BİY 315 BİYOKİMYA GİRİŞ Yrd. Doç. Dr. Ebru SAATÇİ 2008-2009 Güz Yarı Dönemi 1
Anlatım Planı 1. Makromoleküller ve Su 2. Amino asitler ve Peptidler 3. Proteinler 4. Enzimler 5. Karbohidratlar 6. Nükleik Asitler 7. Lipitler 8. Biyolojik Zarlarda Taşınma ve Biyosinyal İletimi 9. Biyoenerjetikler ve Metabolizma 10. Karbohidrat Metabolizması - Glikoliz ve Glikoneogenesis 11. Karbohidrat Metabolizması - Sitrik asit döngüsü 12. Lipid metabolizması Yağ asitlerinin oksidasyonu ve Lipit Biyosentezi 13. Azot metabolizması Amino asitlerin oksidasyonu ve Üre 14. Amino asitler ve Nükleotidlerin Biyosentezi 15. Metabolizma Entegrasyonu 2
Kaynaklar Lehninger Biyokimyanın İlkeleri, 3. Baskıdan Çeviri; Ed. Nedret Kılıç, Palme Yayınları, 2005 Principles of Biochemistry, 2nd Ed.; Lehninger A., Nelson D. And Cox M., Worth Publishers, 1993. Boyer: Concepts in Biochemistry, 3rd Ed.; Boyer R. F., Wiley Publishers, 2006. 3
Biyokimya; canlı hücre ve organizmalarda bulunan çeşitli moleküller ve bunların biyolojik ve kimyasal tepkimleriyle ilgilenen bilimdalıdır. Biyolojik Organizma; Kimyasal olarak karmasık ve çok iyi organize bir sistemdir: atom moleküller monomerler biyopolimerler organeller hücreler dokular organlar sistemler birey Organik moleküller, makromoleküllerin (proteinler, nükleik asitler, lipitler ve polisakkaritler) monomerik alt birimleri olarak görev yaparlar. 4
Biyoenerjetik Canlı organizma açık bir sistemdir; hem madde hem de enerji alışverişi; izotermik kimyasal enerji kullanır. Canlılarda enerji dönüşümü ve bu dönüşümün gerçekleşmesini sağlayan biyokimyasal olayların tümü biyoenerjetikler olarak adlandırılmaktadır. Biyoenerji termodinamik yasalarına bağlı kalarak kontrol edilmekte ve üretilmektedir. 5
Termodinamik Isı devinimi Isı hareketlerini, sistemlerin iç enerjileri ve ısı ile iş arasindaki iliskileri inceler. Termodinamikte bir organizma, bir hücre veya birbiri ile reaksiyona giren iki madde, sistem olarak tanımlanır. Sistem, çevre içinde yer alır ve birlikte evreni oluştururlar. 6
Termodinamik Özellikler enerji (E) entalpi (H) entropi (S) serbest enerji (G) Kimyasal reaksiyonlar sırasında reaksiyona katılan maddeler (reaktantlar, substratlar) ve reaksiyon sonunda oluşan maddelerin (ürünler) enerjilerinde, entalpilerinde, entropilerinde, serbest enerjilerinde değişimler olmaktadır. 7
Enerji (E), iş yapma kabiliyetidir. Birimi jouledür (J). Kalori (cal) de enerji birimi olarak kullanılır. (1 cal=4,187 J) Kimyasal reaksiyonlar sırasında substratlar ve ürünlerdeki enerji değişimi ( E) olarak ifade edilir. E2-E1= E Entalpi (H), enerji ile ilişkili bir durum fonksiyonudur. Kimyasal reaksiyonlarda reaksiyon sisteminin ısı değişimini tanımlar. Entalpi değişikliği ( H), çevreden alınan veya çevreye verilen ısı miktarıdır. H2-H1= H 8
Bir kimyasal reaksiyon sırasında çevreye ısı yayılıyorsa, H negatif ( ) ve reaksiyon ekzotermik reaksiyondur. Bir kimyasal reaksiyon sırasında çevreden ısı alınıyorsa, H pozitif (+) ve reaksiyon endotermik reaksiyondur. 9
