Ana içerik
Biyoloji Kütüphanesi
ATP ve Tepkime Eşleşmesi
ATP yapısı, ATP'nin ADP'ye hidrolizi ve tepkime eşleşmesi
Giriş
Hücreyi küçük, kalabalık ve hareketli bir şehir gibi düşünebilirsiniz. Taşıyıcı proteinler maddeleri hücrenin içine ve dışına taşır, motor proteinler mikrotübül yolları boyunca yüklerini taşırlar ve metabolik enzimler makromolekülleri parçalamak ve oluşturmakla meşgullerdir.
Bu süreçler tek başlarına enerji açısından avantajlı (enerji açığa çıkaran yani egzergonik) olmasalar da, gerçekleşmeleri için gerekli olan enerji mevcut olduğu sürece neşeyle yollarına devam ederler (tıpkı para akışı olduğu sürece bir şehirdeki işletmelerin açık kalmaya devam edeceği gibi). Ancak, enerji tükenirse tepkimeler durma noktasına gelir ve hücre de ölmeye başlar.
Enerji açısından avantajsız tepkimelerin enerji borçları, bunlarla bağlantılı enerji açığa çıkaran, yani enerji açısından avantajlı tepkimeler tarafından “ödenir”. Bu “ödeme” tepkimesi küçük bir molekül içerir: adenozin trifosfat, ya da ATP.
ATP Yapısı ve Hidroliz
Adenozin trifosfat ya da ATP, küçük ve kısmen basit bir moleküldür. Paranın insan toplumlarının temel ekonomik para birimi olması gibi, ATP de hücrelerin ana enerji para birimi olarak düşünülebilir. ATP'nin hidrolizi (parçalanması) ile ortaya çıkan enerji, enerji gerektiren birçok hücresel tepkimeye güç vermek için kullanılır.
ATP yapısal olarak üç fosfattan oluşan bir zincir içeren bir RNA nükleotitidir. Molekülün merkezinde azotlu baz adenine ve üç fosfattan oluşan zincire bağlanan beş karbonlu riboz şekeri bulunur.
Üç fosfat grubuna, riboz şekerine en yakın olandan en uzak olana doğru ilerleyerek alfa, beta ve gama adları verilir. ATP, fosfat kuyruğundaki birbirinden uzaklaşmak “isteyen” bitişik üç negatif yük sebebiyle kararsız halde bulunur. Fosfat grupları arasındaki bağlar fosfoanhidrit bağı olarak adlandırılır, bu bağlardan “yüksek enerjili” bağlar olarak bahsedildiğini de duymuş olabilirsiniz.
ATP’nin Hidrolizi
Fosfoanhidrit bağları neden yüksek enerjili bağlar olarak kabul edilir? Bunun anlamı, bu bağlardan birinin hidroliz (su aracılığıyla parçalanma) tepkimesi ile parçalandığında ortaya kayda değer miktarda enerji çıkmasıdır. ATP’nin ADP’ye hidrolizi aşağıdaki tepkimeyle gerçekleşir:
Not: start text, P, end text, start subscript, i, end subscript, inorganik fosfat grubu start text, left parenthesis, P, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 3, minus, end superscript, start text, right parenthesis, end text'ü temsil eder.
Çoğu kimyasal tepkimede olduğu gibi ATP’nin ADP’ye hidrolizi de tersine çevrilebilir. ADP ve start text, P, end text, start subscript, i, end subscript'den yeniden ATP oluşturan ters tepkime enerji gerektirir. ATP’nin yeniden oluşturulması önemlidir çünkü hücreler genelde ATP moleküllerini hızla tüketir (hidrolize eder) ve sürekli yeni üretilen yedek ATP moleküllerine ihtiyaç duyarlarstart superscript, 1, end superscript.
