Bilgi

6.2: Biyolojik Moleküller - Biyoloji

6.2: Biyolojik Moleküller - Biyoloji


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Öğrenme hedefleri

Bu bölümün sonunda şunları yapabileceksiniz:

  • Karbonun yaşam için kritik olduğu yolları tanımlayın
  • Amino asitlerdeki küçük değişikliklerin organizmalar üzerindeki etkisini açıklayın
  • Dört ana biyolojik molekül türünü tanımlayın
  • Dört ana molekül tipinin fonksiyonlarını anlayın

Daha küçük organik moleküllerden oluşan yaşam için gerekli büyük moleküllere biyolojik makromoleküller denir. Biyolojik makromoleküllerin (karbonhidratlar, lipidler, proteinler ve nükleik asitler) dört ana sınıfı vardır ve her biri hücrenin önemli bir bileşenidir ve çok çeşitli işlevleri yerine getirir. Kombine olarak, bu moleküller bir hücre kütlesinin çoğunu oluşturur. Biyolojik makromoleküller organiktir, yani karbon içerirler. Ayrıca hidrojen, oksijen, azot, fosfor, kükürt ve ilave minör elementler içerebilirler.

Karbon

Sıklıkla hayatın “karbon temelli” olduğu söylenir. Bu, diğer karbon atomlarına veya diğer elementlere bağlı karbon atomlarının, canlılarda benzersiz olarak bulunan moleküllerin çoğunun olmasa da çoğunun temel bileşenlerini oluşturduğu anlamına gelir. Diğer elementler biyolojik moleküllerde önemli roller oynar, ancak karbon kesinlikle canlılardaki moleküller için “temel” element olarak nitelendirilir. Önemli rolünden sorumlu olan karbon atomlarının bağlanma özellikleridir.

Karbon Bağlama

Karbon, dış kabuğunda dört elektron içerir. Bu nedenle, diğer atomlar veya moleküller ile dört kovalent bağ oluşturabilir. En basit organik karbon molekülü metandır (CH4), dört hidrojen atomunun bir karbon atomuna bağlandığı (Şekil 1).

Ancak daha karmaşık yapılar karbon kullanılarak yapılır. Hidrojen atomlarından herhangi biri, birinci karbon atomuna kovalent olarak bağlı başka bir karbon atomu ile değiştirilebilir. Bu sayede karbon bileşiklerinin uzun ve dallanan zincirleri yapılabilir (Şekil 2a). Karbon atomları, nitrojen, oksijen ve fosfor gibi diğer elementlerin atomlarıyla bağlanabilir (Şekil 2b). Moleküller ayrıca diğer halkalarla bağlantı kurabilen halkalar da oluşturabilirler (Şekil 2C). Moleküler formların bu çeşitliliği biyolojik makromoleküllerin fonksiyonlarının çeşitliliğini açıklar ve büyük ölçüde karbonun kendisiyle ve diğer atomlarla çoklu bağlar oluşturma yeteneğine dayanır.

Karbonhidratlar

Karbonhidratlar, çoğu tüketicinin biraz aşina olduğu makromoleküllerdir. Kilo vermek için bazı kişiler “düşük karbonhidratlı” diyetlere uyar. Sporcular, aksine, yüksek düzeyde rekabet etmek için yeterli enerjiye sahip olmalarını sağlamak için önemli yarışmalardan önce genellikle "karbonhidrat yükler". Karbonhidratlar aslında diyetimizin önemli bir parçasıdır; Tahıllar, meyveler ve sebzelerin tümü doğal karbonhidrat kaynaklarıdır. Karbonhidratlar, özellikle basit bir şeker olan glikoz aracılığıyla vücuda enerji sağlar. Karbonhidratların insanlarda, hayvanlarda ve bitkilerde başka önemli işlevleri de vardır.

Karbonhidratlar formülle temsil edilebilir (CH2Ö)n, nerede n moleküldeki karbon atomlarının sayısıdır. Başka bir deyişle, karbonhidrat moleküllerinde karbonun hidrojene oksijen oranı 1:2:1'dir. Karbonhidratlar üç alt tipe ayrılır: monosakkaritler, disakkaritler ve polisakkaritler.

Monosakkaritler (mono- = "bir"; sakkar- = "tatlı") basit şekerlerdir ve en yaygını glikozdur. Monosakkaritlerde karbon atomlarının sayısı genellikle üç ile altı arasında değişir. Çoğu monosakkarit adı -ose son ekiyle biter. Şekerdeki karbon atomlarının sayısına bağlı olarak, bunlar triozlar (üç karbon atomlu), pentozlar (beş karbon atomlu) ve heksozlar (altı karbon atomlu) olarak bilinebilirler.

Monosakaritler, doğrusal bir zincir veya halka şekilli moleküller olarak mevcut olabilir; sulu çözeltilerde genellikle halka şeklinde bulunurlar.

Glikozun kimyasal formülü C'dir.6H12Ö6. Çoğu canlı türünde glikoz önemli bir enerji kaynağıdır. Hücresel solunum sırasında, glikozdan enerji salınır ve bu enerji adenozin trifosfatın (ATP) yapılmasına yardımcı olmak için kullanılır. Bitkiler, fotosentez işlemi ile karbondioksit ve su kullanarak glikoz sentezler ve glikoz da bitkinin enerji ihtiyacı için kullanılır. Fazla sentezlenen glikoz, genellikle bitkilerle beslenen diğer organizmalar tarafından parçalanan nişasta olarak depolanır.

Galaktoz (laktozun bir kısmı veya süt şekeri) ve fruktoz (meyvede bulunur) diğer yaygın monosakkaritlerdir. Glikoz, galaktoz ve fruktozun hepsinin aynı kimyasal formüle sahip olmasına rağmen (C6H12Ö6), karbon zincirindeki farklı atom düzenlemeleri nedeniyle yapısal ve kimyasal olarak farklılık gösterirler (ve izomerler olarak bilinirler) (Şekil 3).

Disakkaritler (di- = “iki”), iki monosakkarit bir dehidrasyon reaksiyonuna (bir su molekülünün çıkarılmasının meydana geldiği bir reaksiyon) girdiğinde oluşur. Bu işlem sırasında, bir monosakkaritin hidroksil grubu (–OH), başka bir monosakkaritin hidrojen atomu ile birleşerek bir molekül su (H) açığa çıkarır.2O) ve iki şeker molekülündeki atomlar arasında kovalent bir bağ oluşturur.

Yaygın disakkaritler arasında laktoz, maltoz ve sukroz bulunur. Laktoz, glikoz ve galaktoz monomerlerinden oluşan bir disakkarittir. Sütte doğal olarak bulunur. Maltoz veya malt şekeri, iki glikoz molekülü arasındaki dehidrasyon reaksiyonundan oluşan bir disakkarittir. En yaygın disakkarit, monomerler glikoz ve fruktozdan oluşan sakaroz veya sofra şekeridir.

Kovalent bağlarla bağlanmış uzun bir monosakarit zinciri, bir polisakarit (poli- = "çok") olarak bilinir. Zincir dallı veya dalsız olabilir ve farklı tipte monosakkaritler içerebilir. Polisakkaritler çok büyük moleküller olabilir. Nişasta, glikojen, selüloz ve kitin polisakkaritlerin örnekleridir.

Nişasta, şekerlerin bitkilerde depolanmış şeklidir ve amiloz ve amilopektinden (her ikisi de glikoz polimeri) oluşur. Bitkiler glikoz sentezleyebilir ve fazla glikoz, kökler ve tohumlar dahil olmak üzere farklı bitki kısımlarında nişasta olarak depolanır. Hayvanlar tarafından tüketilen nişasta, glikoz gibi daha küçük moleküllere parçalanır. Hücreler daha sonra glikozu emebilir.

Glikojen, insanlarda ve diğer omurgalılarda glikozun depolanma şeklidir ve glikoz monomerlerinden oluşur. Glikojen, nişastanın hayvan eşdeğeridir ve genellikle karaciğer ve kas hücrelerinde depolanan oldukça dallı bir moleküldür. Glikoz seviyeleri düştüğünde, glikojen glikozu serbest bırakmak için parçalanır.

Selüloz en bol bulunan doğal biyopolimerlerden biridir. Bitkilerin hücre duvarları çoğunlukla hücreye yapısal destek sağlayan selülozdan yapılır. Ahşap ve kağıt doğada çoğunlukla selüloziktir. Selüloz, glikoz molekülündeki belirli karbon atomları arasındaki bağlarla bağlanan glikoz monomerlerinden oluşur.

