017 Termodinamik Prensiplerin Biyofizi i

Meltem ERCAN
578
ĐÇĐNDEKĐLER
1- Termodinamik kavramlar
2- Termodinamik Yasalar
3- Biyoenerjetik
4- Biyomoleküler Sistemlerde Enerji Aktarımları
5- Canlıların Atp Hidrolizine Bağımlı Olarak Gerçekleştirdikleri Đşler
TERMODĐNAMĐK PRENSĐPLERĐN
BĐYOFĐZĐĞĐ
Doç. Dr. Meltem ERCAN
580
Meltem ERCAN
enerji ve madde alışverişi yapabilirler. Canlılar termodinamik açıdan açık sistem
kapsamındadırlar. Dengeli sistemler termodinamiği adı verilen klasik
termodinamiğin çalışma alanı izole ve kapalı sistemlerdir.
Süreç: Termodinamikte bir süreç, sistemde oluşan ve herhangi bir
değişmeye neden olan olaydır. Bu değişimler veya süreç 2’ye ayrılır. Dönüşümlü
ve Dönüşümsüz Süreç.
TERMODĐNAMĐK PRENSĐPLERĐN
BĐYOFĐZĐĞĐ
Termodinamik dönüşümleri; termodinamik değişkenlerine göre
gruplamamız mümkündür.
Doç. Dr. Meltem ERCAN
1- TERMODĐNAMĐK KAVRAMLAR
Termodinamik enerjinin bilimi olarak tanımlanabilir. Kelime olarak Latince
therme (ısı) ve dynamis (güç) sözcüklerinden türemiştir. Termodinamik enerjinin
korunumundan faydalanarak mekanik ve termal olayları birbirine bağlayan bir
bilimdir.
Termodinamikte, fiziksel ve kimyasal olayların gerçekleştirmekte olduğu
belirli sınırlar içindeki madde topluluğuna sistem denir. Sistemin durumu
üzerinde etki yapabilen ve sistemle temas halinde bulunan ortam ise çevre
olarak adlandırılır. Sistem ve çevrenin ikisi birlikte de evreni oluştururlar.
Adyabatik Dönüşüm: dQ = 0 Bir sistemde bir süreç oluşurken sistemle
çevresi arasında ısı alışverişi olmuyorsa. Bu dönüşümün sağlanması sistemin
çevresinden izole edilmesi durumunda söz konusudur. Đzotermik Dönüşüm: Bir
sistemde bir süreç sabit sıcaklıkta oluşuyorsa dT = 0 Đzotermiktir. Bu tip
dönüşümde sistemle çevre arasında ısı alışverişi olur, ancak sistemin sıcaklığı
artmaz. Đzohorik Dönüşüm: Süreç sabit hacimde oluşuyorsa dV = 0, Đzobarik
Dönüşüm: Bir sistemin basıncı sabit kalarak bir süreç oluşuyorsa. dP=0
Biyolojik reaksiyonlarda basınç, hacim ve sıcaklık gibi fiziksel nicelikler
önemli değildir. Çünkü biyolojik reaksiyonlar; Sabit P, Sabit V, Sabit T şartlarında
gerçekleşirler.
2- TERMODĐNAMĐK YASALAR
Termodinamik çözümlemede, sistemin toplam enerjisini oluşturan değişik
enerji biçimlerini makroskobik ve mikroskobik olarak 2 grupta ele almak yararlı
olur. Makroskobik Enerji sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre
sahip olduğu enerjidir, Mikroskobik Enerji; sistemin molekül yapısı ve molekül
hareketliliğiyle ilgilidir.
Evren
Çevre
Sistem
Sistemler, çevresiyle enerji ve madde alışverişinin olup olmamasına göre
3 ana gruba ayrılırlar. 1- Yalıtılmış Sistem; hacim, kütle ve enerji değişmez.
