Doç. Dr. Ufuk Çakatay Doç. Dr. Hakan Ekmekçi Biyomoleküller: Genel Yapısal Özellikleri Doç. Dr. Ufuk Çakatay Doç. Dr. Hakan Ekmekçi

İnsan Vücudu ve Yer Kabuğu

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.

Organik Molekül Nedir? Organik moleküllerin vazgeçilmez atomu karbon atomudur. Organik moleküller, karbon atomlarının oluşturduğu halka ya da zincir yapısında moleküllerdir.

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

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.

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

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

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.

Vücudumuzda Dört Ana Grup Biyomolekül Bulunur Örnek Majör Element Major Fonksiyonu Karbonhidrat (I) Glikojen C, H, O Enerji Depolama Protein (II) Albumin C, H, O, N Regülasyon, Transport Nükleik Asit (III) DNA, RNA C, H, O, N, P Enformasyon Depolama Lipit (Yağ, (IV) steroidler) Trigliserid C, H, O, Energy Depolama Bu dört ana biyomolekül grubu dışında ayrıca glikoproteinler, proteoglikanlar, lipoproteinler ve fosfolipidler gibi daha kompleks biyomoleküller de vucutta yer alır

Basit Biyomoleküller (Monomerler) Birleşerek Polimerleri (Makromolekülleri) oluştururlar Örnek Biyomolekül Monomer Karbonhidrat (I) Glukoz, Glikojen Basit Şeker Glukoz Protein (II) İnsulin, Kollajen Amino asit Glisin Nükleik Asit (III) DNA, RNA Nükleotid Adenin Lipit (Yağ, (IV) steroidler) Trigliserid, Yağ asitleri Yağ asidi, Gliserol Stearik Asit + Gliserol Polimerlerin hidroliz reaksiyonu ile parçalanması sonucunda monomerler meydana gelir. Kondenzasyon reaksiyonu ile aradan küçük bir molekülün ayrılması (su gibi) sonucunda ise polimerler oluşur

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Biyomoleküllerin Yapısında Bulunan Kovalent Bağlar — S — S — — S — O — S = O — C — S — — S — H S P — O P = O P — C — N = C = N — N — H N — C — O — C = O — O — H O — C — C — C = C — C — H C H S (2) P (5) N (3) O (2) C (4) H (1) 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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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)

Sp3 Hibritleşme (Tetrahedral Hibritleşme) Metan molekülündeki tetrahedral hibritleşme

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

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.

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

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

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

Stereo İzomerler I Geometrik izomerlerin erime noktası gibi fiziksel özellikleri tamamen farklı, kimyasal özellikleri ise benzerdir.

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

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

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

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

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

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

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

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. Potansiyel Enerji (kJ/mol) Bükülme açısı (Derece) 46

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

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

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

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

Nonkovalent etkileşimler Molekülleri bir arada tutan güçlerin en büyüğü kovalent bağlardır (∆G=30-150 kcal / mol). Biyolojik moleküller bağ enerjileri 0,1-10 kcal / mol kadar olan bazı moleküller arası nonkovalent bağlarla ayrıca stabilize edilirler. Zayıf olan bu bağlar, biyomoleküllerde çok sayıda bulunurlar ve bu nedenle molekül yapısına, stabilizasyonuna ve fonksiyonuna önemli katkı yaparlar. Biyomoleküller çok sayıda nonkovalent etkileşimler oluştururlar.

Non-kovalent Etkileşimler

Hidrofobik etkileşimler Sulu çevrede nonpolar bileşiklerin kendi aralarındaki etkileşimidir. Nonpolar moleküllerin varlığında su molekülleri arasındaki H bağlarının kırılması sonucudur. Nonpolar moleküllerin entropik olarak organizasyonu, onların su ile en az yüzey alanı oluşturmalarına neden olur. Sonuç olarak nonpolar moleküller veya molekülün en non-polar olan kısımları, lipit damlacıklarının veya proteinlerin iç kısmına gömülü olarak bulunur.

Hidrofobik etkileşim ve entropi artışı Su molekülleri çözgene doğru salıverilir.

