BĐYOKĐMYA BĐYOKĐMYA BĐYOLOJĐ HĐBRĐT BĐR BĐLĐM DALI KĐMYA YAŞAYAN ORGANĐZMALAR ATOM ve MOLEKÜLLER 1 YAŞAYAN ORGANĐZMALARDA ATOM ve MOLEKÜLLERĐ ĐNCELEYEN BĐLĐM DALI 2 BĐYOKĐMYA NE ĐŞĐNĐZE YARAYACAK??? 3 Biyokimya modern moleküler yaşam bilimlerinin en önemli disiplinidir. 4 1
Biyokimyanın araçları UZMANLIK Genetik mühendislik (DNA klonlama, vb.) Biyoinformatik Fiziksel metodlar Fizyoloji Radyoaktivite Protein izolasyon Ve karakterizasyon Hayvanlar Hücre biyolojisi Kimyasal yöntemler Mikrobiyoloji 5 Kalite kontrol Tarım, gıda endüstrisi Đlaç endüstrisi Araştırma-Geliştirme Araştırma merkezleri Üniversiteler, akademik kuruluşlar Devlet laboratuvarları Endüstri (Biyoteknoloji, ilaç sanayi) 6 Hastane: Klinik Biyokimya Tanı testlerinin oluşturulması- iyileştirilmesi Test sonuçlarının yorumlanması Satış temsilcisi Laboratuvar yönetimi UZMANLIK 7 8 2
Biyokimya, canlıların yapısını, bu yapının düzenlenmesini ve işlevlerini moleküler düzeyde açıklamaya çalışan bir bilim dalıdır. Temel olarak üç alanda işlevini geçekleştirir: -Yapısal Biyokimya: biyolojik olayları kimyasal yapı ile açıklamaya çalışır. -Metabolik Biyokimya: canlıda oluşan tüm tepkimeleri inceler -Moleküler Genetik: biyolojik bilginin depolanma ve iletilme mekanizmalarını moleküler düzeyde inceler 9 10 Canlı Maddenin Ayırt Edici Özellikleri: a.komplike ve koordinedirler b.her bölümün kendine özgü bir fonksiyonu vardır. c.çevreden enerji alabilme, bunu kullanabilme ve değiştirebilme yetenekleri vardır. 11 12 3
BĐYOKĐMYA tüm organizmalarda ortak olan yapı, mekanizma ve kimyasal olayları, dolayısıyla yaşamı araştırır. Farklı yaşam formları ortak kimyasal özelliklere sahiptir. Kuş, ağaç, yaprak, toprak bakterileri ve insan ortak temel yapısal ünitelerden oluşur. Aynı tür monomerik alt ünitelerden (nukleotidler, aminoasitler) aynı tür makromoleküller (DNA, RNA, proteinler) oluşur. Hücresel bileşenlerin sentezi aynı metabolik yolları, aynı genetik süreci kullanırlar. 13 14 http://www.expasy. org/cgi-bin/ show_thumbnails.pl?2 http://www.expasy.org/cgi-bin/show_thumbnails.pl?2 15 Harita no: p6 16 4
BĐYOMOLEKÜLLER TÜM BĐYOJENĐK BĐLEŞENLER (Yaşamsal süreçte üretilen tüm bileşenler) 17 Büyük polimerik moleküller (proteinler, karbohidratlar, lipitler, nükleik asitler) Küçük moleküller (primer metabolitler, sekonder metabolitler ve ürünler) 18 Canlı Maddeyi Oluşturan Makromoleküller Birkaç Basit Bileşenden Oluşur Canlı Maddeyi Oluşturan Biyomoleküller: H, O, N, C, canlı yapının %99 unu oluştururlar. Yaşayan sistemlerde moleküler bileşiklerin bir çoğu karbon atomlarının birbiriyle ve H, O ya da N atomlarıyla kovalent olarak bağlanması sonucu oluşur. Karbon atomu, hücrelerin kuru ağırlığının yaklaşık yarısını kapsar. Karbon atomunun kendine özgü bağlanma özellikleri çok farklı moleküllerin oluşumuna olanak sağlar. Kovalent bağlarla birbirine bağlanan C atomları düz ya da dallanmış zincirler veya halkalı ve kafes şeklinde yapılar oluşturabilirler. Böyle C iskeletine eklenen fonksiyonel gruplar (örneğin H iyonları) moleküle özgün kimyasal 19 özellikler kazandırır. 20 5
