Biyokimya; Canlı hücre ve organizmalarda bulunan çeşitli moleküller ve bunların tepkimeleriyle ilgilenen bilimdalıdır. Latince BİOS yaşam demektir.
Biyokimyanın amacı; Biyolojik oluşumları ve bunların fonksiyonlarını kimyasal terimlerle açıklamaktır.
Tıpta; Biyokimyanın Hastalığın, Teşhisinde Seyrinin izlenmesinde Tedavisinde. rolü vardır.
ORGANİK KİMYA 18. yy sonlarında; canlı varlıklardan elde edilen bileşiklerin kimyası organizmadan türemiş olarak tanımlanırdı. Modern Tanım olarak ise KARBON BİLEŞİKLERİNİN kimyasıdır. Ancak C içeren her madde organik olmayabilir.
Kovalent bağlı karbon omurgalı moleküller organik bileşikler olarak adlandırılır. Biyomoleküllerin çoğunluğu organik bileşiktir.
Gerek bitkisel gerekse hayvansal organizmaların yapı ve hayatlarını sürdürebilmeleri için gerekli olan klorofil, vitamin, hormon, enzim, koenzim, protein, yağ asidi ve karbonhidrat gibi pek çok bileşik organik yapıdadır.
Organik kimyanın bir bilim dalı olarak 1780 lerde gelişimi:ile birlikte; Organik kimyanın bir bilim dalı olarak gelişimi: Canlı organizmadan elde edilen bileşikler organik, cansız kaynaklardan elde edilenler ise inorganik bileşikler olarak tanımlanmıştır.
Scheele Üzümden = Tartarik asit Elmadan = Malik asit Limondan = Sitrik asit Sütten = Laktik asit İdrardan = Ürik asiti elde etti.
1784 de Lavosier (Kütlenin korunumu kanunu) Teraziyi kullanmayı kimyaya uyguladı. 1811- Justus Liebig, J.J. Berzelius, J.B.A.Dumas: Organik bileşiklerin kompozisyonunu tayin eden yöntemleri geliştirdiler (C%,H%,O%)
1831 de 1824 de Ampirik (basit) formülün bulunması İlk organik sentez Frederich Wöhler tarafından gerçekleştirildi. Sentetik kimyaya ilk adım! Amonyum siyanattan üreyi sentezledi.
(NH 4 ) 2 SO 4 + 2KCNO 2NH 4 CNO + K 2 SO 4 amonyumsülfat potasyum siyanat amonyum siyanat NH 2 ısı NH 4 CNO ------ C=O NH 2 Üre
1860 da Cannizaro: Ampirik formül ile molekül formülü kavramını ayırdı: Aynı ampirik formüle sahip (yani aynı C,H,O yüzdesine sahip) fakat farklı sayıda C,H,O içeren bileşikler vardır.
Örneğin; CH2 Ampirik formül CH2= CH2 Etilen C5H10 - siklopentan C6H12 - siklohekzan
Molekül formülünü bulmak için, ampirik formülün yanısıra molekül ağırlığının da bilinmesi gerekir.
Molekül formülleri aynı fakat kimyasal özellikleri farklı olan bileşiklere İZOMER denir. Liebig- Wöhler : İzomer bileşiklerin varlığını göstererek İZOMERİ kavramını tanımladılar.
1874 de J.H.Vant Hof, J.H.Lo Bel Karbonun tetravalen olduğunu ve hidrojenle tetrahedral yapıda bileşikler oluşturduğunu buldular.
Organik bileşikler ile inorganik bileşikler arasında farklar vardır. Bu farklılıklar karbon atomunun periyodik cetveldeki yerinden kaynaklanır.
1.Organik bileşikler genellikle yanıcıdır. 2. Organik bileşiklerin erime noktaları genellikle düşüktür. (300 o C nin altındadır.) 3. Organik bileşikler genellikle suda çözünmezler. 4.Organik bileşiklerin çoğunun yapısı iyonik değildir. 5.Organik bileşiklerde izomerizm büyük rol oynar. 6.Organik bileşiklerin oluşumunda katalizörlerin rolü büyüktür. Farklı katalizörler kullanılarak aynı maddelerden farklı bileşikler oluşturulabilir. 7.Organik bileşiklerle yapılan reaksiyonlar fazla ısı ve zaman gerektiriler 8.Organik bileşiklerin dansitesi genellikle düşüktür. 9.Organik reaksiyonlar kantitatif değil. 1.İnorganik bileşikler yanıcı değildir. 2. İnorganik bileşiklerin ise genellikle yüksektir 3.İnorganiklerin çoğu suda çözünürler. 4.İnorganikler ise iyonik yapıdadır. 5. İnorganikler de izomerizm yoktur. 6.İnorganik bileşiklerin reaksiyonları daha hızlıdır.
Biyomoleküllerin canlı hücrede birbirleriyle etkileşimleri konusunda bazı sorular akla gelmektedir: Canlıda hangi tür moleküller vardır, bunların oranları nedir? Bu moleküllerin yapıları nedir ve bu yapıları hangi kuvvetler stabil yapıyor? Kimyasal özellikleri ve reaktiviteleri nelerdir? Birbirleriyle etkileşimleri nasıldır?
Cansız mineral dünyasının nispeten kimyasal basitliğinin aksine, bitki ve hayvan dünyası daha karmaşık olup; C, O, N ve P dan zengindir.
İnsan vücudunda çoğu yüksek molekül ağırlıklı proteinler ve nükleik asitler olmak üzere 1 milyondan fazla farklı molekül bulunmaktadır. Bu karmaşıklığa rağmen biyomoleküllerin çoğu doğada bulunan 92 elementten sadece 3 6 arası sayıda farklı element içermektedir. C, H ve O daima bulunur. Birçok biyomolekülde aynı zamanda N, S ve P da bulunur.
65 Kg ağırlıkta bir insanın normal kimyasal bileşimi Kg Yüzde Protein 11 17,0 Yağ 9 13,8 Karbonhidrat 1 1,5 Su 40 61,6 Mineraller 4 6,1
Hidrojen, oksijen, azot ve karbon atomlarının temel yapıtaşı olarak kullanılmalarının nedeni; atom çaplarının küçük olması sırasıyla 1, 2, 3 ve 4 bağ hafif elementler olması oluşturabilen en kuvvetli bağlar oluşturmaları (genel olarak en hafif elementler en kuvvetli bağları oluşturur) az sayıda yapı taşıyla çok sayıda molekül üretebilmeleridir.
Eser elementler insan vücudunun çok düşük bir yüzdesini oluştururlar fakat tümü yaşam için çok gereklidirler. Özellikle enzimleri de kapsayan spesifik proteinlerin fonksiyonu için eser elementler elzemdir. Örneğin: Hemoglobin molekülünün O 2 taşıma kapasitesi, eritrositin kütlesinin sadece % 0,3 ünü oluşturan 4 demir iyonuna bağlıdır.
BİYOKİMYADA KİMYASAL BAĞLAR İki atom veya atom grubu aralarında herhangi bir kuvvetle tutunuyor ve belirli uzaklıkta kalıyorsa bu kuvvete kimyasal bağ denir.
A) MOLEKÜL İÇİ BAĞLAR 1)İyonik bağlar 2)Metalik bağlar 3)Kovalent bağlar
1- İYONİK BAĞLAR Elektropozitif elementlerle (düşük iyonlaşma enerjili),elektronegatif elementler (yüksek elektron ilgili) arasında oluşur. Örnek;NaI,NaF,NaBr,NaCI,KCI,KI, KBr,LiCI,LiF
2- METALİK BAĞLAR Metallerin iyonlaşma enerjileri çok küçük olduğundan, her bir metal atomu değerlik elektronlarını elektron bulutuna kolaylıkla verebilirler. Bu elektron bulutu ile pozitif metal iyonları arsındaki elektriksel çekime metalik bağ denir.
3- KOVALENT BAĞLAR Elektronegatif atomlar arasında oluşur. Elektronların hem tanecik hem de dalga karakteri vardır. Kovalent bağ; iki atom çekirdeğini bir arada saran ve ters spinli iki elektron içeren bir ortak bağ orbitalidir.
POLAR KOVALENT BAĞLAR Bazen kovalent bağı oluşturan ortaklanmış elekronlar iki atom çekirdeği tarafından eşit çekilmezler. Bağın polarlığını etkileyen faktörler;atomların elektronegatiflikleri (F>O>N>CI>Br>C>S>I>B) atomların polarlanabilme özellikleri atomların çapları Bir polar bağda elektron yoğunluğu dağılımı kısmi yüklerle belirtilir. δ + (kısmi pozitif) ve δ - (kısmi negatif) şeklinde ifade edilir. δ + δ - + H CI ya da H CI şeklinde gösterilebilir.
KOORDİNE KOVALENT BAĞLAR Bir atomun iki elektron vererek oluşturduğu kovalent bağlara koordine kovalent bağ denir. En iyi örnek; kararlı bir molekül olan NH3 ün ortaklaşılmamış elektron çiftini,ortaklaşa kullanmak üzere hiç elektronu bulunmayan H + iyonuna vermesi ve NH 4+ iyonunu meydana getirmesidir. H H + H N: + H + H N H H H
MOLEKÜLLER ARASI KUVVETLER
A)VAN DER WAALS KUVVETLERİ )İyon-Dipol etkileşimi: Beş türde olabilir. af gibi iyonik bir katının su gibi polar bir çözücü çinde çözülmesi. 2)İyon-Normal Molekül etkileşimi: yon gibi yüklü bir tanecik soygaz atomu gibi üksüz ve apolar bir moleküle yaklaştığında nötral tom veya molekülün elektron bulutunun şeklini eğiştirir.bu olaya etki ile elektriklenme denir.
3)Dipol-Normal Molekül etkileşmesi: NaCI ün CCI 4 te çözünmesi. 4)London kuvvetleri(ani dipol-apolar molekül etkileşimi): Apolar moleküller arasında oluşur. 5)Dipol-dipol etkileşimi: Su, klorofom, aseton ve hidrojenflorür gibi polar çözücülerde polar bileşiklerin çözülmesidir.
B) HİDROJEN BAĞLARI Elektronegatif atoma bağlı bir hidrojen atomu ile paylaşılmamış elektron çifti içeren bir başka elektronegatif atom arasındaki dipol-dipol etkileşimdir.h bağları genellikle F,O,N,CI ve S gibi elektronegatif atomlar arasında oluşur. Hidrojen bağının ayrışma enerjisi:5-10kcal /mol (30kj/mol) Kovalent bağının ayrışma enerjisi:80-100kcal /mol (400kj/mol) Dipol-dipol bağının ayrışma enerjisi:30kj/mol
Hidrojen bağları türleri: O H------:N O H------:O N H------:N N H------:O..
HİDROJEN BAĞININ ÖZELLİKLERİ Hidrojen bağları bir bileşiğin kaynama noktasının yükselmesine neden olur..... CH 3 CH 2 O:-------H O: CH3 H CH 2 CH 3 : O CH3 Etanol.. Kn.78.5 dimetil eter Hidrojen bağları bileşiklerin suda çözünürlüğünü artırır. Büyük moleküllerin kendilerine özgü düzenli biçimlerinde tutulmalarını sağlar.örneğin bitkisel ve hayvansal hücrelerin genetik materyali olan DNA molekülündeki baz çiftlerini hidrojen bağları bir arada tutar.proteinlerin yapısındaki hidrojen bağları da molekülü düzenli bir şekilde tutar.
Biyokimya, canlı sistemlerin içinde gerçekleşen kimyadır. En kuvvetli bağ kovalent bağ olup; komşu atomlar arasında bir çift elektronun paylaşılmasıyla oluşur.
C C kovalent bağının bağ uzunluğu 1,54 Å, enerjisi 85 kcal / mol dür. Bu enerji oldukça büyük olup bağı kırmak için önemli bir miktar enerji harcamak gerekir.
Atom Ortaklanmamış elektron sayısı Dış yörüngede tamamlanmış elektron sayısı H 1 2 :O :N C :S :P 2 8 3 8 4 8 2 8 3 8
H + H H : H» H H Dihidrojen : O + 2 H : O : H» O H I H H H H : N + 3 H : N : H» N H H H Amonyak Su
H H I C + 4 H H : C : H» H C H I H H Metan : S + 2 H : S : H» S H I H H Hidrojen Sülfit H : O : OH I. 3 H + : P + 4 O : O :: P : O : H» O = P OH I : O : OH H Fosforik Asit
Bağ Polarlığı Farklı elektronegativiteye sahip atomların oluşturduğu bağlarda; elektronlar atomlar tarafından eşit olarak paylaşılamaz. Elektronegativitesi büyük olan atom, bağ elektronlarını kendine doğru daha çok çeker ve polar kovalan bağ meydana gelir.
