Biyokimyann tanm Do Dr Emine DIRAMAN Biyokimya Yunanca

Biyokimyanın tanımı Doç. Dr. Emine DIRAMAN

Biyokimya • Yunanca “canlı” anlamındaki “bios” sözcüğünden köken alır ve “canlı kimyası” anlamına gelir.

Biyokimya, canlı varlıkların yapı, işlev ve canlılık olaylarını biyomoleküller düzeyinde inceler. Inorganik bileşikler Biyomoleküller Hayat

Biyokimya, - Hücrelerin hangi kimyasal organizasyon prensibine göre kurulduğunu, - Bir hücre içinde cereyan eden sayısız reaksiyonların aynı zamanda nasıl bir uyum içerisinde gerçekleştiğini, - Hücre bölünmesi ve farklılaşması ile hangi kimyasal olayların ilgili olduğunu inceler

- Metabolizma reaksiyonlarının bozulması veya yetersizliği olan birçok hastalığa da açıklık getirir. Biyokimya; biyofizik ve genetik ile el ele vererek yapı ve fonksiyon arasındaki ilişkiyi daha iyi ortaya koyabilen bir alan oluşturur ki buna “moleküler biyoloji” denir. Bunun da hastalıklara yönelmiş dalına “moleküler patoloji” adı önerilmiştir.

Biyokimya ile mikrobiyoloji, farmakoloji-tedavi, genetik, immunoloji, endokrinoloji, beslenme vb öbür biyolojik bilimler ve ayrıca klinik bilimler birbirine doğru gelişmişler, birbiri içine girmişlerdir. Bu yüzden, biyokimya için bağımsız konuların ve kesin bir sınırın gösterilemeyeceği ortadadır.

Biyokimya, Molekül düzeyde incelemeleri kapsadığı için daha çok dolaylı yolları kullanır. Başta kimya, fiziko-kimya vb birçok molekül ve madde bilimi dallarında türlü bulgulardan yararlanır ve yöntemlerini uygular.

Canlıların Kuruluş Prensibi maddeler cansız moleküllerden kurulur. Bu moleküller ferdi inceleme ve izole edilmeleri sırasında cansız maddenin davranışına etkiyen fizik ve kimya kurallarına uygun hareket ederler. Bununla beraber, canlılar, cansız maddelerin sahip olmadığı olağanüstü özellikler taşırlar. Bu spesifik özelliklerin incelenmesi Biyokimya’yı meydana getirir.

Evren yaklaşık 20 milyar yıl önce sıcaklık ve enerjice zengin parçacıkların uzaya yayıldığı büyük bir patlama ile oluşmuştur. Yıllarca bu soğuyan parçacıklar negatif yüklü elektronları çekmek suretiyle pozitif yüklü çekirdeği oluşturmuştur. Bugünkü canlıların yapıları incelendiğinde cansız maddelerin özelliğini gösteren elementlerden oluştuğu görülür. Dünyada 100’ün üzerinde element bulunur. Her element her elementle birleşemez yani eş oluşturamaz. Her element kendi kompozisyonuna benzer elementle eş oluşturur.

Canlı, içersinde elementlerin birleşmesiyle yapısı oluşmuştur. Laboratuvarda günlerce süren çalışmalar sonunda oluşan bileşikler, hücrede saniyenin milyonda biri kadar bir zamanda oluşur. Çünkü, hücrede eğer o bileşik hücre için gerekliyse hücre o bileşiği oluşturan elementleri hazırlar yani hazır olarak bulundurur. Hücredeki tüm olaylar hücresel kontrol sistemi ile kontrol edilir. Isı, iyon dengesi, p. H gibi etkenlerin her biri hücresel kontrol sisteminin bir elemanıdır. Şimdi canlılar ile canlıları oluşturan cansız maddeler arasındaki temel farklılıkları görelim.

CANLI İLE CANSIZ ARASINDAKİ TEMEL FARKLILIKLAR 1 -Canlı sistemler ya da yaşayan organizmalar oldukça karmaşık fakat çok iyi organize olmuş yapıya sahiptiler Birçok karmaşık molekülden kompleks bir iç yapıları ve çok sayıda türleri vardır. Buna karşılık çevremizdeki cansız sistemler basit kimyasal bileşiklerin bir karışımı şeklinde olup çok basit bir organizasyon gösterirler. 2 -Yaşayan organizmaların her bir molekülü özgül bir amaca yönelik işleve sahiptir. Cansızlarda böyle bir organizasyondan söz edilemez.

