyici olarak 14C ve 3H kullanılır ve sıvı sintilasyon cihazıyla ekstraktlarda doğrudan, veya saflaştırma, gerekiyorsa kromatografik ayırımdan sonra ölçüm yapılır

Radyoaktif işaretli saf maddeler yerine stabl olan C13, N15, O18 , H2 izotopları ile etiketleme sonrasında kütle veya NMR spektrometrisi yöntemleri ile analiz de mümkünse de izleme gücü daha düşük olan tekniklerdir

Radyoaktif etiketlemenin bir üstünlüğü de röntgen filmleri, b-kamera kullanmak gibi tekniklerle ilgili tepkimenin yürüdüğü hücre, doku veya organ hakkında da kolayca bilgi edinme olanağı sağlamasıdır

Kromatografik ayırım sonucunda izotop analizi ise öncü maddedeki etiketin hangi koşul ve sürede hangi ara ürün veya ürüne ne oranda geçtiğini öğrenme olanağı sağlamasıdır

Bu şekilde metabolik devrenin yürüyüşü de öğrenilebilmekte, hangi koşul değişimlerinin, hangi aktivatör veya inhibitörlerin olaya müdahale ettikleri gibi önemli bilgiler de alınabilmektedir

Diğer bir yöntem ise dondurarak veya liyofilize edilerek enzim aktivitelerinin durdurulduğu materyallerde çözünür protein – enzim ekstraksiyonu ile metabolik aktiviteyi durdurduktan sonra incelenen metabolik devrede rol aldığı düşünülen maddeleri sübstrat olarak kullanan saf enzimlerin teker teker ilavesi ile katalizledikleri reaksiyon ürünündeki artışı ölçmektir

