3.BÖLÜM: PROTEİNLER

• Proteinler bütün canlı varlıkların en önemli ve hücrelerin de en bol bulunan organik bileşikleridir. Bütün biyolojik olaylarda hayati görevleri vardır.

BİYOLOJİK FONKSİYONLARI

• Enzimatik katalizleme

• Taşıma ve depolama: Birçok küçük molekül ve iyonlar spesifik proteinler tarafından taşınmakta ve depolanmaktadır. Mesela, oksijen transportu kanda hemoglobinle gerçekleşirken, depolanması kaslarda miyoglobin tarafından sağlanır. Demir kan dolaşımında transferrin proteini tarafından taşınırken, yine karaciğerde ferritin adı verilen bir başka proteinle kompleks oluşturarak depolanır.

• Mekanik hareket: Proteinler, kasların en başta gelen bileşenleridir. Kas kasılması iki çeşit lif yapısındaki proteinlerin kayma hareketiyle ortaya çıkmaktadır. Mitoz olayında kromozomların hareketi de bir takım proteinlerin sayesinde olmaktadır.

• Mekanik destek: Deri ve kemik dokularının gerilmeye dayanıklılığı, fibröz bir bağ dokusu proteini olan kollagen tarafından sağlanmaktadır. Yine, saç, kıl, tırnak, yün, pençe ve kaplumbağanın kabuğu gibi destek ve koruyucu yapılar -keratin grubu proteinlerden oluşur.

• Koruma: Antikorlar, vücuttaki virüs, bakteri ve diğer organizma hücreleri gibi yabancı maddeleri tanıyan ve onlara bağlanarak dolaşımdan uzaklaştırılmalarını sağlayan çok spesifik proteinlerdir. Böylece proteinlerin organizmaya ait olanla olmayanları birbirinden ayırt etmede en önemli rolü oynadığı görülür. Ayrıca, kanama anında pıhtılaşmayı (koagülasyonu) sağlayan koagülasyon faktörlerinin tamamına yakını protein yapısındadır.

• Sinir uyarılarının üretimi ve iletimi: Spesifik uyarılara karşı sinir hücrelerinin cevabı reseptör proteinler aracılığı ile olmaktadır. Mesel , rodopsin, retinal çubuk hücrelerinin fotoreseptör (ışık algılayıcı) proteinidir. Sinir hücrelerinde uyarıları iletme görevini üstlenen reseptör molekülleri de protein yapısındadır.

• Hormonlar: Metabolizma olaylarının koordineli biçimde yürümesini sağlayan hormonların büyük bölümü protein yapısındadır. Bunun yanı sıra bütün hormonlar, hedef hücrelerinde protein yapısında olan reseptör moleküllere bağlanarak etkilerini gösterirler.

• Büyüme ve farklılaşmanın kontrolü: Hücre çekirdeğindeki genetik bilginin kontrolü ve sıra ile ifadesi gerekir. Herhangi bir anda hücre genomunun belirli bir kısmı ifade edilir. Bakterilerde represör (baskılayıcı) proteinler, hücre DNA’sının spesifik bölgelerinin ifade edilmeden kalmasını sağlayan kontrol molekülleridir.

• Proteinler, molekül ağırlıkları 5-10 binden birkaç

milyona kadar değişen büyük moleküllerdir.

• Bazı proteinlerin molekül ağırlıklarına örnek olarak

insulin 5500; ribonükleaz 13.700; tripsin 23.800;

hemoglobin 68.000; fibrinojen 450.000; tiroglobin

630.000 ve virüsler birkaç milyon şeklinde verilebilir.

• Proteinlerin % 50’si karbon, % 7’si hidrojen, % 23’ü

oksijen, %16’sı azot ve % 0-3’ü kükürtten ibarettir.

• Bunların yanı sıra fosfor, demir, iyot, bakır, çinko ve

mangan gibi bazı elementler de bir takım spesifik

proteinlerde bulunur.

3.1.AMİNO ASİTLER

• Basit proteinler asit, baz veya enzimler tarafından hidroliz edildikleri zaman, yapı taşları olan -amino asitlere parçalanır.

