CANLILARDA ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ 1-ATP Yapısı ve Fosforilasyon

 

CANLILARDA ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ

Her organizma, kendi kedine düzenli olarak işleyen bir sistemdir. Bu düzenli işleyiş içinde her canlı, çevresiyle sürekli madde ve enerji alışverişi yapar.

Canlıların, canlılık özelliklerini düzenli bir şekilde sürdürebilmeleri, yani yaşamın devamlılığını sağlayabilmeleri için aşağıdaki faaliyetleri sürekli yapmaları gerekir.

*        Dış ortamdan, gerekli ham maddeleri yeterli oranda sağlamak

*        Sağladığı ham maddelerle, gerekli olan büyük ve karmaşık molekülleri sentezlemek

*        Oluşturduğu organizasyonun bütünlüğünü ve sürekliliğini sağlamak

*        Sağlanan organizasyonla ilgili bilgileri yeni kuşaklara aktararak neslini sürdürmek

I-          ENERJİ VE ENERJİ ÇEŞİTLERİ

 

ENERJİ: maddede bir değişiklik veya hareket oluşturabilme yeteneğidir. Başka bir tanımlama ile enerji; iş yapabilme kapasitesidir. 

Canlılar için gerekli olan enerji çeşitleri; ısı, ışık ve kimyasal enerjidir. Ancak canlılar metabolizmalarında yalnızca kimyasal bağ enerjisini kullanabilir. Bu enerji doğada kullanılabilir halde bulunmaz. Bu nedenle canlılar metabolizmalarında kullanacakları enerjiyi, enerji dönüşümleri yoluyla elde etmeye çalışırlar.

Doğadaki temel enerji kaynağı Güneş’tir. Tüm canlılar doğrudan veya dolaylı güneş enerjisine bağımlıdır. Bu ünitede enerji dönüşümlerinden fotosentez ve solunum olaylarından bahsedilecektir.

Güneş enerjisi, fotosentez ile organik besinlerin yapısında kimyasal bağ enerjisine dönüştürülerek depo edilir. Daha sonra bu organik bileşikler hücre içinde parçalanarak ATP denilen tüm canlıların kullanabildiği tek enerji molekülüne çevrilerek kullanılır. Organik besinlerin yapısındaki kimyasal bağ enerjisinin ATP molekülüne dönüşümü hücre içinde gerçekleşir.

ATP’nin parçalanması sonucu yapısındaki yüksek enerjili fosfat bağlarının kopması ile enerji serbest hale gelir. Bu enerji metabolik faaliyetlerde kullanılır. Bu sırada açığa çıkan enerjinin bir kısmı çevreye ısı olarak yayılır. Isı enerjisi, enerji dönüşümlerinin en son şeklidir.

enerji dönüşümleri

Canlıların iş yapabilmesi bir enerjiyi kullanabilecekleri enerji şekline dönüştürme yeteneklerine bağlıdır. Canlılardaki enerji üretimi ve dönüşümünü inceleyen bilim dalına Biyoenerjetik denir.



Biyoenerjetik biliminin ana başlıkları şunlardır;

1.       Güneşin ışınım enerjisinin organik bileşiklerdeki kimyasal bağ enerjisine dönüşümü (Fotosentez)

2.       Organik bileşiklerdeki kimyasal bağ enerjisinin, hücre içinde kullanılabilen yüksek enerjili fosfat bağlarına dönüşümü (Hücresel solunum)

3.       Fosfat bağlarındaki kimyasal enerjinin hücre içindeki veya çok hücreli organizmalardaki kullanım biçimlerine dönüşümü

Bitkilerde kloroplast ve mitokondriler, hayvanlarda ise mitokondriler enerji dönüşümlerinin yapıldığı organellerdir. Bununla beraber tüm canlıların sitoplazmalarında da enerji dönüşümü gerçekleşir. 

 

II-        ENERJİNİN TEMEL MOLEKÜLÜ “ ATP”(Adenozin Trifosfat)

A.     ATP’NİN KAYNAĞI

Canlıların yaşamlarını sürdürebilmeleri için enerjiye ihtiyaçları vardır. Doğada çok çeşitli enerji çeşitleri olmasına rağmen bu enerji çeşitleri canlılar tarafından doğrudan kullanılamaz. Aynı zamanda canlıların enerji kaynaklarından aldıkları enerji de hücresel olaylarda kullanılamaz.  Canlılar bu enerji çeşitlerinden sadece “Güneş enerjisi”ni yararlanabilirler. Ancak, canlıların hücresel olaylarda sadece ATP enerjisini kullanabilirler.

Doğada doğrudan kullanılabilir veya canlılar arasında aktarılabilir ATP enerjisi bulunmamaktadır. Yani canlının kullanacağı ATP enerjisini kendisi üretmesi gerekmektedir. Bu nedenle güneş enerjisinin canlılar tarafından kullanılabilir ATP enerjisine dönüştürülmesi gerekir.

