Biyoenerjetikler

Biyoenerjetikler Biyoenerjetik ya da biyokimyasal termodinamik biyokimyasal reaksiyonlarda meydana gelen enerji değişimlerini inceler. Verileri kullanarak herhangi bir reaksiyonun gerçekleşip gerçekleşemiyeceğini açıklar.

Biyoenerjetikler Biyolojik olmayan sistemler iş yapabilmek için ısıyı enerji olarak kullanırlar Biyolojik sistemler izotermiktir. Bu nedenle yaşamak için kimyasal enerjiyi kullanırlar.

Biyoenerjetikler Organizma canlılığını sürdürebilmesi için yakıta ihtiyaç duyar. Yakıtın alınması değerlendirilmesi ve kullanım yolları da canlının metabolizmasının bir kısmını oluşturur.

Biyoenerjetikler Açlık sonucu ortaya çıkan ölüm mevcut kullanılır enerji ile enerji kaynaklarının tüketilmesi ve yerine yenilerinin konulamaması sonucu ortaya çıkar. Malnutrisyonun bazı belirtileri de enerji yokluğu nedeniyledir. Enerjinin birikmesi de şişmanlık ile kendini gösterir.

Enerji nedir ? Maddenin iş yapabilme gücü Enerji madeye bağlıdır ancak bir madde şekli değildir. Enerji birimi joule dür (J). kalori (cal) de enerji birimi olarak kullanılır. (1 cal = 4,187 J) 1Newton = 1 kg kütleyi saniye karede 1 metre hareket ettirebilmek için uygulanan kuvvet. 1 Joule= 1 Newtonluk bir kuvvetin bir cismi 1 m ilerletmesiyle yapılan iş.

Enerji Enerji pek çok şekillerde kullanılmaktadır. Mekanik, kimyasal, ısı, elektrik, ışık enerjileri. Bu enerji şekillerinin birbirlerine dönüşebildikleri de bilinmektedir.

Enerji Çeşitli enerji formlarının birbirlerine dönüşümlerinin formüle etmek için termodinamiğin 2 kanunundan yararlanılır. 1. kanun: bir sistem ve onun çevresindeki enerji toplamı sabittir. Her türlü fiziksel ve kimyasal değişimlerde evrendeki toplam enerji daima sabit kalmakta sadece enerjinin formu değişmektedir.

Enerji Suyun potansiyel enerjisi-elektrik e. Motorda elektrik enerjisi-mekanik e. Pildeki kimyasal enerji-elektrik e. Biyolojik yaşamda 3 çeşit enerji dönüşümü gözlenir: 1-güneş ışığının radyant enerjisi- bitkilerde kimyasal enerjiye 2-CH ve diğer moleküllerdeki kimyasal enerji- yüksek enerjili fosfat bağı enerjisi 3-Fosfat bağı kimyasal enerjisi- çeşitli enerji türleri

Enerji

Çevre ile enerji ve madde alışverişlerindeki ilişkilere göre izole, kapalı ve açık olmak üzere üç farklı sistem türü tanımlanır.

İzole sistemlerde çevre ile enerji ve madde alışverişi olmaz.

Kapalı sistemlerde çevre ile enerji alışverişi olur, fakat madde alışverişi olmaz.

Açık sistemlerde çevre ile hem enerji hem madde alışverişi olur.

Termodinamiğin 2. kanunu Kanunun iyi anlaşılabilmesi için bazı kavramların açıklanması gerekir. Serbest enerji: Egzergonik bir reaksiyonda açığa çıkan enerjidir. Sabit sıcaklıkta ve sabit basınçta iş yapmakta kullanılır. Bir sistemde iş yapmakta kullanılan enerjidir. Kimyasal enerji olarak kullanılır. Bazan ısı enerjisi olarak da kullanılabilir.

Termodinamiğin 2. kanunu Entropi: Enerjinin rastgele ve düzensiz olarak dağıldığı durumdaki halidir (faydalı olmayan enerjidir). Canlı hücre entropisini küçük tutarak yaşama savaşı verir. Entalpi: Reaksiyon sisteminin sabit sıcaklık ve sabit basınç altında çevreye verdiği ya da çevreden aldığı ısı miktarıdır.

Kimyasal reaksiyonlar sırasında Kimyasal reaksiyonlar sırasında reaksiyona katılan maddeler (reaktantlar, substratlar) ve reaksiyon sonunda oluşan maddelerin (ürünler): enerjilerinde, entalpilerinde, entropilerinde, serbest enerjilerinde değişimler olmaktadır.

Entropi Gelişigüzellik/Dağınıklık entropi ile ifade edilir. Bir maddenin Sıvı hali, katı haline göre daha yüksek entropiye sahiptir. Bir maddenin gaz hali, sıvı haline göre daha yüksek entropiye sahiptir. Sıcaklık yükseldikçe maddenin entropisi yükselir. Bir kimyasal reaksiyonda gaz moleküllerin sayısı artıkça entropi artar.

Termodinamiğin 2. kanunu Termodinamikte bir organizma, bir hücre veya birbiri ile reaksiyona giren iki madde, sistem olarak tanımlanır. Bir sistem, bir çevre içinde yer almaktadır. Sistem ve çevrenin ikisi birlikte de evren i oluştururlar.

Termodinamiğin 2. kanunu Sistem reaksiyona giren madde ya da maddelerden, içinde bulunduğu çözeltiden, veya o anda bulunan atmosferden meydana gelir. Kısaca uzayda belirli bir bölge ile sınırlanan alanın içinde bulunan her şeyi kapsamaktadır. Eğer sistem çevresi ile madde veya eneji alışverişi yapmıyorsa bu sistem kapalı bir sistemdir.

Termodinamiğin 2. kanunu Serbest enerji sistemde herhangi bir iş için gerekli olan enerjidir. Termodinamiğin ikinci kanunu bir sistemde kimyasal reaksiyonun kendiliğinden olabilmesi için sistemin entropisinin artması gerektiğini bildirir. Entropi sistemdeki düzensizliğin ve gelişigüzelliğin büyüklüğünü bildirir.

Biyoenerjetikler Entalpi (ΔH) reaksiyon sisteminin verdiği ya da aldığı ısıyı göstermektedir. Eğer bir kimyasal reaksiyonda ısı açığa çıkıyorsa reaksiyon ekzotermiktir. Ekzotermik reaksiyonlarda ürünlerin ısı miktarı reaktanlara göre daha düşük olduğundan entalpi değişimi (ΔH) negatiftir.

Biyoenerjetikler Etrafından ısı alan reaksiyon sistemleri (yani ısı enerjisini absorbe eden sistemler ) endotermiktir. Entalpi değişimi (ΔH) pozitiftir.

Biyoenerjetikler Sabit sıcaklık ve sabit basınç altında reaksiyon veren bir sistemin serbest enerji değişimi (ΔG) ile entalpi ve entropi değişimi (ΔS) arasındaki ilişki şöyle gösterilir: ΔG = ΔH – T . ΔS ΔG =Serbest enerji değişimi. Bir sistemde bulunan toplam enerjinin iş yapmada kullanılabilen kısmıdır. ΔH=Entalpi (ısı değişikliği). Sabit sıcaklık ve sabit basınç altında bir sistemin aldığı ya da verdiği ısı miktarıdır. ΔS= Entropi sistemdeki düzensiz enerji.

Biyoenerjetikler ΔG= ΔH – T. ΔS Kimyasal reaksiyonlarda Serbest enerji değişimi (ΔG) sistemin denge durumundan olan uzaklığının bir ölçüsüdür. Serbest enerji salınımı olan reaksiyonlar Ekzergonik reaksiyonlardır. Bu reaksiyonlardaki ürünlerin serbest enerjileri reaktanlara göre daha düşüktür Serbest enerji değişimi (ΔG) negatiftir. Bu reaksiyonlar kendiliğinden yürür.

Biyoenerjetikler ΔG= ΔH – T. ΔS Ürünlerin serbest enerjileri reaktanlara göre daha fazla olursa kimyasal reaksiyon endergoniktir. Reaksiyonun serbest enerji değişimi (ΔG) pozitiftir. Böyle bir reaksiyonun meydana gelebilmesi için dışarıdan enerji verilmesi gerekir.

