Yeryüzünde yaşamın devamı, enerjinin varlığı ve dönüşümü ile mümkündür. Enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Canlılarda meydana gelen bütün metabolik süreçlerin ayrılmaz bir parçası olan enerji; büyüme, gelişme, çoğalma vb. olaylarda kullanılır. Kemosentez yapan canlılar hariç kullanılan bu enerjinin temel kaynağı güneştir. Canlılar, var olan birçok enerji türünü bir formdan başka bir forma dönüştürebilir.
Fotosentez yapan canlıların ışık enerjisini besinlerin yapısındaki kimyasal bağ enerjisine dönüştürmesi bu duruma örnektir. Canlılar, en çok kullandıkları enerji çeşidi olan kimyasal bağ enerjisini de besin zinciri yolu ile birbirlerine iletir. Tüm canlılar, organik besinlerdeki kimyasal bağ enerjisini ATP’ye dönüştürerek yaşamsal faaliyetlerinde kullanır.
Enerjinin Temel Molekülü ATP (Adenozin trifosfat)
Canlıların pek çok reaksiyonu gerçekleştirmek için ihtiyaç duyduğu enerji, organik moleküllerin yıkılması sonucu açığa çıkan kimyasal bağ enerjisidir. Canlılar bu enerjiyi doğrudan kullanamaz. Tüm canlılarda kullanılan enerji molekülü ATP’dir. ATP molekülü başka bir hücreye aktarılamaz, depolanamaz.
ATP molekülü; azotlu organik baz (adenin), 5 karbonlu şeker (riboz) ve üç fosfat grubundan meyda na gelir. Adenin bazı ile riboz arasında glikozit bağı, riboz şekeri ile ilk fosfat grubu arasında fosfoester bağı vardır. Adenozin molekülüne bir fosfatın bağlanmasıyla adenozin monofosfat (AMP), AMP’ye bir fosfatın bağlanmasıyla adenozin difosfat (ADP), ADP’ye bir fosfatın daha bağlanmasıyla Adenozin trifosfat (ATP ) oluşur
Hücrelerde büyüme, üreme, hareket, biyosentez, aktif taşıma gibi yaşamsal faaliyetler için gereken yapım ve yıkım tepkimelerine metabolizma denir. Basit moleküllerden kompleks yapılı moleküllerin sentezlenmesine anabolizma (yapım), karmaşık moleküllerin basit moleküllere parçalanmasına katabolizma (yıkım) denir. Yapım tepkimeleri enerji gerektiren endergonik, yıkım tepkimeleri ise genellikle enerji açığa çıkaran ekzergonik tepkimelerdir.
ATP molekülü, sürekli kullanılan ve yenilenebilen bir moleküldür. ADP’ye enerji ile birlikte inorganik fosfat (Pi) eklenmesi sonucu ATP üretilmesine fosforilasyon denir. Fosforilasyon sırasında su açığa çıkar (dehidrasyon). ATP’nin H2O ile hidroliz edilerek yapısındaki enerjinin açığa çıkarılmasına defosforilasyon denir. Canlıdaki fosforilasyon ve defosforilasyon olayları endergonik reaksiyonlar ve ekzergonik reaksiyonlar arasında bir köprü oluşturur.
ATP’deki fosfat grubu arasında yer alan bağlar hidrolizle kırılabilir. En uçtaki fosfat bağı kırıldığında bir molekül inorganik fosfat (Pi) ATP’den ayrılır. ATP, ADP hâline gelir. Bu tepkimede bir molekül ATP’nin ADP’ye hidrolizi ile enerji açığa çıkar.
ATP molekülünün canlılarda evrensel enerji kaynağı molekülü olarak kabul edilmesinin nedenleri şunlardır:
- Tüm hücrelerde ATP molekülünün varlığı,
- Hücrelerde gerçekleşen birçok metabolik faaliyette ATP molekülünün kullanılması,
- ATP sentezlenmeyen hücrelerde canlılığın son bulması.
ATP molekülünün hücrede metabolik faaliyetlerde kullanılmak üzere yıkımına ve solunum olayları ile yapımına ATP döngüsü denir. Canlı organizmalarda ATP molekülünün üretilmesi; kullanılan enerji çeşidine göre substrat düzeyinde fosforilasyon, oksidatif fosforilasyon ve fotofosforilasyon olmak üzere üç şekilde gerçekleştirilir.
a- Substrat Düzeyinde Fosforilasyon
Yapısında fosfat bulunduran bir substrattan enzimler aracılığı ile bir fosfatın ADP’ye aktarılmasıyla ATP sentezlenmesine substrat düzeyinde fosforilasyon denir. Substrat düzeyinde fosforilasyon, oksijenli ve oksijensiz solunum yapan tüm canlı hücrelerde gerçekleşen ortak bir olaydır. Görev alan enzimler de ortaktır.
b- Oksidatif Fosforilasyon
Organik moleküllerin yıkımıyla veya inorganik moleküllerin oksitlenmesi sonucu açığa çıkan elektronların, elektron taşıma sisteminde yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonları ile taşınması sırasında oluşan enerjiden ATP üretilmesine oksidatif fosforilasyon denir. Oksijenli, oksijensiz solunum yapan canlılar ve kemosentez yapan canlılarda ATP üretiminin çoğu; oksidatif fosforilasyonla elde edilir.
c- Fotofosforilasyon
Klorofil molekülünün ışık enerjisini kullanarak ADP’ye inorganik fosfat eklenmesi yoluyla ATP sentezlemesine fotofosforilasyon denir. Fotofosforilasyonla sentezlenen ATP molekülü, fotosentezde kullanılır. Fotofosforilasyon, fotosentez yapan canlıların klorofil bulunduran hücrelerinde ışık varlığında gerçekleşir.