MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ

Transkript

1 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Prof. Dr. Mehmet Can AKYOLCU 160 İÇİNDEKİLER 1. Biyomoleküllerin alt yapısı Özellikleri açısından atomlar 1.2. Atomun yapısı 1.3. Atom altı tanecikler arası ilişkisi Atom altı tanecikler Temel Kuvvetler Bu elementlerin birbiri ile bağlanması Organizmanın iskeleti olarak karbon Konfigürasyon çeşitliliği Apolar kovalent bağ Polar Kovalent Bağlar Dipol ipol kuvvetler Makromoleküllerde hayati önem taşır 2. Moleküler Gruplar 2.1. Biyomoleküller 2.2. Organik moleküllerin fonksiyonel grupları 2.3. Nonkovalent bağlar (kovalent olmayan) İyonik bağlar Hidrojen bağı Van der Waals kuvvetleri 3. Su 3.1. Biyolojik önemi ve özellikleri 3.2. Suyun bazı fiziksel özellikleri 3.3. Hidrofobik Bağlar 4. Canlı yapıda moleküller arası ilişkiler 4.1. Moleküller arası ilişki Assosiyasyon ve dissasiasyon Ligand bağlama Reseptör/ligand bağlanma afinitesi Benzer bağlanma afiniteli iki agonist Bağlanmada bazı türler

2 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Hücrelerarası haberleşmede temel ilkeler 5.1. Reseptörler 5.2. Reseptör sayısının regülasyonu 5.3. Haberleşme çeşitleri 5.4. Haberleşme sistemlerinde temel haberleşme hücreleri 5.5. Haberci üretim mekanizmaları 5.6. Habercilerin genel özellikleri 6. Hücre içi haberleşmenin temel ilkeleri 6.1.Siklik adenozin monofosfat (camp) hattı 6.2. Fosfotidil inozitol bifosfat (PIP2) hattı 6.3. Haberleşme hatlarında haber in amplifikasyonu 7. Reseptör ve duyu organları biyofiziği 7.1. Duyu 7.2. Farketmek 7.3. Algı Uyaran Translasyon 7.4. Reseptör ve duyu organlarının sınıflandırılması Duysal reseptörler Genel duysal reseptörün yapısı Reseptörlerin sınıflandırılması Lokasyona göre İşlevine göre Yapısal özelliğe göre (kompleksite) 7.5. Duyu Reseptörlerin özellikleri Duysal reseptörlerde transduksiyon(dönüştürme) Enerji dönüşümü ilkeleri Reseptör/jeneratör potansiyeli Duysal reseptör adaptasyonu Duysal reseptörden gelen bilginin işlenmesi 8. Işık 8.1. Işığın üretilmesi 8.2. Işığın hızı 8.3. Işığın diğer özellikleri Spektroskopi 9.1. Ölçme işlemi 9.2. Spektrum 9.3. Ulaşılabilen bilgiler 9.4. Spektroskopi için gereken cihazlar 9.5. Absorbsiyon spektroskopisi Floresans X-ışını spektroskopisi Alev (Flame) spektrofotometresi Atomik absorpsiyon spektroskopisi (AA) 9.6. Görünür ışık spektroskopisi Ultraviyole spektroskopisi İnfrare spektroskopisi (IR) Yakın infrare spektroskopisi (NIR) Raman spektroskopisi 9.7. Spektroskopi çeşitleri Zayıflatılmış (Attenuated) total reflektans spektroskopisi Elektron paramanyetik spektroskopi Elektron spektroskopi Gamma-ışını spektroskopisi Absorbsiyon spektroskopisi Astronomik spektroskopi Kütle spektroskopisi Multipleks veya frekans-modulasyon spektroskopisi X-ışığı spektroskopisi 10. Görme biyofiziği Göz ün fonksiyonel anatomisi Retina Reseptör hücreleri Rod lar Kon lar Reseptör hücresinde aksiyon potansiyeli Işığa duyarlı bileşikler Rodopsin Işık enerjisinin aksiyon potansiyeline dönüşümü Renkli görme

3 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Renk körlüğü Diğer nedenler Renk körlüğü türleri 11. İşitme biyofiziği Ses Ses in Özellikleri Ses şiddeti düzeyi ile ilgili özellikler Ses yalıtımı Sesin yankılanması Sesin madde ile etkileşimi Sesin yayılması Kulak ta mekanik enerjinin aksiyon potansiyeline pönüşümü Dış kulak Orta kulak Empedans uyumu mekanizması Ses şiddetinin kontrolü Sesin kemik yoluyla iletilmesi İç kulak ve koklea Ses dalgalarının koklea içinde ilerlemesi Baziler membran Endokolear potansiyel Tüy hücrelerinin uyarılması Ses frekansının saptanması Sesin şiddetinin saptanması Sesin yönünün saptanması Odyogram Koklear implantlar Yanlardan gelen sesler (soldan, karşıdan, sağdan) Düşük frekanslı ses dalgalarının yönünün saptanması Yüksek frekanslı seslerin yönünün saptanması 12. Kanser problemi Hücre siklüsünün düzenlenmesi Hücre çoğalmasında hücre içi haberleşme mekanizmaları Onkogenler Tümör süpresor genler (anti-onkogenler) Somatik karsinojenez Fiziksel karsinojenez Karsinojenez mekanizmaları Mutajenik olmayan karsinojenez Viral karsinojenez Virüsler Virüs'ün hücre içerisinde çoğalması Kanser kök hücresi teorisi Klonal evolusyon Ana görüşün dışında kalan teoriler Kaynaklar

4 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 165 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Prof. Dr. Mehmet Can AKYOLCU Biyomoleküllerin alt yapısı Özellikleri açısından atomlar Çeşitli elementlerin atomları birbirine aynı değildir. Elementlerin atomları değişik isimler almışlardır ve bu değişik isimler dışında değişik karakterleri bize yansıtabilirler. Doğada tanımlanmış olan 109 tane element varsayılır. Doğada bulunan bu element çeşitlerinden 27 tanesini canlıları oluşturan biyomoleküllerin yapısında veya onlarla etkileşirken görülür. Bu 27 elementten de 16 tanesi çok sık kullanılmıştır. (Tablo: 1). Canlıyı oluşturan biyomoleküller incelendiğinde en sık O2 atomunun kullanıldığı ve onu da H elementinin atomlarının izlediği gözlenir. Bu elementlerin atomlarının biyomoleküllerin özellikle canlılara ait eşsiz yapıları oluşturdukları bilinmektedir. Söz konusu bu atomları diğer elementlerin atomlarından ayıran en temel özelliğin kolayca ilişkiye girebiliyor olmalarıdır. Kalıcı niteliği de bulunan bu ilişkiler sonucu olarak biyomolekülleri oluştururlar. Kalıcılığın daha da rijit kılan çift kovalent bağ kurma özelliğini de karbon, nitrojen ve oksijen taşır Karbon atomu; Biyomoleküllerin oluşumunda 2. kabuğunda tamamlaması gereken dört adet yörünge bulunur. Karbon atomları biri birleri ile birleşmek yoluyla uzun zincirler veya daha değişik açılardan birleşme gerçekleştirerek 166 biyomoleküller için alternatif iskelet yapıları oluşturabilirler. Biyomoleküllerin oluşmasında iskeleti oluşturan karbon bileşiklerinin farklı boş durumdaki pozisyonlarına hidrojen, oksijen ve sülfür atomları bağlanabilir ve çeşitli alternatifleri bulunan bu bağlanmalarla çok zengin biyomoleküllerin oluşumu gerçekleşir Karbon molekülünün eşsiz üçgen prizmasını andıran elektron dağılımı oluşan biyomoleküllerin yeni boyutlar kazanmasını sağlar. Karbon atomlarının oluşturduğu iskelet yapılar canlıları oluşturan hücrenin temel ögelerini oluştururlar ki böylesi moleküller makromolekül olarak adlandırılırlar (Molekül ağırlıkları dalton). Makromoleküller hücreyi oluşturan en temel kalıcı ögelerdir. Bu ögeler nükleik asidler, proteinler, karbonhidratlar ve lipitlerdir. Şüphesiz ki makromoleküller kovalent bağlarla biri birine bağlanan atomlardan oluştuklarından kalıcı nitelikte moleküllerdir ve esas olarak ta hücreye ait genetik bilgilerin bir sonraki nesile aktarılmasından sorumludurlar (nükleik asidler). Bunun yanı sıra hücrede en yüksek ikinci kütleyi oluşturan proteinler hücresel sistemin işleyişinde çok önemli görev yaparlar. Karbonhidratlar ve lipitler makromolekül olarak canlı sistemin işlerliğinin sağlanmasında gereken yer ve zamanlarda enerji sağlama görevini üslenirler. Yerine getirdikleri görevler açısından bakıldığında makromoleküller arasında bir katagorizasyon yapmak mümkündür. Bu katagorizasyonda temel yaklaşım makromolekülü oluşturan daha küçük birimlerinin çeşitlilik açısından zengin olup olmamasıyla ilgilidir. Makromolekülü oluşturan küçük birimlerin çeşitliliği arttıkça makromolekülün zenginliği ve özgünlüğü artmaktadır. Çünkü bu durumda biri birlerine bağlanmada pozisyon zenginliği oluşmaktadır. Karbonhidratlar ve lipitler ele alındığında karbonhidratların ve lipitlerin iki temel küçük birimin sıralanmasından oluştuğu gözlemlenir. Oysa işlevsel zenginlik açısından ön plana çıkan nükleik asidler dört temel proteinler ise 20 den fazla temel küçük molekülün dörtlü ve yirmili kombinezonlar şeklinde dizilmeleriyle gerçekleşir. Biyomolekülleri oluşturan iskelet elementlerin (majör) yanı sıra bir diğer grup elementin atomlarının varlığı da biyomolekül açısından son derece gereklidir ki bu grup elementler mineraller olarak adlandırılırlar. Sodyum, potasyum, klor, kalsiyum gibi minerallerin organizmadaki görevleri makromoleküllerin işlerliğinin ve biyomoleküllerin canlılığının sağlanması gibi temel görevleri yerine getirirler (Tablo1).

5 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 167 Tablo 1: Organik Maddeler İçinde En İyon Halinde Bulunan Elementler Eser Elementler Fazla Rastlanan Elementler KARBON C SODYUM Na+ DEMİR Fe HİDROJEN H POTASYUM K+ BAKIR Cu OKSİJEN O MAGNEZYUM Mg2+ ÇİNKO Zn AZOT N KALSİYUM Ca2+ MANGANEZ Mn FOSFOR P KLORÜR Cl- KOBALT Co KÜKÜRT S İYOT I MOLİBDEN Mo NİKEL Ni VANADYUM V KROM Cr FLORÜR F SELENYUM Se SİLİKON Si KALAY Sn BOR B ARSENİK As Canlı organizmalarda bulunan elementler genellikle küçük atom numarasına sahiptir. Canlı organizmadaki ve yer kabuğundaki elementlerin dağılımı birbiri ile orantılı değildir. Tablo 2.de görüldüğü gibi canlı organizmada en sık rastlanan elementler, karbon, hidrojen, oksijen, azot, fosfor ve kükürttür. İyon halinde bulunan elementler ise sodyum, potasyum, magnezyum, kalsiyum ve klordur. Canlılarda eser miktarda bulunan elementler ise demir, bakır, çinko, manganez, kobalt, iyot, molibden, vanadyum, nikel, krom, klor, selenyum, silikon, kalay, bor ve arseniktir. Eser elementlerin hepsi bütün canlılarda bulunmayabilir. Tablo 2: Yer Kabuğu ve Biyomoleküllerde En Fazla Bulunan Sekiz Element ve Yüzdeleri YER KABUĞU İNSAN VÜCUDU (Element %) (Element %) O 47.0 H 63.0 Si 28.0 O 25.5 Al 7.9 C 9.5 Fe 4.5 N 1.4 Ca 3.5 Ca 0.31 Na 2.5 P 0.22 K 2.5 Cl 0.08 Mg 2.2 K Canlı organizmada en çok olarak bulunan ve hücrenin %99'unu oluşturan elementler ise, hidrojen, oksijen, karbon ve azottur. Bu elementlerden hidrojen, azot ve karbon canlı organizmalarda Tablo 2. de verildiği gibi yer kabuğundan daha yüksek oranda yer almaktadır. Eğer biyomoleküllerde bulunan %75 oranındaki suyu dışarıda tutacak olursak, canlı organizmada ve yer kabuğunda bulunan element oranlarının birbirinden çok daha farklı olduğu görülecektir. Örneğin: oksijen yer kabuğunda %47 oranında bulunurken canlı organizmada ancak %25,5 oranında bulunmaktadır. Hücrelerin ağırlığının %50-60'ı karbon, %8-10'u azot, %25-30'u oksijen ve hemen hemen %3-4'ü hidrojenden meydana gelmiştir. Buna karşılık, yer kabuğunun ancak %1'den daha azı karbon, hidrojen ve azottan meydana gelmiştir. Bütün bu verilerden ortaya iki önemli sonuç çıkmaktadır. Birincisi, canlı organizmada karbon, hidrojen, oksijen ve azot elementlerinin çok miktarda bulunması onun uzun evrimsel yıllar boyunca yaşamsal olaylara adaptasyon için seçtiği bir yoldur. İkincisi ise, deniz suyu sıvı bir ortamdır ve yeryüzü tarihinin erken devirlerinde ilk canlı organizmalar bu kaynaktan meydana gelmiştir. C atomlarını bir araya getirilse ve biri birine kovalent olarak bağlansa sonra da O2 bağlayalım ya da H veya N bağlansın böylece bir iskelet biyomolekül ortaya çıkabilir. Bu sözü geçen elementleri alınsa ve bir ortama konsun ve daha sonra üstüne bir miktar su ilave edelim ve bunlar birleşsinler böylelikle bir biyomolekül oluşumu sağlanabilir (teorik olarak) İkinci kategorideki elementlerin iyonlarının makromoleküller etrafında yer alarak onlara özgün davranma olanağı sağlayacak bir ortam oluşturabilirler veya çeşitli makromoleküllere bağlanarak onların davranışlarını değiştirebilirler. Aynı zamanda iyon olarak görev alan elementlerin atomlarının varlığı ile makromolekülün izole koşullarda iki farklı tarafında eşit olmayan bir şekilde dağıldıklarında canlılığın ortaya çıktığı görebiliriz. Örneğin membran potansiyelinin ortaya çıkışı bu duruma uygun düşen bir örnek olabilir. Karbon, hidrojen, oksijen ve azot dışındaki yirmi biyoelement, organizmada yer alma miktarları açısından "makro mineraller" ve "eser elementler" olarak gruplandırılır. Makro mineraller olarak ta adlandırılan diğer kategori elementlere baktığımızda Mg, Fe, CO, v.s. bu elementlerin de organizmada olmazsa olmaz elementler olduğunu görmekteyiz. Bu elementlerin atomları organizmada yer almalarına karşın yapı taşı olarak görev almazlar. Canlı organizmada son

6 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 169 derece düşük miktarlarda bulunması nedeniyle "eser element" adını alan biyoelementlerden demir, manganez, kobalt, bakır, çinko, molibden, vanadyum, krom ve kalay'ın metal olmalarına karşın, flor, silisyum, selenyum ve iyot ametal özelliktedir. Organizmadaki konsantrasyonları çok az olduğu için bu elementler eser elementler olarak adlandırılırlar. Bu elementlerin organizmada son derece düşük konsantrasyonlarda bulunmalarına karşın, organizma için son derece önemli işlevleri vardır. O kadar ki, bu elementlerden herhangi birinin organizmada tamamen yok olması, canlının yaşamını tehdit edecek bir durum dahi söz konusu olabilir. Eser elementlerin eksikliklerinin veya yokluklarının organizmanın işleyişi açısından gerçekten ciddi problemlerin ortya çıkması kaçınılmaz olur. Eser elementlerin konsantrasyonlarının yüksekliği de yeni problemlerin çıkmasının habercisi olur. Bu nedenle eser elementlerin organizmada optimum konsantrasyonda bulunmaları gerekir. Optimum konsantrasyonlarının belirlenmesi canlıların evrim sürecinde geçirdikleri reorganizasyonlarla belirlenmiştir. Eser elementlerin birçoğunun proteinlerin önemli bir bölümünün unsuru olarak görev yapar Atomun yapısı Evrende bulunan bütün maddeler elementlerin bir araya gelmesi ile meydana gelmiştir. Elementlerin atomları basit kimyasal reaksiyonlarla daha küçük parçalara bölünemezler. Bugünkü anlamda elementin ilk tanımını Robert BOYLE yapmıştır. Buna göre eğer bir madde daha basit maddelere parçalanamıyorsa ve daha basit maddelerden meydana gelmezse o maddeye element denilmektedir. Maddeyi daha iyi anlayabilmek için onu meydana getiren yapı taşlarının neler olduğunu bilmek gerekir. Evrendeki her madde bugün sayıları 107 olan elementlerin bir veya bir kaçının bir araya gelmesi ile meydana gelmiştir. Bu elementlerden 92 tanesi doğal olarak meydana gelmiştir. Diğerleri sentez yoluyla elde edilmiştir. Maddenin en küçük temel kimyasal yapı taşına atom adı verilmektedir. Atomların incelenmesi her ne kadar fizik ve fizikokimyanın konusu ise de bundan sonra incelenecek konuların anlaşılabilmesi için biyokimya açısından da kısaca gözden geçirmekte yarar vardır. Atomda başlıca iki kısım bulunmaktadır. Atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve bunun etrafında yoğunluğu yer yer azalıp çoğalan negatif yüklü bir elektron bulutundan meydana gelmiştir. Atomların çapları angströn (A ) cinsinden verilmektedir. Atomun büyüklüğünün ancak onbinde birini çekirdek oluşturur. Geriye kalan muazzam hacim ise elektron bulutları tarafından doldurulmaktadır. 170 Tablo 3: Atomu Meydana Getiren Başlıca Partiküllerin Ağırlıkları, Sembolleri ve Yükleri ADI AĞIRLIĞI SEMBOLÜ ELEKTRİK YÜKÜ PROTON H + +1 NÖTRON n 0 ELEKTRON e- -1 POZİTRON e+ +1 Çekirdek başlıca proton ve nötronlardan meydana gelmiştir. Herbir element için proton sayısı değişebilir. Örneğin klor atomunda 17 proton olmasına karşılık 18 veya 20 nötron bulunabilir. Böylece atom ağırlıkları farklı 2 veya 3 çeşit klor atomu meydana gelmiş olur. Bu iki atoma izotoplar adı verilir. İzotopların kimyasal özellikleri farklıdır. Bir element atomu içindeki protonların sayısına o elementin atom numarası denmektedir. Örneğin hidrojen atomunda bir proton bulunduğundan atom numarası 1, oksijen atomunda 8 proton bulunduğundan atom numarası 8'dir. Bir elementte proton sayısı kadar da elektron bulunmaktadır. Elektronlar çekirdeğin etrafında bulunduğu için atom dışarıya karşı nötral bir durum gösterir. Hidrojen atomunu Şekil 2.1'deki gibi gösterebiliriz. Elektron bulutları çekirdeğin etrafında olağanüstü bir düzene göre saniyede 2.18x108 cm hızla hareket etmektedir. Bu düzenleniş güneş sistemine benzetilmektedir. Benzeyiş sadece şekildedir. Çünkü güneş sistemi kütle çekimi üzerine kurulduğu halde, atomlar sistemi elektrostatik kuvvetler üzerine kurulmuştur. Atomda enerjisi en büyük olan elektronlar atomun en dış kısmında bulunurlar. Bunların uzaklaşması veya bir başka elektronun daha eklenmesi ile iyonlar meydana gelmektedir. Elektron kaybeden atomdan pozitif yüklü bir iyon, elektron olan bir atomdan da negatif yüklü bir iyon meydana gelir. Atom çekirdeği etrafında bulunan elektronlar farklı enerji düzeyinde bulunmaktadır. Atom çekirdeği etrafında elektron enerji düzeyleri K, L, M, N, O, P ve Q vesaire harfleri ile ifade edilmektedir. Atom çekirdeğine en yakın olan K düzeyidir. K düzeyinde bulunan elektronların enerjileri en düşük olanlarıdır. Şekil 2.de hidrojen, helyum, oksijen, klor, brom ve iyot atomlarının yapıları görülmektedir. Atom çekirdeği etrafında bulunan farklı enerji düzeylerinde bulunan elektronların sayısı da sabittir. Örneğin K düzeyinde en fazla 2 elektron, 1 düzeyinde en fazla 18 ve N düzeyinde en fazla 32 elektron bulunabilmektedir. Örneğimizde K düzeyinde bulunan elektronların enerji düzeyi en düşük, iyotta Q düzeyinde atom çekirdeğinden en uzakta bulunan elektronların enerji düzeyi ise en yüksektir.

7 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 171 Buraya kadar elementin ve atomun genel yapısı incelenmiştir. Buradaki gaye sizlere kimya dersi vermek değil bilgileri kısaca gözden geçirmek ve moleküllerin birbiri ile olan ilişkilerini daha iyi anlamaktır 1.3. Atom altı tanecikler arası ilişkisi Atom altı tanecikler Parçacık fiziği madde'nin parçacıklarını ve aralarındaki karşılıklı etkileşimi konu alan fizik dalıdır. Atomaltı parçacıkları inceler. Atomaltı taneciklerin bağımsız olarak varlıkları çok kısa surely olduğundan normal koşullarda gözlemlenmeleri çok güçtür. Bu nedenle oluşturulan parçacık hızlandırıcısı denen dev deneysel düzeneklerle (km lerce uzunlukta hızlandırıcı), yüksek elektrik alan etkisi ile hızlandırılmış parçacıkların manyetik alan etkisi ile farklı elektriksel çekim perdelerine çarptırılarak ayırt edilebilmeleri ile ortaya çıkan farklı parçacıklar in hakkında son zamanlarda oldukçe ilerlemiş çalışmalar yapılmıştır. Temel parçacıklar Söz konusu yöntemlerle incelenebilen tanecikler kuarklar, leptonlar ve nötrinolardır. Bu taneciklerin, bilimin bugün geldiği gelişme noktasına göre, daha küçük taneciklerden oluşup oluşmadığı sorusunu yanıtlamak, deneylerle ortaya konamadığı için, kolay değildir ancak konu speküle edilebilir. Kuarklar Temel tanecikler içinde adını Murray Gell-Mann ve Georg Zweig tarafından adlandırılan tanecikler kuarklardır. Kuarklarda spin 1/2 ve elektriksel yükleri ise 2/3 veya -1/3 olan taneciklerdir. Bu güne kadar bilindiği kadarıyla (2009) 6 tane kuark türü tanımlanmıştır u up (üst, elektrik yük =2/3) - d down (alt, elektrik yük =-1/3) - c charm (çekici, elektrik yük =2/3) - s strange (tuhaf, elektrik yük =-1/3) - t top (tavan, elektrik yük =2/3) - b bottom (taban, elektrik yük =-1/3) Kuarklar ve Elektriksel yükleri 172 Leptonlar Leptonların en bilinen örneği elektronlardır ve günümüzde henüz daha alt grup tanecikler içerdiğine ilişkin bilgilere ulaşılmamıştır. Leptonların spini (dönüş; parçacığın iç açısal momentumu) 1/2 ve elektrik yükleri -1 veya 0 dır. Eski yunancada lepton hafif tanecik anlamını taşır. Bu güne kadar bilindiği kadarıyla (2009) 6 tane lepton türü tanımlanmıştır e electron (Elektrik yük=-1) - Ve electron-neutrino (Elektrik yük=0) - T tau (Elektrik yük=-1) - Vt tau-neutino (Elektrik yük=0) - m muon (Elektrik yük=-1) - Vm muon-neutrino (Elektrik yük=0) Leptonlar ve Elektriksel Yükleri Nötrinolar Nötrinolar leptondur. Yüksüz (nötr) ve sifir veya çok küçük kütleye sahiptirler. Bu nedenle diger taneciklerle hemen, hemen hiç etkileşmezler. Birçok nötrino, bir kere bile etkilesmeden yeryüzünün içinden geçebilir. Nötrinolar değişik bozunma ve etkilesmeler ile üretilir. Örnegin, bir nötron bir proton, bir elektron, ve bir anti-nötrinoya bozunur. Aslinda, fizikçiler nötrinolarin, radyoaktif bozunmalarin dikkatli gözlemleri sounucu varolduklarini varsaymışlardır. Hadronlar Kuarklar ve antikuarklar bir araya gelerek hadronları oluştururlar. 3 kuarktan (veya antikuarktan) oluşan hadronlara Baryonlar (bu kelime Yunanca ağır anlamındadır), bir kuark ve bir antikuarktan oluşan hadronlara ise Mezonlar (bu kelime "Mezzo" orta sözünden gelir) denir. Baryonlar ağır, mezonlar orta ağır parçacıklardır. Atom çekirdeği Atom çekirdeği temel bir tanecik değildir, nükleon olarak adlandırılan proton ve nötronlardan oluşur. Elektronlar ve nüklesus içerisinde yer alan nötron ve protonlar oldukça stabil taneciklerdir. Nükleusu ilgilendiren parçaciklar ailesi iki kisimdir.

8 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ ) Baryonlar 2-) Mezonlar Baryonlar agir parcaciklardir, mezonlar orta agir parçaciklardir. Baryonlar ve Mezonlarin hepsine Hadronlar adi verilir. Yunanca kuvvetli parçacik anlamindadir. Kuark kuramina göre Baryonlar 3 kuarktan, Mezonlar ise bir kuark ve bir antikuarktan olusmuslardir. Kuarklar bir araya gelerek nükleonları oluştururlar. Nötron UDD kuarklarindan, Proton ise UUD kuarklarindan meydana gelmistir. Diğer bir deyimle nötronlar ve protonlar kuarklardan oluşmuşlardır. Nötron ve protonların elektrik yükleri hesaplandığında : nötronun nötr (u 2/3 d1/3 d 1/3 = 0) protonun +1 yüklü (u2/3 + u2/3 d1/3 = 1) olduğu görülür. Bir atom çekirdeğini oluşturan nükleonlar arasında mezon transferi ile stabil tanecikler ortaya çıkar. Söz konusu bu olaylar tanecikler arasında gerçekleşirken güçlü çekme ve itme kuvvetleri mücadelesinde çekme kuvvetleri itme kuvvetleri arasındaki mücadeleyi çekme kuvvetleri kazandığı için nucleus parçalanmadan bie paketçik halinde varlığını sürdürür. Bu olgu ilk kez Hideki Yukawa tarafından ortaya konmuştur ve bu ilişkilerde en çok rol oynayan mezon pi mezondur. Varlıklarını çok kısa sürelerle sürdürebilen bu tanecik grupları görece dengeli bir durumun dengeleyecisi olarak rol alırlar (pi mezon ömrü: 10 8 sn). Atomların nükleuslarında ki bu görece kararlılık her zaman sürmeyebilir. Özellikle elementlerin atom numaraları büyüdüğünde itme ve çekme kuvvetleri arasındaki mücadelenin boyutları da büyür. Burada zıt yüklü kuarklar arasındaki çekme ve aynı yüklüler arasında itme kuvvetlerini her bir proton ve nötron için ayrı ayrı, herbir nötron diğer nötronlarla, herbir proton diğer protonlarla ve her bir proton nötronlarla ayrı ayrı ilşkiler açısından değerlendirilirse bir nükleusta vektörel olarak toplam enerjinin yüksekliği çok büyük enerji değerlerine ulaşır. Nüklesustaki bu büyük kuvvetlerin mücadelesinde itme kuvvetleri kazanırsa nükleusta kopmalar başlar bu kopmalara da çekirdek parçalanması denir ve bu durum radyoaktivite olarak adlandırılan durum ortaya çıkar. Atom altı tanecikler arasında gerçekleşen bu küçük enerji ilşkileri zayıf etkileşim olarak adlandırılır Temel Kuvvetler Doğada şimdilik varlığı bilinen dört temel kuvvet ve burada rol alan temel etkileşim tanecikleri şunlardır: Elektromagnetik güç: Foton γ Foton günlük yaşamımızın parçası olan, Işık, Radyo-TV, Mobil Telefon Sinyalleri, Mikrodalga Sinyalleri, X-ışınları, Gamma Işınları ve bunlara benzer enerji yayılımlarını taşımaktan sorumlu enerji paketçiğidir 2- Zayıf nükleer Güç: W+ W- Z0 parçacıkları Z ve W boson'lar radyoaktif bozunmalardan sorumludurlar. 3- Kuvvetli nükleer güç: Gluon g Tanecik fiziğini ilgilendiren gluonlar kuarkların tad (İngilizce color) adı verilen özelliğini değiştirir ve onların yapmış olduğu hadronları parçalar veya kuarkları birarada tutarak kararlı parçacıkların oluşmasını sağlar. 4- Kütleçekimsel güç: Graviton G Henüz tanımlanmamıştır. Spin istatistiği Yukarda belirtilen bu parçacıkların Pauli yasası dahilinde spinleri göz önüne alındığında, ya tam sayılı (0,1,..) veya buçuklu (1/2, 3/2,...) olduğu görülür. Yarı tamsayılı spinli parçacıklar Fermi istatiklerine, tamsayılı spine sahip olanlar Bose-Einstein istatiklerine uyarlar. Bu nedenle spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar. 1- Fermiyonlar (Enrico Fermi'den) 2- Bozonlar (M. K. Bose'dan) Fermi istatistiklerine uyan parçacıklar aynı anda aynı kuvantum sayılarına sahip olamazlar (elektron gibi). Bose istatiklerine uyanlar ise aynı anda aynı konumda olabilirler. (fotonlar bu grupta oldukları için lazer ışını oluşabilir). Yukarıda bahsi geçen Temel Kuvvetlerin etkileşim parçacıkları Bozonlardır. Tüm sözü edilen parçacıkların bir antiparçacığı da vardır; bu parçacıkları antimadde olarak adlandırılır. Yukarıda sözü edilen tanecikler arası ilişki ortaya koymaktadır ki doğada bulunan tüm atomlar her zaman en küçük pozisyonu alma eğilimindedir. Bu nedenle de elektriksel açıdan her zaman nötr bir pozisyon alma eğilimi ön plana çıkar. Fakat tüm tanecikler içerdikleri pozitivite ve negativite açısından diğer taneciklerle ilişkisini yürütürken söz konusu kuvvetlerin etkisi altında kalacaktır. Bütün bunların sonucu olarak doğadaki bütün taneciklerin biribirlerine karşı itme ve çekme kuvvetlerinin toplamı açısından optimum bir pozisyon aldığı söylenebilir. Evrende yer alan tüm sistemler ve gezegenlerin biribirlerine gore pozisyonuna benzer bir pozisyon atom ve moleküller açısından da söylenebilir.

9 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 175 Biyomolekülleri oluşturan elementlerin atomları da yukarıda sözü edilen kurallara uygun olarak davranır ve bu fizik kuralları canlının açıklanmasında köşe taşı referansları oluşturur. Özellikle biyomolaküllerin, makromoleküllerin, supramoleküllerin, hücrenin, dokunun, organın ve nihayet tüm canlının fiziksel temellerinin ve işleyişinin açıklanmasında sık, sık başvuracağımız ilkeler atomic ve subatomic ilişkiler olacaktır Bu Elementlerin birbiri ile bağlanması Atomlar ve moleküller birbiri ile daha büyük ve fonksiyonel yapılar oluşturmak veya karşılıklı etkileşebilmek için bağlanma eğilimine girerler. Bağlantı veya ilişki iki farklı temel karakterde gerçekleşebilir. Bağlanma şekli çok kalıcı ve güçlü özelliklere sahip bir bağlanma olabilir ki bu türden ilişki kovalent bağlanma olarak adlandırılır adından anlaşılacağı gibi ilişkide karşılıklı Valens elektronları üzerinde birliktelik gerçekleştirilir. Diğer bağlanma veya ilişki türü nonkovalent olarak adlandırılır. Bu ikinci tür bağlanma veya ilişki değişik biçimleri içerir. Nonkovalent ilişkiler de sınıflandırılabilir. Eğer bağlanma hidrojen atomu üzerinden gerçekleşiyorsa hidrojen bağı olarak adlandırılır. İlişki iki atomdan birinin diğerinin elektronunu alması şeklinde gerçekleşiyorsa iyonik bağlanma adını alır. Bağlanma polar olmayan moleküller arasında gerçekleşiyorsa Van Der Waals etkileşimleri (veya London ilişkileri) olarak isimlendirilir. İki yapı arasındaki ilişki hidrofobik yapılar nedeniyle pasif olarak yani bulundukları ortamın etkisi sonucu bir araya geliyorlarsa (herkes buna katılmasa da) hidrofobik bağlanma olarak tanımlanabilir. Biyomoleküller açısından ilişkilere yaklaşıldığında canlı organizma bütünlüğünü ve varlığını koruyacaksa ve o canlıyı tanımlayan özellikleri bir sonraki nesile aktaracaksa bağlanma kovalent bağlanma olarak tanımlanan türden olmalıdır ki bu tür bağlanmada öncelikle en temel noktada iki atom biri birine kovalent olarak bağlanmalıdır. Atomlar arasındaki kovalent bağlanma iyi kavranırsa canlıya ait biyofiziksel özelliklerin kavranması ve açıklanması daha da kolay hale gelir. Atomun içinde temel birimleri kapsayan nükleus a yakından büyüterek bakıldığında daha önceki sayfalarda aktarıldığı gibi proton ve nötron olarak adlandırılan tanecik paketlerinden oluştuğu görülür. Protonların ve nötronların alt birimlerini içeren taneciklerin negatif ve pozitif elektriksel yükler içerdikleri bilinmektedir. Protonları oluşturan alt grupların farklı elektriksel yükleri toplandığında pozitif yükün fazla olduğunu bu nedenle de protonlar tanımlanırken +1 yüklü olarak tanımlanır. Öte yandan nötronlar tanımlanırken bazı kimselerce genellikle yüksüz olduğu şeklinde belirtilir ki böylesi tanımlama bilimsel açıdan geçerli değildir. Madde ele alınırken elektriksel yükler açısından yüksüzlük kavramı söz konusu değildir. Doğada yer alan tüm maddelerin şu ya da bu ölçüde elektriksel yükü vardır. Ancak elektriksel açıdan karşıt yüklerin eşit olduğu durumda nötr (karşıt yüklerin gücünün eşitliği) olma kavramı kullanılır. 176 İşte nötronlarda da durum böyledir ve alt taneciklerinin karşıt elektriksel yüklerinin (- ve +) toplamı sıkalar anlamda biri birine eşittir. Elektriksel anlamda düşünülürse nötronları oluşturan nötron altı taneciklerin de elekropozitiviteye veya elektronegativiteye sahip oldukları söylenebilir. Sonuçta sözünü ettiğimiz bu taneciklerin nükleus içerisinde karşılıklı birbirleri üzerinde etkili olma mücadelesin süreceği kolaylıkla anlaşılabilir. Tek bir nötron içerisindeki alt taneciklerin aynı yüke sahip olanları arasında itme kuvvetleri var olurken zıt yüklü tanecikleri arasında çekme kuvvetleri var olacaktır. Protonu oluşturan alt taneciklerin de arasında benzeri bir mücadele olacaktır. Bir atomu oluşturan nötron ve protonların her birinin içerisinde, bütün protonlar arasında, bütün nötronlar arasında ve bütün protonlarla bütün nötronlar arasında benzeri mücadelelerin de varlığı anlaşılabilir bir gerçektir. Bu elektriksel kuvvetler arasındaki mücadelenin boyutları, elementlerin atom numaraları büyüdükçe yani atomun kütlesi arttıkça, daha da büyüyecektir. Bu mücadelenin boyutları atom numarası yani kütlesi küçük atomlarda genellikle çekme kuvvetlerinin zaferiyle sonuçlanırken atom numarası büyük atomlarda yani nükleus kütlesi büyük atomlarda ise itme kuvvetleri kazanan taraf olur, böylesi durumdaki atomlar da parçalanmaya başlarlar ve radyoaktif atom olarak adlandırılırlar. Atoma ait nükleus'un çevresinde dolaşan elektron isimli tanecikler negatif elektriksel yük fazlalığı içerirler. Nükleus elektronlar üzerinde içerdiği pozitif yükler yoluyla bir çekim kuvveti uygularken negatif yükleri aracılığı ile de bir itme kuvveti uygular. Elektronların nükleus'a olan uzaklığı işte bu kuvvetlerin mücadelesi sonucu belirlenir ve elektronlar nükleus'a karşı optimum bir pozisyon alır. Böylelikle de bıçak sırtı denge sonucu da spin ve nükleus çevresinde dönme hareketine sahip olur. Nükleus'tan uzaklık kriter alındığında ilk kabuk elektronların bir enerji düzeyini belirlerken diğer uzaklıklara sahip elektron yuvalanmaları da farklı enerji düzeylerini ifade eder. Bir enerji düzeyinde birden fazla yörünge bulunabilir. Ancak bir yörüngede sadece iki tane elektron bulunabilir, aynı enerji düzeyinde yani kabukta daha fazla elektron bulunması gerekirse farklı bir yörüngede pozisyon alması gerekir.

