BEK 153 ORGANİK ESERLERDE ÖNLEYİCİ KORUMA ÜNİTE 7 DERS 13 İSKELET DOKULAR 1 Doç. Dr. Cengiz ÇETİN
I. İSKELET DOKULARI İskelet dokuların temel yapı taşı; doku hücrelerinin aralarındaki boşlukları dolduran, son derece esnek yapıya sahip lifsi bir protein olan kollajendir (bazı kaynaklarda kolajen veya kollojen olarak da adlandırılır). İskelet dokuların diğer bir önemli yapı taşı da hydroxyapatitedir. Hydroxylapatite olarak da adlandırılan hydroxyapatite bir mineraldir. Doğada genellikle kalsiyum apatite formunda bulunur ve Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 formülü ile ifade edilir. Bu mineralin kristalleri altıgen biçimlidir.
İşte bu hydroxyapatite kristalleri esnek özellikteki kollajen fibrillerinin * etrafını saracak şekilde dizilir ve kollajen yapısının sertleşmesine sebep olur. Bu iki temel yapı taşı, su ile birlikte işlevsel bir hale gelir ve gelişir. Canlının ölümü sonrasında bu maddelerin bir bölümü yok olur ve dolayısıyla yapıda sertleşme ortaya çıkar. Kemik, boynuz ve fildişi gibi iskelet dokularının yapılarında bulunan hydroxyapatite ve kollajenin birbirlerine oranları farklıdır. Bu nedenle kemiklerin mikro ve makro dokuları birbirinden farklı özellikler gösterir. * Fibril: Bağ dokusunu meydana getiren maddelerden olan fibriller uzun peptit ** zincirlerinden oluşan proteinlerden meydana gelirler. **Peptitler (Yunanca πεπτίδια, "küçük sindirilebilirler") tanımlanmış bir düzende, α-amino asitlerin birbirine bağlanmasıyla oluşan kısa polimerdir. Bir amino asit kalıntısı ile diğeri arasındaki bağ bir amid bağ veya peptit bağ olarak bilinir.
İskelet dokular kendilerini oluşturan yapı taşları açısından ele alındığında birbirleriyle benzerlik gösterir, ancak oluşum ve kompozisyon açısından farklılaştıkları izlenir. İskelet dokular işlenmiş ve işlenmemiş malzemeler olmak üzere iki farklı biçimde ele geçebilir. İşlenmiş iskelet dokular ile doğal haliyle ele geçen malzemelerin korunmuşluk durumları farklılık gösterir. Özellikle, işlenerek obje haline getirilen iskelet dokular, işlenme, biçimlendirilme ve kullanımdan dolayı bozulmaya uğrarlar. Kemik: a) İşlenmemiş kemik dokular (İnsan ve hayvan iskelet veya kemikleri) b) İşlenmiş kemik dokular (Obje halinde getirilmiş kemikler) Boynuz: a) Sığır boynuzları, keçi ve diğer küçük çift toynaklı hayvanlara ait kısa boynuzlar b) Geyik ve karaca boynuzları Fildişi Bağa Saç Tüy
Kemikler, dişler, uzun aşı dişleri yanısıra (fillerde, gergedanlarda olduğu gibi) boynuz ve kabuk (boğa, istridye kabuğu gibi) malzemelerin fiziksel nitelikleri, bunların obje olarak kullanılmalarını olanaklı kılan mekanik dayanıklılığa sahip bir iç tasarım gösterir. Bununla birlikte bu malzemelerin obje haline getirilmesi esnasında kullanılan yöntemler boyutsal durağanlıklarını etkiler. Kemik ve fildişi, ahşap gibi anizotropiktir; yani yapılarından alınan değişik kesitlerde farklı mekanik özellikler gösterirler. Söz konusu özellik uzun kemiklerde izlediğimiz uzun kollajen liflerinin tek bir boylamda uzanmasından kaynaklanmaktdır.
I.1. İSKELET DOKULARININ KİMYASAL YAPILARI I.1.a. MİNERALLER Kalsiyum (Ca), fosfat (CaF 2 ) ve fluorite (PO 4 ) minerallerinin oluşturduğu bir bileşik olan apatite [CaF 2 3Ca 3 (PO 4 ) 2 ] suyun (H 2 O) bulunduğu ortamlarda hidroksil (OH - ) grubunu molekül yapısına katarak yeni bir molekül olan hydroxyapatite i [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] oluşturur. Deri dokularını meydana getiren kollajen liflerinde gözlenen esneklik kemik, boynuz, fildişi gibi iskelet dokularında görülmez. Kollajen liflerinin etrafını saracak biçimde yerleşen hydroxyapatite bu liflerin sertleşmesine, dolayısıyla dokuların daha fazla mekanik dayanıklılık kazanmasına neden olur.
İSKELET DOKULARININ KİMYASAL YAPILARI I.1.b. PROTEİNLER: Proteinler, amino asitlerin zincir halinde birbirlerine bağlanmasından oluşan büyük organik bileşiklerdir. Polisakkaritler, nükleik asitler ve yağlar gibi biyolojik makromoleküllere benzer şekilde, proteinler de canlı organizmaların temel bileşenlerindendir ve hücrelerin içindeki her süreçte yer alırlar. Çoğu protein, biyokimyasal tepkimelerde katalizör işlevi olan enzimlerdir ve metabolizma için yaşamsal bir role sahiptir. Ayrıca proteinlerin yapısal veya mekanik işlevleri vardır; hücre iskeletindeki proteinler, hücrenin şeklini koruması için bir iskele görevi yaparlar.
I.1.B. PROTEİNLER a) Kollajen: Kollajen hareket sisteminin yapı taşlarını, özellikle kemik, kıkırdak, lif, eklemler, deri, kas, boynuz ve postlarını oluşturan proteindir. Bu protein birbiri üzerine sarılmış üç polipeptit zincirinden meydana gelir. 22 tane değişik tipi tanımlanmış olup, tip I, tip II şeklinde isimlendirilir. Bu çeşitlilik moleküler yapıdan kaynaklanmaktadır. Kollajenin ana molekülü tropokollajendir. Tropokollajenler de hücrenin içinde üretilen prokollajenlerden oluşur. Kollajen hayvansal dokularda en çok gözlenen lifsi protein türüdür. Deriye dayanıklılığını, jelatine yapışkanlığını ve hayvansal tutkallara yapıştırıcı özelliğini kazandıran kollajen inorganik kalsiyum tuzları ile bir araya gelerek sert kemik ve diş yapılarını oluşturur.
Kollajenin Özellikleri: Molekül içerisindeki hydroxyproline ve hydroxylysine oranı arttıkça sıcaklık ve kimyasal bozulmalara karşı dayanıklılığı artar. Diğer lifsi proteinler gibi, kollajen de su içerisinde çözünmez. Belli bir süre kaynatıldığında veya sıcak su buharı ile basınç altında tutulduğunda, jelatin kıvamına gelen çözücü içerisinde kısmen bozulmuş bir halde bulunur. Bu durumda sıcaklık ve basıncın etkisi ile kollejenin molekülleri arasındaki bağlar bölünür ve jelatinimsi bir doku oluşur. Soğuyan jelatin katılaşır ve kuruma ile birlikte kuvvetli yapıştırı bir özellik gösterir. Bu nedenle ahşap, kumaş gibi maddelerin yapıştırılmasında ve pigment bağlayıcısı olarak kullanılır. Hayvansal tutkalları nın temel taşıdır.
KOLLAJEN BOZULMASı: Biyolojik malzemelerde hücresel düzeyde gelişen bozulmalar kimyasal bozulmalardır. Ancak kollajenli dokularda hücresel dağılıımın yerini lifler almıştır. Kollajende kimyasal bozulma doğrudan, kollajeni meydana getiren lifleri oluşturan protein yapısında görülür. Kollajenin bozulmasına neden olan etmenler kısaca şunlardır: Nötr tuzlar: Yüksek yoğunluktaki (4 M) nötr tuzlar farklı derecelerde gelişen hidrolizlere neden olur. Özellikle deniz altı buluntularında suyun buharlaşması ile yapı içerisinde kalan tuzlar bu tür bozulmalara yol açmaktadır. Alkaliler: Yüksek kalsiyum yoğunlaşmalarının sebep olduğu yüzey tortularının çözülerek temizlenmesi esnasında kullanılan alkanlar proteinin hidrolizine neden olabilir.
KOLLAJEN BOZULMASı: Metal İyonları: Su altı ve nemli alan buluntularında rastlanan demir tuzları aeorobik koşullar altında hava kirliliği ürünlerinden sayılan sülfür dioksitin (SO 2 ) oksidasyon reaksiyonunda katalizör görevi görerek kollajen hidrolizini gerçekleştiren sülfürik asidin oluşmasına yardımcı olur. Bu durum demir tuzları barındıran ve depolanan / sergilenen eserler için çok ciddi bir tehdit unsurudur. Ortamda veya eserin bünyesinde yer alan bakır (Cu 2+ ) ve krom (Cr 3+ ) elementleri hidrojen peroksitin okside edici özelliği ile birleşince kollajenin normal oda sıcaklığında da çözünmesine yol açar. Biyolojik Organizma Kökenli Enzim Hidrolizi: Baktari hidrolizleri kollajen yapısını hem eritir hem de yüzeyinde lekeler oluşmasına neden olur. Su altı buluntuları gömü koşullarında bakteri saldırılarından korunabilmekte, ancak aynı objeler uygunsuz depolanma / sergilenme koşulları altında enzim hidrolizine açık hale gelebilmektedir. Enzim hidrolizini önleyebilmek için biyositler kullanılmaktadır. Ancak biyositler kollajen üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır. Bu nedenle analiz sonuçlarını yanıltabilmektedir. Analiz yapılması düşünülen objeler üzerinde asla biyosit kullanmamalıdır.
KOLLAJEN BOZULMASı: Radyasyon: U.V. (mor ötesi) ışınları kolajenin bozulmasına neden olur. Bu nedenle iskelet dokusuna sahip objeler yoğun gün ışığına maruz kalmamalıdır. Işıksal bozulma (photo-degradation) veya yüksek enerjili bağımsız birimler ortamda bulunan demir iyonlarının katalizörlüğü ile protein yapısını bozulmaya uğratabilir.
b) Keratin: Keratin sadece bazı ökaryotik (çekirdekli) hücrelerde bulunan lifli, yapısal bir protein ailesinin genel adıdır. Epidermal hücreleri paketler ve sertleştirir. Keratini oluşturan polipeptid zinciri bir sülfür köprüsü ile birbirlerine bağlanır. Sülfür köprüleri, sülfür atomları içeren amino asitler arasında bulunmaktadır. Bu bağlar küçük iplikçikler şeklinde birleşirler. Daha sonra bu iplikçikler gitgide büyür ve bir arada istiflenerek bir hücre meydana getirirler. Keratin filamentleri yapısal olarak çok sağlamdırlar ve suda çözünmezler. Memeliler, kuşlar, sürüngenler ve amfibilerde bulunan keratin filamentleri, mineralize olmayan sert vücutsal yapıları oluştururlar. Keratin tırnaklar, dinozor pençeleri, saç yün, toynak ve kuş tüyleri gibi üst deri ürünü olan yapıları oluşturan bir proteindir dolayısı ile herhangi bir gıda da bulunmaz.
Saç ve tüylerde birbirine sülfür köprüsüyle bağlanmış keratin moleküllerinden başka bir şey değildir. Saç ve tüylerdeki keratin lifleri belli bir doğrultu izler. Örneğin saç ya da yün keratinleri birbirlerine paralel doğrultudayken, sakal veya bıyık keratinleri dairesel biçimlerde sıralanırlar. Saç (yün)deki keratin molekülleri hidrojen bağları ile bağlanmıştır. Hidrojen bağlarının esnekliği nedeniyle saç ve kıllar hareket eder ve kolay kolay kırılmaz. Keratin molekülü, bedenimizde de günlük hayatta kullandığımız eşyalarda da çok çeşitli şekillerde bulunmaktadır. Deri, neredeyse saf keratin molekülünden oluşmuştur. Yün, ipek, balık pulu, tüyler ve tüy sapları da keratinden meydana gelir. Pençeler ve tırnaklar da keratinden oluşurlar. Fakat bunlar daha fazla sülfür köprüsü ile çaprazlama bağlıdırlar. Bu çaprazlama bağ, keratinin daha fazla işlenmiş olduğunu gösterir. Bu durumda meydana gelen molekül daha kuvvetlenir ve sertleşir. Tırnak ve pençelerin sert olmasının nedeni budur.
