ÜNİTE 3: CANLILARIN TEMEL BİLEŞENLERİ VE METABOLİZMA

Transkript

1 ÜNİTE 3: CANLILARIN TEMEL BİLEŞENLERİ VE METABOLİZMA Anahtar kavramlar 3.1 Doğadaki maddeler ya saf elementlerden ya da onların belli bir oranda bir araya gelmesiyle oluşan bileşiklerden meydana gelir. 3.2 Bir elementin davranışı onun atom çekirdeği ve elektron miktarı tarafından belirlenir. 3.3 Atomlar kimyasal bağlarla birleşerek molekülleri oluşturur. 3.4 Kimyasal bağların biyolojik yapılardaki önemi büyüktür. Biyolojik işlevler bağlarla ve moleküllerin yapısıyla belirlenir. 3.5 Kimyasal reaksiyonlar sırasında kimyasal bağlar bozulur veya yeni bağlar oluşur. 3.6 Doğadaki su, canlılardaki önemli biyolojik işlevlerle birlikte ekosistemde önemli olayları gerçekleştirir. 3.7 Su kimyasal reaksiyonların gerçekleşebileceği ortamı ve maddelerin çözünmesini sağlar. 3.8 Dünya üzerindeki canlıların temel yapıtaşını karbon atomu meydana getirir. 3.9 Canlılarda çeşitli enerji dönüşümleri meydana gelir. Enzimler kimyasal reaksiyonları meydana getiren organik katalizörlerdir Hücredeki metabolik olayların kontrolü hücre çekirdeği tarafından sağlanır. Kimyasal maddelerin canlılarda nasıl organize olduklarını öğrenmeden önce onların atom yapısı hakkında çeşitli bilgilerimiz olması gerekir. İlk durağımız atomlar olacaktır daha sonra bunların hangi şartlar altında ve hangi çeşitte birbirleriyle birleştiklerini öğreneceğiz ve daha sonrada canlıların yapısına nasıl katıldıkları hakkında bilgi sahibi olacağız. Tüm bu bilgilere ulaşmadan önce suyun ve kimyasal maddelerin kökeni hakkında biraz bilgi sahibi olalım. Suyun ve kimyasal maddelerin kökeni Astronomlar dünyanın yaklaşık 4.6 milyar yıl önce çeşitli gezegenimsi maddelerin birleşmesiyle oluştuğuna inanır. Başlangıçtan 600 milyon yıl boyunca kimyasal bir evrim meydana gelmiştir. Herhangi bir canlının olmadığı bu dönem haden olarak adlandırılır.bu dönemde su olmakla beraber yüksek sıcaklıktan dolayı çabuk buharlaşıyordu.dünya soğudukça suda dünya yüzeyi üzerinde birikmeye başlamıştır. Dünya üzerinde su nasıl oluşmuştur ya da nereden gelmiştir? Bir görüşe göre dünyanın oluşumu sırasında meydana gelen birleşmeler toz ve buz kristallerinin dünyanın yapısına katılmalarını sağlamıştır. Sadece saf su halde değil örneğin nitrojen bileşiği şeklinde de su dünyanın yapısına katılmıştır. Dünya soğudukça kimyasal maddelerin ilk reaksiyonları su katmanları içerisinde olmuş ve canlıların yapısını oluşturacak olan kimyasal maddelere öncülük etmişlerdir. Şekil 3.1 Jeolojik zaman cetveli Maddelerin temel yapıtaşı: Atom Yeryüzündeki ve evrendeki tüm maddeler atomlardan oluşmuştur. Maddeler çok çeşitli biçimlerde olsalar da yapıtaşları 92 çeşit element den oluşmuştur. Bir bileşik ise değişik elementlerden ya da aynı çeşit elementlerden oluşur. Örneğin su iki hidrojen ve bir oksijen elementinden meydana gelir. Elementlerin ayrı bulunduklarında sahip oldukları özellikler bileşiklerde değişir. Canlıların vücutlarında birçok element bulunmaktadır. İnsan vücudunda en çok bulunan element oksijen ondan sonrada karbon, hidrojen ve azot gelir. Her element belli bir atom çeşidinden oluşur. Atomların çekirdeklerinde proton ve nötron bulunur. Etraflarında ise her atomun özelliğine göre çeşitli yörüngelerde dönen elektronlar yer alır. Nötronlar elektriksel olarak yüksüzken, protonlar çekirdeğe artı, elektronlar ise eksi yük kazandırır. Şekil 3.2 Helyum atomunun iki modeli

2 Örneğin helyum atomunun çekirdeğinde 2 proton(kırmızı) ve 2 nötron(açık kahverengi) vardır. İki elektron ise çekirdeğin çevresinde hızla hareket eden bir elektron bulutu oluştururlar. Her elementin atomuna özgü olan proton sayısı atom numarası olarak bilinir ve elementin simgesinin sol altına yazılır. 2 He simgesi bir helyum atomunun çekirdeğinde 2 proton bulunduğunu gösterir. Kütle numarası kavramı ise çekirdekteki proton ve nötronların toplamı olarak bilinir ve element simgesinin sol üst tarafına yazılır. 4 2He atomu 2 nötron içerir. Genelde atomların proton ve elektron sayıları birbirine eşittir. Örneğin bir sodyum atomun da 23 11Na 11 proton, 11 elektron ve 12 nötron vardır. Atomların kütlesini tanımlamak için dalton adı verilen ölçü birimi kullanılır. Atomik kütle birimi anlamına gelen bu kelime nötron ve protonun kütlelerinin bir birim olarak kabul edilmesini sağlar elektronun kütlesi ise bir protonun sadece 1 / kadardır. Kütle numarası atomun toplam kütlesine yakın bir ifadedir. Helyumun atom ağırlığı 4 dalton olarak ifade edilir. İzotoplar Bir elementin bütün atomları aynı sayıda protona sahip olmakla beraber bazı atomlarında daha fazla sayıda nötron içerir. Bu elementin farklı formlarına izotop denir. Örneğin Hidrojen elementinin 3 izotop formu bulunmaktadır. Atomuna dönüşürler. Radyoaktif izotoplar fosillerin yaş tayinlerinde veya bir elementin metabolizma sırasında canlı içerisinde izlediği yolu takip etmesini ortaya çıkarmada kullanılır. Şekil 3.4. Normal tirot metabolizmasına katılan iyot yeşil renk de bir görünüm sergilerken, hastalıklı bir tiroit bezinin tespiti sırasında radyoaktif iyot kullanılır. Elektronların enerji düzeyleri Atomların elektronları çekirdeğe göre sahip oldukları konumdan ötürü potansiyel enerjiye sahiptirler. Elektronlar çekirdekten ne kadar uzakta ise potansiyel enerjileri o kadar büyüktür. Bir atomdaki elektronların farklı potansiyel enerji miktarları enerji düzeyleri ya da elektron kabukları olarak adlandırılır. Çekirdeğe en yakın olan ilk kabuktaki elektronlar en düşük enerji düzeyine sahip olanlardır. Bir elektronun üst bir enerji düzeyine geçebilmesi için enerji soğurması gerekir. Elektronlar eski enerji düzeylerine dönerken de soğurdukları kadar enerjiyi dışarı verirler. Örneğin fotosentez sırasında güneş enerjisinin soğurulması bu temel ilkeye göre gerçekleşir. Şekil 3.3 Hidrojen elementinin izotopları Normal hidrojen atomunda nötron bulunmamakla beraber birinci izotopunda bir nötron diğer izotopunda ise 2 nötron bulunmaktadır. İzotopların atom numaraları aynı olmakla beraber kütle numaraları farklıdır. Radyoaktif izotoplar çekirdeği kendiliğinden parçalanarak parçacık ve enerji yayarlar. Bu nedenle proton sayısında değişme olduğundan başka bir elementin Şekil 3.5.a)Enerji düzeyleri b)atomun enerji düzeyleri