10-10-2012	#5
Prof. Dr. Sinsi	Kemotaksonomi – Karşilaştirmali Fitokimya Ve Biyokimya KEMOTAKSONOMİ ve BİYOKİMYASAL SİSTEMATİK Bitkilerdeki ikincil metabolizma ürünlerinin üzerinde kimyagerler, farmakologlar ve biyologların uzun zamandır yaptığı ve sürdürdüğü çalışmaların insanlığa sağladığı kuramsal bilgiler ile pratik sonuçları çok iyi bilinmektedir Canlı türlerinin ve bu madde çeşitlerinin çok yüksek sayılara ulaşması nedeniyle de bu araştırmaların daha çok uzun bir süre tamamlanamayacağı söylenebilir 1960’lı yılların başlarında yayınlanan “Zootaksonomi” kitabında sistematik ve taksonomi terimlerinin günlük dilde eşanlamlı olarak kullanıldığına dikkat çekilerek aslında çok farklı iki yaklaşımı içerdiği belirtilmiş ve daha önce de değindiğimiz tanımlamalar yapılmıştır: Taksonominin “kuramsal” bir sınıflandırma yöntemine dayanan bilim dalı olduğu, temel kavram ve kuralları ile prensipleri ve özel yöntemleri bulunduğu belirtilerek , Sistematiğin ise organizmaların çeşitliliğini ve çeşitler arasındaki benzerlikler ile farklılıkları inceleyerek ortaya çıkartmayı amaçladığını belirtilmiştir Bu temel ayırım çerçevesinde ele alındığında da, Kemotaksonominin kimyanın ve taksonominin kuramsal çerçeveleri içinde kalarak özel yöntemler ile, Biyokimyasal Sistematik ise kimyasal ve biyokimyasal yöntemler yanında sitolojik, genetik ve moleküler biyolojik inceleme yöntemleri ile, özel taksonomik ve sistematik sorunlarý çözümlemeye çalýþtýklarý belirtilmiþtir Bazı cins veya türlerdeki madde grupları içinde yer alan bir maddenin çok kompleks olabilen bu madde grubundan ayırılarak saflaştırılmasının çok zor olması bu araştırmaları zorlaştırabilmektedir Örneğin Vinca - cezayir menekşesinin alkaloidleri böyle karmaşık bir grup olarak yapılarını inceleyen araştırıcıları zorlamıştır Striknin molekülünün varlığının belirlenmesi, izolasyonu ve yapısının çözülmesi 1910 - 1948 yılları arasında kesintisiz sürdürülen araştırmaları gerektirmiştir Ancak analiz tekniklerinin ve cihazlarının sürekli olarak geliştirilmesi gerekli işlemleri kısaltmakta ve zorluk derecesini de giderek azaltırken doğruluk ve tekrarlanırlığını arttırmaktadır Yukarıda değinilen alkaloidlerin bu açıdan özel bir yere sahip olması iyi bir örnektir Biyologlar için bu ikincil metabolitlerin bitki evreninde doğal seçim, ekoloji - diğer bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalarla olan ilişkiler gibi çok yönlü rolleri de önemlidir Bu açılardan bakıldığında da tek bir sekonder metabolitle ilgili birçok soruya yanıt aranması gerekir, bunların en önemlilerinden bazıları şu şekilde sıralanabilir: - - - Bir hücrede ortaya çıkmasını sağlayan genetik, biyokimyasal ve fizyolojik etmenler nelerdir? - - - Bir türde bulunmasını sağlayan evrimsel ve genetik koşullar nelerdir? - - - Bitkinin belli bir kısmında maddenin sentezini başlatan içsel düzenleyici mekanizmalar, yani kemojenez ve morfojeneze neden olan etmenler nelerdir? - - - Bir ikincil metabolit veya grubunun taksonomik bir grupta varlığının açıklaması olabilir mi ve nasıl açıklanabilir? - - - Biyosentezde önemli rolü olan enzimler homolog mudur, aynı filogenetik kökene mi sahiptirler? İKİNCİL METABOLİTLERİN KARŞILAŞTIRMALI BİYOKİMYASI Biyoloji bu gibi temel sorulara ancak karşılaştırmalı çalışmalar ile yanıt bulabilir, sistematik ve özellikle evrim bilgilerinden yararlanılarak karşılaştırmalı kimyasal verilerin anlamı ortaya çıkarılabilir FİLOGENETİK İÇERİK Karşılaştırmalı çalışmaların anlamlı ve güvenilir sonuçlara ulaştığından emin olunması zordur Çünkü konu olarak seçilen taksonun tam olarak incelendiğinden, örneklemelerin gerçekten yeterli ve gereken şekilde yapılmış, bireyler arası farklılıkların nötralize edilmiş ve nedenlerinin anlaşılmış olduğundan emin olunması gerekir Ancak tümüyle sistematik sınıflandırma amacı güdülüyorsa bu sorunlar önemlerini büyük ölçüde kaybeder Çünkü elde edilen sonuçlar değerlendirmeye yalnızca birer karakter olarak katılacak ve başka karakterlerle korelasyonlarına bakılacaktır Filogenetik sonuçlar veya evrimle ilgili bilgiler elde edilmeye çalışıldığında ise tüm bu sayılan kaygılar geçerlilik kazanır Bu nedenle de birçok sistematikçi kemotaksonomik verileri kullanmaktan kaçınma eğilimindedir Benzer şekilde morfolojik karakterleri kullanarak filogenetik değerlendirmeler yapılması ancak fosil serilerinden yararlanılabilirse nesnel sonuçlara ulaşabilmektedir