Doç. Dr. Ufuk Çakatay Doç. Dr. Hakan Ekmekçi

1. Doç. Dr. Ufuk ÇakatayDoç. Dr. Hakan Ekmekçi Biyomoleküller: Genel Yapısal Özellikleri

4. İnsan Vücudu ve Yer Kabuğu

5. Biyomoleküller Canlı Yapısında Bulunan Organik Moleküllerdir • Biyomoleküllerin yapı ve fonksiyonlarını anlayabilmek için öncelikle organik moleküllerin yapılarını bilmek gereklidir. • Karbon atomu, diğer atomlara benzemeyen elektron dağılımı nedeniyle sonsuz sayıda ve farklı türde karbon bazlı organik molekül oluşturma yeteneğindedir. • Biyomoleküllerin çeşitliliği organik moleküllere göre çok daha sınırlıdır. • Biyomoleküllerin canlı sistemlerdeki sentez ve dönüşüm (transformasyon) mekanizmaları ile hücresel organizasyonu oluşturmadaki hiyerarşik rolü oldukça komplekstir.

6. Organik Molekül Nedir? • Organik moleküllerinvazgeçilmez atomukarbonatomudur. Organik moleküller, karbon atomlarının oluşturduğu halka ya da zincir yapısında moleküllerdir.

7. Friedrich Wöhler(31 Temmuz 1800 – 23 Eylül 1882) Laboratuvar koşullarında sentez edilen ilk organik bileşiğin “ Üre “ keşfi

8. Organik Moleküllerin Genel Özellikleri • Yapılarında mutlaka karbon atomu içerirler • Hidrojen atomları arasında olduğu gibi elektron ortaklaşmasına dayanan, dayanıklı kovalent bağlar oluştururlar • Nötral/Yüksüz (Hidrofobik) yapıdaki organik bileşiklerin sudaki çözünürlükleri hemen hemen yok denecek kadar azdır. • Etil alkol, kloroform gibi organik çözücülerde çözünme eğilimi gösterirler.

9. Organik Moleküllerin Sınıflandırılması • Hidrokarbonlar: Tamamen C ve H atomlarından oluşan bileşikler. (Propan gibi: 3HC-CH2-CH3) • Alifatik Bileşikler: Düz hidrokarbon zincir yapısı gösterirler (Propan gibi: 3HC-CH2-CH3) • Alisiklik Bileşikler: Hem alifatik, hem de halkasal (siklik) yapıdaki bileşikler. (Siklopropan gibi) • Polimerler: Benzer ya da farklı alt birimlerin (monomerlerin) tekrarlanmasıyla oluşan makromoleküllerdir. • Biyomoleküller

10. Biyomoleküller Hangi Elementlerden Oluşur? • Esas olarak karbon atomlarından ve sırasıyla giderek azalan oranlarda hidrojen, oksijen, azot, kükürt ve fosforatomlarından oluşur.Bazı metallerde (Fe, Cu, Mg) organik moleküllerin yapısına katılabilir

11. Biyomoleküller Neden H,O,N, ve C Atomlarından Oluşur? • Atom çaplarının küçük olan elementlerdir • Sırasıyla 1, 2, 3 ve 4 bağ oluşturabilen en hafif elementlerdir • Kuvvetli bağlar oluştururlar (Genel olarak en hafif elementler en kuvvetli bağları oluşturabilme özelliğindedir) • Karbon elementinin farklı yapıda moleküler orbital / yörünge (σ, gibi) oluşturabilme özelliği vardır. Buna bağlı olarak farklı yapıda ve çok sayıda biyomolekül oluşturma kapasitesi mevcuttur.

12. Vücudumuzda Dört Ana Grup Biyomolekül Bulunur Bu dört ana biyomolekül grubu dışında ayrıca glikoproteinler, proteoglikanlar, lipoproteinler ve fosfolipidler gibi daha kompleks biyomoleküller de vucutta yer alır

13. Basit Biyomoleküller (Monomerler) Birleşerek Polimerleri (Makromolekülleri) oluştururlar Polimerlerin hidroliz reaksiyonu ile parçalanması sonucunda monomerler meydana gelir.Kondenzasyon reaksiyonu ile aradan küçük bir molekülün ayrılması (su gibi) sonucunda ise polimerler oluşur