3 Bir atomun kimyasal davranışı elektronların çekirdek etrafında dizilişi tarafından belirlenir. Örneğin Hidrojenin bir elektronu ve Helyumun 2 elektronu ilk kabukta bulunur. İlk kabuk 2 den fazla elektron bulunduramaz. Lityum ise üç elektrona sahiptir.üçüncü elektronu 2.kabukta bulunur.ikinci kabuk ise en fazla sekiz elektron bulundurabilir. Kimyasal davranış en dış kabukta bulunan elektronlar tarafından belirlenir. En dış kabuktaki elektronlara valans elektronları en dış kabuğa ise valans kabuğu denir. Lityumda sadece 1 tane valans elektronu vardır. Atomlar kararlı duruma sahip olmak için valans elektronları ile etkileşime girerler. Ama Helyum, Neon,Argon gibi element atomları en dış kabuklarında dengede oldukları için kimyasal etkileşmeye girmezler. Atomlar arasındaki kimyasal etkileşmeler daha çok elektronları ortaklaşa kullanmak ya da birbirlerine vermekle gerçekleşir. Şekil 3.6 Bazı atomların elektron dizilişleri Kimyasal bağlar Tamamlanmamış valans elektron kabuklarına sahip atomlar başka atomlarla etkileşime girerek kendi valans kabuklarındaki eksik elektronları tamamlamaya çalışırlar. Bu etkileşimler kimyasal bağlar denilen çekim kuvvetlerini oluşturur. En güçlü kimyasal bağ çeşitleri kovalent ve iyonik bağlardır. Kovalent bağlar İki hidrojen ya da iki oksijen atomu elektron ihtiyaçlarını sahip oldukları elektronları ortaklaşa kullanmakla giderirler. Şekil 3.7 Dört farklı kovalent bağ İki hidrojen atomu birbirleriyle karşılaştığında bir tane kovalent bağ oluşturabilir. Çünkü her bir hidrojen atomu kararlı enerji seviyesine ulaşabilmek için bir elektrona ihtiyacı vardır. Oysa oksijen atomunun kararlı enerji seviyesine ulaşabilmesi için 2 elektrona ihtiyacı vardır. Dolayısıyla 2 oksijen atomu birbirleri arasında 2 kovalent bağ oluşturabilir. İki hidrojen atomu bir molekül su oluşturacak şekilde bir tane oksijen atomu ile birleşebilir.(şekil 3.7 c) Dört tane hidrojen atomu bir karbon atomunun en dış kabuğundaki elektronları sekize tamamlamak birleşir ve metan oluşur. (Şekil 3.7 d)

4 Bir atomun kovalent bağ elektronlarına karşı gösterdiği ilgi elektronegatiflik olarak bilinir. Bir atom ne kadar elektronegatif ise paylaştığı elektronları o ölçüde kendine doğru çeker. Aynı elementin iki atomu arasında oluşan kovalent bağda elektronlara uygulanan çekim kuvvetleri birbirlerine eşittir. İyonik bağlar Elektron alışverişi olarak gerçekleşen bağlara iyonik bağlar denir. Örneğin Tuz (NaCl) oluşumunda Na atomunun valans kabuğunda bir elektron vardır, Klorda ise valans kabuğunda 7 elektron vardır.kararlı yapıya ulaşabilmesi için klorun bir elektrona ihtiyacı vardır ve bunu da sodyumda sağlar.böylece elektron veren sodyum pozitif yükle yüklenirken klor ise negatif yükle yüklenir aralarındaki çekim gücü iyonik bağ oluşumuna neden olur. Şekil 3.8 Bazı elementlerin elektronegatiflik gücü Elekronların eşit olarak paylaşıldığı bu tip bağlara polar olmayan kovalent bağlar denir. Örnek Oksijen( O 2 ), Hidrojen (H 2 ) ve Metan (CH 4 ) molekülü. Oysa bazı moleküllerdeki atomlar paylaştıkları elektronları eşit kuvvetle çekmezler. Örneğin Su molekülünde ortak kullanılan elektronlar oksijen molekülü tarafından daha çok çekilir, bundan dolayı oksijen kısmı negatif yüklüyken, Hidrojen kısmı pozitif elektrik yükü ile yüklüdür.bu tip bağlara polar kovalent bağlar denir. Şekil 3.10 Tuz oluşumu sırasında elektron aktarımı Doğada tuz kristalleri çok sayıda sodyum ve klorun birleşmesinden meydana gelmiştir. Şekil 3.11 Bir tuz kristali Şekil 3.9 Su molekülündeki polar kovalent bağ Canlı organizmaların içerisinde kovalent ve iyonik bağlar güçlü bağların oluşmasına neden olur ve bunlar kimyasal moleküller arasında gerçekleşir. Fakat güçlü bağlarla birlikte zayıf bağlarında hücre içerisinde oluşması önemlidir. Örneğin kimyasal bir moleküler hücre içerisinde temas ettikten sonra ayrılabilmelidir güçlü bağlarla bu çeşit bir geçici bağlanma meydana getirilemez. Zayıf bağlar denilen özel bağlar bu çeşit bir ihtiyacı karşılar. Beyin hücre zarındaki bir alıcıya bağlanan kimyasal bir molekül kısa