Yaşamın temel enerji kaynağı güneştir. Güneş enerjisinin dönüşümünü yapabilen canlılar yapılarında klorofil bulunduran canlılardır. Güneşten alınan enerji, doğada canlılar arasındaki enerji akışı sayesinde bütün canlılara aktarılır. Bu enerji akışının birinci basamağı fotosentezle başlar. Karasal ortamda fotosentezle başlayan enerji akışındaki olaylar şu şekilde gerçekleşir.

1.       Güneş enerjisi bitkilerdeki klorofiller tarafından soğurulur. Soğurulan bu ışık enerjisi kullanılarak kloroplast organelinde enerji molekülü olan ATP’ye dönüştürülür.

2.       Kloroplastlarda üretilen ATP kullanılarak yine kloroplastlarda kullanılarak glikoz sentezlenir. Bu şekilde güneşin ışık enerjisi ATP aracılığı ile glikozun(besinlerin) yapısında kimyasal bağ enerjisine aktarılmış olur. Bitki tarafından sentezlenen glikozlar bitki hücrelerinde solunumda kullanılmak üzere harcanır, fazlası lökoplastlarda nişastaya dönüştürülerek depo edilir.

3.       Bitkiyle beslenen canlı bitkideki depo besin nişastayı sindirir ve glikozları oluşturur. Bu glikoz moleküllerini hücresel solunumda parçalayarak ATP molekülü sentezler. Sentezlediği ATP’yi enerji gerektiren metabolik olaylarda kullanır.

 

Canlıların ürettikleri ATP enerjisi hücrelerde farklı enerji şekillerine dönüştürülerek kullanılır. Örneğin, sinirlerde impuls iletimi elektriksel geçekleşir. Bu nedenle ATP’deki kimyasal enerji, sinirlerde elektrik enerjisine dönüştürülerek kullanılır. Kaslarda mekanik enerjiye dönüştürülür.  ATP, hücresel solunumda organik moleküllerin parçalanması ile elde edilir. Yani; hücre metabolizmasında kullanılan enerjinin kaynağı organik moleküllerdir.

Kimyasal reaksiyonların başlayabilmesi için reaksiyona girecek maddelerin aktifleşmesi gerekir. Yani reaksiyonların başlayabilmesi için sisteme başlangıçta bir miktar enerji vermek gerekir. İşte reaksiyonların başlaması için gerekli enerji miktarına aktivasyon enerjisi denir.

Canlı hücrelerde her saniye milyonlarca biyokimyasal reaksiyon meydana gelir ve her bir reaksiyon için aktivasyon enerjisi vermek gerekir. Burada iki sorun ortaya çıkar. Birincisi bu enerjiyi bulma sorunudur. İkincisi de bu reaksiyonlar sırasında açığa çıkan ısı enerjisidir. Açığa çıkan ısı enerjisi ortam sıcaklığı canlının ölümüne neden olur. Bu sorunları aşmak için enzimler kullanılır. Enzimler ile gerekli aktivasyon enerjisi düşürülür ve bunun sonucunda açığa çıkan ısı enerjisi düşürülür. Gerekli enerji miktarı düşürülse de yine de biyokimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için enerjiye ihtiyaç vardır. Bu enerji organik besinlerin parçalanması ile elde edilen kimyasal enerjidir. Ancak bu kimyasal enerji hücrede doğrudan kullanılamaz. Bu nedenle organik besinlerin parçalanması ile oluşan enerji ATP denilen molekülün yapısında tutulur ve ihtiyaç kadarı kullanılarak enerjinin kontrollü kullanımı sağlanmış olur.

B.      ATP’NİN YAPISI

 ATPnin yapısı

1.       Organik yapılı bir moleküldür.  Yapısında C, H, O, P ve N bulunur.

2.       Nükleotitlerin yapısında; Azotlu organik Adenin bazı, Riboz şekeri ve üç molekül fosforik asit (H3PO4) bulunur.

3.       Adeninle riboz arasında glikozit bağı, ribozla fosfat grubu arasında ester bağı, fosfat grupları arasında ise yüksek enerjili bağlar bulunur.

