ATOMDAN MOLEKÜLE

Farklı hayvan ve bitki türleri kimyasal yapı bakımından birbirlerine karşı büyük benzerlik göstermektedir. Mesela bütün türlerde protein ortak olan 20 aminoasitten meydana gelir. Yine bütün türlerdeki nükleik asitler aynı yapıdaki bir seri nükleotidlerden yani şeker-fosfat omurgasından ve beş çeşit bazdan meydana gelmiştir. Canlı organizmaların kimyasal yapısı yer kabuğu yapısından oldukça farklıdır. Bu yüzden biyolojik moleküllerin birbiri ile olan ilişkileri çalışılmadan önce bazı temel soruların cevaplarının bilinmesi gerekmektedir.

• Yaşayan canlılarda hangi tip moleküller bulunmaktadır ?• Bunların birbirlerine karşı oranı nasıldır ?• Bunlar canlı yapısına nereden ve nasıl girmiştir ?• Canlı yapısındaki bu moleküllerin rolleri nelerdir ?

Doğal olarak meydana gelen 94 elementten ancak 27 tanesi farklı şekillerde ortaya çıkmış ve canlıların yapısında yer almıştır.

Canlı organizmada bulunan elementler genellikle düşük atom numaralıdır. Sadece bunlardan üçünün atom numarası 34 ün üzerindedir. Bundan başka Canlı organizmadaki ve yer kabuğundaki elementlerin dağılımı birbiri ile orantılı değildir. Canlı organizmada en bol olarak bulunan ve hücrenin % 99 unu oluşturan elementler ise hidrojen, oksijen, karbon ve azottur. Bu elementlerden hidrojen, azot ve karbon canlı organizmalarda yer kabuğuna göre daha yüksek oranda bulunmaktadır. Eğer canlı organizmaların bünyesinde bulunan %75 oranındaki su hariç tutulacak olursa canlı organizmada ve yer kabuğunda bulunan element oranlarının birbirinden çok daha farklı olduğu görülecektir.

Hücrelerin ağırlığının % 50-60’ı karbon, % 8-10’u azot, % 25-30’u oksijen ve hemen hemen % 3-4’ü hidrojenden meydana gelir. Buna karşılık yer kabuğunun sadece % 1’den daha azı karbon, hidrojen ve azottan meydana gelir. Diğer taraftan insan vücudunda bulunan 10 elementten 8 tanesi deniz suyunda da bol miktarda bulunmaktadır. Bütün bu verilerden ortaya iki önemli sonuç çıkmaktadır;

1. Canlı organizmalarda C,H,O ve N elementlerinin bol miktarda bulunması onun uzun evrimsel yıllar boyunca hayatsal olaylara adaptasyon için seçtiği bir yoldur.

2. Deniz suyu sıvı bir ortamdır ve yeryüzü tarihinin en erken devrelerinde ilk canlı organizmalar bu kaynaktan meydana gelmiştir.

ATOMUN YAPISI

Evrendeki tüm maddeler elementlerin bir araya gelmesiyle meydana gelmiştir. Elementler basit kimyasal reaksiyonlarla daha küçük parçalara bölünemezler. Bugünkü anlamda elementin ilk tanımını 1627-1691 yılları arasında yaşamış olan Robert BOYLE yapmıştır. Buna göre eğer bir madde daha basit maddelere parçalanamıyorsa ve daha basit maddelerden meydana gelmezse o maddeye element denmektedir. Maddeyi iyi anlamak için onu oluşturan yapıtaşlarının neler olduğunu bilmek gerekir. Evrendeki her madde bugün sayıları 105 olan elementlerin bir veya birkaçının birleşmesiyle meydana gelmiştir. Yalnız bu elementlerden 92 tanesi doğal olarak meydana gelmiştir. Diğerleri ya yapay olarak elde edilmiştir yada doğadaki mevcudiyetleri bitmiştir.

Maddenin en küçük temel kimyasal yapı taşına atom adı verilmektedir.Atomların incelenmesi her ne kadar fizik ve fizikokimyanın konusu olsa da biyokimya açısından da önemlidir. Çünkü bilimleri her zaman keskin sınırlarla ayırmak mümkün değildir. Günümüzdeki bilgilere göre maddenin en küçük parçası atom değildir. Atomlar da daha küçük subatomik parçalara bölünmektedir. Subatomik partiküllerin incelenmesi çekirdek fiziğinin ve nükleer kimyanın alanlarına girer.

Atom başlıca iki kısımdan oluşur. Atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve bunun etrafında yoğunluğu yer yer azalıp çoğalan negatif yüklü bir elektron bulutundan meydana gelmiştir. Atomların çapları ANGSTRÖN (Å) cinsinden verilmektedir. Atomun büyüklüğünün ancak 1/10.000’ini çekirdek oluşturur. Geriye kalan muazzam hacim ise elektron bulutları tarafından doldurulmaktadır.