5 süre sonra ayrılır. Canlılar için zayıf bağların büyük bir önemi vardır. Hidrojen bağları Elektronegatif bir atoma kovalent bağlı bir hidrojen atomun başka bir elektronegatif atom tarafından çekilmesiyle hidrojen bağları meydana gelir. Örneğin Su ile amonyak arasındaki hidrojen bağında su ve amonyağın polar kovalent bağlara sahip olması önemlidir. Böylece suyun hidrojen tarafı + amonyağın azot tarafı ise - elektrik yüküne sahiptir. Yaklaştıkların aralarında zayıf bir hidrojen bağı oluşur. Aynı şekilde iki su molekülü arasında da zayıf hidrojen bağları vardır. Moleküllerin biçimleri şekilleri moleküllerin birbirlerini tanıyarak tepki vermelerini sağlar. Bu bir anahtar kilit uyumuna benzetilebilir. Biçimsel uyumluluk iki molekül arasında zayıf bağların oluşmasını sağlayarak tepkimenin oluşmasına neden olur. Moleküler şekli beynin haberci moleküllerine benzeyen moleküller, (örneğin morfin gibi) ruh halini ve acının algılanmasını etkileyebilir. Bu tür ilaçlar beyindeki endorfin reseptörlerine bağlanarak uyuşturucu madde etkisini yapar. Şekil 3.13Moleküler taklit Şekil 3.12 Hidrojen bağı Van der Waals etkileşimi Polar olmayan bir kimyasal molekülde bile elektronların hareketleri sonucunda eşit bir yük dağılımı meydana gelemeyebilir. Bunun sonucu atomların ve moleküllerin birbirlerini çekmesini sağlayan ve her an değişebilen artı ve eksi yüklü bölgeler ortaya çıkar. Bu noktalar kısa erimli ve zayıf bağların oluşumuna neden olur. Kimyasal tepkimeler sırasında kimyasal bağlar yıkılır ya da yeniden kurulur. Kimyasal tepkimeler maddeyi koruyarak reaksiyona girenleri bir süre sonra ürünlere dönüştürür. Kimyasal tepkimelerin çoğu geri dönüşümlü olarak meydana gelir. İleri ve geri yönlü olan tepkimelerin hızları birbirine eşit olduğunda kimyasal denge meydana gelir.

6 Su ve Çevre Su moleküllerindeki bağlar polar bağlardır. Oksijenin bulunduğu bölge eksi hidrojenin bulunduğu bölge ise artı yük taşır. Bundan dolayı su molekülleri arasında çekim kuvvetleri oluşur ve hidrojen bağları meydana gelir. Bir su molekülü en fazla dört su molekülü ile hidrojen bağı kurabilir. Şekil 3.14 Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları Suyun canlılar için önemi genelde şu özelliklerinden kaynaklanır. 1. Kohezyon kuvveti 2. Sıcaklığı dengeleme 3. Donduğu zaman genleşmesi 4. İyi bir çözücü olması Su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarının kuvveti kovalent bağlarından 20 kat daha küçüktür. Hidrojen bağları ile su moleküllerini bir arada tutunması kohezyon kuvveti olarak adlandırılır. Bitkilerde yapraklardan buharlaşan suyun yerine topraktan emici tüylerle su alınır. Su molekülleri odun boruları içinde birbirlerine kohezyon kuvveti ile bağlıdır. Buharlaşan suyun yerine topraktan kohezyon kuvveti ile çekilen su koyulur. Su molekülleri damarlar içinde kopmayan bir sütün şeklinde dizilmiştir. Şekil 3.15 Suyun üzerinde durma Hidrojen bağları suyun yüzey gerilimini oluşturur. Suyun önemli özelliklerinde biri çevremizdeki ısıyı dengelemede önemli bir görev almasıdır. Hava sıcaklığının kararlı bir denge içerisinde değişmesi suyun özelliğinden kaynaklanır. Suyun sıcaklığı kararlı bir denge içerisinde tutma yeteneği onun özgül ısısının yüksek olmasından kaynaklanır. Bir bileşiğin özgül ısısı o bileşiğin 1g ının sıcaklığını 1 0 C değiştirmek için soğurulması ya da kaybedilmesi gereken ısı miktarı olarak adlandırılır. Su için bu değer 1 kalori olarak değerlendirilirse etil alkol için 0.6, demir için 0.1 dir. Suyun yüksek bir özgül ısıya sahip olmasının nedeni hidrojen bağlarından kaynaklanır. Hidrojen bağlarının kırılması için gereken ısı yüksektir.yaz mevsiminde güneşten gelen ısının çoğu deniz ve göllerdeki su tarafın dan soğurularak depolanır.ancak suyun sıcaklığı çok az artar. Gece ise bu ısı çevreye verilir. Böylece ılıman bir bölge meydana gelmiş olur. Çöllerin geceleyin soğuk olmasının nedeni gündüz yüksek ısıyı tutacak su gibi kaynaklara sahip olmamasıdır. Buharlaşma ısısı 1 gram sıvının sıvı durumdan gaz durumuna geçmesi için alması gereken ısı miktarıdır. Suyun buharlaşma ısısı birçok sıvının buharlaşma ısısından yüksektir. Yaklaşık 580 kaloridir. Bu durum gene hidrojen bağlarının bağlanma biçiminden kaynaklanır. Yüksek buharlaşma ısısı iklimin ılıman halde tutulmasına yardım eder. Yüksek buharlaşma ısısı bitkilerdeki yaprakların gün ışığında aşırı ölçüde ısınmasını önler. İnsan derisin de ise bu durum vücut sıcaklığını düşürür ve fazla ısı böyle deri yardımıyla düşürülür. Okyanusların ve göllerin tamamen donmaması ise suyun bir başka ilginç özelliğidir. Su donduğu zaman hacimce büyür ve yoğunluğu sıvı sudan daha az olur böylece yüzeyin üstüne çıkar. Bundan dolayı göllerin sadece üst kısımları donar. Bu durumun nedeni gene hidrojen bağlarıdır. 4 0 C nin üzerindeki sıcaklılarda su diğer sıvılar gibi davranır, yani ısındığında genleşir, soğuduğunda ise hacimce küçülür. Sıcaklık 0 0 C ye düştüğünde su kristal örgü içerisinde hareketsizleşir ve her su molekülü 4 molekül ile hidrojen bağı yapar. Kristal içerisinde daha fazla boş alan olduğu için buz aynı hacimdeki sıvı sudan daha az molekül içerir. Böylece buzun yoğunluğu sıvı suyun yoğunluğundan daha azdır. Göllerin yüzeyi donunca alttaki suyun sıcaklığı her zaman 0 0 C nin üzerinde olması sağlanır ve yaşam altta devam eder eğer su donduğunda hacimce küçülseydi sular dipten donmaya başlayacak ve yaşamı imkansız hale getirecekti.

7 Su bütün canlılarda en iyi çözücü olarak grev alır. İki ya da daha çok sayıda bileşiğin homojen karışımı halindeki bir sıvı çözelti olarak bilinir. Çözeltide çözücü ve çözünen olmak üzere iki bileşen bulunur. Suyun iyi bir çözücü olmasının nedeni polar bir bileşik olmasıdır. Bir tuz çözeltisi içerisinde su moleküllerindeki oksijen eksi yüklü olduğu için, sodyum katyonları ile bağ oluşturur. Hidrojenler eksi yüklüdür ve klor anyonları tarafından çekilirler ve katı tuz kristalleri su içerisinde yavaşça çözünmeye başlar. Çözünmüş haldeki her iyonun çevresindeki su moleküllerinden oluşan bu küre hidrasyon kabuğu olarak bilinir. Proteinler gibi çok büyük moleküller bile, eğer dış yüzeylerinde iyonik ve polar bölgeler barındırıyorlarsa suda çözünürler. İyonik veya polar olsun suya karşı çekim gösteren herhangi bir bileşik hidrofilik olarak adlandırılır. Suya ilgi duymayan bileşiklerde hidrofobik olara bilinir.bu tür bileşikler iyonik ve polar değildir. Örneğin yağ molekülleri su içerisinde çözünmez Şekil 3.17 Tuzun su içerisinde çözünmesi

8 Canlılar ph değişikliklerine karşın çok duyarlıdırlar. Asit denilen bileşikler çözündüklerinde ortama H + iyonu verirler. Örneğin suya HCl (Hidroklorik ) asit eklendiğinde hidrojen iyonları ayrılır. HCl H + + Cl - Bir çözeltinin hidrojen iyonu yoğunluğunu azaltan bileşiklere baz denir. Ayrıca ortamın OH - iyonu yoğunluğunu arttırırlar. NaOH Na + + OH - Ortamın Asit ya da baz mı olduğu ph metre cinsinden ölçülerek ifade edilir. Nötral çözeltinin ph sı 7 dir. 0 ile 7 arası değerler ortamın asit 7 ile 14 arası değerler ortamın baz olduğunu gösterir. Mide sıvısı, limon suyu Sirke,bira,şarap Domates suyu Sade kahve, Yağmur suyu İdrar Saf su İnsan kanı Deniz suyu ph artışında H 2 CO 3 HCO H + ph düştüğünde H + vericisi H + alıcısı Hidrojen (asit) (Baz) iyonu Karbonik asit ve bikarbonat arasındaki kimyasal denge ph ayarlayıcısı olarak davranır ve tepkimenin sağa ya da sola kaymasını sağlar. Eğer kandaki hidrojen iyonu yoğunluğu artarsa(ph düşerse) bikarbonat baz gibi davranır ve çözeltideki fazla hidrojeni uzaklaştırır yani tepkime sola doğru gerçekleşir. Asit yağmurları terimi ph sı 5.6 dan daha asidik olan yağmur kar ya da sis için kullanılan bir terimdir.fosil yakıtların (Kömür,Petrol) aşırı tüketilmesiyle oluşan kükürt oksit ve azot oksitlerin havadaki su buharı ile tepkimeye girmesinden asit yağmurları oluşur. Bu yağmurlar göllerdeki yaşamı ve toprak üzerindeki bitkilerin beslenmelerini zora sokarak ölümlerine ve canlı yaşamın durmasına neden olurlar. ph Magnezyum hidroksit Amonyak sıvısı Çamaşır suyu Yağ çözücü maddeler Şekil 3.18 Bazı çözeltilerin ph sı Canlı hücrelerin çoğunun ph sı 7 ye yakın olmak zorundadır. Küçük değişiklikler bile ölümle sonuçlanır. Tamponlar bu ayarlamayı yapan bileşikler olarak adlandırılır. Tamponlar çözeltideki hidrojen iyonu yoğunluğu arttığında bunları çözeltiden uzaklaştıracak ya da çözeltideki hidrojen iyonları yoğunluğu azaldığın da, çözeltiye hidrojen iyonu verecek şekilde çalışır. En önemli tamponlardan biri kanda bulunan karbonik asittir. Karbonik asit bikarbonat iyonu (HCO - 3) ve hidrojen iyonu (H + ) verecek şekilde ayrılırlar. Şekil 3.19 Asit yağmurlarının ormana etkisi