21 22 Kovalent bağlı C atomlarını içeren moleküllere organik bileşikler adı verilir. Hidroksil grubu taşıyan alkoller, amino grubu içeren aminler, karbonil grubu içeren aldehit ve ketonlar ila karboksil grubu taşıyan karboksilik asitler gibi organik moleküllerin sınırsız sayıda türleri bulunur. Biyomoleküllerin kimyasal özelliklerini fonksiyonel grupları belirler. Biyomoleküller, karbon iskeletinden ve fonksiyonel gruplarından kaynaklanan üç boyutlu (sterik) yapılara sahiptir. Biyomoleküllerin üç boyutlu yapıları, fonksiyonları 23 ile yakın ilişkilidir. 24 6
Fonksiyonel Gruplar Birçok organik molekül benzer özelliklere sahiptir, çünkü benzer atomlardan oluşur Fonksiyonel grup Her fonksiyonel grup moleküle özgü özellikler kazandırır. Asidite, polarite 25 26 27 28 7
29 30 31 32 8
Amino asitler, nukleotidler ve monosakkaritler gibi molekül ağırlığı (Mr) 500 den daha düşük olan organik bileşikler, sırasıyla proteinlerin, nukleik asitlerin ve polisakkaritler gibi makromoleküllerin monomerik alt üniteleridir. Amino asitler proteinler Monosakkaritler polisakkaritler Yağ asitleri lipidler Baz + H3PO4 + riboz nükleik asitler 33 34 Figure 2-17 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Tablo 1.1. Organizmada görülen biyomoleküller ve yapı taşları Biyomolekül Yapı Taşı Fonksiyonu DNA Deoksiribonukleotid Genetik materyal RNA Ribonukleotid Protein sentezi için kalıp Protein Amino asitler Hücrenin iş gören molekülleri (enzim, yapı) Polisakkarit Glukoz Çok sayıda (örneğin, membran bileşeni) BĐYOMOLEKÜLLERĐN KĐMYASAL TEMELĐ ATOM VE KĐMYASAL BAĞLAR Lipidler Yağ asitleri Uzun süreli enerji deposu 35 36 9
Hücre ve dokuların yapısal elemanları Eser elemanlar 37 ATOM: Bir elementin en küçük birimi MOLEKÜL: Atomların birleşmesinden oluşmuş yapı ELEKTRON: Negatif yüklü bir ünite taşıyan partikül. Kütlesi 0.109 x 10-28 NÖTRON: H haricinde tüm atomların nukleuslarında bulunan proton ile yaklaşık aynı kütlede olan nötral partikül. PROTON: Pozitif yüklü partikül. Kütlesi 1,6729 x 10-24 gram 38 BĐR ATOMUN YAPISI Elektronlar: Negatif elektrik yükü Protonlar: Pozitif elektrik yükü Nötronlar: Net elektrik yükü yok 39 40 10
ELEKTRONEGATĐFLĐK: Bir atom bir kimyasal bağda elektronları tutma yeteneği Bir atomun ELEKTRONEGATĐFLĐĞĐ (elektron bağlama yeteneği) Oluşacak kimyasal bağın gücünü ve tipini belirler Organik moleküllerin ana elemanlarındaki değerlikleri 41 Atom no: 1 Atom no: 8 Atom no: 7 Atom no: 6 42 Değerlik elektron sayısı 1 6 5 4 6 5 Değerlik elektronlarının noktalarla gösterildiği yapısal formüllere Lewis yapıları denir. Lewis formülüne göre ikinci periyottaki elementler değerlik elektronlarını 8 e tamamlarlar. Sadece H de 2 ye tamamlama vardır. Atomlar bileşik oluştururken elektron alarak, elektron vererek ya da ortaklaşa kullanarak dış yörüngedeki Doç.Dr.Erdal elektronlarını BALCAN sekize tamamlamak 43 isterler. Bu olgu oktet kuralı olarak bilinir. Figure 2-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 44 11
KĐMYASAL BAĞLAR (Atomların iki ya da daha fazla elementle karşılıklı olarak birleşmesi) 45 46 KĐMYASAL BAĞLAR 1.ĐYONĐK BAĞLAR 2.KOVALENT BAĞLAR 3.HĐDROJEN BAĞLARI 47 48 12
