BİYOFİZİĞE GİRİŞ Dr. Ayşe DEMİRKAZIK.

... konulu sunumlar: "BİYOFİZİĞE GİRİŞ Dr. Ayşe DEMİRKAZIK."— Sunum transkripti:

1 BİYOFİZİĞE GİRİŞ Dr. Ayşe DEMİRKAZIK

2 BİYOFİZİK NEDİR ? Sözlük anlamı ile "Canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanması" veya kısaca "Canlı organizmaların fiziği" şeklinde tanımlanan BİYOFİZİK, tıbbi ve biyolojik bilimler içerisinde en son ortaya çıkanlardan birisidir. Metodoloji bakımından, tıbbın ve biyolojinin problemlerine fiziksel açıdan yaklaşmaktadır.  Ülkemizdeki üniversitelerde biyofiziğin sadece belirli konuları üzerinde çalışmalar sürdürülmektedir.  Bunlara örnek olarak şu çalışma konuları sayılabilir;  1-Elektrofizyolojik biyofizik ve Nörofizyolojik biyofizik,  2-Moleküler biyofizik,  3-Hücre biyofiziği,  4-Elektriksel alan biyofiziği,  5-Mikrodalga biyofiziği,  6-Beslenme ve bitki biyofiziği,  7-Teorik biyofizik 

3 SİSTEM KAVRAMI SİSTEM: Karşılıklı etkileşim halindeki birtakım parçalardan oluşan fiziksel veya düşünsel herhangi bir varlığa sistem adı verilir. Bir sistemin özellikleri ; parçalarının veya öğelerinin cinsleri, sayıları ve öğelerarası etkileşimlerle belirlenir. Davranış Denklemi Y= Y (E,α,t) →E SİSTEM →Y Etki (forcing) Yanıt (response)

4 Herhangi bir sistem farklı kesitlerde bileşenlerine ayrılabilir ve bu
bileşenlerde yine birer sistem (veya alt sistem) olarak ele alınabilir. Örneğin; atom → molekül → hücre → organ → organizma → toplum → biyosfer Bir sistemin yapısal ve işlevsel olarak bütünlüğü bu alt sistemlerin Bütünlüğüne bağlıdır.

5 BİRER AÇIK SİSTEM OLARAK CANLILAR
Çevresi ile madde ve enerji alışverişinde bulunan sistemlere açık, madde alışverişi yasaklanmış sistemlere kapalı, madde ve enerji Alışverişi yasaklanmış sistemlere yalıtık(izole) sistemler denir. Yalıtık veya kapalı sistemlerde de reaksiyonlar devam edebilir. Ancak bu olaylar sıcaklık farklarının ortadan kalktığı,max entropiye Ulaşıldığında son bulur.Buna sistemin denge durumu denir. Açık sistemler genel olarak Değişime uğrarlar. Ancak özel Olarak madde giriş ve çıkışı sürerken, kompozisyonun zamandan Bağımsız kaldığı bir durum söz konusudur. Sistemin zamanla değişmediği bu duruma kararlı durum (Steady state) denir.

6 Örneğin; bir sinir veya kas hücresinin dinlenim durumunda, hücre
Zarından geçişler devam ettiği halde her bir iyon için net giriş sıfırdır Ve hücre içi konsantrasyonlar değişmez. ÖZET olarak; Madde ve enerji alırlar, Aldıkları madde ve enerjiyi olduğu gibi kullanmaz, kendilerine uygun Kullanışlı hale getirirler 3. Bazı ürünleri çevreye ihraç ederler, 4.Madde ve enerji etkinliğinin çevrimsel bir karakteri vardır 5.Negatif entropi edinebilirler. Yani sistem düzenliliğinin, organizasyon derecesinin bir ölçüsüdür. 6. Açık sistemlerin girişleri informatik karakterdedir. Alınan madde ve Enerji dış ortam hakkında mesajlar taşır. Madde ve enerjinin açık sistem Tarafından kabulü seçimlidir. 7. Kararlı duruma ulaşabilirler. Madde ve enerji alışverişi sürdüğü halde Sistem kompozisyonu zamandan bağımsız kalabilir, 8. Açık sistemler farklılaşma ve özelleşme yönünde değişime uğrayabilirler. 9. Eşsonuçluluk ilkesi ile karakterize edilirler. Farklı ilk koşullar ve farklı Yollardan aynı son duruma ulaşabilirler.

7 Vücuttaki Temel Elementler (%99,3)
CANLILARIN ATOMİK VE MOLEKÜLER İÇERİĞİ Biyolojik türlerin ve bireylerin olağanüstü çeşitliliğine rağmen Biyolojik moleküller ve biyokimyasal reaksiyonlar o kadar çeşitli Değildir. Biyolojik moleküller genellikle Vücuttaki Temel Elementler (%99,3) Diğer elementler % 0,7 Hidrojen H (%63) Oksijen O (%26) Karbon C (%9) Azot N (%1) Kalsiyum Ca Fosfor P Potasyum K Kükürt S Sodyum Na Klor Cl Magnezyum Mg

8 Eser Elementler (%0,01) Demir Fe Selenyum Se İyot I Molibden Mo Bakır
Cu Flor F Çinko Zn Kalay Sn Manganez Mn Silisyum Si Kobalt Co Vanadyum V Krom Cr

9 İyonik bağlar Kovalent bağlar Hidrojen bağları Van der Waals bağları
MOLEKÜL İÇİ VE MOLEKÜLLERARASI BAĞLAR İyonik bağlar Kovalent bağlar Hidrojen bağları Van der Waals bağları İYONİK BAĞ: Bir atomdan diğerine elektron transferi ile oluşur. Elektronu veren atom katyon (+), alan atom ise anyon’dur (-). İki iyon arasındaki elektrostatik çekimden Kaynaklanan etkileşim enerjisi NaCl için bu bağ enerjisi 500 kJ/mol kadardır.

10 Sulu ortamda b bağ enerjisi suyun ε (dielektrik sabiti)=80 olduğundan
U= kJ/mol olur.

11

12 iyonik bağ ile oluşmuş molekülün yeniden iyonlarına ayrılması
iyonizasyon iyonik bağ ile oluşmuş molekülün yeniden iyonlarına ayrılması karboksil (-COOH) grubu amino (-NH2) grubu elektrolit iyonlar suda çözündüğünde elektrik iletebilme yeteneğindedir KOVALENT BAĞ: Atomların elektronları ortak kullanması ile oluşan bağdır. (hidrojen 1, oksijen 2, azot 3, karbon 4) polar kovalent bağ ortak elektron bir atoma daha yakın kalır (hidroksil-OH, sülfidril-SH, azot-hidrojen-NH) nonpolar bağlanma elektriksel olarak nötr’e yakındır (karbon-hidrojen_C-H, karbon-karbon_C-C)

13

14

15 HİDROJEN BAĞI Bir polar bağdaki hidrojen atomu ile diğer bir polar bağdaki oksijen veya azot atomları arasında oluşan çekim gücüdür. (su) VAN DER WAALS BAĞI Birbirine çok yaklaşan nonpolar moleküller veya molekül grupları arasındaki çekim gücüdür. (protein yapısı)

16 Moleküler Bağların Özellikleri
Gücü Özellikleri Örnekler İyonik Kuvvetli Zıt yüklü iyonize gruplar arasındaki çekim. Tuz molekülünün yapısı veya proteinlerin amino asit yan zincirleri arasındaki çekim. Kovalent Çok kuvvetli Atomlar arasında paylaşılan elektronlar. Moleküllerin oluşumunda atomları birbirine bağlayan çoklu bağlar. Hidrojen Zayıf Hidrojen ve oksijenin polarize bağları arasındaki çekim. Protein yan zincirlerinin polar grupları arasındaki çekim veya su moleküllerinin çekimi. Van der Waals Çok zayıf Çok yakın nonpolar moleküller ve gruplar arasındaki çekim. Proteinlerdeki nonpolar gruplar arasındaki veya lipid moleküllerindeki çekim.

17 Hidrofobik Etkileşimler: Su molekülleri ile proteinlerin ve nükleik
asitlerin polar olmayan grupları arasında, veya su molekülleri ile hidrokarbonlar arasında, hidrofobik etkileşimler olarak adlandırılan bir tür itme kuvvetleri doğmaktadır. SU (H2O) %71 Vücuttaki en yaygın atom hidrojen, en yaygın molekül ise sudur. hidroliz büyük moleküllü bileşiklerin su ile tepkimeye girerek daha küçük moleküllere parçalanması R1-R2 + H-O-H  R1-OH + H-R2

18 Suyun ısınma ısısı ve ısı sığası oldukça yüksektir. Bu özelliği nedeni
ile, vücut sıcaklığının ve yeryüzü sıcaklığının ayarlanmasında suyun önemi büyüktür. Buharlaşma ısısının yüksekliği sayesinde bir canlı vücut sıcaklığının çok üstündeki ortam sıcaklıklarında yaşayabilmek- tedir. Dielektrik sabitinin de yüksek olması nedeni ile iyi bir iyonik çözücüdür.

19 HÜCREDE BİYOFİZİKSEL OLAYLAR
The cell is the basic structural and functional unit of life Organismal activity depends on individual and collective activity of cells Biochemical activities of cells are dictated by subcellular structure Continuity of life has a cellular basis

20

21 Plasma Membrane Separates intracellular fluids from extracellular fluids Plays a dynamic role in cellular activity Glycocalyx is a glycoprotein area abutting the cell that provides highly specific biological markers by which cells recognize one another

22 Difüzyon: Bir kaba konan sıvı veya gaz şeklindeki
maddenin molekülleri, kabın her yerine ortalama olarak aynı konsantrasyonda dağılır.

23

24 difüzyonun yönü difüzyonda hareket tek yönlü değildir
moleküller devamlı hareket halinde olduğundan, az yoğun ortamdan çok yoğun ortama da bir miktar madde geçişi olur iki yöne doğru olan difüzyon akımları arasındaki fark net geçişi verir

25 difüzyonun gücü Difüzyon akımının büyüklüğü çeşitli faktörlere bağlı olarak değişir: konsantrasyon farkı sıcaklık molekül kitlesi yüzey alanı ortam hali

26 difüzyonun hızı moleküller düz bir çizgide çok uzağa gidemezler
dolayısıyla difüzyon süresi moleküllerin difüze olacakları mesafenin karesiyle orantılıdır organizmada dolaşım sistemi mesafeleri kısaltıcı işlev görür

27 membranlardan difüzyon
hücre zarında difüzyon, aynı molekülün sudaki difüzyonundan çok daha yavaştır membranda difüzyonu sınırlayan esas faktör lipid çift tabakadır polar ve iyonize moleküller ya hiç ya da çok az difüze olur bir maddenin lipidlerde eriyebilirliğinin yüksek olması membranlardan daha kolay geçmesini sağlar

28

29 protein kanallar sodyum, potasyum, klor ve kalsiyum gibi iyonlar membran lipidlerindeki son derece düşük erirliklerine rağmen hızla difüze olurlar bu iyonların geçişi kanal vazifesi gören integral proteinler yoluyla olur farklı hücreler, farklı iyonlara farklı derecede geçirgendir

30 iyon kanalları kanalların kendilerine özel iyonlara karşı spesifitesi vardır bu seçicilik kanal çapına veya kanal duvarını oluşturan proteinlerin elektrik yüküne bağlı olabilir kanalın çapı, içerisinden geçecek iyona göre hafifçe büyüktür

31 elektrokimyasal gradyent
membranlardan iyonların geçişi yalnızca konsantrasyon gradyentine göre olmaz plazma membranının dinlenim potansiyeli gereği, pozitif iyonları içeri çekmeye, negatif iyonları ise dışarı itmeye yönelen bir kuvvet vardır konsantrasyon gradyenti ile elektriksel çekim gücü arasındaki bileşke kuvvet ile iyonun geçişi belirlenir

32 iyon permeabilitesi iyon kanallarının açılıp kapanması ile membran permeabilitesinde değişiklik meydana gelir bu durum kanal proteini konformasyonu üzerindeki değişiklikler yoluyla sağlanır İyon kanalının açılma frekansı ile açık kalma süresi üzerinde etkili başlıca 3 faktör vardır: membrana bağlanan spesifik kimyasal haberciler (ligand duyarlı kanallar) membran potansiyelinde değişiklikler (voltaj duyarlı kanallar) membranın gerilmesi (mekanosensitif kanallar)

33 Taşıyıcı aracılığı ile transport sistemleri
polaritesi fazla veya büyük moleküllerin geçişi daha çok birtakım taşıyıcı işlevi gören membran proteinleri ile olur farklı hücrelerde farklı tip ve sayıda taşıyıcı bulunabilir bağlanma yine proteinin konformasyonu üzerinde meydana gelen değişiklik ile olur Aracılı transportta geçiş hızını 3 faktör belirler: taşıyıcının o madde için afinitesi membrandaki taşıyıcı miktarı taşıyıcı protein konformasyonunda meydana gelen değişiklik hızı

34 kolaylaştırılmış difüzyon
net akım konsantrasyon gradyenti ile aynı yöndedir; iki taraf konsantrasyonu eşitlendiğinde akım durur enerji gerektirmez en güzel örnek glikozdur

35 enerji; aktif transport
konsantrasyon gradyentine zıt yönde bir taşınım söz konusudur iki tarafın konsantrasyonu eşitlense de devam eder; taşınan madde için bir kararlılık durumu vardır enerji gerektiren bir olaydır enerji; ya taşıyıcı protein üzerindeki bağlanma yerinin membranın bir tarafında diğer tarafa göre daha yüksek bir afinite göstermesini ya da proteindeki bağlanma bölgesinin membranın bir tarafından diğer tarafa hareket etme hızını ... değiştirir

36 primer aktif transport
Taşıyıcı protein ATP’yi doğrudan yıkarak kendini fosforilleyen bir ATPaz’dır. Na+-K+ ATPaz Ca+2 ATPaz H+ ATPaz H+-K+ ATPaz

37 sekonder aktif transport
enerji olarak doğrudan ATP değil, iyon konsantrasyon gradyentini kullanılır taşıyıcı protein üzerinde asıl taşınacak madde haricinde bir de enerjiyi sağlayacak olan iyonu bağlayan bölge vardır bu iyon genellikle sodyumdur

38

39 simport - antiport taşınım
sekonder aktif transport ile taşınan madde sodyum iyonları ile aynı yönde taşınıyorsa simport (sodyum co-transportu), ters yönde taşınıyorsa antiport (sodyum counter-transportu) olarak anılır kural olarak transport mutlaka konsantrasyon gradyentine zıt yöndedir

40

41 osmoz; suyun difüzyonu
su, polar bir molekül olmasına rağmen hücre zarından hızla difüze olur geçiş iki taraf arası osmolarite farkına göredir su, osmolaritesi düşük olan bölgeden yüksek osmolariteye sahip tarafa geçer

42 osmotik basınç bir solüsyonun osmotik basıncı = “saf su ile yanyana konduğunda, su difüzyonunu önleyebilmek için uygulanması gereken basınç” osmotik basıncı arttıkça osmolarite de artar, su konsantrasyonu düşer izotonik solüsyon = membrandan geçebilen mevcut madde konsantrasyonuna bakılmaksızın, 300 mOsm/l geçemeyen madde içeren solüsyon hipertonik solüsyon = Membrandan geçebilen mevcut madde konsantrasyonuna bakılmaksızın, 300 mOsm/l’den fazla geçemeyen madde içeren solüsyon hipotonik solüsyon = membrandan geçebilen mevcut madde konsantrasyonuna bakılmaksızın, 300 mOsm/l’den daha az geçemeyen madde içeren solüsyon

43

44 Hücrenin çevresi ile seçimli madde alışverişi yapması, gereksinim duyulan
maddelerin kolaylıkla içeriye alınması, reaksiyonlar sonucu artık ürünlerin dışarıya atılması hücre zarları aracılığı ile gerçekleşir. Biyoelektrik olaylarda hücre zarlarının bir fonksiyonudur. Hücre düzeyinde en önemli tanecik taşınımı konsantrasyon gradiyentle rinden kaynaklanır yani difüzyonla sağlanır. DİFÜZYON Fick I. Yasası

45 Maddenin moleküler kinetik teorisine göre, mutlak sıcaklığı T olan bir
Ortam içindeki m kütleli moleküllerin ortalama kinetik enerjileri, k= 1,38x10-23 J/mol (Boltzman sabiti) olmak üzere, Öte yandan , çözelti çok büyük olmayan bir v hızıyla hareket eden bir Molekül, hızı ile orantılı ve zıt yönlü F=-fv sürtünme kuvveti etkisinde kalır f:sürtünme katsayısı, taneciğin iriliğine, biçimine, ortamın viskosluğuna bağlıdır.

46 F= -6πηav ―› Stokes yasası f=6πηa η: viskosluk katsayısı a: yarıçap
Fick yasası ile maddenin kinetik teorisi sonuçlarının karşılaştırıl masından, D ile f arasında D= kT/f yazılabilir Difüzyon olayının temelinde moleküllerin gelişigüzel hareketleri yatmaktadır. Bir molekül için gelişigüzel haraket sonrasında ortalama yer değiştirme x2= 2 kT/f .t = 2Dt x2+y2= 4Dt x2+y2+z2= 6Dt

47 ZARLARDA DİFÜZYON VE OSMOS
Eğer zar kalınlığı x2-x1=δ kalınlığına sahip ise; o halde 1. Fick yasası Mdif=-D dc/dx ≈-D c2-c1/x2-x1=-P(c2-c1) Mdif=P(c1-c2) P: permeabilite (geçirgenlik) Örneğin; PK ≈10-8 m/s PNa ≈10-10 m/s Osmotik Basınç: Yarı geçirgen bir zardan derişik çözelti tarafına su geçişini engellemek için çözeltiye uygulanması gerekli basınca çözel- tinin osmotik basıncı denir. П = i c R T T: mutlak sıcaklık R: 8,3145 J/K .mol genel gaz sbt i: çözünenin bir molekülünün çözeltiye verdiği tanecik sayısı

48 Dinlenim zar potansiyeli: Dinlenim halindeki bir hücrenin iç tarafı dışa
göre negatif bir potansiyeldedir. Buna dinlenim zar potansiyeli denir. Bu potansiyel farklı hücrelerde -20 ile -100 mV arasında değişir. Hücre zarlarının uygun koşullarda uyarılması sonucu, hücre içi Potansiyel dinlenim değerinden +30 ile +50 mV arasında pozitif bir de- ğere kadar yükselebilir, sonra dinlenim durumuna geri döner. Potansiyeldeki bu değişim desenine AKSİYON POTANSİYEL denir. Yalnızca konsantrasyon gradyenti etkisinde bulunan bir cins (i) iyon İçin difüzyon akı yoğunluğu: Mi(dif)= -D dci/dx idi. Aynı iyonların elektriksel potansiyel gradyenti etkisinde akım yoğunluğ Ji(elek)= -σ dV/dx =- ci μi zi F dV/dx (C/m2s) veya (A/m2)

49 İYONİK DENGE VE NERNST DENKLEMİ
1 mol iyon geçişi qi=ziF dir. μi: elektriksel mobilite zi : iyon değerliliği T: mutlak sıcaklık İYONİK DENGE VE NERNST DENKLEMİ Denge durumunun termodinamik bakımdan incelenmesi daha genel ve anlamlı sonuçlara götürür. İdeal bir çözelti içinde bulunan bir cins ögenin (i) mol başına Gibbs serbest enerjisi veya kimyasal potansiyeli Gi, Gi = G0i + RTln ci + zi FV + Pvi+…… (J/mol) Bir cins madde için mol başına serbest enerji bir çözelti sisteminin farklı bölge ve fazlarında farklı değerler alıyorsa, bu öğeler mol başına serbest enerjinin yüksek olduğu durumdan daha düşük olduğu duruma geçmeye çalışırlar. Giçi= Gdışi sistem dengededir

50 R T ln ciçi + ziF Viç = R T ln cdış i + ziF Vdış
Ei = Viç-Vdış= RT/ziF ln cdışi/ciçi (volt) ――›Nernst denge denklemi Örneğin; Na+ iyonu için t= 37o C için ENa= 8,3143 JK-1mol K/ C mol-1 ln 145/12 ENa= 0,066 volt =66 mV ∆Gi= zi F( Em-Ei) J/mol Em=Viç-Vdış

51 DONNAN DENGESİ: zarın bir tarafında zarı geçemeyen iyonların varlığında
kurulan dengeye Gibbs-Donnan dengesi denir. [Na+]1/[Na+]2= [Cl-]2/[Cl-]1= r Donnan oranı V= V2-V1= RT/F ln [Na+]1/[Na+]2= - RT/F ln [Cl-]1/[Cl-]2= -RT/F ln r GOLDMAN-HODGKIN-KATZ DENKLEMİ: