ATP

METABOLİZMAYA GİRİŞ
YAŞAM ŞEKİLLERİ
C, H2O,O2, N, P,S ve ENERJİ
döngüsü
BİYOENERJETİK
Yard. Doç. Dr. V.Kenan ÇELİK
[email protected]
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
•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-Fototroplarbitkiler,algler,siyano bk1.94 kal/dk/cm2)
yada kimyasal-KemotroplarFermantasyon,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
H2O
OMNİVOR
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
Bitkiler nodüllerinde ortaklaşa yaşam süren mikroorganizmalar aracılığı
ile N2’ u nitrifikasyon mekanizmaları sonucu oluşan NO2-,NO3- şeklinde
kullanabilmektedirler.
Nodül
• Nitrifikasyon yapan bakteriler
(Nitrosomonas) pH ya oldukca
duyarlıdırlar. (pH = 5’ in altında
yaşayamazlar )
•
2NH4+ + 3O2 ---> 2NO2- + 4H+
+ 2H2O
• 2NO2- + O2 -------> 2NO3- (nitrobakt)
Bazı anaerobik bakteriler
Ve bir çok bitki tarafından
indirgenme
Aa, İnd. N-C
bileşikleri
Bitki ve mikro
Organizma
Trf. sentez
Hayvan ve mikro
Organizmalar
Tarafından parçalanma
NO3Nitrat
Denitrifikasyon
NH4+
N2
N fiksasyonu
Klebsiella,Rhizobium
Nitrifikasyon
(Nitrosomonas)
Toprak bakterileri
(Nitrobakteriler)
NO2Nitrit
• 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.
• 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.
1. Sentetik iş:
2. Mekanik iş:
3. Konsantrasyon:
4. Elektriksel iş:
5. Isı:
6. 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. 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 çıkanENDOTERMİK
enerji kullanılır.∆H (+)
∆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
EKZOTERMİK ∆H -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
•
• 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.
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
[A]st
[A]eq
R = Gaz sbt,
RT = 592 kal/mol
∆G =∆G0 – RT ln Keq
∆G0
Keq
∆G = ∆G° - 2.303 RT Log Kden
∆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.
•
•
•
•
∆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.
ATP fosfat grubunu transfer
(fosforilasyon) ederek katabolik ve
anabolik prosesleri birbirine bağlar.
ATP
ENERJİ TÜKETİMİ
ENERJİ ÜRETİMİ
Energy
Consumption
Energy
Production
-Makromoleküllerin
sentezi
(K.hidratlar,yağlar ve
Biosynthesis
of
macromolecules
Catabolism of Carbohydrates,
-Kas kasılımı
Proteinlerin
yıkımı)
Muscle contraction
Proteins,
and Fats
-Aktif transport
Active transport
of ions
-Termogenesiz
Thermogenesis
ADP + P i
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. (∆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.
CH3—CH3
CH3—CH2OH
etan
etanol
O2
O
ll
CH3—C—H
aldehit
O
ll
CH3—C—OH
Karboksilik asit
O=C=O
karbondioksit
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°
Alınan-verilen é sayısı
Faraday sbt (96,480 J / V.mol)
Asetaldehit + NADH + H+
Etanol + NAD+
1. Asetaldehit + 2 H+ + 2 é → Etanol E° = - 0,197 V
2. 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
·