Böyle bir sistemde çevre ile enerji ve madde alışverişinde bulunmaz. 2- Kapalı
Sistem; çevre ile yalnızca enerji alışverişi olmaktadır. 3- Açık Sistem; çevreyle
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası; Sıfırıncı kanun sıcaklık ve ısı dengesi
ile ilgili bir yasadır Termodinamiğin sıfırıncı kanunu; “Birbirleriyle ısı temasında
bulunan varlıkların oluşturduğu bir sistem yeterli zaman sonunda ısı dengesine
ulaşır ve sistem içindeki bütün varlıklar aynı sıcaklığa sahip olurlar” şeklinde
ifade etmemiz mümkündür. Bu kanun gündelik hayatımızdaki uygulamalarından
en önemlisi termometrelerdir.
Termodinamiğin Birinci Yasası enerjinin korunumu yasasıdır. Yani
evrendeki toplam enerji sabittir, değişmez. Ancak farklılaşabilir. Tüm enerji
581
TERMODĐNAMĐK PRENSĐPLERĐN BĐYOFĐZĐĞĐ
şekillerinin, ısı enerjisine dönüşmesi mümkündür. Buna karşın, ısı enerjisi diğer
enerji şekillerine hiçbir zaman tamamıyla çevrilemez.
Çevresi ile enerji alışverişi yapabilen bir sistemin geçirdiği fiziksel veya
kimyasal bir olay için 1. YASA matematiksel olarak Q = ∆E + W (1), W = p. ∆V
∆Q = Sistemin çevreden aldığı veya verdiği enerji.( kcal veya kjoule), ∆E =
Sistemdeki iç enerji değişikliğidir, W = Sistemin yaptığı veya sistemin üzerine
yapılan iş, p = Biyokimyasal reaksiyonlarda sabit, ∆V = Hacimdeki değişme
Q = ∆E + p. ∆V(1)
Q = ∆H
582
Meltem ERCAN
Termodinamiğin Đkinci Yasası; Termodinamiğin 2. yasası, evrenin
düzensizlik derecesi daima artar şekilde ifade edilir. Sistemdeki düzensizlik
arttıkça, sistemin entropisi artar, yani sistemin faydalı iş verme kabiliyeti azalır.
Bu nedenle teorik olarak; evrenin. (Evren = Sistem + Çevre) entropisi sürekli
olarak artar
Düzenli yapı
Düzensiz yapı
Entalpi olarak adlandırılır.
Entalpi değişikliği, (∆H), sabit basınç altında gerçekleşen bir olayda
sistemin aldığı veya verdiği ısı enerjisidir. Bu nedenle sistemin enerjisi bir durum
fonksiyonudur.
Katı
Sıvı
Gaz
Termodinamiğin 1. yasası, bir süreçte enerji dengesiyle ilgili ilişkili
bir yasadır. Bu yasaya göre, bir süreç dönüşümlüyse sistemin iç enerjisi
SABĐTTĐR.
Sistemin düzensizliğinin artması (düzenliliğin azalması) durumunda ∆S’nin
değeri pozitifdir (+).
Fiziksel veya kimyasal reaksiyonlar gerçekleşirken bazıları çevreye ısı
verirken, bazıları çevreden ısı alırlar. (Enerji Değişimi)
Sistemin düzensizliğinin azalması (düzenliliğin artması) durumunda
∆S’nin değeri negatifdir (-).
1) Çevreden ısı alarak gerçekleşen olaylar (doğanın yeşermesi gibi)
endotermik reaksiyonlar
∆Q / T
2) Çevreye ısı vererek
ekzotermik reaksiyonlardır.
gerçekleşen
olaylar
(buzun
erimesi)
ise
Reaksiyonların entalpi değişiklikleri (∆H) ürünlerin toplam entalpisi ile
reaksiyona katılan reaktanların toplam entalpi farkından hesaplanabilir.
∆H = ∑ H (ürünler) - ∑ H (reaktanlar)
Vücudumuzda kullanılan besin maddeleri oksitlendiklerinde enerji açığa
çıkarırlar. Besin maddelerinin oksitlenme entalpilari bomba kalorimetresi denen
bir aygıtla ölçülebilir. Entalpi değişikliklerinin toplanabilme özelliğine Hess
YASASI denir. Hess Yasasından yararlanarak; Herhangi bir reaksiyonun
entalpi değişikliği reaksiyonda rol olan reaktant ve ürünlerin oluşum
entalpilerinden hesaplanabilir.
