YAŞAM ŞEKİLLERİ C, H2O,O2, N, P,S ve ENERJİ döngüsü BİYOENERJETİK METABOLİZMAYA GİRİŞ YAŞAM ŞEKİLLERİ C, H2O,O2, N, P,S ve ENERJİ döngüsü BİYOENERJETİK Yard. Doç. Dr. V.Kenan ÇELİK vkcelik@cumhuriyet.edu.tr

Biosphere ( yer,gök ve su ile çevrili yerküre) Biomas (Tundra (ova), Çöl, Okyanus,Göl) Ekosistem (Tüm bitki ve hayvanların birlikte ortaklaşa yaşadıkları özel bölge –biomes- )

Ekosistemler . Ekosistem’e enerji girişi: Ekosistemler açık sistemlerdir. Ekosistemler besin girişi-çıkışı ve enerji oluşturmak (genellikle ısı) için enerjiye gereksinimleri vardır. Ekosistemler: Biyotik ve Abiyotik yaşamı içerir. Ekosistem’e enerji girişi: sentez (fotosentez-Fototroplar-bitkiler,algler,siyano bk- 1.94 kal/dk/cm2) yada kimyasal-Kemotroplar-Fermantasyon,glikoliz) Transfer (hava, su, vb.) Ekosistemlerde enerji akışı sınırlıdır: ( termodinamik kanunlar) Enerjinin korunumu Entropy

Organizmalar besin ve enerji gereksinimlerini ekosistemde belirli bir hiyerarşi içerisinde sağlarlar.(Besin zinciri)

Ekosistemlerin yapısı Tropik (“feeding”) Düzey: (Kim kimi yiyor) 1. düzey: (kendi besleklik) – Primer üreticiler güneş enerjisini yakalayarak organik bileşikleri sentezler. (Autotrophs) 2. düzey – Primer tüketiciler (Herbivorlar) 3. düzey - Sekonder tüketiciler (primary carnivorlar) 4. düzey - Tersiyer tüketiciler (secondary carnivores & parasites) Dekomposörler (çürükcüller) Mantar ve bakteriler

Besinleri parça halinde alıp hücresel sindirime geçmeden önce dışarıda (barsak ve mide de) kısmen sindiren canlılar HOLOZOİK canlılardır. Herbivor Karnivor OMNİVOR H2O

Aminoasit, Pürin ve Pirimidin sentezi Yaşayan bütün canlılar C, O2, ve enerji kaynağına ek olarak N kaynağına da gereksinimleri vardır. Aminoasit, Pürin ve Pirimidin sentezi Atmosfer de % 80 oranında bulunan N2 gazı inerttir. Bütün organizmalar atmosferik N2’u tutan organizmalara muhtaçtır.Bunlar “siyano bakteriler ve renkli algler” dir. Anabaena Microcystis

2NH4+ + 3O2 ---> 2NO2- + 4H+ + 2H2O Bitkiler nodüllerinde ortaklaşa yaşam süren mikroorganizmalar aracılığı ile N2’ u nitrifikasyon mekanizmaları sonucu oluşan NO2-,NO3- şeklinde kullanabilmektedirler. Nitrifikasyon yapan bakteriler (Nitrosomonas) pH ya oldukca duyarlıdırlar. (pH = 5’ in altında yaşayamazlar ) 2NH4+ + 3O2 ---> 2NO2- + 4H+ + 2H2O 2NO2- + O2 -------> 2NO3- (nitrobakt) Nodül

Nitrat Bazı anaerobik bakteriler Aa, İnd. N-C Ve bir çok bitki tarafından indirgenme Aa, İnd. N-C bileşikleri Bitki ve mikro Organizma Trf. sentez Hayvan ve mikro Organizmalar Tarafından parçalanma NO3- Nitrat Denitrifikasyon NH4+ N2 N fiksasyonu Klebsiella,Rhizobium Nitrifikasyon (Nitrosomonas) NO2- Nitrit Toprak bakterileri (Nitrobakteriler)

Fosfolipidlerin , tüm nükleotidlerin ve kemiğin önemli bileşeni olan FOSFOR (P) ekosistemde sınırlayıcı faktörler nedeniyle yer kabuğunda bulunur.Gaz halinde bulunmaz. Bu nedenle P döngüsü bir ÇÖKELTİ DÖNGÜSÜ dür.Sınırlı sayıda çökelti kayalarında bulunan bitkiler tarafından kullanılır.Ekosistemde dekompositörler aracılığı ile dönüştürülür.

tiooksidanlar Sulfur okside eden bakteri: Element S ve kükürt minerallerini oksitleyen kemototrof bakteri Thiobasilus dur. 2S + 3O2 + 2H2O ---> 2H+ + SO42- tiooksidanlar İlk önemli reaksiyon Tiobasillus tiooksidan ve tiobasillus ferroksidanlar tarafından PİRİT (FeS2 ) minerallerinin oksidasyonudur.