• -Amino asitler, -karbon atomuna bir amino grubu (-NH2), bir karboksil grubu (-COOH), bir hidrojen atomu (-H) ve bir yan grubun (-R) bağlanmasıyla ortaya çıkan bileşiklerdir.

• -Amino asitler, birbirlerinden farklı R grubu ihtiva ederler.

• Buradaki R, organik kimyadaki alkil grubu anlamında olmayıp, -karbona bağlı herhangi bir dördüncü yapıyı ifade etmektedir.

• R-grubunun H dışındaki durumlarında -karbon atomu

asimetrik olduğundan, amino asitler optikçe aktiftir.

• Birbirinin ayna görüntüsü olup, D- ve L- izomerleri adı

verilen iki şekli vardır.

• Yalnız L- amino asitleri proteinlerin yapısında yer alır.

COOH

NH2HC

R

• Proteinler, şekil, büyüklük, yük, hidrojen bağı yapma kapasitesi ve kimyasal aktivite yönünden birbirlerinden farklı R gruplarını bulunduran yirmi çeşit amino asidi ihtiva eder.

• Gerçekten bakteriden insana kadar bütün türlerin, bütün proteinleri aynı 20 amino asitten yapılmış olup, bu protein alfabesi yeryüzünde hayatın başlangıcından beri geçerliliğini sürdürmektedir.

• Proteinlerin birbirinden son derece farklı fonksiyonları, aynen ciltler dolusu kitabın 29 harften yazılması gibi, sözü geçen amino asitlerin değişik dizilişleri ile ortaya çıkmaktadır.

• Amino asitlerin iyonlaşmamış halde genel formülleri aşağıdaki gibidir.

• En basit amino asit glisindir R grubu

yerine hidrojen atomu içerir.

• Bu yüzden -karbonu asimetrik

değildir.

• Alanin yan grup olarak metil içerir.

• Yan gruplara sahip diğer amino

asitler ise, valin, lösin, izolösin ve

prolindir.

• Prolin, diğer amino asitlerdeki

primer amino grubu yerine sekonder

amino grubu taşıdığından, aslında

bir imino asittir.

• Prolindeki R grubu, hem -

karbonuna, hem de amino grubuna

bağlanarak halkalı (siklik) bir yapı

oluşturur.

• Gördüğümüz amino asitlerin yan zincirleri

fizyolojik pH’de yüksüzdür.

• Bunlardan yalnız tirozin ve sisteinin R grupları

fizyolojik pH dışında iyonlaşabilir (Tablo 3.2).

• Yine yukarıda incelenen serin, treonin ve tirozin

haricindekiler apolar, yani hidrofobik yan

zincirlere sahiptir.

3.6.PROTEİNLERİN YAPISI

• Bir protein zinciri amino asitlerin birleşmesiyle meydana gelir.

• Yalnızca amino asitlerinden ibaret olan bir protein molekülü her zaman biyolojik aktivite göstermeyebilir.

• Biyolojik fonksiyonunu yerine getirebilmek için bazen amino asit yapısında olmayan metal iyonları, karbohidratlar, lipidler, koenzimler, porfirin halkaları vs. gibi kimyasal birimlerle birleşir, bazen de birden fazla polipeptid zinciri bir araya gelerek belirli bir biyolojik görevi üstlenir.

• Mesela kanda O2 taşınmasını üstlenen hemoglobin, dört polipeptid zincirinden ibarettir.

• Bu tip proteinlerde zincirlerin herbirisine alt birim (subunit) adı verilir.

• Hemoglobin 4 alt birimin yanı sıra, her bir alt biriminde, porfirin halkası ve demir iyonundan ibaret hem grubu adı verilen bir gruptan da 4 adet ihtiva eder.

• Proteinlere yapışık olan bu tip yapılara prostetik grup adı verilir.

• Yüzlerce amino asidin oluşturduğu protein molekülünün sulu çözelti içinde uzunca tek bir zincir halinde kalması mümkün değildir.

• Amino asitlerin yan grupları ve polipeptid zinciri omurgası üzerindeki polar bölgeler arasında bir takım etkileşmelerin olacağı muhakkaktır.

• Acaba, grupların böyle karşılıklı etkileri sonucu gelişigüzel bir katlanma mı veya düzenli ve tekrarlanan bir yapı mı ortaya çıkmaktadır?