Sonuç olarak sistemin entropisi sisteme giren enerji ile artar. ∆S ≥
Bir sistemin iki durumu arasındaki ∆S entropi değişimi yalnız ilk ve son
durumuna bağlıdır. Sistem bir durumdan diğer duruma geçerken oluşan
süreçlere bağlı değildir.
(evren) =
(sistem) +
(çevre)
Đlke olarak, bir sistem bir A durumundan bir B durumuna evrenin entropisi
değişmeksizin ∆Se = 0 her zaman geçebilir. Bu tür sürece, dönüşümlü süreç
denir. Çünkü sistem aynı ara durumlarından geçerek B’den geri A durumuna
dönebilir.
∆Se = 0 Geriye dönüşümlü(tersinir) olaylar
∆Se >0
Dönüşümsüz(Tersinmez) olaylar
TERMODĐNAMĐK PRENSĐPLERĐN BĐYOFĐZĐĞĐ
583
∆Se < 0 Olanaksız
Termodinamiğin birinci ve ikinci yasasının bir arada değerlendirilmesi
serbest enerji kavramını oluşturur. Serbest enerji, tepkimenin yönünü ya da
gerçekleşebilirliğini belirleyen ve iş için kullanılabilen enerjidir. ∆E – T. ∆S =
∆G<0 Bu bağıntı olayların yönünün sistemin iç enerji ve entropi değişiminin ortak
işlevi olarak belirlendiğini ortaya koymaktadır. Bu ortak işlev için SERBEST
ENERJĐ (Gibbs enerjisi ya da kısaca G) ifadesi kullanılır.
Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin
toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisinden
küçük ise ∆G negatifdir (∆G<0) ve reaksiyon ekzergonik’tir. ∆G değeri negatif
(−) ve büyük olan reaksiyonlar (ekzergonik reaksiyonlar), termodinamik olarak
elverişli reaksiyonlar olarak tanımlanırlar.
Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin
toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisinden
büyük ise ∆G pozitifdir (∆G>0) ve reaksiyon endergonik’tir. ∆G değeri pozitif (+)
olan reaksiyonlar (endergonik reaksiyonlar), termodinamik olarak elverişli
olmayan reaksiyonlar olarak tanımlanırlar.
Sabit sıcaklık ve basınç altında kimyasal reaksiyonla oluşan ürünlerin
toplam serbest enerjisi reaksiyona giren maddelerin toplam serbest enerjisine
eşit ise ∆G sıfırdır (∆G=0) ve sistem dengededir. Sistemde herhangi bir
değişiklik olmamaktadır.
∆G < 0 → Serbest enerjide azalma yani kendiliğinden gerçekleşebilirliği
∆G > 0→Olayın oluşması için sayısal değer olarak serbest enerjiye
ihtiyacı olduğunu gösterir.
Termodinamik Yasalara Göre;
1. ∆H<0, ∆S>0, ∆G<0 olduğunda reaksiyon bütün sıcaklıklarda
kendiliğinden oluşur.
2. ∆H>0, ∆S<0, ∆G>0 Reaksiyon hiçbir sıcaklıkta kendiliğinden oluşmaz,
3. ∆H<0, ∆S<0, ∆G<0 reaksiyon düşük sıcaklıklarda kendiğinden oluşur,
yüksek sıcaklıklarda pozitif ve ters yönde spontan
584
Meltem ERCAN
4. ∆H>0, ∆S>0, ∆G<0 yüksek sıcaklıklarda negatif ve yazıldığı yönde
spontan ‘dır.
3- BĐYOENERJETĐK
Biyoenerjetik Prensipleri
Bütün canlılar varlıklarını sürdürebilmek için 3 tip işi yapmak zorundadırlar
ve bunun için enerjiye ihtiyaçları vardır.