4.       Adenin bazı ile riboz şekerinin oluşturduğu yapıya “adenozin” denir.

5.       Adenozine bir fosfat bağlanarak “adenozin mono fosfat=AMP” meydana gelir.

6.       AMP’ye bir fosfat daha bağlanınca “Adenozin di fosfat=ADP” oluşur.

7.       ADP’ye bir fosfat bağlanınca “adenozin tri fosfat =ATP”  oluşur.

 

ATP molekülü

Şekil: ATP’ nin yapısı

 

C.     ATP’NİN ÖZELLİKLERİ:

1.       Bütün canlıların hücre metabolizmasında doğrudan kullanabildiği enerji ATP enerjisidir.

2.       Virüsler hariç her canlı tarafından sentezlenir. (virüsler hücresel yapıya sahip değildirler)

3.       ATP hücre içinde sentezlenir ve üretildiği  hücre içinde kullanılır.

4.       ATP’nin sentezi bir dehidrasyon tepkimesidir. Dolayısıyla ATP büyük bir moleküldür ve hücre zarından geçemez. Bu nedenle bir hücreden diğerine aktarılmaz.

5.       ATP enerjisinin dönüşümü süreklidir. Yani bir taraftan ATP sentezlenirken diğer taraftan ATP yıkıma uğratılır.  Bu sayede enerjide maksimum düzen sağlanır.

6.       ATP kademeli olarak üretilir. Bu şekilde hem enerji ekonomik olarak kullanılmış olur hem de açığa çıkabilecek fazla enerjinin ısıya dönüşerek hücreye zarar vermesi önlenmiş olur.

7.       Hücrede depolanamaz, ihtiyaç kadar üretilip harcanır.

8.       ATP’nin yıkımı ve sentezi birbirinin tersi olaylardır. Dehidrasyon ile sentezlenir, hidroliz ile parçalanır.

9.       Fotosentezde üretilen ATP sadece fotosentez tepkimeleri için kullanılır.

10.   Sentez, enerji alan (endergonik), hidrolizi enerji veren (ekzergonik) tepkimelerdir.

 

D.     ATP’NİN SENTEZİ-YIKIMI VE KULLANILIŞI

1.       ATP’nin sentezlenmesi için besinlerin yıkımından açığa çıkan enerji kullanılır. Besinlerin yıkımından açığa çıkan kimyasal enerji ATP’nin fosfat molekülleri arasında depo edilir. ATP’deki enerji hücre içinde aşama aşama kullanılır.

2.       Hücre için enerjiye ihtiyaç duyulduğunda başlangıçta verilen ve fosfat molekülleri arasında depo edilmiş enerji kullanılır.

3.       Bu bağların kopması ile serbest kalan bağ enerjisi hücrede biyokimyasal olaylarda kullanılır. Enerjinin kullanımı;

Önce ATP’deki 3. Fosfat koparılır. Kopan fosfat molekülü beraberinde enerjiyi de taşır. Enerji yüklü fosfat reaksiyona girecek moleküle bağlanır. Böylece fosfat bağında bulunan enerjinin büyük bir kısmı da bu moleküle aktarılır. Fosfattan enerjiyi alan molekül aktifleşir ve reaksiyona girmeye hazır hale gelir.

Örnek;

*         Hücre içinde ATP yokluğunda glutamik asitten glutamin kendiliğinden oluşmaz. 3.4 kcal enerji gerektirir.

*         Hücre içinde glutamin yapımı için önce ATP hidroliz edilerek son fosfat koparılır. Yüksek enerjili fosfat glutamik asite aktarılarak kararsız bir ara bileşik oluşturulur.

*         Daha sonra bu bileşikteki fosfat amonyak ile yer değiştirir ve glutamin oluşur.

*         ATP nin hidrolize olması ortama 7,3 kcal’lik enerji salar. Bu da glutamin sentezi için gerekli enerji ihtiyacını fazlasıyla karşılar.

 ATP'nin kullanışması

 

E.      ATP METABOLİZMASI

Hücre içinde bazı biyokimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için enerji gerekir. Bu enerji yine hücre içinde gerçekleşen hücrede enerji üreten ve tüketen reaksiyonlar ikiye ayrılır. Bunlar;

a)      Ekzergonik Tepkimeler (Enerji üretir)

1.       Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisinden küçük ise reaksiyon ekzergonik’tir.

2.       Canlılarda moleküllerin yıkımının olduğu ekzergonik tepkimeler katabolizma olarak adlandırılmaktadır.

3.       Ekzergonik reaksiyonlar sonucunda ATP üretilir.

4.       Hücrede ATP üreten katabolik reaksiyonlar oksijenli solunum, oksijensiz solunum, fotosentez ve kemosentez reaksiyonları ekzergonik reaksiyonlardır.

 ekzergonik tepkimeler enerji üretir

 

UYARI:

1.   Fotosentez ile üretilen ATP sadece fotosentez için kullanılır.

 

b)     Endergonik Tepkimeler (Enerji tüketir)

1.       Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisinden büyük ise reaksiyon endergonik’tir. Yani gerçekleşmesi için enerjiye ihtiyaç duyulan tepkimelere endergonik tepkimeler denir.

