PROTEĐNLERĐN FONKSĐYONEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ

Transkript

1 334 ĐÇĐDEKĐLER 1- Amino Asitlerin Genel Yapısı 2- Aminoasitlerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri 3- Proteinlerin Yapısal Özellikleri 4- Proteinlerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri 5- Proteinlerin Fonksiyonları PROTEĐLERĐ FOKSĐYOEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 6. Proteinlerin Saflaştırılma Yöntemleri Doç. Dr.

2 336 PROTEĐLER Doç. Dr. 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. ükleik asitler, Lipitler, Karbonhidratlar, Proteinler. Proteinlerin yapı ve işlevlerini anlayabilmek için, amino asitlerin yapı ve işlevlerini bilmemiz gerekmektedir. 1- AMĐO ASĐTLERĐ GEEL 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; H -Karboksil grup (-COOH) -Amino grup (-H 2 ) -Değişken Yan zincirler (R1 R20) bulunmaktadır Bu tip amino asitler standart α- amino asitler olarak adlandırılmaktadır. Aminoasit molekülleri, bir ucunda "amino grubu(h 2 )" 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 H 2 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. onpolar R gruplu amino asitler Polar R gruplu amino asitler Asidik R gruplu amino asitler Bazik R gruplu amino asitler

3 PROTEĐLERĐ FOKSĐYOEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ onpolar R gruplu amino asitler: onpolar Alifatik R gruplu amino asitler: 2-AMĐOASĐTLERĐ FĐZĐKSEL VE KĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ Đyonik özellikler (Dissosiyasyon, izoelektrik nokta) Suda çok az çözünürler. Bu amino asidin sınıfındaki R grupları polar olmayan ve hidrofobiktir. onpolar Aromatik R gruplu amino asitler: Aromatik yan zincirli fenilalanin, tirozin ve triptofan göreceli polar olmayanlardır. Hepsi hidrofobik etkileşimlere katılabilir. 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 pk a değerine sahip iyonize olabilen yan zincir içeren tek standart amino asittir. Birçok enzim katalizli tepkimede, His kalıntısı proton alıcısı/vericisi olarak tepkimeyi kolaylaştırır. egatif Yüklü (Asidik) R Gruplu aminoasitler: Đkinci karboksil grubuna sahip aspartat ve glutamat, Asparajin, Glutamin ph 7.0 de net negatif yüke sahip R grubu içeren iki amino asittir. Aminoasitlerinin yapısında bulunan bazik (amino-h 2 ) 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. H 3 R C H COO- 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. H 3 R C H C O OH Asidik ortam ötral ortam(zwitteriyon) Bazik ortam Dipolar Amino Asit(Zwitteriyon) Dipolar iyon (Zwitteriyon) H 3 C C O O- 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. R H H 2 Bu çift yönlü yapıya sahip maddeler amfoterik ve sıklıkla amfolitler (amfoterik elektrolitler) olarak adlandırılırlar.

4 PROTEĐLERĐ FOKSĐYOEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 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. 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 3- PROTEĐLERĐ 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. 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 H 2 0 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 D- aminoasitler 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 H 3 ) 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.

5 PROTEĐLERĐ FOKSĐYOEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ Protein moleküllerinin yapısı Peptit bağlarıyla Proteinlerin α-heliks yapısında, polipeptit omurgası, oluşması mümkün olan bütün hidrojen bağlarının oluşması için, kıvrımları sağa dönen bir heliks biçiminde bükülmüştür: Tüm bağlarla Polipeptit omurganın özelliği ve özellikle hidrojen bağlarıyla Molekül ağırlığı in üzerinde olan proteinlerde Protein Yapısının Birkaç Düzeyi Vardır. Başlıca dört protein yapı düzeyi tanımlanmıştır. 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. 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. 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- PROTEĐLERĐ 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

6 PROTEĐLERĐ FOKSĐYOEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ 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. b. Proteinler, amfoter maddeler yani amfoter elektrolit veya amfolittirler; hem asit hem baz gibi davranma özellikleri vardır. (H 2 - -COOH) (H 3 - -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. 3. Koordinasyonlu Hareket; 4. Mekanik Destek; 5. Đmmün Koruma; 6. Sinir impulsların üretilmesi ve nakledilmesi; 7. Büyüme ve Başkalaşımın Kontrolü; 6. PROTEĐLERĐ SAFLAŞTIRILMA YÖTEMLERĐ 1. Kromatografik Yöntemler A. Jel Filtrasyonu B. Ion -Exchange ( Đyon Değiştirici ) Kromatografisi C. Affinite Kromatografisi D. Hidrofobik Etkileşim Kromatografisi; E. Yüksek Basınçlı Sıvı Kromatografisi (HPLC); 2. Elektroforetik Yöntemler A. Elektroforez B. Đzoelektrik Fokuslama 3. Santrifügasyon Yöntemleri A. Densiti Gradient (Zonal ) Santrifügasyon B. Differansiyel Santrifügasyon 4. Dializ Ve Ultrafiltrasyon 5- PROTEĐLERĐ FOKSĐYOLARI Proteinler hemen hemen bütün biyolojik prosseslerde çok kritik ve önemli rollere sahiptir. Bu fonksiyonlar şu başlıklar altında toplamak mümkündür: 1. Enzimatik Kataliz; 2. Transport ve Depolama; KAYAKLAR 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. Biyofizik Ders otları, Đ.Ü. Đstanbul,Tıp Fak. 1997, Đstanbul. Guyton&Hall, Tıbbi Fizyoloji, Onuncu Edisyon, obel Tıp Kitabevi, 2001.

7 PROTEĐLERĐ FOKSĐYOEL YAPISI VE BĐYOFĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ Hücrenin Moleküler Biyolojisi Kitabın çeviri editörlüğü, ur Buyru, ejat Dalay, Meral Özgüç, Mehmet Öztürk ve Meral Sakızlı tarafından 4. baskı, Karl-Heinz Zimmerman, An introduction to protein informatics, 2003 Moleküler Biyoloji, obel yayın dağıtım, 1. Basım, 2007, Đstanbul. tr.wikipedia.org/wiki/protein www2.aku.edu.tr