Ünite 2: Biyomoleküller

Giriş

Canlı bir hücre temel olarak yaklaşık yapısının %99’unu oluşturan karbon, hidrojen, azot ve oksijen (C, H, N ve O) olmak üzere dört elementten oluşur. Bu dört element ve sınırlı miktardaki diğer elementler yaşamın organik moleküllerini meydana getirirler. Birer karbon bileşiği olan hemen hemen tüm organik moleküller su içinde çözünürler ve lipit zarıyla çevrili olarak hücreyi meydana getirirler. Atomların belirli basit kombinasyonları ile oluşan metil (-CH3), hidroksil (-OH), karboksil (-COOH) ve amino (-NH2) gibi her biri farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip küçük moleküller, yaşamın temeli olan C iskeletine eklenerek biyomoleküllere özgün özellikler kazandırır ve davranışlarını etkiler.

Hücre ve Biyomolekülleri

1. Biyomoleküller ya da makromoleküller: Hücrenin yapısını oluşturan ve işlevlerini gerçekleştiren yüksek seviyede organize olmuş ve düzinelerden milyonlara varan karbon atomları içeren çok büyük moleküllerdir. Bunlar dört temel grup olan nükleik asitler, proteinler, karbohidratlar ve lipitlerdir.

2. Biyomoleküllerin yapıtaşları: Elementlerin organizasyonu ile daha büyük moleküller olan amino asitler, nükleotitler ve şekerler meydana gelir. Bunlar monomerler olarak birbirine eklenir (polimerizasyon) ve her biri farklı kendine özgü işleve sahip dev biyomolekülleri ya da biyolojik makromolekülleri yapar.

3. Metabolik intermedietler (metabolitler): Kimyasal reaksiyonların her bir serisi bir metabolik yolak olarak ifade edilir. Her bir reaksiyon basamağı sonucunda hücrede çeşitli ara ürünler olan metabolitler oluşur.

4. Çeşitli işlevsel diğer moleküller: 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.

Canlı hücreyi oluşturan makromoleküller ya da biyomoleküller ise başlıca dört kategoriye ayrılır:

• Nükleik asitler (DNA ve RNA)

• Proteinler

• Polisakkaritler

• Belirli lipitler

Biyomoleküllerinöncül molekülleri olan monomerlerden nükleotitler birbirlerine bağlanarak nükleik asitleri, amino asitler polipeptitleri ve monosakkaritler ise polisakkaritleri meydana getirir. Aminoasitler peptit bağlarıyla, nükleotitler fosfodiester bağlarıyla ve monosakkaritler glikosidik bağlarla birbirine bağlanırlar.

Nükleik Asitler

Nükleik asitler, nükleotit birimlerinin ardı ardına eklenmesiyle sentezlenen polimerlerdir (S:39, Şekil 2.2). Deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA) olarak iki tipi vardır. Prokaryotik hücrelerde sitoplazmada, ökaryotik hücrelerde ise çekirdekte, kloroplastlarda ve mitokondride bulunurlar.

Hücrenin karakteristik özelliklerden ve onların kalıtılmasından sorumlu genetik maddenin iki temel işlevi vardır. Bunlar genomun korunması ve genetik bilginin çevrilmesidir. Bir hücrenin ya da canlının genlerinin tümüne genom denir.

Genomun nesiller boyu korunması ve genetik bilginin hücre içinde ifade edilerek işlevsel ürünlere çevrilmesi mekanizmalarının tümü Biyolojinin Santral Dogması olarak tanımlanır (S:39, Şekil 2.3). DNA’nın iki önemli işlevinden bir tanesi kendisini kopyalayıp (replikasyon) tam ve doğru şekilde hücre bölünmesiyle (mitoz bölünme) yeni nesillere aktarmaktır. DNA’nın diğer önemli işlevi ise hücre içerisinde taşıdığı bilginin DNA’dan işlevsel ürünler olan RNA’ya (transkripsiyon) ve sonra proteine (translasyon) çevrilmesidir.

Nükleik asitlerin yapısı: Nükleik asitler nükleotit birimlerinin ardı ardına eklenmesiyle sentezlenen polimer zincirlerdir. Bir nükleotit üç ana bileşenden meydana gelir. Bunlar:

1. Azot içeren heterosiklik bir baz (Adenin, Guanin, Sitozin, Timin ve Urasil)

2. Beş karbonlu bir şeker (pentoz)

3. Bir fosfat grubu

Nükleotitleri birbirine bağlayan fosfodiester bağı ile nükleik asit zincirlerinin daima bir ucunda serbest 5'-fosfat ve diğer ucunda 3’-OH grubu bulunur.

DNA’nın yapısı: Watson-Crick modeli olarak isimlendirilen hücredeki DNA molekülü, iki DNA zincirinin karşılıklı olarak bazlarının yaptığı hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanmış çift-sarmal yapıdadır (S:41, Şekil 2.6). Bu şekildeki DNA molekülü çok önemli 8 özelliğe sahiptir:

1. İki polinükleotid iplik çift-sarmal yapıdadır.

2. Azot içeren bazlar, şeker-fosfat iskeletinden molekülün merkezine doğru çekilmişlerdir ve bir baz daima diğer zincirdeki tamamlayıcı bir baz ile çift oluşturur.

3. Her baz çifti zayıf hidrojen bağları ile birbirine tutunurlar.

4. Bu iki iplik antiparalel yani zıt polariteye sahiptir.

5. Çift-sarmal yapı büyük ve küçük olmak üzere iki oluk ya da kıvrıma sahiptir.

6. Sarmalın çapı 2 nm olup 10 baz çifti içeren her büyük kıvrımı 3.4 nm uzunluktadır.

7. Sağa dönüşümlü bir sarmaldır.

8. 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.

Bakteriler genom olarak, nükleoid adı verilen tek halkasal kromozom içerirler. Ökaryotik hücrelerde DNA molekülü birden fazla doğrusal kromozomlar şeklinde organize olur. Çift-sarmal DNA molekülü ilk önce histon adı verilen özel bir proteinlere bağlanır. DNA 8 histon molekülüne bağlanarak nükleozom adı verilen boncuk tanesine benzer yapıları oluşturur.

RNA’nın yapısı: RNA, DNA’dan farklı olarak:

• Şeker grubu olarak deoksiriboz yerine riboz içerir

• Azotlu bazlardan timin yerine urasil yer alır

• Normal olarak tek-ipliklidir

DNA’dan farklı olarak RNA’ların hücrede çeşitli tipleri ve işlevleri bulunmaktadır:

1. Genomik ya da kromozomal RNA

2. Protein sentezinde görevli RNA’lar:

a. Haberci (Messenger) RNA, mRNA

b. Ribozomal RNA, rRNA

c. Taşıyıcı (Transfer) RNA, tRNA

1. Gen regülasyonunda görevli RNA’lar:

a. ksRNA (küçük sitoplazmik RNA, miRNA)

b. kçRNA (küçük çekirdeksel RNA)

1. Enzimatik RNA (ribozimler).

Nükleik asit sentezi: DNA replikasyonu: Replikasyon, DNA molekülünün taşıdığı genetik bilgilerin sonraki kuşaklara aktarılması için kopyasının sentezlemesi olayıdır. Replikasyon tüm hücrelerde benzer bir mekanizmayla beş aşamada gerçekleşir:

1. Çift-sarmal DNA’nın açılması

2. RNA primerinin sentezi

3. DNA zincirinin 5' 3' yönünde büyümesi

4. Primerin çıkarılması ve zıt iplikte sentez

5. Yeni sentez edilen DNA zincirinin birleşmesi

Proteinler

Proteinler, içerdikleri amino asitlerin dizilimlerinin belirlediği kendilerine özgü yapıları olan ve bunun sonucunda çok sayıda çeşidi bulunan biyomoleküllerdir. Birincil yapı önce lokal olarak katlanmalar yaparak ikincil yapıyı, ikincil yapı uzun ve büyük yumak şeklindeki katlanmalarıyla üçüncül yapıyı ve son olarak üçüncül yapıdaki proteinler alt-üniteler şekilde birleşerek daha büyük dördüncül yapıdaki işlevsel proteinleri meydana getirirler. 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

Proteinlerin monomerleri olarak amino asitler: Bir hücrede 60 farklı amino asit bulunmasına rağmen yalnızca protein sentezinde 20 amino asit kullanılır ve farklı kombinasyonlarda polimer olarak sentezlenirler. Amino asitler R grupları bakımından sahip oldukları özelliklerine göre 2 büyük grupta sınıflandırılabilir:

1. Hidrofobik amino asitler: Amino asitlerden 10 tanesi hidrofobik özellik gösteren R grubu içerdiklerinden apolar özelliktedir ve elektrostatik bağ yapamazlar. Bu amino asitler sulu çözeltilerde proteinin iç kısmında bir araya gelmeye çalışırlar ve proteinin üç boyutlu yapısının şekillenmesinde etkili olurlar.

2. Hidrofilik amino asitler: Kalan 11 amino asitin R grupları polar özellikte oldukları için suda çözünebilirler. 2 grupta sınıflandırılabilirler:

a. Polar yüksüz amino asitler

b. Polar yüklü amino asitler

Ancak hayvanlar her amino asiti sentezleyemezler ve bu nedenle zorunlu amino asitler denilen bazı amino asitleri besin yoluyla almak zorundadırlar. Vücutta sentezlenemeyen, protein yapısı için besinlerle alınması zorunlu olan amino asitlere esansiyel amino asitler denir.

Proteinlerin yapısı: Proteinlerin yapısı dört seviyede tanımlanır:

1. Birincil (Primer) Yapı: Amino asitlerin boncuk tanesi şeklinde birbirine peptit bağları ile eklenmesiyle birincil yapıları olan peptit zincirleri sentezlenir.

2. 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.

3. Üçüncül (Tersiyer) Yapı: İkincil yapının alfa-sarmal ve beta-plaka yapılarının üst üste katlanmalar yapmasıyla proteinler yumak şeklinde üçüncül yapılanmaya giderler.

4. Dördüncül (Kuarterner) Yapı: Benzer özelliklere sahip üçüncül yapıdaki proteinler alt üniteler olarak kümeler şeklinde birleşerek proteinlerin en ileri seviyedeki dördüncül yapısını meydana getirir.

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. Transkripsiyon, genetik madde olan DNA’daki genetik bilginin aracı moleküller olan RNA’nın sentezlenmesi ile ona aktarılması olayıdır. Genetik kod, kodon adı verilen üç nükleotitlik dizinlerin her birinin bir amino asite karşılık gelmesiyle oluşur.

Hücrede genel olarak protein yapımı için gerekli elemanlar şunlardır:

• Amino asitler

• GTP (guanozin üç fosfat) molekülleri

• mRNA

• Ribozomlar

• Amino asit bağlı tRNA’lar

• Protein faktörler

Protein sentez mekanizması; Protein yapımı yani translasyon, başlama (initasyon), uzama (elongasyon) ve sonlanma (terminasyon) olarak üç farklı aktivitenin olduğu aşamalarda gerçekleşir.

Başlama, ilk olarak mRNA molekülü, initasyon faktör (IF) proteinlerinin yardımıyla önce ribozomun küçük altbirimine bağlanır. Daha sonra 5'-ucundan başlama kodonu olan AUG nükleotitlerinden okunmaya başlar.

Uzama, ribozomun boş olan A bölgesine yeni bir aminoaçil-tRNA uzama faktörü yardımıyla gelir ve zayıf hidrojen bağlarıyla kodona bağlanır.

Sonlanma, mRNA’daki üç kodon (UAG, UAA ve UGA) amino asit kodlamaz ve bunlar için antikodon taşıyan tRNA yoktur. Dur kodonları olarak adlandırılırlar. Ribozom dur kodonlarına geldiğinde A bölgesine sonlandırma faktörü protein bağlanır ve okuma sonlanır.

Karbohidratlar

Karbohidratlar ya da polisakkaritler basit şekerleri (monosakkaritler) içerirler. Bir hücredeki organik maddelerin yaklaşık %10’nu karbohidratlar oluşturur. En önemli görevleri hücre ya da organizma için enerji depolamadır.

Basit Şekerler (Monosakkaritler): Şekerler doğrusal olarak birbirine tek bağ ile bağlanmış bir C atom iskeletinden meydana gelen moleküllerdir. Bir şeker iki ya da daha fazla hidroksil grubuna sahip olduğu için bir aldehit (aldoz) ya da keton (ketoz) olarak da tanımlanabilir.

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. Şekerler birbirine bağlanarak oligosakkaritler denilen küçük zincirler şeklinde de organize olabilirler.

Polisakkaritler: Polisakkaritler glikozun tek çeşit olarak tekrarlayan ünitelerinden ya da bazen iki çeşit ünitenin alternatif bağlanması (dehidrasyonu) ile oluşan büyük moleküllü karbohidratlardır. Suda çözünmezler. Polisakkaritler hücrede Depolama ve Yapısal olmak üzere iki önemli işlevi yerine getirirler. En iyi bilinen depo polisakkaritleri hayvan ve bakteri hücrelerinde bulunan glikojen ve bitkilerde bulunan nişastadır. Hayvanlarda karaciğer ve kaslarda depo edilir ve açlık durumunda yakılarak enerji sağlanır.

Selüloz, patojen bakterilerin kapsül yapılarında bulunan polisakkaritler, böceklerin, örümceklerin ve kabukluların iskeletinde ve dışını kaplayan kabuklarında bulunan kitin gibi polisakkaritler yapısal işlevleri yerine getirirler. Karbohidratların işlevlerini özetlersek:

• Hücre ya da organizmada enerjinin büyük bir bölümünü sağlarlar.

• Kayganlık, hücresel ileti ve bağışıklıkta da rol oynarlar.

• DNA ve RNA’yı oluşturan nükleotitlerin bileşenleridir.

• Metabolik ara ürün (metabolit) olarak iş görürler.

• Çözünürlük, viskozite, yük ve denatürasyon gibi fizikokimyasal özellikleri düzenlerler.

• Hücre içinden ve dışından olabilecek proteolize karşı korurlar.

• Hücre içi göç ve salgıyı düzenlerler.

Lipitler

Polar olmayan moleküllerdir ve kloroform, aseton, eter ya da benzen gibi organik yağ çözücülerinde çözünebilirler. Hayvansal ve bitkisel dokularda bol miktarda bulunan lipitlerin hücrede üç temel işlevi vardır:

1. Enerji depoları olarak iş görürler.

2. Özellikle zarlar olmak üzere önemli hücresel yapıların temel elemanıdır.

3. Hücre dışından içine ya da hücre içinde kimyasal sinyallerin iletimi ve taşıma gibi özel biyolojik olaylarla ilgilidirler.

Lipitler kimyasal yapıları temel alındığında yedi grupta sınıflandırılırlar:

1. Yağ asitleri

2. Triasilgliseroller

3. Fosfolipitler

4. Glikolipitler

5. Steroidler

6. Terpenler

7. Lipoproteinler

Yağ asitleri: Yağ asitleri en basit yapıdaki lipitlerdir ve genellikle fosfolipitler, glikolipitler ve kolesterol esterleri gibi birçok kompleks lipit çeşidinin yapı taşlarıdır. Tipik bir yağ asiti molekülü, bir ucunda bir karboksil grubu bulunan uzun doğrusal hidrokarbon zinciridir. Hidrokarbon zincirin diğer ucunda bir metil grubu bulunur. Çift bağlar içermeyen ve dolayısıyla tüm karbonlarına maksimum seviyede hidrojen atomu bağlanmış olan yağ asitleri doymuş yağ asitleri olarak ifade edilir. Yağ asitleri bir ya da daha fazla çift bağ içeriyorsa doymamış yağ asiti olarak tanımlanır.

Triaçilgliseroller: Triaçilgliseroller (TAG), üç yağ asitinin bir gliserol molekülüne esterleşmesi ile bağlanarak meydana gelirler. Triaçilgliserolların temel işlevi yedek besin maddesi olarak enerji depolamadır. Bazı hayvanlarda, düşük ısıya karşı izolasyon sağlar.

Fosfolipitler: Fosfolipitler triaçilgliserollere çok benzeyen bir diaçilgliserol yağ grubudur. Özellikle hayvanlarda karaciğer, beyin, akciğer, pankreas, kalp kası ve yumurtada bol bulunur. Gliserol içeren ve içermeyen olarak iki farklı yapıda olabilen fosfolipitlerin kimyasal yapısındaki temel 3 önemli farklılık:

1. Üç yerine yalnızca iki yağ asiti zinciri içerirler.

2. Gliserolun üçüncü hidroksil grubuna bir fosfat (P) kovalent olarak bağlıdır.

3. Fosfata bağlı gruplar bulunur.

Fosfolipitlerde P grubunu içeren uç hidrofilik ve iki yağ asiti kuyruğu bulunan uç ise hidrofobik karakterdedir. Fosfolipitler kimyasal yapıları temel alındığında iki grupta sınıflandırılırlar: Fosfogliseritler ve Sfingolipitler. Fosfogliseritler biyolojik zarların temel fosfolipitleridir. Yapısında gliserol bulunmayan fosfolipit grubu sfingolipitlerdir. Zarların diğer bir fosfolipit içeriği olup yapılarında gliserol yerine bir amin alkol olan sfingozin bulunur.

Glikolipitler: Glikolipitler sfingozin türevi bileşikler olup fosfat grubu yerine bir karbohidrat grubu içeren lipit grubudur.

Steroitler: Steroitler dört-halkalı hidrokarbon türevleri olarak lipitlerin diğer farklı bir sınıfıdır. Polar değillerdir ve dolayısıyla hidrofobik özellikte moleküllerdir. Steoritler üç grupta sınıflandırılabilir:

1. Eşey ya da cinsiyet hormonları

2. Glukokortikoitler

3. Mineralokortikoitler

Terpenler: Terpenler lipit türevi doymamış moleküllerdir. Beş-karbonlu bileşikler olan izopren (2-metil bütadien) ve türevlerinin çeşitli kombinasyonlarda eklenmesiyle sentezlenirler.

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

Hayvan hücrelerine başlıca lipit taşıyıcı olarak iş gören lipoprotein partikülleri yoğunluklarına (dansitelerine) göre; Yüksek dansiteli lipoprotein (HDL), Düşük dansiteli lipoprotein (LDL), Orta dansiteli lipoprotein (IDL), Çok düşük dansiteli lipoprotein (VLDL) ve Ultra düşük dansiteli lipoprotein ya da genellikle şilomikronlar (ULDL) olarak sınıflandırılır.