Biyomoleküller

Canlı bir hücre temel olarak yaklaşık yapısının %99’unu oluşturan karbon, hidrojen, azot ve oksijen  olmak üzere dört elementten oluşur. Bu dört element ve sınırlı miktardaki diğer elementler yaşamın organik moleküllerini meydana getirirler. Karbon atomu hücrenin kuru ağırlığının yaklaşık %50’sini kapsar ve dört farklı kovalent bağ yapma özelliği ile inanılmaz derecede farklı moleküllerin oluşumuna olanak sağlar. Canlı hücrede en fazla bulunan madde sudur ve hücre ağırlığının yaklaşık %70’ini kapsar. Tüm organizmalarda, organik moleküller suyun polar karakteri, hidrojen bağı oluşturma yeteneği ve yüzey gerilimi gibi özel
yapısı çerçevesinde organize olur. Birer karbon bileşiği olan hemen hemen tüm organik moleküller su içinde çözünürler ve lipit zarıyla çevrili olarak hücreyi meydana getirirler. Atomların belirli basit kombinasyonları ile oluşan metil, hidroksil, karboksil ve amino gibi her biri farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip küçük moleküller, yaşamın temeli olan C iskeletine eklenerek biyomoleküllere özgün özellikler kazandırır ve davranışlarını etkiler. Bunların yanı sıra az miktarda Na, K, Ca, Mg, Fe, Cl gibi inorganik iyonlar da organik moleküllerin yapılarında bulunur.

Canlı hücrelerde bulunan organik moleküller metabolizmadaki rolleri ve yapıları temel alındığında genel olarak dört katagoride sınıflandırılırlar.

1. Biyomoleküller ya da makromoleküller

2. Biyomoleküllerin yapıtaşları (monomerler)

3. Metabolik intermedietler (metabolitler)

4. Çeşitli işlevsel diğer moleküller

Canlı hücreyi oluşturan makromoleküller başlıca dört kategoriye ayrılır:

1) Nükleik asitler (DNA ve RNA), 2) Proteinler, 3) Polisakkaritler ve 4) Belirli lipitler. Biyomoleküller büyük oranda farklı yapıdadırlar ve bilinen en karmaşık molekülleri içerirler. Bu özelliklerine rağmen, ilk üçü ortak bir özellik olarak çok sayıda düşük moleküler ağırlıktaki yapı taşları ya da monomerlerden meydana gelen polimerlerdir.

Nükleik asitler, nükleotit birimlerinin ardı ardına eklenmesiyle sentezlenen polimerlerdir. Deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA) olarak iki tipi vardır. Bütün hücrelerin ve virüslerin temel biyomoleküllerinden biridir. Prokaryotik hücrelerde sitoplazmada, ökaryotik hücrelerde ise çekirdekte, kloroplastlarda ve mitokondride bulunurlar. Hücrenin karakteristik özelliklerden ve onların kalıtılmasından sorumlu genetik maddenin iki temel işlevi vardır;
1. Genomun korunması ve
2. Genetik bilginin çevrilmesidir.

Ayrıca nükleik asitlerden bazı RNA molekülleri protein ya da enzimler gibi katalizör olarak iş görür. 

Nükleik asitler nükleotit birimlerinin ardı ardına eklenmesiyle sentezlenen polimer zincirlerdir. Bir nükleotit üç ana bileşenden meydana gelir. Bunlar:
1. Azot içeren heterosiklik bir baz. Beş farklı baz nükleotitlerin yapısında bulunur ve nükleotitlerin kombinasyonlarıyla DNA ve RNA molekülleri sentezlenir. Bazlar bir pürin (adenin =A ve guanin=G) ya da bir pirimidin (sitozin=C, timin=T ve urasil=U) olabilir. Timin yalnızca DNA’ da, urasil ise yalnızca RNA’ da bulunur (Şekil 2.4C).
2. Beş karbonlu bir şeker (pentoz). Şeker molekülü DNA’ da deoksiriboz ve RNA’ da ribozdur. Bunlar birbirine çok benzer olmasına rağmen ribozun 2. karbon atomuna bağlı olan hidroksil (OH) grubu deoksiribozda bulunmaz (Şekil 2.4B).
3. Bir fosfat grubu

Watson-Crick modeli olarak isimlendirilen hücredeki DNA molekülü, iki DNA zincirinin karşılıklı olarak bazlarının yaptığı hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanmış çift-sarmal yapıdadır. Bu şekildeki DNA molekülü çok önemli 8 özelliğe sahiptir;
1. İki polinükleotid iplik çift-sarmal yapıdadır.
2. Azot içeren bazlar, şeker-fosfat iskeletinden molekülün merkezine doğru çekilmişlerdir ve bir baz daima diğer zincirdeki tamamlayıcı bir baz ile çift oluşturur.
3. Her baz çifti zayıf hidrojen bağları ile birbirine tutunurlar. A daima T ile iki hidrojen bağı ve C ise G ile üç hidrojen bağıyla çift
oluşturur. Çiftler baz – komplementeri olarak ifade edilir.
4. Bu iki iplik antiparalel yani zıt polariteye sahiptir. Bir iplik 5' 3' diğeri ise 3' 5' yönünde yer alır.
5. Çift-sarmal yapı büyük ve küçük olmak üzere iki oluk ya da kıvrıma sahiptir.
6. Sarmalın çapı 2 nm olup 10 baz çifti içeren her büyük kıvrımı 3.4 nm uzunluktadır. Her baz çiftinin arası ise 0.34 nm’dir.
7. Sağa dönüşümlü bir sarmaldır.
8. Adenin sayısı timine, guanin sayısı sitozin sayısına eşittir.

Çift-sarmal DNA ortam koşullarına bağlı olarak hidrojen bağlarından koparak tek iplikli hale gelir ve buna DNA’nın denatürasyonu denir. Ortam koşulları eski hâline döndüğünde ise komlementer iplikler yeniden birleşir ve bu olaya renatürasyon denir. Nükleik asitlerin bu önemli özelliği onların çeşitli manipülasyonlarına olanak sağlamıştır. Hibridizasyon denilen temel moleküler biyolojik yöntemlerde DNA’nın denatürasyonu ve renatürasyonu temel alınarak DNA bölgeleri işaretlenmekte ve çok çeşitli genetik çalışmalar yapılmaktadır.

RNA molekülü bir nükleik asit olmasına rağmen DNA‘dan farklı özellikleri bulunmaktadır. Bunlar:
1- Şeker grubu olarak deoksiriboz yerine riboz içerir.
2- Azotlu bazlardan timin yerine urasil yer alır.

3- Normal olarak tek-iplikli ama sıklıkla aynı iplik üzerindeki tamamlayıcı bazların çift oluşturmasıyla karmaşık sabit bir ikincil yapıya (saç-tokası ya da gövde-lop) sahiptir. 

DNA’dan farklı olarak RNA’ların hücrede çeşitli tipleri ve işlevleri bulunmaktadır. Bazı küçük virüslerin genomunu oluşturmaları dışında hücrelerdeki tipleri şunlardır:
1. Genomik ya da kromozomal RNA
2. Protein sentezinde görevli RNA’lar:
1. Haberci (Messenger) RNA, mRNA
2. Ribozomal RNA, rRNA
3. Taşıyıcı (Transfer) RNA, tRNA
3. Gen regülasyonunda görevli RNA’lar:
1. ksRNA (küçük sitoplazmik RNA, miRNA)
2. kçRNA (küçük çekirdeksel RNA)
4. Enzimatik RNA (ribozimler).

Replikasyon, DNA molekülünün taşıdığı genetik bilgilerin sonraki kuşaklara aktarılması için kopyasının sentezlemesi olayıdır. DNA molekülü semikonservatif ya da yarı-tutucu bir şekilde kendini kopyalar. Yarı-tutucu replikasyonda, DNA molekülünün iki zincirinden her biri yeni bir DNA zincir sentezi için kalıp görevi görür. Replikasyon sonucunda meydana gelen iki yeni DNA molekülünün her biri yeni ve eski kollar içerir. DNA replikasyonu, orijin diye adlandırılan bir başlama noktasında başlar ve genellikle çift sarmalın açılması ile oluşan iki zıt yönde ve Y şeklindeki replikasyon çatallarında 5' 3' yönünde ilerler. Kalıp olarak görev gören ise kol 3' 5' yönünde okunur. Halkasal bakteri kromozomu bir orijinden başlar ve iki zıt yöne replikasyon çatalı ile devam eder. Genom bir seferde kopyalanmış olur. Diğer yandan ökaryotik
hücrelerde replikasyon çok sayıda orijinden başlar ve büyük genomlar kısa sürede kopyalanır. Örneğin, 3× 109 baz çifti ve 1 m uzunlukta olan insan genomunun (haploit) tümü 8 saatte yaklaşık 10,000 –100,000 orijinden başlayarak replike olur. Replikasyon tüm hücrelerde benzer bir mekanizmayla beş aşamada gerçekleşir: 

1. Çift-sarmal DNA’nın açılması

2. RNA primerinin sentezi

3. DNA zincirinin 5' 3' yönünde büyümesi

4. Primerin çıkarılması ve zıt iplikte sentez

5. Yeni sentez edilen DNA zincirinin birleşmesi

Proteinlerin hücredeki işlevleri çok çeşitli olup buna göre 8 büyük grupta sınıflandırılırlar:

1. Düzenleyici proteinler,
2. Yapısal proteinler,
3. Hareket proteinleri,
4. Katalizör proteinler,
5. Korunma proteinleri,
6. Taşıma proteinleri
7. Haberleşme ya da sinyal iletimi proteinleri ve
8. Depo proteinleri gibi tüm yaşamsal faaliyetlerin temel elemanlarıdır.