3 -Canlılar çevrelerinden enerjiyi toplama ve kullanma yeteneğine sahiptirler. Canlılar bu enerjiyi organik besinlerden veya güneşin radyant (yayılan) enerjisinden elde eder. Bu şekilde edilen enerji canlılar tarafından kendi yapılarını kurmak ve yaşamsal işlevleri yerine getirmek için kullanılırlar. Cansızlar böyle bir özelliğe sahip değildir. 4 -Yaşayan organizmaların kimyasal bileşiği incelendiği zaman C-C, C-H, C-O, C-N gibi kovalent tipte oluşan organik bileşikler göze çarpar. İşte bu farklı tipte oluşan organik bileşikler çok karmaşık yapı gösterir.

• Örneğin; bir E. coli hücresi binlerce farklı bileşikten oluşur. Bir insan proteini ile bir E. coli proteini de özdeş olamaz. Protein yapısal olarak amino asitlerden oluşur. Protein çeşitleri, çeşitli sayıda amino asitten oluşur. Bir protein o türün yapısındaki genetik bilgiye göre sentez edilir. • İnsan E. coli • ↓ ↓ • DNA • ↓ • Protein ≠ protein • • İnsanda ve bakterilerde aynı işi yapan proteinler vardır. Ancak bu proteinler aynı yapıya sahip değildirler. Aynı işi yapmakla özdeşlik ayrı şeylerdir. • Biyolojik katalizörler, subsrata özgül olarak işlev görür. Yani her substrata özgül enzim farklıdır. Proteinler sıcaklıkla denatüre olurlar. Denatürasyon, yapı özelliğinin kaybolmasıdır

CANLI SİSTEM İLE KİMYASAL SİSTEM ARASINDAKİ FARKLILIKLAR 1 -Canlı sistemler, beslenme yeteneğine sahiptir veya kendi besinini farklı öncüllerden sentez edebilme yeteneğindedirler. Yani canlının metabolizması vardır. Kimyasal sistemler tekdüze işlemler gerçekleştirir. 2 -Canlı sistemler kendilerine çoğalır, büyür ve ölürler. Hiçbir kimyasal sistem kendi kopyasını oluşturamaz. Cansız sistemlerde oluşan olaylar, kendiliğinden oluşan olaylar veya canlı ortamın etkilenmesiyle bir değişikliğe uğrarlar.

3 -Canlılarda farklılaşma özelliği vardır. Hücrenin konum ve işlevine göre pek çoğu şekil değişikliğine uğrar. Örn: Karaciğerdeki hücreler farklı, böbrek hücreleri farklı işlevlere sahiptir. 4 - Kimyasal Sinyaller; Canlı sistemlerde bir hücre diğer hücrelerle ortak olarak bir işlevi yapabilmesi için kimyasal sinyallerle hareket etmesi gereklidir. Örneğin hücreler arasında bulunan zonula adherens, zonula occludens gibi yapılar bağlantıları sağlar. 5 -Canlı sistemlerin bulunduğu ortama uyum sağlaması için bir evrimsel süreç geçirmesi gerekir. Bu şekilde canlı bulunduğu ortama adapte olur. Kimyasal sistemlerde böyle bir şey yoktur.

MOLEKÜLER YAPIDAKİ KİMYASAL BAĞLAR Bir çok elementin atomları diğer elementin atomlarına bağlanarak daha kompleks ve yeni moleküller meydana getirme özelliğine sahiptirler. İşte iki veya daha fazla atomu bir arada tutan çekim kuvvetine kimyasal bağ adı verilmektedir. • Her element atomu her elementin atomu ile bağ yapamaz. Yapı yönünden birbiriyle ilişkili elementler arasında kimyasal bağ oluşur. Elementler arasında 4 tip kimyasal bağ vardır. Bunlar; 1 - Kovalent bağlar 2 - İyonik bağlar 3 - Hidrojen bağları 4 - Moleküler veya Van Der Waals Bağları

Ancak kimyasal bağlar genel olarak, 1 - Kovalent bağlar 2 - Kovalent olmayan (nonkovalent) bağlar olarak ikiye ayrılır. 1 - KOVALENT BAĞLAR Elektronların iki atom tarafından ortaklaşa kullanımasıyla oluşan kimyasal bağlara kovalent bağ adı verilmektedir (Bu tip bağlar çok kuvetli bağlardır). Canlılarda bizi daha çok zayıf bağlar ilgilendirir. Çünkü canlıdaki kimyasal bağlar gerektiğinde aktif gerektiğinde ise inaktif olmalı ve bu aktif ve inaktif haller arasındaki değişim çok hızlı bir şekilde olmalıdır. Bu da elementler arasındaki zayıf bağlarla olur. Bu şekilde canlı yaşamını aksattırmadan sürdürebilir.

Hücresel kontrol sistemi denilen sistem, enzimatik aktivite ile denetlenirler. Hücrelerde bazı enzimler, hücrenin metabolik aktivitesine veya fonksiyonuna bakılmaksızın hücrede hep sabit oranda bulunurlar ki bu tip enzimlere constutive enzimler adı verilir. Hücrede bu enzimlerin yanında hücrede az oranda bulunan ancak uyarıldığı zaman sayısı ve hücredeki oranı artan enzimler vardır ki bu tip enzimlere uyarılabilir enzimler veya inducible enzimler adı verilir.

Herhangi bir canlının belirli maddeleri kullanabilmesi için o canlının genlerinde bu maddelerin bilgileri olması gerekir. Örneğin; bir bakteri hücresinde laktozu kullanabilecek gen bölgesi var ise ve bu bakteri laktozun bol olarak bulunduğu bir ortama konulursa, bu bakterideki laktozu kullanabilen bilgilerin bulunduğu gen bölgesi açılır. Bu gen bölgesi okunarak m. RNA’ya aktarılır. m. RNA’da, sitoplazmada bu bilgilere göre proteinler oluşturulur. Oluşan proteinlerde birleştirilerek laktozu fermente edebilen enzimler oluşturulur ve laktoz bu şekilde fermente edilmeye başlanır. İşte burada bu laktozu fermente edebilen enzim uyarılabilir enzimler olup gerekli olduğu zaman artar, gerekli olmadığında oranı azalır.

Bu enzimlerin aktivitesi ile canlı yapısının ayakta tutulması sağlanır. İşte hücrelerde bu tip başarılabilen işlevler kovalent olmayan bağlarla yani zayıf kimyasal bağlarla başarılır. - Yani enzimin yapısındaki kimyasal bağ zayıf ise enzim daha hızlı aktif hale ve aktif halden daha hızlı şekilde inaktif hale gelir. - Yani zayıf bağlar sayesinde enzimler aktif halden inaktif hale veya inaktif halden aktif hale çok daha hızlı geçerler. Dolayısıyla canlılığın devamı için canlıdaki bileşiklerin yapısının istenilen yapıya çok hızlı şekilde dönüşmesi şarttır. Ancak enzimlerin yapısındaki bağlar kuvvetli kimyasal bağlar olsaydı bu dönüşüm olayları çok yavaş olacaktı ve bu durumda belki canlının yaşamına engel teşkil edecek veya canlının yaşaması imkansız olacaktı. Şimdi nonkovalent yani zayıf bağları görelim.

2 - KOVALENT OLMAYAN BAĞLAR 1 - İyonik bağlar 2 - Hidrojen bağları 3 - Moleküler veya Van Der Waals Bağları 1 - İyonik bağlar; Bir veya birkaç elektronun bir atom bünyesinden tamamen ayrılıp diğer bir atomun bünyesin geçmesi sonucu negatif (-) ve pozitif (+) yüklü iyonlar arasında bir bağ oluşmasına neden olur ki buna iyonik bağ denir. Burada elektronu ayrılan atom (+) yük yönünden zengin; elektron alan atom ise (-) yük yönünden zengin olur. işte bu (+) ve (–) yük farkından dolayı bir çekim kuvveti oluşur. Bu kuvvetle iki elementin atomları birbirine bağlanır. İyonik bağlar; non kovalent bağların en kuvvetlisidir. Bu bağı oluşturan iyonlara iyon çifti adı verilir ve bu bağ iyonlar arasında oluşur.

Örnek; Na, elektronlarını verme eğilimi yüksek, Cl ise elektron alma eğilimi yüksek elementlerdendir. Bunlar arasında oluşan iyonik bağla Na. Cl tuzu oluşur. En kolay elektron alan elementlerden biri de Flor (F)’dur. Yine en kolay elektron veren elementlerden biri de Fransiyumdur. İyonik bağa aminoasitler arasında oluşan bağ da örnek verilebilir.

2 - Hidrojen bağı: Tek bir hidrojen atomunun, oksijen (O 2) gibi azot gibi (N 2) iki elektronegatif atom arasında ortaklaşa kullanılması ile oluşan bağlardır. Hidrojen bağının en güzel görüldüğü molekül, su (H 2 O) molekülüdür. Ancak hidrojen bağı sadece su molekülüne özgü bir bağ tipi değildir. Bu bağ tipi kısmi olarak pozitif yüklü atomu içeren bir dipol ile O 2 veya N 2 içeren ve kısmi olarak negatif yüklü iki dipol arasında oluşur.