• Bu soruyu cevaplandırmak üzere Pauling ve Corey bir çok polipeptid konformasyonunu, moleküler modellerini yaparak değerlendirdiler.

• 1951’de bu çalışmalarına dayanarak iki tip periyodik polipeptid omurga yapısı ileri sürdüler: -sarmalı ve -kırmalı tabaka.

• - Sarmalı, çubuğumsu bir yapıdır.

• Sıkıca sarılmış polipeptid omurgası çubuğun iç kısmını teşkil

ederken, R grupları da bir sarmal düzeninde dışarıya doğru uzanırlar.

• -Sarmalı, zincir omurgası üzerindeki NH ve CO grupları arasında

oluşan hidrojen bağları ile stabilize edilirler.

• Her bir amino asidin -CO grubu, sıralanışta kendisinden 4 rezidü

sonra gelen amino asidin NH grubuna hidrojen bağıyla bağlanır:

• Bu şekilde protein omurgası üzerinde bulunan bütün CO ve NH grupları hidrojen bağları oluşturabilir.

• Eğer sarılmayı yukarıya doğru düşünürsek, birbirini takip eden amino asitler arasında 1,5 Ao’luk bir mesafe, 100o’lik bir dönüş gözlenir.

• Sarmalın bir dönüşü 3,6 adet amino aside karşılık geldiğine göre (360/100=3,6), aynı zamanda bir dönüşün yüksekliği 5,4 Ao (1,5x3,6) olarak bulunur.

• Sarmal sağ el veya sol el yönünde olabilirse de bütün bilinen proteinlerde -sarmal sağ el yönündedir (Şekil 3.7).

• Üç boyutlu yapısı bilinen proteinlerde -sarmal muhtevası birbirinden oldukça farklıdır.

• Miyoglobin veya hemoglobin gibi bazılarında -

sarmalı proteine hakim motifdir.

• Bir sindirim enzimi olan kimotripsin gibi bazılarına ise

-sarmalı yok denebilecek kadar kısadır.

• Bunlarda -sarmalı çubuğun uzunluğu 40 Ao’dan

kısadır.

• -Sarmalının hakim olduğu yapılarda çubuk uzunluğu

1000 Ao ve daha uzundur.

• Bazen iki veya daha fazla sayıda -sarmalı bir kablo

gibi birbiri üzerine sarabilir.

• Bu şekildeki proteinlere örnek olarak saç keratinini ve

kastaki miyozin ve tropomiyozini, derideki epidermini

ve kan pıhtısındaki fibrini verebiliriz.

• -Sarmalın yapısı Pauling ve Corey tarafından

miyoglobinin x-ışınları yardımıyla gerçek yapısının

ortaya koyulmasından 6 yıl önce belirlenmiştir. Bu

olay moleküler biyolojide bir kilometre taşıdır.

• Çünkü, böylece, bir polipeptid zincir

konformasyonunun, bileşenlerinin tam olarak

bilinmesiyle, önceden tahmin edilebileceği

gösterilmiştir.

• Pauling ve Corey, -sarmal yapının yanında proteinlerde ikinci bir yapısal periyodik motif keşfettiler ve ona da -kırmalı tabaka adını verdiler ( harfi -sarmalıdan sonra ikinci yapı olarak bulunduğu için kullanılmıştır).

• -Kırmalı tabaka, -sarmalıların çubuk yapısının aksine tabaka halindedir.

• -Kırmalı tabakada polipeptid zinciri -sarmalde olduğu gibi sıkı sarılmış halde değil, tamamen uzamış yapıdadır.

• Birbirine komşu amino asitler arasındaki eksensel mesafe 3,5 Ao’dur (-sarmalde 1,5 Ao idi).

• Bir diğer fark da -kırmalı tabakanın farklı polipeptid zincirlerindeki NH ve CO grupları arasındaki hidrojen bağlarıyla stabilize edilmesidir.

• -sarmalde ise hidrojen bağları aynı zincir üzerindeki peptid grupları arasındadır.

• Bir -kırmalı tabakada bitişik zincirler aynı (paralel) veya zıt (antiparalel) yöndedir.