ATP ve ADP’yi (yukarıda görebileceğiniz üzere) şarj edilmiş ve şarj edilmemiş bir pil olarak düşünebilirsiniz. ATP, yani şarj edilmiş pil, hücresel tepkimeler için gerekli enerjiye sahiptir. Bu enerji tüketildikten sonra şarj edilmemiş pilin (ADP) yeniden güç kaynağı olarak kullanılmadan önce şarj edilmesi gerekir. ATP’nin yeniden oluşturulma tepkimesi, hidroliz tepkimesinin tersidir:
Daha önce ATP hidrolizi sırasında serbest enerji ortaya çıktığından bahsetmiştik, peki bu serbest enerji miktar olarak ne kadardır? Bir mol ATP’nin ADP ve Pi’ye hidrolizi için gereken ∆G, standart koşullar (tüm moleküllerin 1 start text, M, end text derişimi, 25start text, °, C, end text ve start text, p, H, end text, equals, 7, comma, 0) altında −, 7, comma, 3 start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text (−, 30, comma, 5 start text, k, J, slash, m, o, l, end text)'dür. Bu çok da kötü bir oran sayılmaz, ancak standart olmayan koşullar altında sonuçlar daha etkileyici hale geliyor: canlı bir hücredeki bir mol ATP’nin hidrolizinden ortaya çıkan ∆G standart koşullar altındaki değerini ikiye katlayarak minus, 14 start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text (−, 57 start text, k, J, slash, m, o, l, end text) değerine yaklaşır.
Tepkime Eşleşmesi
ATP’nin hidrolizi ile ortaya çıkan enerji hücredeki diğer tepkimelerde nasıl kullanılır? Çoğu durumda hücreler, enerji açısından avantajlı bir tepkimenin (ATP hidrolizi gibi) enerji açısından avantajsız (endergonik) bir tepkime ile doğrudan bağlandığı, tepkime eşleşmesi denen bir strateji izler. Bu bağlantı genelde ortak bir ara ürün aracılığıyla gerçekleşir yani bir tepkimenin ürünü “alınır” ve ikinci tepkimede, tepkimeye giren madde olarak kullanılır.
İki tepkime eşleştiğinde, toplam bir tepkime oluşturacak şekilde toplanabilirler ve bu tepkimenin ΔG değeri her bir tepkimenin ΔG değerleri toplamına eşit olur. Toplam ΔG negatif olduğu sürece iki tepkime de gerçekleşebilir. ATP hidrolizi gibi son derece egzergonik bir tepkimeyle eşleşirse; son derece endergonik olan bir tepkime bile gerçekleşebilir. Örneğin, ortak bir ara ürün olan B sayesinde eşleşen herhangi iki tepkimeyi aşağıdaki gibi toplayabilirizsquared:
Ara ürün olan B’nin toplam tepkime eşleşmesinde yer almadığını fark etmiş olabilirsiniz. Bunun sebebi B'nin hem ürün hem de tepkimeye giren madde olarak bulunmasıdır, yani tepkimeler toplandığında iki B birbirini götürür.
Tepkime Eşleşmesinde ATP
Tepkime eşleşmesinin ATP içermesi durumunda ortak ara ürün genelde fosforlanmış bir molekül (ATP’deki fosfat gruplarından birinin bağlandığı bir molekül) olur. Bu durumun nasıl işlediğine bir örnek olarak sakkarozun, ya da sofra şekerinin, glikoz ve fruktozdan nasıl oluştuğunu inceleyelim.start superscript, 3, comma, 4, end superscript
Vaka çalışması: Sakkaroz yapalım!
Sakkaroz oluşması enerji girdisi gerektirir: ΔG değeri yaklaşık plus, 27 start text, k, J, slash, m, o, l, end text (standart koşullarda) olmalıdır. ATP hidrolizinin ΔG değeri standart koşullarda yaklaşık minus, 30 start text, k, J, slash, m, o, l, end textdür, bu sayede sakkaroz molekülünün sentezi için gereken miktardaki enerjiyi “ödemeye” yetecek kadar enerji ortaya çıkarabilir.
