Biyokimya I ve II (Türkçe), Lecture notes of Biochemistry

Download Biyokimya I ve II (Türkçe) and more Lecture notes Biochemistry in PDF only on Docsity!

BİYOKİMYA II

Hikmet Geçkil, Profesör İnönü Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Biyoloji Bölümü Ve İnönü Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Şubat- 2012

İÇİNDEKİLER

• ÖNSÖZ
• GİRİŞ
• 1. BİYOKİMYASAL ENERJİTİK ve METABOLİZMAYA GİRİŞ
• 2. METABOLİZMA ve ENERJİ ELDESİ I: GLİKOLİZ
• 3. METABOLİZMA ve ENERJİ ELDESİ II: KREBS DÖNGÜSÜ
• OKSİDATİF FOSFORİLASYON 4. METABOLİZMA ve ENERJİ ELDESİ III: ELEKTRON TRANSPORT VE
• 5. METABOLİZMA VE ENERJİ ELDESİ IV: FOTOSENTEZ
• 6. METABOLİZMA ve ENERJİ ELDESİ IV: DİĞER METABOLİK YOLLAR
• 7. YAĞ ASİTLERİNİN OKSİDASYONU
• 8. AMİNO ASİT OKSİDASYONU ve ÜRE OLUŞUMU
• 9. METABOLİZMA VE ENERJİ ELDESİ (1-8. konuların özeti)
• 10. KARBOHİDRAT BİYOSENTEZİ
• 11. LİPİD BİYOSENTEZİ
• 12. AMİNO ASİT BİYOSENTEZİ
• 13. NÜKLEOTİD BİYOSENTEZİ
• 14. HÜCRE DÖNGÜSÜ, ÖLÜMÜ VE KANSER BİYOKİMYASI
• 15. BAĞIŞIKLIĞIN BİYOKİMYASI (İMMÜNO-BİYOKİMYA)
• 16. GEN, GENOM VE KROMOZOMLAR
• 17. DNA SENTEZİ (DNA REPLİKASYONU)
• 18. RNA SENTEZİ (TRANSKRİPSİYON)
• 19. PROTEİN SENTEZİ (TRANSLASYON)
• 20. GENOMLARIN DEŞİFRE EDİLMESİ : İNSAN GENOM PROJESİ
• Nobel ödülleri
• Ekler
• Sözlük
• Kaynaklar
• Dizin ……………………………………………………………………………….

ÖNSÖZ

Sevgili öğrenciler,

İnönü Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Biyoloji Bölümü 3. sınıfında zorunlu bir ders olan Biyokimya iki dönem boyunca haftalık 3 saat olarak okutulan bir derstir. Beş yıldan beridir öğrencilerimize verile gelen bu notların içeriği her yıl yeniden gözden geçirilip uygun yenilemeler ve düzeltmelerle güncellenmektedir. Örneğin geçen yıl tek bir kitap olarak basılan ders notları, bu yıl iki dönem için

Biyokimya I ve Biyokimya II olmak üzere iki cilt halinde basılmıştır. Böylece, her dönemde

işlenecek konular için o konuları içeren cildin yanınızda olması yeterli olacaktır. Kitap baştan sona gözden geçirilerek, konu sonunda verilen “çözülmüş sorular” ve “sorular” bölümleri ile zenginleştirilmiştir. Ayrıca, her cildin sonuna kullanışlı tablo, grafik ve dizinler eklenmiştir. Son olarak, bu yeni kitaba “Biyokimya ve Moleküler Biyoloji”de yaygın kullanılan birçok terimi içeren bir “sözlük” eklenmiştir. Ayrıca, kitap için bir takım geri-bildirimde bulunan siz sevgili öğrenciler ve meslektaşlarıma en derin sevgi ve saygılarımı sunuyorum. Yapılmış olan çeşitli dil bilgisi ve yazım hatalarının yanında, geniş bir alanı kapsayan ve her gün gelişen biyokimya gibi bir bilim alanı için hazırlanmış olan bu notlarda, varsa bilimsel hataların da hoş görüleceğini umuyorum.

Sevgilerimle,

Hikmet Geçkil Şubat 2012, Malatya

organizmalar mikroskobik ve kimyasal olarak birbirlerine oldukça benzerlik göstermektedirler. Biyokimya, canlıların moleküler seviyedeki bu benzerliklerini, bu moleküllerin her birinin yapı ve fonksiyonunu araştırmayı konu edinir. Canlı organizmalar oldukça düzenli olan yapılarını çevreden sağlamış oldukları enerji ile elde tutarlar. Ekzergonik kimyasal reaksiyonlar ve fotokimyasal reaksiyonlar endergonik reaksiyonların oluşmasını mümkün kılarak bu ısı yaparlar. Tüm canlı hücreler belli ısılarda çalışan kimyasal makinelerdir. Esasta canlılar için gerekli enerjinin hepsi direkt veya indirekt olarak güneş ışığına bağlıdır. Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları canlılardaki enerji akis ve depolanmasında temel rol oynarlar. Enerjinin çevreden alınıp, bir canlıdan diğerine transferi için tüm organizmalar birbirine ihtiyaç duyar.

En düşük enerji seviyelerine düşmemek için (yani ölmemek için) canlılara enerji gereklidir ve bunu da çevreden beslenme ile alırlar. Organizmaların iç yapısı dış dünya ile yani çevre ile asla denge halinde değildir. Ölüm halinde ancak dengeye ulaşılır. Organizmalar yaşadıkları çevre ile enerji ve madde alışverişinde bulunurlar. Bir organizmanın kimyasal içeriği zaman içinde hemen hemen sabit olsa da, hücrenin veya organizmanın moleküler içeriği dinamik (yani değişen) bir yapı gösterir. Örneğin, şu anda akciğerinizden beyninize taşınan hemoglobin molekülleri geçen ay sentezlenmiş ve gelecek ay hepsi yıkıma uğrayarak yerlerini yeni hemoglobin moleküllerine bırakacaklardır. Bugün yemiş olduğunuz yemekteki Karbonhidrat (örneğin, glikoz) su anda dolaşımınızda hareket etmekte ve birkaç saat sonra vücudunuzda karbon dioksite veya yağa dönüştürülecek ve tekrar yeme ihtiyacı ile beraber yeni Karbonhidrat molekülleri dolaşımınıza karışacaktır.

Biraz tarihçe … Dinamik bir bilim olarak biyokimyanın geçmişi son 100 yıla dayanmaktadır. Ancak, bu modern biyokimyanın bugünkü hale gelmesinde daha önceki çalışmaların da katkısı büyük olmuştur. Reaksiyon kinetikleri ve moleküllerin atomik yapısı hakkındaki bir çok bilgimizi 1900’den önceki periyotta yapılmış çalışmalara borçluyuz. Organizmalar tarafında üretilen bir çok kimyasalın belirlenmesi 19. yy’lın sonlarında olmuştur. Bu zamandan sonra biyokimya organize bir disiplin oldu ve hayatın kimyasal yönü ile ilgili bilgilerimizde önemli gelişim ve değişimler yaşandı. Biyokimyanın gelişmesi ve diğer disiplinlere etkisi 21. yy’da da devam edecektir. Friedrich Wöhler 1828 yılında inorganik bir bileşik olan amonyum siyanat ı ısıtarak organik bir bileşik olan üre yi elde etti. Esas olarak sadece canlı organizmalarda bulunan organik bileşiklerin inorganik maddelerden elde edilebileceği ilk defa bu deneyle gösterilmiş oldu. Şimdi biliyoruz ki, biyolojik moleküllerin sentezi ve parçalanmaları biyoloji dışındaki kimyasal dünyanın kimya ve fizik kanunları ile aynıdır. Her ne kadar üniversitelerde biyokimya bölümlerinin açılması Wöhler’in deneyinden 75 yıl sonrasını bulmuşsa da bir çok biyokimyacı için biyokimyanın başlangıcı Wöhler’in üreyi sentezi kabul edilir. Biyokimyanın tarihine bakarsak özellikle iki büyük buluş dikkati çekmektedir: katalizör olarak enzim lerin ve enformasyon taşıyıcı moleküller olarak nükleik asit lerin keşfi. Bu keşiflerden ilkini, yani enzimlerin biyolojik reaksiyonların katalizörleri olarak keşfi, kısmen Eduard Buchner’e borçluyuz. Buchner 1897’de parçalamış olduğu maya (İng. Yeast) hücrelerinden elde ettiği özütün (İng. Extract) glukozu alkol ve karbon dioksite fermente ettiğini gösterdi. Bundan önce, bilim adamları bu tür bir dönüşümün sadece canlı hücreler tarafından olabileceğine inanıyorlardı. Biyolojik katalizörlerin özelliği Buchner ile aynı yıllarda deneylerini yapan Emil Fischer tarafından ortaya kondu. Fischer maya enzimlerinin katalitik etkisini basit bir çalışma ile gösterdi: çay şekri olan sükrozun hidrolizi (su ile parçalanması). Fischer, kataliz sırasında bir enzimin ve onun etki

ettiği maddenin (reaktan veya substrat) biri birine bağlanarak bir ara bileşik oluşturduklarını ileri sürdü. Enzimlerin birer kilit substratların ise birer anahtar gibi davrandıkları orijinal fikri de Fischer’e aittir. Yaşamın hemen hemen tüm rekasiyonlarının enzimler tarafından katalizlendiği daha sonraki çalışmalarla ortya konmuştur. Enzimler konusunda göreceğimiz gibi enzimatik katizle yüksek oranda ürün elde edilirken çok az veya hemen hemen hiç yan ürün elde edilmez. Halbuki organik kimyada % 50-60 saflıkta olan ürün eldeleri iyi kabul edilmektedir. Yan ürünlerin ortaya çıkması hücreye zarar vereceğinden ve bunlar için gereksiz enerji harcanması olacağından biyokimyasal reaksiyonlar yüksek verimlilikte olmalıdır. Enzimatik katalizin tabi ki diğer önemli bir özelliği, katlizör (enzim) yokluğunda oldukça yavaş seyredecek veya hiç olmayacak bir kimyasal rekasiyonun oldukça hızlı gerçekleşmesidir.