Omurgalılar deri yapımında kullanılan ve canlı hücre tabakalarından meydana gelen bir kalın iç deri tabakası ile, bir ölü hücre tabakasından meydana gelen bir kalın iç deri tabakası ile, bir ölü hücre tabakasıyla son bulun bir ikinci ince deri tabakasına sahiptir. Bu ölü hücreler zamanla aşınarak dökülür veya birikerek boynuz, bağa, pençe, toynak ve pul oluşumlarını meydana getirir. Uzantıların sertleşmesi ve yoğunlaşması ölü hücreler içerisinde çoğalan keratin sayesinde gerçekleşmektedir. Keratinleşme denilen bu olay yoğun su kaybı ile son bulur. Keratinleşme geçiren bir hücre içerisinde yüzlerce keratin lifi amorf bir keratin dokusuyla birbirine yapışır. Genleşme sonrasında liflerin orijinal boyutlarına dönmesine hafıza etkisi denmektedir. Keratin liflerinin, ıslatılmalarıyla % 100 e varan genleşmeden sonra kuruma sonrasında orijinal boyutlarına dönebildikleri gözlenmiştir. Bu hafıza etkisi keratin içerisinde yer alan çapraz bağların azlığı ile doğru orantılıdır.
İpek de keratin moleküllerinden oluşur. Pek çok böcek ve örümcek tarafından salgılanan katılaşmış bir sıvı olan ipeği oluşturan keratin molekülleri diğer maddelerdekinin aksine sarmal biçimde değillerdir. Bunun yerine birbirlerinin üzerine yığılarak bağlanmış sert amino asit levhaları oluştururlar. İpeğin yüzeyine dokunduğumuzda bu düz yapıyı hissedebiliriz. Keratin çeşitli özelliklerinden dolayı oldukça farklı yerlerde kullanılabilmekte, birbiriyle ilgisiz pek çok malzemenin ana maddesini oluşturmaktadır. Örneğin, deri ile tırnak birbirlerinden farklı maddelerdir. Yün ise bunlardan çok farklı bir özelliğe sahiptir. Ama hepsi keratinden oluşmuştur ve hepsi keratinin kendine has özellikleri nedeni ile çeşitli nitelikler edinirler. Örneğin saçın ve derinin esnek olması önemlidir. Ama tırnaklar sert olmalıdır. İpeğin pürüzsüz bir görünüm verebilmesi için yapısının düz olması gerekmektedir.
Bütün bunlarda dikkat çeken ise keratinin tüm bu maddelerde "koruyucu" olarak ön plana çıkıyor olmasıdır. Deriyi koruyan madde keratindir. Derinin ne kadar korunaklı ve özel bir malzeme olduğu bilinmektedir. Keratin, kendine has moleküler yapısı ile deriyi dış etkilere karşı korunaklı bir hale getirir, derinin yapısını özel bir şekilde belirler. Bir örnek vermek gerekirse derinin gözenekli yapısı insanın hayatta kalabilmesi için son derece önemlidir. Bu gözenekli yapının olmaması durumunda vücuttaki fazla ısı ve suyun dışarı çıkması mümkün olmaz ve insan ateşlenerek ölür. Keratin bu gözenekli yapının temelini oluşturur. Sürekli olarak dışarıdaki ortamla ve çeşitli zararlı mikroorganizmalarla muhatap olan deri, bütün bunlara karşı koyabilecek yapıyı keratin sayesinde kazanmıştır. Aynı şekilde saçların ve tırnakların korunması da bu özel molekülün işlevlerine bağlıdır.