Elektronegativite Bir elementin kovalan bağ içinde paylaştığı elektronları kendine doğru çekme özelliği. Bazı elementlerin elektronegativite sırası: F>O >N >Cl >Br >S >C >H Halojenler: F >Cl >Br >I
BİYOMOLEKÜLLER KARBON BİLEŞİKLERİDİR Canlı organizmaların kimyası, C elementi etrafında organize olmuştur. Karbon, hücrelerin kuru ağırlığının yarısından fazlasını oluşturur.
Karbon- karbon kovalan bağlarının özellikleri Karbonun kuvvetli kovalan bağ yapma özelliği organik kimya biliminin varolmasına yol açmıştır. Karbon kendi kendisiyle çok kuvvetli kovalan bağlar yapma özelliğine sahiptir. Aynı özellik diğer atomlarda da vardır.(o 2, Si, N 2 ), fakat karbonu özel kılan diğer atomlarla da kuvvetli bağ yapabilme özelliğidir.
Karbon, hidrojen atomlarıyla tek bağ yapar, O ve N atomları ile ise hem tek bağ hem de ikili bağ yapar. Karbon atomları birbirleriyle elektron çiftlerini paylaşarak çok kararlı C C tek bağları oluşturur.
.. I C + H C: H» C H I I C + O : C : O :» C O I. C + O : C: : O» C = O l C + N : C : N :» C N l... C + N : C: : N» C = N
1. C-C bağını kırmak için 83 kcal/mol Si-Si bağını kırmak için 53 kcal/mol N-N bağını kırmak için 50 kcal/mol O-O bağını kırmak için 34 kcal/mol Bu özelliği nedeniyle karbon dev moleküller yapabilir.
Karbon atomunun oluşturduğu 4 tek kovalent bağ herhangi iki bağ arasında 109,5 açı olacak şekilde tetrahedral olarak düzenlenmiştir.
Kovalent bağlı karbon iskeletli moleküllere organik bileşikler denir. Sınırsız sayıda meydana gelebilir Biyomoleküllerin çoğu organik bileşiklerdir. Karbondan başka hiçbir element çok sayıda fonksiyonel grup ile böyle farklı boyutlarda ve şekillerde moleküller oluşturamaz.
FONKSİYONEL GRUPLAR KİMYASAL ÖZELLİKLERİ BELİRLER Biyomoleküllerin çoğu karbon iskeletine sadece H atomları bağlı olan kovalent bağlı hidrokarbon türevleridir. Hidrokarbonların iskeleti çok kararlıdır.
Hidrojen bağları çeşitli fonksiyonel gruplarla yer değiştirerek farklı organik bileşikler oluşturulabilir. Örneğin bir veya daha fazla OH grubu içeren alkoller, amino grubu içeren aminler, karbonil grubu içeren aldehitler ve ketonlar, karboksil grubu içeren karboksilli asitler.
Biyomoleküllerde llerde Fonksiyonel Gruplar 1. Hidrokarbon grupları Metil Etil Metilen Metin 2. Oksijen içeren gruplar. Hidroksi (Alkolik) Hidroksi (Fenolik) Keto Karbonil Aldehit Karboksi 3. Azot içeren gruplar Primer Amin Sekonder Amin Tersiyer Amin Kuaterner Amonyum Tuzu 4. Kükürt içeren grup Sülfhidril grubu
Karbon atomlarının belirlenmesi: Bir organik bileşikteki karbonlar en okside karbon içeren bileşikten başlayarak numaralandırılır veya Greek harfleri ile gösterilir. En okside grubun yanındaki karbon, α-karbonudur. Bu bileşik bir keton cisimciği olan 3- hidroksibutirat veya β-hidroksibutirattır OH O I II CH 3 CH CH 2 C OH 4 3 2 1 γ β α