Çekirdek başlıca proton ve nötrondan meydana gelir. Her bir element için proton sayısı değişebilir. Örneğin klor atomunda 17 proton olmasına rağmen, 18 veya 20 nötron bulunabilir. Böylece atom ağırlığı farklı 2-3 çeşit klor atomu meydana gelmiş olur. Bu atomlara izotop denir. İzotopların kimyasal özellikleri farklıdır. Buna göre bir element proton sayısı aynı olan atom olarak ifade edilebilir. Bir elementin içindeki atom sayısına o elementin atom numarası denir. Bir elementte proton sayısı kadar da elektron sayısı bulunmaktadır . Elektronlar çekirdeğin etrafında yoğunluğu yer yer azalıp çoğalan elektron bulutları halinde bulunurlar. Bu yüzden atom dışarıya karşı nötral bir durum gösterir.

Elektron bulutları çekirdeğin etrafında olağanüstü bir düzene göre saniyede 2.18×108 cm hızla hareket etmektedirler. Bu düzen güneş sistemine benzer fakat güneş sistemi kütle çekimi üzerine kurulduğu halde, atomlar sistemi elektrostatik kuvvetler üzerine kurulmuştur.

Elektronların çekirdek etrafında hızla dönmeleri ile meydana getirdikleri bulutlar farklı enerji seviyelerine sahiptirler. Çünkü farklı enerji düzeyindeki elektronlardan meydana gelmişlerdir. Atomda enerjisi en düşük olan elektron çekirdeğe en yakın, enerjisi en yüksek olan ise çekirdeğe en uzak olandır. Bunların uzaklaşması veya bir başka elektronun daha eklenmesi ile iyonlar meydana gelmektedir. Elektron kaybeden atomdan pozitif yüklü bir iyon, elektron alan bir atomdan da negatif yüklü bir iyon meydana gelir. Bu elektron alışverişi belirli bir düzende olur. Elektron alma ve verme özelliği atomdan atoma değişir.

Atom çekirdeği etrafındaki elektronlar farklı enerji düzeylerinde bulunmaktadır. Atom çekirdeği etrafında elektron enerji seviyeleri K,L,M,N,O ve Q harfleri ile ifade edilir. Atom çekirdeğine en yakın olan K seviyesidir. Bu seviyedeki elektronların seviyeleri en düşüktür.

Atom çekirdeği etrafındaki farklı enerji sevilerindeki elektron sayıları da sabittir. Örneğin K seviyesinde en fazla 2 elektron, L seviyesinde en fazla 8 ve N seviyesinde en fazla 32 elektron bulunabilmektedir. Elektronların her seviyesi kendi aralarında farklı enerji seviyelerine de ayrılmaktadır.

• Enerji seviyesi (veya Yörünge), atom çekirdeğinin etrafında katman katman biçiminde bulunan kısımların her biridir. Bu yörüngelerde elektronlar bulunur.• Yörüngenin numarası; 1, 2, 3, 4, ... gibi sayı değerlerini alabilir. Yörünge numarasına baş kuantum sayısı da denir ve "n" ile gösterilir. Yörünge numarası ile yörüngenin çekirdeğe uzaklığı doğru orantılıdır.• Bir yörüngede kaç elektron bulunduğunu hesaplamak için 2×n2 parametresi kullanılır. n, burada "yörünge numarası" veya baş kuantum sayısı adıyla anılır.

Elektronun atom çekirdeği etrafında % 90 oranında veya en fazla bulunduğu ve takip ettiği yörüngeye orbital adı verilmektedir. Diğer bir tanımla, elektronun bulunma ihtimalinin en fazla olduğu yörüngeye orbital adı verilmektedir. Her biri kuantum sırasıyla ifade edilen çeşitli orbitaller vardır. Orbitaller s,p,d ve f orbitalleri olmak üzere isimlendirilir.

s orbitalinde uzaydaki yük dağılımı küresel simetriktir. Elektronun her noktada bulunma ihtimali aynıdır. s orbitalinde en fazla 2 elektron bulunmaktadır. p orbitalinde elektronların çekirdek etrafında herhangi bir yerde bulunma ihtimali daha fazladır. p orbitali ağız kısımları birbirine dönük bir merkezde birleşmiş ve şişirilmiş iki balon şeklindedir. Elektronların bu şişkinlikte her yerde olma ihtimalleri aynıdır. Bir p orbitali birbirine dik x,y ve z eksenleri üzerinde bulunmak üzere üç alt yapı şeklinde bulunmaktadır. P orbitallerinin her birinde 2 elektron olmak üzere toplam 6 elektron bulunmaktadır.d orbitali ağız kısımları birbirine dönük 4 şişirilmiş balon şeklinde gösterilmektedir. D orbitali 5 alt düzenlemeye sahiptir ve daha karmaşık bir şekle sahiptir. Her alt orbitalde 2 elektron bulunduğundan d orbitalinde toplam 10 elektron bulunmaktadır. f orbitali uzayda farklı yönlere dağılmış 7 alt orbital içerir. Bu orbitalin yük dağılımı çok karışıktır. Her bir alt orbitalinde 2 elektron toplam 14 elektron bulunmaktadır.

