Ünite 2: Biyomoleküller

Hücre ve Biyomolekülleri

Canlı hücrelerde bulunan organik moleküller metabolizmadaki rolleri ve yapıları temel alındığında genel olarak birkaç katagoride sınıflandırılırlar. Biyomoleküller ya da makromoleküller (Nükleik asitler (DNA ve RNA), proteinler, polisakkaritler, belirli lipitler), hücrenin yapısını oluşturan ve işlevlerini gerçekleştiren yüksek seviyede organize olmuş ve düzinelerden milyonlara varan karbon atomları içeren çok büyük moleküllerdir. Biyomoleküllerin yapıtaşları ( monomerler ), her biri farklı kendine özgü işleve sahip dev biyomolekülleri ya da biyolojik makromolekülleri yapar. Metabolik intermedietler (metabolitler), özel başlangıç materyallerinden başlayan basamak basamak, reaksiyon zincirleriyle sentezlenirler. Hücrenin kuru ağırlığının önemli bir kısmını kapsayan biyomoleküllerin ve öncüllerinin dışında bulunan çeşitli işlevsel moleküller; vitaminler, belirli steroid ve amino asit hormonlar, ATP gibi enerji depolayan moleküller, siklik AMP gibi düzenleyici moleküller ve üre gibi metabolik artık ürünlerdir.

Nükleik Asitler

Nükleik asitler, nükleotit birimlerinin ardı ardına eklenmesiyle sentezlenen polimerlerdir. Deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA) olarak iki tipi vardır. Hücrenin karakteristik özelliklerden ve onların kalıtılmasından sorumlu genetik maddenin, genomun korunması ve genetik bilginin çevrilmesi olmak üzere iki temel işlevi vardır. Bazı RNA molekülleri protein ya da enzimler gibi katalizör olarak iş görür. Nükleik asitler, nükleotit birimlerinin ardı ardına eklenmesiyle sentezlenen polimer zincirlerdir. Bir nükleotit; azot içeren heterosiklik bir baz, beş karbonlu bir şeker (pentoz), ve bir fosfat grubu olmak üzere üç ana bileşenden meydana gelir.

DNA’nın Yapısı

DNA molekülü, iki polinükleotid iplik çift-sarmal yapıdadır. Azot içeren bazlar, şeker-fosfat iskeletinden molekülün merkezine doğru çekilmişlerdir ve bir baz daima diğer zincirdeki tamamlayıcı bir baz ile çift oluşturur. Çift-sarmal yapı büyük ve küçük olmak üzere iki oluk ya da kıvrıma sahiptir. Adenin sayısı timine, guanin sayısı sitozin sayısına eşittir. Çift-sarmal DNA ortam koşullarına bağlı olarak hidrojen bağlarından koparak tek iplikli hale gelir ve buna DNA’nın denatürasyonu denir. Ortam koşulları eski hâline döndüğünde ise komlementer iplikler yeniden birleşir ve bu olaya renatürasyon denir. Nükleik asitlerin bu önemli özelliği onların çeşitli manipülasyonlarına olanak sağlamıştır. Bakteriler genom olarak genellikle az miktarda proteinlerin bağlı olduğu ve nükleoid adı verilen bakterinin özel bir bölgesinde yer alan tek halkasal kromozom içerirler.

RNA’nın Yapısı

RNA molekülü şeker grubu olarak deoksiriboz yerine riboz içerir. Azotlu bazlardan timin yerine urasil yer alır. Normal olarak tek-iplikli ama sıklıkla aynı iplik üzerindeki tamamlayıcı bazların çift oluşturmasıyla karmaşık sabit bir ikincil yapıya sahiptir.

Nükleik Asit Sentezi: DNA Replikasyonu

Replikasyon, DNA molekülünün taşıdığı genetik bilgilerin sonraki kuşaklara aktarılması için kopyasının sentezlemesi olayıdır. DNA molekülü semikonservatif ya da yarı-tutucu bir şekilde kendini kopyalar. Replikasyon sonucunda meydana gelen iki yeni DNA molekülünün her biri yeni ve eski kollar içerir. Çift-sarmal DNA’nın açılması, RNA primerinin sentezi, DNA zincirinin 5' 3' yönünde büyümesi, Primerin çıkarılması ve zıt iplikte sentez ve Yeni sentez edilen DNA zincirinin birleşmesi olmak üzere beş aşamada gerçekleşir. Ökaryotik hücrelerdeki DNA replikasyonu hücre döngüsünün sentez (S) fazında gerçekleşir. Prokaryotlardakine çok benzemesine rağmen daha karmaşık bir mekanizmayla olur.

Proteinler

Proteinler, içerdikleri amino asitlerin dizilimlerinin belirlediği kendilerine özgü yapıları olan ve bunun sonucunda çok sayıda çeşidi bulunan biyomoleküllerdir. Proteinlerin hücredeki işlevleri çok çeşitli olup buna göre 8 büyük grupta sınıflandırılırlar:

1. Düzenleyici proteinler,
2. Yapısal proteinler,
3. Hareket proteinleri,
4. Katalizör proteinler,
5. Korunma proteinleri,
6. Taşıma proteinleri
7. Haberleşme ya da sinyal iletimi proteinleri
8. Depo proteinleri gibi tüm yaşamsal faaliyetlerin temel elemanlarıdır.

Gen, protein gibi işlevsel bir ürün için genetik kod taşıyan genetik maddenin (nükleik asit) bir bölümüdür. Enzimler protein molekülleri olup kimyasal reaksiyonların biyolojik katalizörleridir. Canlılarda bulunan amino asitlerin temel ortak bir yapısı vardır ve L-amino asit formunda bulunurlar. Amino asitler R grupları bakımından sahip oldukları özelliklerine göre 2 büyük grupta sınıflandırılabilir;

Hidrofobik amino asitler: Amino asitlerden 10 tanesi hidrofobik özellik gösteren R grubu içerdiklerinden apolar özelliktedir ve elektrostatik bağ yapamazlar. Glisin (Gly), alanin (Ala), lösin (Leu), izolösin (Ile), valin (Val), fenilalanin (Phe) tirozin, triptofan (Trp), metiyonin (Met) gibi.

Hidrofilik amino asitler: Kalan 11 amino asitin R grupları polar özellikte oldukları için suda çözünebilirler. Serin (Ser), treonin (Thr), asparajin (Asn), aspartik asit (Asp) ve glutamik asit (Glu) gibi.

Vücutta sentezlenemeyen, protein yapısı için besinlerle alınması zorunlu olan amino asitlere esansiyel amino asitler denir. Arjinin, histidin, izolösin, lösin, valin, lizin, metiyonin, threonin, fenilalanin ve triptofan bu gruba girmektedir.

Proteinlerin Yapısı

Proteinlerin yapısı dört seviyede tanımlanır. Amino asitlerin boncuk tanesi şeklinde birbirine peptit bağları ile eklenmesiyle birincil yapıları olan peptit zincirleri sentezlenir. İkincil (sekonder) yapı, amino asitlerin karbonil ve imido grupları arasında hidrojen bağları oluşması sonucu amino asit zincirinde sarmal ya da tabaka şeklinde katlanmalar ile meydana gelen üç boyutlu yapıdır. İkincil yapının alfa-sarmal ve beta-plaka yapılarının üst üste katlanmalar yapmasıyla proteinler yumak şeklinde üçüncül yapılanmaya giderler. Üçüncül yapıyı amino asitlerin yan grupları belirler. Benzer özelliklere sahip üçüncül yapıdaki proteinler alt üniteler olarak kümeler şeklinde birleşerek proteinlerin en ileri seviyedeki dördüncül yapısını meydana getirir. Proteinler ayrıca albuminler, globulinler, glutelinler, histonlar, skleroproteinler, prolaminler gibi hücrede basit proteinler olarak bulunurken; glikoproteinler, fosfoproteinler, lipoproteinler, metalloproteinler, kromoproteinler ve nükleoproteinler gibi farklı gruplar bağlanmış olan konjuge proteinler olarak bulunurlar.

Protein Sentezi

Protein sentezi hücre içindeki ribozomlarda, amino asitlerin birbirine eklenmesiyle bir polimer zincirin sentezlendiği biyokimyasal bir süreçtir. Protein sentezi, translasyon ile birlikte genetik kodun DNA’dan RNA molekülüne aktarılması olayı olan transkripsiyonla başlayan bir süreçtir. Hücrede genel olarak protein yapımı için gerekli elemanlar; amino asitler, GTP (guanozin üç fosfat) molekülleri, mRNA, ribozomlar, amino asit bağlı tRNA’lar ve protein faktörlerdir. Protein yapımı yani translasyon, başlama (initasyon), uzama (elongasyon) ve sonlanma (terminasyon) olarak üç farklı aktivitenin olduğu aşamalarda gerçekleşir.

Karbonhidratlar

Karbohidratlar ya da polisakkaritler basit şekerleri (monosakkaritler) içerirler. Şeker ve şeker türevi daha büyük molekülleri oluştururlar. Çoğu şekerin genel formülü C(H2O)n şeklindedir. En önemli görevleri hücre ya da organizma için enerji depolamadır. Ayrıca biyolojik yapı materyali olarak kullanılırlar.

Basit Şekerler (Monosakkaritler)

Şekerler genellikle içerdikleri C atomu sayısına gore isimlendirilirler. Canlı dünyasında tek olarak en yaygın bulunan monosakkarit C6 H12 O6 formülü ile gösterilen aldohekzoz D-glikozdur. Basit şekerler, purin, pirimidin ve fosfatlara bağlanarak nükleik asitleri; proteinlere bağlanarak glikoproteinleri; lipitlere bağlanarak glikolipitleri; çeşitli alkollere bağlanarak glikozitleri ve diğer heteropolisakkaridleri meydana getirirler. Glikoz yaygın olarak iki monosakkaritin kovalent olarak bağlanmasıyla disakkarit formunda da bulunur. Disakkaritlerin her biri, bir su molekülü çıkmasıyla iki monosakkariti birbirine bağlayan glikosidik bağ oluşumu ile meydana gelir.

Polisakkaritler

Polisakkaritler glikozun tek çeşit olarak tekrarlayan ünitelerinden ya da bazen iki çeşit ünitenin alternatif bağlanması (dehidrasyonu) ile oluşan büyük moleküllü karbohidratlardır. Hücrede, depolama ve yapıya katılmak olmak üzere iki önemli işlevi yerine getirirler. En iyi bilinen depo polisakkaritleri hayvan ve bakteri hücrelerinde bulunan glikojen ve bitkilerde bulunan nişastadır. Glikojen ve nişasta gibi selüloz da glikoz monomerlerinden meydana gelir ancak yaptıkları glikozidik bağlar bakımından farklıdır. Bir başka yapısal polisakkarit böceklerin, örümceklerin ve kabukluların iskeletinde ve dışını kaplayan kabuklarında bulunan kitindir. Karbohidratların hücrede, enerjinin büyük bir bölümünü sağlamak, kayganlık, hücresel ileti ve bağışıklıkta rol oynamak, DNA ve RNA’yı oluşturan nükleotitlerin bileşenleri olmak, metabolik ara ürün (metabolit) olarak iş görmek gibi pek çok işlevleri vardır.

Lipitler

Lipitler canlıların yapısında bulunan organik yağlardır. Doğrusal polimer oluşturmazlar ancak yüksek moleküler ağırlığa sahiptirler. Kloroform, aseton, eter ya da benzen gibi organik yağ çözücülerinde çözünebilirler. Önemli hücresel yapıların temel elemanı olup, enerji depoları olarak iş görürler. Hücre dışından içine ya da hücre içinde kimyasal sinyallerin iletimi ve taşıma gibi özel biyolojik olaylarla ilgilidirler. Lipitler kimyasal yapıları temel alındığında; yağ asitleri, triasilgliseroller, fosfolipitler, glikolipitler, steroidler, terpenler, lipoproteinler olarak sınıflandırılırlar.

Yağ asitleri en basit yapıdaki lipitlerdir ve genellikle fosfolipitler, glikolipitler ve kolesterol esterleri gibi birçok kompleks lipit çeşidinin yapı taşlarıdır.

Triaçilgliseroller (TAG) , üç yağ asitinin bir gliserol molekülüne esterleşmesi ile bağlanarak meydana gelirler. Triaçilgliserolların temel işlevi yedek besin maddesi olarak enerji depolamadır.

Fosfolipitler triaçilgliserollere çok benzeyen bir diaçilgliserol yağ grubudur. Özellikle hayvanlarda karaciğer, beyin, akciğer, pankreas, kalp kası ve yumurtada bol bulunur.

Glikolipitler sfingozin türevi bileşikler olup fosfat grubu yerine bir karbohidrat grubu içeren lipit grubudur (Şekil 2.24). Glikolipitler, özellikle çifttabaka plazma zarının dış tabakasında yer alırlar ve hücrelere özgü tanımada önemli rolleri bulunur

Steroitler dört-halkalı hidrokarbon türevleri olarak lipitlerin diğer farklı bir sınıfıdır. Polar değillerdir ve dolayısıyla hidrofobik özellikte moleküllerdir. Hayvan hücrelerinin en yaygın steroiti kolesteroldür.

Terpenler lipit türevi doymamış moleküllerdir. Vücudumuz için gerekli olan A vitamini ve fotosentez sırasında ışığı toplanmasında rolü olan karotenoit pigmentleri bu şekilde sentezlenirler.

Lipoproteinler protein ve lipitlerin kovalent olmayan bağlarla birbirine tutunan kompleks büyük moleküllerdir. Birçok enzim, yapısal proteinler, taşıyıcılar, antijenler ve toksinler lipoprotein yapıdadır.