Ünite 4: Proteinler ve Nükleik Asitler

Proteinler

Proteinler hem yapı ve hem de fonksiyon maddesi olarak, biyokimyasal açıdan önemlidirler ve canlı organizmanın doku hücrelerinde gerçekleşen hemen hemen tüm biyokimyasal olayda yer almaktadırlar. Biyolojik katalizörler olarak görev yapan enzimlerin tümü, hormonların büyük bir kısmı protein yapılıdır. Kas kasılması, antijen-antikor reaksiyonları, iyonların taşınması ve asit-baz homeostazisindeki rolleri de proteinlerin önemini vurgulamaktadır.

Proteinler büyük moleküllerdir ve molekül ağırlıkları birkaç bin ile veya bir ya da birkaç milyon dalton arasında değişir. Saf halde bulunan proteinler kimyasal veya enzimatik yöntemlerle hidroliz edilecek olursa, bir aminoasit karışımı ortaya çıkar. 20 aminoasidin hepsi veya bazıları, belirli bir sırada olmak üzere peptit bağı adı verilen bağlarla birbirlerine bağlanarak protein molekülünü oluştururlar. Bileşimlerindeki aminoasitlerin hidroksil grupları, amid, tiol grupları, heterosiklik halkalar, hidrofob alifatik ve aromatik yan zincirler gibi kimyasal bakımdan reaksiyona elverişli birçok aktif grup taşımaları nedeniyle proteinlerin reaksiyon yetenekleri oldukça fazladır.

Aminoasitler

Yapılarında amino grubu ile karboksil grubu aynı molekül üzerinde yer aldığından aminoasit olarak adlandırılmışlardır. Proteinlerin bileşiminde ?aminoasitlerin dışında imino asitler de bulunmaktadır.

Aminoasitlerin Sınıflandırılması

Aminoasitler yükleri, kimyasal yapı özellikleri, besinsel gereksinimleri vb. farklı özelliklerine göre sınıflandırılabilirler. Genel olarak yüklerine göre nonpolar (polar olmayan) ve polar şeklinde sınıflandırılırlar. Kitabın 67-69 sayfaları arasında verilen şekillerde aminoasitlerin yüklerine göre sınıflandırılmasını inceleyebilirsiniz.

Nonpolar (Polar Olmayan) Aminoasitlerde amino ve karboksil gruplarının sayıları eşittir ve nötraldirler. Nonpolar aminoasitler hidrofobiktirler ve R gruplarında yük taşımazlar. Proton alışverişi yapmazlar, hidrojen ve iyonik bağların yapısında yer almazlar. Proteinlerin iç kısmında yerleşip hidrofobik etkileşimlerle proteine üç boyutlu yapılarını kazandırırlar. Bu grupta alanin, valin, lösin, izolösin, fenilalanin, glisin, triptofan, metiyonin ve prolin (iminoasit) yer alır. Glisin en basit yapılı aminoasittir, R grubunda sadece H vardır, asimetrik karbon atomu içermez.

Polar molekül; molekülü oluşturan atomların elektronegativite (elektrona ilgi) lerindeki farklılıgından dolayı bir ucu pozitif, bir ucu negatif yüklü gibi davranan moleküldür. Yüksüz Polar Aminoasitler R gruplarında herhangibir yük taşımazlar. Protein yapısında hidrojen bağlarına katılırlar. Bunlar serin, treonin, tirozin, sistein, glutamin, asparajindir. Pozitif Yüklü Polar Aminoasitler; karboksil gruplarına göre daha fazla amino grubuna sahiptirler ve bazik özellik gösterirler. R gruplarında pozitif yüke sahiptirler ve lizin, arjinin ve histidin bu grupta bulunur. Negatif Yüklü Polar Aminoasitler; amino gruplarına göre daha fazla karboksil grubu kapsarlar ve asidik özellik gösterirler. R gruplarında negatif yüke sahip aspartik ve glutamik asitler bu grupta yer alırlar.

