Biyokimyasal reaksiyonlarda enerji değişikliklerini inceler. Bazı reaksiyonlar olurken bazıları neden olmaz?

Transkript

1

2 Biyokimyasal reaksiyonlarda enerji değişikliklerini inceler Bazı reaksiyonlar olurken bazıları neden olmaz?

3 Sistemler arasındaki fark? Biyolojik olmayan sistemler ısı enj kullanılır Biyolojik sistemler izotermik kimyasal enerji kullanır marasmus beslenme bozukluğu Enerji kaynakları tükenince açlıktan ölüm meydana gelir Aşırı enerji depolanması obezite

4 Kimyasal enj nasıl oluşur? Hücresel solunum Oxd yıkım, Kimyasal bağ enj NAD +, FAD NADH, FAD(2H) (indirgenmiş koenzim) Elektron transport zincirinde ATP rejenerasyonu (Oksidatif fosforilasyon) ATP ~P bağı

5 Elektron transport zincirinde ATP rejenerasyonu O 2 ye elektronların verilmesi ΔG 0 E 0 redüksiyon potansiyeli ile ilişkili

6 ~P Bağı nerede kullanılır? Kas kasılması Detoksifikasyon Isı Transport Fosforil transferi Biyosentez Ara ürün aktiflenmesi (UDP-şekerler)

7 CO2 Enerji üretimi Karbohidrat LipidLipid ProteinProtein O2 Isı ATP Enerji kullanımı Kas kasılmas lması Aktif iyon taşı şınması Biyosentez Detoksifikasyon Termojenezis ADP + Pi

8 ATP Homeostasis Yakıt kullanımı, ATP Kullanım Yakıt kullanımı, ATP kullanımı ATP homeostasis enerji dengesi Problem - Obezite - Hipertiroidizm - Myokart infark

9 Enerji değişiminde 3 termodinamik ifade ΔG ΔH ΔS Serbest enerji Entalpi Entropi

10 ΔG Bir sistemde toplam enerjinin iş yapabilen kısmı Faydalı enerji Kimyasal potansiyel G = Gibbs serbest enerji Birim: Kalori (cal, Joule) 1 cal = joule

11 ΔH Reaksiyonun ısı içeriğini ifade eder Reaksiyona giren ve çıkan maddelerin bağlarının sayı ve türüne bağlı olarak sistemin ısı alış verişini yansıtır Birim : Cal, joule

12 ΔS Geriye dönüşümsüz,düzensiz enerji şekli Düzensizliğin kantitatif göstergesi Başlangıç durumundan sapma derecesi ifadesi Reaksiyon ürünlerinin girenlere göre daha düzensiz oluşu reaksiyonun entropi kazandığını gösterir Yararlı şekle dönüşemeyen enerji Birim: Cal, joule

13 ΔG Yararlı, iş yapabilen enj ΔH Serbest enj şekline dönüşemeyen enj ΔS Yararlı şekle dönüşemeyen enj

14 İzole Sistem Kapalı Sistem Çevre ile hiçbir enerji veya madde alışverişi olmayan sistem Açık Sistem Çevreleri ile enerji ve madde alışverişi yapar (canlı hücreler)

15 Termodinamik 1. Kural Enerjinin korunması kuralı Bir fiziksel veya kimyasal değişiklikte evrende toplam enerji sabit Sistemde enerji değişimi sırasında enerji kazancı veya kaybı olmaz Ancak enerji diğer bir şekle dönüşür kimyasal enj ısı elekt enj mekanik enj

16 2. Kural Spontan (kendiliğinden) işlemlerde toplam entropi artar Sistem gerçek dengeye yaklaştıkça entropi maksimum olur

17 Entropi reaksiyonun kendiliğinden olup olmadığını görmek için kullanılır Biyokimyada kullanımda dikkat!! Entropi kapalı sistemlerde incelenir Organizma açık sistem (solunum,boşaltım, ısı kayıpları) Kapalı sistem olmadığından entropi değişikliği ölçümü zor Spontan değişikliği görmek için ΔG kullanılır

18 Sabit ısı ve basınçta ΔG = ΔH - TΔS G = Gibbs serbest enerjisi (Jul/mol, cal/mol) T = Mutlak ısı (Kelvin) ΔH = Entalpi (ısı) (Jul/mol, cal/mol) ΔS = Jul/mol. K 1 cal= J 25 C = = 298 K

19 EKZERGONİK reaksiyon Enerji açığa çıkar (Serbest enerji kaybı) ΔG (-) Reaksiyon spontan ΔG ne kadar büyük ise reaksiyon o kadar irreversibl olarak ilerler ΔS artar ΔH Ürün ısı içeriği, girenlerden az

20 ENDERGONİK reaksiyon ΔG (+) (Serbest enerji kazanılır) Sisteme enerji verilirse reaksiyon meydana gelir ΔG, büyük ise, - Sistem stabil - Reaksiyona eğilim az veya yok ΔG = 0 ise Sistem dengede

21 Kimyasal Reaksiyonlarda Denge Sabiti aa + bb K denge = [C] c [A] a [B] b cc + dd [D] d 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2H 2 O

22 Standart Şartlar Reaktanlar konsantrasyonu 1 mol/l 25 C = 298 K P a = 1 atm (Kısmi basınç) ise ΔG ΔG Standart serbest enerji değişimi

23 Kimyasal reaksiyonlar sulu ortamda oluşur H iyonlarının yer aldığı standart şartlar : [H + ] = 1M ; ph=0 olmalı ; ΔG Fakat biyokimyasal reaksiyonlar ph = 7.0 ; [H+] = 55.5 mol/l, tampon çözelti ortamında gerçekleşir Bu şartlarda ΔG ΔG ' şeklinde gösterilir Bir tepkime için sabit değerdir

24 ΔG = R T log K denge Standart şartlarda : ΔG = R T log K' denge ΔG < 0 (-) reaksiyon kendiliğinden, ürünlere ΔG > 0 (+) reaksiyon ters yönde ΔG = 0 reaksiyon dengede

25 K d ΔG (kcal/mol) Tepkime Yönü Ters Ters Ters Dengede Kendiliğinden ilerler

26 ΔG Standart serbest enerji değişimi Reaksiyonun (her bir komponent 1 M ph=7,0 ve 25 C'de olduğu zaman) hangi yönde ve ne kadar hızlı olacağını gösterir ΔG Gerçek serbest enerji değişimi - Reaktanların konsantrasyonuna ve - Reaksiyon sırasında oluşan ısıya bağımlı

27 ΔG (-) ve yüksek olmalı Aksi takdirde ölçülebilir hızda reaksiyon meydana gelmez

28 Örnek Odunun yanarak CO 2 ve H 2 O'ya dönüşümü termodinamik olarak mümkün fakat yıllarca stabil kalır Çünkü oda ısısında yanması için gerekli aktivasyon yüksektir Bu enerji bir kibritle sağlanırsa reaksiyon meydana gelir

29 ΔG değeri reaksiyonun meydana geldiği yoldan bağımsız, ilk ve son ürünlerin konsantrasyonuna bağımlı

30 ΔG değerleri toplanabilir Glukoz Pi Glukoz-6-fosfat + H2O Δ G ' = kj/mol Reaksiyon termodinamik olarak mümkün değil!!