9 Moleküllerin fonksiyonel özellikleri Karbon içeren bileşiklere organik bileşikler adı verilir.doğada birçok çeşit organik madde vardır.bunların birçoğu canlılar tarafından üretilir.bu çeşitlilik karbon iskeletindeki değişkenlikten ortaya çıkar.karbon iskelet üzerinde hidrojen, oksijen, azot başta olmak üzere diğer elementler bağlanır.hidrokarbonlar ise sadece karbon iskelet üzerine bağlı hidrojenleri ifade eder. Örneğin yağlar çok uzun hidrokarbon zincirler içerir. Petrol ve yağ gibi hidrokarbon bileşikler suda çözünmez hidrofobik özellik gösterirler. Şekil 3.21 Optik izomerler Şekil 3.20 Yağlardaki hidrokarbonlar yakıt deposu görevi görür. L-Dopamin Parkinson ahstalığının tedavisinde kullanılan bir ilaçtır. Oysa bu ilacın ayna görüntüsüne sahip olan D- Dopa nın Parkinson hastalığının tedavisinde hiçbir etkisi yokdur. Organik moleküllerin mimari farklılıkları izomerler olarak bilinir. Aynı molekül formülüne sahip olmakla beraber atomların diziliş sıralarını değişmesi gibi farklı yapısal özellikler kimyasal maddelerin davranış özelliklerini de değiştirir. Yapısal izomerlerde atomların kovalent düzenlenişleri birbirinden farklıdır. Örneğin Bütan ve izobütanın kimyasal formülü aynı olmakla beraber atomların diziliş sırası farklıdır. L-Dopa D-Dopa Optik izomerler ise asimetrik karbon atomunun etrafındaki düzenlenişleri açısından farklılık gösterirler. Sağ el ve sol el örneğine benzer şekilde birbirlerinin ayna görüntüsünü oluştururlar. Genellikle bu izomerlerden biri biyolojik olarak aktif iken diğeri inaktifdir. Şekil 3.22.Optik izomerlerin farklı etkisi Organik moleküller içerdikleri atom sayıları açısından büyük bir çeşitlilik içerisindedirler. Ayrıca hepsinin üç boyutlu bir şekli vardır. Bu şekilsel farklılık moleküllerin görevleri açısından da önemlidir. En önemli özellikleri ise her bir organik molekülün kendisine ait bir görevi olmasıdır.

10 Fonksiyonel gruplar Bir organik molekülün ayırt edici özellikleri sadece karbon atomunun sayısı düzenleniş biçimi değil aynı zamanda bu iskelete bağlı moleküler bileşiklere de bağlıdır. Fonksiyonel gruplar olarak bilinen organik moleküller farklı çeşit bileşiklere katılıp birbirine benzer kimyasal davranış biçimleri sergilerler. Canlılarda en önemli fonksiyonel gruplar hidroksil, aldehit, keton, karboksil, amino, fosfat ve sülfidril gibi organik maddelerdir.fonksiyonel gruplar dışında kalan değişebilen bölgeler ise R harfi ile sembolize edilir. Hidroksil grubu oksijen atomuna bağlı bir hidrojen atomu içerir ve karbon iskelete bağlanır.ayrıca hidroksil grupları içeren organik bileşikler alkoller olarak bilinir. Hidroksil grubu polardır. Suda çözünmeleri mümkün hale böylece gelmiş olur. Karbonil grubu karbon iskeletin ucunda ise aldehir, diğer durumlarda ise keton olarak isimlendirilir. En basit keton üç karbonlu asetondur.karboksil grupları içeren bileşiklere karboksilik asitler ya da organik asitler adı verilir. Örneğin asetik asit suda iyonize olup ortama hidrojen verir. Amino grubu iki tane hidrojen atomuna bağlı bir azot atomundan meydana gelir. Bu tür organik maddeler aminler olarak adlandırılır. Glisinin bir tane de karboksil grubu olduğu için bu organik madde hem amin hem de karboksilik asittir. Bir kükürt atomu ve buna bağlı bir hidrojen atomundan meydana gelen gruba sülfidril (-SH) adı verilir. Örnek tioller.fosfat inorganik bir asit olan fosforik asitin iyonize olmasıyla oluşan bir anyondur. Hidrojen iyonunun kaybedilmesi ile Fosfat grubu (-OPO 3 2- ) içeren organik bileşikler, karbon zincire kovalent bağlı bir fosfat iyona sihiptirler. En önemli işlevleri enerji organik bileşikler arasında enerji aktarımı yapabilmeleridir. Organik moleküllerin her biri kendine has özelliklere sahiptir. Bu özellikler moleküldeki karbon iskeletinin ve bu iskelete eklenen fonksiyonel grupların özgül düzenlenişlerinden kaynaklanır. Biyolojik çeşitliliğin temelinde, moleküler düzeydeki Farklılık yatar. Şekil 3.23 Organik bileşiklerdeki fonksiyonel gruplar.

11 MAKROMOLEKÜLLER Hücrelerde bir çok çeşit organik madde bulunur. Büyük çeşitliliğe rağmen yeryüzünde bulunan canlılarda temel organik maddeler vardır. Dokuların büyük bir kısmı sudur. Geriye kalan en büyük kısmı organik maddeler diğeri de inorganik maddelerdir. Canlılarda bulunan organik maddelerin büyük bir kısmı proteinlerdir. tarafından kodlanır. Hücre metabolizması DNA tarafından kontrol edilerek yönetim sağlanmış olur. Şekil 3.24 Canlılardaki madde oranı Canlılardaki organik bileşiklerin çoğu polimer adı verilen, büyük ve birbirlerinin aynısı veya benzeri olan moleküllerin kovalent bağlarla bağlanarak oluşturdukları uzun bir moleküldür. Polimerlerin yapıtaşlarına ise monomer adı verilir. Monomerlerin birbirlerine bağlanmaları sırasında aralarında kovalent bağ oluşurken bir molekül su açığa çıkar. Bu tür su açığa çıkaran reaksiyonlara dehidrasyon tepkimesi adı verilir. Monomorlerden birinin hidroksil (OH) grubu ile diğer monomerin hidrojen (H) grubu bu su molekülünü meydana getirir. Polimerler hidroliz adı verilen reaksiyonla monomerlerine ayrılır. Bu reaksiyon için su moleküllerine ihtiyaç vardır. Tükettiğimiz besinlerdeki birçok bileşik polimer şeklindedir. Sindirim sırasında bu polimerlerin monomerlerine dönüşmesi sindirim enzimleri sayesinde hidroliz reaksiyonlarına tabi tutulur. Daha sonra incebağırsaklarda emilen monomerler dolaşım sistemine geçer ve hücrelerimize ulaşınca tekrar bize uygun polimerler üretmek için enzimler sayesinde dehidrasyon reaksiyonuna tabi tutulurlar. Canlılar dünyasında sayılamayacak derecede polimer mevcuttur. Monomerlerin belli olmasına karşın bu çeşitlilik farklı canlıların oluşmasını sağlar. Hücrelerimizde hangi polimerlerin yapılacağı bilgisi DNA Şekil 3.25 Polimerlerin sentezi ve yıkılması Karbonhidratların yapıtaşları Karbonhidratlar hem en basit şekerlerden hem de karmaşık polimerlerden oluşan bir organik madde grubudur. En küçük karbonhidratlar monosakkaritler adını alır, yakıt ve karbon kaynağı olarak işlev görürler. Bunlar CH 2 O nun katları ile ifade edilebilecek molekül formüllerine sahiptirler. Bu iskeletteki karbon sayısı üç ile 7 arasındadır. Asimetrik karbon atomu etrafındaki dizilişlerine göre çeşitli izomerleri bulunur. Üç karbonluların en önemlisi gliseraldehit, beş karbonlulara örnek Riboz ve deosiriboz, altı karbonlulara örnek olarak ise, Glukoz, Fruktoz ve Galaktoz verilebilir. Gliseraldehit C 3 H 6 O 3 Riboz ve Deoksiriboz C 5 H 10 O 5 ) Glukoz,Fruktoz ve Galaktoz C 6 H 12 O 6 )