Örneğin; azot bağındaki hidrojen düşünülürse burada (-)’den (+)’e giden yük oluşur. Bir keto grubunda ise O 2 kendi başına -2 yük verebilir ve (+)’dan (-)’ye giden yük oluşur. Burada oluşan hidrojen bağı şöyledir. N-H O=C

Hidrojen bağının enerjisi düşüktür. Ancak birden fazla hidrojen bağının bir araya gelmesi ile güçlü bir bağlantı da oluşturabilirler. En sağlıklı ve en güçlü hidrojen bağı tipi ortak eksenli (aynı düzlemli) iki dipol arasında olur (yukarıda gösterildiği şekilde). Yani aynı düzlem olduğu zaman güçlü bir bağ tipidir. Şayet hidrojen bağı tipi ortak eksenli iki dipol arasında oluşmazsa oluşan hidrojen bağı zayıf hidrojen bağı olur.

Kuvvetli hidrojen bağlarının en güzel örneği DNA molekülüdür. DNA’nın yapısındaki nükleik asitler arasındaki hidrojen bağları A-T arasında 2, G-C çifti arasında 3 tanedir. İşte bir DNA’da G-C çifti ne kadar fazla ise bu DNA molekülünün ısıya daha dayanıklı olduğunu söyleyebiliriz.

3 - Van Der Waals (Molekül) Bağları : Van der Waals bağları dipoller arasındaki çekim gücünden dolayı oluşan bağ tipidir. Bu bağ tipi oksijen ve hidrojen içeren yüksek derecede polar kovalent bağ içeren dipoller arasında oluştuğu gibi C ve H’de olan zayıf polarite gösteren kovalent bağ içeren dipoller arasında da oluşur. Van der Waals bağlarıyla ortaya çıkan ilişkiler molekülün şekline ve konumuna bağlıdır.

- Van der waals bağlarının çekim gücü hidrojen bağlarının çekim gücünden daha azdır. - Van der waals bağlarında ortaya çıkan ilişkiler kısa ömürlüdür. - Atomlar uzaklaştıkça van der waals ilişkisi de yok olur. - Ayrıca van der waals ilişkisi uyarılmış dipoller arasında da oluşabilir. Ancak bu uyartı yok olduğunda van der waals etkiside gider.

BİYOMOLEKÜLLERİN ORİJİNİ Organizmaların tümü, fiziksel ve kimyasal kurallara uygun olarak enerji alışverişi yapar. Böylece metabolik yolun birinci basamağında üretilen enerji diğer basamağında da kullanılabilir. Hücreler yaşamını sürdürebilmek için enerji kullanmak zorundadır. Bu enerjiyi de çevrelerin den sağlar. Yani ya güneş enerjisinden ya da besin maddelerinden sağlar. Dolayısıyla doğada bir enerji döngüsü vardır.

Hücreler çevrelerinden soğurdukları enerjiyi türe özgü yapılarının ortaya çıkmasında ve bu yapılarını sürdürmesinde kullanırlar. Fazlası doğaya geri verilir. Canlılar, enerjinin şeklini değiştirebilirler. Bu nedenle canlılara sabit ısıda işlev gören motorlar da denilebilir.

Hücrelerde ki enerjinin şeklini değiştiren sistem, stabil olmayan ve nisbeten kolay kırılabilen, organik molekül oluşturan sistemlerdir. Bu sistemler böylece ortamda ki fizikokimyasal durumlara duyarlıdır. Yüksek sıcaklığa, elektrik akımına ve kuvvetli asit-baz konsantrasyonuna dayanıksız sistemlerdir. Bu nedenle de insanları elektrik çarpar. Canlıların tüm sıvıları aynı ısı derecesine sahiptir. Buna rağmen basınç altında hücrenin bir kısmı ile diğer kısmı arasında az farklar olabilir. Hücre bunu hemen dengeler. Canlıların enerjileri kullanabilme yeteneği ve dolayısıyla da doğada bir enerji döngüsü vardır. Bu enerjinin kaynağı ışıktır.

Fotosentetik bitkiler, CO 2 ve H 2 O’yu kullanarak ve ışığı kullanarak besin maddesi oluşturur. Bitkiler aleminin fotosentetik üyeleri aktiviteleriyle elde edilen inorganik molekülleri, güneşin radyan (yayılan) enerjisini soğurarak (emerek)organik molekül (glukoz) ve serbest O 2 oluşturur. ışık 6 CO 2 + 6 H 2 O ---- C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Fotosentetik olmayan canlılar, enerjilerini moleküler (atmosferik) oksijen varlığında enerjice zengin bitkisel veya hayvansal ürünleri (besinleri) okside ederek sağlarlar. Bu oksidasyon sonucunda fotosentetik canlılar CO 2 ve H 2 O gibi son ürünleri doğaya verirler. C H O + 6 O 2 ---- 6 CO 2 + 6 H 2 O 6 12 6

İşte canlılardaki biyomoleküllerin orijinini araştırmak için canlılardaki biyokimyasal aktivitelerin anlaşılması gereklidir. Son yıllarda yapılan araştırmalarda ilk canlı hücrenin farklı maddelerin bulunduğu okyanuslarda yani sıvı ortamda oluştuğu bulunmuştur

Bugün dünyanın yaşının 5 milyar yıl olduğu sanılmaktadır. İlk canlı oluşumunun ise 3. 5 -4 milyar yıl öncesine dayandığı saptanmıştır. Dolayısıyla yerkürenin getirdiği değişim yani ilk canlı hücre oluşana kadar geçirilen değişim kimyasal evrim, canlı oluştuktan sonra meydana gelen değişikliklere ise biyolojik evrim denir.

- Hücrenin yapısındaki biyomoleküllerin orjini hakkında birçok çalışmalar yapılmıştır. Hücrenin tanınması ve hücrenin hücre olarak tanımlanması ile ilgili çalışmalar 18. yüzyılda Robert Hooke’a kadar gider. - 1920 yılında Rus biyokimyacısı Oparin ilk canlının oluşumu ile ilgili bir görüş ortaya atmıştır. Oparin’e göre ilk atmosferde metan, amonyak, su buharı ve hidrojen gazı vardı. Bu gazlar şimşek ve elektrik akımları etkisiyle de ilk aminoasitin o zaman ki okyanus içinde oluştuğunu söylemiştir. Ancak deneysel olarak bunu kanıtlayamadığından bu görüş hakkında uzun zaman hiçbirşey düşünülmedi.

- Ancak 1953 yılında Amerikan bilim adamı Stanley Miller bu bulguları bir araya getirerek ilkel atmosferin varlığını kabul ederek bir deney sistemi oluşturdu. Bugünkü bilimsel araştırmalara göre 3. 5 milyar yıl önceki dünya atmosferinin bugünkü gibi olmadığı saptanmıştır. O zaman ki atmosferde metan (CH 4), amonyak (NH 3), su buharı (H 2 O) ve hidrojen (H 2) bulunduğu saptanmıştır.

Miller, CH 4, NH 3, H 2 O ve H 2 karışımını 900 C’ de belirli süre ile elektrik deşarjına tabi tutuyor. İlkel atmosferdeki farklı koşularda çeşitli hareketler sonucu oluşan şimşeklerin ve diğer fiziksel etkenlerin yerini tutmak üzere elektrik deşarjı uyguladı ve sistemde kullanılan ve 3. 5 milyar yıl önce varlığı kabul edilen metan, amonyak, su buharı ve hidrojen gazlarını radyoaktif olarak işaretledi ardından elektriksel deşarj uyguladı. •

Bunun sonunda; -Sistemin gaz fazında CO 2, CO ve N 2’un varlığını ve bunların başlangıçta sisteme koyduğu bileşiklerden köken aldığını kanıtladı (bileşiklerin radyoaktif olarak işaretlenmesinden yaralanarak). Sistemin koyu renkli sıvı fazında rastladığı bileşiklerinde yine başlangıçtaki maddelerden köken aldığını gördü. Yani burada oluşan bileşiklerin hepsi radyoaktif işaretlenmiş bileşiklerden oluşmuştur. Bu deney millerin hipotezini destekliyordu. Bu araştırmada elektrik deşarjının dışında başka enerji kaynakları da (Xışını, γ-ışını vb. ) kullanılmış ve yine aynı sonuçlar elde edilmiştir.

O halde 3. 5 yıl önce oluşan bu durumda CH 4, NH 3, H 2 O ve H 2 bugünkü canlıların organik yapısını oluşturmuştur. Suda çözünen organik bileşikler kromatografik yöntemle araştırıldı ve bu sistemde çok miktarda aminoasit, bunların yanında organizmalarda bol olarak bulunan organik asitler (formik asit, asetik asit, laktik asit, süksinik asit vb. ) ‘inde oluştuğu gözlendi. CH 4 + NH 3 → HCN + 3 H 2 C 2 H 4 + HCN → CH 3 CHCN (nitrit) CH 3 CH 2 CN + 2 H 2 O → CH 3 CH 2 COOH + NH 3 (propionik asit) CH 3 CHOHCN + NH 3 → CH 3 CHNH 2 CN + H 2 O (aminonitrit) CH 3 CHNH 2 CN + 2 H 2 O → CH 3 -CH-NH 2 COOH + NH 3

CH 4 etilenle tepkimeye girer nitrit oluşur. Nitrit propionik aside hidroliz olur ve amonyakla α-hidroksi nitril etkileşerek aminonitril ve de aminoasidin(alanin) oluşumu gerçekleşir. Bu bir seri tepkime olup diğer aminoasitlerin oluşumu için buna benzer tepkimelerin oluşması gerekir. İşte HCN atmosferdeki serbest azotun canlı yapısına girmesini sağlayarak aminoasit oluşumunu sağlar. Bu şekilde 20 aminoasitte elde edilir. Bu deney sonucunda elde edilen bilgilere göre atmosferdeki hareketler sonucu canlı yapısını oluşturan organik moleküller su fazında birikir. Su en fazla hidrate olabilen, atak bir bileşiktir. Aminoasitlerin amino grubu da

çok aktiftir. Fosforik asit, şeker bunların her biri aktif olup birbiri içine geçebilme özelliğine sahiptir. Oluşan bu organik maddeler yeryüzünün sıvı fazında yani ilkel okyanusta bulunur. İlkel okyanus bol organik madde bulunan çamurlu maddedir. Bu organik maddelerin etkileşimi sonucu ilk ortaya çıkan canlı yine oradaki organik maddeler ile besleniyordu. Canlılar bu organik maddelerle beslenmeleri sonucu sıvı fazda organik madde miktarı tükenir. Ancak canlı yapısı değiştiren kozmik ışın, ısı ve bunun gibi çevresel etmenler halen devam etmektedir. Bu etkiler sonucu canlı değişerek

inorganik maddelerden organik madde sentezini yapan fotosentetik mikroorganizmaların oluşumu gerçekleşir. Fotosentetik canlılar bir yandan inorganik maddelerden organik madde sentezlerken, bir yandan da serbest oksijen açığa çıkarıyordu. Serbest O 2’nin oluşumunun etkisi ile çevrede O 2 kullanabilen (aerob) canlılar oluşur. Bu arada yer kabuğu hareketleri dalgalar gibi etkilerle oluşan sudaki bu canlılar karaya geçişleri başlar. Yüzlerce ve milyonlarca yıl süren süreç sonunda canlılar bugünkü konumunu alırlar. Canlılığın evrimini en iyi şekilde Price; kimyasal evrim ve biyolojik evrimi belirterek şematize etmiştir.

Hücrelerin biyokimyasal metabolizması, optik araçlarla incelenir. 1939 yılında elektron mikroskobunun keşfiyle, hücrenin moleküler düzeyde yapısı incelenmeye başlanmıştır. Böylece hücrenin, canlının yapısal ve işlevsel temel birimi olduğu kesinleşmiştir. Tüm hücrelerde ortak olan yapıların başında; • Sitoplazmik zar • Elektron taşınımının yapılması (ETS) • Kontrol sistemleri ( Enzimler) • Genetik materyaller gelir.

Yaşadıkları Ortama Göre Hücreler; Anaerobik hücreler: Oksijenli ortamlarda yaşayamazlar. Aerobik hücreler: Oksijenli ortamlarda yaşarlar. Fakültatif hücreler: Hem oksijenli hem de oksijensiz ortamlar da yasarlar.

Yapısal Oluşumlarına Göre Hücreler; Prokaryotik hücreler: Tam bir çekirdek yapısına ve zarla çevrili organele sahip olmayan hücrelerdir. Ökaryotik hücreler: Tam bir çekirdek yapısına ve zarla çevrili organele sahip olan hücrelerdir. Arkebakteriler : Her iki gruptan özellik taşır. Yapısal ve morfolojik olarak prokaryotlara, moleküler Sistemleri açısından da ökaryotlara benzerler.

Bakteriler ve Virüsler Arasındaki Farklar 1. Bakterilerde nükleik asit olarak DNA ve RNA bulunur. Virüslerde ise ya DNA ya da RNA bulunur. 2. Virüslerin enzim sistemleri yoktur. Enfekte edebildikleri canlıların enzim sistemlerini kendi enzim sistemleri gibi kullanırlar. Bu nedenle zorunlu hücre içi parazitidir. Canlılığın olmadığı yerlerde virüsler de üreyemez ve bulunamaz.

Bakterilerin yaşam gücüne göre sınıflandırılması • Ototrof Bakteriler: Kendi besinlerini, inorganik maddelerden sentezlerler ve organik madde yaparlar. • Heterotrof Bakteriler: Yaşamları için mutlaka organik maddeye ihtiyaçları vardır. Organik maddeyi hazır alırlar. • Litotrof Bakteriler: Ancak hücre içinde gelişebilen bakterilerdir. Eğer ortam zengin olursa hücre dışında da yaşayabilirler.

PROKARYOTİK HÜCRE ÖKARYOTİK HÜCRE Büyüklük 1 -10 mµ 10 -100 mµ Genom n = 1 2 n Kromozomal Protein Poliamin Protamin, Histon Ribozom 70 S 80 S Üreme Özel Mitoz ve Mayoz Beslenme Fotosentetik, Emilim, Yemek yeme Hücre İçi Hareket Yok Fagositoz, Pinositoz, Endositoz Zarla Çevrili Organel Yok Lizozom, Ribozom, Mitokondri, Kloroplast, Golgi cisimciği Enerji Mitokondrileri yoktur Mitokondri (Oksidatif enzimleri zara bağlıdır. (Mezozom))

Organizmalar organlardan, organlar dokulardan, dokular hücrelerden, hücreler ise organel, organik ve inorganik moleküllerden oluşmuştur. Fertilize olmuş tek bir zigot hücresinin arda bölünmeler geçirmesiyle yetişkin bir insan vücudu trilyonlarca hücreden oluşmaktadır.

Yaklaşık 200 µm çapında olan zigot hücresi, farklılaşmanın sonucu olarak şekil, büyüklük, hareketlilik, yapısal ve renk bakımından 100 -200 kadar farklı hücre ile doku ve organları oluşturur. Bitki hücreleri plazmodezma köprüleri ile, hayvan hücreleri ise hücre adezyon moleküller ile birbirlerine bağlanırlar.

Farklılaşıp özel bir grup oluşturan hücreler organların bir yapısı olan dokuları meydana getirirler. Hücre yapısının; % 75 -80’inini su, inorganik iyonlar, şeker, vitamin ve amino asit gibi diğer organik moleküller oluşturur. Geri kalan kısmını ise protein, polisakkarit, lipid ve DNA oluşturur.

YERYÜZÜNDEKİ HÜCRELERİN EVRENSEL ÖZELLİKLERİ

Organizmaların büyük kısmı tek hücreli, diğerleri ise bizim gibi içinde hücre gruplarının özelleşmiş işlevler yerine getirdiği ve karışık iletişim sistemleriyle bağlı oldukları büyük, çok hücreli yapılardır. Her iki durumda da tüm organizma tek bir hücrenin bölünmesiyle meydana gelir.

1. Bütün Hücreler Kalıtsal Bilgiyi Aynı Kimyasal Kod İçinde Saklar Hücreler bilgiyi kullanma ve değerlendirme özelliğine sahiptirler. Hücrelerin yaklaşık 3, 5 milyar yıldan fazla süredir gelişmekte ve farklılaşmakta olduğu bilinir. Bunların tümünün aynı şekilde saklanması veya bir hücre tipine özgü bilgilerin başka hücre tipinde okunabilir olması önemli bir özelliktir. Yerküredeki tüm hücrelerde kalıtsal bilgiler, çift iplikli DNA molekülünde depolanır. Nükleotidler, genetik bilgiyi kodlayan uzun doğrusal bir dizi şeklinde birbirine bağlanırlar.

2. Bütün Hücreler Kalıtsal Bilgileri Kalıplı Polimerleşme ile kopyalar Tek DNA ipliğindeki her nükleotidi üç alt üniteden oluşur. Bunlar; bir fosfat grubu, 5 C’ lu bir şeker ve A, G, C, T bazlarından biri. Her şeker bir sonrakine bağlanarak tekrarlanan şeker-fosfat omurgasından oluşan bir polimer zincir meydana getirir.

Ancak bu şekilde polimerleşmenin olabilmesi için önceden var olan bir DNA ipliğinden oluşan kalıp DNA’ ya gereksinim vardır. Çünkü DNA tek başına serbest bir iplik olarak sentezlenemez. Sentezlenmekte olan dizinin bazları belirli bir kurala göre bağlanırlar. A, T ’e ; C, G’ e bağlanır. Oluşan iki iplik, birbiri etafında bükülerek bir çift sarmal oluşturur.

Baz çiftleri arasındaki bağlar şeker-fosfat bağlarına oranla daha zayıftır. Bu sayede omurga yapısı zarar görmeden DNA iplikleri birbirinden ayrılır. Böylece her iplik kendine tamamlayıcı yeni bir DNA dizisinin sentezi için kalıp oluşturur. Sonuç olarak; DNA bilgi deposudur ve kalıplı polimerleşme canlılar dünyasında bu bilginin kopyalandığı yoldur.

3. Bütün Hücreler Kalıtsal Bilgi Parçalarını Aynı Ara Şekle (RNA’ya) Dönüştürür… DNA bilgi depolama işlemini yerine getirmek için kendini kopyalamanın yanı sıra, hücrede başka moleküllerin yapımına yol göstermek için bu bilgiyi ifade etmek zorundadır. Bunun için, Öncelikle RNA ve proteinler üretilir. Bu işlem, yazılım (transkripsiyon) adı verilen bir kalıplı polimerleşme ile başlar. DNA dizi parçaları kalıp olarak kullanılarak daha kısa RNA molekülleri yapılır. .

Sonra bu RNA moleküllerinin protein sentezini yönetmesiyle çevirim aşaması gerçekleşir. Burada RNA, depolanmış genetik bilgiye göre proteinlerin sentezini yönlendirmek için mesajcı RNA olarak görev yapar.

4. Bütün Hücreler Proteinleri Katalizör Olarak Kullanır… Her hücrede birçok farklı protein molekülü vardır ve hücre kütlesinin büyük bölümünü oluştururlar. Belirli bir aminoasit dizisinin birleşmesiyle oluşan moleküllerin yani polipeptidlerin her biri yüzeyindeki etkileşim bölgeleri dışa dönük olacak şekilde, özel üç boyutlu bir yapı alarak katlanır. Böylece bu polipeptid başka moleküllere yüksek özgüllükle bağlanabilir ve kovalent bağların oluştuğu veya kırıldığı tepkimeleri katalizleyen enzimler olarak davranır. Bu nedenle hücredeki kimyasal işlemlerin büyük çoğunluğundan bunlar sorumludur.

5. Bütün Hücreler RNA’ yı Proteine Aynı Şekilde Çevirir… - m. RNA molekülü dizisindeki bilgi, üçer nükleotidlik gruplar halinde okunur. - Her üçlü nükleotid bir aminoasidi kodlar. Okuma işlemi t. RNA ‘ lar tarafından gerçekleşir. - t. RNA, bir ucunda belli bir aminoaside bağlıdır, diğer ucunda ise baz eşleşmesi yoluyla m. RNA ‘daki özel bir kodonu tanımasını sağlayacak özel üçlü nükleotid dizisi bulundurur.

Gen, Bir Proteini Tanımlayan Genetik Bilgi Parçasıdır… Çok sayıda proteini tanımlayan DNA molekülleri, çok büyük olduğundan tüm DNA dizisi parçalar halinde m. RNA moleküllerine kopyalanır. Her parça ayrı bir proteini kodlar. Bir gen, tek bir proteini kodlayan DNA dizisi olarak tanımlanır.

Yaşam İçin Serbest Enerji Gerekir… Serbest enerji genetik bilginin yayılması için gereklidir. DNA molekülünün aynı dizisine sahip yeni bir DNA molekülünün oluşabilmesi için, nükleotid monomerleri kalıp olarak kullanılan DNA dizisi üzerinde doğru sırada yanyana dizilmelidir. Bu işlem için bir miktar serbest enerjinin salınarak ısı enerjisi şeklinde yayılması gerekir. Yeni nükleotidler birbirlerine bağlandıktan sonra bir sonraki yeni kopyalama işlemine olanak vermek üzere eşleşmiş bu nükleotidlerin birbirlerinden tekrar ayrılması için de yeni bir serbest enerji gerekir.

6. Bütün Hücreler Aynı Temel Moleküler Yapı Taşlarını Kullanan Biyokimyasal Fabrikalar Gibi Çalışır Bütün hücreler DNA ve RNA sentezi için yapıtaşı olarak fosforillenmiş nükleotid ATP’ ye gerek duyar. Aynı zamanda başka birçok kimyasal tepkimeyi yürütmek için fosfat grubu taşıyıcısı olarak kullanılan bu molekülü üretir ve tüketirler.

7. Bütün Hücreler, İçinden Besinlerin ve Atık Maddelerin Geçtiği Bir Plazma Zarı ile Çevrilidir… Bu zar amfipatik özelliğe sahip moleküllerden meydana gelmiştir. Suya konulduğunda sudan saklanmak için hidrofobik kısımlarını olabildiğince bir araya toplayarak, hidrofilik kısımlarını açıkta bırakırlar.

Zar yapısında belirli moleküllerin bir yandan diğerine taşınma işlemine yardımcı olan özgülleşmiş zar proteinleri bulunur. Bunlar hangi molekülün hücre içine alınacağını belirler. Hücre içindeki katalitik proteinler ise bu moleküllerin hangi tepkimelere gireceğini belirler. Böylece DNA dizisinde kayıtlı olan genetik bilgi; hücrenin yaptığı proteinleri belirleyerek kimyasal işlevleri programlar, hücrenin şeklini ve davranış biçimini tanımlar.

8. Canlı Hücre 500 den Az Genle Varlığını Sürdürebilir… Bilinen en küçük genoma sahip olan canlı Mycoplazma genitalium ‘dur.