1. Kendileri için gerekli olan moleküllerin sentezi (Biyosentez)
2. Moleküllerin ve iyonların aktif taşınması (Ozmotik iş)
3. Hücresel hareket ve kas kasılması (Mekanik işler)
Canlı sistemde enerji iletilmelerini, enerji akımlarını ve enerjinin
oluşturduğu süreçleri inceleyen bilim dalına biyoenerjetik denir. Termodinamiğin
biyolojik süreçlerdeki önemini, kısaca şu şekilde maddeleyebiliriz.
1. Birçok biyolojik enerji dönüşümü, kimyasal reaksiyonları izleyen
moleküller arasında yeniden bir enerji dağılımı sonucu oluşur.
2. Biyolojik fonksiyon, organizasyonu oluşturmak için kullanılan enerjiyle
ilişkilidir.
3. Termodinamiğe göre, kendi haline bırakılan bir sistem maksimum
entropi durumuna doğru yol alır.
Halbuki canlının kendisi oldukça karmaşık ve düzenli durumlara doğru
gelişir. Doğal termodinamik gidiş yönüne ters yönde etki yapan etken, sisteme
eşdeğer enerjinin girmesidir. Bu enerji Güneş enerjisidir. Düzendeki artma
(Entropideki azalma) tam olarak sisteme giren ve kullanılan güneş enerjisiyle
dengededir. Canlıların enerjiyi kullandıklarını gösteren tipik olaylar;
1. Hücreler kullanacakları maddeleri yüksek konsantrasyonda tutmaya
çalışırlar.
2. Hücrelerin hareket etmesi kinetik enerjiyi kullandığını gösterir.
3. Hücreler yaşamlarını ve büyümelerini devam ettirmek için, küçük alt
birimlerden makromolekül sentezlemeleri gerekir. Bu işlem içinde enerji gerekir.
Hücrelerde biyosentez için kullanılan enerjinin % 90’ nı protein sentezinde
harcanır.
585
TERMODĐNAMĐK PRENSĐPLERĐN BĐYOFĐZĐĞĐ
Biyolojik Enerji Akımları
586
Meltem ERCAN
4- BĐYOMOLEKÜLER SĐSTEMLERDE ENERJĐ AKTARIMLARI
Yeryüzündeki biyolojik enerjinin ana kaynağı Güneş’te meydana
çekirdeksel kaynaşma (füsyon) reaksiyonlarıdır. Hidrojen atom çekirdekleri
kaynaşarak He atomlarına dönüşürken, yüksek enerjili γ ışınları da çıkmakta, bu
ışınların girdiği karmaşık reaksiyonlar sonucu ise ışık fotonları salınmaktadır.
Serbest enerjinin en önemli özelliği yararlı iş yapmakta kullanılabilmesidir.
Çünkü serbest enerji değişikliği bir olayın spontanlığı ile ilgilidir ve spontan
’le veya başka
olaylardan da iş yapmakta yararlanılır. Aldığımız besinlerin
yollarla oksitlenmesi sonucu ortaya çıkan enerjiden iş yapmak için yararlanırız.
Bu enerjinin ne kadarının doğrudan işe dönüştürülebileceği söz konusu
metabolik yolun verimliliğine bağlıdır.
Spontan olaylar
Serbest enerji değişikliği iş yapmakta
kullanılabilecek enerji miktarının teorik maksimum değerini belirtir.
Spontan olmayan olaylar
Đş yapmak için sisteme dışarıdan
sağlanması gereken minimum enerji miktarıdır.
Canlıda Enerji Akışı
Canlılar, biyosentez, ozmotik iş ve mekanik iş olmak üzere üç tip iş
yapmak için sürekli olarak enerjiye ihtiyaç duyarlar. Biyosentezin amacı, canlının
ihtiyacı olan kendine özgü karmaşık moleküllerin yapılmasıdır. Bunun için
enerjiye ihtiyaç vardır.
