Biyokimya I ve II (Türkçe), Lecture notes of Biochemistry

Download Biyokimya I ve II (Türkçe) and more Lecture notes Biochemistry in PDF only on Docsity!

BĠYOKĠMYA II

Hikmet Geçkil, Profesör

İnönü Üniversitesi

Fen Edebiyat Fakültesi

Biyoloji Bölümü

Ve

İnönü Üniversitesi

Fen Edebiyat Fakültesi

Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

ġubat- 2012

i

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ................................................................................................................................. ii

• 1. SU ve ASİT-BAZ KAVRAMLARI GİRİŞ iii
• 2. HÜCRE
• 3. BİYOMOLEKÜLLER
• 4. AMİNO ASİTLER ve PEPTİDLER
• 5. PROTEİNLER
• 6. ENZİMLER
• 7. HORMONLAR, NÖROTRANSMİTTERLER ve AKTİF PEPTİDLER
• 8. LİPİDLER
• 9. VİTAMİNLER, MİNERALLER ve KOENZİMLER
• 10. OKSİDATİF STRES ve ANTİOKSİDAN SİSTEMLER
• 11. NÜKLEOTİDLER ve NÜKLEİK ASİTLER
• 12. KARBOHİDRATLAR
• 13. HÜCRE ZARI ve ZARDAN MADDE TAŞINIMI
• Çözülmiş sorular
• Nobel ödülleri
• Ekler
• Sözlük
• Kaynaklar
• Dizin

ii

ÖNSÖZ

Sevgili öğrenciler,

İnönü Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Biyoloji Bölümü 3. sınıfında zorunlu bir ders olan Biyokimya (BIOL 301/302), iki dönem boyunca haftalık 3 saat olarak okutulan bir derstir. On yıldan beridir öğrencilerimize verile gelen bu notların içeriği her yıl yeniden gözden geçirilip uygun yenilemeler ve düzeltmelerle güncellenmektedir. Geçen yıl olduğu gibi bu yıl da kitap Biyokimya I ve Biyokimya II olmak üzere iki cilt halinde basılmıştır. Kitap baştan sona gözden geçirilerek her cildin sonuna kullanışlı tablo, grafik ve dizinler eklenmiştir. Ayrıca, her iki cilde “Biyokimya ve Moleküler Biyoloji”de yaygın kullanılan birçok terimi içeren bir “sözlük” eklenmiştir. Yapılmış olan çeşitli dil bilgisi ve yazım hatalarının yanında, geniş bir alanı kapsayan ve her gün gelişen biyokimya gibi bir bilim alanı için hazırlanmış olan bu notlarda, varsa bilimsel hataların da hoş görüleceğini umuyorum.

Sevgilerimle,

Hikmet Geçkil Ekim 2011, Malatya

iv

kadar farklı görünüşe sahip bu organizmalar mikroskobik ve kimyasal olarak birbirlerine oldukça benzerlik göstermektedirler. Biyokimya, canlıların moleküler seviyedeki bu benzerliklerini, bu moleküllerin her birinin yapı ve fonksiyonunu araştırmayı konu edinir.

Canlı organizmalar oldukça düzenli olan yapılarını çevreden sağlamış oldukları enerji ile elde tutarlar. Ekzergonik kimyasal reaksiyonlar ve fotokimyasal reaksiyonlar endergonik reaksiyonların oluşmasını mümkün kılarak bu ısı yaparlar. Tüm canlı hücreler belli ısılarda çalışan kimyasal makinelerdir. Esasta canlılar için gerekli enerjinin hepsi direkt veya indirekt olarak güneş ışığına bağlıdır. Oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları canlılardaki enerji akis ve depolanmasında temel rol oynarlar. Enerjinin çevreden alınıp, bir canlıdan diğerine transferi için tüm organizmalar birbirine ihtiyaç duyar.

En düşük enerji seviyelerine düşmemek için (yani ölmemek için) canlılara enerji gereklidir ve bunu da çevreden beslenme ile alırlar. Organizmaların iç yapısı dış dünya ile yani çevre ile asla denge halinde değildir. Ölüm halinde ancak dengeye ulaşılır. Organizmalar yaşadıkları çevre ile enerji ve madde alışverişinde bulunurlar. Bir organizmanın kimyasal içeriği zaman içinde hemen hemen sabit olsa da, hücrenin veya organizmanın moleküler içeriği dinamik (yani değişen) bir yapı gösterir. Örneğin, şu anda akciğerinizden beyninize taşınan hemoglobin molekülleri geçen ay sentezlenmiş ve gelecek ay hepsi yıkıma uğrayarak yerlerini yeni hemoglobin moleküllerine bırakacaklardır. Bugün yemiş olduğunuz yemekteki Karbonhidrat (örneğin, glikoz) su anda dolaşımınızda hareket etmekte ve birkaç saat sonra vücudunuzda karbon dioksite veya yağa dönüştürülecek ve tekrar yeme ihtiyacı ile beraber yeni Karbonhidrat molekülleri dolaşımınıza karışacaktır.

Biraz tarihçe … Dinamik bir bilim olarak biyokimyanın geçmişi son 100 yıla dayanmaktadır. Ancak, bu modern biyokimyanın bugünkü hale gelmesinde daha önceki çalışmaların da katkısı büyük olmuştur. Reaksiyon kinetikleri ve moleküllerin atomik yapısı hakkındaki bir çok bilgimizi 1900’den önceki periyotta yapılmış çalışmalara borçluyuz. Organizmalar tarafında üretilen bir çok kimyasalın belirlenmesi 19. yy’lın sonlarında olmuştur. Bu zamandan sonra biyokimya organize bir disiplin oldu ve hayatın kimyasal yönü ile ilgili bilgilerimizde önemli gelişim ve değişimler yaşandı. Biyokimyanın gelişmesi ve diğer disiplinlere etkisi 21. yy’da da devam edecektir.

