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.

Alman-İngiliz tıp doktoru ve biyokimyager Hans Krebs'in Hans Kornberg'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. 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.

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 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.

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. 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.

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.

Termodinamiğin birinci yasası enerjinin korunduğunu söyler: enerji biçim değiştirse de ne yoktan var ne vardan yok olur. 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.

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. 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.

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.

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. 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.