1. ĐYONĐK BAĞLAR Zıt yüklü tanecikler arasındaki elektrostatik çekim kuvvetiyle oluşan kimyasal bağlardır. Đyonik bağlar pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasında elektronların birbirinden ayrılıp diğerine geçmesiyle olur. 11 17 + - 49 50 51 52 13
"Bende bir yumurta var. Sende bir yumurta var. Eğer, sen bana bir yumurta verirsen, Ben sana bir yumurta verirsem, Yine sende bir yumurta, bende bir yumurta olur. Sende bir bilgi var. Bende bir bilgi var. Şayet, ben sana bir bilgi verirsem, Sen bana bir bilgi verirsen, Sende iki bilgi, bende iki bilgi olur." Konfüçyüs Elektronların bağlardır. 2. KOVALENT BAĞLAR iki atom arasında ortaklaşa kullanıldığı 53 54 Figure 2-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Kovalent Bağ "Bende bir yumurta var. Sende bir yumurta var. Eğer, sen bana bir yumurta verirsen, Ben sana bir yumurta verirsem, Yine sende bir yumurta, bende bir yumurta olur. Sende bir bilgi var. Bende bir bilgi var. Şayet, ben sana bir bilgi verirsem, Sen bana bir bilgi verirsen, Sende iki bilgi, bende iki bilgi olur." Konfüçyüs 55 56 Figure 2-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 14
H = 1 Kovalent Bağlar O = 2 N = 3 C = 4 57 58 Çifte bağlar farklı uzaysal dizilimler gösterir Đki ya da daha fazla kovalent bağla bağlanmış atomlar bağ eksenleri etrafında kolaylıkla dönemezler. Bu durum birçok makromolekülün üç boyutlu yapısını etkiler. Kovalent Bağlar Elektronlar atomlar tarafından ortaklaşa kullanıldığında ortaya çıkar. Kovalent bağlarla oluşan bu yeni yapıya MOLEKÜL adı verilir. Genelde, bir molekülde ne kadar kimyasal bağ varsa o kadar enerji içerir SHARING IS CARING! 59 60 15
3. HĐDROJEN BAĞLARI Tek bir H atomunun O ve N gibi iki elektronegatif atom arasında ortaklaşa kullanılması sonucu ortaya çıkan bağlardır. 61 62 Figure 2-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Hidrojen Bağları Genellikle zayıf bağlardır Hidrojen Bağı 63 64 16
Van Der Waals Çekimi Dipol moleküller arasındaki çekim ve polar olmayan (unpolar) moleküllerin karşılıklı etkileşmesiyle oluşur. Polar olmayan moleküller arasındaki çekimin sebebi kısa süreli bir asimetrik elektron dağılımıdır. Bu, diğer molekülü polarize eden anlık bir dipol oluşturur ve böylece başka dipollerin oluşmasıne neden olur. Diğer bağ çeşitlerine göre oldukça zayıftır. 65 Bağların Gücü Đyonik bağlar zayıftır ve suda kolaylıkla kırılırlar Kovalent bağlar genellikle güçlüdür Hidrojen bağları oldukça zayıftır 66 MOLEKÜL Đki ya da daha fazla atomun oluşturduğu bir ünite. Örnek: Su, Glukoz Molekül 67 68 17
Organik Moleküller Karbon atomları içeren moleküller (CO ve CO 2 hariç) Karbon, 4 kimyasal bağ yapmayı sağlayacak 4 elektrona sahiptir. Böylece karbon iskeleti ile büyük moleküller oluşturulmaktadır. Makromoleküler Yapı Monomer Bir makromolekülün tek bir ünitesi Polimerleri oluşturmak için birbirine bağlanabilir. Monomer Monomer Monomer Monomer Karbon içeren büyük moleküller genellikle uzun zincirler ve halkasal yapılar oluştururlar. Bir molekülde ne kadar çok bağ oluşumu varsa o kadar enerji depolar 69 70 Makromoleküllerin Dört Ana Tipi Karbohidratlar Lipidler Protein Nuklei leik asitler Karbohidratlar Yakıt, yapı maddesi ve reseeptör olarak görev yapar. C,H,O içerir Genel formülü CH 2 O 71 72 18