2.       Hücrede ATP harcayan anabolik reaksiyonlar, biyosentez tepkimeleri, aktif taşıma, kas faaliyetleri, sinirsel iletim vb. olaylar enerji tüketen yani endergonik reaksiyonlardır.

3.       Yeni bileşiklerin yapıldığı sentez tepkimeleri anabolizma olarak adlandırılmaktadır. Anabolik reaksiyonların gerçekleşmesi için ATP kullanılması gerekir.

endergonik tepkimeler enerji harcar

 

 ATP metabolizması

 

endergonik ve ekzergonik tepkimeler

 

NOT:

1.      Osmos, difüzyon ve hidroliz olaylarında ATP kullanılmaz.

2.      Ekzergonik reaksiyonlar sonucunda açığa çıkan enerji ile ATP üretilir. Bu ATP enerjisi endergonik reaksiyonlarda kullanılır.

3.      Anabolizma ve katabolizma olayları birlikte metabolizmayı oluşturmaktadırlar.

 

F.      ATP SENTEZLENMESİ (FOSFORİLASYON)

ATP’nin yıkımına Defosforilasyon (Fosforilizasyon) denir. Biyosentez tepkimeleri, aktif taşıma, kas faaliyetleri, sinirsel iletim vb. olayların gerçekleşmesi için ATP harcanır. Bu reaksiyonlar için ATP yıkıma uğraması gerekir. Bu nedenle defosforilasyon, enerji tüketen endergonik reaksiyonlardır.

ATP’nin sentezlenmesine Fosforilasyon denir. Oksijenli solunum, oksijensiz solunum, fotosentez ve kemosentez olayları sonucunda ATP sentezlenir. Bu reaksiyonlarda besinlerin parçalanması ile açığa çıkan enerji kullanılarak ATP sentezlenir. Dolayısıyla fosforilasyon ekzergonik reaksiyonlar sonucunda gerçekleşir. Yani ekzergonik tepkimeler ATP üreten reaksiyonlardır.

 fosforilasyon ve defosforilasyon

 

*        ATP’nin yapısındaki son fosfatın kopması ile ADP meydana gelir. Bu arada 7300 cal enerji ortaya çıkar.

*        ADP’den bir fosfat grubunun kopması ile AMP oluşur. Yine 7300 cal enerji açığa çıkar.

 

ADP molekülüne inorganik fosfat(Pi) bağlanarak ATP sentezine fosforilasyon denir.

Fosforilasyon için 4 maddeye ihtiyaç vardır.

1.       Enzimler

2.       Fosfat

3.       Enerji

4.       AMP veya ADP

 

Fosforilasyon için gerekli enerji çeşidine veya fosfat kaynağına göre üç çeşit ATP sentezleme yolu vardır.

a)      Substrat Düzeyinde Fosforilasyon

*        Organik maddelerin enzimlerle yıkılması sonucu açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenmesine denir.

*        Fermantasyon, oksijensiz solunum ve oksijenli solunumda görülür.

*        Tüm canlılarda ortak olarak gerçekleşir. Sitoplazmada ve mitokondride gerçekleşir.

substrat düzeyinde fosforilasyon 

 

substrat düzeyde fosforilasyon

 

b)     OKSİDATİF FOSFORİLASYON

*        Organik moleküllerin oksijenli solunumla yıkılması sırasında açığa çıkan yüksek enerjili elektronların, mitokondri içindeki ETS (Elektron Taşıma Sistemi) üzerinden oksijene aktarılırken ATP sentezlenmesi olayıdır. Prokaryotlarda sitoplazmada gerçekleşir.

*        Oksijenli solunumda ve kemosentezde görülür.

*        Oksijenli solunum yapan ökaryot canlılar ile kemosentez yapan prokaryot canlılarda görülür. Ökaryot canlılarda mitokondri organelinde; prokaryot canlılarda sitoplazmada meozomda gerçekleşir.

 oksidatif sfosforilasyon

 

oksidatif fosforilasyon

 

 

c)      FOTOFOSFORİLASYON

*        Fotosentez sırasında klorofil molekülünün, güneş enerjisini soğurması ile serbest kalan elektronların, ETS ile iletimi sırasında ATP sentezlemesine denir. Yani ışık yardımıyla enerji üretilmesidir.

*        Fotosentez ile gerçekleşir.

*        Bitkilerde ve klorofilli (siyanobakteri gibi) canlılarda ışık varlığında görülür. Ökaryotlarda kloroplast organelinde; prokaryot canlılarda ise sitoplazmada gerçekleşir.

fotofosforilasyon

Bu yazının kalıcı bağlantısı http://biyolojidersim.com/canlilarda-enerji-donusumu-1-atp-yapisi-ve-fosforilasyon/

Bir Cevap Yazın

%d blogcu bunu beğendi: