YDÜ Veteriner Fakültesi İngilizce bölümü 2.sınıf öğrencilerim Tamar Faraj ve Mariam Ajam ile birlikte yazdığımız “Biochemical Significance of Biomaterials Based on the Chitin-Chitosan Axis” başlıklı derleme niteliğindeki makalemiz “Acta Scientific Gastrointestinal Disorders (ISSN: 2582-1091)” isimli derginin Temmuz sayısında yayınlandı.
Makale planlaması, literatür taraması, yazılması, gözden geçirilmesi ve son şeklinin verilmesinde emeği olan, birlikte çalışmaktan ve üretmekten zevk aldığım Doç. Dr. Ahmet Özer Şehirli, Araş. Gör. Sevgi Gençosman ve Araş. Gör. Deniz Ceylanlı’ya da ayrıca teşekkür ederim.
Çalışmamız ile doğada en yaygın olarak bulunan ve eklembacaklıların dış iskeletlerinin önemli bir bileşeni olan Kitin isimli polisakkaritten elde edilen Kitosan adlı biyomateryalin biyolojik olarak özellikleri ve sağlık alanında kullanımına ilişkin güncel yaklaşımları ve bu doğrultuda görüşlerimi biyokimyasal bakış açısı ile aktardık.
Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) is used to define organic compounds. Carbon (H) and Hydrogen (H) are high in organic molecules. NMR is used for structural analysis because it provides convenience in understanding the molecular structure; this knowledge contributes to scientific development.
Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) spectrum interpretation is at the forefront, and it is essential to understand the logic of spectrum measurements and act according to this logic while interpreting. In an atom and its properties, the electrons around the nucleus rotate both around the nucleus and around itself. Still, the movements of protons and neutrons in the nucleus are not noted. That’s why we do not know much about the movement of the nucleus. The nucleus’ protons rotate around their own axis, just as electrons around their own axis. As a result of this movement, the concepts of +1/2 and -1/2 are mentioned. Electromagnetic behaviour due to the spins of protons in the nucleus connects the proton, neutron and their electromagnetic interactions with each other with the logic of being destroyed or not. Like two electrons in an orbital, protons spinning in the opposite direction cancel each other’s electromagnetic effect. So the nucleus does not have a specific magnetic field.
NMR spectroscopy is primarily used by chemists, biochemists, and physicists who are working with complex nanoparticles. Biochemists use it for identifying complex molecules like proteins or intracellular metabolites. It has made a significant contribution to the medical area. Exploratory and diagnostic areas of medicine can exploit the NMR. The medical area is also used for magnetic resonance imaging (MRI).
History of NMR Spectroscopy
The first NMR signal was observed by two separate groups of physicists in 1945. Felix Bloch and Edward Mills Purcell were awarded the Nobel Prize in Physics in 1952 for their discovery. In the same year, NMR spectroscopy was used in molecular structure determination in chemistry. In 1953, the first NMR devices were produced. After 1970, devices with high discrimination power and sensitivity started to be made. Thanks to his work on developing high-resolution NMR spectroscopy, the scientist named Richard Robert Ernst won the Nobel Prize in Chemistry in 1991.
Felix Bloch
Edward Mills Purcell
Richard Robert Ernst
A chemist/biophysicist named Kurt Wüthrich won the Nobel Prize in Chemistry in 2002, thanks to his method for the investigation of biological macromolecules by NMR spectroscopy. Paul Christian Lauterbur and Sir Peter Mansfield were awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2003 for their work in the NMR imaging field.
NMR spectroscopy has been used in chemistry, physics, biochemistry, pharmacy, and medicine to examine the structures of molecules.
Kurt Wüthrich
Sir Peter Mansfield
Paul Christian Lauterbur
NMR Spectroscopy
NMR spectroscopy is an illumination method based on the absorption of electromagnetic rays in the radio frequency field by atomic nuclei in a molecule placed in a strong magnetic field. NMR spectroscopy is a technique used in understanding the structure of molecules in the field of chemistry. Hydrogen-containing groups in the molecule and neighbouring groups can also be detected using this method. If evaluated together with the results obtained by other spectroscopic techniques, the structure to be illuminated can be easily reached. In UV and IR spectroscopy, the molecule’s functional groups and the percentages of C, H, O, N, and S atoms in the elemental analysis are determined. NMR spectroscopy gives information about the skeleton of the molecule. Other spectroscopic methods deal with electrons, but NMR spectroscopy deals with the nucleus. NMR requires a strong magnetic field and radio waves, which are long-wavelength rays of the electromagnetic spectrum. NMR spectroscopy does not disrupt the molecule, and analysis samples can be used repeatedly as in UV and IR spectroscopy.
Every atom whose atomic number or mass number is odd has a nuclear spin. The nucleus rotates around itself and is electrically charged creating its magnetic field. Rotating protons behave like bar magnets when placed in an external magnetic field. Rotating protons’ own magnetic fields go either in the same direction with the outer field or in the opposite direction. With the absorption of a photon with a certain amount of energy, the direction of the proton field can change. The energy difference between the two states is directly proportional to the strength of the magnetic field. Protons are surrounded by electrons that protect them from the external magnetic field. Rotating electrons create an exciting magnetic field opposite the external magnetic field and reduce the external field’s influence.
Charged particles rotating around their own axis create electrical and magnetic fields. When these atoms are placed in a stronger magnetic field, two magnetic spins called +1/2 and -1/2 occur. Depending on the direction of the outer magnetic field, the magnetic field due to the atom’s own spin is either added or removed. Thus, the higher and lower energy nucleus can be found.
The small magnetic field in the core and the large applied magnetic field cause the difference in the results of subtraction and addition to be small. This difference changes with the applied external magnetic fields and becomes zero if the magnetic field is not applied. NMR spectroscopy is based on trying to equalise the difference from the external magnetic field with radio frequencies.
Magnetic Properties of the Nucleus and the Basis of NMR Spectroscopy
Some atomic nuclei act like magnets rotating around themselves forming the basis of NMR spectroscopy. Atomic nuclei are positively (+) charged. The nucleus rotates around itself, and the (+) load moves in orbit around the axis, this is the spin motion. Because the nucleus rotates around itself, it also has angular momentum. A dipole and a magnetic field arise from the spin motion. The size of the dipole is called the nuclear magnetic moment (μ), and the angular momentum of the charge is called the spin quantum number (I). To study the NMR of an element, the magnetic moment must be non-zero (μ≠0), and the spin quantum number must be greater than zero (I>0). The spin quantum number varies according to the number of protons and neutrons in the nucleus. The spin number can be 0, 1/2, 1, 3/2, 5/2. If I=0, there is no spin. Protons and neutrons have their own spins, and their sum gives the number of spins in the nucleus. Isotopes of an element have different spin quantum numbers.
Proton NMR Spectroscopy
NMR spectroscopy, like other spectrophotometers, examines samples in dilute media. First, the sample solution to be NMR is taken into a glass tube of 5 mm in diameter and 15 cm in size and placed in a strong magnetic field. Then the radio frequency is sent to the sample. After the sample emits the radio frequency it has absorbed, the detector measures the re-emitted frequency. This change is related to the externally applied magnetic field, and the applied magnetic field must be kept constant throughout the measurement.
Components of NMR instrument (Alqaheem Y, Alomair AA: Microscopy and Spectroscopy Techniques for Characterization of Polymeric Membranes. Membranes (Basel) 2020; 10.)
NMR instrument composition
Protons behave differently from each other, which is explained by the electron density around them. Although the proton’s magnetic properties are equal, it is accepted that they will differ in the magnetic environment due to the electron density around it, thus making it easier to understand the spectrum that NMR spectroscopy will give. This difference is minimal compared to the magnetic field and is expressed using ppm (parts per million). Generally, the frequency scale is used instead of magnetic field differences in NMR. The proton resonances of organic molecules are between 0-12 ppm. Highly sensitive devices and systems are required to examine this small range.
The Determination of theStructure of Membrane Proteins using NMR Spectroscopy
Membrane proteins are a part of the biological membranes. They are branched into several types. They can penetrate the cell or be on its surface and have a temporal interaction. Membrane proteins have an important role in the medical area. They are the target structures of the drug. Besides, they have a crucial impact on human and animal diseases. Membrane proteins have the capability of mutating and truncating. While these procedures, several diseases can occur in both humans and animals.
Membrane proteins have a wide range of characteristics, such as being a receptor and interacting with hormones. They can reveal as enzymes and bind to the receptors. Some of them are membrane transporter proteins and impact the transportation of small molecules, macromolecules, and some ions. Their secondary structure is composed mainly of β-barrel, a β-sheet consisting of a first and last strand bonded with hydrogen bonds.
18-strand β barrel.
β-barrels mostly can dissolve in water. Strands of the beta barrels contain polar and nonpolar amino acids which lead the protein to have hydrophobic and hydrophilic sides; mostly the hydrophilic part interacts with the solvent because it is a settled surface. The hydrophobic part plays inside of the protein molecule. In proteins containing beta barrels, the hydrophobic side is towards the exterior. They interact with the lipids under the vicinity of it, which surround the protein’s exterior.
The structures formed by phospholipids in aqueous solutions. Micelles are single-chain lipids.
GPCRs (G-protein coupled receptors), membrane proteins, are cell signal transportation receptors. The 3D structure of these proteins is determined by NMR spectroscopy. In a region made out of lipids, we can observe how membrane proteins’ motions are reflected. It can be observed in a small area or a large area. As the scientists are supposed to dissolve the substance to mark it on the NMR spectroscopy, they use detergents to dissolve, to denature proteins.
While solubilizing the proteins using detergents, some substances occur—for example, micelles and isotropic bicelles. Micelles are the strewn surface-active molecules’ flocculation. Isotropic bicelles are for the reconstruction of membrane proteins. They patch the proteins with lipid bilayers. Detergents are unnatural substances, so they cause the risk of subverting the protein structure. You can most clearly study the proteins when they are in a phospholipid environment.
The helical membrane proteins can be observed at a high resolution under the bilayers’ favour. They are in an active and immobilised state. On the NMR, substances are well determined in a high-resolution solid state. Bacteriorhodopsin is the first determined helical membrane protein under NMR spectroscopy. It was solubilised with octyl glucoside, which is a type of detergent. Other than NMR spectroscopy, X-rays have also contributed to the determination of membrane proteins. This type of protein was first observed under x-ray diffraction. It was observed during a photosynthetic reaction. The product of this reaction was Rhodopseudomonas viridis (a kind of bacteria), and it was solubilized in a powerful detergent, N, N-dimethyl dodecyl amine N-oxide. The detergent is composed of amphiphilic (both have the characteristic of being hydrophobic and hydrophilic) compounds.
Carbohydrate-Protein Interactions
NMR can identify carbohydrate-protein interactions with the resolution in solvents. This interaction is necessary for the virus-to-cell and cell-to-cell connection. Continuous interaction is provided by the carbohydrate-protein mutual effect for an infection or adhesion event. Even in viruses and pathogens, the outside of the cell is surrounded by glycans. Recognisance and biological transactions are instructed by the mutual effect of the glycans and protein receptors. A variety of molecules can have a mutual effect on carbohydrates. It happens in the vicinity of a mutual effect between L-selectins and glycans terminated by sialic acid.
Influenza infection requires binding to carbohydrates. Hemagglutinin cells (influenza virus) have to be connected to the Siaα-6Gal. The adhesion and growth of tumour cells are supported by β-lactosamine’s mutual effect, which includes galectins and glycans. There are several approaches to NMR. It can be protein-based or ligand-based. A ligand is a complex compound that contains attached biomolecules. If it is protein-based, it will have different solubility characteristics from other solutions. High-resolution attainability requires labelling the protein with C and N stable isotopes. By this labelling procedure, the size will be in the range of 10-25 kDa, which is in NMR standards. There are some protein-detecting methods. In the protein’s 3D structure, the scientist must map the linkage regions of the carbohydrate onto it. The linkage regions are determined by the correlation spectra of H and N atoms. Ligands of carbohydrates must be defined because they are specified from various proteins. In terms of the NMR method (methods of protein detection), it is crucial to compare the proteins in their free state and bound to the carbohydrate state. The labelled protein quantity is dependent on several topics. The first one is the instrumentation of NMR, and the second one is the spectrometer’s available time.
NMR Spectroscopy for the Assignation of Unsaturated Fatty Acids
Fatty acids (FAs) are usually identified by gas chromatography (GC). FAs have to be transformed into methyl esters to assign them to GC. There are saturated and unsaturated FAs. Unsaturated FAs (UFAs) carry one, two or more double bonds and are critical components of animal fats and vegetable oils. UFAs having two or more double bonds are referred to as Polyunsatured FAs (PUFAs). There is a method based on the carbon NMR To determine these bonds’ percentages. Besides, scientists also use hydrogen to quantify UFAs.
Chemical Shift
NMR signals change depending on the magnetic field and radio frequencies. Therefore, radiofrequency change is studied in a standard magnetic field or in a magnetic field change under a standard radio frequency. This problem is avoided by adding a standard substance during NMR measurements. This substance should not affect the hydrogen atom’s electron density with its electronegativity much, and it is tetramethylsilane (TMS) without a solubility problem. All the hydrogens of TMS are equal and at the same point. This point is referenced (point O). The interpretation of where other hydrogen atoms come out according to this point is called the chemical shift. Its unit is ppm, and the symbol represents it. During NMR measurements, it is preferred that the molecules whose spectrum is to be taken be diluted. The presence of hydrogen atoms in the solvent causes the problem of intensity. Some solvents do not contain hydrogen, and generally, not all substances have good solubility. To solve this problem, deutero structures that are not affected by the magnetic field are used. The most common and first tried solvent is deutero chloroform. Solvents such as deutero water, ethyl alcohol, and dimethylsulfoxide are also widely used.
Proton chemical shift values
Before making the NMR spectrum interpretation, the electron density around the hydrogen atom must be known from a rough perspective. Compared with TMS, the electron density around a hydrogen atom changes depending on the electronegativity and shielding effect of the atoms to which it is attached. If we accept TMS=0 ppm, Si electronegativity is less than C electronegativity, so the electron density in hydrogen atoms bound to carbon atoms will be less than TMS and shielding less. Thus, we see that radio frequency signals reach the protons in the nucleus and return; thus, excitation and resonance will be easier. It requires less magnetic field, so the ppm gradually increases from 0. Therefore, C-H’s are attached to the carbon atom in molecules that do not contain electronegative, such as 0-1. The chemical shift of hydrogen atoms with low electron density and shielding around them, such as the RCOOH acid proton, is as large as 11–12 ppm. Although there are tables for proton chemical shift values, it is often possible to approximate peaks and locations. It is not always necessary to look at this crowded picture, but it may be necessary with some complex and large molecules.
In the NMR spectrum, the signal intensity depends on the substance concentration. Dilute solutions give weak signals. If the concentration increases, the peak intensity increases. If we take the peaks of different substances at the same concentration, we see that the peak intensity depends on the equivalent hydrogen number. If we take the equivalent concentration of benzene containing 6 equivalents of hydrogen and cyclohexane containing 12 equivalents of hydrogen and measure the NMR spectrum, the NMR spectrum peak intensity of the cyclohexane is twice that of benzene. When these results are combined with the knowledge of how many hydrogen atoms it contains and chemical shift, it makes it easier to understand where the hydrogens of the molecule come out. However, there are still some problems with knowing how many hydrogens each peak equals. However, hydrogen numbers can be calculated from the ratio of peaks to peaks, but instead of exact numbers, they are found in coefficients relative to each other. It is possible to estimate approximate values with this integration method, similar to a simple molecular formula calculation.
In conclusion, NMR spectroscopy has contributed to the determination of various complex molecules like proteins, carbohydrates, enzymes, intracellular metabolites, receptors, and transporters. Understanding these structures by scientists leads to the development of science. Complex molecules are essential to understand various diseases, both in humans and animals. Although NMR is complicated for us, it is a beneficial thing today. That’s why we should try to grasp a complex subject’s logic rather than make it difficult in our minds. The blessings of NMR are countless. It is used in many industries, such as polymer research, synthetic chemistry, petrochemistry, biochemistry, textiles, food, paint, medicine, and agriculture. We can achieve many things using NMR, such as the compound’s nature, structure shape and bonding structure, mixture components, atomic composition, molecular weight and formula, polymer composition and arrangement, and molecular motion. No matter how boring its theory may sound, we do not know how correct it is to call something ‘boring’ that we use somehow.
This article is a part of the home assignment written by Ada Begüm Ögel and Emir Kerem Demiroğlu, two of our 2020-2021 Academic Year Fall Semester Organic Chemistry students.
References
Alqaheem Y, Alomair AA: Microscopy and Spectroscopy Techniques for Characterization of Polymeric Membranes. Membranes (Basel) 2020; 10.