Friedrich Wöhler 1828 yılında inorganik bir bileşik olan amonyum siyanat ı ısıtarak organik bir bileşik olan üre yi elde etti. Esas olarak sadece canlı organizmalarda bulunan organik bileşiklerin inorganik maddelerden elde edilebileceği ilk defa bu deneyle gösterilmiş oldu. Şimdi biliyoruz ki, biyolojik moleküllerin sentezi ve parçalanmaları biyoloji dışındaki kimyasal dünyanın kimya ve fizik kanunları ile aynıdır.

Her ne kadar üniversitelerde biyokimya bölümlerinin açılması Wöhler’in deneyinden 75 yıl sonrasını bulmuşsa da bir çok biyokimyacı için biyokimyanın başlangıcı Wöhler’in üreyi sentezi kabul edilir.

Biyokimyanın tarihine bakarsak özellikle iki büyük buluş dikkati çekmektedir: katalizör olarak enzim lerin ve enformasyon taşıyıcı moleküller olarak nükleik asit lerin keşfi. Bu keşiflerden ilkini, yani enzimlerin biyolojik reaksiyonların katalizörleri olarak keşfi, kısmen Eduard Buchner’e borçluyuz. Buchner 1897’de parçalamış olduğu maya (İng. Yeast) hücrelerinden elde ettiği özütün (İng. Extract) glukozu alkol ve karbon dioksite fermente ettiğini gösterdi. Bundan önce, bilim adamları bu tür bir dönüşümün sadece canlı hücreler tarafından olabileceğine inanıyorlardı.

v

Biyolojik katalizörlerin özelliği Buchner ile aynı yıllarda deneylerini yapan Emil Fischer tarafından ortaya kondu. Fischer maya enzimlerinin katalitik etkisini basit bir çalışma ile gösterdi: çay şekri olan sükrozun hidrolizi (su ile parçalanması). Fischer, kataliz sırasında bir enzimin ve onun etki ettiği maddenin (reaktan veya substrat) biri birine bağlanarak bir ara bileşik oluşturduklarını ileri sürdü. Enzimlerin birer kilit substratların ise birer anahtar gibi davrandıkları orijinal fikri de Fischer’e aittir. Yaşamın hemen hemen tüm rekasiyonlarının enzimler tarafından katalizlendiği daha sonraki çalışmalarla ortya konmuştur.

Enzimler konusunda göreceğimiz gibi enzimatik katizle yüksek oranda ürün elde edilirken çok az veya hemen hemen hiç yan ürün elde edilmez. Halbuki organik kimyada % 50-60 saflıkta olan ürün eldeleri iyi kabul edilmektedir. Yan ürünlerin ortaya çıkması hücreye zarar vereceğinden ve bunlar için gereksiz enerji harcanması olacağından biyokimyasal reaksiyonlar yüksek verimlilikte olmalıdır. Enzimatik katalizin tabi ki diğer önemli bir özelliği, katlizör (enzim) yokluğunda oldukça yavaş seyredecek veya hiç olmayacak bir kimyasal rekasiyonun oldukça hızlı gerçekleşmesidir.

20. yy’lın son yarısında özellikle proteinlerin yapısı ile ilgili olanlar başta olmak üzere yapısal biyoloji alanında önemli atılımlar gerçekleşmiştir. Proteinlerin yapılarının ilk çözülmesi 1950 ve 1960’larda İngiltere’deki Cambridge üniversitesinde John C. Kendrew ve Max Perutz tarafından olmuştur. O zamandan beri 1000 adedin üzerinde proteinin üç-boyutlu yapısı belirlenerek proteinlerin karmaşık biyokimyası hakkındaki bilgilerimizde büyük kazanım olmuştur. Bu hızlı gelişim günümüzün teknolojik harikaları olan daha hızlı bilgisayar ve programlarını kullanımı ile ancak mümkün olmuştur. Modern biyokimya büyük oranda bilgisayarlara bağımlı olup bundan dolayı yeni bir alt disiplin olan biyoenformatik ortaya çıkmıştır.

Biyokimyanın tarihindeki ikinci büyük gelişme Buchner ve Fischer’in deneylerinden yarım yüz yıl sonra ortaya konabilen nükleik asitlerin bilgi (enformasyon) taşıyan moleküller olarak belirlenmiş olmalarıdır. Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty 1944 yılında bir bakteri olan Streptococcus pneumoniae’ ın toksik suşundan deoksiribonukleik asit (DNA)’yı izole ederek aynı bakterinin toksik olmayan suşu ile karıştırdıklarında, toksik olyan bakteri hücrelerinin toksik olduğunu gözlemlediler. Bu deney DNA’nın genetik madde olduğunu ilk defa kesin biçimde ortaya koydu. DNA’nın üç-boyutlu yapısı 1953 yılında James D. Watson ve Francis H. C. Crick tarafından ortaya kondu. Ortaya koyudkları DNA modeli ile Watson ve Crick bu molekülün kendi kendini yapabilecek (replikasyon) ve üzerindeki bilgiyi (enformasyonu) sonraki nesillere aktarbilecek yetenekte bir molekül olabileceğini düşündüler. Daha sonraki çalışmalar genetik bilginin DNA üzerinde kodlanmış olduğunu ve bu bilginin önce ribonükleik asite (RNA) ya aktarıldığını (transkripsiyon) ve bundan da proteine deşifre edildiğini (translasyon) ortaya koydu. Diğer Bir deyimle genetik bilgi nükleik asitlerde saklıdır ve nesilden nasıla transfer edilir. Bu durum, hücrede bu molekülün çoğaltılması (replikasyon) ve tamiri ile uzun nesiller boyu olması garanti altına alınmıştır. Nükleik asitlerin moleküler seviyede çalışılmasını konu alan genetik çalışmaları moleküler biyoloji alanının bir parçası iken, moleküler biyoloji biyokimyanın bir parçasıdır. Nükleik asitlerin genetik bilgiyi nasıl taşıyıp aktardıklarını anlamak için nükleik asitlerin yapısını ve bunların kendileri dahil diğer biyomoleküllerin sentezi ve parçalanmasında görev yapan enzimleri nasıl kodladıklarını anlamalıyız. Enzim ve nükleik asitlerin hayatın kimyasındaki merekzi rollerini anlamak biyokimyanın esas varlık sebeplerinden en önde olanlarıdır.

Crick tarafından 1958 yılında ileri sürüldüğü gibi normalde genetik biginin DNA’dan proteine akışı tersinir değildir. Bilginin bu şekildeki tek yönlü akışı için Crick moleküler biyoljinin “Esas Dogması” terimini kullanmıştır (İng. Central Dogma). Bu terim genellikle yanlış anlamalara neden olmakta ise de, genel durumu ifade etmek için kullanılmamaktadır. Buradaki kasıt, genetik bilginin proteinden gerisin geriye nükleik asite dönüşemeyeceğidir. Bütün makro moleküller, birkaç basit bileşikten, onlar da birkaç elementten oluşmuşlardır. Canlıların

Biyokimya I/ Hikmet Geçkil

1 SU ve ASİT- BAZ KİMYASI

1.1 Organizma ve hücrede su

Her ne kadar organik bir molekül olmasa da canlı hücrelerin en temel ve önemli miktarda olan bileşiği su dur. Biyolojide suyun önemi genellikle hak eden değerde değerlendirilmemiştir. Sıvı su oldukça çeşitli yönlere sahip bir maddedir. Her ne kadar moleküllerin en küçüklerinden biri olsa da su biyomoleküllerin (ör. DNA ve proteinlerin) yapı kazanmasında ve fonksiyonunda hayati önem taşır. Suyun çok yönlülüğü onun hidrojen bağı kurma özelliğine dayanır. Canlıların yaş ağırlığının % 65-95’i sudan oluşmuştur. Su sadece biyokimyasal olayların gerçekleşmesi için değil, aynı zamanda hücre zarından maddenin geçişi, vücut ısısının korunması gibi olaylar için de hayati önem taşır. Bitkiler için su en önemli besin kaynağıdır. Fotosentetik hücreler suyu oksidize ederek karbon dioksitin fiksasyonunu (bağlanımını) sağlar ve gezegenimizdeki moleküler oksijenin oluşumunu sağlarlar. Vücutta su dengesinin (su alınımı ve atılımı) korunması metabolizma için kritik önem taşır. Yetişkin bir insan günde yaklaşık 2 litre su alınımı ve atılımı yapar (vücuda alınan suyun 900 ml’si sıvı, 800 ml’si yiyeceklerden ve 300 ml’si yiyeceklerin oksidasyonundan yani metabolik sudan sağlanır). Aynı miktarda su (2 litre) idrar, solunum ve terleme yolu ile dışarı atılır.

Şekil: 70 kg gelen ergin bir insandaki toplam vücut sıvısı. Total vücut suyu erişkinlerde vücut ağırlığının % 50-60’ını, çocuklarda % 75’ini oluşturur. Toplam vücut suyunun % 60 kadarı hücre dışı, % 40 kadarı hücre içinde bulunur. Yağlar hemen hemen su bağlamadıklarından obez insanlar zayıf insanlara göre daha az bir su oranına sahiptir. Ayrıca, kadınlarda su oranı erkeklere göre daha az iken, genç insanlar yaşlılardan daha fazla bir su yüzdesine sahiptir.

1.1.1 Suyun fiziksel ve kimyasal özellikleri

Suyun fiziksel özellikleri kendi grubundaki hidritlerden önemli farklar gösterir. Örneğin su, 0 oC’de donma ve 100 oC’de kaynama noktasına sahipken, hidrojen sülfür (H 2 S) – 85 oC donma ve – 65 oC kaynama noktalarına sahiptir. Dolayısı ile suyun donma ve kaynama dereceleri arasındaki fark hidrojen sülfürden önemli ölçüde büyüktür. Bu durum canlı sistemler için hayati önem taşır. Çünkü böylece vücudumuz (hücreler) yüksek ve düşük ısılarda donma ve aşırı ısınma göstermez. Ayrıca, suyun buharlaşma ısısı bir çok sıvıdan (metanol, etanol, propanol, butanol, aseton, kloroform, vb) çok daha yüksektir (2-10 kat).

Bu durum su molekülleri arasındaki yüksek derecedeki bağlanma özelliklerinden kaynaklanır ve suya yapışkan bir özellik kazandırır. Bir su molekülündeki her iki hidrojen atomu birer çift elektronla oksijene bağlıdırlar. Yani, H 2 O molekülünü yapan bağlar kovalent bağlardır. Oksijen daha elektronegatif bir molekül olmasından dolayı, elektron paylaşımı eşit olamayıp, elektronlar oksijene daha yakın bulunurlar. Böylece, bir su molekülünün oksijen atomu başka bir su molekülünün hidrojen atomuna hidrojen bağı ile bağlanır. Daha sonra göreceğimiz gibi hidrojen bağları, kovalent bağlardan daha zayıf bağlardır. Suda hidrojenle oksijen arasında paylaşılan elektronlar oksijene daha yakın bulunurlar ve bu durum oksijenin elektron densitesini artırırken, hidrojenler elektron fakiri olurlar. Bu nedenle oksijen kısmi nagatif yük (δ-), hidrojen atomları ise kısmi pozitif (δ+) yüke sahip olurlar. Böylece, su molekülü bir elektrik dipol oluşturur. Benzemeyen yükler biri

Biyokimya I/ Hikmet Geçkil

birlerini çekerler. Böylece, bir su molekülünün hidrojen atomları başka bir su molekülünün oksijeni ile hidrojen bağı ile bağlanırlar:

Bu hidrojen bağları zayıf bağlardır ve kırılmaları 10 kcal (42 kJ) altında bir enerji ile başarılabilir. Hâlbuki bir su molekülünün oluşumunu sağlayan kovalent bağlar 100 kcal (420 kJ) enerji gerektirir. Suyun 100 °C’ye kaynatılması hidrojen bağlarının kırılması için yeterlidir. Hidrojen bağları suyun kaynama noktası da dahil olmak üzere onun bir çok fiziksel karakterini belirler.

Donmuş suda her su diğer su molekülleri ile maksimum 4 hidrojen bağı yaparken, bu sayı sıvı haldeki suda 3.4’e tekabül eder ve dolayısı ile buz kristalimsi yapısı aynı sayıdaki su molekülü ile daha fazla yer işgal ettiğinden, daha az yoğun olur ve su yüzeyinde yüzer.

Hidrojen bağları sadece su moleküllerine has değildir. Bu bağlar elektronegatif bir atomla (çoğu kez oksijen veya azot) diğer bir elektronegatif atoma bağlı hidrojen arasında kolaylıkla oluşabilirler. Anca, elektronegatif bir atom olmayan karbona bağlı hidrojen atomları hidrojen bağı yapamazlar. Bu durum bize, neden butanol (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH)’un 117 oC kaynama noktasına sahipken, bütan (CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 )’in -0.5 oC’de kaynadığını açıklar. Çünkü butanol diğer butanol molekülleri ile ve su ile hidrojen bağı oluşturan polar hidroksil grubuna sahiptir.

Moleküler ağırlığı 17 olan amonyak (NH 3 ) ve hatta 44 olan propanın gaz olduğu düşünülürse, molekül ağırlığı 18 olan suyun da normal şartlarda bir gaz olması beklenir. Ancak, su 100 0 C’ye kadar sıvı halde kalır. Bunun nedeni, su moleküllerinin kendi aralarında hidrojen bağı oluşturmalarından kaynaklanır. Bu çeşit fiziksel moleküller arası (İng. intramolecular)bir etkileşim kısmı pozitif yüklü hidrojen atomu ile, yörüngesinde paylaşılmayan bir çift elektron taşıyan bir başka atom arasında (ör. =O veya –O) olur. Hidrojen atomunun, oksijen veya azota (fakat karbona değil) bu şekilde bağlanması hidrojen bağı ile olur. Böyle atomlarda, -OH’taki bağlı elektronlar H’den çok O’e yakın bulunduklarından, oksijen kısmı negatif (-) bir yüke sahip olur. Hidrojen atomlarındaki yükten dolayı su kısmı pozitif yüklü (+) olup yandaki halde bulunur.

Hücre veya vücuttaki su oldukça zayıf bir iyonize formda bulunurken, içermiş olduğu birçok eriyik madde (çözünen, solüt) sayesinde organizma için kararlı bir ortam (hemostasis) yaratır. Su,H 3 O+^ + OH-^ şeklinde ayrışır (İng. disosasyon). H 3 O+^ hidronyum iyonu olmakla beraber, sadelik olması açısından biyokimyada bu iyon basitçe H+^ veya bir proton olarak ifade edilir. Dolayısı ile suyun disosasyonu, H+^ + OH-^ gösterilebilir. Bu bağıntı için disosasyon (ayrışma) sabitesi (Kd), Kd= [H+][OH]/[H 2 O] ve dolayısı ile [H 2 O]Kd= [H+][OH]=Kw. Hem Kd ve hem de [H 2 O= 55.5 M] birer sabit değer olduklarından, Kw de sabit bir değer olup 25 oC’de 10-14’e eşittir. Böylece, [H+][OH-]= 10- Bu eşitliğin her iki tarafının logaritmasını alırsak, -14= log[H+] – log[OH-] eşitliğini elde ederiz. Yukarıdaki eşitlikte -log[H+] pH’yı, – log[OH-] ise pOH’ı ifade eder. Böylece, pH + pOH= 14 olur. H+] = [OH-]= 10-7^ olduğu zaman hem pH ve hem de pOH 7’ye eşit olurlar ve solüsyonun nötr olduğu varsayılır. Eğer pH>pOH ise solüsyon bazik, pH<pOH durumunda ise solüsyon asidik olarak

Bölüm 1: SU ve ASİT- BAZ KİMYASI

1.1.2 Suyun iyonizasyonu

Biyolojik sistemlerin sıvı kısmı oldukça sabit olan belli bir hidrojen iyon konsantrasyonu [H+]’na sahiptir. İyon konsantrasyonunun sabit olması hayati önem taşır, çünkü biyokimyasal reaksiyonlar (enzimlerin çalışması, metabolik yollar, vs) ancak belli [H+] iyon konsantrasyonlarında gerçekleşebilirler.

Suyun kendisi de (zayıf da olsa) hidrolize olur ve ortama H+^ (hidrojen) ve OH-^ (hidroksil) iyonları salar. Suyun iyonizasyonu, H+, OH-^ ve pH kavramları üzerinde laboratuarda daha detaylı durulacaktır...

H+^ (hidrojen iyonu) konsantrasyonu ([H+]) rutin olarak pH cinsinden ifade edilir. [H+]’in negatif logaritması pH’yı verir. Böyle bir yöntemin kullanılması ile çok küçük değerler (10-6-10-14) anlamlı rakamlara dönüştürülür. Örneğin saf suda hidrojen iyon konsantrasyonu yaklaşık 1 x 10-7^ M (Molar)’dir. Bu kavram da laboratuarda detaylı anlatılacaktır.. Bu rakamı 0.0000001 şeklinde ifade etmek hiç de pratik değildir. Bu değerin eksi logaritmasını alırsak pH’yı bulmuş oluruz. Yani, pH= - log[H+]= 7.0. Dolayısı ile pH’nin bir ünite (birim) değişmesi (örneğin pH’nin 7.0’dan 6.0’a düşmesi) konsantrasyonda 10 kat bir değişime (artışa) sebep olur (10-7^ den 10-6).

Suyun iyonizasyonu derecesi oldukça düşüktür. 25 oC’de 10^7 su molekülünden yaklaşık bir tanesi iyonize halde bulunur. Saf suda 25 oC’de suyun konsantrasyonu (d= 1 g/ml ise, 1000g/litre/ 18 g/mol= 55.5 mol/litre= 55.5 M ) 55.5 M olup, oldukça düşük olan H+^ ve OH-^ konsantrasyonlarına göre hemen hemen sabittir. Dolayısı ile; H 2 O  H+^ + OH- Reaksiyonunda denge halinde, Kd= [H+][OH-]/ [H 2 O] Kd= [H+][OH-]/ 55.5 M Kd)( 55.5 M )= [H+] [OH-]= Ksu (suyun iyon ürünü)

Saf suyun Kd (denge sabitesi) 25 oC’de 1.8 x 10-16^ M olarak ölçülmüştür (10-7x10-7/55.5) (yani, suyun bir litresinde akımın geçmesine sebep olabilecek mol iyon sayısı. Dolayısı ile, (1.8 x 10-16^ M )(55.5 M )= [H+] [OH-] 99.9 x 10-16^ M^2 =[H+] [OH-] 1.0 x 10-14^ M^2 =[H+] [OH-]= Ksu Böylece, [H+]= [OH-]= 10-7^ M

Suyun iyon konsantrasyonu sabit olduğundan, ne zaman H+^ iyon konsantrasyonu 1 x 10-7^ M ’dan büyük olursa, OH-^ iyon konsantrasyonu da o ölçüde küçülür (düşük H+^ konsantrasyonu yüksek pH, yüksek H+^ iyon konsantrasyonu düşük pH anlamına gelir). Suyun pH skalası (0-14) H+^ ve OH- konsantrasyonlarının bir ifadesidir. Örneğin, 0.1 M NaOH solüsyonundaki H+^ iyon konsantrasyonu:

Ksu = [H+] [OH-] [H+]= Ksu/ [OH-] [H+]=1 x 10 –^14 M^2 /0.1 M= 10-13^ M

Bölüm 1: SU ve ASİT- BAZ KİMYASI

1.2 Zayıf asitler ve bazlar, pH kavramı, tamponlar

Solüsyonlardaki birçok madde proton alma ve salma kapasitesine sahiptir. Brønsted asid-baz kuramı na göre asit hidrojen iyonu (proton) veren bir madde iken, baz (alkali) hidrojen alan bir maddedir. Dolayısı ile proton veren bir asit ortamda bir baz oluşumuna neden olur. Böylece orijinal asit ve yeni oluşan baza konjuge asit-konjuge baz cifti denir. Protonu alıp asit forma dönüşen baz başka bir bazdır: HA + B-^  A-^ + HB Asit Konjuge baz Konjuge asit Baz

Böylece her iyonizasyon reaksiyonunda iki konjuge asit-konjuge baz çifti vardır. Yukarıdaki durumu gerçek bir örnekle ifade edersek, asetik asit bir asit iken, asetat bir bazdır. Yine, amonyum iyonu (NH4+) bir asit iken, amonyak (NH3) bir bazdır. Diğer bir deyimle bir asit protonunu (H) kaybederse onun konjuge baz formu oluşurken, konjuge bir baz bir proton kazanırsa onun konjuge asit formu oluşur. Bazı asitler suda komple çözünürler, yani tüm protonlarını ortama salarlar. Bu çeşit maddelere kuvvetli asit veya kuvvetli baz denir. Kuvvetli asit ve kuvvetli bazlar sulu bir ortamda % 100 iyonize olurlar. Örneğin, HCl solüsyonda % 100 H 3 O+^ ve Cl-^ iyonlarına iyonize olur: HCl + H 2 O  H 3 O+^ + Cl-

Sulu çözeltilerde H 3 O+^ (hidronyum iyonu veya diğer bir deyimle suyun konjuge asiti) hidrojen iyonu (proton)’un gerçek formudur. Bu nedenle yukarıdaki reaksiyon daha basit şekilde, HCl  H+^ + Cl- şeklinde ifade edilebilir (yani H 3 O+= H+). Bir örnek verirsek, eğer 1 M HCl suda çözünürse 1 M H+^ ve 1 M Cl-^ açığa çıkarken, yine kuvvetli bir asit olarak kabul edilebilecek sülfürik asit (H2SO4) aynı konsantrasyonda (1 M) suda çözünürse 2 M H+^ ve 1 M SO 4 -^ iyonu açığa çıkar.

Zayıf asit ve bazlar karakteristik disosasyon (iyonizasyonu) sabitelerine sahiptirler. Hidroklorik, sülfürik, nitrik asit kuvvetli asitler olup suda tamamen çözünürler. Sodyum hidroksit ve potasyum hidroksit ise kuvvetli bazlardan olup yine suda tamamen çözünürler. Ancak, biyokimyacılar daha çok, suda tam olarak iyonize olmayan zayıf asit ve bazlarla çalışırlar. Çünkü bu çeşit asit ve bazlar canlı metabolizmasında önemli rol alırlar (her enzimin veya proteinin özel bir pH değerinde optimum aktivite gösterir). Asitler proton (H+) verici, bazlar ise proton alıcılardır. Bu şekilde konjuge asit-baz çifti oluşur. Zayıf bir asit olan asetik asit (CH 3 COOH) bir proton verici, asetat anyonu (CH 3 COO-) ise alıcısıdır: CH 3 COOH  H+^ + CH 3 COO- [HA]  [H+] + [A-] iyonizasyonu reaksiyonlarında denge sabiteleri genellikle iyonizasyonu veya disosasyon (ayrışım) sabiteleri ( Ka ) olarak da adlandırılır: Ka = [H+] [CH 3 COO-]/ [CH 3 COOH]= = [H+] [A-]/[HA] [H+]= Ka [HA]/ [A-] -log[H+]=-log Ka + log [A-]/[HA] pH=pKa + log [A-]/[HA] (Henderson-Hasselbalch (H-H) Eşitliği). Bundan sonra bu eşitliğe kısaca H-H eşitliği diyeceğiz.

Kuvvetli asitler büyük Ka’lara sahipken, zayıf asitler küçük Ka ’lara sahiptirler. pKa pH’nin analoğu olduğundan;

Biyokimya I/ Hikmet Geçkil

(karbonik anhidrazin vücudumuzda en yüksek turnovere sahip olan enzim olduğunu Enzimler konusunda isleyeceğiz).

Ancak, H 2 CO 3 ’un bir kısmı iyonize olur (H 2 CO 3  HCO 3 -^ + H+). Hücrenin (eritrosit) pH’sı yaklaşık 7. ve H 2 CO 3 ‘un pKa’sı 6.35 olduğundan karbonik asidin yaklaşık % 90’u iyonize olur. Bu nedenle hücreye CO 2 girmesi direkt olarak [H+]’da bir artışa sebep olur yani ortam daha asidik olur. Yukarıdaki şekilde de gösterildiği gibi hücrelerin ve hücreler arası sıvının iyonik içeriği önemli farklılık gösterir. Örneğin, kan plazmasında ve hücreler arası sıvıda en çok bulunan katyon Na+^ ve en çok bulunan anyon Cl-^ iken, hücre içi sıvıda (sitoplazma) en çok K+^ katyonu ve anyon olarak organik fosfat (örneğin, ATP) bulunur. Sıvı kompartımanları arasındaki bu iyon bileşimi farkından dolayı her sıvı kompartımanı tamponlamaya katkıda bulunur. Ayrıca bu iyonlar sinyalizasyon sisteminin en önemli elementleridir. Bunlar sayesinde enerji üretimi, elektrik sinyaller ve sinyal taşınımı gibi olaylar mümkün olur.

Asit-Baz, pH, pKa, iyonizasyon Molarite (M) = mol çözünen (solut)/litre solüsyon. Solüsyon = solvent + solüt (solvent= çözen, solut= çözünen) mol/l= M olduğundan, M x L= mole M x ml = mol mM x ml = mol Normalite (N) = eşdeğer mol-gram solut/ litre solüsyon (N=nM, n=çözünebilen asidik veya bazik grup sayısı, örneğin H 2 SO 4 ’de n= 2 iken, HCl veya NaOH’da n= 1’dir) Konsantre =derişik=yoğun Dilue =seyreltik % konsantrasyonlar : (v/v: w/v: w/w) v/v: ml solut/100 ml solüsyon w/v: g solut/100 ml solüsyon w/w: g solut/100 g solüsyon İyonik kuvvet (  ) , örneğin bir tamponun iyonik gücü: = ½  MZ^2 M= ortamdaki iyonların gerçek molaritesi, Z= iyonun yükü. Örneğin, 0.02 M Fe 2 (SO 4 ) 3 ‘un iyonik kuvveti: 0.02 M Fe 2 (SO 4 ) 3  0.02 M 2Fe+3^ + 0.02 M 3SO 4 - 0.02 M Fe 2 (SO 4 ) 3  0.04 M Fe+3^ + 0.06 M SO 4 - iyonik güç= ½  (0.04)(3)^2 + (0.06)(-2)^2 = ½ (0.60) =0.30 M bir adet +1 anyon ve bir adet –1 katyon içeren bir solut için (örneğin, NaCl, )= M olur. Avagadro sayısı : 6.02 x 10^23 Her türlü maddenin 1 mol’ünde Avagadro sayısı kadar molekül vardır (yani, 1 mol glukozda 6.02 x 1023 adet glukoz molekülü, 1 mol H+^ iyonunda 6.02 x 10^23 adet H+^ iyonu, 1 mol e-^ (elektronda) 6.02 x 1023 adet e-^ bulunur). Dalton : göreceli bir birim olup ağırlıktan çok büyüklüğü ifade etmek için kullanılır. Ancak, ağırlık birimi olarak da kullanılması mümkündür ve 1 Dalton= 1/6.02 x 10^23 = 1.66 x 10-24^ g’dir. Dolayısı ile soluduğumuz oksijenin (O 2 ) gerçek ağırlığı 5.32 x 10-23^ g’dir. Ancak, kimyasalların molar veya normal konsantrasyonları hesaplanırken o kimyasalın Dalton cinsinden boyutu (veya ağırlığı) g/mol cinsinden alınır (örneğin, glukoz 180 Dalton büyüklüğüne sahiptir ve o da 180 g/mol’e denk gelir. Diğer bir deyimle bir molekül madde o maddenin 1 molunu yapı olarak ifade eder).

Biyokimya I/ Hikmet Geçkil

ÇÖZÜMLÜ SORULAR

_1. Tüm biyokimyasal reaksiyonlar suda oluşurlar. Suyun konsantrasyonu 55.5 M (Molar), pH’sı ise 7.0’dir. Bu rakamları nasıl elde ederiz?.

2. Kuvvetli bir asite örnek vererek kısaca tanımlayınız.
3. Zayıf bir asite örnek vererek kısaca tanımlayınız.
4. Aşağıdakilerden hangisi en düşük pH değerine sahiptir?_

A) 0.1 M HCl B) 0.1 M asetik asit(pKa = 4.86) C) 0.1 M formik asit (pKa = 3.75) D) 10-13^ M NaOH

5. Bir bileşiğin pKa değeri 7.4’tür. Bu bileşiğin pH değeri 8.0 olan 100 ml 1.0 M’lık solüsyonuna 30 ml 1.0 M HCl eklenirse yeni solüsyonun pH?

A) 7. B) 7. C) 7. D) 6. E) 6.

_6. Suda etanolün (CH 3 CH 2 OH) etandan (CH 3 CH 3 )daha kolay erimesinin sebebi nedir?

7. 50 mL 0.1 M sodyum asetat solusyonu ile 150 mL 1 M asetik asit (pKa = 4.7) solusyonunun karışımından çıkan yeni solusyonun pH?
8. pKa değeri 4.0 olan zayıf bir asitin Ka’sı nedir?
9. Laktik asit mi (pKa = 3.86) yoksa asetik asit mi(pKa = 4.76)daha kuvvetli bir asittir?_

1 0. Eğer 0.1 mol zayıf asit (Ka of 1.00 x 10-4^ M ) 1 litre suda çözünürse, asit (HA) ve konjuge bazın (A-) denge konsantrasyonları ne olur? Bu solüsyonun pH?

11.Aşağıdakilerden hangisi sulu çözeltiler için doğrudur?

A)Solu solüsyonlarda hidrojen bağları kolayca oluşur B)Yüklü moleküller genellikle suda erimezler

C)pH 5.0’ten 6.0’ya ratış hidroksil iyon konsantrasyonunda ([OH–]) % 22’lik bir artışı ifade eder.

D)pH 8.0’den 6.0’ya düşüş proton konsantrasyonunda ([H+]) 100 katlık bir düşüşü ifade eder.

12.Hidronyum iyonu:

A)hidratlanmış (sulu) bir protondur B)hidratlanmış (sulu) bir hidrojen iyonudur

Bölüm 1: SU ve ASİT- BAZ KİMYASI

_31. 0.22 M laktik asit solüsyonunda 0.20 M ayrışmış, 0.02 M ayrışmamış formu bulunuyorsa, solüsyonun pH? (Laktik asitin pKa değeri 3.9).

32. Bazı amino asitlerin yan zincirleri (R) fonksiyonel gruplara sahip olup su ile temas ettiklerinde hidrojen bağı yaparlar. Yanda verilen amino asit yan zincirleri ile su arasında oluşabilecek muhtemel hidrojen bağlarını çizerek gösteriniz.
33. Hocanız size 50 ml solüsyon A (0.02 M Na 2 HPO 4 ) ve 50 ml solüsyon B (0.02 M NaH 2 PO 4 )’yi biri birine karıştırarak 100 ml 0.02 M pH 7.2 olan sodyum fosfat tamponu hazırlamanızı söyledi. Normalde böyle bir tamponu 0.02 M NaH 2 PO 4 üzerine seyreltik NaOH ekleyerek veya 0.02 M Na 2 HPO 4 üzerine seyreltik HCl ekleyerk daha kolay hazırlayabilirdiniz. Ancak, hocanız size kendi söylediği tamponun (yani NaH 2 PO 4 ve Na 2 HPO 4 karışımının) daha “etkili” bir tampon olduğunu söylüyor. Neden?
34. Tablodaki hangi bileşik verilen titrasyon eğrisini temsil etmektedir?_ Bileşik pK1 pK2 pK Fosforik asit 2.15 7.20 12. Asetik asit 4. Süksinik asit

Borik asit 9.24 12. Glisin 2.40 9.

_35. Besinlerin mide ve bağırsaktan emilimi moleküllerin hücre membranından geçip dolaşıma karışmalarına bağlıdır. Hidrofilik veya yüklü moleküllere nazaran hidrofobik moleküller daha kolay emilir. Ağızdan alınan ilaçların emilimi sindirim sistemlerimizdeki pH ve pKa değerleri ile ilişkilidir. Aspirin (Asetilsalisilik asit) iyonize olabilen bir karboksil grubuna (COOH) sahip olup bu grubun pKa değeri 3.5’tir. Bu ilacın protone formunun pH değeri 2.0 olan bir midede ve pH değeri 5.0 olan bir ince bağırsaktaki emilim yüzdesi nedir?

36. Glisinamid (+H 3 NCH 2 CONH 2 )’in (a) pH 7.5, (b) pH 8.2 ve (c) pH 9.0’da % kaçı protone olmamıştır? (Not: Glisinamid için pKa 8.20)._

Bölüm 1: SU ve ASİT- BAZ KİMYASI

SORULAR

1. Aşağıdaki gruplardan hangisi veya hangilerinin su ile hidrojen bağı oluşturması beklenir? a.-CH3 b. – OH c. – NH 2 d. – CH 2 CH 3 e. >C=O e.
   • CHO
2. Neden metan (CH4) su ile hidrojen bağları oluşturmaz?
3. 1 x 10-9^ M HCl solüsyonunun pH? (not: bir asit ne kadar seyreltik olursa olsun, pH’sı 7.0’dan büyük olamaz).
4. Biyomoleküllerin yapısına giren aktif (fonksiyonel) gruplar ne amaçla bulunurlar?
5. Konsantre HCl (d= 1.15, % 28 HCl, MAHCl=36.5 g/mol)’den 0.4 M 2 litre HCl solüsyonu nasıl hazırlarsınız?
6. 500 ml 0.04 N NaOH hazırlamak için kaç gram NaOH tartmanız gerekir? Bu solüsyonun normalitesi ve % konsantrasyonu (w/v) nedir? (MANaOH= 40 g/mol).
7. 0.05 ml protein solüsyonu + 0.950 ml su= A çözeltisi 0.1 ml A çözeltisi + 9.9 ml su= B çözeltisi 0.2 ml B çözeltisi + 9.8 ml su= C çözeltisi a. yukarıdaki dilusyon şemasına göre başlangıçtaki protein solüsyonu kaç kez dilüe edilmiştir? b. C çözeltisinin ml’sinde 1.2 g protein varsa başlangıçtaki protein solüsyonunun ml.sinde ne kadar protein vardır?
8. 0.05 M asetik asit (CH 3 COOH)’in pH? (Ka= 1.74 x 10-5)
9. 0.05 M NaOH ve 0.15 M asetik asit içeren soluş yonun pH? (Ka= 1.74 x 10-5)
10. 200 ml saf suya (pH= 7.00) kaç gram NaOH eklemelisiniz ki solüsyonun pH’sı 11.50 olsun?
11. 50 ml 0.1 M asetik asite 20 ml 0.2 M NaOH eklerseniz yeni solüsyonun pH? (pKa=4.76)
12. 50 ml 0.1 M asetik asite 25 ml 0.2 M NaOH eklerseniz yeni solüsyonun pH? (Kh=Ksu/Ka, Kh= tuzun hidroliz sabitesi, Ksu= 1 x 10-14, Ka= 1.74 x 10-5).
13. 250 ml 0.2 M asetik asite kaç gram sodyum asetat eklemelisiniz ki pH 5.0 olsun? (NaCH 3 COO- = 82 g/mol).
14. 100 ml 0.05 M asetik asitin, 0, 10, 20, 40, 48, 50, 52, 60 ve 100 ml 0.1 N NaOH ile titrasyonunda her ilave edilen baz miktarına karşılık gelen pH değerlerini saptayınız ve bir grafikle gösteriniz (Ka= 1.74 x 10-5).
15. 50 ml 0.1 M NaOH solüsyonunu titre etmek için tam olarak 40 ml dilue sülfürik asit (H 2 SO 4 ) kullandınız. Dilue sülfürik asidin molar konsantrasyonu nedir?
16. 500 ml 0.2 M pH 7.5 fosfat tamponu nasıl hazırlarsınız? (bunun için elinizde monobazik (KH 2 PO 4 = 136 g/mol) ve dibazik (K 2 HPO 4 = 174 g/mol) fosfat bulunmaktadır ve bu bölge için kullanabileceğiniz tamponun pKa’sı 6.87’dir).
17. Litresinde 0.1 mol KH 2 PO 4 ve 0.1 mol K 2 HPO 4 içeren bir tamponun pH’sı onun pKa’sına eşittir (pH= pKa= 7.2). Bu tampona hacmini değiştirmeyecek şekilde (örneğin 1 ml) 0.01 mol NaOH ilave ettiğinizde yeni karışımın pH’sı sadece 0.1 birim artmaktadır (yani pH=7. olmaktadır). Halbuki aynı miktar ve konsantrasyondaki NaOH’i pH’sı 7.0 olan 1 litre saf suya eklediğinizde yeni karışımın pH’sı 5 birim artar (yani pH 12 olur). Neden? Aynı durum 0. mol HCl için de geçerlidir. HCl tamponun pH’sını 7.2’den 7.1’e düşürürken aynı miktardaki suyun pH’sını 7.0’dan 2.0’a düşürür.
18. Bitkiler H 2 O’yu kullanarak onu hidrojen ve oksijene parçalayabilen yegane canlılardır. Aynı olayı yapay yapmanız mümkün mü? (Böylece, suyu petrol yerine bir enerji kaynağı olarak kullanabileceğiniz gibi, yapay (suni) sistemizniz havadaki CO 2 ’yi de kullanacağından küresel ikilim değişikliği için de bir avantaj sağlayacaktır. Ve tabi bu size Nobel ödülü kazandıracaktır…)

Biyokimya I/ Hikmet Geçkil