20. yy’lın son yarısında özellikle proteinlerin yapısı ile ilgili olanlar başta olmak üzere yapısal biyoloji alanında önemli atılımlar gerçekleşmiştir. Proteinlerin yapılarının ilk çözülmesi 1950 ve 1960’larda İngiltere’deki Cambridge üniversitesinde John C. Kendrew ve Max Perutz tarafından olmuştur. O zamandan beri 1000 adedin üzerinde proteinin üç-boyutlu yapısı belirlenerek proteinlerin karmaşık biyokimyası hakkındaki bilgilerimizde büyük kazanım olmuştur. Bu hızlı gelişim günümüzün teknolojik harikaları olan daha hızlı bilgisayar ve programlarını kullanımı ile ancak mümkün olmuştur. Modern biyokimya büyük oranda bilgisayarlara bağımlı olup bundan dolayı yeni bir alt disiplin olan biyoenformatik ortaya çıkmıştır. Biyokimyanın tarihindeki ikinci büyük gelişme Buchner ve Fischer’in deneylerinden yarım yüz yıl sonra ortaya konabilen nükleik asitlerin bilgi (enformasyon) taşıyan moleküller olarak belirlenmiş olmalarıdır. Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty 1944 yılında bir bakteri olan Streptococcus pneumoniae’ ın toksik suşundan deoksiribonukleik asit (DNA)’yı izole ederek aynı bakterinin toksik olmayan suşu ile karıştırdıklarında, toksik olyan bakteri hücrelerinin toksik olduğunu gözlemlediler. Bu deney DNA’nın genetik madde olduğunu ilk defa kesin biçimde ortaya koydu. DNA’nın üç-boyutlu yapısı 1953 yılında James D. Watson ve Francis H. C. Crick tarafından ortaya kondu. Ortaya koyudkları DNA modeli ile Watson ve Crick bu molekülün kendi kendini yapabilecek (replikasyon) ve üzerindeki bilgiyi (enformasyonu) sonraki nesillere aktarbilecek yetenekte bir molekül olabileceğini düşündüler. Daha sonraki çalışmalar genetik bilginin DNA üzerinde kodlanmış olduğunu ve bu bilginin önce ribonükleik asite (RNA) ya aktarıldığını (transkripsiyon) ve bundan da proteine deşifre edildiğini (translasyon) ortaya koydu. Diğer Bir deyimle genetik bilgi nükleik asitlerde saklıdır ve nesilden nasıla transfer edilir. Bu durum, hücrede bu molekülün çoğaltılması (replikasyon) ve tamiri ile uzun nesiller boyu olması garanti altına alınmıştır. Nükleik asitlerin moleküler seviyede çalışılmasını konu alan genetik çalışmaları moleküler biyoloji alanının bir parçası iken, moleküler biyoloji biyokimyanın bir parçasıdır. Nükleik asitlerin genetik bilgiyi nasıl taşıyıp aktardıklarını anlamak için nükleik asitlerin yapısını ve bunların kendileri dahil diğer biyomoleküllerin sentezi ve parçalanmasında görev yapan enzimleri nasıl kodladıklarını anlamalıyız. Enzim ve nükleik asitlerin hayatın kimyasındaki merekzi rollerini anlamak biyokimyanın esas varlık sebeplerinden en önde olanlarıdır. Crick tarafından 1958 yılında ileri sürüldüğü gibi normalde genetik biginin DNA’dan proteine akışı tersinir değildir. Bilginin bu şekildeki tek yönlü akışı için Crick moleküler biyoljinin “Esas Dogması” terimini kullanmıştır (İng. Central Dogma). Bu terim genellikle yanlış anlamalara neden olmakta ise de, genel durumu ifade etmek için kullanılmamaktadır. Buradaki kasıt, genetik bilginin proteinden gerisin geriye nükleik asite dönüşemeyeceğidir. Bütün makro moleküller, birkaç basit bileşikten, onlar da birkaç elementten oluşmuşlardır. Canlıların moleküler içeriklerinin çoğu, karbon atomuna başka bir karbon atomu, hidrojen, oksijen veya azotun kovalent bağlanmasından meydana gelmiştir. Karbon, özel bağ yapma özelliğinden dolayı çok sayıda farklı molekülün oluşumuna imkan sağlar. Molekül ağırlığı 500 dalton’un altında olan organik yapılar, örneğin, amino asitler, nükleotidler

1 BİYOKİMYASAL ENERJİTİK ve METABOLİZMAYA GİRİŞ

Biyoenerjetik veya biyokimyasal termodinamik biyokimyasal reaksiyonlarda enerji değişimlerini çalışmaktadır. Bu sayede reaksiyonların gerçekleşip gerçekleşmeyeceği anlaşılır. Kainattaki tüm

sistemlerde (canlı veya cansız) termodinamik kanunlar geçerlidir. Nedir bu kanunlar: 1. Korunum

prensibi : enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Ancak, enerji (veya madde) bir formdan başka bir forma dönüştürülebilir. Fakat, bu dönüşümde sistemin ve (onun çevresinin) enerjisi sabit kalır (enerji sistem + enerjiçevre = sabit). Yani diğer bir deyimle, bir sistemin enerjisindeki herhangi bir değişim, çevresinde aynı miktardaki fakat zıt bir değişimle sağlanır. Her organizma veya makine çalışmak için dışardan aldığı bir enerji kaynağına ihtiyaç duyar. Var olmayan bir şeyden enerji elde edilemez (hatta güneş bile enerjiyi yoktan var etmez. Solar enerji, güneşi yapan hidrojenlerin

nükleer reaksiyonu sonucu açığa çıkan enerjidir). 2. tüm doğal oluşumlar (reaksiyonlar, vs) minimum

potansiyel enerjinin kazanılacağı yönde seyrederler, yani, dengeye ulaşma eğilimindedirler. Bu tur reaksiyonlar dışardan enerji verilmesine ihtiyaç duymadan ( spontan ) yürürler ve enerji açığa çıkarırlar. spontane oluşan reaksiyonlar sonucu sistemin ve çevresinin toplam entropisinde artış olur. Bu enerji is yapımında kullanılır. Örneğin, ısı transferi daima sıcak vücuttan soğuk vücuda olur. Asla tersi olmaz. Bir helezon bırakıldığında açılır, ancak bir tel asla kendiliğinden helezon oluşturmaz. Su yokuş aşağı akar, asla yukarı değil. Mısır piramitleri bir zamanlar kaya, kum ve toprak karışımından yapıldı ve zamanla (eğer onların yapılarını korumak için insan büyük bir enerji harcamazsa) tekrar kum ve toprağa dönüşeceklerdir, ancak mısır piramitleri asla kendiliğinden kum ve topraktan oluşmayacaklardır. Bütün bu durumlarda enerji bir sistem tarafından kaybedilmekte ancak başka bir sistem tarafından kazanılmaktadır. Dolayısı ile kâinatın kaotik durumu (düzensizliği) sürekli artmaktadır. Bir sistem ne kadar kaotik (ölmüş organizma, suda erimiş tuz, yıkılmış piramit) ise entropisi o derece yüksektir. Organize yapıların (insan, tuz kristali, mısır piramidi) ise entropisi

düşüktür. Ancak organize enerji ile is yapılabilir. 3. Mutlak sıfır olan 0 oK (yani – 273 oC)’de tüm

gelişigüzel moleküler hareket durur. Maddeyi oluşturan tüm atomlar en yüksek bir düzende bulunurlar ve o maddenin kristal yapısı oluşur. Bu durumda (daha sonra da üzerinde duracağımız gibi) maddenin entropisi (düzensizlik veya kaotik durum) sıfırdır. Gibbs adında bir bilim adamı ısı (maddenin bağlarındaki toplam ısı) ve entropiye bağlı olarak bir reaksiyonun yürüyüp yürüyemeyeceğini tespit eden bir kuram geliştirmiştir. Bu kurama Gibbs’in serbest enerji farkı (G) denir. Kimyasal bir reaksiyonda kullanılan veya ortama verilen enerji, reaksiyona giren maddelerle (reaktan veya substrat), reaksiyondan çıkan maddeler (ürünler) arasındaki enerji farkı bu kavramı verir. Örneğin, A  B + 15 kcal Bir ekzergonik reaksiyon olup, Abdaki potansiyel enerji B’den daha fazladır ve bu sistemin serbest enerji farkı (GB - GA)= –15 kcal’dir (G= -15 kcal). G negatif ise kimyasal reaksiyon veya mekanik olay kendiliğinden (dışardan enerji verilmesine

gereksinim duymadan) yürür. G pozitif ise reaksiyonlar endergonik olup spontan yürüyemezler.

Yukarıda açıklandığı gibi entropi (S) sistemin gelişigüzelliği veya düzensizliğini ifade eder. Ancak, bir sistemin entropisindeki değişim kolayca ölçülemez. Bu güçlük, serbest enerji (Gibbs’in serbest enerji farkı, G) denen daha kolay termodinamik bir fonksiyonun kullanımı ile asılabilir. Sistemin ve çevresinin entropisi arttıkça o reaksiyon sistemi kendiliğinden olur. Gibbs, serbest enerjinin, G=H - TS

şeklinde ifade edilebileceğini belirlemiştir. Bu eşitlik termodinamiğin birinci ve ikinci kanunlarından elde edilmiştir. (T= Kelvin ısı derecesini ifade der. 0oC = 273 oK veya 25 oC = 298 oK), H= reaktan ve ürünlerin bag ısısı veya diğer bir değimle entalpi ). Dolayısı ile, bir reaksiyonda H<0 ise entropi artar (yani S>0) ve G<0 olduğundan reaksiyon ekzotermiktir ve spontane oluşur. Ancak, endotermik bir reaksiyon da (H>0) eğer S terimi yeterince pozitif ise hala spontane oluşabilir

(çünkü G burada da negatif olacaktır). G= ise reaksiyon dengededir (dengede olmak eşit konsantrasyonlarda olmayı ifade etmez). Fiziksel olarak standart serbest enerji değişimi (Go) 25 oC (298 oK), 1 atmosfer, ve H+ iyonu dahil tüm maddelerin konsantrasyonu 1 M’ tekabül ederken,

biyokimyasal olarak serbest enerji değişimi (Go’) aynı şartlar altında ancak pH=7.0 (çünkü biyolojik sistemlerde hiç bir zaman pH=0 değildir) olarak kabul edilir.

Örnek 1.

Asetik asitin iyonizasyonunun pH 0 ve pH 5.0’deki standart enerji farkını (Go’) hesaplayınız.

