BİYOFİZİK. Canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanmasıyla ortaya çıkan bilim dalıdır.

 “Canlı varlıkların incelenmesinde fiziğin uygulanmasıyla ortaya çıkan bilim dalıdır.“

 İbn-i Sina (980-1037),

 Galileo Galilei (1564-1642) sarkaç ve termometre

 Luigi Galvani (1737-1798) biyoelektrik (animal electricity)

 Jean-Leonard-Poiseuille (1797-1869) kan viskos akış yasaları

 Adolf Fick (1829-1901), difüzyon yasaları

 Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) Sinirde iletim hızı, renkli görme ve işitme teorileri

1930’ larda bazı biyolojik olayları açıklamak için biyokimya ile fizyoloji de yetersiz kalınca fizik kullanılmaya başlanmış ve biyofizik doğmuştur.

BİYOFİZİK

 Moleküler biyofizik: Biyolojik moleküllerin özellikle biyopolimerlerin fizikokimyasal özelliklerini inceler.

– Protein yapılarının belirlenmesi – DNA-protein etkileşimi

 Hücre biyofiziği: Hücre ve dokuların yapı ve fonksiyonlarını ilgilenir.

– Hücre zarının yapı ve özellikleri, hücre zarından taşıma

– Elektriksel sinyallerin (aksiyon potansiyeli) oluşması ve yayılması

 Sistemler biyofiziği: Fizyolojik sistemlerin çalışma prensiplerini fiziksel ve matematik modellerle açıklamaya çalışır.

– Fizyolojik mekanizmaların modellenmesi – Doku ve biyomedikal mühendislik

– Biyomekanik ve akışkanlar bilimi

. .

 Karşılıklı etkileşim halindeki birtakım parçalardan oluşan fiziksel veya düşünsel herhangi bir varlığa sistem adı verilir.

 ^Örn:

atom → molekül → hücre → doku→organ → organizma → toplum →dünya

* Bir organizma işlevsel olarak dolaşım sistemi, solunum sistemi, sinir sistemi, sindirim sistemi vb. alt sistemlere ayrılabilirdi

 Madde ve enerji alışverişi bakımından sistemler

*Kapalı sistem,

*Açık sistem,

*Yalıtık sistem

Sistem Nedir?

SİSTEM SİSTEM

→E → Y

Etki (forcing) Yanıt (response)

olmak üzere 3’e ayrılır. Bir sistemin sınırlarını tanımlamak keyfidir.



Madde ve enerji giriş çıkışı sürerken, sistemin zamanla değişmeyip benzer kaldığı duruma kararlı (steady state) durum veya dinamik denge durumu denir



Homeostazis



Örn: bir nöronun dinlenim durumunda, hücre zarından geçişler devam ettiği halde her bir iyon için net giriş sıfırdır ve hücre içi konsantrasyonlar değişmez.

Birer Açık Sistem Olarak Canlılar

Sistemler oluşturmak için moleküller birbirleriyle bağlanırlar:

1- Kuvvetli Bağ (>> 2.5 kJ/mol) 2- Zayıf Bağ (2.5 kJ/mol)

Molekül İçi ve Moleküllerarası Bağlar

Bağlar:

1. Kovalent bağlar 2. İyonik bağlar 3. Hidrojen bağları

4. Van der Waals bağları

Moleküler Bağların Özellikleri

Bağ Gücü Özellikleri

İyonik ^Kuvvetli Zıt yüklü iyonize gruplar arasındaki çekim.

Kovalent Çok kuvvetli Atomlar arasında paylaşılan elektronlar.

Hidrojen ^Zayıf Hidrojen ve oksijenin polarize bağları arasındaki çekim.

Van der Waals

Çok zayıf Çok yakın moleküller ve gruplar arasındaki çekim



Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi



Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi Hücre, hayatın yapısal ve fonksiyonel ünitesi

• Hücrenin biyokimyasal aktiviteleri hücre organelleri tarafından yürütülür

• Hayati faaliyetler hücrelerin bireysel ve birlikte faaliyetlerine bağlıdır



Lipit , protein ve korbanohidratlardan meydana gelmiştir. Çift lipid tabakasından oluşmuştur (her biri 45 A° ).