ATP hidrolizi sonucu ortaya çıkan enerji sakkaroz molekülü üretimi için nasıl yönlendirilir? Görünen o ki aslında iki tepkime gerçekleşiyor ve ilk tepkime sonucu ortaya çıkan ürün ikinci tepkimede tepkimeye giren madde görevi görüyor.
- İlk tepkimede bir fosfat grubu ATP’den glikoza transfer edilip fosforlanmış bir glikoz ara ürünü (Glikoz-P) oluşturuyor. ATP çok kararsız bir molekül olduğu, bir başka deyişle fosfat grubundan gerçekten ayrılmak “istediği” için, bu enerji açısından avantajlı (enerji açığa çıkaran) bir tepkimedir.
- İkinci tepkimede Glikoz-P ara ürünü fruktoz ile tepkimeye girerek sakkaroz oluşturuyor. Glikoz-P (bağlı fosfat grubu sebebiyle) kısmen kararsız olduğundan, bu tepkime de enerji açığa çıkartıyor ve kendiliğinden gerçekleşiyor.
Bu örnek, ATP içeren bir tepkime eşleşmesinin fosforilasyon sayesinde nasıl gerçekleştiğini gösteriyor. Burada tepkime, fosforlanmış (fosfor içeren) bir ara ürün ile bağlanan ve enerji açısından avantajlı iki aşamaya bölünüyor. Bu strateji, ileride başka tepkimelere güç sağlamak için ATP’nin ADP’ye çevrilmesinde ortaya çıkan enerjiyi kullanmaya bir yol sağlayarak hücre içindeki birçok metabolik patikada kullanılıyor.
Hücre içindeki farklı tepkime eşleşmesi türleri
Yukarıdaki örnek ATP hidrolizinin biyosentez tepkimeleriyle nasıl eşleşebildiğini gösteriyor. Ancak ATP hidrolizi ayrıca hücrenin içine ve dışına başka moleküller taşıyan proteinlerin şekil değişikliği gibi başka hücresel tepkime sınıfları ile de eşleşebilir.
Vaka çalışması: Sodyum-potasyum pompası
Bir hücrenin dışına sodyum (start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript) ya da içine potasyum (start text, K, end text, start superscript, plus, end superscript) taşımak iyonların konsantrasyon gradyanına karşı olduğu için enerji açısından avantajsızdır. ATP, sodyum ve potasyumun sodyum-potasyum pompası (Na+/K+ pompası) adı verilen bir hücre zarı proteini yoluyla taşınması için gereken enerjiyi sağlar.
Bu süreçte ATP, fosfat gruplarından birini pompadaki proteine gönderir, böylece ADP ve pompanın fosforlanmış bir “ara ürün”ü elde edilir. Fosforlanan pompa ilk haliyle (hücrenin içine dönük) kararsız haldedir, bu yüzden şekil değiştirir, hücrenin dışına doğru açılır ve dışarıya sodyum iyonları bırakır. Bunun sonucunda da daha kararlı hale gelir. Hücre dışındaki potasyum iyonları fosforlanmış pompayla bağlandığında fosfat grubunun ayrılmasını tetikler, böylece protein, dışa dönük şekliyle kararsız hale gelir. Protein daha sonra ilk şekline dönerek daha kararlı hale gelip potasyum iyonlarını hücre içine bırakır.
Bu örnekte kimyasal gradyanlar ve protein taşıyıcıları olsa da aslında temel prensibi yukarıdaki sakkaroz örneği ile benzerdir. ATP hidrolizi, kararsız, fosforlanmış bir ara ürün aracılığıyla iş gerektiren (enerji açısından avantajsız) bir süreçle eşleşerek sürecin enerji açısından avantajlı bir aşamalar serisi olarak gerçekleşmesini sağlar.
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
Henüz gönderi yok.