Aletli Analiz Yöntemleri: Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) Spektroskopisi [http://web.hitit.edu.tr/dersnotlari/gokcemerey_13.10.2015_7A4L.pdf]
Shulman GI, Alger JR, Prichard JW, Shulman RG: Nuclear magnetic resonance spectroscopy in diagnostic and investigative medicine. J Clin Invest 1984; 74:1127–1131.
Bewley CA, Shahzad-ul-Hussan S: Characterizing carbohydrate-protein interactions by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Biopolymers 2013; 99:796–806.
Wider G: Structure determination of biological macromolecules in solution using nuclear magnetic resonance spectroscopy. Biotechniques 2000; 29:1278–82, 1284–90, 1292 passim.
Campagne S, Gervais V, Milon A: Nuclear magnetic resonance analysis of protein-DNA interactions. J R Soc Interface 2011; 8:1065–1078.
Simpson MJ, Hatcher PG: Determination of black carbon in natural organic matter by chemical oxidation and solid-state 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy. Org Geochem 2004; 35:923–935.
Opella SJ, Marassi FM: Structure determination of membrane proteins by NMR spectroscopy. Chem Rev 2004; 104:3587–3606.
Miyake Y, Yokomizo K, Matsuzaki N: Determination of unsaturated fatty acid composition by high-resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy. J Am Oil Chem Soc 1998; 75:1091–1094.
Chalbot M-CG, Kavouras IG: Nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the functional content of organic aerosols: a review. Environ Pollut 2014; 191:232–249.
Zia K, Siddiqui T, Ali S, Farooq I, Zafar MS, Khurshid Z: Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy for Medical and Dental Applications: A Comprehensive Review. Eur J Dent 2019; 13:124–128.
Gezegendeki tüm canlılar için güneş enerjisi gereklidir. İklim değişikliği, küresel ısınma, gaz emisyonları ve sera etkisi, güneş ışınlarına aracılık eden atmosferi değiştirmektedir. Atmosfer canlı yaşamı için hayati önem arz eder. Ozon tabakasını değiştiren etkenlerden ultraviyole (UV) radyasyonunun Dünya yüzeyine daha doğrudan girmesine yol açmaktadır. Doğrudan güneş ışınımı alan ortamlar ve hayvan türleri etkilenmiş, sonuç olarak değişmiştir. Güneş ışınlarına aşırı maruz kalma konusunda canlı hayvan türleri savunmasız durumdadır.
Giriş
HAVA NEDİR: Dünya’nın atmosferi yerçekimi tarafından tutulan gaz tabakasıdır. Dünya atmosferi, Dünya yüzeyinde sıvı suyun var olmasını sağlayan basıncı oluşturur, ultraviyole güneş radyasyonunu emerek, yüzeyi ısı tutma yoluyla ısıtarak (sera etkisi) ve gündüz ve gece arasındaki aşırı sıcaklıkları (günlük sıcaklık) azaltarak Dünya üzerindeki yaşamı korur. İşte ozon atmosferin bu işlevi açısından önemlidir.
OKSİJEN NEDİR: Oksijen, O sembolü ve atom numarası 8 olan kimyasal elementtir. Periyodik tablodaki kalkojen grubunun bir üyesidir ve diğer bileşiklerin yanı sıra çoğu elementle kolayca oksit oluşturan bir oksitleyici ajandır. Hidrojen ve helyumdan sonra oksijen, kütlece evrende en çok bulunan üçüncü elementtir. Fotosentez sırasında bitkiler tarafından üretilen havanın önemli bir bileşenidir ve hayvanların solunumu için gereklidir.
Atmosferik ozon nedir?
Atmosfer dünyayı saran çeşitli birçok gazlar ile su buharından oluşan ve dünyaya uzaydan ulaşan güneş rüzgarları artı güneş ışınımlarından koruyan tabakadır (Anonim 5, 2020). Ozon (O3) gazı kokusuz renksiz bir gaz olup 3 oksijen atomundan oluşan oksijenin (O) kimyasal olarak benzeridir denebilir. Ozon tabakası diğer bir deyişle ozonosfer olarak da adlandırılabilir (Figür 1) (Çelik, 2019). Ayrıca hayat zincirindeki önemli elementlerden biri olan azotun da kaynağıdır. Oksijen ozondan daha kararlıdır. Dünya yüzeyinin yaklaşık 50 km yukarısında meydana gelir ve zararlı radyasyonu uzaya geri yansıtır. Ham maddesi oksijen olan ozon depolanamayan ve stoklama imkânı olmayan tek gazdır (Saucedo ve ark., 2019).
Figür 1. Üst atmosferde ozonun görevi (Smith, 2012)
Ozon tabakası nasıl oluşur?
Havada serbest oksijen bulunmamasından ötürü ilk canlılar oksijene ihtiyaç duymayan canlılardı. Daha sonra canlıların suyla, karbondioksitle glikoz ve oksijen üretmeleri serbest oksijen birikimi stratosfer tabakasında başladı. Ultraviyole (UV-Mor ötesi) ışınları oksijen molekülleriyle etkileşime girerek oksijen molekülünü iki atoma ayırdı ve oksijen atomları oksijen molekülleriyle birleşip ozon katmanını oluşturdu (Figür 2). Atmosferi oluşturan ince bir tabaka halinde bulunan ozon tabakası, Stratosferik “iyi ozon” ve troposferik “kötü ozon” olarak 2 kısma bölünür. Ozonu oluşturan ve yıkımına neden olan olayların dengesine bağlıdır. Bu dengedeki bozulma, yeryüzünde ki hayatı çok derinden sarsacak biçimde etkiler. Yeryüzünün sıcaklığının aynı kalabilmesi soğrulan ışık ile yayınıma uğrayan ışık oranının korunmasına bağlıdır. Soluduğumuz havada oksijen içerisinde, troposferik ozon (kötü ozon) artmaktadır. Ayrıca koruyucu ozon tabakamız içerisinde stratosferik ozon (iyi ozon) azalmaktadır (Anonim 1, 2007).
Figür 2. Ozonun oluşumu. Bir Oksijen molekülü dalga boyu 200 nanometreden (metrenin milyarda biri) daha kısa olan bir ışık fotonunu soğurduğunda, enerji molekülü iki Oksijen atomuna böler. Bu atomlardan biri, bir Ozon molekülü oluşturmak için başka bir Oksijen molekülü ile reaksiyona girebilir. Güneşin yüksek enerjili UV ışığının (UV-B ve UV-C) %98’e kadarı, atmosferik ozonun tahribatı ve oluşumu tarafından soğrulur. Ozon ve oksijen arasındaki küresel değişim günlük 300 milyon ton civarındadır (Graedel ve Crutzen, 1993).
Ozon tabakasının önemi
Ozon tabakası, dünyaya gelen güneş ışınlarını engelleyen tabakadır. Güneş radyasyonunun tüm spektrumundan yalnızca görünür ışık, kızılötesi ve ultraviyole spektrumunun bir kısmı gezegenin yüzeyine ulaşır ve kalan dalga boyları stratosferik ozon tarafından durdurulur. Kısacası ozon tabakası zararlı güneş ışınlarından yer yüzünü koruyan ve güneşin yaydığı zararlı UV radyasyonunu (UV-A, UV-B, UV-C) soğurmaktadır (Saucedo ve ark., 2019). UV güneş radyasyonu, yüzey birim başına UV güneş enerjisinin gücü olarak tanımlanır. Ozon tabakası az da olsa dejenere olursa UV-C zararlı etkilere neden olabilir. Hem UV-A hem de UV-B spektrumları dünya yüzeyine ulaşır ve bunlara maruz kalma cilt kanseri gelişimi, nükleik asitlerde bozunma, epidermiste görülen yanıkların neden olduğu çeşitli cilt neoplazmalarıyla doğrudan ilişkilidir. UV ışınları sadece sağlığımızı etkilemekle kalmaz çevre üzerine de olumsuz etki yapabilir (Saucedo ve ark., 2019). Tarımsal üretimi azaltabilir, ayrıca deniz besin zincirini bozarak balık nüfusunu etkileyebilmektedir. Ozon bilinen yüksek oksidasyon mikrop öldürücü dezenfektanlara göre güçlü ve koku gidericidir. Hızlıca oksijene parçalanabilir ve kalıntı bırakmaz. Bu sebeple gıda ve kimya endüstrisi gibi birçok alanda kullanılır (Çelik, 2019). Gaz ve sıvı şekilde bulunabilir. Örneğin mikrobiyal faaliyetleri engellemek, tavuk etinde ve kesimhanesinin sterilizasyonu gibi alanlarda kullanılabilir. Buna ek olarak yemlerde haşere ile mikrobiyal faaliyetlere yönelik dezenfektan şeklinde kullanılmaktadır (Remondino ve Valdenassi 2018). Ozon, gezegende bildiğimiz şekliyle yaşamı korumak için gereklidir, çünkü yaşam formlarını hem kara hem de deniz hayvanlarında önemli bir fiziksel kanserojen olan UV radyasyonundan korumaktadır (Saucedo ve ark., 2019).
Karbondioksit nedir?
Karbondioksit (CO2), molekül yapısı kovalent bağlı olup bir karbon ve iki oksijen atomundan oluşur. Normal kokusuz gaz halinde olan bileşiğin adıdır. Karbon besin maddelerin metabolize edilmesi sonucu açığa çıkan bir son üründür. Solunumda ki yeri hayati açıdan oldukça önemlidir (Pirce, 2020).
Hayvanlarda karbondioksitin önemi
Enerji akışı güneş kaynağından başlayarak fotosentez ile besin aracılığıyla üreticiler, otçullardan etçillere doğru tek yönlü olarak ilerler. Mevsimsel ve bölgesel olarak ozon tükenmesi enlem ve yıla göre değişir. Bu nedenle ozon tabakasının kutuplarda daha kalın olması ile tropiklerde daha ince olması şanstır (Anonim 5, 2020).
Karbondioksitin ana kaynağı; hayvan barınaklarında oluşan, çalışanların ve hayvanların solunumlarıdır. Organik maddelerin mikrobiyal şekilde parçalanması sonucu karbondioksit aerobik veya anaerobik olarak ortaya çıkabilir. Aerobik etkiler altında karbondioksit ile su son üründür ve karbon tamamen karbondioksit olarak çevreye dağılabilmektedir (Kılıç ve Şimşek, 2009). Metan ile birlikte organik maddenin mikrobiyal parçalanması sonucunda karbondioksit anaerobik etkiler altında ortaya çıkar. Bu şartlar altında, içerisinde oksijen bulunan karmaşık organik maddelerin olduğu reaksiyonlarda parçalanmanın ek-yan ürünü olarak oluşmaktadır. Tarım alanlarına hayvansal gübrenin uygulanması sonucu gübredeki organik maddeler toprakta bulunan mikroorganizmalar tarafından parçalanarak karbondioksit ortaya çıkmaktadır. Karbondioksit miktarının iç ortamda fazlaca bulunması çalışanlara ve hayvanlara zarar vermektedir. Özellikle karbondioksit kış mevsiminde yüksek düzeylere çıkabilmektedir (Çelik, 2019).
Ozonun tabakasının delinmesinin yeryüzüne etkileri
Ozon deliği bir incelmedir, gerçek delik değildir. Havaya salınan kimyasallar ozon tabakasına zarar vermektedir. Ozon tükenmesi sonucu ile ilgili olarak dünyaya ulaşan ek UV-B radyasyon, en sıradan tek hücreli bitkilerden böceklere, kuşlara, balıklara ve memeli hayvanlara kadar insanlar da dahil olmak üzere bütün canlılar üzerinde olumsuz bir etkendir (Anonim 3, 2017). Antarktika’da ozon etkisi ise; oluşan kutupsal stratosferik bulutlar Dünya’nın şiddetli geçirdiği kış mevsimlerinde stratosfer, çok düşük derecelere kadar inerek soğuması ile oluşur. Bu sebeple kutupsal kimyasal olayın kutupsal stratosferik bulut parçaları üzerinde gerçekleşmesiyle, Antarktika ile Arktik bölge üzerinde bulunan ozon yoğunluğunu, büyük oranda azalttığı görülmüştür. Bu sebeple bilim insanları, Antarktika da gerçekleşen ozon kaybına, Antarktik ozon deliği demişlerdir (Figür 3) (Anonim 1, 2007).
Figür 3. Antarktika ozon deliği (Anonim 1, 2007)
Atmosferdeki karbon miktarını etkileyen faktörler
Atmosferde karbondioksit oluşum nedenleri • Yangınlar sonucu meydana gelir (orman yangınları vb.) • Solunumla atmosfere yayılır. • Volkanik patlamalar sonucu oluşur. • Karbonatlı kayaçlar ve çözünen kireç taşları ile karbondioksit açığa çıkar. • Hava ile su arasındaki çift yönlü hareket su yüzeyinde karbondioksit alışverişini sağlar. • Ölen hayvanların çürümesi sonucu karbondioksit serbest kalır.
Atmosferde karbondioksit azalması nedenleri • Kemosentezde, kemosentezik bakteriler glikoz üretiminde kullanır. • Fotosentez için yeşil bitkiler ve mikroorganizmalar tarafından kullanılır. • Deniz canlılarının kabuk oluşumunda kullanılır. • Karbonatlı kayaç içerisinde deniz hayvanlarının ölümü sonucu karbondioksit depo edilir. • Atmosferin yapısında bulunan karbondioksitin çözünerek suya geçmesinde. • Basıncın etkisi ile ölen canlılarda bulunan karbondioksit zaman için de fosil yakıta dönüşür (Anonim 5, 2020).
Güneş radyasyonu, gezegendeki yaşamı etkileyen ana çevresel faktörlerden biridir. Karasal ve sucul ekosistemlerin işleyişini fotobiyolojik süreçlerin (örneğin fotosentez, fotoperiyot, fototropizmler) kontrolü yoluyla yönetir. Bunlar da sonuçta organizma dağılımını etkileyen sıcaklık, nem ve doğal döngüler (günlük, yıllık ve hidrik döngüler) gibi diğer çevresel faktörleri etkiler (Baiz ve ark., 2015). Bu, Dünya’da yaşamı mümkün kılar, ancak yüksek yoğunluklarda veya kısa dalga radyasyon oranı belirli sınırları aştığında ona zarar verebilir. Yüksek yoğunluklu radyasyon ve spektral bileşimdeki değişiklikler organizmalardaki önemli süreçleri etkileyebilir (Bornman ve ark., 2015).
Dünya yüzeyine ulaşan radyasyonun miktarı ve kalitesi, belirli bir bölgede hem yayılan güneş enerjisine hem de atmosferik özelliklere bağlıdır. Deri, radyasyona, özellikle farklı dalga boylarındaki güneş radyasyonuna karşı koruma sağlar. Bu nedenle birçok hayvan türünde yüzeysel tabaka olan epidermis, radyasyonların daha derin dokulara nüfuz etmesini engelleyen pigmentler (melanin granülleri) üretir. Doğrudan güneş ışınlarına, buzdan ve kardan yansıyan dolaylı radyasyona maruz kalan yoğun ışıklı bir ortama adaptasyon olarak beyaz kürk ve siyah cilde sahip olan kutup ayısının derisi buna örnek verilebilir (Saucedo ve ark., 2019).
Deri, hayvan büyümesinde veya somatik vücut gelişiminde önemli bir rol oynar. Çünkü D vitamininin aktivasyon alanıdır. Güneş’ten gelen UV ışınları ile kolesterolden kolekalsiferole dönüştürülür. Kolekalsiferol dolaşım sistemine geri döner, karaciğere geçer ve son olarak böbreklerde parathormon (PTH) etkisi ile aktif vitamin D hormonuna (1,25-dihidroksikolekalsiferol) dönüşür. Bu hormon, kalsiyumun fakültatif emilimini uyararak bağırsak mukozasında hareket eder, böylece raşitizmi önler (Saucedo ve ark., 2019).
Güneş radyasyonu hayvanları nasıl etkiler?
Uzun süre güneş radyasyonu altında kalan, yüksek rakımlarda veya tropik bölgelerde yaşayan hayvanlarda epidermiste pigment eksikliğine, az tüylere sahip olma veya saç dökülmesine maruz kalma ve yüksek cilt hastalıkları riski altındadır (Targino ve ark., 2013). Bunun nedeni, UV ışınlarının, replikasyon ve transkripsiyonun engellenmesi gibi olumsuz etkilere neden olan siklobütan pirimidin dimerlerini, pirimidin ve pirimidinonu (6,4 PP) indükleyen hücre DNA’sına zarar vermesi, mutasyonlar, hücre döngüsünün durdurulması ve hücre ölümü görülür (Saucedo ve ark., 2019) (Figür 4). Bu faktörlerle ilişkili bir hastalık skuamöz hücreli karsinomdur. Epidermoid karsinom olarak da karşımıza çıkar. Esas olarak sığır türlerinde bulunan bu tümörler, özellikle gözlerde olmak üzere tamamı pigmentsiz beyaz tenli ırklarda en sık görülmektedir. Bu durum, bu cinslerde yaygın olan pembe göz olarak da bilinen göz kanserine bağlı ağır mali kayıplara neden olur. Kökeni genetiktir ancak UV’ye maruz kalma ile ilişkilidir. Kedigiller ve köpekgiller de risk altındadır, ancak koyun ve domuzlarda nadirdir (Saucedo ve ark., 2019)
Figür 4. A. Pembe göz kanseri (Anonim 4, 2018) B. Mutasyona uğramış canlı (Anonim 6, 2018).