Hücrede besin moleküllerinin yükseltgenmesi ile serbestleşen enerji,
eşlenik reaksiyonlarla ADP’ den, ATP’ye sentezlenmesi ile korunmakta ve
saklanmaktadır. Canlı hücrede pH =7.0 dolaylarında ATP molekülündedir her
fosfat grubu (-) yüklüdür ATP molekülünün 4 negatif yükü vardır. Bu nedenle
+2
canlı hücrede anyon şeklinde çok az bulunur genel olarak Mg ile kompleks
yapar. ATP’ye enerji taşıyıcı özelliğini veren trifosfat birimidir. ATP molekülünün
bu kısmı 2 kovalent-fosfoanhidrid bağ içerir. ATP hidrolizle ADP ve ortofasfat’a
(PO4) dönüşürken büyük miktarda ısı açığa çıkarır. Bu yüksek bir NEGATĐF
SERBEST ENERJĐ değişikliği demektir. Hidrolizi yüksek bir enerji düşüşü ile
gerçekleşen fosfat bileşiklerine” yüksek enerjili fosfat bileşikleri”, bu
bileşiklerdeki fosfoanhidrit bağlarına ise “yüksek enerjili bağ” adı verilir.
Fosfoanhidrit bağı – kovalent bir bağdır. (∆G =50 – 100kcal/mol) ve diğer
kovalent bağlardan çok farklı bir enerjiye sahip değildir. Bu bağlara yüksek
enerjili fosfat bağları denmesinin sebebi bağın kırılmasıyla ortaya çıkan enerji
değildir. Bu deyim ile tepkimeye giren fosfat türevinin hidrolizi sonucu kimyasal iş
gücündeki değişme anlatılmaktadır. ATP hidrolizinin negatif serbest enerji
değişikliği diğer birçok fosforile bileşiğin hidroliz serbest enerji değişikliğinden
yüksek olmakla birlikte en yüksek olanı değildir. Fosfat grupları daima yüksek
negatif serbest enerjili bileşikten daha düşük negatif serbest enerjili bir bileşiğe
transfer edilir. Kısacası; ATP hücrelerde enerji veren reaksiyonlarla, enerji
harcayan reaksiyonları bağlayan ortak ara bileşiktir.
Fotosentezin Termodinamik Özellikleri
Güneş Enerjisi
FOTOSENTEZ;
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 + 6O2
ATP hidrolizinin termodinamik özellikleri
o
∆G° = 686 kcal/mol, ∆H° = 673 kcal/mol, ∆S° = - 43,6 kcal/mol K
SOLUNUM. C6H12O6 + 6O2
düşüşü yaşanır.)
6CO2 + 6H2O (Büyük bir enerji
o
∆G° = -686 kcal/mol, ∆H° = -673 kcal/mol, ∆S° = + 43,6 kcal/mol K
Biyolojik Enerji Akımı
Biyolojik enerji akımı başlıca üç aşamada gerçekleşir.
1) Güneş enerjisi, 2) ATP moleküllerinin oluşumunda, 3) ATP içeriğinin
çeşitli biyolojik işlerde kullanılmasında
1. Hücrede suyun nötral ancak polar ortamında ATP molekülünün 3 fosfat
grubu protonların ayrışmasıyla 4 negatif yük taşır. ATP’nin bu elektronegatif
niteliği ve elektronegatif fosfat grupları arasındaki itim, ATP hidrolizinin
-3
enerjetiğini belirler. ATP’nin hidrolizi sonucu oluşan ürünler ADP ,
iyonları da elektronegatif yükleri nedeniyle yeniden birleşme
göstermezler ve yeni tepkimeler girebilirler.
özelliği
2. ATP hidrolizinin serbest enerjisinin yüksek negatif değerinin önemli bir
nedeni ise tepkime ürünlerinin ADP + fosfatın elektron bulutlarının olanaklı olan
en düşük enerji düzeyinde düzenlenmeleridir.
587
TERMODĐNAMĐK PRENSĐPLERĐN BĐYOFĐZĐĞĐ
5CANLILARIN
ATP
GERÇEKLEŞTĐRDĐKLERĐ ĐŞLER
1. Biyosentez,
HĐDROLĐZĐNE
2. Etkin (aktif) ileti,
BAĞIMLI
OLARAK
3. Mekanik iş
588
Meltem ERCAN
olarak ürettiği toplam enerjinin izometrik olarak kasılırken ürettiği ısıdan daha
fazla olması FENN etkisi olarak adlandırılır. Fenn etkisi, bir kastaki enerji
dönüştürme verimi ve ATP kullanımının kasın içinde bulunduğu mekanik
koşullara bağlı olduğunu gösterir.