En yüksek sülfür çapraz bağlarına sahip olan keratin tüm yarı kristal polimerler gibi sıvıları şekilsiz (amorf) dokularının içerisine absorbe eder. Yün % 100 RH (bağıl nem) ortamında %33 oranında su içerir. Suya daldırılan yünlerde bu oran %200 e kadar çıkabilmektedir. Emilen suyun yol açtığı şişme alkali ortamlarda (ph 7 nin üzerinde) ve % 20 nin üzerinde oluşan tüm hacim artışlarında kovelent ve hidrojen bağlarında kayıplar meydana gelir. Kuruma ile beraber dokunun ağırlığı ve hacmi orijinal boyutlarına döner, ancak yok olan kovalent bağlar yapının mekanik dayanıklılığında geriye dönülmez zayıflamalar yaratır.
Keratin Bozulması: Yan amino asitleri yüzünden keratinin oldukça yüksek bir kimyasal aktivitesi bulunmaktadır. Hidroliz, oksidasyon, indirgenme, esterleşme, alkanlaşma vb. bu aktivitelere örnek olarak sayılabilir. Alkaliler disülfit bağları ve belli amino asitleri yok ederek, hidroliz aracılığıyla proteini tek bir amino asit türüne dönüştürecek şekilde parçalar. Sodyum hidroksit ve potasyum hidroksit keratinin çözülmesine neden olurken, amonyak ve sodyum karbonat keratin yapısını çok az etkiler. Organik asitlere dayanıklı olan keratin, uzun kaynama periyotları sonrasında mineral asitlerin hidrolizlerine karşı çok zayıflar.
I.1.C. YAĞLAR Dünyadaki canlılardaki temel organik bileşiklerden biri de lipitlerdir. Lipitler oyil ve yağlar olmak üzere ikiye ayrılır. Yağlar oda sıcaklığında katı halde bulunan lipitler, oyiller ise gene oda sıcaklığında sıvı halde bulunan lipitlerdir. Lipitleri diğer maddelerden ayıran en önemli özellik suyla karışmamaları ve diğer lipitlerle kolayca karışmalarıdır. Lipitler kutuplu bir yapıya sahip değildir. Bunun için suda çözünmezler ya da çok az çözünürler. Eter, kloroform, benzen, aseton gibi organik çözücülerde çözünebilirler. Lipitler yüksek oranda hidrojen ve karbon içerdikleri halde diğer organik maddelere göre çok daha az oranda oksijen içerirler.
Lipitlerin canlı vücudunda çeşitli görevleri vardır. Lipit çeşitlerinden olan fosfolipitler, hücre zarının önemli bir bileşenini oluşturur. Lipitler glikozla birleşerek glikolipitleri, proteinlerle birleşerek lipoproteinleri oluşturur. Yağlar zamanla, gömü koşullarına bağlı olarak, suyun etkisiyle hidrolize uğrar ve gliserol içeriklerini kaybederek yağ asitlerine dönüşür. Bu dönüşümün nedeni bugüne kadar tam olarak belirlenememiştir. Bugüne kadar uzun bir zaman içerisinde ve yalnızca suyun etkisiyle gerçekleştiği düşünülen hidrolizin beklenilen süreden daha hızlı meydana gelmesi bazı hızlandırıcı bakteri faaliyetlerinin varlığını akla getirir. Işık, sıcaklık, oksijen ve gerekli katalizörler eşliğinde uygun şartları bulunan doymamış yağ asitlerini içeren yağlar kendi kendine oksitlenirler. Bu oksitlenme sonucunda yağlar bozulur. Bozulan yağların lezzeti değiştiği gibi aynı zamanda peroksit türü gruplar oluşur. Bozulma böyle oksidatif bir şekilde olduğu gibi doymamış yağ asitlerinin çifte bağlarının oksidasyonu ile asit teşkil edebilir.
Kaynakça: Kryszkowska, 1990 Kryszkowska, O., Ivory and Relates Materials An Illusrated Guide, London 1990. Holtzapffel, 2000 Working Horn, Ivory and Tortoiseshell, Portland 2000. Sease, 1994 Williams, 2001, Sease, C., A Conservation Manual for the Field Arcaeologist, Los Angeles 1994. Williams, E. (ed.), Human remains: Conservatio, Retreeval and Analysis, Proceeding of a Conference Held in Williamsburg, VA, Nov. 7-1 1999, London 2001.