10 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 177 Bir yörünge ele alındığında her bir elektronun kendi etrafında dönüş hareketi yaparken özgün bir dönüş yönüne sahip olduğu görülür (elektrospin). Aynı yörüngedeki diğer elektron mutlaka ters yönde bir dönüye sahip olur. Muhtemelen bu ters spin'e sahip olma özelliği atomun tüm kuvvetler açısında eşit olma ve en küçük pozisyonu alma eğiliminden kaynaklanır. Nukleus'un elektronlara uyguladığı çekim kuvveti kütlesi ile orantılıdır. Eğer elektronlardan bir tanesine enerji verilirse bir üst kabuğa yani daha yüksek bir enerji düzeyine transfer olabilir. Hatta elektronun ait olduğu atomun nükleer kütlesinden daha büyük kütleli bir atom söz konusu elektrona kütlesinin büyüklüğünden kaynaklanan daha büyük bir çekim kuvveti uygulayarak çekip alabilir. Bazen de elektron iki nükleus arasında bir denge noktası uzaklığında pozisyon alabilir. Her iki atoma ait elektronlar tek ayrı yönlü spinlere sahip olma kaydıyla iki farklı nükleus tarafından paylaşılabilir. İki nükleus ta elektrona onu koparıp alamayacak derecede bir çekim kuvveti uyguluyorsa iki nükleus arasında bir bağlantı oluşur, o zaman bu durum bir kovalent bağın varlığını anlatır. Böylesi bağlanmalar çok muazzam bir kuvvete sahip bir bağlanmadır. Eğer organizma varlığını sürdürecekse, bütünlüğünü koruyarak hareket yapacak ya da tanımlanabilir özelliklere sahip olacaksa öncelikle atomlar arasında kovalent bağların gerçekleşmesi gerekir. Oksijen son kabuğunda bir elektron bulunmaktadır bir şekilde onun spin'ine ters yönde bir spin'e sahip olan H atomu yaklaştığında O ve H arasında bir kovalent bağ gerçekleşebilir. Oksijenin dış kabuğunda tek tek iki tane bekâr elektron bulunduğu için bu elektronların her biri bir Hidrojen ile kovalent bağ yapıp ileride daha fazla kullanacağımız su molekülünü oluşturabilir Organizmanın iskeleti olarak karbon Karbon elementinin atomunun biyomoleküllerin iskeletini oluşturabilme yeteneği diğer atomlarla kovalent bağ oluşturma yeteneğinin üstünlüğü ile açıklanabilir. Karbon atomu diğer bir karbon atomuyla kolayca ilişki kurabildiği gibi 4 tane ayrı elemenin atomları ile bağ kurabilir. Örneğin nitrojen yine böylesi 178 yeteneğe sahip bir elementtir ve üçlü bir bağ oluşturabilir. Oksijen atomu iki ayrı uygun atomla kovalent bağ kurabilir. Bu bağlamalar çeşitli olabilir Konfigürasyon çeşitliliği Farklı konfigürasyonlarla molekül oluşturabilme yeteneği hangi elementle hangi elektronu paylaştığıyla ilişkili bir durumdur. Her yörüngede en fazla iki tane elektron olduğunu bilmekteyiz. Örneğin karbonda dört tane bekâr elektronun varlığı söz konusudur ki bu 4 elektron değişik şekillerde dört ayrı atom ilişki kurabilir. Bu şekilde de Karbon atomuna eklenebilen yani onunla kovalent ilişkiye giren değişik elementlerin atomları kullanılarak ( O, H, N, S) polisakkaridler, lipidler karbonhidratlar üretilebilir dahası başka amino asidler, nükleik asidler üretilebilir amino asidler ve nükleotidler birbirine ulanarak genetik şifre veya proteinler oluşabilir. Kovalent bağ oluşurken paylaşılan elektronlar türdeş element atomları arasında gerçekleşiyorsa oluşan molekül üzerinde elektronlar eşit bir dağılım özelliği gösterir. Eğer türdeş olmayan atomlar kovalent bağ oluşturuyorsa elektronların her iki atomun nükleuslarına karşı eşit uzaklıkta olamazlar ve dengeli olmayan bir ilişki ortaya çıkar ve molekülün ağırlık merkezi merkezden uzaklaşır.

11 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Apolar kovalent bağ: Aynı cins iki ametal atomunun birleşmesiyle oluşur. Böylesi bağlanmalarda molekül üzerinde her noktada elektriksel yüklerin toplamı biri birine eşittir. Apolar kovalent bağa en iyi örneklerden biri, iki oksijen atomunun elektronlarını ortaklaşa kullanarak oluşturdukları bağıdır. Bu bağlarda ortaklaşa kullanılan elektronların eşit paylaşılması nedeniyle molekülün pozitif veya negatif kutbu yoktur. İki hidrojen atomu bir kovalent bağ oluşturduğu zaman atomik orbitaller öyle bir şekilde üst üste binerler ki çekirdekler arasındaki bölgede elektron bulutları birbirlerini destekleyip bu bölgedeki elektronun bulunma olasılığını arttırırlar. Pauli dışlama ilkesine göre bağı oluşturan iki elektron mutlaka ters spinli olmalıdır. Bir kovalent bağın kuvveti, pozitif yüklü çekirdek ile bağa ilişkin negatif elektron bulutu arasındaki çekimden gelir. Örnek olarak iki hidrojen atomundan oluşan bir bağ düşünülebilir. Her bir hidrojen atomu 1 orbitalinde çekirdek etrafında simetrik bir dağılım gösteren tek bir elektrona sahiptir Polar Kovalent Bağlar: İki farklı cins elementin atomunun bir araya gelmesiyle oluşur. Bu bağlarda atomlardan biri ortaklaşa kullanılan elektronları kütlesinin büyüklüğü ile orantılı olarak daha fazla kendine doğru çektiği için molekülün bir ucu pozitif (+), diğer ucu negatif (-) yüklenir. Suyu oluşturan Hidrojen ve Oksijen moleküllerinin son orbitallerindeki elektronların ortak kullanılmasıyla oluşan Polar Kovalent bağ (su) çok uygun bir örnektir. 180 Bir molekülün polar mı yoksa apolar mı olduğunu anlayabilmek için, o molekülü oluşturan atomlara ve atomların arasındaki bağlara bakılmalıdır. Polarite yüklerle ilgili bir kavramdır. Bir moleküle baktığımızda, molekülün bir ucunun pozitif; diğer ucunun negatif yüklü olarak işaretlediğini görebiliriz. Her ne kadar toplamda molekülün yükü nötr olsa da bu işaretin bize söylemek istediği şey atomlar arasında elektronların eşit olarak hareket etmediği ve bu yüzden de kısmi olarak molekülün artı ve eksi kutuplaşma meydana getirdiğidir. Herhangi iki atom arasında elektron paylaşımı ile (kovalent bağ) oluşan bağlar söz konusu olduğunda, bu paylaşılan elektronlar atomlar arasında eşit zaman harcamayabilirler. Elektronlar bir atomun çevresinde daha çok bulunurken; diğer atomun çevresinde daha az vakit harcayabilirler. Bunun en önemli sebebi tabi ki tahmin edeceğiniz gibi elektronegativitedir. Yani atomların elektronegatiflikleri farklı olduğu için elektronlara uyguladıkları çekim kuvveti de farklı olacaktır. Bunun yanı sıra atom çapının büyüklüğü de etken faktörlerden biri olarak sayılabilir. Atomlar arasında elektronegatiflik farkı yok ise, başka bir deyişle bu iki atom aynı ise, bu iki atomun oluşturacağı bağların polar olmasını bekleyemeyiz. Mono atomik (tek cins atoma sahip) moleküller bu yüzden polar değil apolar olurlar. Aralarında yüksel anlamda bir denge olduğundan, paylaştıkları elektronlar her iki atom çevresinde de eşit zaman harcarlar diyebiliriz. Örnek verecek olursak O2, N2, H2, F2, I2, Br gibi daha birçok örnek sıralamak mümkün. Bazen çoklu atomlardan oluşan moleküller arasında elektronlar dengeli bir şekilde dağılım gösterebiliyor ve molekülün herhangi bir ucunda kısmi olarak artı ya da eksi yüklü olma durumu gözlemlenmiyor. Bu tür moleküllere de apolar molekül adını veriyoruz. Örneğin CO2 molekülünde oksijen atomları ile karbon atomu arasında elektronlar eşit ve dengeli bir biçimde dizilmiş olduklarından CO2 apolar moleküldür diyoruz. Hidrokarbonlar (karbon ve hidrojen atomundan oluşan moleküller) yine benzer sebeplerden dolayı genelde apolar moleküllerdir. Burada şunu da belirtmek gerekiyor. Eğer iki atom arasındaki elektronegatiflik farkı çok fazla (2,0'dan büyük) ise, bu atomlar arasında elektron yâda elektronların ortak kullanımından ziyade elektronun bir atomdan kopup diğerine geçmesi durumu gözleniyor. İki atom arasında oluşan bu tür bağa bildiğiniz gibi iyonik bağ diyoruz. Örneğin LiF molekülünde atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı yaklaşık 3 olduğundan molekülün iyonik bağlı olduğunu tahmin edebiliriz. Eğer atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı çok büyük değil ise (2,0'dan küçük ise) atomlar elektron paylaşımına gidiyor yani kovalent bağ oluşuyor. Bu şekilde oluşan kovalent bağa da polar kovalent bağ adını veriyoruz. Su molekülü en çok bilinen polar molekül örneğidir. Oksijen atomu ile hidrojen atomları arasındaki elektronegatiflik farkından dolayı elektronlar merkezde bulunan oksijen atomu çevresinde daha çok zaman harcarken; uçlardaki hidrojenlerde daha az zaman harcarlar. Oksijen atomu kısmi olarak eksi, hidrojenler ise kısmi olarak artı yüklü gibi gözlenir. Bu yüzden her ne kadar toplamda su molekülü nötr ise de polar bir moleküldür. Neden CO2 apolar da, H2O polar diye sorulduğunda yanıt şöyle

12 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 181 olmalıdır: Bunun nedeni moleküllerin geometrisidir. CO2 molekülü doğrusal (lineer) bir şekilde (bağ açısı 180 derece) iken; H2O molekülü doğrusal değildir. Hidrojen ve oksijen arasındaki bağlar dar açı oluşturacak şekildedir. Bu da CO2 de kısmi yükün sıfır olmasını yani apolar molekül olmasını sağlarken; H2O nun kısmi olarak yüklü yani polar olmasını sağlamaktadır Dipol dipol kuvvetler: Bir atomun fazladan elektron alma eğilimine elektronegativite denir; elektronegativitesi yüksek atom, elektron alma eğilimi yüksek atomdur. Elektronegatiflik, bir atomun elektronları çekebilme becerisinin ölçüsüdür. Elektronların nükleus tarafından çekilme gücünün nükleus'un kütlesi ile orantılı olduğu bilinmektedir ancak atomun yapısına göre nükleus a olan uzaklık arttıkça da çekim gücü uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azalır. Diğer bir deyimle elektronegativitenin belirlenmesinde nükleus kütlesi ve en dış kabuktaki elektron yörüngesinin nükleus a uzaklığı da önemli rol oynar. Buna göre her iki parametrenin optimum bir noktası hesaplanır. Polar moleküller birbirlerini dipol - dipol kuvveti ile çekerler veya iterler. Polar kelimesi, elektronegatiflikleri farklı olan ya da daha basit bir ifade ile (+) ve (-) kutuplaşması gözlenen moleküller için kullanılır. Moleküller arasındaki mutlak elektronegatiflik farkları, o moleküller arasındaki bağın, polar, apolar (polar olmayan) ya da iyonik bağ olup olmadığının bilgisini verir. Örneğin H H bağında elektronegatiflik farkı 0, 0 olur ve apolardır. H Cl bağında ise (Cl daha elektronegatiftir) 0, 9' luk bir fark vardır ve polardır. Elektronegatiflik farkı çok yüksek olduğu durumlarda ise (Na Cl de olduğu gibi ) iyonik bağdan söz ederiz. Sonuçta H Cl polar bir moleküldür. Bağ elektronlarının çoğu daha elektronegatif olan Cl atomu üzerinde birikir ve Cl çevresinde daha çok zaman harcarlar. Bu yüzden (HCl nötr olduğu halde) H atomu kısmen pozitif, Cl atomu da kısmen negatif gibi gözükür. İşte bu kutuplaşma polar kelimesi ile ifade edilir. Apolar moleküllerde ise ''H H'' de olduğu gibi bağ elektronları eşit dağılır ve bir kutuplaşma olmaz. İşte dipol dipol kuvveti, polar molekülün kısmen pozitif olan ucu ile diğer molekülün kısmen negatif olan ucu arasında oluşan bir çekim kuvvetidir. 182 Bağı oluşturan iki atom birbirinden farklı ise oluşan kovalent bağ polarlaşmaya başlar. Bu durumda A ve B farklı atomlar olupelektronegativiteleri-(elektron çekme gücü)- farklıdır, böylece de bağı oluşturan iki elektronu farklı ölçüde çekerler. Elektronegativitesi fazla olanın daha fazla çekeceği ve elektronlarda eksi (-) yüklü oldukları için, bu atom etrafında kısmi bir eksi yük oluşacağını anlamak çokta zor değildir.

13 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 183 Örnek olarak metanoldeki karbon oksijen bağı, oksijenin daha elektronegatif olmasından dolayı polar kovalent bağ halindedir ve bağ elektronları oksijen atomuna doğru kaymıştır. Moleküldeki polarlaşma metil gurubu tarafında (Karbonda) kısmen pozitif ve hidroksit tarafında ( Oksijen) kısmen negatiftir. Pozitifliğin ve negatifliğin bağıl büyüklüğü, bağı oluşturan atomlar arasındaki bağıl elektronegatiflik farkı ile doğru orantılıdır. Metanol ve metil amindeki C-O ve C-N karşılaştırıldığında; Aradaki farkın metanolde daha fazla olduğu ve bu bağın daha polar olup oksijene doğru kaymanın daha fazla olduğu gözlenebilir. Polarlaşma birden fazla bağda oluyorsa bu molekülde dipol moment 'ten bahsedilir ki buda moleküler polarlaşma anlamını taşır. Örnek olarak su ve amonyak moleküllerindeki dipol moment; Bir molekülde birçok polar bağ olmasına rağmen molekül polar olmayabilir. Buda bağ polarlıklarının vektörel toplamlarının sıfır olması anlamına gelir. Karbontetraklorür bu duruma iyi bir örnektir. 184 Organik molekülleri oluşturan bağlar elektronegatifliklerinin birbirine yakın olması nedeni ile çoğunlukla polar kovalent bağ vermekle beraber bazen bu bağ kırılacak kadar elektronlar bir tarafa kayabilir ve ilgili iyonları oluşturabilir Makromoleküllerde hayati önem taşır. Yukarıda anlatılan gerek atomlar arası gerekse moleküller arası ilişkilerin çevresel faktörlerle elektriksel dağılım değişimleri yaşayacakları kolaylıkla anlaşılabilir. İlerde ele alınacağı gibi moleküler tanışmada ve moleküler aktivasyon, inaktivasyonda bu biyofiziksel ilkeler geçerli olur. Makromoleküllerin oluşumu kovalent bağlanmalara dayanırken supramolekül olarak adlandırılan ve iki veya daha fazla makromolekülün bir araya gelmesiyle oluşan moleküller ise supramoleküller olarak adlandırılırlar. Supramolekülleri oluşturan makromoleküller arasındaki ilişki kovalent ilişki değil daha zayıf bağlanma niteliğindeki nonkovalent ilişkidir. Makromoleküller arasındaki ilişki kalıcı ilişki olmadığı için makromoleküllere hareket olanağı, bir hareketi tekrarlayabilme olanağı sağlar. Eğer makromoleküller arası ilişki kovalent olsaydı canlılık, hareketlilik olamazdı. Birden fazla molekülün bir araya gelmesi biri biri ile geçici olsa da ilişki kurmaları canlılar açısından yaşamsal niteliktedir. Moleküller bir araya geçici olarak gelip biri birlerine bir iş yaptırmaları açısından önemlidir. Bu nedenle non kovalent ve geçici birliktelikler son derece önemlidir.

14 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Moleküler Gruplar 2.1. Biyomoleküller Canlı organizmaların kimyasal yapılarında karbon elementi çok önemli bir yer tutmaktadır. Kuru ağırlıklarının yaklaşık yarısından fazlasını karbon elementi oluşturmaktadır. Karbon atomu hidrojen, oksijen ve azot gibi kovalent bağ yapma kapasitesine sahiptir. Hidrojen atomu dış elektron tabakasını doldurmak için 1, oksijen 2, azot 3, karbon ise 4 elektrona gereksinme duymaktadır. Böylece karbon 4 hidrojen atomunun elektronlarını ortaklaşa kullanarak metan (CH4) bileşiğini meydana getirir. Ortaklaşa kullanılan her elektron için bir kovalent bağ oluşturduğundan karbon hidrojen ile 4 kovalent bağ yapabilir. Karbon aynı zamanda oksijen ve azot ile de tek ve çift bağ yapabilmektedir. Biyolojideki en önemli olaylardan birisi de karbon atomlarının elektronlarını kendi aralarında ortaklaşa kullanmaları ve son derece dayanıklı olan karbonkarbon tek bağını yapmasıdır. Her bir karbon atomunun en önemli özelliklerinden birisi de diğer 1, 2, 3 ve hatta 4 karbonla ayrı ayrı tek bağ yapmasıdır. Bundan başka iki karbon atomu arasında çift bağ yapmaktadır. Karbon atomunun bu bağlarına özeliklerinden dolayı çok çeşitli yapıda biyolojik molekül elde edilmektedir. Bunlarla düz zincirli, dallı zincirli, dairesel yapıyı, kafese benzer yapıyı ve bunlardan bir veya bir kaçının kombinasyonu olan organik molekül yapılarını elde edebiliriz. Karbon atomu hidrojen, oksijen, azot ve kükürt atomu ile kovalent bağ yapmaktadır. Karbonun bağ yaptığı atomlar, örnek olarak aşağıda gösterilmiştir. Kovalent bağlarla bağlanmış karbon zinciri içeren moleküllere organik moleküller adı verilmektedir. Biyomoleküllerin pek çoğu karbonun organik 186 bileşikleridir. Karbon atomunun diğer atomlara çeşitli şekilde bağlanışı sınırsız sayıda organik molekülün meydana gelmesine olanak sağlamıştır Organik moleküllerin fonksiyonel grupları Biyomoleküller hemen hemen tümü karbon ve hidrojenden meydana gelmiş hidrokarbonların türevi olarak kabul edilmektedir. Hidrokarbonlarda ana omurga karbon iskeletinden meydana gelmiş ve karbonlar birbirine kovalent bağlanmıştır. Karbonunu diğer bağlarına ise hidrojenler bağlanmıştır. Bu tip hidrokarbonlarda karbon iskeleti oldukça dayanıklıdır. Çünkü karbon-karbon arasındaki tek ve çift bağlar oldukça dayanıklıdır. Bu bağlardaki elektronlar her iki karbon tarafından da eşit şekilde çekilmektedir. Hidrokarbonlardaki bir veya daha fazla hidrojen atomunun yerine farklı türdeki fonksiyonel grupların girmesi ile çeşitli organik bileşikler meydana gelmektedir. Tipik organik bileşikler ve onların özgül fonksiyonel grupları olan alkoller, bir veya daha fazla hidroksil grubu, amino grupları, ketonlar, karbonil grupları, asitler ve karboksil gruplarıdır.

15 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 187 Fonksiyonel gruplar komşu atomların elektron dağılımını ve geometrisini etkilemekte ve böylece organik molekülün tamamının kimyasal aktivitesi etkilenmiş olmaktadır. Bir organik molekülün üzerinde bulunan fonksiyonel gruplardan o organik molekülün kimyasal bakımdan nasıl davranacağını ve ne tip bir reaksiyona gireceğini tahmin etmek mümkündür. Hücrelerde katalizör rolü oynayan enzimler biyolojik moleküllerdeki spesifik fonksiyonel grupları tanımakta ve katalizledikleri reaksiyonlarla bu moleküllerin yapısında özgül değişikliklere neden olmaktadırlar. Biyolojik moleküllerin çoğu birden fazla fonksiyonlu olup iki veya daha fazla fonksiyonel grup içermektedirler. Böyle bir molekülde her bir fonksiyonel grup belli bir kimyasal özellik gösterip belirli reaksiyonlara katılmaktadır. Amino asidler, organizmada bulunan proteinlerin yapı taşıdır. Bütün amino asidler en azından iki tip fonksiyonel grup içermektedir. Bunlardan birisi amino grubu diğeri ise alanin grubudur. Bu amino asid'in kimyasal özelliği öncelikle amino ve karboksil grubuna bağlıdır. Birden fazla fonksiyonel gruplara sahip olan biyolojik moleküllerden birisi de basit glikoz şekeridir. Glikoz molekülü iki çeşit fonksiyonel grup içermektedir. Bunlardan birisi hidroksil grupları diğeri ise aldehid grubudur. Yukarıda sunulan bilgilerin ışığında söylenebilir ki gerek genelde gerekse fonksiyonel grupları açısından bakıldığında moleküller, üzerlerindeki elektriksel yüklerin dağılımına göre temel üç kategoriye ayrılırlar. Bunlar: a- Nonpolar moleküller b- Polar Moleküller c- İyonik Moleküller dir 188 Proteinlerin yapısında yer alan amino asid moleküllerinden 6 tanesinin elektriksel Yapısı Nonpolar moleküller ile polar moleküller incelendiğinde her grupta da negatif ve pozitif elektriksel yüklerin toplamının eşit olduğu fakat molekül üzerinde dağılımlarının farklı olduğu görülür. 1- Nonpolar molekülde molekülün hangi noktası incelenirse incelensin negativitenin ve pozitivitenin eşit skalar değerlerde olduğu görülür. Nonpolar moleküller böylesi elektriksel yapıları nedeniyle aynı zamanda hidrofobik moleküller olarak adlandırılırlar. Hidrofobik olarak isimlendirilmelerinin nedeni su içerisine girdiklerinde polar yapılı olan su molekülleri ile polar bağlantılara girememeleri bağlı olarak ta su moleküllerinin türdeş moleküllerle olan çekim kuvvetinin sonucu olarak ortamdan dışlanmalarıdır. Diğer bir anlatımla su molekülleri birbirine çekim uygularken araya giren nonpolar moleküller üzerinde polar su moleküllerinin birleşebilecek nokta bulamamaları nedeniyle itilip

16 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 189 kalkılmaları söz konusu olur bu nedenle sulu ortama konduklarında bir araya toplanırlar. 2- Polar moleküller ise polar yapıları nedeniyle su içerisine girdiklerinde su moleküllerinin kutupları tarafından uygulanan çekim kuvvetinin sonucu olarak ya çözünürler ya da su molekülünün belirlediği konformasyonu alırlar. Çünkü su molekülünün içerisine bırakılan her molekül ivedilikle su molekülünün negatif ve pozitif çekim gücüne maruz kalırlar, su içine bırakılan molekülün negatif yüklü bölgesine suyun hidrojen bölgesi pozitif yüklü bölgesine ise suyun oksijen bölgesi atak yaparak etkisi altına almağa çalışır. 3- İyonik moleküllerin yapılarında total negatif ve total pozitif yüklerin toplamları eşit değildir. Öte yandan elektriksel yüklerin molekül üzerindeki dağılımı da homojen olmadığından polar moleküllere benzer özellik gösterirler. İçinde bulundukları su ortamına iyonik katkı da yaparlar. Yani tek, tek atomlar gibi moleküller de eğer su ortamı içindelerse, herhangi bir moleküle bağlı olmayıp bağımsız durumda iseler ve net elektriksel yükleri varsa moleküller de iyonik karakter taşıyabilirler Nonkovalent bağlar (kovalent olmayan) Zayıf bağlar, bir çözeltideki atomlar arasında sürekli olarak kurulur veya kırılırlar. Fizyolojik sıcaklıklarda moleküllerin içindeki ve aralarındaki ilişkileri seçici fakat geçici olarak kurarlar. Zayıf bağların hepsi kısa mesafeli ilişkilerdir. Bu bağlar hem makromolekülleri şekillendirmek için yeterince güçlü ve hem de o yapıların çabucak dağılması için yeterince zayıftırlar. Proteinler, nükleik asitler ile membranların şekillenmesinde ve sağlamlaştırılmasında rol oynarlar. Kovalent olmayan bağın şekillenmesinde serbest bırakılan enerji, kovalent bağların şekillenmesinde gerekli olan enerjiden çok daha azdır diğer bir anlatımla molekül veya atomların biri birlerine bağlanmasında kovalent bağ nonkovalent bağlara göre çok daha kuvvetlidir. Fakat iki ayrı molekül arasında etkili bir güç oluşturmaya yeter. Zayıf bağların oluşumunda ki enerji düzeyi oldukça düşüktür. Organizmada istirahat koşullarında bir biyomolekülün sahip olduğu termal enerji Ortalaşmasının biraz üzerindedir. Yeterince yakın olan atomlar arasında kendiliğinden oluşurlar, diğer moleküllerin yani enzim görevi yapan proteinlerin yardımı gerekmez. Kovalent olmayan bağlar; iyonik bağlar, hidrojen bağları ve van der waals kuvvetleri olmak üzere üç grup olarak benimsense de hidrofobik ilişkiler de edilgende olsa bir çeşit bağ olarak kabul edilebilir İyonik bağlar İyonik bağlar, birbirine yaklaşan zıt yüklü atomlar arasında elektrostatik çekim kuvvetleri ile ortaya çıkan bağlardır. Pozitif yüklü bir iyonla (katyon), negatif yüklü bir iyon (anyon) un ilişkisiyle şekillenir. İyonik bağlarda özel geometrik düzenlemeler bulunmaz.. Çünkü bir iyon etrafındaki elektrostatik alan yani karşı yüke ilgisi tüm yönlerde eşit dağılmıştır. Tipik örnek, negatif yüklü bir karboksil grubu ( - COO) ile pozitif yüklü bir amonyum grubu (-N + H3) arasında oluşur. Bazı element atomları, daha kararlı bir yapıya ulaşmak için, dış elektron kabuklarındaki elektronlarını bir başka element atomuna vermek eğilimindedirler; bazı element atomları ise aynı nedenle başka element atomlarından fazladan elektron almak eğilimindedirler. Biyomolekül yapısına giren ve sık rastlanan atomlarda elektronegativite sırası şöyledir: O>N>C=S>H=P. İki atom arasındaki elektronegativite farkı 2 nin üzerindeyse elektron transferi gerçekleşebilir. Eğer sodyum (Na) atomu gibi elektron vermeğe eğilimli bir atom ile klor (Cl) atomu gibi elektron almaya eğilimli bir atom yan yana gelirse sodyumdan klora elektron transfer edilir. Sodyum atomu bir elektron kaybederek +1 yüklü bir iyon haline gelir; klor atomu ise bir elektron kazanarak 1 yüklü bir iyon haline gelir. Sodyum ve klor iyonları, Na ve Cl şeklinde yazılırlar. Zıt yükler birbirini çektiklerinden pozitif yüklü sodyum (Na) ile negatif yüklü klor (Cl ) birbirini elektrostatik çekim kuvveti ile çekerek iyonik bağ vasıtasıyla birbirine bağlanırlar ve böylece sodyum klorür molekülü (NaCl) oluşur + Biyolojik olarak önemli basit iyonlar örneğin; Na +, K +, Ca ++, Mg ++ ve Cl - sulu çözeltilerde serbest olarak bulunmazlar. Her biri su molekülleriyle sarılıdır. Sudaki iyonlarla, iki kutuplu su molekülünün zıt yükleri arasında bir elektrostatik çekim meydana gelir. Bu şekilde oluşan iyonlar, zar yapısındaki taşıyıcı proteinlerin su dolu kanalları veya porlarından geçtikleri zaman, hücrelerde birçok biyolojik olayda örneğin; sinirsel uyarıların iletilmesi, kas kasılmasının uyarılması, ışık enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ve bilgi iletimi gibi olaylarda önemli rol oynarlar. Bir veya birkaç elektronun bir atom yapısından tamamen ayrılıp başka bir atomun yapısına geçmesi sonucu oluşan pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasında oluşur. İyonik bağlarda etkin olan kuvvet, farklı elektrikle yüklü taneciklerin birbirini çekmesidir Hidrojen bağı: Bir elektronegatif atoma kovalent bağla bağlı hidrojen atomu ile bir başka molekülün elektronegatif bir atomunun ortaklanmamış elektronları arasında oluşan bağdır. Bir hidrojen (H) atomunun oksijen (O) ve azot (N) gibi bir

17 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 191 elektronegatif atoma kovalent bağlanması halinde, elektronların oksijen ve azot atomuna hidrojenden daha yakın bulunmaları nedeniyle elektropozitif hale gelen hidrojenin başka bir elektronegatif atom tarafından çekilmesi sonucu meydana gelir. Elektronegatifliği yüksek bir atoma kovalent bağlı bir hidrojen atomu ile elektronegatifliği az olan bir atomun yalnız (bağ yapmamış) elektronları arasındaki bağa Hidrojen Bağı denir. X H----Y Bu şekilde tanıma göre, X yüksek elektronegatif bir atom, Y elektronegatifliği daha düşük bir atom, kesik çizgiler ise hidrojen bağıdır. Su molekülleri arasında Hidrojen bağı vardır. Bir su molekülünde, oksijene bağlı 2 hidrojen atomu ve oksijenin 2 çift yalnız (bağ yapmamış) elektronu vardır. Sudaki O H bağında, O yüksek elektronegatif olduğu için, elektronlar O atomu çevresinde daha çok zaman harcarlar. Başka bir deyişle polarizasyon olur. Hidrojen ise kısmen (+) yüklüymüş gibi olur. Moleküller arasındaki ilişki H e uygulanan çekim gücünden kaynaklanıyorsa iki molekülü birleştiren gücü H bağı olarak tanımlanır. N-H O ilişkisinde nitrojen ile Oksijen arasında bir ilişki H aracılığıyla gerçekleşiyor. Azot H ne kovalent olarak bağlanmış ama O bu ikiliyle elektriksel çekim kuvvetine bağlı bir ilişkiye girer ve ona bir çekme kuvveti uygular dolayısıyla bu molekül iki grup arasında bir bağlanma gerçekleşebilir. Hidrojen bağlarının en tipik örneği su molekülleri arasında görülür. Su molekülleri komşu su molekülleriyle hidrojen bağlarını sürekli olarak kurar ve kırar. Su moleküllerinde oksijen atomu elektronegatiftir ve elektronları hidrojen atomlarından daha fazla çeker ve yakalar. Molekülün oksijen atomunda kısmi bir negatif yük, hidrojen atomlarında kısmi bir pozitif yük oluşur. Bu negatif ve pozitif yüklerden dolayı komşu su moleküllerinin oksijen ve hidrojen atomları arasında hidrojen bağları kurulur. Hidrojen bağı yapan elektronegatif atomlar özellikle amino (-NH2) ve hidroksil (-OH) gruplarındaki azot ve oksijen atomlarıdır. Tüm kovalent N-H ve O-H bağları kısmi yüklü bağlar olduğundan, hidrojen atomları hidrojen bağı oluştururlar. C-H bağları ise, elektronegatif atoma bağlı hidrojen atomu olmadıklarından hidrojen bağı yapamazlar. Hidrojen bağları, makromolekülleri kararlı tutan güçlerdir. Birçok proteinin üç boyutlu yapısı çok sayıda hidrojen bağlarıyla şekillenmiştir. Makromoleküllerde çok sayıda olabilen hidrojen bağları, bu moleküllerin stabilizasyonunda anahtar rol oynarlar. Bir hidrojen bağının yönü, bağın kuvvetli veya zayıf olmasını etkiler; donör ve akseptör atomlarla hidrojen atomu bir düz çizgi üzerinde olduğunda hidrojen bağı kuvvetlidir: 192 Polar su molekülleri arasında hidrojen bağları, her bir su molekülünün oksijeninin diğer su molekülünün hidrojenini ve her bir su molekülünün hidrojeninin diğer su molekülünün oksijenini hafifçe çekmesiyle oluşurlar Bu olay suyun içinde gerçekleşiyor. Bir nonkovalent bağ veya kovalent bağ algılarken veya düşünürken kesinlikle suyu hesaba katmamız gerekir çünkü oluşan bu molekül suyun içinde yüzmekte, suyunda O den ve H den kaynaklanan (-) ve(+) bölgeleri var. Suyun içinde herhangi bir madde atıldığında moleküldeki elektriksel yüklerin dağılımı simetrik değilse yani molekül multipolarsa (çok kutup varsa) o zaman (net work (ağ) canlıda su olduğu için) DNA örnek olarak suyun içine atarsak suyun koyduğu koşullara göre davranır Van der Waals kuvvetleri İndüklenme ile elektriklenme Elektrikli her madde çevresinde bir elektrik alanı oluşturur. Nötr cisimler de bu alandan etkilenirler. Öncelikle nötr bir cismin, atom nükleusundaki taneciklerden ve elektronlardan oluştuğu hatırlanırsa. Ortamda (+) yüklü bir molekül bulunuyorsa nötr moleküldeki elektronlar bu (+) kutup tarafından çekilir. Diğer bölgede ise elektron eksikliği veya (+) yük oluşur. Bu yolla polar olmayan (apolar) bir molekül de indüklenme yolu ile (-) ve (+) yük kutuplaşması oluşumu sağlanır ve molekül indüklenmiş dipol momente sahip olur. Apolar moleküllerde dipol dipol kuvvetler söz konusu olmaz. Ancak London kuvveti (1930 da Fritz London isimli bilim adamı tarafından bulunmuştur) apolar olan moleküllerdeki atomların kısa bir süre için hatta anlık olarak polarize olması ile oluşur. Atom çekirdeği etrafında dönen elektronlar bir anlık ta olsa, çekirdeğin belirli bir bölümünde daha fazla bulunur. Böylece atom kendi içinde kısmen polarize olur. Bu atoma komşu olan atomun ise, bu durumdan dolayı kendi elektronlarının dağılımı değişir ve o da polarize olur. Bu durum zincirleme halinde bütün molekülü etkiler. Böylece atomlar arsındaki etkileşmeden doğan bir çekim kuvveti meydana gelir. İşte moleküller arasında, atomların elektronlarının anlık pozisyon değişimlerine bağlı olarak oluşan çekime London kuvveti diyoruz. London kuvveti, moleküler ağırlığı fazla olan moleküllerde daha fazla hissedilir. Çünkü bu moleküller daha fazla elektrona sahiptir. Hidrofobik bağlar diye de bilinirler; bir molekülün nonpolar grupları arasında, Van der Waals-London çekme güçleri vasıtasıyla meydana gelirler. Yüklü olmayan iki atom yan yana geldiğinde çevrelerindeki elektron bulutları etkileşir ve elektronların konumları değişerek çekirdek etrafında geçici bir dipol oluşur. Oluşan iki dipol birbirini çeker. Ancak moleküller belli bir uzaklıkta iken dipoller oluşabilir ki dipollerin oluştuğu ve iki dipol arasında etkileşimin maksimal olduğu uzaklık, atomun Van der Waals çapı olarak bilinir. Hidrojen bağları veya iyonik bağlar içermeyen apolar sıvıların ve katıların molekülleri arasındaki ilişkiler de böyledir. Van der Waals ilişkilerinin olduğu atomların elektron halkaları birbirine değecek kadar

18 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 193 yakındır. Atomlar çok daha yakın durmaya zorlanırlarsa, elektron halkaları çakışır. Elektron halkalarındaki negatif yüklerle atomlar birbirlerini iter. Biyomoleküllerin biri birleriyle ilişkilerinde ve bağlanmalarında, moleküler tanıma mekanizmalarında Van der Waals kuvvetler en geniş rolü oynarlar. Herhangi iki molekül su içerisinde gezerken birbirlerine yaklaştıklarında birbirleri üzerine çekme ve itme kuvveti uygulayacaklardır. İşte çekme kuvveti uygulandığında bu iki molekül birbirine yaklaşır ama belli bir uzaklığa geldikten sonra dış yörüngede bulunan elektronegatif bölgenin etkisi nedeniyle bir itme kuvveti oluşacak ayrılıp gideceklerdir çekme ve itme kuvvetleri birbirlerini yenmeyi çalışırlar işte bu geçici birliktelik belli bir zaman biriminde dengenin oluştuğu delta zaman aralığında bu birlikteliğin kuvveti Van Der Waals birlikteliği olarak tanımlanmıştır. Bu çok önemli bir canlı yapının ayakta kalmasında proteinlerin membranla etkileşmesi. Membranda bazı moleküllerin yer alması v.s Su 3.1. Biyolojik önemi ve özellikleri Farklı iki atom birbirlerine kovalent bağ ile bağlandıklarında bağı oluşturan elektronları kütleleri oranında güçle farklı olarak çekerler. Böylesi oluşan kovalent bağların dipolar oldukları bilinmektedir (iki kutupludur). Molekülün bir bölümü negatif (δ ), diğer bölümü ise pozitif yüklü (δ +) dür. Su molekülü elektriksel açıdan nötr olmasına (eşit sayıda elektron ve proton içermesine) karşın, elektronların simetrik olmayan dağılımı molekülü polar hale getirir. Bir oksijen atomunun iki hidrojen atomuna kovalent olarak bağlanmasıyla oluşan su molekülünde oksijen atomunun nükleusunun kütlesi daha büyük olduğu için paylaşılan elektronları kendine daha yakın bir bölgeye doğru çeker. Oluşan bu yeni durum nedeniyle oksijen yakınlarında iki tane görece elktronegatif alan oluşur. Öte yandan su molekülünün hidrojenlerinin nükleuslarına yakın bölümleri de elektriksel açıdan pozitif bir değer kazanır yani elektropozitif alan oluşur. Sonuçta su molekülünün H atomları tarafında kalan bölümü (+) yüklü hale gelir. Oksijen atomu etrafında ise, elektron yoğunluğu arttığı için molekülün oksijen bölümü ( ) yüklü karakter taşır hale gelir. Suyun bu dipolar özelliğinin sonucu olarak birden fazla su molekülü aynı ortama girdiklerinde elektriksel çekim kuvvetlerinin etkisi sonucu su molekülünün oksijeni komşu molekülünün hidrojeni ile yakın ilişkiye geçerken hidrojen atomu ise diğer bir komşunun oksijeni ile ilişkiye girer. Böylece bir su molekülü ikisi oksijeni üzerinden ikisi de hidrojeni üzerinden olmak üzere dört ayrı su molekülü ile komşuluk oluşturabilir ve böylelikle üç boyutlu bir ağın temelleri atılır. Suyu oluşturan oksijenlerin ve hidrojenlerin birbirlerine etkiledikleri çekim kuvveti nedenleri ile bir ağ (network) oluşur. Su molekülleri çekim kuvvetlerini

19 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 195 birbiri üzerine uygularken aynı zamanda içerisine bırakılan tüm moleküllerle de benzeri ilişkiye girmek ister ve molekül nonpolar değilse onunla elektriksel güçleri üzerinden bir ilişkiye girer ve bir duruş kazandırır. Elektriksel çekim gücünü içerisine bırakılan moleküle uygularken molekülün (-) bir kolu varsa hidrojenler oraya tutunmaya çalışacaktır ve (+) bölümüne de su molekülünün oksijenleri tutunmaya çalışacaktır. Böylelikle su molekülünün en belirgin özelliği olarak bilinen özelliği yani çözücülüğü ortaya çıkacaktır. Su molekülü içerisine hangi molekül yerleştirilirse yerleştirilsin öncelikle su molekülü tarafından çözülmeye çalışılır. Eğer çözülemiyorsa hidrofobik (nonpolar) moleküllerde olduğu gibi biri birlerine doğru itilmeğe başlar. NaCL örneği düşünülürse (Na) bölümüne oksijenler tutunur (Cl) bölümüne ise hidrojenler tutunur ve molekül parçalanır yani çözünür. Su moleküllerinden oluşan üç boyutlu ağ yapısının sürekliliği çok kolay değildir. Su moleküllerinin sahip olduğu kınetik enerji (vibrasyon ve spin hareketleri) ve hidrojen bağlarının zayıflığı nedeniyle çok kısa teorik bir zaman aralığı düşünülürse ( Δt ) zaman aralığında 20 0 C su moleküllerinin ancak %15 i ideal komşuluk pozisyonundadır. Suyun sıcaklıklığı artırıldığında ısı transferi sonucu bu değer kinetik enerjinin artmasına bağlı olarak daha da azalacaktır. %15 dışında kalan diğer kısımları devanlı oynama halinde komşularının da etkisi ile sürekli pozisyon değiştiriyor olacaktır (suyun ancak %15 şi bir network halinde durabiliyor %85 şi pozisyon değiştirme noktasında). Canlıların oluşum süreçleri suda başlamıştır. Tüm biyomoleküllerin biçimlenişi su moleküllerinin oluşturduğu ortam koşullarına göre gerçekleşmiştir. Buzul çağı düşünülürse denizler ve doğadaki sular buz olduğunda buz tabakasının altında her zaman sıfır santigrat derecenin üzerinde sıcaklığa sahip bir su bölümü var olmuştur bu durum da canlıların buz altındaki bu su içerisinde yaşama şansları olmuştur. Buz tabakası suyun yüzeyini kapladığı için dışarıda hava ne kadar soğuk olursa olsun suyun soğukluğu hiçbir zaman 0 C nin üzerinde olmaya devam edecektir. Hava sıcaklığı azaldıkça buz tabakasının kalınlığı artar fakat her zaman altında bir su bölümü var olmaya devam eder. Canlılar su korumuştur ve canlılığın milyarlarca yılda yaşadığı serüvene suyun katkısı birincil olmuştur. Bu katkı da oksijen ve hidrojen atomlarının uygun birlikteliğine dayanmıştır. Ne oksijen ne de hidrojen replase edilemez (yerlerine başka element atomu konamaz). +4 C de su moleküllerinin yani oksijen ve hidrojen atomlarının fiziksel yapıları ve kınetik enerjilerine bağlı olarak en yüksek yoğunluktadır. Burada iki parametre rol oynamaktadır. Birincisi elektriksel çekim gücü ikincisi ise sahip oldukları kınetik enerjidir. Sudaki elektriksel kuvvetlerin ve suyun kınetik enerjisinin ışığında komşu su molekülleri biribirleri ile iç içe en yakın ve en uzak olabildikleri optimum pozisyon+4 C dir. Su moleküllerinin sıcaklığı artırılırsa gittikçe biribirlerinden uzaklaşırlar ve C deartık hiçbir su molekülünün diğeri ile bağlantısı kalmaz ki bu duruma suyun buharlaşması denmektedir. 196 Su moleküllerinden dışarıya ısı transferi gerçekleştirilirse 00 C gelindiğinde kınetik enerji en az düzye gelirken elektriksel çekim kuvvetlerinin etkisi ile oksijenler ve hidrojenler biribirlerine en yakın ve nükleuslar ise en uzak pozisyonu yani en büyük hacmi kazanırlar. Suyun bu durumuna katı kristal hali denmektedir. Bu özellik doğa da hiçbir sıvıda yoktur. Bu şekilde yoğunluk bakımından en küçük noktaya ulaşmıştır. O zaman doğanın mucizesi gerçekleşir ve buz yüzmeğe başlar İşte suyun bu özelligi canlıyı korur ve suyun diğer sıvılara göre üstün kılan yanı ortaya çıkar ki bu özellik yani hidrojen ve oksijen atomların birbirine uyguladıkları kuvvetli birliktelik ve bunların komşu moleküller uyguladıkları çekim kuvveti,suyun polar yapısal özelliginden kaynaklanmaktadır. Artık suyun fiziksel özelliklerini açıklamak daha kolaydır. Suyun buharlaşma ısısının diğer tüm sıvılara göre yüksekliği, ısınma ısısının yüksekliği kolayca anlaşılır ve bu özelliklerinedeniyle de canlıların soğuğa ve sıcağa karşı direnme gücünün yüksekliüi anlaşılabilir bir durumdur. Su moleküllerini birbirinden koparacak uzaklaştırmak için gereken enerji çok yüksektri aynı zamanda bu durum tersinden de doğrudur yani sular soğurken çevreye çok enerji verir Bütün bu özelliklerden dolayı sular muazzam bir şekilde enerji deposu olarak görev yapar böylelikle tüm canlılar için uygun bir iklim oluşmasına en büyük katkıyı sağlar. Suyun dielektrik katsayısı diğer tüm sıvılara göre en yüksek değerdedir. Bir ortama iki molekül bırakıldığında bu ikimolekül doğaları gereği biribirini çekerek birleşmek ister veya tierek ayrılmak ister.işte bu çekme ve itme kuvvetine karşi o ortamın gösterdiği direçe dielektrik katsayısı olarak belirlenir. Bu iki molekülün birleşmesine karşi gösterilen direnç yani dielektrik katsayısı su molekülünün polar yapısından kaynaklanır. Suyun biyomoleküler yapı açısından bir başka önemli özelliği ise hidratasyon özelliğidir. Yani suyun içine konan herhangi bir iyon veya molekül taşıdığı elektriksel özelliğe göre su moleküllerinin oksijenleri ve hidrojenleri tarafından sarılı ve çevrilerek izole edilir. Bu su tarafından enterne etme özelliğine suyun hidratasyon özelliği denir. Böylelikle canlı yaşamda çok büyük öneme sahip iyonların hücre membranından geçişleri sağlanır. Suyun hidratasyon özelliği olmasayda net elektriksel yüklere sahip olan iyonların iyon kapılarından geçişleri mümkün olmazdı. iyonların eger bu durum olmasaydı herhangi bir maddeyi ve polar olan maddeleri memrandan geçmesi söz konusu olamazdı.

20 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Suyun fiziksel özellikleri Suyun polar yapısından kaynaklanan özellikler: 1. Yüksek kaynama noktası 2. Yüksek buharlaşma ısısı 3. Yüksek viskozite (akışkanlık) 4. Yüksek yüzey gerilimi 5. Yüksek dielektrik sabiti Suda molekülleriyle elektriksel olarak ilişki kurabilen polar moleküllere hidrofilik kuramayan nonpolar moleküller de hidrofobik molekül olarak adlandırılırlar. Su molekülleri böylesi hidrofobik molekülleri belli bir yapısal düzenlenme içerisinde sararak klatheral yapısı olarak adlandırılan yapıyı oluşturabilirler. Ayrıca hidrofobik (nonpolar) moleküller suda birlik (agregat) oluşturma eğilimindedirler. Suya damlattığımız yağ damlacıkları birleşerek tek bir damla oluştururlar Hidrofobik Bağlar Bir bölümleri hidrofilik ( polar) diğer bir bölümleri ise hidrofobik (nonpolar) olan moleküllere amfipatik moleküller olarak adlandırılırlar. Böylesi moleküllerin bir tarafı hidrofilik, diğer tarafı hidrofobik karakter taşır. Böylesi yapılar şizofrenik yapı olarak ta adlandırlırlar. Örnek: yağ asitleri ve deterjanlar 198 Su molekülleri içerisinde iyonik bağlar, hidrojen bağları güçlerinden büyük ölçüde kaybederken kovalent bağ ve Van Der Waals bağları etkilenmezler. Çünkü kovalent bağlanma ve Van Der Waals ilişkisinde suyun elektriksel kuvvetleri her iki atom ve moleküle de aynı derecede etki eder ve biri birlerini nötralize ederek etkili olamazlar.. Su moleküllerinin içerisine iyonlar atıldığında atılan iyonlar su molekülünün negatif ve pozitif kutupları ile birleşerek buraları işgal edeler ve su molekülüne ait ağ yapısında yeni durumlar ortaya çıkar. Biyomoleküller için bir ağ oluşturan ve biyomoleküllerin uymasını sağladığı kurallar yani biyomoleküllerin anayasasında değişiklik olur. Organizmada belirli elektrolit konsantrasyonu değerinde biyomoleküller evrimsel süreçte edindikleri davranışı ve performansı gösterirler. Elektrolitlerdeki normal değerlerden azalma veya çoğalma şeklindeki sapmalar anayasa ile oynamak anlamı taşır ki biyolojik anayasa için istenen bir durum olmaz ve biyomoleküllerin yaşam başarılarınd bozulmalar gözlemlenir.

21 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Canlı yapıda moleküller arası ilişkiler Canlı yapıyı oluşturan biyomoleküllerden en yüksek kütleye sahip olan su dur ikinci derecede çok kütle ise proteinlerdir. Proteinler yapısal özellikleri gereği organizmadai çeşitli sistemlerin işlerliğinde birer sistem makinaları gibi görev yaparlar. Vücut sıvıları içerisinde protinlerin bir bağımsız konformasyonu söz konusudur. Proteinlerin yan zincirleri sumolekülleri ile ilişkiye girer ve bir davranış gösterebilirler. Diğer moleküllerle etkileştiklerinde bu konformasyonlarında indüklenerek elekrtiklenme veya doğrudan temas sonucu değişiklikler olabilir. Proteine bir iş yaptıracaksan ne yapmalısın? (+) yüke (-) yeni bir araya gelişteki etmenler nelerdir? İyonik bağlar, non kovalent bağlar, nonkovalent sonucu bunlar birbiri ile etkileşebilirler Moleküller arası ilişki Organizmayı oluşturan bir hücrenin içerisine girildiğinde çok çeşitli büyüklüklerde biyompleküllerin örneğin amino asidlerin, nukleotidlerin (0,5-1nm), globular proteinlerin (2-10nm), proteinlerde bir araya gelen ribozom gibi çok büyük parçacıkların yani supramoleküllerin (30nm) varlığına tanık olunur. Organizmadaki serüvenlerine bakılırsa bütün biyomoleküller sosyal bir ortamda yani diğer moleküllerinde bulunduğu bir ortamda davranışlarını ve varlıklarını sürdürürler. Her biyomolekül diğer biyomolekül ile kütlesinin çapı ölçeğinde bir ilişki yürütür yani diğerini etkiler veya ondan etkilenir. Bu etkileşim biyomolekül var olduğu sürece durmaksızın sürer, gider. 200 Etkileşim sırasında diğer molekül ile şu ya da bu öiçüde konformasyonel değişimler yaşar. İşte bu değişimleri yaşarken kendisi de çevredeki diğer moleküllerde değişim neden olur. Bu değişimler sonucu eğer doğru molekül ile karşılaşılmış ve ona istenen konformasyon verilebilmişse hedef molekül canlının fonksiyonunu sürdürebilmesi için olumlu bir iş yapmış sayılır yani başarılı olmuş sayılır. Bu başarı biyomoleküllerin yaşam başarısıdır. Organizmada bulunan bütün biyomoleküller biribirine bir iş yaptırabilme yeteneğinde değildir. Ancak yapısal olarak kendine uygun moleküle iş yaptırabilme yeteneğindedir. Bu nedenle bir biyomolekül organizma içerisinde gezerken kendisine uygunluk taşıyan molekülle karşılaşmalıdır. Organizmada bulunan tüm moleküller ve iyonlar rastgele hareket ederler ve tesadüfi olarak tanımlanan bir rota izlerler. Bu rota molekülün içinde bulunduğu ortmada yer alan diğer moleküller tarafından onların itmesi ve çekmesiyle belirlenir. Böylelikle bir iş yapmaya aday iki biyomolekülün karşılaşma olasılığı hayli artar.

22 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 201 Biyoleküler başarı biribiriyle non kovalent ilişkiye girmesi gerekli olan moleküllerin bu ilişkiye girebilmeleri ve bu ilişkinin yenilenebilir olmasıdır. Biyomoleküllerin yaşamsal başarısının ortmasal koşulları bir tunç yasa oluşturmaktadır.yani biyomoleküllerin içinde bulundukları ortama ait koşullar belirlidir ve sadece kabül edilebilir sısırlar içerisindeki değişikliklere tolerans gösterilebilir. Biyomoleküllerin içinde bulunduğu ortama ait tunç yasa insanlığın evrilme sürecinde gelmiş olduğu son durumun koşullarının yazılı olduğu ilkelerdir bunlar. - Vücut sıcaklığı (37 0 C) - Vücut sıvılarının ph değeri (7.4) - Vücut sıvılarındaki elektrolit değeri (intrasellüler ve ekstrasellüler sıvılardaki elektrolit dağılımı) Eğer bir şekşlde organizmada biyomoleküllerin davranışlarının kurallarını koyan bu parametreler değişirse artık o organizmanın biyomolekülleri normal performanslarını sürdüremezler ve biyomoleküllerin yaşam başarısı düşerki işte bu durum hastalık olarak tanımlanabilir. 202 Örneğin organizmada bir infeksiyon geliştiğinde organizma savunma mekanizmalarını harekete geçirir ve savunma hücresi sayısını artırır savunma salgılarını artırır v.s. böylelikle de artan metabolik hızın sonucu olarak organizmanın sıcaklığı 37 0 C nin üzerine çıkar. Yukarıdaki enerji göstergesinde ortalama termal enerji düzeyi sağa kayar yani artar. Toplam enerjideki bu artış enerjetik açıdan nonkovalent bağlanma enerjisinin üzerine çıkarsa biyomoleküller arası nonkovalent ilişki kurulmasında bozulmalar başlar ve yaşam başarısı azalır. Biyomoleküller arası nonkovalent birleşmede ve bağlı olarak iş yaptırabilme gücü nonkovalent bağlanmanın enerjetik olarak gücünden değil sayısından kaynaklanır. Yani nonkovalent ilişkilerin hangisi olursa olsun veya hepsi birlikte sayısal olarak belirli değere ulaşmalıdır ki bağlanma başarısı gerçekleşebilsin.

23 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 203 İki molekül arasında nonkovalent birleşmede ilşki sayısı önemli olduğundan birleşmeye aday iki moleküle elektrostatik açıdan biribirine uygun bölgeler içermelidir (komplementer bölgeler). Komplementer olma özelliği iki molekül arasında arttıkça, bu moleküllerin iyonik, hidrojen, Van Der waals kuvvetleri açısından biribirini tamamlar ve uygun nitelikli bölgelerin zenginliği artar demektir. İşte moleküllerdeki bu komplementerliğini zengin olduğu bölgeler bağlanma bölgeleri olarak adlandırılırlar Assosiyasyon ve dissasiasyon Moleküler bağlanma ilkeleri Tanımlanmış bir A molekülü belirli elektrolit konsantrasyonu, ph, ortam sıcaklığı koşullarında her zaman kendine özge bir davranış sergiler. A molekülünün bulunduğu koşullardaki ortamda bulunabilecek bir B molekülü de kendine özge davranışlar sergiler. Ancak A ve B molekülleri biri birlerine komplamenter olan bağlanma bölgeleri içeriyorlarsa yani nonkovalent bağlanma açısından zenginlik içeriyorsa bu birleşmeye aday moleküller birbirlerine bağlanabilirler. Böylesi bir Bağlanmada ne A molekülünün ne de B molekülünün bir ön koşulu olamaz (bağlandıktan sonra kendi davranışını korumakla ilgili) ve bağlanma gerçekleştikten sonra öncelikli olarak bağlanma bölgelerindeki molekülleri oluşturan atomlardan başlamak üzere elektronların pozisyonlarında değişimler başlar daha sonra da bağlanan moleküllerin bütün atomlarını kapsar ve böylelikle artık ne A molekülü ne de B molekülü kendi karakteristik özelliklerini koruyabilir. Çünkü artık ne A molekülünün varlığından ne de B molekülünün varlığından söz edilebilir. Artık ortaya yepyeni bir molekül çıkmıştır ve yeni molekülün adı artık AB molekülüdür. Bu birliktelik çok kısa bir zaman aralığı için gerçekleşecektir çünkü artık AB molekülünün oluşmasında rol alan komplamenter olma özelliği artık AB molekülünü oluşturan atomların kazanmış olduğu yeni konformasyon nedeniyle söz konusu değildir. Yeni oluşan AB molekülün de artık ayrılma eğilim baş göstermeğe başlayabilir ve AB molekülü A ve B ye ayrılabilir. A ve B molekülleri ancak ayrıldıktan sonra orijinal karakter ve performanslarını sergileyebilirler. AB kısa süren bu yaşam öyküsü sırasında bir başka molekülle etkileşebilme, birleşebilme ve bağlanma performansı gösterebilir. AB molekülü için bu davranış olasılıkları vardır ve bu davranışların sergilenmesinde aynı ortamda bulunan diğer moleküllerin veya iyonların varlığıyla ve komplamenter özellik taşıyabilmeleriyle ilgilidir. 204 Böylelikle A ve B moleküllerinin biri birleriyle bağlanmaları çok uzun zincirleme etkileşimleri başlatabilir ve böylelikle organizmada bir dizi biyomolekülü aktive edebilir aktivasyonda canlı yapıda bir olayı tetikleyebilir veya çalışmakta olan bir sistemi durdurabilir. Bir başka olasılık da ortamda yer alabilecek bir C molekülünün A, B ve AB molekülleri ile ilgisi açısından söz konusu olur. C molekülü çeşitli davranışlar gösterebilir. Örneğin: Eğer C nin A molekülüne sadece komplamenter ise C ile A bağlanabilir. Bu bağlanma sonucu oluşan AC molekülünün A bölgesi B ile komplamenter olma özelliği kazanabilir. Bu özelliği kazanınca AC molekülü B molekülü ile A üzerinden birleşebilir ve ABC kompleksi oluşur çok kısa süreli bu kompleksten C ayrılmak zorunda kalır çünkü artık A ya olan komplamenter olma

24 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 205 özelliğini kaybetmiştir. Geride Kalan AB molekülü de bir başkasıyla etkileşerek olaylar zincirini şu ya da bu yönde tetikleyebilir veya durdurabilir. C molekülünün yapabileceği işler açısından başka bir örnek de verilebilir; Ortamda AB molekülü varsa C nin ortama katılması AB nin A veya B üzerinden AB ile komplamenter özellik içeriyorsa AB ile C nin etkileşmesi sonucu A ve B birbirinden ayrılı bu ayrılık sonucu artık C de onlarla birlikte kalamaz. Bir başka olasılık bir D molekülünün ABC kompleksiyle ilişkisidir. ABC biri birlerine kovalent olarak bağlı moleküller olsun. Ortama D geldiğinde D2 molekülünün C ye çok yüksek bir assosiyasyon katsayısı var ise D molekülü ABC kompleksinin C bölümüne bağlanır. Bu bağlanma ABC molekülünde elektriksel değişime yol açar ve C molekülünün AB ye olan afinitesi zayıflarken C molekülüne olan afinitesi artabilir ve böylelikler C molekülü D ile birlikte AB kompleksinden ayrılabilir. Diğer bir deyimle C molekülü D tarafında ABC kompleksinden koparılmış olur. Daha sonraki bir adımda örneğin bir E molekülü aynı uygulamayı DC kompleksine yapıp D veya C yi koparıp alabilir. Bir başka olasılıkta: DC molekülü yolu üzerindeki büyük bir protein kompleksine rastlarsa kompleksi oluşturan unsurlardan bir tanesi bu proteine aktarılabilir. Çünkü proteinin fiziksel konformasyonu D ile C nin biri birlerine olan komplamenter olma özelliğinden daha yüksek bir komplamenter özelliğe sahip olabilir. İşte tüm bu ve benzeri olayların gerçekleşmesinin altında yatan gerçeklik, canlı yapıda bulunan tüm atom ve moleküllerin biri birleri üzerinde etkili olduğu ve gerek atomsal gerekse molekülsel elektronegativitenin, polar momentin bu biyomolekülsel ilişkilerde rol oynadığıdır 206 Yukarıda bir A molekülü ve bir B molekülü nün birleşebilme ve ayrılabilme ilkeleri incelenmektedir ve olasılıklar matematiksel olarak incelenmeye çalışılmıştır. Yukarıda sunulan matematiksel anlaşımlar çok kısa bir zaman aralığında (Δt) tanımlamaktadır. Hiçbir molekül veya iyon için süreklilik arz etmez ve organizmada asıl olan ilişki biyomoleküllerde egemen olan başka moleküllerle etkileşerek konformasyon değişimidir Ligand bağlama Biyofizikte bir ligand (Latince ligare = bağlanmak) bir biyomolekül'e bağlanabilme yeteneği olan ve sonuçta birliktelik oluşturabilen bir molekül olarak tanımlanabilir. Genelde, iyonik bağlar, hidrojen bağları, Van der Waals güçleri hidrofobik ilişkiler ile hedef bir moleküle bağlanabilir. Ligand ile molekül arasında molekülün bağlanma yerine yaklaşması ve ayrılması iki yönlü bir mekanizmadır. Bağlanma ve ayrılma eğilimleri arasında enerjilerin toplamı sabit olarak kabul edilebilir. Assosiyasyon katsayısı artarken dissasiyasyon katsayısı azalır. Assosiyasyon katsayısı azalırken dissasiyasyon katsayısı artar.

25 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 207 Biyomoleküllerin biri birlerini kovalent olarak bağlanmaları çok sık rastlanılan bir durum değildir. Genelde ligandlar haberci olarak görev yaparlar veya tüm haberciler ligand olarak adlandırılabilirler. Ligand hedef moleküle bağlandığında bağlandığı molekülün üç boyutlu yapısında değişikliğe yol açar bu durum da doğal olarak onun işlevsel özelliğini değiştirir. Birden fazla molekülün biri birine bağlanma eğilimleri afinite olarak adlandırılır. Bağlanma eğilimi veya gücüne "afinite" denir. Ligandlara organizmada örnek olarak subsratlar, inhibitörler, aktivatörler, ve nörotrasnmitterler verilebilir. Radyoligandlar, radyoizotopla işaretlenmiş bileşiklerdir, ligand bağlanma ölçümlerinde kullanılırlar Reseptör/ligand bağlanma afinitesi Ligandın moleküle bağlanma bölgesi ile molekülün ligand bağlama bölgesinin komplamenter olma özelliği afinite olarak tanımlanır. Afinitenin yüksekliği bağlanmayı sağlayacak olan iki bölgedeki uygun nonkovalent ilişkiye girebilecek unsurlardan zengin olmakla ilgilidir. İki molekül arasında afinite yüksek değerlerde ise iki molekülün birlikteliği düşük derecedeki afiniteli ilişkiye göre görece olarak daha uzun sürer. Afinitesi yüksek olan ilişkide moleküllerin konformasyonu değişir ve ikili yapının davranışları da değişir bu konformasyonel değişimin sonuçları da önemli olabilir. Organizmada reseptör ligand ilişkileri, bir proteinin aktivasyonu ve inaktivasyonu ve membranlarda iyon kanallarının açılması veya kapalı tutulması gibi olaylar böylesi ilişkilerin sonucudur Benzer bağlanma afiniteli iki agonist Bir moleküle bağlanıp o molekülün davranışını bir ligand değiştirmeyi sağlayabiliyorsa ve bu durum organizmanın klasik işleyişine uygunsa ligand o molekülün agonisti olarak kabul edilir. Reseptör ligand ilişkisinde başarı değerlendirilmesinde moleküllerin etkileşim sonucu ne kadar bir aktivite gösterdikleriyle ve bu aktivitenin gösterilebilmesi için ortama sunulan ligand konsantrasyonuyla ilgilidir. Eğer moleküller arasında bağlanma afinitesi yüksek ise görece düşük ligand konsantrasyonlarında bile reseptördeki bağlanma bölgeleri tam isabetle doldurulabilir ve istenen amaca ulaşılabilir. Bağlanma afinitesinin düşük olduğu durumlarda ise çok yüksek ligand konsantrasyonuna karşın başarı elde edilmeyebilir. Aynı konsantrasyonlarda iki farklı ligand aynı reseptöre bağlandıklarında birincisi tam bir bağlanma doyumuna ulaşıyor ikincisi ise daha düşük düzeyde 208 doyum sağlayabiliyorsa birinci liganda tam agonist ikincisine ise kısmi agonist denir. Agonistin bağlanmak için aday olduğu reseptörün bağlanma bölgesine bir başka molekül yüksek afinite ile bağlanıyor fakat bağlandığı molekülün yapması gereken işin yapılmasını sağlayamıyorsa bu tür moleküller antagonist olarak adlandırılırlar. Farklı reseptör afiniteli iki ligand Ligan bağlanma başarısının belirlenmesinde gerken dozun yani reseptörde bulunan ligand bağlama bölgesinin yarısı kadar bir dozda ligand ortama sürülür. Ortama bağlanma afiniteleri farklı iki ligan sürülür. Afinitesi yüksek olan ligandın afinitesi düşük olana göre daha yüksek oranda bağlanır. Hemoglobine bağlanmak için yarışan oksijen ve karbonmonoksit'in birlikte olduğu koşullarda bağlanma afinitesi yüksek olan karbonmonoksit kazanmakta ve sıkı bağlılık sonucu oksijen bağlanamamaktadır (hemoglobinin oksijen bağlama bölgesi karbonmonoksit tarafından işgal edilmiş durumda). Sonuç olarak karbonmonoksit zehirlenmesi olayı ortaya çıkar. Ligand bağlanma afinitesinin ölçülmesinin gerektiği durumlarda radyoaktif olarak işaretlenmiş ligandlar kullanılır. Homolog yarışmalı bağlanma ölçümünde ortama radyoaktif etiketlenmiş ligand ve saf yani etiketlenmemiş ligand aynı bağlanma bölgesi için yarışırlar. Radyoaktivite sayımları yapılarak ölçümler gerçekleştirilir Bağlanmada bazı türler - Kooperatif bağlanma Adım 1 Adım 2 Adım 3

26 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 209 K1 bağlanma katsayısıyla Molekül A ya Substrat bağlanınca Molekül A üzerinde oluşan konformasyonel değişim sonucu Bir başka substratın bağlanmasını kolaylaştırabilir daha yüksek bir bağlanma katsayısı( Keq2) oluşur. Molekül An ın aktivasyonu için substratın bağlanması gerekir oysa substrat Molekül A arasında assasiyasyon katsayısı çok düşüktür ve bağlanamaz. Ancak fosfat ın İnaktif protein A ya bağlanması substratın protein A ya bağlanmasının yolunu açar (kovalent modifikasyon). - Kompetatif bağlanma - Nonkompetatif inhibisyon Molekül A ya inhibe edici molekülün bağlanması sonucu (allosterik bölge) molekül A da oluşan değişim sonucu bağlanma bölgesi özelliğini yitirdiğinden substratın bağlanması engellenir ve engelleme ortamdakikonsantrasyonlarından bağımsızdır. 210 Transkarbomilaz enziminin aktivasyonu moleküler hareketlilik için güzel bir örnektir. Enzim altı düzenleyici ve altı katalitik altgruptan oluşan bir komplekstir. Ortamda CTP konsantrasyonu arttığında düzenleyici alt gruplara birer CTP molekülü bağlanır ve yeni konformasyonda enzim aktivitesi sona erer ki burada CTP eylemin son ürünüdür. Böylece negatif feed-back mekanizmasıyla kontrol edilen sistem daha fazla CTP üretiminin önüne geçer.

27 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 211 Yukarıdaki şekillerde Cdk enzimlerinin aktivasyonunda birden fazla parametre gerekmektedir. Siklin in bağlanması birinci fosfatın bağlanmasını sağlar. Birinci fosfatın bağlanması yeni konformasyonu sağlar ve blokaj açılır. Blokajın kalkmasını ikinci fosfatın bağlanması izler ve enzim aktif hale geçer. İnaktivasyon için siklin'in degrade olması ve molekülden ayrılması gerekir. 212 Fosfat grubunun bir protein bağlanması yani proteinin fosforilasyonu örneğinde fosfat grubu siklik adenozinmonofosfat bağlı protein kinaz ın triyonin yan zincirine kovalent olarak bağlanır diğer amino asidlerle ise nonkovalent ilişkiye girer.

28 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 213 Protein kinaz enzimi nin temel<işlevi organizmada protein fosforilasyonudur. Yüksek bağlanma katsayısı ile ATP den bir fosfat grubunu alır ve kendine bağlar daha sonra fosforillenmeye aday protein e yaklaştığında bu kez proteinin fosfat grubuna bağlanma katsayısı daha yüksek olduğundan fosfat grubu protein kinazdan ayrılıp proteine transfer olur. Protein fosfataz enzimi ise proteinlerin defosforilasyonunda rol alır. Protein fosfataz'ın bağlanma katsıyısı bu kez proteinin fosfat grubuna olan bağlanma katsayısından yüksek olduğundan fosfat grubu proteinden protein fosfotaz transfer olur. Doğal olarak fosfat grubu proteine bağlı kaldığı sürece protein ya aktive ya da inaktive olarak adlandırıldığı konformasyonda bir görev yerine getirmiş olacaktır. Böylesi fosforilasyon ve defosforilasyon ile proteinler; motor görev( kas kasılması) Bilgi transformasyonu (protein aktivasyonu) İki proteinin birleşmesi gibi birçok temel görev yaparlar Hücrelerarası haberleşmede temel ilkeler Canlı organizmada tüm hücreler ilke olarak birbirleriyle haberleşirler bu nedenle de organizmanın herhangi bir köşesinde gelişen bir olaydan organizmanın tamamının haberdar edilmesi ilkesi esastır. İnsan vücudunda yaklaşık 100 trilyon hücre birbiriyle haberleşme gerçekleştirerek uyumlu bir şekilde başarıyla işlevini yerine getirir. Uyumlu bir çalışmanın gerçekleşebilmesi için hücre gruplarının tamamı birbirlerinin işlevlerini izlemeleri gereklidir. Hücreler arasındaki bu ilişkiler belirli bir disiplin ve düzen içinde gerçekleşir. 1- Büyüme 2- Tiroid kontrolü 3- Yumurtalık ve östrojen üretimi 4- Sperm üretimi 5-Yumurtlama ve östrojen, progestoren salgılanması 6- Testosteron üretimi 7- Adrenal korteksin kontrolü 8- Böbrek tarafından suyun tutulması 9- Meme bezlerinden süt salgılanması 10-Uterus kasılmaları

29 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 215 Böylesi hücreler arasındaki iletişimde rol alan moleküller haberciler olarak adlandırılırlar. Organizmada bir hücreden ortama bir haber ortama sürüldüğünde haber niteliği taşıyan bu haberin ulaşacağı ve sonuçta bir hücresel yanıt oluşturacağı hedef hücrede habercinin komplamenter olması böylece tanınarak bağlanabilmesi için gerekli olan moleküller reseptörler olarak adlandırılırlar Reseptörler Reseptörler genellikle protein yapıdadırlar. Bir bölümü hücre membranında yer alırken diğer bir bölümü hücre içerisinde sitoplazmada bulunurlar. Reseptör sinyal dönüştürülmesinde görev alan protein bir molekülü olarak da tanımlanabilir. Hücre dışındaki bir sinyali hücre içine taşır veya hücre içine giren bir sinyalin DNA ile karşılaşmasında rol alırlar. Reseptörelere bağlanabilen moleküller ligand olarak isimlendirilir, ligand bir peptid (örneğin bir nörotransmitter), bir hormon, bir ilaç, veya bir toksin olabilir, ligand bağlanması gerçekleştikten sonra reseptör konformasyonal değişime uğrar ve hücresel yanıt oluşturulur. Reseptör, hücre membranında yer alırken hücre içerisine girmek isteyen bir protein veya taneciğin hücre içine girmek için hücre membranında bağlandığı bir moleküldür. Hücre membranında reseptöre bağlanan bir protein (örneğin kolera toksini), bir virüs (örneğin HIV) veya bir lipoprotein molekülü olabilir (örneğin LDL). Reseptör, genelde protein molekülüdür ancak karbonhidrat veya lipid yapıda moleküllerde reseptör görevi de yapabilirler (örneğin, kolera toksini, GM1 adlı bir gangliozit'e bağlanır). Virüs veya toksinlerin bağlandığı reseptörlerin bazıları (örneğin, HIV'in bağlanma reseptörü CD34) bir haberleşme reseptörüdür. Patojen organizmalar bir reseptörü kendi amaçları doğrultusunda kullanacak kadar evrimleşmiş olabilir. Hücre membranından geçebilme yeteneğinde olan haberciler sitoplazmada reseptörle karşılaşıp ona bağlandıktan sonra reseptörle birlikte DNA da ilgili bölgeye bağlanırlar ve DNA da bir yazılımın başlamasına yol açarlar ve transkripsiyon faktörleri ismini de alırlar. Bu reseptörlerin ligandları, hücre membranından zorluk çekmeden geçebilen steroid hormonlardır. Bir bölüm reseptörlerin ise sinyal iletimi dışında işlevleri vardır. Endositik reseptörler olan bu reseptörler bir tür moleküllerin (örneğin LDL taneciklerinde bulunan kolesterol ve trigliseritlerin, veya transferin tarafından taşınan demirin) endositoz yoluyla hücre içine alınmasında rol alırlar. Bazı reseptörlerin aktivasyonu için bir molekülün bağlanması gerekmeyebilir ışık veya ses titreşimleri gibi uyaranlar da reseptörler de konformasyon değişimine yol açabilirler ve bir hücresel yanıt oluşmasını sağlayabilirler. Her proteinde olduğu gibi protein yapıdaki reseptörlerin bir amino ve bir de karboksil uçları vardır. 216 Uçlardan bir tanesinin amino asid dizgesi tüm reseptörlerde genellikle aynı amino asidlerden oluşurken (muhafazakar uç) diğer uçtaki amino asidler ise değişkenlik gösterir. Değişken olan bölgeler ligand bağlama bölgesini oluştururlar ve liganda spesifik olmak zorundadırlar bu nedenle de değişik amino asid dizgeleri içerirler. Ayrıca hücre içi reseptörlerde çinkodan zengin bir DNA ya bağlanma özel bölgesi içerirler. Hücre membranından geçebilme yeteneğinde olan haberciler sitoplazmada reseptörle karşılaşıp ona bağlandıktan sonra reseptörle birlikte DNA da ilgili bölgeye bağlanırlar ve DNA da bir yazılımın başlamasına yol açarlar. Hücre membranından geçemeyen habercilerin ise reseptörleri hücre membranında yer alırlar. Hücreler arasında haberleşmenin gerçekleşebilmesi için ligandla yani haberci ile reseptör arasındaki ilişkinin belirli kuralları söz konusudur. Haberleşmenin gerçekleşebilmesi için: - Reseptör ve haberci konsantrasyonları yeterli bir değerde olmalıdır.

30 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 217 Bir tanesinin sayısal azlığı haberleşmenin başarısını engeller. - Reseptör ve haberci arasındaki ilişki de birbirlerine olan afinitelerinin yeteri kadar güçlü olması gerekir - Belirli konsantrasyonda ilişkide doyum gerçekleşebilmeli ve sonucunda da inhibisyon gelişebilmelidir - Reseptör ligand ilişkisi rivörsibıl (geri dönüşümlü) olmalıdır. Eğer kovelent bir bağlanma gerçekleşirse dönüşüm olamayacağından reseptör sürekli olarak meşgul edileceğinden haberleşme başarısı düşecektir. - Reseptör ligand bağlanması sonucu hücresel bir yanıt oluşmalıdır. Hücresel bir yanıt oluşmuyorsa bağlanma anlamsız olur. Bazı haberci moleküller hedef hücreye ulaşamadan yollarında ilerlerken degrade olma olasılığı vardır. Böylesi haberciler taşıyıcı protein denilen proteinlere bağlı olarak gezerler. Reseptör molekülü ile karşılaştıklarında habercinin taşıyıcı molekülden reseptöre transferi gerekir. Bu nedenle haberci ile reseptör arasındaki assosiyasyon katsayısının habersi ile taşıyıcı molekül arasındaki assosiyasyon katsayısından büyük olmalıdır Reseptör sayısının regülasyonu Reseptörler kendi ile bağlanabilen ligandlarla ilişkisinin düzenlenmesinde hücreler reseptörlerin sayılarını artırarak ya da azaltarak düzenleme yapabilirler böylelikle hücresel yanıtın verilmesinde aktif rol alırlar. Bu düzenleme mekanizmaları feed-back mekanizmaları ile gerçekleşir. Uyarıcı ligandlara uzun zaman bölümlerinde ve sık, sık maruz kalınması sonucu reseptörün uyarana karşı oluşturduğu yanıtta azalma olabilir ki bu duyarlık azalmasına reseptör duyarsızlığı denir. Reseptörlerin duyarlığını kaybetmesi (desensitizasyonu) liganda ile olan assosiyasyon katsayısının düşmesine neden olur. Reseptörün fosforilasyonu, reseptör molekülünün efektör üzerinde etkili olamaması ve reseptörün hücre içine alındıktan sonra dönememesi gibi mekanizmalarla duyarsızlık gerçekleşebilir. Gelen ligandın hücrede yol açtığı etkiye bağlı olarak hedef hücrede reseptör sayısının azalmasına veya çoğalmasına yol açabilirler. Böyle mekanizmalardan reseptör azalmasına azalma düzenlemesi (down regulation), reseptör sayısının artması düzenlemesine ise çoğalma düzenlemesi (up regulation) denir. Organizmada hücre grupları arasında haberleşme gerçekleşirken belirli kategorilere ayrılır Haberleşme çeşitleri 1) Otokrin haberleşme: Bir hücre kendine ulaşan bir istem sonucu bir haber üretimi gerçekleştirir ve ortama salgılar. Ortama salınan haberci belirli bir zaman sonra salındığı hücrede bulunan reseptörüne bağlanarak hücrenin yeni bir yanıt oluşturmasını sağlayabilir. Kendi saldığı habere kendi duyarlılık gösteriyor ve buna yeni bir yanıt oluşturabiliyorsa bu tür haberleşmeye endokrin haberleşme adı verilir. 2) Parakrin haberleşme: Bir hücre grubundan salgılanan bir haberci molekülün hedef hücreleri komşu hücrelerse kısa zaman araladığında gerçekleşen haberleşme parakrin haberleşeme olarak adlandırılır. 3) Endokrin haberleşme: Bir hücre grubu kendine ulaşan istem sonrası bir haber üreterek salgılar ve bu haberci molekül dolaşım sistemi aracılığıyla çok uzaklardaki hedef hücreye uzun zamanda (haftalar düzeyinde) ulaşabilir ve bu hücredeki reseptörüne bağlanarak bir hücresel yanıt oluşmasını sağlayabilir ki böylesi haberleşmeye endokrin (hormonal) haberleşme denir. 4) Nörotransmisyon:

31 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 219 Bir sinir (nöron) hücresinden salgılanan bir haberci molekül hemen komşu bir başka sinir hücresini hedef hücre olarak alabilir ve hedef hücre de bu haber sonrası bir haberci salgılayarak komşu sinir hücresini uyarabilir. Bu şekildeki haberleşme nöral haberleşme olarak adlandırılır. Nöral haberleşme aksodendritik, resiprokaldendodendritik veya sinaptik glomerul gibi değişik tiplemelerde olabilir. 5) Nöroendokrin haberleşme (Endokrin+Nörotranmisyon): Yukarıda sözü edilen hücrelerarası haberleşme yollarında ayrı özellik gösteren bu tür haberleşme sınıfında; Haberi salan hücre bir sinir hücresidir fakat hedef hücre klasik (nöron olmayan) bir hücredir. Ayrıca nöral haberleşmede olduğu gibi komşu hücreler arasındaki bir haberleşme değildir. Haber intertisyel sıvıya salgılandıktan sonra dolaşım sistemi aracılığı ile hedef hücreye ulaşır. Bu tür haberleşmeye nöroendokrin haberleşme denir Haberleşme sistemlerinde temel haberleşme hücreleri Hipotalamus haberlerin düzenlenmesinde en büyük role sahip hücre grubu bundan salınan Organizmada belirli hücre gruplarının temel işlevleri haberci üretmektir ki bu tür hücreler endokrin bezleri(endokrin gland) olarak isimlendirirler. Hücre aktivitelerin yaparak molekül doku üretiminde veya molekül üretiminin durdurulmalarında yer alan temel doku grupları vardır bunlardan en önemlisi beyinde hipotalamus olarak isimlendirilen hücre grubudur. Merkezi sinir sisteminin bir bölümüdür ve beyin tabanına konuşlanmıştır. Salgıladığı hormonlar aracılığıyla da organizmada yer alan tüm salgı bezlerinin aktivitesinin düzenlenmesini sağlar. Bu özelliği nedeniyle hipotalamus insan organizmasında gerçekleşen haberleşmenin düzenlenmesinde en yukarıda bulunan merkez olarak kabul edilir. Hipotalamus şef görevi yaparken hemen onun altında yer alan haberleşmede hipotalamus'tan sonar ikinci derecede rol alan merkez Hipofiz bezi olarak isimlendirilir. Hipotalamus'tan gelen haberci moleküle yanıt oluşturur ve perifer bezlerine haber iletmede sorumluluk taşır. Perifer bezleri ise hipotalamust'an haber ulaşması sonucu hücresel yanıt vererek yeni haberciler üreten hücrelere örnekler; Tiroid bezi, timus, pankreas, böbrek üstü bezleri, testisler, ovaryumlardır. Perifer bezleri de organizasyona yeni haberciler üreterek ve salgılayarak katkı sağlarlar. Salgıladıkları haberciler hedef hücrelerdeki reseptörlere bağlanarak bu hücrelerin hücresel yanıt oluşmasını sağlarlar. Sözü geçen tüm endokrin hücreleri belirli feed-back mekanizmalarının kontrolü altında görev yaparlar. 220 Hipotalamus'un aktivitesi periferden gelen uyarılar sonucu başlayabilir veya yine beyinde yer alan ve aktive olduklarında hipotalamus' u haberciler aracılığı ile uyarma yeteneğine sahip olan ve isimleri alarm hücreleri olan hücreler tarafından başlatılabilir. Alarm hücrelerinin aktivasyonları ise bireyin yaşam alışkanlıkları ve doğada yer aldığı coğrafi bölgeye göre değişim gösteren tamamen bireysel özelliklerle ilgili biyolojik ritma (sirkadyan ritm) denen alışkanlıklara bağlıdır. Sirkadyan ritm kabaca bireyin 24 saatlik yaşamında biyokimyasal, fizyolojik, bireysel alışkanlıklardan oluşan ve tekrarlanan aktivitelerdir. Bazı ritmler ise günlük olduğu gibi haftalık, aylık, sezonluk veya yıllık olabilir. Örneğin uyku önde gelen bir örnek olarak verilebilir. Uyku ve uyanıklık dengesi de sirkadyan saat tarafından kontrol edilir. Gün boyu aktivite sonucu belirli moleküllerin organizmada birikimi ve bağlı olarak da uyku oluşturan hormonların salgılanması canlılarda hareketliliğin azalmasına ve nihayet uyku haline geçmesine neden olur. Saatleri ise kişinin veya birlikte yaşayan sosyal grubun ortak fiziksel aktivitesi ve ortaklaşa ara vermeleri sonucu gerçekleşir. Biyolojik ritma aktivitesi sonucu alarm nöronları haber salarlar ve salınan haberin reseptörü hipotalamustadır. Alarm hücreleri haberciyi salınca hipotalamus gelen habere uygun olarak hareket eder. Hipotalamusun hücresel yanıtı hormon özelliğinde bir protein salgılamasıdır ve bu hormonun genel ismi hipotalamik salgılama faktörüdür hipotalamik salgılayıcı faktörün adresi hipofizdeki hücrelerde bulunan reseptörleridir (hedef hücre). Reseptörler haberciyi tanır ve bağlanır. Haber hipofize geldiğinden hipofiz bu habere bir yanıt verir. Bu yanıt bir hormon niteliğindeki proteindir ki genel olarak hipofiz tropik hormon ismini alır. Hipofiz tropik hormonun hedef hücresi perifer bezlerinden birisidir. Perifer bez hipofizden aldığı bu sinyale bir hücresel yanıt verir ki bu yanıt yine bir hormon üretimi ve salgılanmasıdır. Periferik bezden salgılanan hormonun hedef hücresi ise hedef dokudaki hücredir. Bu şekilde anlaşılacağı gibi aynı anda üç hormon dolaşım sisteminde dolaşmaktadır. Ve her üçünün konsantrasyonları belirli bir düzeye varıncaya kadar sürer. Ancak belirli konsantrasyona ulaştıklarında inhibisyom işlemi başlar. Hipotalamik salgılama faktörü hipotalamus'ta bulunan hücrelerin reseptörlerine bağlanarak inhibisyonu başlatabilir (otokrin haberleşme). Aynı zamanda hipofizden salgılanan hipofiz tropik hormon yine hipotalamustaki reseptörlerine bağlanarak inhibisyana katkı yapabilir. Perifer bezden salgılanan hormon da aynı şeyi yapabilir ve hipotalamus aktivitesini inhibe etmede rol alabilirken aynı zamanda hipofiz aktivitesini de inhibe edebilir. Öte yandan perifer bezden salgılanan hormon yine hipotalamus' un bir başka hücre grubundaki reseptörüne bağlanarak buradan bir hormon salgılanmasına yol açabilir ki bu hormon da hipofizdeki reseptörüne bağlanarak hipotalamik aktiviteyi edebilir.

32 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 221 Görüldüğü gibi organizmada çok sayıda feed-back halkaları ile düzen sağlanabilir ve organizma düzenli ve disiplinli olarak aktivitesini sürdürebilir. Düzenlemede rol alan hormonların konsantrasyonlarının azalması sistemde inhibisyonun sonlanmasına yol açacaktır. Çok uzun sürelerde gerçekleşen bu haberleşme sonrasında yeniden siklüs başlayacak ve aynı olaylar tekrarlanacaktır Görüldüğü üzere haberleşme iki yönlü olabilmektedir ya hücrelerin aktivasyonu ya da inhibisyonu sağlanabilir. Organizmada yer alan böylesi haberleşme mekanizmaları arasında kadınlarda görülen seks steroidlerinin doğurganlıkla ilgili siklüsün düzenlendiği haberleşme örneğidir Bireyin biyolojik ritmasına uygun olarak alarm hücrelerinin hipotalamusu uyarması sonucunda hipotalamustan gonadotropin salgılayıcı faktör (Lüteinize edici hormon salgılatıcı faktör) salgılanır. Hipotalamustan salgılanan gonadotropin salgılayıcı faktor hipofizden folikül stimüle edici hormon (FSH) ve/veya lüteinize edici hormon salgılanmasına yol açar. Hipofizden Salgılanan FSH ovaryumlarda küçük yuvarlak yapıların oluşumuna yol açar (folikül). Foliküller olgunlaştıkça, kolesterolden östrojen hormonu üretimi başlar. Bu arada östrojen üretimi arttıkça hipofizden salgılanan lüteinize edici hormon (LH) salgılanması başlar. Bu arada foliküller kolesterolden östrodiol üretimini başlatır. Östrodiol ise; uterus içerisinde bir kas duvar oluşturmak üzere bir kas dokusu gelişimini başlatır. Eğer fertilizasyon olursa embriyo bu kas dokusuna 222 tutunacaktır. Şu anda sistemde hipotalamik faktörün yanı sıra FSH ve LH (östrojenin katkısıyla) konsantrasyonları yükselmektedir. Bu arada hipofiz den salgılanan; LH ( lüteinize edici hormon) foliküllerin korpus luteum (sarı cisim) adlı yeni bir yapıya dönüşmelerine yol açar. Değişen ve büyüyen foliküller daha az östrojen salgılarken kolestrolden progesteron üretmeye başlar. Progesteron konsantrasyonu yükseldikçe uterus a yönelik kan akımını artırır ve uterustaki kasılmaları azalır. Östradiol ve progesteron kombinasyonu uterus duvarını fertilize (döllenmiş) olmuş yumurtanın yerleşebilmesi için hazırlamış olur. Yumurta fertilize olmaz ise korpus luteum un işlevi (14. günde) biter. Artık sistemdeki hormon konsantrasyonu belirli bir düzeye ulaşmıştır ve hipotalamus ve hipofizde inhibisyon başlayacaktır. Hipofiz, daha az LH salgılamaya başlar ve bu korpus luteumdan progesteron sentezinin durmasına yol açar. Progesteron konsantrasyonu düzeyi azalınca uterusa olan kan akımında azalma görülür ve bu nedenle uterusta tekrar kasılmalar başlar. Endometrium tabakası desteğini kaybederek dökülmeye başlar. Menstürel kanama gerçekleşir. Östrodiol sadece ovaryumdaki hedef hücreleri etkilemez aynı zamanda hipofizde etkili olarak folikül stimüle edici hormonun salgılanmasını sağlar. Hipotalamus üzerinde etkili olarak gonadatropin salgılayıcı faktörün salgılanmasını baskılar. Uterustaki foliküller östrodiolin yanı sıra inhibin salgılayarak hipotalamus ve hipofizin baskılanmasını sağlar. Görüldüğü gibi östrojen ve progesteron aynı prokürsör molekülden yani kolesterolden üretilir. Aynı molekülden (kolesterol) üretilen steroid hormonların aksine her peptid hormon özel bir yöntemle üretilir. İnsülin, pankreastaki özel beta hücrelerinde üretilir ve organizmadaki her hücreyi etkiler. Kanda glikoz konsantrasyonu yükseldiğinde hücrelere kandan glikoz transportunu sağlamakla görevlidir. Her zaman hücre içi glikoz konsantrasyonu kan glikoz konsantrasyonundan yüksektir ve düşük konsantrasyondan yüksek konsantrasyona glikoz taşınması için insülin hormonu gereklidir. Ayrıca insülin dolaşım sistemindeki lipidlerin metabolizmasında da rol alır ve eksikliğinde arteroskleroz gelişebilir. Gastrin; Midede asid üretimini stimüle eder. Fazla salgılandığında mide ülserine yol açabilir (tümor varlığında fazla salgılanma). Somastatin midede özel hücrelerden salgılanır ve gastrin salgısını bloke ederek kontrol eder. Kolasistokinin; İnce barsakta özel hücrelerden salgılanır ve dolaşım sistemi yoluyla safra kesesinden safra salgısını sağlar ve sindirimde rol alır. Aynı zamanda beyinde nörotransmitter olarak görev yapar. Enkefalinler; Beyinde opiet olarak görev yaparken barsak hareketlerini sağlayarak yiyeceklerin ilerlemesini sağlar.

33 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Haberci üretim mekanizmaları Organizmada genel olarak iki temel haberci üretim mekanizması vardır. a) Prokürsör molekülden organizmanın gereksinimi olduğunda üretilen habercilerdir. Prokürsör molekül içerisinde çok sayıda haberci bölümü içeren görece büyük moleküllerdir. Örneğin enkefalinler iki tür proenkefelinden üretilir. Bunlar proenkefalin A ve proenkefalin B dir. b) Her bir proenkefalin çok sayıda enkefalin içerir. Organizma gereksinim duyduğunda haberci niteliği taşıyan ve beş amino asid ten oluşan haberci molekül promolekül içerisine yerleştirilirken her iki taraflarına lisin, lisin veya lisin, arginin amino asidleri yerleştirilmiştir. Kesici enzimler habercinin iki tarafına yerleştirilen bu amino asidlerden tanıyarak keserler. c) İkinci haberci üretme yöntemi ise hücre içerisinde, hücreye haber geldikten sonra, protein sentezinin başlatılması ve üretilmesi sonucu gerçekleşir. 224 Hücreye haberci molekül ulaştıktan sonra reseptörle birleşir ve reseptör steroid hormon kompleksi DNA da ilgili bölüme bağlanarak protein sentezinin başlamasını sağlar. Hatta öyle ki üretilen habercilerden bir tanesi DNA 'daki protein sentezlenmesini inhibe ederken diğer bir grup DNA da başka bir bölgeye bağlanarak ikinci grup haberci üretimini sağlayabilir Habercilerin genel özellikleri Haberciler genellikle bir temel molekülde yapılan küçük değişikliklerle üretilirler. Bir temel moleküle bir OH grubunun eklenmesi veya çıkarılması, bir amino grubunun eklenmesi veya çıkarılması, bir karboksil molekülünün eklenmesi veya çıkarılması yeni habercinin üretilmesiyle sonlanabilir öyle ki yapılan bu küçük değişiklikler oluşan hücresel yanıtlarda çok farklılıklara yol açabilir. Haberleşme sistemlerinde en temel hedefler şu kategorilere ayrılabilir; a- Programlanmış hücre ölümü (apoptozis) b- Hücrenin yaşamını sürdürmesi için gerekli aktivitelerin tümü c- Hücre çoğalması

34 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 225 Haberleşme sistemlerinin genel karekterisitiklerinden biri de aynı haberci molekülün farklı hücrelerde farklı yanıtlar oluşturmasıdır. Örneğin; Asetilkolin iskelet kasındaki reseptörüne bağlandığında kas kasılmasına yol açar. Aynı asetil kolin kalb kası hücresindeki reseptörüne bağlandığında relaksasyona yola açar. Yine asetil kolin sekresyon hücresinde sıvı sekresyonunu sağlayabilir Hücre içi haberleşmenin temel ilkeleri Bu bölüme kadar hücreler arasında iletişimin temel ilkeleri ve felsefesi üzerinde durulmuştur. Bu bölümde ise birinci haberci molekül hedef hücreye ulaştıktan sonraki gelişmeler ele alındığında; Öncelikli olarak hücrenin gelen haberciye bir yanıt olarak göstereceği mekanizmaların ilkelerini ele alalım. Hiçbir hücre kendiliğinden bir girişimde bulunmaz, ancak girişimi kendine bir haber yani bir istem ulaştıktan sonra bunu yapar. Bu nedenle hücre içi haberleşmenin gerçekleşebilmesi için olmazsa olmaz moleküller sıralanmak istenirse ilk molekül Birinci haberci olacaktır. - Birinci Haberci Hedef hücreyi aktive etmek veya inhibe etmek için gereken moleküldür. Ulaştığı hedef hücrede bağlandığı reseptöre ve hücreye uygun olarak bir yanıt oluşmasına yol açar. - Reseptör Molekülü Hücreye ulaşan haberciyi karşılamaktan sorumlu moleküldür ki, burada sözü edilen reseptör molekülü hücre membranında yer alan moleküldür, haberci kendine bağlandıktan sonra yeni bir konformasyon kazanır ki bu aktif olduğu yani kendisinden sonra haberi ileteceği molekülü aktive ettiği veya inhibe ettiği konformasyondur. - Transdüser molekül (G Proteini) Hücre membranının iç katmanında yer alan G proteini üç alt gruptan oluşur ki Amplifikatör molekül, G protein tarafından etkilenebilen enzim karakterinde bir membran proteinidir. Görevi ise aktive edildikten sonar hücre içerisinde yer alan prokürsör molekülden ikinci haberci molekülü üretmektir. Bir kez uyarıldıktan sonra çok sayıda ikinci haberci üretimini gerçekleştirir. - Fosforile prokürsör molekül Hücre içerisinde yer alan ve fosfat grupları içeren ve bunları verebilen moleküllerdir ki verdikleri üniteler ikinci, haberci molekülü oluştururlar. ATP, GTP, PIP2 gibi moleküller örnek oluştururlar.

35 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ İkinci haberci molekül Hücre içerisinde amplifikatör molekül vasıtasıyla fosforile prokürsör molekülden elde edilen ve hücre içerisinde zincirleme aktivasyon, inaktivasyon olaylarını tetiklemede rol alan moleküllerdir. Üretildikten sonra içsel etkileyici moleküle bağlanarak onları aktive ederler. - İçsel etkileyici molekül Üretilen ikinci haberci molekülün bağlandığı ve aktive ettiği protein yapıda moleküllerdir. Dört tane alt üniteden oluşurlar. İki alt ünitesi düzenleyici diğer iki tanesi ise katalitik ünite olarak görev yaparlar. Her düzenleyici ünitede ikişer ikinci haberci bağlama bölgesi vardır. İkinci haberciler bağlandıktan sonra iki katalitik ünite düzenleyici alt ünitelerden ayrılır ve aktif bir konformasyon kazanırlar. Bu yeni aktif konformasyonları ile in aktif durumdaki hedef protein fosforilleyerek aktivasyonuna veya inaktivasyonuna neden olabilirler. - Hücresel yanıt Yukarıda sayılan moleküllerin sıra ile aktivasyonları sonucu hücre içerisinde bir yanıt oluşur ki bu yanıt hücrenin ve canlının neredeyse tüm gereksinimini karşılayabilen yanıtlardan herhangi biri olabilir. Bilindiği katarıyla hücre içi sinyalizasyonda iki temel hat vardır. Bu hatlar haberleşme hattında üretilen ikinci haberci molekülün adıyla adlandırılırlar Siklik adenozin monofosfat (camp) hattı Bu hatta genel olarak iki tür reseptör molekülünü tanımlanır ki birincisi Rs olarak çağrılırken diğeri Ri olarak isimlendirilir. Birinci habercinin ulaşmasıyla, Rs hücre içi aktivitenin başlamasını sağlarken Ri başlamış olan aktivitenin sonlandırılmasıyla ilgilidir. Birinci habercinin ulaşmasıyla Rs aktivasyonu sonucu Gs ten etkilenir ve GTP bağlayarak aktive olur ki bu olaya aktivasyon reaksiyonu denir (on reaction). Gs aktive olunca Gα-GTP kompleksi Gβγ dan ayrılarak Adenilat siklaz' a (AC) doğru hareketlenir. Gα-GTP kompleksi AC ile nonkovalent olarak bağlanırken AC aktive olur. Gα-GTP-AC kompleksi çok kısa ömürlüdür çünkü kompleksteki GTP nin affinitesi hızla azalır çünkü bir fosfat grubu kendinden ayrılır ki buna inaktivasyon reaksiyonu (off-reaction) denir, bunun üzerine Gα-GDP kompleksi de AC den ayrılmak zorunda kalır ve AC de

36 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 229 inaktif hale geçer. AC aktif haldeyken hücre içerisinde bulunan ATP den camp üretimini başlatır. Hücre içerisinde camp konsantrasyonu hızla yükselir. Üretilen camp (ikinci haberci) bu hatta içsel etkileyici molekül (internal effector) olan A-Kinaz ın düzenleyici (regulatory) ünitelerinin dört bağlanma bölgesine bağlanır. Bu bağlanma sonucu iki katalitik ünite artık diğer alt ünitelerle bir arada kalamaz ve onlardan ayrılırlar. Düzenleyici ünitelerden ayrılan katalitik ünitelerini şimdiki halleri aktif konformasyondur. Aktif konformasyondaki A-Kinaz katalitik üniteler de inaktif bir hedef proteini fosforilleyerek onu aktive veya inaktive edebilir ve böylelikle hücresel yanıt oluşur. Diğer yandan camp hattındaki diğer tür reseptöre yani inhibisyondan sorumlu reseptöre (Ri) birinci habercinin ulaşmasıyla Ri aktive olur. Aktive olan Ri bukez Gi nin aktivasyonunu sağlar ve aktive olan Gi de görev yapmakta olan yani aktif AC yi etkileyerek onun inhibisyonunu sağlar. Böylelikle verilmekte olan hücresel yanıt durdurulur. camp hattında oluşan bazı müdahaleler sonucu işlerlikte bozulmalara neden olabilir. Örneğin, kolera toksini Gα-GTP kompleksine bağlandığında bu kompleks AC den ayrılma yeteneğini gösteremez (inaktivasyon reaksiyonu bloke olur). Böylelikle AC hep aktif konformasyonda kalır, inaktif hale dönemez ve hücresel yanıt sonlandırılamaz hastadan kesintisiz olarak sıvı sekresyonu gerçekleşir. Diğer bir örnek Boğmaca toksini Gi ye bağlanarak GTP nin ona bağlanmasını engeller ve Gi aktive olamayınca AC inhibe edilemez ve kesilmeyen öksürük refleksi başlar Fosfotidil inozitol bifosfat (PIP2) hattı Bu hatta da rol alan moleküller genel ilkelere uygun moleküllerden oluşmuştur. Bu kez hücreye ulaşan birinci haberci Reseptör molekülü ne bağlanarak onu aktive eder. Aktive olan reseptör molekülü G proteinini aktive eder. Bu hatta amplifikatör molekül fosfodiesterazdır (PDE). G proteininin aktive edeceği fosfodiesteraz membran fosfolipidlerinden olan Fosfotidil inozitol bifosfat ( PIP2) molekülünü iki parçaya ayırır. Bu iki molekül, diasil gliserol (DG) ve inozitol trifosfattır (IP3). PDE tarafından PIP2 tan üretilen IP3 endoplazmik retikulum a doğru ilerler ve endoplazmik retikulum membranında bulunan Ca ++ kapısına bağlanır. IP3 ün bağlanmasıyla Ca ++ kapısı açılır ve organel içerisinde depolanmış olarak çok yüksek konsantrasyonda bulunan Ca ++ iyonu hücre içerisine fışkırır. Sitoplazmada yüksek konsantrasyona ulaşan Ca ++ şimdi Ca ++ bağlayan protein e bağlanır ve inaktif durumdaki kalsiyum bağlayan protein kalsiyum bağlanınca aktif hale geçer. Böylelikle de hücresel yanıt oluşur. Diğer yandan PIP2 tan üretilen DG hücre membranında yer alan C- Kinaz a doğru ilerler ve ona bağlanır. DG nin bağlanmasıyla aktive olan C-Kinaz molekülü inaktif durumdaki bir proteini fosforilleyerek onun aktif hale geçmesine yol açar ve hücresel yanıt oluşur. PIP2 hattı ile ilgili bir inhibisyon hattının olduğu konusunda henüz yeterli bir anlatım mümkün olmamıştır. Ca ++ PIP2 hattı bazı bilimcilerce hattı olarak da isimlendirilmektedir.

37 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 231 Uyarıcı Dış Sinyal Baskılayıcı Dış Sinyal Doku Hücresel Yanıt Adrenalin Bata Reseptörü İskelet Kası Glikojen Yıkımı Adrenalin Bata Reseptörü Yağ Hücresi Artan Lipid Yıkımı Adrenalin Bata Reseptörü Kalb Nabız ve Kasılma Gücü artışı Adrenalin Bata Reseptörü Barsak Sıvı Sekresyonu Adrenalin Bata Reseptörü Düz Kas Relaksasyon Tiroid Stimülan Hormon Tiroid Bezi Tiroid Sekresyonu Vazopressin Böbrek Su Geri Emilimi Glukagon Karaciğer Glikojen Yıkımı Serotonin Tükrük Bezi Sıvı Sekresyonu Ptostoglandin I Trombositler Agregesyon ve Sekresyonun İnhibisyonu Adrenalin Alfa Reseptörü Trombositler Agregesyon ve Sekresyonun Uyarılması Adrenalin Alfa Reseptörü Yağ Hücreleri Lipid Yıkımı Azalması Adenozin Yağ Hücreleri Lipid Yıkımı Azalması camp Hattı Haberleşme Örnekleri 232 Dış Sinyal Doku Hücresel Yanıt Vazopressin Karaciğer Glikojen Yıkımı Asetilkolin Pankreas Amilaz Sekresyonu Asetilkolin Düz Kas Kasılma Asetilkolin Oositler Klor Permeabilitesi Asetilkolin Pankreas Beta Hücreleri İnsülin Sekresyonu Serotonin Tükrük Bezi Sıvı Sekresyonu Trombin Trombositler Trombosit Agregasyonu Antijen Lenfositler DNA Sentezi Büyüme Faktörü Fibroblastlar DNA Sentezi Işık Fotoreseptörler Işık Enerjisi Dönüşümü Spermatozoa Deniz Urchin Hücreleri Fertilizasyon Tiyotropin Salgılayıcı Hormon Hipofiz Prolaktin Sekresyonu Arka Lobu Antijen Mast Hücreleri Histamin Sekresyonu PIP2 Hattı Haberleşme Örnekleri

38 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Haberleşme hatlarında haber in amplifikasyonu Hücre içerisinde haber in amplifikasyonu Haberin amplifikasyonunda temel felsefe aktive olan her bir molekülün kaç tane molekülü aktive edebildiği sorusunun yanıtına dayanır. Aktive olan her bir molekül sadece bir molekülü aktive edebiliyorsa amplifikasyon söz konusu olamaz. Ancak aktive olan bir molekül çok sayıda molekülü aktive edebiliyorsa amplifikasyon gerçekleşebilir. Birinci haberci sadece bir tane reseptörü aktive edebilirken bir reseptör çok sayıda protein G yi aktive edebilir ve amlifikasyon reseptör protein G arasındaki ilişkide vardır. Aktive olan her bir protein G sadece tek AC yi aktive edebilir ve amplifikasyon protein G ile AC arasında yoktur. Aktive olan AC, çok sayıda ATP den camp üretebilir ki bu ilişkide amplifikasyon vardır. Üretilen camp moleküllerinden dörder tanesi A-Kinaz molekülüne bağlanır ve camp, A-Kinaz ilişkisinde amplifikasyon yoktur oysa aktive olan her bir A-Kinaz çok sayıda proteini fosforilleyebilir ve aktive edebilir A-Kinaz, hedef protein arasındaki ilişkide de amplifikasyon gerçekleşir. Haberleşmede haberin amlifikasyonu güçlü ve çabuk hücresel yanıt verilebilmesinin nedenidir. Bu durum canlıların evrimle sürecinde gelişmiştir ve insanda en üst düzeye ulaşmıştır Reseptör ve duyu organları biyofiziği Dış uyaranları hissetme ve algılama yeteneği olmasaydı insan yaşamı, çok zor olurdu. Görme, duyma, koklama, dokunma ve hissetme yeteneklerimizden yoksun olduğumuz bir dünya düşünmek bile son derece ürkütücüdür. Dış uyaranlara göre canlının kendini kontrol etmesi gerekir. Korunma, beslenme, neslini sürdürme gibi çok temel güdülerin kontrolü ve sürdürülmesi dış uyaranlardan etkilenerek, onlardan öğrenerek gerçekleşir. Genelde duyu çeşitlerinin neler olduğu konusunda tam bir konsensus henüz yoktur çünkü neyin duyu oluşturduğu konusu hala tartışmalıdır. Örneğin bir saptamaya göre dışsal uyaranlar bir zihinsel yeti olayıdır. Geleneksel, görme, işitme, dokunma, koku alma, tad alma şeklindeki beş duyu çeşitlendirilmesi Aristo ya atfedilir. Bu duyuların yanı sıra en azından beş duyunun varlığı da kabul edilir ki bunlar: nosisepsiyon (ağrı), equilibsepsiyon(denge), propriyosepsiyon (duruş, pozisyon alma) ve kinestezi (ivme), zaman duyusu, sıcaklık değişimi duyusu, magnetosepsiyon (yön) duyularıdır. Bunlara ek olarak altı tane de içsel duyu sayılabilir. Hayvanlarda da elektroresepsiyon gibi farklı duyular bulunur. Fiziksel bir değişime duyarlı bir grup özel duysal hücre tipi içeren ve ilgili hücrelerin ilişkide olduğu, gelen bilginin nitel ve nicel açıdan değerlendirildiği beyindeki özel bir grup hücre grubu da içeren bir sistem en geniş kabul gören tanımlamadır Duyu Bir uyaranın organizma tarafından fark edilmesidir. Duyu, algı nın biyofiziksel yöntemi olarak da açıklanabilir. Farketme duyu organları aracılığıyla gerçekleşir. Duyular ve duysal işlemlerin sınıflandırılması, duyu teorileri örtüşen kavramlardır ve nörobilim, kavramsal bilim, algısal biyofizik gibi değişik alanlarınca ele alınır. Sinir sistemi her duyu için özelleşmiş duysal sistem veya organ içerir Farketmek Bilincin ötesinde olan bir uyarının organizma tarafından saptanmasıdır. Kan basıncı değişikliklerinin veya kandaki ph daki değişiminin organizma tarafından algılanması birer organizmasal farketme olayıdır.

39 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Algı: Ağrı, açlık, susuzluk, görme, ses gibi uyaranların, farketmekten farklı olarak, bir uyaran bilince ulaşmasıdır. Algı İçin Gerekli Olan unsurlar: Uyaran Çevredeki, içsel veya dışsal fiziksel veya kimyasal herhangi değişim bir uyarandır Örnek: vücut sıcaklığı, ph, kan basıncı, ışık, ses Reseptör, bir uyaranı algılayan ve aksiyon potansiyeline dönüştüren moleküldür İletilen Uyarı, reseptörden gelen uyarının aksiyon potansiyeli şeklinde, dentritler aracılığıyla merkezi sinir sistemindeki (MSS) duysal nöronlara gönderilen bilgidir Translasyon Aksiyon potansiyellerini alıp ve onları uyaranı farketme bilincine dönüştürme olayına denir (MSS deki bir bölge) Canlıların çevresinde oluşan fiziksel, kimyasal veya fizikokimyasal değişikliklerin spektrumu çevresel duyarlığın sınırlarını belirler ki bu sınırlar algılama reseptörlerinin algılamak için dizayn edildiği enerji çeşitliliğine bağlıdır. Duysal reseptörler ise kortekse algılama ve fark etme ile ilgili bilgi gönderip serebral kontrollü yanıtlar oluşmasına neden olan moleküller, hücreler veya özel yapılardır ki bu duysal reseptörler, refleks hareketler, bilinç ötesi veya bilinçli hareketler için afferent yol olarak da görev yaparlar 7.4. Reseptör ve duyu organlarının sınıflandırılması Duysal reseptörler Reseptör hücreleri, herhangi bir enerji türünü nöral sinyallere çeviren özel sinir hücreleridir. Reseptörler aksonlardan yoksundur ve diğer duysal nöronlarla sinaps ve dentrit oluştururlar. Reseptörlerin bir önemli özellikleri de mod spesifik olmalarıdır. Bir tür reseptör sadece spesifik olduğu enerji türünü veya 236 değişimi algılayabilir. Örneğin ışığa duyarlı bir reseptör ses dalgalarını algılayamaz. Özel nöron enerjisi yasası çeşitli duysal uyarılardan oluşan çeşitli mesajların ayrı kanallardan beyindeki değişik bölgelere taşınması ve bu özel bölgelerde değerlendirilmesi olayıdır. Reseptörlerin algılayabildikleri enerji sınırı sonsuz değildir. Ancak belirli değerler arasındaki enerjiyi algılayabilirler yani bir alt bir de üst sınır söz konusudur ki alt ve üst sınırların arasındaki enerji düzeyleri son derece sınırlı olarak kabul edilir. Örneğin insan gözünün görebildiği ışığın dalga boyu sadece nanometreler arasındadır. İnsan kulağının duyabildiği ses frekans aralığı 20 20,000 Hz dir. Dilimizdeki tad almadan sorumlu hücreler de sadece sınırlı sayıda değişik tad ı algılayabilir Genel duysal reseptörün yapısı Serbest sinir uçları şeklindedirler. Dendritler, diğer dokuların hücreleri (ağrı, sıcaklık, dokunma) arasına serpiştirilmiştir durumdadırlar. Bir duysal nöron bilgi işlemcisi gibi düşünülebilir. Giren bilgiyi alır, bilgiyi işler ve bir çıkış sinyali oluşturur. Sinyali genellikle dendritler aracılığıyla alır. Bilgi işlenmesi soma da denen hücre gövdesinde gerçekleşir ki nükleus buradadır ve önemli

40 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 237 ölçüde bilgi işlenmesine katkı sağlar. Akson bölümü de bilgi çıkışından sorumludur. Burada nöronun beyni görevini nükleus yapar. Nükleus birçok hücre içi aktivitenin düzenleyicisi görevini yürütür. Aksonun terminal bölümü ise kimyasal habercileri, nörotransmiterleri içerir ki böylesi moleküller komşu nöronlara sinyal aktarılmasını sağlarlar. Kapsüllü sinir uçları ise daha değişik türdürler ki bu türler özel destek yapılı dentritler şeklindedirler (mekanoreseptörler ve proprio reseptörler). Çok özel bir nöron yapısı gösterirler ki burada önemli yapısal özellik sinaps, nöron membranı ve miyelin tabakanın varlığıdır. Nöron membranı klasik membran özelliğindedir. Sinaps nöronlar komşu arasındaki boşluk veya pasajdır. Burada birçok kimyasal aktivite gerçekleşir. Miyelin kılıf ise yağ ve proteinden oluşan bir kılıftır, nöronu sarar. Aralarda yer alan çok küçük açıklıklar Ranvier boğumu olarak adlandırılır. Miyelin kılıfın görevi elektriksel açıdan izolasyonu sağlar böylelikle impuls iletimi hız kazanır Reseptörlerin sınıflandırılması Lokasyona göre Externoreseptörler Vücudun dışarısı ile temasta olan vücut bölümlerinde bulunup dışarıdan gelen uyaranları algılamadan sorumlu reseptörlerdir. Basınç, ağrı, sıcaklık, dokunma işitme, görme vb. Visseroreseptörler İç organların arasında bulunurlar ve içsel uyarıları algılarlar. Kan basıncı, ağrı, tokluk, hidrojen iyon konsantrasyonu değişiklikleri vb.

41 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 239 Proprioreseptörler Eklemlerde ve kaslarda bulunurlar. Aynı zamanda vestibuler yapılarda ve iç kulaktaki semisirküler kanallarda bulunurlar. Uzuvlar, vücut pozisyonu ve hareketlerin düzenlenmesinden sorumludurlar İşlevine göre Mekanoreseptörler Reseptörleri mekanik olarak etkileyen uyaranların algılanmasından sorumlu reseptörlerdir. Basınç, titreşim, dokunma, ses. Thermoresepsiyon Sıcaklıktaki değişimin algılanmasından sorumlu reseptörlerdir. Soğuk/sıcak Nosireseptörler (ağrı) Dokulardaki hasarların algılanması Fotoreseptörler Işığın algılanmasından sorumlu reseptörlerdir. Görme, göz retinası Kemoresepsiyon Kimyasal uyaranları algılamaktan sorumludurlar. Kandaki CO2 ve O2, glikoz, tad değişikliklerini algılarlar Yapısal özelliğe göre (kompleksite) I- Basit reseptörler: Genelde basit bir modifiye olmuş dentrittir. Belirli bir enerjiye sadece duyarlıdırlar. Genel duyu reseptörleri bu kategoride yer alır. Dokunma, basınç, ağrı, titreşim, sıcaklık II- Karmaşık (Kompleks) reseptörler Gelişmiş modifiye dentritler şeklindedirler, kompleks yapıları vardır, organizedirler. Özel duyuların oluşumunda yer alırlar. Görme, işitme tad alma reseptörleri Duyu Mesaj alma Uyaran Duysal reseptörleri uyarma kapasitesi olan her şey uyaran dır. Örnekler: ses, ışık, ısı, soğuk, koku, renk, dokunma ve basınç Duyu organları Organizma dışındaki enerjinin duysal reseptör hücreleri aracılığıyla algılanması ve bu enerjinin beyine iletilebilecek nöral impulslarına dönüştürülmesini sağlayan organlardır Reseptörlerin özellikleri Her reseptör duyarlık göstermek üzere tasarlandığı uyaran için yüksek derecede hassas olup; neredeyse diğer bütün normal düzeydeki uyaranlar için tepkisizdir (o uyaran için tasarlanmış reseptörün varlığı koşullarında böyledir eğer uyaranı resepte edecek molekül veya hücre canlıda yok ise durum tartışmalıdır). Rodlar ve konlar ışığa karşı aşırı duyarlı olmalarına rağmen, sıcağa ve soğuğa karşı neredeyse tamamen duyarsızdırlar.

42 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 241 İlgili reseptöre ait en düşük uyaran eşiğine, duysal reseptörün yeterli uyaranı denir Duysal reseptörlerde transduksiyon(dönüştürme) Affarent sinir liflerinden gelen çevresel impulsların MSS de değerlendirilmesi işlemine duysal transduksiyon denir. Duyu organlarının görevi duysal enerjiyi nöral (biyoelektriksel) enerjiye dönüştürmektir. Organizmada bir enerji türünün diğer bir enerji türüne dönüştürülmesi işlemine transdüksiyon denir. Beyindeki herhangi bir uyaranla ilgili nöronlar sadece biyoelektrik impulsları değerlendirebilir, bu nedenle organizmaya ulaşan uyaranın enerji türü ne olursa olsun biyopotansiyele yani aksiyon potansiyeline dönüştürülmedikçe beyin algısı gerçekleşemez. Organizma doğada birçok enerji türü ile karşılaşmaktadır ancak karşılaşılan enerji türlerini aksiyon potansiyeline dönüştürecek reseptör yok ise bu enerji türleri uyaran olarak kabul edilemez. Benzeri durum reseptörlerin sahip oldukları duyarı limitlerinin dışında kalan uyarılar için de söz Sinyal dönüşümünde rol alan temel unsurlar ve ilişkileri konusudur. Doğadaki tüm elektromanyetik ışık spektrumunu algılayamayız benzer şekilde doğadaki tüm sesleri duymamız beklenemez. Bu limit dışı uyaranlar vardır fakat insanlar için bir uyaran niteliğinde değillerdir Enerji dönüşümü ilkeleri Değişik reseptör türleri değişik yollarla aktive olurlar fakat duysal dönüşümün ilk aşamasında her zaman ilk adım reseptör potansiyelinin oluşmasıdır. Uyaranın şiddeti reseptör potansiyelinin oluşmasını sağlayan bir ölçüttür. Bu ölçüt sağlanabilirse ancak reseptör potansiyeli değişimi gerçekleşir ve a) Affarent nöronda hep-hiç yasasına uygun olarak aksiyon potansiyelinin oluşumu sağlanabilir. b) Reseptör hücresinde düzenlenerek salgılanan transmiter reseptör hücresini izleyen nöronlarda aksiyon potansiyelinin oluşumunu sağlar Reseptör/jeneratör potansiyeli Reseptör potansiyeli uyaranın reseptör hücresi membranında oluşturabildiği potansiyel değişimidir (lokal depolarizasyon). Jeneratör potansiyeli ise reseptör hücresinde aksiyon potansiyeli oluşturabilecek şiddetteki, yani hücre membranını uyarabilecek eşik değere ulaşabilen şiddetteki reseptör potansiyelidir. Reseptör Hücresinde Aksiyon Potansiyeli (Hep-Hiç) yasasına uyar niteliktedir diğer bir deyimle jeneratör potansiyeli oluşursa hücrede aksiyon potansiyeli gözlemlenir aksi durumda aksiyon potansiyeli gözlemlenemez. Diğer yandan önemli bir konu, eşik değerin üzerine çıkıldıktan sonra her uyaran şiddetinin reseptör hücresinde nasıl yankı bulacağı konusudur. Eşik değeri üzerindeki uyaran şiddeti durumlarında, uyaranın şiddeti arttıkça reseptör hücresinde ve onun bağlantılı olduğu nöronlarda birim zamanda daha sık yani yüksek frekansta aksiyon potansiyeli oluşumu gözlemlenir. Artan uyaran frekansı da affarent nöronlar üzerinden merkezi sinir sistemine ulaşınca ilgili nöron birimlerinde şiddetli duyumu olarak algılanır Duysal reseptör adaptasyonu Duysal adaptasyon gerçekte bir tür entegrasyondur yani uyaran ile organizma arasında gerçekleşen bir entegrasyondur. Organizmaya ulaşan bir uyaranın organizmada yol açtığı duyunun süresi kısmen reseptörün adaptasyonu ile açıklanabilir Uyaranların temposal (zamansal) özellikleri duysal nöronun aktivite olabilme sıklığındaki değişimler ile saptanabilir (kodlanır). Uyaran ile ilgili olasılıklar ortaya çıkma, şiddette artış, şiddette dalgalanma veya uyaranın kesilmesi şeklindedir. Reseptörlerin çoğunluğu, uyarının şiddetinin arttığını veya azaldığını ateşleme sıklıklarını değiştirerek ortaya koyar. Uyaran kesildiğinde reseptör de görevini sonlandırır böylelikle

43 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 243 merkeze sinyal gitmez. Merkeze sinyalin gitmemesi de bir sinyaldir ve uyaranın kesildiğini bildirir ki uyaranın kesildiği kavramının oluşmasına yol açar. Organizmaya dışarıdan herhangi bir uyaranın gitmemesi de bir uyar olarak değerlendirilebilir. Uyaranın lokasyonu, pozisyonu ve şiddeti değişmeden görece uzun süre devam ederse duysal nöron hücrelerinde oluşan aksiyon potansiyeli frekansında azalma ve sonunda yok olma gözlenir. Uyaran devam ettiği halde algının azalması veya yok olması adaptasyon olarak adlandırılır. Adaptasyon özelliği değişme göstermeyen tüm uyaranlara karşı tüm nöronlarda adaptasyon gelişir. Reseptörler türlerine göre hızlı veya yavaş adaptasyon gösterirler. Yavaş adapte olan türdeki reseptörler kısa sürelerde değişmeyen uyarı şiddetlerinde aksiyon potansiyeli oluşmasını sürdürürler. Uyarı boyunca depolarizasyon ve aksiyon potansiyeli oluşur. Böylesi nöron hücrelerinde depolarizasyonu sağlayan Na + ve Ca ++ kanallarının inaktivasyonu yavaştır ve Ca ++ a bağımlı K + kanallarının aktivasyonu da bu durumdan etkilenir. Bir kısım reseptörler değişmeyen şiddetteki uyaranlara maruz kaldıklarında tetiklemeyi durdururlar. Uyaran şiddeti azalarak veya artarak değişim gösterdiğinde aktif hale geçerler ve tetikleme yaparlar (yavaş adapte olan reseptörler). Velosite ve akselerasyon için önemli örnek olarak sunulabilir. Adaptasyonda iki temel ilke söz konusudur. Reseptörler uzun süre uyarıldıklarında reseptör hücresinin aksonuna baskılama sinyalleri ulaşabilir. Uyaranın ulaşması sonucu yeni konformasyon kazanan ve bu konformasyonda kalan reseptör uyarana karşı yeni bir yanıt oluşturamaz hale gelebilir. Faz Reseptörleri, çabuklukla adaptasyon gösteren reseptörlerdir. Eğer uyaran şiddeti değişmiyor sabit kalıyorsa aksiyon potansiyelinin frekansı azalır veya durur Tonus reseptörleri, çok yavaş adaptasyon gösteren reseptörlerdir ya da hiç adaptasyon göstermezler. Ekstrareseptörlerinin çoğunluğu, çevre hakkında bilgi almadan sorumlu reseptörler, sınıfından olup tür olarak faz reseptörleridir. Faz Reseptörleri duysal uyaranda ki değişiklikleri algılamaktan sorumludurlar. Sabit uyarana karşı daha fazla dikkatin verilmemesine yol açarlar. Ağrı reseptörü ve arteryel sistemde yer alan baroreseptörler (tonus reseptörleri) gibi yavaş adapte olan reseptörler uyaranın şiddetinden sürekli olarak bilgi alınmasında ve kontrol edilmesinde çok önemli görev yüklenirler Duysal reseptörden gelen bilginin işlenmesi Uyaranın şiddetinin saptanması afferent life ulaşan aksiyon potansiyelinin frekansı ve aktive olan sinir lif sayısıyla belirlenir. Frekans Kodu Zayıf uyaranlar gerim reseptörlerine ulaştıklarında onların bağlı oldukları nöronda düşük frekanslı impuls oluşumuna yol açarlar. Güçlü( yüksek şiddetteki) uyaran gerim reseptörünü izleyen nöronda yüksek frekanslı impuls oluşumuna yol açar Uyaran şiddetinin kodlanması

44 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Işık Işık insanların görebildiği transvers(enine), elektromanyetik dalga olarak tanımlanabilir. Işığın dalgasal karakteristiği difraksiyon ve interferans deneyleri ile gösterilmiştir. Tüm diğer elektromanyetik dalgalar gibi ışık da boşlukta ilerleyebilir. Işığın transvers özelliği polarizasyon deneyleri ile gösterilebilir. 19. yüzyılın başlarına kadar ışığın küçük taneciklerin akışından oluştuğu şeklinde görüşler ağırlıktaydı. Işıkla ilgili tanecik teorisinin önde gelen savunucusu olarak tanınan. Newton, ışığın bir ışık kaynağından tanecikler olarak yayıldığını ve bunların gözde oluşturduğu uyarılar sonucunda görme olayının gerçekleştiğinin yanı sıra ışığın yansıma ve kırılma olaylarını başarılı bir şekilde açıklamıştır. Newton`un tanecik teorisi döneminin bilim adamları tarafından büyük kabul gördü. Aynı yıllarda ışıkla ilgili değişik teoriler de ileri sürüldü. Bu teorilerden bir tanesine göre ışık bir çeşit dalga hareketi olarak açıklanıyordu de alman fizikçi ve gök bilimci Christian Huygens kırılma ve yansıma olaylarının dalga modeliyle de açıklanabileceğini gösterdi yılında Thomas Young ışığın dalga teorisini destekleyen ilk gösteriyi gerçekleştirdi. Işığın uygun koşullarda dalgalar gibi girişime uğradığını gösterdi. 19. yüzyılda (1873) Maxwell ışığın bir çeşit elektromanyetik dalga olduğunu öne sürdü. Daha sonraki yıllarda Hertz tarafından Maxwell in teorisi kanıtlanınca, dalga modeli daha çok kabul görür oldu. 19. yüzyılın sonlarında Planck ve Einstein in yaptıkları çalışmalar sonucu tekrar parçacık modeli güçlendi. Planck`a göre bir enerji türü olan ışığın yapısı kesikli yani tanecikli olmalıydı. Işık enerjisini taşıyan bu enerji paketçikleri daha sonra Einstein tarafından foton olarak adlandırıldı. Tanecik modeline göre foton, ışık enerjisini taşıdığı kabul edilen ve kütlesi olmayan çık hızlı ilerleyen taneciklerdir. 20. yüzyıla kadar iki farklı modelle açıklanmaya çalışılan ışık hakkındaki tartışmalara 1920`li yıllarda De Broglie ve Scrödinger tarafından farklı bir bakış açısı getirildi. Bu bilim adamlarına göre ışığın tek bir modelle açıklanamayacağı hem dalga hem de tanecik özelliği gösteren dual (çift ) bir yapıya sahip olduğu düşüncesi savunuldu. Işıkla ilgili günümüzde kabul edilen görüş ışığın dalga şeklinde yayılan ve enerji paketçiği niteliği olan bir enerji türü olduğudur Işığın üretilmesi Işık iki farklı yöntemle üretilebilir a) Akkor ışık denilen ışık türü çok sıcak cisimlerden çevreye yayılan ışıktır (T σ 500 C0). 246 b) Luminesans ışık denilen ışık türü uyarılan bir atomda üst kabuğa çıkan elektronun tekrar düşük enerji düzeyine dönmesi sonucu enerji fazlalığı olarak yayılan ışık türüdür (ışık kaynağı sıcak olabilir olmayabilir de). Bir cam boru içerisine herhangi gaz halindeki bir madde konduğunda gaz atomları elektrik vermek yoluyla uyarılırsa gaz atomları iyonize olmağa başlar. İyonize olan elektronlar diğer gaz atomlarına çarparak onların da iyonize olmalarını sağlarlar böylelikle de zincirleme reaksiyonla bütün gaz atomları iyonize olurlar. İyonizasyon sonucu atomlar elektromanyetik ışık salarlar, bu olaya da floresans denir. Kuantum mekaniğini ışığında bakıldığında bazı maddelerin atomlarının elektronlar enerji uygulanarak çok yukarıdaki bir üst kabuğa gönderilebilir. Uygulanan enerji ortadan kalktıktan sonra elektronla doğrudan doğruya eski enerji düzeyine çabucak dönemezler ve "yasak" enerji düzeylerinden atlayarak geçer. Bu aşağıya doğru hareketlenme sırasında her aşamada ışık yayılır. Bu olaya fosforesans denir. Floresansdan farklı olarak fosforesansta enerjinin devamlı uygulanması gerekmez 8.2. Işığın hızı Vakum ortamında ışığın hızı Latincedeki celeritas çabukluk anlamına gelen sözcüğün baş harfi olan c harfi ile gösterilir. Galileo Galilei ( ) İtalya (Toscana) ışık hızı ölçümleriyle ilgili denemeler yapmış ve 1500m lik uzaklıklarda ölçümler yapmaya çalışmış ve sonuçlardan tam emin olunacak bir ölçüm gerçekleştirememiştir fakat olağan üstü bir hızı olduğunu söylemiştir. Günümüzde vakum ortamında evrensel bir sabit olarak kabul edilir. Vakumda ışık hızı günümüzdeki metre değerine göre m/s dir. Herhangi bir ortamda ışığın hızı her zaman vakumdaki değerinden daha düşüktür. Bu nedenle ışığın hızı içinde ilerlediği ortama bağlıdır. Doğada kütlesi olan her şeyin hızı her zaman vakumdaki ışığın hızından daha küçüktür. Işık elektromanyetik bir radyasyondur ki insan gözünün görebildiği (görünür ışık) ışığın dalga boyu yaklaşık nm'dir. Fizikte ışık terimi görünür ışık veya görünmez ışık ın tamamı için kullanılır Işığın diğer özellikleri Işık fotonları yayınlanmasından sonra durdurulamaz, hapsolunamaz Işık içinden geçtiği ortamın özelliklerine göre yavaşlar

45 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 247 Bir ışık demeti cisme girdiğinde, daha yüksek enerjiye sahip olan fotonlar kendinden düşük enerjili atomlara göre daha hızlı yol alırlar ve cisimden daha çabuk çıkarlar ki bu olaya ışığın polarizasyonu denir Işığın birbirine dik açı yapacak şekilde yayılan iki unsur sahiptir. Bu iki unsurdan birincisi fotonun sahip olduğu elektriksel alan diğeri ise fotonun sahip olduğu manyetik alandır. Bu iki alan birbirinden ayrı düşünülemez. Herhangi bir ortamda elektriksel alan varsa orada mutlaka manyetik alan vardır veya herhangi bir ortamda manyetik alan varsa mutlaka elektrik alan da vardır Işık her zaman sabit bir hızda ilerler. Sadece bir cismin içerisinden geçerken yavaşlar fakat içinden geçtiği iki cisim arasında eski hızına kavuşur. Fotonlar bir cisim içinden geçerken bitişik durumdaki molekülleri uyararak ve enerji transferi yaparak ilerler. Cisim içinde ışık ilerlerken giriş ve çıkış zamanları arasındaki fark ışık enerjisinin ilerlemesi ilerlerken cismi uyarması için geçen süredir. Genelde, elektromanyetik radyasyon dalga boyuna göre sınıflandırılır. Bu sınıflandırmada radyo dalgaları, mikrodalga, infrare, görünür ışık, ultraviyole, X- ışınları ve gamma ışınımı türler gözlemlenir. Elektromanyetik dalganın davranışı onun dalga boyuna bağlıdır. Yüksek frekanslı ışığın dalga boyu küçüktür ve kısadır frekanslı ışığın dalga boyu uzundur. Bir elektromanyetik dalga bir tek atom veya molekül ile etkileştiğinde davranışı her bir kuantumun taşıdığı enerjiye göre belirlenir. Bir kuantumun taşıdığı enerji ise onun hangi elementin atomunun hangi kabuğundan yayınlandığına bağlıdır. Doğada yaklaşık 110 değişik element bulunmaktadır. Elementler arasındaki fark onların atomik konfigürasyonu yani atomik yapısı ile ilgilidir. Atomik kütlesi büyük olan elementlerin elektronlarının uyarılmasıyla açığa çıkan ışık fotonunun enerjisi atomik kütlesi küçük olan elementin atomundan çıkan ışık fotonunun enerjisinden daha büyük olacaktır. Atom numarası büyük olan elementin birinci kabuğundaki bir elektron uyarılırsa yani ona enerji nakli gerçekleştirilirse elektron enerjisi arttığından bir üst kabuğa geçer ve bir süre sonra atomların en küçük pozisyonu alma eğilimi nedeniyle tekrar eski konumuna döner. Şimdi üst kabuğa geçmek için aldığı enerji artık boşa çıkacaktır. Bu boşa çıkan enerji fazlalığı elektromanyetik dalga olarak yayınlanır. Yayınlanan bu fotonun enerjisi çok özeldir ve bir benzeri asla olamaz. Çünkü uyarılan herhangi bir başka elementin atomundan yayılacak fotonun enerjisi sadece o elementin atomuna ait özellikleri taşıyacaktır (fotonun dalga boyu, frekansı ve enerjisi). Hatta öyle ki bir atom uyarıldığında birinci kabuktaki elektronun uyarılması sonucu elde edilen fotonun enerjisi de aynı atomun bir başka üst kabuktaki elektronun uyarılması sonucu salınacak fotonun enerjisine eşit olmayacaktır. Diğer bir deyimle her elementin atomunun uyarılmasıyla yayabildiği ışık fotonunun enerjisi eşsiz olduğu gibi aynı atomun 248 değişik kabuklarındaki elektronların uyarılması sonucu ortaya çıkan fotonun enerjisi de eşsizdir. Atomlar uyarılırken bir elektronu bir üst yörüngeye sıçratacak büyüklükte enerji verilemezse yani enerji yetersiz kalırsa elektron hareketi sonucu bir foton elde edilemez çünkü elektron sadece küçük bir sarsıntı geçirmiş olur. Eğer atomu uyarmak için gönderilen enerji yüksek düzeyde ise bu kez elektron atomun kabuğundan fırlayarak uzaklaşır. Böylece atom iyonize olur. Bu anlatımların sonucu olarak denebilir ki: Herhangi bir atomun elektronunun uyarılarak gelen enerjiyi absorbsiyonu sonucu bir üst kabuğa çıkabileceği sabit bir enerji düzeyi söz konusudur. Bu enerji düzeyinde ancak enerji gönderilirse atom sadece absorbsiyonu gerçekleştirebilir. Daha düşük ve daha yüksek enerji düzeyleri o atom ile farklı absorbsiyon dışında farklı bir ilişki kurar. Bütün bunlardan çıkarılacak sonuç şudur: Atomlar uyarıldıklarında hangi enerji düzeyinde foton yayabiliyorlarsa ancak sadece o enerji düzeyinde enerji içeren fotonları sadece absorbe edebilirler. Öyle ise doğada bulunan ışık enerjisi spektrumu doğada bulunan element çeşitliliğine doğrudan bağlıdır. Atomlar bir araya gelerek molekül oluşturduklarında da bu kural geçerli olacaktır. Bir molekülün uyarılması sonucu yayabildiği ışık fotonlarının enerji düzeyleri o molekülün absorbe edebileceği fotonları enerji düzeyine eşit olacaktır. Molekül atom çeşitliliği açısından zenginleştikçe uyarıldığında yayabileceği ve absorbe edebileceği ışık spektrumu da genişleyecektir. Doğadaki bu önemli fiziksel kural bilim alanında özellikle tıp alanındaki çalışmalarda birçok değişik biyomolekülün varlığının veya konsantrasyonunun saptanmasında çok büyük olanak sağlamıştır ve yaygın bir uygulama alanı bulmaktadır. Spesifik absorpsiyon veya emisyon özellikleri dışında bir atoma belirli bir enerjide ışık fotonu gönderildiğinde o ışığın atomdan yansıma konsantrasyonu, kırılma açısı, o atomu uyarabilme gücü vb özellikleri de eşsizdir. Bu fiziksel özelliklere dayanarak günümüzde çok çeşitli biyofiziksel çalışmalar yapabilme olanağı ortaya çıkmıştır ve geniş ölçüde kullanılmaktadır. Bu özellikleri temel alan tüm çalışma teknikleri spektroskopi teknikleri olarak adlandırılır.

46 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Spektroskopi Spektroskopi başlangıçta dalga boyunun bir fonksiyonu olarak radyasyon ile madde arasındaki etkileşime dayandırılıyordu ve bir prizma yardımıyla görünür ışığın dalga boyuna gore dispersiyonunu esas alıyordu. Daha sonraları kavram gelişti ve frekansa veya dalga boyuna dayanarak herhangi bir maddenin kantitesinin saptanmasında kullanıldı. Spektroskopi tekniği herhangi bir kimyasal maddenin konsantrasyonunun (atomik, molekülsel veya iyonik) incelenmesinde kullanılır. Bu amaçla kullanılan cihazlara da spektrometre veya spektrofotometre veya spektrograf denir ve bir örneğin analizi için foton enerjisinin o örneğin içeriğiyle girdiği fiziksel ilişkiye dayanır. Spektroskopi genellikle fiziksel ölçümlerde veya analitik kimyada bir maddeden yayılan veya madde tarafından absorbe edilen ışığın spektrumunun belirlenmesi yoluyla kullanılır. Eksitasyonun doğası incelenir. Bu tür spektroskopide fiziksel kantitif ölçümler yapılır. Normal olarak ölçülen kantite üretilen veya absorbe edilen enerji miktarı ölçülür Elektromanyetik spektroskopide elektromanyetik radyasyon olan ışığın madde ile etkileşimi esas olayı oluşturur. ölçülür. Elektron spektroskopisinde elektron demetlerinin madde ile etkileşimi Auger spektroskopisinde elektron demetiyle Auger etkisi oluşturulmasından yararlanılır. Bu türde değişken olarak ölçülen parametre elektronların kinetik enerjileridir. Akustik spektroskopide ses frekans değişimi ölçülür Dielektrik spektroskopide dış elektriksel alanın frekansı ölçümü kullanılır Mekanik spektroskopide dışarıdan uygulanan mekanik basıncın kullanılır 9.1. Ölçme işlemi Spektroskopi teknikleri atom veya moleküllere uygulanmalarına göre atomik veya moleküler olarak sınıflandırılırlar. Bu emellere dayandırıldıktan sonra da maddelerle olan etkileşimlerine isimlendirilebilirler. Absorbsiyon spektroskopisinde hedeflenen maddenin göstereceği ışık absorbsiyonunun miktarı belirlenir. Atomik absorbsiyon spektroskopisi, infrare, ultraviyole-visibıl ve mikrodalga spektroskopisinde böylesi ölçümler gerçekleştirilir. Emisyon spektroskopisinde örnekte yer alan ölçülecek maddenin yaydığı ışığın miktarı ölçülür. Burada ölçülecek madde öncelikle verilen bir enerjiyi absorbe etmelidir. Verilen enerjinin cinsi emisyonun ismini belirler( örneğin

47 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 251 lüminesans) moleküler luminesans teknikleri arasında spektroflorometre tekniği de vardır Saçılım spektrofotometresinde belirli bir dalga boyunda ölçülecek maddeden saçılan ışığın miktarı ölçülür. Saçılım spektroskopisinin en önde gelen örneği Raman Spektroskopisidir Spektrum Spektroskopi sonucu elde edilen bilgiye spektrum denir. Spektrum belirli bir dalga boyundaki (veya frekanstaki) tutulan ışık fotonu enerjisinin yoğunluğunun grafiğidir Ulaşılabilen bilgiler Spektrum, atomik veya moleküler enerji düzeyi, moleküler geometri, kimyasal bağ, moleküller arası etkileşim ilgili bilgilere ulaşılmasını sağlar. Spektrum daha çok örneğin içinde yer alan unsurların belirlenmesi amacıyla kullanılır (kalitatif analiz). Spektrum ayrıca örnekteki bir maddenin miktarının analizi için de kullanılır (kantitatif analiz) Spektroskopi için gereken cihazlar Spektroskopik analizler için çok çeşitli aletler kullanılabilir. En basit haliyle anlatmak gerekirse spektroskopik analiz için bir enerji kaynağı, ( genelde lazer, bazen bir iyon kaynak veya radyasyon kaynağı olabilir) ve gönderilen ışık örnek içerisinden geçtikten sonra ışık enerjisindeki değişimi ölçebilecek bir alet gerekir( genellikle spektrofotometre veya interforemetre) Absorbsiyon spektroskopisi Absorbsiyon spektroskopisinde ışık demetinin şiddeti örnekle etkileşmeden önce ve etkileştikten sonra ölçülerek karşılaştırılır Özel absorbsiyon tekniklerinde kullanılan radyasyonun dalga boyu ölçümü yapılacak maddeye göre seçiliştir. Ultraviyole, infrare, mikrodalga absorbsiyon spektrometreleri bu esaslara göre çalışır. Uygun enerjide ışık gönderilirse elektronun iki değişik pozisyon alabilir böylelikle de absorbsiyon gerçekleşir Floresans Floresans spektroskopisinde örneğin uyarılması için yüksek enerjili foton kullanılır. Yüksek enerjiyi absorbe eden örnek daha sonra daha düşük enerjici foton yayar. Bu teknik biyokimyasal ve medikal uygulamalarda geniş ölçüde kullanılır. Ayrıca konfokal mikroskopi, floresans rezonans enerji transfer floresans yaşam süresi (life time) görüntüleme için de kullanılabilir X-ışını spektroskopisi Yeteri kadar yüksek enerjiye sahip olan x-ışınları madde ile etkileştiklerinde atomların iç kabuklarındaki elektronlar daha dışarıdaki boş yörüngelere çıkartılırlar veya atomun iyonizasyonuna neden olarak tamamen uzaklaştırırlar. Boşalan iç kabuktaki boşluklar bu kez dış kabuklardan gelen elektron tarafından doldurulurlar. Bu olay sonucu (de-eksitasyon) olarak radyasyon yayılır (floresans) veya atoma daha zayıf olarak bağlı olan atomlar dışarı atılır (Auger effect). Absorbsiyon veya emisyon frekansları (enerjileri) belirli bir atomun karakteristik özelliklerini taşır. Bunun yanı sıra çok küçük olan karakteristik sapmaları da kimyasal bağların tanınması avantajını sağlar. X-ışını kristalografisi ise bir saçılma işlemidir. Kristal yapıdaki maddeler x- ışınlarını belirli bir açıda yansıtırlar. Eğer x-ışınının dalga boyu biliniyorsa, kristal içerisindeki atomların pozisyonlarının birbirine olan uzaklıklarının ölçülebilmesini sağlar Alev (Flame) spektrofotometresi Likid durumdaki örnekler bir yakıcı veya yakıcı/nemlendirici kombinasyonu şeklindeki üniteye doğru emilirler. Burada örnek çözülür, atomize olur ve bazen daha yüksek enerji elektronik düzeyine yükselirler. Analiz sırasında yanıcı materyal ve oksijen verici materyal gaz formunda birlikte kullanılır. Gaz genellikle asetilen veya hidrojen, oksijen kaynağı ise oksijen, hava veya nitroz oksijendir. Bu yöntem genelde metalik elementlerin analizinde kullanılır, ölçüm birimi part per million (PPM), milyar veya daha küçük birimlerdir. Alevden gelen ışığın şiddetinin ölçülmesi için ışık dedektörü de gerekir. Atomik Emisyon Spektroskopisi - Bu yöntemde ekside edici kaynak olarak alev kullanılır; atomların ışık yayabilmesi için alevden gelen enerjiyi absorbe etmesi gerekir. Bu uygulamada genelde yuvarlak çıkışlı total(tam) yakıcı kullanılır. Atomik absorbsiyon spektroskopisinde (AA) analizi yapılacak atomun uyarılabilmesi için daha yüksek sıcaklıkta alev kullanılır. Analizi yapılacak atom alevin sıcaklığı ile uyarıldığından alevin aydınlatılması için özel bir element lambası gerekmez. Emisyon yoğunluğunu artırmak için bir yüksek

48 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 253 rezolusyon polikromotoru kullanılır. Oluşan ışık dalga boyu spektrumu ölçülecek maddenin spektrumundan daha da geniş olur ve çok sayıda bant elde edilir. Bu durum da çok sayıda elementin atomunun uyarıldığının göstergesidir ve bir çalıştırmada çok sayıda element incelenmiş olur. Alternatif olarak istenirse polikromotor yerine monokromotor kullanılarak yani tek dalga boyu seçilerek tek elementin analizi yapılabilir bu durumda bir tane bant oluşacaktır (tek dalga boyu). Plazma (maddenin plazma hali) emisyon spektroskopisi anlatılan bu yöntemlerin çok daha modern bir versiyonudur (çeşitidir) Atomik absorpsiyon spektroskopisi (AA) Bu yöntemde genelde ön-yakıcı (pre-burner) nemlendirici (veya nemlendirme odası) kullanılır. Bundan amaç örneğin gaz haline dönüştürülmesidir ki böylelikle de aleve daha düzgün ve geniş bir karakter (şekil) kazandırılır. Bu yöntemde alevin sıcaklığı yüksek olmadığından atomlar alev tarafından uyarılamazlar. Nemlendirici ve alev örneğin kurutulması ve atomizasyonu için gerekmektedir. Örnekteki ölçülecek atomun uyarılması için ölçülecek elemente uygun dalga boyunda ışık kaynağı kullanılır. Hangi dalga boyunda ışık alev içinden geçerse o dalga boyundaki ışığı absorbe edebilen elementin ölçülmesi gerçekleştirilebilir. AA da alevden geçerken absorbe edilen ışık miktarı örnekteki incelenen elementin miktarını verir. Grafit fırın daha duyarlı ölçümler yapılabilmesi için örneğin ısıtılması ve kurutulması (desolving) amacıyla kullanılır. Grafit fırınlı sistemler daha çok karı ve iri taneli süspansiyonların ölçümünde de daha başarılıdır. Atomik Floresans Spektroskopi Bu yöntemde genellikle yuvarlak çıkışlı yakıcı kullanılır. Alev örneğin kurutulması ve atomize edilmesi görevini yaparken ışık kaynağı lamba alev içerisindeki incelenecek olan elementin uyarılmasında kullanılır. Belirli elementlerin atomları böylelikle değişik yönlere ışık (floresans etki) gönderir. Üretilen ışık fotonlarının şiddeti örnekteki elementlerin konsantrasyonları konusunda bilgi kaynağını oluşturur. Atomik Floresans Spektroskopisinde de grafit fırın kullanılabilir. Bu yöntem atomik absorbsiyon veya plazma emisyon spektroskopisi olarak kullanılmaz. Kıvılcım veya ark (emisyon) spektroskopisi. Katı örneklerde metalik elementlerin analizinde kullanılır. İletken olmayan materyallerde iletkenliğin sağlanması için grafit gücü kullanılır. Geleneksel ark spektroskopisi yöntemlerinde katı örnek analiz sırasında topraklanır ve kendisi yok olurdu. Elektrik kıvılcımı veya ark ı örneğin üzerinden geçerek ısınmasına ve böylelikle içindeki atomların uyarılmasına yol açardı. Uyarılan örnek değişik dalga boylarında ışık yayar, yayılan ışık ta genel spektroskopik yöntemlerle tutulur. Bu tür yöntemle ark kontrol edilemediğinden kantitatif ölçüm değil sadece kalitatif ölçümler yapılabilir. Son zamanlarda argon atmosferinde ark ın kontrol edilebildiği kantitatif analizlerin yapılabilmesi olanağı vermektedir Görünür ışık spektroskopisi Çok çeşitli atomlar görünür ışık frkansındaki ışığı absorbe edebilir veya uyarıldığında yayabilir. Detaylı çizgisel spektrum elde edebilmesi için atomların gaz durumunda olmalıdır ki ancak bu fazdan buharlaştırılabilir. Hem absorbsiyon hem de emisiyon spektroskopisi olarak kullanılabilir. Görünür ışık spektroskopisi genellikle ultraviyole (UV) spektroskopisi ile kombinasyon içerisinde kullanılır (UV/Vis spektroskopisi). Genellikle renklerin ölçülmesinde daha başarılı olarak kullanılır Ultraviyole spektroskopisi Doğadaki ışık spektrumunun UV bölgesindeki ışınlar hemen hemen tüm atomlar tarafından absorbe edilirler çünkü bu bölgenin fotonları atomların en dış yörüngesindeki elektronları uyarabilir. Eğer frekans yeteri kadar yüksekse foto iyonizasyon gerçekleşir. UV spektroskopisi protein ve DNA konsantrasyonlarının kantitatif analizinde kullanılabilir ve bu çalışma sırasında DNA protein oranı da saptanabilir. Proteinlerin yapısında çok çeşitli amino asid bulunur örneğin bunlardan triptofan 280nm dalga boyundaki ışığı absorbe ederken DNA 280nm dalga boyundaki ışığı absorbe edebilir. Bu nedenle 260/280 nm oranındaki dalga boyu solüsyonun en azından bu iki molekülle ilgili rölatif saflığıyla ilgili iyi bir gösterge olabilir. Protein DNA konsantrasyonunun hesaplanmasında Beer kanunu kullanarak iyi sonuçlar almak mümkün olur İnfrare spektroskopisi (IR) Infrare spektroskopisi farklı frekanslarda atomlar arası bağların titreşimleriyle ilgili çeşitli ölçümlerin yapılabilmesini sağlar. Özellikle organik kimya ve biyokimya uygulamalarında IR analizi spektrumlarından atomlar arasındaki bağların türleriyle ilgili bilgi edinilmesi olanağı vardır Yakın infrare spektroskopisi (NIR) Yakın infrare NIR dalga boyu olarak hemen görünür ışık dalga boyunun yanında yer alır ve IR ye göre örneğe olan penetrasyon (giricilik) derinliği daha fazladır. Bu nedenle NIR spektroskopisinde büyük örneklerde çalışma yapılabilir. Özellikle farmakolojik tıp, biyoteknoloji, genomik çalışmalar, protein analizleri proteomik analizle, atomlar arası çalışmalar, yiyeceklerin analizi, kimyasal analizlerin saptanması, adli tıp uygulamaları, suçun saptanması ve değişik askeri uygulamalarda çok yaygın olarak kullanılır

49 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Raman spektroskopisi Elastik olmayan saçılım özelliği sayesinde Raman Spektroskopisi moleküllerin titreşim ve rotasyonel modlarında analizine olanak sağlar Spektroskopi çeşitleri Enerji kaynağı sayısı kadar da spektroskopi çeşitinden söz edilebilir Zayıflatılmış (Attenuated) total reflektans spektroskopisi Bu yöntem ince bir film tabakasında veya bir yüzeydeki maddenin çalışılması için uygulanır. Örneğe bir veya birkaç defa ışık enerjisi demeti uygulanarak ve yansıyan enerji miktarı ölçülerek analiz edilir. Zayıflatılmış total spektroskopide ve benzeri teknikler boşa çıkan çok sayıda içsel yansıma spektroskopisi olarak ta isimlendirilir ve bu tekniklerle kaplamalar ve opak sıvılar incelenir Elektron paramanyetik spektroskopi Manyetik alandaki elektronik enerji alanının ayrılmasıyla çalışan mikrodalga tekniğidir ki bu teknik ile çiftleşmemiş elektronları içeren örneklerin yapılarının belirlenmesinde kullanılır Elektron spektroskopi Değişen elektronik enerji düzeylerin ölçülmesine dayanır. Çok değişik türleri vardır. Örneğin kısa bir zaman aralığında uygun dalga boylarındaki ışık enerjisi ile simultane olarak ışınlanmasına dayanan bir tekniktir. Absorbsiyon spektrumu, enerji kalıbının analizlenmesi için özel matematiksel işlem uygulanır (Fourrier analysis) Gamma-ışını spektroskopisi Bu tür spektroskopide gamma radyasyonu enerji kaynağı olarak kullanılır ve bu tür spektroskopi aktivasyon analizi ve Mossbauer spektroskopisin de içerir Absorbsiyon spektroskopisi 256 Floresan spektroskopisi, Raman spektroskopisi ve geliştirilmiş- yüzey Raman spektroskopisinde genel olara enerji kaynağı olarak Lazer ışığı kullanılır. Lazer spektroskopisinde koherent ışığın madde ile etkileşiminden yararlanılır. Lazer spektroskopisi genelde yüksek ayırma gücüne ve duyarlığa sahiptir Astronomik spektroskopi Bu tür spektroskopide göksel objelerden gelen enerjinin kimyasal içerik, yoğunluk, basınç, sıcaklık, manyetik alan, hız ve benzeri karakteristikler. Astronomik spektroskopide çok çeşitli enerji çeşitleri kullanılabilir Kütle spektroskopisi Kütle spektroskopisinde kullanılan ışık kaynağı iyon üretimini sağlar. Örnekle ilgili bilgi edinebilmek için iyonların dispersiyonu analiz edilir. Burada dispeçse olan iyonlar örneği oluşturan madde ile etkileşirler ve kütlenin yüke olan oranından hareket edilir Multipleks veya frekans-modulasyon spektroskopisi Bu tür spektroskopide kaydedilen her optik dalga boyu orijinal dalga boyu bilgisi içeren bir ses frekansı ile kodlanır. Bir dalga boyu analizörü yardımıyla da orijinal spektrum elde edilebilir X-ışığı spektroskopisi Bu teknikte X-ışığı absorbsiyonundakine benzer şekilde atomun iç kabuklarındaki elektronların uyarılması kullanılır. Absorbe olan enerjinin yarattığı boşluğa, yüksek enerji düzeyinden elektronların düşmesiyle oluşan bir X-ışını floresan emisyon spektrumundan yararlanılarak ölçümler gerçekleştirilir.

50 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Görme Biyofiziği Görme olayının yani ışık enerjisinin organizmada aksiyon potansiyeline dönüştürüldüğü organ olan göz canlının evrilme sürecinde ışık enerjisi ile etkileşebilen, omurgasız canlıların vücutlarının dışa bakan yüzeyindeki minik noktacıkların varlığında günümüzde canlının gelişim süreci sonunda oldukça kompleks bir organ haline dönüşen bir duyu organıdır. Canlılar için yüksek önemde ve kritik olan bir organ durumundaki göz kafatası içerisine gömülmüş ve dışarıdan gelen uyarının kolayca ulaşabileceği bir konumda yerleşiktir. Tüm görme organizasyonunda en temel olan unsurlar mercek sistemi, ışığın üzerine düştüğü bir nöral sistem ve ışıkla doğrudan etkileşen bu nöral ağda işlenen bilgiyi değerlendirilmek üzere bir sinir lifleri demeti yer alır. Görme biyofiziğinin konusu canlıya ulaşan ışık enerjisinin gözde elektriksel enerjiye dönüştürülmesidir Göz ün fonksiyonel anatomisi Göz temel olarak üç tabakadan oluşmuştur; Bunlar en dışta gözün korunmasından sorumlu olan sklera, skleranın altında yer alan ve göz hücrelerinin innervasyonundan sorumlu sinir liflerinin ve kanlanmasından sorumlu arter ve venlerin bulunduğu koroid tabakası ve ışık enerjisinin ulaşarak etkileştiği retina olarak adlandırılan, sinir hücrelerinden oluşan tabakadır. Sklera göz küresini (transperan) çepeçevre sararken önde ışığın göze girdiği bölümde saydamlaşır. Saydam bölüm üzerinde yer alan renkli bölme iristir. İris renk pigmentler içerir ve opak yapısı nedeniyle üzerinden ışık giremez tam aksine ışık renk pigmentleri tarafında absorbe edilir. Göze ulaşan fazla ışık burada absorbe edilir. Koyu renkli pigmentlerden oluşan iris ışığı daha çok absorbe ederken açık renkli olanlar daha az absorbsiyon gerçekleştirebilir. Bu nedenle de açık renkli irise sahip bireyler fazla ışıktan daha çok etkilenir ve kamaşma denilen olay gerçekleşir. İrisin ortasındaki boşluk pupilla adını alır. Bu açıklık iriste yer alan çembersel kaslar yardımıyla refleks yoldan genişler veya daralır. Bu hareketlerin belirlenmesi ışık yoğunluğu ile gerçekleşir. Pupillanın gevşeme ve kasılması ışığın göze giren miktarını düzenler ve en küçük çaplı durumu ile en büyük çaplı durumu arasında ışık miktarı beş kez azalabilir veya artabilir. İrisin hemen arkasında dairesel ligamentlerle (zonül) küreye bağlanan şeffaf doku lenz adını alır. Zonül önde koroid tabakasının görece kalın kısmına bağlanmıştır ki bu kısma siliar cisim denir. Siliar cisim sirküler ve uzunlamasına kaslar içerir. Dışarıdan gelen ışığın görmeden sorumlu hücreler üzerine düşmesini lenz sağlar. Zonül bu düzenlemede rol alır. Retina ile lenz arasındaki boşluk göz sıvısı ile doludur, sıvı humor vitröz adını alır. Diğer yandan önde lez ile kornea arsı da sıvı ile dolar aköz humor isimli sıvı silier cisimden devamlı olarak salgılanır, plazma iyon içeriğine sahiptir. Aköz humor, sürekli yenilenen 258 bir sıvıdır bu bölmedeki Schlemn kanalı aracılığıyla organizmaya dönüş yapar. Gözün korunmasında ve ön organellerdeki yapıların beslenmesinde rol alır. Kanaldaki tıkanmalar göz içi basıncın artmasına neden olur (normal göz içi basıncına mmhg). Bu istenmeyen bir durumdur çünkü basınç retinal sinir hücrelerinin hasarına neden olabilir (glokom) Retina Reseptör hücrelerinden ve bu hücrelerin bilgi aktardıkları diğer nöral hücrelerden oluşur. Retinanın, göze ışık girdiğinde doğrudan üzerine düştüğü minik bölge fovea olarak adlandırılır. Birey bakışını bir noktaya yönelttiğinde bu noktadan gelen ışık doğrudan foveadaki hücrelere ulaşır. Sarı renkli bu noktadaki hücreler kon olarak adlandırılan hücrelerden oluşur ki bu hücreler keskin ve renkli görmeden sorumlu reseptör hücreleridir. Diğer yandan göz küresinin dörtte üçünü saran retinanın fovea dışında kalan alanı rod olarak isimlendirilen reseptör hücrelerinden oluşmuştur. Retina içerisinde fovea nın altında yer alan bir bölgede reseptör hücrelerinin yer almamasının nedeni bu bölgeden optik sinir ve damarların girip çıkmasıdır. Reseptör hücrelerinin yer almadığı bu bölge kör nokta ismini alır (optik disk). Retina nın en önemli özelliği özgün bir nöral organizasyona sahip olmasıdır. Her biri özel görevler üslenen dört değişik nöron grubu aralarında bir voleybol ağı gibi enine ve boyuna bağlantılarla biri birleriyle bağlantılıdırlar. Reseptör hücrelerini oluşturan rod lar ve kon lar birbirleriyle horizontal hücreler aracılığı ile bağlanırlar. Horizontal hücreler bir yandan reseptör hücreleriyle yatay bağlantıyı sağlarken üçüncü grubu oluşturan bipolar hücrelerle de ilişkidedirler. Yani reseptör hücrelerinden gelen uyarıları topladıktan sonar bipolar hücreler kanalıyla bir sonraki amakrin hücre grubuna aktarırlar. Amakrin hücreleri de horizontal hücreler gibi davranarak ikinci bir yatay entegrasyonu sağlarlar. Bipolar hücrelerden gelen uyarıyı entegre ederek bir sonraki hücre grubuna aktarırlar. Bu hücre grubu amakrin hücrelerdir. Amakrin hücreleri bipolar hücrelerden gelen uyarıları entegre ederek gangliyon hücrelerine aktarırlar. Dikey ileti yeteneğindeki gangliyon hücreleri de amakrin hücrelerinden gelen uyarıyı optik sinir liflerine aktarırlar. Optik sinir de kendine ulaşan uyarıları beyindeki görme merkezi nöronlarına değerlendirilmek üçere aktarırlar. Gözün nöral organizasyonunda yer alan hücreler birbirleriyle ilişki kurarken presinaptik ve postsinaptik hücre özelliklerinin ikisini de gösterirler. Retinanın bu olağanüstü nöral organizasyonu, çevredeki ışık kaynaklarından göze ulaşan en zayıf şiddetteki ışıktan en yüksek şiddetteki ışığa kadar algılama yeteneğinin sağlanmasına hizmet eder. Retinadaki reseptör hücreleri, koroide bitişik durumdaki pigment epitellerinin üzerinde yer alır, böylelikle ışık fotonları, kon ve rodlara ulaşabilmek için, amakrin, gangliyon ve bipolar hücre gruplarını geçerler. Pigment epitelleri göze fazla ulaşan ışınların büyük

51 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 259 bölümünü absorbe ederek reseptör hücrelerine yansımalarını engeller böylelikle reseptör hücrelerinin aşırı uyarılmalarını (göz kamaşması) engeller. Kon lar ve rod lar farklı nöral innervasyon özellikleri içerirler. Kon ların her biri bir bipolar hücreye bağlantılıdır ki bu bipolar hücre de uyarıyı bir gangliyon hücresine aktarır. Böylelikle bir kon dan gelen uyaran bir sinir lifi ile beyindeki nöral merkeze ulaştırılır. Retinanın vitröz ortama bakan bölgelerinde arterler, arterioller ve venler, oftalmoskop olarak adlandırılan göz içini gözleme aygıtı ile görülebilir. Organizmada Vücutta arteriollerin gözle gözlemlenebildiği yegane yol burasıdır ve çeşitli hastalıklar sonucu bozulan damar yapısı hakkında bilgi edinilebilir (diabetis mellitus, hipertansiyon v.b) Reseptör hücreleri Reseptör hücreleri iki başlık altında verilir; bunlar rod lar ve kon lardır. Temel fonksiyonel özellikleri açısından birbirlerine benzerler. Şekillerinin benzerliği nedeniyle konik yapıdakiler kon çubuk benzeri şekilleri nedeniyle diğerleri de rod olarak isimlendirilirler. Konlar ve rodların bir dış bölümleri ve hücresel fonksiyonların yürütüldüğü iç bölümü vardır ki bu bölüm ile diğer hücrelerle bağlantıyı da oluşturabilirler. Dış bölümde hücre membranı özel bir yapısal karakter kazanmıştır. Membranın bu bölgesi invajinasyonlarla girinti ve çıkıntılara sahiptir. Bu disk de denilen girintili bölge sayesinde membran yüzeyi genişletilmiştir. Genişletilmiş membran yüzeyi üzerine çok miktarda ışığa duyarlı foto pigmentlerin serpiştirilmesi olanağı vardır. Membranın bu bölgesi devamlı olarak tabandan yukarıya doğru yenilenir. Hücrenin iç bölümünde sitoplazma çok sayıda mitokondrik organeller içerir. Mitekondri organizmada enerji üretiminden sorumlu organel olduğundan enerji ihtiyacının çok olduğu hücreler her zaman mitokondriden zengin hücrelerdir. Bu nedenle retinal reseptör hücreleri de yüksek enerji gereksinimleri nedeniyle böylesi bir durumdadırlar. Gözde konlar sayıca rodların yirmide biri kadar azdırlar. Optik sinir ile reseptör hücreleri arasındaki ilişkide çok sayıda rod hücresinin bir sinir lifi ile innerve edildiği görülür. Aynı şekilde beyindeki görme merkezi nöronlarının sayısı da optik sinirin sinir lifi sayısından çok çok fazla olduğu görülür. 260

52 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Rod lar Rodlar ışığa karşı aşırı duyarlık gösterirler bu nedenle karanlıkta görmeden sorumludurlar. Gözde her kon kendi üzerine düşen ışık miktarıyla orantılı boyutta(amplitüdte) aksiyon potansiyeli gösterirler. En küçük ışık şiddeti bile yatay entegrasyon sonucu birikerek bir uyarılma oluşturabilir. Foto pigmentten zengindirler, yüksek amplifikasyon yapabilirler, gün ışığında ışık yoğunluğu nedeniyle satüre olurlar, düşük temporal sumasyon gösterirler, uyarana yavaş yanıt verirler, uyarının entegrasyonu uzun zaman gerektirir, göz içinde yansıyan ışığa daha fazla duyarlık gösterirler. Akromatiktirler ve tek tip foto pigment içerirler Kon lar Işığa duyarlık eşikleri yüksektir, gündüz ışığına duyarlıdırlar, içerdikleri foto pigment sayısı azdır, az amplifikasyon gösterirler, hızlı yanıt verirler, entegrasyon süresi kısadır, en fazla doğrudan gelen aksial ışığa duyarlık gösterirler, fovea bölgesinde yoğunlaşmışlardır ve az konverjans gösterirler. Kromatiktirler, görünür ışık spektrumun ayrı bölgelerine absorbsiyon gösteren üç ayrı foto pigment içerirler. 262 Reseptör hücresinde aksiyon potansiyeli Karanlıkta reseptör hücresine ışık gelmediğinde hücre depolarize durumdadır. Hücrenin depolarize durumda olmasının nedeni ışık yokluğunda Na+ kapılarına cgmp nin bağlı olmasıdır. cgmp nin bağlı olması Na+ kapılarının sürekli olarak açık kalmasını sağlar ve böylelikle de reseptör hücresine Na+ girişi engellenemez. Hücre içi Na + konsantrasyonunun yükselmesi de hücrenin depolarize durumda kalmasına neden olur. Bu arada hücre içerisinde çok sayıda bulunan mitokondri de sürekli olarak ATP üretir ve üretilen ATP Na-K ATPaz ın çalışmasında kullanılır. Na-K ATPaz ın görevi hücre içerisinde karanlıkta artmış olan Na + konsantrasyonunu onları hücre ışına çıkararak azaltmaktır. Hücre depolarize durumda iken kesintisiz olarak nörotransmiter salgılanır. Salgılanan nörotransmiter de reseptör hücresinin bağlı olduğu nöronlarda inhibisyon gerçekleştirir. Aydınlıkta yani reseptör hücresine ışık enerjisi ulaşınca açık bulunan Na + kapıları kapanır, kapanan kapı sayısı oranında hücre içerisine Na + akışı azalır. Hücre içerisine giren Na + sayısının azaldığı oranda da hücre repolarize olur. Hücrenin repolarize olduğu oranda da nörotransmiter salgılanmasında azalma olur. Böylelikle reseptör hücresinin bağlantıda olduğu nöronlar da depolarize olma eğilimine girerler. Ancak burada reseptör hücresinin bağlantılı olduğu horizontal hücreler birçok reseptör hücresinden sinyal akışı olduğu ve bu sinyallerin horizontal hücrelerde akümüle olduğu unutulmamalıdır Reseptör hücresinde aksiyon potansiyeli Reseptör hücresindeki repolarizasyon sonucu nörotransmiter salgılanması durur. Bunun sonucu olarak uyarılan ve sinyal akümülasyonunu

53 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 263 yansıtan horizontal hücrelerin uyarılamasını bipolar hücrelerin aktivasyonu izler. Depolarize olan bipolar hücrelerin de uyarılması amakrin hücrelerinin uyarılmasıyla sonlanır ki bu hücreler de horizontal ilişkileri nedeniyle sekonder sinyal akümülasyonunu sağlarlar. Retinadaki nöral ağ ın son hücre grubu gangliyon hücreleridir. Amakrin hücre grubu gangliyon hücrelerini uyardıktan sonra ileti gangliyon hücreleri aracılığı ile son adımda ilişkide oldukları optik sinir liflerine iletilir. Gelen ışığın miktarına orantılı olarak reseptör hücresinde oluşan aksiyon potansiyelinin amplitüdü değişiklik gösterir. Bir tek fotonun dahi hücreye ulaşması değerlendirilebilir. Dikkat çekici olan bu olayda bir eşik değerin olmamasıdır. Klasik aksiyon potansiyeli kavramına benzemeyen bu işleyiş elektrojenik aksiyon potansiyeli olarak adlandırılır Işığa duyarlı bileşikler Canlılarda genelde görme duyusunun gerçekleşmesinde rol alan ışığa duyarlı moleküller öne çıkarlar. Bu moleküller bir protein ile onunla birleşmiş durumdaki aldehit yapısındaki molekülden oluşmuştur. Aldehit yapısındaki retinen olarak adlandırılan molekül A vitamininin bir farklı kimyasal versiyonudur. Skotopsin olarak adlandırılan protein ile retindenden oluşan molekül genelde rodopsin olarak adlandırılır Rodopsin Reseptör hücrelerinin membranlarında yer alan ışığa duyarlı ve ışığın ulaşması ile konformasyon değiştiren moleküller rodopsin molekülleridir. Rodopsin molekülü içerdiği atomlara bağlı olarak 505 nm dalga boyundaki ışığa maksimum duyarlık göstermektedir. Rodopsinin molekülünün moleküler ağırlığı daltondur. Reseptör hücresi membranında yer alan proteinlerin büyük bir çoğunluğunu oluşturur. Rodopsin molekülünün hücre membranı disklerindeki dağılımı G proteinleri ile etkileşime girebilecek özelliktedir. Moleküle ışık uşlaşmadığı sürece rodopsin 11-cis konformasyonundadır. Işık ulaştıktan sonra yani ışığı absorbsiyonu sonucu içerideki retinen all-trans konformasyonuna dönüşür. Bu değişim skotopsin in konformasyon değişimini beraberinde getirir. Yeni konformasyondaki rodopsin de G proteinini aktive etmek için aday haline gelir. Bu olayı skotopsin retinen ayrılığı izler. Böylelikle bir tek fotonun absorbsiyonu sonucu rodopsin molekülü bozunur ve ikinci bir foton absorbsiyonu etkisiz unsur olarak kalır. Işığa duyarlığın sürmesi için rodopsin in yeniden üretilmesi gerekir. Ayrılmış bulunan skotopsin ile retinen, retinol izomeraz ın katalizlemesi sonucu yeniden hızla birleşerek rodopsini oluştururlar ve yeniden membrandaki yerlerini alırlar. Bu arada retinen A vitamini olan retinol ün retinen'e dönüşmesiyle sağlanabilir. A vitamini yiyeceklerle alındıkça karaciğerde depo edilir. Gereksinim duyuldukça da karaciğerden salınır. Uzun süren açlıklarda görme bozukluğu ortaya çıkar. Bu durum A vitamininin karaciğerde tükenmesi ve yenisinin alınamamasından kaynaklanır.

54 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Işık enerjisinin aksiyon potansiyeline dönüşümü Işık fotonu reseptör hücresi membranında yer alan fotopigmente ulaştıktan sonra fotopigmentin absorbe edebileceği dalga boyuna sahip ise fotopigment tarafından absorbe edilir. Absorbsiyon sonucu yen konformasyon kazanan skotopsin membranda bulunan ve fotopigmente komşu durumdaki transdusin (protein G) molekülünde konformasyon değişikliğine yol açarak onu aktive eder. G proteininin α alt birimine bağlı bulunan GDP ayrılır ve yerine GTP bağlanır. Bağlanmanın sonunda GTP-α kompleksi ayrılır geçer ve a alt birim ayrılır. Ayrılan GTP-α kompleksi hücre membranında yer alan fosfidesteraz (PDE) enzimine yaklaşır ve onun γ alt birimine bağlanır. Bağlanmayı GTP-α PDE γ kompleksinin fosfodiestererazdan ayrılması izler. Membranda kalan PDE nin α-β alt birimleri de yeni bir karakter kazanır ki bu karakteri ile hücrede karanlıkta Na + kapılarına bağlı olarak duran ve kapının açık tutulmasını sağlayan cgmp molekülünü 5'-GMP molekülüne dönüştürmeğe başlar. 5'-GMP molekülü de Na + kapılarını açık tutabilecek yetenekte değildir ve bu nedenle Na + kapıları kapanmağa başlar. Na + kapıları kapanınca reseptör hücresinde polarizasyon başlar. Hücre polarize oldukça polarizasyona bağlı olarak nörotransmiter salgılanması azalır Renkli görme İnsanlarda renkli görmeden sorumlu olan reseptör hücreleri kon lardır. Kon ların sahip oldukları fotopigmentler temel olarak üç ayrı gruba ayrılırlar. Bu ayrışma fotopigmentlerini oluşturan moleküllerden skotopsin molekülünün amino asid dizgelerinin farklı olmasındandır ve her biri DNA üzerinde farklı genlerde kodlanırlar. Her farklı rodopsin molekülü farklı ışık dalga boylarına maksimum duyarlık yani absorbsiyon gösterir (440, 535 ve 565nm). Bu üç dalga boyu kavramsal açıdan renk olarak algılanan üç temel algının oluşmasına yol açar ki bunlar mavi, yeşil ve kırmızı olarak adlandırılan renklerdir. Bir başka anlatımla şöyle söylenebilir, 440 nm dalga boyunda bir ışık göze ulaştığında sadece bir kon türünde maksimum absorbsiyon gerçekleşir ve o kon türüne sahip reseptör hücreleri hiperpolarize olur ve beyinde mavi renk algısı oluşur. 535 nm dalga boyundaki ve 565 nm dalga boyundaki ışık fotonları ise tamamen diğer grup hücrelerin foto pigmentleri tarafından absorbe edilebilir. Böylelikle de yeşil ve kırmızı renk kavramlarının betinde oluşması sağlanır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta maksimum absorbsiyona uğrayacak olan dalga boylarının anlatılmasıdır. Görünür ışık spektrumunun alt ve üst sınırları içerisinde kalıp ta tam bu verilen dalga boyu değerlerinde olmayan dalga boyundaki ışık fotonları da absorbsiyona uğrar fakat absorbsiyon maksimum olmaz, absorbsiyon oranında kon hücrelerinde hiperpolarizasyon oluşur. Bu olay elektrojenik aksiyon potansiyelinin sağladığı bir olanaktır. Böylelikle mavi, yeşil ve kırmızı renklerin dışında kalan renk kavramlarının anlaşılması kolaylaşır. Eğer gelen ışık fotonunun dalga boyu ara değerlere karşılık geliyorsa

55 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 267 iki farklı hücre grubu da absorbsiyon yapacaktır fakat her ikisi de maksimum absorbsiyondan daha düşük bir absorbsiyon gösterecektir ve merkezi sinir sistemi de bu uyarılmalar sonucu ara renkleri algılayacaktır. Eğer kon hücrelerine gelen ışık fotonlarının dalga boyları her üç grup kon hücresini de aynı anda ve oranda uyaracak fiziksel özelliklere sahipse ışık beyaz renk olarak algılanacaktır. Eğer doğada herhangi bir cisim üzerine gelen ışığın tamamını absorbe edecek yani hiç yansıtmayacak moleküler yapıda ise bu kez o cisimden reseptör hücrelerine hiç ışık gelmeyecektir ve o cismin bulunduğu bölge siyah renk olarak algılanacaktır. Siyah algısı yani renk algısızlığı da gerçekte bir uyaran niteliği taşımaktadır ve pasif bir algıdır. Buna göre söylenebilir ki çeşitli dalga boyları her kon reseptör hücresinden birisini değişen oranda uyarabilir. Örneğin sarıya yakın bir yeşil ışık L ve M konlarını eşit ve şiddetli bir şekilde uyarırken S hücresine etkisi çok zayıftır. Kırmızı ışık L konlarını şiddetle uyarırken M ve S konlarını hemen hemen hiç uyarmaz. Mavimsi yeşil ışık M konlarını L ve S konlarından daha fazla uyarır. Bu ışık rod hücreleri içi maksimum uyarandır. Mavi ışık sadece S konlarını uyarır. Mor ışık L ve S konlarını oldukça fazla uyarırken M konlarını çok az etkileyebilir ve magenda (morumsu kırmızı) bir renk algısına neden olur. Her tip reseptör hücresinden gelen sinyaller beyinde birleşir ve değişik dalga boylarının değişik renk algıları oluşturması sağlanır. L ve M konlarının fotopigmentlerini kodlayan genler X kromozomu üzerindedir. Eğer bu genlerde bir mutasyon olursa renk görme bozuklukları oluşur. Kon Türü Adı Sınırları Maks. Absorb. S β nm nm M γ nm nm L ρ nm nm Renk körlüğü Renk körlüğü renkli görme yeteneğinde kayıpların olması ve bazı renkler arasındaki farkın algılanamaması durumudur. Bu yetenek kaybı temel olarak genetik nedenlerle ortaya çıksa da göz, görme siniri, beyin hasarı veya gözün belirli kimyasal maddelere maruz kalması durumlarında da görülebilir. Dalton un bu alanda yaptığı çalışmalar nedeniyle Daltonizm olarak ta isimlendirilir. Renkli görmede rol alan genlerin büyük çoğunluğu X kromozomu üzerinde yer aldığından renk körlüğü erkeklerde kadınlardan daha çok görülür. 268 Erkeklerde %8 kadınlarda ise %0,5 sıklıkta görülen renk körlüğü bir renkle veya renk karışımı ilgili ortaya çıkar. Erkeklerde daha sık görülmesinin nedeni X kromozomu üzerindeki genetik bozukluktan oluşması ve erkeklerde sadece tek X kromozomunun bulunmasıdır (XY). Kadınlarda ise iki tane X kromozomu vardır(xx). Kadınlarda X kromozomlarından biri normal diğeri mutasyonlu bile olsa bireyde mutasyon etkili olmayabilir. Erkeklerde X kromozomu mutasyonlu ise kaçınılmaz olarak bireyde mutasyona rastlanır Diğer nedenler Renk körlüğünde diğer nedenler arasında beyin ve retinal hasarlar sayılabilir. Ayakta bebek sallanması, kazalar sonucu beyinde oksipital lobda oluşacak ödem buna neden olabilir. Retinanın özellikle çocukluk yaşlarında ultraviyole ışığına maruz kalması sonucu da renk körlüğü oluşabilir. Makular dejenerasyon ve diyabet sonucu da retina zarar görürse renk körlüğü oluşabilir Renk körlüğü türleri Genetik aktarım yoluyla görülen renk körlüğü temel olarak üç sınıfa ayrılır: Monokromatlık, Dikromatlık ve Trikromatlık. Monokromatlık: Eğer bireyde kon lar hiç yoksa veya hasarlı ise renkleri ayırt etme yeteneği kaybolur ve tam renk körlüğü olarak adlandırılır. Kon fotopigmentlerinden iki tanesi veya üçü de yoksa renk ve genel ışığa karşı duyarlık tek boyuta iner. Dikromatlık: Renk körlüğü türlerinden görece hafif olan biridir. Üç temel görme pigmentinden bir tanesi ya hiç yoktur veya mutasyona uğramış gen tarafından kodlanmıştır. Bu durumda renkli görme iki boyuta iner. Trikoromatlık: En yaygın genetik kökenli renkli görme kusurudur ki bu görme bozukluğu türünde üç tür kon daki fotopigment aminoasid sırasında veya türünde anormallik olduğundan ışık absorbsiyonu duyarlığı spektrumunda değişim oluşur. Bu tür renkli görme bozukluğunda renkleri görme kaybı yoktur fakat renkleri yanlış görme ve algılama söz konusu olur üç boyutlu renk kavrama herhangi bir şekilde etkilenmez.

56 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 269 Monokromat, Dikromat ve Trikromatlık gözüyle aynı görüntü Göze ulaşan ışığın retinadaki reseptör hücrelerinde algılanıp beyinde görmeden sorumlu nöronlarda algı oluşmasını sağlayan olaylar dizgesi şöyle özetlenebilir: Retinaya gelen ışık fotonu Fotopigmentte konformasyon değişimi Transdüsinin aktivasyonu Fosfodiesterazın aktivasyonu Hücre içi cgmp konsantrasyonunda azalma 270 Na+ kanallarının kapanması Reseptör hücresinin hiperpolarizasyonu Nörotransmiterin salınmasında azalma İzleyen nöronlarda yanıt oluşumu Optik sinirde ileti Beyin görme merkezi nöronlarında görme algısının oluşumu 11. İşitme biyofiziği Ses Esneme yeteneğine sahip cisimde şekil değişikliği oluşturulursa bu hareketlilik de cisimden başlayarak yayılmağa başlar ki bu değişim hareketine dalga hareketi denir. Cisimlerin sabit bir nokta etrafında yaptığı ileri geri gidip gelme hareketi bir titreşim hareketidir. Kaynaktan çevreye yayılan bu mekanik titreşim enerjisinin cisimlerde yol açtığı şekilsel değişime ses dalgası denir. Canlılar tarafından algılanan bu mekanik enerji türü de ses olarak adlandırılır. Bu nedenlerle ses in dalgalar halinde yayılan bir mekanik enerji türü olduğu söylenebilir. İçerisinde (hava, su vb.) bir yerden başka bir yere, sıkışma (compressions) ve genleşmeler (rarefactions) şeklinde ilerleyen bir dalgadır. Bu nedenle ses, bir basınç dalgasıdır. Ses kaynağı özelliğindeki cisimlere uygulanan değişik enerji türleri sonucu bu cisimler titreşim hareketi yapar ve sahip olduğu enerjiyi bulunduğu ortamdaki diğer cisimlerin taneciklerine aktararak bu taneciklerin kinetik enerji kazanmasına yol açarlar. Kinetik enerji kazanan tanecikler çevrelerindeki diğer taneciklere çarparak onların titreşmelerine yol açarlar. Sesin yayıldığı ortamdaki taneciklerin titreşim enerjilerini birbirlerine aktarması sonucu ses dalgaları oluşur ve ses dalgaları kinetik enerjinin taşınmasını sağlar. Ses dalgaları frekans, şiddet ve dalga boyu gibi fiziksel özelliklere sahiptirler. a) Ses Dalgasının tepe noktası dalga tepesi olarak adlandırılır ki bu noktada mekanik enerjiyi ileten tanecikler birbirlerine çok yaklaşmışlardır.

57 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 271 b) Ses Dalgası eğrisinde en çukur noktaya dalga çukuru denir. Bu noktada dalganın iletilmesinde rol alan tanecikler birbirinden uzaklaşmış yani seyrelmiş durumdadırlar. c) Ses dalgası eğrisinde dalga tepesi ile dalga çukuru arasındaki uzaklığın yarısı da ses şiddetini gösterir. d) Ses dalgasının iki tepe noktası veya iki çukur noktası arasındaki uzaklık sesin dalga boyu olarak adlandırılır. d) Ses Dalgasının frekansı belirli zaman birimindeki dalga boyu sayısıdır. Frekans için kullanılan birim Hertz dir. Kısaca Hz ile gösterilir. Yüksek frekans değerleri için Hertz'in bin katı olan kilohertz (khz) birimi kullanılır. İnsan kulağının duyabildiği sesler 20 ile Hz (20kHz) arasında frekansa sahip olabilir. Eğer bir frekans 20 Hz'in altında ise bu tür titreşimlere ses altı titreşimler, frekans 20 khz' in üzerinde ise bunlara da ses üstü titreşimler denir e) Bir tam ses dalgasının üretilmesi için gerekli süreye ses dalgasının periyodu denir. Sesin Tınısı: Aynı frekanstaki ses dalgasının farklı müzik aletlerinden çıktığında oluşan algı farkına denir. Tını kavramı, ses farklılıklarını ayırt etmek üzere kullanılan ve sesin bu özelliğini tanımlayan kavramdır. Aynı nota sesini çıkaran enstrümanların ürettiği ses dalgaları eşit frekansa sahiptir. Çeşitli enstrümanlar yapılırken farklı malzemeler kullanıldığından farklı tınıda sesler çıkarlar ki bu da müziğin kulak tarafından daha hoş algılanmasını sağlar. Çeşitli sesler arasındaki tını farkı, sesin renk farkıdır. Her sesin kendine özgü olan bu rengi, taşıyıcı bir titreşimin (asal dalganın) üzerine "oranlı" olarak bindirildiğinde müzik zenginlik ve derinlik kazanır Ses in Özellikleri Sesin ortamda yayılabilmesi için maddeye gereksinim vardır ve boşlukta ses yayılamaz çünkü boşlukta titreşim yapabilecek eleman yoktur. Ses dalgalarının genliği ne kadar büyükse ses o kadar şiddetlidir. Cisimlerin titreşim enerjisinin büyüklüğü sesin şiddet büyüklüğünü gösterir. Müzik enstrümanlarında uzun teller kalın olan tellere göre daha kalın ses çıkarırlar. Günlük yaşamda sesin ince ya da kalın olması sesin yüksekliği olarak adlandırılır. Ses ne kadar inceyse o kadar yüksek olduğu söylenir.

58 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 273 Sesin ince ya da kalın olarak insan kulağı aracılığıyla algılanması frekans olarak adlandırılırken frekans arttıkça ince ses azaldıkça kalın ses olarak algılanır. Müzikte frekansı yüksek sesler tiz frekansı düşük sesler de pes ses olarak değerlendirilir. Ses in şiddetinin diğer bir değerlendirme şekli de ses in gürlüğüdür. Ses hızı en yüksek katı cisimlerde en düşük ise gazlardadır. Ses in havadaki yayılma hızı deniz seviyesinde ve 150C sıcaklıkta 340m/s iken tahtada sesin hızı m/sn, suda m/sn çelikte ise 8000m/sn dir. Sesin yayılma hızı frekansından bağımsızdır ve tüm frekanslarda aynı hızla ilerler. Havanın sıcaklığı ve yoğunluğu ses hızını belirleyen faktörlerdendir. Soğuk havada ses hızı sıcak havadakinden daha düşüktür. Ses doğrultusunu sıcak havadan soğuk havaya geçerken değiştirir. Rüzgâr arkadan estiğinde ses zemine doğru önden estiğinde ise yukarıya doğru yön değiştirir. Gündüzleri zemin ısındığı için sıcaklık etkisiyle yukarıya doğru yönelirken geceleri ise zemin daha çabuk soğuduğundan aşağıya doğru yönelir ve daha uzağa doğru gider. Denizde su yansıtıcı bir yüzey oluşturduğundan 4 5 km uzağa kadar gidebilir. Hareketli bir ses kaynağının çıkardığı sesin hızı normal ses hızını geçtiğinde ses patlama şeklinde duyulur 1224 km/saat). Böylesi durumlarda ses ışın gibi konik bir alana yayılır ve şok dalgalar olarak isimlendirilir. Sesin yayılma hızının ses kaynağının yayılma hızına oranına Mach sayısı denir. Ses şiddeti, birim alana yaptığı basınç ile tanımlanır. Temel birimi watt/m2 veya watt/cm2 dir. Sesin şiddeti, ses kaynağına olan uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azalır. Ses dalgaları enerjilerini 3 boyutlu ortamda ilerlerken, kaynaktan uzaklaştıkça ses dalgalarının şiddeti azalır. Artan uzaklıkla birlikte ses dalgalarının şiddetinin azalması ses dalgalarındaki enerjinin daha geniş alanlara yayılmasından kaynaklanır. Ses dalgaları 2 boyutlu bir ortamda dairesel olarak yayılır. Enerji korunması yasasına göre enerjinin yayıldığı alan arttıkça güç azalır. Şiddet ve uzaklık arasındaki ilişki ters-kareler yasasına uyan bir ilişkidir. Bu nedenle kaynağa olan uzaklık 2 katına çıktığında sesin şiddeti ¼ 274 'üne düşer. Benzer şekilde bu ilişki tersinden de doğrudur. Kaynağa olan uzaklık ¼ 'üne düştüğünde yani ses kaynağına yaklaşıldığında sesin şiddeti 16 kat artar. Ses şiddeti duyma açısından tanımlanırken duyma eşiği şiddeti referans nokta alınarak bu değere göre rölatif olarak tanımlanır. Ses şiddeti I = 10-12watt/m 2 = 10-16watt/cm 2 İnsan kulağı çok düşük ve çok yüksek şiddette sesleri duyabilme yeteneğine sahiptir. İnsan kulağının algılayabileceği en düşük ses şiddeti, eşik şiddet olarak bilinir. Kulağa zarar vermeden işitilebilen en yüksek sesin şiddeti ise, eşik şiddetinin yaklaşık 1 milyon katı kadardır. İnsan kulağının şiddet algı aralığı bu kadar geniş olduğundan, şiddet ölçümü için kullanılan ölçek de 10'un katları, yani logaritmik olarak düzenlenmiştir. Bu ölçek desibel ölçeği olarak adlandırılır. Sıfır desibel olarak belirlenen ses şiddeti değeri mutlak sessizliği ifade etmez; İşitilebilecek en düşük ses şiddetini anlatır (ortalama W/m 2 ). Sesin şiddeti desibel (db) cinsinden ölçülür. 0 desibel insan kulağının duyabileceği en düşük ses şiddeti olarak kabul edilir. 180 db ise roketin fırlatılış anında çıkardığı ses şiddeti olarak ölçülür. Desibeller logaritmik olarak artar ve azalır. Bu şu anlama gelir. 20 db 10 db den 10 kat daha şiddetlidir. 30 db 10 desibelden 100 kat daha şiddetlidir. Desibel kavramı, bir oranı veya göreceli bir değeri gösteren bir kavramdır. Desibel birimi bel biriminin 1/10 katı bir ses şiddetini ifade eder. Alexander Graham Bell' in anısına bel adı verilen birim, iki farklı büyüklüğün oranının logaritması olarak tanımlanmaktadır. Yani 1 bel, birbirlerine oranları 10 olan iki büyüklüğü göstermektedir (örneğin 200/20). Bu oranın çok büyük olmasından dolayı ''Desibel'' adı verilen ve oranların logaritmasının 10 katı olarak tanımlanan birim daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sayılardan biri bilinen bir sayı olarak alındığından, Desibel; söz konusu bir büyüklüğün (Pi) referans büyüklüğe (Pref) oranının logaritmasının 10 katıdır. I= 10 Log10 p2/p2ref = 20 Log10 p/pref db İnsan kulağının en çok hassas olduğu orta ve yüksek frekansların özellikle vurgulandığı ses değerlendirmesi birimi db dir. Gürültü azaltması veya kontrolünde çok kullanılan db birimi, ses yüksekliğinin sübjektif değerlendirmesi ile ilişkili bir kavramdır. Eşik şiddetindeki ses sıfır desibeldir ve W/m2 değerine eşdeğerdir. 10 kat daha şiddetli ses W/m2; yani 10 db iken, 100 kat

59 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 275 daha şiddetli ses 20 db dir. Aşağıdaki tabloda, günlük hayatta sıklıkla karşılaştığımız bazı ses kaynakları ve bunların ürettiği seslerin desibel olarak şiddetleri karşılaştırıma amacıyla verilmiştir. Farlı canlıların Üretebildikleri ve Duyabildikleri Ses Frekans Aralıkları Ses şiddeti düzeyi ile ilgili özellikler İnsan kulağının duyabileceği en düşük ses şiddeti düzeyine eşik şiddeti veya işitme eşiği denir. İnsanlar için eşik şiddeti düzeyi 0 db lik ses şiddeti olarak belirlenmiş ve bu değerin üzerindeki ses şiddetleri bu değer ile karşılaştırılarak verilmiştir. İnsanlar genellikle 0 60 db arasındaki ses şiddetinden rahatsız olmazlar. Ses şiddeti düzeyi 60 db den daha fazla, sabit olamayan ve frekansı da sürekli olarak değişim gösteren seslere gürültü denir. Normal olarak kabul edilen konuşma sesi şiddeti düzeyi db dir. Ses düzeyi db aralığından daha yüksek olan ortamlarda uzun süreyle kalmak bireyde işitme sorunlarına yol açar. Ses şiddeti düzeyi 120 db den daha fazla olan sesler insan kulağına kalıcı olarak zarar verebilir. Kadınlarda bulunan ses tellerinin boyu erkeklerdeki ses tellerinin boyuna oranla daha kısa olduğundan kadın sesi frekansı erkek ses frekansından daha büyüktür bu nedenle de kadın sesi daha ince ses olarak değerlendirilir Ses yalıtımı Ses in bir ortamdan diğer bir ortama geçmesinin engellenmesine ses yalıtımı denir. Ses yalıtımın gerçekleştirilmesi için ses dalgalarının iletilmesini kolaylaştırmayan yani sesi dalgalarını soğuran malzemeler kullanılır. Gürültünün çok olduğu ortamlarda ses dalgalarının şiddeti de fazla olduğunda işitme ve psikolojik sağlık sorunları ortaya çıkabilir Sesin yankılanması Ses kaynağından çıkan sesin ilerlediği yönde sert bir yüzeye çarptıktan sonra geri dönmesine yankılanması denir. Yankılanma olayının gerçekleşebilmesi için ses kaynağı ile sesin geçişini engelleyen yüzey arasındaki uzaklık en az 17 metre olmalıdır. Eğer aradaki uzaklık 17 metreden daha az ise ve insandan çıkıyorsa yansıyan ses ile ağızdan çıkan ses in kulağa ulaşması arasındaki zaman farkı çok az olur ve ayırt edilemezler. x = V.t = /20 = 17 m x=kaynak ile engel arası uzaklık v= sesin havadaki hızı t= süre

60 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Sesin madde ile etkileşimi Ses kaynağından çıkan ses dalgaları yayılırken yolu üzerinde bir engele çarptığında yani madde ile karşılaştığında maddeden yansıyabilir, madde tarafından absorbe edilebilir veya maddenin titreşmesine yol açarak ilerleyebilir. SesinYansıması : Ses dalgalarının üretildikten sonra yayılırken bir engele çarptıktan sonra geri dönmesine sesin yansıması denir. Sesin madde ile etkileşmesi de ışığın madde ile etkileşmesine benzer özellikler gösterir yani yansıyabilir ve yansımanın gerçekleşebilmesi için engelleyici yüzeyin pürüzlü olmaması gerekir. Işıkta olduğu gibi parlak olması gerekmemektedir. Sesin yansımasındaki fiziksel kurallar ışığın yansımasındaki fiziksel olaylara benzer özelliktedir. Yansıtıcı yüzeye ulaşan ses dalgası, yüzeyin normali ile eşit açı yaparak yansır. Yansımada gelme açısı yansıma açısına eşittir. Sesin yansımasında ses kaynağından çıkan ses dalgalarının çarptığı yüzeyin düzgün veya pürüzlü olması, yüzeyden yansıyan ses dalgasının özelliğini değiştirmez. Yüzey düzgün ve pürüzsüz yapıda ise düzgün yansıma olacağından ses dalgalarının tamamı aynı doğrultuda şiddeti artarak ilerler ve ses daha net duyulur. Pürüzlü yüzeylere çarpma olduğunda yansıma dağınık olacağı için ses dalgaları farklı doğrultulara yönelir ve insan kulağına ulaşırken, düzgün yansıma olmaması nedeniyle, şiddetinde azalma oluşarak ulaşır Sesin yayılması Maddelerin salınım halinde titreşmesi sonucu oluşan ses dalgalarının insan kulağına kadar ulaşabilmesi için sesin üretildiği kaynak ile insan kulağı arasında madde (katı, sıvı veya gaz)bulunması gerekir Kulak ta mekanik enerjinin aksiyon potansiyeline dönüşümü Seslerin organizmaya ulaştıktan sonra aksiyon potansiyeline dönüştürülmesinden sorumlu organ kulaktır. Kulak üç farklı bölümden oluşur. Bunlar dışarıdan içeriye doğru Dış kulak, Orta kulak ve İç kulak tır. Kulağın bölümlerinin farklı görevleri vardır ve entegre bir şekilde görev yaparlar. Dış kulak ulaşan ses dalgalarını toplayarak orta kulağa iletmekten; orta kulak aldığı ses dalgalarının formunu değiştirerek sıkıştırılmış dalgalar şeklinde iç kulağa iletmekten sorumludur. İç kulak ise kendine ulaşan ses dalgalarını aksiyon potansiyeline dönüştürerek merkezi sinir 278 sistemine yani beyinde duymadan sorumlu nöronlara gönderir ve beyinde sesin algılanıp yorumlanması sağlanmış olur Dış kulak Dış kulak, kulak kepçesi ve kulak kanalı olmak üzere 2 bölümden oluşur. Kulak kepçesi özgün anatomik yapısı nedeniyle ulaşan ses dalgalarının toplanmasından sorumludur. Kulak kepçesinin özgün yapısının kulağa ulaşan sesin yönünün saptanmasında ve seslerin birbirinin üzerine binmesinin engellenmesinde de rolü vardır. Kulak kepçesine ulaşan ses dalgaları 2 cm kadar uzunluktaki kulak kanalından geçerek dış kulak ile orta kulağı birbirinden ayıran kulak zarına(timpanik membran) ulaşır. Ses dalgalarının bu aktarımı sırasında, kulak kanalı ve kulak kepçesinin özgün yapısı nedeniyle, özellikle 3000 Hz frekansındaki seslerin, şiddetleri artırılarak orta kulağa iletilir (dış kulağın transfer fonksiyonu). Basınç dalgaları özelliğindeki ses dalgaları, kulak zarına çarparak onun titreşmesine neden olurlar Orta kulak Orta kulak, östaki borusu (odituvar kanal) aracılığı ile nasofarenks'e ve nasofarenks aracılığıyla da dış dünyaya açılır, lokasyonu temporal kemik iç bölümüdür ve içinde hava nın yer aldığı bir yapıdır. Östaki borusu normal koşullarda kapalı durumdadır fakat esneme bir cisim çiğneme ve esneme gibi bazı gerekli durumlarda açılabilir. Açılabilir olması nedeniyle kulak zarının (timpanik membran) iki tarafındaki hava basıncının eşit olmasını sağlar. Böylelikle kulak zarına gelen yüksek basıncın zara zarar vermesini engeller. Ses dalgalarının timpanik membrandan iç kulağa iletilmesinden sorumlu üç kemik malleus (çekiç), inkus (örs) ve stapes (özengi) orta kulakta yer alır. Malleusun sapı yani uzun kolu timpanik membran ile deği halindeyken kısa kolu bir yandan orta kulak duvarına tutunurken diğer yandan inkus ile değidedir. Stapes hareket ettiğinde inkus un da onunla birlikte hareket etmesini sağlayacak şekilde ince bağlarla bağlanmıştır. İnkus ise bir adım sonrasında stapes e bağlı bulunur. Stapes de annular bir kassal bağ yapısı aracılığı ile oval pencerenin yer aldığı kemik duvarına bağlıdır. Diğer yandan iskelet kası yapısındaki, tensor timpani ve stapedius da malleus ile timpanik zarı birbirine bağlar. Timpanik membranla malleusu birbirine bağlayan tensor timpani kasının kasılması, çekiç kemiğinin uzun kolunun içeriye doğru çekilmesine yol açarak kulak zarına rijidite (sertlik)

61 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 279 kazandırır. Diğer yandan stapes i kemik duvara bağlayan stapedius kasının kasılması stapedius'un orta bölüm yönünde çekilmesine yol açar ki böylelikle iç kulağa ses dalgasının transferi sınırlandırılmış olur. Kulak zarı gergin bir formdaki yapıdır ve zarın titreşim frekansı her zaman gelen ses dalgasının frekansı ile aynı olur. Kulak zarı çekiç kemiği ile bağlantılı olduğundan, zarı titreştiren ses dalgaları aynı zamanda çekiç kemiğini de titreştirir ve çekicin hareketi diğer iki kemiği (örs ve üzengiyi) de hareket ettirir. Üzengi tabanının iç kulaktaki oval pencereyle bağlantılı olması sayesinde, bu titreşimler iç kulağa iletilir. İnkus ve stapes in oluşturduğu eklem, timpanik zar içeri doğru hareket ettiğinde inkus un oval pencereyi ve oval pencerenin diğer tarafındaki koklea sıvısını ileri doğru itmesine, çekicin dışa doğru hareket etmesi halinde ise bu sıvının geri çekilmesine neden olur Empedans uyumu mekanizması Timpanik membranla ve en dipte oval pencere çevresinde ve birbirleriyle bağlı olarak ossiküler sistem (kemikçikler sistemi) anatomik yapısı ve fonksiyonel organizasyonu sonucu olarak bir kaldıraç sistemi gibi çalışma yeteneğindedir. Ses dalgasının stapes kemiği üzerinde oluşturduğu etki hareketin genliği ile ilgili değildir, sadece gücü ile ilgilidir. Diğer bir anlatımla Malleus' un uzun kolu timpanik membranın hareketi sonucu dört birim genliğe sahipse içeriye ve dışarıya hareket ederken stapes in genliği sadece üç birimdir. Burada sistem bir kaldıraç gibi çalışırken dayanak noktasına göre malleus un uzun kolu büyük genlikli hareket yaparken stapes genliği küçük hareket yapmaktadır çünkü stapes kaldıraç sisteminde uzun kolu stapes ise kısa kolu oluşturmaktadır. Kuvvet kolu çarpı kuvvet eşittir yük kolu çarpı yük ilkesi uygulandığında görülür ki dışarıdan kulağa gelen ses dalgası iç kulağa ses dalgasını iletirken basın gücünden kayba uğramamaktadır. Bu sistemde yük kolu kısalırken hareketin kuvvetini yaklaşık 1,3 kat artar. Bunun yanı sıra, timpanik membranın toplam yüzey alanı 55 mm 2 Stapes in yüzey alanı ise 3,2mm 2. Eğer yüzey alanları farkı düşünülür ve kaldıraç sistemindeki 17 katlık fark ta hesaba katılırsa timpanik membrana gelen ses dalgasının gücünün 22 kat artarak iç kulağa aktarılacağı görülür. Ses dalgasının az yoğun ortamdan çok yoğun ortama yani havadan sıvı ya aktarılması sırasında oluşacak olan güç kaybı söz konusudur. Orta kulakta timpanik membranı ve ossiküler sistem, havadaki ses dalgaları ile koklear sıvı arasında ses dalgalarının gücünden kaybetmeden geçebilmesi için bir empedans uyumunu sağlamaktadır. Bu mekanizma da empedans uyumu mekanizması olarak adlandırılır. Empedans 280 uyumu mekanizmasının özellikle Hertz frekansındaki ses dalgalarında % oranında bir fayda sağlamaktadır. Eğer orta kulaktaki ossiküler sistem ve/veya timpanik membran olmasaydı dışarıdan kulağa ulaşan ses dalgaları hava yolunu izleyerek kokleaya ulaşırdı fakat normal kulağa göre db lik daha düşük bir şiddetle iç kulağa iletimi gerçekleşirdi Ses şiddetinin kontrolü Malleus ile timpanik membranı bağlayan tensor timpani kasını ve stapes'i iç kulak kemik yapısına bağlayan stapedius kaslarının kasılmaları ile sesin şiddetinin kontrolü gerçekleştirilir. Kulağa dışarıdan gelen şiddeti yüksek sesler timpanik membranda titreşime yol açtıktan sonra ossiküler sisteme ulaşır ve buradan iç kulağa geçtikten sonra akustik sinir aracılığıyla duyma merkezine gelir. Sesin şiddeti algılandıktan sonra refleks yoldan algılamayı takiben ms sonra tensör timpani ve stapedius birbirlerine zıt yönlerde kasılma gösterirler. Stapedius un dışa doğru tensör timpaninin de içe doğru çekmesi sonucu ossiküler sistem sertlik kazanır. Düşük frekanslı fakat yüksek şiddetteki seslerin iç kulağa iletilmesi böylelikle zorlaştırılır. Bomba, silah sesi veya yakından gelen davul sesleri kulağa ulaştığında söz konusu refleks mekanizma devreye girerek iç kulaktaki reseptör hücrelerinde hasar oluşmasını engeller db lik bir ses şiddeti azalması böylelikle sağlanabilir ki çok hafif sesle yüksek ses arasındaki farka benzeyen bir düzeltme uygulanır. Orta kulakta ortaya çıkan bu refleks mekanizma temel olarak üç durumda işlerlik kazanmaktadır. 1. Yüksek şiddete sahip ses dalgalarının kokleaya zarar vermesini engellemek üzere düşük frekanslı fakat yüksek şiddetle gelen ses dalgası organizmaya ulaştığında sistem devreye girer. 2. Uzun süreli olarak düşük frekanslı ve gürültü niteliğinde ses dalgaları organizmaya ulaştığında sistem rijitleşerek duyma eşiğini yükseltir. Duyma eşiği yükseltilince bir süre sonra ses duyulmaz hale gelir. Büyük kentlerde özellikle kalabalık merkezlerde çıkan kent gürültüsü koşullarında, deniz kenarında dalga sesi veya bir çağlayan yakınında su sesinin olduğu yerlerde önce algıladığımız sesler bir süre sonra yokmuş gibi duyulmaz olur. Bu mekanizma gürültünün maskelenmesi olarak adlandırılır. 3. Tensor timpani ve stapedius kaslarının refleks yoldan kasıldığı ve ossiküler ü, duymasının engellenmesidir böylelikle bireyin kendi sesinden

62 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 281 rahatsız olması önlenir. Bu mekanizma, beyinde bireyin konuşma merkezi aktive olunca eş zamanlı olarak tensor timpani ve stapedius uyarılır ve şiddet kontrolü gerçekleşir Sesin kemik yoluyla iletilmesi Kulağın iç bölümü kafatasında bir bölüm olan temporal kemiğin içinde, kemik labirent olarak adlandırılan bir boşluk içerisinde yer aldığından kafatasına ulaşan ses dalgalarının yol açtığı titreşimler koklea içerisindeki koklear sıvının titreşmesine neden olur. Bu nedenle iç kulaktaki reseptör hücrelerin uyarılması için kafatası kemiği özellikle mastoid çıkıntı diyapazon denen bir aletle veya aynı görevi yapabilen elektronik bir aletle uyarılırsa ses birey tarafından algılanabilir. Özel aygıtlar kullanılmıyorsa kemik yoluyla ileti sonucu bireyin sesleri duyması çok zordur İç kulak ve koklea Kokleanın fonksiyonel anatomisi biyofiziksel özellikleri Koklea terimi eski Yunancada dilimizde salyangoz anlamına gelen cochlos sözcüğünden dönüştürülmüştür. Giderek küçülen bir çapı vardır ve kendi üzerine yaklaşık 3 defa kıvrılıp kör olarak sonlanan bir sarmal kemik sistemidir. İçerisi sıvı dolu 3,5 cm uzunluğunda birbirine paralel 3 ayrı tüp görünümündedir Kokleanın enine kesiti ele alındığında baziler membran ve Reissner membranları tarafından üç bölüme (skala) ayrıldığı görülür. Baziler membran aşağıda skala media ile skala timpani denen bölümleri ayırırken gerçek bir membran olmayan membransı yapıdaki Reissner membranının görevi de yukarıda sadece skala media ile skala vestibuliyi ayırmaktır. Üst bölümdeki skala vestibüli ve alt bölümdeki skala timpani perilenf olarak adlandırılan sıvı içeriğine sahiptirler ve bu iki bölüm, kokleanın apeks denen uç bölümündeki bir pasaj ile birbirleriyle bağlantı halindedirler helikotrema). Skala vestibüli, kokleanın bazal bölümünde(taban bölümü) stapes kemiğinin tabanı ile kapatılmış olan oval pencere ile deği halindedir. Skala timpani ise orta kulağın medial duvarında yerleşmiş ve esneme yeteneği olan bir başka timpanik membran ile kapatılmış ve yuvarlak pencere denen pencere ile sona erer. Skala timpani ve skala vestibuli olarak isimlendirilen ortadaki bölüm skala media ismini alır. Skala media nın sıvı içeriği diğer iki skalanın sıvı içeriğinden farklıdır ve endolenf adını alır. Baziler membranın üstene yerleşmiş durumdaki minik organ korti organı ismini alır. Bu organ işitmeden sorumlu 282 reseptörler hücrelerini içerir. Reseptör hücrelerine tüy hücreleri denir. Silia denilen uç bölgelerindeki uzantıları membranımsı ve katı yapıdaki tektorial membran denen yapı içerisinden geçerek endeolenfa içinde yer alır. Tüy hücreleri iç tüy hücreleri ve dış tüy hücreleri olarak ikiye ayrılır. Tüy hücreleri dört sıra halindedir, üç sırası dış tüy hücrelerini bir sırası ise iç tüy hücrelerini oluşturur ki dış tüy hücreleri toplam 20,000 iken iç tüy hücreleri 3500 kadardır. Tüy hücrelerinin tabanı perilenf ile temas halindeyken siliaların bulunduğu bölüm endolenf ile temastadır. Afferent nöronlarların %90-95 i İç tüy hücrelerini innerve ederken sayıca fazla olmasına rağmen ancak %10-15 i dış tüy hücrelerinin innervasyonundan sorumludur ve her nöron, bu dış hücrelerin birden fazlasını innerve etmektedir. Öte yandan akustik sinir içinde yer alan efferent sinir liflerinin büyük bir yüzde iç tüy hücrelerini değiş dış tüy hücrelerini innerve eder. Bütün bunların yanı sıra iç tüy hücreleri ile dış tüy hücreleri arasında da nöral bağlantılar vardır ki bu bağlantılar işitmenin regülasyonunda önemli rol oynarlar. Tüy hücrelerinin apikal uçlarında, çubuk benzeri yapıda sayıları arasında değişen uzantı (silia) çıkmaktadır. Bu silia demetinde yer alan silialardan kinosilium adını alan bir tanesi hareketsizdir diğer silialar ise kinosiliumdan başlayarak birbirlerine bağlanmış durumdadırlar ve stereosilia adını alırlar. Stereosiliaların uç kısımları birbirlerine aktin flamentleriyle bağlanmıştır. Merkezdeki kinosiliuma doğru yaklaştıkça boylar artış gösterir. Ses dalgalarının ulaşmasıyla stereosilialar hareketlenerek bükülünce aktin flamentleri bağlı oldukları siliada bulunan kapakçıkları açabilecek şekilde ilişkilendirilmiştir Ses dalgalarının koklea içinde ilerlemesi Ses dalgası ossiküler sistemin son ayağı olan stapes te titreşime yol açmasından sonar stapes oval pencere üzerinden koklea içine doğru hareket etmeğe başlar. Oval pencere içeriye doğru hareket edince sistem kapalı bir sistem olduğundan koklea sıvısındaki dalgalanmanın itmesi sonucu yuvarlak pencere dışarıya doğru hareket etmek zorunda kalır. Bir kez koklea sıvısı hareket edince sıvı içerisinde yer alan baziler membranda da dalgalanma hareketi görülmeğe başlar ve bazal bölgeden apekse yani helikotremaya doğru hareketlenme sürer Baziler membran Baziler membran skala timpani ile skala medyayı biribirinden ayırırken koklea boyunca uzanır. Baziler membranın üzerinde yaklaşık 20,000 sıradan oluşan ve baziler lif denen lifler yer alır. Baziler membran üzerindeki lifler özel anatomik özellik gösterirler. Sert olmalarına rağmen esnektirler. Bir uçları kök

63 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 283 kısmından baziler membran gömülü (proksimal) diğer uçları (distal) ise serbest durumdadır. Baziler membran liflerinin boyları oval pencereden uzaklaştıkça ve apeks'e doğru ilerledikçe uzama gösterirken çapları küçülür. Diğer taraftan liflerin çapları, bazal bölgeden helikotrema yönüne gittikçe azalma gösterdiği için sertliklerinden kaybederler. Baziler membran ulaşan ses dalgalarının yol açtığı dalgalanmanın frekansına bağlı olarak değişik bölgelerdeki lifler rezonansa girerek titreşim gösterirler. Yüksek frekansa sahip dalgalar ulaştığında bazal bölgedeki lifler dalga hareketi ile rezonans gösterir ve titreşirlerken baziler membran üzerindeki dalga da sönümlenir. Orta frekanslı dalgalar baziler membranın orta bölgesindeki düşük frekanslılar ise apeksteki liflerle etkileşirler. 20,000 sıra halindeki baziler membranı liflerinin sayısı insanların niçin sadece 20 20,000 Hz arasındaki sesleri duyabildiklerini açıklamaktadır. Çünkü sadece bu frekanslardaki ses dalgalarının rezonsa girebileceği lifler yer almaktadır insan kulağındaki baziler membran üzerinde. Değişik frekanslardaki ses dalgaları baziler membran boyunca değişik dalga kalıbı gösterirler. Dalgaların amplitüde dalga kendi frekansına uygun bölgeye gelince artış gösterir. Artış gösterilen bu bölgede baziler membranın hareketliliği son derece arttığından dalganın enerjisi bu bölgede tükenir böylelikle de dalga sönümlenmiş olur. Yüksek frekanslı dalgalar daha baziler bölgede sönümlenirken düşük frekanslı dalgalar baziler membranın sonun kadar ilerleyip sönümlenebilir. Bir başka önemli nokta ise baziler membran üzerinde dalga ilerlerken her noktadaki hızının aynı olmamasıdır. Baziler membrandaki fiziksel özelliği değişen lifler nedeniyle ilerleme hızı yavaşlar. Yüksek frekanslı sesler bazal bölgede ilerlerken iletim hızları nedeniyle birbirlerinden ayrılabilirler böylece de sesler birbirlerinde ayrı olarak algılanabilirler. Ses frekans analizinde temel yöntem korti organında yer alan tüy hücrelerinin hangisinden çıkan sinir liflerinin uyarıldığıdır Endokolear potansiyel Tüy hücrelerini uyaran geldikten sonar uyarılabilmeleri endokoklear potansiyel olarak adlandırılan potansiyelin varlığıdır. Yukarda belirtildiği gibi perilenf ile endolenf sıvıları farklı iyon içeriklerine sahiptirler. Perilenf iyon içeriği ekstrasellüler sıvı iyon içeriğine uygunluk gösterir. Reseptör hücresi niteliğindeki tüy hücreleri stoplazması ise klasik hücre içi sıvısı iyon içeriğine sahiptir. Diğer yanda endolenfa helikotremanın olduğu bölgedeki özel bir doku nedeniyle özel bir sıvı niteliği kazanır. Bu bölgede stria vaskülaris denen dokuyu oluşturan hücreler mitokondriden zengin hücrelerdir ve marijinal hücre alarak isimlendirilirler. Mitokondriden zengin olmalarının nedeni Na-K ATPaz dan zengin olmalarıyla ilgilidir çünkü çok sayıdaki Na-KATPaz sürekli olarak endolenf sıvısına K+ iyonu pompalamaktan sorumludur. Bu nedenle de endolenf sıvısı K+ iyonundan son derece zengindir bu nedenle de endolenf 284 sıvısı organizmanın herhangi bir yerindeki ekstrasellüler sıvıya oranla +80mv luk bir elektriksel yük fazlalığına sahiptir. Öte yandan perilenf ile reseptör hücresi arasında -80mv luk bir potansiyel farkı vardır ve hücre içi perilenf sıvısına göre daha negatiftir. Sonuçta toplam alındığında endolenf ile reseptör hücresi sitoplazması arasında yaklaşık +150mv lu bir potansiyel farkı vardır. İşte bu endolenf ile reseptör hücresi(tüy hücresi) arasındaki potansiyel farkına endokoklear potansiyel denir.

64 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Tüy hücrelerinin uyarılması Ses dalgaları baziler membranda ve üzerindeki korti organında titreşime yol açtığında, tüy hücrelerinin siliaları tektorial membran içinde olduğundan, tüy hücreleri hareket ettikçe silialar eğilmeğe başlar ve silialar eğildikçe de aktin flamentler aracılığıyla silia membranındaki kapakçıklar açılır. Kapakçıkların açılmasıyla silia içine doğru K+ iyonu girişi başlar. K+ iyonu siliaya girdikçe lokal reseptör potansiyeli gelişir ve lokal reseptör potansiyeli de reseptör hücresinde depolarizasyonu başlatır. Reseptör hücresi depolarize olunca hücre membranındaki Ca ++ kapıları açılır böylece hücre içine Ca ++ iyonu girişi gerçekleşir. Hücre içine giren Ca ++ iyonu da içinde nörotransmiter(glutamat) bulunan veziküllerin membrana yaklaşarak nörotransmiteri sinaptik boşluğa salgılar. 286 Nörotransmiter de komşu nöron membranındaki reseptörüne bağlanarak onun iyon kapılarının açılmasını sağlar ve bu komşu hücreye Na + iyonunun girişi ile komşu nöron depolarize olur. Böylece uyarı sinir lifleri aracılığı ile beyine akustik merkez nöronlarına ulaşır.

65 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 287 Bu arada hücre içine girmiş olan Ca ++ özel pompalarla dışarı çıkarılır. Hücre içi Ca ++ yükseldiği dönemde de Ca ++ bağımlı K + kanalları açılır ve yüksek konsantrasyondaki K + hücre dışına çıkar. Dış tüy hücrelerinin sayısal olarak iç tüy hücrelerinden fazla olmasına karşın akustik sinir afferent lifleri %90 oranla birebir olmak üzere iç tüy hücreleri ile ilişkidedir. Dış tüy hücrelerinde oluşan haraplanma sonucunda işitme kayıplarının ortaya çıkması dış tüy hücrelerinin de işitmede doğrudan rol aldıklarını göstermektedir. Diğer yandan dış tüy hücrelerinin efferent sinir lifleriyle çok bağlantılı olması ve çok sayıda dış tüy hücresinin tek iç tüy hücresiyle bağlantılı olması burada işitmeyle ilgili regülasyon mekanizmasının varlığını göstermektedir Ses frekansının saptanması Yüksek, orta ve düşük frekanslı sesler baziler membran boyunca sırasıyla bazal bölgede, orta bölgede ve uç bölgede etkinlik gösterir. Akustik sinir aracılığı ile serebral kortekse giden sinir lifleri burada özel nöronlarda uyaran oluşmasına yol açarken frekans analizinin baziler membran üzerinde özel bölgelerden çıkan sinyallerin serebral kortekste özel nöronlara gitmekte ve frekanslar arasındaki farklılıklar saptanabilmektedir Sesin şiddetinin saptanması Ses şiddetinin belirlenmesi de frekansın belirlenmesi gibi karmaşıktır. Şiddetin belirlenmesinde üç temel mekanizma öne çıkmaktadır. 1. Ses dalgasının amplitüdü arttıkça baziler membranda yer alan tüy hücrelerinin hareketinin genliği de artar ve reseptör hücreleri daha şiddetli uyarılır. 2. Ses dalgasının amplitüde arttıkça baziler membrandaki dalgalanmanın genliği de artar ses dalgasıyla rezonans gösteren bölgedeki uyarılan tüy hücrelerinin sayısı arttıkça sinir liflerinde sumasyon oluşur ve aynı zamanda daha çok sinir lifi impuls taşır ve şiddet algılanır. 3. Düşük şiddetteki ses dalgaları öncelikle iç tüy hücrelerinin uyarılmasına yol açarken gelen ses dalgasının amplitüde arttıkça uyarılan dış tüy hücresi sayısı da artar. Böylelikle de sesin şiddetli olduğu anlaşılır. Sonuç olarak ses şiddetinin saptanması sırasında her üç yolda da şiddet arttıkça reseptör hücresinde ve ilişkili nöral liflerde aksiyon potansiyeli sıklığı artmaktadır. Şiddeti yüksek ses daha sık aksiyon potansiyeli oluşumunu beraber getirmekte ve serebral kortekseki nöronlarda daha yüksek sıklıkta uyarılmakta ve şiddet saptanmaktadır. 288

66 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 289 Tüy hücrelerinde ses şiddetinin regülasyonu Tüy hücrelerinden uyarıyı alıp beyine taşıyan sinir liflerine afferent sinir lifleri ismi verilirken, beyinden aldıkları uyarıyı tüy hücrelerine taşıyan sinir lifleri de efferent sinir lifi olarak isimlendirilir. Dış tüy hücrelerinin bilinen bir özelliği elektromotilite özelliği dir. Elektromotilite, elektriksel uyaranlara karşı biçim (boy) değiştirebilme özelliği olarak tanımlanır. Dış tüy hücrelerinin boyları efferent sinir lifleri yoluyla merkezden aldıkları uyanlarla depolarizasyon sırasında boyca kısalmaya uğrarken, hiperpolarizasyonda boyları uzar. Bu yetenekleri nedeniyle dış tüy hücreleri baziler membranın hareketine mekanik bir katkı sağlayarak ses dalgalarının sinir liflerinde aksiyon potansiyeline dönüştürülmesine katkı sağlar. Yüksek şiddette ses kokleaya ulaştıktan sonra dış tüy hücrelerinin de uyarılmalarıyla afferent yoldan serebral korteksteki uyarı frekansı sıklığı sonucu şiddet algılanır ve bu algıya bağlı olarak efferent yoldan dış tüy hücreleri uyarılır. Uyarıyı alan dış tüy hücreleri de ilişkide oldukları iç tüy hücrelerini uyararak anların yenden gelecek olan yüksek şiddetteki ses dalgaları tarafından uyarılamamaları için eşik değerini yükseltirler böylelikle de inhibe edici bir etki gösterirler. Diğer taraftan kokleaya ulaşan ses dalgasının şiddeti küçük olduğunda bu kez efferent yoldan gelen sinyaller tarafından uyarılan dış tüy hücreleri bu kez iç tüy hücreleri üzerinde kolaylaştırıcı etki yaparak uyarlıma eşiklerini düşürür ve zayıf şiddetteki seslerin işitilmesi sağlanır. Dış tüy hücreleri, iç tüy hücreleri ve serebral korteks nöronları arasında afferent ve efferent sinir lifleri aracılığıyla çalışan düzenleme mekanizması bir attenüatör gibi görev yapar yani yüksek ses şiddetinde baskılama zayıf ses şiddetlerinde is uyarılmanın kolaylaştırılması sağlanır. 290 İŞİTME İLE İLGİLİ SİNİR SİSTEMİ KONTROLÜ Sesin yönünün saptanması Yanlardan gelen sesler (soldan, karşıdan, sağdan) Yanlardan gelen seslerin yönünün saptanmasında temel olarak iki parametre ön plana çıkar ki bunlar kulaklar arasında sesin kulaklara ulaşmasındaki zaman farkı ve ses şiddeti farkıdır. Kulaklar arası zaman farkına bağlı değerlendirmede ön plana çıkan hangi kulağa ses dalgasının daha erken geldiğidir. Eğer ses dalgası sol taraftan geliyorsa sol kulaktaki reseptörler daha önce uyarılır ve serebral korteks bu durumu değerlendirir. Düşük frekanslı seslerin yönünün saptanmasında faz farkı yönün belirlenmesini kolaylaştırırken yüksek frekanslı ses dalgalarının ulaşmasında yön belirlenmesinde ise kulaklar arasındaki ses şiddeti farkına dayanılarak değerlendirme yapılır. Eğer ses dalgası sol taraftan bireye yaklaşırsa sol kulaktaki ses şiddeti sağ kulaktakine göre daha yüksek olacaktır. Bu şiddetteki azalmanın nedeni ses dalgalarının bireyin başına çarparak enerjisinde azalma oluşmasıdır. Ses şiddeti farklarının oluşması çeşitli frekanslarda değişim gösterir ki ses dalgasının frekansı arttıkça iki kulak arasındaki ses şiddeti farkı da artar. Ses dalgası frekansı 800 Hz in altında ise kulaklar arasında ki sesin geliş zamanı farkı (faz farkı) değerlendirilerek yön belirlenir. Ses dalgasının frekansı 1600 Hz den daha fazla olduğunda her iki kulak arasındaki ses şiddeti farkına bağlı olarak sesle

67 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 291 ilgili yön değerlendirmesi yapılır. Ses dalgasının frekansı 800 Hz ile 1600 Hz arasında bir frekansta ise hem faz farkı hem de şiddet farkı değerlendirmeleri üst üste konularak yön saptaması gerçekleşir Düşük frekanslı ses dalgalarının yönünün saptanması 800 Hz altındaki ses dalgası frekanslarında bireyin başının çapı ses dalgasının dalga boyunun yarısından daha küçük olduğundan ( iki kulak arası 21,5 cm dir ki ses dalgası bu yolu 625µs (mikro saniye) de alabilir) merkezi nöronlar iki kulak arasındaki faz farkını rahatlıkla saptayabilirler. Böylesi düşük frekanslı seslerde iki kulak arasındaki ses şiddeti farkı çok düşüktür bu nedenle tam bir yön saptanması yapmak mümkün değildir. Ses dalgası frekansı 80 Hz in altında olduğunda kulaklar arasındaki faz farkı bir yön değerlendirilmesi yapma olanağı vermez Yüksek frekanslı seslerin yönünün saptanması Ses dalgası frekansı 1600 Hz den büyük olduğu koşullarda ses dalgasının dalga boyu bireyin başının çapından daha küçük olacağından faz farkına dayanarak yön belirlenmesi yapılamaz ama iki kulak arasındaki ses şiddeti fakı daha belirgin olur. SESİN YÖNÜNÜN BELİRLENMESİ Odyogram İşitme bozukluklarının ayrıntılı özelliklerini saptamada genellikle odiyometre kullanılır. Odyometre kullanılmadan önce normal duyan kişilerin işitebileceği en alt şiddet düzeyinde sıfır ayarı yapılır. Sesten yalıtılmış bir ortamda, düşük frekanstan yüksek frekansa doğru ilerleyerek, her bir frekansta sesin şiddeti en düşükten başlayarak gittikçe artırılacak şekilde sesler hem hava hem de kemik iletimini incelemek üzere bireyler uygulanır. Frekansların her birine karşılık gelen eğer varsa işitme kayıpları saptanır ve odiyogram adı verilen grafikte işaretlenir. İşitme kaybı olan kişilerle hazırlanan odiyogramlara göre kişideki kaybın iletim ya da sinir tipi olduğu belirlenebilir. Bireyin işitme kaybının saptanması için kullanılan bir standart yöntemdir. Odyogramlar genellikle 100 Hz ile 8000 Hz (8 khz) arası frekanslardaki seslere ait bilgilerin elde edilmesi için kullanılır çünkü günlük insan konuşmaları sırasında çıkan sesler bu frekanslara karşılık gelir. Bu frekanslarda işitme eşiği değerleri saptanır ve eldeki standart eğri ile karşılaştırılır(dbhl= desibel işitme düzeyi). Odyogram skalası, yatay eksende logaritmik ölçüt olarak frekans (Hz cinsinden) ve düşey eksende ses şiddeti düzeyi (dbhl) belirtilecek şekilde düzenlenmiştir. Normal işitme sınırları 10dBHL ve 15dBHL olarak belirlenir. İnsanlarda işitme testi bireyin tanımlaması ışığında gerçekleştirilir ve belirli frekanslarda değişik şiddetteki seslerin hastaya yönlendirilmesi ile gerçekleştirilir. Test uygulanan birey sesi duyduğunda elini kaldırır veya bir düğmeye basar böylelikle de duyduğunu anlatmış olur. Belirli bir frekansta duyabildiği en küçük ses şiddeti grafik üzerine kaydedilir. Daha ileri test tekniklerinden olan uyarılmış potansiyel kayıtları yöntemlerinde kulağa ses gönderildikten sonra beyinde duyma merkezlerinden potansiyel kayıtları yapılır (brain stem auditory evoked potentials).

68 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 293 Odiyogram (audiogram) örnekleri: Solda, iletim tipi işitme kaybına ait odiyogram; ağ tarafta ise sinirsel tip işitme kaybına ait bir odiyogram görülmektedir İşitme kaybının tedavisi Tedavi kaybın nedenine bağlı olarak değişmektedir. Örneğin orta kulak iltihabına bağlı olan işitme kaybında antibiyotik kullanımı yeterli olurken; otosklerosis de cerrahi müdahale ile fiske olmuş olan kemik alınıp yerine yapay bir parça takılmaktadır. İşime kaybının tedavisi yoksa bu durumda işitme cihazları kullanılmalıdır. İşitme cihazları sesin şiddetini arttırarak işitme kaybının derecesini azaltmaya çalışırlar. İşitme cihazının yeterli olmadığı durumlarda ise cerrahi müdahale ile kafatasının altına yerleştirilecek olan koklear implant yararlı olabilmektedir. Bu cihaz sesleri direk olarak işitme sinirine iletir Koklear implantlar Koklear implantlar, işitme cihazlarından az veya hiç yarar sağlayamayan ileri ve çok ileri derecede işitme kaybı olanlara yardımcı olmak için tasarlanmış elektronik aygıtlardır. Koklear implant sistemi günlük sesleri şifrelenmiş elektriksel uyarımlara dönüştürür. Uyarımlar işitme sinirini uyarırlar ve beyin onları ses olarak algılar. 294 Bir koklear implant sistemi iki kısımdan meydana gelir: 1. Operasyon ile yerleştirilen iç kısım-implant, 2. Konuşma işlemcisi olarak isimlendirilen dış kısım. Koklear implant sistemi Koklear implant çalışma prensibi: 1. Sesler mikrofon tarafından alınır ve elektriksel sinyallere dönüştürülür. 2. Sinyaller konuşma işlemcisine ulaşır ve burada kodlanır (özel biçimde elektriksel uyarımlar). 3. Uyarımlar aktarıcıya yollanır ve buradan radyo dalgaları vasıtasıyla deriden geçip implant'a ulaşır. 4. İmplant, Koklea'da bulunan elektrotlara bir elektriksel uyarım kurgusu yollar. 5. İşitme siniri uyarımları alır ve beyine yollar. Beyin bu sinyalleri ses olarak algılar. Koklear implant cihazının ayrıntıları: Solda sık kullanılan koklear implant cihazları; sağda ise kokleaya yerleştirilmiş bir konsentrik koklea implantının yerleşim şeması görülmektedir.

69 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Kanser problemi Hücreler ikiye bölünerek eksponansiyel bir çoğalma çizgisi izlerler her çoğalma siklüsü sonrası hücre sayısı bir önceki jenerasyondaki hücre sayısının iki katı olur. Hücreler bölündükten sonra yavru hücre belirli bir büyüklüğe yani olgunluğa erişmeden yeniden bölünmesi belirli mekanizmalarla düzenlenerek başlatılmaz. Büyüme faktörleri olarak adlandırılan sinyal molekülleri, normal büyüme sırasında hücresel diferensiasyonu ve hücre bölünmesini sağlayacak enformasyonu hücrelere aktarırlar ve mekanizmayı başlatırlar. Hücrelerin çoğalmaları bu özel çoğalma faktörleri tarafından başlatılırken çoğalma için gerekli maddeler de ortamda bulunmalıdır. Ortamda çoğalmada kullanılacak gerekli maddeler yoksa çoğalma faktörlerinin varlığına karşın çoğalma gerçekleşemez. Hücre çoğalması eşeysiz bir çoğalmadır. Hücre çoğalması istikrarlıdır ve süreklilik gösterirken sadece kısa bir süre için hücrenin bölünme fazı plan M fazında duraklar. Hücre bölünmesi sürecinin tamamı dört temel fazdan oluşur ve tamamı hücre siklüsü olarak isimlendirilir. DNA replikasyonu için gerekli olan enzimlerin sentezlendiği faz G1 fazıdır. İkinci faz DNA replikasyonu sonucu birbirine özdeş iki kromozomun ortaya çıktığı faz olan S fazıdır. Mitoz denen bölünme işlemi sırasında gerekli mikrotübüllerin üretildiği protein sentezi fazı G2 üçüncü fazdır. Dördüncü ve son faz ise M fazı olarak adlandırılır ve yeni hücre membranının oluşumu ile birlikte nükleus (karyokinez) ve sitoplazma (sitokinez) bölünmesinin gerçekleştiği fazdır. Bu sözünü ettiğimiz dört faz ana ve yavru hücrelerin fiziksel olarak bölünmesidir. M fazı kendi içerisinde çeşitli gelişmelerin olduğu değişik fazlar içerir Hücre siklüsünün düzenlenmesi Hücreler aktive olurken ve başka hücreleri aktive ederlerken özel haberci niteliğindeki proteinlerden yararlanırlar. Böylesi görevi olan en temel proteinle stokinlerdir. Organizmadaki gelişmelere göre özel görevli hücreler tarafından salgılanırlar ve hedef hücrelerde yeni davranışların ortaya çıkmasına neden olurlar. Bir sitokin türü farklı hücrelerde ve farklı dokularda üretilip salgılanabilir ve hedef hücrede aynı sonucun oluşmasını sağlayabilir. Sitokinler görevlerini yaparken hücreler arası haberleşmede geçerli kurallara benzer davranış ve iletişim özellikleri gösterirler. Sitokinler hedef hücrelerde yol açtıkları aktiviteye göre sınıflandırılırlar. Büyümeden sorumlu faktörler: Epidermal büyüme faktörü (EGF), Platelet orijinli büyüme faktörü (PDGF), insülin büyüme faktörleri v.b. Sinir büyüme faktörleri: NGF, Asidik fibroblast büyüme faktörü v.b.

