Canlılar tarafından yapılan her çeşit iş, enerji gerektirir. Odanızı toplarken, bu kitabın sayfalarını çevirirken veya bu satırları okurken enerji kullanırsınız. Hareket etmek, nefes almak, konuşmak, düşünmek ve hatta rüya görmek için bile enerji gerekir.
Hücre, canlılığını devam ettirebilmek için sürekli bir biçimde enerjiye ihtiyaç duyar. Büyüme, çoğalma, hareket, gerekli maddelerin sentezlenmesi ve çevreyle madde alışverişi gibi hücrede gerçekleşen bütün yaşamsal faaliyetlerde enerji kullanılır.
Enerji, iş yapabilme ya da bir değişikliğe neden olabilme yeteneği olarak tanımlanır. Enerji, duran bir nesneyi harekete geçirebilir veya bir molekülün yapısını değiştirebilir. Işık enerjisi, elektrik enerjisi, potansiyel ve kinetik enerji gibi çeşitli enerji biçimleri olduğunu biliyorsunuz. Enerji yok edilemez ve yoktan var edilemez, ancak farklı bir biçime dönüştürülebilir, depolanabilir ve aktarılabilir.
Hareket eden nesneler kinetik enerjiye sahiptir. Örneğin koşan bir kişinin kinetik enerjisi vardır. Nesnelerin konumlarından ya da yapılarından dolayı sahip oldukları enerjiye ise potansiyel enerji denir. Potansiyel enerji, depolanmış enerji demektir. Besinlerde ve diğer organik bileşiklerde bir potansiyel enerji biçimi olan kimyasal enerji bulunur. Kimyasal enerji, atomları bir arada tutan kimyasal bağlarda depolanmıştır ve bu bağlar çözüldüğünde açığa çıkar.
Enerji bir biçimden diğerine dönüşürken mutlaka bir bölümü ısı enerjisi hâlinde çevreye yayılır. Dolayısıyla enerji dönüşümü asla %100 verimle gerçekleşemez. Isı, atom veya moleküllerin rastgele hareketlerinden dolayı sahip oldukları kinetik enerjidir ve hücre tarafından iş yapmak için kullanılamaz. Sağlıklı bir insanın 36-37 °C olan vücut sıcaklığının kaynağı da hücrelerde gerçekleşen enerji dönüşümleridir. Örneğin spor yaptığınızda ya da hızlı hareket ettiğinizde vücut sıcaklığınız artar. Çünkü kaslar kasılırken kimyasal enerji kinetik enerjiye dönüştürülmektedir. Bu sırada kimyasal enerjinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşür ve vücut sıcaklığınız yükselir. Bitkilerdeki enerji dönüşümleri sırasında da ısı açığa çıkar.
Canlılar gereken enerjiyi besinlerden karşılar. Besinleri oluşturan organik moleküller bir dizi kimyasal tepkimeyle yıkılarak enerji açığa çıkarılır. Hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimelerin hepsine birden metabolizma adı verilir. Metabolizma, yapım ve yıkım reaksiyonlarından oluşur (Şekil 1.2) Basit moleküllerden karmaşık yapılı moleküllerin sentezlendiği reaksiyonlara yapım reaksiyonları (anabolizma) denir. Amino asitlerden proteinlerin sentezlenmesi bir yapım reaksiyonudur. Karmaşık moleküllerin daha basit moleküllere parçalandığı reaksiyonlar ise yıkım reaksiyonu (katabolizma) olarak adlandırılır. Örneğin glikojenin glikoza ya da glikozun su ve karbondiokside parçalanması yıkım reaksiyonudur.
ATP’nin enerjiyi depolama ve aktarma yeteneği yapısal özelliklerinden kaynaklanmaktadır. ATP molekülü azotlu bir baz (adenin), beş karbonlu bir şeker (riboz) ve birbirine bağlı 3 fosfat grubundan oluşur (Şekil 1.3). Kimyasal enerji, ATP’nin fosfat grupları arasındaki bağlarda depolanır. ATP su ile tepkimeye girdiğinde fosfat grupları arasındaki bağlar çözülür (hidroliz) ve büyük miktarda enerji açığa çıkar. Bu nedenle ATP’deki fosfat bağları “yüksek enerjili bağlar” olarak adlandırılır. ATP’nin fosfat bağlarının en önemli özelliği çok kırılgan olmalarıdır. Her biri negatif yüklü olan fosfat grupları birbirine çok yakın konumda bulunmaktadır. Aynı işaretli yüklerin birbirini itmesi nedeniyle zincirin sonunda yer alan fosfat grubu kolayca koparılabilir ve başka bir moleküle aktarılabilir.
ATP’den bir fosfat grubu ayrıldığında adenozin difosfat (ADP) oluşur ve enerji açığa çıkar. ADP’den bir fosfat grubu ayrıldığında ise adenozin monofosfat (AMP) oluşur. Bu sırada açığa çıkan enerji miktarı daha azdır.
ATP bir deney tüpü içerisinde hidroliz edilirse açığa çıkan enerjinin tamamı ısı enerjisine dönüşür. Hücre içerisinde ise durum farklıdır. ATP’den koparılan yüksek enerjili fosfat grubu spesifik enzimler yardımıyla hücredeki başka bir moleküle aktarılır. Böylece fosfat grubunun enerjisi de bu moleküle geçer. ATP’den fosfat grubu alarak enerjisi artan molekül endergonik reaksiyonlara katılabilir.
ATP çok kısa bir süre içerisinde kullanılarak ADP’ye dönüşür ve ADP’ye fosfat grubu eklenmesiyle yeniden oluşturulabilir. ADP’den ATP sentezi özgül enzimler tarafından katalize edilir. ATP hücrede depolanamaz. Hücre aralıksız bir biçimde enerjiye ihtiyaç duyduğu için ATP’nin de sürekli yenilenmesi gerekir. ATP molekülünü kullanıma hazır bir şarjlı pile benzetebiliriz (Şekil 1.4). ATP’den bir fosfat grubu ayrıldığında molekülde depolanmış olan enerji azalır. ADP’ye bir fosfat grubu eklenerek ATP sentezlendiğinde ise pil tekrar şarj edilmiş yani pile enerji yüklenmiştir.
Bir organik moleküle fosfat grubu bağlanmasına fosforilasyon denir. Hücrede ATP sentezi fosforilasyon reaksiyonlarıyla gerçekleşir. ATP sentezinde kullanılan enerjinin kaynağına göre dört çeşit fosforilasyon vardır:
1. Substrat düzeyinde fosforilasyon: Yapısında fosfat bulunan bir substrattan ADP’ye bir fosfat grubu aktarılarak ATP sentezlenir.
2. Oksidatif fosforilasyon: Organik moleküllerden ayrılan hidrojenlerin yüksek enerjili elektronlarının oksijene taşınması sırasında açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir.
3. Fotofosforilasyon: Fotosentez ile ATP sentezi.
4. Kemosentetik fosforilasyon: Bazı bakterilerin inorganik moleküllerden kimyasal reaksiyonlar yoluyla elde ettikleri enerjiyle ATP sentezlenir.