12 Disakkaritler iki monosakkaritin glikozit bağı ile birleşmesiyle meydana gelir. Dehidrasyon tepkimesiyle aralarında kovalent bir bağ oluşur. Maltoz iki molekül grlukozun birleşmesinden meydana gelir.malt şekeri de olarak bilinen maltoz bira yapımında kullanılır. Çay şekeri olarak bilinen sükroz ise glukoz ile fruktozun birleşmesinden meydana gelir. En çok bulunan disakkarit çeşitlerindendir. Laktoz ise sütte bulunan bir disakkaritdir ve glukoz ile galaktozun birleşmesinden meydana gelir. Şekil 3.26 Başlıca monosakkarit çeşitleri Monosakkaritlerin en önemlisi olan glukoz ( C 6 H 12 O 6 ) hücreler için temel besin kaynağı görevini görür. Hücre solunumu adı verilen olayla parçalanarak karbondiosit ve suya dönüşür bu olay sırasında da enerji açığa çıkar. Enerji kaynağı oalarak görev yapmakla beraber, temel besin kaynaklarının sentezi sırasında hammadde olarak da kullanılır. Polisakkaritler yüzlerce ya da binlerce monosakkaritin birleşmesiyle meydana gelir. Besin deposu ya da yapısal madde olarak iş görürler. Depo poslisakkaritlerin en önemlileri Nişasta ve Glikojendir. Nişasta bitkisel, Glikojen ise hayvansal bir depo polisakkarit çeşididir.nişastanın iki formu vardır. Amiloz (dallanmamış) ve amilopektin (dallanmış).nişasta bitkilerdeki kloroplastlar içinde yapılır ve depolanır. Fotosentez sonucu sentezlenen glukoz, nişasta şeklinde depolanır. Şekil 3.27 Disakkarit sentezine ait iki örnek

13 Şekil 3.28 Depo polisakkaritler Glikojen makromolekülünü oluşturan glukozlar ise daha çok dallanmış bir yapı formunu oluştururlar. Omurgalılarda glikojen karaciğer ve kas hücrelerinde depolanır. Glukoza gereksinim duyulduğunda glikojen glukoza dönüştürülür. Selüloz adı verilen polisakkarit bitki hücrelerinin sert çeperini meydana getirir. Ayrıca selüloz yeryüzünde en çok bulunan organik bileşiktir. Nişasta ve selülozdaki fark glikozit bağlarının oluşma şeklidir. Bu durum üç boyutlu yapılarının da farklı olmasına neden olur. Nişasta molekülleri sarmal şeklinde iken selüloz molekülleri doğrusal bir yapıdadır. Selüloz molekülleri mikrofibril adı verilen grupları meydana getirir. Nişasta üzerine etkili olan enzimler selüloz üzerine etkili olamazlar. İnsanda sindirilemeyen selüloz dışarı atılır. Geviş getiren memelilerin midelerinde selülozu sindirimini sağlayan bakteriler bulunur. Buna benzer olarak termitlerinde midelerinde bulunan bakteriler odunu sindirici enzimler salgılarlar. Şekil 3.29 Selülozun bitki hücre çeperindeki yapısı.

14 Şekil 3.30 Nişasta ve selülozun yapısı Diğer polisakkarit çeşitleri ise enerji transferinde rol oynayan frıktoz 1-6 bifosfat, hücre dışı matrix alanı oluşturan amino şekerler ve böcek kabuklarını oluşturan kitindir.saf kitin deri gibi yumuşak olmasına rağmen kalsiyum karbonat birikmesiyle beraber sertleşir. Yağlar Lipid adı verilen yağlar bir araya geldiklerinde gruplaşan ve suya karşı çekim etkisi göstermemeleri olarak bilinen organik moleküllerdir. En önemli grupları yağlar, fosfolipidler ve steroidlerdir. Başlıca görevleri, --Enerji deposu olarak kullanılması --Hücre zarlarının yapısına fosfolipid olarak katılması. --Karotinoidler olarak ışık enerjisinin soğurulması --Steroid olarak hormon ve vitamin yapısında görev almaları --Isı izolasyonu olarak hayvanların deri altında bulunmaları --Sinir hücrelerini çevreleyen izolasyonun yapılmasında --Kürk ve deri üzerinde salgılanarak suya karşı koruma oluşturmaktır. Yağlar polimer bileşikler olmamalarına karşın büyük moleküllerdir. Bir yağ molekülü (Trigliserit) bir gliserol ile 3 yağ asitinden meydana gelmiştir. Bir yağ asiti genellikle 16 ya da 18 karbon içeren uzun bir karbon iskelet den meydana gelmiştir.yağ asitlerinin C-H bağları yağların hidrofobik olmalarına neden olur.yağ asitlerinin her biri ester bağı ile gliserole bağlanır. Şekil 3.31 Diğer polisakkarit çeşitleri