Selülozdaki diğer tüm glikoz monomerleri ters çevrilir ve uzun zincirler halinde sıkıca paketlenir. Bu, selüloza sertliğini ve bitki hücreleri için çok önemli olan yüksek gerilme mukavemetini verir. Sindirim sistemimizden geçen selüloza diyet lifi denir. Selülozdaki glikoz-glikoz bağları insan sindirim enzimleri tarafından parçalanamazken, inekler, bufalolar ve atlar gibi otoburlar, selüloz açısından zengin otları sindirebilir ve onu bir besin kaynağı olarak kullanabilirler. Bu hayvanlarda, belirli bakteri türleri işkembede (otçulların sindirim sisteminin bir parçası) bulunur ve selülaz enzimini salgılar. Ek, ayrıca selülozu parçalayan ve ona geviş getiren hayvanların sindirim sistemlerinde önemli bir rol veren bakterileri içerir. Selülazlar, selülozu hayvan tarafından bir enerji kaynağı olarak kullanılabilen glikoz monomerlerine parçalayabilir.

Karbonhidratlar, farklı hayvanlarda başka işlevlere hizmet eder. Böcekler, örümcekler ve yengeçler gibi eklembacaklılar, iç vücut kısımlarını koruyan dış iskelet adı verilen bir dış iskelete sahiptir. Bu dış iskelet, azotlu bir karbonhidrat olan biyolojik makromolekül kitinden yapılmıştır. Azot içeren modifiye şekerin tekrar eden birimlerinden yapılır.

Böylece, moleküler yapıdaki farklılıklar yoluyla karbonhidratlar, enerji depolama (nişasta ve glikojen) ve yapısal destek ve koruma (selüloz ve kitin) gibi çok farklı işlevlere hizmet edebilirler (Şekil 4).

Eylemde Kariyer

Kayıtlı diyetisyen

Obezite dünya çapında bir sağlık sorunudur ve diyabet ve kalp hastalığı gibi birçok hastalık obezite nedeniyle daha yaygın hale gelmektedir. Bu, kayıtlı diyetisyenlerin tavsiye için giderek daha fazla aranmasının nedenlerinden biridir. Kayıtlı diyetisyenler, çeşitli ortamlarda bireyler için gıda ve beslenme programlarının planlanmasına yardımcı olur. Genellikle sağlık tesislerinde hastalarla çalışarak hastalıkları önlemek ve tedavi etmek için beslenme planları tasarlarlar. Örneğin, diyetisyenler diyabetli bir hastaya doğru türde ve miktarda karbonhidrat yiyerek kan şekeri düzeylerini nasıl yöneteceklerini öğretebilir. Diyetisyenler ayrıca huzurevlerinde, okullarda ve özel muayenehanelerde çalışabilirler.

Kayıtlı bir diyetisyen olmak için, kişinin diyetetik, beslenme, gıda teknolojisi veya ilgili bir alanda en az bir lisans derecesi kazanması gerekir. Ayrıca, kayıtlı diyetisyenler denetimli bir staj programını tamamlamalı ve ulusal bir sınavı geçmelidir. Diyetetik alanında kariyer yapanlar beslenme, kimya, biyokimya, biyoloji, mikrobiyoloji ve insan fizyolojisi dersleri alırlar. Diyetisyenler, gıdaların (proteinler, karbonhidratlar ve yağlar) kimyası ve işlevleri konusunda uzman olmalıdır.

Lipidler

Lipitler, ortak bir özellik tarafından birleştirilen çeşitli bileşikler grubunu içerir. Lipitler hidrofobiktir ("sudan korkan") veya polar olmayan moleküller oldukları için suda çözünmezler. Bunun nedeni, bunların yalnızca polar olmayan karbon-karbon veya karbon-hidrojen bağları içeren hidrokarbonlar olmalarıdır. Lipitler bir hücrede birçok farklı işlevi yerine getirir. Hücreler, uzun süreli kullanım için enerjiyi yağ adı verilen lipidler şeklinde depolar. Lipitler ayrıca bitki ve hayvanlar için çevreden yalıtım sağlar. Örneğin, su itici yapıları nedeniyle suda yaşayan kuşların ve memelilerin kuru kalmasına yardımcı olurlar. Lipitler aynı zamanda birçok hormonun yapı taşlarıdır ve plazma zarının önemli bir bileşenidir. Lipitler, katı yağları, sıvı yağları, mumları, fosfolipidleri ve steroidleri içerir.

Trigliserit gibi bir yağ molekülü iki ana bileşenden oluşur: gliserol ve yağ asitleri. Gliserol, üç karbon atomu, beş hidrojen atomu ve üç hidroksil (–OH) grubu içeren organik bir bileşiktir. Yağ asitleri, asidik bir karboksil grubunun bağlı olduğu uzun bir hidrokarbon zincirine sahiptir, bu nedenle "yağ asidi" adı verilir. Yağ asidindeki karbon sayısı 4 ila 36 arasında değişebilir; en yaygın olanı 12-18 karbon içerenlerdir. Bir yağ molekülünde, gliserol molekülünün –OH gruplarındaki üç oksijen atomunun her birine bir kovalent bağ ile bir yağ asidi bağlanır (Şekil 6).

Bu kovalent bağ oluşumu sırasında üç su molekülü açığa çıkar. Yağdaki üç yağ asidi benzer veya farklı olabilir. Bu yağlara ayrıca üç yağ asidine sahip oldukları için trigliseritler de denir. Bazı yağ asitlerinin kökenlerini belirten ortak adları vardır. Örneğin, doymuş bir yağ asidi olan palmitik asit, palmiye ağacından elde edilir. Araşidik asitten elde edilir. Arachis hipogaea, yer fıstığının bilimsel adı.

Yağ asitleri doymuş veya doymamış olabilir. Bir yağ asidi zincirinde, hidrokarbon zincirindeki komşu karbonlar arasında yalnızca tekli bağlar varsa, yağ asidi doymuştur. Doymuş yağ asitleri hidrojenle doyurulur; başka bir deyişle, karbon iskeletine bağlı hidrojen atomlarının sayısı maksimize edilir.

Hidrokarbon zinciri bir çift bağ içerdiğinde, yağ asidi doymamış bir yağ asididir.

Doymamış yağların çoğu oda sıcaklığında sıvı haldedir ve yağ olarak adlandırılır. Molekülde bir çift bağ varsa tekli doymamış yağ (ör. zeytinyağı), birden fazla çift bağ varsa çoklu doymamış yağ (ör. kanola yağı) olarak bilinir.

Doymuş yağlar sıkıca paketlenme eğilimindedir ve oda sıcaklığında katıdır. Ette bulunan stearik asit ve palmitik asit içeren hayvansal yağlar ve tereyağında bulunan butirik asit içeren yağlar doymuş yağlara örnektir. Memeliler yağları, yağ küreciklerinin hücrenin çoğunu kapladığı adiposit adı verilen özel hücrelerde depolar. Bitkilerde katı veya sıvı yağlar tohumlarda depolanır ve embriyonik gelişim sırasında enerji kaynağı olarak kullanılır.

Doymamış yağlar veya yağlar genellikle bitki kökenlidir ve doymamış yağ asitleri içerir. Çift bağ, yağ asitlerinin oda sıcaklığında sıvı halde kalmasını sağlayarak sıkı bir şekilde paketlenmesini önleyen bir bükülmeye veya "bükülmeye" neden olur. Zeytinyağı, mısır yağı, kanola yağı ve morina karaciğeri yağı doymamış yağlara örnektir. Doymamış yağlar kan kolesterol seviyelerini iyileştirmeye yardımcı olurken, doymuş yağlar arterlerde plak oluşumuna katkıda bulunur ve bu da kalp krizi riskini artırır.

Gıda endüstrisinde, yağlar yarı katı hale getirilmeleri için yapay olarak hidrojenlenir, bu da daha az bozulmaya ve daha uzun raf ömrüne yol açar. Basitçe söylemek gerekirse, onları katılaştırmak için hidrojen gazı yağlardan köpürtülür. Bu hidrojenasyon işlemi sırasında, cis- hidrokarbon zincirindeki konformasyon, hidrokarbon zincirinde çift bağlara dönüştürülebilir. trans-konformasyon. Bu, bir trans-dan gelen yağ cis-yağ. Çift bağların yönü yağın kimyasal özelliklerini etkiler (Şekil 7).

Margarin, bazı fıstık ezmesi türleri ve katı yağ, yapay olarak hidrojene edilmiş ürünlere örnektir. trans- yağlar. Son araştırmalar göstermiştir ki, trans-insan diyetindeki yağlar, düşük yoğunluklu lipoprotein (LDL) veya "kötü" kolesterol seviyelerinde artışa yol açabilir ve bu da arterlerde plak birikmesine neden olarak kalp hastalığına neden olabilir. Birçok fast food restoranı son zamanlarda trans-yağlar ve ABD gıda etiketlerinin artık bunları listelemeleri gerekiyor. trans-yağ içeriği.

