006Proteinlerin Fonksiyonel Yap s ve Biyofiziksel zellikle206
advertisement
334 Meltem ERCAN ĐÇĐNDEKĐLER 1- Amino Asitlerin Genel Yapısı 2- Aminoasitlerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri 3- Proteinlerin Yapısal Özellikleri 4- Proteinlerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri 5- Proteinlerin Fonksiyonları PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ Doç. Dr. Meltem ERCAN 6. Proteinlerin Saflaştırılma Yöntemleri 336 Meltem ERCAN PROTEĐNLER Doç. Dr. Meltem ERCAN Maddelere özellikleri veren, atomlarındaki düzendir. Her maddeyi meydana getiren atomlar belli sıralarda ve belli bağlarla birbirlerine bağlanmaları, “molekül“ adı verilen özel grupları oluşturur. Bu çok önemli bir konudur, çünkü atomların farklı şekilde gruplanmaları ve organize olmaları ile canlı ve cansız maddeler birbirinden tamamen ayrılırlar. Canlılığı oluşturan dört büyük ana molekül grubu vardır. Nükleik asitler, Lipitler, Karbonhidratlar, Proteinler. Proteinlerin yapı ve işlevlerini anlayabilmek için, amino asitlerin yapı ve işlevlerini bilmemiz gerekmektedir. 1- AMĐNO ASĐTLERĐN GENEL YAPISI Proteinler amino asitlerin dehidrate polimerleridir, her bir amino asit kalıntısı yanındakine özel bir tip kovalent-peptit bağ ile bağlanmaktadır. Proteinler çok çeşitli yöntemlerle yapısal amino asitlerine hidrolizlenebilir. Amino Asitler Ortak yapısal Özellikler Taşır Tüm amino asitlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri taşıdıkları yan zincire bağlıdır. Tüm 20 a.a. de ortak olan yapı: Bir C atomuna bağlı olarak; Bu tip amino asitler standart αamino asitler olarak adlandırılmaktadır. Aminoasit molekülleri, bir ucunda "amino grubu(NH2)" diğer ucunda ise "karboksil(COOH)" grubu taşırlar. Aminoasitlerin yan yana gelip zincirler oluşturarak proteinleri sentezlemesi, bu iki grubun aralarında kovalent veya iyonik bağ yapmasıyla gerçekleşir. Đki aminoasit yan yana geldiğinde COOH ve NH2 grupları arasında bağlanma meydana gelir ve bu bağa "peptid bağı" adı verilir. Bağlanma sırasında ise bir su molekülü serbest kalır. Đki aminoasidin yan yana gelmesiyle oluşan peptid bağına "dipeptid", üç veya daha fazla (yüzlerce ya da binlerce) aminoasidin yan yana gelmesiyle oluşan zincirdeki peptid bağlarına ise "polipeptid" adı verilir. Proteinler düz aminoasit zincirlerinden meydana gelmesine rağmen oldukça karmaşık yapılara sahiptir. Bunun nedeni ise zincirdeki bazı aminoasitlerin birbirleriyle ikinci veya üçüncü bir bağ yapmasındandır. Aminoasitlerin net yük, çözünürlük, kimyasal reaktiflik, hidrojen bağlama gücü gibi bazı fizikokimyasal özellikleri R grubunun kimyasal doğasına bağlıdır. Genellikle proteinlerde büyüklük, şekil, yük, hidrojen bağlama yeteneği ve kimyasal etkileşimde farklı 20 çeşit yan zincir bulunur. Standart amino asitler, R yan gruplarının özellikle polarite veya biyolojik pH’da su ile etkileşmeye eğilim özelliklerine göre dört sınıfa ayrılırlar. –H • Nonpolar R gruplu amino asitler -Karboksil grup (-COOH) • Polar R gruplu amino asitler -Amino grup (-NH2) • Asidik R gruplu amino asitler -Değişken Yan zincirler (R1…R20) bulunmaktadır • Bazik R gruplu amino asitler PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 337 338 Meltem ERCAN Nonpolar R gruplu amino asitler: 2-AMĐNOASĐTLERĐN FĐZĐKSEL VE KĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ NonPolar Alifatik R gruplu amino asitler: Đyonik özellikler (Dissosiyasyon, izoelektrik nokta) Suda çok az çözünürler. Bu amino asidin sınıfındaki R grupları polar olmayan ve hidrofobiktir. Nonpolar Aromatik R gruplu amino asitler: Aromatik yan zincirli fenilalanin, tirozin ve triptofan göreceli polar olmayanlardır. Hepsi hidrofobik etkileşimlere katılabilir. Aminoasitlerinin yapısında bulunan bazik (amino-NH2) ve asidik (karboksil -COOH) grupların varlığı nedeni ile sulu çözeltilerinin asidik, bazik ya da amfoter karakter ( bileşiğin hem asit hem de baz özelliği taşıması yani asidik ortamda baz, bazik ortamda asit gibi davranması ) kazanmalarına neden olur. Bunlar çözeltilerinde elektriksel yüklü moleküller halindedirler. Çözeltinin amfoter özellik gösterdiği pH’ya izoelektrik nokta denir ve her aminoasit için spesifik bir değerdir. Bu özelliğinden dolayı elektroforez denilen aletle kolayca birbirinden ayrılırlar ve miktarları da belirlenebilir. R Polar, Yüksüz R Gruplu aminoasitler: Suda fazla çözünür. Su ile H bağı yaparlar. Sistindeki gibi disülfit köprüleri, birçok proteinde meydana gelir ve proteinin yapısını stabilize ederler. Sistin iki sistein molekülünün veya kalıntısının disülfit bağıyla bağlanmış halidir. Bu disülfit- bağlı kalıntı kuvvetli hidrofobiktir . Disülfit bağları protein molekülünün bölümleri arasında veya farklı protein zincirleri arasında kovalent bağ yaparak birçok proteinin yapısı için özel bir rol oynar. Pozitif Yüklü (Bazik) R Gruplu aminoasitler: Hidrofilik R gruplarının çoğu pozitif veya negatif yüklüdür. lizin, arjinin histidin pH 7,0’de pozitif yüklü R- grubu içeren amino asitlerdir. Histidin nötrale yakın pKa değerine sahip iyonize olabilen yan zincir içeren tek standart amino asittir. Birçok enzim katalizli tepkimede, His kalıntısı proton alıcısı/vericisi olarak tepkimeyi kolaylaştırır. H3N Đkinci karboksil grubuna sahip aspartat ve glutamat, Asparajin, Glutamin pH 7.0’ de net negatif yüke sahip R grubu içeren iki amino asittir. C COO- H Dipolar iyon (Zwitteriyon) Bir tek amino grubuna ve bir tek karboksil grubuna sahip standart amino asitler, moleküllerinin net elektriksel yüklerinin sıfır olduğu pH’da yani izoelektrik nokta pH’sında Zwitteriyon şeklinde veya diğer bir ifade ile iki kutuplu (dipolar iyon) şekilde bulunurlar. R R H3N + C H 3N COOH + C C O O- H 2N H H Asidik ortam Negatif Yüklü (Asidik) R Gruplu aminoasitler: + Nötral ortam(Zwitteriyon) Bazik ortam Dipolar Amino Asit(Zwitteriyon) • Asidik ortama konduğunda baz gibi davranır ve net yükü +1 olur, • Bazik ortama konduğunda asit gibi davranarak, bazik ortama proton verir ve net yükü -1 olur. Bu çift yönlü yapıya sahip maddeler amfoterik ve sıklıkla amfolitler (amfoterik elektrolitler) olarak adlandırılırlar. PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 339 340 Meltem ERCAN Çözünürlük (Đyonizasyon) Aminoasitler tuz benzeri yapıları nedeniyle kararlı, kristal yapıdadır ve genellikle suda çözünürler. Aminoasitlerin alkoldeki çözünürlüğünün düşük olması, aminoasitlerin polar karakterlerinden kaynaklanmaktadır. Ortama asit ya da baz ilavesi ortamda tuz oluşumu sağlayarak çözünürlüğü artırmaktadır. Diğer aminoasitlerin ortamda bulunuşu da çözünürlüğü kolaylaştırır. 3- PROTEĐNLERĐN YAPISAL ÖZELLĐKLERĐ Proteinler, aminoasitlerin belili türde, belirli sayıda ve belirli diziliş sırasıyla düz bir zincirde kovalent- peptit bağlarıyla oluşmuş polipeptitlerdir. Proteinlerin yapılarında kovalent bağlar ve kovalent olmayan bağlar vardır. UV absorbsiyonu Aminoasitlerin maksimum UV absorbsiyonunu ve floresans özelliğini farklı dalga boylarında gösterir. Proteinlerdeki yapısal değişimler, bu aminoasitler üzerinden gözlenen absorbans ve floresans değişimleri takip edilerek belirlenebilmektedir. Optik aktivite • Proteinlerin yapılarındaki kovalent bağlar, peptit bağları ve disülfid bağlarıdır; • kovalent olmayan bağlar ise hidrojen bağları, iyon bağları ve hidrofob bağlar (apolar bağlar)’dır. 1) Peptit bağları: Peptit bağı bir aminoasidin karboksil grubu ile ikinci bir aminoasidin amino grubu arasından bir H20 molekülünün açığa çıkması sonunda meydana gelir. 2) Disülfid bağları: Đki sistein kalıntısı arasında, sülfhidril (tiyol, -SH) gruplarının H kaybetmeleri sonucu oluşan S-S bağlarıdır. Disülfid bağlarının bir protein molekülünün şeklinin oluşmasında ve korunmasında önemli etkisi vardır. 3) Hidrojen bağları: Polipeptit zinciri oluşturan peptit özelliklerinden kaynaklanan durumundan dolayı, oksijenlerin negatif, azotların ise pozitif özellik taşımasının sonucu olarak, bir polipeptit zincirdeki bir peptit düzleminde bulunan oksijen atomu ile bir başka peptit bağı veya düzlemindeki azot atomu arasında, oluşan bağlardır: (+) Dekstrorotatuvar - Sağ – saat yönü, (-) Levorotatuvar-Sol-saat yönünün tersi Glisin dışındaki tüm aminoasitlerin karbon atomu asimetriktir, yani dört farklı grup bağlanmıştır. Bu da optikçe aktif olmalarına neden olur. Bunlar polarize ışığın yönünü değiştirme yeteneğinde olan maddelerdir. Yön değiştirme sola veye sağa olabilir. Doğal aminoasitler L formunda bulunur ve Daminoasitler atipik aminoasitlerdir Doğal aminoasitlerin çoğu polarize ışığı sağa çevirir. D- amino asitlerin çoğunluğu ise vücut tarafından kullanılamaz. Bu nedenle de bunlara doğal olmayan aminoasitler de denir. 4) Đyonik bağlar: Polipeptit zincirlerindeki asidik ve bazik amino asit kalıntılarının fonksiyonel gruplarının fizyolojik pH’da tamamen veya kısmen iyonlaşmış halde bulunmalarının sonucu olarak, elektronegatif ve elektropozitif − + gruplar arasında gelişen elektrostatik çekim kuvveti ile (COO ······H3N ) oluşan bağlardır. 5) Apolar bağlar (hidrofobik bağlar): Polipeptit zincirindeki amino asit kalıntılarının apolar kısımlarının birbirlerine yeter derecede yakın olmaları halinde geçici bir polarite göstermelerinin sonucu ortaya çıkan ve Van der Waals-London çekme kuvveti diye bilinen zayıf çekme kuvveti ile oluşan bağlardır. Hidrofobik etkileşimler, proteinlerin iç kısımlarının kararlı olarak devamlılığının sağlanmasında rol oynar. PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 341 Protein moleküllerinin yapısı Peptit bağlarıyla 342 Meltem ERCAN Proteinlerin α-heliks yapısında, polipeptit omurgası, oluşması mümkün olan bütün hidrojen bağlarının oluşması için, kıvrımları sağa dönen bir heliks biçiminde bükülmüştür: Tüm bağlarla Plakalı protein yapısı heliksel yapıdan farklı olarak pili benzeri yapı oluşturacak şekilde katlanmalar gösterir. Plakalı yapılarda hidrojen köprüleri farklı polipeptid zincirleri arasında kurulur. Đki paralel polipeptid zinciri sekonder yapı oluşturduğunda zincirlerin birbirine yaklaştığı yerlerde kükürtlü aminoasitlerin aracılığıyla disülfit bağları oluşur. Polipeptit omurganın özelliği ve özellikle hidrojen bağlarıyla Molekül ağırlığı 100000’in üzerinde olan proteinlerde Protein Yapısının Birkaç Düzeyi Vardır. düzeyi tanımlanmıştır. Başlıca dört protein yapı Bir proteini meydana getiren böyle bir amino asit dizisine yani polipeptit zinciri, o proteinin birincil (primer) yapısı olarak gösterilir Đkincil (sekonder) yapı bir polipeptit zincirinin, komşu amino asitlerin aralarında kurdukları hidrojen köprüleri sonucu, kazandığı yapı düzenine karşılık gelir Bu yapılara kararlılık kazandıran aynı polipeptid zinciri üzerinde kurulan H köprüleridir ve en stabil yapı göstereni α-heliks proteinlerdir. α-heliks proteinlerin çoğunda heliksin bir yüzü hidrofobik iken diğer yüzü ve yan zincirler hidrofilik kalıntılarla bağlanmıştır. Üçüncül (tersiyer) yapı, polipeptit zincirlerinin uzak bölümlerindeki grupların birbirleriyle kurdukları (S-S, hidrojen, van der Waals ya da tuz bağları gibi) bağlar sonucu oluşan özgün, küresel yapı düzenidir. Tersiyer yapı genellikle globüler proteinlerde görülür ve bu proteinler tersiyer yapılarıyla üç boyutlu şekillerine kavuşurlar. Dördüncül (kuarterner) yapı düzeni, birden çok polipeptit zincirinden meydana gelen proteinlerde (örneğin hemoglobin ya da immunoglobulin) görülür. Böyle proteinler, altbirim adı verilen polipeptit zincirlerinin zayıf bağlarla ya da S-S köprüleriyle birleşmesi sonucu oluşurlar. Dördüncül yapının oluşumunda moleküllerin asimetrik yapıları ve altbirimlerin birbirlerini tümleyen (komplementer) yüzeyleri belirleyici olur. Bu etkileşimlere bağlı olarak çok yüzeyli (örneğin yirmi yüzeyliye değin) yapı düzenleri ortaya çıkar. 4- PROTEĐNLERĐN FĐZĐKSEL VE KĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ a. Proteinler, çeşitli etkilerle denatüre olurlar. Bir proteinin denatürasyonu, molekülündeki yan bağların yıkılması ile polipeptit zincirin katlarının açılması, sonra yeni bir biçimde yeniden katlanması olayıdır. Bir proteinin denatürasyonu, proteinin tersiyer yapısının bozulması, sekonder ve primer yapısının korunması biçiminde olursa reversibl’dır. Bir proteinin denatürasyonu, proteinin tersiyer ve sekonder yapısının bozulması, yalnızca primer yapısının korunması biçiminde olursa irreversibl’dır. Proteinin PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 343 344 Meltem ERCAN denatürasyonu, çoğu kez hidrojen bağlarını yıkan etkilerle olur. Bir proteinin denatürasyonuna neden olan etkiler şunlardır: Isı, X-ışını ve UV ışınlar, ultrason, uzun süreli çalkalamalar, tekrar tekrar dondurup eritmeler, asit etkisi, alkali etkisi, organik çözücülerin etkisi, derişik üre ve guanidin-HCl etkisi, salisilik asit gibi aromatik asitlerin etkisi, dodesil sülfat gibi deterjanların etkisi. 3. Koordinasyonlu Hareket; b. Proteinler, amfoter maddeler yani amfoter elektrolit veya amfolittirler; hem asit hem baz gibi davranma özellikleri vardır. 7. Büyüme ve Başkalaşımın Kontrolü; + 4. Mekanik Destek; 5. Đmmün Koruma; 6. Sinir impulsların üretilmesi ve nakledilmesi; − (H2N-·····-COOH) ↔(H3N -····-COO ) Bir protein molekülü, izoelektrik noktasından düşük pH ortamında pozitif yüklü katyon; izoelektrik noktasından yüksek pH ortamında ise negatif yüklü anyon şeklinde bulunur. c. Proteinler, amfolit olma özellikleriyle ilgili olarak da çeşitli özelliklere sahiptirler: 1) Proteinlerin hem baz hem asit bağlama özellikleri vardır. 2) Proteinlerin hem negatif iyon hem pozitif iyon bağlama özellikleri vardır. 3) Proteinlerin su bağlama ve bağlı suyu verme yetenekleri vardır. 4) Proteinler, elektriksel alanda farklı hızlarda göç ederler. Bu göç, izoelektrik noktalarından düşük pH’larda katoda; izoelektrik noktalarından yüksek pH’larda anodadır. Proteinlerin elektriksel alanda göçme hızı, net elektrik yüklerine ve ortamın pH değerine bağlıdır. Bir protein, elektriksel alanda, izoelektrik noktasına eşit pH ortamında her iki kutup tarafından eşit kuvvetlerle çekilir; hiç bir kutba göç etmez; hareketsiz kalır. d. Proteinler, polipeptit zincirindeki peptit bağlarının su girişi ile yıkılması sonucu hidroliz olurlar. 6. PROTEĐNLERĐN SAFLAŞTIRILMA YÖNTEMLERĐ 1. Kromatografik Yöntemler A. Jel Filtrasyonu B. Ion -Exchange ( Đyon Değiştirici ) Kromatografisi C. Affinite Kromatografisi D. Hidrofobik Etkileşim Kromatografisi (HPLC); Kromatografisi; E. Yüksek Basınçlı Sıvı 2. Elektroforetik Yöntemler A. Elektroforez B. Đzoelektrik Fokuslama 3. Santrifügasyon Yöntemleri A. Densiti Gradient (Zonal ) Santrifügasyon B. Differansiyel Santrifügasyon 4. Dializ Ve Ultrafiltrasyon KAYNAKLAR 5- PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONLARI Proteinler hemen hemen bütün biyolojik prosseslerde çok kritik ve önemli rollere sahiptir. Bu fonksiyonlar şu başlıklar altında toplamak mümkündür: Pehlivan F. (1997): Biyofizik. Hacettepe Taş Kitapçılık 2.Baskı, Ankara Yıldırım H. (1985): Biyofizik. Anadolu Üniversitesi, Eskişehir. Çelebi G. (2000): Biyofizik, II. Baskı, Barış Yayınları, Đzmir. 1. Enzimatik Kataliz; 2. Transport ve Depolama; Biyofizik Ders Notları, Đ.Ü. Đstanbul,Tıp Fak. 1997, Đstanbul. Guyton&Hall, Tıbbi Fizyoloji, Onuncu Edisyon, Nobel Tıp Kitabevi, 2001. PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 345 Hücrenin Moleküler Biyolojisi Kitabın çeviri editörlüğü, Nur Buyru, Nejat Dalay, Meral Özgüç, Mehmet Öztürk ve Meral Sakızlı tarafından 4. baskı, 2009. Karl-Heinz Zimmerman, An introduction to protein informatics, 2003 Moleküler Biyoloji, Nobel yayın dağıtım, 1. Basım, 2007, Đstanbul. tr.wikipedia.org/wiki/Protein www.saglikbilimi.com/proteinlerin-yapisi www.bilim.org www.mustafaaltinisik.org http://www.classwire.com/garlandscience www2.aku.edu.tr www.edubilim.com 346 Meltem ERCAN