Amino asitler R grupları bakımından sahip oldukları özelliklerine göre 2 büyük grupta sınıflandırılabilir;
1. Hidrofobik amino asitler: Amino asitlerden 10 tanesi hidrofobik özellik gösteren R grubu içerdiklerinden apolar özelliktedir ve elektrostatik bağ yapamazlar. Genellikle yan zincirlerinde oksijen veya azot bulunmaz. Bu gruptaki amino asitler, glisin (Gly), alanin (Ala), lösin (Leu), izolösin (Ile), valin (Val), fenilalanin (Phe) tirozin, triptofan (Trp), metiyonin (Met), tirozin (Tyr) ve prolin (pro)’dir.

2. Hidrofilik amino asitler: Kalan 11 amino asitin R grupları polar özellikte oldukları için suda çözünebilirler. Bu nedenle protein molekülünün dışa bakan kısmında bulunurlar ve diğer proteinler ya da moleküllerle etkileşebilirler. Hidrofilik aminoasitler ayrıca 2 grupta sınıflandırılabilir:
a. Polar yüksüz amino asitler

b. Polar yüklü amino asitler

Proteinlerin yapısı dört seviyede tanımlanır. Her biri farklı görünümdedir ve farklı tipteki etkileşimlere bağlıdır. Bunlar sırasıyla birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül seviyelerde yapılardır. 

1. Birincil (Primer) Yapı: Amino asitlerin boncuk tanesi şeklinde birbirine peptit bağları ile eklenmesiyle birincil yapıları olan peptit zincirleri sentezlenir. 

2. İkincil (Sekonder) Yapı: Amino asitlerin karbonil ve imido grupları arasında hidrojen bağları oluşması sonucu amino asit zincirinde sarmal ya da tabaka şeklinde katlanmalar ile meydana gelen üç boyutlu yapıdır.

3. Üçüncül (Tersiyer) Yapı: İkincil yapının alfa-sarmal ve beta-plaka yapılarının üst üste katlanmalar yapmasıyla proteinler yumak
şeklinde üçüncül yapılanmaya giderler. Üçüncül yapıyı amino asitlerin yan grupları belirler. 

4. Dördüncül (Kuarterner) Yapı: Benzer özelliklere sahip üçüncül yapıdaki proteinler alt üniteler olarak kümeler şeklinde birleşerek
proteinlerin en ileri seviyedeki dördüncül yapısını meydana getirir.

Protein sentezi hücre içindeki ribozomlarda, amino asitlerin birbirine eklenmesiyle bir polimer zincirin sentezlendiği biyokimyasal bir süreçtir. Ancak hücre, genlerde (DNA’da) kodlanmış olan genetik bilgiyi başka bir dil olan proteinler hâlinde ifade edilmesini sağladığı için bu olay translasyon ya da genetik bilginin çevrimi olarak ifade edilen kompleks bir olaydır. Bu nedenle protein sentezi, translasyon ile birlikte genetik kodun DNA’dan RNA molekülüne aktarılması olayı olan transkripsiyonla
başlayan bir süreçtir. 

Hücrede genel olarak protein yapımı için gerekli elemanlar şunlardır:
1. Amino asitler: Proteinlerin monomerleri olarak peptit bağlarıyla eklenerek polipeptit zinciri meydana getirirler.
2. GTP (guanozin üç fosfat) molekülleri: Sentez için gerekli enerji kaynağı olarak çoğunlukla guanozin üç fosfatın (GTP) hidrolizi sonucu çıkan enerji kullanılırlar.
3. mRNA: mRNA aracı moleküller olarak genetik kodu proteinlere taşırlar. 

4. Ribozomlar: Protein sentezinin yapıldığı, mRNA ile tRNA’lar arasındaki bağlantının kurulduğu zar içermeyen hücresel makinalardır. 

5. Amino asit bağlı tRNA’lar: Transfer RNA (tRNA)’lar, protein sentezi sırasında ribozomda büyüyen polipeptid zincirine özel amino asitleri taşıyan 74-93 nükleotid uzunlukta zincirlerdir. 

