BİYOFİZİKSEL KİMYA
Cansız maddelerden olusan canlı organizmasındaki tüm olayları kimyasal olarak açıklayan
bilim dalına canlı kimyası veya kısaca biyokimya adı verilir.
Canlıların en küçük fonksiyonel birimi hücrelerdir. Eriskin bir insanda yaklasık 75-100
trilyon hücre vardır. Canlılıgın devamı ve canlıya ait fonksiyonların olusması için bu trilyonlarca
hücrenin birbiriyle uyumlu bir sekilde çalısması sarttır. Hücrede atomlardan meydana gelir.
Bir elementin tüm özelliklerini içeren en küçük birimine atom adı verilir. Atom pozitif
yüklü bir çekirdek ve çevresinde , çekirdegin yüküne esit sayıda negatif yüklü elektronlardan
meydana gelmistir. Çekirdek , yapıca atomun çok küçük bir kısmını olusturmasına karsın , atom
agırlıgının büyük bir kısmını olusturur. Proton ve nötronlardan olusan çekirdekte proton pozitif
yüklü , nötron ise yüksüz olup ikisine birden nükleon adı verilir. Agırlıkları (proton ve nötron)
elektronun yaklasık 1836 katıdır. Proton sayısına esit sayıdaki elektron , atomu elektriksel olarak
nötr yapar. Atom çekirdeginde yer alan proton sayısı atom numarasını , yani çekirdegin yükünü ,
toplam nükleon sayısı ise (proton sayısı + nötron sayısı) kütle numarasını verir. Elementin sol üst
kösesine kütle numarası, sol alt kösesine de atom numarası yazılır.
Bir elementin tüm atomları esit sayıda protonlara , elektronlara veya atom numarasına
sahiptir. Bununla beraber aynı elementin atomları , çekirdeklerinde farklı sayıda nötronlara sahip
olabilir. Bu sekilde bir elementin proton sayıları esit , nötron sayıları farklı olan atomlarına o
elementin izotopları denir. Tabiatta elementler belli oranda izotop atomlarının karısımı halinde
bulunurlar.
Atomun kimyasal özelliklerini belirleyen elektron sayılarıdır . Aynı elementin izotopları
esit sayıda proton ve dolayısı ile esit sayıda elektron tasıdıklarından aynı kimyasal özellikleri
gösterirler.
Elektronlar çekirdek etrafında bas quantum tabakaları denen enerji düzeylerine
dagılmıslardır. Bu tabakalar içten dısa dogru K,L,M,N,O,P ve Q harfleri veya 1,2,3,4,5,6,7
rakamları ile gösterilirler. Her tabakada bulunabilen maksimum elektron sayısı , n tabaka sayısı
olmak üzere 2n2’dir. Buna göre K tabakası en çok 2 , L tabakası en çok 8 , M tabakası en çok 18
elektron bulundurur. İçten dısa dogru elektronların enerji seviyeleri artar.
Ana quant tabakaları sırasıyla s,p,d,f harfleri ile gösterilen orbitallere ayrılırlar. K’da s,
L’de sp , M’de spd , N’de spdf ile gösterilen alt tabakalar yer alır. S’de 1 , p’de 3, d’de 5 ve f’de 7
adet orbital , her orbitalde de 2 adet elektron bulunur.
Elektron bulutları çekirdegin etrafında olagan üstü bir düzen içerisinde hızla hareket
etmektedir. Elektronların hepsi negatif yüklü olduklarından birbirlerini itmeleri beklenirken ,
aksine çekerler . Bu durum elektronların spin özellikleri ile açıklanmaktadır. Buna göre elektronlar
hem kendi etraflarında hem de çekirdek etrafındaki dönme komsu elektronun dönme ekseninin zıt
yönünde oldugundan elektromanyetik bir alan olusur. Bu çekim gücü birbirini itme gücünden
fazladır. Çekirdekte ise + yüklü protonları bir arada tutan protonlar arasındaki elektrostatik itme
güçlerini yenen büyük çekim kuvvetleri vardır.