14. Biyomolekül I: Monosakkaridlerin polimerleşmesi ve karbonhidratlardaki glikozid bağlarının oluşumu Glikojen sentezi sırasında iki glukoz molekülü arasındaki glikozid bağının oluşumu (kovalent bağlanma)

15. Biyomolekül II: Amino asitlerin polimerleşmesi ve insulin ve kollajen gibi proteinlerdeki peptid bağlarının oluşumu

16. Biyomolekül III: DNA sentezi sırasında nükleotidlerin polimerleşmesi ve 5’-3’ fosfodiester bağlarının oluşumu • Nükleotid yapısı

17. Biyomolekül IV: Lipidlerin yapısında: Gliserol ve yağ asitlerinin esterleşmesi sonucu trigliserid oluşumu Ester bağı: Trigliserid oluşumu surasında, kondenzasyon reaksiyonu ile esterleşmeye bağlı olarak aradan üç molekül su ayrılır

18. Kompleks Biyomoleküller: Glikoproteinler, proteoglikanlar, fosfolipidler, lipoproteinler ve diğerleri (Soldan sağa sırası ile glikoprotein, proteoglikan, fosfolipid,lipoproteinler)

19. Biyomoleküllerin Aşamalı Organizasyonu Sonucunda Organeller, Hücreler,Dokular ve Organlar Oluşur

20. Biyomoleküllerin Vazgeçilmez Elementi: Karbon Atomu Karbon atomu ikinci yörüngesinde toplam dört adet değerlilik elektronuna sahiptir. Oktete varabilmek için 4 elektronla ortaklaşarak dış yörüngesindeki elektron sayısını dörde tamamlar

21. Karbon Atomunun Orbital Düzeni • Karbon atomu ikinci yörüngesinde iki yarı dolu (2px,2py) ve bir boş (2pz) orbital bulunduğu görülmektedir.

22. Kovalent Bağlar • Hidrojenin karbon gibi ametallerle ya da ametallerin kendi aralarında elektronlarını ortaklaşa kullanarak oluşturulan bağa kovalent bağ denir • Değerlik elektronları elementin simgesi çevresinde noktalarla gösterilerek elektron ortaklaşması gösterilir. Bu tür formüllere (Lewis) elektron nokta formülleri denir.

23. H (1) C (4) O (2) N (3) P (5) S (2) H C — C — H — C — C — C = C O — O — H — C — O — C = O N N — H — C — N = C = N — — P — — P — O P = O — S — S — H — C — S — S — O — S = O — — — S — S — Biyomoleküllerin Yapısında Bulunan Kovalent Bağlar Biyomoleküllerin yapısında bulunan kovalent bağların tipleri oldukça sınırlıdır. Bağların %95’den fazlasında sadece 16 tip bağlanma sorumludur. Elementlerin oluşturabilecekleri maksimum bağ sayısı parantez içinde verilmiştir

24. Kutuplu/Polar ve Kutupsuz/Apolar Kovalent Bağlar • a) Polar Kovalent Bağlar: Farklı ametaller arasında oluşan bağa polar kovalent bağ denir. Elektronlar iki atom arasında eşit olarak paylaşılmadığından kutuplaşma oluşur • b) Apolar Kovalent Bağ: Kutupsuz bağ, yani (+), (-) kutbu yoktur. İki hidrojen atomu elektronları ortaklaşa kullanarak bağ oluştururlar. İki atom arasındaki bağ H-H şeklinde gösterilir.

25. Koordine Kovalent Bağlar • Bağ yapmak için elektronlar tek bir atom tarafından veriliyorsa, bu tür bağlara koordine kovalent bağlar denilir. • N (Azot) atomu üç bağ yapabilir. Hemoglobin molekülünde N atomu üzerinde bulunan ortaklanmamış elektron çifti Fe++ ile 4. bağ yapımında kullanılır. Böylece bu bağın oluşumunda elektronlar azot tarafından sağlanmış olur.

26. Koordine Kovalent Bağlar,Hemoglobin ve Demir Hemoglobindeki Fe++'in koordinasyon sayısı 6 olup bu koordinasyon yerlerinden dördüne pirol halkasının azotu, beşincisine globin molekülünün histidininin imidozol grubunun azotu, altıncısına ise su molekülü bağlanarak hemoglobin teşekkül eder. Suyun yerine O2 geçerse bu hemoglobine oksihemoglobin adı verilir.