CH 3 COOH  CH 3 COO-^ + H+, Ka=1.75 x 10- pH 0’da Go=-2.3 RTlogKeq’=-1364 log1.75 x 10- =+6,488 cal/mol (reaksiyon sağa) pH= 5.0’da

Go’=+6488 + 1364 log 10-5= -332 cal/mol (reaksiyon sola doğru olur). Standart şartlar altında, A + B  C + D bu reaksiyonun gerçek serbest enerji farkı (G),

G= Go^ + 2.3RTlog [C] [D]/[A][B] şeklinde ifade edilir. Go^ A, B, C, D’nin 1 M konsantrasyonlarında standart altındaki durumunu ifade eder. Denge halinde G=0 olur ve yukarıdaki eşitlik, 0= Go^ + 2.3RTlog [C] [D]/[A][B]

Go^ = -RTlog [C] [D]/[A][B] Standart şartlar altında denge sabitesi (Keq’), Keq’= [C] [D]/[A][B] Böylece, Go^ = -2,3RTlogKeq’ Ancak yukarıdaki durum hücre içinde ilgili maddelerin 1 M standart konsantrasyonda olması halini gösterir. Gerçekte ise, durum böyle olmayıp, A, B, C ve D’nin hücre içi konsantrasyonları 1 M’dan farklıdır. Bu durumda,

G=-2,3RTlogKeq’+2.3RTlog[C][D]/[A][B] yukarıdaki eşitlik hücre içindeki serbest enerji değişim farkını verir ve A, B, C, D standart 1 M konsantrasyonlarda değil, hücre içi gerçek konsantrasyonları ifade eder. R= 2 cal/mol/oK, T=298 oK olduğundan, Go’ veya G’ nin birimi cal/mol’dur.

Go^ nin negatif olması için Keq denge sabitesinin birden büyük (Keq>1) olması gerekir. Ancak, gerçek canlı sistemlerde (ör, hücrede) aynı reaksiyonun olup olmayacağı konusunda Go^ bize bir şey anlatmaz. Çünkü bu değerler standart şartlar altında elde edilen değerlerdir ve hücre içi şartları

Kitaplarımızda aşağıdaki reaksiyonlar verilmiş olabilir:

Piruvat + H 2 ---laktat, Go’= -10.3 Kcal/mol Laktat---etanol+HCO3-, Go’=-3.3 Kcal/mol Gliseraldehit piruvat, Go’= -18 Kcal/mol NADH+HNAD++H 2 Go’=+4.6 Kcal/mol

Örnek 3. Gliseraldehit ----- laktat + H+^ reaksiyonunda Go’ değeri?

Gliseraldehitpiruvat, Go’= -18 Kcal/mol Piruvat + H 2 laktat, Go’= -10.3 Kcal/mol

Gliseraldehit  laktat + H+^ Go’=-28.3 Kcal/mol olarak hesaplanır.

Örnek 4. Piruvat Etanol reaksiyonunu Go’değeri?

Laktat Piruvat Go’= +10.3 Kcal/mol Piruvat Etanol Go’= ???

Laktat Etanol Go’= -3.3 Kcal/mol olduğundan, PiruvatEtanolun Go’ değerinin -13.6 Kcal/mol olması gerekir.

Örnek 5. Laktat NAD+^  piruvat + NADH + H+^ reaksiyonunun Go’=? Laktat Piruvat Go’= +10.3 Kcal/mol

NAD++H 2 NADH+H Go’=-4.6 Kcal/mol

Laktat NAD+^ piruvat + NADH + H+^ Go’=+5.7 Kcal/mol olarak bulunur.

Örnek 6.

A  B, G 1 o’ B  C G 2 o’ gibi ardışık iki reaksiyon kendi standart enerji değişim farklarına (Go’) ve denge sabitelerine sahiptirler. Bu iki reaksiyonun toplam enerji sabitesi, iki reaksiyonun toplamıdır: yani A  C, Go’= G 1 o’^ + G 2 o’ denge sabitesi ise Keq’= Keq1’ + Keq2’ olur.

Eğer kendiliğinden meydana gelen olayların akışı bozulmaya (yokuş aşağı) doğru gidiyorsa, canlı organizmada bulunan makromoleküllerin daha basit yapı taslarından biyosentezi nasıl açıklanabilir? Burada da termodinamiğin herhangi bir kanunu ihlal edilmemiştir, nasıl ki piramitler kumdan yapılmadığı zaman termodinamiğin kanunları ihlal edilmediyse. Herhangi bir sistemdeki madde ve enerjinin doğal eğilimi yokuş aşağı olup, sisteme enerji verilerek bu eğilim yokuş yukarı yani iş yapmaya dönüştürülebilir. Sistemin ürettiği (açığa çıkardığı) ve almış olduğu toplam enerji sabit kalır. Ancak, enerji alan sistemin entropisi artabilir, azalabilir veya sabit kalabilir. Canlı bir hücre genellikle

çevresinde bulunan yüksek entropiye sahip materyalleri içine alarak onları işler ve daha düzenli düşük entropiye sahip yapı taslarına dönüştürür.

Biyologlar için, herhangi bir reaksiyon veya proses sırasında meydana gelen entropi değişimlerinin önemi büyüktür. Termodinamiğin buna bağlı iki fonksiyonu vardır ki kolayca hesaplanabilirler.

Bunlar "serbest enerji" deki değişim ve "ısı (entalpi)" deki değişimdir (H). Serbest enerji değişimi, bir reaksiyonda (sabit ısı ve basınç altında) maksimum kullanılabilir enerjinin tanımlanması için kullanılır. Entalfi ise , yine sabit ısı, basınç ve hacimde olan bir reaksiyonun dengeye giderken meydana gelen ısı akışının ifadesidir.

Kimyasal reaksiyonlar "egzergonik" ve "endergonik" olarak sınıflandırılabilirler. Egzergonik reaksiyonlar enerji açığa çıkarırken, endergonik reaksiyonlar dışardan enerji almadan yürütülemezler. Diğer bir değimle egzergonik reaksiyonlarla iŞ yapılabilirken, endergonik reaksiyonların yürütülmesi için işin yapılması gerekir. Kompleks moleküllerin daha basit yapı taşlarından yapılması için enerji gerekir. Bunun için de is yapılması gerekir. Canlı hücreler oldukça kompleks yapılar olup, bu yapılarını uzun süre koruyabildikleri gibi, büyür ve çoğalırlar. Enerjitik kanunlarına göre bu, bazı egzergonik reaksiyonların katalizlenmesi sonucu açığa çıkan enerjinin "enerjice zengin" moleküllerde toplanması ile sağlanır. Daha sonra, biyosentetik yani endergonik reaksiyonlar bu enerjinin yardımı ile yürütülürler. Mesela diyelim ki B'yi veren A reaksiyonu egzergonik olsun ve 15 kcal enerji açığa çıksın; A-------------B + 15 kcal (1) Eğer reaksiyon bu şekilde yürüseydi tüm enerji boşa gitmiş olacaktı. Canlı hücrede, bu toplam enerjinin bir kısmı "enerjice zengin" molekül x~y'nin endergonik sentezi için reaksiyon (1)' de korunur. Örneğin, eğer x~y'nin sentezi 8 kcal’ı gerektiriyorsa, tüm birleşik reaksiyon sonucu 7 kcal enerji açığa çıkar; AB + 7kcal (2) x+y x~y  G ILE [P]/[S] ORANI ARASINDAKI BAGINTI

Bir S-------P reaksiyonunu düşünelim; S reaksiyona uğrayan (spesifik bir enzimle) madde yani substratı, P de reaksiyon sonucu açığa çıkan ürün olsun. Bu reaksiyon sonucunda açığa çıkan enerji, nasıl bir şekilde substrat ve ürün konsantrasyonu ile ilişkilidir?

Bir benzetme yaparak, diyelim ki S ve P sıvı halde U şeklindeki bir borunun farklı kollarında bulunsun ve borunun tabanında bir musluk bulunsun. Aynı zamanda, S kısmında bir de su tekeri bulunsun. S kısmına spesifik enzimi ilave eder ve musluğu açarsak, S ürüne dönüşmeye başlayıp o tarafa doğru akarken su tekeri dönmeye başlar. Yani açığa çıkan enerji sonucu bir iş yapılmıştır. İki taraftaki solüsyon dengeleninceye kadar reaksiyon devam eder. Ancak verilen örnekte, S ve P'nin volümleri eşit olmayıp, denge P'den yana gösterilmiştir. Burada S/P oranına bakılıp, dengeye ulaşılması için ne kadar enerjinin açığa çıkması gerektiği anlaşılabilir. S/P

reaksiyonuna göre (pH 7.0' da,-0.414 volt) hesaplanmış nispi redüksiyon potansiyellerdir. pH 7.0 'da

hidrojen-yarım reaksiyonunun değeri, standart şartlar altında ( 1M H+ ve 1 ata) Eo = 0.00 volt

alınarak hesaplanmıştır. H+^ içermeyen biyolojik reaksiyonların Eo ve E'o 'si aynıdır. Bir maddenin

elektron kazanabilmesi için, mutlaka diğer birinin elektron kaybetmesi yani vermesi gerekir.

Diğer bir değimle, tam bir oksidasyon-redüksiyon reaksiyonu iki tane yarım reaksiyonun sonucudur. Elektron kazanma prosesine redüksiyon (indirgenme), elektron verme prosesine ise oksidasyon (yükseltgenme) denir.

Dolayısı ile oksidasyona uğrayan madde oksitlenmiş iken, redüksiyona uğramış madde ise redüklenmistir. Oksitlenen madde tarafından verilen elektronlar indirgenmiş maddenin redüksiyonuna neden olur ve bu nedenle oksitleyici maddeye aynı zamanda indirgeyici veya indirgen de denir. Biyolojik oksidasyonlar genellikle dehidrojenasyon reaksiyonları şeklinde olur: NAD+^ + 2 H+^ + 2 e-^  NADH + H+

Burada, NAD+^ yükseltgenmiş (oksidize) form iken, NADH indirgenmis (redüklenmiş) formdur. Oldukça redüklenmiş maddeler (örneğin, karbonhidrat, lipid, vs), oksidize olmuş maddelerden çok daha yüksek enerji içeriklerine sahiptirler. Örneğin glukoz oldukça indirgenmis bir madde iken, karbon dioksit oldukça yükseltgenmiş (oksidize olmuş) bir maddedir.

