BİYOENERJETİK Doç.Dr S.C

Canlı hücrelerin ve organizmaların ,yaşamak,büyümek ve üremek için bir iş yapmaları gerekmektedir Gelişmiş organizmalarda enerjiyi bir formdan diğer bir forma dönüştürmek kimyasal reaksiyonlar ile gerçekleşmektedir

Biyoenerjetik,canlı sistemlerde enerji transferini ve kullanımını tanımlamaktadır Biyoenerjetik ,enerji dönüşümleri ile ilgili genel bir fizik bilimi olan termodinamiğin özel bölümünü oluşturmaktadır

Termodinamik İnsan organizmasında enerji dönüşümleri termodinamik yasalara uygun gerçekleşmektedir Termodinamikte, bir hücre veya birbiri ile reaksiyona giren iki madde, sistem olarak tanımlanır.

Termodinamiğin 1.yasası: Enerjinin korunumu ile ilgilidir; Bir sistem içindeki enerji dönüşümünde, enerji artmaz eksilmez , sistem ve çevresinin toplam enerjisi sabit kalır Enerji şekil değiştirebilir

Termodinamiğin 2.yasası; Entropi (S) ile ilgilidir Entropi bir sistemin düzensizliğinin ifadesidir Sistem denge halindeyken entropi max dur Çözünme,erime ve buharlaşma olaylarında entropi artar

Sistemin düzensizliğinin artması durumunda S’nin değeri pozitifdir (+). Sistemin düzensizliğinin azalması durumunda S’nin değeri negatifdir (-).

Serbest enerji (G), sistemin iş yapmak için kullanılabilir enerjisidir Serbest enerji (G), sistemin iş yapmak için kullanılabilir enerjisidir.Sistemin serbest enerjisinde değişiklik bir iş yapılmasıyla birlikte olur. Bu iş kimyasal iş veya kimyasal enerji şeklinde olabilir. Kimyasal reaksiyonlarda enerji veren bir reak enerji gerektiren bir diğer reaks yürütmek için eşleşebilir

Sabit sıcaklıkta ve sabit basınç altında gerçekleşen kimyasal reaksiyonlara eşlik eden enerji değişikliklerini Gibbs-Helmholtz denklemi tanımlar ΔG = ΔH –TΔS ΔG :Serbest enerji değişimidir ΔG (-) enerji açığa çıkar ve reak kendiliğinden ilerler ekzergonik reksiyon

G<0 reaksiyon ekzergonik’tir. Ekzergonik reaksiyon, yazıldığı şekilde soldan sağa doğru kendiliğinden ilerler G değeri negatif () ve büyük olan reaksiyonlar (ekzergonik reaksiyonlar), termodinamik olarak elverişli reaksiyonlar olarak tanımlanırlar

G>0 ise reaksiyon endergonik’tir. Endergonik reaksiyon, yazıldığı şekilde soldan sağa doğru kendiliğinden ilerlemez.

ΔG: (+) ise reaksiyon için enerjiye gerek sinim vardır ,endergonik reaksiyon ΔG: (0) ise reaksiyon dengededir,enerji değişimi sıfırdır, kimyasal iş yapılmamaktadır ΔH :Entalpi değişimi(kalori veya joule) ΔH (-) ise çevrelerine ısı salar ve ekzotermik reaks dur

ΔH (+) ise endotermik,çevrelerinden ısı alırlar S:entropi,sistemdeki karmaşıklığı ve gelişigüzelliği tanımlar ΔS:sistemin entropi değişikliğidir, termodinamiğin 2.kanunu ile ilgilidir. T ΔS:sistem tarafından çevreye yayılan ve iş yapmakta kullanılamıyan enerji T:mutlak sıcaklık(Kelvin)

Standart serbest enerji değişikliği Bir reaksiyonun standart şartlarda serbest enerji değişikliği standart serbest enerji değişikliği olarak tanımlanır ve bu, Go sembolü ile gösterilir. Biyokimyasal reaksiyonlarda [H+]= 10-7 ( pH 7.0 ) olduğu koşullar, standart koşullar olarak kabul edilir ve standart serbest enerji değişikliği ΔG'0 olarak gösterilir.

aA+bB ΔG = ΔG0 + R T ln cC + dD R:gaz sabiti:8.315 J/mol.K T:mutlak sıcaklık ΔG=0 olduğunda (kimyasal denge halinde) K(denge)=

K denge ve ΔG'0 den biri bilindiğinde diğeri hesaplanabilir 0= ΔG'0 + R T ln Kdenge ΔG'0 =- R T ln K denge Kdenge= K'eq ln=2.303 log 10 ΔG'0 =-2,303RT log K denge K denge ve ΔG'0 den biri bilindiğinde diğeri hesaplanabilir K'eq ΔG'0 reaks yönü > 1.0 (–) < 1.0 (+) 1 0 dengede

ATP + H20 ADP + Pi reaksiyonu için ΔG'0 = –30.5 kJ/mol ve Keq =2.105 mol/L olduğundan hidroliz , ürünler yönünde ilerler.

Glukoz + Pi Glukoz-6-fosfat + H2O Goı= 13, 8 kJ/mol ATP + H2O  ADP + Pi Goı= 30, 5 kJ/mol  Glukoz + ATP Glukoz-6-fosfat + ADP Goı= 16, 7 kJ/mol Toplam reaksiyon ekzergoniktir.

Ekzergonik ve endergonik olayların kenetlenmeleri Termodinamik olarak gerçekleşmeleri zor olan endergonik reaksiyonlar ,ekzergonik reaksiyonlar ile kenetleneşerek gerçekleşebilirler A B ΔG' 0 = +13 kJ/ mol Endergonik olan bu reaksiyon için 250C’da K'eq değeri 1.15.10-3 olarak hesaplanır.Bu reaksiyon ATP hidrolizine kenetlendiğinde ATP+ H2O  ADP + Pi + H+ ΔG' 0 = –30.5kJ/ mol İki reak taraf tarafa toplanır ΔG' 0 değeri bulunur

A + ATP + H2 B + ADP + Pi + H+ ΔG' 0 = – 17.5 kJ/ mol Kenetlenme reaksiyonun K'eq değeri ΔG' 0 değerinden hesaplanır K'eq :2.67.102 Kenetli reaksiyonun ΔG' 0 ve K'eq değerleri farklıdır Hücreler okside olabilen substratları serbest enerji kaynağı olarak kullanır ve ATP yi yüksek kons da tutarlar Hücrelerde ATP/ADP oranı yüksek düzeyde (~ 500 M–1 ) tutulur

Bütün canlılarda biyolojik enerjinin taşınmasında, yüksek enerjili fosfat bileşiği olan adenozin trifosfat (ATP) molekülü rol oynamaktadır.

ADP ile Pi’tan oluşturulan ATP, daha sonra kimyasal enerjisinin bir kısmını -metabolik ara maddeler ve küçük ön maddelerden makromoleküllerin sentezi, -konsantrasyon gradientine karşı membranların bir tarafından diğer tarafına maddelerin taşınması -mekanik hareket gibi endergonik süreçler için kullanır

Canlılarda moleküllerin yıkılımı katabolizma Yeni bileşiklerin yapıldığı sentez reaksiyonları anabolizma Anabolik ve katabolik olaylar birlikte metabolizmayı oluşturmaktadırlar.

ATP’nin hidrolizi için aktivasyon enerjisi nispeten yüksektir. ATP, grup transferi yoluyla enerji sağlar

Canlı organizmada, hidroliz standart serbest enerji değişimi yüksek, ATP’den başka bileşikler de vardır. Bu bileşikler, ya ATP gibi yüksek enerjili fosfat bileşikleridir ya da asetil-CoA gibi tiyoesterlerdir.

ATP hidrolizi ATP nin yapısında fosfoanhidrit bağlarının (~ P ) hidrolizi sonucunda ADP veya AMP oluşur. ATP’de iki, ADP’de ise bir adet yüksek enerjili fosfoanhidrid bağı bulunur. AMP’de ise yüksek enerjili bağ yoktur. Hücrede, ATP ve ADP, Mg2+ iyonları ile kompleks yapmış olarak bulunmaktadır. ATP’nin katıldığı reaksiyonları hücre içi Mg2+iyon konsantrasyonu etkiler

ATP nin ortofosfat bölünmesi: ß-γ fosfoanhidrid bağı hidrolize uğrar; ADP ve Pi oluşur..

ATP’nin pirofosfat bölünmesi : α-ß fosfoanhidrid bağı hidrolize uğrar; AMP ile PPi ( inorganik pirofosfat) oluşur. ATP’nin pirofosfat bölünmesi, ortofosfat bölünmesine göre daha ekzergonikdir. PPi den 2Pi oluşumu ile ATP den pirofosfat yoluyla oluşan enerji artar

ATP, biyolojik sistemlerde serbest enerjinin uzun süreli depolanmış halinden ziyade enerjinin aktarılmasından sorumludur,ve dak içinde kullanır ATP bir yandan sentez edilirken bir yandan da kullanılır ATP turnover ı oldukça yüksektir.Örn dinlenme durumunda bir insan 24 st içinde 40kg ATP tüketir Yoğun ekzersiz gibi hızlı tüketim durumunda ise ATP tüketim hızı dak da 0.5 kg.