15 Yağ asitinin karboksil grubunun hidroksili ile gliserolun hidrojen grubu aradan çıkar ve bir ester bağı meydana gelir. Şekil 3.32 Yağ molekülü Yağ asitleri kendi aralarında iki gruba ayrılırlar. Doymuş ve doymamış yağ asitleri. Doymuş yağ asitlerinde karbonlar arasında tekli bağlar bulunur ve mümkün olabildiğince fazla hidrojen vardır. Doymuş yağlar katı yağlardır. Ayrıca bu tür doymuş hayvansal yağlar damar hastalıklarının nedeni olarak kabul edilirler. Eğer karbonlar arasında çift bağlar varsa oda sıcaklığında sıvı halde bulunurlar, çift halkaların yer aldığı dirsek bölgeleri birbirlerine yaklaşıp katılaşmalarını engellerler. Örneğin bitkisel yağlar sıvı yağlardır. Bir gram yağın sağladığı enerji bir gram nişastanın sağladığı enerjinin iki katıdır. Bu özellik yağ asitlerinin uzun hidrokarbon zincirlerinden kaynaklanır. Bitkisel yağlar genelde tohumlarda depolanır. Hayvanlarda ise yağlar adipoz adı verilen yağ hücrelerinde depolarlar. Bu hücreler genişleyip küçülebilme özelliklerine sahiptirler. Ayrıca yağlar diğer organlara desteklik görevi görürler. Deri altı yağ dokusu ise vücudun ısı izolasyonu için önemlidir. Balina fok gibi memelilerde kalın bir yağ tabakası bulunur. Fosfolipidler yağlara benzemekle birlikte üç yerine iki tane yağ asidi kuyruklarına sahiptirler ve hücre zarlarının temel yapısını oluştururlar. Suya karşı iki yönlü bir davranış sergilerler. Hidrokarbonlardan yapılı kuyruk kısımları hidrofobik olup sudan kaçarlar. Buna karşılık fosfat grubu ve buna ekli kısımlar su ile etkileşen hidrofilik başı oluşturur. Şekil 3.34 Fosfolipidlerin yapısı Fosfolipidler suya eklendiğinde kendiliğinden bir araya gelerek kümeleşirler.hücre yüzeylerinde fosfolipidler çift katlı bir tabaka şeklindedirler. Moleküllerin hidrofilik başları çift tabakanın dış tarafında yer alır ve hücrenin iç ve dış kısımlarındaki sıvı ile temas halindedir, buna karşın suyu sevmeyen hidrofobik kısımları ise sudan uzaklaşacak biçimde birbirine bakan bir konumda yerleşir. Şekil 3.33 Doymuş ve doymamış yağ asitleri

16 Şekil 3.35 Hücre zarı çift tabakalı yapısı Proteinler Proteinler birçok işlevde kullanılır. Desteklik, depolama,bileşiklerin taşınması, sinyal iletimi, hareket ve hücresel savunma gibi birçok görevleri vardır. Hücredeki biyokimyasal reaksiyonları gerçekleştiren enzimlerinde yapısı proteindir. Proteinlerin üç boyutlu bir yapısı olduğundan çok çeşitli proteinler meydana gelebilir. Yirmi çeşit aminoasit değişik sayıda sırada dizilebileceğinden sonsuz çeşitte bir protein çeşitliliği vardır. Bir protein özgün bir yapıda kıvrılmış bir ya da birden fazla polipeptidden oluşur. Amino asit polimerleri polipeptid olarak adlandırılır. Amino asitler merkezlerinde bir alfa karbon bulundurur. Buna bağlı bir hidrojen, amino, karboksil ve 20 çeşit amino asitte değişen bir değişken (R) grup vardır. Diğer bir yağ çeşidinden olan karotinoidler ışık enerjisini absorbe etme özellikleri vardır. Örnek Beta karoten bitkilerde fotosentez sırasında ışığı absorbe edebilirken insanlarda iki vitamin A molekülüne dönüşür. Şekil 3.38 Bir amino asitin yapısı Şekil 3.36 Beta karoten A vitamini kaynağıdır. Steroidler ise birbiriyle kaynaşmış dört adet karbon halkası içeren bileşiklerdir. Kolesterol hücre zarlarının yapısına katılan en önemli steroiddir.ayrıca bazı hormonlar ve vitaminler steroid yapıdadır. Amino asitler yan zincirlerinin özelliklerine göre gruplandırılır.asidik amino asitler hücre içi ph da iyonik halde bulunan bir karboksil grubunun varlığından dolayı eksi yük taşırlar. Bazik amino asitler ise yan zincirlerinde genellikle artı yük taşıyan amino gruplara sahiptirler. Elektriksel yükü taşıdıklarından ötürü asidik ve bazik yan zincirler aynı zamanda hidrofobiktirler. Kolesterol D Vitamini Şekil 3.37 Önemli steroid yapıdaki yağlar Kortizol Testosteron

17 Şekil 3.39 Amino asit çeşitleri Amino asit çeşitlerinden beş tanesi su ile etkileşime girebilen elektriksel olarak yüklü değişken gruplar içerir. Beş amino asit ise su ile zayıf hidrojen bağları oluşturabilen elektriksel yükü olmayan fakat polar ve hidrofilik olan değişken gruplar içerir. Yedi amino asit ise polar olmayan hidrokarbon atomlar içerir hidrofobiktir suda çözünmez. Sistein, glisin ve prolin adlı amino asitler ise hidrofobik gruplar içerir. Bir amino asitin karboksil grubu ile peşinden gelen amino asitin amino grubu arasında dehidrasyon tepkimesi olur ve bir su açığa çıkar iki amino asit arasında peptid bağı meydana gelmiş olur. Şekil 3.40 Peptid bağı oluşumu