KiMYASAL BAGLAR
Birden fazla atomu veya iyonu bir arada tutan çekim kuvvetine kimyasal bag adı verilir.
iyonik Baglar: Bir veya daha fazla sayıda elektronun , bir atomdan tamamen ayrılıp ,
diger bir atoma geçmesi sonucu olusan pozitif ve negatif yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik
çekim gücünden ileri gelen baglanmaya iyonik baglanma adı verilir. Bag olusumunda etkili olan
güç , zıt elektrik yüklü taneciklerin birbirini çekmesidir.
Kovalent Baglar: Elektronların her iki atom tarafından da ortaklasa kullanılmasıyla olusan
baglara kovalent bag adı verilmektedir.
Ortaklasa kullanılan elektron her iki atom tarafından da esit kuvvetle çekiliyorsa ortak
kullanılan elektron tam ortadadır , bu baga polar olmayan kovalent bag adı verilir. Kovalent bagda
ortak kullanılan elektron elektronegativitesi fazla olan atoma daha yakın olursa olusan bag polar
kovalent bagdır.
iki atom arasındaki kovalent baglar düz bir çizgi ile gösterilir. Kovalent baglar kuvvetli
baglardır. iyonik baglar ise zayıftır.
Koordine Kovalent Baglar:Kovalent baglı bir bilesikte atomlardan biri kendi
elektronlarını degil , digerinin iki elektronunu ortaklasa kullanarak bir bag olusturabilir. Bu tip
baglara koordine kovalent baglar denir.
Koordine kovalent baglarla olusan bilesikler hem yüksüz hem de yüklü olabilir.
Hidrojen Bagları:Hidrojen bagında , bir hidrojen atomu O ve N gibi iki elektronegatif
atom arasındadır ve bunlardan birine kovalent bag ile digerine ise elektrostatik çekim kuvveti ile
baglanmıstır. Bagı olusturan üç atom düz bir dogrultuda ise olusan hidrojen bagı en güçlü
yapıdadır.
Hidrojen bagları bilesiklerin erime ve kaynama noktalarının yükselmelerine sebep oldukları
gibi, protein ve nükleik asit gibi büyük moleküllü maddelerin molekül yapılarının olusmasında
çok önemli rol oynarlar. Çünkü hidrojen bagları yalnız moleküller arasında degil , molekül içinde
de olusabilir.
Van der Waals Bagları: Hidrofobik bag adı da verilen bu bag polar olmayan moleküller
arasında gözlenir. Molekülün tasıdıgı elektronlar hareket halindeki bir bulut gibi düsünülürse çok
kısa bir süre için elektron bulutu öyle bir duruma gelir ki geçici olarak molekülün bir tarafı - yükle
, diger tarafı + yükle yüklenir. Aynı durum diger moleküllerde de meydana gelir. Bir molekülün
- tarafı diger molekülün + tarafınca çekilir.
RADYOAKTiViTE
Bilinen 108 elementin , tabii olarak veya suni olarak yapılan 3000’den fazla izotopu vardır.
Bunların yaklasık 280’i nonradyoaktif izotop , geri kalanı ise radyoaktif izotoplardır. Atom
numarası 83 den büyük olan elementlerin bütün izotopları radyoaktiftir.Radyoaktif izotop ; daha
kararlı izotopları olusturmak için kendiliginden partikel ve elektromagnetik radyasyon yayan bir
izotoptur. Radyoaktif izotopların çekirdeginden yayılan ve elektromagnetik radyasyonun en yaygın
türleri: a)Alfa partikelleri
b)Beta partikelleri
c)Gamma ısınları
d)Pozitronlardır.
a-partikelleri , b-partikelleri ve gamma ısınları tabii olarak olusan radyoaktif izotopların
çekirdegi tarafından yayılır, Buna karsılık pozitronlar ve nötronlar laboratuarda suni olarak
yapılan radyoaktif izotopun çekirdegi tarafından yayılır.
Alfa Partikelleri emisyonu ile parçalanma
Çekirdekten a-partikellerinin ayrılmasıdır. a-partikeli iki elektronunu kaybetmis ve yüksek
enerjili Helyum atomlarıdır.Atom numarası 82’den , kütle numarası 209’dan büyük olan dogal ve
yapay izotoplarda yaygındır. a-partikellerinin salınımı sonucu izotopun çekirdegi hafifler ve
proton sayısı 2 , atom agırlıgı 4 azalır.
Beta partikelleri emisyonu ile parçalanma
b- partikeli bir elektrondur. Çekirdekteki bir nötronun protona dönüsmesi sonucunda
olustugu düsünülebilir. Bu tür parçalanma sonucu çekirdekteki nötron sayısı 1 eksilirken , proton
sayısı 1 artar fakat kütle numarası degismez.
Gamma ısınması
Gamma ısınları çekirdekte meydana gelen enerji degisimleri sonucunda yayımlanan , dalga
boyu çok kısa olan , röntgen ısınlarına benzeyen fakat enerjice zengin elektromanyetik ısınımlardır.
Diger elektromagnetik ısınımlar gibi ısık hızı ile hareket eden fotonlardan olusmustur.
Pozitron yayımlanması
Pozitron yayımlanması çekirdekteki bir protonun nötrona dönüsmesi ile olusan pozitron
olarak isimlendirilir. Elektron ile kütlesi aynı olan ancak artı yüke sahip bir partikelin çekirdekten
dısarıya verilmesidir. Çekirdekteki proton sayısı bir azalırken , nötron sayısı bir artmıs , kütle
numarası degismemistir.
Radyoaktif Parçalanma Hızı
Radyoaktif parçalanma spontan bir olaydır. Bozunma hızı sıcaklıga baglı olmayıp sadece
radyoaktif madde miktarına baglıdır.
Radyoaktif bir maddenin yarısının bozunması için gerekli süre sabit olup , yarı ömür olarak
bilinir. Radyoaktif izotopların kendilerine özgü yarılanma süreleri vardır.
Radyoaktivite ünitesi
Curi ;1 gr radyumun saniyede yaptıgı parçalanma sayısına esit sayıda parçalanma yapabilen
radyoaktif madde miktarıdır. Radyoaktivite ölçümleri bozunma sırasında yayımlanan ısınların
ölçülmesi ile belirlenir. Bu amaçla Gayger cihazı , sintilasyon sayacı gibi aletler kullanılır.
Radyoizotopların kullanımı
Radyo izotoplar , arastırma amacıyla translokasyon ve absorbsiyon olaylarında , metabolik
ürünlerin belirlenmesinde , bazı hastalıkların teshis ve tedavisinde , farmokolojide , yas tayininde,
gıda maddelerinin ve laboratuar malzemlerinin sterilizasyonunda kulanılır.
Metabolik yolların belirlenmesinde arastırma amacıyla radyoizotoplar kullanılır. Bu islem
için radyoizotopla isaretli madde verildikten sonra farklı zamanlarda arastırma materyalinden
örnekler alınır, ürünler ekstrakte edilerek kromatografik ayrımlanması yapılır. Sonuçta lokalize
olan radyoaktivite ölçülebilir.
Hayvanlardaki ve bitkilerdeki translokasyon ve absorbsiyon olaylarının hızlarının ve
mekanizmalarının arastırılmasında sıklıkla radyoizotoplar kullanılarak biyolojik açıdan ilginç
moleküllerin toplanma yerleri ve translokasyonları üzerinde bilgi edinilebilir.
Radyoizotoplar belirli bilesiklerin vücuttaki üretim miktarlarının belirlenmesinde kullanılır.
Tıpta radyoizotoplar teshis ve tedavide çok yaygın olarak kullanılır. Bazı kanser türlerinde
kobalt –60 radyoizotopu kullanılarak tümör tahrip edilebilir veya büyümeleri yavaslatılabilir.
Tiroid bezi fonksiyon testlerinde kullanılır. 131I , hipo ve hipertroidizmlerin tanısında kullanılır.
Radyoizotopların en çok kullanıldıgı bir alan da ilaç endüstrisidir. Bir ilacın vücuttaki
depolanma yerleri , toplanmanın ölçüsü, metabolize edilme hızı ve metabolik ürünlerin
belirlenmesi amacıyla radyoizotoplar kullanılır.
Bir elementin tabiatta belli oranda izotopuyla beraber bulunması prensibinden hareketle
radyoizotoplar yas tayininde önemlidir. Fosillesme ve tortulasma ile radyoaktif izotop bozunmaya
baslar , ölçüm zamanına kadar kalmıs olan izotopun miktarının belirlenmesiyle de yasın
hesaplanması olasıdır.
Gıda endüstrisinde süt ve et gibi paketlenmis gıda maddelerinin sterilizasyonunda g-ısınları
oldukça kapsamlı bir sekilde kullanılır.
Radyasyonun canlıdaki zararları
Kozmik ısınlar , gamma ısınları , beta partikelleri , alfa partikellerinin herhangi bir formu
hücrelerden geçerken çok reaktif iyonların ve daha da reaktif olan serbest radikallerin olusmasına
sebep olurlar. Olusan bu ürünler hücresel aktiviteyi bozabilir , bazı durumlarda da hücreleri tahrip
ederler.Büyük olan alfa partikelleri daha çok iyonlasmaya sebep olurlar. Bu türlü iyonlastırıcı
radyasyon genetik ve somatik olmak üzere iki tür zarara yol açabilir. Genlerde ve kromozomlarda
meydana gelen hasar nesilden nesile aktarılır. Somatik hasarlar olarak yanmalar , bazı leukemi
tipleri , yavru atmalar , kataraktlar , kemik , troid ve akciger kanserleri meydana gelebilir.
Radyasyona en duyarlı dokular sırası ile kemik iligi , dalak , sindirim kanalı , üreme organları , ve
lenf bezleridir. Gelismekte olan embrio çok duyarlıdır.
Su ve Sulu Çözeltilerin Özellikleri
Su canlı organizmalar için hayati önemi olan vazgeçilmez ihtiyaçlardan birincisidir.
Oksijensiz yasayabilen canlılar olmasına ragmen , susuz yasayabilen canlı türü bilinmemektedir.
Çünkü canlılıgın devamı için çogu biyokimyasal reaksiyonlar sulu ortamlarda meydana gelir.
Yetiskin bir insanın vücut agırlıgının %60’ını , yeni doganlarda %75’ini su olusturmaktadır.
Su her tarafta çok miktarda bulundugundan dolayı önceleri yalnız bosluk doldurucu ,
herhangi bir islevi olmayan madde olarak bilinirdi. Bilimin ilerlemesiyle gerçekte suyun , benzer
sıvılardan ayrılan özellikleriyle oldukça reaktif oldugu ortaya çıktı. Suyun iyonizasyon ürünleri
olan hidronyum ve hidroksit iyonları , membranlar , ribozomlar gibi hücre komponentlerine
ilaveten , proteinlerin ve nükleik asitlerin karakteristik biyolojik yapısının önemli belirleyicileridir.
Ayrıca organizmada organik ve anorganik maddeler için iyi bir çözücü olmasının yanı sıra ,
biyokimyasal reaksiyonlar içinde ideal bir vasat , iyi bir tasıyıcıdır.
Su hücrelerde polar ve iyonik maddeler için iyi bir çözücüdür. Aynı zamanda metabolik
olayların çogunun meydana geldigi ideal bir vasattır.
Su molekülü polardır.
Su kolaylıkla hidrojen bagları olusturur
Dipol yapıdaki su molekülleri kolaylıkla hidrojen bagları kurabilirler. Su içerisinde bir su
molekülünün oksijen atomunun kısmi negatif yükü ile diger su molekülünün hidrojen atomunun
kısmi pozitif yükü arasındaki elektrostatik çekim gücüne hidrojen bagı adı verilir.
Su molekülleri arasındaki hidrojen bagları sadece su içerisinde degil , buz ve buhar
formundaki su molekülleri arasında da kurulur. Buz formunda her bir su molekülü komsu dört su
molekülü ile hidrojen bagları kurarak düzenli kafes yapısı olusturur.
Buz formundaki hidrojen bagları sabitken , su içerisindeki hidrojen bagları sürekli yıkılır ,
kurulur.
Çogu maddelerin yogunlugu, donunca artar çünkü moleküler hareket azalır. Sıkıca
paketlenmis kristaller olusur. Suyun yogunlugu ise 4 derecede maksimale ulasırken ; 4 derecenin
altında umulmadık bir sekilde yogunlugu düser.
Suyun buharlasma ısısı 9,7 kcal/mol olup benzer sıvılardan daha yüksektir. Sıvı fazdan gaz
fazına geçmeden önce ortalama üç hidrojen bagının kopması gerektiginden dolayı kaynama
noktasında bile buharlasmak için büyük miktarda ısıya ihtiyaç duyulur.
iyonlar suyun yapısını degistirir
Çözünen iyonlar suyun yapısını 2 sekilde degistirir. 1)Yapıyı bozan iyon suyun
internal düzenini azaltır ve böylece suyun mobilitesini ve entropiyi artırırlar. 2)Yapı olusturan
iyon suyun internal düzenini arttırır ve böylece mobilitesini ve entropisini azaltır.
Nonpolar moleküller suda insolubl’dur
iyonik maddeler suda solubldur. Çünkü dipol yapıdaki su molekülleri ile iyonlar arasındaki
net çekim , zıt yüklü iyonların birbirini çekmesinden daha büyüktür. Hidrokarbonlar ve diger
nonpolar maddeler ise suda insolubldur. Çünkü su –su arasındaki etkilesimler su – hidrokarbon
etkilesimlerinden daha güçlüdür.Daha güçlü su – su etkilesimlerinden dolayı su molekülleri
nonpolar hidrokarbon moleküllerini bir arada tutar ve onları çevreler. Bu fenomen hidrofobik etki
olarak adlandırılır ve böyle moleküllere hidrofobik maddeler denir. Suda kolaylıkla çözünen
maddelere ise hidrofilik maddeler denir.
Çözünen maddeler suyun yapı ve özelliklerinin degisimine sebep olurlar. Çözünen madde
çözücünün donma noktasını azaltır , kaynama noktasını yükseltir ve buhar basıncını azaltır. Aynı
zamanda ozmotik basıncıda etkilerler.
Suyun iyonizasyonu
Membranların hidrofobik kısımlarında meydana gelen birkaç reaksiyon hariç , diger bütün
kimyasal reaksiyonlar sulu bir ortamda gerçeklesir.
Su biyolojik solvent oldugundan dolayı , onun kimyasal özellikleri hücrenin hayatında
önemlidir.
Saf su yalnız H2O içermez , aynı zamanda esit konsantrasyonlarda hidronyum ve hidroksit
iyonları adı verilen hidratlanmıs protonları da içerir.
PH’nın Belirlenmesi
1)Elektrometrik metot: pH tayini için kullanılan elektrometrik metotların en çok
uygulananı 1-14 pH sınırlarında çalısan , hidrojenin elektrot olarak kullanıldıgı hidrojen,
elektrodu metodudur. Bu metotda , elektrod önce platin tozlarıyla kaplanır , sonra hidrojen gazı ile
doyurularak hidrojen elektrodu elde edilir. Böyle bir elektrod çözeltiye daldırıldıgında elektroddan
hidrojen iyonları çözeltiye geçer , bu esnada elektrotta negatif yüklü elektronlar kalır. Hidrojen
iyonlarının pozitif elektrik yükü hidrojen atomlarının elektronlarını elektrodda bırakılması sonucu
olusur.
Elektrottan çözeltiye geçen hidrojen iyonlarının sayısı baslangıçta mevcut olan H+ iyonları
konsantrasyonuyla ters orantılıdır. Bir baska degisle elektrodda olusan negatif yük çözeltinin
hidrojen iyon konsantrasyonuna bagımlıdır. Eger elektrod elektriksel potansiyeli bilinen bir baska
elektroda baglanırsa , iki elektrod arasındaki potansiyel fark potansiyometre aracılıgı ile ölçülebilir.
Ortamda oksitleyici etkenler varsa hidrojen elektrodu kullanılamaz. Bu nedenle günümüzde
cam elektrodu kullanılmaktadır. Pratikte kullanılan cihazlar pH degerleri kesin bilinen bir seri
standart tampon çözeltiler kullanılarak kalibre edilirler.
2)Kolorimetrik metot : Bu metod bazı boya maddelerinin belirli pH degerinde renk
degistirmesi esasına dayanır. Bu sekilde ortamın hidrojen iyon konsantrasyonuna göre renk
degistiren maddelere indikatör adı verilir. ndikatörler zayıf asit veya zayıf bazlardır.Bu maddelerin
renk siddeti yüksek oldugundan , pH tayininde seyreltik bir indikatör çözeltisinin yalnızca birkaç
damlasını kullanmak yeterlidir.
indikatörlerin renk degistirdikleri pH’ya dönüm noktası adı verilir. Tek dönüm noktalı
indikatörler oldugu gibi çift dönüm noktalı indikatörler de vardır. Bunlar hem asit hem de baz
grubuna sahip zayıf organik asitlerdir.
ASiTLER VE BAZLAR
Proton veren asit , proton alan bazdır. Bir asit – baz reaksiyonu daima bir proton
vericisinden ve uygun bir proton alıcısından olusan asit baz çifti ile sona erer.
Asitlerin protonlarına farklı derecelerde ilgileri vardır. Protonlarına ilgisi yüksek olan
asitler zayıf olup , çok az dissosiye olurlar. Kuvvetli asitler protonlarını suya çok süratle
verirlerken , zayıf asitler çok zor dissosiye olurlar.
TAMPONLAR
Zayıf bir asit veya baz ve onun tuzundan meydana gelen çözeltiye tampon çözelti adı verilir
, solusyon küçük miktarlarda asit veya baz ilavesinde pH degisimlerine dayanıklıdır. Tamponlar
kimyasal ve biyolojik sistemlerde çok önemlidir. Canlılarda vücut sıvıları oldukça farklı pH’lara
sahiptir. Örnegin kan pH’sı 7,4 iken mide sıvısının pH’sı 1,5’dir. Enzim fonksiyonları ve diger
kimyasal reaksiyonlar için , ortam pH’sının belirli sınırlar içinde degisilmez tutulması önemlidir.
En basit tampon sistemlerinden birisi asetik asit – sodyum asetat sistemidir.Bu iki maddeyi
içeren bir çözelti hem asit ilavesi , hem de baz ilavesinde nötralize edebilme yetenegindedir. Eger
ortama baz ilave edilirse OH- iyonları tampon sistemdeki asit tarafından nötralize edilir.
Ortama asit ilave edilirse , H+ iyonları tampon sistemdeki konjuge bazı tarafından nötralize
edilir.
ideal bir tamponun özellikleri:
1)Arzu edilen pH sınırlarına uygun tampon kapasitesine sahip olmalıdır.
2)Çok saf olarak elde edilebilmelidir.
3)Enzimatik ve hidrolitik olaylara dayanıklı olmalıdır.
4)Tamponun olusturacagı pH , ortamın ısısı , iyon içerigi ve konsantrasyonundan en az
derecede etkilenmelidir.
5)Toksik inhibitör etki tasımamalıdır.
6)Katyonlar ile yaptıgı kompleksler çözünür nitelikte olmalıdır.
7)Ultraviyole ve görünür sahada ısıgı absorbe etmemelidir.
Ekstrasellüler ve intrasellüler sıvılar normal pH’larını sürdürebilmek için tampon görevi
yapan asit ve konjuge baz ihtiva ederler. En önemli intraselüler tampon fosfat tamponudur.
Proteinler de önemli intraselüler tamponları olustururlar. Eritrositlerdeki baslıca tampon sistemleri
hemoglobin ve oksihemoglobin ‘dir.
Linkback: http://www.gencveteriner.com/index.php?PHPSESSID=841b6fc3c83976230afc8ccdfd7aa4dc&topic=507.0