70 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 297 Koloni stimüle eden faktörler (Granülosit/makrofaj koloni stimüle eden faktör, GM-CSF; Granülosit-CSF; Multi-CSF; Eritropoietin, EPO; Lösemi inhibitör faktör (LIF), Transforme edici büyüme faktörleri ( TGF) 5 - Tümör nekroz faktörleri (TNF) 6 - İnterferonlar (IFN) Sitokinler organizmanın gereksinimi durumunda hücre bölünmesi, hücre farklılaşması, hematopoez, savunma sisteminin düzenlenmesi, yara iyileşmesi, kemik oluşumu ve hücre aktivitesinde değişiklik yapılması benzeri biyolojik olaylarda rol alırlar. Sitokinler önde gelen görevi hücre bölünmesidir. Hücreler normal koşullarda kendiliklerinden karar verip bölünemezler ancak dışarıdan bölünmesi doğrultusunda bir haber ulaştığında bölünme eğilimine girerler ki bu haberci moleküller sitokinlerdir. Sitokinler her zaman hücre bölünmesini başlatmazlar bazı durumlarda hücre çoğalmasını engelleyici faktör olarak ta görev yaparlar. Bir hücrenin hangi faktör tarafından yönlendirileceği hücre membranındaki reseptörleri tarafından belirlenir. Hücre çoğalması normal durumda büyüme faktörleri tarafından hücre siklüsünde DNA replikasyonu sonucu gerçekleşir. 298 Yetişkinlerde çok sayıda hücre bölünmeyen hücre konumundadır ve hücrelerin bu pozisyonuna G0 fazı denir. Bir hücrenin G0 fazından G1 fazına geçmesi için özel mekanizmalar gerekir. Bu mekanizmalar aracılığı ile hücre DNA sentezleme eğilimine girer bu aşama restriction aşaması olarak bilinir ve R fazı adını alır. Bölünme sürecine giren hücreler belirli kavşak noktaları üzerinden G1, G2 ve M fazlarına geçerler. Buradaki kavşak noktaları protein fosforilasyonudur. Proteinleri fosforilasyonunda Protein Kinazlar(PK) rol oynarlar. Protein kinazların iki alt grubu vardır, düzenleyici alt grubu cyclin katalitik grubu ise cyclindependent kinaz (CDK) olarak isimlendirilir. CDK' lar yalnız başlarına iken inaktiftirler ancak cyclin bağlandıktan sonra aktivasyon gösterebilirler. cyclin in türü CDK nın hangi proteini fosforilleyeceğini belirleyen parametredir. Farklı cyclin türü CDK nın daha farklı bir protini fosforillemesine yol açar. Büyüme faktörleri Go/G1 de kompetans ve/veya progresyon faktörü olarak rol oynarlar ve hücrelerin quiescent (bölünmeden durma fazı) durumdan bölünme durumuna geçmesini kontrol ederler. Bazı özel durumlarda PDGF (platelet orijinli büyüme faktörü) kendi başına hücre çoğalması hareketini başlatabilirse de çoğu kez hücre bölünmesi birden fazla büyüme faktörünü gerektirir. Hücre Bölünmesinin Sitokinler Tarafından Engellenmesi Hücre bölünmesini sağlayan sitokinlerin yanı sıra organizmada hücre çoğalmasını engelleyen sitokinler de vardır. Bu sitokinler hücre bölünmesi için aktive edilen proteinlerin inhibisyonunu gerçekleştirerek bu görevi yerine

71 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 299 getirirler. Bu görevi IFN-a/b, TGF-b, TNF gibi büyüme faktörü görevi yapan proteinleri hücre yüzeyindeki reseptörlerinin azalmasını sağlayarak, reseptör inaktivasyonunu sağlayarak veya hücre çoğalmasını başlatacak sinyallerin iletilmesini bloke ederek yaparlar. Dahası otokrin büyüme faktörlerinin üretimini bloke ederek, PK ların veya fosfotazların aktivitelerini bloke edebilirler. Hücre döngüsünün TGF-b tarafından durdurulmasının moleküler mekanizması Hücre siklüsünün sürdürülmesi cyclin ler ve CDK (cyclin dependent kinase)larca düzenlenir. Memeli hücrelerinde, cyclin D izoformları ile kompleks oluşturmuş olan CDK4 veya CDK6 ve cyclin E ile birleşmiş olan CDK2, G1 fazının ilerlemesini kontrol eder. Bu kompleksler CDK aktive eden kinaz (CAK) ın CDK yi fosforile etmesiyle aktive edilirler. prb, CDK lerinin belli baslı substratı olan retinoblastoma gen ürünüdür (prb). Hücre siklüsünün sürdürülmesi hipofoforile olmuş prb proteini tarafından engellenmesine rağmen prb nin fosforilasyonu bu engelleyici aktiviteyi sonlandırır. prb bu rolünü heteromerik E2F/DP1 transkripsiyon faktörüne bağlanıp onu inaktive etmesiyle gerçekleştirir. İnhibisyon olmadığı takdirde prb nin CDK ler tarafından fosforile olması E2F/DP1 nın prb den ayrılmasını sağlar ve sonuç olarak belli genlerin transkripsiyonuna yol açarak hücreleri S fazına geçmeye hazırlar. CDK ların aktivitesinin kontrolü, ilgili proteinlerin CDK ye bağlanarak onu inaktive etmesiyle gerçekleştirilir. Sonuç olarak, büyüme faktörleri ve/veya sitokinler hücre yüzeyindeki reseptörlere bağlanarak hücre içi sinyalizasyonu harakete geçirerek hücre çoğalmasını başlatabilirler veya durdurabilirler Bir hücrenin yüzeyinde bulunan reseptörler türü hücrenin hangi faktörlere hücresel yanıt oluşturacağını belirler. Böylelikle hücre çoğalmasını aktive eden veya inhibe eden sitokinlerin konsantrasyonlarındaki anomaliler veya hücre düzeyindeki sitokin reseptörleriyle ilgili oluşan anomaliler hücre siklüsünün düzenlenmesinde kontrol ortadan kalkabilir. Böylesi olaylar sonucunda da hücrelerin malign hücrelere dönüşmesine yol açma olasılığı varsa da yeterli neden değildir oysa bu olaylar hücre transformasyonuna yol açabilirler. Mademki sitokinler hücre çoğalmasında veya çoğalmanın durdurulmasında etkili olmaktalar ve bu mekanizmalarla ilgili bilgiler gün geçtikçe daha da çoğalmaktadır, kontrol edilemeyen hücre çoğalması olan kanser probleminin çözülmesinde de bu mekanizmalarla ilgili çalışmaların yapılmaya devam edilmesi gerekir Hücre çoğalmasında hücre içi haberleşme mekanizmaları Hücrenin gereksinim duyması sonucu sitokinler aracılığı ile dolaşım sistemine salgılanan ve hücre çoğalmasını başlatacak olan iki önde gelen hormondan bir tanesi olan platelet orijinli büyüme faktörü ( PDGF) nün konsantrasyonu yükselince hücre yüzeyindeki reseptörüne bağlanır ve reseptör aktivasyonu gerçekleşir. Aktive olan reseptör protein G nin aktivasyonuna yol açar. Protein G nin aktivasyonu da hücre membranının iç katmanında yer alan fosfodiesteraz (PDE) ın aktive olmasını sağlar. Aktive olan fosfodiesteraz hücre membranı fosfolipidlerinden olan fosfotidilbifosfat (PIP2) ı iki parçaya böler. Parçalardan bir tanesi İnozitol trifosfat (IP3) diğeri ise Diasilgliserol dür. IP3 üretildikten sonra sitoplazmada endoplazmik retikulum membranında bulunan Ca ++ kapısı açılmasından sorumlu reseptörüne bağlanır ve Ca ++ kapısı açılır. Endoplazmik retikulumdan hücre içine Ca ++ salgılanır ve salgılanan Ca ++ DNA replikasyonunun başlamasında rol alan proteinlere bağlanarak onların aktivasyonunu sağlar ve kendi açısından DNA replikasyonu başlatılmasına ilişkin görevini yapmış olur. Diğer yandan üretilen DG hücre membranındaki H + - Na + pompasının çalışmasını başlatır. Böylelikle hücre içerisinden dışarıya H + iyonu pompalanırken her H + iyonuna karşılık bir Na + iyonu hücre içerisine alınır. Bu şekilde hücre içi sıvıdaki elektronötralite korunurken hücre içi ph yükselmeğe başlar. Yükselen ph konsantrasyonu görece alkali bir ortam sağlayarak DNA replikasyonunda rol alan proteinlerin aktivasyonu için uygun ortamı sağlar ve DNA replikasyonu için üzerine düşen görevi yerine getirmiş

72 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 301 olur ve DNA replikasyonu için hücre içi ortam hazırlanmış ve hücre çoğalması başlamış olur. Bir diğer hücre çoğalması faktörü epidermal büyüme faktörüdür (EGF) Bu hücre çoğalması hattında bir membran proteini olan tirozin kinaz önemli bir rol üstlenir. Tirozin kinaz büyük bir protein molekülüdür. Bir ucu ekstrasellüler sıvıya bakarken diğer ucu hücre sitoplazmasındadır. Dış bölümü EGF bağlanması için reseptör görevi yaparken iç bölümü hücre içinde DNA replikasyonunda görev alan proteinlerin fosforilasyonunu sağlayacak yapısal özelliktedir. Hücre çevresinde EGF konsantrasyonu artınca EGF nin tirozin kinaza bağlanma olasılığı artar ve bağlandıktan sonra tirozin kinazda konformasyon değişikliğine yol açar. Konformasyon değişikliği sonucu tirozin kinaz ın hücre içinde kalan bölümünün aktivasyonu gözlenir. Aktive olan tirozin kinaz ın iç bölgesi DNA replikasyonunu başlatmada görevli proteinlerin fosforillenmesini böylelikle de aktif hale geçmelerini sağlar. Aktive olan proteinler de DNA replikasyonunu başlatarak hücre çoğalmasının ilk adımlarını atmış olurlar. Hücreler çeşitli nedenlerle transformasyona uğradıklarında normal hücre özelliklerinden ayrılıp kanser hücresi karakteri kazanan hücrenin bu yeni özelliklerinin bir sonraki jenerasyona taşınması kanser probleminin tartışılmaya başlandığı günden itibaren dikkatlerin DNA daki olası değişimlerin üzerinde durulmasına neden olmuştur. Doğal olarak DNA da oluşabilecek ya da DNA nın etkilenebileceği iki temel alan ön plana çıkar. Bunlardan bir tanesi somatik mutasyon olarak adlandırılır ve bu tür mutasyon fiziksel veya kimyasal nedenlerden kaynaklanan karsinojenezdir. İkinci alan ise organizmaya dışarıdan diffüze olan virüslerin neden olduğu viral karsinojenezdir. Önceleri 302 fiziksel ve kimyasal nedenlerle ortaya çıkan enerji biçimlerinin DNA dizinleri üzerinde yer alan genlerin bazları ile etkileşerek onlarda mutasyona neden olduğu savunulmuştur. Diğer yandan karsinojenezle ilgili görüş birincisinden daha çok ikinci alanın yani viral karsinojenez'in etkili olduğunu savunmuşlar ve virüslerin hücreyi infekte ettikten sonra yine DNA üzerinde mutasyona yol açarak karsinojenezin gerçekleştiğini söyleyegelmişlerdir Onkogenler İlerleyen yıllarda çalışmalar daha gelişmiş sonuçlar vermeye başlamıştır ve 1970 li yılların başında onkogen kuramı olarak adlandırılan kuram daha çok benimsenmeğe başlamıştır. Aslında onkogen kuramı, karsinojenezle ilgili ileri sürülen görüşleri reddetmemekte ve onların sentezlerini yaparak üzerine yeni görüşler inşa etmektedir. Evrimsel olarak daha ileri noktada bulunan canlılarda hücre DNA sında normalde yani canlının büyüme çağında aktivite gösterirken büyüme süreci tamamlandıktan sonra bloke edilen ve aktivitesini yitiren genlerin varlığı söz konusudur ki bu genler onkogenler olarak adlandırılırlar. Onkogenlerin ürünleri olan proteinler hücre çoğalmasından sorumlu olan genlerin aktivasyonunda rol alan proteinleri kodlarlar veya bir şekilde onların davranışlarını taklit ederek aynı fonksiyonu yerine getirebilirler. Protoonkogenlerden bazılarının kodladığı proteinlerin sitokinlerin organize ettiği iletişim yollarında görev aldıkları bilinmektedir. Bunlardan erbb isimli protoonkogen in kodladığı protein amino asid dizgisi açısından tirozin kinaz a çok benzemektedir farklılık sadece trozin kinazda bulunan, hücre dışı ile ilişkileri yürüten yani reseptör gibi davranan bölümün eksik bulunmasındadır bu nedenle de tirozin kinaz ın aktif konformasyonundaki becerilerini taklit edebilmektedir. EGF yokluğunda bile sanki hücreye EGF haber getirmiş gibi davranabilme yeteneğindedir. Ras isimli protoonkogen in kodladığı proteinler ise amino asid sıralanması ve konformasyon açısından, hücre çoğalması sırasında fosfodiesteraz enzimini aktifleştirecek olan aktif protein G yi taklit edebilecek yapı ve yetenektedir. Myc ve fos onkogenlerinin kodladığı proteinler, nükleusta DNA replikasyonunda önemli rolleri olan proteinlerin aktif kanformasyonunda ve hücre çoğalmasını başlatabilme yeteneğindedirler. Sis protoonkogeninin kodladığı protein PDGF yi taklit edecek yetenektedir ve PDGF olmadığı halde sanki dışarıdan istek geliyormuş gibi davranarak hücre çoğalması ile ilgili mekanizmaları harekete geçirebilecek kapasitededir Tümör süpresor genler (anti-onkogenler) Tümör süpresör genler, hücre DNA sı üzerinde yer alıp onkogenlerin aktivasyonunu bloke ederek hücre çoğalmasını engelleyen genlerdir. Bu genlerde oluşabilecek herhangi bir mutasyon olursa ya fonksiyonunu tamamen

73 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 303 yitirir ya da kısmen yitirir ve görevini gerçekleştiremez ve diğer destekleyici nedenlerin de olumsuz anlamdaki katkılarıyla hücre çoğalması başlayabilir. Tümör süpresör genlerin görevlerini yapabilmelerinin ortadan kalkması için onkogen aktivasyonunda görülmeyen bir durum söz konusudur. Bu farklı özellik genellikle ikili olay hipotezi (two-hit hypothesis) olarak isimlendirilir. Bu süpresör genlerin etkinliklerini kaybetmeleri için yani onkogen üzerinde blokajı sağlayan proteinlerin ortamda eksik olması için süpresör denin iki allelinin de mutasyona uğraması gerekir. Eğer allel lerden bir tanesinde mutasyon olursa ve hatalı protein üretmeye başlarsa diğer allel gen normal proteini üretmeye devam eder ve onkogenler üzerindeki süpresyon devam eder. Onkogende oluşan bir mutasyon onkogen aktivasyonu sonucu kontrol edilemez hücre çoğalmasını başlatabilirken (dominant) tümör süpresör genlerde allellerde bir tanesindeki mutasyon onkogen kontrolünün kalktığı anlamına gelmez (resesif). İki olay hipotezinin dışında kalan bazı mutasyonların varlığı da söz konusudur. Tümör süpresör genlerin kodladığı proteinler hücre çoğalmasını ya baraj oluşturarak ya da baskılayarak hücre siklüsünün düzenlenmesini etkileyerek ve/veya hücreyi apoptozise götürerek engellerler. Süpresör genlerin ürünleri olan proteinler görevlerini birkaç değişik yoldan yaparlar. Hücre siklüsünün sürdürülebilmesi için köşe taşı olan genlerin baskılanması ki bu genler ekspresyon yapamazlarsa hücre siklüsü devam edemez böylelikle de hücre çoğalması durdurulur. DNA ya zarar verilmesine katkı sağlayarak bu görevi yapar çünkü hücre içinde DNA zarar görmüş ise ve onarılmamışsa bölünme gerçekleşemez. Zarar görmüş olan DNA onarılamamışsa organizmanın genel çıkarı doğrultusunda yapılacak şey hücrenin apoptozis e( programlanmış hücre ölümü) götürülmesidir. Çünkü organizmanın tümünün çıkarı her zaman tek hücrenin çıkarından önce gelir(toplumsal çıkar mı yoksa bireysel çıkar mı öncelik taşımalıdır?). Süpresör gen ürünü proteinlerin bazıları tümör hücrelerinin hücre adhezyonu (cell adhesion) eğilimini, kontakt inhibisyon özelliğinin kaybolmasını bloke ederek sağlarlar. Böylelikle de metastaz oluşumunu engelleyerek katkı yaparlar ki bu sınıftaki proteinler metastaz süpresör proteinleri olarak adlandırılırlar. Bir hücrenin hücre dışından herhangi bir haber gelmeksizin çoğalma eğilimine girmesi ve çoğalmanın kontrol edilememesi karşımıza kanser problemi olarak çıkmaktadır. Yukarıda anlatıldığı gibi hücre çoğalması ve çoğalmanın durdurulması organizmanın kontrolü altındaki aktivitelerdir. Onkogenler normal koşullarda olduğunda ve süpresör genlerin aktivitelerinin normal olduğu koşullarda gereksinim dışı hücre çoğalması gerçekleşmemektedir. Ancak bir şekilde hücre DNA sı üzerinde yer alan ve normal hücre çoğalması yoluyla bir sonraki jenerasyona aktarılan onkogenler ya da süpresör genler istenmeyen durumlarla karşılaşabilirler. Onkogen ya da süpresör genleri 304 oluşturan moleküllerden bir tanesi kimyasal veya fiziksel etmenler sonucu zarar görebilir ve bir mutasyon oluşabilir. Mutasyon hücrenin dışarıdan virüslerle infeksiyonu sonucu da gerçekleşebilir Somatik karsinojenez Fiziksel karsinojenez Karsinojenez canlılarda kontrolsüz hücre çoğalmasına (kanser) yol açan herhangi bir nedendir. Karsinojenez fiziksel, kimyasal nedenlerden kaynaklanabilir. Fiziksel veya kimyasal etmenlerin karsinojen olarak adlandırılabilmeleri için önce mutajen olduklarının kanıtlanması gerekir. Kimyasal karsinojen maddeler sigara dumanı, çeşitli böcek ilaçları gibi değişik bileşiklerin yapısında bulunurken fiziksel karsinojenler suda çözülemeyen sert veya yummak materyallerdir. Radyasyon da önde gelen karsinojenlerdendir. Alfa, beta partikülleri ile gamma ışınları karsinojendir hatta ultraviyole ve X ışınları da karsinojen olarak etkilidirler. Fiziksel karsinojenler kapsamında, fiberler, tanecikli maddeler, yummak sentetik materyaller ve jeller yer alırlar. Fiziksel karsinojenlerin bir bölümü doğal olarak bulunurken önemli bir bölümünü sentetik maddeler oluştururlar. Kimyasal yapıları açısından çok çeşitlilik arz eden fiziksel karsinojenlerin nasıl etkili olduklarını açıklamak kolay değildir ve fiziksel karsinojenlerin nasıl olup ta kansere yol açtığıyla ilgili henüz herkesi doyuracak açıklanmış bir mekanizma yoktur, büyük olasılıkta çok çeşitli yolları vardır. Fiziksel karsinojenlerin bir bölümü genetik faktörlerin ve çevresel faktörlerin varlığında etkin olabilirler. Asbest örneğine bakılırsa, asbestin kendi başına kansere yol açabildiği görülürken sigara içiminin kansere yol açmasını asbestin kolaylaştırdığı görülür. Fiziksel ajanların neden olduğu kanser gelişiminde biyofiziksel mekanizmalar tam olarak açıklanamıyor olsa da konu ile ilgili bir takım teoriler vardır. Bunlardan bir tanesi fiziksel taneciklerin inflamasyona yola açan irritasyonudur. Genelde dokular böyle bir irritasyon durumu ile karşılaşınca çevredeki hücrelerde proliferasyon başlar ve çevredeki yeni ortaya çıkan hücrelerle dokuda imflamasyon gelişir. İrritasyon devam ettiği sürece doku hücre çoğalması eğilimine girer ve hücrelerden bazıları mutasyona uğrayarak neoplastik (kanser) hücreye dönüşebilir. Asbest ve benzeri geniş yüzeyli taneciklerin kanser riskini, daha çok hücreyle temas ettikleri için böylece inflamasyonun da daha geniş alanlara yayılması nedeniyle artırdıkları çeşitli araştırmalar gösterilmiştir. Deneysel çalışmalar, havadaki taneciklerin yoğunlaştığı koşullarda taneciklerin akciğerlerde birikmesi sonucu kronik inflamasyon geliştiğini ve hücresel mutasyon olasılığının arttığını göstermiştir. Konu ile ilgili bir diğer yaklaşım fiziksel materyallerin zamanla bozularak değişime uğramasına bağlı olduğudur. Burada materyal ile çevresindeki hücreler arasında kimyasal reaksiyonların gelişebilmesi olasılığı ve böylesi gelişme sonucu da kimyasal reaksiyon un komşu hücrelerde karsinojenik

74 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 305 olabileceği böylece bu hücrelerin neoplastik hücreye dönüşebileceği düşünülmektedir. Moleküler düzeyde bakıldığında probleme, sonuçta sebep ne olursa olsun kimyasal reaksiyonların DNA ya zarar vererek etkili olabileceği düşünülmelidir. DNA da bir değişiklik de anormal hücre çoğalmasını başlatabilir ve kanser tüm organizmayı sarabilir. Kanser oluşmasında rolü olduğunun gösterilebilmesi için zifirin üzerinde uzun yıllar durulmuştur. Zifirin ana maddesi olan benzipren bu süreçte deneysel koşullarda (invitro) bakteri hücreleri ile muamele edilmiş fakat hücrelerde her hangi bir etki göstermemiş ve hücre çoğalmasını başlatamamıştır. Bu nedenle de çalışmalara uzun süre ara verilmiştir. Ancak 1975 yılına gelindiğinde Ames isimli bilimci probleme yaklaşımda bir felsefi yanlışlık olduğunu kavramıştır ve bu saptamanın ardından da çeşitli materyallerin karsinojenez i başlatıp başlatamayacağı yani karsinojen olup olmadıklarının belirlenmesinde yeni bir çalışma şekli getirmiştir. Ames herhangi bir maddenin karsinojenez i başlatabilmesi için kesinlikle organizmanın içerisine girmesi gerektiğini söyler çünkü materyallerin çoğunluğu ancak organizmaya girdikten sonra metabolize edilmeleri sürecinde çeşitli enzimlerle karşılaştıktan sonra enzimlerce yeni formlara dönüşmektedir ve bu yeni formları da karsinojenez i başlatma yeteneğinde olmaktadır. Nitekim benzipren ile ilgili yapılan çalışmalarda daha sonra benzipren karaciğerden elde edilen dokulara ait enzimlerle işlendikten sonra bakterilere bulaştığında hücre çoğalmasının başladığı gözlemlenmiştir. İlerleyen araştırmalar sonucunda da aril hidroksilaz isimli enzimin benziprenle etkileştiği ve benzipreni 5,6- epoksit kimyasal formuna dönüştürdüğü bunun da karsinojen özellikte bir madde olduğu belirlenmiştir ve benziprenin kanserojen olup olmadığı konusunda kuşkular da giderilmiştir Karsinojenez mekanizmaları Reaktif oksijen türleri(ros) ve reaktif nitrojen türleri(rns) DNA hasarına yol açan en önde gelen metabolizma ürünleri olarak bilinmektedir. ROS ve RNS organizmada genel metabolizma sırasında ortaya çıkarlar ve DNA da fiziksel olarak hasara yol açma yetenekleri vardır. Fiberler, asbest, nikel ve bakır organizmada, hücrede ROS ve RNS üretimine neden olurlar. Nikel ve arsenik gibi çok küçük metal tanecikleri hücre membranından geçerek hücre içine girebilirler sonra DNA nın yapısının değişimine veya bozulmasına yol açarak DNA ya doğrudan hasar verebilirler. Fiziksel materyallerin kansere yol açmasını sağlayan bir diğer olası mekanizma elektriksel kuvvetlerden kaynaklanır. Cerrahi olarak implante edilen metaller genellikle doğrudan kansere yol açmazlar fakat metallerin yüzeyindeki elektriksel kuvvetler çevredeki hücrelerin DNA sında hasara yol açarlar. İmplante edilen metaller uzun süren infeksiyona yol açarak kanser riskini artırırlar çünkü infeksiyon her zaman imflamasyon izler ve uzun süren 306 infeksiyon da hücre proliferasyonunu beraberinde getirir böylelikle de DNA da mutasyon oluşur hücre kanser hücresine dönüşebilir Mutajenik olmayan karsinojenez Mutajen ajanların büyük bir bölümü aynı zamanda karsinojendirler fakat öyle ki bazı karsinojenler mutajen değildirler yani hücre proliferasyonuna yol açarlar fakat bunu DNA üzerinden gerçekleştirmezler. Alkol, östrojen gibi maddeler DNA da herhangi bir değişikliğe yol açmaksızın karsinojen görevi yaparlar, böylesi materyaller hücre bölünmesini uyararak kanseri başlatabilirler. Burada artan hücre bölünme hızı nedeniyle DNA replikasyonu sırasında oluşan hataların hata düzeltme enzimleri tarafından düzeltilmesi için yeterli zamanı kalamayacağı için genetik hata oranı artar. Hücre bölünmesi sırasında oluşan baz hatası yavru hücrenin yanlış sayıda kromozomu alması durumu oluşur ve anöploidi(fazla veya az sayıda kromozom sayısına sahip olma halin gösteren bir tür genetik anomali) ortaya çıkar bunun sonucunda da kanser oluşumu görülür Viral karsinojenez Diğer karsinojenez türlerinin yanı sıra insanlarda %12 gibi bir insidansla daha az olmak üzere, hayvanlarda özellikle kuşlarda viral infeksiyon sonucu da çok sayıda kanser ortaya çıkar. Viral infeksiyonların yol açtığı tümörler akut dönüşen ve yavaş dönüşen ikiye ayrılır. Akut olarak dönüşen tümörlere yol açan virüslerde viral tanecik viral-onkogen olarak adlandırılan(v-onc) aşırı aktif onkogen genini taşırlar ve v-onc aktif hale ve yazılıma geçer geçmez infekte olan hücre dönüşmeye başlar. Yavaş dönüşüme yol açan virüslerde ise ev sahibi hücrede bulunan onkogen in hemen komşu bölgesine viral genom sokulur ki viral genomun sokuluşu özellikle retrovirüslerde zorunlu bir durumdur. Viral promotor veya diğer transkripsiyon düzenleyici elementler sırayla devreye girerek protoonkogende aşırı yazılımı başlatırlar sonrasında da kontrol edilemeyen hücre proliferasyonu başlar. Viral genomun hücre geneomuna sokuluşu protoonkogenlere spesifik olmadığından hücre genomu üzerinde yer alan protoonkogen e komşu bölgeye yerleşme olasılığı hayli düşüktür bu nedenle yavaş dönüşen virüslerin bizzat viral onkogen i taşıyan akut dönüşümlü virüslere oranla çok daha uzun bir latent dönemleri vardır. Virüslerin kansere neden olma mekanizmaları HPV(servikal kanser), Hepatit B (karaciğer kanseri), EBV(bir tür lenfoma) gibi kansere yol açtığı bilinen virüsler DNA virüsleridir. Virüs hücreyi infekte ettikten sonra kendi DNA sını veya DNA sının bir bölümünü hücre DNA sının hücre çoğalmasından sorumlu gen in yakınına sokar.

75 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ Virüsler Yapısal olarak o kadar küçüktürler ki yakın zamanlarda ultrasantrifüjlerin geliştirilmesine kadar virüsleri saptamak mümkün olmuyordu. Bu nedenle canlı hücreleri infekte edebilen çok küçük yapılar olarak tanımlanabilirler. Virüslerin kendi başlarına çoğalma ve yaşama yetenekleri yoktur ancak bir hücrey girerek onu infekte eder ve yaşamını sürdürebilir hatta çoğalabilirler. Bir virüs, kapsid denen bir protein kılıf ve bu kılıfın içerisinde bulunan genetik materyalden oluşur. Ökaryot (hayvan, mantar ve bitkiler)hücreler ve prokaryotlar hücreler(bakteri ve arkaeler) virüsler tarafından infekte edilebilirler. Bakterileri infekte eden virüsler bakteriofaj veya kısaltılmış olarak faj olarak adlandırılırlar. Sözcük Latince virus (zehir) sözcüğünden türemiştir. Antibiyotikler virüslere üzerine etkili olmazlar. Şekil ve büyüklük açısından çok çeşitlilik gösterirler ve bakterilerle karşılaştırıldıklarında çok küçük oldukları görülür (çapları; nm). Tüm üniteleriyle birlikte virüsler virion olarak da adlandırılırlar. Virüsler bir nükleotid (DNA veya RNA), çevresinde protein yapıda bir kapsid, bir de zarf (envelope) ismi verilen fosfolipid bir membrandan oluşur. Viral genom virüslerin bu üç suborganını kodlayacak özelliktedir zaten kodlaması gereken başka bir molekül de yoktur virüs kapsamında. Bir virüs ün genom olara ya bir DNA sı vardır ya da bir RNA sı vardır, DNA sı olanlar DNA virüsleri RNA sı olanlar ise RNA virüsleri adını alırlar. Viral genom dairesel veya doğrusal formlarda olabilir. Viral genom DNA olsun RNA olsun nükleik asidlerden bağımsız olarak tek şeritli, veya çift şeritli olabilir hatta bazı virüslerin genomlarının bir bölümü çift şeritli bir bölümü tek şeritli olabilir. Virüslerin çoğalmaları hücrelerde olduğu gibi bir hücre siklüsü yolu izlenmez çünkü bu aktiviteyi gösterebilecek hiç bir materyali yoktur bu nedenle de sadece hücre içinde bulundukları sürece hücrenin olanaklarını kullanarak çok sayıda kendi kopyalarını çoğaltırlar Virüsün hücre içerisinde çoğalması Virüs dışarıdan hücre membranına yaklaştığında virüs membranı hücre membranı ile temas eder ve membran füzyonu gerçekleşir kapsid protein içerisinde viral genom olduğu halde hücre stoplazmasına girmiş olur ve artık hücre infekte olmuş hücredir. Füzyon olayı membran fosfolipidlerinin lateral hareket yeteneği sonucu gerçekleşir. Hücre içerisinde ikinci adımda viral genom un kapsid proteinden ayrılması gerekir. Bu işlem de hücrede bulunan degradasyon enzimleri tarafından gerçekleştirilir böylece de viral genom hücre sitoplazması içerisinde serbest hale geçer.

76 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 309 Virüsün replikasyonu için viral RNA sentezi gerçekleşir. Viral protein sentezi ve viral genom replikasyonu başlar. Daha sonra hücre içerisinde sentezlenen virüs genomu yine hücre içerisinde sentezlenen kapsid protein i tarafından kaplanır ve membrana doğru yaklaşan çok sayıdaki yavru virüsler hücre membranından birer membran bölümü alarak hücre dışına çıkarlar artık hedefte yeni hücrelerin infeksiyonu söz konusudur. Bu şekilde virüslerin hücre içerisinde izledikleri yol litik mekanizma yolu olarak adlandırılır. Litik mekanizmanın dışında bir mekanizma daha vardır ki bu mekanizmada hücre virüs tarafından infekte edildikten sonra viral genomun hücre DNA sına füzyonudur. Viral DNA hücre DNA sına integrasyonu restriksiyon enzimleri aracılığı ile gerçekleşir. Resriksiyon enzimleri en uygun baz çiftinden keserek viral genomun uçlarını kesilmiş bazlara uygun olduğu için kolaylıkla füzyon oluşur ve artık viral genom hücre DNA sının bir parçasıdır. Hücre normal olarak çoğaldıkça yeni jenerasyondaki hücrelerin DNA ları da viral genomu içerir. Bu mekanizma lizojenik mekanizma olarak adlandırılır. DNA virüslerinin hücre DNA sına integrasyonu görece kolay anlaşılırken RNA virüslerinin nasıl Hücre DNA sında değişikliğe yol açtığının anlaşılması uzun zaman almıştır yılına gelindiğinde ancak RNA virüsleri genomunun bir bölümünde bulunan segmentin varlığı ve bu segmentin RNA yı kalıp alarak DNA nın kodlanmasını sağlayan bir protein kodladığı anlaşılmıştır. Bu protein ters transkriptaz olarak adlandırılmıştır. Ters transkriptazlar ters transkripsiyonu kullanarak replikasyonu başlatan enzimlerdir. RNA yı kalıp alarak DNA 310 yazılımını gerçekleştirir. Ters transkriptaz bölgesi bulunan RNA genomu replikasyon için bir ara DNA yı kullanır yani önce bir şerit DNA yazılır bu DNA dan da diğer DNA şeriti oluşumu gerçekleşir. Normal DNA içeren virüslerin DNA 'ları da genom replikasyonu yaparken önce RNA yı kodlayarak replikasyonu gerçekleştirir. Her iki tipteki replikasyon da ters transkriptaz enzimini kullanırlar. Her ikisi de ters transkriptaz enziminin aktivitesini bloke eden ilaçlara duyarlıdırlar. Birinci tür örnek olarak HIV virüsü verilebilir ki bunlar retrovirüstürler. İkinci tür örnek ise hepatit B türünden virüslerdir. İlk infekte olan hücreden türeyen değişikliğe uğramış hücre grubunuda çoğalmadan sorumlu genlerinin komşu bölgelerinde viral DNA yı içerirler. Yavru hücrelerin tamamı da artık çoğalmalarının kontrolü mümkün olmayan çok özel hücreler haline gelmişlerdir. Hücreler organizma içerisindeki lokasyonlarına bağlı olarak arz dan gelen radyasyona(gamma radyasyonu), çeşitli kimyasal maddelere, sigara dumanına ve bakteriler veya virüsler tarafından oluşturulan infeksiyon sonucu oluşan inflamasyona maruz kalabilirler. Bu fiziksel nedenlere maruz kalan her hücre zarar görerek kanserleşmeye bir adımlık mesafededir. Yaşamsal fonksiyonlarını yerine getiremeyecek kadar zarar gören hücreler genellikle apoptozis sonucu veya savunma sistemi aracılığıyla ölüme sürüklenirler fakat bazen sadece kansere yol açabilen gen zarar görür. Yaşlı bireylerde binlerce, on binlerce veya yüz binlerce kansere yol açma yeteneğindeki genleri hasar görmüş gen vardır ama bunların kansere yol açma olasılığı çok düşüktür. Değişikliğe uğramış durumdaki hücrelerin çevresinde bir hasar oluşursa normal olmayan olayların gelişimi başlayabilir yani değişim yaşamış hücrelerin her biri kontrol dışı proliferasyon için adaydır. Değişime uğramış hücreler fiziksel, kimyasal veya viral ajanlarca zarara uğratılırsa çabuklukla bölünmeye başlar. Bu noktada artık pozitif feed-back söz konusu olur yani değişime uğramış hücrelerin çevresinde oluşan hasar hücrelerin prolifrasyonunu başlatırken kendileri de hasarlı hücre haline gelirler. Yukarıda anlatılan karsinojenez mekanizması modeli çok benimsenmiş bir modeldir çünkü kanserin niçin büyüdüğünü çok iyi açıklamaktadır. Genel olarak yaklaşıldığında herhangi bir kanser türünün en başlangıçtaki nedenini saptamak neredeyse tamamen mümkün değildir ama gelişen moleküler biyofizik tekniklerinin de yardımıyla bir tümör dokusu içindeki hücrelerde mutasyonların veya kromozomal bozuklukların saptanması ve bazı kanser türlerinde mutasyon spektrumuna dayanan prognoz öngörüleri yapma olanakları mümkün hale gelmiştir. Örneğin tümörlerin nerdeyse yarıya yakınında p53 geni defektli bulunmaktadır ki bu da açık bir gösterge olabilmektedir. P53 genindeki mutasyona bakarak bir prognoz yapmak kolay değildir çünkü bu tümör hücreleri tedavi edilirken hasara uğradıklarında kolaylıkla apoptozise veya programlanmış hücre ölümüne gitmemekteler. Telomeraz mutasyonları birçok frenleme bariyerini ortadan kaldırabilir böylece

77 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 311 de hücrenin bölünme sayısının daha da artmasına neden olabilir. Bir diğer mutasyon, tümörlerin, ihtiyaçlarını karşılamak üzere veya metastaz yaparak organizmanın diğer bölgelerine sıçramak üzere yeni vaskülerizasyonun başlamasına neden olabilir Kanser kök hücresi teorisi Son zamanlarda karsinojenez konusunda onkoloji ile gelişimsel biyolojiyi entegre eden görüşler belirmiştir. Kanser kök hücresi hipotezi olarak adlandırılan bu görüşe göre tüm kanser hücreleri tek bir hücreden dönüşerek ortaya çıkmaktadır. Kanser kök hücreleri de normal yetişkin kök hücresinden veya organizmadaki diferansiye olmuş hücrelerden orijinleşmektedir. Bu hücreler birçok değişik hücrenin oluşumuna yol açarlar, kendilerini yenileyebilme yetenekleri vardır. Bu kök kanser hücreleri kanser in nüksetmesinde ve metastaz ın başlamasında da rol alırlar. Bu teori daha önce kabul görmüş olan karsinojenez kavramları ile çelişmez hatta onların üzerine inşa edildiği söylenebilir Klonal evolusyon Tümör süpresör genlerinde ve onkogenlerinde genetik ve epigenetik değişiklikler hücrenin genel davranışını da etkileyerek değiştirir sonuçta da neoplastik hücreler ve mikro çerçevesindeki hücre popülasyonu üzerinden kanser oluşumuna yol açar. Neoplazmadaki mutant hücreler birbirleriyle yer ve beslenme kaynakları için yarışırlar. Tümör süpresör gen veya onkogendeki mutasyon sonucu oluşan klon, eğer mutasyon klona diğer klonlarla ve mikro çevredeki normal hücrelerle yarışmada avantajı sağlıyorsa, sadece neoplazmaya kadar uzanabilir. Buna göre karsinojenez işleminin somatik veya klonal evrim olarak adlandırılan Darwin' ci evrim sürecine benzemektedir.

78 MOLEKÜLER BİYOFİZİĞE GİRİŞ 313 Darwin ci karsinojenezle teorisine göre kanserin çeşitli formları puberteryal(bluğ dönemi) ve geriatrial(yaşlılık dönemi) olarak sınıflandırılabilir. Yürütülmekte olan antropolojik araştırmalara göre kanser, doğumdan puberte döneminin sonuna kadar (yaklaşık 20 yaşına kadar) azalma göstermekte (normale yaklaşan) ve orta yaşlardan ölüme kadar ise (yaklaşık olarak 40 yaşından başlayarak) tekrar artışa geçmektedir Ana görüşün dışında kalan teoriler Kanserle ilgili bilimsel bir rasyonalite, mantık veya ölçüt sınırlar olmadığından genel kabul edilen görüş ün dışında kalan birçok karsinojenezle ve tedavisiyle ilgili çok sayıda teori de vardır. Bu genel akım dışı teoriler çeşitli alternatif kanser tedavisi yöntemlerini haklı göstermek amaçlıdır muhtemelen. Böylesi görüşlerle karşılaşıldığında bunların mantıklı ve bilimsel bir temeli olan ve klasik olarak test edilebilir hipotezleri olan kanser biyofiziği ana akımı teorisinden ayırt edilmelidir. Hücre DNA sında yer alan onkogenler veya süpresör genler fiziksel, kimyasal ya da virüsler tarafından hasarlanırsa kontrol edilemeyen hücre proliferasyonu başlayabilir. Bu durumla iki olasılık vardır ya protoonkogen mutasyona uğrayacak ve artık süpresör genlerin kontrolünden çıkar ya da onkogeni baskılamakta olan süpresör gen mutasyona uğrayacak ve onkogeni baskılama görevini yapamayacaktır. Her iki gelişme de kontrol edilemeyen hücre çoğalmasını beraberinde getirecektir. 314 Kaynaklar 1- Biyofizik, Prof. Dr. Ferit Pehlivan 2- Ganong, Review of Medical Physiology 3- Guyton, Textbook of Medical Physiology 4- Schaum's Outline of Human Anatomy and Physiology 5- Molecular Biology of The Cell, Alberts Bray, Lewis Raff, Roberts Watson 6- Biophysics, Vasantha Pattabhi, N. Gautham 7- Random Walks in Biology, Howard C. Berg 8- Introduction To Molecular Biophysics, Tuszynski Jack 9- Photobiology, Kohen Elli 10- Supramolecular Structure And Function 7, Pifat-mrzljak Gret 11- Structures In Motion, Daune Michel 12- Biophysics, Glaser Roland 13- Photochemical, Photoelectrochemical And Photobiological Processes, Vol. 2, Hall D O 14- Biophysics An Introduction, Sybesma C 15- Physics In Biology And Medicine,Davidovits Paul 16- Enzim Bilgisi, Trevor Palmer 17- Photoreceptors: Their Role in Vision (IUPAB Biophysics Series), Alan Fein, Ete Zoltan Szuts 18- Vision: The Approach of Biophysics and Neuroscience, Greg Maguire, Carlo Musio, Cloe Taddei-Ferretti 19- Biophysics: An Introduction, Roland Glaser 20- Biyofizik Ders Notları, İstanbul Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı 21- Scientific American, Molecular Biology of Cancer: Mechanisms, Targets, and Therapeutics, Lauren Pecerino 23- Molecular Biology of Cancer, Helga Burns 24- The Molecular Biology of Cancer, Michael Khan, Stella Pelengaris 25- Biology of Cancer, Robert A. Weinberg 26- Sensory Receptors and Signal Transduction, Vol. 10, John L. Spudich, Birgit H. Satir