Su Biyokimyası - PDF

SU BİYOKİMYASI Dr Öğr Üyesi Nazife DERELİ 1  SUYUN ÖNEMİ İnsan bedeninin ≈%70 su Dünyanın ≈ %70’i su ile kaplı Toplam suyun; ✓ %97.5 okyanuslar ve denizlerdeki tuzlu su ✓ %2.5 içilebilir tatlı su ✓ %1’i ulaşılabilir içme suyun Dünya nüfusunun %40 su sıkın...

SU BİYOKİMYASI Dr Öğr Üyesi Nazife DERELİ 1  SUYUN ÖNEMİ İnsan bedeninin ≈%70 su Dünyanın ≈ %70’i su ile kaplı Toplam suyun; ✓ %97.5 okyanuslar ve denizlerdeki tuzlu su ✓ %2.5 içilebilir tatlı su ✓ %1’i ulaşılabilir içme suyun Dünya nüfusunun %40 su sıkıntısı yaşıyor 2  3 https://sukuyusudernegi.org.tr/h2o-su Hidrolojik çevrim Tüketimin; ✓ %75 tarım ✓ %18 sanayi ✓ %11 evsel 4  Su, canlı organizmaların baskın kimyasal bileşenidir. Canlı organizmalar için SU hayati önem taşır; Vücut ağırlığının yeni doğanda %75’i, yaşlılarda yaklaşık %50’si SU (Obezlerde, kadınlarda daha az su oranı) Tüm biyokimyasal reaksiyonlar sulu ortamda meydana gelir 5  70 kg bir insanda ≈ 42-45 L su bulunur. Vücutta suyun dağılımı; ✓ İntrasellüler(2/3); Hücre içi ✓ Ekstrasellüler(1/3); Hücreler arası (interstisyel), damar içi (kan), boşluklar 6 İnsan vücudunun biyokimyasal bileşeni %60 su ≈ % 15 protein % 15 lipit % 2 karbonhidrat % 8 mineral İnsan vücudunda bulunan elementlerin ≈ %99 C, O, H, N, Ca, P 7  SU, canlının solventi, hücreler için medium Su, makromoleküllerin yapı taşıdır Su, küçük moleküllü maddeler için iyi bir çözücüdür Su, moleküllerin hareketi ve işlev göstermesi için ortam sağlar Su, iyi bir substrattır, kimyasal rx katılır Su, iyi bir ısı düzenleyicisidir Su, enerjiyi düzenli bir şekilde yönetir Su, bir kayganlaştırıcı olarak işlev görür evrensel çözücü 8  SUYUN ÖZELLİKLERİ Su iyonize olma, reversible olarak hidroksil iyonlarına (OH− ) ve protonlarına (H+ ) ayrışma, eğilimindedir; otoprotoliz Suda yalnızca suyun dissosiasyonu (ayrışması) sonucu oluşan H+ ve OH− iyonları vasıtasıyla elektrik akımı iletilir Kaynama noktası ve buharlaşma ısısı yüksektir İyi bir çözücü; çift kutuplu yapısı ve H bağları sayesinde Mükemmel bir nükleofildir; birçok metabolik reaksiyonda bir reaktan veya üründür. Isıyı etkin bir şekilde düzenler Enerjiyi etkin olarak yönetir 9  SUYUN ÖZELLİKLERİ Suyun, çözünmüş bir biyomolekül ile etkileşim şekli her birinin yapısını etkiler; Maddenin suda çözünmesi suyun fiziksel özelliklerini değiştirir ✓ Buhar basıncı (düşer) ✓ Kaynama noktası (yükselir) ✓ Erime noktası (düşer) ✓ Donma noktası (düşer) ✓ Ozmatik basıncı (yükselir) ❖ Saf suyun ozmatik basıncı düşük ❖ Suda çözünen maddenin tanecik sayısı ile suyun özellikleri doğru orantılı olarak değişir 10  HİDROJEN Simgesi: H Atom Numarası: 1 Elektron dizilimi: 1s1 Renksiz, kokusuz, tatsız, oldukça yanıcı Elementel H evrende çok az bulunur H2 diatomik Evrenin kütlesinin %75ini oluşturur Suyun, organik moleküllerin yapısında bulunur 11  OKSİJEN Simgesi: O Atom Numarası: 8; Elektron dizilimi: 1s2 ,2s2, 2p4 Oldukça reaktif, ametal, oksidan, serbest halde zor bulunur O2; Dioksijen gazı; soluk mavi, kokusuz, tatsız, yakıcı Elektronegatifliği en yüksek ikinci element Evrendeki 3. en bol element; havanın %20,8’i O2 Organik ve inorganik moleküllerin yapısında bulunur 12 Bir su molekülü; merkezinde oksijen bulunan düzensiz, hafif çarpık bir tetrahedron Merkezinde bir oksijen atomu, iki köşesinde birer hidrojen atomu, Diğer iki köşesinde ortaklaşmamış elektron çiftleri bulunan Düzgün olmayan tetrahidron (dörtyüzlü) şeklindedir 13  SUYUN YAPISI; KOVALENT BAĞ H ve O serbest elektronlarını paylaşarak kararlı hale gelir (Kovalent Bağ) H – O uzaklığı; 0,96◦A H – O – H açısı; 104.5◦ (Düzgün tetrahedron: 109.5 ◦) Bağın kırılması için 50-110 kcal/mol enerji gereklidir 14  H2 ve O2’nin suyu meydana getirmesi için büyük enerji gereklidir Sıcaklık ↑ → Enerjiyi ↑ → Hız ↑ → Atomların çarpışma sayısı ↑ → SU Dünyadaki suyun oluşumu için gerekli enerjinin dünyanın oluşumunda meydana geldiği düşünülmekte Dünyadaki suyun ¾’ü başlangıçtan beri mevcut 15  SUYUN YAPISI; DİPOL O atomu daha büyük olduğundan H ile paylaştığı elektronları kendine doğru çeker, elektronlar H’den uzaklaşır Polar Kovalent Bağ Elektrik yükü molekülün etrafında asimetrik dağılır Suyun dipol yapısını oluşturur; ✓O tarafında elektrondan zengin negatif yüklü bölge ✓H tarafında elektrondan fakir pozitif yüklü bölge 16  SUYUN YAPISI; HİDROJEN BAĞI Su molekülleri bir araya geldiğinde zıt yükler birbirini çeker; Bir oksijen atomuna kovalent bağ ile bağlı H çekirdeği ile başka bir oksijen atomu üzerindeki paylaşılmamış elektron çifti arasında oluşan elektrostatik etkileşim hidrojen bağını oluşturur Hidrojen bağı, su moleküllerinin düzenli diziler halinde birleşmesini sağlar 17  Hidrojen bağları, birkaç pikosaniyelik bir yarı ömrü olan geçici ve zayıf bağlar (1 ps=10-12 s) Bağların yapım ve yıkımı sürekli olduğundan sistemdeki bağ sayısı sabittir = Suyun akışkanlığı Sıvı sudaki bir hidrojen bağının kopması için gereken enerji, kovalent O-H bağının kopması için gereken enerjinin %5'inden daha azdır Hidrejen bağı için; 4.5 kcal/mol Kovalent bağ için: 50-110 kcal/mol 18  Su moleküllerinin; ✓Buzda; %100’ü, ≈1 su molekülü için 4 H bağı ✓Suda; %70’i, ≈1 su molekülü için 3 H bağı ✓Buharda; %50’si hidrojen bağlarıyla birbirlerine bağlıdır 19 Hidrojen bağları, suyun benzersiz fiziksel özelliklerinin çoğunu belirleyen en önemli faktördür Suyun beklenmedik derecede yüksek viskozite, yüksek yüzey gerilimi, yüksek erime noktası ve kaynama noktasına sahip olmasını sağlar. 20 ✓Yüksek Kaynama Noktası: Hidrojen bağları, su moleküllerini birbirine güçlü bir şekilde bağlar. 100°C gibi yüksek bir sıcaklıkta suyun kaynamasının nedeni, Hidrojen bağların kırılması için fazla enerji (ısı) ye gereksinim duymasıdır ✓Yüksek Erime Noktası: Hidrojen bağları buz (katı formu) moleküllerini düzenli bir kristal yapıda tuttuğundan, benzer boyuttaki diğer moleküllere kıyasla su daha yüksek bir erime noktasına sahiptir. ✓Yüksek Yüzey Gerilimi: Hidrojen bağları, su molekülleri arasındaki çekimi artırır ve suyun yüzeyinde yüksek bir yüzey gerilimi oluşturur. (suyun yüzeyinde böceklerin yürüyebilmesi, su damlacıklarının küresel şekil alması) ✓Anormal Yoğunluk Davranışı: Suyun yoğunluğu 4°C’de en yüksek noktaya ulaşır, sıcaklık düşmeye devam ettikçe yoğunluk azalır. Katı haldeki suyun (buz) sıvı sudan daha düşük yoğunlukta olduğundan, buzun suyun üzerinde yüzer. Bu buzun düzenli bir hidrojen bağı yapısına sahip olmasından kaynaklanır. ✓Yüksek Isı Kapasitesi: Hidrojen bağları, suyun ısı kapasitesini artırır. Bu nedenle suyun sıcaklığının değiştirmesi için daha fazla enerji gerekir. Bu özelliğinden dolayı su iklim düzenleyici bir rol oynar; büyük miktarda ısıyı emer veya salar, fakat kendi sıcaklığı fazla değişmez. ✓Kohesyon ve Adezyon: Hidrojen bağları, su moleküllerinin birbirine yapışmasını (kohesyon) ve farklı yüzeylere yapışmasını (adezyon) sağlar. Bu özellik, suyun ince borularda yukarıya doğru hareket edebilmesine (kapilarite) katkıda bulunur. 21  SU EVRENSEL BİR ÇÖZÜCÜ ❑Su polar bir çözücüdür; Yüklü ve polar bileşiklerin çoğu suda çözünür ❑Katyonlar su molekülünün negatif yük merkezini çekerler ❑Anyonlar su molekülünün pozitif yük merkezini çekerler Sulu çözeltilerde bütün iyonlar hidratize formda bulunurlar 22  Su Amfoter özelliktedir hem bir hidrojen vericisi hem de bir hidrojen alıcısı olarak hizmet eder Hidrojen bağına katılabilecek fonksiyonel grubu olan Organik Biyomoleküller ile SU molekülü arasında oluşan hidrojen bağı sayesinde biyomoleküller suda çözünebilir 23  Hidrojen bağı için bir H ve bir O / N / F gereklidir Organik moleküller elektronegatif O/N atomu içerir, Su ile H bağı yaparak çözünürler H bağı Etanol - Su Molekülleri çözecek kadar güçlü Su ve moleküllerin hareketine izin verecek kadar zayıf Etanol - Etanol Peptit- Karbonil oksijeni Peptit- Nitrojen Hidrojeni 24  Kısmi negatif yük taşıyan su iyi bir nükleofildir Metabolik reaksiyonlar genellikle nükleofillerin, elektrofillere saldırısını içerir. ✓Nükleofiller; elektronca zengin atomlar; Elektron bağışlıyor ✓Elektrofiller; elektronca zayıf atomlar; Elektron kabul ediyor Biyolojik öneme sahip nükleofiller; ✓Fosfatların, alkollerin ve karboksilik asitlerin oksijen atomları ✓Tiyollerin sülfürü ✓aminlerin nitrojen atomu ✓histidinin imidazol halkası Yaygın elektrofiller; ✓ Amitler, esterler, aldehitler ve ketonlar’ın karbonil karbonları ✓ Fosfoesterlerin fosfor atomları 25  Polar/ Nonpolar Moleküllerle Suyun Etkileşimi ✓ Hidrofilik; Polar moleküller suda H bağları oluşturarak rahatlıkla çözünür ✓ Hidrofobik; Nonpolar moleküllerin çözünürlüğü zayıftır, sudan kaçınır 26 Amfipatik bileşikler; hem hidrofobik hem hidrofilik fonksiyonel grup içerir Çoğu biyomolekül amfipatiktir Biyomolekülün ✓ polar ya da yüklü grubu su ile etkileşime girer ✓ hidrofobik grubu su ile etkileşimden kaçınır Örneğin proteinler; ✓ Hidrofobik amino asit gruplarıyla katlanma eğilimi gösterir (su temasından kaçınır) ✓ Hidrofilik (yüklü veya polar) amino asitler yüzeyde su ile temas halindedir 27  HİDROFOBİK ETKİLEŞİM Polar olmayan bileşikler sulu bir ortamda kendi kendine birleşme eğilimindedir. ✓ Polar olmayan bölgeler, sulu çözücü ile teması en aza indirecek şekilde konumlanır. ✓ Polar olmayan moleküller; vezikül, çift tabaka oluşturma eğilimindedir. ✓ Miçel; amfipatik bileşiklerin sudaki kararlı yapısı ✓ Örnek; Proteinler, pigmentler, bazı vitaminler, steroller, membran lipidleri 28  VAN DER WAALS KUVVETLER Fiziksel bir bağ İyonlar ve/veya İndüklenmiş dipoller ve/veya daimi dipoller arasındaki çekim kuvveti Oldukça zayıf bir etkileşim, sadece atomlar/moleküller birbirine çok yakınken gerçekleşir. Etkileşen atomlar/moleküller arasındaki mesafe azaldıkça etkileşim kuvveti artar Çok fazla etkileşimin bir anda olması oldukça güçlü bir kuvvet oluşturur Son derece zayıf olsa da, kümülatif etkileri önemlidir; Birbirine çok yakın ve temas halindeki DNA, protein gibi makromoleküller 29 KİMYASAL VE FİZİKSEL BAĞLAR 30 ❖ Kovalent ve kovalent olmayan bağlar biyolojik molekülleri stabilize eder Kovalent bağ; molekülleri bir arada tutan en güçlü kuvvettir Nonkovalent bağlar; canlı hücrelerdeki makromoleküllerin ✓ yapısına ✓ kararlılığına ✓ fonksiyonel özelliklerine katkı sağlar Çekici veya itici olabilen bu kuvvetler; Biyomolekül SU arasındaki etkileşimleri oluşturur ve Biyomoleküllerin yapısını etkiler SU; Biyomolekülün bulunduğu ortamın ana bileşeni 31 Farklı kuvvetlerin varlığı sayesinde biyomoleküller stabil bir yapı oluşturur Bunu en iyi gösteren DNA çift sarmalıdır Her bir DNA zinciri kovalent bağlarla bir arada tutulur Sarmalın iki ipliği nükleotid bazları arasında hidrojen bağı ile bağlanır Pürin ve pirimidin bazları arasında Van Der Waals etkileşimleri DNA omurgasındaki riboz şekerlerin yüklü fosfat gruplarını ve polar hidroksil gruplarını suya yönlendirirken, nispeten hidrofobik nükleotit bazlarını içeri kapatıyor Bu yapı; olumsuz elektrostatik etkileşimleri en aza indirirken negatif yüklü fosfatlar arasındaki mesafeyi en üst düzeye çıkarır, geniş bir omurga sağlar 32 33  SU DENGESİNİN DÜZENLENMESİ Susuzluğu kontrol eden hipotalamik mekanizmalar Suyun böbrekler tarafından tutulması veya atılması Antidiüretik hormon (ADH) Buharlaşma ile kaybı 34  Su, makromoleküllerin yapı taşıdır; Hidrojen köprüleriyle su molekülüne bağlanan polisakkarit, protein, nükleik asitler gibi kompleks makromoleküller, suyu düzenli bir şekilde tutma yeteneğine sahiptirler. 35  Su, küçük moleküllü maddeler için iyi bir çözücüdür. Organizmada birçok substrat, suda çözünmüş olarak bulunur, birçok metabolizma olayı sulu ortamda gerçekleşir ve metabolizma olayları sonucunda oluşan birçok artık ürün suda çözünmüş olarak atılır. 36  Su, iyi bir substrattır, metabolizmanın birçok tepkimesine katılır; ✓ Bazı tepkimelerde su, ko-substrat olarak görev yapar ✓ Bazı tepkimelerde tepkime ürünü olarak su oluşur 37  Su, iyi bir ısı düzenleyicisidir; Su, yüksek bir buharlaşma ısısına sahiptir; (1 g suyu 100o C’de buhar haline getirmek için ≈540 kaloriye ihtiyaç vardır) Organizmadan küçük miktarda su çıkması, büyük oranda ısı kaybına neden olur; terlemenin vücudu soğutucu etkisi bundan dolayıdır. 38  Su, sıcaklık değişimlerine dirençlidir Soğuma ve Isınma Yavaş Gerçekleşir: Su, sıcaklık değişimlerine daha yavaş tepki verir. İklim Düzenleyici Rol oynar; Suyun sıcaklık değişimlerine dirençli olması, gündüzleri çok fazla ısınmamasını, geceleri ise çok fazla soğumamasını sağlar 39  Su, enerjiyi düzenli bir şekilde yönetir. Hidratize yapılarda hidrojen bağları kovalent bağlara değişebilir veya tersi olabilir. 40  Su, hücresel homeostazı sabit tutar Su, hidroksil (OH-) iyonlarına ve protonlarına (H+) ayrışmaya eğilimlidir Tamponlar (Bikarbonat..) ekstrasellüler sıvının pH'ını 7,35 - 7,45 arasında tutar. ✓ Kan pH 7,45 →Alkaloz; 41  Su, bir kayganlaştırıcı olarak işlev görür. Hareketli organların çevrelerinde veya aralarındaki boşluklarda bulunan su, bunların hareketini kolaylaştırmaktadır. 42  HİDRONYUM Suyun hafif iyonlaşma yeteneği canlılık için yaşamsal öneme sahiptir. Su hem asit hem de baz olarak hareket edebilir (Amfoterik) Suyun iyonlaşması bir hidronyum iyonu (H3O+) ve bir hidroksil iyonu (OH−) oluşturan moleküller arası bir proton transferi olarak temsil edilebilir; Proton, aslında yüksek oranda hidratlanmış olmasına rağmen, rutin olarak H+ olarak temsil edilir. Protonlar çözeltide yalnızca H3O+ olarak değil, H5O2+ ve H7O3 gibi multimerler olarak da bulunur. Hidronyum ve hidroksil iyonları sürekli yeniden bir araya gelerek su moleküllerini oluşturur Gerçekte Tek bir hidrojen veya oksijenin bir iyon olarak veya bir su molekülünün parçası olarak mevcut olduğu ifade edilemez. Bir anda bir iyondur; bir anda su molekülünün parçası İyonlar veya moleküller bu nedenle dikkate alınmaz. Bunun yerine, herhangi bir anda belirli bir hidrojenin bir iyon veya bir su molekülünün parçası olarak mevcut olma olasılığına atıfta bulunulur 43  KAYNAK Harper's Illustrated Biochemistry Marks' Basic Medical Biochemistry Textbook of Biochemistry for Medical Student Tıbbi Biyokimya, Prof Dr Figen Gürdal 44  Su, en yumuşak şeydir; ama en sert şeyleri bile aşındırır Lao Tzu Su, doğanın en mükemmel unsurudur; en basit haliyle, her şeyin kaynağıdır Leonardo da Vinci #kahvemtermosta #suyummataramda Eğer su kaynağı senin kendi ruhundan fışkırmazsa, susuzluğunu dindiremezsin. Wolfgang Van Goethe #birtohumolsun 45