Hücrenin ve Canlılığın Biyofizik Temelleri PDF

Hücrenin ve Canlılığın Biyofizik Temelleri Doç.Dr. Elif Ebru ERMİŞ [email protected] 1 Konu Başlıkları Biyofiziğe Giriş Canlı Maddenin Moleküler Yapısı Modern Atom Teorisinin Tarihsel Gelişimi Canlıların Atomik...

Hücrenin ve Canlılığın Biyofizik Temelleri Doç.Dr. Elif Ebru ERMİŞ [email protected] 1 Konu Başlıkları Biyofiziğe Giriş Canlı Maddenin Moleküler Yapısı Modern Atom Teorisinin Tarihsel Gelişimi Canlıların Atomik ve Moleküler İçeriği Kimyasal Bağlar 2 Biyofizik Nedir? AMAÇ Atom Teorileri Kimyasal Bağlar 3 Biyofiziğe Giriş Biyofizik, terim olarak ilk olarak 1982 yılında bio-physics şeklinde kullanılmıştır. Biyofizik ‘canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanması’ daha kısa bir şekilde ‘canlı organizmaların fiziği’ ya da ‘biyolojinin fiziği’ olarak ifade edebiliriz. 4 ▪ Biyolojinin problemlerine fizik açısından yaklaşması, fiziğin deney yöntemlerini kullanması ve biyolojik olayları fiziğin kavram, ilke ve yasaları ile açıklanması önemlidir. ▪ Biyofiziğin temel işlevi biyolojiye veya tıbba yalnızca fiziksel araç veya yöntem vermek değildir. Bir temel bilim olan biyofizik ile uğraşmak, ‘canlı organizmalar ile ilgili problemleri fizik kavramları ile formüle etmek ve fiziğin yasaları ve ilkeleri ile açıklamaya çalışmak’ demektir. 5  Tıp ve biyolojinin uygulamalı dalları ile fiziksel disiplinler arasında köprüler kuran klinik biyofizik, medikal fizik ve biyomedikal mühendislik gibi alanlarda uygulamaya yönelik melez disiplinlerde yer almaktadır. 6 Canlı Maddenin Moleküler Yapısı ❑ Canlı madde doğadaki diğer madde gibi atom ve moleküllerden oluşur. ❑ Doğadaki madde saf maddeler ve karışımlar olmak üzere ikiye ayrılır. ❑ Saf maddeler, elementler ile bunların kimyasal bileşiklerinden oluşur. ❑ Canlı madde de bir karışımdır. ❑ Canlı maddeyi tanımak ve davranışını açıklayabilmek için onu oluşturan saf bileşiklerin niteliklerinin ayrı ayrı saptanması doğal bir başlangıç noktasıdır. 7 ❖ Elementler ve bileşikler saf maddelerdir. ❖ Bileşikler, birden fazla elementin belirli oranlarda kimyasal olarak birleşmeleri sonucu bileşikler meydana gelir. Bileşiği meydana getiren öğeler artık kendi özelliklerini kaybetmişlerdir. Bir bileşiğin bütün özelliklerini taşıyan en küçük birimine molekül denir. O halde canlılar, moleküler yapılardır. ❖ Atomlar arası etkileşimler molekül içi organizasyonu, moleküller arası etkileşimler ise doğrudan doğruya canlı özelliklerini tayin eder. 8  Maddenin Çeşitleri Element Bileşik Karışım Kimyasal reaksiyonlarla İki veya daha fazla daha basit parçalara Kimyasal ve fiziksel elementin birleşmesi özelliklerini koruyarak bölünemeyen sonucu oluşan ve maddelerdir. Örnek bir arada bulunan olarak; hidrojen, oksijen kimyasal yollarla maddelerdir. Örnek ayrışabilen maddelerdir olarak; tuzlu su 9 Modern Atom Teorisinin Tarihi Gelişimi Atom kavramı ilk kez M.Ö. 450-420 yıllarında Yunan filozofları Democritus ve Leucippus tarafından ileri sürülmüştür. Atom sözcüğünün anlamı Yunancada ‘bölünemez’ Atom, çekirdek ve elektron demektir. kabuklarından oluşmaktadır. Çekirdek, protonlar ve nötronlardan oluşur. 