Aminoasitlerin Fiziksel Özellikleri

Aminoasitler genel olarak suda kolay erirler. Alkolde az erirler veya hiç erimezler. Eterde erimezler. Genel olarak aminoasitler sulandırılmış asit ve alkalilerde erirler ve aminoasit tuzlarını oluştururlar. Aminoasitlerin erime noktaları yüksektir. Aminoasitler de monosakkaritler gibi D veya L serisine ait olabilirler. Hayvanlarda besinlerle alınan aminoasitlerden yalnız L olanları protein yapımında kullanılır. Tabiatta bulunan aminoasitler çoğunlukla L serisine aittirler. Alanin, arjinin, aspartik asit, glutamik asit dışındaki aminoasitler polarize ışığı sola çevirir. Organizmaya alınan D-aminoasitler ya L forma çevrilirler ya da kullanılamaz, idrarla atılırlar. Aminoasitler moleküllerinde hem karboksil hem de amino gruplarını kapsadıklarından dolayı amfolit bir yapıya sahiptirler, yani çözeltinin H iyonları konsantrasyonuna göre asit veya baz olarak fonksiyon gösterirler. Aminoasitlerin amfoter özellikleri karboksil gruplarının proton verebilmesi, buna karşın amino gruplarının proton alabilmesi sayesinde mümkün olabilmektedir. İEN (izoelektrik nokta)’da ise H iyonu -COOH grubundan NH ₂ grubuna geçer. Böylece aminoasit molekülünde negatif yük taşıyan bir -COO ^- grubu ve pozitif yüklü bir NH ₃ ⁺ grubu aynı anda bulunur. Buna Zwitterion denir. Bu durumdaki aminoasit bu pH’da elektrik akımı ile hiç bir yöne hareket etmez. Bu pH değerine de izoelektrik nokta (İEN) pH’sı denir.

Aminoasitlerin Kimyasal Özellikleri

Aminoasitlerin kimyasal reaksiyonları karboksil, amino ve R grubuna ait reaksiyonlardır. Karboksil ve amino grubuna ait reaksiyonlar her aminoasit için genel reaksiyonlardır. R gruplarına ait reaksiyonlar fenil (tirozin ve fenilalanin), imidazol (histidin), guanidin (arjinin), serbest sülfhidril (sistein), indol (triptofan) gibi grupları taşıyan aminoasitlere özeldir ve bu grupları içeren aminoasitlerin birbirlerinden ayırt edilmesinde kullanılır.

Sentezlenemeyen aminoasitlerin besinlerle dışarıdan alınmaları zorunludur. Bu aminoasitlere esansiyel aminoasitler denir ve büyüme, gelişme, canlılığın devamı ve üreme için gereklidirler. Sayfa 71’de verilen tablo 4.2’de insan ve bazı türler için esansiyel aminoasitleri inceleyebilirsiniz.

Peptit Bağları ve Peptitler

Aminoasitler peptit bağları ile birleşerek proteinleri oluştururlar. Peptit bağı bir aminoasidin karboksil grubu ile diğer aminoasidin amino grubu arasında oluşur, bir mol su çıkar. Peptit bağı oluşum reaksiyonunu sayfa 71’de Şekil 4.8’den inceleyebilirsiniz.

Protein Molekülünün Yapısı

Proteinlerin yapıtaşı olan aminoasitler farklı kombinasyonlarda ve dizilişte biraraya gelerek proteinlerin üç boyutlu yapısını oluştururlar.

Bir aminoasit için karakteristik olan aminoasit dizilişine primer yapı denir. Basit olarak bir polipeptit zincirinden oluşan protein, zincir başlangıcında bulunan aminoasitte bir serbest amino grubuna, zincir sonunda bulunan aminoasitte ise bir serbest karboksil grubuna sahiptir.

Sekonder yapıda H köprüleri ve kovalent disülfit köprüleri rol oynarlar. H köprüsü bağlar peptit zincirinde bulunan karbonil ve amid grupları arasında oluşur. H bağları iki peptit zinciri ya da aynı peptit zinciri üzerindeki atomlar arasında oluşabilir. Kovalent bağlar proteinlerde 2 sistein birimi arasında SH gruplarının H kaybetmesiyle oluşurlar. Disülfit köprülerinin bir proteinin şeklinin bozulmamasında ve dayanıklılığında önemli etkileri vardır. Başka bir kovalent bağ oluşumu serin veya treonin gibi OH gruplu aminoasitlerin iki OH grubunun,

anorganik fosfat ile fosforik diester oluşturmasıyla olur. ßkatlamalı yapıda iki peptit zinciri arasında kurulan H köprüleri rol oynar. Kıvrımların karşılıklı kısımlarında sistein molekülleri var ise bunlar kovalent -S-S- disülfit bağları ile birleşerek molekül şeklinin sabitliğini sağlarlar. ?-Heliks yapı spiral ya da heliks şekil H bağlarının aynı peptit zinciri üzerinde oluşmasıyla meydana gelir.