Bazı biyosentez reaksiyonlarında yüksek enerjili bileşik olarak serbest nukleotidler kullanılır,(GTP,UTP,CTP) ATP+UDP ADP+UTP ATP+UMP ADP+UTP ATP+AMP 2ADP enz.kinaz

ATP hidrolizi ile eşleşme reaksiyonları Yağ asid oksidasyonunun ilk basamağında ,yağ asidleri AKOA ya bağlanır, endergonik reaksiyondur ATP hidrolizi ile eşleşerek ekzergonik hale getirilir

Pirofosfatın ,fosfataz enzimi varlığında hidrolizi İle reaksiyon açil KOA yönünde ilerler ATP protein sentezine katılan aminoasitlerin aktivasyonunda da fonksiyonel. ATP pirofosfat olarak bölünür İlk aşmada aasit ve ATP den amino açil adenilat oluşur 2.aşamada aaçil tRNA oluşur

ATP nin yüksek fosfat transfer potansiyelini etkileyen faktörler ATP hidrolizi, pH, Mg+2 konsantrasyonu ve ATP nin yapısal özelliklerine bağlidır pH 7 de ATPnın baskın olan iyonik formu ATP-4 Düşük pH da ATP nin oksijen atomları protonlanır , atomlar arası elektrostatik itme azalır ve hidroliz eğilimi azalır. ΔG' 0 daha (+) bir değer olacağından reaks ATP hidrolizi yerine ATP sentezi yönünde ilerler

Hücre içi ATP , ADP, Pi Mg +2 iyonu ile kompleks ATP hidrolizinin serbest enerjisi Mg +2 kons dan etkilenir ATP nin fosfat transfer potansiyelini ATP yapısındaki özellikler de etkiler 1)Rezonans stabilizasyonu 2)Elektrostatik itme 3)Hidrasyona bağlı stabilizasyon

1)Rezonans stabilizasyon:termodinamik kararlılığını arttırır (Oksijen atomları P ile çift bağ karakterli 4 bağ yapar(rezonans stabilizasyon) bu nedenle daha kararlı ATP nin –yüklü oksijen atomu + yüklü fosfor atomu arasındadır ,bu durum elektrostatik bakımından uygun olmayan durum oluşturmaktadır

Anorganik fosfatın Rezonans şekilleri 2)ATP ,fizyolojik şartlarda (pH 7 ) 4(-) yük taşır,elektronların biririni itmelerinden dolayı elektrostatik gerilimden serbest enerji artar,kararlılık ise azalır. ADP 3 (-) yük taşır,ATP ye göre daha kararlıdır

Hidroliz ürünlerinden ADP ve P, ATP ye göre daha çözünür bir bileşiktir Çözünürlük te reaksiyon dengesinin sağa kayması ile ATP hidrolizi kolaylaşır

ATP /ADP döngüsü Hidroliz ΔG' 0 değeri ATP den büyük olan bileşiklerden ADP ye fosforil bileşikler transfer edilerek ATP sentezi gerçekleşir ATP çeşitli metabolik yollarda moleküllere fosforil grubunu trasfer ederek bu molekülleri reaks girmeleri için aktifler Aerobik org larda ATP kaynağı oks-fosf lasyon Oksidasyon ekzergonik Fosf orilasyon endergonik komponent Subs düzeyinde fosforilsyon , oksidasyon olmadan yüksek enerjili bileşiklerden ADP ye fosf grup transferi ile

Glikolizde, subsrat düzeyinde fosforilasyon 1,3 BPG------3fosf gliserat PEP------------pıruvat ADP den ATP oluşur TCA siklusunda suksunil KOA dan-----süksinat Oluşumunda ADP den ATP olşur Kreatin fosfat------kreatin oluşur enz :kreatin kinaz—ADP den ATP oluşur Kreatin fosfat isk kası,kalp kas,sperm,beyinde bulunur ATP/ADP oranı hüc de yüksek ise depolanır. İhtiyaç durumunda kreatin kinaz ile ATP oluşur

= Hücrenin enerji statüsünü, enerji yükü ve fos forilasyon potansiyeli belirler Enerji yükü= Fosforilasyon potansiyeli =

Hücrede nukleotidlerin tümü AMP olduğunda enerji yükü sıfırdır ATP olduğunda ise 1 dir Fosf potansiyeli yaklaşık 500 M -1 de tutulur Elektron transfer potansiyeli Canlı sistemlerde metabolik yollardaki işlemler oksidasyon-redüksiyon ile sonlanır. Oksidasyon, elektron verme Redüksiyon , elektron alma

Elektronun alımı veya uzaklaşması için gerekli enerji ise elektromotif potansiyel veya elektromotif kuvvet olarak adlandırılır ve E ile gösterilir,birimi Volt Oksidoredüksiyon reaksiyonunda elektron veren molekül ya da iyon indirgeyici elektron alan ise oksitleyici olarak adlandırılır Organizmada gerekli ATP nin önemli kısmı ETZ de oluşmakta Elektronlar moleküler oksijene aktarılırken enerji oluşur