MAKROMOLEKÜLLER. Proteinler Nükleik asitler Karbonhidratlar Lipitler

Transkript

1 MAKROMOLEKÜLLER Proteinler Nükleik asitler Karbonhidratlar Lipitler

2 PROTEİNLER Organizmada en yüksek oranda bulunan makromoleküller % 70 su % 15 protein % 15 diğer Total hücre ağırlığı Alman kimyacı MULDER, Berzelius Amino asitlerin lineer polimerleri, (n tane) 20 St AA Farklı Cins Sayı sıralanma PROTEİN

3 lineer polimerler:. H 2 N ( Amino asitler ) n COOH AA sayısı: n AA sekansı: 20 n Sınırsız sayıda farklı protein yapıları

4 H 2 N ( ) n COOH (lineer polimer) (polipeptid zincir) Her proteinin spesifik bir fonksiyonu vardır Biyolojik fonksiyonlar, 3 boyutlu yapıya bağlıdır 3 boyutlu yapı, lineer polimerlerin çok farklı şekillerde katlanması ve kıvrılmasıyla oluşur 1 dalton, 1 atomik kütle birimine denk gelmektedir.

5 Proteinlerin Biyolojik Fonksiyonu Yapısal proteinler: Genellikle fibriller yapıda olup organizmaya destek görevi yapmakta ve dayanıklılık sağlamaktadırlar. Ör: Kollajen (tendon and kıkırdak) keratin (saç ve tırnakta)

6 Enzimler: Bu proteinler substrat adı verilen ligandlarını bağlayarak kimyasal bir değişime uğratır. Cok çeşitlilik gösteren ve en fazla özelleşmis olan ve katalitik aktiviteye sahip olan protein moleküllerine denir. Biyokimyasal reaksiyonları katalizlerler 2000 kadardır.... az şeklinde adlandırılır

7 Düzenleyici proteinler: Ligandlarına bağlanmaları geri dönüşümlü olup,ligandın biyolojik etkinliğinin değişmesiyle sonuçlanırlar Hücresel ve fizyolojik aktivitenin düzenlenmesinden sorumludurlar Ör:Hormonlar (insülin eksikliği diabet) G-proteinler Hücre içi haberleşme

8 Transport proteinleri: Kendilerine özgü ligandı geri dönüşümlü olarak bağlayıp, canlı sistemin bir bölümünden diğer bölümüne taşırlar.plazmada ve membranlarda spesifik maddelerin veya iyonların taşıyıcısıdırlar Ör:Hb-O 2, miyoglobin-o 2 Lipoprotein-lipid, Transferrin-Fe Seruloplazmin-Cu, vb

9 Proteinlerin Biyolojik Fonksiyonu Kontraktil proteinler: Liganda bağlanmaları mekanik işin gerçekleşmesiyle sonuçlanır.kasılmayı ve hareketi sağlayan proteinler Ör:Miyozin - kalın filament Aktin - İnce filament

10 Proteinlerin Biyolojik Fonksiyonu Savunma proteinleri: Bu proteinler antijen adı verilen makromoleküler nitelikli ligand yapıyı geri dönüşümsüz bire etkileşim ile bağlayarak sabitleştiriler. Ör:İmmünoglobülinler: Patojenlere karşı organizmayı korurlar Fibrinojen: (Pıhtılaşma mekanizması)

11 Proteinlerin Yapısal Özellikleri

12

13

14 Amino Asitler -Proteinlerin temel yapıtaģıdır -Proteinlerin üç boyutlu yapısını belirler. -Ġstisnalar haricinde; tüm proteinler 20 farklı a.a. ten meydana gelir. -Proteinlerin içerisinde farklı sayıda ve dizide bulunan amino asitler farklı yapıda ve fonksiyonda binlerce çeģit protein oluģumuna neden olur.

15 Tarihçesi lk defa 1806 yılında Asparagus (kus konmaz) bitkisinden asparajin amino asidi keşfedilmiştir yılında glisin Glutamik Asit Treonin 1938 yılında (en son olarak)

16

17 1.Apolar ya da hidrofobik R-grupları içeren amino asitler: alanin, valin, lösin, izolösin, prolin, fenilalanin ve triptofan

18 Açık bir elektrik yükü taşımayan, ancak polar nitelikte R-grupları içeren amino asitler: hidroksil grubu içeren serin, treonin ve tirosin, sülfhidril grubu içeren sistein ve amit grubu içeren asparagin ve glutamin

19 R-grubu negatif elektrik yüklü (yani asidik) amino asitler: aspartik asit ya da glutamik asit

20 R-grubu pozitif elektrik yüklü (yani bazik gruplar) amino asitler: ikinci bir amino grubu taşıyan lisini, guanidyum grubu içeren arginini ya da zayıf bazik nitelikte imidazol grubunu içeren histidini kapsar.

21

22 Amino Asitler Asit ve Baz Gibi Davranabilir

23 Bir zwitteriyon, asit (proton verici) gibi

24 ya da baz (proton alıcı) gibi davranabilir:

25 Net yük:

26 Dipolar Amino asit (zwitteriyon) Asidik ortamda COO - H 3 N + C H R + H + COOH H 3 N + C H R dipolar iyon net yük: 0 diprotik iyon net yük: +1 Dipolar AA, asidik ortamda BAZ gibi davranır (proton alır: akseptör)

27 Dipolar Amino asit (zwitteriyon) Bazik ortamda COO - H 3 N + C H R dipolar iyon net yük: 0 + OH - COO - H 2 N C H R anyonik iyon net yük: -1 + H 2 O Dipolar AA, bazik ortamda ASİT gibi davranır (proton verir: donör)

28 } Hem asit hem baz gibi davranabilen bileģikler } Amfoterik Amfolit Amfoterik elektrolit Amfolit Zwitteriyon Dipolar AA } } Hem pozitif hem negatif yük taģıyan amino asitler Asit ortamda Bazik ortamda Protonlanmış Amfoterik amino asitler } BAZ ASĠT Dipolar AA Amfolit }Amfolit Diprotik asit (Hem amin hem karboksil grubu protonlu)

29 Diprotik Amino Asitlerin İyonizasyonu Diprotik/katyonik Dipolar/Zwitteriyon Anyonik Tamamen protonlu yarı yarıya protonlu Tamamen protonsuz Amin ve karboksil grubu protonlanmış diprotik AAler ortama 2 proton verirler

30 Diprotik Amino Asitlerin İyonizasyonu Ortam ph sına bağımlı k o n s a n t r a s y o n Zwitteriyon form (Dipolar iyon) Diprotik form Anyonik form

31 Amino Asitlerin İyonizasyonu Amino Asitler Zayıf poliprotik asitlerdir Her biri dissosiye olabilen protonlar içerir Protonların dissosiyasyon derecesi ortamın ph sına bağlıdır

32 Ġyonizasyonun ph ve pk ile ĠliĢkisi ph = -log[h + ] = log(1/[h + ]) Zayıf bir asit : HA H + + A - K = [H + ][A - ]/[HA] K: dissosiyasyon sabiti (Asitin iyonize olma eğilimi) pk = - logh pk: Ġyonizasyon için denge sabiti (Proton verme eğiliminin ölçüsü)

33 Ġyonizasyonun ph ve pk ile ĠliĢkis Zayıf bir asit : HA H + + A - pk = ph + log ([HA]/[A - ]) Asit % 50 iyonize olduğunda, [HA] = [A - ] pk = ph Bir asit grubunun pk sı: Protonlu ve protonsuz türlerin eģit konsantrasyonda olduğu ph değeri

34 K = [H + ][A - ]/[HA] pk = - logk ph = pk + log ([A - ] / [HA]) pk: pk: Asitin iyonize olma eğilimi Asitin iyonize olma eğilimi H: 10 kat arttığında H: 10 kat azaldığında pk - 1 pk + 1

35 Amino Asitlerin Titrasyon Eğrileri Titrasyon: Protonların dereceli olarak ortama ilave edilmesi veya ortamdan uzaklaģtırılması Eşdeğer gram asit = Eşdeğer gram baz

36 Amino Asitler, Karakteristik Titrasyon Eğrilerine Sahiptir!

37 Titrasyon Eğrileri, Amino Asitlerin Elektrik Yükünü Öngörür R grubu net bir elektrik yükü taşıyan AA lerde 3. bir pk değeri bulunur. Asidik R-grupları taşıyan AA ler için pk genellikle 4,0; bazik R-grupları taşıyan AA ler için pk degeri 6,0-12,0 arasında değişir.

38 ph değişiminin etkisi protein kimyası açısından çok önemlidir. ph daki küçük bir değişiklik bile molekülün yükünü değiştireceğinden, onun çevreyle etkileşimini, dolayısıyla davranışını da etkiler.

39 İzoelektrik noktada birçok proteinin çözünürlüğü en düşük değerdedir:net yükü sıfır olduğundan elektriksel etkileşimi ortadan kalkar.

40 Asidik gruplar baskınsa, pk düşük olur. Bazik gruplar baskınsa pk yüksek olur..

41 PROTEİNLERİN ÜÇ BOYUTLU YAPISI

42 Peptid Bağı OluĢumu R 1 Amino grup R 1 Peptid Bağı Karboksil grup R 2 R 2

43 PEPTĠT BAĞININ KARARLILIĞI VE OLUġUMU Peptit bağı iki amino asit arasından bir molekül su çıkışıyla olmaktadır. Ancak bu reaksiyon sulu ortamda termodinamik olarak elverişli değildir ( G=+10 kj/mol). Oda sıcaklığında kendiliğinden gerçekleşebilecek reaksiyon peptit bağının hidrolizidir.

44 Ancak hidroliz reaksiyonu da fizyolojik ph ve sıcaklıkta katalizlenmediği taktirde son derece yavaş gerçekleşir. Polinükleotitler gibi polipeptitler de METASTABĠLdirler. Hidroliz ancak ekstrem koşullarda veya katalizör varsa gerçekleşir.

45 Burada da görüldüğü gibi, mavi ile gösterilen peptit bağı zincir boyunca yer almakta!

46 a) O-C-N üzerindeki orbitalinin hareketliliği C-N bağının kısmi çift bağ karakterinden sorumludur. B) peptit bağındaki bağ uzunukları (nm) ve açıları

47 -C=O ve -N-H bağları hemen hemen paralel konumdadır ve C, O, N, ve H atomları genellikle eş düzlemlidir. Bu nedenle bu bağ, rezonans hibritleri nedeniyle çift bağ karakterindedir. Rezonans hibritleri

48 Protein iskeleti boyunca rotastonu sağlayan bağlar Alfa - Karbon Etrafında Rotasyon Peptid bağı düzlemi hareketsiz olmasına rağmen, - karbon etrafındaki rotasyon polipeptid zincirine esneklik kazandırır Amid düzlemi -karbon Amid düzlemi

49 Peptidlerin Sınıflandırılması AA sayısı Bağ sayısı Peptid dipeptid tripeptid tetrapeptid pentapeptid n n-1 polipeptid PEPTİDLER, peptid bağı sayısına göre değil, AA sayısına göre sınıflandırılırlar

50 Peptidlerin Sınıflandırılması OLĠGOPEPTĠD: Birkaç AA(AA sayısı 10) POLĠPEPTĠD:Birçok AA(AA sayısı 10-12) PROTEĠN: AA sayısı 40 (mol.ağ: ~5000) Proteinler bir ya da daha çok polipeptid zincirinden oluģabilirler

51 Protein Yapısının Birkaç Düzeyi Vardır Başlıca dört protein yapı düzeyi tanımlanmıştır.

52

53

54 Proteinler belli bir amino asit dizisine sahip polipeptitlerdir. Bu dizilime PRĠMER (BĠRĠNCĠL) YAPI denir.

55 İnsan ve balinanın miyoglobin moleküllerindeki amino asit dizilerinin karşılaştırılması

56 Bu örnekte verilen miyoglobin 153 amino asitten oluşur. Birkaç yüz hatta birkaç bin amino asit içeren proteinler de vardır. Bu iki miyoglobinin amino asit dizileri benzer olmakla beraber özdeş değildir.ortak amino asitler, her ikisinin de aynı biyokimyasal amaca hizmet etmeleri için yeterlidir. Bu yüzden ikisine de miyoglobin diyoruz.

57 Proteinlerin primer yapısı bir BİLGİ DİZİSİDİR! Bu bilgi, proteinin üç boyutlu yapısını, işlevini ve diğer moleküllerle etkileşimini de belirler.

58 Sekonder yapı

59

60 - sarmal -tabaka

61

62 Alfa sarmal Beta tabaka

63 Beta tabaka yapı

64

65 SEKONDER (İKİNCİL) YAPI Miyoglobinin üç boyutlu yapısına katlanmış biçimi. Zincirde yer yer sarmal katlanmalar gözleniyor. İşte bu tip kurallı katlanmalar SEKONDER YAPIYI oluşturur.

66

67 İyonik bağ, hidrojen bağ, hidrofobik bağ ve disülfit bağları

68 Sekonder yapısını kazanmış protein daha da kıvrılıp katlanırsa TERSĠYER (ÜÇÜNCÜL) YAPISINI kazanır.

69 Birden fazla polipeptit zincirinden oluşan proteinlerde daha da ileri bir yapısal oluşum vardır: KUATERNER (DÖRDÜNCÜL) YAPI

70

71 Proteinlerin Şekli Proteinler, eksen oranları(uzunluğun genişliğe oranı) na göre,2 grubu ayrılırlar: Globuler proteinler: Eksen oranı 10 ; genelde: 3-4 Fibröz Proteinler:Eksen oranı 10

72 Globüler proteinler: Sıkıca katlanmış helezon şeklinde polipeptid zincirlerden oluşur Örnek: Albumin, Miyoglobin (Proteinlerin büyük kısmı, bu gruptadır)

73 Fibröz Proteinler: Spiral veya heliks şeklinde kıvrılmış,(kovalent ve H bağlarıyla çapraz bağlanmış) zincirlerden oluşurlar Bitkilerde bulunmazlar. Örnek: Bağ dokusu proteinleri: Kollajen, Elastin, Keratin Miyozin: Kas proteini Fibrinojen:pıhtılaşma proteini

74 Kollajen:Birbirine sarılmış 3 polipeptid zinciri (üçlü heliks) nden oluşur Memelilerde total proteinin %30 unu teşkil eder Gly,Ala,Pro,Lys den zengindir B Proteolitik A enzimlere karşı dirençlidir C

75 Aktif protein örneğinde yapı-işlev ilişkileri Oksijen taşıyan ve depo görevi üstlenmiş proteinler: Hemoglobin ve miyoglobin

76 Oksijenin hücrelere verimli bir şekilde taşınması ve depolanmasını sağlayan 2 önemli sistem vardır. 1- Dolaşım sistemi 2- Oksijen taşıyıcı moleküller

77 Oksijenin suda az çözünmesi kasta miyoglobin, kanda hemoglobininin varlığı ile telafi edilmiştir. Hemoglobin 1lt kanın O 2 taşıma kapasitesini 5 ml den 250 ml O 2 ne çıkarmıştır.

78

79 -Hem -Hemin

80 Miyoglobin prostetik grubu hem olan bir kromoproteindir; başlıca kırmızı kaslarda özellikle kalp kasında yüksek konsantrasyonda bulunur 153 amino asitten oluşan bir polipeptit zinciri ve bir hem grubu içerir

81 Miyoglobin in moleküler yapısı X-ışınları kristalografisi yöntemi ile 1957 de J.C. Kendrew tarafından belirlenmiştir.

82 Molekülün prostetik grubu (Hem) non-polar amino asit rezidüleri ile çevrilidir. Non-polar rezidüler fizyolojik ortamda hem grubunun su ile etkileģmesini engellerler. Termodinamik olarak elveriģli bir durumdur( Polar yan zincirler dıģta, hidrofobik rezidüler ortada)

83 Miyoglobinin hem grubundaki Fe 2+, O 2 ile reversibl olarak bağlanabilir.

84 Hem düzleminde Fe2+ iyonun histidin grupları ve O2 ile etkileşimleri

85 Miyoglobin ve hemoglobinin O2 özellikleri bağlama Görünür ışık bölgesinde oksijen yüklü ve oksijenden yoksunhemoglobinin (oksi-ve deoksi hemoglobinin) soğurum spektrumları. Miyoglobin ve hemoglobinin soğurum spektrumları benzeşiktir.

86 The Bohr Effect

87 Atmosferik hava ve değişik vücut bölmelerindeki PO2 değerleri.

88 Hemoglobin yapısı Hemoglobin molekülü 4 hem ve 1 globin içerir.

89 Hemoglobindeki 4 hemin her biri bir protoporfirin III ve bir Fe2+ içerir.

90 Hemoglobinin protein komponenti olan globin, glisince fakir, bazik amino asitlerce zengin bir proteindir; tetrahedral şekilde düzenlenmiş 4 polipeptit zincirden yapılmıştır.

91 Çeşitli hemoglobin tiplerinde bulunabilen polipeptit zincirleri -zincir, -zincir, -zincir, -zincir olmak üzere dört tiptir. Fizyolojik hemoglobinler, erişkin bir şahsın kanındaki eritrositlerde bulunan HbA1, HbA2, HbF hemoglobinleridirler.

92 Akciğerlerde oksijenasyon olayı sonucunda hemoglobine bağlanan oksijen, diğer dokularda deoksijenasyon olayı sonucunda hemoglobinden ayrılır

93 Oksijenize hemoglobin (oksihemoglobin) parlak kırmızı, deoksijenize hemoglobin (deoksihemoglobin) koyu kırmızıdır. kanın oksijenlenmesinde bir azalma ve bunun sonucu olarak deoksijenize olmuş hemoglobinde artış, deri ve mukozalara karakteristik mavimtrak bir renk verir ki bu durum siyanoz olarak tanımlanır.

94 Deoksi Oksi (Gergin, bağ s.fazla) (Gevşek, bağ sayısı az) Oksihemoglobinde bir αβ zincir çifti, diğerine 15º yaklaşır.

95 Hemoglobinin oksijene affinitesi, oksijenin kısmi basıncına bağlıdır. po 2 değişimine karşı hemoglobinin oksijenle % satürasyonunu gösteren grafiklere hemoglobinin satürasyon eğrisi veya oksihemoglobinin dissosiasyon eğrisi denir

96 Hemoglobin, miyoglobine oranla Oksijen bağlamada gösterdiği çeşitli ayrıcalıklarla göze çarpar. Hemoglobinin O2 bağlama eğrisi sigmoit ya da S biçimlidir. Hemoglobinin O2 ile yari doyumu için gerekli PO2 (P50)=26 mmhg) Hemoglobinin O2`ye olan ilginliği ve buna bağımlı olarak O2 doyum eğrisinin dikliği H iyonların derişimine, CO2 yada 2,3 difosfogliserat (2,3 DPG) moleküllerinin hemoglobinle etkileşimine bağımlı olarak değişir.

97 The Bohr Effect

98

99 Miyoglonin ve hemoglobinin O2 ile etkileşimlerinde gösterdikleri farklı davranış Hill tarafından geliştirilen bazı denklemlerde matematiksel bir anlatım bulmuştur: Oksijenin miyoglobine bağlanması protein-ligand etkileşimlerine bir örnek oluşturur. MbO 2 Mb + O 2 Etkileşimin ayrışım denge dursayısı K d Mb O 2 MbO 2

100 Burada [MbO2], O2 yülü miyoglobin, [Mb] O2 den yoksun miyoglobin ve bağlanmamış O2 derişimlerini (litrede mol) anlatmaktadır. Miyoglobinin O2 ile doyum oranı (γ): MbO 2 MbO Mb 2

101 Eşitliklerin birleştirilmesi ile O 2 0 Kd 2 elde edilir. Derişim yerine sınırlı oksijen basıncı PO2 kullanıldığında eşitlik PO PO Hiperbolik eğri veren bu eşitlik, oksijen ayrışımında γ, PO2 ve P50 bağlantılarını tanımlar. 2 2 P 50

102 1 P n 2 n 50 PO n; ideal koşullarda etkileşime giren bağlanma bölgelerinin toplam sayısıdır. Eşitliğin iki yanının logaritması alındığında, log 1 nlog PO nlog 2 P 50

103

104

105

106 Protein saflaştırmada ve yapı tayininde kullanılan fiziksel yöntemler-i Proteinin içinde bulunduğu karışımdan ayrılarak saflaştırılması Molekül ağırlığı ve alt birim içeriğinin saptanması Polipeptid zincirlerindeki a.a. rezidülerinin sıralarının saptanması (kimyasal yöntem- Edman parçalama yöntemi) Molekülün 3 boyutlu yapısının belirlenmesi

107 Saflaştırma Yöntemleri Molekül büyüklüğüne dayalı yöntemler 1- Diyaliz, 2-Jel filtrasyonu kromatografisi

108 DİALİZ VE ULTRAFİLTRASYON Proteinleri daha küçük molekül ağırlığa sahip moleküllerden ayırmak için diyaliz yöntemi kullanılır. Bu yöntem yarıgeçirgen bir membran içerisine konan protein çözeltisi içerisinden küçük moleküllerin membranın ultramikroskopik porlarından suyla ve tamponla ortam suyuna geçirilmesi tekniğine göre çalışır. Glukoz ve NaCl gibi küçük moleküller membrandan geçerken büyük protein molekülleri diyaliz porlarından geçemediği için içerde kalır. ortam suyunun birkaç kez değiştirilmesi ile küçük moleküllerin protein çözeltisi içerisinden uzaklaştırılması mümkün hale gelmektedir.

109

110 Elektrik yüküne dayalı yöntemler İyon değişim kromatografisi Elektroforez

111 Çözünürlük farklarına dayalı İzoelektrik çökeltme yöntemler Nötr tuzlarla çözündürme ve çökeltme Çözgenin dielektrik sabitini değiştirerek çökeltme

112 Proteinlerin molekül ağırlığını tayin yöntemleri Gel filtrasyonu SDS-Jel Elektroforezi Sedimentasyon Analizi Tyndall Etkisinden hesaplama Ozmotik basınçtan hesaplama