Kuantum Fiziği ve Tıp

KUANTUM FİZİĞİ ve TIP

Kuantum fiziği atom ve atom altı parçacıkları inceleyen , onların davranışlarını çözümleyen , ihtimal tabanlı bilgi sağlayan, klasik mekanikten yani gördüğümüz makro dünya fiziğinden (Newton fiziği) farklı ve oldukça yeni olan fizik disiplinidir. Klasik mekanikten farklı olmasının sebebi makro dünya ile mikro dünya elemanlarının farklı davranmasıdır. Yani klasik mekanik kuralları atom aleminde geçersiz olduğu kısımlar vardır. Bu durum mikro alemin karakteristik niteliklerinin olduğu anlamına gelir.

Kuantum aleminde parçacıklar çift karakterli olabilirler. Dalga ve parçacık özelliklerini gösterebilirler. Young çift yarık deneyinde çift yarıklı bir fiziksel engele fırlatılan elektronlar gözlemlenmeyince bir dalga gibi davranıp çok şeritli bir görsel oluşturuyor. Gözlemlendiğinde ise yani ölçüm yapıldığında ise elektrona eşlik eden teorik bir dalga çöküyor.Buna dalga fonksiyonunu çökmesi anlamına geliyor. Dolayısıyla bir parçacık gibi davranıp 2 şeritli bir görsel oluşturuyor.Dolayısıyla elektron gibi kuantuma dahil edilebilecek parçacıklar ( proton, foton , kuark…) madde ve dalga olarak çift karakter gösterebilir.

Süperpozisyon: Aynı anda var ve geçerli olan ihtimal durumuna denir. Bir olasılık işlevi olan dalga fonksiyonunun ölçüm sonucu çökmesiyle aynı anda var olan ihtimallerden birinin seçilmesi ile devam eder.

Kuantum tünelleme: Kuntum tünelleme etkisi E enerjili gönderilen bir dalganın V potansiyel enerjisine sahip bir engeli V>E şartında geçebilmesidir. Bu olay klasik fiziği göre imkansızdır. Ancak dalga ve olasılık temelli kuntum fiziğine göre bu mümkün.

Kuantum tünelleme olayı matematiksel fotosu

Kuantum dolanıklık : Birbirinden uzakta olan aynı kuantum durumunda iki parçacığın bağlantılı olmasıdır.Herhangi bir parçacığı gözlemlediğinizde gözlemlemediğiniz parçacığı da etkilersiniz.Ölçüm sonuçları birbirne bağlı denebilir.( ölçtüğünüzde spin +1/2 ise ölçmediğiniz parçacık için -1/2 spin diyebilirsiniz)

Makro dünya zaten kuantum fiziği elemanlarınca oluşmaktadır yani atomlardan.Dolayısıyla bazı canlıbilimsel dizgelerde kuantum durumlarına karşılaşmak mümkün olmaktadır.

İnsan için bilinen dizgeler şunlardır:

1-Enzim

2-Hücresel Solunum

3-Koku Alma

4-Mutasyon

5-İyon Kanalları-Bilinç

Enzim:

Biyokimyasal reaksiyonların başlanması için gereken enerjiyi(aktivasyon enerjisi) düşüren biyolojik katalizörlerdir.

Enzimlerin muhatabı olan yani etki ettikleri yapılara substrat denir ve aralarında anahtar-kilit uyumu(anahtar kilit uyumunda mükemmel bir geometrik uyumun varlığı kabul edilir ancak böyle bir durum yoktur. İndüklenmiş uyum modeli ise geometrik uyumun olduğu ancak enzim-substrat bağlantısı kurulurken de yüzey şekillerini birbirine daha da uyumlu olması için az da olsa değiştiğini söyler.) yani yüzey uyumu , birbirlerine özgüllük bulunur. Enzimler biyolojik katalizör olmaları nedeniyle bulunduğu canlı topluluğunun “fizyolojik normali” nde en hızlı çalışma gösterirler. Örneğin insanda en uygun koşullar 35-40 derece diyebiliriz.

Enzimler aktivasyon enerjisini nasıl düşürürler?

Reaksiyon girdileri reaksiyon sürecinde çarpışırlar. Uygun bir geometride moleküler çarpışma olursa ve aktivasyon enerjisini geçecek ısısal enerjiye sahip olunursa reaksiyon gerçekleşir.

Enzimler ise reaksiyona giren maddelerle aktif bölgede ara bağlar yaparak ( bu bağlar elektron hareketleri ile de olmaktadır) bağ oluşumundan doğan enerji salınımıyla aktivasyon enerjisi düşürülür.

Ürünler oluşmadan önce kararsız dengede duran bir geçiş hali oluşur. Bu yapıya aktifleşmiş kompleks denir. Bu yapı neredeyse kararsız olduğundan ürünleri de oluşturabilir ya da önceki hale yani girenler haline geri dönebilir . Enzimler birçok kataliz reaksiyonu gerçekleştirebilirler.(asit-baz katalizi,geçiş haline bağlanma katalizi,kovalent kataliz,metal-iyon katalizi, elektrostatik kataliz,yapısal esneklik,ürünlerin yakınlığı ve yönlendirilmesi) Bu kataliz olayları ile tepkime hızlanır. Geçiş halinin birtakım elektron oyunları ile kararlı hale getirilmesi en mühimidir ki bu kararlılığı sağlamanın en iyi yolu elektrostatik katalizdir.

Buradaki kuantum fiziği ise beklenenden çok daha fazla hız elde edilmesi.Bu hız difüzyon limitinin aşılması veya klasik ΔG(Arrhenius) tarafından tahmin edilenden daha hızlı olan kinetikle çalışması şeklinde olabilir. Bir proton veya bir elektron aktivasyon bariyerlerinden tünel yapabilir. Yani aslında gerekli enerjiye sahip olmasa da enerji duvarını aşabilecek hamle yapabilir.Bağlanan substratın bağları enerji ile yıkılabilir ancak bağ yapıcı tünelleme ile kaçıp bağın kırılmasına sebep olur.

Enzim ve substratın birbirlerine teması sonrası kesinlikle sonuç alınacağı teorik durum kabul edilirse bu hız limiti (özgüllük sabiti denir ve Kkat/Km ile bulunur. Enzim kinetiği)10^8 10^9 1/Molar.saniyedir. Başka modellerde 10^10 ‘a kadar çıkarılmıştır.Bu verimlilikteki enzimlere mükemmel enzim denir.Bu hız limiti difüzyonla sınırlandırılmıştır.Difüzyon kontrollü reaksiyonlarda teorik üst sınır bulunmasında difüzyon yasaları kullanılır.

Difüzyon anlatımı resimleri

Ancak bazı enzimler bu hızın daha da üzerine çıkabilmektedir. Bu durumun açıklanmasında kuantum tünelleme etkisinin varlığı düşünülür.

????

Ayrıca enzim aktivitesinin , enzim aktif bölgesinden uzaktaki aminoasitin değişikliğiyle etkilenmesidir. Yani kuantum dolanıklık. Enzimlerdeki kuantum tünellemeye triptamin oksidasyonu , kollajenaz , soya lipoksijenazı ve aromatik amin dehidrojenazı örnek verilebilir.

Hücresel Solunum:

1-Glikoliz : Sitoplazmada oksijene ihtiyaç duyulmayan canlıların ortak enerji üretim tekniğidir. ( canlılarda ortak enzimler kullanılır dolayısıyla ortak genleri varlığı sözkonusudur.) Glikolizde hücre içindeki glikozun besinin prüvata yıkımı vardır.

2-Krebs: Prüvatın asetil Co a ya molekül başına karbondioksit vererek 3C lu yapıdan 2C lu yapıya dönüşümüyle başlayan krebs döngüsüdür.Krebs prokaryotlarda sitoplazmada gerçekleşir.

3-ETS: Bizim konumuz açısından mühim olan yerdir. Son aşama ETS( elektron taşıma sistemi) ‘dir. ( prokaryotlarda mezozomlarda gerçekleşir.) ETS ATP üretiminin en fazla olduğu yerdir ve oksijen kullanılan yerdir.

ETS elemanları 4 karmaşık yapıdan oluşur. Bunlar

1-NADH dehidrojenaz

2-süksinat dehidrojenaz

1 ve 2 a- ubikinon

3-sitokrom bc1

3a- sitokrom c

4- sitokrom oksidaz

ETS elemanları elektronegatiflik sıralamasına göre sıralanır. Son elektron alıcısı oksijendir.

Karmaşık yapılar birbirlerine elektron iletir ve bu iletim genelde 3 yolla gerçekleşir

1. Elektronun doğrudan taşınımı fe cu ubikinon
2. Hidrojen atomu olarak transfer H^+e^- FADH2
3. Hidrid iyonu olarak taşınım H^- NADH+H

NADH dehidrojenaz:

Krebs döngüsünde oluşan NADH+H^+ ların elektron verdiği yapıdır.Elektronlar verildiğinde proton (H^+) ve NAD oluşur ve matrikse bırakılır. Oluşan NAD tekrar krebste kullanılır. NADH dehidrojenaz elektronları ubikinona aktarır. Elektronegatiflik sıralaması sebebiyle elektronun enerjisi her aktarımda kademeli olarak düşürülür.Bu oluşan enerji farkı matriksten zarlar arası bölgeye proton pompalanmasında kullanılır.

( proton pompası H ⁺_{[biyolojik bir zarın yanında]} + enerji ⇌ H ⁺_{[Membranın diğer tarafında]} işlevi karmaşık yapı 1-3 ve 4 te bulunur ) NADH dehidrojenazda 4 proton zarlar arası kısma gönderilir.

Süksinat dehidrojenaz

Krebste suksinattan fumarata dönüşüm olurken FAD lar FADH2 ye dönüşür. FADH2 ler NADH+H^+lar gibi elektronları verir ancak FADH2 ler elektronlarını süksinat dehidrojenaza verir. Proton pompası görevi yoktur. Süksinat dehidrojenaz elektronları ubikinona verir.

Ubikinon(UQ-UQH2)

Hepsi protein yapılıdır ancak ubikinon lipit yapılıdır. İç zar içinde hareket edebilir ve elektron taşır. Karmaşık yapı 1 ve 2’den elektron alınca UQH2 ye dönüşür ve karmaşık yapı 3 e difüze olarak elektronları taşır.

Sitokrom bc1

3 numaralı karmaşık yapının içindeki elektron yolundaki sırasıyla olan temel alt yapılar sitokrom b ve sitokrom c1’dir ve adı buradan gelir. Elektronları ubikinondan alır. Proton pompası 4H^+ yı zarlar arası bölgeye aktarır.

Sitokrom c

Karmaşık enzimlerin yapılarına dahil olmayan hareketli proteindir. Elektronu karmaşık yapı 3 ten alır ve 4 e taşır.

Sitokrom oksidaz

Buraya gelen elektronlar zarlar arası alana gönderilir ve oradaki oksijenler tarafından tutulur. Zarlar arasındaki protonlar da (H^+) elektronlu oksijene gelir yapışır ve su oluşturur. 2H^+ zarlar arasına yollar.

NOT: Sitokromlar a b ve c olarak ışık absorpsiyon özelliklerine göre sınıflandırılır ve isimlendirilir.

Bu döngü tamamlandıktan sonra zarlar arası alanda oluşan proton yoğunluğu az yoğun tarafa doğru akmak isteyecek ve kullandığı yol ATP sentazdır. Böylece ATP sentaz anlamlı düzeyde ( net ATP üretilenin %87.5 i kadarını ) ATP üretmiş olur.

Elektronların iletiminde kullanılan enzimler sıcaklığın düşmesiyle etkinliği yavaşlar. Solunum enzimleriyle dolu bakteri hücreleriyle deney tasarlandı. Sıcaklığı -173 selsiyusa düşürünce elektron taşınım hızı 25 selsiyustaki değerinin 1000 de 1 ne düştü. Bu durum normal karşılanacak bir durumdu. Ancak sıcaklık daha da düşürülünce elektron iletim hızı bir platoya ulaştı ve -238e kadar düşürüldüğü halde bir yavaşlama olmadı. Yani sıcaklık düştükçe düşmesi gereken hızı düşürmeyen başka bir elektron ileti sistemi vardır.Tünelleme sıcaklık gibi entropik etkenlerle zıt çalışıp sıcaklık düştükçe ya da en genel anlamda karmaşa düştükçe gerçekleşme ihtimali artar. Dolayısıyla elektron iletiminde görevli bir sistem de kuantum tünelleme olabilir . 15-30 Å mertebesinde uzun menzilli elektron tünellemesinin hücresel solunum enzimlerindeki redoks reaksiyonlarında rol oynar. Sitokrom c oksidaz enzimi içindeki redoks merkezleri arasındaki mesafe yaklaşık olarak 4 Ångström (4 x 10^-10 metre) civarındadır.

KOKU ALMA(olfaksiyon) : Burun(nasus) boşluğu 3 bölgeden oluşur.

1- burun giriş boşluğu (Vestibulum nasi) (Vestibule: kanalın ya da boşluğun başlangıcındaki genişlik )

2-Solunum bölgesi ( Regio respiratoria)

3-Koklama bölgesi ( Regio olfactoria)

1: Burun giriş boşluğunda burun kılları ve yağ bezleri bulunur. Hava temizlenir.

2: Solunum bölgesi burun giriş boşluğunun arkasındaki alanda koklama bölgesi dışında kalan bölgedir. Damar ağı içerir ve prizmatik epitelle örtülüdür. Solunan hava esas olarak bu bölgede bulunan kanallardan ısınarak nemlendirilerek ve temizlenerek geçer. Nazal mukazanın alt 2/3 lük kısmıdır.

3-Koklama bölgesi kafa tabanına yakın bölgede bulunur. Koku alma işlemi burada gerçekleşir. Nazal mukozanın kafa tabanına yakın kısmındaki 1/3 lük alandır. Yaklaşık 5 cm^2 dir. Beyinle olan ayrım etimoidal kemiğin kribriform plakasıyla olur. Kribriform plaka üstünde koku soğancığı(olfactor bulb) bulunur. Koku soğancığında ise temel olarak glomerulus ve mitral hücreler bulunur. Kribriform plakanın altında yani havayla temas edebilecek kısmında ise olfaktör epitel bulunur.

Glomerulus: Nöronların aksonları kribriform plakadaki boşluklarla beyne doğru gider. Koku soğancığında kokulara özgülleşmiş reseptörlerin iletimini aktardığı özgül sinyal iletim noktasıdır. Aynı kokuları algılayan reseptörler sinyalleri aynı glomerulusa iletir.Bu toparlama ile beyne daha düzenli bir iletim yapılabilir. Yaklaşık 26000 akson 1 glomerulusta toplanır.

Mitral Hücreler: Glomerulusla bağlantı yapar. Gelen iletiyi aksonlarla beyinde bulunan koku iletim merkezlerine gönderir. Beyindeki olfaktör kortekste sonlanırlar. Olfaktör korteks direkt limbik sistemin parçasıdır.

Limbik sistem hayvani duyuların olduğu yerdir.Koku duyusu insan evrimsel süreç başlangıcındaki canlının ayağa kalkmasıyla yerde olan burnun irtifa kazanmasıyla zayıflamıştır. Koku öylesine zayıflamıştır ki jacobson organı yitirilmiş ve koku farkının algılanması için koku yoğunluğundaki değişikliğin miktarı yüzde 30 a kadar ilerlemiştir. Işık farkı için yüzde 1 lik fark yeterlidir halbuki.Böylece diğer duyu sistemleri talamustan geçecek şekilde talamusla beraber gelişmiştir. Kokunun talamusa uğramayıp direkt olarak limbik sisteme filtrelenmeden iletimi gerçeklişir. Hayvanlarda olan feromonla olan iletişim insanlarda direkt etkisini yitirmiştir ancak etkisi sıfır değildir. İnsanlar feromonlarla eş adayının özellikle bağışıklık genlerinin bilgisini bilindışında algılayıp genlerin uzaklığıyla orantılı bir ilgi ve cezbedicilik ortaya çıkarabilmektedir.

Buradaki kuantum fiziği ise reseptörlerin koku moleküllerine nasıl özgülleştiğiyle alakalı.

Deneysel süreci inceledeğimizde:

İnsanda yaklaşık 30000 gen vardır. İnsanda koku reseptörlerini kodlayan yaklaşık 900 gen bulunmaktadır.Ancak bunların 2/3 ü yalancı gen olup işlevselliğini yitirmiştir.Dolayısıyla 300 çeşit reseptör kodlanabilmektedir.İnsanlar yaklaşık 10000 farklı koku algılayabilmektedir.Peki 300 çeşit reseptör nasıl olur da 10000 kokuyu ayırt edebilir?Koku moleküllerinin her birinin tek nöronu değil de birkaç nöronu etkinleştirir.Ayrıca tek bir nöron da bir koku molekülüne değil de birkaç farklı koku molekülüne tepki verdiği bulundu.Dolayısıyla 300 çeşit reseptörün yaptıkları kombinasyon ile koku 10000 farklı kokuyu ayırt edebildiği ortaya çıktı.

Peki reseptörler nasıl kendilerine ait koku moleküllerini tanır?

Açıklama şuydu

Anahtar-kilit uyumunun olması. Koku molekülleri kendilerinin bağlanacağı yüzey geometrisi benzerliğine göre reseptörlere bağlanıyordu. Böylece G proteini salınır ve süreç başlardı. Bu açıklamaya göre benzer molekül düzenine sahip moleküllerin benzer kokular olarak algılanması gerekli. Ancak benzer şekillerdeki moleküller tamamen farklı kokular olarak algılanıyordu.

Sonraki açıklama şekil değil de koku molekülleri üzerindeki benzer bağ titreşimlerine göre bağlantı kurulduğuydu.

Bağların titreşim frekansı bağlara düşürülen ışığın girdi-çıktı arasındaki frekans farkına göre hesaplanabilir. (Raman spektrumu)

Böylece çürük yumurta kokusu oluşturan H-S bağı ( merkaptan : (R-HS) R: aril ya da alkil) bulunan (bunlara merkaptan denir) bileşikler 2567-2580 frekans aralığında olduğu bulundu. Bu frekans aralığındaki bileşikleri hepsi çürük yumurta kokar.

Ayrıca H-S bağı 76 terahertz titreşim yapar.Yani bu titreşim sayısına sahip moleküller de çürük yumurta kokuyor olmalıydı. Boranlar yani bor-hidrojen bağları çok yakın olarak 78 terahertzlik titreşime sahiptir. Dekaboran (B10H14) kükürt içermediği halde çürük yumurta gibi kokuyordu.

Burun kiral ( ayna görüntüsüyle çakışmayan )molekülleri de birbirinden ayırır. Yani aslında aynı molekül şekline sahip , aynı bağlara sahip olmasına , aynı raman spektrumuna rağmen farklı kokular olarak algılanabilmektedir. Örneğin limonen – dipenten

Sonraki açıklama ise koku reseptörlerinin de kiral olduğu böylece kiral moleküllere özgülleşebildiğidir.Yani bağların reseptördeki algılanma konumu da önemli olduğu. Reseptörlerin koku iletisini beynin farklı bölgelerine iletecek böylelikle reseptör kirallığı da kokunun farklı algılanmasına sebep olacaktı.

Yine de kokusu aynı olup farklı molekül şeklinde olan durumu ya da kokusu aynı olup farklı molekül şekli durumu açıklanamıyordu.(BİÇİM KURAMI)

Sonraki açıklama zayıf biçim kuramı.Moleküllerin tüm şekli değil de kimyasal gruplarının şekillerine göre ayırt edilebildiğidir.Ancak aynı kimyasal grubuna sahip olan ama molekül şekli farklı olan moleküllerde koku farkının olması hala bir sorundu.

Örneğin izovanilin-vanilin vanilin , vanilya kokusu izovanilin, tatlı ilacımsı kötü fenolik koku

( Esnek kuantum tünelleme tünelleme yoluyla aktarılan parçacıkta girdi çıktı arası enerji farkı olmadığı tünelleme. Esnek olmayan tünelleme bunun tersi ancak elektronun bir miktar enerji verebilmesi için ortamda verilecek enerji ile aynı frekansta başka bir molekülün olması gerekir.Böyle bir molekül varsa elektron bir miktar enerji verebilir. Böylelikle vericiden alıcıya tünelleme yapabilir.)

Sonraki fikir ise elektronun tünelleme yapılması fikrine dayanıyordu.Koku reseptörünün verici bölgesinde olan elektron aynı reseptördeki alıcı bölgeye bir enerji farkı ile tünelleme olması gerekli. Verci –alıcı arasındaki enerji farkı kadar elektron enerjisini vererek tünelleme yapmalı. Bu enerji farkının frekansıyla eş olan frekansta titreşim yapan kimyasal gruptaki bağlara sahip koku molekülleri denk gelince elektron verici-alıcı enerji farkı kadar enerjiyi bırakır ve reseptördeki verici kısmından alıcı kısmına tünelleme yapar.Bu enerji farkı ise gelen koku molekülünün yapısıyla ilgili bir bilgi taşımakla birlikte reseptörün başlagıçtaki verici-alıcı farkı ise koku moleküllerine özgüllüğünü açıklar.Elektron alıcı kısma tünellenince G proteini serbest kalır ve süreç başlar.

Sinekler için deney tasarlandı.Sinekleri T labirente koyup başlangıçtan salıyorlar ve sağ-sola dönecekleri yerde koku pompalanıyor ve sinek tepkisi gözlemleniyor. Sinekler asetofenon(C6H5COCH3) kokusunu alabiliyorlardı.Asetefenon kokusu alıç ya da ağır portakal çiçeği gibi kokuyordu. Labirentte sağ tarafa asetofenon sürülmesi sinekleri meyvemsi kokudan dolayı sağa saptırıyordu .

Karbon-hidrojen bağları 85-93 terahertz titreşim yapar.Hidrojen yerine daha ağır olan döteryum konulursa 66terahertze düşüş oluyor. Aynı deney döteryumlu asetofenon için deneniyor. 8H den 3 üne döteryum yerleştirilirse sinekler sağa dönme ilgisini yitiriyor.5 ya da 8 döteryumda ise sola sapıyorlardı yanı kokudan kaçıyorlardı. Ayrıca sineklerin koku duyusunu kullanıp kullanmadığını anlamak için anosmik sineklerde de aynı deney yapılıyor ve sineklerin koku duyusunu kullandığı ortaya çıkıyordu.Ancak aynı deney için sinekler benzaldehitin hidrojenli döteryumlu ayrımını yapamadılar.

Daha sonra sinekleri 66 terahertzten uzak duracak şekilde ayaklarına elektrik vererek eğittiler.Kimyasal açıdan farklı olan ama yakın titreşim frekansına sahip karbon-azot bağı olan nitrillerdende uzak durdukları görüldü.

Hidrojeni döteryumdan ayırt edebilme deneyini insanlar için 28 H içeren molekül için de denendi ve insanlar ayırt edebildiler.

Ancak koku reseptörlerini şeklini koruyarak izole etmek başarılamadı en azından eylül 2016 ya kadar. Hücre zarına gömülü proteinlerin şekli korunarak izole edilemiyor şimdilik.

MUTASYON

Mutasyon genetik materyaldeki mevcut kavimdeki %1 den az görülen (%1 den fazla görülen değişikliklere polimorfizm denir. Örn: kan grupları, Rh , bağışıklık genleri olan MHC genleri ) değişikliklerdir.Gözlemlenen belirli bir alanda mutasyona sahip organizma ise mutant olarak adlandırılır.

Mutasyonların sınıflandırılması:

1-Kalıtıma göre

2-Nedenlerine göre

3-Mekanizmalarına göre

4-Değişimlerinin boyutuna göre

5-Organizma üzerindeki etkilerine göre

Nedenlerine göre:

1-Kendiliğinden mutasyonlar :Çevresel bir etken olmadan gerçekleşen mutasyonlardır.

a)Hidroliz

a1)Deaminasyon:Molekülden amin grubunun çıkarılmasıdır.Sonucunda

adenin=hipoksantine

guanin=ksantine

sitozin=urasile

5-metilsitozin=timine dönüşür.

Timinde amin grubu olmadaığından dolayı deaminasyona uğramaz.

a2)Depürinasyon:Molekülden pürin çıkarılmasıdır.Pürinler adenin ve guanin

a3)Deprimidasyon:Molekülden primidin çıkarılmasıdır. Primidin sitozin timi ve urasildir.

b)Alkilasyon:Alkil grubunun bir molekülden başka bir moleküle taşınımıdır.Metil /etil grubu taşınımı Başlıca örnek Guaninin alkillenmesiyle dönüştüğü O6 metilguaninin replikasyon sırasında timinle yanlış eşleşme yapması

c)Oksidasyon:Elektron kaybı işlemi. Guanin okside olursa 7,8dihidro-8oxoguanine dönüşür ve replikasyon sırasında adeninle eşleşme yapabilir.(transversiyon)

d)Tautomerizasyon

2-Uyarılmış mutasyonlar: Çevre etkisiyle gerçekleşen mutasyonlardır.Çevre etkisi ile mutasyon oluşturan tüm etmenlere mutajen denir.

a)Fiziksel

a1)Radyasyon:Frekansı yüksek ışınlar mutasyonu tetikler.(x ışını,gama ışını) UV primidin dimerleşmesi yani bağlanması meydana getirir.(S-S,S-T,T-T) Dimerleşme sonrasındaki replikasyon sonrası nükleotid eşlenmesi olmaz.

a2)Sıcaklık ve ph anormal değişimleri: Tautomerizasyona sebep olurlar.

b)Kimyasal

b1)Baz analogları:Bazların yerine geçebilen mutajenik casuslar. 5-Bromourasilin timinin yerine geçip guaninle eşleşmesi

b2)Nitröz asit: Adenin ve sitozinde deaminasyona sebep olur.

b3)Alkilleyiciler:Alkilasyonda etkisi vardır.

b4)Hidroksilaminler:Demanisyonda etksi var. Hidroksilamin(H2N−OH), sitozinle reaksiyona girip N4 -hidroksisitozin oluşturur; bu da replikasyon sırasında guanin yerine adeninle eşleşir

b5)Akridinli boyalar:Baz gibi davranarak DNA yı esnetip iki nükleotid arasına girer DNA nın şeklini bozar (proflavin)

b6)Aflatoksin

.

TAUTOMERİ

Molekül içindeki farklı bölgeler arası atom çekirdeği aktarımı ile bir yapının dengede kalabildiği farklı(2 ya da daha fazla) biçimlerine tautomeri denir. Genellikle yer değiştiren atom çekirdeği H atomu çekirdeği yani proton olmaktadır.Kendiliğinden ve uyarılarak gerçekleşebilir.Ph(asit ve baz ile katalize edilebilir) ve sıcaklıktan etkilenir . DNA daki bazların da tautomerik formları bulunur. Adenin ve sitozin amino biçimindeyken imino formuna , guanin ve timin ise keto biçimindeyken enol formuna baz içi H yer değişimi ile geçebilir. Amino ve keto ilk halleri yani normal olan durumları baskın olan durumlarıdır. İhtimallerine örnek verirsek keto halinde bulunma ihtimali >%99 iken nadir biçim olan enol hali için <%1 dir.Her zaman keto baskın değildir.Enolün de baskın olduğu istisnalar vardır.(asetilaseton enol %76) Urasil içinde bu durum baskın olan laktam biçimiyle nadir olan laktim biçimi arasında geçerlidir. DNA sarmalında bu durum gerçekleşmesi mutlaka mutasyon sebebi değildir. Çünkü tautomerik biçime geçen baz daha sonra pekala eski haline çok yüksek ihtimalle dönebilir.Ancak bu durum gerçekleşmesinden önce tautomerik halinde bulunan baz DNA eşlenmesi sırasında yanlış eşlenmeye sebep olur. Sitozin nadir olan biçimi imino halindeyken guanin yerine amino halindeki adenin ile eşleşir. Bu duruma transisyon nokta mutasyonu da denebilir. Örneğin

G-C – G eşleş— (G-C) — çift zincir eşleş— (G-C) ve (G-C) OLAĞAN HAL

G*-C—G eşleş— (G*-T)— çift zincir eşleş —– (G*-T) ve ( A-T) İSTİSNAİ HAL

Yani C yerine T gelmesi G yerine A gelmesi istisnai halin olağan halden farklarıdır ve bunlar transisyon olarak adlandırılır.

 

AMİN

İMİN

KETON

ALKOL

 

Buradaki kuantum fiziği ise protonun sıçramasını sağlayan bir başlangıç enerjisi olmadığı varsa da yeterli olmadığı zaman enerji bariyerinin tünellemeyle geçilmesi durumundadır. A-T baz eşleşmesi ya da G-C baz eşleşmesinde her baz karşıdaki baza yakın bir H atomu tutar.Bu H atomlarının karşı taraftaki baza zıplamasıyla A-T baz çifti A*-T* ,G-C baz çiftiyse G*-C* totomerik baz çifti haline dönüşür.Buradaki H atomu zıplaması tünelleme ile olabilir.DNA eşlenmesine denk bir zamanda bu mevcutsa hatalı eşleşmiş DNA bazlarının DNA polimerazın aktif bölgesiyle uyumlu olması sebebiyle mutasyona sebep olabilmektedir.

Bu duruma yol açabilecek tünelleme dışındaki olaylar etrafındaki moleküler titreşimler ve titreşimleri sağlayan sıcaklık, bağ yapabilecek maddelerle karşılaşma çarpışma ( su molekülü…) , pH değişimi olabilmektedir. DNA daki tüm bazların %0,01 i kadardır.( örneğin enol keto biçimi.Keto %99,99 enol %0,01) Ancak kendiliğinden mutasyonlar bölünme başına milyarda bir (10^-10) ihtimalle gerçekleşir.Bu fark mutasyon tamir mekanizmalarının etkisiyle açıklanabilir.

Eğer tünelleme mutasyon için bir sebep oluşturuyorsa yani mutasyonda kuantum kurallarının etkisi varsa kuantum fiziğine göre süperpozisyon halindeki tautomerlerde ölçüm yapmak bazları karar vermeye zorlayacaktır. Bu ölçüm biyolojik dizgede bizatihi gerçekleşir.Bu ölçümü DNA polimeraz bölünme sürecinde yapılmaktadır.Dolayısıyla sık gerçekleşen ölçüm mutasyonu hızlandırabilir yani sık hücre bölünmesi mutasyonu hızlandırabilir.Ayrıca protein üretimi sürecinde mRNA nın belirli bazları özellikle ölçüm yapıyor olması bazı bazların daha sık biçimde ölçüme yani tautomer süperpozisyonunun çökmesine sebep olup o genlerde mutasyon hızını protein üretiminde yer almayan genlere göre artırıyor olması gerekir.Bunu doğrulayan çalışmalar mevcut.

İYON KANALLARI-BİLİNÇ

İyon kanalları hücre zarlarına gömülü protein alt birimlerinden oluşan geçitlerdir. Kapılı veya kapısız olabilirler.Kapısızlarda geçiş serbestken kapılı iyon kanallarında birtakım koşullar arandığı için seçici geçirgendir.Geçirgenlikleri oransal olup mutlak değildir.Uyumlu olanı yüksek oranda alabilmekte ancak farklı tipte iyonları az da olsa geçirebilmektedir.Hatta farklı iyonları seçtiği iyon oranında da alabilmektedir.Bu durum zehirlenmelere de yol açabilmekte.Mesela sodyum kanalı lityum ve hidroksilaminleri de içeri almakta.Giren iyonların çıkışını sağlayan Na-K pompası lityum dışarı atmadığı için içerde birikir ve aksiyon potansiyeli iletemez olunur.Kardiak toksisiteye sebep olduğu bilinmektedir. İyon geçişleri pasif taşınımla (basit difüzyonla) olmaktadır dolayısıyla herhangi bir enerji harcanmaması sebebiyle temel taşınım yasalarından fick ve ohm yani yoğunluk farkı nedeniyle oluşacak kuvvet ile elektriksel yüke dayanan kuvvetler taşınımda etkilidir.

Kapılanma tiplerine göre iyon kanalları

Ligand Bağımlı Kanallar:

Kanal kapılarının kanal proteinine yani ligand bağımlı kanala bazı moleküllerin bağlanmasıyla açılabilen kanallardır.Nörotransmitterle sağlanan sinaptik iletimde rol alırlar.

Mekanik Etkilere Bağımlı Kanallar:

Titreşim ,basınç,ivme gibi mekanik etkilerle açılmaktadırlar.İşitme ,dokunma ve durum duyusunda rol alırlar.

İçerden Habercilerle Kontrol Edilen Kanallar:

Hücre içindeki bazı maddelerin bağlanmasıyla çalışır.

G-proteini ile Kontrol Edilen Kapılar:

G-proteinin ürettiği ikincil habercilerin etkilediği iyon kanallarına ve hatta bazı voltaj bağımlı kanallarına verilebilecek sınıflandırma.

Voltaj Bağımlı Kanallar:

Özellikle geçirdikleri iyona göre Na,Ca,K,Cl gibi adlar alır.Kapılar kanalın iki ucu arasındaki potansiyel farka göre yani voltaja göre açılır ya da kapanır.Kapılarda + yüklü bölge bulunur ve iç dış yük durumuna göre açılıp kapanır.Hücre dışı – yüklü ise kapının yüklü bölümü coloumb etkisi sebebiyle konumu değişir ve kapı açılır.

Voltaj kapılı sodyum kanallarının en dar bölgesi 0,31 nm × 0,51nm dir. Sodyum kristal haldeki yarıçapı 0,098nm olmasına karşın çözeltide iyon çevresine yapışan su molekülleri bulunur.Bu olaya hidrasyon adı verilir ve bağlanan molekül sayısına da hidrasyon sayısı denir.Bu durum iyonun etkin çapını artırıp daha büyük çaplı gibi davranmasına sebep olur.Etkin yarıçap hesabı Debye-Hückel bağıntısıyla bulunur.Sodyumun çözeltideki yarıçapı 0,185nm civarına çıkmaktadır. Ancak bu durum farklı moleküllerin varlığı ve yoğunluk gibi farklı etkenlere bağlıdır.Kanaldan geçebilmesi için yarıçapının 0,155nm den az bir noktaya gelmesini genellikle icap eder.Bu düşüşte sodyum kanalının en dar bölgesinde seçiciliği sağlayan negatif yüklü karboksil grubu vardır.

Burada sodyumlar 3,4 ya da 5 hidrasyon sayısına sahiptir.Sodyum +1 yüklü olması sebebiyle karboksil tarafından etrafındaki su moleküllerinden bir kısmını bırakarak çekilir.Bırakılan su moleküllerinden birisi de karşılıklı karboksil grubu olduğundan diğeri tarafından çekilir ve tutulur.Bu durum 1 mikrosaniye kadar sürer ve sodyum yola devam ederken normal hidrasyon sayısına tekrar ulaşır.Böylece en dar noktadan geçiş doğrusal sıraya yakınsar.Böylece beklenen yarıçaptaki geçici düşüş açıklanabilir. Yani genelde tek sıra halinde geçiş olmaktadır. Jtoplam=Jelektrik+Jdifüzyon hesabından 5,3 milyon saniyede geçiş olduğu yaklaşık 10 milyon anlamına gelir.Gerçekte ise 100 milyon geçiş olabilmekte.Bu anlamlı fark kuantum fiziğinin olabilirliğini artırmaktadır.

İyon kanalları matematik görseller

Ayrıca yapılan araştırmada voltaj kapılı iyon kanalından geçen iyonlar bir dalga gibi yayılım göstermiştir.Geçen iyon yüksek frekanslarda salınım yapar ve bu frekans protein yapılı olan kanalın proteinleriyle rezonans halini alarak proteinlere enerji aktarır böylece iyon kinetik enerjisi düşmüş olur ve kuantum kurallarının olması ihtimalini artıran entropi azalması gerçekleşir.Hatta bu soğutmanın kanal iyon seçiminde de rol alabilir.Belirli bir iyona geçirgen olan kanala farklı bir iyon geldiğinde rezonansa girilemez ve yıkıcı girişim meydana gelir . Böylece kuntumla çalışan geçiş gerçekleşmez.Ancak seçilen iyon gelirse yapıcı girişim sebebiyle kuantum durumunun korunacağı hal meydana gelir.

Nesneye baktığımız zaman nöronlardaki iyon kanallarında iyon akışı olur ve sinir ateşlenir.Ancak baktığımız nesneyi tanımladığımızda ,farkettiğimizde sinirler eşzamanlı ateşlenir.Bu durumu bilinç olarak tanımlarsak bilinç olması için eşzamanlı bağlı bir eylem olması gerekir.Ancak sinirler beynin karmaşası(sıcaklı,madde…) içinde maddesel bir dolanıklıkta bulunamaz bulunsa bile sadece 1 pikosaniye kadar sürer bu da algılamak için bile çok kısa bir süredir.Görüntünün işlenmesi 13 milisaniye sürmektedir. Yüklü taneciklerin ivmeli hareketi sebebiyle oluşan manyetik alan ve yüklerin oluşturduğu elektrik alanla birlikte beyinde elektromanyetik bir alan vardır.Bu alan sinirlere maddesel olmayan bir kuantum dolanıklık ve dolayısıyla uzak sinirler arası bilgi paylaşımı ile sinirlerin ortak ateşlenmesini sağlayabilir.Böylece bilinçte rol alabilir.

Peki biz bu kuantumun küçük etkileri neden önemseyelim? Özellikle canlılardaki kaotik sistemlerden dolayı. Kaotik dizgelerin önemli bir özelliği başlangıç koşullarına hassas bağlılıktır.Yani başlangıç koşulundaki küçücük bir değişim zamanla daha büyük sonuçlara yükseltgenebilir.

Vücudun kaotik olması ile ilgili bir delil çıkarılması için Arrhenius eşitliğinin sıcaklığa hassas bağlılığı kullanılabilir. Vücut sıcaklığının 1 derece artmasıyla metabolik hız %10 artmaktadır.

Enzimlerin uygun sıcaklığı olan fizyolojik normalden artış ya da azalış yönünde sıcaklık değişiminin enzim hızını azaltır.Mesela arrheniusa göre sıcaklığın 5 derece azaltılması aktivasyon enerjisi 100kj/mol olan enzimin hızını yarıya düşürmektedir. Bu durum dolayısıyla başlangıç koşulu olan sıcaklığın görece ve nicel az değişimi enzim hızında büyük bir etkiye sebep olması en azından vücut enzim işleyişinin kaotik olabilirliği ihtimalini artırmaktadır.(İhtimal denmektetir çünkü kaotiklik belirteçlerine göre hesaplama yapılmıyor.Ör/ lypunov üstelleri…)

Hesap arrhenius

Kuantum fiziğinin gerçekleşme ihtimali kaotiklik ile ters orantıldır çünkü kuantum kaotik ortamlarda gerçekleşmemeye eğilimlidir.Ancak kaotikliğin başlangıç koşullarına hassas bağlılığı çok düşük ihtimalle kaostan arındırılmış izole sistemlerde gerçekleşen kuantum etkilerini önemli hale getirebilmektedir.

Ferit Pehlivan biyofizik kitabından ve Kuantum Sınırında Yaşam

Yaklaşan Kuantum Biyolojisi Çağı (Jim Al-Khalili, Johnjoe McFadden) adlı kitaptan faydalanılmıştır.