Hidrojen Bağları Elektronegatif atoma kovalent bağlı bir H atomu ikinci bir elektronegatif atomla paylaşılırsa H bağları oluşur. H Bağları nispeten zayıf etkileşimlerdir. Fakat DNA ve proteinler için hayati önemi vardır. Hidrojen bağları suyun bir çok özelliğinden sorumludur ve suyu özel bir çözücü yapar. H bağları da temel olarak aslında elektrostatik etkileşimlerdir. H atomuna kovalent bağlı olan nispeten elektronegatif atom hidrojen atomundan elektron yoğunluğunu kendine doğru çekerek kısmi (+) yük oluşturur. Bu da kısmi (-) yük içeren bir atomla etkileşime girebilir. H bağları, kovalent bağdan çok daha zayıftır. C–H kovalent bağ enerjisi 100 kcal / mol iken H bağları için1 – 3 kcal/mol’dür. H bağları kovalent bağdan daha uzundur

Hidrojen Bağları

Elektrostatik/İyonik Bağlar Atomların üzerindeki elektrik yüklerine bağlıdır. Elektrostatik etkileşim enerjisi Coulomb kanunu ile verilir. E=k q1 q2 / d r E= enerji, q1 ve q2= iki atom üzerindeki yük (elektronik yük birimi), r=İki atom arasındaki uzaklık (Å). d=dielektrik sabiti (girdiği ortamın etkilerinden sorumludur), k=sabit. Su için D=80.

Elektrostatik/İyonik Bağların Biyofonksiyonu Yüklü gruplar arasındaki bu etkileşimler protein yapısının stabilizasyonunda Yüklü ligantlara bağlanmada Substratların proteinlere bağlanmasında önemlidir. Bu güçler yükün durumuna göre itici veya çekici etki gösterir. Çekici ve itici yük‑yük etkileşimleri makromoleküler yapıya katkıda bulunur. Elektrostatik etkileşimlerin kuvveti çözücüye bağlı değişir, su ile zayıflar, fakat H bağlarına göre daha büyük mesafelerde etkilidir.

Elektrostatik/İyonik Bağlar ve Su Su için d=80 yüksek bir değer olduğundan sudaki etkileşimler dielektrik sabitin düşük olduğu proteinin iç kısmındaki etkileşimlerden daha zayıftır. Proteinlerin yüklü gruplarının çoğu yüzeydedir ve suyun dielektrik sabitinin yüksek olması nedeniyle proteinin diğer yüklü gruplarıyla etkileşmezler fakat H bağlarıyla ve suyun polar etkileşimiyle stabilize olurlar. Bu su etkileşimi proteinlerin yüklü gruplarını katlı yapının dışında tutan güç oluşturur. Proteinlerde, zıt yüklü gruplar arasındaki elektrostatik etkileşimler tuz köprüleri veya tuz bağları olarak adlandırılır.

van der Waals Kuvvetleri En zayıf nonkovalent bağdır. Bir atom etrafındaki elektronik yük dağılımının zamanla değişmesine dayanır. Zamanla yük dağılımı tam simetrik olmayabilir. Bir atom etrafında elektronik yükte oluşan bu geçici asimetri komşu atomları etkileyebilir. Atomlar van der Waals uzaklığıyla ayrılıncaya kadar birbirine yaklaştıkça bu etkileşim artar. İki molekül birbirine yaklaştığında bu kuvvet önemlidir. Belirli bir mesafede zayıf çekim gücü meydana gelir. Daha da yaklaşırsa kuvvetli bir itme gücü meydana gelir. Bu etkileşim enerjisi çok küçüktür (0,5 – 1 kcal / mol). İki büyük molekül bir araya gelirse çok sayıda atom van der Waals temasında olur, toplam etki fazladır.

van der Waals Kuvvetlerinin Biyofonksiyonu van der Waals bağları, proteinlerin sekonder yapısının oluşumunda kritik öneme sahiptir. Bir peptit bağının atomları arasındaki bu itici güçler spesifik Φ ve Ψ açılarında α heliks ve β yapılarıyla uyumlu olacak şekilde en zayıftır. Tersiyer yapıya katlanmada bu zayıf etkileşimler binlerce meydana gelir. Herhangi iki atom arasındaki bu etkileşim 1 kcal / mol olmasına rağmen katlı yapının stabilitesindeki bu kuvvetlerin toplamı çok önemlidir. İki aromatik halka arasındaki bu etkileşim ise 6 kcal/mol kadardır. Katlanmış proteinde bu halkalı yapılar stabiliteye çok daha fazla katkıda bulunur.

van der Waals Kuvvetleri ve molekül paketleme van der Waals güçleri, moleküllerin nasıl sıkı bir şekilde paketleneceğini belirler. Çekici güçler boş alanlar oluşumunu, itici güçler ise aşırı kalabalığı önler.

"Il Laboratorio di Chimica" di Giovanni Stradano (Firenze, 1570).