İndirgenme Potansiyelleri ve Serbest Enerji Değişimleri

mitokondri matriksine geri akışı esnasında da ATP sentezlenir. Yani oksidasyon ve fosforilasyon olayları, iç mitokondri membranı üzerindeki, bir proton gradienti ile bağlantılıdır. Solunum zinciri enzimleri, iç mitokondri membranının integral proteinleridir. Dış membran birçok küçük molekül ve iyonlara karşı geçirgen olmasına karşılık; mitokondri iç membranı hemen hemen bütün iyonları ve yüksüz moleküllerin çoğunu geçirmez. ADP ve uzun zincirli yağ asitleri gibi bazı molekül ve iyonların matrikse taşınması, iç mitokondri membranında bulunan spesifik protein yapısında taşıyıcılar aracılığıyla gerçekleşir.

10.5.1. İndirgenme Potansiyelleri ve Serbest Enerji Değişimleri

Standart indirgenme potansiyelleri, serbest enerji değişikliğini hesaplamak için kullanılır. Oksidatif fosforilasyonda NADH ve FADH2’ nin elektronlarını O2’ ye transfer etme potansiyelleri, ATP’ nin fosfat transfer potansiyeline dönüştürülmektedir. Fosfat transfer potansiyelinin ölçüsü olarak, önceden ΔGo değerini tanımlamıştık. Elektron transfer potansiyeline karşılık gelen Eo ile gösterilen redoks (indirgenme yükseltgenme) potansiyelidir.

Redoks potansiyeli elektrokimyasal bir kavramdır. Yükseltgenmiş ve indirgenmiş hali X ve X- olan madde, bir ikili redoks çifti olarak isimlendirilir. Bu çiftin redoks potansiyeli, bir numune yarı pilinin, bir standart referans yarı piline göre ortaya çıkan elektromotor kuvvetin ölçüsüyle tayin edilir. Numune yarı pili, 1 M yükseltgeyici (X) ve 1 M indirgeyici (X-) içeren çözeltiye bir elektrot batırılmasıyla elde edilirken; standart referans yarı pili de içine bir elektrot batırılmış 1 atm basınçta H2 gazıyla dengede olan 1 M’ lık H+ çözeltisinden ibarettir (Şekil 10.15.). Elektrotlar birbirine bir voltmetre ile, yarı piller de elektrik akımını geçirecek bir tuz köprüsüyle bağlanır. Elektronlar yükseltgenmenin olduğu yarı pilden indirgenmenin olduğu diğerine akarlar. Eğer reaksiyon;

yönünde ise, yarı pillerdeki reaksiyonlar şunlardır: ve

Numune yarı pilinden standart referans yarı pile elektronların akışı sonucu numune elektrodu diğerine göre negatif olur. X / X- çiftinin redoks potansiyeli deneyde okunan voltajdır. Çünkü H+ / H2 çiftinin redoks potansiyeli E^o=0 volt olarak tanımlanmıştır.

Elektronları alma eğilimi yüksek olan yarı hücrenin Eo değeri pozitif olarak kabul edilir. Negatif bir indirgeme potansiyeli o maddenin, aynen yukarıdaki örnekte olduğu gibi, elektronlara H2’ den daha az afinitesi, pozitif bir redoks potansiyeli de H2’ den daha yüksek bir elektron afinitesi olduğunu gösterir. Bu karşılaştırmalar standart şartlarda, yani 1M

X^- + H⁺ X + ½ H₂

104

indirgeyici, 1M yükseltgeyici, 1M H⁺ ve 1 atm H2 durumunda geçerlidir. Nitekim kuvvetli bir indirgeyici (NADH gibi) negatif redoks potansiyeline, kuvvetli bir yükseltgeyici de (O2 gibi) pozitif redoks potansiyeline sahiptir.

Şekil 10.15. Bir redoks çiftinin standart

indirgenme – yükseltgenme potansiyelinin

(Eo) ölçülmesi. Elektronlar numune

elektrodundan, referans elektroda veya tersi yönünde hareket ederler. Başlıca referans yarı hücre şekilde de gösterildiği gibi

hidrojen elektrodudur. Bu elektrodun

elektron hareket ettirici kuvveti (emf) 0.00 V olarak kabul edilmektedir. Hidrojen elektrodu için pH=7’ de, Eo

= –0.414 V’ tur.

Tablo 10.4.’ de biyolojik öneme sahip bazı redoks çiftlerinin redoks potansiyelleri verilmiştir.

Tablo 10.4. Biyolojik yönden önemli bazı yarı-reaksiyonların 25 ^oC ve pH=7’ de standart indirgenme potansiyelleri (E^o)

Yarı reaksiyon E^o (V)

Ferredoksin (Fe⁺³) + e^- → ferredoksin (Fe⁺²) –0,432

2H⁺ + 2e^- → H2 (pH=7’ de) –0,414

NADP+ + H+ + 2e- → NADPH –0,324

NAD+ + H+ + 2e- → NADH –0,320

Lipoik asit + 2H⁺ + 2e^- → dihidrolipoik asit –0,290

Glutatyon + 2H⁺ + 2e^- → 2 indirgenmiş glutatyon –0,230

FAD + 2H+ + 2e- → FADH2 –0,219^*

105 Pirüvat + 2H⁺ + 2e^- → laktat^- –0,185 Okzalasetat^-2 + 2H⁺ + 2e^- → malat^-2 –0,166 2H+ + 2e- → H2 (standart koşullarda, pH=0) 0,000 Fumarat^-2 + 2H⁺ + 2e^- → süksinat^-2 0,031 Ubikinon + 2H+ + 2e- → Ubikinol + H2 0,045

