Temel Bileşenler

İnorganik Moleküller

İnorganik moleküller, genellikle karbon içermeyen, canlılar tarafından sentezlenemeyip dışarıdan hazır alınan maddelerdir. Hücre zarından doğrudan geçerler, sindirime uğramazlar ve hücresel solunumda enerji verici olarak kullanılmazlar.

Bu moleküller hücresel yapılara katılır ve metabolik işlevlerin düzenlenmesinde görev alırlar. Hücrelerde bulunan su, mineraller ve tuzlar inorganik moleküller grubunda yer alır.

Suyun Yapısı ve Moleküler Özellikleri

Su molekülü, iki pozitif yüklü hidrojen atomu ve bir negatif yüklü oksijen atomunun kovalent bağla birleşmesiyle oluşur. Oksijen atomunun elektronegatifliği yüksek olduğu için elektronları kendine daha çok çeker ve moleküle polar asimetrik bir yapı kazandırır.

Dünya yüzeyinin yaklaşık %75'i sularla kaplıdır. Bu su kütlesinin %97'sini deniz ve okyanuslardaki tuzlu sular, %3'ünü ise tatlı su kaynakları oluşturur.

Suyun Fiziksel ve Biyolojik Özellikleri

Farklı moleküllerin birbirini çekmesine adezyon, aynı tür su moleküllerinin birbirini çekmesine ise kohezyon denir. Bitkilerde suyun köklerden yapraklara taşınması bu iki kuvvetin ortak çalışmasıyla gerçekleşir. Su yüzeyindeki yüksek kohezyon kuvveti yüzey gerilimi oluşturarak bazı böceklerin su üzerinde yürümesine imkan tanır.

Suyun öz ısısı yüksek olduğu için ortamdaki ani sıcaklık değişimlerini engeller. Sıvı sudan daha düşük yoğunluğa sahip olan buz su yüzeyinde yüzer ve altındaki sucul ekosistemi soğuktan korur. Ayrıca su iyi bir polar çözücüdür.

Minerallerin Genel Özellikleri

Mineraller, canlı organizmalar tarafından sentezlenemeyen, toprak, su ve kayalarda bulunan inorganik besin maddeleridir. Hücresel yapılara katılırlar ve enzimlerin yapısında yer alarak düzenleyici olarak işlev görseler de enerji üretimi için parçalanmazlar.

Yapısal ve Düzenleyici Mineraller

Demir (Fe), kanda oksijen taşıyan hemoglobinin ve enzimlerin yapısına katılır; eksikliğinde anemi ve çabuk yorulma görülür. Kalsiyum (Ca), kemik ve diş gelişimi ile kas kasılmasında görev yapar; eksikliği raşitizm ve osteoporoza yol açar. Fosfor (P) ise ATP, DNA, RNA ve kemik dokusunun bileşenidir.

Magnezyum (Mg), klorofilin yapısına katılır ve kas fonksiyonlarında etkilidir. Sodyum (Na) ve potasyum (K), sinirsel ileti ile vücudun su dengesini düzenler. İyot (I), tiroksin hormonunun yapısına katılarak guatr hastalığını önler. Flor (F) diş sağlığını korurken, kükürt (S) ve çinko (Zn) protein sentezi ve bağışıklıkta rol alır.

Organik Moleküler Yapı ve Bağlar

Organik moleküller, karbon atomuna hidrojen, oksijen, azot gibi elementlerin bağlanmasıyla oluşan büyük yapılı moleküllerdir. Yapı taşları olan monomer birimleri dehidrasyon tepkimesiyle glikozit, ester veya peptit gibi kovalent bağlar kurarak polimer yapıları oluşturur ve bu sırada su açığa çıkar. Polimerlerin su kullanılarak monomerlerine ayrılmasına ise hidroliz denir.

Monosakkaritler ve Disakkaritler

Karbohidratlar, karbon, hidrojen ve oksijen atomlarından oluşur. Beş karbonlu pentoz şekerlerinden riboz RNA ve ATP'de, deoksiriboz ise DNA'da bulunur. Altı karbonlu heksoz şekerleri olan glikoz, fruktoz ve galaktoz kapalı formülleri aynı, açık formülleri farklı olan izomer moleküllerdir.

İki monosakkaridin glikozit bağı ile birleşmesi disakkaritleri oluşturur. İki glikozdan maltoz, glikoz ve fruktozdan sükroz, glikoz ve galaktozdan laktoz meydana gelir. Laktozu parçalayan enzimin yetersizliği laktoz intoleransı durumuna neden olur.