SIĞIRLARDA PEMBE GÖZ HASTALIĞI; Hastalık etkeni mikroorganizma çeşidi olan Moraxella bovis’ dir. Bir hayvandan başka bir hayvana sinekler aracılığıyla bulaşır. Moraxella bovis enfeksiyonları genellikle yazın görülür. Güneş ışığı hastalık etkeni olan mikroorganizmanın enzim aktivitesini artırır (Saucedo ve ark., 2019).
Ultraviyole radyasyonun hayvanlar üzerinde ki faydalı etkileri
Güneş radyasyonunun temel faydalarından biri, bazı homeotermik hayvanların metabolizma için uygun iç vücut sıcaklığını korumasına izin vermesidir. Bunun yanında D vitamini metabolizmasını sağlamaktır, aslında yetersiz maruz kalma D vitamini eksikliğine yol açabilir. Bu, kemik bakımında ve büyümenin düzenlenmesinde hayati bir işlev olan kalsiyumun (ve daha az ölçüde fosfor) emilimini, taşınmasını ve birikmesini kontrol etmek için günlük olarak üretildiğinden, kırık riskini artırarak iskelet sistemi üzerinde anında etkileri olabilir (Saucedo ve ark., 2019).
D vitamini ayrıca hormonal işleyiş, organ gelişimi ve embriyogenez için gereklidir. UV-B radyasyonu, D vitamini sentezinde yer alan fotokimyasal süreçler için gerekli olduğundan hayvan sağlığı için önemlidir. Başka bir deyişle, hayvanlar yeterli bir diyet alsalar ve optimum bir sıcaklıkta olsalar bile, D vitamini üretimi için gerekli radyasyon sağlanmadıysa birçok besini doğru bir şekilde birleştiremeyeceklerdir (Saucedo ve ark., 2019).
UV, kuşlar, balıklar, böcekler, örümcekler ve diğer taksonlarda eş seçimi ve gıda kaynaklarının konumu dahil olmak üzere kritik yaşam süreçleri için çok çeşitli omurgasızlar ve omurgalılar tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. Bazı omurgasızlar, doğal koşullar altında özellikle UV-B radyasyonunu tespit edebilir ve bunlara yanıt verebilir (Bornman ve ark., 2015).
Küresel ısınmayla beraberinde gelen sorunları belirtirsek; Küresel ısınmanın en belirgin etkileri kutuplarda görülmektedir. Bu soruna bağlı olarak yaşamlarını sürdüren su altı diatomları, ayıbalıkları, kutup ayıları ve mors gibi canlılar için sorun yaratacaktır. Ayrıca, buzulların erimesiyle meydana gelecek deniz suyu seviyesindeki yükselmeler taşkınlara, erozyona ve artan sediment taşınımına neden olacaktır. Küresel ısınma yaban hayatını da olumsuz etkilemektedir (Bornman ve ark., 2015).
Çevre kirlenmesini iki tipe ayırabiliriz;
Birinci tip kirlenme: Kendi kendine ya da biyolojik olarak zararsız hale gelen maddelerin oluşturduğu kirliliktir. Hayvanların dışkıları, besin artıkları, bitki kalıntıları ve hayvan ölüleri gibi maddeler birinci tip kirlenmeyi oluşturur. Kısa süre de kolayca yok olan maddelere ortaya çıkardığı kirliliğe geçici kirlilik denir.
İkinci tip kirlenme: Kendi kendine ya da biyolojik olarak kaybolmayan çok uzun yıllar içinde yok olan maddeler sonucu oluşan kirliliktir. Neden olan materyaller; deterjan, plastik, radyasyon, böcek öldürücüler, tarım ilaçları vb. ikinci tip kirlenmedir. Bitkilerin ve hayvanların vücuduna da katılan ikinci kirlenme diğer bir deyişle kalıcı kirlenme besin zincirinin en son halkası olan insanların yaşamını da tehlikeye sokmaktadır (Anonim 2, 2017).
Ozonun mikotoksinlere olan etkisi
Yem hammaddeleri, yetiştirme, hasat, işleme ve depolama sırasında herhangi bir zamanda bakteri ve mantarlarla kirlenebilirler. Mikotoksinler, toksik etki gösteren bazı küf mantarları tarafından üretilmekle birlikte, insan ve hayvanlar tarafından alındıkları zaman, latent, kronik veya akut zehirlenmelere yol açan kimyasal maddeler veya metabolitlerdir (Çelik, 2019).
Kanatlı yemlerindeki mikrobiyal faaliyetler nedeniyle oluşan küf ve mantar kontaminasyonları, yemin kalitatif ve kantitatif kalitesini belirleyen en önemli konulardan biridir. Mikrobiyal kontaminasyon, kuru madde ve besin maddelerinin azaltılması, küflü veya ekşi kokulara neden olması ve yemlerin topaklanması gibi sayısız yolla da yem kalitesini olumsuz yönde etkilenebilmektedir. Yem ve gıdaların yüzeylerinde veya tamamına kontamine olan mikroorganizmalar, ürünlerin besin kalitesini bozar ve ayrıca insan ve hayvan sağlığı için tehlikeli olan metabolitler (mikotoksinler) üretir. Bunların kanserojen ve immünosüpresif özellikler gösterdiği ve hem insanlarda hem de hayvanlarda çeşitli fizyolojik bozukluklara neden olduğu bilinmektedir (Çelik, 2019).
Kanatlı hayvanların mikotoksinlere maruz bırakılması, öncelikle kontamine mısır, tahıl veya diğer yem bileşenlerinin tüketilmesi ile oluşur. Biyolojik ve kimyasal koruma, yemin işlenmesi ve depolamadaki koruyucu önlemlere rağmen, mikotoksin kontaminasyonu yemdeki varlığını devam ettirerek, yem endüstrisi için hala ciddi bir sorun olmaya ve yem tedarik güvenliği için süregelen bir risk oluşturmaya devam etmektedir (Çelik, 2019).
Yemlerde mikotoksinleri etkisiz hale getirmek ve mantar kontaminasyonunu ortadan kaldırmadaki etkinlikleri ile bağlantılı olarak çeşitli kimyasal işlemler incelenmiştir. Bununla birlikte, kullanılan bu kimyasalların çoğu, toksik kalıntı bırakmalarının yanı sıra kanserojen özelliklere sahiptir (Çelik, 2019).
Ozon, mantar büyümesini kontrol etmek ve mikotoksin bulaşmasını azaltmak için etkili bir şekilde kullanılabilmektedir (Çelik, 2019).
Sonuç
Bu yazıda atmosferik ozonun hayvanlar üzerinde ve dünya üzerinde olan büyük ve etkili nedenlerini açıklamaya; karbondioksitin yaşamımız ve hayvan sağlığı için fark edilmese de ne kadar önem arz eddiğini vurgulamaya çalıştım. Ek olarak yapılan çalışmalar doğrultusunda, hayvan barınaklarının başta olan kirletici gazları ile birlikte, partiküler madde, uçucu organik bileşikler ve endotoksinler vb. gibi birçok farklı konularda kirleticilerin atmosfere salındığı da gösterilmiştir. Hayvansal üretim birtakım kirleticilerin temel kaynağını oluşturmaktadır.
Bu makale 2020-2021 Akademik yılı güz dönemi Organik Kimya öğrencilerimizden Yağmur Özal tarafından hazırlanmıştır.
Baiz AF, McKenzie RL, Bernhard G, Aucamp PJ, Ilyas M, Madronich S, Tourpali K. 2015. Ozone depletion and climate change: impacts on UV radiation Photochem Photobiol. Sci, 14:19-52.
Bornman JF, Barnes PW, Robinson SA, Ballaré CL, Flinte SD, Caldwell MM. 2015. Solar ultraviolet radiation and ozone depletion driven climate change: effects on terrestrial ecosystems. Photochem Photobiol, 14:88-100.
Çelik O. 2019. Ozon uygulamasinin, etlik piliç yemlerinin mikrobiyolojik özellikleri ve besin madde kompozisyonu üzerine etkileri. Yüksek Lisans Tezi, Tekirdağ Namik Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekirdağ.
Graedel TE, Crutzen PJ. 1993. Atmospheric Change: an Earth System Perspective. 2nd ed. Freeman, New York.
Kılıç İ, Şimşek E. 2009. Hayvan barınaklarından kaynaklanan gaz emisyonları ve çevresel etkileri. Uludağ Üniversitesi Mühendislık – Mimarlık Fakültesi, 14(2),151-160.
Pirce S. 2020. Atmosferde oksijenin birikmesi organik karbonun saklanmasına bağlı. https://www.atlasdergisi.com/kesfet/karbondioksit-nedir-karbondioksitin-kuresel-iklime-nasil-onemli-etkisi-olabilir.html. (Erişim 15.11.2020)
Remondino M, Valdenassi L. 2018. Different Uses of Ozone: Environmental and Corporate Sustainability. Literature Review and Case Study. Sustainability 2018, (10): 47-83.
Saucedo MO, Rodriguez SHS, Flores CFA, Valenzuela RB, Luna MAL. 2019. Effects of ultraviolet radiolet (UV) in domestic animals. Review. Rev Mex Cienc Pecu, 10(2):416-432.
Smith JG. 2010. Principles of General, Organic, & Biological Chemistry 1st ed. McGraw Hill.
Sönmez Bi. 2019. Kapalı alanlardaki karbondioksit oranları sağlığa zararlı olabilir. https://www.dunyahalleri.com/kapali-alanlardaki-karbondioksit-oranlari-sagliga-zararli-olabilir/. (Erişim 14.11.2020)
Targino J, Almeida S, Macedo E, Almeida BE, Santana de OR, Anjos FE, Ocampos PPM. 2013. Squamous cell carcinoma in the frontal region of the head in a goat. Acta Scient Vet, 41:4-8.
Köpeklerde non-Hodgkins Lenfoma (NHL) veya Malignant Lenfoma’nın (ML) görülme oranının 100.000’de 24’den fazla olduğu bildirilmektedir. Köpeklerde ML hastalığının tanı ve tedavisindeki gelişmeler sadece hayvanların yaşam kalitesini artırmamakta ayrıca veteriner karşılaştırmalı onkolojide daha iyi modellemelerin yapılmasını mümkün kılmaktadır.
Timidin kinaz (TK), pirimidin sentezi sırasında önemli bir rol oynayan hücre içi enzimdir. TK aktivitesi özellikle hücre bölünmesi sırasında G1-S aşamasında belirgin şekilde artar, G2 aşamasında hızla düşer. Bu nedenle hücre dışı yüksek TK aktivitesi yüksek oranda DNA sentezini ve hücre bölünmesi aşamasıda ölen hücreleri yansıtmaktadır. Hematopoetik sistem maligniteleri yüksek oranda hücre proliferasyonu ile karakterizedir. Veteriner alanında yapılan çalışmalar ile serum Timidin kinaz aktivitesinin lösemi, multiple myeloma ve malignant lenfomanın tanı, prognozu ve tedavi etkinliğinin izlenmesinde önemli belirteç olduğu gösterilmiştir.
TK Aktivitesi yıllardır beşeri onkolojide hematopoetik tümörlerin tanı, prognoz ve tedavi takibinde kullanılmakta olup veteriner alanıdaki ilk çalışma Tokyo Üniversitesi, Tarım Fakültesi, Veteriner İç Hastalıkları bölümünden Nakamura ve ark. tarafından 1997’de Lenfoma, lösemi, non-hematopoetik tümörlü (meme tümörü, mastositoma, anal kese tümörü, malignant histiyositozis) ve sağlıklı köpeklerde yapılmıştır. Analiz sonrası Lenfoma ve Lösemili köpeklerde TK Aktivitesinin sağlıklı köpeklere göre belirgin şekilde arttığı; non-hematopoetik tümörlü köpeklerde ise sağlıklı köpekler ile aynı düzeyde olduğu tespit edilmiştir. Yine aynı çalışmada tedavi öncesi, klinik belirtilerin yok olduğu aşama ve nüks aşamasında gerçekleştirilen analizlerde TK Aktivitesinin tedavinin izlenmesinde önemli olduğu belirlenmiştir.
İsveç Tarım Bilimleri Üniversitesi; Veteriner Hekimliği ve Hayvan Bilimleri Fakültesi, Klinik Bilimleri Bölümü, Klinik Karşılaştırmalı Onkoloji Merkezinden Prof. Dr. Hendrik von EULER ve arkadaşlarının 1999-2003 yılları arasında ML teşhisi konmuş köpeklerde yapmış oldukları bir başka çalışmada ise TK Aktivitesinin ML hastalığının tanısında ve özellikle prognozunun belirlenmesinde ve kemoterapi gören köpeklerde klinik hastalığın nüks olmadan önce tahmin edilebilmesinde güçlü bir belirteç olarak kullanılabileceğini bildirilmiştir. Serum TK Aktivitesinin ML hastalıklı köpeklerde sağlıklı köpeklere göre 2 ile 180 kat arasında daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Tedaviye yanıt veren ve kanser belirtileri ortadan kalkan (complete remission) köpeklerde ise TK aktivitesinin normal değerlere düştüğü, nüks öncesi ise TK Aktivitesinin yeniden arttığı tespit edilmiştir. Aynı çalışmada TK aktivitesinin hastalığın klinik evreleri ile korelasyon içinde olduğu belirlenmiştir.
Köpeklerde yapılan çalışmalarla birlikte son yıllarda benzer çalışmalar kedilerde yapılmaya başlanmıştır. Kediler üzerindeki ilk çalışma 2012 yılında yayınlanan ve aynı zamanda partner laboratuvarımız olan Dechra Speacialist Laboratories’inde yer aldığı İngiltere ve İsveç’deki toplam 171 kediden yapılmıştır. Çalışmada yer alan kedilerin 49’u sağlıklı, 33’ü lenfomalı, 55’i inflamasyonlu hastalıklı ve 34’ü non-hematopoetik neoplaziliydi. Çalışma sonunda lenfomalı kedilerde serum TK aktivitesinin diğerlerine göre belirgin düzeyde yüksek olduğu tespit edilmiş, yüksek TK aktivitesinin lenfoma tanısını güçlendireceği bildirilmiştir.
Son çalışmalarla birlikte Timidin kinaz aktivitesi;
Diğer klinik ve laboratuvar bulguları ile birlikte lenfoma ve lösemi tanısında,
Prognozun değerlendirilmesinde,
Tedavi öncesi, sırasında ve sonrasında yapılan analizler ile kemoterapötik başarının değerlendirilmesinde,
Kemoterapinin izlenmesi ve nüks vakaların şekillenmeden önceki aşamasında belirlenmesinde,
Kemoterapi tedavisi alan hastalarda klinik olarak kötüye gidişin ayırt edilmesinde başarı ile kullanılmaktadır.
Kaynaklar
Boyé, P. et al. (2019) ‘Evaluation of serum thymidine kinase 1 activity as a biomarker for treatment effectiveness and prediction of relapse in dogs with non-Hodgkin lymphoma.’, Journal of veterinary internal medicine, 33(4), pp. 1728–1739. doi: https://doi.org/10.1111/jvim.15513.
Bryan, J. N. (2016) ‘The Current State of Clinical Application of Serum Biomarkers for Canine Lymphoma.’, Frontiers in veterinary science, 3, p. 87. doi: https://doi.org/10.3389/fvets.2016.00087.
von Euler, H. et al. (2004) ‘Serum thymidine kinase activity in dogs with malignant lymphoma: a potent marker for prognosis and monitoring the disease.’, Journal of veterinary internal medicine. United States, 18(5), pp. 696–702. doi: https://doi.org/10.1892/0891-6640(2004)18<696:stkaid>2.0.co;2.
Jagarlamudi, K. K. et al. (2015) ‘A New Sandwich ELISA for Quantification of Thymidine Kinase 1 Protein Levels in Sera from Dogs with Different Malignancies Can Aid in Disease Management.’, PloS one, 10(9), p. e0137871. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0137871.
Kayar, A. et al. (2018) ‘Clinical features, haematologic parameters, blood serum biochemistry results and thymidine kinase activity of dogs affected by malignant lymphoma in Turkey’, Japanese Journal of Veterinary Research, 66(4), pp. 227–238. doi: https://doi.org/10.14943/jjvr.66.4.227.
Larsdotter, S., Nostell, K. and von Euler, H. (2015) ‘Serum thymidine kinase activity in clinically healthy and diseased horses: a potential marker for lymphoma.’, Veterinary journal (London, England : 1997). England, 205(2), pp. 313–316. doi: https://doi.org/10.1016/j.tvjl.2015.01.019.
Nakamura, N. et al. (1997) ‘Plasma thymidine kinase activity in dogs with lymphoma and leukemia.’, The Journal of veterinary medical science. Japan, 59(10), pp. 957–960. doi: https://doi.org/10.1292/jvms.59.957.
Selting, K. A. et al. (2016) ‘Thymidine Kinase Type 1 and C-Reactive Protein Concentrations in Dogs with Spontaneously Occurring Cancer.’, Journal of veterinary internal medicine, 30(4), pp. 1159–1166. doi: https://doi.org/10.1111/jvim.13954.
Taylor, S. S. et al. (2013) ‘Serum thymidine kinase activity in clinically healthy and diseased cats: a potential biomarker for lymphoma.’, Journal of feline medicine and surgery. England, 15(2), pp. 142–147. doi: https://doi.org/10.1177/1098612X12463928.
Genel kanıya göre uzun yıllardır köpek yaşını insan yaşına çevirmenin en bilinen yolu, 1 köpek yılının 7 insan yılına eşit olduğuydu. Bunun yanında köpek ırkları arasındaki farklılığa göre de kaç insan yılına karşılık geldiğini hesaplamak için farklı yaklaşımlar bulunmaktadır. Ancak, yaşlanma son derece karmaşık bir süreçtir ve önemli bir araştırma alanıdır.
Günümüzde gerek bir insanın gerekse bir hayvanın yaş bilgisi istendiğinde, beklenen cevap doğum tarihinden itibaren geçen yılların hesaplanması ile ortaya çıkacaktır. İşte bu “kronolojik yaş” olarak tanımlanmaktadır. Ancak, yaş ile ilgili farklı bir tanımla daha vardır. Bu da “biyolojik yaş” dır. Biyolojik yaş ise bir canlının gelişimini tanımlamak için hastalık, bilişsel bozukluk, aktivite seviyesi ve son yıllarda tespit edilen genetik belirteçler gibi göstergelerin değerlendirilmesi veya değişikliklerinin incelenmesi esasına göre belirlenmektir. Dolayısı ile kronolojik yaşı belirlemek kolay iken, biyolojik yaşı belirlemek daha zorlayıcıdır ve sürekli değişen faktörlere bağlıdır. İkisi arasındaki fark birçok araştırmaya konu olmaktadır. Özellikle biyolojik yaşı belirlemeye yönelik olarak genetik çalışmalar son yıllarda önem kazanmıştır. Yaşlanma biyolojisi üzerine yapılan araştırmalar, bu değişikliklerin altında yatan hücresel ve moleküler süreçleri ve yaşa bağlı hastalıkların başlangıcına eşlik eden olayları anlamaya odaklanır. Köpek yaşlını hesaplama noktasında da biyolojik yaş dikkate alınmalıdır.
En samimi dostlarımızdan olan köpeklerin yaşları ile ilgili olarak yıllardır kullanılan yaklaşımın değişme zamanı geldi. Wang ve ark. nın köpekten insana yaşlanmanın çevirimi hakkındaki çalışmaları “Cell Systems” dergisinin Temmuz 2020 sayısında yayınlandı. Araştırıcılar, köpeklerin insan yaşına göre düşündüğümüzden çok daha yaşlı olduğunu ortaya koydular. Bunun yanında, organizmalar yaşlandıkça DNA’da meydana gelen kimyasal değişiklikleri esas alarak bir köpeğin yaşını hesaplamak için daha doğru bir formül geliştirdiler.
Dostlarımız yaşamları boyunca sahipleri ile aynı ortamı paylaşır. Bunun yanında muhtemelen aynı standartta sağlık hizmeti alırlar. Köpeklerde insanlar gibi zamanla yaşa bağlı hastalıklara daha duyarlı hale gelir ve benzer gelişimsel yörüngeler izlerler. Bununla birlikte, moleküler düzeyde yaşlanma şekilleri daha karmaşıktır. Araştırmacılar ilk başta yaşlanmanın daha hızlı olduğunu ve daha sonra yaşlanmanın yavaşladığını tespit etti. Örneğin, 1 yaşındaki bir dişi köpek fizyolojik olarak yavrulayabilecek yaşa gelmiştir. Bunu bilinen formül ile insan yaşına çevirmek doğru bir yaklaşım olmayacaktır. Yapılan çalışmada aslında 1 yaşında olan bir köpeğin biyolojik olarak 30 yaşındaki bir insan gibi olduğunu ortaya çıkarmıştır.
Bir canlının karakteristiğini kodlayan DNA’sı yaşam boyunca çok fazla değişmez, ancak DNA’daki metilasyon işaretleri adı verilen kimyasal işaretler değişir. Bu işaretler genomdaki kırışıklıklar olarak tanımlanır. Bu işaretleri kullanmak bir insanın yüzündeki değişimlere bakarak yaşını tahmin etmek gibidir. Araştırmacılar çalışmalarında hem insan hem de köpeklerde yaşa bağlı metilasyonun büyük ölçüde gelişimsel genlerde gerçekleştiğini buldular. Bu genler özellikle embriyonal, fötal ve çocukluk gelişimini düzenlemek için çalışırlar. Büyüme tamamlandığında, bir başka deyişle yetişkin olunduğunda bu genler aktif değildir, fakat bir odunun için için yanması gibi çalışmaya devam ederler. Dolayısı bu genlerdeki metilasyon işaretlerinde değişimler devam eder. Bu genlere odaklanan araştırmacılar farklı türlerdeki yaşı ve fizyolojik durumları ölçebilen bir saat modeli geliştirdiler.
Araştırmacılar, birkaç haftalık yavrulardan 16 yaşındaki köpeklere kadar uzanan 104 Labrador Retriever ırkı köpek üzerinde çalıştı ve metilasyon desenlerindeki değişiklikleri insanlarla karşılaştırdılar. Karşılaştırma neticesinde köpek-insan yaşam evrelerine daha iyi uyan yeni bir formül ortaya koydular.
İnsan eşdeğer yaş = 16 ln (köpek kronolojik yaşı) + 31 ln: e tabanında logaritma (doğal logaritma)
Bu formüle göre 8 haftalık bir köpek yaklaşık olarak 9 aylık bir bebek yaşındadır. Bir Labradorun ortalama 12 yıllık ömrü, bir insanın ortalama 70 yıl olan yaşam beklentisine karşılık gelir.
Tablo 1. Köpek yaşının insan yaşına yaklaşık çevirimi (Wang ve ark. 2020).
Yaşam Dönemi
Köpek Yaşı
İnsan Yaşı
Jüvenil (Bebeklikten/yavru sonraki ve ergenlikten önceki dönem)
2 – 6 ay
1 – 12 yıl
Adolesan (Ergenlikten büyümenin tamamlanmasına kadar geçen süre)
6 ay – 2 yıl
12 – 25 yıl
Yetişkin
2 – 7 yıl
25-50 yıl
Yaşlı (Ortalama yaşam süresine kadar geçen dönem)
12 yıl
70 yıl
Bu çalışmayı yorumlarken dikkat edilmesi gereken bir nokta olduğunu unutmamalıyız. Araştırmacılar labrador ırkı köpekler ile çalışmışlardır. Mutlaka farklı köpek ırklarında yapılacak araştırmalarda gereklididir. Böylelikle bu saat modeli hakkında daha fazla bilgi toplanabilecektir. Saat yalnızca türler arası yaşlanmayı anlamak için bir araç olarak değil, aynı zamanda veteriner hekimlerin hayvanları tedavi etmek için proaktif adımlar atmaları adına klinik uygulamalarda önemli olacaktır.
Son olarak, köpeğinizle gezerken sizden kronolojik olarak küçük ama biyolojik olarak yaşıt ve belki de daha büyük bir dostunuzla gezdiğinizi göz önünde bulundurunuz.
Kaynak: Wang T, Ma J, Hogan AN, et al (2020) Quantitative Translation of Dog-to-Human Aging by Conserved Remodeling of the DNA Methylome. Cell Syst 1–10. https://doi.org/10.1016/j.cels.2020.06.006
Birleşik Krallık, Lincoln Üniversitesi’nden hayvan davranışı bilimcileri Miriam Rebecca Prior, DVM and Prof. Daniel Simon Mills, evlerde yatıştırıcı feromonların kullanımının hem köpeklerin hem de kedilerin aynı çatı altında yaşadığı mutlu bir evin anahtarı olabileceğini bildirdikleri çalışmaları Frontiers in Veterinary Science dergisinin 2020 Temmuz sayısında yayınlandı. Bu çalışma, iki türün aynı evde yaşarken aralarındaki etkileşimi iyileştirmek için feromon ürünlerinin kullanımını araştıran türünün ilki olmuştur.
Bilim insanları çalışmalarında feromonlar dan iki farklı ürünü evlerde kedi-köpek etkileşimleri üzerindeki etkilerini araştırdı. Bu amaç için 6 haftalık bir süre boyunca körleştirilmiş paralel rastgele bir çalışma tasarımı kullanıldı. Çalışma süresince hayvan sahipleri, 10 belirli istenmeyen etkileşim ve yedi belirli istenen etkileşim sıklığı hakkında haftalık olarak rapor verdiler.
Başlangıç ile karşılaştırıldığında tedavi sırasında istenmeyen etkileşimin önemli ölçüde düştüğü saptandı. Toplam istenmeyen ve istenen etkileşim puanlarının her ikisi de zaman içinde önemli değişimler gösterdi; istenmeyen puan azaldı, istenen puan arttı. Bunun yanında, çalışma sonunda kullandıkları iki feromon ürünü arasında önemli bir fark tespit etmediler. Özellikle her iki ürünün kullanılması ile kediyi kovalayan köpek/kedi kaçar; Köpekten saklanan kedi; birbirine dik dik bakan Kedi/köpek; kediye havlayan köpke davranışlarına ciddi bir azalma bildirdiler. Bunun yanında bir üründe aynı odada dostça selamlama ve rahatlama zamanlarında da önemli bir artış olduğunu bildirdiler.
Sonuç olarak, her iki feromon ürünün de aynı evde yaşayan kedi ve köpekler arasındaki ilişkiyi geliştirdiği, bir başka deyişle olumlu etkisi olduğu görülüyor. Kediler ve köpekler en popüler evcil hayvanlardır. Özellikle batı ülkelerinde bu türlerin popülasyonuna ait raporlar bulunmaktadır. Her iki türün bakıldığı-beslendiği hane sayısı da giderek yaygınlaşmaktadır. Her ne kadar elimizde veri olmasa da ülkemizde benzer bir durumun geliştiği kanaatindeyiz. Şüphesiz ki bu çalışma bir başlangıç noktasıdır ve daha birçok yeni çalışmaya gerek vardır.
İleri Okuma: Prior, M. R., & Mills, D. S. (2020). Cats vs. Dogs: The Efficacy of Feliway FriendsTM and AdaptilTM Products in Multispecies Homes. Frontiers in Veterinary Science, 7(July), 1–10. https://doi.org/10.3389/fvets.2020.00399
Zaman zaman sizlere klinik laboratuvar tanıda yer edinebilecek yeni belirteçler hakkında yapılan çalışmaları aktarmaktayız. Olası yeni belirteçlerden bir tanesi ile ilgili BMC Veterinary Research dergisinin son sayısında Yi et al., 2020 tarafından yapılan “Investigation on urinary and serum alpha klotho in dogs with chronic kidney disease” isimli çalışmanın kıymetli olduğunu düşünüyoruz ve sıcağı sıcağına sizlere kısaca aktarmayı uygun bulduk.
Köpeklerde böbrek hastalıkları sıklıkla karşılaşılan rahatsızlıklardan biridir ve çoğunlukla kronik böbrek hastalığı (KBH) görülmektedir. Glomerular filtrasyon oranın (GFR) düşüşü ile karakterize olan bu hastalığa bağlı olarak ikincil bozukluklar da gelişmektedir; örneğin yüksek oranda hiperfosfatemi ile karakterize renal sekonder hiperparatirodizim. Buna bağlı olarak mineral kemik bozuklukları da ortaya çıkmaktadır ve “KBH-Mineral kemik bozukluğu” şeklinde tanımlanmaktadır. Bu durum, hiperfosfatemi, artmış fibroblast büyüme faktörü (FGF)-23 ve paratiroid hormon seviyeleri ile seyreden renal osteodistrofi ve anormal mineral metabolizması ile karakterizedir.
Klotho geni (α-, β-, ve γ-klotho genleri) ilk olarak farelerde tespit edilmiştir. Klotho proteinlerinin membran ve çözünür formları vardır ve FGF-19, FGF-21 ve FGF-23’ün aynı kökenli FGF reseptörlerine (FGFR’ler) yüksek afiniteli bağlanması için gerekli oldukları için endokrin fibroblast büyüme faktörü (FGF) reseptör komplekslerinin temel bileşenleridir. Membran formu esas olarak böbreğin proksimal ve distal tübüllerinde eksprese edilir. Fizyolojik koşullar altında FGF-23, serum fosfor konsantrasyonlarını azaltmak için parathormon (PTH) ve 1,25-dihdroksikalsiferol (aktif Vitamin D3) salgılanmasını inhibe eder. KBH’de membrana bağlı klotho ekspresyonunun azalması, FGF reseptör-klotho kompleksleri yoluyla FGF-23 aracılı sinyal iletimini sınırlar ve PTH düzeylerinde artışa neden olur. Ayrıca, çözünür klotho’nun doğrudan böbrekteki fosfor atılımını kontrol ettiği ve lα-hidroksilaz aktivitesini ve PTH ile FGF-23 salgılanmasını düzenleyerek sistemik mineral homeostaza katkı koyduğu da bilinmektedir. Ayrıca, çözünür alfa-klotho sistemik dolaşımda bulunan fonksiyonel majör formdur. Bunun yanında beyin omurilik sıvısı (BOS) ve idrarda da bulunur. Böbreklerin, çözünür alfa-klothonun ana kaynağı ve dolayısı ile sistemik konsantrasyonunun esas düzenleyicisi olduğu bilinmektedir.
Veteriner Hekimliği ve hayvan sağlığı alanında önemli bir yere sahip olan BMC Veterinary Research dergisinin son sayısında Yi et al., 2020 tarafından KBH’li köpeklerde alfa-klotho’nun KBH’nin laboratuvar tanısında olası kullanımına yönelik yapılan çalışma sonuçları yayınlanmıştır. Araştırıcılar nefron kaybının, çözünür klotho sentez ve salgılanmasında azalmaya yol açabileceği hipotezinden yol çıkarak sağlıklı ve KBH’li köpeklerde serum ve idrarda alfa-klotho düzeylerini belirlediler ve değerlendirdiler. Bunun yanında alfa-klotho sonuçlarını IRIS (International Renal Interest Society) KBH rehberine göre hastalık aşamaları ve serum SDMA, kreatinin, BUN, fosfor konsantrasyonları ve idrar alfa-klotho:kreatinin oranı ile birlikte de değerlendirerek aralarındaki ilişkiyi ortaya çıkarmaya amaçladılar.
Çalışma sonuçlarına bakıldığında, ileri KBH’li köpeklerde özellikle idrar alfa-klotho:kreatinin sonuçlarında azalma olduğu tespit edilmiştir. Araştırıcıların ortaya çıkardığı bir diğer dikkati çeken bulgu ise idrar alfa-klotho:kreatinin oranının serum SDMA, BUN, kreatinin ve fosfor konsantrasyonları ile negatif ilişkili olmasıdır. Bu durumunda alfa-klothonun KBH ve KBH-mineral kemik bozukluğu gibi klinik sonuçlar ile ilişkili olabileceğini desteklediği ve yararlılığını doğrulamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulduğunu belirtmişlerdir.
Hayvan sağlığı alanında rutin laboratuvar tanının önemi her yeni çalışma ile daha da artmaktadır. Bir biyokimyasal belirtecin rutin veya özel laboratuvar testleri arasında yer alabilmesi için şüphesiz ki birçok çalışmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Yi ve ark., 2020 yaptıkları bu çalışma ile KBH tanısında ve belki de hastalığın izlenmesinde yeni bir parametrenin kullanımına yönelik önemli bir süreci başlattılar.
Çalışmanın tamamına erişmek ve okumak için: Yi, H. J., Lee, J. B., Lee, K. P., Oh, Y.-I., Song, K. H., & Seo, K. W. (2020). Investigation on urinary and serum alpha klotho in dogs with chronic kidney disease. BMC Veterinary Research, 16(1), 246. https://doi.org/10.1186/s12917-020-02458-5