METABOLİZMA = Anabolizma + Katabolizma

Hidrojence zengin bir bileşik enerji kaynagıdır:

BİOENERJETİK: Canlı organizmalarda eneji üretimi ve dönüşümünü sağlayan kimyasal işlemler ile ilgili nicel çalışmalardır. Hücreler 6 farklı değişimi gerçekleştirmek için enerjiye gereksinirler. Sentetik iş: Mekanik iş: Konsantrasyon: Elektriksel iş: Isı: Biyolominesans:

ATEŞ BÖCEĞİ O2 IŞIK PPi Lüsiferil adenilat ATP CO2 + AMP LÜSİFERİN Oksilüsiferin Rejenasyon

Canlı organizmalar TERMODİNAMİĞİN kanunlarına uyarlar: Termodinamiğin 1. kanunu: (Enerjinin sakınımı) Enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez. Dönüşüm söz konusu -dur. (Kinetik enerji→Potansiyel→Isı).Toplan enerji sbt. Q=∆E + İş (W) ( ∆E= Eürün – Egiren)

TERMODİNAMİĞİN 2. KANUNU: Tüm canlı sistemler maksimum entropi (S), minumum enerjiye gitme eğilimindedir. Tüm fiziksel ve kimyasal değişimler hangi yöne giderse gitsin, faydalı enerji geriye dönüşümsüz olarak yıkıma uğrar. Bu yıkım tamamen tesadüfi ve düzensiz olarak meydana gelirki buna “ENTROPİ” denir. Serbest enerji: T= sbt , P = sbt ise W(iş) yapar. Isı enerjisi: Sıcaklığın ve basıncın değiştiği durumlarda iş yapar.

Tüm kimyasal reaksiyonların yönü SERBEST ENERJİ ( G) değerine bağlıdır Tüm kimyasal reaksiyonların yönü SERBEST ENERJİ ( G) değerine bağlıdır. Bu da iki güç,ENTALPİ (H) ve ENTROPİ (S) tarafından belirlenir. G = H- TS İç enerji: Sistemde depolanan enerjidir. Genel kullanımda yararlanılamaz. İç enerjideki değişim sonucu açığa çıkan enerji kullanılır. ∆E = Efinal – E başlangıç ENTALPİ: Bir sistemin ısı sabitidir. H = E + PV Biyolojik sistemlerde PV~ 0 olduğundan ∆H =∆E = Efinal – E başlangıç ∆H değeri (-) ise EKZOTERMİK REAKSİYON -enerji salınır -daha çok Katabolik reaksiyonlar içerir ∆H değeri (+) ise ENDOTERMİK REAKSİYON - enerji absorbe edilir - daha çok Anabolik reaksiyonlar içerir Enerji birimi kaloridir. 1 kalori = 4.18 J ENDOTERMİK ∆H (+) EKZOTERMİK ∆H (-)

entropi, S– Bir sistemde ki düzensizliğin ölçüsüdür. ∆S : Entropide ki değişim. (Sürün – Sreaktan) +∆S : Düzensizlik (karışıklık) azalır. - ∆S : Düzensizlik artar. serbest enerji, G– Sabit T ve P de bir reaksiyonun kendiliğinde olup olmama yeteneğini belirler. ∆G : serbest enerjideki değişim (Gfinal – Gbaşlangıç) +∆G : Sistem tarafından enerji kazanılır; endergonik; ( tepkime istemsiz, ) - ∆G : Sistem tarafından enerji kaybedilir; ekzergonik; (Tep.istemli) ∆G = 0 ise sistem dengede. ∆G =∆H - T∆S

∆G Bir reaksiyonun dengeden ne kadar uzak olduğunu belirtir.

[A]st [A]eq RT = 592 kal/mol DENGE SABİTİ (Keq) Dengede ki reaktanların ve ürünlerin oranını tanımlar. A + B C + D Keq = [C][D]/[A][B] Hücre koşulların da enerji gereksinimi; ∆G = RT ln [B]st _ RT ln [B]eq R = Gaz sbt, [A]st [A]eq RT = 592 kal/mol ∆G =∆G0 – RT ln Keq ∆G = ∆G° - 2.303 RT Log Kden Keq ∆G0

∆G°, Standart serbest enerji değeri, [Ürün]=[Reaktan] ,25 °C de, 1 atm ∆G°, Standart serbest enerji değeri, [Ürün]=[Reaktan] ,25 °C de, 1 atm. Biyokimyada ∆G°´ pH=7 ∆G = ∆G° - 2.303 RT Log Kden = 0 ∆G°= - 2.303 RT Log Kden ∆G° Standart koşullar altında farklı reaksiyonların dengeden ne kadar uzakta Olup olmadığını kıyaslama ve saptama olanağı verir. ∆G° Reaksiyon dengeye geldiğinde serbest enerji değeri değişimini ifade etmez. Serbest enerjideki değişim (∆G), Standart serbest enerjideki değişim( ∆G°) değildir. Serbest enerji girişi olmaksızın, bir kimyasal reaksiyonun oluşumunu saptamaktır. Serbest enerji değişimi (∆G), bir reaksiyonun Termodinamik olarak elverişli olup olamayacağını belirtir. Oluşum hızını belirtmez. Tepkime hızı aktivasyon enerjisi ile saptanır.

Bu reaksiyon hangi yönde ilerler? ∆G = ∆H – T∆S ∆H = – 673kcal/mol – T∆S = – 13kcal/mol ∆G = – 686 kcal/mol Bu reaksiyon hangi yönde ilerler?

CANLILARDA ENERJİ DÖNÜŞÜMLERİ: Canlılarda oksidasyon sonucu açığa çıkan enerji ADP ve Pi kullanılarak ATP oluşumunda , yada fosforca zengin bileşiklerin sentezinde kullanılır. ATP hidrolizi, hücrenin önemli enerji kaynağıdır. ATP ADP +Pi ∆G = -7,3 kcal/mol (-30.5 kJ/mol) ADP AMP + Pi ∆G = -7,3 “ “ “ “ AMP Adenozin + Pi ∆G = -3,4 “ “ 14 kJ /mol Bir çok bileşiğin metabolik aktivasyonu için gerekli FOSFOR transferi ATP aracılığı ile sağlanmaktadır. Biyolojik proseslere ÖZGÜLLÜK sağlayan ve ATP’nin rejenere edilmesi için de “YÜKSEK ENERJİLİ” bileşiklere de gereksinim vardır.

Fosforil grupları, ATP-ADP sistemi aracılığı ile, “yüksek enerjili” fosfat vericisi gruplardan sağlanarak “düşük enerjili” fosfat alıcısı gruplara aktarılır.

Makromoleküllerin sentezi ATP fosfat grubunu transfer (fosforilasyon) ederek katabolik ve anabolik prosesleri birbirine bağlar. ENERJİ TÜKETİMİ Makromoleküllerin sentezi Kas kasılımı Aktif transport Termogenesiz ENERJİ ÜRETİMİ (K.hidratlar,yağlar ve Proteinlerin yıkımı)

UTP→Polisakkarit CTP→Lipidler GTP→Protein UTP,CTP,GTP→RNA dTTP,dCTP,dGTP→DNA

FOSFOJENLER:Kaslarda depolanan yüksek enerjili bileşikler: Fosfokreatin (PC) ve Fosfoarginin (PA) (Fosfoamidler) ATP ye göre çok daha fazla grup-transfer potansiyeline sahiptir. Kaslarda ATP ye göre çok daha fazla üretilirler. Gerektiğinde ATP nin yenilenmesi Kreatin kinaz reaksiyonları aracılığı ile sağlanır.

TİOESTERLER: Hidroliz edildiğinde serbest enerji değeri çok yüksektir TİOESTERLER: Hidroliz edildiğinde serbest enerji değeri çok yüksektir. (∆G = - 31 kJmol-1 )

BİYOLİJİK REDOKS TEPKİMELERİ: Fosfat gruplarının aktarımı ve metabolik ê taşıma tepkimeleri metabolizmanın en önemli bölümünü oluşturmaktadır. Redoks tepkimelerinde ê veren molekül İNDİRGEN (kendi yükseltgenir), ê alan molekül YÜKSELTGEN (kendi indirgenir). ê verici ve alıcı gruplar arasında ê lar HiDRİT (:H-) iyonu şeklinde taşınır. O ll CH3—C—H aldehit O ll CH3—C—OH Karboksilik asit CH3—CH3 etan CH3—CH2OH etanol O=C=O karbondioksit O2

E = E° + RT / nF ln (Yükseltgen) / (İndirgen) Bir redoks tepkimesinde, tepkimenin hangi yönde olacağı moleküllerin ê ilgisine bağlıdır.Bu da “STANDART İNDİRGENME POTANSİYELİ “ (E°) ile belirlenir. E = E° + RT / nF ln (Yükseltgen) / (İndirgen) E = E° + 0,06 / n log (é alıcısı) / ( é vericisi) ∆G = - n F ∆E veya ∆G° = - n F ∆E° Faraday sbt (96,480 J / V.mol) Alınan-verilen é sayısı

Asetaldehit + NADH + H+ Etanol + NAD+ Asetaldehit + 2 H+ + 2 é → Etanol E° = - 0,197 V NAD+ + 2 H+ + 2é → NADH + H+ E° = - 0,320 V ∆E° = -0,197 – (-3,20) = 0,123 V n = 2 ∆G° = -n F∆E° = -2 (96,5 kJ/ Vmol)(0,123 V) ∆G° = - 23,7 kJ / mol

Hücreler redoks reaksiyonlarında é transferini özel taşıyıcı kofaktörler aracılığı ile sağlar. NAD+ genelde KATABOLİK reaksiyonlarda NADH oluşturmak üzere kullanılır. Üretilen NADH lar ADP den ATP oluşturmak üzere ETS de kullanılır. NADPH lar ise daha çok ANABOLİK proseslerde kullanılır.

:H-

H· H·