31 Ekzergonik bir reaksiyona kenetlenirse 1. Glukoz + P i Glukoz-6-fosfat +H 2 O ΔG ' = ATP + H 2 O ADP + P i ΔG ' = Σ: Glukoz + ATP Glukoz-6-fosfat + ADP ΔG = 13,8+(-30,5) Son reaksiyon ekzergonik = - 16,7 kj/mol

32 Endergonik prosesler ekzergonik proseslere kenetlenerek gerçekleşebilir

33 Hücreler izotermal sistemlerdir Sabit P ve T'de iş yaparlar Isı akışı hücreler için enerji kaynağı değil Hücre Gibbs serbest enerjisini kullanır Bu enerjiyi sabit T'de biyolojik iş için gerekli enerjiyi sağlayabilen ATP veya diğer yüksek enerjili bileşiklere dönüştürür

34

35 Biyokimyada önemli olan diğer yüksek enerjili bileşikler : Koenzim A ( Örnek : Asetil-CoA), Acil taşıyıcı protein, Protein sentezinde yer alan aminoasit esterleri, SAM (S-adenozil metionin), UDP-Glukoz PRPP (5-fosforibozil-1-pirofosfat)

36 Yüksek enerjili fosfatlar ~ P semboliyle gösterilir ATP de 2 yüksek enerjili fosfat grubu ADP de 1 yüksek enerjili fosfat grubu bulunur AMP deki fosfat düşük enerjili, (ester bağı) ATP sıralamada daha altta yer alan bileşikleri Glu, Fruktoz,Gliserol fosfatlar

37 3 Ana ~P kaynağı 1. Oksidatif fosforilasyon Aerobik organizmalarda ~P 'nin en büyük kaynağı 2. Glikoliz Glukoz 2 ~P oluşur Laktat 3. Sitrik asid siklusu Siklusta süksinil tiyokinaz basamağında 1 ~P

38 Fosfogenler Yüksek enerjili fosfat depoları Kreatin fosfat Omurgalı iskelet kası,kalp, sperm ve beyinde Arginin fosfat Omurgasız kas

39 Kalpte enfarktüse karşı ani koruma

40 Adenilil Kinaz (myokinaz) Birçok hücrede bulunur Adenin nükleotidlerini birbirine çevirir Adenilil kinaz ATP + AMP 2ADP AMP ADP oluşabilir

41 ATP tükendiğinde AMP konsantrasyonu artar, AMP artışı katabolik reaksiyonların hızının artması için metabolik (allosterik) bir sinyal olarak etki eder bu da daha fazla ATP oluşumuna yol açar ATP... AMP... Katobolik reak... ATP

42 Adenin nükleotidlerin değişimi İnorganik pirofosfataz Acil CoA Sentetaz Adenilat Siklaz

43 Diğer Nükleozid Trifosfatlar ~P Aktarır Nükleozid difosfat kinaz ATP + UDP ADP + UTP (Üridin trifosfat) ATP + GDP ADP + GTP (Guanozin trifosfat) ATP + CDP ADP + CTP (Sitidin trifosfat) Trifosfatların hepsi de hücre içi fosforilasyonda yer alır

44 ATP hidrolizi için ΔG neden büyük ve (-) bir değerdir?

45

46 1.Hidroliz sonrası yük ayrılması ile ATP üzerindeki 4 (-) yük arasındaki elektrostatik itme ferahlar 2. Hidrolizle salınan Pi rezonans hibridi oluşumuyla stabilize olur P-O bağlarının 4 ü de aynı derecede çift bağ karakterindedir

47 3. Hidroliz ürünü olan ADP hızla iyonlaşarak H + iyon konsantrasyonu ~10-7 çok düşük olan ortama H + verir Ürün konsantrasyonunun düşük olması hidroliz reaksiyonunun kütle etkisi nedeniyle ilerlemesini sağlar 4. Pi ve ADP ürünlerinin hidratasyon derecelerinin ATP ye göre yüksek olması da ayrıca ürünlerin reaktanlara göre daha stabil olmasını sağlar

48

49 Asetil CoA nın hidrolizi

50 Piruvat kinazın katalizlediği fosfoenol piruvatın hidrolizini ürünün spontan tautomerizasyonu takip eder

51 Fosfokreatinin hidrolizi

52 Enerji Nerede Kullanılır? Mekanik işlemlerde Kas kasılmasında ATP nin proteine bağlanması ile konformasyonel değişiklik olur

