BMM 203 Biyofizik Ders 3: Biyomoleküller Içi-Dışı Kuvvet ve Bağlar PDF

BMM 203 Biyofizik Prof.Dr. Emel Alğın Biyomoleküller içi/arası kuvvetler ve bağlar Kimyasal bağlar Moleküller atomların bağlı bulunduğu yapılardır. Moleküller içinde atomları birbirine bağlayan bu bağlara kimyasal bağlar denir. Kimyasal bağlar özellikle moleküllerin...

BMM 203 Biyofizik Prof.Dr. Emel Alğın Biyomoleküller içi/arası kuvvetler ve bağlar Kimyasal bağlar Moleküller atomların bağlı bulunduğu yapılardır. Moleküller içinde atomları birbirine bağlayan bu bağlara kimyasal bağlar denir. Kimyasal bağlar özellikle moleküllerin birincil yapısının anlaşılmasında önemlidir. Kimyasal bağda, atomların dış yörüngelerinde bulunan bir veya birden fazla değerlik elektronu (valans elektronlar) önemlidir. Temel olarak iki çeşit kimyasal bağ vardır: Kovalent bağ ve iyonik bağ. Hatırlatma: Çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronların bir tür elektron bulutu olarak davrandığını düşüneceğiz. Her bir yörüngede (orbital) farklı sayıda elektron bulunur. Bağ oluşumu en dış elektron bulutu ile gerçekleşir. Kuvvetli etkileşimler: Kovalent bağ Atomda negatif yüklü elektron bulutu ile pozitif yüklü çekirdek arasında çekim kuvveti vardır. Birbirine yeteri kadar yaklaşan iki atomun bir veya daha fazla elektronunun her iki atom çekirdeği etrafında dolanması sonucu kovalent bağ oluşur. Ortak kullanılan elektron bulutları artık bir atom çekirdeğine ait olmaktan çıkar, iki atom çekirdeğinin ortaklaşa kullandıkları bulut haline gelir (Kuantum mekaniği). Polar kovalent bağ Kovalent bağa katılan elektronlar iki atom çekirdeği tarafından eşit şekilde paylaşılmayabilir. Atomlardan biri daha kuvvetli bir çekim alanı oluşturabilir, bu durumda daha negatif bölge oluşur. Diğer atom tarafı daha pozitif yüke sahip olur. Bu oluşuma "polar kovalent bağ" denir. https://www.geeksforgeeks.org/ Polar kovalent bağ: Su molekülü Zayıf etkileşimler: İyonik bağ Sulu ortamdaki etkileşimler zayıf türdendir. Polar bağ oluşumda atomlardan birinin çekim kuvveti çok büyük olabilir. Bu durumda kovalent bağda paylaşılan elektron, paylaşılmak yerine güçlü çekim uygulayan atom yörüngesinde döner. Bir elektron kaybeden atom pozitif bir iyon, bir elektron kazanan atom negatif iyon olarak adlandırılır. Şekil: https://vectormine.com/ Zayıf etkileşimler: İyonik bağ Pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasındaki etkileşim elektrostatik çekim kuvvetinden kaynaklanır. Etkileşim enerjisi: 1 𝑞1 𝑞2 𝑈=− 4𝜋𝜖0 𝐾 𝑟 Burada 𝜖0 boşluğun geçirgenliği, 𝐾 dielektrik sabitidir. Ortamın elektrik alan içinde ne kadar kolay polarize olduğunun bir ölçüsüdür. 𝜖 = 𝜖0 𝐾 ise dielektrik ortamın geçirgenliğidir. Hava veya boşluk için 𝐾 = 1. Sulu ortamda 𝐾 = 80: 1 𝑞1 𝑞2 → İyonik kuvvet ve bağlar zayıflar, (𝐹 = − 2 ) 4𝜋𝜖0 𝐾 𝑟 → İyonik bağ enerjileri 10-100 kJ/mol Zayıf etkileşimler: İyonik bağ Etkileşim enerjisi: 1 𝑞1 𝑞2 𝑈=− 4𝜋𝜖0 𝐾 𝑟 Şekil: Kristal halde iyonik NaCl bağında iki iyon arasındaki uzaklığa bağlı olarak potansiyel enerjisinin değişimi. İyonlar birbirinden uzakta iken Coulomb çekim kuvveti etkilidir. İyonlar birbirine çok yaklaşınca kuantumlu etkileşimden kaynaklanan itme kuvveti baskındır. İki kuvvetin birbirini dengelediği uzaklıkta potansiyel enerjisi bir minimumdan geçer ki bu değer bağ enerjisidir. Zayıf etkileşimler: İyonik bağ Kovalent bağ ve iyonik bağ arasında çok büyük bir fark yoktur: Kovalent bağ → polar kovalent bağ → iyonik bağ şeklinde sürekli bir geçiş vardır. İyonik bağlar kristal katılar için genel bir durumdur. Zayıf etkileşimler: İyonik bağ Hücre içinde akışkan sıvılarda iyonlar serbestçe hareket ederler. Moleküllerin termal kinetik enerjileri ile iyonlar arasındaki çekme ve itme kuvvetleri bu hareketliliği belirler. Örnekler: Sodyum (Na+) iyonlarının DNA çift sarmalının omurgasındaki negatif fosfat gruplarına (𝑃𝑂4 − ) bağlanması, sarmal yapıyı sağlamlaştırır. İyonlar birçok biyolojik süreçte önemli bir rol oynar ve moleküler konformasyonların kararlılığını etkiler. Kimyasal bağlardaki hareket ve moleküler konformasyon Kovalent bağlar esnekliğe sahiptir. Bu esneklik nedeniyle, serbest dönme (tekerlek gibi), bükülme, sıkışma ve uzama gibi yay hareketine benzer davranışlar gözlenir. Tüm bu hareketler, tek başına veya birlikte, basit biyomoleküllerde bile çok sayıda konformasyonların oluşumuna neden olabilir.  Kimyasal bağlardaki hareket ve moleküler konformasyon Şekil: Birbirine bağlı dört atomdan oluşan hayali bir molekülün olası konformasyonları. Atomlar 1, 2, 3 ve 4 olarak etiketlenmiştir. Konformasyonlar a, b, c ve d olarak etiketlenmiştir. 1 ve 4 arasında itme kuvveti → a ve d konformasyonları 1 ve 4 arasında çekim olsa da kovalent bağlar kuvvetli ise sınırlı miktarda bükülme → b konformasyonu 1 ve 4 arasında kuvvetli çekim → c konformasyonu  Kimyasal bağlardaki hareket ve moleküler konformasyon Konformasyonları hatırla! Bağ hareketleriyle, bir konformasyondan diğerine geçiş farklı yollarla gerçekleşebilir: 2 ile 3 atomları arasında serbest dönme: a konformasyonu → b konformasyonu 1, 2 ve 3 numaralı atomlar arasındaki bağ açısı düzelir ve ardından ters yönde yukarı doğru bükülür: a konformasyonu → b konformasyonu Biyomoleküllerin konformasyonun etki eden kuvvetler Bu kuvvetlerin tamamı yüklerin birbirini itmesi veya çekmesine dayanan elektriksel kuvvetlerdir: Yük-yük kuvvetleri: 1 𝑞1 𝑞2 Kuvvet: 𝐹 = 4𝜋𝜖0 𝐾 𝑟 2 1 𝑞1 𝑞2 Potansiyel enerji: 𝑈= − 4𝜋𝜖0 𝐾 𝑟 Hatırla: F.x = W Biyomoleküllerin konformasyonun etki eden kuvvetler Nötr fakat polar, yüksek geçirgenliğe sahip ortamın molekülleri (örneğin, su), ortamda bulunan pozitif ve negatif yükler ile etkileşerek yönelimlerini uygun hale getirirler. Polar su moleküllerinin bu yönelimi iki yük arasındaki elektrik alana zıt yönde küçük bir elektrik alan oluşturur. Bu durum ortamdaki pozitif ve negatif yük arasındaki kuvveti ve potansiyel enerjiyi azaltır. Vakum ortamında yükler Su gibi polar bir ortamda yükler Biyomoleküllerin konformasyonun etki eden kuvvetler Biyolojik sistemler için geçirgenlik çok önemlidir. (𝜖 = 𝐾𝜖0 , burada 𝜖 ve 𝜖0 sırasıyla ortamın ve boşluğun geçirgenliğidir.) İyonlar, moleküllerin iyonlaşmış bölgeleri ve polar moleküller, yüksek geçirgenliğe sahip bölgelerde olmayı tercih ederler. Çünkü yüksek dielektrik sabiti Gibbs enerjisini azaltır. Diğer yandan, hücre zarları gibi düşük geçirgenliğe sahip bölgeler (K=2), iyonları dışlama eğiliminde olacaktır (iyonları oraya yerleştirmek Gibbs enerjisini artıracağından). Biyomoleküllerin konformasyonun etki eden kuvvetler İyon kanalları (hücre zarlarındaki belirli proteinler) zar boyunca yüksek geçirgenliğe sahip bir tünel oluşturarak, iyonların geçmesine izin verir. İyonik bağlar (iyon-iyon etkileşmesi) kristal yapılarda görülür. Biyomoleküllerin doğal yapıları genellikle kristal yapıda değildir. Ancak bazı durumlarda iyon-iyon etkileşimi önemlidir: X-ışını kırınımı için, biyomolekül örneklerinin kristal yapıda olması gerekir. Ligand bağlanması sırasında biyomolekül konformasyonunda önemlidir. Tuz köprüleri oluşumunda tek bir iyonik bağ bulunur. Kovalent ve iyonik bağlar dışındaki diğer tüm moleküler kuvvetlere van der Waals kuvvetleri denir. Bu kuvvetler daha çok yüksüz atom ve moleküller arasındaki etkileşimler sonucu ortaya çıkar.  Diğer zayıf etkileşimler: İyon-dipol kuvvetleri Birbirinden d kadar uzakta bulunan eşit ve zıt işaretli iki yükün oluşturduğu sisteme dipol denir. Dipol moment: 𝝁 = 𝒒𝒅 Su gibi kalıcı dipol momente sahip moleküllere polar molekül denir. Bir iyon ile dipol arasındaki potansiyel enerji: 1 𝑞𝑖𝑦𝑜𝑛 𝑞+ 𝑞𝑖𝑦𝑜𝑛 𝑞− 𝑈= + 4𝜋𝜖0 𝐾 𝑟𝑑+ 𝑟𝑑−  Diğer zayıf etkileşimler: İyon-dipol kuvvetleri d