İçeriğe atla

Biyolojik termodinamik

Biyolojik Termodinamik, hücrelerin, yapıların, organizmaların arasında veya içinde gerçekleşen enerji dönüşümlerini ve bu dönüşümlerin temelini oluşturan kimyasal süreçlerin işleyişini inceleyen kantitatif (sayısal) bir daldır. Biyolojik Termodinamik herhangi belirli bir fenotipik nitelikle özdeşleşen kazancın gerekli olan enerjiyle değişimine değip değmeyeceği sorusunu sorabilir.

Tarihçe

Alman-İngiliz tıp doktoru ve biyokimyager Hans Krebs'in Hans Kornberg[1][1]'le yazdığı 1957 tarihli Energy Transformations in Living Matter (Canlı Maddede Enerji Dönüşümleri olarak çevrilebilir) biyokimyasal tepkimelerin termodinamiği hakkında yayımlanan ilk kapsamlı çalışmaydı. Ayrıca, ekinde Kenneth Burton tarafından hazırlanmış, denge sabitlerini ve kimyasal türlerin Gibbs serbest oluşma enerjisini bulunduran, ilk defa yayımlanmış ve daha önce meydana gelmemiş biyokimyasal tepkimeleri hesaplamaya yarayacak termodinamik tabloları barındırıyordu.

Dengesizlik termodinamiği biyolojik organizmaların düzensizlikten başlayıp nasıl geliştiğini açıklamak için uygulanagelmiştir. Ilya Prigogine bu tip sistemleri termodinamikle ele almıştır. Bu sistemlere dağıtıcı yapılar adını verdi çünkü bu yapılar sistem ve onun çevresi arasında enerji değişimi yapan dağıtıcı süreçler sonucunda oluşur ve elde edilir ve eğer bu değişim sekteye uğrarsa sona erer. Bu sistemlerin simbiyotik yaşam sürdükleri de söylenebilir. Biyolojideki birincil enerji dönüşümü fotosentezdir. Yeşil yapraklı bitkilerin bir senede fotosentez ile güneşten gelen ışınlardan elde ettiği enerji 2 x 10^23 jouledür.[2] Bu değer de Dünya'ya gelen toplam güneş ışığı enerjisinin %4'üne tekabül eder. Hidrotermal bacaların etrafında bulunan biyolojik toplulukların enerji dönüşümleri ise ender görünen bir durumdur, şöyle ki; sülfürü okside ederek enerji üretirler, bu işlem de fotosentez(foto ışıkla ilgili olduğunu gösterir) değil kemosentez(kemo kimyasal olduğunu gösterir) olay olduğunu gösterir.

Biyolojide termodinamiğin odaklandığı noktalar

Biyolojik termodinamik alanı biyolojide kimyasal termodinamik ve biyokimya prensiplerine odaklanır. Bu prensipler dahilinde termodinamiğin birinci yasası, termodinamiğin ikinci yasası, Gibbs serbest enerjisi, istatistiksel termodinamik, reaksiyon kinetiği ve hayatın başlangıcıyla ilgili hipotezler yer alır. Biyolojik termodinamik şu sıralar içsel biyokimyasal dinamiklerle ilgileniyor, bunlara örnek olarak: ATP hidrolizi, protein stabilitesi, DNA bükülmesi, zar difüzyonu, enzim kinetiği[3] ve başka enerji kontrollü süreçler verilebilir.Termodinamikte, bir kimyasal reaksiyon esnasında iş yapabilen enerji miktarı Gibbs serbest enerji değişimi ile kantitatif olarak ölçülür. Fiziksel biyolog Alfred Lokta Gibbs serbest enerji değişimiyle evrim teorisini birleştirmeye çalışmıştır.

Biyolojik Sistemlerde Enerji Dönüşümleri

Güneş, yaşayan organizmalar için birincil enerji kaynağıdır. Bitkiler gibi bazı canlılar güneş ışığından dolaysız olarak yararlanabilirken insan gibi bazı canlılar da dolaylı yoldan enerji elde ederler.[4] Bazı bakterilerin ise Antarktika gibi zorlu koşullarda yetişebildiği, mavi-yeşil alglerin göllerdeki çok kalın buz tabakları altında yaşamlarını sürdürdüğüne dair kanıtlar da mevcuttur. Canlının türü ne olursa olsun tüm canlı organizmalar yaşamak için enerji almak, dönüştürmek, depolamak, kullanmak zorundadır.

h Planck sabiti (6.63x10^−34Js) ve c ışık hızı(2.998x10^8 m/s) olmak üzere gelen güneş enerjisinin dalga boyu  λ ve frekansı ν arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir.