Termodinamiğin Yasaları 1. Yasası; Bir sistemin enerjisinde herhangi bir değişiklik çevrede eşit ve zıt bir değişikliği gerektirir. Entropi (S), kimyasal bir sistemin komponentlerinin rasgelelik veya düzensizliğidir. Sistemin düzensizliğinde herhangi bir değişiklik entropi değişikliği ( S) olarak ifade edilir. S2-S1= S Sistemin düzensizliğinin artması (düzenliliğin azalması) durumunda S nin değeri pozitifdir (+). Sistemin düzensizliğinin azalması (düzenliliğin artması) durumunda S nin değeri negatifdir (-). 10
2. Yasası; Kendiliğinden gerçekleşen herhangi bir süreçte sistem ve çevrenin total entropisi artar. 3. Yasası: 0 o K sıcaklıkta entropi sıfırdır. Serbest enerji (G), sistemin iş yapmak için kullanılabilir enerjisidir. Serbest enerji değişikliği G sembolü ile ifade edilir. Sistemin serbest enerjisinde değişiklik bir iş yapılmasıyla birlikte olur. Bu iş kimyasal iş veya kimyasal enerji şeklinde olabilir. G2-G1= G 11
G Gibbs serbest enerjisi olarak da bilinen serbest enerji, entalpi (H) ve entropinin (S) bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir. T mutlak sıcaklık ( o K) olduğu yerde: Kimyasal reaksiyonlar için 298 o K (25 o C) sıcaklık, 1 atmosfer basınç, ph=0 ([H+]=1M) ve her komponent için 1 M konsantrasyon şartları, standart şartlar olarak belirlenmiştir. 12
G o Bir reaksiyon için standart şartlar altında serbest enerji değişikliği standart serbest enerji değişikliği olarak tanımlanır ve bu, G o sembolü ile gösterilir. 13
Hücrede kimyasal enerjinin oluşumu Hücresel Solunum (oksidasyon) Kimyasal Bağ Enerjisi NAD+, FAD++ (okside koenzim) NADH, FADH 2 (redükte koenzim) ATP rejenerasyonu (oksidatif fosforilasyon) ATP~Pi 14
Canlılarda moleküllerin yıkılımınınolduğu ekzergonik tepkimeler katabolizma olarak adlandırılmaktadır. Yeni bileşiklerin yapıldığı sentez tepkimeleri anabolizma olarak adlandırılmaktadır. Anabolik ve katabolik olaylar birlikte metabolizmayı oluşturmaktadırlar. 15
Glukoz + Pi Glukoz-6-fosfat + H 2 O G oı = 13, 8 kj/mol ATP + H2O ADP + Pi G oı = 30, 5 kj/mol Glukoz + ATP Glukoz-6-fosfat + ADP G oı = 16, 7 kj/mol Toplam reaksiyon ekzergoniktir. ATP nin bağlarında depolanmış olan enerji, glukoz ve fosfattan oluşumu endergonik olan Glukoz-6-fosfatın sentezini sürdürmek için kullanılabilmektedir. 16
Biyokimyada Kimyasal Bağlar İki atom veya atom grubu aralarında herhangi bir kuvvetle tutunuyor ve belirli uzaklıkta kalıyorsa bu kuvvete kimyasal bağ denir. Organizmada bulunan elementlerin büyük çogunlugu düsük atom numaralıdır; H, O, N, C, S ve P. Bu elementlerin yapı taşı olarak kullanılmalarının diğer nedenleri: a) atom çaplarının küçük olması, ve b) kuvvetli bağ oluşturma yetenekleridir. 17
Redükte Karbon Atomunun Oksidasyonu Okside Biyomoleküller karbon bileşikleridir. 18