Esansiyel yağ asitleri, gerekli olan ancak insan vücudu tarafından sentezlenmeyen yağ asitleridir. Bu nedenle, diyet yoluyla takviye edilmeleri gerekir. Omega-3 yağ asitleri bu kategoriye girer ve insanlar için bilinen iki temel yağ asidinden biridir (diğeri omega-6 yağ asitleridir). Bunlar bir tür çoklu doymamış yağdır ve omega-3 yağ asitleri olarak adlandırılırlar çünkü yağ asidinin sonundaki üçüncü karbon bir çift bağa katılır.

Somon, alabalık ve ton balığı iyi omega-3 yağ asitleri kaynaklarıdır. Omega-3 yağ asitleri beyin fonksiyonunda ve normal büyüme ve gelişmede önemlidir. Ayrıca kalp hastalığını önleyebilir ve kanser riskini azaltabilirler.

Karbonhidratlar gibi, yağlar da çok fazla kötü tanıtım aldı. Kızartılmış yiyeceklerin ve diğer “yağlı” yiyeceklerin aşırı tüketilmesinin kilo alımına yol açtığı doğrudur. Ancak yağların önemli işlevleri vardır. Yağlar uzun süreli enerji depolama görevi görür. Ayrıca vücut için yalıtım sağlarlar. Bu nedenle orta düzeyde “sağlıklı” doymamış yağlar düzenli olarak tüketilmelidir.

Fosfolipitler, plazma zarının ana bileşenidir. Yağlar gibi, bir gliserol veya benzeri bir omurgaya bağlı yağ asidi zincirlerinden oluşurlar. Ancak bağlı üç yağ asidi yerine iki yağ asidi vardır ve gliserol omurgasının üçüncü karbonu bir fosfat grubuna bağlıdır. Fosfat grubu, bir alkol ilavesiyle değiştirilir.

Bir fosfolipid hem hidrofobik hem de hidrofilik bölgelere sahiptir. Yağ asidi zincirleri hidrofobiktir ve kendilerini sudan hariç tutarken, fosfat hidrofiliktir ve su ile etkileşir.

Hücreler, iki katmanlı bir fosfolipid içeren bir zarla çevrilidir. Fosfolipidlerin yağ asitleri sudan uzakta içeriye bakar, oysa fosfat grubu her ikisi de sulu olan dış ortama veya hücrenin içine bakabilir.

Steroidler ve Mumlar

Daha önce tartışılan fosfolipidlerin ve yağların aksine, steroidler bir halka yapısına sahiptir. Diğer lipidlere benzemeseler de hidrofobik oldukları için onlarla birlikte gruplandırılırlar. Tüm steroidlerin dört bağlantılı karbon halkası vardır ve bunların birçoğu, kolesterol gibi, kısa bir kuyruğa sahiptir.

Kolesterol bir steroiddir. Kolesterol esas olarak karaciğerde sentezlenir ve testosteron ve östradiol gibi birçok steroid hormonunun öncüsüdür. Aynı zamanda E ve K vitaminlerinin öncüsüdür. Kolesterol, yağların parçalanmasına ve hücreler tarafından daha sonra emilmesine yardımcı olan safra tuzlarının öncüsüdür. Kolesterolden sıklıkla olumsuz olarak bahsedilse de vücudun düzgün çalışması için gereklidir. Hayvan hücrelerinin plazma zarlarının önemli bir bileşenidir.

Mumlar, bir alkol (–OH) grubu ve bir yağ asidi içeren bir hidrokarbon zincirinden oluşur. Hayvan mumlarının örnekleri arasında balmumu ve lanolin bulunur. Bitkiler ayrıca, yapraklarındaki kaplama gibi, kurumasını önlemeye yardımcı olan mumlara da sahiptir.

Lipidler hakkında ek bir bakış açısı için, bu etkileşimli animasyon aracılığıyla “Biomolecules: The Lipids”i keşfedin.

Proteinler

Proteinler, canlı sistemlerde en bol bulunan organik moleküllerden biridir ve tüm makromoleküller arasında en çeşitli işlevlere sahiptir. Proteinler yapısal, düzenleyici, kasılabilir veya koruyucu olabilir; taşımada, depolamada veya membranlarda hizmet edebilirler; veya toksinler veya enzimler olabilirler. Canlı bir sistemdeki her hücre, her biri benzersiz bir işleve sahip binlerce farklı protein içerebilir. İşlevleri gibi yapıları da büyük ölçüde değişir. Bununla birlikte, hepsi doğrusal bir dizilimde düzenlenmiş amino asitlerin polimerleridir.

Proteinlerin işlevleri çok çeşitlidir çünkü uzun zincirler oluşturan kimyasal olarak farklı 20 farklı amino asit vardır ve amino asitler herhangi bir sırada olabilir. Örneğin, proteinler enzimler veya hormonlar olarak işlev görebilir. Canlı hücreler tarafından üretilen enzimler, biyokimyasal reaksiyonlarda (sindirim gibi) katalizörlerdir ve genellikle proteinlerdir. Her enzim, üzerinde etki ettiği substrata (bir enzime bağlanan bir reaktan) özeldir. Enzimler moleküler bağları kırma, bağları yeniden düzenleme veya yeni bağlar oluşturma işlevi görebilir. Bir enzim örneği, nişastanın bir bileşeni olan amilozu parçalayan tükürük amilazıdır.

Hormonlar, büyüme, gelişme, metabolizma ve üreme dahil olmak üzere belirli fizyolojik süreçleri kontrol etmek veya düzenlemek için hareket eden bir endokrin bezi veya endokrin hücre grubu tarafından salgılanan, genellikle proteinler veya steroidler olan kimyasal sinyal molekülleridir. Örneğin, insülin, kan şekeri seviyelerini koruyan bir protein hormonudur.

Proteinlerin farklı şekilleri ve moleküler ağırlıkları vardır; bazı proteinler şekil olarak küresel iken diğerleri doğada liflidir. Örneğin, hemoglobin küresel bir proteindir, ancak cildimizde bulunan kollajen lifli bir proteindir. Protein şekli işlevi için kritik öneme sahiptir. Sıcaklıktaki, pH'daki değişiklikler ve kimyasallara maruz kalma, proteinin şeklinde kalıcı değişikliklere yol açarak işlev kaybına veya denatürasyona (daha sonra ayrıntılı olarak tartışılacaktır) yol açabilir. Tüm proteinler, aynı 20 çeşit amino asidin farklı düzenlemelerinden oluşur.

Amino asitler, proteinleri oluşturan monomerlerdir. Her amino asit, bir amino grubuna (–NH) bağlı bir merkezi karbon atomundan oluşan aynı temel yapıya sahiptir.2), bir karboksil grubu (–COOH) ve bir hidrojen atomu. Her amino asit ayrıca, R grubu olarak bilinen merkezi karbon atomuna bağlı başka bir değişken atom veya atom grubuna sahiptir. R grubu, 20 amino asit arasındaki tek yapı farkıdır; aksi halde amino asitler aynıdır (Şekil 8).

R grubunun kimyasal yapısı, proteini içindeki amino asidin kimyasal yapısını (yani asidik, bazik, polar veya polar olmayan) belirler.

Amino asitlerin sırası ve sayısı nihayetinde bir proteinin şeklini, boyutunu ve işlevini belirler. Her amino asit, bir dehidrasyon reaksiyonu ile oluşturulan, peptit bağı olarak bilinen bir kovalent bağ ile başka bir amino aside bağlanır. Bir amino asidin karboksil grubu ile ikinci bir amino asidin amino grubu birleşerek bir su molekülü açığa çıkarır. Ortaya çıkan bağ, peptit bağıdır.

Böyle bir bağlantının oluşturduğu ürünlere polipeptitler denir. Polipeptit ve protein terimleri bazen birbirinin yerine kullanılırken, bir polipeptit teknik olarak bir amino asit polimeridir, oysa protein terimi birlikte birleşen, farklı bir şekle sahip olan ve benzersiz bir işlevi olan bir polipeptit veya polipeptitler için kullanılır.

Sitokrom c'nin Evrimsel Önemi

Sitokrom c, glikozdan enerji toplayan moleküler makinenin önemli bir bileşenidir. Bu proteinin hücresel enerji üretimindeki rolü çok önemli olduğu için milyonlarca yılda çok az değişti. Protein dizilimi, farklı türlerin sitokrom c molekülleri arasında önemli miktarda dizi benzerliği olduğunu göstermiştir; evrimsel ilişkiler, çeşitli türlerin protein dizileri arasındaki benzerlikler veya farklılıklar ölçülerek değerlendirilebilir.

Örneğin, bilim adamları insan sitokrom c'nin 104 amino asit içerdiğini belirlediler. Bugüne kadar farklı organizmalardan dizilen her bir sitokrom c molekülü için, bu amino asitlerin 37'si her sitokrom c'de aynı pozisyonda görünür. Bu, tüm bu organizmaların ortak bir atadan geldiğini gösterir. İnsan ve şempanze protein dizileri karşılaştırıldığında, dizi farkı bulunmadı. İnsan ve al yanaklı maymun dizileri karşılaştırıldığında, bir amino asitte tek bir fark bulundu. Buna karşılık, insan-maya karşılaştırmaları, 44 amino asitte bir farklılık gösterir; bu, insanlarla şempanzelerin, insanlarla rhesus maymunundan veya insanlardan ve mayadan daha yakın bir ortak ataya sahip olduğunu düşündürür.

Protein Yapısı

Daha önce tartışıldığı gibi, bir proteinin şekli, işlevi için kritik öneme sahiptir. Proteinin son şeklini veya şeklini nasıl aldığını anlamak için, protein yapısının dört seviyesini anlamamız gerekir: birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül (Şekil 8).

Bir polipeptit zincirindeki benzersiz dizi ve amino asit sayısı, birincil yapısıdır. Her protein için benzersiz dizi, sonuçta proteini kodlayan gen tarafından belirlenir. Gen dizisindeki herhangi bir değişiklik, polipeptit zincirine farklı bir amino asidin eklenmesine neden olarak protein yapısında ve işlevinde bir değişikliğe neden olabilir. Orak hücreli anemide, hemoglobin β zinciri, proteinin hem yapısında hem de işlevinde bir değişikliğe neden olan tek bir amino asit ikamesine sahiptir. Dikkate alınması gereken en dikkat çekici şey, bir hemoglobin molekülünün, her biri yaklaşık 150 amino asitten oluşan iki alfa zinciri ve iki beta zincirinden oluşmasıdır. Bu nedenle molekül, yaklaşık 600 amino aside sahiptir. Normal bir hemoglobin molekülü ile orak hücre molekülü arasındaki - yani yaşam beklentisini önemli ölçüde azaltan - yapısal fark, 600 amino asidin tek bir amino asididir.

Zincirdeki bir amino asidin bu değişikliği nedeniyle, normalde çift içbükey veya disk şeklindeki kırmızı kan hücreleri, arterleri tıkayan hilal veya "orak" bir şekil alır. Bu, bu hastalığa sahip kişilerde nefes darlığı, baş dönmesi, baş ağrısı ve karın ağrısı gibi sayısız ciddi sağlık sorunlarına yol açabilir.

Amino asitlerin R grubu olmayan kısımları arasındaki etkileşimlerden kaynaklanan katlama desenleri, proteinin ikincil yapısına yol açar. En yaygın olanları alfa (α)-sarmal ve beta (β)-pileli tabaka yapılarıdır. Her iki yapı da hidrojen bağları ile şekillenir. Alfa sarmalında, bağlar her dördüncü amino asit arasında oluşur ve amino asit zincirinde bir bükülmeye neden olur.

β kıvrımlı levhada, "kıvrımlar", polipeptit zincirinin omurgasındaki atomlar arasındaki hidrojen bağlarıyla oluşturulur. R grupları karbonlara bağlıdır ve kıvrım kıvrımlarının üstünde ve altında uzanır. Pileli bölümler birbirine paralel olarak hizalanır ve hizalanmış amino asitlerin her birinde aynı atom çiftleri arasında hidrojen bağları oluşur. α-sarmal ve β-pileli tabaka yapıları, birçok küresel ve lifli proteinde bulunur.

Bir polipeptidin benzersiz üç boyutlu yapısı, üçüncül yapısı olarak bilinir. Bu yapıya, çeşitli amino asitler ve polipeptidin bölgeleri arasındaki kimyasal etkileşimler neden olur. Öncelikle, R grupları arasındaki etkileşimler, bir proteinin karmaşık üç boyutlu üçüncül yapısını oluşturur. Farklı amino asitler üzerindeki R grupları arasında oluşan iyonik bağlar veya ikincil yapıdakilerin ötesinde hidrojen bağları olabilir. Protein katlanması gerçekleştiğinde, polar olmayan amino asitlerin hidrofobik R grupları proteinin içinde yer alırken, hidrofilik R grupları dışarıda uzanır. Önceki etkileşim türleri, hidrofobik etkileşimler olarak da bilinir.

Doğada bazı proteinler, alt birimler olarak da bilinen birkaç polipeptitten oluşur ve bu alt birimlerin etkileşimi kuaterner yapıyı oluşturur. Alt birimler arasındaki zayıf etkileşimler, genel yapıyı stabilize etmeye yardımcı olur. Örneğin, hemoglobin dört polipeptit alt biriminin bir kombinasyonudur.

Her proteinin kimyasal etkileşimlerle bir arada tutulan kendine özgü dizisi ve şekli vardır. Protein, sıcaklık, pH veya kimyasallara maruz kalmadaki değişikliklere maruz kalırsa, protein yapısı değişebilir ve daha önce tartışıldığı gibi denatürasyon olarak bilinen şekilde şeklini kaybedebilir. Denatürasyon genellikle tersine çevrilebilir, çünkü denatüre edici ajan çıkarılırsa birincil yapı korunur ve proteinin işlevini sürdürmesine izin verilir. Bazen denatürasyon geri döndürülemez ve fonksiyon kaybına yol açar. Bir yumurta kızartıldığında veya kaynatıldığında protein denatürasyonunun bir örneği görülebilir. Sıvı yumurta beyazındaki albümin proteini, sıcak bir tavaya yerleştirildiğinde berrak bir maddeden opak beyaz bir maddeye dönüşerek denatüre olur. Tüm proteinler yüksek sıcaklıklarda denatüre olmaz; örneğin, kaplıcalarda yaşayan bakteriler, bu sıcaklıklarda işlev görmek üzere uyarlanmış proteinlere sahiptir.

Proteinler hakkında ek bir bakış açısı için, bu interaktif animasyon aracılığıyla “Biyomoleküller: Proteinler”i keşfedin.

Nükleik asitler

Nükleik asitler, yaşamın devamlılığında anahtar makromoleküllerdir. Bir hücrenin genetik planını taşırlar ve hücrenin işleyişi için talimatlar taşırlar.

İki ana nükleik asit türü, deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asittir (RNA). DNA, tek hücreli bakterilerden çok hücreli memelilere kadar tüm canlı organizmalarda bulunan genetik materyaldir.

Diğer nükleik asit türü olan RNA, çoğunlukla protein sentezinde yer alır. DNA molekülleri asla çekirdeği terk etmez, bunun yerine hücrenin geri kalanıyla iletişim kurmak için bir RNA aracısı kullanır. Diğer RNA türleri de protein sentezinde ve düzenlenmesinde rol oynar.

DNA ve RNA, nükleotidler olarak bilinen monomerlerden oluşur. Nükleotitler, bir polinükleotit, DNA veya RNA oluşturmak için birbirleriyle birleşir. Her nükleotid üç bileşenden oluşur: azotlu bir baz, bir pentoz (beş karbonlu) şeker ve bir fosfat grubu (Şekil 10). Bir nükleotitteki her azotlu baz, bir fosfat grubuna bağlı olan bir şeker molekülüne bağlıdır.

Diğer nükleik asit türü olan RNA, çoğunlukla protein sentezinde yer alır. Diğer RNA türleri de protein sentezinde ve düzenlenmesinde rol oynar.

DNA ve RNA, nükleotidler olarak bilinen monomerlerden oluşur. Bir nükleotitteki her azotlu baz, bir fosfat grubuna bağlı olan bir şeker molekülüne bağlıdır.

DNA Çift Sarmal Yapısı

DNA çift sarmal bir yapıya sahiptir (Şekil 11). Nükleotitlerin iki zincirinden veya polimerlerinden oluşur. İplikler, bitişik nükleotitlerin fosfat ve şeker grupları arasındaki bağlarla oluşturulur. Teller, tabanlarında hidrojen bağları ile birbirine bağlanır ve teller uzunlukları boyunca birbiri etrafında sarılır, bu nedenle çift sarmal anlamına gelen "çift sarmal" açıklaması.

Değişen şeker ve fosfat grupları, DNA'nın omurgasını oluşturan her bir ipliğin dışında bulunur. Azotlu bazlar, merdiven basamakları gibi iç kısımda istiflenir ve bu bazlar eşleşir; çiftler birbirine hidrojen bağlarıyla bağlıdır. Bazlar, iki zincirin omurgaları arasındaki mesafe molekül boyunca aynı olacak şekilde çiftleşir.

Bölüm Özeti

Canlılar karbon bazlıdır çünkü karbon canlıların kimyasında çok önemli bir rol oynar. Karbon atomunun dört kovalent bağ konumu, canlılarda karbonun önemini açıklayan birçok işleve sahip çok çeşitli bileşiklere yol açabilir. Karbonhidratlar, hücre için hayati bir enerji kaynağı olan, birçok organizmaya yapısal destek sağlayan ve hücre yüzeyinde reseptör olarak veya hücre tanıma için bulunabilen bir grup makromoleküldür. Karbonhidratlar, moleküldeki monomer sayısına bağlı olarak monosakkaritler, disakkaritler ve polisakkaritler olarak sınıflandırılır.

Lipitler, doğada polar olmayan ve hidrofobik olan bir makromolekül sınıfıdır. Başlıca türleri arasında katı ve sıvı yağlar, mumlar, fosfolipidler ve steroidler bulunur. Katı ve sıvı yağlar depolanmış bir enerji şeklidir ve trigliseritleri içerebilir. Katı ve sıvı yağlar genellikle yağ asitleri ve gliserolden oluşur.

Proteinler, hücre için çeşitli işlevler gerçekleştirebilen bir makromolekül sınıfıdır. Yapısal destek sağlayarak ve enzimler, taşıyıcılar veya hormonlar olarak hareket ederek metabolizmaya yardımcı olurlar. Proteinlerin yapı taşları amino asitlerdir. Proteinler dört düzeyde düzenlenir: birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül. Protein şekli ve işlevi karmaşık bir şekilde bağlantılıdır; sıcaklık, pH veya kimyasal maruziyetteki değişikliklerden kaynaklanan herhangi bir şekil değişikliği, protein denatürasyonuna ve fonksiyon kaybına neden olabilir.

Nükleik asitler, hücre bölünmesi ve protein sentezi gibi hücresel aktiviteleri yöneten tekrar eden nükleotid birimlerinden oluşan moleküllerdir. Her nükleotid bir pentoz şeker, bir azotlu baz ve bir fosfat grubundan oluşur. İki tür nükleik asit vardır: DNA ve RNA.

Metnin bu sürümünden bir Açık Değerlendirmeler öğesi çıkarılmıştır. Çevrimiçi olarak buradan görüntüleyebilirsiniz: pb.libretexts.org/fob2/?p=68

Ek Kendi Kendine Kontrol Egzersizleri

1. Lipitlerin bitkilerde ve/veya hayvanlarda hizmet ettiği en az üç işlevi açıklayın.

2. Bir polipeptit zincirinde bir amino asit bile bir diğerinin yerine geçerse ne olduğunu açıklayın. Belirli bir örnek sağlayın.

Yanıtlar

1. Yağ, hayvanların enerji depolaması için değerli bir yol olarak hizmet eder. Yalıtım da sağlayabilir. Fosfolipitler ve steroidler, hücre zarlarının önemli bileşenleridir.

2. Gen dizisindeki bir değişiklik, normal olanın yerine bir polipeptit zincirine farklı bir amino asidin eklenmesine yol açabilir. Bu, protein yapısında ve işlevinde bir değişikliğe neden olur. Örneğin, orak hücreli anemide, hemoglobin β zinciri tek bir amino asit ikamesine sahiptir. Bu değişiklik nedeniyle disk şeklindeki kırmızı kan hücreleri hilal şeklini alır ve bu da ciddi sağlık sorunlarına neden olabilir.

Sözlük

alfa sarmal yapısı (α sarmal) Yapıyı stabilize eden hidrojen bağları ile polipeptidin sarmal bir şekle katlanmasıyla oluşturulan proteinlerin ikincil yapısı türü.

amino asit bir proteinin monomeri; bir amino grubu, bir karboksil grubu, bir hidrojen ve bir R grubu veya yan zincirin eklendiği bir merkezi karbon veya alfa karbona sahiptir; R grubu, 20 amino asidin tümü için farklıdır

beta kıvrımlı levha (β kıvrımlı) Polipeptit zincirinin omurgasındaki atomlar arasında hidrojen bağları ile "piletler" oluşturulduğu proteinlerde bulunan ikincil yapı

karbonhidrat karbonun hidrojene ve oksijene oranının 1:2:1 olduğu biyolojik makromolekül; karbonhidratlar, hücrelerde enerji kaynakları ve yapısal destek görevi görür ve eklembacaklıların hücresel dış iskeletini oluşturur.

selüloz bitkilerin hücre duvarını oluşturan polisakkarit; hücreye yapısal destek sağlar

refakatçi (ayrıca, şaperonin) katlanma sürecinde yeni oluşan proteine ​​​​yardımcı olan protein

kitin kabuklular ve böcekler dahil tüm eklembacaklıların dış iskeletini oluşturan karbonhidrat türü; aynı zamanda mantarların hücre duvarlarını da oluşturur.

denatürasyon Sıcaklık, pH veya kimyasallara maruz kalmanın bir sonucu olarak bir proteinde şekil kaybı

disakkarit bir glikozidik bağ ile birbirine bağlanan iki şeker monomeri

enzim genellikle kompleks veya konjuge bir protein olan bir biyokimyasal reaksiyondaki katalizör

glikojen hayvanlarda depo karbonhidrat

glikozidik bağ Bir su molekülünün eliminasyonu ile iki monosakkarit arasındaki dehidrasyon reaksiyonu ile oluşan bağ.

hormon Spesifik fizyolojik süreçleri kontrol etmek veya düzenlemek için hareket eden endokrin hücreler tarafından salgılanan, genellikle protein veya steroid olan kimyasal sinyal molekülü

yağ Polar olmayan ve suda çözünmeyen makromolekül

monosakkarit tek birim veya monomer karbonhidrat

omega yağı vücudun ihtiyaç duyduğu çoklu doymamış yağ türü; karbon omegasının numaralandırılması metil ucundan veya karboksilik uçtan en uzak uçtan başlar

Peptit bağı Dehidrasyon reaksiyonu ile iki amino asit arasında oluşan bağ

fosfolipit membranların ana bileşeni; iki yağ asidi ve bir gliserol omurgasına bağlı fosfat içeren bir gruptan oluşur

polipeptit peptit bağlarıyla birbirine bağlanan uzun amino asit zinciri

polisakkarit uzun monosakkarit zinciri; dallı veya dalsız olabilir

Birincil yapı bir proteindeki amino asitlerin lineer dizisi

protein bir veya daha fazla amino asit zincirinden oluşan biyolojik makromolekül

Kuaterner yapı bir proteinde ayrı polipeptit alt birimlerinin birlikteliği

doymuş yağ asidi karbon zincirinde tek kovalent bağlara sahip uzun hidrokarbon zinciri; karbon iskeletine bağlı hidrojen atomlarının sayısı maksimize edilir

ikincil yapı bir amino asit kalıntısının oksijen atomu ile başka bir amino asit kalıntısının azot atomuna bağlı hidrojen arasındaki molekül içi hidrojen bağıyla proteinler tarafından oluşturulan düzenli yapı

nişasta bitkilerde depo karbonhidrat

steroid düzlemsel bir yapı oluşturan dört kaynaşmış hidrokarbon halkasından oluşan lipit türü

üçüncül yapı ikincil yapısal elemanlar arasındaki etkileşimler dahil olmak üzere bir proteinin üç boyutlu yapısı; amino asit yan zincirleri arasındaki etkileşimlerden oluşur

Trans yağ Yağların hidrojene edilmesiyle yapay olarak oluşturulan ve doğal olarak oluşan lipidlerde bulunanlardan farklı bir çift bağ(lar) düzenine yol açan yağ

triasilgliserol (ayrıca trigliserit) yağ molekülü; bir gliserol molekülüne bağlı üç yağ asidinden oluşur

doymamış yağ asidi hidrokarbon zincirinde bir veya daha fazla çift bağ içeren uzun zincirli hidrokarbon

balmumu uzun zincirli bir alkole esterleştirilmiş uzun zincirli bir yağ asidinden yapılan lipit; bazı tüylerde, suda yaşayan memeli kürklerinde ve yapraklarda koruyucu bir kaplama görevi görür.


6.2 Potansiyel, Kinetik, Serbest ve Aktivasyon Enerjisi

Bu bölümde, aşağıdaki soruları keşfedeceksiniz:

  • "Enerji" nedir?
  • Kinetik ve potansiyel enerji arasındaki fark nedir?
  • Serbest enerji nedir ve serbest enerji aktivasyon enerjisiyle nasıl ilişkilidir?
  • Endergonik ve ekzergonik reaksiyonlar arasındaki fark nedir?

AP ® Kursları için Bağlantı

Hücreler ve organizmalar hayatta kalabilmek için serbest enerjiye ihtiyaç duysalar da Enerjinin Korunumu Kanununda belirtildiği gibi kendiliğinden enerji üretemezler. Enerji farklı şekillerde mevcuttur. Örneğin hareket halindeki cisimler kinetik enerjiye sahipken, hareket halinde olmayan cisimler potansiyel enerjiye sahiptir. Glikoz gibi moleküllerdeki kimyasal enerji potansiyel enerjidir çünkü kimyasal reaksiyonlarda bağlar koptuğunda serbest enerji açığa çıkar. Serbest enerji, iş yapmak için mevcut olan enerjinin bir ölçüsüdür. Bir sistemin serbest enerjisi, kimyasal reaksiyonlar gibi enerji transferleri sırasında değişir ve bu değişime ΔG veya Gibbs serbest enerjisi denir. Bir reaksiyonun ΔG'si, reaksiyonun enerji salıp salmadığına (ekzergonik) veya enerji girdisi gerektirip gerektirmediğine (endergonik) bağlı olarak negatif veya pozitif olabilir. Tüm reaksiyonlar, ilerleyecekleri geçiş durumuna ulaşmak için aktivasyon enerjisi adı verilen bir enerji girdisine ihtiyaç duyar. (Başka bir bölümde, enzimlerin aktivasyon enerjisi bariyerlerini azaltarak kimyasal reaksiyonları nasıl hızlandırdığını keşfedeceğiz.)

Sunulan bilgiler ve bölümde vurgulanan örnekler, AP ® Biyoloji Müfredat Çerçevesinin Büyük Fikir 2'de özetlenen kavramları ve Öğrenme Hedeflerini destekler. Müfredat Çerçevesinde listelenen Öğrenme Hedefleri, AP ® Biyoloji kursu, sorgulamaya dayalı laboratuvar deneyimi, öğretim faaliyetleri ve AP ® Sınav soruları için şeffaf bir temel sağlar. Bir Öğrenme Hedefi, gerekli içeriği yedi Bilim Uygulamasından bir veya daha fazlasıyla birleştirir.

Büyük Fikir 2 Biyolojik sistemler, büyümek, üremek ve dinamik homeostazı sürdürmek için serbest enerji ve moleküler yapı taşlarını kullanır.
Kalıcı Anlama 2.A Canlı sistemlerin büyümesi, üremesi ve bakımı, serbest enerji ve madde gerektirir.
Temel Bilgi 2.A.1 Tüm canlı sistemler sürekli serbest enerji girişi gerektirir.
Bilim Uygulaması 6.2 Öğrenci, bilimsel uygulamalar yoluyla üretilen kanıtlara dayalı fenomen açıklamaları oluşturabilir.
Öğrenme Hedefi 2.1 Öğrenci, tüm organizmaların organizasyonu sürdürmek, büyümek ve üremek için sürekli enerji girdisine ihtiyaç duyduğu ampirik verilere dayanarak biyolojik sistemlerin serbest enerjiyi nasıl kullandığını açıklayabilir.
Temel Bilgi 2.A.1 Tüm canlı sistemler sürekli serbest enerji girişi gerektirir.
Bilim Uygulaması 6.2 Öğrenci, iddialarını kanıtlarla gerekçelendirebilir.
Öğrenme Hedefi 2.2 Öğrenci, canlı sistemlerin organizasyonu sürdürmesi, büyümesi veya üremesi için serbest enerjinin gerekli olduğu, ancak farklı canlı sistemlerde birden fazla stratejinin var olduğu yönündeki bilimsel bir iddiayı haklı çıkarabilir.

Science Practice Challenge Soruları, bu bölüm için AP sınavına hazırlanmanıza yardımcı olacak ek test soruları içerir. Bu sorular aşağıdaki standartları ele almaktadır:
[APLO 2.5]

Enerji, iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Öğrendiğiniz gibi, enerji farklı şekillerde var olur. Örneğin, elektrik enerjisi, ışık enerjisi ve ısı enerjisinin hepsi farklı enerji türleridir. Bunların hepsi kişinin görebildiği veya hissedebildiği tanıdık enerji türleri olsa da, çok daha az somut olan başka bir enerji türü daha vardır. Bu enerji, yerin üstünde tutulan bir nesne kadar basit bir şeyle ilişkilidir. Enerjinin biyolojik sistemlere girip çıkma şeklini takdir etmek için, fiziksel dünyada var olan farklı enerji türleri hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak önemlidir.

Enerji Türleri

Bir nesne hareket halindeyken, o nesneyle ilişkili bir enerji vardır. Uçan bir uçak örneğinde, uçağın hareketiyle ilişkili çok fazla enerji vardır. Bunun nedeni, hareketli nesnelerin bir değişiklik yapma veya iş yapma yeteneğine sahip olmasıdır. Bir yıkım topu düşünün. Yavaş hareket eden bir yıkım topu bile diğer nesnelere büyük zarar verebilir. Ancak hareket halinde olmayan bir yıkım topu iş yapamaz. Hareket halindeki cisimlerle ilişkili enerjiye kinetik enerji denir. Hızla giden bir mermi, yürüyen bir insan, (ısı üreten) havadaki moleküllerin hızlı hareketi ve ışık gibi elektromanyetik radyasyonun hepsinin kinetik enerjisi vardır.

Şimdi, aynı hareketsiz yıkım topu, vinçli bir arabanın iki kat yukarısına kaldırılırsa ne olur? Askıya alınan yıkım topu hareket etmiyorsa, onunla ilişkili enerji var mı? Cevap Evet. Askıya alınan yıkım topu, hareket halindeki nesnelerin kinetik enerjisinden temelde farklı olan enerjiye sahiptir. Bu enerji biçimi, potansiyel yıkım topunun iş yapması için. Serbest bırakılırsa, gerçekten işe yarayacaktır. Bu enerji türü iş yapma potansiyelini ifade ettiğinden potansiyel enerji olarak adlandırılır. Cisimler enerjilerini kinetik ve potansiyel arasında şu şekilde aktarırlar: Yıkım topu hareketsiz dururken 0 kinetik ve yüzde 100 potansiyel enerjiye sahiptir. Serbest bırakıldıktan sonra kinetik enerjisi artmaya başlar çünkü yerçekimi nedeniyle hız oluşturur. Aynı zamanda yere yaklaştıkça potansiyel enerjisini kaybeder. Sonbaharın ortasında bir yerde yüzde 50 kinetik ve yüzde 50 potansiyel enerjiye sahip. Top yere çarpmadan hemen önce potansiyel enerjisini neredeyse kaybetmiştir ve maksimuma yakın kinetik enerjiye sahiptir. Potansiyel enerjinin diğer örnekleri arasında bir barajın arkasında tutulan suyun enerjisi (Şekil 6.6) veya bir uçaktan paraşütle atlamak üzere olan bir kişi yer alır.

Potansiyel enerji, yalnızca maddenin konumuyla (bir ağaç dalında oturan bir çocuk gibi) değil, aynı zamanda maddenin yapısıyla da ilişkilidir. Yerdeki bir yay sıkıştırılırsa potansiyel enerjisi vardır, gerilmiş bir lastik bant da öyle. Canlı hücrelerin varlığı, büyük ölçüde yapısal potansiyel enerjiye dayanır. Kimyasal düzeyde, moleküllerin atomlarını bir arada tutan bağlar potansiyel enerjiye sahiptir. Anabolik hücresel yolların daha basit moleküllerden karmaşık molekülleri sentezlemek için enerjiye ihtiyaç duyduğunu ve katabolik yolların karmaşık moleküller parçalandığında enerji açığa çıkardığını unutmayın. Bazı kimyasal bağların parçalanmasıyla enerji açığa çıkabilmesi, bu bağların potansiyel enerjiye sahip olduğunu ima eder. Aslında, yediğimiz tüm gıda moleküllerinin bağlarında depolanan ve sonunda kullanım için kullanılan potansiyel enerji vardır. Bunun nedeni, bu bağların kırıldığında enerji açığa çıkarabilmesidir. Kimyasal bağlar içinde var olan ve bu bağlar kırıldığında açığa çıkan potansiyel enerji türüne kimyasal enerji denir (Şekil 6.7). Kimyasal enerji, canlı hücrelere gıdalardan enerji sağlamaktan sorumludur. Enerjinin serbest bırakılması, yakıt molekülleri içindeki moleküler bağların kırılmasıyla sağlanır.

Öğretmen Desteği

Potansiyel ve kinetik enerji sınıfından örnekler çizin. Elden önce birkaç tane hazırlayın. Verilen sadece birkaç örnek varsa, öğrencilere örneklerinizin hangi kategoriye girdiğini sorun. Isı, benzin ve barutun kimyasal salınımına bağlı olan el ısıtıcıları gibi kimyasal enerji örneklerini ekleyin. ATP'deki kimyasal enerji ile bitirin, bunun bir tür potansiyel enerji olduğunu ve metabolizmadaki rolünü vurgulayın.

Öğrenme Bağlantısı

Hareket halindeki bir sarkacın değişen kinetik (K) ve potansiyel enerjisini (U) görmek için bu siteyi ziyaret edin ve menüden (“Harmonik Hareket” altında) “Basit bir sarkaç”ı seçin.

  1. Çocuk aşağı doğru sallandığında kinetik enerji artar Çocuk yukarı doğru sallandığında potansiyel enerji artar.
  2. Çocuk aşağı doğru sallandığında kinetik enerji azalır Çocuk yukarı doğru sallandığında potansiyel enerji azalır.
  3. Çocuk yukarı doğru sallandığında kinetik enerji artar Çocuk aşağı doğru sallandığında potansiyel enerji artar.
  4. Çocuk aşağı doğru sallandığında kinetik enerji artar Çocuk aşağı doğru sallandığında potansiyel enerji artar.

Bedava enerji

Enerji depolayan bağlar kırıldığında kimyasal reaksiyonların enerji açığa çıkardığını öğrendikten sonra, bir sonraki önemli soru, kimyasal reaksiyonlarla ilişkili enerjinin nasıl ölçüldüğü ve ifade edildiğidir. Bir reaksiyondan salınan enerji, başka bir reaksiyonunkiyle nasıl karşılaştırılabilir? Bu enerji transferlerini ölçmek için bir serbest enerji ölçümü kullanılır. Serbest enerji, ölçümü geliştiren bilim adamı Josiah Willard Gibbs'den sonra Gibbs serbest enerjisi (G harfi ile kısaltılır) olarak adlandırılır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, tüm enerji transferlerinin, ısı gibi kullanılamaz bir biçimde bir miktar enerji kaybını içerdiğini ve bunun da entropiye yol açtığını hatırlayın. Gibbs serbest enerjisi, özellikle entropi hesaba katıldıktan sonra mevcut olan bir kimyasal reaksiyonla ilişkili enerjiyi ifade eder. Başka bir deyişle, Gibbs serbest enerjisi, kullanılabilir enerji veya iş yapmak için mevcut olan enerjidir.

Her kimyasal reaksiyon, delta G (∆G) adı verilen serbest enerjide bir değişiklik içerir. Serbest enerjideki değişim, kimyasal reaksiyon gibi, böyle bir değişikliğe uğrayan herhangi bir sistem için hesaplanabilir. ∆G'yi hesaplamak için, sistemin toplam enerji değişiminden entropiye kaybolan enerji miktarını (∆S olarak gösterilir) çıkarın. Sistemdeki bu toplam enerji değişimine entalpi denir ve ∆H olarak gösterilir. ∆G'yi hesaplama formülü aşağıdaki gibidir, burada T sembolü Kelvin cinsinden mutlak sıcaklığı ifade eder (santigrat derece + 273):

Bir kimyasal reaksiyonun standart serbest enerji değişimi, standart pH, sıcaklık ve basınç altında reaksiyon ürününün molü başına enerji miktarı (kilojul veya kilokalori, kJ/mol veya kcal/mol 1 kJ = 0,239 kcal) olarak ifade edilir. koşullar. Standart pH, sıcaklık ve basınç koşulları genellikle biyolojik sistemlerde pH 7.0, sırasıyla 25 santigrat derece ve 100 kilopaskal (1 atm basınç) olarak hesaplanır. Hücresel koşulların bu standart koşullardan önemli ölçüde farklı olduğunu ve bu nedenle biyolojik reaksiyonlar için standart hesaplanan ∆G değerlerinin hücre içinde farklı olacağını not etmek önemlidir.

Endergonik Reaksiyonlar ve Ekzergonik Reaksiyonlar

Bir kimyasal reaksiyon sırasında enerji açığa çıkarsa, yukarıdaki denklemden elde edilen değer negatif bir sayı olacaktır. Başka bir deyişle, enerji açığa çıkaran tepkimeler ∆G < 0'a sahiptir. Negatif bir ∆G, aynı zamanda, tepkime sırasında bir miktar serbest enerji verdikleri için tepkime ürünlerinin reaktanlardan daha az serbest enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. Negatif ∆G'ye sahip olan ve dolayısıyla serbest enerji açığa çıkaran reaksiyonlara ekzergonik reaksiyonlar denir. Düşünmek: eskiergonik enerji demektir eskisistemi itiyor. Bu reaksiyonlar, sisteme enerji eklenmeden de meydana gelebildikleri için spontan reaksiyonlar olarak da adlandırılır. Hangi kimyasal reaksiyonların kendiliğinden olduğunu ve serbest enerjiyi serbest bıraktığını anlamak biyologlar için son derece yararlıdır, çünkü bu reaksiyonlar hücre içinde iş yapmak için kullanılabilir. Kendiliğinden terimi ile hemen meydana gelen bir kimyasal reaksiyon fikri arasında önemli bir ayrım yapılmalıdır. Terimin günlük kullanımının aksine, spontan bir reaksiyon aniden veya hızlı bir şekilde meydana gelen bir reaksiyon değildir. Demirin paslanması, zamanla yavaş yavaş, azar azar meydana gelen kendiliğinden bir reaksiyonun bir örneğidir.

Bir kimyasal reaksiyon, enerji açığa çıkarmak yerine bir enerji girişi gerektiriyorsa, o reaksiyon için ∆G pozitif bir değer olacaktır. Bu durumda ürünler, reaktanlardan daha fazla serbest enerjiye sahiptir. Böylece, bu reaksiyonların ürünleri, enerji depolayan moleküller olarak düşünülebilir. Bu kimyasal reaksiyonlara endergonik reaksiyonlar denir ve bunlar kendiliğinden değildir. An endergonic reaction will not take place on its own without the addition of free energy.

Let’s revisit the example of the synthesis and breakdown of the food molecule, glucose. Remember that the building of complex molecules, such as sugars, from simpler ones is an anabolic process and requires energy. Therefore, the chemical reactions involved in anabolic processes are endergonic reactions. On the other hand, the catabolic process of breaking sugar down into simpler molecules releases energy in a series of exergonic reactions. Like the example of rust above, the breakdown of sugar involves spontaneous reactions, but these reactions don’t occur instantaneously. Figure 6.8 shows some other examples of endergonic and exergonic reactions. Later sections will provide more information about what else is required to make even spontaneous reactions happen more efficiently.

Görsel Bağlantı

Evaluate each of the processes shown in terms of the relationship between type of reaction and whether energy is stored or released. Decide for each if the process is endergonic or exergonic, and whether both enthalpy and entropy increase or decrease.

  1. (a) Compost pile decomposition is endergonic, enthalpy increases and entropy decreases. (b) A baby developing from an egg is an endergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases. (c) Sand art being destroyed is exergonic, no change in enthalpy and entropy decreases. (d) A ball rolling downhill is an exergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases.
  2. Compost pile decomposition is exergonic, enthalpy decreases and entropy decreases. (b) A baby developing from an egg is an endergonic process, enthalpy increases and entropy decreases. (c) Sand art being destroyed is exergonic, enthalpy increases and entropy increases. (d) A ball rolling downhill is an endergonic process, enthalpy decreases and entropy increases.
  3. (a) Compost pile decomposition is endergonic, enthalpy decreases and entropy decreases. (b) A baby developing from an egg is an exergonic process, enthalpy decreases and entropy increases. (c) Sand art being destroyed is endergonic, enthalpy increases and entropy increases. (d) A ball rolling down a hill is an exergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases.
  4. (a) Compost pile decomposition is endergonic, enthalpy increases and entropy increases. (b) A baby developing from an egg is an endergonic process, enthalpy decreases and entropy decreases. (c) Sand art being destroyed is exergonic, no change in enthalpy and entropy increases. (d) A ball rolling down a hill is an exergonic process, enthalpy decreases and no change in entropy.

Metabolizma ve enerji çalışmasında önemli bir kavram, kimyasal dengedir. Çoğu kimyasal reaksiyon geri dönüşümlüdür. They can proceed in both directions, releasing energy into their environment in one direction, and absorbing it from the environment in the other direction (Figure 6.9). Aynısı, proteinlerin ayrı ayrı amino asitler içinde ve bunlardan ayrı ayrı parçalanması ve oluşturulması gibi hücre metabolizmasında yer alan kimyasal reaksiyonlar için de geçerlidir. Kapalı bir sistem içindeki reaktanlar, bir denge durumuna ulaşılana kadar her iki yönde de kimyasal reaksiyonlara gireceklerdir. This state of equilibrium is one of the lowest possible free energy and a state of maximal entropy. Energy must be put into the system to push the reactants and products away from a state of equilibrium. Either reactants or products must be added, removed, or changed. If a cell were a closed system, its chemical reactions would reach equilibrium, and it would die because there would be insufficient free energy left to perform the work needed to maintain life. In a living cell, chemical reactions are constantly moving towards equilibrium, but never reach it. This is because a living cell is an open system. Materials pass in and out, the cell recycles the products of certain chemical reactions into other reactions, and chemical equilibrium is never reached. In this way, living organisms are in a constant energy-requiring, uphill battle against equilibrium and entropy. This constant supply of energy ultimately comes from sunlight, which is used to produce nutrients in the process of photosynthesis.

Öğretmen Desteği

The concept or entropy can be difficult. Have the students survey their neighborhood for houses, sheds, store fronts, any structures that are deteriorating due to lack of maintenance. Also have them identify older homes, buildings that are in good shape and are actively maintained.

Aktivasyon Enerjisi

There is another important concept that must be considered regarding endergonic and exergonic reactions. Even exergonic reactions require a small amount of energy input to get going before they can proceed with their energy-releasing steps. These reactions have a net release of energy, but still require some energy in the beginning. This small amount of energy input necessary for all chemical reactions to occur is called the activation energy (or free energy of activation) and is abbreviated EA (Figure 6.10).

Why would an energy-releasing, negative ∆G reaction actually require some energy to proceed? Bunun nedeni, kimyasal reaksiyon sırasında gerçekleşen adımlarda yatmaktadır. During chemical reactions, certain chemical bonds are broken and new ones are formed. For example, when a glucose molecule is broken down, bonds between the carbon atoms of the molecule are broken. Since these are energy-storing bonds, they release energy when broken. However, to get them into a state that allows the bonds to break, the molecule must be somewhat contorted. A small energy input is required to achieve this contorted state. This contorted state is called the transition state , and it is a high-energy, unstable state. For this reason, reactant molecules don’t last long in their transition state, but very quickly proceed to the next steps of the chemical reaction. Free energy diagrams illustrate the energy profiles for a given reaction. Whether the reaction is exergonic or endergonic determines whether the products in the diagram will exist at a lower or higher energy state than both the reactants and the products. However, regardless of this measure, the transition state of the reaction exists at a higher energy state than the reactants, and thus, EA is always positive.

Öğrenme Bağlantısı

Watch an animation of the move from free energy to transition state at this site.

  1. Transitional states are stable because molecules have relaxed molecular structure with low energy.
  2. Transitional states are unstable because molecules have strained molecular structure with high energy.
  3. Transitional states are unstable because molecules have relaxed molecular structure with high energy.
  4. Transitional states are stable because molecules have strained molecular structure with low energy.

Where does the activation energy required by chemical reactants come from? The source of the activation energy needed to push reactions forward is typically heat energy from the surroundings. Heat energy (the total bond energy of reactants or products in a chemical reaction) speeds up the motion of molecules, increasing the frequency and force with which they collide it also moves atoms and bonds within the molecule slightly, helping them reach their transition state. For this reason, heating up a system will cause chemical reactants within that system to react more frequently. Increasing the pressure on a system has the same effect. Once reactants have absorbed enough heat energy from their surroundings to reach the transition state, the reaction will proceed.

The activation energy of a particular reaction determines the rate at which it will proceed. Aktivasyon enerjisi ne kadar yüksek olursa, kimyasal reaksiyon o kadar yavaş olur. Demir paslanma örneği, doğal olarak yavaş bir reaksiyonu gösterir. This reaction occurs slowly over time because of its high EA. Additionally, the burning of many fuels, which is strongly exergonic, will take place at a negligible rate unless their activation energy is overcome by sufficient heat from a spark. Once they begin to burn, however, the chemical reactions release enough heat to continue the burning process, supplying the activation energy for surrounding fuel molecules. Hücrelerin dışındaki bu reaksiyonlar gibi, çoğu hücresel reaksiyon için aktivasyon enerjisi, ısı enerjisinin verimli oranlarda üstesinden gelemeyeceği kadar yüksektir. In other words, in order for important cellular reactions to occur at appreciable rates (number of reactions per unit time), their activation energies must be lowered (Figure 6.10) this is referred to as catalysis. This is a very good thing as far as living cells are concerned. Proteinler, DNA ve RNA gibi önemli makromoleküller önemli miktarda enerji depolar ve parçalanmaları ekzergoniktir. Hücresel sıcaklıklar tek başına bu ekzergonik reaksiyonlar için aktivasyon engellerini aşmak için yeterli ısı enerjisi sağlıyorsa, hücrenin temel bileşenleri parçalanır.

Öğretmen Desteği

Clearly explain the significance of the activation energy needed for chemical reactions, even with exergonic reactions. Use the figure of exergonic reactions with a delta G less than zero to show that though the change in energy is negative, there still is a need for activation energy. Include examples of ways that enzymes lower the activation energy needed. Emphasize that this is the way enzymes ““speed up”” reactions, they make it easier for the reactions to occur.


Biological Molecules

NS shared electrons between the oxygen and hydrogen atoms in water are not shared evenly. NS oxygen atom has a greater pull on the shared electrons than the hydrogen atoms so the oxygen atom olur slightly negatively charged ve hydrogen atom olur slightly positively charged so that there is an uneven charge distribution across the molecule, making water kutupsal.

b) describe, with the aid of diagrams, the structure of an amino acid

c) describe, with the aid of diagrams, the formation and breakage of peptide bonds in the synthesis and hydrolysis of dipeptides and polypeptides

Haemoglobin bir globular protein made of 4 polypeptide chains (2 alpha chains and 2 beta chains), bonded together. They have a prosthetic group hangisi haem group – they have 4 haem groups.

Haemoglobin’s function is to carry oxygen from the lungs to the tissues. Bilişim Teknoloji binds oxygen in the lungs and releases it in the tissues.

(g) explain, with the aid of diagrams, the term quaternary structure, with reference to the structure of haemoglobin

Heating a protein increases the kinetic energy in the molecules. This causes the molecules to vibrate ve kırmak the bonds holding the tertiary structure in place as most of the bonds holding the tertiary structure in place are quite zayıf (not covalent – hydrogen, ionic, hydrophilic or hydrophobic bonds), so they are easily broken.

If enough heat is applied, the whole tertiary structure can unravel and the protein will no longer function – this is called denaturation.

(h) describe, with the aid of diagrams, the structure of a collagen molecule

Collagen is a fibrous protein which is an important structural component in cell walls as it’s very strong. It can be found in deri, tendons, cartilages, kemikler ve dişler.

A collagen molecule is made up of three polypeptide chains wound around each other to form a twisted rope. Hidrojen bağları form between the chains, which gives the structure kuvvet. Covalent bonds, called cross-links, form between other collagen molecules, adds to the kuvvet.

Collagen can give kuvvet içinde walls of arteries to withstand high pressure as well as the tendons to connect skeletal muscles to bonds. Collagen can form kemikler, kıkırdak ve connective doku.

(i) compare the structure and function of haemoglobin (as an example of a globular protein) and collagen (as an example of a fibrous protein)

Functions of Lipids in Living Organisms:

  • Source of energy – respire to release energy
  • Energy storage – stored as adipose cells
  • Membranes – phospholipid bilayer
  • Insulation – e.g. blubber in whales
  • Koruma – e.g. surface of plant protected against drying out
  • hormonlar – e.g. steroid hormonları

(s) describe how the concentration of glucose in a solution may be determined using colorimetry

NS Benedict’s Test reveals the presence of reducing sugars by producing an orange-red precipitate. The more reducing sugar there is present, the more precipitate will be formed, and the more Benedict’s solution (copper sulfate) will be ‘used up’. If the precipitate is filtered out, sonra concentration of the remaining solution can be measured. This will tell you how much Benedict’s solution has been used up.

The calorimeter is a device that shines a beam of light through a sample. A photoelectric cell picks up the light that is passed through the sample and gives a reading on how much light has passed through.

  • Kullanmak Su ile calibrate the colorimeter (for 100% transmission/ 0% absorption)
  • Place the solution in a sample chamber between the light and the photoelectric cell in a cuvette.
  • NS more copper sulfate that is used up in Benedict’s Test in a sample, the less light will be blocked out ve more light will be transmitted.
  • Plot these readings on a graph to show light getting though (transmission) against reducing sugar concentration, creating a calibration curve.
  • If there is an unknown sample, use the graph to find the equivalent reducing sugar concentration for the reading on the calorimeter.
  • Colour filters are often used for greater accuracy – in this case, a red filter would be used.

The higher the glucose concentration, the higher the transmission and the lower the absorption.


Videoyu izle: Biyolojik Moleküller: Ne Yersen Osun! Biyoloji Hızlandırılmış Kurs - Crash Course (Haziran 2022).