Bitkiler güneşten gelen bu enerjiyi hapseder ve fotosenteze tabi tutar sonuç olarak güneş enerjisi kimyasal enerjiye dönüşmüş olur. Enerjinin tekrar dönüşümü ise hayvanların bitkileri yemesi ve sindirilmiş bitki içeriğinin biyolojik makromoleküllerin yapılması sürecinde gerçekleşir.

Enerji ve Diyet

Diyette olan kişiler termodinamik yasalarından kalori hesaplamaları yapmak için yararlanabilirler. Bir kişinin yaktığından daha fazla kalori alırsa kilo alması ya da yaktığından az kalori tüketirse kilo vermesi enerjinin korunumu prensibidir.

Örnekler

Termodinamiğin Birinci Yasası

Termodinamiğin birinci yasası enerjinin korunduğunu söyler: enerji biçim değiştirse de ne yoktan var ne vardan yok olur.[5] Hess yasası birinci yasadan doğar.Hess Yasası, belirli bir reaksiyonda emilen veya açığa çıkan ısının her zaman sabit olduğunu ve reaksiyonun izlediği yoldan  bağımsız olması gerektiğini belirtmektedir. Bazı orta dereceden reaksiyonlar endotermik bazıları ekzotermik olsa da toplam ısı değişimi doğrudan meydana gelen ısı değişimine eşittir. Bu prensip bir kimyasal tepkimedeki ısı miktarını ölçmede kullanılan kalorimetre adındaki alette kullanılmıştır. Bütün enerji vücuda besin olarak girdiğinden ve bu besinler nihayetinde okside olduğundan üretilen toplam ısı miktarı besinin oksidasyonundan çıkan ısının kalorimetrede ölçümüyle elde edilebilir. Bu ısının birimi besin maddelerinin üzerindeki etiketlerde bulunan kilokaloridir.[6]

Termodinamiğin İkinci Yasası

Termodinamiğin ikinci yasasının birincil ilgi alanı verilen bir etkileşimin gerçekleşmesinin olası olup olmadığıdır.İkinci Yasa; evrenin entropisinde bir yükseliş olmadan hiçbir doğal sürecin meydana gelemeyeceğini söyler.[7] İzole bir sistem her zaman düzensizliğe gider de diyebiliriz. Canlı organizmalar organize olma yetilerini sürekli geliştirdiklerinden İkinci Yasaya uymadıkları gibi bir yanılsama vardır. Bu yanlış anlaşılmayı düzeltmek adına sistem ve sınırların tanımına bakmak yeterli olacaktır. Canlı bir organizma açık bir sistemdir: çevresiyle ve başka canlılarla enerji ve madde değişimi yapabilir. Örneğin, bir insan besini vücuduna alır, onu bileşenlerine ayırır ve bunları hücreler, dokular,bağlar vb. yapmak için kullanır. Bu süreç vücuttaki düzenliliği artırarak vücut içi entropiyi düşürür. Bunun yanında insanlar 1) temasa geçtiği kıyafetler ve diğer eşyalara ısı verir, 2) vücut ve çevre arasındaki sıcaklık farkından ötürü ısı yayar, 3) uzaya ısı yayar, 4) enerji içeren şeyler tüketir (örn.yiyecek) ve 5) atıkları uzaklaştırır (örn. su,karbondioksit ve nefes alış-verişin diğer bileşenleri, idrar, dışkı, ter vb.) Bütün bu süreçleri de ele alırsak insanın ve çevresinin entropisi artar. Eğer insan yaşamayı durdurursa (1-5) bu işlemlerden hiçbiri meydana gelmez, eğer canlı yaşyorsa bu işlemlerden herhangi birinin meydana gelmemesi onu çabucak ölüme sürükler.

Gibbs Serbest Enerjisi

Genelde biyolojik sistemlerde enerji ve entropi birlikte değişir. Bu yüzden bu değişimlerin aynı anda ele alınabileceği bir durum fonksiyonu gereklidir. Bu durum fonksiyonu Gibbs Serbest Enerjisi (G)'dir.