10  Çekirdek, artı yüklü proton ve yüksüz nötrondan meydana gelir. Atomun ağırlığını nötron ve proton sayısı belirler, elektronun ağırlığı ihmal edilebilecek kadar azdır (Proton ağırlığının yaklaşık 2000’de biri). 11  Atomun temel kimyasal özelliğini çekirdeğindeki proton sayısı (Z: atom numarası) belirler. Çekirdekteki toplam parçacık sayısı (nötron ve proton toplamı) atomun kütle numarasını (A) verir. Yüksüz bir atomda, elektron sayısı proton sayısına eşittir. 12 İzotop İzobar İzoton Atom ve kütle numaraları Proton Kütle farklı fakat sayıları aynı numarası aynı nötron 131 131 125 127 53I, 53I 53I, 55Cs sayıları aynı 131I , 133Cs 78 78 13  Atom No Kütle No Nötron Sayısı İzotop Aynı Farklı Farklı İzobar Farklı Aynı Farklı İzoton Faklı Farklı Aynı 14 Elementler, artan atom numaralarına göre Mendeleev tarafından periyodik tablo oluşturulmuştur (1868). 15  20. yy’ın başlarına kadar atomun Z adet pozitif yük taşıyan bir çekirdek ile bunun çevresinde tıpkı gezegenlerin güneş etrafındaki hareketlerine benzer hareketler yapan Z adet elektrondan oluştuğu kabul edilmekteydi. 1900 yılında Max Planck ışık radyasyonunun, madde atomları tarafından dışarıya enerji salınması sonucu oluştuğunu ve yayılan enerji miktarı ile ışığın dalga boyu arasında ilişki olduğunu açıklamıştır. Atomlardan enerji kaybı minimum miktarın tam sayı katlarına eşit olması gerektiğini ifade etmiştir. Bu minimum miktarı enerji kuantumu olarak adlandırmıştır. 16 ✓ 1913 yılında Niels Bohr, hidrojenin kesikli ışınım tayfına göre hidrojen atomunun sadece belirli dalga boylarında ışık yayınlayıp soğurabilmesi için atomda sadece belirli enerji değişiklikleri mümkündür. ✓ Bohr’a göre atomdaki enerjinin bu şekilde kuantize oluşu atomdaki tek elektronun sadece belirli enerji düzeylerinde yani belirli yörüngelerde bulunabileceğini ifade etmiştir. 17 →Heisenberg ❑ Bohr atom modelindeki yörünge yarıçaplarının belirsizlik ilkesi kesin değerler ile ifade edilmesi sonraki yıllarda kabul edilen Heisenberg belirsizlik ilkesine ters düşüyordu. ❑ Aynı dönemde De Broglie’nin madde dalgaları kuramını açıklamıştır. ❑ Yeni kurama göre elektronlarda dalga hareketi yapabilirdi. →De Broglie dalga ❑ Bu durumda, çekirdek çevresinde belirli boyu yörüngelerde dönen elektronlar yerine çekirdek çevresinde oluşan kararlı elektron dalgalarının varlığı açıklandı (Schrödinger). 18 ❑ Elektron bulunma olasılığın en yüksek olduğu bölgelere orbital adı verilir. Atom üç boyutlu olduğu için her orbital üç adet kuantum sayısı ile tanımlanır. ❑ Elektronların kendi etrafındaki dönüşleri yani spin de göz önüne alınarak dördüncü bir kuantum sayısı tanımlanmıştır. ❑ Pauli’nin aynı atomda bütün kuantum sayıları aynı olan iki elektron olmayacağını, spinleri birbirine zıt olmak üzere iki elektron olmalıdır. 19  Baş kuantum sayısı→ n=1,2,3,… Yörünge kuantum sayısı→ l=n-1 Magnetik kuantum sayısı→m=0, -l,..,l Spin kuantum sayısı→s=±1/2 20  Elektronların yörüngeleri içten dışa K, L, M, … şeklinde isimlendirilir. Her bir yörüngede en fazla kaç Örneğin, K elektron yörüngesinde en bulanabileceği 2n2 fazla 2, L formülüyle yörüngesinde en hesaplanır. n fazla 8 elektron yörünge (baş bulunabilir. kuantum sayısı) numarasını ifade eder. 21  Dış yörüngelere gidildikçe elektronun bağlanma enerjisi azalır. Bir atomdan elektron koparabilmek için, en K yörüngesindeki az yörünge bağlanma elektron, protona yakın enerjisi kadar enerji olduğundan yörünge uygulanmalıdır. bağlanma enerjisi daha yüksektir. 22 Canlıların Anatomik ve Moleküler İçeriği Biyolojik türlerin ve bir türe ait bireylerin çeşitliliğine karşılık, biyolojik moleküller ve biyokimyasal reaksiyonlar o kadar çeşitli değildir. Bütün canlılarda temel yapıtaşı olan moleküler yapılar ve reaksiyonlar hemen hemen aynıdır. Karmaşık yapı gibi görünen biyolojik makromoleküller de, kuantum fizikçisi Schrödinger’in ifadesi ile, birer aperiyodik kristalden başka bir şey değildir. Örneğin, tüm proteinler kadar aminoasit rezidüsünün farklı şekil ve sayıdaki sıralanımından, tüm nükleik asitler ise yalnızca 5 çeşit nükleotidin farklı şekilde sıralanımından oluşmaktadır. 23 Biyolojik moleküller genellikle, C, H, O, N, P, S gibi hafif elementlerin atomlarından oluşur. Diğer yandan, Na, K, Ca, Mg, Cl elementlerinin iyonları canlılarda önemli işlevler yürütürler. Az miktarda, Fe, Zn, Cu, Co, Se, F ve I gibi elementlerinde önemli rolleri vardır. 24 Kimyasal Bağlar Pek çok elementin atomları diğer atomlara bağlanarak daha kompleks ve yeni moleküller meydana getirme özelliğine sahiptirler. İki veya daha fazla atomu bir arada tutan çekim kuvvetine kimyasal bağ adı verilir. 25 ▪ Serbest halde ve birbirinden çok uzakta bulunan iki atomun elektronları yalnızca çekirdeğin çekim kuvveti ile birlikte bulunduğu diğer elektronların itme kuvveti etkisi altındadır. ▪ Bu iki atom bir molekül oluşturmak üzere yan yana geldiklerinde ise elektronlar her iki atomun çekirdek ve elektronlarının etkisi altına girerler. Bu karşılıklı etkileşimler sonunda atomlar yeni bir düzenleme ile kararlı bir yapıya ulaşırlar. ▪ Elektronların yeniden düzenlenmesi sırasında kimyasal bağlar meydana gelir. Genellikle oluşan molekülün enerjisi atomların enerjilerinin toplamında daha küçüktür. 26  Bazı elementlerin atomları ancak belirli ve sınırlı sayıda bağ yaparken, diğer elementlerin atomları farklı fakat aynı oranda düzenli ve sınırlı bağlar yapmaktadır. Kimyasal bağları; 1. İyonik Bağlar 2. Kovalent Bağlar 3. Hidrojen Bağları 4. Molekül veya Van der Waals Bağları 27 İyonik Bağlar Atomlar ancak dış elektron tabakasında bulunan elektronları tamamladıkları zaman kararlı bir yapıya ulaşırlar. İyonik bağlar bir veya birkaç elektronun atomdan ayrılıp diğer atoma geçmesi sonucu pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasında meydana gelir. Burada etkin olan kuvvet bir bağ değil, farklı elektrikle yüklü taneciklerin birbirini çekmesidir. 28 Ne demek istedik bir örnek ile açıklayalım!!! Sodyum atomu gibi elektronu verme eğilimli bir donör ile klor atomu gibi elektron alma eğilimli bir akseptör yan yana gelecek olursa bu elektron sodyumdan klora transfer edilir. Bu durumda sodyum atomu bir elektron kaybetmiş olur ve +1 değerlikli bir iyon haline gelir. Klor atomu ise elektron kazanır ve -1 yüklü iyon haline gelir. 29  + ve – yüklü atomlara iyon denir. Bu şekilde iki iyon arasında oluşan bağa iyonik bağ denir. Bu durumda sodyum ve klor iyonları Na+ ve Cl- şeklinde ifade edilir. Zıt yükler birbirini çektiğinden pozitif yüklü sodyum ile negatif yüklü klor birbirini çekecek sodyum klorür molekülü oluşacaktır. Mutfak tuzudur. Zıt yüklü iki iyon arasında oluşan elektrostatik çekim kuvvetine iyonik bağ adı verilmektedir. 30 Kovalent Bağlar Elektronların iki atom tarafından ortaklaşa kullanılması ile oluşan kimyasal bağlara kovalent bağ denir. İyonlaşma enerjileri birbirine eşit veya çok yakın atomların meydana getirdikleri bağlardır. Bu durumda atomlar asal gaz yapısına elektronları paylaşarak ulaşmaktadırlar. 31 Hidrojen molekülünde her atom iki elektronu ortaklaşa kullanmaktadır. Her iki atomda K elektron tabakasını iki elektron ile doldurduğu için daha kararlı yapıya ulaşmıştır. 32  Hidrojen örneğinde olduğu gibi, aynı elementin iki atomu birbirine bağlanacak olursa, elektronlar için iki atomdan biri daha fazla çekim kuvvetine sahip değildir. Yani iki elektron da iki hidrojen atomu tarafından aynı oranda çekilmektedir. 33  Bir bağda, negatif yüklü elektron bir atomdan diğerine daha yakın bulunacak olursa, bu bağa polar kovalent bağ adı verilir. H2O molekülünde elektronlar oksijene, hidrojenden daha yakın bulunmaktadır. O’nin L tabakasında 6 elektron bulunmaktadır. İki hidrojenden gelen iki elektron bu sayıyı 8 e çıkarmaktadır. Asal gaza benzetmektedir. Herbir H’de O’nin bir elelektronunu ortaklaşa kullanıp K tabakasını iki elektrona çıkarmakta ve daha kararlı bir yapı sağlamaktadır. 34  Eğer bir bağda negatif yüklü elektron, iki atom tarafından eşit kuvvet ile çekiliyorsa, bu bağa polar olmayan kovalent bağ adı verilir. 35  Kovalent bağlar ile iyonik bağlar arasındaki fark enerjilerdir. Kovalent bağlı bir bileşikte elektron çiftleşmesi ile meydana gelecek enerji bir elektronu atomdan ayıracak kadar büyük değildir. 36 Hidrojen Bağları Eğer tek bir H atomu, O ve N gibi iki elektronegatif atom arasında ortaklaşa kullanılırsa hidrojen bağı oluşur. 37  Polar su molekülleri arasında meydana gelen hidrojen bağları bu tip bağlara örnek olarak gösterilebilir. Su molekülünde herbir hidrojen kendi oksijen molekülüne kovalent bağlanmıştır. Fakat hidrojene ait elektronun oksijene daha yakın bulunmasından oksijen negatif değer kazanmıştır. Bu elektron ise hidrojenden uzaklaştığı için hidrojen pozitif değer kazanmıştır. Bu durumda her bir su molekülünün oksijeni, diğer molekülün hidrojenini hafifçe çeker. Her bir su molekülü hidrojeni de diğer molekülün oksijenini çekecek. Böylece su molekülünün hidrojeni ile diğer molekülünün oksijeni arasında bir hidrojen bağı oluşacaktır. 38 Van der Waals Bağları Bir molekülün polar olmayan grupları arasında meydana gelen bağlara Van der Waals bağları adı verilir. Zayıf bağlar organizmada bulunan büyük moleküllerin şekillerini stabilize etmede kritik rol oynamaktadır. Zayıf bağlar sayesinde bu tip büyük moleküller daha düzenli bir şekilde bulunmaktadır. 39 40