Moleküler Biyofizik Kavramları (BÖLÜM II) - PDF

Moleküler Biyofiziğin kavramları (BÖLÜM II) Doç. Dr. Ayşegül Akar O.M.Ü Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı  Bu sunumdaki temalar  Biyomoleküllerin alt yapısı  Molekül içi ve moleküllerarası bağlar  Su; Biyolojik önemi ve özellikleri,  Biyolojik Makromolek...

Moleküler Biyofiziğin kavramları (BÖLÜM II) Doç. Dr. Ayşegül Akar O.M.Ü Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı  Bu sunumdaki temalar  Biyomoleküllerin alt yapısı  Molekül içi ve moleküllerarası bağlar  Su; Biyolojik önemi ve özellikleri,  Biyolojik Makromoleküller  ÖĞRENİM HEDEFLERİ-I Bu sunumun sonunda kazanımlarımız nelerdir? Biyolojik moleküllerin hangi element, mineral ve eser elementlerden meydana geldiğini ve bu elementlerin önemini söyleyebilmek, Atom ve elementin tanımını yapabilmek, atom çeşitlerini sıralayabilmek, Atom altı tanecikleri ve arasındaki ilişkiyi kavrayabilmek, Doğada var olan temel kuvvetleri sayabilmek ve iki atom arasındaki bağlanmada etkin olan kuvvetleri açıklayabilmek,  ÖĞRENİM HEDEFLERİ-II Bu sunumun sonunda kazanımlarımız nelerdir? Bağ enerjisinin tanımını yapabilmek, Molekül içi ve moleküllerarası bağları sayabilmek, Kovalent bağ ve kovalent olmayan (non-kovalent) bağlar arasındaki fiziksel ve yapısal farklılıkları açıklayabilmek, Suyun biyolojik önemini kavrayabilmek, Suyun fiziksel özelliklerini kavrayabilmek, Biyolojik makro-moleküllere örnek vererek görevlerini söyleyebilmek. ATOMDAN…… MOLEKÜLE….  Yaşayan canlılarda hangi tip moleküller bulunmaktadır?  Bunların birbirine karşı oranı nasıldır?  Canlı yapısında bulunan bu moleküllerin rolleri nedir? EĞER BU SORULARA CEVAP ARIYORSAK BİYOMOLEKÜLLERİ İNCELEMEMİZ DE KAÇINILMAZDIR…. Canlıların Atomik ve Moleküler İçeriği  C, H, O, N, P, S gibi hafif elementlerin atomlarından oluşurlar,  Na, K, Ca, Mg, Cl elementleri canlılarda önemli işlevler yürütürler,  Az miktarda da Fe, Zn, Cu, F ve I gibi elementlerinde canlı organizmalarda önemli işlevleri vardır. Doğada;  109 element mevcuttur,  27 tanesi biyomoleküllerin yapısında bulunur,  O 2 ve H en sık rastlanan elementler,  C, N ve O 2 çift kovalent bağ kurma özelliğindedirler,  Makromoleküllerin ağırlıkları 103 -109 daltondur. CANLILARIN ATOMİK VE MOLEKÜLER İÇERİĞİ Vücuttaki Temel Elementler (%99,3) Diğer elementler (% 0,7) Hidrojen H (%63) Kalsiyum Ca Fosfor P Oksijen O (%26) Potasyum K Karbon C (%9) Kükürt S Azot N (%1) Sodyum Na Klor Cl Magnezyum Mg  ESER ELEMENTLER (%0,01) Demir Fe Selenyum Se İyot I Molibden Mo Bakır Cu Florür F Çinko Zn Kalay Sn Manganez Mn Silisyum Si Kobalt Co Vanadyum V Krom Cr VÜCUT SAĞLIĞI AÇISINDAN MİNERAL VE ESER ELEMENTLERİN ÖNEMİ NEDİR? Eksikliğinde ve fazlalığında vücut sağlığına etkileri? Bunu yaratan sebepler? (pH düzeyi, asidik yada bazik olması, hangi moleküler oluşum gerçekleşmiş olabilir..gibi) Varsa bu molekülün fiziksel özellikleri? (Bağ uzunluğu, ….)  ATOM VE ELEMENT NEDİR? TANIMI:  Atom;  Element (Rober Boyle); Bir elementin atomu: ZX A şeklinde sembolize edilir. Z: Proton sayısı N: Nötron sayısı A: Kütle sayısı(numarası) A= N + Z  ATOM ÇEŞİTLERİ Proton Kütle Nötron Kimyasal Örnek sayısı sayısı sayısı özelliği (Z) (A) (N) İZOTOP AYNI Farklı Farklı AYNI 1 H1 ve 1 H2 İZOBAR Farklı AYNI Farklı Farklı 5 B12 ve 6O 12 İZOTON Farklı Farklı AYNI Farklı 5 B11 ve 6 C12 İZOMER Çekirdek İçindeki sayılar AYNI 43 Tc99 ve 43 Tc99m *1 a.k.b.’ nin gram cinsinden değeri=1,66.10-24 gr  Atomun Yapısı Nasıldır?  Atomların çapları angstrom, birimlerinde verilir.  Atomun en dış kısmındaki elektron en fazla enerjiye sahiptir.  Atom çekirdeği etrafında bulunan elektronlar K, L, M,..gibi enerji düzeylerinde bulunurlar.  İyon oluşumu *1A0=10-10 metredir  Atom-altı Tanecikler Nelerdir? Temel Parçacıklar  Kuarklar(6 tane)  Leptonlar(6 tane)  Nötrinolar  Hadronlar (Baryonlar ve mezonlar) UUD(Up-Up-Down) Kuarkları UDD(Up-Down-Down) (Protonlar) Kuarkları (Nötronlar) Proton+Nötron (Nükleonlar) ÖRNEK: Hidrojenin 3 izotopu vardır. 1) Hidrojen: 1H1 2) Döteryum: 1H2 3) Trityum: 1H3 Çekirdeği stabil olmayan izotoplara, RADYOİZOTOP (Radyonüklid) denir. Bunların da kimyasal özellikleri aynı olmasına karşın radyoaktif özellikleri farklıdır.  ATOMİK YAPILARIN KÜTLE DEĞERLERİ VE ELEKTRİK YÜKLERİ Kütle Elektriksel yük kg akb Birim yük Coulomb Nötron 1,67482.10-27 1,0086654 0 0 Proton 1,67252.10-27 1,0072766 1 1,6.10-19 Elektron 9,10910.10-31 0,5486.10-3 -1 1,6.10-19  TEMEL KUVVETLER 1- Kütle çekimsel güç: Graviton G 2- Zayıf Nükleer güç: Z ve W bozonlar radyoaktif bozunmalardan sorumludur 3- Elektromanyetik Güç: Foton 4- Kuvvetli nükleer güç: Gluon g(hadronları parçalar veya kuarkları bir arada tutar) 4- 1- Kütle çekimsel güç: Graviton G 2- Zayıf Nükleer güç: Z ve W bozonlar nükleer bozunmalardan sorumludur 3- Elektromanyetik Güç: Foton 4- Kuvvetli nükleer güç: Gluon g ETKİLEŞİM ENERJİSİ veya BAĞ ENERJİSİ NEDİR? BİR ORTAM İÇİNDE MOLEKÜLLERİN ISISAL HAREKETLERİNE KARŞILIK MOLEKÜL BAŞINA ORTALAMA KİNETİK ENERJİ KT İLE MOL BAŞINA ORTALAMA KİNETİK ENERJİ, RT İLE VERİLİR. Vücut sıcaklığında RT~2,5 kJ/mol dolaylarındadır.  Bağlanma enerjisi> RT ise yani ısısal hareketlerle bozulmayacak kadar sağlam olan etkileşmelere kuvvetli etkileşmeler,  bağlanma enerjisi RT dolayında olan etkileşimlere zayıf etkileşimler denir. BAĞLARIN GÜCÜ Biyolojik açıdan önemli kovalent bağların (örneğin, C-C, C-H) bağ enerjisi, yaklaşık 300-400 kJ/mol’dür. Kovalent olmayan bağlar ise kovalent bağlardan 10-100 kat daha zayıftır (0.3-30 kJ/mol).  MOLEKÜL İÇİ VE MOLEKÜLLERARASI BAĞLAR Kuvvetli Etkileşimler Zayıf Etkileşimler Kovalent Bağ İyonik bağlar, Hidrojen bağları, Van der Waals bağları MOLEKÜL İÇİ VE MOLEKÜLLERARASI BAĞLAR Kuvvetli Etkileşimler Kovalent Bağ: MOLEKÜL İÇİ VE MOLEKÜLLERARASI BAĞLAR Zayıf Etkileşimler İYONİK BAĞ: Boş uzayda  İYONİK BAĞ Biyolojik ortamlarda, proteinlerin iyonlaşabilen grupları ile küçük iyonlar arasında, nükleik asitlerde fosfat grupları ile katyonlar arasında iyonik bağlar kurulabilmektedir.  İki iyon arasındaki elektrostatik çekimden kaynaklanan etkileşim enerjisi NaCl için bu bağ enerjisi 500 kJ/mol kadardır. Hücrede DNA ve proteinler de dahil pek çok molekül NET BİR YÜKE SAHİPTİR. Ayrıca hücrede çok sayıda iyon (Na+, K+, Mg+2, Cl-,....) da bulunur.  Yüklü iki partikülün etkileşiminde Coulomb Yasası geçerlidir: Boşlukta q1 q2 F= k r2 F = Yüklü iki partikül arasındaki kuvvet k = Sabit q1, q2 = Partiküllerin yükleri r = Partiküllerin aralarındaki uzaklık ɛ = 1 boşlukta q1 ve q2’nin işaretleri AYNI F (+) yani, İTİM, Biri (+), diğeri () F () yani ÇEKİM HÜCRE ORTAMI BOŞLUK GİBİ DEĞİLDİR! Yüklü partiküller arasında daima SU, DİĞER MOLEKÜLLER, MOLEKÜLLERE AİT PARÇALAR bulunmaktadır ! DİELEKTRİK ORTAM partiküller arasındaki gerçek etkileşim kuvveti teorik değerden daima daha DÜŞÜKTÜR  F= k q1 q2  = Dielektrik sabiti (boyutsuz bir  r2 sayı)  ne kadar büyükse birbirinden ayrı partiküller arasındaki etkileşim o kadar zayıftır. Bu yüzden yüklü partiküller SULUORTAMDA birbirlerine çok yakınlaşmadıkça nispeten zayıf etkileşim kurarlar. Suyun dielektrik sabiti 80, organik maddelerin 1-10  En basit şekli yüklü iki partikül arasındaki yük-yük etkileşimid ir. TÜM BU EŞİTLİKLERDEN ÇIKAN SONUÇ: r ÇOK ÖNEMLİ BİR PARAMETRE... CO molekülü; Molekülün oksijen tarafı karbon tarafına göre daha negatiftir. Polar / kalıcı dipol (iki kutuplu) moleküller Karbon monoksit Su  Polar moleküllerin kalıcı dipol momentleri () vardır. Bu değer, molekülün polaritesinin bir ölçüsüdür. CO gibi lineer bir moleküldeki q+ ve q- kısmi yükleri arasındaki uzaklık x ise, dipol moment q+’ya doğru yönlenmiş bir vektördür ve büyüklüğü =qx ile belirlidir. Dipol momenti büyük olan moleküller, polaritesi yüksek moleküllerdir.  su gibi daha karmaşık moleküllerde dipol moment, bağlar arasındaki momentlerin vektöriyel toplamına eşittir. SUYUN DİPOL MOMENTİ (), OKSİJENİN ELEKTRONEGATİFLİĞİ NEDENİYLE YÜKSEKTİR Karbon monoksit Su  HİDROJEN BAĞI  Bir polar bağdaki hidrojen atomu ile diğer bir polar bağdaki oksijen veya azot atomları arasında oluşan çekim gücüdür. (Örn: su molekülü 4 su molekülü ile bağ yapabilir)  MOLEKÜLER BAĞLARIN ÖZELLİKLERİ Bağ Gücü Özellikleri Örnekler Kovalent Çok Atomlar arasında Moleküllerin oluşumunda kuvvetli paylaşılan elektronlar. atomları birbirine bağlayan çoklu bağlar. İyonik Kuvvetli Zıt yüklü iyonize Tuz molekülünün yapısı veya gruplar arasındaki proteinlerin amino asit yan çekim. zincirleri arasındaki çekim. Hidrojen Zayıf Hidrojen ve oksijenin Protein yan zincirlerinin polar polarize bağları grupları arasındaki çekim arasındaki çekim. veya su moleküllerinin çekimi. Van der Çok zayıf Çok yakın nonpolar Proteinlerdeki nonpolar Waals moleküller ve gruplar gruplar arasındaki veya lipid arasındaki çekim. moleküllerindeki çekim. Biyomoleküllerin Önemi Nedir? -Vücut Sıcaklığı (37ºC) -Vücut sıvılarının pH değeri (7.4) - Vücut sıvılarındaki elektrolit değeri (intraselüler ve ekstraselüler sıvılardaki elektrolit dağılımı) SU DÜNYADA EN BOL BULUNAN SIVI !!!!  SUYUN POLAR YAPISINDAN KAYNAKLANAN ÖZELLİKLER:  1. Yüksek kaynama noktası  2. Yüksek buharlaşma ısısı  3. Yüksek viskozite (akışkanlık)  4. Yüksek yüzey gerilimi  5. Yüksek dielektrik sabiti  SUYUN ÖZELLİKLERİ VE CANLILAR İÇİN ÖNEMİ(1)  1. c(Özgül ısı)= Q/m.∆T Termoregulatör özelliği (diğer sıvılardan 2 kat fazla) göstermektedir. Csu: 1kcal/kg. 0K  2. Yüksek buharlaşma ısısı Canlı vücut sıcaklığının üzerinde sıcaklıklarda yaşayabilir. qv (buharlaşma ısısı)=Q/m su için 1000C de 539 cal/g Tanım: Bir sıvıyı buharlaştırmak için sıvı kütlesi başına gereken ısı miktarıdır. Bir sıvının moleküllerini birbirinden ayırmak için gerekli enerji miktarın ve dolayısı ile moleküller arası bağların gücünün bir ölçüsü olarak düşünülebilir(Bermek E., 1998)  SUYUN ÖZELLİKLERİ VE CANLILAR İÇİN ÖNEMİ(2)  2. Yüksek erime ısısı hücresel su erimiş tuz ve polar nitelikli madde içermesi nedeni ile donma olasılığı düşüktür. 1g. Buzu 00C de su yapmak için gerekli olan ısı 80 cal/g’dir.  3. Yüksek dielektrik sabiti(Ԑ=80) Çok iyi bir iyonik çözücüdür. q q 1 2 F= k  r2  4. Suyun çözücü özelliği hitratlaşma özelliği nedeniyle  SUYUN ÖZELLİKLERİ VE CANLILAR İÇİN ÖNEMİ(3)  5. Suyun iyonlaşma özelliği: Çok seyrek olarak su molekülünün hidrojen atomlarından biri elektronunu kovalent bağlı olduğu oksijen atomuna bırakarak komşu bir su molekülüne geçer. Hidronyum(H3O+) ve hidroksil (OH-) iyonu oluşur. SUYUN HÜCRE İÇİ VE HÜCRELERARASI ORTAMIN ANA BİLEŞENİ OLMASININ NEDENİ:  H bağı oluşturma eğilimi  Dipolar karakteri  Suda rahatlıkla çözünen maddelere HİDROFİLİK (SUYU SEVEN) MADDELER denir. Bunlar su ile H bağları kurarlar. (örneğin, hidroksil bileşikleri, aminler, sülfidril bileşikleri, esterler, ketonlar, vb organik bileşikler) Polar veya iyonik yapıda olmayan ve H bağları oluşturamayan bazı maddelerin sudaki çözünürlüğü sınırlıdır. Bu tip maddelere HİDROFOBİK (SUDAN KORKAN) En bilinen örneği; MADDELER denir. metan (CH4) Örneğin: Hidrokarbonlar Ayrıca hidrofobik moleküller suda birlik (agregat) oluşturma eğilimindedirler. ÖRNEK:Suya damlattığımız yağ damlacıkları birleşerek tek bir damla oluştururlar.  Biyolojik Makromoleküller Polimer yapıdaki Polimer yapıda olmayan Biyolojik makromoleküller Biyolojik makromoleküller Proteinler (aminoasitlerin polimeri) Nükleik asitler(DNA ve RNA)(Nükleotidlerin Lipitler polimerleri), Polisakkaritler (Şekerlerin polimerleri) *Polimer: Aynı türden olan ve bağıl olarak küçük olan moleküllerin ardışık diziliminden oluşurlar.  Amino asitler;  proteinlerin yapıtaşlarıdır. Her aminoasit bir alfa grubuna bağlı bir amino grubu(NH2), bir karboksil grubu (COOH), bir hidrojen ve rezidü (R) denilen molekül içerirler. Yan zincirlerin karekteristiklerine bağlı olarak, amino asitler, a) Polar olmayan (hidrojen bağı yapmayan) yan zincire, b) Polar (hidrojen bağı yapan) yan zincire, c) Elektrikle yüklü (iyonik) yan zincire sahip olanlar şeklinde üç katagoriye ayrılabilmektedir.  Proteinler; Birçok biyolojik reaksiyon, enzim adı verilen proteinler tarafından kontrol ve katalize edilir. Proteinlerin işlevleri: Enzimatik kataliz (enzimler), Taşınma ve depolanma (hemoglobin O2 taşır ve ferritin Fe depolar), Uyumlu hareket (aktin ve miyosin kas hareketini sağlar), Mekanik destek (kollogen), İmmün savunma (antikorlar), Sinir uyarılarının iletimi (reseptör proteinler) biçiminde sıralanabilir. Nükleik asitler; Enformasyon moleküllerdir. Canlının yapı ve işlevleri ile ilgili temel bilgiyi nükleotidlerin dizilimine kodlanmış olarak taşırlar. En yaygın nükleik asitler deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA)'dır. Nükleik asitlerin başlıca işlevi genetik bilgi aktarımını sağlamaktır, ancak bazı RNA türleri katalizör olarak da işlev görürler.  Lipitler;  suda çözünmeyen organik biyomoleküllerdir. Lipitler C, H ve O dan oluşurlar. Canlı organizmaların en önemli enerji kaynaklarından birisidir.  KAYNAKLAR 1- Biyofizik Ders Kitabı. İ.Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi 40. yılda 40 Kitap serisi: Moleküler Biyofiziğe Giriş. İstanbul-2010. 2- Pehlivan F. Biyofiziğe giriş, 8. Baskı, Pelikan Yayıncılık, 2012.