G = H − TS

Gibbs Serbest Enerjisindeki değişim bir tepkimenin aniden gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini belirlemek için kullanılır.Eğer G'deki değişim sıfırdan büyükse, tepkime anlık değildir. Tam aksine, eğer sıfırdan küçükse tepkime anlıktır.[8] Eğer ara maddeler paylaşılıyorsa, kimyasal tepkimeler birleştirilebilir. Bu durumda, tüm Gibbs Serbest Enerji değişimi tüm reaksiyonların G değişimleri toplamıdır ve bu toplam G değişiminin sıfırdan büyük veya küçük olması özelliğini koruyor. Örneğin, fruktoz ve glükozun sükroz oluşturma tepkimesinin G değişimi +5.5 kcal/mole dür. Bu yüzden, bu tepkime anlık meydana gelmeyecektir. ATP'nin ADP ve inorganik fosfata  dönüşürkenki yıkımının G değişimi -7.3 kcal/moledür. Bu iki tepkime glükoz ATP'yle glukoz-1-fosfat ve ADP oluşturduğunda birlikte ele alınabilir. Böylece glükoz-1-fosfat fruktozla tepkimeye girerek sükroz ve inorganik fosfat çıkarabilir. Bu birleştirilmiş tepkimenin G değişimi -1.8 kcal/moledür, buradan tepkimenin anlık meydana geleceğini anlayabiliriz. Gibbs Serbest Enerjisi'ndeki değişimi değiştirme prensibi olan birleştirme prensibi, biyolojik organizmalardaki tüm enzimatik reaksiyonların temelini oluşturur.[9]

Benzer Başlıklar

Kaynakça

  1. ^ Alberty R (2004). "A short history of the thermodynamics of enzyme-catalyzed reactions". J Biol Chem. 279 (27). ss. 27831-6. doi:10.1074/jbc.X400003200. PMID 15073189. 5 Eylül 2008 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Ocak 2016. 
  2. ^ Akihiko Ito and Takehisa Oikawa. "Global Mapping of Terrestrial Primary Productivity and Light-Use Efficiency with a Process-Based Model". M. Shiyomi et al. (Ed.). Global Environmental Change in the Ocean and on Land (PDF). ss. 343-358. 6 Ekim 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 5 Ocak 2016. 
  3. ^ M.J. Farabee. "Reactions and Enzymes". On-Line Biology Book. Estrella Mountain Community College. 28 Aralık 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Ocak 2016. 
  4. ^ Haynie, Donald T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge University Press. ss. 1-16. 
  5. ^ Haynie, Donald T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge UP. ISBN 9780521795494. 
  6. ^ Stacy, Ralph W., David T. Williams, Ralph E. Worden, and Rex O. McMorris.
  7. ^ Haynie, Donald T. Biological Thermodynamics.
  8. ^ Bergethon, P. R. The Physical Basis of Biochemistry: The Foundations of Molecular Biophysics.
  9. ^ Alberts, Bruce.

Ayrıca bakınız

  • Haynie, D. (2001). Biological Thermodynamics (textbook). Cambridge: Cambridge University Press.
  • Lehninger, A., Nelson, D., & Cox, M. (1993). Principles of Biochemistry, 2nd Ed (textbook). New York: Worth Publishers.
  • Alberty, Robert, A. (2006). Biochemical Thermodynamics: Applications of Mathematica (Methods of Biochemical Analysis), Wiley-Interscience.

Linkler

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Enerji</span> bir sistemin iş yapabilme yeteneğinin ölçüsü

Fizikte enerji, bir cisime veya fiziksel bir sisteme aktarılan, işin performansında ve ısı ve ışık biçiminde tanınabilen niceliksel özelliktir. Enerji korunan bir miktardır; Enerjinin korunumu yasası, enerjinin istenen biçime dönüştürülebileceğini ancak yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirtir. Uluslararası Birimler Sisteminde (SI) enerjinin ölçü birimi joule'dür (J).

<span class="mw-page-title-main">Termodinamik</span> enerji bilimi

Termodinamik; ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Bu süreçteki anahtar kavram, ısının, belirli bir mekanik işe denk gelen bir enerji biçimi olmasıdır.

<span class="mw-page-title-main">Fotosentez</span> bitki ve organizmalar tarafından ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülme işlemi

Fotosentez, bitkiler ve diğer canlılar tarafından, ışık enerjisini organizmaların yaşamsal eylemlerine enerji sağlamak için daha sonra serbest bırakılabilecek kimyasal enerjiye dönüştürmek için kullanılan bir işlemdir. Bu kimyasal enerji, karbondioksit ve sudan sentezlenen şekerler gibi karbonhidrat moleküllerinde depolanır.

<span class="mw-page-title-main">Metabolizma</span> "Meta" değişen, "bol" atma anlamındaki ön ek ve fiilinden oluşan kelimedir. Canlının/hücrenin çevresiyle uyumlu etkileşimini anlatır. Yapım ve yıkım faaliyetleri veya bütün canlılık belirtileri bu kavramın kendisi değil sonucudur.

Metabolizma (yapım-yıkım) veya istiklâp, canlıda yaşamın sürdürülmesi sırasında gerçekleşen tüm kimyasal tepkimelerdir. Canlı organizmada ya da canlı hücrede meydana gelen yapıcı ve yıkıcı nitelikteki kimyasal olayların tümünü içerir.

<span class="mw-page-title-main">Kimyasal reaksiyon</span> iki veya daha fazla maddenin birbiri ile etkileşmesi sonucu kendi özelliklerini kaybederek yeni özellikte maddeler oluşturması

Kimyasal tepkime ya da kimyasal reaksiyon, iki veya daha fazla maddenin birbiri ile etkileşmesi sonucu kendi özelliklerini kaybederek yeni özellikte maddeler oluşturmasıdır. Kimyasal olay ve kimyasal değişme kavramlarıyla eşanlamlıdır. Kimyasal reaksiyonların test edilmesi için Periyodik tablo metalleri ile aside koyarak yapılabilir.

<span class="mw-page-title-main">Entalpi</span>

Entalpi, maddenin yapısında depoladığı her türden enerjilerin toplamıdır. H ile simgelenir. Bir mol maddede depolanmış enerjiye o maddenin molar entalpisi denir.

Kimya yasaları, kimya ile ilgili olan doğa yasalarıdır.

<span class="mw-page-title-main">Radikal (kimya)</span>

Kimyada radikaller eşleşmemiş elektronu olan atom, molekül veya iyonlardır. Bu eşleşmemiş elektronlar genelde son derece reaktiftir. Radikaller, yanma, atmosfer kimyası, polimerleşme, plazma kimyası, biyokimya ve pek çok başka kimyasal süreçte önemli rol oynar. Örneğin, insan fizyolojisinde, süperoksit ve azot oksit, damar tonusu gibi pek çok biyolojik süreci düzenler. Radikal ve serbest radikal terimleri genelde eşanlamlı kullanılmakla beraber, bir radikal bir çözelti kafesi içinde hapsolmuş veya başka bir moleküle bağlanmış durumda olabilir. 1900'de Michigan Üniversitesi'nde Moses Gomberg tarafından betimlenen trifenilmetil radikali, ilk tespit edilmiş organik serbest radikal olmuştur.

<span class="mw-page-title-main">Termodinamik kanunları</span>

Termodinamik yasaları, termodinamiğin temelini oluşturan dört yasadır. Termodinamik proseslerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar.

Kimyasal reaktiflik, bir reaksiyonun meydana gelme eğilimiyle ilişkilidir. Kimyasal tepkimelerin gerçekleşmesini belirleyen faktörler termodinamik düzeyinde incelenir. Termodinamik olarak bir reaksiyon eğer tepkimenin ürünleri reaktanlara kıyasla daha düşük serbest enerji düzeyinde ise gerçekleşir. Diğer taraftan Reaktiflik ise genel olarak bir maddenin kimyasal değişikliklere ya da kimyasal tepkimelere girme eğilimine denir. Elementlerin atomik yapısı ve elektronlarının dizilişi elementlerin ve oluşturdukları moleküllerin reaktifliğinde önemli rol oynar. Soygazların örneğin kimyasal olarak çok az reaktiflik gösterdiği belirtilir. Dolayısıyla kimyasal bileşik oluşturmaları zordur. Bu durum soygazların tam dolu olan en dış elektron kabuğundan dolayıdır.
Kimyasal denge, asit ve baz kimyası, elektron aktarımı tepkimesi ve entropi gibi konular kimyasal reaktifliğin temel kavramlarıdır.

<span class="mw-page-title-main">Gibbs serbest enerjisi</span>

Gibbs serbest enerjisi entalpiden, entropi ve mutlak sıcaklığın çarpımının çıkarılmasıyla elde edilen termodinamik bir değişkendir. Genel olarak kimyasal bir reaksiyonun enerji potansiyelinin işe dönüştürülebilmesiyle ilgilidir.

Kimyada kimyasal enerji, pil, ampul ve hücre gibi bir kimyasal maddenin tepkime esnasındaki değişiminin potansiyelidir. Kimyasal bağ kurma veya koparma sonucu enerji açığa çıkar. Bu enerji bir kimyasal sistem tarafından ya emilir ya da yayılır.