İndirgenen madde oksitlenen maddeden elektronları aldığı için oksitleyici madde veya oksidant (yükseltgen) denir:

Oksitlenmiş Redüklenmiş Form Form Eo’ A +2H+^ + 2 e-^  AH 2 + B +2H+^ + 2 e-^  BH 2 + C +2H+^ + 2 e-^  CH 2 + D +2H+^ + 2 e-^  DH 2 0 E +2H+^ + 2 e-^  EH 2 - F +2H+^ + 2 e-^  FH 2 -

G +2H+^ + 2 e-^  GH 2 - A’dan G’ye oksitleyici kuvvet artarken, AH 2 ’den GH 2 ’ye doğru redükleyici maddenin kuvveti artmaktadır. Yani, EH 2 maddesi AH 2 , BH 2 , CH 2 ve DH 2 ’den çok daha iyi bir redükleyici (indirgeyici) ajan iken, FH 2 ve GH 2 ’den ise daha zayıf bir indirgeyicidir. C maddesi ise D, E, F ve Geden daha iyi bir oksitleyici (yükseltgen) madde iken, B ve A’dan daha zayıftır.

Canlı hücrelerde karbon 5 farklı oksidasyon durumuna sahiptir: CH 3 -CH 3 Etan En çok indirgenmis  (redüklenmiş) CH 3 -CH 2 OH Etanol  CH 3 -COH Asetaldehit  CH 3 -COOH Asetik asit  En çok yükseltgenmiş CO 2 Karbon dioksit (oksitlenmiş)

En yüksek derecede indirgenmis maddelerde karbon atomları elektron ve hidrojenler bakımından zengindirler. Halbuki, ileri derecede oksitlenmiş maddelerde karbon atomuna bağlı daha çok oksijen ve daha az hidrojen bulunur. yukarıdaki 5 durumda (en son basamak hariç) karbon atomunun oksidasyonu onun dehidrojenasyonu ile es anlamlıdır. Ancak, biyolojik oksidasyonların hepsi oksijen ve karbon içermeyebilir. Elektronlar bir molekülden ötekine 4 farklı yoldan biri ile transfer olabilir:

1. Direkt elektron olarak Fe+2^ + Cu+2^  Fe+3^ + Cu
2. Elektronlar hidrojen atomu formunda transfer olabilirler ( bir hidrojen atomu bir proton (H+) ve bir elektrondan (e-) meydana gelmiştir) AH 2  A + 2e-^ + 2H+
3. Elektronlar bir elektron verici molekülden elektron alıcı moleküle hidrit iyonu (:H-) formunda transfer olabilirler. Buradaki iyonla 2 elektron taşınır (NAD bağımlı dehidrogenazlar da böyledir).
4. Elektron transferi oksijenin indirgeyici bir organik molekülle reaksiyon sonucu da meydana gelebilir (örneğin, bir hidrokarbonun alkole oksidasyonu) R-CH 3 + ½ O 2  R-CH 2 -OH

Bu dört çeşit elektron transfer seklinin hepsi de hücrede meydana gelir. Redüksiyon potansiyelleri elektronlara olan ilgiyi ifade eder. Herhangi bir konsantrasyondaki oksitlenmiş ve redüklenmiş madde için standart redüksiyon potansiyeli (Eo), gerçek redüksiyon potansiyeli (E) ile ilişkilendirilebilir (Nernst eşitliği):

E= Eo^ + 2.3RT/nF log (e-^ alıcı/e-^ verici)

n= reaksiyonda transfer edilen e-^ sayısı, F= Faraday sabitesi (23,000 cal/volt/e-), R= gaz sabitesi

(2 cal/mol/ oK),

Örnek 8. Asetaldehitin elektron taşıyıcı koenzim NADH ile etanole indirgenmesini düşününüz: Asetaldehit + NADH + H+Etanol + NAD+ Bunu veren iki yarim reaksiyon, (1) Asetaldehit + 2H+^ + 2e- Etanol, Eo’=-0.197 V (2) NAD+^ + 2H+^ + 2e- NADH + H+^ , Eo’=-0.320 V E’o=-0.197-(-0.320)=0.123 V ve n= 2 Böylece, Go’= - nFEo’

=-2 x 23,000 cal/V/mol x 0.123 V= Go’=- 5658 cal/mol Ancak, bu sadece reaksiyondaki tüm maddelerin (asetaldehit, etanol, NAD, NADH) 1 M standart konsantrasyonlarında böyledir. Örneğin, bunun yerine asetaldehit ve NADH’yi 1 M , fakat etanol ve NAD’yi 0.1 M olarak alırsak G,

Easetaldehit= Eo + 2.3RT/nF (log asetaldehit/etanol) =-0.197 V + (2.3 x2 x 298)/2 x 23,000(log 1.0/0.1) =-0.167 V ENADH= Eo + 2.3RT/nF (log NAD/NADH) =-0.320 V + (2.3 x2 x 298)/2 x 23,000(log 1.0/0.1) =-0.350 V

Buradan, E=-0.167 V-(-0.350 V)=0.183 V G= - nFE

G= -8418 cal/mol Böylece bir redoks çiftinin hücredeki herhangi bir konsantrasyonun oksidasyonundan serbest enerji değişimi hesaplanabilir.

