Biyoenerjetikler ve oksidatif fosforilasyon Flashcards
Biyoenerjetik ve oksidatif fosforilasyon
I. Genel bakış
Biyoenerjetik, biyolojik sistemlerde enerjinin transferini ve
kullanımını tanımlar ve reaksiyon bileşenlerinin başlangıç ve son
enerji durumlarıyla ilgilidir.
Biyoenerji bilimi, termodinamik alanındaki birkaç temel fikri,
özellikle de serbest enerji kavramını kullanır.
Serbest enerjideki değişimler, bir kimyasal reaksiyonun enerjisel
fizibilitesine ilişkin bir ölçü sağladığından, bir reaksiyonun veya
sürecin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğinin tahmin edilmesine
izin verir.
Kısacası, biyoenerjetik bir sürecin mümkün olup olmadığını
öngörürken, kinetik reaksiyon hızını ölçer.
SERBEST ENERJİ
Bir kimyasal reaksiyonun ilerleme yönü ve derecesi, reaksiyon
sırasında iki faktörün değişme derecesi ile belirlenir.
Bunlar, Şekil 1’de gösterildiği gibi entalpi (ΔH, reaktanların ve ürünlerin
ısı içeriğindeki değişimin [Δ] bir ölçüsü) ve entropidir (ΔS, reaktanların
ve ürünlerin rastlantısallığındaki veya bozukluğundaki değişimin bir
ölçüsü).
Bu termodinamik büyüklüklerin hiçbiri tek başına bir kimyasal
reaksiyonun yazıldığı yönde kendiliğinden ilerleyip ilerlemeyeceğini
belirlemek için yeterli değildir.
Bununla birlikte, matematiksel olarak birleştirildiğinde, entalpi ve
entropi, bir reaksiyonun kendiliğinden ilerleyeceği yönü tahmin eden
üçüncü bir miktar olan serbest enerjiyi (G) tanımlamak için kullanılabilir.
Serbest Enerji Değişim
Serbest enerjideki değişim ΔG ve ΔG0 olmak üzere iki şekilde ifade edilir. Birincisi, ΔG (üst simge “0” olmadan), Serbest enerjideki değişimi gösterir ve
dolayısıyla herhangi bir ürün ve reaktan konsantrasyonundaki bir değişiklik
reaksiyonun yönününü belirler. O halde ΔG bir değişkendir.
Bu, reaktanlar ve ürünler 1 mol/L konsantrasyonda olduğunda enerji değişimi
olan standart serbest enerji değişimi, ΔG0 (üst simge “0” ile) ile çelişir. (Not:
protonların [H+] konsantrasyonunun 10−7mol/L olduğu varsayılır [yani, ph = 7].
Bu, bir ilk işaret [ʹ] ile gösterilebilir, örneğin, ΔG0ʹ.)
ΔG0 bir sabit olmasına rağmen, reaktanların ve ürünlerin bu fizyolojik olmayan
konsantrasyonlarındaki enerji değişimlerini temsil eder, yine de farklı
reaksiyonların enerji değişimlerini karşılaştırmada faydalıdır.
Ayrıca, ΔG0 denge sabitinin ölçümünden kolaylıkla belirlenebilir.
ΔG ve reaksiyon yönü
ΔG işareti, sabit sıcaklık ve basınçta bir reaksiyonun yönünü tahmin etmek
için kullanılabilir.
A⇄B
ΔG negatifse, reaksiyon net bir enerji kaybıyla ekzergonik kabul edilir. Bu
durumda, reaksiyon, A’nın B’ye dönüştürülmesiyle yazıldığı gibi kendiliğinden
ilerler (Şekil 2A).
ΔG pozitifse, reaksiyon net bir enerji kazancı ile endergoniktir. B’den A’ya
reaksiyonun gerçekleşmesi için sisteme enerji eklenmelidir (Şekil 2B).
ΔG = 0 olduğu durumlarda reaksiyon denge halindedir.
Bir reaksiyon kendiliğinden ilerlediğinde (ΔG negatiftir), reaksiyonun ΔG sıfıra
ulaşana ve denge sağlanana kadar devam edeceğini unutmayın
B. İLERİ VE GERİ REAKSİYONLARIN ΔG’Sİ
İleri reaksiyonun serbest enerjisi (A → B) büyüklük olarak eşittir, ancak
ters reaksiyonunkine zıttır
(B → A).
Örneğin, ileri reaksiyonun ΔG’si −5 kcal/mol ise, o zaman geri
reaksiyonunki +5 kcal/mol’dür.
(Not: ΔG, mol başına kilojoule veya kJ/mol [1 kcal = 4,2 kJ] olarak da
ifade edilebilir.)