Polisakkarit Çeşitleri

Polisakkaritler, çok sayıda glikozun dehidrasyonuyla oluşur. Depo polisakkaritlerinden nişasta bitkilerde, glikojen ise hayvan, mantar ve bakterilerde depolanır. Yapısal polisakkaritlerden selüloz bitki hücre duvarını oluşturur. Azot içeren bir glikoz türevi olan kitin ise eklem bacaklıların dış iskeletinde ve mantarların hücre duvarında yer alır.

Lipitlerin Yapısı ve Yağ Asitleri

Lipitler, suda çözünmeyen veya az çözünen, apolar, hidrofobik ve yüksek miktarda enerji içeren organik moleküllerdir. Polimer yapılı değildirler. Yapı taşlarını yağ asitleri ve gliserol oluşturur. Vücutta sentezlenemeyip dışarıdan alınması gereken yağ asitlerine esansiyel yağ asitleri denir.

Karbon atomları arasında çift bağ içermeyen yağ asitlerine doymuş yağ asitleri denir; hayvansal kaynaklı olup oda sıcaklığında katıdır. Karbon atomları arasında çift bağ barındıran doymamış yağ asitleri ise bitkisel kaynaklıdır ve oda sıcaklığında sıvıdır. Doymamış yağların endüstriyel ortamda hidrojenle doyurulmasıyla margarinler elde edilir.

Trigliserit, Fosfolipit ve Steroitler

Bir gliserol molekülüne üç yağ asidinin ester bağı ile bağlanması sonucu trigliserit (nötr yağ) oluşur ve insan vücudunda en çok depolanan lipit türüdür.

Fosfolipitler, hücre zarının temel bileşenidir; hidrofilik (suyu seven) baş kısım ile hidrofobik (suyu sevmeyen) iki yağ asidi kuyruğundan oluşur. Dört halkalı karbon yapısına sahip steroitler grubundan olan kolesterol, hücre zarının akışkanlığını ve dayanıklılığını düzenler.

Amino Asit Yapısı ve Protein Sentezi

Proteinler, canlı yapısında en çok bulunan organik moleküllerdir ve yapı taşları amino asitlerdir. Bir amino asit molekülü; merkezî bir karbon atomuna bağlı amino grubu (-NH2), karboksil grubu (-COOH), bir hidrojen atomu ve değişkene çeşitlilik kazandıran radikal grup yapısından oluşur.

Protein sentezi, DNA'daki genetik şifreye uygun olarak ribozom organelinde gerçekleşir. İki amino asit arasında karboksil ve amino grupları üzerinden peptit bağı kurulur ve dehidrasyonla polipeptit zinciri elde edilir.

Protein Yapısının Bozulması ve Yapısal Değişimler

Polipeptit zincirleri katlanarak üç boyutlu işlevsel biçimlerini kazanırlar. Sıcaklık, pH değişimi ve tuz derişimi gibi çevresel faktörlerle proteinin üç boyutlu yapısının bozulmasına denatürasyon denir.

Denatüre olmuş bazı proteinler uygun koşullarda eski haline dönebilir, bu olaya renatürasyon denir. Örneğin süt ısıtıldığında denatüre olur ancak soğutulduğunda yapısını geri kazanabilir. Buna karşın yumurtanın pişirilmesiyle gerçekleşen denatürasyon geri dönüşümsüzdür.

Enzimlerin Yapısı ve Çalışma Mekanizması

Enzimler, kimyasal reaksiyonların başlaması için gerekli olan aktivasyon enerjisini düşürerek tepkime hızını artıran biyolojik katalizörlerdir. Enzimin etki ettiği maddeye substrat, bağlandığı özel bölgeye aktif bölge denir. Enzim ile substrat arasındaki uyum anahtar-kilit modeli veya indüklenmiş uyum modeli ile açıklanır.

Sadece proteinden oluşan enzimlere basit enzim denir. Protein kısmının (apoenzim) yanında organik bir koenzim (vitamin) veya inorganik bir kofaktör (metal iyonu) içeren yapılara bileşik enzim (holoenzim) adı verilir.

Enzim Aktivitesine Etki Eden Faktörler

Enzimlerin çalışabilmesi için ortamdaki su miktarının en az %15 olması gerekir. Sıcaklık arttıkça tepkime hızı optimum dereceye kadar artar; ancak yüksek sıcaklık (40 °C üzeri) protein yapıyı denatüre eder. Düşük sıcaklık enzimi bozmaz, sadece kinetik enerjiyi düşürerek yavaşlatır.