Tersiyer Yapı (Üçüncül Yapı) Bir proteinin polipeptit zincirlerinin, çeşitli bağlayıcı güçlerle boşlukta düzenlenmesi ve polipeptit zinciri parçalarının değişme etkileri ile birbirinin altına gelmesiyle oluşur. Helozanlanmış, bükülmüş ve katlanmış protein moleküllerinde başlıca H bağları, kovalent bağlar, iyonik bağlar ve hidrofob bağlar bulunur. Polipeptit zincirindeki aminoasitlerin yan zincirleri arasında oluşan bu bağlar proteine yuvarlak veya elipsoid yapı verir.

Globuler tersiyer yapıya sahip protein şeklinde katlanmış peptit zincirleri bir araya gelerek dördüncül yapıyı oluştururlar. Dördüncül yapıdaki peptit zincirleri H bağları, kovalent bağlar, iyonik bağlar ve hidrofob bağlar ile polimerize olmuşlardır.

Protein molekülünün çeşitli etkenlerle doğal üç boyutlu yapısının bozulmasına ve aktivitesini kaybetmesine denatürasyon denir. Bu durum genellikle geri dönüşümsüzdür. Proteinler bozulmuş durumda iken tekrar üç boyutlu yapılarını kazanmalarına ve yeniden biyolojik aktivite göstermelerine renatürasyon denir. Isı, asidite, ultraviyole ışınları, yüksek basınç, deterjanlar, kuvvetli çalkalama, defalarca dondurup çözmek proteinleri denatüre eden etkenlerdir.

Proteinlerin Sınıflandırılması

Fonksionlarına göre sınıflandırma; Katalitik proteinler, taşıyıcı proteinler, fizyolojik düzenleyiciler, yapısal proteinler, kalıtsal proteinler, kontraktil sistemde yer alan proteinler, savunma poteinler ve diğer proteinler olarak yapılabilir.

Yapısal niteliklerine göre ise; basit proteinler, bileşik (konjuge) proteinler ve türev proteinler olmak üzere 3’e ayrılır.

Basit Proteinler; idrolize olduklarında sadece aminoasitleri veren proteinlerdir. Globuler ve fibriler proteinler olmak üzere iki grup altında incelenirler. Globuler proteinler çok sayıda proteini ve birçok enzim ve hormonu kapsar. İsimlerini elipsoid şekline sahip olmalarından almışlardır. Albumin, globulin, glutelin, prolamin, protamin ve histonlar globuler proteindir. Fibröz proteinlere skleroprotein adı da verilir. Hücre ve dokuların yapısal özelliklerini korumada önemli görevleri vardır. Bağ dokusu, kıkırdak, kemik, diş, deri, tırnak ve kıl gibi organizma kısımlarının esas proteinlerini oluştururlar. Kollajen, elastin, keratin bu grupta yer alır.

Birleşik Proteinler; hidrolize edildiklerinde aminoasitlerden başka değişik nitelikte kimyasal maddeler veren proteinlerdir. Glikoproteinler, fosfoproteinler, lipoproteinler, metalloproteinler, kromoproteinler ve nükleoproteinler birleşik proteinlerdir.

Glikoproteinler;Bitki ve hayvanlarda çok yaygındırlar. Çok sayıda enzim, hormon ve serum proteinleri, hayvanların kan grubu maddeleri ve mukoz salgıları glikoproteindir. Karbonhidrat kısmına genellikle galaktoz, mannoz, N-asetilamino şekerler, L-fukoz ve nöyraminik asit katılır. Fosfoproteinler: Prostetik grup olarak fosfat taşırlar. Lipoproteinler: Proteinlerin lipitlerle oluşturdukları bileşiklerdir, özellikle kanda ve vücut sıvılarında lipit transportunda önemli rol oynarlar. Metalloproteinler: Bakır, demir, çinko protein kompleksleri şeklinde taşınırlar. Metal kısım enzimin fonksiyonel kısmını oluşturur. Kromoproteinler: Prostetik grubu porfirinler gibi renkli maddeler olan birleşik proteinlerdir. Porfirin 4 CH grubu (methene köprüsü) ile birbirine bağlanmış 4 pirol halkası içeren bir halka sistemidir. Porfirinler birçok metal iyonu ile birleşebilirler. Nükleoproteinler: Bunlarda bir nükleik asit bir veya birçok proteinle bağlanmıştır. Kromozomlar ve bazı hücre içi yapılar nükleoproteinlerden oluşurlar. Nükleoproteinler kromatinin başlıca maddesi olmalarından dolayı hücre bölünmesinde, çoğalmasında ve kalıtsal faktörlerin nakledilmesinde rol oynarlar.

Nükleik asitler

Nükleik asitler hücre çekirdeğinde, ribozomlarda, sitoplazmada ve mitokondrionlarda bulunur. Kalıtsal yeteneklerin taşıyıcıları ve protein biyosentezinin anahtarları olan nükleik asitler birçok alt birimin uçuca eklenmesi ile oluşan zincir yapıya sahiptirler. Bu alt birimlere nükleotid ve nükleotidlerin birbirine eklenmesi ile ortaya çıkan yapıya da polinükleotid denir. Nükleotidlerde bir şeker molekülü bir heterosiklik azotlu baz ile glikozidik bağla bağlanır ve bir de fosforik asit taşır. Şeker olarak deoksiriboz veya riboz bulunur. Bir pentoz ve bir bazdan oluşan kısma nükleosit denir. Bir nükleosid bir fosfat ile bağlanırsa nükleosid monofosfat, iki fosfat ile bağlanırsa nükleosid difosfat, üç fosfatla bağlanırsa nükleosid trifosfat adını alır. Heterosiklik azotlu bazlar purinler veya pirimidinlerdir. Pirimidinler 6 atomlu kapalı bir halka yapısına sahiptirler. Halka 4 karbon ve 2 azot atomundan kurulmuştur. Purinler 6 atomlu pirimidin halkası ile kaynaşmış 5 atomlu imidazol halkasına sahiptirler. Timin (T), urasil (U), sitozin (S) nükleik asitlerde bulunan başlıca pirimidinler, adenin (A) ve guanin (G) purinlerdir. Sayfa 76’da purin ve pirimidin bazlarını inceleyebilirsiniz.

Nükleotidler nükleositlerin fosfat esterleridir. DNAnın yapısında A, G, C ve T bazlarına göre 4, RNA’nın yapısında da A, G, C ve U bazlarına göre 4 çeşit nükleotid monomeri bulunmaktadır. Nükleik asitlerin yapısında bulunanlardan başka flavin adenin dinükleotid (FAD), flavin mononükleotid (FMN), adenozin trifosfat (ATP) ve nikotinamid adenin dinükleotid (NAD) gibi koenzimler de nükleotiddir.

Nükleik asitlerde pentozlar iki komşu nükleotidin anorganik fosfatları vasıtasıyla şekerin 3’ ve 5’ numaralı karbon atomlarının hidroksil grupları üzerinden birbirleri ile bağlanırlar. Pentozun bir numaralı karbon atomuna glikozidik bağla bir purin veya pirimidin baz bağlanmıştır. Pentozun çeşidine göre iki çeşit nükleik asit vardır. Deoksiribonükleik asit (DNA ) ve ribonükleik asit (RNA). DNA’ nın % 95’i hücre çekirdeğinin kromatininde, % 5’i mitokondrilerde, RNA’nın % 90’ı sitoplazmada, % 10’u nükleolusta yer alır.

Nükleik asitlerden DNA’nın kalıtımı taşıyan bir molekül olduğu, RNA’ların ise DNA’nın taşıdığı genetik bilgiyi proteinlere aktarmada aracılık görevi yaptığı bilinmektedir. Kalıtsal bilgiyi taşıyan molekül kendisini doğru bir şekilde eşleyebilmeli ve uzun yıllar boyunca nesilden nesile aktarılan kalıtsal bilgi değişmeden kalmalıdır, evrimsel değişmeye fırsat vermek için bu molekül kendini eşlerken çok nadir de olsa mutasyona izin vermelidir ve kalıtsal bilgi taşıyan molekül hücrede sentezlenen bütün proteinlerin sentezini denetleyebilmelidir. Bir polipeptidin sentezinden sorumlu DNA parçasına gen adı verilmektedir.

DNA sağa dolanan çift iplikçikli yapıdadır. Bu çift iplikçikli molekülde, birbirlerinin karşıtı olan iplikçikler purin ve pirimidin bazları arasında yer alan hidrojen bağları tarafından birarada tutulurlar. Zıt iplikçiklerdeki purin ve pirimidin nükleotidleri arasındaki eşleşmeler son derece spesifiktir, adenozin (A) timinle (T) ve guanozin (G) sitozinle (C) hidrojen bağı ile bağlanmıştır. Sayfa 78’de Şekil 4.14’de bu bağlanmayı inceleyebilirsiniz. G-C çifti 3 hidrojen bağı, A-T çifti 2 hidrojen bağı ile bir arada tutulur. G-C bağları yaklaşık % 50 oranında daha kuvvetlidir. Çift iplikçikli DNA molekülünde genetik bilgi bir iplikçikteki nükleotid dizisine yerleşiktir. Bu kısım kalıp iplikçiktir. Karşıt iplikçik ise kodlayıcı iplikçiktir.

Çünkü bu iplikçik proteini şifreleyen RNA kopyası ile eşleşmektedir.

Fizyolojik formda, DNA’nın baskın olduğu formu olan B DNA formu her dönüşte 3,4 nm’lik bir eğime sahiptir. Tek dönüşte 10 baz çifti yer alır. Bu temel yapının değişik bir şekli Na ve K’dan daha zengin, suyu hafifçe az olan ortamlarda tercih edilen A formudur. Herbir dönüşünde 11 baz çifti içermektedir. Z-DNA’da sola dönen bir çift sarmal vardır. Fosfodiester omurgası zikzaglar yaptığından bu adı almıştır. DNA sarmalları arasında en az bükülmüş ve ince olanıdır. Her dönüşünde 12 baz çifti vardır.

Ribonükleik asit (RNA) DNA’dakilere benzer 3’-5’ fosfodiester köprüleri ile birbirine bağlı purin ve pirimidin nükleotidlerinin bir polimeridir. DNA’nın pek çok niteliğini paylaşmakla beraber RNA bazı özgün farklılıklar içerir. RNA’da şeker olarak riboz, DNA’da 2deoksiriboz vardır. RNA’nın içerdiği pirimidinler DNA’dan farklıdır. RNA adenin, guanin ve sitozin nükleotidlerini taşımakla beraber nadir durumlar dışında timin içermez. Timin yerine urasil taşır. RNA tek bir iplikçik halinde bulunur. DNA çift sarmaldır. RNA molekülü tek iplikçikten oluştuğundan DNA’ da karşılıklı gelen bazlarda olduğu gibi RNA’da guanin ile sitozinin, adenin ile urasilin eşit olmaları gerekmez. Hücrelerde genellikle üç sınıf RNA’ya rastlanmaktadır. Bunlar messenger (haberci) RNA (mRNA), ribozomal RNA (rRNA) ve transfer RNA (tRNA)’dır. mRNA DNA’da saklı bulunan genetik bilginin protein yapısına aktarılmasında kalıplık görevi yapan aracı moleküldür. rRNA’lar ribozomların ana yapısal elementidir, ribozom ağırlığının yaklaşık % 65’ini oluştururlar. Prokaryotik hücrelerde 3, eukaryotiklerde 4 çeşit rRNA vardır. tRNA ribonükleotidlerin polimerize olması ile meydana gelmiş çok kıvrılmalar gösteren tek zincirli yapıya sahip bir RNA çeşididir. tRNA’lar yonca yaprağına benzeyen üç boyutlu yapılarında yer yer çift sarmal bir durum gösterebilmektedirler.

Türev Proteinler; çeşitli proteinlerin belirli etkilerle değişmeleri sonucu oluşan proteinlerdir. İki alt grupta incelenirler. Primer Türev Proteinler: Bu proteinler suda erimezler, peptit bağlarına dokunulmadan asit, baz ve diğer kimyasal etkilerle protein molekülünü değiştirebilen faktörlerin ürünüdürler. Isı da bu etkiyi gösterebilir. Bu proteinlere denatüre proteinler denir. Sekonder Türev Proteinler: Peptit bağlarını kısmen yıkan asit veya enzimlerin etkileriyle oluşan proteinlerdir. Bu şekilde peptit bağlarının parçalanması ile, protein molekülleri gitgide daha küçük parçalara bölünürler. Bu bölünmede büyük parçalara proteoz (albümoz), küçük parçalara da pepton adı verilir.