ΔG ve Reaktan ve Ürün Konsantrasyonları
A → B reaksiyonunun ΔG’si, reaktan ve ürünün konsantrasyonlarına bağlıdır. Sabit sıcaklık ve basınçta aşağıdaki ilişki elde edilebilir:
ΔG0 standart serbest enerji değişimidir
Burada: R, gaz sabitidir (1.987 cal/mol K)
T, mutlak sıcaklıktır (K)
[A] ve [B], reaktantın ve ürünün gerçek konsantrasyonlarıdır ve
ln, doğal logaritmayı temsil eder.
Pozitif ΔG° olan bir reaksiyon, ürünlerin reaktanlara oranı ([b]/[a]) ΔG’yi negatif yapmak için yeterince küçükse (yani reaktanların ürünlere oranı
büyükse) ileri yönde ilerleyebilir. Örneğin,
Glikoz 6-fosfat ⇄ fruktoz 6-fosfat
Şekilde görüldüğü gibi, reaktan glukoz 6-fosfat konsantrasyonunun ürün, früktoz 6-fosfat konsantrasyonu ile karşılaştırıldığında yüksek olduğu reaksiyon koşullarını gösterir. Bu, ürünün reaktana oranının küçük olduğu ve RT ln'nin ([fruktoz 6- fosfat]/[glikoz 6-fosfat]) büyük ve negatif olduğu ve ΔG0 pozitif olmasına rağmen ΔG'nin negatif olmasına neden olduğu anlamına gelir. Böylece reaksiyon ileri yönde ilerleyebilir.
Standart Serbest Enerji
Değişimi
Standart serbest enerji değişimi, ΔG0 , reaktanlar ve ürünler 1 mol/l konsantrasyondayken standart koşullar altında serbest enerji değişimine, ΔG'ye eşittir. Bu koşullar altında, ürünlerin reaktanlara oranının doğal logaritması sıfırdır (ln1 = 0) ve bu nedenle, denklem şu olur: ΔG = ΔG0 + 0
G yasası
- ΔG0 ve reaksiyon yönü:
Standart koşullar altında, ΔG0
, bir reaksiyonun ilerleyeceği yönü
tahmin etmek için kullanılabilir çünkü bu koşullar altında ΔG0
,
ΔG’ye eşittir.
Bununla birlikte, ΔG0
, yalnızca sabitlerden (R, T ve Keq) oluştuğu
ve bu nedenle ürün veya substrat konsantrasyonlarındaki
değişikliklerle değişmediği için fizyolojik koşullar altında bir
reaksiyonun yönünü tahmin edemez.
Yasası
Bir A ⇄ B reaksiyonunda,
Daha fazla net kimyasal değişimin gerçekleşmediği bir denge noktasına ulaşılır.
Bu durumda, iki bileşiğin gerçek konsantrasyonlarına bakılmaksızın [B] ‘nin [A]’ ya oranı sabittir:
Burada Keq denge sabiti ve [A] eq ve [B] eq A ve B’nin dengedeki konsantrasyonlarıdır.
Reaksiyon A ⇄ B’ nin sabit sıcaklık ve basınçta dengeye ulaşmasına izin verilirse, o zaman dengede, genelde ΔG sıfırdır
Bu nedenle, gerçek A ve B konsantrasyonlarının, reaktan ve ürünün denge konsantrasyonlarına eşit olduğu durumlarda
([A] eq ve B] eq) ve oranları Keq’e eşittir.
Böylece, ΔG0 = –RT ln Keq
Bu denklem bazı basit tahminlere izin verir:
Keq = 1 ise ΔG0 = 0
Keq> 1 ise ΔG0 <0
Keq <1 ise ΔG0 > 0
,
- İki ardışık reaksiyonun ΔG0’leri: ΔG0’lar, ΔG’ler gibi,
herhangi bir ardışık reaksiyon dizisinin toplamıdır.
Örneğin:
- Bir yolun ΔG’leri: ΔG’nin katkı özelliği, substratların belirli bir
yönde geçmesi gereken biyokimyasal yollarda çok önemlidir
(örneğin, A → B → C → D → …).
Ayrı ayrı reaksiyonların ΔG’lerinin toplamı negatif olduğu
sürece, yolun bazı bireysel reaksiyonlarının bir pozitif ΔG’si olsa
bile, yol yazıldığı gibi ilerleyebilir.
Bununla birlikte, reaksiyonların gerçek oranları, reaksiyonları
katalize eden enzimler tarafından aktivasyon enerjilerinin (Ea)
düşürülmesine bağlıdır.
Bir Enerji Taşıyıcısı Olarak ATP
Büyük pozitif ΔG’li reaksiyonlar, iyonların endergonik hareketini ATP’nin
ekzergonik hidrolizi gibi büyük bir negatif ΔG ile ikinci, spontan bir
süreçle birleştirerek mümkün olur.
Şekil 4, enerji eşleşmeli mekanik bir modeli göstermektedir. Biyolojik
reaksiyonlarda enerji eşleşmesinin en basit örneği, enerji gerektiren ve
enerji veren reaksiyonlar ortak bir ara maddeyi paylaştığında ortaya
çıkar.