• Antiparalel yapılardaki H-bağları nispeten doğrusal olduğundan, bu yapı daha kararlıdır.

• Mesela, ipek fibroin proteini tamamen antiparalel -tabakalarının yığılmasıyla oluşur.

• Birçok proteinde -tabakalı bölgeler tekrarlanan yapısal motiflerdir.

• Özellikle iki ile beş paralel veya antiparalel -zincirlerini ihtiva eden yapısal birimlere proteinlerde çok rastlanır (Şekil 3.8).

• Üçüncü tip periyodik motif de kollagen sarmalı’dır.

• Bu yapı deri, kemik ve eklemlerin başlıca proteini olan kollagenin yüksek gerilme gücünü sağlayan özelliğini verir.

• Kollagen moleküllerinde glisin bütün amino asitlerin üçte biri kadardır.

• Yine diğer proteinlerde görülmeyen şekilde fazla miktarda prolin ihtiva ederler.

• Bunları yanında 4-hidroksiprolin ve 5-hidroksilisin amino asitlerinin de bol olması kollagen proteinlerinin bir karakteristiğidir.

• Bu yapıda üç polipeptid zinciri birbiri üzerine sarılmıştır.

• Herbir zincirin sarmal motifi -sarmaldan tamamen farklıdır.

• Bu yapıyı stabilize eden hidrojen bağları, zincirlerin birisinin üzerindeki glisinin NH gruplarıyla bir diğer zincir üzerindeki amino asitlerin CO grupları arasında teşekkül eder.

• Bu tip yapıya sahip tropokollagende sarmalın uzunluğu 3000 Ao’u, çapı da 15 Ao’u bulur.

• Kollagen sarmalının kararlılığı prolin ve hidroksiprolin rezidülerinin kilitleme özelliğine ve yine hidroksiprolin üzerindeki hidroksil grubunun hidrojen bağı yapabilmesine de atfedilebilir (Şekil 3.9).

• Birçok protein sıkı ve globüler şekillere sahiptirler,

• Çünkü polipeptid zincirlerinin yönleri sık sık

değişmektedir.

• Zincirlerin çoğunun aynı tarzda dönüşler yaptığı ortaya

konulmuş ve bu yapıya -dönüşü adı verilmiştir.

• Saç tokası şeklindeki bu dönüşte polipeptid zincirinin n

rezidüsündeki CO grubu, (n=3) rezidüsündeki NH

grubuyla hidrojen bağı yapar.

• Böylece bir protein zinciri aniden yönünü değiştirebilir.

• 3.8. PROTEİNLERİN DENATÜRASYONU

• Birçok protein biyolojik aktivitelerini ve iş görebilme kapasitelerini belirli kimyasal ortamda, sınırlı pH ve sıcaklıkta sürdürebilir.

• Çok asidik ve bazik ortamlarda, yüksek sıcaklıkta ve bazı kimyasal maddeler karşısında üç boyutlu yapılarında, yani fonksiyon gören tabiatlarında bir değişme vuku bulur. Bu olaya denatürasyon denilir.

• Denatüre olan proteinin çözünürlüğünde belirgin bir azalma ve hatta çökelme olur.

• Birçok protein 50-60oC’in üstünde, bazıları 10-15oC’in altında denatürasyona uğrar.

• Mesela, yumurta beyazının ısıtılmasıyla beyaz renkli bir pıhtı

oluşumu dönüşümsüz bir denatürasyondur.

• Bu olay esnasında protein yapısındaki kovalent bağlar etkilenmez,

değişme yalnız bir yere kadar sekonder yapıda, büyük ölçüde de

tersiyer ve varsa kuaterner yapıda meydana gelir.

• Bazı proteinler denatürasyondan sonra, bu olayı meydana getiren

şartların ortadan kaldırılmasıyla, tekrar eski tabii hallerine

kavuşabilmektedir.

• Yani biyolojik aktivitelerini yeniden kazanırlar.

• Bu tip denatürasyonlar dönüşümlü değişimlerdir.

• Denatürasyona sebep olan faktörlere yukarıda belirttiğimiz ısıtma, asit ve baz ilavesi dışında röntgen, ultraviyole ve infrared ışınları, kuvvetli çalkalama, derişik üre, -merkaptoetanol, guanidin klorür, sodyumdodesil sülfat çözeltileri, aseton, alkol gibi çözücüleri dahil edebiliriz.

• Proteinlerin dönüşümlü denatürasyonu üzerinde yapılan denemeler, bu moleküllerin üç boyutlu yapıları, yani konformasyonlarıyla amino asit dizilişleri arasındaki ilişkiyi ortaya çıkarmıştır.

• Bu konuda Christian Anfinsen,1964 yılında çok önemli deneyler yapmıştır.

• Anfinsen, primer yapısında 124 amino asit ve dört disülfid bağına sahip olan ribonükleaz enzimini (RNA’yı hidrolizleyen enzim) 8M üre ve -merkapto etanol ihtiva eden bir çözelti içinde denatüre etmiştir.

• Burada üre, katlanmış proteini açmış ve -merkapto etanol de disülfit bağlarını indirgeyerek sistein rezidülerinin ilk haline dönmesini sağlamıştır.

• Daha sonra, diyaliz ile üre ve -merkapto etanolü uzaklaştırıp, hava ile oksitlenmesini temin ederek, ribonükleazın yeniden katlanıp katalitik aktivitesini tekrar kazandığını gözlemiştir. Yaptığı deneyleri şöyle şema ile özetlersek:

• Anfinsen tekrar katlanan enzimin bütün fiziksel ve kimyasal özelliklerinin ilk haliyle aynı olduğunu bulmuştur.

• Christian Anfinsen’in bu deneyleri; ribonükleazın karmaşık üç boyutlu yapısıyla ilgili bilgilerin amino asit dizilişi tarafından taşındığını ve kendiliğinden aktif hale tekrar katlanışı da, bu halin termodinamik olarak en düşük enerjili ve en kararlı bir yapı olduğunu göstermektedir.

• Soru: Amino asitlerin tespih tanesi gibi yan yana dizilmesiyle meydana gelen polipeptid zinciri fonksiyon görebilecek bir yapıya nasıl katlanmaktadır?

• Çünkü proteinler sentezlendiği zaman yalnız, disülfid bağlanmalarının da olmadığı, primer yapıya sahiptir.

• Muhtemelen bütün konformasyonlar denenmekte ve enerji yönünden en düşük olanda karar kılınmaktadır.

• Böyle bir deneme ve arayış acaba ne kadar zaman alacaktır?

• Şimdi 100 rezidü ihtiva eden küçük bir protein ele alalım.

• Herbir amino asidin 3 farklı konformasyonu olacağını farz edersek proteinin toplam yapı sayısı 3100, yani 5x1047 olacaktır.

• Her bir yapıdan diğerine geçişin 10-13 saniye aldığı farz edilirse, toplam arayış zamanı 5x1034 saniye, yani, 1,6x1027 yıl sürecektir.

• Burada bir amino asidin konformasyon sayısı üçten fazla ve protein yapısının bir şekilden diğerine geçişi 10-13 saniyeden daha uzun süreceği göz önüne alınırsa bu rakamın çok düşük hesaplandığı aşikardır.

• Gerçekten çok küçük bir proteinin bile enerjice en düşük hali bulmak üzere rasgele bütün halleri araması oldukça uzun sürecektir.

• Peki proteinler sentezlendikten bir kaç saniye veya dakika içinde katlanıp, aktif şekillerine nasıl kavuşmaktadır?

• Bunun cevabı henüz bilinmemekle beraber, bazı ipuçları elde edilmiştir. Bu konuda en geçerli hipotez şöyledir: Önce -sarmalları ve -tabakaları oluşur ve bunlar difüzyonla birbirlerini bularak veya kompleksleri meydana gelir.

• Bunlar da müteakip katlanmalar için çekirdek görevi görmektedir.

• Bu hipotez bir takım deneylerle de desteklenmektedir.

• Son yıllarda 'chaperon' lar adı verilen, aslında, önceleri ısı şok proteinleri (heat shock protein, hsp) şeklinde isimlendirilmiş bazı proteinlerin katlanmağa yardımcı olduğu belirlenmiştir.

• Buradaki 'yardım etme', yanlış veya istenmeyen katlanmaları önlemek şeklinde gerçekleşmektedir.

3.9. PROTEİNLERİN ASİT-BAZ ÖZELLİKLERİ

• Bir proteinin asit-baz özellikleri büyük ölçüde amino asitlerinin iyonlaşabilir R grupları tarafından tayin edilir.

• Polipeptid zincirinin uçlarındaki -amino ve -karboksil gruplarının buna katkısı çok azdır.

• Proteinin konformasyonu içinde, iyonlaşabilir R grupları çevrelerindeki diğer R gruplarından çok etkilenir.

• Bununla beraber amino asit sıra ve muhtevası bilinen globuler proteinlerin titrasyon eğrilerinden bazı önemli sonuçlar çıkarılmıştır.

• Mesela, Şekil 3.11' de verilen ribonükleazın titrasyon eğrisini ele alalım:

• Bu enzim, sırası bilinen 124 amino asit ihtiva eden ve sıkıca katlanmış bir proteindir.

• -NH2 ve -COOH uçlarından başka 34 iyonlaşabilir R grubuna sahiptir.

• Ribonükleazın titrasyon eğrisi birçok grubun iyonlaşmalarını yansıtmaktadır.

• Titrasyon işleminde harcanan eşdeğer OH-’lar verilen pH aralığında iyonlaşabilen grupların sayısına karşılık gelmektedir.

• Yumurta albümini olan -laktalbümin üzerinde de yapılan aynı deneyler, amino asit bileşimleriyle ortaya çıkan iyonlaşabilir grupların hemen hemen tamamının titre edilebildiğini ortaya çıkarmıştır.

• Bu da, daha sonraları x-ışınları denemeleriyle doğrulandığı gibi, globuler proteinlerde iyonlaşabilir R gruplarının tamamına yakınının dış yüzeye, hidrofobik veya apolar grupların çoğunun da içeriye yönelik olduğunu göstermektedir.

• Bazı globuler proteinler ise doğrudan titre edilmeyen iyonlaşabilir gruplara da sahiptir ve bunlar tersiyer yapıda saklanmış veya hidrojen bağı yapmış olabilirler.

• Mesela miyoglobindeki 11 histidinden ancak 5'i denatürasyon sonucu titre edilebilmektedir.

• Birçok proteinle yapılan benzer titrasyon çalışmaları, proteinlerin toplam tamponlama kapasitelerinin çok azını fizyolojik pH’da (pH=6-7) gösterdiklerini ortaya çıkarmıştır.

• Bu aralıkta en yakın pKR histidinde vardır ve birçok protein bu amino asitten az miktarda ihtiva eder.

• Hemoglobin ise, yapısında istisna olarak yüzde 8 civarında histidin bulundurduğundan, eritositlerde önemli bir intraselüler tampon görevi görür.

• Proteinler de aynen amino asitler gibi izoelektrik pH’ya sahiptirler.

• Bu pH’da proteinler, üzerlerindeki toplam yük sıfır olduğundan, bir elektrik alanında hiçbir yöne hareket etmezler.

• Proteinler nispeten yüksek oranda bazik amino asitler (lisin, arginin ve histidin) ihtiva ediyorlarsa pHI’lar 7’den yüksek, asidik amino asitler (aspartik asit, glutamik asit) ihtiva ediyorlarsa pHI’ları 7’den düşüktür.

• Globuler proteinlerin birçoğu pH 4,5 ile 6,5 arasında pHI’lara sahiptir. Tablo 3.3’de bazı proteinlerin izoelektrik pH’ları verilmektedir.

• İzoelektrik pH’nın üzerinde protein negatif olup elektrik alanında anoda doğru hareket ederken, pHI’nın altında pozitif yüklü olarak katoda doğru yol alırlar.

• Proteinlerin titrasyon eğrileri ve izoelektrik pH’ları nötral tuzların varlığında önemli miktarda değişir.

• Çünkü bu şartlarda R gruplarının iyonlaşmaları etkilenir.

• Proteinler aynı zamanda Ca+2 ve Mg+2 gibi katyonları ve Cl- ve PO4

-3gibi anyonları da bağlayabilir.

• Bundan dolayı, proteinlerin gözlenen izoelektrik pH’ları çözündükleri ortamın tabiatına yakından bağlıdır.