Genel Biyoloji Dersi 1. Ünite Özet

Yaşamın Maddesel Temeli

Yerküreyi ve üzerinde yaşayan canlıları madde olarak 104 kadar element ve bu elementlerin atomlarının etkileşimi oluşturur. Maddenin değişim, dönüşüm ve etkileşimlerini fen bilimleri; maddenin geriye dönüşümlü değişimlerini fizik; geriye dönüşümsüz değişimlerini de kimya bilimi inceler. Biyokimya ve biyofizik ise maddenin hücre içindeki değişim, dönüşüm ve etkileşimlerini araştıran bilim dallarıdır. Maddenin hücre içindeki değişim, dönüşüm ve etkileşimleri ise yaşamı, canlılığı oluşturur.

Yaşam hücre içinde belli bir işlevi ya da işlevleri yerine getirmeye yönelik olarak planlanmış, programlanmış ve sürekliliği olan biyokimyasal tepkimeler zincirlerinin tamamıdır.

Hücre içinde meydana gelen sentez olayları zincirlerine anabolizma, yıkım olayları zincirlerine ise katabolizma adı verilir. Anabolizma ve katabolizma olayları hücrede bir denge oluşturur ve ikisi birden metabolizma terimi ile ifade edilir.

Maddenin etkileşimleri canlı sistemde atomdan moleküle, moleküllerin birleşmesi ile birim moleküllere (monomerlere), monomerlerin birleşmesi ile polimerlere, polimerler kompleksine, hücre organeline ve hücre oluşumuna giden bir yol izler.

Maddenin hücrede ileri derecede organizasyonunu sağlayan yapı yine hücrenin ürettiği protein yapısındaki enzimlerdir. Metabolizma olaylarında atomdan moleküle, kompleks moleküle ve hücreye madde organize olur ya da moleküler komplekslerden molekül ve atomlarına parçalanır. Burada biyokimyasal tepkime zincirlerinde enzimlerin eklediği ya da koparttığı kimyasal grupları taşıyan organik moleküllere gereksinim vardır. Bu organik moleküller de koenzimlerdir. Koenzimler kofaktör (Ca, Mg, Fe, Ni vs.) dediğimiz inorganik maddelerle birlikte enzimlerin etkinliğini sağlarlar. Vitaminler ise koenzimlerin öncül maddeleridir. Vitaminler besinlerle dışarıdan alınır. Vücutta küçük biyokimyasal değişikliklerle koenzimlere dönüştürülürler.

Yaşam birimi hücreyi karakterize eden ilkeleri ve canlıları cansız sistemden ayıran esaslar sıralandığında:

1. Hücrede madde ileri derecede organize olmuştur. Cansız sistemde ise madde kil, kum, taş, deniz suyu vs. gibi basit kimyasal bileşiklerin karışımından ibarettir.
2. Canlı sistem güneş ışınlarındaki enerjiyi tutabilme (klorofil içeren canlılarda), organik maddelerin kimyasal bağ enerjisine dönüştürebilme, enerjiyi depolayabilme, değişik enerji formlarına dönüştürebilme ve bu enerjiyi kullanılabilir enerji formu olan ATP’ye (Adenozin trifosfat) dönüştürebilme ve bu enerjiyi moleküler mimarisinde kullanabilme yeteneğindedir. Cansız sistemde ise güneş enerjisini tutabilme, değişik enerji formlarına dönüştürebilme ve moleküler mimarisinde kullanabilme yeteneği yoktur.
3. Hücredeki moleküler organizasyonun her bir bileşeni özgül bir işleve sahiptir. Örneğin maddenin hücre zarındaki organizasyonu belli maddelerin hücreye girişine izin veren, belli maddelerin hücre dışına salınmasına izin veren bir organizasyondur. Moleküler organizasyon bir bileşenden diğerine birbirini etkiler. Moleküler organizasyonun tümü yaşamı oluşturur.

Hücre;

• Kompleks moleküllerini hiç değişikliğe uğramadan defalarca üretebilen
• Kompleks molekülleri üretebilmek için gerekli şifre molekülleri olan
• Şifre moleküllerini de değiştirmeden çoğaltabilen
• Moleküler mimarisi için gereksinim duyduğu enerjisini üretebilen ve enzim sistemi olan
• En sonunda kendisini de hiç değişikliğe uğramadan çoğaltabilen bir yaşam birimidir.

Atomdan Molekül, Makromolekül, Kompleks Molekül Oluşumunu Sağlayan Kimyasal 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.

Canlı organizmada en bol bulunan ve hücrenin % 99’unu oluşturan elementler ise karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O) ve azottur (N).

Hidrojen bağları, 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.

Etrafı elektronca zenginleşen atomlara elektronegatif atom, etrafı elektronca fakirleşen atomlara ise elektropozitif atomlar denir. Elektronegatif oksijen ve azot atomlarının elektropozitif hidrojen atomlarını çekmesi ile oluşan bu bağlar hidrojen bağlarıdır.

İyonik bağlar, net elektron alan, net elektron veren atom ya da atom grupları ile moleküller arasında oluşan bağlardır. Net elektron alan atom ya da atom grupları negatif (-) kutup; net elektron veren atom ya da atom grupları pozitif (+) kutup oluştururlar ve bu zıt kutuplar birbirini çeker. Böyle oluşan bağlara iyonik bağ denir.