KİMYASAL BAĞLAR

İki veya daha fazla iyonu bir arada tutan çekim kuvvetine kimyasal bağ denir. Serbest halde ve birbirinden çok uzakta bulunan iki atomun elektronları yalnızca çekirdeğin çekim kuvveti ve birlikte bulunduğu diğer elektronların itme kuvveti etkisi altındadır. Bu iki atom bir molekül oluşturmak için yan yana geldikleri zaman elektronlar her iki atomun çekirdek ve elektronlarının etkisi altına girerler. Bu karşılıklı etkileşimler sonunda atomlar yeni bir düzenleme ile kararlı yapıya ulaşır. Bu yeniden düzenlenme esnasında kimyasal bağlar oluşur. Genellikle oluşan molekülün enerjisi atomların enerjilerinin toplamından daha küçüktür. Ancak bazı elementlerin atomları belirli ve sınırlı sayıda bağ yaparken, diğer elementlerin atomları farklı fakat aynı oranda düzenli ve sınırlı bağlar yapmaktadır. Kimyasal bağlar genel olarak 4’e ayrılabilir;

İYONİK BAĞLARİyonik bağ pozitif ve negatif iyonlar arasındaki çekim

kuvvetidir. Yani bir atomun değerlik tabakasından bir veya birkaç elektronun, diğer bir atomun değerlik tabakasına geçmesi ile oluşur. Bir iyon bağı oluşmasında bir atomun kaybettiği veya kazandığı elektron sayısına valans (değerlik) denir. Kolayca elektron kaybeden atomlar elektropozitif ve elektron alan atomlar elektronegatif olarak tanımlanır. İyon bağları içeren bileşiklere iyon bileşikleri denir.

• İyonik bağlar• Kolavent Bağlar• Hidrojen Bağları

• Moleküler ya da Van Der Waals Bağları

Örnek olarak lityum ve flor atomlarından lityumflorür bileşiğinin oluşumunu inceleyelim.

Lityum ve flor atomlarının elektron dizilişleri: Li= 1s2 2s1 F= 1s2 2s2 2p5

Etkileştikleri zaman, Li değerlik tabakası olan 2s alt tabakasından bir elektron kaybederek Li+ iyonu haline geçer ve soygaz He ile aynı elektron dizilişine sahip olur. Li tarafından verilen elektronu alan F, Li: (1s22s1) → Li+: (1s2) + e- ve F: (1s2s22p5) + e- → F-: (1s22s22p6) değerlik tabakasındaki elektron sayısını sekize çıkararak F- ve asalgaz Ne ile aynı elektron dizilişine sahip olur. Li+ ve F- iyonları oluştuktan sonra birbirlerini çekerler ve bu çekme nedeniyle iyon bağı oluşur.

1

2

3

İyon bağının iyonik bileşiklere kazandırdığı özellikler

• Kristal katılardır, sert ve kırılganlardır. Çünkü bir darbe ile aynı yüklü iyonlar yan yana gelince itme meydana gelir ve kırılırlar.

• Yüksek kaynama ve erime noktasına sahiptirler. Katı halde elektriği ve ısıyı çok az iletirler.

• Erimiş halde elektriği iyi iletirler. Fakat o zaman elektrokimyasal reaksiyon meydana gelir ve madde bozunur.

• Çoğunlukta suda çözünürler.

İyonik bileşik oluşturma kuralları İki farklı cins atomun iyonik bir bileşik oluşturup oluşturmayacağı

iyonlaşma enerjisi, elektron ilgisi, elektronegatiflik gibi bazı özelliklerine bakılarak anlaşılır.

1- İyonlaşma Enerjisi: Metalin iyonlaşma enerjisi ne kadar düşükse, yani ne kadar düşük bir enerji ile elektron verebiliyorsa o kadar kolay iyon oluşturabilir. Periyodik tabloda soldan sağa doğru gidildikçe katyonun üzerindeki pozitif yük artacağından elektronun atomdan ayrılması güçleşir ve iyonlaşma enerjisi de büyür. Na+, Mg2+, Al3+.....sırasında sodyumun tüm bileşikleri iyonikken magnezyum ve alüminyum kovalent bağlı bileşiklere sahip olabilir.

2- Elektron İlgisi: Ametalin elektron ilgisi çok büyük oldukça iyonik bileşiğin oluşumu da o derece daha kesin olur. Yine periyodik tabloda soldan sağa doğru gidildikçe anyon üzerindeki, negatif yük sayısı azalır ve elektron ilgisi artarak iyonik bileşik yapmaya meyleder. C4-, N3-, 02-, F- sırasına göre flor en yüksek iyonik bileşik yapma şansına sahiptir.3- Kristal Yapıyı Oluşturma Enerjisi: Elektron alışverişi ile anyon ve katyon oluştuktan sonra bu iki iyon birbirini çekerek kristal yapıyı oluşturur. Kristal yapıyı oluşturma esnasında bir enerji açığa çıkar. Açığa çıkan bu enerjiye kristal yapıyı oluşturma enerjisi denir ve bu enerji ne kadar büyükse iyonik bileşik oluşturma şansıda o kadar artar.