6. Protein faktörler: Protein sentezinin her aşamasında farklı işlevleri olan çok sayıda ki proteinlerdir.

Canlıların besin olarak aldıkları üç büyük ana maddenin biri karbohidratlardır. Bir hücredeki organik maddelerin yaklaşık %10’nu karbohidratlar oluşturur. En önemli görevleri hücre ya da organizma için enerji depolamadır. Ayrıca biyolojik yapı materyali olarak kullanılırlar. Doğada en bol rastlanan maddeler olup basit şekerler halinde bulundukları gibi, pek çok organik ve inorganik bileşiklere bağlanarak kompleks yapıların içinde yer alırlar. 

Hücre ya da organizmada enerjinin büyük bir bölümünü sağlarlar.
• Kayganlık, hücresel ileti ve bağışıklıkta da rol oynarlar.
• DNA ve RNA’yı oluşturan nükleotitlerin bileşenleridir.
• Metabolik ara ürün (metabolit) olarak iş görürler.
• Çözünürlük, viskozite, yük ve denatürasyon gibi fizikokimyasal  özellikleri düzenlerler.
• Hücre içinden ve dışından olabilecek proteolize karşı korurlar.
• Hücre içi göç ve salgıyı düzenlerler.

Lipitler canlıların yapısında bulunan organik yağlardır.Hayvansal ve bitkisel dokularda bol miktarda bulunan lipitlerin hücrede üç temel işlevi vardır:
1. Enerji depoları olarak iş görürler.
2. Özellikle zarlar olmak üzere önemli hücresel yapıların temel elemanıdır.
3. Hücre dışından içine ya da hücre içinde kimyasal sinyallerin iletimi ve taşıma gibi özel biyolojik olaylarla ilgilidirler.

Lipitler kimyasal yapıları temel alındığında yedi grupta sınıflandırılırlar:
1. Yağ asitleri
2. Triasilgliseroller
3. Fosfolipitler
4. Glikolipitler
5. Steroidler
6. Terpenler
7. Lipoproteinler

Triaçilgliseroller (TAG), üç yağ asitinin bir gliserol molekülüne esterleşmesi ile bağlanarak meydana gelirler. Trigliseritler ya da nötral yağlar olarak da ifade edilirler. Triaçilgliserolların temel işlevi yedek besin maddesi olarak enerji depolamadır. Bazı hayvanlarda,
düşük ısıya karşı izolasyon sağlar. Çok soğuk iklimlerde yaşayan penguen, ayı balığı, denizayısı gibi birçok hayvan türü triaçilgliserolleri derilerinin altında depolarlar ve canlı kalmaları tamamen bu izolasyona bağlıdır. Hayvan vücudunda, triaçilgliseroller doymuş yağ asitlerini içerdiklerinden oda sıcaklığında genellikle katı ya da yarıkatı formda bulunurlar ve yağ olarak adlandırılırlar. Yağlar iç organların korunmasında görevlidirler. Bitkilerde ise çoğu triaçilgliseroller doymamış yağ asitlerini içerdiklerinden oda sıcaklığında sıvı halde bulunurlar ve bitkisel yağ olarak adlandırılırlar. 

Steroitler dört-halkalı hidrokarbon türevleri olarak lipitlerin diğer farklı bir sınıfıdır. Polar değillerdir ve dolayısıyla hidrofobik özellikte moleküllerdir. Özellikle ökaryotik hücrelerde bulunan steroitler
birbirlerinden içerdikleri çift bağların sayısı ve pozisyonu ile fonksiyonel grupları bakımından farklılıklar gösterirler.Hayvan hücrelerinin en yaygın steroiti kolesteroldür. Steoritler üç grupta sınıflandırılabilir:
1. Eşey ya da cinsiyet hormonları
2. Glukokortikoitler
3. Mineralokortikoitler 

Lipoproteinler, protein ve lipitlerin kovalent olmayan bağlarla birbirine tutunan kompleks büyük moleküllerdir. Birçok enzim, yapısal proteinler, taşıyıcılar, antijenler ve toksinler lipoprotein yapıdadır. Lipoproteinler, mitokondri ve kloroplastlardaki zar geçişli proteinler ve bakteriyal olmak üzere çeşitli organel ve hücrelerde bulunurlar. Plazmada bulunan apolipoprotein adı verilen lipoproteinler, beslenmeyle alınan ya da sentezlenen suda çözünürlüğü düşük olan trigliseritleri ve kolesterolleri hücrelere taşırlar. Klinik olarak oldukça önemlidirler. Hayvan hücrelerine başlıca lipit taşıyıcı olarak iş görürler.