Her enzimin aktif olduğu belirli bir optimum pH değeri bulunur. Örneğin mide enzimi pepsin asidik (pH 2), ince bağırsak enzimi tripsin bazik (pH 8) ortamda çalışır. Substrat yüzey alanının artması ve aktivatör maddeler reaksiyonu hızlandırırken, inhibitör maddeler yavaşlatır veya durdurur. Hücredeki katalaz enzimi, zararlı hidrojen peroksiti su ve oksijene parçalar.

Nükleotitlerin Yapısı

Nükleik asitler, hücrenin yönetici molekülleridir ve yapı birimleri nükleotit adı verilen monomerlerdir. Bir nükleotit; bir fosfat grubu, beş karbonlu bir pentoz şekeri ve bir azotlu organik bazdan oluşur. Nükleotitler birbirine fosfodiester bağları ile bağlanarak zincir oluşturur.

Azotlu organik bazlar çift halkalı pürinler (Adenin, Guanin) ve tek halkalı pirimidinler (Sitozin, Timin, Urasil) olmak üzere ikiye ayrılır. Şeker olarak riboz bulunduranlar ribonükleotit, deoksiriboz bulunduranlar deoksiribonükleotit adını alır.

DNA ve RNA Molekülleri

DNA (deoksiribonükleik asit), çift iplikli sarmal bir yapıya sahiptir ve deoksiriboz şekeri içerir. Bazları Adenin, Timin, Guanin ve Sitozindir. İplikler arasında Adenin ile Timin ikili, Guanin ile Sitozin üçlü hidrojen bağı kurar. DNA'da pürin sayısı pirimidin sayısına eşittir.

RNA (ribonükleik asit), tek iplikli yapıya sahiptir ve riboz şekeri taşır. Bazları Adenin, Urasil, Guanin ve Sitozindir. RNA protein sentezinde doğrudan görev alır.

Vitaminlerin Özellikleri

Vitaminler, sağlıklı yaşam ve metabolik dengenin sürdürülmesi için gerekli organik moleküllerdir. Sindirime uğramadan doğrudan hücre zarından geçerler, hücre yapısına katılmazlar ve hücresel solunumda enerji verici olarak kullanılmazlar. Enzimlerin yapısına koenzim olarak katılarak düzenleyici rol oynarlar.

Vitaminler yüksek sıcaklık, ışık, oksijen ve metal teması ile kolayca bozulabilirler. Yağda çözünenler ve suda çözünenler olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar.

Yağda ve Suda Çözünen Vitaminler

A, D, E, K vitaminleri yağda çözünür ve vücutta karaciğerde depolanabilir. A vitamini görme fonksiyonlarında etkilidir, eksikliğinde gece körlüğü oluşur. Steroit yapılı D vitamini kalsiyum emilimini sağlar ve eksikliğinde raşitizm görülür. E vitamini antioksidandır; K vitamini ise kanın pıhtılaşmasını sağlar.

B grubu vitaminleri ve C vitamini suda çözünür, vücutta depolanmaz ve fazlası idrarla atılır. B vitaminleri metabolizmada koenzimdir. C vitamini (askorbik asit) antioksidandır ve bağışıklık ile kolajen sentezinde görev alır.

Besin Ayraçlarının İlkesi

Ayraçlar (indikatörler), besin maddelerinin yapısındaki belirli organik moleküllerle kimyasal reaksiyona girerek spesifik renk değişimleri oluşturan kimyasal maddelerdir. Laboratuvar ortamında bilinmeyen çözeltilerin içeriğini tespit etmek amacıyla kullanılırlar.

Karbohidrat, Lipit ve Protein Ayraçları

Karbohidrat analizinde Lugol (iyol çözeltisi) nişasta ile mavi-mor, glikojen ile kahverengi-kırmızı renk verir. Monosakkarit türlerinden glikoz ve fruktoz tespiti için Benedict veya Fehling çözeltisi uygulanarak ısıtıldığında kiremit kırmızısı renk elde edilir. Selüloz ise iyotlu çinko klorür ile açık mavi renk oluşturur.

Protein analizinde Biüret reaktifi mor, nitrik asit sarı renk renk değişimi sağlar. Amino asitlerin varlığında Ninhidrin reaktifi mor renk verir. Yağların varlığını belirlemek için Sudan III veya Sudan IV çözeltisi eklenerek kırmızı-turuncu damlacıklar gözlemlenir.