Seçici geçirgen özellikte özel bir yapısı vardır.



Kalınlığı; 6 - 10 nm,



Kapasitansı; 0.5 - 1.3 µF/cm²,



Direnci; 10² - 10⁵ Ohm x cm²,



Bozulma Potansiyeli; 100 - 150 Mv,



Su Geçirgenliği; (0.4 - 400) x 10^-6 m/s,



Yüzey Gerilimi; 0.03 - 0.1 N/m’ dir.

Hücre Zarı

Polar (Kutuplu) Maddeler = Hidrofilik Polar Olmayan (Kutupsuz) Maddeler = Hidrofobik Fosfolipid = Fosfat + Lipid

Baş Bölgesi Kuyruk Bölgesi

Polar Non-Polar

Hidrofilik Hidrofobik



hidrofobik ucu içte, suda eriyen kısmı (hidrofil) dışa bakar

Hücre Zarı

Polar

Hidrofilik Baş bölgesi Non-polar Hidrofobik Kuyruk bölgesi

Hücre Zarı

Fosfolipid Topluluğu Sulu Ortamda ; -Misel

-Bilayer = Double Layer

13

Bir madde; Ya akıcı, hareketli, kararsız,

Ya da düzenli, kristalize, yüksek organizasyonlu  

Hücre membranının bilayer tabakası : İkisi de.



Zar proteinleri



1) Lipid tabakasındaki integral proteinler zarı boydan boya kat ederler

1. Taşıma görevi: Hücre zarından iç tarafa veya dış tarafa doğru bazı maddelerin taşınmasını sağlayan iyon kanalları ve aktif transporterlar

2. Sentezleme görevi: membran lipitinin ve diğer maddelerin sentezini

3. Reseptör görevi: hormon ve nörotransmitterle bağlanıp etkilere neden olur



2) periferik proteinler: zarın bir yüzeyinde (enzim olarak)

Singer ve Nicholson’un akışkan mozayik modeli (1972) Bilayer tabaka üzerindeki mozayikler = Proteinler

Extrasellüler Sıvı

Kolesterol

Stoplazma

Glikolipid

Transmembrane proteinler

Periferal protein Glikoprotein

Fosfolipitler

Many Functions of Membrane Proteins

Outside Plasma membrane Inside

Transporter Cell surface

receptor Enzyme

activity

Cell surface

identity marker Attachment to the

cytoskeleton Cell adhesion

 Sorusu olan?

HÜCRE MEMBRANINDAN HÜCRE MEMBRANINDAN

GEÇİŞ GEÇİŞ

(TRANSPORT)

(TRANSPORT)

18

Eğer iki ortamı birbirinden ayıran bir bariyer varsa, bir ortamdan diğerine madde akışı olabilmesi için, iki ortam arasında POTANSİYEL ENERJİ FARKI bulunmak zorundadır.

Biyolojik ortamlar arasındaki olası potansiyel enerji farkı kaynakları:

1. Kimyasal Potansiyel Enerji = Konsantrasyon Farkı (Gradienti) 2. Hidrostatik Basınç Farkı

3. Elektriksel Potansiyel Enerji

4. Termal Enerji

19

Hücre Zarının Farklı Maddelere Olan Geçirgenliğinin Sınıflandırılması

1. Çok Kolay Geçenler : Su 2. Kolay Geçenler :

a) Oksijen, Azot, Karbondioksit gibi gazlar

b) Alkol, Eter, Kloroform gibi yağda çözünebilen maddeler 3. Zor Geçenler : Glukoz, Aminoasitler, Gliserol, Yağ Asitleri

4. Çok Zor Geçenler :

a) İnorganik tuzlar

b) Her türlü asidik ve alkali maddeler

c) Sakkaroz, Maltoz, Laktoz gibi disakkaritler

5. Hiç Geçmeyenler : Proteinler, Polisakkaritler, Fosfolipidler

• Difüzyon

– Basit difüzyon

– Kolaylaştırılmış difüzyon

• Ozmoz: suyun geçişi

• Aktif taşıma

– Primer aktif taşıma – Sekonder aktif taşıma

Madde ve Suyun Hücre Zarından Geçişleri



İhtiyaç duyulan maddelerin hücreye alınması, metabolitlerin ve hücrede sentezlenen ürünlerin hücre dışına atılmasını sağlayan mekanizmalar:

Yüksek

Düşük

Weeee

!!!