A- Molekül içi bağlar 1. İyonik bağlar: Düşük iyonlaşma enerjili iyonlarla yüksek enerjili iyonlar arasında meydana gelmektedir. (örn: NaCl) 2. Metalik Bağlar: Elektron bulutu ile pozitif metal iyonları arasındaki elektriksel çekimdir. 3. Kovalent Bağlar: iki atom arasında, bir veya daha fazla elektronun paylaşılmasıyla karakterize edilen kimyasal bağ dır. Eğer paylaşılan elektronlar aynı atomlara ait ise apolar kovalent bağ, H 2 Eğer paylaşılan elektronlar farklı atomlara ait ise polar kovalent bağ olusur, H 2 O B- Moleküller arası bağlar 1. Hidrojen Bağı 2. Van der Waals Bağı Metan 19
SU İşlevleri: Çözücü Taşıma Vücut sıcaklığının düzenlenmesi Elektrolit dengesi H 2 O molekülünün dipolar yapısı: iki hidrojen atomu kısmi pozitif yük (δ + ) ve oksijen atomu kısmi pozitif yük (2δ - ) taşır. 20
Su Molekülünün Oluşumu 21
İyonların Sudaki Çözünürlük Durumları (Su ile oryantasyonu) 22
Moleküller Arası Bağlar 1. Hidrojen Bağı Tek bir hidrojen atomu ile azot, flor ve oksijen gibi iki elektronegatif atomlar arasında hidrojen bağı olusur. Su molekülleri arasında mevcuttur. Hidrojen Bağları moleküllerin suda çözünürlüğünü arttırır. DNA, RNA, Protein gibi biyomoleküllerin kararlı yapı oluşumların da hidrojen bağlarının fonksiyonu çok önemlidir. 23
Hidrojen Bağları 24
Su polar katılarla hidrojen bağları oluşturur. Biyolojik olarak önemli hidrojen bağları: (a) Alkollerin hidroksil grubu ve su arasında (b) Ketonun karbonil grubu ve su arasında (c) Polipeptitlerin peptit grupları arasında (d) DNA nın bazları arasında 25
Su polar bir çözücüdür. Hidrofilik, suda çözünen biyomoleküller (polar) Hidrofobik, suda çözünmeyen biyomoleküller (apolar) Amfipatik bileşikler yapılarında polar ve polar olmayan gruplar taşır. Miçeller: Amfipatik bileşiklerin apolar kısınlarının su içerisinde birleşip kümeleşmesiyle oluşan kararlı yapılardır. Moleküllerin hidrofobik kısımlarını bir arada tutan kuvvet, hidrofobik etkileşim. 26
27
2.Van Der Waals Bağı Hidrofobik bağlar Bağdan ziyade etkileşimdir. Nonpolar gruplar arasında meydana gelir. Biyomoleküllerin bazı grupları (yağların hidrokarbon zinciri, DNA da bazlar, bazı amino asitlerin hidrofobik yan grupları gibi) biyomolekülün şeklini almasında önemli katkıda bulunur. 28
Fonksiyonel Gruplar Organik moleküllerin birbirleri ile etkileşimi üzerlerinde bulundurdukları fonksiyonel gruplardan meydana gelir. 29
Biyolojik Makromoleküller 30
31
Amino asitler ve Proteinler Amino asitlerin yapısı 32
33
34
Peptit Bağı 35
36
Protein Yapısı Hemoglobin Proteinin konformasyonu ve kararlılığında rol alan kimyasal bağlar 37
Bazlar, nükleozitler, RNA ve DNA nükleotitleri 38
Nükleotit Yapısı 39
Adenozin in Fosforile Formu 40
Nükleik Asitlerin Yapısı 41
Çift Sarmal DNA da Hidrojen Bağları 42
Monosakkaritler 43
Disakkaritler α-1 4 glikozidik bağ β-1 4 glikozidik bağ β-2 1 α glikozidik bağ 44
45
46
Yağ Asitlerinin Adlandırılması 47
Lipidler 48
Doymuş ve Doymamış Yağ Asitleri 49
Fosfogliseritler 50
Steroit Hormonlar 51