Biyoenerjetik ve Oksidatif Fosforilasyon

Giriş

Canlı bir hücre yaşamını sürdürebilmek için dinamik yapısını korumak zorundadır. Bunun için hücre sürekli büyür, çoğalır, basit moleküllerden diğer makromolekülleri sentezler ve bu moleküllerin ya da iyonların diğer hücre bölümlerine taşınmasını sağlar. Tüm bu hücresel aktiviteler enerji gerektiren işlemlerdir. Bu nedenle bütün canlı hücrelerin temel amacı çevrelerinden enerji sağlamak ve bu enerjiyi de etkin bir şekilde kullanmaktır.

Fotosentetik organizmalar (fotosentez yapan bakteriler ve bitkiler) kendilerin için gerekli olan enerjiyi, güneş ışığından, heterotropik organizmalar (hayvanlar ve çoğu mikroorganizma) ise bitkilerin ya da tükettikleri diğer hayvanlarda depolanmış olan enerjiden sağlarlar. Fotosentetik organizmalar güneş ışığını kullanarak karbonhidrat gibi yüksek enerjili organikbileşikleri sentezlerken, heterotroplar da bu yüksek enerjili bileşikleri enerji kaynağı olarak kullanırlar.

Fototrop - Heterotrop Enerji Siklüsü

Bu farklı metabolizmalar sırasında meydana gelen enerji değişiklikleri ve enerjinin kullanışını inceleyen bilim dalı biyoenerjetik olarak adlandırılmaktadır. Biyoenerjetik, enerji dönüşümleri ile ilgili genel bir fizik bilimi olan termodinamiğin özel bir bölümünü oluşturmaktadır.

Termodinamik

Enerji (E), iş yapabilme kapasitesi olarak tanımlanmaktadır ve mekanik, ısı, kimyasal, elektrik enerjisi gibi farklı şekillerde olabilir. Biyolojik sistemlerde meydana gelen enerji değişikliklerini inceleyebilmek için öncelikle bununla ilgili bazı termodinamik tanımlarını bilmek gereklidir.

Termodinamiğin Genel Kuralları

1. Kural (Enerjinin Korunumu):

Bu kurala göre bir sistem* içinde herhangi bir enerji dönüşümü sonunda enerji eksilmez veya artmaz. Yani bu sistem ve çevresinin** toplam enerjisi sabit kalır, ancak şekil değiştirebilir. Örneğin kimyasal enerji, ısı, elektrik veya mekanik enerji haline veya birbirlerine dönüşebilir.

2. Kural:

Bu kural, doğal olarak meydana gelen olaylarda bir sistemin toplam entropisinin artması gerektiğini anlatır. Tüm fiziksel veya kimyasal değişiklikler, yararlı enerjinin, düzensiz veya rastgele bir şekilde dönüşmesi yönünde eğilim gösterir. Geriye dönüşümsüz olan bu düzensiz enerji şekline entropi adı verilir. Bir diğer deyişle, entropi bir sistemin başlangıç durumundan sapma derecesinin bir göstergesidir; sistem denge halinde iken entropi de maksimum düzeylerine ulaşır. Entropinin arttığı fiziksel olaylara örnek olarak çözünme, erime ve buharlaşma verilebilir. Doğadaki olaylarda olduğu gibi, organizmada yer alan reaksiyonlar sırasında da bir entropi artışı söz konusudur. Termodinamiğin 2. kuralı ve entropi kavramı şu örnekler ile açıklanabilir:

• Fiziksel bir olay olarak, bir çaydanlıkta kaynayan suyun çıkardığı ısı enerjisi yararlı bir iş yapma yeteneğine sahiptir. Çaydanlık soğumaya bırakıldığında ısı çevreye yayılır ve bu olay çevrenin ısısı bir dengeye ulaşıncaya kadar devameder. Dengeye ulaşıldığında çaydanlık ile çevrenin ısısı aynıdır. Çaydanlıkta 100°C'deki suda bulunan ve iş yapma gücüne sahip olan serbest enerji kaybolmuştur. Bu enerji tamamen gelişigüzel bir enerji şekline dönüşmüştür ve bu enerji ile artık bir iş yapılamaz. Çünkü ortamda bir ısı farkı yoktur. Ortamın entropisindeki artış irreversibldir, yani ortamdaki ısının tekrar çaydanlığa geçerek suyun sıcaklığını 100°C'ye getirmesi mümkün değildir.

• Biyokimyasal bir reaksiyon dizisi olan glikozun oksidasyonunda, aerobik organizmalar glikozun sahip olduğu serbest enerjiyi kullanırlar. Bu enerjiyi elde edebilmek için de glikozu çevrelerindeki O₂ ile okside ederler. Oksidasyon sonucu meydana gelen H₂O ve CO₂ ortama verilir ve böylece çevrenin entropisi artar. Ancak organizmanın kendi iç düzeni değişmez. Bu örnekteki entropi artışı moleküler düzensizlikten de kaynaklanmaktadır.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂  •••••► 6CO₂+ 6H₂O denklemine göre, 1 mol glikoz (katı) ve 6 mol O₂ (gaz) olmak üzere toplam 7 mol madde reaksiyona girer. Sonuçta 12 mol ürün, yani 6 mol CO₂ ve 6 mol H₂O oluşur. Bu, entropi durumudur. Eğer reaksiyona giren ve çıkan maddelerin mol sayıları eşit olsaydı, entropi artışı olmazdı.