27. Hibritleşme (Melezleşme) Nedir? • Atomların son periyodundaki dolu ve yarı dolu orbitallerin kaynaşarak özdeş yeni orbitaller oluşturması olayına hibritleşme denir. • Yeni oluşan orbitallere moleküler hibrit orbitalleri denir. Elektronlar merkez atoma en uzakta bulunacak şekilde yerleşirler.

28. Kovalent Bağların Oluşumunda Hibritleşme/Melezleşme’nin Rolü • Kovalent bağlar orbitallerin örtüşmesi sonucu meydana gelirler • Orbitallerde hibritleşme olabilmesi için, örtüşmeye katılan orbitallerin birer elektron içermesi gerekmektedir. • Her atom değerlilik elektronunun sayısı kadar bağ yapabilir • İki veya daha fazla atom orbitalinin birbirleri ile uygun bir simetriye gelmesiyle hibrit orbitalleri oluşur

29. Karbon Atomları Arasındaki Moleküler Orbital Bağları Nasıl Oluşur? • Sigma (σ) bağları s-s, s-p veya p-p orbitallerinin yatay düzlemde örtüşmesi ile meydana gelir.Kuvvetli bağlardır • Pi () bağları p-p orbitallerinin dikey düzlemde örtüşmesi ile meydana gelir. Zayıf bağlardır.

30. Karbon Atomları Arasındaki İkili ve Üçlü Bağların Oluşum Kuralları • Bazı moleküllerde, karbon atomları birbirine iki ya da üç bağ ile bağlanabilirler • İki atom arasında ikili bağ varsa biri sigma (σ), diğeri pi () bağıdır • Üçlü bağ varsa bir tanesi sigma, diğerleri pi bağıdır. • İki atom arasında sigma bağı olmadan pi bağı oluşamaz

31. Tetrahedral ve Trigonal Hibritleşme • Karbon atomu 4 bağın tamamını tek bağ olarak yapmışsa, hibritleşmesi sp3 dir.(tetrahedral hibritleşme) • sp2 hibritleşmesi: Eğer karbon atomu başka bir atoma bir çift bağ ile bağlanmış ise karbon atomu sp2 hibritleşmesine uğramıştır. (trigonal hibritleşme)

32. Sp3 Hibritleşme (Tetrahedral Hibritleşme) • Sp3 Hibritleşme (Tetrahedral Hibritleşme) Metan molekülündeki tetrahedral hibritleşme

33. Eten molekülündeki trigonal hibritleşme Sp2 Hibritleşme (Trigonal Hibritleşme)

34. Bağ Enerjileri • Kimyasal bağ oluşurken açığa çıkan enerji, bu bağları kırmak için moleküle verilmesi gereken enerjiye eşittir. Bu enerjiye bağ enerjisi denir. • Bağ enerjisi ne kadar büyükse oluşan bileşik o kadar sağlamdır. • Moleküllerde iki atom arasındaki bağ sayısı arttıkça bağ uzunlukları azalır ve bağ enerjileri artar. • Bağın iyon karakteri arttıkça, iyonlar arasındaki çekme kuvvetleri artacağından bağı koparmak daha çok enerji ister. • İki atomlu moleküllerde 1 mol XY’nin ayrışması için gereken enerjiye molar bağ enerjisi denir.

35. Bağ Uzunlukları ve Bağ Enerjiler Bağ sayısı arttıkça bağ uzunluğu azalır, bağ enerjisi artar

36. İzomer Nedir ? • Molekül/Bileşim formülleri aynı fakat atomların uzayda üç boyutlu düzenlenmesi bakımından farklı organik bileşiklere izomer denir.

37. Yapısal İzomerler Pentane (Düz Zincir) 2-methylbutane (Dallanmış Zincir) Glukoz/Galaktoz (Pozisyonal)Glukoz/Fruktoz (Fonksiyonel)

38. Stereo İzomerler I • Geometrik izomerlerinerime noktası gibi fiziksel özellikleri tamamen farklı, kimyasal özellikleri ise benzerdir.

39. Asimetrik Karbon Atomu • Bir karbon atomuna 4 farklı grup ya ada atom bağlıysa, bu tür C atomuna asimetrik (kiral) C atomu denir.

