GenelGenel Kimya

Canlı Sistemlerde Termodinamik

Canlı Sistemlerde Termodinamik

Canlı sistemlerde termodinamik, yaşamın sürmesi için gerekli olan pek çok biyokimyasal tepkimenin ΔG° değeri pozitiftir. Ancak, canlılardaki bu tepkimeler enerji yönünden tercih edilen yani ΔG° değeri negatif olan bir başka tepkime ile beraber yürürler. Eşleşmiş tepkimeler olarak adlandırılan bu olay basit bir ilkeye dayanır: Termodinamik olarak gerçekleşmesi mümkün olan bir tepkime, mümkün olmayan bir başka tepkimeyi yürütmekte kullanılabilir. Endüstriyel olarak sefarelit mineralinden (ZnS) çinko elde etmek istediğimizi varsayalım. ΔG° değeri oldukça pozitif olan aşağıdaki tepkime yürümez:

ZnS(k)——–>Zn(k) + S(k)          ΔG°= 198,3 kJ/mol

Oysa, kükürdün, kükürt-dioksit oluşturmak üzere yanması, oldukça negatif ΔG° değerine sahiptir ve dolayısıyla istemli bir tepkimedir:

S(k) + O2(g) ———-> SO2(g)      ΔG°= -300,1 kJ/mol

Canlı sistemlerde termodinamik de bu iki tepkimeyi birleştirerek çinko sülfürden çinko eldesini gerçekleştirebiliriz. Pratikte, elde edilen net tepkime ZnS’ün havada ısıtılması anlamına gelir. Böylece S’ün SO2’i oluşturma eğilimi, yani ΔG° değerinin negatif olması, ZnS’ün parçalanmasını da yürütür.

ZnS(k)———>Zn(k) + S(k)                                ΔG°= 198,3 kJ/mol

S(k) + O2(g) ———-> SO2(g)                           ΔG°= -300,1 kJ/mol

————————————————       ——————————

ZnS(k) + O2(g) ———-> Zn(k) +SO2(g)            ΔG°= -101,8 kJ/mol

Bu gibi, eşleşmiş tepkimeler bizim yaşamımızda da önemli rol oynarlar. Biyolojik sistemlerde, enzimler istemsiz pek çok tepkimeyi kolaylaştırırlar. Örneğin, insan vücudunda glukozla (C6H12O6) gösterilen yiyecek molekülleri, oksijenle parçalanarak önemli mitarda serbest enerji açığa çıkarır ve metabolizma süresince karbondioksit ve suya dönüşür.

C6H12O6(k) + O2(g)——-> 6CO2(g) + 6H2O(s)                ΔG°= -2880 kJ/mol

Ancak, canlı bir hücrede, yukarıdaki tepkime tek bir adımda yürümez (glukozun bir alevde yanması gibi değildir). Glukoz molekülleri öncelikle enzimler yardımıyla, bir seri tepkime sonucu parçalanır. İşlem boyunca açığa çıkan serbest enerjinin çoğu adenozin difosfat (ADP) ve fosforik asitten adenozin trifosfat (ATP) sentezinde kullanılır.

ADP + H3PO4————> ATP + H2O    ΔG°= 31kJ/mol

Canlı sistemlerde termodinamik , iyon halindeki ATP ve ADP’nin yapıları. Adenin grubu mavi, riboz grubu siyah ve fosfat grubu kırmızı renkte gösterilmiştir. ADP’nin ATP’den daha az fosfat içerdiğinde dikkat edilir.

Canlı Sistemlerde Termodinamik de  ATP

Canlı sistemlerinde termodinamikte ATP’nin görevi, hücrenin ihtiyacı olan serbest enerjiyi depolamaktır. Uygun şartlar altında ATP, fosforik asit ve ADP vermek üzere hidroliz olur. Bu arada 31 kJ/mol’lük bir serbest enerji açığa çıkar. Bu enerji, protein sentezi gibi enerji yönünden istemsiz tepkimeleri yürütmede kullanılabilir.

Proteinler aminoasitlerden meydana gelen polimerlerdir. Bir protein molekülünün adım adım sentezi tek tek amino asitlerin bağlanmasını gerektirir. Alanin ve glisinden alanilglisin dipeptitinin (iki amino asit birimli) oluşumunu düşününüz. Bu tepkime bir protein sentezinin ilk adımıdır.

Alanin + Glisin ——-> Alanilglisin             ΔG°= 29 kJ/mol

Görüldüğü gibi bu tepkime istemli değildir ve bu nedenle dengede sadece çok az dipeptit oluşabilir. Buna karşın, bir enzim yardımıyla ATP’nin hidroliziyle eşleşerek alanilglisin sentezlenmiş olur:

ATP + H2O + Alanin + Glisin —–> ADP + H3PO4 + Alanilglisin

Canlı sistemlerde termodinamik de bu durumda serbest enerji değişiminin toplamı, ΔG°= -31 kJ/mol + 29 kJ/mol = -2 kJ/mol olur, yani tepkime istemli hale getirilmiştir. Görüldüğü gibi eşleşmiş tepkime sonucu, ürün oluşumu yani alanilglisinin gerekli miktarda sentezi mümkün olmuştur. Aşağıdaki görsel de canlılardaki temel tepkimeleri yürütmek için gerekli olan serbest enerjinin açığa çıkışı (ATP hidrolizinden) ve enerji depolanması (metabolizmadan) işlevini yürüten ATP-ADP dönüşümlerini göstermektedir.

Canlı sistemlerdeki ATP sentezi ve eşleşmiş tepkimelerin şematik gösterimi. Metabolizma süresince glukozun karbondiokasit ve suya dönüşümü serbest enerji açığa çıkarır. Açığa çıkan serbest enerji ADP’yi ATP’ye dönüştürmek için kullanılır. ATP molekülleri, aminoasitlerden protein sentezi gibi enerji yönünden tercih edilmeyen tepkimeleri yürütmede enerji kaynağı olarak kullanılır.

Kaynak

CHANG & GOLDSBY – GENEL KİMYA , Palme Yayıncılık. (Çeviri editörleri ; Prof. Dr. Recai İNAM – Prof. Dr. Serpil AKSOY – Prof. Dr. Tahsin UYAR)

İzzethan Öztop

Lisans : Moleküler Biyoloji ve Genetik/ Moleküler Biyolog ve Webmaster/ Aynı zamanda bir makale yazarı

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

Başa dön tuşu