Sitokrom b (Fe⁺³) + e^- → Sitokrom b (Fe⁺²) 0,077

Sitokrom c1 (Fe⁺³) + e^- → Sitokrom c1 (Fe⁺²) 0,220

Sitokrom c (Fe⁺³) + e^- → Sitokrom c (Fe⁺²) 0,254

Sitokrom a (Fe⁺³) + e^- → Sitokrom a (Fe⁺²) 0,290

O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 0,295

Sitokrom a3 (Fe⁺³) + e^- → Sitokrom a3 (Fe⁺²) 0,350

NO3^- + 2H+ + 2e- → NO2^- + H2O 0,421

Fe⁺³ + e^- → Fe⁺² 0,771

½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O 0,816

*Bu serbest FAD değeridir. FAD farklı, Eo’ a sahip özgül bir flavoproteine bağlanır (örneğin, süksinat dehidrogenaza bağlı ise E–FAD + 2H+ + 2e- → E–FADH2 Eo= –0,181 V olur.).

Biyokimyacıları ilgilendiren yarı reaksiyonların çoğuna protonlar katılmaktadır. ΔGo tanımında olduğu gibi, biyokimyacılar indirgenme-yükseltgenme reaksiyonlarının standart durumunu pH=7’ deki indirgenme potansiyeli (Eo) olarak belirlemişlerdir. Tablo 10.4.’ de verilen standart indirgenme potansiyelleri, E^o olup, yalnız nötral pH’ daki sistemler için geçerlidir. Her değer, redoks çiftinin 1M derişimde, pH=7’ de ve standart hidrojen elektrodu (pH=0) ile bağlı olduğundaki potansiyel farkını göstermektedir. Konjuge redoks çifti 2H+/H2, pH=7’ de standart hidrojen elektrodu (pH=0) bağlandığında, elektronlar pH’ nın 7 olduğu hücreden standart hücreye (pH=0) hareket etmektedir. 2H+/H2 redoks çifti için ölçülen, E^o= – 0.414 V’ dur. Biyolojik şartlarda 2H+/H2 çifti için ölçülen E^o değerinin–0.414 olduğuna dikkat ediniz.

İki yarı hücre için Eo değerleri standart hidrojen elektroduna bağlı olarak belirlendiğinden; iki yarı hücre bir dış devre aracılığıyla birbirine bağlandığında veya her iki yarı hücrenin bileşenleri aynı çözelti içinde bulunduğunda elektronların hareket etmeye eğilimli oldukları yön tahmin edilebilir. Elektronlar daha pozitif Eo’ ye sahip yarı hücreye doğru hareket ederler. Bu hareketin şiddeti, standart indirgenme potansiyelleri arasındaki farklılık ΔEo ile orantılıdır. Kendiliğinden meydana gelen bu elektron akımının oluşturduğu

106

enerji (indirgenme–yükseltgenme reaksiyonunun standart serbest enerji değişikliği) ΔE^o ile orantılıdır.

ΔGo= –nFΔEo

Yarı hücrenin indirgenme potansiyeli, yalnız bulunan kimyasal türlere değil, derişimlerden kaynaklanan aktivitelerine de bağlıdır. W. Nernst, standart indirgenme potansiyelini (Eo), hücredeki indirgen ve yükseltgen türlerin herhangi bir derişimdeki indirgenme potansiyeli (E) ile ilişkilendiren bir eşitlik bulmuştur. 25oC’ de eşitlik aşağıdaki şekli almaktadır.

İlk önce her iki hücrenin E değerleri hesaplanır ve ΔE değeri bulunur. ΔE, ΔG’ nin hesaplanmasında kullanılır.

ΔG= –nFΔE

Bu şekilde redoks çiftinin herhangi bir derişimde, herhangi bir biyolojik redoks reaksiyonunun serbest enerji değişikliği hesaplanabilir.

Bir indirgenme-yükseltgenme reaksiyonunun serbest enerji değişimi (ΔG^o), reaktantların redoks potansiyellerinden faydalanılarak bulunabilir. Mesela pirüvatın NADH tarafından indirgenme reaksiyonunu ele alalım:

Pirüvat + NADH + H⁺ Laktat + NAD⁺

NAD⁺/ NADH çiftinin redoks potansiyeli –0,32V, pirüvat / laktat çiftinin ise –0,19 V’ dur. Yukarıdaki reaksiyon yönüne göre yarı pil reaksiyonlarını yazdığımızda, ikinci reaksiyon (NADH → NAD+) Tablo 10.4.’ deki Eo değerlerinin verildiği yönün tersine cereyan ettiğinden; indirgenme potansiyelinin işareti değişir.

Pirüvat + 2H⁺ + 2e^- Laktat E^o = - 0.19 V NADH NAD⁺ + H⁺ + 2e^- E^o = + 0.32 V Pirüvat + NADH + H⁺ Laktat + NAD⁺ E^o = + 0.13 V

Her iki reaksiyonu ve karşılığındaki redoks potansiyellerini topladığımız zaman, istenilen reaksiyon ve onun elektromotor kuvvetini elde ederiz. Bunun serbest enerji karşılığı nedir?

ΔGo ile ΔE^o arasında aşağıdaki bağıntı vardır: ΔGo= –nFΔE^o

Burada n, transfer edilen elektron sayısı; F, bir Faradayın kilojoule (kJ) eşdeğeri (96.5kJ V^-1 mol^-1)’ dir. Pirüvatın indirgenmesinde n=2 olduğundan,