Enerjetik ve Redoks Tepkimeleri
Metabolizmaya Giriş
Metabolizma, bir hücre içinde meydana gelen kimyasal reaksiyonların toplamını ifade eder. Katabolizma, organik ve inorganik moleküllerin parçalanmasıdır, enerjiyi serbest bırakmak ve diğer reaksiyonlar için kullanılabilecek molekülleri elde etmek için kullanılır. Anabolizma, daha basit organik ve inorganik moleküllerden daha karmaşık moleküllerin sentezlenmesidir ve enerji gerektirir.
Enerjetik
Kimyasal reaksiyonlarda bir miktar enerji ısı olarak kaybedilse de, hücreler için önemli olan ölçüm serbest enerji (G) miktarı veya iş yapmak için mevcut olan enerjidir. Hücreler üç farklı türde iş yapar: kimyasal iş (anabolizma gibi), taşıma işi (besin alımı gibi) ve mekanik iş (kamçının dönmesi gibi).
Serbest enerjideki değişim genellikle ΔG° olarak gösterilir ve bu, pH 7, 25 derece, 1 atmosfer basınç gibi standart koşullar altındaki serbest enerjideki değişimi gösterir. Pozitif ΔG° üreten bir reaksiyon, reaksiyonun enerji gerektirdiğini ve doğası gereği endergonik olduğunu gösterir. Negatif ΔG° üreten bir reaksiyon, reaksiyonun enerji açığa çıkardığını ve doğası gereği ekzergonik olduğunu gösterir. Ekzergonik olan reaksiyonlar, hücre tarafından iş yapmak için korunabilen enerjiyi serbest bırakır.
Adenozin Trifosfat (ATP)
Adenozin trifosfat veya ATP, diğer moleküllere kolayca bir fosforil grubu bağışladığından tüm hücreler tarafından enerji birimi olarak kullanılan yüksek enerjili bir moleküldür. Ekzergonik bir reaksiyon enerji açığa çıkararak bir fosfat molekülünün (ortofosfat veya Pi) adenozin difosfata veya ADP'ye eklenmesiyle ATP sentezlenmesini sağlar. Enerji gerektiren endergonik bir reaksiyon, ATP'nin ADP + Pi'ye hidrolizi ile çiftleştirilecek ve serbest bırakılan enerji reaksiyonu harekete geçirmek için kullanılacaktır.
Enzimler
Bir kimyasal reaksiyonun devam edebilmesi için kimyasal bağların kırılması gerekir. Bağları koparmak için gereken enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Bir hücrenin ihtiyaç duyduğu aktivasyon enerjisi miktarı, reaksiyon tarafından kendileri değiştirilmeden reaksiyonun ilerlemesine yardımcı olan maddeler olan bir katalizör yardımıyla azaltılabilir. Hücreler enzim olarak bilinen protein katalizörleri kullanır.
Redoks Tepkimeleri
Hücreler ATP formundaki enerjiyi, sentezini elektronların bir elektron vericisinden bir elektron alıcısına geçtiği oksidasyon-redüksiyon (redoks) reaksiyonları yoluyla enerji salınımına bağlayarak korur. Bir molekülün oksidasyonu elektronlarını kaybetmesi anlamına gelirken, bir molekülün indirgenmesi elektron kazanması anlamına gelir. Organik kimyacılar bu süreci genellikle OIL RIG (Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain) kısaltmasıyla ifade ederler. Oksitlenmekte olan bir molekül elektron vericisi olarak hareket ederken, indirgenmekte olan molekül elektron alıcısı olarak hareket etmektedir. Elektronlar enerjiyi temsil ettiğinden, bağışlayacak çok sayıda elektronu olan bir madde enerji zengini olarak düşünülebilir.
Elektronlar çözelti içinde serbestçe bulunmazlar, atomlar veya moleküllerle bağlanmaları gerekir. Her redoks reaksiyonu, bir maddenin elektron bağışladığı ve böylece oksitlenmiş bir ürün haline geldiği, diğer maddenin ise elektronları kabul ettiği ve böylece indirgenmiş bir ürün haline geldiği iki yarı reaksiyondan oluşur. Konjugat redoks çifti, bir yarı reaksiyonun alıcı ve vericisini ifade eder.
Her redoks reaksiyonu, indirgenmiş maddenin elektron bağışlayabildiği ve böylece oksitlenmiş bir ürün haline gelebildiği, oksitlenmiş maddenin ise elektron kabul edebildiği ve böylece farklı bir reaksiyonda indirgenmiş bir ürün haline gelebildiği iki yarı reaksiyondan oluşur. Bir madde, tepkimedeki diğer maddelere bağlı olarak ya elektron vericisi ya da elektron alıcısı olabilir.
Örnek olarak ½ O2/H2O verilebilir; burada H2O bir reaksiyonda elektron vericisi olarak görev yapabilir ve oksitlenme sonucunda O2 ürününe dönüşürken, O2 farklı bir reaksiyonda elektron alıcısı olarak görev yapabilir ve indirgenme sonucunda H2O ürününe dönüşebilir. Her iki reaksiyonun da tamamlanabilmesi için başka bir redoks çiftinin de reaksiyona katılması gerekir.
Her yarı reaksiyona volt veya milivolt cinsinden standart bir indirgeme potansiyeli (E'0) atanır; bu, reaksiyonda donörün elektron verme eğiliminin bir ölçümüdür. İndirgenmiş formda elektron bağışlama eğilimi daha yüksek olan bir madde daha negatif bir E'0'a sahipken, indirgenmiş formda elektron bağışlama eğilimi zayıf olan bir madde daha az negatif veya hatta pozitif bir E'0'a sahiptir. Negatif E'0 değerine sahip bir madde indirgenmiş formda çok iyi bir elektron vericisi olur.