Kovalent bağlar, elektronların iki atom ya da atom grubu arasında ortaklaşa kullanılması ile oluşan kimyasal bağlardır. Moleküler organizasyonda önemli rol oynarlar. Kovalent bağlar ile monomerlerden polimerler ve polimerler kompleksleri oluşmaktadır.

Glikozidik bağ, iki glikoz monomerinin 1. ve 4. karbonlarına bağlı hidroksil (-OH) grupları arasından bir su (H ₂ O) çıkışı ile oluşan bağlardır. Bu bağ 1. ve 6. karbona bağlı hidroksil(-OH) grupları arasından bir su (H ₂ O) çıkışı ile de oluşabilir. Buna göre de 1,4 glikozidik bağ; 1,6 glikozidik bağ adlarını alır. Bu yolla düz ya da dallanmış polisakkarit zincirleri oluşur.

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, iki farklı molekülün hidroksil (-OH) grupları arasından bir su (H ₂ O) çıkışı ile oluşan bağlardır. Ester bağı fosforik asidin hidroksil (-OH) grubu ile oluşmuşsa fosfat ester bağı, ester bağı sistein aminoasidinin tiyol (- CH ₂ -SH) grubu arasında oluşmuşsa tiyoester bağı; yine iki sistein aminoasidinin tiyol (-CH ₂ -SH) grupları arasından ortamdaki moleküler oksijen(O) kullanılarak bir suyun (H ₂ O) çıkışı ile oluşmuşsa disülfit bağı olarak adlandırılır.

Reaktif grup biyomoleküllerin yapısında bulunan ve başka moleküllerle reaksiyona girme yeteneği sağlayan kimyasal gruplardır.

Canlı Sistemi Oluşturan Organik Moleküller

Canlıların sentezlediği ve kullandıkları organik bileşikler başlıca karbonhidratlar, proteinler, yağlar ve nükleik asitlerdir. Bu organik maddelerden bazıları (karbonhidratlar ve yağlar) hücrede enerji, bazıları (proteinler, yağlar vb.) yapı malzemesi, bazıları da (proteinler, vitaminler vb.) metabolizmada düzenleyici madde olarak görev yaparlar. Nükleik asitler ise yönetici moleküllerdir. Vücudun farklı hücre doku ve organlarında bu maddelerin oranları değişik olabilir.

Organik maddelerin en basiti karbonhidratlardır. Karbon (C), hidrojen (H) ve oksijen (O) atomu içerirler. Genel formülleri (CH ₂ O)n’dir. Bütün canlı hücrelerinde bulunurlar. Canlılar enerji gereksinimlerinin yarısını karbonhidratlardan elde ederler. Yeşil bitkilerdeki “Fotosentez” olayı ile havanın karbondioksiti (inorganik madde) organik madde olan glikoza (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) çevrilir. Canlılar glikozu “Hücre solunumu” ile yıkarken bir yandan enerji molekülleri olan ATP üretirler bir yandan da bu sırada ortaya çıkan ara ürünlerinden amino asitler, pentoz şekerler gibi diğer organik moleküllerin öncüllerini üretirler. En seri ve kolay yoldan enerji elde etmede karbonhidratlar kullanılır.

a) Monosakkaritler: Biyolojik olarak en önemli karbonhidratlardır. C _n H _2n 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.
b) Oligosakkaritler: 2-l0 monosakkarit alt biriminden meydana gelirler. Monosakkaritler aralarından bir molekül suyun ayrılmasıyla oluşan glikozit 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.
c) Polisakkaritler: Birbirlerine glikozit 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.

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. Bitkiler daha basit maddelerden bütün amino asitleri sentezleyebilirler. Hayvanların sentezleyemediği ve besin içinde dışardan alınması gereken aminoasitlere temel aminoasitler adı verilmektedir.

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.

Nükleik asitler, asit özellikli oldukları ve ilk kez çekirdekte (nükleus) tespit edildikleri için bu ismi almışlardır. Monomerleri nukleotit olan polimer zincirlerdir. Kalıtım birimi olan genleri oluştururlar. Nükleik asitlerin temel iki tipi vardır. Birincisi beş karbonlu şekeri riboz olan ribonükleik asit (RNA), diğeri ise beş karbonlu şekeri deoksiriboz olan deoksiribonükleik asit (DNA)’tir.

Canlı Sistemin Yapısına Giren Organik Olmayan Moleküller

Canlıda bulunan ve organik olmayan maddeler olarak su, karbondioksit, asitler, bazlar ve tuzlar sayılabilir. Asitler suda çözündüğünde H+ çıkaran maddelerdir. Hidroklorik asit (HCl), Sülfirik asit (H ₂ SO ₄ ) çok bilinen iki inorganik asittir. Bazlar ise suda çözündüklerinde hidroksil (-OH) veren maddelerdir. Sodyum hidroksit (NaOH) ve Amonyumhidroksit (NH ₄ OH) çok bilinen iki inorganik bazdır. Tuzlar ise bir asitle bir bazın birleşmesi ve aralarından bir suyun çıkması ile oluşan maddelerdir. Yemek tuzu sodyum klorür (NaCl) en tanınmış tuzdur.

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’dir.

ATP 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. Canlının biyokimyasal tepkimelerde kullandığı enerji işte bu enerjidir. ATP de depolanmış olan bu yüksek enerji kullanılarak küçük moleküllerden canlı sistemlerinin yapısını oluşturan büyük moleküller (karbonhidratlar, yağlar, nükleik asitler, proteinler) inşa edilir.

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.

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.