Biyokimyasal reaksiyonlarda enerji değişikliklerini inceler Bazı reaksiyonlar olurken bazıları neden olmaz?
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
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
Elektron transport zincirinde ATP rejenerasyonu O 2 ye elektronların verilmesi ΔG 0 E 0 redüksiyon potansiyeli ile ilişkili
~P Bağı nerede kullanılır? Kas kasılması Detoksifikasyon Isı Transport Fosforil transferi Biyosentez Ara ürün aktiflenmesi (UDP-şekerler)
CO2 Enerji üretimi Karbohidrat LipidLipid ProteinProtein O2 Isı ATP Enerji kullanımı Kas kasılmas lması Aktif iyon taşı şınması Biyosentez Detoksifikasyon Termojenezis ADP + Pi
ATP Homeostasis Yakıt kullanımı, ATP Kullanım Yakıt kullanımı, ATP kullanımı ATP homeostasis enerji dengesi Problem - Obezite - Hipertiroidizm - Myokart infark
Enerji değişiminde 3 termodinamik ifade ΔG ΔH ΔS Serbest enerji Entalpi Entropi
ΔG Bir sistemde toplam enerjinin iş yapabilen kısmı Faydalı enerji Kimyasal potansiyel G = Gibbs serbest enerji Birim: Kalori (cal, Joule) 1 cal = 4.184 joule
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
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
ΔG Yararlı, iş yapabilen enj ΔH Serbest enj şekline dönüşemeyen enj ΔS Yararlı şekle dönüşemeyen enj
İzole Sistem Kapalı Sistem Çevre ile hiçbir enerji veya madde alışverişi olmayan sistem Açık Sistem Çevreleri ile enerji ve madde alışverişi yapar (canlı hücreler)
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
2. Kural Spontan (kendiliğinden) işlemlerde toplam entropi artar Sistem gerçek dengeye yaklaştıkça entropi maksimum olur
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
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= 4.184 J 25 C = 25 + 273 = 298 K
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
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
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
Standart Şartlar Reaktanlar konsantrasyonu 1 mol/l 25 C = 298 K P a = 1 atm (Kısmi basınç) ise ΔG ΔG Standart serbest enerji değişimi
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
ΔG = -2.308 R T log K denge Standart şartlarda : ΔG = -2.308 R T log K' denge ΔG < 0 (-) reaksiyon kendiliğinden, ürünlere ΔG > 0 (+) reaksiyon ters yönde ΔG = 0 reaksiyon dengede
K d ΔG (kcal/mol) Tepkime Yönü 0.001 4.1 Ters 0.01 2.7 Ters 0.1 1.4 Ters 1.0 0.0 Dengede 10.0-1.4 Kendiliğinden ilerler 100.0-2.7 1000.0-4.1
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
ΔG (-) ve yüksek olmalı Aksi takdirde ölçülebilir hızda reaksiyon meydana gelmez
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
ΔG değeri reaksiyonun meydana geldiği yoldan bağımsız, ilk ve son ürünlerin konsantrasyonuna bağımlı
ΔG değerleri toplanabilir Glukoz Pi Glukoz-6-fosfat + H2O Δ G ' = + 13.8 kj/mol Reaksiyon termodinamik olarak mümkün değil!!
Ekzergonik bir reaksiyona kenetlenirse 1. Glukoz + P i Glukoz-6-fosfat +H 2 O ΔG ' = 13.8 2. ATP + H 2 O ADP + P i ΔG ' = -30.5 Σ: Glukoz + ATP Glukoz-6-fosfat + ADP ΔG = 13,8+(-30,5) Son reaksiyon ekzergonik = - 16,7 kj/mol
Endergonik prosesler ekzergonik proseslere kenetlenerek gerçekleşebilir
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
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)
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
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
Fosfogenler Yüksek enerjili fosfat depoları Kreatin fosfat Omurgalı iskelet kası,kalp, sperm ve beyinde Arginin fosfat Omurgasız kas
Kalpte enfarktüse karşı ani koruma
Adenilil Kinaz (myokinaz) Birçok hücrede bulunur Adenin nükleotidlerini birbirine çevirir Adenilil kinaz ATP + AMP 2ADP AMP ADP oluşabilir
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
Adenin nükleotidlerin değişimi İnorganik pirofosfataz Acil CoA Sentetaz Adenilat Siklaz
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
ATP hidrolizi için ΔG neden büyük ve (-) bir değerdir?
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
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
Asetil CoA nın hidrolizi
Piruvat kinazın katalizlediği fosfoenol piruvatın hidrolizini ürünün spontan tautomerizasyonu takip eder
Fosfokreatinin hidrolizi
Enerji Nerede Kullanılır? Mekanik işlemlerde Kas kasılmasında ATP nin proteine bağlanması ile konformasyonel değişiklik olur
Transport Aktif transport ATP enerjisi konsantrasyon gradientine karşı kulanılır Elektrokimyasal gradient Konst Konst Denge Enj kullanılmaz
1. Primer aktif transport Enerji taşıyıcıya uygulanır Na + K + ATPaz
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
Biyokimyasal İşlemler Anabolik İşlemler= Sentez Sentezde yeni bağ oluşumu için gerekli enerji nereden sağlanır?
Termojenezis Isı üretmek amaçlı enerji kullanmak
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
Ne zaman FAD, ne zaman NAD + kullanılır? Elektron vericisine ve enzim katalizli reaksiyona bağlı
NAD + ve NADP 2e - (H: - hydride iyonu) alır NADH, NADPH
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
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
Bazı yarı reaksiyonların redüksiyon potansiyelleri E ph 7 ½O 2 + 2H + + 2e- H 2 O 0.816 CoQ + 2H + + 2e - CoQH 2 0.060 Fumarat + 2H + + 2e - Süksinat 0.030 Okzaloasetat + 2H + +2e - Malat -0.102 FAD + 2H + + 2e - FAD-H 2-0.200 NAD + + 2H + + 2e - NADH + H + - 0.320 Asetat + 2H + + 2e - Asetaldehit -0.468
Red Pot ; (-) olanlar e - oksijene verir, ATP oluşturmada yüksek enj elde edilir e - NADH O 2 ΔG ' >> E -0.32 e - FAD(2H) O 2 E -0.2 ETZ de ATP sentezi için NADH kullanılırsa -53Kcal FAD - 41 Kcal
n elektron sayısı ΔG ' = - n. F. ΔE ' F Faraday sabiti 23 kcal/mol NADH tan Oksijene elk transferinde: ΔG = - 2. 23. [0.816 (-0.32)] = - 52 kcal/mol
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
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
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