Bu iş zor olacak!!!

Yüksek

Düşük

Madde ve Suyun Hücre Zarından Geçişleri



Moleküllerinin gelişi güzel hareketler yaparak yayılmasıdır.



Difüzyon ortamda molekül yoğunluğu eşitleninceye kadar devam eder.



^İyonlar kendi kinetik enerjileri ile zardan her iki yöne doğru geçer ama net hareket çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğru olur.



Hücre zarında difüzyon, aynı molekülün sudaki difüzyonundan çok daha yavaştır



Membranda difüzyonu sınırlayan faktör lipid çift tabakadır



Lipitte daha iyi eriyen bir madde hücre zarından daha kolay geçer.

Basit Difüzyon

Düfüzyon hızı nelere bağlıdır?



Kinetik hareketin hızına

o Sıcaklığa, yayınım hızı sıcaklıkla artar o Taneciklerin büyüklüğüne, küçük

tanecikler daha hızlı yayılır



Çözeltinin derişim farkına



Zarda iyon ve moleküllerin hareket edebilecekleri delikçik (por) sayısına



Yüzey alanına

Basit Difüzyon



Fick yasası, difüzyonu matematiksel olarak tanımlar.



Madde akışının konsantrasyon gradienti ile doğru orantılı olduğunu anlatır.

Fick’in 1. Yasası



Kararlı-durum difüzyon şartlarında yani, difüzyonun meydana geldiği ortamda konsantrasyon zamanla değişmediği şartlarda geçerlidir.

Fick’in 2. Yasası



Kararsız-durum difüzyon şartlarında yani, difüzyonun meydana geldiği ortamda konsantrasyon zamanla değiştiği şartlarda geçerlidir.

Fick Yasası:

Adolf Eugen Fick (1829-1901)



Maddelerin taşıyıcı bir molekül yardımıyla zardan karşı tarafa geçişine denir.

– Akım çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğrudur.

• iki taraf konsantrasyonu eşitlendiğinde akım durur – Enerji gerektirmez

En güzel örnek glikozdur Yüksek

Düşük

Kolaylaştırılmış Difüzyon:

İyon Kanallarından İyon Akışı:

• Su moleküllerinin yarı geçirgen zardan yoğun ortama geçişine ozmoz denir

• Geçiş iki taraf arası osmolarite farkına göredir

– su, osmolaritesi düşük olan bölgeden yüksek osmolariteye sahip tarafa geçer – Su geçişi, zarın iki tarafında ozmotik basıncı eşitleninceye kadar devam eder.

Ozmoz: Suyun Difüzyonu

Ozmotik Basınç

Bir solüsyonun ozmotik basıncı:

• Saf su ile yanyana konduğunda, su difüzyonunu önleyebilmek için uygulanması gereken basınca o solusyonun ozmotik basıncı denir

– osmotik basıncı arttıkça osmolarite de artar, su konsantrasyonu düşer – P= T .n. c.R

– T; Mutlak Sıcaklık

– n; Dissosiye olabilen partikül sayısı – C; Konsantrasyon

– R; ideal gaz sabiti (0.082 atm l/K mol)

Çok yoğun Saf su Eşit yoğunlukta Çok yoğun Saf su

İzotonik-Hipotonik-Hipertonik Solusyon

 Konsantrasyon gradyentine zıt yönde bir taşınım söz konusudur

 Enerji gerektiren bir olaydır

• Na, K, Ca, glikoz, aminoasitler çoğu kez etkin taşınımla taşınırlar

Aktif Taşıma:

Birincil Aktif Taşıma



Taşıyıcı protein ATP’yi doğrudan yıkarak kendini fosforilleyen bir ATPaz’dır.