4- Elektronegatiflik: Periyodik tablolarda verilen elektronegatiflik değerleri kullanılarak bileşik yapan iki ayrı cins atomun elektronegatiflik değerleri birbirinden çıkarılır. Eğer bu fark üç civarında olursa oluşan bileşik iyonik bir bileşik olur.5- Yük/iyon çapı oranı büyüdükçe katyonların kovalent bağa meyli artar.Be2+ (iyon çapı = 0.35); Ca2+ (iyon çapı = 0.99)2 / 0.35 = 5.7 2 / 0.99= 2 (Kovalent bağ meyilli) (İyonik bağ meyilli)

KOVALENT BAĞLARAynı veya farklı iki ametal atomu arasında bir kimyasal bağ

meydana geldiği zaman bir molekül oluşur. İki atom arasındaki bağa kovalent bağ denir. Kovalent bağlanmada değerlik elektronları ortaklaşa kullanılır. Kovalent bağ değerlik elektronlarının ortaklaşa kullanılması sonucu bir moleküldeki atomları bir arada tutan bağdır. H2, F2, Cl2, O2, P2, S8 kovalent bağlı moleküllerdir. Bir kovalent bağ oluşurken, örneğin F2 molekülünde, her bir flor atomunun 2pz' deki birer elektronu çiftleşerek ortaklaşa kullanılır ve bir kovalent bağ oluşur. Zaten çiftleşmiş elektronlar bağa iştirak etmezler ve aynen kalırlar.

Kovalent bağı oluşturan tek elektronların bulunduğu orbitallerin şekli çizilip girişim yaptırılarak da molekülün oluşumu gösterilebilir.

Hidrojen ile birlikte, 4A, 5A, 6A ve 7A grubu elementleri kovalent bağlı bileşikler oluştururlar.

Aynı iki atom arasında bir elektron çiftinden daha fazla elektron ortaklaşabilir. Buna çoklu kovalent bağ denir. Çift bağda, iki atom arasında iki elektron çifti, üçlü bağda üç elektron çifti bulunur.

Bir bağda negatif yüklü elektron bir atomdan diğerine daha yakın bulunacak olursa bu bağa polar kovalent bağ adı verilir (H2O). H2O’da elektronlar oksijene daha yakındır.

Eğer bir bağda negatif yüklü elektron iki atom tarafından da eşit kuvvetle çekiliyorsa bu bağa polar olmayan kovalent bağ adı verilir.Kovalent bağlarla iyonik bağlar arasındaki esas fark enerjileridir. Kovalent bağlı bir bileşikte elektron çiftleşmesi ile meydana gelecek enerji bir elektronu atomdan ayıracak kadar büyük değildir.

Kovalent bağlı moleküllerin en önemli özelliği moleküllerin yığılma şeklinde olmasıdır. İyonik bağlı maddelerde olduğunun aksine moleküllerin yığılması kovalent bağa nazaran çok daha az zayıf olan moleküller arası çekim kuvvetleri ile sağlanmıştır. Bu moleküller arası çekim kuvvetlerinin şiddetine göre moleküllerin erime ve kaynama noktaları değişir. Kovalent bağlı moleküllerden ibaret olan maddeler iyonik bağlı maddelere göre daha düşük kaynama ve erime noktasına ve ayrıca daha düşük erime ve buharlaşma ısısına sahiptirler. Çünkü bir iyonik bileşiği eritirken çok kuvvetli olan iyonik bağları kırmak için çok yüksek sıcaklığa ısıtmak gerekir. Halbuki moleküllerden ibaret bir katı maddeyi eritmek için iyonik bağa göre çok daha zayıf olan moleküller arası çekim kuvvetini yenmek gerekeceğinden daha düşük bir sıcaklığa ısıtmak kafi gelecektir. Düşük yoğunlukludurlar, gaz sıvı ve katı halde bulunurlar. Katı halde iken kırılgan ve zayıf yumuşak veya mumsudurlar. Elektrik ve ısıyı çok zayıf iletirler. Genellikle organik çözücülerde çözünürler.

HİDROJEN BAĞLARIEğer tek bir hidrojen atomu, oksijen ve azot gibi iki

elektronegatif atom arasında ortaklaşa kullanılırsa hidrojen bağı oluşur. Hidrojen bir oksijen ve bir azot atomuna kovalent bağlanabilir. Fakat, polariteden dolayı elektronlar hidrojen ve azot atomuna hidrojenden daha yakın bulunurlar. Bu suretle elektropozitif hale gelen hidrojen, başka bir elektronegatif atom tarafından çekilir ve hidrojen bağı meydana gelir. Hidrojen bağının enerjisi 4-5 kcal/mol’dür.Polar su molekülleri arasında meydana gelen hidrojen bağları bu tip bağlara en güzel örneği teşkil eder.

Genellikle hidrojen bağlarına sahip bir molekül dipol çekim kuvvetlerine de sahiptir. Bu yüzden diğerlerine göre daha yüksek kaynarlar. Hidrojen bağların etkisi elektronegatif atomun elektronegatifliği arttıkça artar ve böylece daha elektronegatif atoma sahip molekül daha yüksek sıcaklıkta kaynar. Fakat oksijene göre elektronegatifliği daha fazla olan floru bulunduran HF molekülü, oksijen bulunduran H2O molekülünden beklenenin tersine daha düşük kaynar. Aslında kural burada da geçerlidir, ama HF molekülü Şekilde görüldüğü gibi doğrusal hidrojen bağları yaparken H2O molekülü ağ yapılı hidrojen bağı yapar. Suyun daha yüksek kaynamasının sebebi bu ağ yapılı hidrojen bağlarını kırmak doğrusal hidrojen bağlarını kırmaya göre daha yüksek enerjiye ihtiyaç göstermesindendir.

VAN DER WAALS BAĞLARIDevamlı dipol olma özelliği taşımayan apolar moleküller arasındaki etkileşmeler de göz önüne alınmalıdır. Çünkü O2, N2, F2 gibi bütün apolar moleküller ve hatta tek atomlu asal gazlar dahi sıkıştırılabilir. Bu maddelerin kaynama noktaları çok düşüktür ve moleküller arası etkileşmeler dipol etkileşmelerinden daha zayıftır. Bu zayıf kuvvetlerin, 1873' de J.Van Der WAALS tarafından gaz molekülleri arasında olduğu ortaya konulmuş ve kuvvetlerin oluşması için 1930' de F.LONDON tarafından bir açıklama verilmiştir. London kuvvetlerinin bir atom veya molekülde elektronların serbest hareketleri sonucu ortaya çıktığı düşünülür. Atom içinde elektron yoğunluğu, ortalama olarak küresel simetrik olduğu halde, herhangi bir anda atomda yük dağılımı değişebilir. Atomun bir tarafında, diğer tarafından daha fazla oluşu sonucu komşu atomdaki yük dağılımı da değiştirir. Böylece geçici dipoller oluşur ve dipoller kaybolmadan yeni dipoller oluştururlar.

Dipoller arasındaki çekme güçlü olmakla beraber oluşma süreleri kısa olduğundan London Kuvvetleri moleküller arası en zayıf etkileşmelerdir. Apolar moleküller arası çekme kuvvetleri, London kuvvetleridir ve polar moleküller arasından da diğer kuvvetlere ek olarak da bulunurlar.

Bazı moleküllerin çekme kuvvetlerine ait enerji değerleri;

London çekim kuvvetleri molekül ağırlıkları arttıkça artar. Asal gazlarda molekül ağırlıkları arttıkça kaynama noktalarının yükseldiğini tipik bir örnek olarak verilebilir.

Ne (20,2 g/mol) k.n. -246 oC Kr (83,8 g/mol) k.n. -152 oC

Biymoleküllerin Pek Çoğu Karbon Bileşiğidir

Organizmaların kimyasal yapılarında karbon elementi çok önemli bir yer kaplar ve kuru ağırlıklarının yaklaşık yarısından fazlasını teşkil eder. Karbon atomu H,O ve N gibi kovalent bağ yapma kapasitesine sahiptir. Hidrojen atomu dış elektron tabakasını doldurmak için 1, oksijen 2, azot 3 ve karbon 4 elektrona gereksinin duyar. Böylece karbon 4 hidrojen atomunun elektronlarını kullanarak metan (CH4) bileşiğini meydana getirir. Ortaklaşa kullanılan her elektron için bir kovalent bağ oluşturduğundan karbon hidrojen ile 4 kovalent bağ yapabilir. Karbon aynı zamanda oksijen ve azot ile de tek ve çift bağ yapabilir.

Biyolojide en önemli olaylardan biriside karbon atomlarının elektronlarını kendi aralarında ortaklaşa kullanmaları ve gayet dayanıklı olan karbon - karbon tek bağını yapmasıdır. Her bir karbon atomunun en önemli özelliklerinden biriside diğer 1, 2, 3 ve 4 karbonla ayrı ayrı tek bağ yapmasıdır. Bundan başka iki karbon atomu aralarında iki elektronu ortaklaşa kullanarak karbon – karbon arasında çift bağ yapmaktadır. Karbon atomunun bu bağlanma özelliği çok önemlidir. Çünkü bu sayede çok çeşitli yapıda biyolojik molekül elde edilmektedir. Bunlarla düz zincirli, dallı zincirli, dairesel yapıyı, kafese benzer yapıyı ve bunlardan bir veya birkaçının kombinasyonu olan organik moleküler yapılarını elde edebiliriz.

Kovalent bağlarla bağlanmış karbon zinciri ihtiva eden moleküllere organik moleküller adı verilmektedir. Biyomoleküllerin pek çoğu karbonun organik bileşikleridir. Karbon atomunun diğer atomlarla çeşitli şekilde bağlanışı sınırsız sayıda organik molekülün meydana gelmesine olanak sağlamış, bu ise organizmaya evrimsel gelişme esmasında pek çok organik molekül içinden kendisine uygun olanını seçme imkanı vermiştir.

Organik Moleküllerin Fonksiyonel Grupları Onların Özelliğini Belirtmektedir

Hemen hemen bütün biyomoleküller karbon ve hidrojenden meydana gelmiş olan hidrokarbonların türevi olarak kabul edilmektedir. Hidrokarbonlarda ana omurga karbon iskeletinden meydana gelmiş ve karbonlar birbirine kovalent bağlanmıştır. Karbonun diğer bağlarına ise hidrojenler bağlanmıştır. Bu tip hidrokarbonlarda karbon iskeleti gayet dayanıklıdır. Çünkü karbon – karbon arasındaki tek ve çift bağlar oldukça dayanıklıdır. Bu bağlardaki elektronlar her iki karbon tarafından da eşit şekilde çekilmektedir. Hidrokarbonlardaki bir veya daha fazla hidrojen atomunun yerine farklı türdeki fonksiyonel grupların girmesi ile çeşitli organik bileşikler meydana gelmektedir.

Organik biyomoleküllerin fonksiyonel grupları doymuş hidrokarbon ana omurgasından kimyasal bakımdan daha reaktidtir. Pek çok kimyasal ayıraç kolay kolay hidrokarbonlara etki etmez. Fonksiyonel gruplar komşu atomların elektron dağılımını ve geometrisini etkilemekte ve böylece organik molekülün tamamının kimyasal aktivitesini etkilemiş olmaktadır. Bir organik molekül üzerinde bulunan fonksiyonel gruplardan o organik molekülün kimyasal bakımdan nasıl davranacağını ve ne tip bir reaksiyona gireceğini tahmin etmek mümkündür. Hücrelerde katalizör rolü oynayan enzimler, biyolojik moleküllerdeki spesifik fonksiyonel grupları tanımakta ve katalizledikleri reaksiyonlarla bu moleküllerin yapısında karakteristik değişikliklere neden olmaktadır.

Biyolojik moleküllerin pek çoğu polifonksiyoneldir. Böyle bir molekülde herbir fonksiyonel grup belli bir kimyasal karakter gösterip belli tip reaksiyonlara katılır. Örneğin; aminoasitler proteinlerin yapı taşıdır ve amino ve hidroksil olmak üzere iki fonksiyonel grup içerir. Yine glukoza baktığımızda hidroksil ve aldehid grupları içerir.

Diğer fonksiyonel gruplar

Canlıların kimyasal orijini konusunda devamlı olarak ileri sürülen parlak görüşlerden bazıları yapılan araştırmalarla kuvvetli bir şekilde desteklenmiştir. Canlılığın oluşumu konusu geçmiş birkaç yıldır önemli derecede gelişme göstermiştir. C.C. PRICE tarafından ileri sürülen ve hayatın milyarlarca yıl süren kimyasal evrim ve biyolojik evrim sonucu ortaya çıktığı görüşü oldukça ilginç bulunmuş olup aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Fakat bu evrimsel değişmenin iki ana basamak altında toplandığı kabul edilmektedir. Bu ana basamaklardan birincisi kimyasal evrim olup atomların ve basit moleküllerin ortaya çıktığı dönemdir. Kimyasal evrimin 1.000.000.000 yıl içinde ortaya çıktığı kabul edilmektedir. Bazılarına göre kimyasal evrimin 15-20 milyar yıl ve hatta 70 milyar yıl içinde gerçekleştiği bile ileri sürülmektedir. İkinci ana basamak ise biyolojik evrimdir. Biyolojik evrimin 3-4 milyar yıl içinde gerçekleştiği kabul edilmektedir.

Madem ki yaşayan organizmaların bütün türlerinde bulunan makromoleküller evrensel olarak birkaç düzine yapıtaşı olan moleküllerden meydana gelmiş o halde bütün canlılar ilkel bir hücreden meydana gelmiştir. Dünya yüzeyinde meydana gelen hücre büyük bir olasılıkla başlangıçta çok basit bir hücre olup birkaç düzine farklı organik molekülden meydana gelmiştir. Bu organik moleküller, fiziksel ve kimyasal koşullar altında öyle düzenli ve uygun bir şekilde bir araya gelmişlerdir ki temel enerji değişimlerini yapabiliyor ve kendi kendinin bir benzerini (replikasyon) meydana getirebiliyordu. İlkel biyomoleküller milyarlarca yıl süren uzun evrimsel süreç boyunca yaşamı sürdürmeye uygunluklarından dolayı devamlı korunmuşlardır.

Organizmada bulunan organik bileşikler ve temel biyomoleküller bügünkü yer kabuğunda eser miktarda meydana gelmektedir. O halde ilk organizmalar kendilerinin sahip oldukları karakteristik yapı taşlarını nasıl elde etmişlerdir. A.I. OPARIN adlı araştırıcı 1920 yıllarında ileri sürdüğü bir hipotez ile yeryüzünün erken tarihi dönemlerinde yeryüzünü kaplayan su içinde organik moleküllerin oldukça yüksek konsantrasyonda bulunduğunu iddia etmiştir. Organik moleküllerden meydana gelmiş bu sıcak karışımdan her nasılsa ilk pirimitif hücre bundan 3 milyar yıl önce meydana gelmiştir. Oparin, aynı zmanda ilkel dünyada bulunan doğal kimyasal kimyasal ve fiziksel olaylar ile amino asit ve şeker gibi ilk organik moleküllerin kendiliğinden meydana geldiğini iddia etmiştir. Araştırıcı bu gibi organik moleküllerin o günkü ilkel yeryüzü atmosferinden ve doğal olarak meydana geldiği görüşünü ileri sürmüştür.

Çünkü o günkü atmosferin bugünkünden çok farklı olduğu da kabul edilmektedir. Bu teoriye göre o zamanki yeryüzünde meydana gelen sürekli volkanik faaliyetler ile ısı meydana getirilmekte ve bu nedenle metan, amonyak ve su buharının meydana gelişi hızlandırılmaktadır. Aynı zamanda devamlı şimşeklerin çakması ile bu moleküllerin birbirleri ile reaksiyona girmesi sonucu basit organik moleküller kendiliğinden meydana gelmektedir. İlkel denizde bu bileşiklerin pek çok defalar kondense olup tekrar çözülmeleri uzun yıllar boyu sürdüğünden basit organik bileşikler günden güne zenginleşmiştir. Bu sıcak denizde bulunan bazı organik moleküller, büyük topluluklar meydana getirmeye ve kompleks yapılar oluşturmaya diğerlerine nazaran daha büyük bir eğilim göstermişlerdir. Bu olaylar gayet yavaş olarak basamak basamak milyonlarca yıl devam etmiş ve sonunda kendi kendine ASSEMBLE olan bir membranla, proteinler, nükleik asitler ve enzimler bir araya gelerek ilk yaşayan primitif hücre meydana gelmiştir.

Kimyasal Evrim Deneysel Olarakta Meydana Getirilebilir

Oparin’in bu fikri 1953 yılında Stanley Miller’ın yapmış olduğu deney ile desteklenmiştir. Araştırıcı; metan, amonyak, su buharı ve hidrojen gazını kapalı bir cam kap içinde haftalar boyu elektrik kıvılcımına tabii tutmuştur. Daha sonra bu karışımı su sirkülasyonu ile soğutarak kondense etmiş ve meydana gelen ürünün suda çözünen komponentlerini analize tabii tutmuştur.

MILLER deney sisteminin gaz fazı içinde CO, CO2 ve N, koyu renki yoğunlaşmış madde içinde ise önemli derecede suda çözünen organik madde bulmuştur. MILLER, bu karışımda bugün proteinlerin yapısında yer alan bazı α-amino asitleri bulmuştur. Aynı çözeltide bazı organik asitleri ve bu arada organizmalarda bulunan asetik asiti bulmuştur.

MILLER, metan ve amonyaktan önce gayet reaktif bir bileşik olan hidrojen siyanürün (HCN) meydana geldiği daha sonra bu bileşiğin gaz karışımındaki diğer komponentlerle reaksiyona girerek amino asitleri meydana getirdiğini ileri sürmüştür. Diğer araştırmacılar da N,H, CO ve CO2 gaz karışımına belirli bir enerji uyguladıklarında yine amino asitlerin ve diğer organik biyomoleküllerin meydana geldiğini görmüşlerdir. Pek çok enerji çeşitlerinden radyasyon enerjisi, ısı enerjisi, görünen ışık, UV ışık, x-ışınları, γ-radyasyonu, durgun elektrik ve elektrik kıvılcımı boşalmaları,ultrasonik dalgalar,şok dalgaları, α ve β partikülleri gibi çeşitli enerji şekilleri uygulandığı zaman yine basit organik moleküllerin meydana geldiği görülmüştür.

Dünyanın ilk meydana geldiği koşullar yaratıldığında hücre içinde bulunan önemli bazı moleküller meydana geldiği gibi hücre içinde bulunmayan yüzlerce farklı molekülün meydana geldiğinde görülmüştür. Bu moleküller arasında bugün protein yapısında bulunan amino asitlere, nükleik asitlerin yapı taşı olan azotlu bazlara, biyolojik olarak meydana gelen pek çok organik asite ve şekere rastlanmaktadır. Böylece meydana gelen organik moleküllerin primitif denizde çözülmesi ile bu denizin bugün hücre içinde bulunan ve temel yapıtaşı olan moleküller bakımından zenginleşmesi gayet olasıdır.

Basit organik moleküllerin biyolojik olmayan bir yolla anorganik moleküllerden meydana geldiği görüşü, yıldızlararası boşlukta yüzlerce değişik organik molekülün bulunduğunun spektroskopik metod ile tespit edilmesiyle desteklenmiştir. Bu tip gözlemler hayatın evrenin başka bir bölgesinde meydana geldiği görüşünü kuvvetlendirmiştir. Enerjinin mevcut olması halinde, anorganik öncüllerden orijin alarak organik moleküllerin meydana gelmesi olayına kimyasal evrim denir. Yer kürenin bundan yaklaşık olarak 4.8 milyar yıl önce meydana geldiği kabul edilmektedir. Kimyasal evrimin yer küre oluştuktan sonra 1 milyar yıl içinde gerçekleştiğine inanılmaktadır. Daha sonraları ilk hücrenin bundan 3.5 milyar yıl önce meydana geldiği kabul edilmektedir. O günden sonra bugün de hala devam eden biyolojik evrim başlamıştır.

Bugünün okyanuslarında yüksek konsantrasyonda organik moleküller bulunmaz. Gerçekten de organizmaların dışında biyolojik moleküllere ancak eser miktarda rastlanmaktadır. O halde organik madde bakımından zengin denizlere ne olmuştur. İlk meydana gelen hücreler, organik madde bakımından zengin bu denizlerdeki organik maddeleri hem yapılarını oluşturmak için yapıtaşları olarak kullanmışlardır hem de kendilerinin büyümesi ve gelişmesi için enerji kaynağı olarak kullanmışlardır. Böylece primitif denizde bulunan organik moleküller ilk oluşan canlılar tarafından doğal olarak yavaş yavaş tüketilmiştir.

Organik moleküllerin primitif denizden yavaş yavaş kaybolması döneminde organizmalar organik biyomolekülleri nasıl sentez edeceklerini öğrenmeye başlamışlardır. Organizmalar karbondioksit ve güneş enerjisini kullanarak bir organik molekül olan şekeri sentez etmişlerdir. Ayrıca atmosferin azotunu fikse ederek çeşitli azotlu biyomolekülleri ve bu arada amino asitleri sentez etmeyi öğrenmişlerdir. Evrimin daha fazla ilerlemesi ile ortaya çıkan farklı tipteki organizmaların birbiri ile karşılıklı ilişkileri, besin ve enerji alışverişleri ile daha kompleks ekolojik sistemler ortaya çıkmıştır.

İlk organik molekül Güney Afrika’da tortul kayalar arasındaki incir ağacı parçacıklarından elde edilmiştir. Bu organik maddeler hidrokarbonlar, izoprenoid tabiatındaki yapılar, porfirin, pürin ve pirimidinler olarak izole edilmiştir. İzotop tarihlemesi tekniği ile bu kayaların yaşı 3.1 milyar yıl olarak tespit edilmiştir. Son araştırmalar; tortul kayalar içinde bulunan incir ağacı izoprenoidlerinin bugünkü hücre prenoidleri ile ilişkili olduğunu göstermiştir. Eğer bu prenoidler biyolojik orjinli ise hayat bundan 3.1 milyar yıl önce başlamış demektir.

örnek

Bir başka örnekte dinozor kemiği fosillerinin ve bir midye çeşidi olan tarak-midye kabuklarının incelenmesi ile bu kemik ve kabuklarda bulunan çeşitli amino asitlerin 150-300 milyon yıl önce ortaya çıktığı ispatlanmıştır. Diğer bir örnekte bugün canlı organizmaların bünyesinde yer alan 20 amino asit, pre kambriyen tortul kayalarından alınan örneklerden izole edilmiştir. Bu tortul kayaların yaşı ise en az 3.1 milyar yıl olarak hesap edilmiştir. Bugünkü yapılan tespitlerde dünyada hayatın 3.1 milyar yıl önce başladığını göstermektedir.

örnek

Genellikle ilk hücrenin anaerobik ve heterotrof olduğuna inanılmaktadır. Bu ilk hücreler denizdeki hem yapıtaşı hem de enerji kaynağı olarak kullanmışlardır. Hücrelerin denizdeki organik bileşikleri kullanarak çoğalması ile denizdeki bu organik bileşikler azalmaya başlamış ve ancak karbon kaynağı olarak C02 kullanan ve güneş ışığını enerji kaynağı olarak kullanan fotosentetik hücreler hayatta kalabilmiştir. Böylece fotosentez yapan organizmaların bir hayli geç olarak ortaya çıktığı kabul edilmektedir. Bu hücrelerin H donörü olarak su yerine günümüzdeki mor sülfür bakterileri gibi hidrojen sülfürü kullandıkları zannedilmektedir.

İlk oksijen üreten fotosentetik hücreler mavi-yeşil algler olup incir ağacının bulunduğu tortul kaya fosilleri içinde bulunmuştur. Yaşı ise daha önce ifade edildiği gibi 3.1 milyar yıl olarak saptanmıştır. Mavi yeşil algler ortaya çıkıncaya kadar atmosferde oksijen ya çok azdı yada hiç yoktu. Oksijen kullanan ilk aerobik heterotrof canlılar ise bu tarihten çok sonra ortaya çıkmıştır. Atmosferin oksijen miktarı yaklaşık olarak 600 milyon veya 1 milyar yıl önce ancak %1’e yükselmiştir. Fotosentez ile atmosfer oksijeninin seviyesinin yükselişi çok yavaş olmuştur. Bundan 400 milyon yıl önce ancak %10 seviyelerine çıktığı kabul edilmektedir.

Oksijenin atmosferde görülmesinden sonra aerobik omurgalıların ve iletim sistemi olan yüksek bitkilerin ortaya çıkması için 1 milyar yıl gerekmektedir. İnsanın yani Homo sapiens’in ortaya çıkması ise yalnızca 2 milyon yıl önce olmuştur. Bu zaman aralığı, dünya yaşı ile karşılaştırıldığında 24 saatlik bir günün ancak son 30 saniyesini teşkil etmektedir.