Taksonomistler de genelde nesnelliğinden emin olunması zor olan verilerin morfolojik verilerden daha ayrıntılı bilgi vermesinin pek bir anlamı olmadığını düşünürler Aynı yaklaşım uzun bir süre klinisyen hekimlerin de laboratuar verilerine pek önem vermemelerine neden olmuştur Daha kolay ve çabuk sonuç veren muayene sonuçlarına dayanarak tedavi uygulayıp, sonucuna göre tedavinin devamı veya başka bir tedavi şeklinin denenmesi yolunu yeğlemişlerdir Ancak enstrumantal tekniklerin daha kısa sürede daha ayrıntılı sonuçlar verir hale gelmesi ile bu eğilim zayıflamıştır Kemotaksonomik yaklaşımla inceleme konusu iki bitki grubunda aynı maddenin bulunduğu, diğer yakın gruplarda olmadığı görüldüğünde ortaya bu korelasyonu doğrulayacak başka korelasyonların bulunması sorunu çıkar Bu veriler de ancak sistematik ve genetik karakterlerden elde edilebilir Diğer önemli bir konu da yukarıda belirtildiği üzere paralel veya kesişen evrimler olup olmadığını anlamaktır BİYOSENTETİK MEKANİZMALAR Bilindiği üzere canlılardaki maddelerin birincil ve ikincil ve atık maddeler şeklinde canlılığın varlığı için şart olan ve olmayan ile canlılık atığı olan maddelerin sentezine öncülük eden temel maddelerin diğer maddelere dönüşümlerinin mekanizmalarının incelenmesi biyolojinin temel konularından biridir İki bitki grubunda kimyasal açıdan önemli benzerliği olan maddeler bulunduğunda, birinin diğerinin öncüsü olup, olmadığı ve karışımlarından oluşan maddelerin söz konusu olup olmadığının da araştırılması gerekir Bu tür araştırmalar da ancak radyoetiketleme gibi ileride değinilecek olan tekniklerle sentezleme mekanizmalarının incelenmesi ile ortaya çıkarılabilir Taksonomik değerleri yanında bu tür dönüşümlerin enzimolojisi incelenerek de kalıtsal altyapısı ve yürüdüğü yol göz önüne alınmak suretiyle filogenetik açıdan değerlendirmesi yapılabilir Biyosentez İmceleme Yöntemleri Bu inceleme oldukça zor ve yanıltıcı özellikleri fazla olan denemeler ve duyarlı analizlere gerek gösterir İlk denemeler belli bir metabolitin öncüsü olabileceği düşünülen maddelerin incelenen canlı organ, doku veya hücrelere verilerek tepkimenin yürümesi için gerekli koşullarda hangi öncü maddenin o ürün derişiminde artışa neden olduğunu görmek ve sonra da o tepkimenin optimum koşullarını araştırarak bulguyu kesinleştirmektir Örneğin morfin biyosentezinin hangi amino aside dayandığı canlılarda bulunabilen tüm a-amino asitlerin tek tek uygulanması ile araştırılarak tirozinden sentezlendiği bulunmuştur Burda uygulanacak analitik işlem morfin tayini olup, kullanılan yöntem ne kadar seçici ve duyarlı olursa sonuca o kadar kolay ulaşılır ve sonuç kesin olur Diğer bir yöntem ise radyoaktif veya stabl bir izotopla işaretlenmiş – etiketlenmiş olan öncü maddenin deney materyaline verilmesi, gene uygun koşullarda yürümesi sağlanan tepkime sonucunda işaretin hangi maddeye ne oranda geçtiğini belirlemektir Bu yöntemlerden radyoaktiv işaret analizinin girişim sorunu olmadan uygulanabilmesi yanında izlemegücünün yüksek, belirleme sınırının küçük oluşu üstünlüğüne sahiptir Genelde radyoaktif işaretleyici olarak 14C ve 3H kullanılır ve sıvı sintilasyon cihazıyla ekstraktlarda doğrudan, veya saflaştırma, gerekiyorsa kromatografik ayırımdan sonra ölçüm yapılır Radyoaktif işaretli saf maddeler yerine stabl olan C13, N15, O18 , H2 izotopları ile etiketleme sonrasında kütle veya NMR spektrometrisi yöntemleri ile analiz de mümkünse de izleme gücü daha düşük olan tekniklerdir Radyoaktif etiketlemenin bir üstünlüğü de röntgen filmleri, b-kamera kullanmak gibi tekniklerle ilgili tepkimenin yürüdüğü hücre, doku veya organ hakkında da kolayca bilgi edinme olanağı sağlamasıdır Kromatografik ayırım sonucunda izotop analizi ise öncü maddedeki etiketin hangi koşul ve sürede hangi ara ürün veya ürüne ne oranda geçtiğini öğrenme olanağı sağlamasıdır Bu şekilde metabolik devrenin yürüyüşü de öğrenilebilmekte, hangi koşul değişimlerinin, hangi aktivatör veya inhibitörlerin olaya müdahale ettikleri gibi önemli bilgiler de alınabilmektedir Diğer bir yöntem ise dondurarak veya liyofilize edilerek enzim aktivitelerinin durdurulduğu materyallerde çözünür protein – enzim ekstraksiyonu ile metabolik aktiviteyi durdurduktan sonra incelenen metabolik devrede rol aldığı düşünülen maddeleri sübstrat olarak kullanan saf enzimlerin teker teker ilavesi ile katalizledikleri reaksiyon ürünündeki artışı ölçmektir