Biyokimyaya GiriÅŸ

1. Biyokimyaya Giriş Yrd. Doç. Dr. Ahmet GENÇ Adıyaman Üniversitesi Sağlık Hizmetleri Meslek Yüksekokulu

2. Kaynaklar • Lehninger Biyokimyanın İlkeleri, Çeviri Editörü: Prof.Dr. Necdet Kılıç, Palme Yayıncılık, 3. Baskı, 2005 • Harper’ın Biyokimyası, Çeviri Editörü: Prof. Dr. Nurten Dikmen, Prof. Dr. Tuncay Özgünen, 26. Baskı, 2004 • Lippincott Biyokimya, Çeviri Editörü: Doç. Dr. Engin Ulukaya, 3. Baskı, 2007

3. Canlı organizmalar cansız moleküllerden oluşur. Bu moleküller birbirinden ayrılıp tek başlarına incelendiğinde, cansız maddenin davranışını tanımlayan tüm fiziksel ve kimyasal kurallara uydukları görülür. Ayrıca canlı organizmalar gelişigüzel bir araya getirilmiş herhangi bir molekül topluluğunca sergilenmeyen olağanüstü niteliklere sahiptir. Canlı organizmalar kendini-eşleme ve kendini oluşturma özellikleri vardır. Yaşamın Moleküler Anlamı

4. Biyokimya Yaşamın Farklı Biçimlerini Birleştirici Kimyasal Terimlerle Açıklar Canlı organizmalar cansız moleküllerden oluşuyorsa, bu moleküller yaşam birlikteliği nasıl sağlanmaktadır?

5. Biyokimya tüm organizmalarda ortak olan yapıları, mekanizmaları ve kimyasal süreçleri moleküler anlamda tanımlar ve bütünüyle yaşamın moleküler anlamını diyebileceğimiz yaşamın tüm değişik formlarının, ilkelerinin yaşamla bağdaşan düzenleyici ilkelerini açıklar. • Biyokimya tüm organizmalarda ortak olan yapıları, mekanizmaları ve kimyasal süreçleri moleküler anlamda tanımlar

6. Monomerik altbirimler Amino asitler (20 farklı çeşit) İngilizce alfabesinin harflari (26 farklı çeşit) Deoksiribo-nükleotidler (4 farklı çeşit) Tüm Makromoleküller Birkaç Basit Bileşikten Oluşur • Canlı sistemlerin moleküler yapıtaşlarının pek çoğu, H, O, N ve diğer C atomlarıyla yada kovalent şekilde bağlı karbon atomlarından oluşur. • Amino asitler, nükleotidler ve monosakkaritler gibi organik bileşikler olan makromoleküllerin (proteinler, nükleik asitler ve polisakkaritlerin) monomerik alt birimleri olarak işlev görürler • DNA; 4 çeşit deoksiribonükleotidlerden • RNA; 4 çeşit ribonükleotidlerden • Proteinler; 20 farklı aminoasitlerden oluşmaktadır Düzenli doğrusal diziler 8 altbirimden oluşan bir parça için olası dizi çeşitlerinin sayısı

7. Bütün monomerler organizmalarda aynıdır. Bu monomerlerin üç boyutlu düzenlenmeleri,genler, katalizörler, hormonlar ve diğerleri gibi özel biyolojik işlevlerini belirler. • Tüm makromoleküllern monomerlerin birçoğu hücrelerde birden fazla işlev görmektedir. • Nükleotidler: enerji-taşıyıcı moleküller • Amino asitler: hormonlar, nörotransmitörler, pigmentler..

8. Tüm canlılar moleküllerini aynı çeşit monomerik altbirimlerden oluşurlar • Bir makromolekülün yapısı ona özel biyolojik işlevini belirler. • Her cins ve tür, belirleyici makromolekül dizisiyle tanımlanır

9. Kimyasal Bileşim ve Bağlanma • Doğal olarak bulunan 90’dan fazla kimyasal elementten sadece 30 kadarı canlı organizmalar için esastır. • Canlı organizmalarda bulunan elementlerin çoğu nispeten düşük atom numaralarına sahiptir; sadece 5 tanesinin atom numarası 34’ten büyüktür. • Canlı organizmalarda, bütün atomların yüzdesi olarak, en fazla bulunan element H, O, N ve C’dur, hepsi hücrenin %99’undan fazlasını oluşturur. Bunlar, sırasıyla bir, iki, üç ve dört bağ yapabilmektedir

10. Moleküler Bileşim Dinamik Kararlı Durumu Yansıtır

11. Enzimler Kimyasal Tepkime Dizilerini Başlatır • Birkaçı dışında metabolik katalizörler, proteinlerdir (Birkaç RNA molekülünün katalitik rolü vardır). • Birkaçı dışında her enzim, özgül bir tepkime katalizler ve hücrede her bir tepkime farklı bir enzim tarafından katalizlenir • Enzimlerin çokluğu, özgüllükleri ve düzene duyarlılıkları, hücrelere aktivasyon engellerini seçici şekilde düşürme yeteneği sağlar. • Hücrelerde enzim-katalizli binlerce kimyasal tepkime, yol adı verilen, bir tepkimenin ürününün bir sonrakinde reaktan (tepken) olduğu, birçok farklı ardışık tepkime dizininde işlevsel olarak düzenlenmiştir

12. Enzimler Kimyasal Tepkime Dizilerini Başlatır • Bazı yollar organik besinleri kimyasal enerjiye özütlemek ve hücre için yararlı biçime çevirmek üzere basit son ürünlere dönüştürür. Bu yıkan, serbest enerji oluşturan tepkimelere katabolizma adı verilir • Diğer yollar küçük öncül moleküllerle başlar; proteinler, nükleik asit gibi daha büyük ve karmaşık moleküllere çevrilir. Enzim-katalizli yolları değişmez bir şekilde enerji alınmasını gerektirir ve buna anabolizma adı verilir • Katabolizma ve anabolizma yolları hücresel metabolizmayı oluşturur. • ATP bu yollarda katabolik ve anabolik bileşenleri arasında başlıca bağlayıcı halkadır

13. Metabolizma Denge ve Ekonomi Sağlamak Üzere Düzenlenir • Canlı hücreler aynı anda karbohidrat, yağ, protein ve nükleik asit moleküllerinin binlerce çeşidini ve onların basit altbirimlerini sentezlemekle birlikte sadece hücrenin gereksinim duyduğu miktarlarda sentezlenmesini sağlar • Ör, hücre çoğalmasında proteinler ve nükleik asitlerin öncülleri yüksek oranda bulunurken, çoğalmayan hücrede gereksinim duyduğu miktar kadar bulunur. • Her metabolik yoldaki anahtar enzimler öyle düzenlenir ki, öncül molekülünün her tipi, hücrenin o andaki gereksinimlerine uygun miktarda oluşturulur.

14. Depo besinler Diğer hücresel iş İzolösin Sentezi Karmaşık biyomoleküller Sindirilmiş besinler Solar fotonlar Mekanik iş • Eğer hücre protein sentezi için gerektiğinden fazla izolösin sentezlemeye başlarsa, kullanılmayan izolösin molekülleri birikir. • İzolösinin yüksek derişimleri, sentezine ait yolun ilk enziminin aktivitesini inhibe eder; izolösin amino asidinin üretimi yavaşlar. • Bu şekilde geribeslemeli (feedback) inhibisyon her metabolik araürünün üretimi ve kullanımı dengede tutmaktadır. Osmotik iş Katabolik tepkime yolları (egzergonik) Anabolik tepkime yolları (endergonik)

15. Metabolizma Denge ve Ekonomi Sağlamak Üzere Düzenlenir • Canlı hücreler kendi katalizörleri olan enzimlerin sentezlerini de düzenler. Böylece bir hücre, bir ürünün yeterince sağlandığı durumda, bu ürünü yapmak için gereken enzimin sentezini durdurabilir. • Canlı hücreler sürekli olarak en ekonomik duruma ayarlanmak üzere kendini düzenleme özellikleri vardır

16. Biyomoleküller

17. Çok bulunan elementler: H, C, N, O, Na, P, S, Cl, K, Ca Bunlar hücre ve dokuların yapısal bileşenleridir ve gram düzeyinde bulunması gerekir Diğer elementler ise eser (iz) elementler olup gereksinimleri insanlar için çok azdır: insanlar için birkaç miligram Fe, Cu ve Zn, diğerleri ise çok az daha miktarda kullanılmaktadır

18. İz (eser) elementler insan vücut ağırlığının çok küçük kısmını temsil eder anacak tümü genellikle enzimleri de içeren özgül proteinlerin işlevleri için şart olduklarından, yaşam için vazgeçilmezdir. • Fe, I, P, S, Cu, Zn vb. • Ör, hemoglobin molekülünün oksijen-taşıma kapasitesi kesinlikle, kütlesinin sadece %0.3’ünü oluşturan dört demir iyonuna bağlıdır.

