Biyoloji Elementleri ve Özellikleri

Moleküler Biyofiziğin Kavramları (Bölüm II)

• Moleküler biyolojide ele alınacak konular: Biyomoleküllerin alt yapısı, molekül içi ve moleküllerarası bağlar, Su; Biyolojik önemi ve özellikleri, Biyolojik Makromoleküller

Öğrenim Hedefleri-I

• Biyolojik moleküllerin yapı taşlarını (element, mineral ve eser elementler) ve önemini kavramak
• Atom ve elementlerin tanımını, atom çeşitlerini bilmek.
• Atom altı parçacıkları ve aralarındaki ilişkiyi kavramak
• Doğada bulunan temel kuvvetleri ve atomlar arası bağlanmalarda etkili kuvvetleri anlamak

Öğrenim Hedefleri-II

• Bağ enerjisini tanımlayabilmek
• Molekül içi ve moleküllerarası bağları sınıflandırmak
• Kovalent ve kovalent olmayan bağlar arasındaki fiziksel ve yapısal farklılıkları açıklamak
• Suyun biyolojik önemini ve fiziksel özelliklerini kavramak
• Biyolojik makro-moleküllere örnek vererek görevlerini açıklamak

Atomlardan Moleküllere

• Yaşayan canlılarda bulunan molekül tipleri ve oranları
• Canlı yapısında bulunan moleküllerin rolleri

Canlıların Atomik ve Moleküler İçeriği

• Canlılar, temel olarak C, H, O, N, P, S gibi hafif elementlerin atomlarından oluşur.
• Canlılarda Na, K, Ca, Mg, Cl gibi elementler önemli işlevlere sahiptir.
• Fe, Zn, Cu, F ve I gibi elementler de canlı organizmalarda az miktarda bulunmasına rağmen önemli işlevlere sahiptir.

Doğada Elementlerin Sayısı ve Biyomoleküllerin Yapısında Bulunan Elementler

• Doğada 109 element mevcuttur.
• Biyomoleküllerin yapısında 27 element bulunur.
• En sık rastlanan elementler O₂ ve H'dir.
• C, N ve O₂ çift kovalent bağlar kurabilir.
• Makromoleküllerin ağırlıkları 10³-10⁹ dalton aralığındadır.

Vücuttaki Temel Elementler

• Hidrojen (%63)
• Oksijen (%26)
• Karbon (%9)
• Azot (%1)
• Diğer elementler (%0,7) – Kalsiyum (Ca) ve Fosfor (P) gibi elementler de bulunur.

Eser Elementler

• Demir (Fe), Selenyum (Se), İyot (I), Molibden (Mo), Bakır (Cu), Florür (F), Çinko (Zn), Manganez (Mn), Kalay (Sn), Silisyum (Si), Kobalt (Co), Vanadyum (V) ve Krom (Cr)

Vücut Sağlığı Açısından Mineral ve Eser Elementlerin Önemi

• Mineral ve eser elementlerin eksikliği veya fazlalığının vücut sağlığına etkileri
• Mineral ve eser elementlerin pH seviyelerindeki ve moleküler yapılarındaki etki mekanizmaları
• Mineral ve eser elementlerin fiziksel özellikleri

Atom ve Element Nedir?

• Atom: Maddenin temel yapı taşı
• Element: Belirli bir atom türünden oluşan madde

Atom Çeşitleri

• İzotop: Aynı proton sayısına ancak farklı nötron sayısına sahip atomlar
• İzobarı: Aynı kütle sayısına ancak farklı proton sayısına sahip atomlar
• İzoton: Aynı nötron sayısına ancak farklı proton sayısına sahip atomlar
• İzomer: Aynı atom sayısına ve atom yapısına sahip ancak farklı geometrik yapıya sahip moleküller

Atomun Yapısı

• Atomların çapları angstrom birimlerinde ölçülür (1Å=10-¹⁰ metre).
• Atom çekirdeği etrafında bulunan elektron bulutları farklı enerji seviyelerine sahip (K, L, M,...)
• İyon oluşumu: Elektron kazanımı veya kaybı sonucu oluşan atom

Atom-Altı Parçacıklar

• Atomlar, kuarklar, leptonlar ve nötrinolar gibi temel parçacıklardan oluşmaktadır.
• Hadronlar: baryonlar ve mezonlar

İzotopların Örnekleri

• Hidrojen'in 3 izotopu vardır (1₁H¹, ₁H², ₁H³).
• Çekirdeği stabil olmayan izotoplar radyoaktif izotoplar olarak tanımlanır.

Atomik Yapıların Kütle ve Elektrik Yükleri

• Nötron, proton ve elektronun kütlesi ve elektrik yükü verilmiştir.

Temel Kuvvetler

• Kütleçekim kuvveti (Graviton)
• Zayıf nükleer kuvvet (Z ve W bozonlar)
• Elektromanyetik kuvvet (Foton)
• Güçlü nükleer kuvvet (Gluon)

Etkileşim Enerjisi veya Bağ Enerjisi

• Isısal hareketlere karşılık gelen molekül başına ortalama kinetik enerji, vücut sıcaklığında RT~2,5 kJ/mol'dür.
• Bağlanma enerjisi RT'den büyükse, etkileşimler kuvvetlidir, RT'ye yakın veya küçüktür, etkileşimler zayıftır.

Bağların Gücü

• Kovalent bağların enerjisi (C-C, C-H) yaklaşık 300-400 kJ/mol iken kovalent olmayan bağların enerjileri 10-100 kat daha düşüktür (0.3-30 kJ/mol).

Molekül İçi ve Moleküllerarası Bağlar

• Bağlar, kovalent bağlar(son derece kuvvetli), zayıf etkileşimler(hidrojen bağları, iyonik bağlar, van der Waals kuvvetleri) olarak sınıflandırılabilir.

Molekül İçi Ve Moleküllerarası Bağlar

• Kovalent bağlar, atomlar arasında elektron paylaşımı ile oluşur.
• İyonik bağlar, zıt yüklü iyonlar arasındaki çekim ile oluşur.
• Hidrojen bağları, polar moleküller arasında oluşan özel bir zayıf etkileşimdir.
• Van der Waals kuvvetleri, moleküller arasındaki geçici dipol-dipol etkileşimlerdir.

Hücre Ortamı, Su ve Diğer Bileşenler

• Hücre ortamı boşluk gibi değildir.
• Yüklü partiküller arasında daima su, diğer moleküller veya moleküllerin parçaları bulunmaktadır(dielektrik ortam).
• Dielektrik ortamın varlığı, partiküller arasındaki gerçek etkileşim kuvvetini teorik değere göre daha düşük hale getirir.
• Su, yüksek dielektrik sabiti ile iyi bir çözücüdür (E=80).

Suyun Özellikleri ve Canlılar İçin Önemi

• Yüksek kaynama noktası (termoregülasyon)
• Yüksek buharlaşma ısısı (termoregülasyon)
• Yüksek özgül ısı (termoregülasyon)
• Yüksek erime ısısı (donma direnci)
• Yüksek dielektrik sabiti (iyonik çözücü)
• Çözücü özelliği (hidratlaşma)
• İyonlaşma özelliği (H₃O+ ve OH- iyonları)

Polar ve Apolar Moleküller

• Suda çözünen moleküllere hidrofilik, çözünmeyen moleküllere ise hidrofobik maddeler denir.
• Hidrofobik moleküller, suda birleşme eğilimindedir.

Biyolojik Makromoleküller

• Proteinler, amino asitlerden oluşan polimerlerdir.
• Nükleik asitler, nükleotidlerden oluşan polimerlerdir. (DNA ve RNA)
• Polisakkaritler, şekerlerden oluşan polimerlerdir.
• Lipitler, suda çözünmeyen organik moleküllerdir.

Amino Asitler

• Proteinlerin yapıtaşlarıdır.
• Alfa karbonuna bağlı bir amino grubu, karboksil grubu, hidrojen atomu ve bir yan zincir içerirler.
• Yan zincirleri, polar, apolar veya iyonik olabilir.

Proteinler

• Biyolojik reaksiyonları katalizleyen ve kontrol eden maddelerdir.
• Enzimler, taşınma, yapı, hormonlar gibi birçok işlev görür.

Nükleik Asitler

• Genetik bilgiyi taşıyan ve aktaran maddelerdir.
• DNA ve RNA gibi farklı tipleri vardır.
• Genetik kodlama ve protein sentezi gibi önemli süreçlere katılırlar.

Lipitler

• Suda çözünmeyen organik moleküllerdir.
• Enerji kaynağı, hücre zarlarının yapısı gibi çok önemli fonksiyonları vardır.

Kaynaklar

• Biyofizik Ders Kitabı, İ.Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi
• Pehlivan F. Biyofiziğe giriş