Redoks Kulesi
Farklı redoks çiftleri için standart indirgenme potansiyeline ilişkin bilgiler, çiftlerin E’0'larına dayalı olarak dikey bir şekilde listelenen bir redoks kulesi şeklinde sunulur. En negatif E'0'a sahip redoks çiftleri üstte, en pozitif E'0'a sahip olanlar ise altta listelenmiştir. Elektron verme eğilimi en yüksek olan indirgenmiş madde sağdaki kulenin tepesinde bulunurken, elektron alma eğilimi en yüksek olan oksitlenmiş madde soldaki kulenin dibinde bulunur. Ortadaki redoks çiftleri, bir reaksiyon için hangi maddeyle ortaklık kurduklarına bağlı olarak elektron vericisi veya alıcısı olarak hizmet edebilir. Bu bilgiyi aşağıdaki elektron kulesinde gösterilen redoks çiftlerine uygularsak, en iyi başlangıç elektron vericisi glikoz, en iyi elektron alıcısı ise oksijen olacaktır. Bu da CO2 ve H20 ürünlerinin oluşmasına neden olur.
Bir donör ve bir alıcının indirgeme potansiyelleri arasındaki fark (ΔE'0), alıcı E'0 eksi donör E'0 olarak ölçülür. ΔE'0 için değer ne kadar büyükse, bir hücre için o kadar fazla potansiyel enerji vardır. Donör ve akseptör arasındaki en büyük mesafe (veya kulede daha büyük bir düşüş) olduğunda daha büyük değerler elde edilir.
ΔE'0, ΔG°' ile orantılı olsa da, bir maddenin bağışlamak zorunda olduğu elektron sayısı da önemlidir. Gerçek formül şudur:
Burada n transfer edilen elektron sayısı ve F Faraday sabitidir (23,062 cal/mol-volt, 96, 480 J/mol-volt).
Elektron Taşıyıcılar
Donörden akseptöre elektron transferi doğrudan gerçekleşmez, çünkü kimyasal olarak farklı elektron donörleri ve akseptörleri birbirleriyle hiç etkileşime girmeyebilir. Bunun yerine, birçok hücresel ara madde sürece katılır ve yol boyunca enerji yakalama olasılığı ortaya çıkar. Bu ara ürünler elektron taşıyıcıları olarak adlandırılır ve reaksiyonda kendileri tüketilmeden indirgenmiş form (elektron taşırken) ile oksitlenmiş form (elektronu aktardıktan sonra) arasında gidip gelirler. Elektron taşıyıcılarının hiçbir zaman bir reaksiyon için ilk elektron vericisi veya son elektron alıcısı olarak hizmet edemeyeceğini belirtmek önemlidir, çünkü bunlar hücrenin kendi içinden kaynaklanır ve reaksiyonlara sürekli olarak katılmak için sürekli olarak geri dönüştürülmeleri gerekir. Hücrenin, ilk elektron vericisi ve son elektron alıcısı olarak hareket etmek için taşıdığı harici kimyasallara güvenmesi gerekir. Reaksiyon sonucu oluşan ürünler (yani artık oksitlenmiş elektron donörü ve artık indirgenmiş elektron akseptörü), hücre için genellikle atık ürünlerdir ve çevreye salınabilir.
Reaksiyonun hücre için enerjetik olarak elverişli olması için, taşıyıcılar standart indirgeme potansiyellerine göre sıralanmalıdır (yani redoks kulesinden aşağıya doğru), bir elektron en negatif E'0'a sahip bir taşıyıcıdan daha az negatif E'0'a sahip bir taşıyıcıya geçmelidir. Bazı taşıyıcıların hem elektron hem de proton kabul ederken, diğer taşıyıcıların sadece elektron kabul ettiğine dikkat etmek önemlidir. Bu gerçek, daha sonra enerjinin nasıl üretildiği tartışmasında çok önemli hale gelecektir.
Bazıları belirli organizmalara veya organizma gruplarına özgü olmak üzere birçok farklı elektron taşıyıcısı olsa da, daha yaygın olanlardan bazılarını ele alalım:
- Nikotinamid adenin dinükleotid (NAD+/NADH) - hem elektron (e-) hem de proton (H+) taşıyan bir ko-enzim, her birinden iki tane. Yakın ilişkili bir molekül de 2 elektron ve 1 proton kabul eden nikotinamid adenin dinükleotid fosfattır (NADP+/ NADPH).
- Flavin adenin dinükleotid (FAD/FADH) ve flavin mononükleotid (FMN/FMNH) - her biri 2 elektron ve 2 proton taşır. Bu molekülleri içeren proteinlere flavoproteinler denir.
- Koenzim Q (CoQ)/ubikinon - 2 elektron ve 2 proton taşır.
- Sitokromlar - her seferinde 1 elektron taşımak için bir hem grubunun parçası olarak demir atomlarını kullanır.
- Ferredoksin gibi demir-sülfür (Fe-S) proteinleri - her seferinde 1 elektron taşımak için hem grubunun parçası olmayan demir atomlarını kullanır.
Elektron Taşınım Zinciri
Süreç, hücre dışından gelen başlangıçta bir elektron donörü ile başlar ve hücre dışından gelen başka bir elektron akseptörü ile biter. Elektronlar elektron kulesinden aşağıya doğru ilerlerken ortada elektronlar taşıyıcıdan taşıyıcıya aktarılır. Süreci daha verimli hale getirmek için, elektron taşıyıcılarının çoğu, bir redoks kulesi üzerinde düzenlendikleri sırayla hücrenin bir zarı içine gömülür. Bu elektron taşıma zincirleri bakteri ve arkelerin hücre zarında ve ökaryotların mitokondriyal zarında bulunur.
Yorumlar
Yorum Gönder