53

54 Transport Aktif transport ATP enerjisi konsantrasyon gradientine karşı kulanılır Elektrokimyasal gradient Konst Konst Denge Enj kullanılmaz

55 1. Primer aktif transport Enerji taşıyıcıya uygulanır Na + K + ATPaz

56

57 2. Sekonder aktif transport Enerji iyon gradienti oluşturmak için kullanılır Bu gradient başka bir bileşiği konsantre etmede kullanılır Primer aktif transportla elde edilen Na iyonu intestinal epitelde glukoz, aa transportunda kullanılır

58

59 Biyokimyasal İşlemler Anabolik İşlemler= Sentez Sentezde yeni bağ oluşumu için gerekli enerji nereden sağlanır?

60

61 Termojenezis Isı üretmek amaçlı enerji kullanmak

62 Yakıt oksidasyonu ile enerji nasıl elde edilir? Yakıt oksidasyonu major ATP kaynağı Elektronlar indikatör koenzimler üzerinde toplanır Yakıt e - verir, okside olur, NAD +, FAD e - alır, indirgenir

63 Ne zaman FAD, ne zaman NAD + kullanılır? Elektron vericisine ve enzim katalizli reaksiyona bağlı

64 NAD + ve NADP 2e - (H: - hydride iyonu) alır NADH, NADPH

65

66 FAD, H atomu olarak 2e - alır, indirgenir FAD(2H) H, tek, farklı atomlardan, disülfit bağı veya çift bağlardan gelen FAD(2H) 2 atom aynı zamanda alınmış FAD 2 Fosfat FMN 1 Fosfat

67

68 Redüksiyon Potansiyeli Her oksido-redüksiyon reaksiyonu ΔE ile orantılı sabit bir enerji miktarı alır veya verir ΔE - Redüksiyon potansiyel farkı - e - Alıştaki istekliliği belirtir - Bileşiğin okside olduğu ve indirgendiği durumları arasındaki enerji farkı

69 Bazı yarı reaksiyonların redüksiyon potansiyelleri E ph 7 ½O 2 + 2H + + 2e- H 2 O CoQ + 2H + + 2e - CoQH Fumarat + 2H + + 2e - Süksinat Okzaloasetat + 2H + +2e - Malat FAD + 2H + + 2e - FAD-H NAD + + 2H + + 2e - NADH + H Asetat + 2H + + 2e - Asetaldehit

70 Red Pot ; (-) olanlar e - oksijene verir, ATP oluşturmada yüksek enj elde edilir e - NADH O 2 ΔG ' >> E e - FAD(2H) O 2 E -0.2 ETZ de ATP sentezi için NADH kullanılırsa -53Kcal FAD - 41 Kcal

71 n elektron sayısı ΔG ' = - n. F. ΔE ' F Faraday sabiti 23 kcal/mol NADH tan Oksijene elk transferinde: ΔG = [0.816 (-0.32)] = - 52 kcal/mol

72 Yakıtların Kalori Değeri Besinlerin oksidasyon durumları ile ilişkili Yakıttan oksijene e - nakledilirken ölçülen ΔG Elektronlar C-H ; C-C bağlarından verilir CH 3 -(CH 2 ) 14 COOH palmitik asit 9 Kcal/g Glukoz 4 Kcal/g

73 Odun yanarken elektronlar selüloz veya KH lardan oksijene aktarılır Selüloz organizma için yakıt değil! Selülaz yok Besinler uygun enzimler varsa yakıt Kolesterol yakıt değil, kalori değeri yok Karbonları okside edip NADH, FAD(2H), NADPH elde edilemez

74

75 NADP+, NAD+ aynı redoks potansiyele sahip fazla fosfat grubu enzim bağlamada etkin Pentozfosfat yolunda elektronlar NADP + verilir NADPH yağ asidi sentezi, detoksifikasyon reaksiyonlarında direkt oksijene elektron verir