1.BÖLÜM

BİYOKİMYANIN KONUSU, BİYOMOLEKÜLLER VE HÜCRE YAPISI

1.2. BİYOMOLEKÜLLER

1.2.1. Canlılardaki Elementler ve Önemleri

• Canlıların yapılarında bulunan elementlerin çeşit ve

miktarları, litosferdekinden oldukça farklıdır.

• Yerkabuğunda mevcut olan 92 elementten 27’si

canlıların bileşeni olup, bunların da yalnız 16 tanesine

her çeşit organizmada rastlanılmaktadır.

• Bu elementlerin canlılardaki dağılımı da

yerkabuğundaki oranlarıyla aynı değildir.

• En bol olarak bulunan dört element karbon, hidrojen, oksijen ve azot, birçok hücrelerin kütlelerinin yüzde 99’unu teşkil eder.

• Litosferde ise en çok bulunan ilk dört element oksijen, silisyum, alüminyum ve demirdir.

• Biyosferde (canlı küre) kalsiyum, fosfor, sodyum, mangan, potasyum, klor ve kükürt genellikle yüzde 0,05 ile 1 arasında değişen oranlarda bulunur.

• Diğer bazı elementler çok daha az miktarlarda mevcuttur. Tablo 1.1’de bu elementlerin listesi verilmiştir.

• Acaba karbon, hidrojen, oksijen ve azot canlı yapıları için neden en uygun elementlerdir?

• Tablo 1.1. Biyomoleküllerde bulunan elementler. İlk 16 elemente her canlıda rastlanılmaktadır.

• Organik yapının temel elementleri

• Karbon C

• Hidrojen H

• Oksijen O

• Azot N

• Fosfor P

• Kükürt S

• İyon halinde ve bol miktarda bulunan elementler

• Sodyum Na+

• Potasyum K+

• Magnezyum Mg+2

• Kalsiyum Ca+2

• Klor Cl-

• Eser Elementler

• *Demir Fe

• *Bakır Cu

• *Çinko Zn

• *Mangan Mn

• *Kobalt Co

• *İyot I

• *Molibden Mo

• Vanadyum V

• Nikel Ni

• Krom Cr

• *Fluor F

• *Selenyum Se

• Silisyum Si

• Kalay Sn

• Bor B

• Arsenik As

• *İnsanda bulunan eser elementler

1.2.2. Canlılardaki Moleküller

• Bütün organik biyomoleküller, çevreden sağlanan H2O, CO2 ve N2 gibi basit başlangıç maddelerinden yapılmaktadır.

• Bu başlangıç maddeleri, canlılar tarafından birtakım metabolik ara bileşikleri yoluyla, molekül kütleleri 100 ile 350 arasında değişen ve makromoleküllerin yapı taşlarını teşkil eden biyomoleküllere dönüştürülürler.

• Bu yapı taşı hükmündeki moleküller kovalent bağlarla birleşerek makromolekülleri oluşturur. Bunların molekül ağırlıkları hayli yüksektir.

• Amino asitler proteinleri, mononükleotidler nükleik asitleri, monosakkaritler polisakkaritleri ve yağ asitleri de bazı lipidleri meydana getirirler. Burada lipidler nisbeten düşük molekül ağırlığına sahip olmalarına rağmen (750-2500 dalton) makromolekül olarak ele alınmıştır.

• Bundan sonraki daha yüksek seviyede düzenlenme, makromoleküllerin oluşturdukları “supra-moleküller” adı da verilen büyük molekül kompleksleridir.

• Lipoproteinler, lipid ve proteinlerin, ribozomlar, nükleik asit ve proteinlerin kovalent olmayan bağlarla meydana getirdikleri supra-molekül örnekleridir.

• Hücre yapısını oluşturan en yüksek seviyedeki moleküler düzenlenme, supra-moleküllerin kovalent olmayan bağlarla biraraya gelmesi sonucu ortaya çıkan organellerdir.

• Hücre membranları, mitokondriler, nükleus, mikrocisimler, vakuoller ve kloroplastlar bu yapıya birer örnek olarak verilebilir.

• Tablo 1.2’de Esherichia coli hücresinde bulunan makromoleküllerin ve diğer bileşiklerin yüzdeleri ve çeşitleri verilmiştir.

1.3.PROKARYOTİK, ÖKARYOTİK VE FOTOSENTETİK HÜCRE

YAPILARI

• Üç önemli hücre türü olan prokaryotik, ökaryotik

ve fotosentetik hücreler incelenecektir.

1.3.1. Prokaryotik Hücre Yapısı

• Prokaryotlar çok küçük ve basit hücrelerdir.

• Yalnız hücre membranı olup, nükleusu membransızdır.

• Aynı zamanda mitokondri ve endoplazmik retikuluma da sahip değildir.

• Eubacteria, mavi-yeşil algler, spirocheteler, rickettsialar ve mikoplazmalar prokaryotik organizmalardır.

• Çekirdek bölgesinde sıkı bir yumak şeklinde tek bir DNA çift sarmalı molekülünden ibaret bir tane kromozomu vardır.

• Prokaryotların yeryüzünde ilk yaratılan canlılar olduğu zannedilmektedir.

Hücre çeperi ve membranı

• Hücre çeperi, polisakkaritlerin kısa peptid zincirleriyle çarpraz bağlanması ile teşekkül eden sağlam bir çatıdan ibarettir.

• Aradaki boşluklar lastiğimsi lipopolisakkaritlerle doldurulmuştur.

• Bazı bakterilerde tüy gibi uzantılar vardır. Bunlar hücre çeperinin uzantılarıdır.

• Membranların yaklaşık % 45’i lipid, % 55’i proteinlerden ibaret olup, lipid ikili tabakasının içine proteinler gömülü veya yapışık haldedir.

• Hücre çeperi bakteriyi hipotonik ortamda şişmek ve

patlamaktan korur.

• Gözenekli olup, küçük moleküllerin geçişine izin verir.

• Tüycüklerinin bazılarının içleri boş olup, cinsi birleşme

esnasında DNA’nın transferini sağlarlar.

• Membranlar ise, suyu geçiren birçok basit elektrolitleri

geçirmeyen bir yapıdadır.

• Solunum, fosforilasyon ve hücre çeperi sentez

enzimlerini de ihtiva ederler.

Çekirdek bölgesi

• Çok sıkı bir yumak gibi sarılmış bir DNA çift sarmalından ibarettir.

• DNA genetik bilginin taşıyıcısı olup, bölünme esnasında herbir zincir iki oğul DNA çift sarmalı oluşturur.

Ribozomlar

• E.coli yaklaşık 15 bin ribozom ihtiva eder.

• Herbiri büyük ve küçük olmak üzere iki alt birimden ibaret olup, yaklaşık % 65 RNA ve % 35 proteinden meydana gelmiştir.

• Protein sentezinin gerçekleştiği nükleoprotein kompleksleridir.

Depolama granülleri

• E.coli granülleri glukozun bir polimeri olan granuloz ihtiva eder.

• Diğer bazı bakterilerde ise poli--hidroksi butirik asit granülleri vardır.

• İhtiyaç anında granüller enzimatik olarak serbest glukoz veya -hidroksibutirik aside parçalanır.

Sitozol

• Sitozol nisbeten homojen ve viskoz bir çözelti olup, % 20’den fazla protein ihtiva eder.

• Sitozol, enzimler, metabolik ara bileşikler ve inorganik tuzlarca zengindir.

1.3.2. Ökaryotik Hücre Yapısı

• Ökaryotik hücreler, prokaryotlara nispeten daha büyük ve daha komplekstir.

• Hücre hacimleri prokaryotlardan 1000 ile 10.000 misli daha fazladır.

• Hayvan ve bitki Alemindeki yüksek organizmaların hemen hemen bütün hücreleri ökaryotiktir.

• Aynı zamanda maya hücreleri, protozoalar ve birçok algler bu tip hücrelere sahiptir.

• Ökaryotlarda nükleus bir membranla sarılmıştır.

• Nükleer materyal ise histon adı verilen proteinlere bağlı olan çok sayıda kromozomlardan ibarettir.

• Ökaryotlarda ayrıca membranlar tarafından çevrili mitokondriler, golgi cisimleri ve endoplazmik retikulum bulunur.

Hücre kabuğu ve membranı

• Hücre kabuğu, asidik mukopolisakkaritler, glikolipidler ve glikoproteinlerden ibarettir.

• Membran ise, bakterilere oranla daha çok çeşitte lipid ihtiva eder.

• Hücre kabuğunun yapıştırma özelliği çok spesifik olup, hücrelerin birbirlerini tanımasında ve sonuç olarak organ teşekkülünde rol oynar.

• Plazma membranı ise gerçek geçirgenlik engeli olup, önemli enzimleri ve Na+, K+, glukoz, amino asitler ve diğer bileşikler için transport sistemlerini ihtiva eder.

Nükleus

• Birçok gözeneklere sahip bir membranla çevrilidir.

• DNA histon adı verilen proteinlerle birleşik olup, kromatinlerde kromozomları oluştururlar.

• Nükleolus bol miktarda RNA ihtiva eder.

• Mitoz esnasında kromozomlar, DNA’nın replikasyonu sonucunda oğul kromozomları meydana getirir.

• Nükleolusta ise rRNA’lar sentezlenir ve ribozomlar oluşturulur.

Mitokondriler

• Yumurtamsı şekle sahip organellerdir. Hepatosit (karaciğer hücresi)’lerde yaklaşık 800 mitokondri vardır; sitoplazmik hacmin yaklaşık % 20’sini işgal ederler.

• Mitokondriler, iç ve dış membran olmak üzere iki membranla çevrilidir.

• Bu membranların lipid ve protein bileşimleri, enzimatik aktiviteleri ve geçirgenlikleri farklıdır.

• İç membranın içeriye doğru yaptığı katlanmalara krista ve mitokondri içi sıvısına matriks adı verilir.

• Matriks enzimlerce zengin olup, bir DNA zinciri de ihtiva eder.

• Mitokondriler glukozun ve yağ asitlerinin CO2 ve H2O’ya kadar moleküler oksijenin kullanılmasıyla oksitlendiği yerdir.

• Oksidatif fosforilasyon enzimleri iç membranda yerleşmişlerdir.

Golgi cisimleri

• Bu organeller, birbiri üzerine istiflenmiş, yassı şekilde, membranla çevrili veziküllerdir.

• Salgılanacak ürünlerin konsantre olduğu durumlarda vakuol şeklini alırlar.

• Golgi cisimleri, protein gibi hücre ürünlerinin dışarıya salıverilmesini sağlar.

• Özellikle plazma ve lizozomal membran teşekkülünde aktiftirler.

Peroksizomlar

• Bu organeller, katalaz, D-amino asit oksidaz ve diğer oksitleyici enzimleri ihtiva eder.

• Tek membranlı olup, hücre içi H2O2 metabolizmasını düzenler.

• Çimlenme esnasında yağların karbohidratlara çevrilmesini sağlayan glioksizomlar bu yapıların bitkilerdeki şeklidir.

Lizozomlar

• Tek membranlı veziküller olup, ribonükleazlar ve proteazlar gibi hidrolitik enzimleri ihtiva eder.

• Fagositoz veya pinositoz ile hücre içerisine sokulan materyallerin sindirilmesini sağlar.

Endoplazmik retikulum

• Endoplazmik retikulum (ER), cisternae adı verilen iç bölmelere sahip yassı veziküllerden ibarettir.

• Bu bölmeler sitoplazmanın içinden doğru birbirlerine kanallarla bağlıdır.

• ER yüzeyinin bir bölümü ribozomlarla kaplıdır.

• Pürüzlü (granüllü) ER denilen bu bölgede hücre dışı (ekstraselüler), lizozom ve membran proteinleri sentezlenir.

• Pürüzsüz ve düz ER yüzeyleri ise daha çok lipid sentezi ve detoksifikasyon enzimlerince zengindir

1.3.3. Fotosentetik Hücreler

• Yüksek bitkilerin yaprak mezofillerindeki parenkimal hücreler fotosentez yönünden oldukça aktiftirler.

• Bu hücreler hayvan hücrelerinde karşılaşılan nükleus, mitokondri, golgi cisimleri, endoplazmik retikulum ve ribozomlar gibi ökaryotik yapı ve organelleri ihtiva ettikleri gibi, farklı olarak da üç tane başka önemli yapıya sahiptir.

• Bunlar; kloroplastlar, büyük vakuoller ile kalın ve sağlam hücre duvarlarıdır.

• Yeşil hücrelerin kloroplastları klorofilce zengin olup, CO2 ve H2O’dan glukoz sentezlenip, nişasta halinde depolanmaktadır.

• Fotosentez hücreleri karanlıkta atmosferik oksijeni kullanarak glukoz oksitler.

Hücre çeperi

• Bitki hücre çeperleri kalın ve sağlam olup,

kutuya benzer.

• Çeper, polisakkarit ve protein karışımı ile

örtülmüş selüloz liflerinden ibarettir.

• Hücre çeperi, membranı mekanik ve osmotik

basınçlardan korur ve hücrenin şeklini belirler.

Hücre membranı

• Kalınlık, yapı ve özellikleri bakımından hayvan hücrelerindekine benzer.

• Lipid bileşenleri ve aktif transport sistemleri ise oldukça farklıdır.

Nükleus

• Nükleus, perinükleer membran ve nükleolus, hayvan hücrelerine benzer.

• Kromozom sayıları doğal olarak farklıdır.

Kloroplast

• Yüksek bitkilerin hücreleri, membranla çevrili ve bazıları da DNA ihtiva eden, plastid adı verilen organellere sahiptir.

• Bazı plastidler pigment ihtiva eder (kromoplastlar), bazıları da etmez (lökoplastlar).

• Klorofil ihtiva eden plastidler, kloroplast adını alır ve fotosentez aktivitesine sahiptir.

• Diğer kromoplastlar karotenoid pigmentleri depolar.

• Lökoplastlar arasında nişasta granüllerini depolayan amiloplastlar sayılabilir.

• Kloroplastlar, mitokondrilere oranla daha büyük olup (8 mikrondan büyük), bir hücrede birbirlerinden farklı şekillere sahip çok sayıda bulunabilir.

• İç membranları disk şeklinde birbiri üzerinde istiflenmiş yassı veziküller teşkil eder.

• Tilakoid adı verilen bu veziküllerin membranları, klorofil ve fotosentetik elektron taşıyıcı proteinlere sahiptir.

• ATP, indirgeyici güç olarak NADPH ve oksijen kloroplastlarda meydana gelirken, CO2’nin indirgenmesi sonucu glukoz ve nişasta sentezi de burada oluşur.

• Bir DNA molekülü ihtiva eder.

Mitokondriler

• Hepatositlerdekine nispeten daha az sayıda olup, kristaları daha seyrektir.

• Işık altında yaprak hücreleri enerji ihtiyaçlarının çoğunu kloroplastlardan sağlar.

• Karanlıkta ise mitokondrial solunum daha çoktur.

• Enzimatik ve yapısal düzenlenmesi hayvan hücrelerine benzer.

Vakuoller

• Vakuoller, yarı geçirgen bir zarla çevrilidir.

• Genç hücrelerde küçük iken, yaşlandıkça büyürler.

• Vakuollerin içinde çözünmüş halde şekerler, organik

asitler, tuzlar, oksijen, CO2 ve pigmentler mevcuttur.

• Vakuoller, hücrenin hayatı esnasında yavaş yavaş

biriken ve yoğunlaşan artık ve çözünenlerin ayırt

edilmesi görevini üstlenir.

• Çözünenler bazen vakuoller içinde kristallenir.

Endoplazmik retikulum

• Endoplazmik retikuluma yapışmış olan

ribozomlar, büyüklük ve bileşim yönünden

hayvan hücrelerinden biraz farklıdır.

• Burada protein sentezi gerçekleştirilir ve

sentezlenen proteinler, sitoplazma içinden

doğru kanalize edilirler.