<span class="mw-page-title-main">Enerji dönüşümü</span> Enerjiyi bir veya iki formdan diğerine dönüştürme süreci

Enerji dönüşümü enerjinin bir biçimden diğerine dönüşümüdür. Fizikte enerji terimi bir sistemdeki belirli değişiklikleri oluşturma kapasitesini açıklar. Dönüşümde entropinin sınırlamaları göz ardı edilir. Sistemlerin toplam enerji dönüşümü, yalnızca enerjinin eklenmesi veya çıkarılması ile sağlanabilir. Termodinamiğin birinci kanununa göre enerji, dönüştürülebilen bir büyüklüktür. Bir sistemin toplam kütle miktarı, enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir sistemdeki enerji dönüştürülebildiğinden dolayı, farklı bir hale veya başka bir biçime dönüşebilir. Çoğu haldeki enerji, birçok fiziksel iş yapmak için kullanılabilir. Enerji doğal süreçler veya makinelerde kullanılabilir. Ayrıca ısı, ışık veya harekete dönüşebilir. Örneğin bir güneş pili, güneş ışınımını elektrik enerjisine dönüştürür ve böylece ampul yanar veya bilgisayara güç sağlanır.

Kimyasal kararlılık, kimyada teknik anlamda kullanıldığında kimyasal bir sistemin termodinamik kararlılığı anlamına gelir.

<span class="mw-page-title-main">İç enerji</span>

İç enerji, bir maddenin; taneciklerinin öteleme, dönme, titreşim gibi hareketlerinden kaynaklanan kinetik enerji ile fiziksel ya da kimyasal bağları veya nükleonları bir arada tutan kuvvet gibi etkileşimlerinin enerjilerinin toplamını ifade eden kavram. U harfi ile sembolize edilir.

Gibbs-Helmholtz denklemi Sıcaklık'ın bir fonksiyonu olarak bir sistemin Gibbs enerjisi içindeki değişikliklerini hesaplamak için kullanılan termodinamik denklemdir. Adını Josiah Willard Gibbs ve Hermann von Helmholtz'den almıştır.

Reaksiyon kinetiği olarak da bilinen kimyasal kinetik, kimyasal reaksiyonların hızlarını ve mekanizmalarını araştırmakla ilgilenen bir fiziksel kimya dalıdır. Bir sürecin gerçekleştiği yön ile ilgilenen ancak gerçekleşme hızları hakkında bir bilgi vermeyen termodinamik ile karıştırılmamalıdır. Kimyasal kinetik, deneysel koşulların kimyasal reaksiyonların hızı üzerine etkilerini, reaksiyon mekanizmaları ile geçiş hâllerinin verim bilgilerini ve kimyasal reaksiyonların karakteristiklerini tanımlayan matematiksel modellerin çıkarılmasını kapsayan bir bilim alanıdır.

Bir sürecin spontaneliği, bir reaksiyonun Gibbs serbest enerjisi değeri nedeniyle, bir enerji girişi olmadan meydana gelip gelmeyeceğini ifade eder.

<span class="mw-page-title-main">Kimyasal termodinamik</span>

Kimyasal termodinamik, termodinamik kanunlarının sınırları içinde, ısı ve işin kimyasal reaksiyonlarla veya fiziksel hâl değişiklikleriyle karşılıklı ilişkisinin incelenmesidir. Kimyasal termodinamik, yalnızca çeşitli termodinamik özelliklerin laboratuvar ölçümleriyle değil, aynı zamanda matematiksel yöntemler kullanılarak kimyayla ilgili sorulara cevap aranmasıyla ve kimyasal süreçlerin kendiliğinden gerçekleşme eğiliminin araştırılmasıyla da ilgilenir.

<span class="mw-page-title-main">Termodinamik serbest enerji</span>

Termodinamik serbest enerji, mühendislik ve bilimdeki kimyasal veya termal süreçlerin termodinamiğinde kullanılan bir kavramdır. Serbest enerjideki değişim, bir termodinamik sistemin sabit sıcaklıktaki bir süreçte yapabileceği maksimum iş miktarıdır ve işareti, işlemin termodinamik olarak uygun mu yoksa yasak mı olduğunu gösterir. Serbest enerji genellikle potansiyel enerji içerdiğinden mutlak değildir ve bu nedenle sıfır noktası seçimine bağlıdır. Bu nedenle yalnızca bağıl serbest enerji değerleri veya serbest enerjideki değişimler fiziksel olarak anlamlıdır.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.