19. Biyomoleküller Karbon Moleküllerdir • Canlı organizmanın kimyası, hücrelerin kuru ağırlığının yarısından fazlasına karşılık gelen karbonun çevresinde düzenlenmiştir. • Karbon, hidrojen atomlarıyla tekbağ, oksijen ve azot atomlarıyla hem tek, hem de çift bağ yapabilir. • Karbon atomlarının biyolojideki en büyük önemi, çok dayanıklı olan karbon-karbon tek bağlarını oluşturmak amacıyla elektron çiftlerini diğer karbon atomlarıyla paylaşabilmesidir

20. Kimyasal bağlar • Kovalent bağlar • Hidrojen bağları • İyonik bağlar • Van der Waals bağları

21. Kovalent bağlar • İki ametal arasında elektronların ortaklaşa kullanımıyla oluşan bağa kovalent bağ denir. • Farklı cins iki ametâl arasında oluşan bağa polar kovalent bağ denir. Son yörüngelerdeki elektronlar ortaklaşa kullanılır. Polar kovalent bağ sonucunda oluşan molekül bileşik molekülüdür. Ör, H2O • Negatif yüklü elektronun bağa katılan iki atom tarafından eşit kuvvette çekildiği kovalent bağa non-polar (apolar) kovalent bağ denir. Aynı cins iki ametâl atomu arasında  oluşan bağa denir • Ör, H2

22. Polar Kovalent Bağ Apolar Kovalent Bağ

23. Hidrojen bağları • Bir hidrojen (H) atomunun oksijen (O) ve azot (N) gibi bir elektronegatif atoma kovalent bağlanması halinde sonucunda oluşur İyonik bağlar • İyonik bağ, zıt ve eş yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik kuvvetlere dayanan bir kimyasal bağ türüdür.Ör, NaCl

24. Wan der Waals Bağ • Bir molekülün pozitif diğerinin de negatif yüklü kısımları arasında kısa süreli zayıf çekim kuvvetleri oluşur. Bu kuvvetlerin etkisi ile moleküller arasında oluşan bağlara Wan der Waals bağları denir. Oldukça zayıf olan bu bağ çeşidinin kuvveti molekül büyüklüğü arttıkça artar. • Kovalent bağlı apolar moleküllerde (H2, CO2, N2 gibi) ve soygazlarda yoğun fazlarda sadece kütlelerinden kaynaklanan bir çekim kuvvetine denilmektedir

25. Amino Asitler, Peptidler ve Proteinler

26. Proteinler • Tüm hücrelerde ve hücrelerin de tüm bölümlerinde en çok bulunan biyolojik makromoleküllerdir. Tek bir hücrede bile binlerce farklı çeşitte ve büyüklükte bulunur. • Genetik bilginin ifadelendiği moleküler araçlardır. • Tüm proteinler 20 aminoasidin doğrusal diziler halinde kovalent olarak bağlanmasıyla oluşur. • Farklı organizmalar bu 20 amino asidin farklı dizilimleri sonucunda enzimler, hormonlar, antikorlar, taşıyıcılar, kas, tüyler, örümcek ağları, boynuz, mantar zehirleri, gibi sayısız faklı biyolojik aktiviteye sahip ürünler oluşturmaktadır.

27. Lusiferaz enziminin katalizlediği, lusiferin proteini ve ATP’nin tepkimesi sonucu ışık oluşur Kreatin proteini tüm omurgalılarda; saç, pul, boynuz, yün, tırnak ve tüyün başlıca yapısal elemanıdır

28. Proteinler • Aminoasitlerin dehidrate (su kaybetmiş) polimerleridir, her bir amino asit kalıntısı (rezidüsü; bir amino asidin diğeriyle bağlanırken su kaybetmesini yansıtır) yanındakine özel bir tip kovalent bağla bağlanmaktadır. • Proteinler çok çeşitli yöntemlerle yapısal amino asitlerine yıkılabilir (hidrolizlenebilir) • Proteinlerin yapı taşı olan amino asitlerin isimleri, bazen ilk izole edildiği kaynaktan türetilmiştir. • Asparajin  Asparagus (kuşkonmaz) • Tirozin  peynir (tyros) • Glisin  (glykos, tatlı)

29. Amino Asitler Ortak Yapısal Özellikleri • Doğada 300 den fazla amino asit tanımlanmış olmasına rağmen bunlardan sadece 20 tanesi memelilerin proteinlerinin yapısında bulunmaktadır. • Proteinlerde bulunan 20 standart amino asidin hepsi de α-amino asittir. • Aynı karbon atomuna bağlı (α-karbon) bir karboksil grubu (COO-), bir amino grubu (NH3+) ve yan gruba (R-Grubu) sahiptir • Aminoasitlerin sudaki çözünürlüğünü etkileyen elektrik yükü, büyüklük ve yapısal yönden farklı olan yan zincirleri veya R-gruplarıyla birbirlerinden ayrılırlar

30. Bu yapı bir α-amino asit hariç hepsinin ortak yapısıdır

31. Amino Asitler Ortak Yapısal Özellikleri • Standart amino asitler proteindeki kompozisyon ve dizilimlerini belirlemek amacıyla 3-harfli kısaltma veya tek harfli sembol olarak gösterilmektedir. Ör, Alanin-Ala-A; Glisin-Gly-G; Glutamin-Gln-Q • Glisin dışındaki tüm standart amino asitlerde α-karbon atomu 4 farklı grupla bağ yapar: • Karboksil grubu • Amino grubu • R grubu • H atomu

32. Amino Asitler Ortak Yapısal Özellikleri • Proteinlerde bu karboksil ve amino gruplarının hemen tamamı peptid bağının yapısında yer alır ve genellikle (hidrojen bağı oluşumu hariç) kimyasal reaksiyonlara girmez • Bu nedenle, bir amino asidin proteindeki rolünü belirleyen yan zincirlerin yapısıdır.

33. Amino Asitler R Gruplarına Göre Sınıflandırılırlar • Amino asitler R gruplarının özelliklerine göre, özellikle polariteleri veya biyolojik pH’ta suyla tepkimeye girme eğilimlerine göre 5 ana sınıfta gruplandırılırlar. • R gruplarının polaritesi, tamamen polar olmayan ve hidrofobik, yüksek oranda polar veya hidrofiliğe kadar çeşitlidir • Polar olmayan (nonpolar), Alifatik R grupları • Aromatik R Grupları • Polar, Yüksüz R Grupları • Pozitif Yüklü (Bazik) R Grupları • Negatif Yüklü (Asidik) R Grupları

35. 1. Polar Olmayan, Alifatik R Grupları • Bu amino asitlerin yan zincirleri (R grupları) polar olmayan ve hidrofobiktir. • Proteinlerde alanin, valin, lösin ve izolösinin yan grupları bir araya gelip kümeleşerek, hidrofobik etkileşimlerle protein yapısını sabitler. Glisin Alanin Valin İzolösin Lösin Metiyonin

36. 2. Aromatik R Grupları • Aromatik (halkasal) yan zincirli fenilalanin, tirozin ve triptofan polar olmayan (hidrofobik) aminositlerdir • Hepsi hidrofobik etkileşimle katılabilir. • Triptofan ve tirozin, bir dereceye kadar da fenilalanin ultraviyole ışığını absorblar. Bu özellik proteinlerin tanımlanmasında kullanılmaktadır. Fenilalanin Triptofan Tirozin

37. Birçok molekül ışığı belirli dalga boyunda absorblar. • Ör, Aromatik R Grupları olan triptofan ve tirozin 280 nm Absorbans Dalgaboyu (nm)

38. 3. Polar Yüksüz R Grupları • Polar olmayan amino asitlere göre suda daha fazla çözünebilir ve hidrofiliktir • Bu amino asitler: serin, treonin, sistein, prolin, asparajin ve glutamindir. Serin Treonin Sistein Prolin Glutamin Asparjin

39. 4. Pozitif Yüklü (Bazik) R Grupları • R gruplarında ikinci bir amino grubuna sahip olan lizin, arjinin ve histidin pH 7’de pozitif yüklü R grubu içeren amino asitlerdir. Histidin Arjinin Lizin

40. 5. Negatif Yüklü (Asidik) R Grupları • R gruplarında ikinci bir karboksil grubuna sahip aspartat ve glutamat pH 7’de negatif yüke sahip R grubu içeren amino asitlerdir. Aspartat Glutamat

41. Lambert-Beer Yasası: Işığın Moleküller Tarafından Emilimi (Absorbsiyonu) • Işık absorbansının spektrofotometreyle ölçümü moleküllerin saptanması, tanımlanması ve çözelti içerisindeki derişimlerinin ölçümünde kullanılır. Belli bir dalga boyunda bir çözelti tarafından absorblanan ışığın miktarı; ışığın katettiği mesafenin uzunluğuna ve absorblayan maddenin derişimine bağlıdır. Geçen ışığın yoğunluğu I Gelen ışığın yoğunluğu Io Monokromatör Dedektör Işık C mol/litre absorblayan türleri içeren örnek küveti

42. I0: Gelen ışığın yoğunluğu, • I: geçen ışığın yoğunluğu, • Є: molar ekstinksiyon katsayısı (mol-cm başına litredeki birim), • c: absorblayan maddenin derişimi (litre başına mol cinsinden) ve • l: ışığı abroblayan örneğin yolunun uzunluğu (cm cinsinden) • Absorbans =A = Işığın katettiği yolu 1.0 cm ve sabit olduğunda absorbans çözeltinin derişimiyle doğru orantılıdır Geçen ışığın yoğunluğu I Gelen ışığın yoğunluğu Io Işık Dedektör Monokromatör C mol/litre absorblayan türleri içeren örnek küveti

43. Standart Dışı Amino Asitler Önemli İşlevlere Sahiptir • Proteinler, 20 standart amino asit dışında polipeptidlerde yer alan ve standart amino asit kalıntılarının modifikasyonuyla oluşan standart dışı amino asit kalıntıları da içerebilir. • Standart dışı amino asitlerden 4-hidroksiprolin prolinin, 4-hidroksilizin lizinin türevidir. 4-hidroksiprolin bitki hücre duvarı proteinlerinde ve her ikisi de bağ dokunun fibröz proteini olan kollajende bulunurlar. • 6-N-Metillizin kas dokusunun kontraktil proteini olan miyozinin yapısal elemanıdır. • γ-karboksiglutamat pıhtılaşma proteinlerinde protrombinde ve biyolojik işlevi Ca2+ bağlayan diğer proteinlerde bulunur

44. Standart Dışı Amino Asitler Önemli İşlevlere Sahiptir

45. Standart Dışı Amino Asitler Önemli İşlevlere Sahiptir • Ornitin ve sitrülin arjinin biyosentezinde ve üre döngüsünde anahtar ürünlerdir.

46. Peptitler Amino Asit Zincirleridir • İki amino asit molekülü peptit bağı adı verilen bir amit bağıyla kovalent bağlanabilir ve sonuçta dipeptit oluşur. • Peptit bağı bir amin asitin α-karboksil grubu ile diğerinin α-amino grubu arasında suyun uzaklaşmasıyla oluşur. Dipeptit Bağı

47. Üç amino asit, iki peptit bağıyla bağlanırsa tripeptit oluşur. Benzer şekilde tetrapeptitler, pentapeptitler ve çok sayıda amino asidin bağlanmasıyla polipeptitler oluşur. • Çoğu zaman “protein” ve “polipeptit” birbirlerine benzer anlamda kullanılmaktadır Amino-terminal uç Karboksi-terminal uç

48. AlanilGlutamilglisillizin

49. Biyolojik Olarak Aktif Peptitler ve Polipeptitler Çok Geniş Bir Büyüklük Sınırına Sahiptir • Doğadaki peptitler iki amino asitten birkaç bin amino asit kalıntısına kadar uzunlukta olabilir. • Birçok ufak peptit çok düşük derişimlerde etkisini gösterir. Örneğin çok sayıda omurga hormonu küçük peptitlerdir. • Oksitosin (9 amino asit kalıntısı) arka hipofizden salınan uterus kasılmasını uyaran bir hormondur • Küçük polipeptitler ve oligopeptidlere örnek ise biri 30 diğeri 21 amino asit kalıntısı olan iki polipeptit zincirinden oluşmuş pankreatik hormon insülindir • Glukagon ise insüline zıt etki gösteren bir diğer pankreatik hormondur (29 amino asit).

50. Ticari olarak sentezlenen Aspartam olarak bilinen yapay tatlandırıcı, küçük amino asitlere örnektir.