[Murat KUTAY]

Biyokimya I – Biyofiziksel Kimya – Su ve Su Dengesi

Vücut suyu, sabit elektrolit katımı ile bir çözeltiye benzediğinden, vücuttaki su ve elektrolit düzeni fonksiyonel bir ünite teşkil eder. Vücudun elektrolit ve su birimlerinden birinin değişmesi, diğerinin de değişmesine yol açar. Su, hayatın vazgeçilmez bir faktörüdür. Işıksız veya oksijensiz varlığını sürdürebilen canlı vandır, fakat susuz olarak yaşamını koruyabilen hiçbir canlı yoktur. Keza, canlı organizmada değişik koşullara göre büyük değişiklikler gösteren su muhtevasının total vücut suyu miktarı her yaratık için sabittir. Düzenleme mekanizmaları bu sabitin korunmasını sağlarlar. Canlı ne kadar yüksek derecede organize olmuş ise, su miktarındaki dalgalanmalar da o derece az olur.

Organizmada düzenli dağıtılmış hiçbir madde bulunmadığından ve metabolizmada araştırma periyodu içinde meydana gelen değişiklikler tek tip olmadığından, total vücut suyunu ölçen duyarlı bir metod bilinmemektedir. Yetişkin insanlarda vücut ağırlığının % 60-70’i su ise de tek tek organ ve dokulardaki su miktarları farklı olup geniş sınırlar içinde değişik

Suyun Fiziksel Ve Kimyasal Özellikleri

Su molekülünde hidrojen atomları, elektronları düzensiz dağıldığından asimetrik olarak yerleşmiştir. Bu nedenle su molekülünde sürekli “dipol” karakterini veren ağır yüklü 2 noktanın teşekkülü, molekülün belirli şeklide polarize olmasına yol açar. Su molekülünün dipol özellikleri, suyun dielektrik sabitinin (80) yüksek oluşunun da bir sebebidir. Dielektrik sabiti, elektriksel bir alanın bir madde ile vakuma kıyasla zayıflatılması için bir ölçüdür. Tek tek su molekülleri arasında, hidrojen köprülerinin teşekkülünden dolayı düzenli bir asosiye olma şansı mevcuttur. Bu nedenle esas yapı, içerisinde bir su molekülü ile koordine olmuş 4 su molekülü (tetrahedral yapı” (tetra eder yapı( teşkil eder. Suyun tek başına tertiplenme durumu “semikristalleşme veya buz yapısı” olarak ifade edilir. Buzda % 100, sıvı haldeki suda (oda ısısında) % 70 ve hatta 100oC’de % 50 daha su molekülü, benzeri düzende bir yapı meydana getirmek üzere peşpeşe hidrojen köprüleriyle bağlanmışlardır. Bağlı bir su molekülünün semikristal alanda ortalama kalış süresi 10-10 sn devam eder ve bu süre moleküler titreşim alanındakine göre 1000 defa daha fazladır (Su buharı). Bir madde suda eritilirse esaslı değişikliğe uğrar. Su, özellikle su içindeki, su kılıfı ile sarılmış yüklü kısımlarda kendini gösterir. Böylece sulu çözeltideki bütün iyonlar hidratize formda bulunurlar ku, burada katyonlar su molekülünün negatif yük merkezini (oksijen), anyonlar da su dipolünün pozitif yük merkezini çeker. Bu suretle su zerrecikleri iyon etrafında merkezi simetrik bir kuruluşa (birikim) aynı zamanda saf suyun tetrahedral yapısından tamamen farklı olan bir su molekülünün teşekkülüne ulaşılır. Aşağıda şekil 1.2’de hidratize olmuş sodyum ve klor iyonları görülmektedir. Bağlı bir su molekülünün yüklü parçacıklarının sayısı, onun yarıçapı ile ilgilidir. Küçük iyonlar, suyu büyük iyonlardan daha kuvvetli bağlarlar. Biyolojik karşılaştırma için “etkin iyon yarıçapı”, yanı hidratize durumdaki iyonun yarıçapı önemlidir. Örneğin, hidratize sodyum iyonu (2.56 Ao), hidratize potasyum iyonunun yarıçapından (1.98 A9 daha büyük bir yarıçapa sahip olduğu haldi, hidratize olmayan iyonların yarıçaplarında tersine bir durum vardır.

Suyun Biyolojik Görevleri

Su, canlı organizmada aşağıda yazılı temel görevlere sahiptir:

Makromoleküllerin Yapı Taşıdır.

Polisakkarid, protein ve nukleik asitler gibi birçok kompleks bileşikler, suyu düzenli bir şekilde tutma yeteneğine sahiptirler. Makromolekül ile su molekülü arasındaki bağlanma hidrojen bağları ile olur. Bir bileşikteki bağlı su, her ne kadar değişebilirse du uzun bir kalış süresine sahiptir. Bu makromolekül tarafından bağlanan suyun miktarı için ölçü, “etkin hidrodinamik hacim”dir (ml: su/gr.). Çoğu proteinlerin etkin hidrodinamik hacmi 5-10 ml.su/gd’dır. Bazı proteinler (myozin: 50 ml.su/gr) ve polisakkaridler/hyaluronat: 100-400 ml.su/gr) daha yüksek su bağlama gücüne sahiptirler. Etkin hidrodinamik hacim ne kadar büyükse, eriyebilirlik o derece küçüktür.

Küçük Moleküllü Maddeler İçin İyi Bir Çözücüdür.

Suda eriyebilen bütün maddeler erirliklerini, dipol su moleküllerine hidrojen köprülerinin teşekkülü veya yüklü grupların mevcudiyeti sayesinde yaklaşması ve su ile karşılıklı etki içerisinde bulunan sentrometrik bir hidrat kılıfının teşekkülü gerçeğine borçludurlar. Bu suretle su, içerisinde birçok ara metabolizma reaksiyonlarının cereyan ettiği, substratların naklinin ve sellüler metabolizma ürünlerinin meydana geldiği ve metabolizmanın son ürünlerinin erimiş halde eliminasyonuna (böbrekler) hizmet eden bir çözücüdür.

İyi Bir Substrat Veya Kosubstrattır.

Su, ara metabolizmanın bir çok reaksiyonlarına reaksiyon ortağı olarak katılır. Hidrolazlar ve hidratazlar “kosubstrat” olarak suya ihtiyaç gösterirler; oksidazlar ve hidrolazlar ve solunum enzimleri, reaksiyon ürünü olarak suyu açığa çıkarırlar. (Oksidasyon suyu).

İyi Bir Isı Regülatörüdür.

Su molekülünün asosiye olma eğiliminden dolayı, buharlaşma ısısı fevkalade yüksektir. (Kaynama noktasındaki suda 540 cal/gr) 1 gr.suyu 0oC’den 100oC’ye ısıtmak için sadece 100 cal., fakat 1 gr.kaynar suyun buhar haline getirilmesi için de daha 540 cal gereklidir. Buradan organizmadan küçük miktardaki suyun buharlaşması ile nisbeten büyük miktar ısısının ayrılacağı, terlemenin serinletici etkisi şeklindeki biyolojik veri ortaya çıkar. Su buharının deri veya akciğer yolu ile çıkması ısı regülasyonunun önemli bir mekanizmasını oluşturur. Diğer taraftan su, ancak ölçülebilir bir ısı iletim gücüne (0.0014 cal/grad/cm2/sn) sahiptir. Bir organizma içerisinde devamlı sıvı alış verişinden dolayıs ısı iletme yeteneği yeterli olmasına rağmen, bütün dokular, organlar arasında ve sabit vücut ısısını garantilemek üzere iyi bir ısı düzenlenmesi vardır. Yoğun bir metabolizmada ısı yükselmeleri dar sınırlar içerisinde kalır. (Karaciğerin ısısı çoğu sıcak kanlılarda vücut ısısının 1-2 derece üzerinde bulunur).

Enerjiyi Düzenli Şekilde Yönetir.