40. Kiral,Latince el anlamına geldiğinden optik izomerizme kiralite adı verilir. • Optik izomerler birbiriyle sağ el – sol el gibi ilişkilidir, n sayıda kiral (asimetrik) karbon varsa 2n sayıda stereoizomer oluşabilir. 40

41. Stereo İzomerler II • Optik izomerlerin fiziksel ve genel kimyasal özellikleri aynı polarize ışığın titreşim düzlemini çevirmeleri farklıdır. Asimetrik karbon atomuna sahip bu tür bileşikler biri diğerinin ayna görüntüsü olan iki tür molekül oluştururlar. Ayna simetrisinde olan bu iki molekül birbiri üzerine çakışmaz. Örneğin sağ el ve sol ellerimiz ayna simetrisine sahiptir. Eldivenin sağ teki sol ele uymaz

42. A A A C C C Y Y Y X X X B B B Birbirinin ayna görüntüsü olan stereoizomerlere ENANTİYOMERLER, ayna görüntüsü olmayanlara ise DİASTEREOMERLER denir. Ayna Görüntüsü 42

43. Enantiyomerlerin biyokimyasal özellikleri farklıdır: • Kiral biyomoleküller arasındaki bağ etkileşimleri stereospesifiktir (Bir veya diğer enantiyomer için seçicidir) • Vücutta kimyasal reaksiyonları katalizleyen enzimler farklı optik izomerleri ayırt edebilir. 43

44. BİR MOLEKÜLÜN KONFİGÜRASYONU SADECE BİR BAĞIN KIRILMASIYLA DEĞİŞİR Konfigürasyon: Serbest rotasyonun olmadığı çift bağa veya kiral merkeze (asimetrik karbona) sahip bir organik molekülde atomların uzaydaki düzenlenişini gösterir. 44

45. Maleik asit (cis) Fumarik asit (trans) Konfigürasyonel izomerlerin birbirine dönüşmesi için bir veya daha fazla kovalent bağın kırılması gerekir. Geometrik (cis- trans) izomerlerinde çift bağın etrafında grupların düzenlenişi farklıdır. 45

46. Potansiyel Enerji (kJ/mol) Bükülme açısı (Derece) Konformasyon: Tek bağlar etrafındaki serbest rotasyon sonucunda herhangi bir bağ kırılmadan bağlı grupların uzayda farklı pozisyonlar almasıdır. Moleküler konformasyon tek bağlar etrafında rotasyonla değişir. 46

47. C – C bağı etrafında çok büyük veya yüklü gruplar yer alırsa rotasyon sınırlanır hatta engellenir. • Karbon atomları arasında çift bağ ya da kısmi çift bağ varsa mevcutsa rotasyon (dönüş) mümkün değildir. 47

48. BİYOMOLEKÜLER YAPILARI KONFİGÜRASYON VE KONFORMASYON BELİRLER Küçük ve büyük biyomoleküllerin üç boyutlu yapısı “konfigürasyon ve konformasyonun kombinasyonu” onların biyolojik etkileşimlerinde son derece önemlidir. • Örneğin: Bir substratın bir enzimin katalitik kısmına bağlanmasında etkili bir kataliz için iki molekül birbirinin komplementeri (tamamlayıcısı) olmalıdır. • Benzer durum hormonun hücre yüzeyindeki reseptörüne, antijenin spesifik antikoruna bağlanmasında da söz konusudur. • Biyomoleküllerin üç boyutlu yapısının aydınlatılmasında X ışınları kristalografisi ve NMR spektroskopisi teknikleri kullanılır. 48

49. BİYOMOLEKÜLLER ARASINDAKİ İLİŞKİLER STEREOSPESİFİKTİR Canlıda kiral moleküllerin sadece bir formu bulunur. Örnek: Proteinlerdeki amino-asitler sadece L-izomerleridir. Glukozun biyolojik olarak sadece D-izomeri bulunur. 49

50. Bağ Tipi Bağ Kuvveti (kcal / mol) Kovalent > 50 Non-Kovalent 0,6-7 Hidrofobik 2-3 Hidrojen 1-7 Elektrostatik/İyonik 1-6 van der Waals <1 Kinetik hareketin enerji ortalaması (37˚C) 0,6 İntra- ve İntermoleküler Non-kovalent etkileşimler