^{Na+-K+ ATPaz}



^{Ca2+ ATPaz}



^{H+ ATPaz}



^{H+-K+ ATPaz}

Aktif Taşıma:

Binding of cytoplasmic Na+ to the pump protein stimulates phosphorylation by ATP.

1

2

3

4

Phosphorylation causes the protein to change its shape.

The shape change expels Na⁺ to the outside, and extracellular K⁺ binds.

5

Loss of phosphate restores the original conformation of the pump

protein. K⁺ binding triggers release of the

phosphate group.

K⁺ is released and Na6 ⁺ sites are ready to bind Na+ again;

the cycle repeats.

Concentration gradients of K⁺ and Na⁺

Extracellular fluid

Cytoplasm

Sodium-Potassium Pump

İkincil Aktif Taşıma



Enerji olarak doğrudan ATP değil, iyon konsantrasyon gradyentini kullanılır



Taşıyıcı protein üzerinde asıl taşınacak madde haricinde bir de enerjiyi sağlayacak olan iyonu bağlayan bölge vardır



bu iyon genellikle sodyumdur



Örn. barsak epitel hücreleri ve böbrek tubül hücreleri zarından glukozun yokuş yukarı transportu



^Na+ gradyanı ikinci bir iyonun aktif transportu için itici kuvvet olarak kullanılır.

Aktif Taşıma:

Sekonder Aktif Taşıma

 Sekonder aktif transport ile taşınan madde sodyum iyonları ile aynı

yönde taşınıyorsa simport (sodyum co-transportu),

 Ters yönde taşınıyorsa antiport (sodyum counter-transportu) olarak anılır

Aktif Taşıma:

Sorusu olan?

Hücrede İyon Konsantrasyonu

CYTOSOL EXTRACELLULAR FLUID [Na⁺]

14 mM [K⁺] 140 mM

[Cl^–] 10 mM

[A^–] 100 mM

[Na⁺] 142 mM

[K⁺] 4 mM

[Cl^–] 120 mM –

– –

– –

+

+ +

+ +

Plasma membrane

1. Most cells have a difference in voltage across cell membrane such that inside is negative relative to outside

2. Moreover, there are differences in concentrations of Na⁺ and K⁺ across cell membranes…

… because of the Na⁺/K⁺ pump;

see Fig. 7.16

3. Therefore, at rest, the membrane has a low conductance to Na⁺ and K⁺ but a large electrical and

chemical gradient for Na⁺

2. Ayrıca hücre içi ile dışı arasında Na⁺ ve K⁺

konsantrasyon farkı bulunur

Na-K pompasından dolayı

1. Hücrelerin içi dışına göre negatif

3. Bu nedenlerle dinlenim durumunda zarın Na⁺ ve K⁺‘a geçirgenliği düşük,

fakat büyük bir elektriksel ve kimyasal gradyent bulunur Zarı geçemeyen anyonlardan dolayı

Memeli Nöronlarıda İyon Gradyantı:

K

⁺

’a seçici geçirgen olan zardan difüzyon potansiyeli oluşumu için

iki şart vardır:

1. Konsantrasyon farkı olmalı

2. Söz konusu iyona karşı yapay zarın geçirgen olması

Yandaki şekildeki deneyde oluşan difüzyon potansiyeli:= -92.4 mV

Difüzyonun Oluşturduğu Zar Potansiyeli:

Sızntı K⁺ kanalları vasıtasıyla K⁺ (hücre dışı) difüze olur.

K⁺ kaybı plazma membranın iç yüzünü negatif yapar.

Hücre içi ile hücre dışı arasında K⁺ geçişi eşit olduğu zaman İMP meydana gelir

Hücrenin iç yüzeyinin negatif olması K⁺ hücre içine doğru hareketine neden olur

Zar sadece K⁺‘a çok geçirgen olduğunda:



^K+ hücre dışına çıkmasıyla zarın dış yüzü pozitif olur



Dışarıya difüzyona uğrayamayan, negatif anyonlar, zarın iç yüzünü negatif yapar



^{Fakat [K+}] difüzyonu başladıktan 1 ms sonra gelişen bu potansiyel fark, K⁺ konsantrasyon gradyanına rağmen, K⁺‘un daha fazla dışarıya difüzyonunu durduracak düzeye (yaklaşık -94 mV; lifin içi negatif) yükselir.

K⁺ geçirgen olduğu

ilk durumda kuvvetler K⁺ geçirgen olduğu ilk durumda net kuvvet

K⁺ geçirgen olduğunda dengeye ulaşıldığı durumda kuvvetler

-94 mV

Hücre içi _{Hücre içi Hücre içi}

Difüzyonun Oluşturduğu Zar Potansiyeli:

• Zarın dinlenim potansiyeli oluşum nedenleri:

– Bu Na

⁺

, K

⁺

, Cl

^

ve protein anyonların (A

^

) hücre içi ve dışı arasında farklı konsantrasyonda bulunmasından kaynaklanır

– Ayrıca Na

⁺

, K

⁺

, Cl

^

karşı hücre zarının geçirgen olmasından

Dinlenim Zar Potansiyeli:

Gibbs-Donnan Dengesi

Gibbs-Donnan Dengesi

Gibbs-Donnan Dengesi

Nernst Denge Denkleminin özel bir durumudur. Ortamlardan birisinde membranı kesinlikle geçemeyecek bir maddenin bulunması halinde, iki iyon arasındaki dengenin sağlanabilmesi için gerekli iç ve dış konsantrasyonları hesaplamak için kullanılır.

[Cl

^-

]

_dış

= [K

⁺

]

_iç

[K

⁺

]

_dış

[Cl

^-

]

_iç

Gibbs-Donnan Dengesi

Elektriksel potansiyel fark 0 mV

Elektriksel potansiyel fark

(Donnan potansiyeli) 18.4 mV

 Sorusu olan?



A ve B ortamları yarı geçirgen bir zar ile ayrılmış ^yarı

geçirgen zar Na⁺, Cl^- ve suya geçirgen fakat

makromoleküllere (anyonlar, Y) geçirgen değildir.



Denge durumunda verilmeyen B ortamındaki

makromolekül (anyon protein, Y) Cl konsantrasyonu ne olur?

Örnek Problem

Denge durumunda

A ortamı B ortamı

Na⁺=60 mM Cl^-=60 mM

Na⁺=90 mM Cl^-=? mM

Y^-=? mM

Denge durumunda

A ortamı ortamı

Na⁺=60 mM Cl^-=60 mM

Na⁺=90 mM Cl^-=40 mM

Y^-=50 mM

(Na⁺ )_A (Cl^- )_A = (Na⁺ )_B (Cl^- )_B 60 x 60=90 x X

3600= 90X  X= 3600/90= 40

Denge durumunda her iki ortamda da anyonlar (-), katyonlara (+) eşit olacağından:

A ortamında:

Anyon = Katyon 60mM Cl=60mM Na B ortamında:

Anyon = Katyon

40 mM Cl + …mM Y =90mM Na Y= 50 mM olması gerekir.



Küçük iyonları geçiren (Na+, Cl-) ancak iri anyonları geçirmeyen (A-) bir zar iki

kompartımanı ayırıyor. Başlangıçta A

ortamında NaA çözeltisi B ortamında ise NaCl çözeltisi vardır. Sistem dengede iken (Donnan dengesi) A ve B ortamındaki konsantrasyonlar şekildeki gibidir

Örnek Problem

Denge durumunda

A ortamı B ortamı

Na⁺=0.326 mol/l Cl^-= =0.06 mol/l A^-=0.266 mol/l

Na⁺ =0.14 mol/l Cl^-=0.14 mol/l

A^-= 0

Denge durumunda

A ortamı B ortamı

Na⁺=0.326 mol/l Cl^-= =? mol/l

A^-=? mol/l

Na⁺ =? mol/l Cl^-=0.14 mol/l

A^-= 0



^NaB

X

Cl^B

=

Na^A

X

Cl^A



0.14 X 0.14 =0.326 X

Cl

^A



^ClA = 0.06 mol/l



A- = 0.326-0.06 = 0.266 mol/l