Hayatın Kimyası MBG 111 BİYOLOJİ I. Hazırlayan: Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Transkript

1 Hayatın Kimyası MBG 111 BİYOLOJİ I Hazırlayan: Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

2 Elementler ve Bileşikler *Organizmalar farklı maddelerin, materyallerin bir araya gelmesinden oluşur. Bu maddeler katı, metal, sıvı ve gaz yapıda olabilir. Maddeler-materyaller elementlerden oluşur. Günümüzde tanımlanmış 92 doğal element vardır. Örneğin altın, bakır, karbon, oksijen vbg. Bunlar genellikle İngilizce, bazen Latince ve Almanca isimlerinin ilk iki harfi kullanılarak oluşturulmuş kısaltmalarla tanımlanırlar. Örneğin sodyum, Latince natrium dan gelen Na kısaltması ile tanımlanır. Bileşik ise iki veya daha fazla elementin bir araya gelmesi ile oluşur. Ör: Yemek tuzu NaCl, sodyum ve klor elementlerinin bir araya gelmesi ile oluşur (Şekil 2.1). Yine benzer şekilde su Hidrojen ve Oksijen elementlerinin bir araya gelmesi ile oluşur..

3 *Bu 92 doğal elementten yaklaşık %20-25 Ana elementler (Essential elements) adını alır. Bunlar canlıların hayatlarını sürdürmesi için muhakkak gerekli olan elementlerdir. Canlılara göre bu elementlerin miktarları farklı olabilir.

4 *Örneğin bitkiler için olmazsa olmaz elementlerin sayısı 17 iken, insanda bu gereklilikte elementlerin sayısı 25 tanedir. Bunlardan 4 tanesi canlıların %96sının yapısına girer. Bunlar oksijen (O), karbon (C), hidrojen (H) ve azottur (N). Kalsiyum (Ca), fosfor (P), potasyum (K) ve kükürt (S) kalan %4 ü oluşturan diğer önemli elementlerdir. Buna ek olarak iz elementler (Trace elements) dediğimiz çok daha az miktarlarda ama bulunması gereken elementler vardır. Bunlar arasında da demir (Fe) ve iyot (I) sayılabilir (Tablo 2.1).

5

6 Bir elementin yapısı onu oluşturan atomların yapısına bağlıdır. Atomlar, elementleri oluşturan bilinen en küçük birimlerdir. Elementleri oluşturan atomlar, elementlerin simgeleri ile gösterilirler. Çok detaylı bilinmemekle beraber, Atomlarda, subatomik birimler adını alan daha küçük parçalardan oluşur. Fizikçiler; 100 den fazla subatomik partikülden bahsederler. Bunlar içinde en çok bilinenleri; yüksüz-nötr nötronlar, (+) yüklü protonlar ve (-) yüklü elektronlardır. Proton ve nötronlar atomik çekirdekte yer alır. Elektronlar ise bu çekirdek etrafında negatif yüklü bir bulut oluşturur (Şekil 2.5).

7

8 Nötron ve protonun eşit ağırlığa sahip olduğu düşünülür ki bu yaklaşık olarak 1.7 x gram (g) kadardır. Bu kütle birimi atom ve tüm atomik partiküller için kullanılır. Bu birim aynı zamanda 1800 lü yıllarda atom teorisini ortaya atan İngiliz araştırıcı John Dalton adına atomik kütle birimi (amu) ve 1 Dalton olarakta bilinir. Elektron ise çok daha küçük bir partiküldür. Ağırlığı 1/2000 Daltondur. Dolayısıyla atom ağırlığı hesaplanmasında ihmal edilir.

9 Atom numarası atomda yer alan proton sayısıdır. Sembolün sol altına yazılır. Örneğin helyum için 2He, bu helyumda 2 proton var demektir. Proton (+) yüklü olduğu için dengeli bir atomda aynı sayıda (-) yüklü elektron bulunmak zorundadır. Atomun, proton ve nötron sayısı toplamına ise atomun kütlesi, kütle ağırlığı denir. Yani helyumun 2 nötronu olduğu için kütlesi, 2+2=4 olur. Bu rakam da helyum elementinin simgesinde sol üste yazılır.

10 En basit atom hidrojendir şeklinde yazılır. Eğer atom kütlesine 1 dalton diye bakarsak. Sodyum (Na) atomu 23 dalton ağırlığında olmalıdır. Gerçektende hesaplanan atom ağırlığı 22,9898 dalton olarak bulunmuştur. İzotop ise aynı elementin farklı nötron sayılarına sahip olmasıyla oluşan, kararsız ve radyoaktif yapısına verilen isimdir.

