Biyoenerjetik ve Biyolojik Sistemlerde Enerji Dönüşümleri

AFSÜ Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı Biyoenerjetik ders notlarından hazırlanan terim ve tanımları içeren kelime kartları seti.

Biyoenerjetik

Biyolojik sistemlerdeki enerji dönüşümlerinin incelenmesi anlamına gelen bilim alanı.

Termodinamik

Sistemler arasındaki enerji alışverişini, enerji dönüşüm yollarını ve koşullarını; özdeş taneciklerin ortalama moleküler özellikleri, makroskopik nicelikler ve denge durumları üzerinden inceleyen bilim dalı.

Termodinamiğin 1. Yasası

Enerjinin korunumu ilkesinin bir sonucu olarak, bir sisteme ısı şeklinde verilen enerjinin ($\delta Q$), sistemin iç enerjisindeki değişme ($dU$) ile sistemin dışa karşı yaptığı işin ($\delta W$) toplamına eşit olduğunu belirten yasa ($\delta Q = dU + \delta W$).

İç Enerji ($U$)

Bir sistemin potansiyel, kinetik, elektriksel, kimyasal ve kütlesel gibi her türlü enerjisinin toplamı olan, mutlak değeri doğrudan ölçülemeyen ancak değişimi ($dU$) ısı ve iş ölçümleriyle belirlenebilen kapsam parametresi.

Termodinamik Denge

Bir sistemin sahip olduğu bütün parametrelerin zamanla sabit kaldığı ve hiçbir değişimin gözlenmediği durum.

Kapsam (Extensive) Parametreleri

Sistemin boyutuna ve madde miktarına bağlı olarak değişen; uzunluk/uzaklık ($x$), hacim ($V$), elektrik yükü ($q$), mol miktarı ($n$), iç enerji ($U$), entalpi ($H$), entropi ($S$) ve serbest enerjiler ($F$, $G$) gibi toplanabilir termodinamik parametreler.

Yeğinlik (Intensive) Parametreleri

Sistemin madde miktarından bağımsız olan; kuvvet ($F$), basınç ($P$), elektriksel potansiyel ($\varphi$), kimyasal potansiyel ($\mu$), konsantrasyon ($c_i$), yoğunluk ($\rho$) ve sıcaklık ($T$) gibi parametreler.

Entalpi ($H$)

Sabit basınç altında bir sistemin dışa karşı yaptığı iş yalnızca hacim değişiminden kaynaklandığında $H = U + PV$ şeklinde tanımlanan ve sisteme giren ısı miktarına eşit olan ($dH = \delta Q$) durum fonksiyonu.

Endergonik Reaksiyon

Entalpi değişiminin sıfırdan büyük olduğu ($dH > 0$), yani çevreden sisteme ısı girişinin gerçekleştiği ısı alan reaksiyon.

Ekzergonik Reaksiyon

Entalpi değişiminin sıfırdan küçük olduğu ($dH < 0$), yani sistemden çevreye ısı aktarılan ısı veren reaksiyon.

Durum Fonksiyonu

Sistemin geçmişine ya da izlediği yola bağlı olmayıp yalnızca sistemin anlık özelliklerine bağlı olan fiziksel büyüklük veya fonksiyon (örneğin entalpi, serbest enerji).

Termodinamiğin 2. Yasası

Enerji alışverişlerinin yönünü inceleyen ve bir ısı makinesinden elde edilebilecek maksimum kuramsal verimin $\frac{\delta W}{\delta Q} = \frac{T_2 - T_1}{T_2}$ olduğunu ortaya koyan temel doğa yasası.

Entropi ($S$)

Bir sistemin düzensizliğinin veya mikro durum sayısının ($\Omega$) bir ölçüsü olan, tersinir süreçlerde $dS = \frac{\delta Q}{T}$ ve istatistiksel mekanikte $S = k \ln(\Omega)$ denklemiyle tanımlanan durum parametresi.

Boltzmann Sabiti ($k$)

Entropi bağıntısında ($S = k \ln(\Omega)$) durum sayısı ile makroskopik entropiyi birbirine bağlayan ve değeri $1.38 \times 10^{-23}$ olan evrensel sabit.

Gibbs Serbest Enerjisi ($G$)

Sabit sıcaklık ve sabit basınç koşullarında tanımlanan, $G \equiv U + PV - TS$ bağıntısına sahip, sistemin hacim değişimleri dışında gerçekleştirebileceği yararlı iş miktarını ($\delta W^* \le -dG$) belirleyen sistem parametresi.

Kimyasal Potansiyel (Mol Başına Serbest Enerji, $\mu_i$ / $G_i$)

Çok bileşenli sistemlerde bir maddenin mol başına düşen serbest enerjisini temsil eden ve $G_i = G_i^\circ + R T \ln(c_i) + z_i F V + P \vartheta_i + \dots$ şeklinde formüle edilen yeğinlik parametresi.

ATP Molekülünün Yük Durumu

Fizyolojik koşullarda ($\text{pH} = 7$ civarında) her fosfat grubunun iyonlaşmış olması sebebiyle ATP molekülünün sahip olduğu $4$ negatif yüklü yapı (hücrede çoğunlukla $\text{Mg}^{2+}$ iyonlarıyla kompleks haldedir).

ATP Hidrolizi Serbest Enerji Değişimi

$\text{ATP}^{4-} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP}^{3-} + \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+$ tepkimesi gerçekleştiğinde açığa çıkan ve hücresel yokuş yukarı süreçleri destekleyen $\Delta G = -30\,\text{kJ/mol}$ düzeyindeki serbest enerji miktarı.

$\text{Na}^+$ İyonunun Dışarı Taşınma Enerjisi

Dinlenim halindeki bir hücrede bir mol sodyum iyonunun hücre membranından dışarıya taşınması için gereken yaklaşık $13\,\text{kJ/mol}$ enerji değeri.

Maxwell-Boltzmann Dağılımı

Bağımsız moleküllerden meydana gelen bir gaz sisteminde moleküllerin kinetik enerji ya da hızlarının olasılık yoğunluğunu gösteren istatistiksel dağılım.

Dönme Konileri

İri molekül zincirlerinde kovalent bağ ekseninde bir uçtaki atoma göre diğer atom ve bağlı grupların dönme hareketi yapması sonucu uzayda taranan konik bölgeler.

Lastik Benzeri Molekül Zincirinde Ortalama Uzunluk ($d$)

Her biri $l$ uzunluğunda $n$ parçadan oluşan bir polimer zincirinin kendi haline bırakıldığında sahip olduğu en düzensiz ve en yüksek entropili ortalama boyut ($d = l \sqrt{n}$).

Konformasyon

Büyük moleküllerdeki kovalent bağlar çevresinde atom gruplarının serbestçe dönmesiyle molekülün üç boyutlu uzayda alabildiği farklı geometrik şekillenimler.

Denatürasyon

pH, sıcaklık veya iyonik şiddet gibi ortam koşullarının değişmesi sonucunda proteinin işlevsel üç boyutlu doğal konformasyonunu kaybederek biyolojik etkinliğini yitirmesi.

Protein Katlanması Termodinamiği

Protein molekülü doğal konformasyonuna katlanırken kendi serbest enerjisi ($G_{\text{protein}}$) ve entropisi ($S_{\text{protein}}$) azalmasına karşın, çevresindeki su moleküllerinin serbestleşmesiyle tüm sistemin toplam entropisinin ($S_{\text{toplam}}$) arttığı süreç.

Aktivasyon Enerjisi ($\Delta G_a$)

Kimyasal bir reaksiyonun başlayabilmesi için reaksiyona girecek maddelerin aşması gereken serbest enerji engeli.

Denge Sabiti ($K$)

Reaksiyonun ileri ve geri hız sabitlerinin oranına ($K = \frac{k_1}{k_2}$) eşit olan, aktivasyon enerjisine bağlı olmayıp sadece reaktifler ile ürünler arasındaki serbest enerji farkına bağlı olarak $K = e^{-\frac{\Delta G}{RT}}$ eşitliğiyle tanımlanan sabit.

Katalizörün Reaksiyon Enerjisine Etkisi

Reaksiyonun başlangıç ve bitiş serbest enerjilerini ($\Delta G$) ve denge sabitini ($K$) değiştirmeksizin, aktivasyon enerjisini ($\Delta G_a$) düşürerek engeli aşabilecek tanecik sayısını artıran ve reaksiyonu hızlandıran etki.