Biyoenerjetikler ΔG= ΔH – T. ΔS Serbest enerji değişimi ile ilgili olarak iki noktanın açıklanması gerekmektedir : 1.Tepkimenin mekanizması ΔG üzerinde etkili değildir (glukozu hangi yolla okside ederseniz edin). 2. ΔG tepkimenin hızı hakkında herhangi bir fikir vermez.

Serbest enerji değişimi Standart koşullarda (25 C, 298 K) ve 1 atmosfer basınç altında her reaksiyonun özgün bir standart serbest enerji değişimi vardır.

Biyoenerjetikler Canlı organizmalar hücre içi düzenlerini serbest enerjiyi besin maddeleri ya da güneş enerjisi halinde alarak ve karşılığında çevreye aynı miktarda enerjiyi entropi olarak vererek korumaktadırlar.

Biyoenerjetikler Heterotrof canlılar enerjiyi besin maddeleri halinde alırken ototrof canlılar solar radyasyonu absorbe ederek alırlar. Hücreler için ısı önemli bir enerji kaynağı değildir.

Hücrelerde enerji döngüsü Heterotrof canlılar serbest enerjiyi besin maddelerinden belirli kimyasal yapılarda almakta ve özellikle CH ve yağların yıkımı ile serbest hale geçmektedir. Elde edilen enerji ya anında başka bir endergonik reaksiyonda kullanılmakta ya da aracı moleküllerde tutularak gerektiğinde çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır.

Hücrelerde enerji döngüsü Canlılar 3 amaç için sürekli serbest enerjiye ihtiyaç duyarlar ve bu nedenle besin maddeleriyle enerji aktarım maddelerini alırlar: 1-Kas kasılması ve diğer hücresel mekanik fonksiyonlar. 2-Molekül ve iyonların aktif taşınması. 3- Basit moleküllerden başka moleküller ya da daha büyük moleküllerin sentezi ile kompleks moleküllerin yıkılması

Hücrelerde enerji döngüsü Çeşitli reaksiyonlarda açığa çıkan serbest enerji kullanılma öncesi özel bir yapının bağları arasına depo edilir. ATP + H2O → ADP + Pi + H+ ΔG˚ = -30.54 kJ/mol (−7.3 kcal/mol) ATP + H2O → AMP + PPi + H+ ΔG˚ = -45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol)

Yüksek enerjili fosfatın 3 temel kaynağı 1. Oksidatif fosforilasyon: Aerobikorganizmalarda en büyük kaynak 2. Glikoliz: Glikoz -> Piruvat (fosfogliserat kinaz ve piruvat kinaz basamaklarında) 3. TCA siklusu: (Süksinat tiyokinaz basamağında) • Son ikisi substrat seviyesinde fosforilasyondur.

ATP ATP, Termodinamik olarak uygun olmayan reaksiyonların uygun reaksiyonlarla eşleşmesine imkan sağlar Örnek: Glikoliz yolunun ilk reaksiyonu 1. Glukoz + Pi -> Glukoz 6P + H2O Endergonik bir reaksiyondur. Fizyolojik şartlarda gerçekleşmez. Gerçekleşmesi için bu reaksiyondan daha ekzergonik bir reaksiyonla eşleşmesi gerekir. Bu da ATP’nin terminal fosfatının hidrolizidir.

Fosfajenler Fosfajenler yüksek enerjili fosfatların depo şekilleri olarak rol oynarlar Fosfajenler 1. Kreatin fosfat: Omurgalıların kas ve beyninde 2. Arjinin fosfat: Omurgasızların kasında Fosfajenler ATP’nin kas içinde korunmasına imkan sağlarlar.

Hücrelerde enerji döngüsü Bileşik ΔG Fosfoenol piruvat -14.8 Karbamoil fosfat -12.3 1,3-difosfogliserat -11.8 Kreatin fosfat -10.3 ATP + H2O → ADP + Pi -7.3 ADP + H2O → AMP + Pi -6.6 Glukoz-1-P -5.0 Fruktoz-6-P -3.8 AMP + H2O →Adenozin+Pi -3.4 Glukoz-6-P -3.3