11 Elektronların Enerji Seviyeleri Enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Enerji potansiyel ve kinetik olmak üzere ikiye ayrılır. Potansiyel enerji maddenin yapısında bulunan ve bir ivme ile aktif hale geçen bir enerjidir. Örneğin suyun bir potansiyel enerjisi vardır. Bu yer çekimi etkisiyle bir şelaleye dönüşürse bu potansiyel enerji aktive olmuş ve kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Bunun gibi atomlarda, elektrik yüküne sahip partiküller içerdikleri için enerjiye sahiptirler. Elektronlar (-) yüklü oldukları için, (+) yüklü protonu taşıyan atomun çekirdeğine yakın olmak isterler. Burada yer alan yörünge, orbital, kabuk (shell) sadece 2 elektron barındırabilir ve buna 1 s kabuğu denir. Bunun dışında 2 s kabuğu vardır ve 8 elektron taşıyabilir. Sonra 1 p ve 2 p sonra 1q ve 2 q diye devam eden kabuklar, yörüngeler yer alır. Atomun çekirdeğine en yakın yer alan yörünge veya kabuk en düşük enerji seviyesinde olandır (Şekil 2.8a ve b). Çekirdekten uzaklaştıkça enerji seviyesi artar. Çünkü negatif yüklü elektron çekirdeğe yakın olmak için daha fazla enerji harcamalı-dolayısıyla bulundurmalıdır.

12

13 Elektronların Düzenlenmesi ve Kimyasal Bağlar Atomların bu partiküllerine, dolayısıyla atom numaralarına göre yani yapılarına ve kimyalarına bakarak, periyodik cetvel adını verdiğimiz bir diyagram yapılmıştır. En basit atom, hidrojendir, sonra helyum ve diğerleri gelir. İlk 18 atomun periyodik cetveldeki dizilimi Şekil 2.9 da verilmiştir.

14 Atomların kimyasal davranışları son yörüngelerindekielektron sayısına bağlıdır. Örneğin Lityumda son yörüngede 1 elektron vardır. Yani (+1) değerliklidir. Oksijenin ise son yörüngesinde 6 elektron vardır. Kararlı hale gelmek için 2 elektrona ihtiyaç duyar. Dolayısıyla (-2) değerliklidir. Buradaki değerlik kelimesi, son yörüngesini dengelemesi, kararlı hale gelmesi için gereken bağ yapabilme sayısıdır. Buradaki elektron kabukları veya yörüngeleri (orbitalleri) varlığı ve yapısı 1900 lü yıllarda ortaya atılmış ve çalışılmıştır. Hala iki boyutlu çizimlerle gösterilse de aslında üç boyutlu bir yapısı vardır (Şekil Yrd.Doç.Dr.Yosun 2.10). MATER

15 Atomlar Arasında oluşan Kimyasal Bağların Moleküller Üzerindeki Etkisi ve Fonksiyonu Atomların son yörüngelerinde yer alan elektron değerlerine bağlı olarak yapabilecekleri bağların sayısı moleküllerin ve iyonların yapısını şekillendirir. Bu bağlar, Kimyasal Bağlar adını alır. Kimyasal bağlar güçlü ve zayıf bağlar olmak üzere temelde iki grupta irdelenir. Güçlü bağlar, kovalent ve iyonik bağlardır. Zayıf bağlar ise hidrojen bağları ve Van der Waals bağlarıdır. Buna göre güçlü bağlara kısaca bakarsak; kovalent bağlar; burada son yörüngedeki bir elektronu ortak kullanmak durumu söz konusudur. Örneğin, hidrojen son yörüngesindeki tek elektronu bir diğer hidrojen ile paylaşır. Böylece 2 hidrojen atomu, bir hidrojen molekülünü oluşturur (Şekil 2.11).

16

17 Bu tek elektronla yapılmış bir kovalent bağdır, tek bağdır (single bond). Yazım dilinde bu bağın gösterimi H-H şeklinde veya H:H şeklinde olur. Bunun bağlanma şeklinin iki değerlisini oksijen atomu için, çift bağ (double bond) veya dört değerlisini karbon atomu için gösterebiliriz (Şekil 2.12).

18

19 Kovalent bağların oluşmasında elektronların elektronegatifliği birbirine eşitse, Ör: hidrojende olduğu gibi buna nonkovalent bağ adı verilir. Eğer oksijen ve hidrojenler arasında olan, yani farklı atomlar arasında oluşan bir kovalent bağdan bahsediyorsak bu durumda elektronegatif kovalent bağdan söz ediyoruz demektir. Diğer bir değişle hangi atomun elektronegatif çekim yükü fazla ise elektronlar ona yakın duracaklardır. Yani polar kovalent bağlar oluşturacaklardır (Şekil 2.13).

20

21 İyonik bağlar; burada atomlardan biri elektron kaybeder ve (+) yüklenir. Diğeri elektron alır ve (-) yüklenir. Tuz (NaCl) oluşumu buna örnek verilebilir (Şekil 2.14).

22 Yüklenmiş bir atom veya molekül iyon adını alır. Eğer (+) yüklendi ise katyon, (-) yüklendi ise anyon adını alır. İyonik bağ yapabilen yapılara, iyonik bileşikler veya tuzlar adı verilir. En iyi bilinen örneklerinden biri sofra tuzudur. Doğada tuzlar genellikle kristal formda bulunur (Şekil 2.15).

23 Zayıf bağlara baktığımızda, güçlü bağlar genellikle hücreyi oluşturan birimler arasında görülür. Zayıf bağlar ise hücrede yıkım ve yapımda, görev alan, diğer bir değişle hücre içindeki metabolik birimlerin şekillenmesinde görev alan bağlardır. Bunlardan ilki hidrojen bağlarıdır. Hidrojen molekülü ve bir elektronegatif bileşen arasında oluşan nonpolar kovalent bağlardır. Canlılığın kimyasında çok önemli bir yeri vardır. Canlılık kimyasında en çok oksijen ve azot molekülü ile hidrojen arasında gözlenir. Su (H 2 O) ve amonyak (NH 3 ) olarak karşımıza çıkar (Şekil 2.16).

24 Van der Waals bağları da, bir molekülün negatif veya pozitif bir molekülle oluşturduğu nonkovalent bağlardır. Birbirine yakın moleküller arasında oluşur. Molekülerin Şekilleri ve Fonksiyonları Her molekül kendine ait özel bir şekle ve fonksiyona sahiptir. Bu durum biyolojik görevi açısından çok önemlidir. Bu şekil molekülü oluşturan, bağlandığı atomların yükleri ve büyüklükleri ile ilgilidir. Dolayısıyla bu şekilde ortaya çıkar (Şekil 2.17).

25 Moleküllerin şekilleri biyolojik görevleri açısından önemlidir. Biyolojik işlevlerini bu üç boyutlu yapıları ile gerçekleştirirler örneğin, endorfin ve morfin aynı beyin hücrelerinde aynı reseptör moleküle bağlanır (Şekil 2.18).

26 Kimyasal Bağların Yapılması ve Kırılması Canlılarda kimyasal bağların yapılması ve kırılmasına kimyasal reaksiyon adı verilir. Reaksiyona girenlere reaktant, reaksiyon sonucunda oluşan yapıya ise ürün adı verilir. Canlılık, hayatın devamı suyun oluşması ve fotosentez gibi binlerce farklı reaksiyonla desteklenir. Giren maddeler ile çıkan maddelerin eşit olmasına kimyasal eşitlik adı verilir.

27 SU VE HAYAT Su, dünyamız ve canlılık için çok önemli bir bileşendir. Canlılarında dünyanın da büyük bir kısmı (%70-95) sudan oluşur. Su molekülüne baktığımızda oksijen molekülüne bağlı iki hidrojen molekülünden oluşan polar kovalent bağlı bir yapıdır. Bu ona benzersiz V şeklinde yapısını sağlar. Kısmi negatif ve kısmi pozitif bir yükü vardır. Bu nedenle diğer su moleküllerinede belli bir mesafeden bağlanır ve yine benzersiz bir dizilim yapısı gösterir (Şekil 3.2). Bu benzersiz yapısı su moleküllerinin benzersiz özellikler göstermesine izin verir.

28 Suyun kohezyon yani bağlanma kuvveti, adezyon yani yapışma kuvveti olması suyun yüzeyinde bir yüzey gerilimi, yüzey filmi oluşmasını sağlar. Örneğin; bitkiler kohezyon, kuvveti ile topraktan suyu alıp, en uç yapraklarına, noktalarına kadar taşıyabilmesi, benzer şekilde köklerin topraktan suyun adezyon kuvveti sayesinde suyu alabilmesi bu eşsiz molekül yapısına ve moleküllerinin birbirine yönelimine bağlıdır (Şekil 3.3).

29 Benzer olarak, kohezyon özelliğine bağlı olarak oluşan yüzey filmi canlılar için yine büyük öneme sahiptir(şekil 3.4).

30 Suyun bir diğer özelliği de sıcaklığı düzenleme özelliğidir. Canlılarda hareket enerji kinetik bir enerjidir. Sonuçta açığa ısı çıkar. Ortaya çıkan sıcaklıktan yanmamak için bu sıcaklığın düzenlenmesi gerekir. Su, 0 C ta donar, 100 C ta kaynar. İnsan vücudunun ortalama ısısı 37 C olarak kabul edilir. İdeal oda sıcaklığı C tır. 1 g suyun 1 C ısınması için gereken ısıya 1 kalori (1 cal) adı verilir. 1 kilogram (kg) suyun 1 C ısınması için gereken ısıya 1000 cal (1 kcal) adı verilir. Bir diğer sıcaklık birimi ise joule (J) dur. 1 J = 0,239 cal, 1 cal= 4,184 J e eşittir. Yine suyun özgül ısısı dediğimiz değer ise 1g suyun 1 C ısıyı absorbe etme veya kaybetme ısısıdır. Böylece su geç ısınır ve geç soğur. Bunun avantajı ise, canlının ve yeryüzünün ısı değişikliklerine daha dirençli olmasını sağlamasıdır.

