Ünite 1: Canlı Kavramı ve Canlı Kimyası

Yaşamın Maddesel Temeli

Yerküreyi ve üzerinde yaşayan canlıları madde olarak 104 kadar element ve bu elementlerin atomlarının etkileşimi oluşturur. Yaşam hücre içinde belli bir işlevi ya da işlevleri yerine getirmeye yönelik olarak planlanmış, programlanmış ve sürekliliği olan biyokimyasal tepkimeler zincirlerinin tamamıdır. Maddenin hücre içindeki değişim, dönüşüm etkileşimleri cansız sistemdeki değişim ve dönüşümlerle aynı yasalara bağlıdır, farklılıklar göstermez. Canlı ve cansız sistemi ayırt edebilmek için canlıyı meydana getiren atomların organizasyon basamakları:

Atom, Molekül, Birim Molekül (Monomer), Polimer, Polimerler Kompleksi, Hücre Organeli, Hücre (Yasam Birimi), Doku, Organ, Organ Sistemleri, Organizma (Birey) şeklindedir.

Hücre, maddenin ileri derecede organize olmuş yaşam birimidir. Enzim, hücrede sentez ve yıkım reaksiyon basamaklarında kimyasal bir grup ekleyen ya da çıkaran, hücre tarafından üretilen proteinden oluşmuş biyolojik katalizatörlerdir. Koenzim, enzimlerin eklediği ya da çıkarttığı kimyasal grupları taşıyan organik moleküllerdir. Vitamin: Koenzimlerin öncül maddeleridir, besinlerle vücuda alındıktan sonra küçük değişikliklerle koenzimlere dönüşürler.

Canlı sistem çevresi ile hem madde hem de enerji alışverişi yapan açık bir sistemdir ve canlı hücreler sabit sıcaklıkta işlevler yapan kimyasal makinelerdir.

Atomdan Molekül, Makro Molekül, Kompleks Molekül Oluşumunu Sağlayan Bağlar

Yerküreyi oluşturan 104 kadar elementten ancak 27 tanesi canlı sistemde hücrenin yapısında yer almıştır. Bu 27 elementin atom ya da atom grupları hidrojen bağları, iyonik bağlar, kovalent bağlarla birbirine bağlanarak değişik atom kombinasyonlarını oluştururlar. Bu 27 elementten hücre yapısına en fazla giren elementler Karbon (C), Hidrojen (H), Oksijen (O), Azot (N), Fosfor (P) ve Kükürttür (S). Karbon, hidrojen ve azot yer kürenin ancak %1 kadarını oluştururken bu maddelerin canlı sistemde bulunma oranları karbon için %50-60, azot için %8-10, oksijen için %25-30, hidrojen için %3-4’ dür. Sodyum(Na), Potasyum(K), Magnezyum (Mg), Kalsiyum (Ca), Klorür (Cl) elementleri iyon halinde bulunurlar. Diğer elementler canlı sistemde çok az miktarda bulunurlar ve eser elementler olarak adlandırılırlar (S:6, Tablo 1.1).

Hidrojen Bağları: Bu bağlar hidrojen ile başka bir atom arasında ortaklaşa kullanılan elektronların birim zamanda bir atom etrafında daha fazla bulunması ile oluşan negatif (-) yüklerin pozitif (+) yükleri çekmesi ile oluşan bağlardır. Elektronegatif atom, ortaklaşa kullanılan elektronları birim zamanda etrafında daha çok bulunduran atom. Elektropozitif atom, ortaklaşa kullanılan elektronları birim zamanda etrafında daha az bulunduran atom. Elektronegatif oksijen ve azot atomlarının elektropozitif hidrojen atomlarını çekmesi ile oluşan bu bağlar hidrojen bağlarıdır (S:7, Şekil 1.2).

İyonik Bağlar: Net elektron alan, net elektron veren atom ya da atom grupları ile moleküller arasında oluşan bağlardır ( S:7, Şekil 1.3).

Kovalent Bağlar: Elektronların iki atom ya da atom grubu arasında ortaklaşa kullanılması ile oluşan kimyasal bağlardır. Reaktif gruptan suyun çıktığı monomerlerin cinsine göre de bu bağlar gruplara ayrılır:

• Glikozidik Bağ: İki glikoz monomerinin 1. ve 4. karbonlarına bağlı hidroksil (-OH) grupları arasından bir su (H ₂ O) çıkışı ile oluşan bağlardır.
• Peptit Bağları: Aminoasit monomerleri arasında 1. aminoasidin karboksil grubu (-COOH) ile ikinci aminoasidin amin (-NH ₂ ) grubu arasından bir su (H ₂ O) çıkışı ile oluşan bağlardır.
• Ester Bağları: İki farklı molekülün hidroksil (- OH) grupları arasından bir su (H ₂ O) çıkışı ile oluşan bağlardır.

Moleküler Organizasyonu Sağlayan Kimyasal Reaktif Gruplar

Bir molekül üzerinde bulunan karboksil (-COOH), amin (- NH ₂ ), hidroksil (-OH), aldehit (-COH), karbonil (-C=O), hidroksi metil (-CH ₂ OH), fosfat (-PO ₄ -3) grupları o molekülün reaktif gruplarını oluşturur. Moleküller arası bağlanmalar bu reaktif gruplarla olmaktadır. Reaktif grup, biyomoleküllerin yapısında bulunan ve başka moleküllerle reaksiyona girme yeteneği sağlayan kimyasal gruplardır.

Canlı Sistemin Yapısını Oluşturan Organik Moleküller

Canlı yapısında yer alan kimyasallar özelliklerine göre organik ve organik olmayan moleküller olarak ikiye ayrılırlar. Canlıların sentezlediği ve kullandıkları organik bileşiklerin başlıcaları karbonhidratlar, proteinler, yağlar ve nukleik asitlerdir:

Karbonhidratlar: Organik maddelerin en basiti karbonhidratlardır. Karbon (C), hidrojen (H) ve oksijen (O) atomu içerirler. Genel formülleri (CH ₂ O)n dir. Gruplandırılmaları değişik kaynaklarda farklı olmakla birlikte, molekül büyüklükleri esas alınarak üç gruba ayrılırlar.

• Monosakkaritler: Biyolojik olarak en önemli karbonhidratlardır. C _n H2 _n O _n yapısındadırlar. Burada “n” genellikle 3-8 kadar olabilir. Üç karbonlu olanlar trioz, dört karbonlu olanlar tetroz, beş karbonlu olanlar pentoz, altı karbonlu olanlar hekzoz’lar olarak adlandırılırlar.
• Oligosakkaritler: 2-l0 monosakkarit alt biriminden meydana gelirler. Monosakkaritler aralarından bir molekül suyun ayrılmasıyla oluşan glikozid bağı ile birbirine bağlanırlar (Dehidrasyon sentezi). Bunlardan en çok bilinenleri iki monosakkaritin birleşmesiyle meydana gelen disakkaritlerdir. Sakkaroz (sukroz-pancar şekeri ve şekerkamışı şekeri), laktoz (süt şekeri), maltoz (malt şekeri,) iyi tanınan disakkaritlerdir.
• Polisakkaritler: Birbirlerine glikozid bağı ile bağlanmış çok sayıda monosakkarit birimlerinden yapılmış tek uzun bir zincir ya da dallı bir zincir halindeki polimerlerdir. En çok rastlanan polisakkaritler nişasta, selüloz ve glikojendir. Karbonhidratlar bitkilerde nişasta, hayvanlarda ise glikojen halinde (insanda ve memelilerde karaciğer ve kaslarda) depo edilirler. Hayvanlarda bulunan bir diğer polisakkarit ise böceklerin dış iskeletini oluşturan kitin’dir.

Proteinler: Hayvanlarda yapısal madde oluşlarının yanı sıra, tüm canlılarda metabolizma aracı ve düzenleyici rolleri olan maddelerdir. Monomerleri amino asit olan polimer moleküller olup ya tek bir polimer zincirden ya da birden fazla polimer zincirden meydana gelirler. Proteinler canlıda fizyolojik ve biyokimyasal olaylarda çok önemli rol oynarlar. Enzimler, oksijen taşıyıcılar, antikorlar, hormonların çoğu proteinden oluşur. Kanda plazma proteinlerinin kan hacmi ve dengesinin sağlanmasında önemli görevleri vardır.

Bazı omurgalı hayvanlarda tırnak, toynak ve boynuzu oluşturan ve deri hücrelerinin birçoğunun yapısal bir fibröz proteini olan keratin sarmal yapıya sahiptir. Diğer birçok bilinen fibröz hayvansal protein ise, vücuttaki proteinlerin neredeyse üçte ikisini oluşturan kollojen’dir. Bitkiler daha basit maddelerden bütün amino asitleri sentezleyebilirler. Hayvanların sentezleyemediği ve besin içinde dışardan alınması gereken aminoasitlere temel aminoasitler adı verilmektedir.

Yağlar (Lipidler): Yağlar da karbon, hidrojen ve oksijen atomlarından oluşurlar. Metabolizma için başlıca enerji deposudurlar ve canlı dokuların yapılarını kuran önemli yapıtaşı olarak da görev yaparlar. Monosakkaritlerden gram başına 25 kat daha fazla enerji verirler. Her hücrenin çevresindeki hücre zarı ve çekirdek zarı yağlı maddeleri önemli bileşenler olarak içerir. Doymuş yağların fazla alınması durumunda asteroskleroz’a (atardamar duvarlarında yağ birikmesiyle ortaya çıkan damar sertliği) neden olduğu bildirilmektedir.

Yağlar genel olarak: a. Nötral yağlar, Basit lipitler (yağlar, mumlar) b. Bileşik lipitler (fosfolipitler, glikolipitler, lipoproteinler) c. Steroidler olmak üzere üç gruba ayrılırlar.

Nukleik Asitler: Asit özellikli oldukları ve ilk kez çekirdekte (nukleus) tespit edildikleri için bu ismi almışlardır. Monomerleri nukleotit olan polimer zincirlerdir. Kalıtım birimi olan genleri oluştururlar. Nukleik asitlerin temel iki tipi vardır. Birincisi beş karbonlu şekeri riboz olan ribonukleik asit (RNA), diğeri ise beş karbonlu şekeri deoksiriboz olan deoksiribonukleik asit (DNA)’ tir. Nukleik asitler nukleotid adı verilen birimlerden meydana gelirler. Bir nukleotid azotlu bir organik baz, beş karbonlu şeker ve fosforik asit’ten oluşur. Organik bazlar Purin ve pirimidin bazları olmak üzere iki gruptur (Şekil 1.7). Purin bazları her iki nukleik asitte de adenin (A) ve guanin (G), pirimidin bazları ise DNA’da sitozin (C) ve timin (T); RNA da ise sitozin ve urasil (U) dir. RNA’nın şekeri riboz, DNA’nın şekeri ise deoksiribozdur. RNA tek nukleotid zincirinden meydana gelirken DNA iki nukleotid dizisinden oluşur.

Canlı Sistemin Yapısına Giren Organik Olmayan Moleküller

Canlıda bulunan ve organik olmayan maddeler olarak su, karbondioksit, asitler, bazlar ve tuzlar sayılabilir.

Mineraller ve Elektrolitler: Daha önce de söz ettiğimiz gibi mineraller, çok az miktarlarda ancak canlı için son derece gerekli inorganiklerdir.

Su: İki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşan su molekülü görünüşte yapısal olarak çok basitmiş gibi algılanır. Ancak sudaki oksijen ve hidrojenin birbirleriyle yaptıkları kovalent bağlar onun kimyasal yapısına öyle bir özellik kazandırırlar ki, suyun olağan dışı özellikleri ortaya çıkar. Bu yapı sonucu yapısında oksijenin bulunduğu taraf biraz negatif, hidrojenin bulunduğu taraf ise biraz pozitif özellik gösterir. Buna polarize olma (kutuplaşma) deriz. Susuz yaşamın olamayacağını hepimiz biliriz. Genel olarak hücre ağırlığının yarıdan fazlasını su oluşturur. Hücrede gerçekleşen kimyasal reaksiyonların çoğu bu su ortamında meydana gelir.

Canlı Sistemde Enerji Dönüşümü

Canlı sistem için tek enerji kaynağı güneş enerjisidir. Fakat canlılar güneş enerjisini biyokimyasal tepkime basamaklarında doğrudan kullanamazlar. Bu enerjinin depolanabilir, her an kullanılabilir ve taşınabilir enerji formuna dönüştürülmesi gerekir. Canlı sistemde bu özellikleri taşıyan enerji formu ATP (Adenozintrifosfat) dir (S:17, Şekil 1.12). ATP ise, güneş enerjisinin yüksek enerjili kimyasal bağ enerjisine dönüştürülmüş depo şeklidir. ATP’nin yüksek enerjili fosfat bağı koptuğunda (ATP›ADP+P) molekül başına 7,3 kilo kalorilik enerji meydana gelmektedir.

Güneş enerjisi önce klorofilli bitkilerin yeşil yapraklarında fotosentezin ışık reaksiyonlarında ATP ye dönüştürülmekte daha sonra bu ATP enerjisi Fotosentezin karanlık reaksiyonlarında glikozun (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) kimyasal bağ enerjisine dönüştürülmektedir. Canlı sistemde ATP elektronların (e- ) bir zar sisteminde bir vericiden bir alıcıya akarken elektron enerjisinin ADP’ ye fosfat (P) eklenmesinde kullanımı ile üretilir (S:18, Şekil 1.14).

Canlı sistemde elektronların bir zar sisteminde bir vericiden bir alıcıya akarken ATP’nin üretildiği iki olay vardır. Bunlar “Fotosentez” ve “Hücre Solunumu” olaylarıdır. Burada kullanılan elektronların kaynağı hidrojen atomudur. Fakat iki olayda kullanılan hidrojen atomlarının kaynağı farklıdır (S:18, Şekil 1.15).

Canlı sistem çevresi ile hem madde ve hem de enerji alışverişi yapan açık bir sistemdir. Canlının kimyasal bileşenleri arasındaki ilişki dinamiktir. Bir bileşendeki değişimler bir değerindeki değişimlere neden olurken, tüm yapı kendisini oluşturanların ötesinde bir karakter sergiler. Bu yaşam programıdır. Bu yaşam programı kopyalanarak devam eder.