Birçok biyolojik oksidasyon moleküler oksijen olmadan da gerçekleşir, ör. dehidrojenasyonlar. Ancak, ileri yapılı hayvanların yaşamı oksijenin kontrollü olarak hidrojenle reaksiyona girip su oluşturduğu oksijenli solunuma ihtiyaç duyar. Ayrıca, oksijenazlar adı verilen enzimlerle moleküler oksijen bir seri substratın yapısına sokulur. Birçok ilaç ve kimyasal karsinojen (ksenobiyotikler) sitokrom P450 sistemini oluşturan bu çeşit enzimlerle metabolize edilirler. Bir sistemin redoks potansiyeli ( Eo ) genellikle hidrojen elektrodunun potansiyeli ile ilişkilidir (pH 0’da 0.0 volt). Ancak, biyolojik sistemlerde redoks potansiyeli ( Eo ’) elektrot potansiyelinin -0. Volt olduğu pH 7.0’de ifade edilir. Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarında görev alan enzimlere oksidoredüktazlar denir ve bunlar 4 grup altında toplanırlar: oksidazlar , dehidrojenazlar , hidroperoksidazlar ve oksijenazlar. Oksidazlar, oksijeni bir hidrojen alıcısı olarak kullanarak substratlarından hidrojeni ayırırlar ve bunun sonucu ya su veya hidrojen peroksit yan ürün olarak oluşur. Bir hemoprotein olan ve sitokrom aa 3 olarak da bilinen sitokrom oksidaz en yaygın bulunan oksidazlardan biri olup miyoglobin, hemoglobin ve diğer sitokromlarda da bulunan “hem” grubundan iki adet bulundurur. Bu protein mitokondriyal elektron transfer zincirinin en sonunda bulunur ve oksijenin suya indirgenmesinde rol oynar. Bu enzim CO, CN ve H 2 S ile inhibe olur. Hem gruplarındaki Fe atomları oksidasyon-

redüksiyon sırasında Fe2+^ ve Fe3+^ şeklinde değişirler. Ayrıca her hem grubuna birer adet de Cu atomu bağlıdır. Flavoproteinler de FMN veya FAD prostetik gruplarına sahip oksidazlardır. FMN ve FAD bir vitamin olan riboflavin den (B2 vitamini) yapılırlar. Dehidrojenazlar geniş bir enzim grubu olup, hidrojen alıcısı olarak oksijen kullanamazlar. Bu enzimler hidrojen alıcısı olarak NAD+^ veya NADP+^ koenzimlerini kullanırlar. Hem NAD+^ ve hem de NADP+^ vücutta niasin (B3 vitamini)’den yapılırlar. NAD-bağımlı dehidrojenazlar genellikle metabolizmanın oksidatif basamaklarında görev yaparlar: ör. glikoliz, sitrik asit döngüsü ve ETZ. NADP-bağımlı dehidrojenazlar ise genellikle redüktif sentezlerde görev yaparlar: ör. yağ asiti ve steroid sentezi ve PPP yolunda. Hidroperoksidazlar hidrojen peroksit veya bir organik peroksiti substrat olarak kullanırlar: ör. peroksidazlar ve katalaz. Hidroperoksizdazlar vücudu tehlikeli peroksidlerden korurlar. Peroksitlerin birikmesi membranları bozan ve hatta kansere sebep olan serbest radikallerin oluşmasına sebep olur. Peroksidaz tarafından katalizlenen reaksiyon karmaşık olsa da genel sonuç aşağıdaki gibidir:

H 2 O 2 + AH 2^ Peroksidaz^ 2H 2 O + A-

Katalaz hidrojen peroksidi elektron alıcısı veya vericisi olarak kullanır:

2H 2 O 2^ Katalaz^ 2H 2 O + O 2

Peroksizomlar karaciğer dahil birçok dokudaki hücrelerde bulunan organellerdir ve özellikle oksidazlar ve katalaz bakımından zengindirler. Oksijenazlar substrat moleküllerine moleküler oksijeni transfer eden enzimlerdir. Birçok metabolit ve ksenobiyotiğin yıkımından bu enzimler sorumludur. Bu enzimler aktif bölgeleri ile oksijeni bağlayıp onu ya indirgerler ya da bir substrata sokarlar. Dioksijenazlar moleküler oksijenin (O 2 ) her iki atomunu substrata sokarken, monooksijenazlar bir atomu substrata sokarken diğer atomu ise oksijeni indirger. P450 sitokromları monooksijenazlar olup birçok ilacın detoksifikasyonunda ve steroidlerin hidroksilasyonunda görev yaparlar. Hem içeren P sitokromlardan 1000 kadar vardır. Hem NADH ve hem de NADPH bu sitokromaların indirgenmesinde indirgeyici eşdeğerliği sağlarlar. Süperoksit dismutaz (SOD) aerobik organizmaları oksijenin toksik etkisinden korur. O 2 ’ye tek bir elektron transferi ile süperoksit anyon serbest radikali (O 2 - ) oluşur ve bu da zincirleme bir seri serbest radikal olayı başlatır. Bu süperoksit radikali SOD tarafından aşağıdaki gibi dismüte edilir:

O 2 -^ + O 2 -^ + 2H+^ SOD^ H 2 O 2 + O 2