Karbohidratlar C, H, ve O oranı 1:2:1 Genelikle halka şeklinde Ya da halkalar biribirine bağlı şekilde Karbohidrat Tipleri Monosakkaritler Disakkaritler Polisakkaritler 73 74 Karbohidratlar Polisakkaritler Selluloz - Bitki hücre duvarı Nişasta Lipidler (Yağlar) Suda (ve diğer polar moleküllerde) çözünmeyen, eter ve kloroform gibi non-polar moleküllerde çözülen hidrofobik moleküllerdir. C,H,O içerirler Genel bir formülleri yok C:O oranı C yönünde daha fazla 75 76 19
Lipid Tipleri Trigliseridler Fosfolipidler Steroidler Lipidler Çok sayıda karbon C ve H, çok az O Uzun hidrokarbon zinciri -Nonpolar -H 2 O da çözülmez Yağ asidi (monomer) -Polar -H 2 O da çözülür Trigliseridiserid (polimer) Üç yağ asidinin bir araya gelmesiyle oluşur 77 78 Lipidler Steroidler (dört C halkası) Kolesterol, zehirler, hormonlar Steroidler Dört karbon halkasından oluşan iskeletleri vardır. Halkalara eklenen fonksiyonel gruplar değişebilir Örnek: Kolesterol Cinsiyet hormonları 79 80 20
Steroidlerin Kötü kullanımı 81 82 Soru: 1 kg yağda mı 1 kg nişastada mı daha fazla enerji vardır? Yanıt: Yağlarda daha fazla C-H bağı vardır. Ne kadar bağ oluşumu varsa o kadar enerji depolanması olur. Karbohidratlar (nişasta) 4 cal/gr, lipidler 9 cal/gr içerir Proteinler C,H,O,N, ve kimi zaman S içerirler. Genel formülleri yok Amino asitlerin polimerleşmesiyle oluşurlar 83 84 21
Proteinler Radikal al Grup H H N R C H C O O H 85 86 Proteinlerin Kullanımı Amino Acids Yapısal Proteinler: Deri, kas, saç gibi bileşenlerin yapımı Enzimler: Metabolizmanın kontrolü Antikorlar: Yabancı bileşene karşı vücudu korumak Transport Proteinleri: Moleküllerin vücut içerisinde ve hücre içine taşınması Depo: yumurtadaki Ovalbumin ve 87 88 22
Proteinler Proteinler Enzimler Protein katalizi Enzim Substrat Maltaz maltozu iki glukoza dönüştürmek için kullanılır Ürün Maltoz + H 2 O 2 Glukoz 89 90 Nukleik Asitler Nukleik Asitler C, H, O, N, ve P Nukleik asit polimerleri Nukleotid (nukleik asid monomer) Monosakkarit Riboz ya da Deoksiriboz Nitrojen Bazı Fosfat Grubu RNA Protein sentezi DNA Primer genetik bilgi 91 92 23
Nukleik Asitler Genetik bilgiyi depolar Nukleotid polimerlerinden oluşur C,H,O,N ve P içerir Genel formülü yok DNA ve RNA 93 94 Nitrojen Bazları C ve N halkaları Đki tip: Pirimidinler (tek halka) Timin, Sitozin Purinler (iki halka) Adenin, Guanin PentozŞekerler 5-C şekerler Riboz - RNA Deoksiriboz DNA 95 96 24
DNA: Deoksiribonukleik Asit Çift sarmal yapı Antiparalel özellik dizilerden bir tanesi 3 5 yönünde diğeri 5 3 yönünde (5 deoksiriboz molekülündeki 5. karbona bağlı fosfot molekülünü gösterir.) Genlerin oluşumu. 97 98 RNA: Ribonukleik Asit Protein sentezinin önemli molekülü Birkaç virus için genetik bilgi DNA ve RNA arasındaki farklılık RNA tek sarmal DNA Deoksiriboz, RNA riboz içerir Timin yerine urasil 99 100 25