Hidratize yapılarda hidrojen köprülerinin bağları, kovalent bağlara değişebilir veya tersi olabilir. Örneğin, bu sisteme protonlar dahil olup bu suretle herhangi bir gerçek hareket olmaksızın bir proton transportu vukua gelibilir (Şekil 1.3).

Suyun Fonksiyonel Dağılımı

Suyun vasal, interstisyel (ekstrasellüler) (intra) sellüler kompartmanları olmak üzere dar oranlar içerisinde bulunan 3 ayrı şekilde, fakat fonksiyonel dağılımı gerçeğinden dolayı, insanların su düzeninin fizyolojisi ve patolojisi yönünden total organizmanın veya organlarını ayrı ayrı daha az su ihtiva etmelerinin anlamı vardır. Aşağıdaki Tablo 1.2’de insan vücudunda suyun kompartmanlara dağılımı görülmektedir. Fonksiyonel kompartmanların büyüklüğünün ölçülmesi, kan dolaşımına sokulan bir araştırma maddesinin belirli miktarının seyreltilme derecesinden ve belirli kompartmanlara ayrılmasından, hacmin hesap edilebileceği prensibine dayanır.

Su Alışverişi

Bir taraftan vazal ve interstisyel sıvı kompartmanları arasında, diğer taraftan da interstisyel ve sellüler sıvı kompartmanları arasında devamlı bir su alışverişi olmasına rağmen, bu kompartmanların herbirindeki su miktarı yine de dar sınırlar içerisinde bulunur. Kompartmanlar arasında suyun naklide sebep olan güçler şunlardır:

Ozmotik basınç
Kolloid ozmotik basınç (=Onkotik basınç)
Hidrostatik basınç

Ozmotik Basınç

İntravazal, interstisyel ve süllelür bölümlerinin ozmotik basınç ozmotik etkiye sahip belirli taneciklerin (özellikle elektrolitler) konsantrasyonundan ileri gelir ve bütün bölümlerde 300-400 mVal/litre’ye ulaşır. Bir kompartmanda bulunan elektrolit konsantrasyonunda meydana gelen değişiklikler, ozmotik basıncı değiştirirler ve böylece bir su hareketine sebep olurlar. Örneğin, ekstrasellüler kompartmandaki elektrolit konsantrasyonunun aksine, kan plazmasındakinin üzerine yükselmesiyle interstisyel suyun nisbi konsantrasyonu plazmadakinden daha aşağıda düşer, böylece konsantrasyon düşüşüne uygun miktardaki su, interstistel kompartmana akar. Elektrolit konsantrasyonundaki değişelerden dolayı ortaya çıkan basıncın yükselmesi hesaplanabilir:

Ozmotik basınç, aynı hacimde gaz halindeki maddelerin yaptığı basıncı da temsil eder.

p: Ozmotik basınç
V: Çözeltinin hacmi
n: Erimiş taneciklerin mol.sayısı
R:Gaz sabiti (0.082 lt.atm./Mol.Ko)
T:Mutlak ısı (Kelvin derecesi olarak)
c:Konsantrasyon (mol sayısı/1lt.su=n/V)

0.15 (% 0.85) M.bir sodyum klorür çözeltisi,vücut sıvılarının ozmotik basıncını temsil eder; bu çözelti o halde “izoozomotik” yanı “izoton”dur. İzoozmotik çözeltilerin hazırlanmasında sadece molarite değil, aynı zamanda disosiasyon (iyon teşkili)’de dikkate alınır. Bu osmolarite kavramı ile ifade edilir. Çözeltide dissosiye olmayan maddelerde Molarite ve Osmolarite aynıdır. Bir madde çözelti içinde iyonize oluyorsa Osmolaritesi, molarite ile mol.başına meydana gelen parçacıkların sayısının çarpımına eşittir. Teşekkül eden iyonların sayısından ve disosisyon derecesinden Osmolarite bulunur.

0.15 M.glukoz çözeltisi (dissosiye olmamış); aynı zamanda 0.15 osmolardır. 0.15 N tuz çözeltisi (Na+ + Cl-) ise (dissosiasyonu % 100 kabul edilen) 0.3 osmolardır. (0.15 x 2). Fizyolojik sıvılarda elektrolit konsantrasyonu o kadar azdır ki, disosiyasyonun % 100 olduğu kabul edilebilir. İnsan kan plazması 0.33-0.35 Osm/lt’lik bir osmolariteye sahiptir. Bu, donma noktasının 0.53 ile 0.56oC’de arasında düşmesini gösterir.

Kolloid Ozmotik (=Onkotik) Basınç

Ozmotik basıncın düzenli oluşu, şüphesiz sadece sonsuz seyreltilmiş çözeltilerdeki makromoleküller (Proteinler, nükleik asitler, polisakkaridler) için de geçerlidir. Konsantre protein çözeltisinde daima, protein moleküllerinin sayısından hesaplanandan daha yüksek bir ozmotik basınç ölçülür. Örneğin, % 5’lik albumin çözeltisi için (Mol.ağ.:68000.) 16 cm’lik su sütununa denk bir ozmotik basınç hesaplanır, fakat 30 cm’lik su sütununa denk bir değer ölçülür. Bu fenomenin sebebi, protein moleküllerinin parçacıklarının hasıl ettiği ozmotik basınca eklenmesi gereken kolloid ozmotik basınç=”Onkotik Basınç”tır. Kolloid ozmotik basınç makromoleküllerin biraz önce bahsedilen su bağlama yetenekleriyle izah edilir.

Hidrostatik Basınç

Arterler (Örneğin, kapillarların arteriyel kısmı) ve dokualrın isterstisyel boşluğu arasında, kapillarların arteriyel kısmından interstisyel boşluğa doğru devamlı bir sıvı akışının sebep olduğu bir hidrostatik basınç dalgalanması vardır. Bundan ötürü plazma proteinleri kapillar duvar engelini geçememekle beraber yine de plazma suyunun erimiş düşük moleküllü yapı taşları (glukoz, amino asitler, yağ asitleri, elektrolitler ve benzerleri) ile birlikte bir filtrasyonu vukua gelir. Tersine kan dolaşım sisteminde kapillarların venöz kısımlarının etki alanında filtre olmuş suyun geriye akışı meydana gelir. Bundan dolayı kapillarların venöz ucunda kan plazmasının kolloid ozmotik basıncı (20-30 Torr) hidrostatik basınçtan (16 Torr) daha yüksektir. Bu, devamlı sıvı alış verişi, sabit bir şekilde dokulara madde teminini ve metabolizma artıklarının uzaklaştırılmasını sağlar.

Plazmada total ozmotik basınç 6.5 Atm’dir. Arteriyel tarafta hidrostatik bakınç, büyük olduğundan FİLTRASYON, (kandan dokuya) ve venöz tarafta ise hidrostatik basınç küçük olduğundan ABSORPSİYON (dokudan kana) gerçekleşir. Buna ait şema aşağıda Şekil 1.4’de görülmektedir.

Su Dengesinin Bilançosu

24 saat içinde atılan su miktarı vücut ağırlığına bağlı ise de yaşlandıkça 1 kg.vücut ağırlığı başına atılan su miktarının daha azaldığı, yani suyun biyolojik yarı ömrünün büyüdüğü görülür. Gneç organizmada, su atılması daha da fazladır; halbuki suyu, yapısı gelişmiş insan daha ekonomik kullanır (Tablo 1.3). Suyun atılmasını regüle eden organlar böbrekler (800-1200), intestinal kanal (100), deri ve akciğerler (600-800 ml/24 saat)’dir.

Bilançoda görülen bu rakamlar, organizma içinde suyun hareket yolu hakkında hiçbir şey belirtmez. Böylece örneğin, insanda barsak kanalında günde 5-6 lt.sindirim salgısı olduğu bildirilir, (tükürük 0.5-1.5 lt, mide-barsak salgısı 1-2 lt, pankreas salgısı 0.5 lt, safra 1.5 lt) ancak bunun 100 ml’den sonra artan miktarı tekrar geri emilir. Bunlar, besin maddelerinin enzim etkisiyle mükemmel bir şekilde parçalanmasını mümkün kılmak için organizma tarafından adeta ödünç olarak bir başka şeyin emrine verilir.

Vücut suyunun sellüler metabolizmanın substratının oksidatif teşekkülünde meydana gelen kısmı “oksidasyon suyu” olarak ifade edilir. Biyolojik oksidasyonda 1 mol.glukozdan 6 mol.su, 1 mol.palmitik asitten de 16 mol.su açığa çıkar. Vücut 100 gr.karbohidratın oksitlenmesinde 40 gr., 100 gr.proteinin oksidasyonundan 55 gr.su meydana geldiği halde, 100 gr.yağın oksidasyonundan 107 gr.gibi yüksek miktarda su açığa çıkar (Develerin çölde susuzluğa direnci).

Böbrekler ve Su Dengesi

Su düzeninin regülasyonunda merkez organ, esasında kanın hacim değişikliklerine tabi olarak kan plazmasının hidrostatik ve ozmotik basıncından olayı bir kontrol görevinde bulunan ve organizma su varlığını sabit tutan böbreklerdir. Ozmotik basınç ve volüm reseptörleri tarafından tesbit edilen değişiklikler, hormonal regülasyon mekanizmaını harekete geçirir. Böbreğin görev yapan birimi, proksimal ve distal tubuluslar ve borular toplamından ibaret nefronlardan oluşan glomerilus’tur. Aşağıdaki sayılar, böbreğin su düzenindeki başarısını açıklarlar: Böbreklerden 24 saatte geçen 1700 lt.kandan, glomerilusun bazal membranında ultrafiltrasyonla 180 lt primer idrar teşekkül eder.Primer idrar, bütün alçak moleküllü maddeleri kan plazmasındaki konsantrasyonda ihtiva eder. Proksimal tubulus sisteminde 160 lt primer idrarın izosmotik geri emilimi, distak tubulus sisteminde 18 lt suyun daha geri emilimi vukua gelir ki, böylece aynı zamanda elektrolitlerin değişimi ve konsantre edilmesi gerçekleşir.

Su Dengesinin Bozulması

Vücut suyunun mutlak veya nisbi olarak artması veya eksilmesi şeklinde ortaya çıkan bozukluklar görülebilir. Bu bozukluklar şunlardır:

Polihidri: Vücut suyunun mutlak artışıdır. Özellikle interstistitsiyel boşluğu ilgilendirir (Ödemlerin teşekkülü). Bu durum, venöz kanın durgunlaşması ve venalarda basınç yükselmesinden ileri gelen kalp yetersizliğinin de sebebi olabilir. Bu şartlar altında interstisiyel boşluktan kan dolaşımına doğru akışta bir azalma nedeniyle interstisiyel bir sodyum retansiyonu görülür. Kandaki protein miktarının azalmasından da ileri gelebilen bir ödem, onkotik basıncı düşürür. Hiperhidri: Vücut suyunun nisbi olarak artmasıdır. Mutlak miktar ile vasal, intersitisiyel ve hücresel su miktarları arasındaki oran değişmez. Organizmaya aşırı derecede su alınmasında veya böbrek üstü bezlerinin yetersizliğinde sodyum klorür çıkarılması gibi hallerde elektrolitçe fakirleşme söz konusudur. Oligohidri: Vücut suyunun mutlak azalışıdır. Susama veya şiddetli ishallerde bu durum görülür. Hipohidri: Vücut suyunun nisbi olarak azalmasıdır. Vücut suyundaki elektrolit (tuz, v.d.) miktarının yükselmesi gibi hallerde görülür. Örneğin, en basit olarak metabolizmanın herhangi bir son ürününün ortamda birikmesi, örneğin bir amino asit, onun oluşmasında esas olan bir dizi reaksiyonun bir etabını inhibe edebilir. Bu tip kontrol retro-inhibisyon yada feed-back adı altında bilinir. Sonuç olarak, hücreler metabolik reaksiyonlarını ve maksimum bir etkinlik ve ekonomi ile çalışan enzimlerinin biyosentezini düzenleme yeteneğine sahiptir.

Prof.Dr.Ulvi Reha Fidancı

[Yazar]

Yazılar