18 Proteinlerin birbirlerinden farklı olmalarının nedeni onları oluşturan amino asitlerin farklı sayıda ve farklı sırada birleşmelerinin oluşturduğu çeşitliliktir. Bükülüp kıvrılabilme özellikleri proteinlere üç boyutlu bir nitelik kazandırır. Örneğin lizozim enzimi ter, gözyaşı ve tükrükte bulunur. Lizozim proteinin oluk kısmı bakteri duvarındaki hedef molekülleri tanır ve onlara bağlanarak enfeksiyonları önler çıkarır ve alyuvarlar bozulur görev yapamaz hale gelir. Şekil 3.41 Lizozim enziminin iki model görüntüsü Proteinlerin özgül yapılarının ortaya çıkabilmesi dört düzey aşamasından sonra gerçekleşir. Hücrede bir polipeptid yapıldığı zaman bu zincir kendiliğinden katlanır. Bu katlanma sonucu zincirin farklı kısımları arasında bağlar meydana gelir. Bir proteinin birincil, ikincil ve üçüncül üç yapısal düzeyi bulunur. Dördüncül düzey ise iki ya da daha fazla polipeptidin birleşmesiyle meydana gelir. Bir proteinin birincil yapısı onun kendine özgü amino asit dizisinden oluşan polipeptid zinciridir. Örneğin lizozim enzimi küçük bir proteindir ve 19 amino asitden meydana gelir. Amino asit dizisi DNA üzerindeki genetik kod tarafından kodlanır. Genetik koddaki herhangi bir mutasyon proteinin birincil yapısındaki amino asit dizilişini değiştirir ve protein kendi görevini gerçekleştiremez. Örneğin orak hücre anemisinde hemoglobinin birincil yapısında 6.amino asit Glutamin olacağına valin olarak değişir. Bu değişiklik hemoglobinin kristalleşmesini ortaya Şekil 3.42 Orak hücre hastalığı Proteinlerin sadece birincil yapıdan oluşan amino asit zincirleri,tekrarlayan kıvrımlar ve katlanmalar gösterdikçe ikincil yapıları gözlenmeye başlar.ikincil yapı iki şekilde görülebilir birincisinde her dört amino asitte yer alan hidrojen bağları ile oluşan kıvrımlardır. Bu yapı alfa heliks olarak adlandırılır. Diğer bir ikincil yapıda ise beta pilili olarak bilinir ve polipeptid zincirleri yan yana sıralanır. Hidrojen bağları zincirlerin yan yana durması sağlar. Lizozim enzimi ve saçtaki keratin de alfa heliks ikincil yapısı varken, örümcek ağları gibi proteinlerde beta pilili yapıya sahip proteinler içerir. Proteinlerin üçüncül yapılarında ise değişken gruplarında yer alan yapılar arasında gerçekleşir. Polar olmayan değişken gruplar birbirlerine yaklaştıklarında van der waals etkileşimine girerler. Ayrıca disülfit bağlarıda üçüncül yapının ortaya çıkmasını sağlayan kovalent bağlardır.

19 Şekil 3.43 Proteinlerin dört düzey yapılanmaları Sistein, yan zincirinde sülfidril grubu taşır(-sh).bir sisteinin kükürt atomu, ikincil sisteinin kükürt atomu ile bağlanır ve disülfit köprüsü oluşur. Bazı polipeptid zincirleri işlevsel bir büyük molekül oluşturmak bir araya gelebilir. Dördüncül yapı böylece ortaya çıkmış olur. Örneğin kolojen birbirlerine sarılmış alfa heliks polipeptid zincirlerinden oluşur.böyıece deri, kemik, tendon gibi çekilmelere dayanıklı dokuları meydana getirir. Hemoglobin molekülü ise iki alfa ve iki beta polipeptid zincirlerini birleşmesinden oluşan oksijen bağlayan bir globüler bir proteindir. Ayrıca her alt birim hem adı verilen demir taşıyan bir bileşik içerir. Şekil 3.43 Disülfit Şekil 3.44 Hemoglobin

20 Protein molekülleri yüksek sıcaklık ya da değişik kimyasal moleküllerle işleme tabi tutulduğunda özgün moleküler şeklini kaybeder yani danatürasyona uğrar böylece protein molekülü görevini yerine getiremez. Denatüre protein moleküllerinin uygun şartlarda tekrar renatürasyonla özgün formuna ulaşması mümkündür. Pişirme sırasında yumurta akının opaklaşmasının nedeni, denatüre olan proteinlerin çözünmez hale gelerek katılaşmaya uğramasıdır. Şekil 3.45 Denatürasyon ve Renatürasyon Protein moleküllerinin kendilerine uygun şekilleri almaları şaperonin adı verilen proteinlerle sağlandığı keşfedilmiştir. Eğer protein kendine uygun şekili alamzsa görevini yerine getirmez yanlış maddelerle bağlantı sağlayabilir. Böylece çeşitli hastalıklar ortaya çıkar örneğin Alzheimer böyle bir hastalıkdır. Hastalık sırasında beyindeki proteinler kendilerine özgün yapıyı oluşturamazlar ve sinir hücrelerinin faaliyetlerini olumsuz yönde etkilerler. Nükleik asitler Nükleik asitler kalıtsal bilgiyi depolar ve gelecek kuşaklara aktarır. Genler adı verilen birimler nükleik asitler üzerinde yer alır. DNA ve RNA olmak üzere iki çeşit nükleik asit vardır. DNA hücrenin hayatlsa olaylarını kontrol etmesi protein sentezini denetlemek süretiyle olur. Bilgi akışı DNA RNA Ribozom şeklindedir. DNA da kodlanmış olan bilgi mrna ya aktarılır. Bu bilgi ribozoma taşınır ve trna lar yardımıyla amino asitler sitoplazmadan ribozoma getirilir. Genetik bilgi okundukça Ribozomda protein sentezi gerçekleştirir. Nükleik asit zinciri nükleotitlerden oluşmuş bir polimerdir. Her nükleotit azotlu organik baz, pentoz grubuna giren bir şeker ve bir fosfat grubundan oluşur. Şekil 3.46 Bilgi akışı DNA RNA Protein İki tane azotlu baz grubu vardır. Pirimidinler Sitozin(C), Timin (T) ve Urasill (U) dir.karbon ve azot atomlarından oluşan altı-üyeli bir halka içerir. Pürinler altı üyeli bir halka ile beş üyeli bir halkanın kaynaşmasıyla oluşur.bunlar Adenin (A) veguanin(g) dir. Şekil 3.46 Beş karbonlu şekere bağlanan organik baz çeşitleri.