Biyosentezin termodinamik özellikleri
a) Küçük ve basit bileşiklerden büyük ve karmaşık makromoleküllerin
sentez edildiği biyosentez reaksiyonlarında entropi (düzensizlik) daima azalır.
KAYNAKLAR
Pehlivan F. (1997): Biyofizik. Hacettepe Taş Kitapçılık 2. Baskı, Ankara
b) Biyosentez
reaksiyonlarında
yer
alan
reaktanlar
standart
konsantrasyonlarında değil sudaki seyreltik çözeltileri halinde bulunurlar. Bu
nedenle de yazıldıkları yönde değil ters yönde gerçekleşme eğilimindedirler.
Böyle bir reaksiyonu gerçekleştirebilmek için gerekli serbest enerji reaksiyonun
standart koşullar için hesaplanan serbest enerji ihtiyacından daha fazladır.
Biyosentez reaksiyonlarının diğer termodinamik özellikleri başka
biyokimyasal reaksiyonlarla ortaktır. Yani biyosentez reaksiyonları ORTAK ARA
BĐLEŞĐKLER kullanımı ilkesine uyarlar.
2) Biyoenerjetik ilkeleri ile iletim; 2 farklı şekilde gerçekleşir.
a) Pasif iletim; Pasif taşınmada bir iyon veya molekül yüksek
konsantrasyonda bulunduğu ortamdan düşük konsantrasyondaki
ortama kendiliğinden geçer. Pasif taşınmada sistemin serbest enerjisi
azalır.
b) Aktif iletim; Bu tip taşınmada ise bir madde düşük konsantrasyonda
olduğu ortamdan yüksek konsantrasyonda olduğu ortama ancak
metabolik enerji harcanarak taşınabilir. Aktif taşımada sistemin
serbest enerjisi artar.
3) Mekanik Đş; Bütün hücreler kuvvet üreterek mekanik iş yapabilirler.
Mekanik işin en belirgin şekli kas kasılmasıdır. Fakat çoğu hücrelerde, hücre
içinde de mekanik iş yapılır. Hücre bölünmesi, pinositoz, organel şişmesi ve
büzülmesi örnek olarak verilebilir.
Kas kasılmasının biyoenerjetik özellikleri; Đskelet kasları izotonik ve
izometrik olmak üzere iki şekilde kasılabilirler. Đzotonik kasılmada kasın boyu
kısalırken gerginliği sabit kalır Bu sırada kimyasal enerji mekanik iş ve ısıya
dönüştürülür. Đzometrik kasılmada kasın boyu değişmez fakat içindeki kuvvet
artar. Đzometrik kasılmada kas mekanik iş yapmaz. Kimyasal enerji ısıya
dönüştürülür. Maksimal uyarma ile izotonik olarak kasılan bir kasın iş ve ısı
Yıldırım H. (1985): Biyofizik. Anadolu Üniversitesi, Eskişehir.
Çelebi G. (2000): Biyofizik, II. Baskı, Barış Yayınları, Đzmir.
Biyofizik Ders Notları, Đ.Ü. Đstanbul, Tıp Fak. 1997, Đstanbul.
Pehlivan F. (1997): Biyofizik. Hacettepe Taş Kitapçılık 2.Baskı, Ankara
Evcin A. (2006): Termodinamik, Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi.
Moran M.J., Shapiro H.N. (2004):
Thermodynamics, Wiley; 5th ed.
Fundamentals
of
Engineering
Sonntag R. E., Borgnakke C., Van Wylen G.J. (2002): Fundamentals of
Engineering Thermodynamics, Wiley; 6th ed.
Uzol S. (2007): Termodinamik II. TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi.
www.mustafaaltinisik.org.uk/34-syo-13.ppt
Biyokimyasal
Termodinamik.mak.etu.edu.tr/dersler/mak202/docs/MAK202_DersPlani.pdf
Joule's Law
Joule's Mechanical Equivalent of Heat Apparatus
Joule's Equivalent
James Prescott Joule (1818 - 1889)