31 Bir diğer özelliği buharlaşma ve soğurma özelliğidir. 1 g suyun 25 C ta buharlaşması için gereken enerji 580 cal dir. Böylece yüksek enerjili bir aktiviteden sonra vücut hızla bu ısıyı soğurur ve vücudu soğutur. Katı hali sıvı halinin üzerinde yüzer yani buzun özgül ağırlığı sudan düşüktür. Çünkü su 4 C tan 0 C ta doğru donmaya başlar. Dolayısıyla 4 C su donmasa da donma noktasına yakındır ama su hala sıvıdır, bunun nedeni hidrojen bağlarının bu sıcaklıkta yavaş yavaş kırılmaya başlamasıdır. İşte bu nedenle canlı aktivitesini de minumum değere indiği bir sıcaklıktır ve buzdolabı da bu mantıkla yapılmıştır (Şekil 3.6).

32

33 Suyun bir diğer vazgeçilmez özelliği çözücü olmasıdır. Eğer bir veya daha fazla madde bir sıvı içinde tamamen çözünürse buna solusyon adı verilir ve bu sıvıya da çözücü denir. Su bilinen en iyi ve önemli çözücüdür. Örneğin sofra tuzu su içinde tamamen çözünür (Şekil 3.7).

34 Diğer çözünen, kısmen çözünen veya çözünmeyen iyonik, polar ve/veya nonpolar organik bileşenlerde canlıların yapılarına girerler (Şekil 3.8).

35 Hidrofobik ve hidrofilik özellik, su seven ve çözünen, bazı moleküller hidrofilik, su sevmeyen ve çözünmeyen bazı moleküller de hidrofobik moleküller adını alır. Bazı moleküllerde su sevmezler ve suyun içinde bir kitle yapısında dururlar. Bunlar da kolloid adını alırlar. Sulu solusyonlarda çözünen madde miktarı mol değerini ve litredeki miktarıda molerite değerini verir. Bunlar çözücü, su içeren solusyon ve çözücü hazırlamada hayati öneme sahiptir. Suyun asitliği ve bazlığı; su molekülü yapısında hem hidrojen hem hidroksit içerdiği için hem (+) hem de ( ) değere sahip olaması nedeniyle bipolar bir çözücüdür. Bazen iki suyun bağlanmasında bir hidrojen atomu daha bağlanırsa (H 3 O + ) hidroniyum denilen kararsız bir yapı ve hidroksit iyonu oluşur. Bu kararsız bir yapıdır ve nispeten daha kararlı su yapısına dönüşmeye çalışır.

36 Asitlik ve bazlık yapısında bileşiğin yapısında bulunan H + ve OH - iyonlarının miktarına bağlıdır. Eğer bileşiğin yapısında H + açığa çıkıyorsa asidik, OH - iyonları açığa çıkıyorsa bazik bir yapısı vardır. Su her iki bileşeni de içerdiği için genellikle nötr olarak kabul edilir. Asitlik ve bazlık değeri suyun yapısı ile hesaplanmış 14 değerli bir skala ile tanımlanır. Bu özellik ph (product hidrojen= hidrojen ürünü= ph) değeri olarak bilinir. Kuvvetli Asit Asit Baz Kuvvetli Baz Olarak örneklenebilir. Kabac ph skalasını bildiğimiz ürünleri dahil ettiğimiz bir şekilde kabaca gösterebiliriz (Şekil 3.10).

37

38 Suyun Tampon solusyon olma özelliği, canlıların canlılıklarını yada hücresel özelliklerini kaybetmeden saklamada kullanılan tuz solusyonlarına tamponlar denir. Tampon solusyonları genellikle uygun ph da hazırlanır. Canlının kanında ve yapısında farklı ph da pek çok tuz solusyonu yer alır. Karbonik asit bunlardan doğada en sık rastlananıdır. Bununla beraber insanların, teknolojik aktiviteleri de canlılık için ciddi öneme sahiptir. Bu şekilde açığa çıkan fazla CO 2 doğada ve özellikle okyanuslarda asitleşmelere yol açar. Yaklaşık yıldır gerçekleşen bu hadis günümüzde okyanusların ph sını yaklaşık 0,1 oranında asite doğru kaydırmıştır (Şekil 3.10).

39

40 Kaynaklar Campbell Biology 9th ed.(2011) Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Unit 1, Part:2-3, p: Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA