Lippincott Görsel Anlatımlı Çalışma Kitapları: Biyokimya

Transkript

1

2

3 Lippincott Görsel Anlatımlı Çalışma Kitapları: Biyokimya Richard A. Harvey, PhD Professor Emeritus Department of Biochemistry University of Medicine and Dentistry of New Jersey Robert Wood Johnson Medical School Piscataway, New Jersey Denise R. Ferrier, PhD Professor Department of Biochemistry and Molecular Biology Drexel University College of Medicine Philadelphia, Pennsylvania Çeviri Editörü Prof. Dr. Engin Ulukaya Uludağ Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, Bursa NOBEL TIP KİTABEVLERİ

4 ii 2015 Nobel Tıp Kitabevleri Tic. Ltd. Şti. Lippincott Görsel Anlatımlı Çalışma Kitapları: Biyokimya Çeviri Editörü: Prof. Dr. Engin Ulukaya 1. Stem Cells and Their Differentiation ISBN: Lippincott s Illustrated Reviews: Biochemistry 5th edition Richard A. Harvey, PhD, Denise R. Ferrier, PhD ISBN: Lippincott Williams & Wilkins Bu kitabın Türkçeye çeviri hakkı Lippincott Williams & Wilkins tarafından Nobel Tıp Kitabevleri Tic. Ltd. Şti. ne verilmiştir ve 2936 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri yasası hükümleri gereğince herhangi bir bölümü, resmi veya yazısı, yazarların ve yayınlayıcısının yazılı izni alınmadan tekrarlanamaz, basılamaz, kopyası çıkarılamaz, fotokopisi alınamaz veya kopya anlamı taşıyabilecek hiçbir işlem yapılamaz. Yayımcı : Nobel Tıp Kitabevleri Tic. Ltd. Şti. Millet Cad. No: Fatih-İstanbul Yayımcı Sertifika No : Bas kı / Cilt : No-bel Matbaacılık San. Tic. Ltd. Şti. Kurtini Mevki, General Şükrü Kanatlı Cad. Ömerli - Hadımköy - İstanbul Matbaa Sertifika No : Sayfa Tasarımı - Düzenleme : Nobel Tıp Kitabevleri, Hakkı Çakır Kapak Tasarım : Hakkı Çakır Baskı Tarihi : Ekim İstanbul UYARI Sunulan bilginin doğruluğunu teyit etmeye ve genel kabul gören uygulamaları tanımlamaya dikkat ve özen gösterilmiştir. Ancak yazarlar, editörler ve yayıncı, hatalar veya atlamalar ya da bu kitaptaki bilginin uygulanmasının herhangi bir sonucundan sorumlu değildir ve bu basımın içeriğinin geçerliliği, tamlığı ve doğruluğuna dair açık ya da gizli hiçbir garanti vermemektedirler. Belirli bir durumda bu bilgilerin uygulanması, uygulayıcının kişisel sorumluluğu altındadır; tanımlanan ve önerilen klinik tedaviler mutlak kabul edilemeyebilir ve evrensel öneriler değildirler. Yazarlar, editörler ve yayıncı, bu metinde ortaya konan ilaç seçimi ve dozajının, yayım sırasındaki güncel önermeler ve uygulama ile uyum içinde olmasını temin etmek üzere her türlü gayreti sarf etmiştir; ancak sürmekte olan araştırmalar, resmi düzenlemelerdeki değişiklikler ve ilaç tedavisi ve ilaç reaksiyonları ile ilgili bilgi akışı göz önüne alındığında, okuyucunun, her bir ilaç için endikasyon ve dosajdaki değişimler ve eklenen uyarı ve önlemler hakkındaki ilaç prospektüslerini kontrol etmesi önerilir. Önerilen ajan yeni veya az sıklıkta kullanılan bir ilaçsa bu özellikle önemlidir. Bu yayında sunulan bazı ilaçlar ya da tıbbi cihazlar Food and Drug Adminstration (FDA) tarafından kısıtlı araştırma ortamlarında sınırlı kulanım iznine sahiptir. Klinik uygulamada kullanılması planlanan ilaç veya tıbbi cihazın FDA durumunu doğrulamak tedavi edicinin sorumluluğu altındadır.

5 Katkıda Bulunan Yazarlar (Bölüm 26): Susan K. Fried, PhD Professor Department of Medicine Section of Endocrinology, Diabetes and Nutrition Boston University School of Medicine Boston, Massachusetts Richard B. Horenstein, MD Professor Department of Medicine Division of Endocrinology, Diabetes and Nutrition University of Maryland Medical Center Baltimore, Maryland Bilgisayar Grafikleri: Michael Cooper Cooper Graphics Teşekkür: Bu kitabın doğru ve mümkün olabildiğince faydalı olması için cömertçe zamanlarını harcayan birçok dost ve meslektaşa minnettarız. Özellikle yararlı yorumları ve çalışmanın doğruluğuna ve netliğine katkılarından dolayı Dr. Ake Rökaeus a teşekkür ederiz. Editörler ve Lippincott Williams & Wilkins çalışanları cesaretimizin ve disiplinimizin değişmez kaynağı oldular. Editörümüz Susan Rhyner a son derece yararlı, destekleyici ve yaratıcı destekleri için şükranlarımızı sunarız. Onun pozitif yaklaşımı bu projeyi bitirmemizi sağladı. Son düzeltme ve biraraya getirme işi Jennifer Verbiar ın çabaları sayesinde daha da gelişti. iii

6 Bu kitap sevgili çalışma arkadaşımız Pamela Champe nin anısına ithaf olunur. Onun öğrencilerine adanmışlığı ve biyokimya sevgisi kendisini mükemmel bir öğretmen ve yol gösterici yapmıştır.

7 İçindekiler ÜNİTE I: Protein Yapısı ve Fonksiyonları Bölüm 1: Aminoasitler 1 Çeviri: Prof. Dr. Arzu ERGEN Bölüm 2: Proteinlerin Yapısı 13 Çeviri: Prof. Dr. Arzu ERGEN Bölüm 3: Globüler Proteinler 25 Çeviri: Prof. Dr. Arzu ERGEN Bölüm 4: Fibröz Proteinler 43 Çeviri: Prof. Dr. Arzu ERGEN Bölüm 5: Enzimler 53 Çeviri: Prof. Dr. Arzu ERGEN ÜNİTE II: Ara Metabolizma Bölüm 6: Biyoenerjetik ve Oksidatif Fosforilasyon 69 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 7: Karbonhidratlara Giriş 83 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 8: Glikoliz 91 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 9: Trikarboksilik Asit Döngüsü 109 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 10: Glikoneogenez 117 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 11: Glikojen Metabolizması 125 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 12: Monosakkarit ve Disakkaritlerin Metabolizması 137 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 13: Pentoz Fosfat Yolu ve NADPH 145 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ Bölüm 14: Glikozaminoglikanlar, Proteoglikanlar ve Glikoproteinler 157 Çeviri: Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ ÜNİTE III: Lipid Metabolizması Bölüm 15: Diyetle Alınan Lipidlerin Metabolizması 173 Çeviri: Prof. Dr. Yasemin DELEN AKÇAY Bölüm 16: Yağ Asiti ve Triaçilgliserol Metabolizması 181 Çeviri: Prof. Dr. Yasemin DELEN AKÇAY v

8 vi İçindekiler Bölüm 17: Kompleks Lipidlerin Metabolizması 201 Çeviri: Prof. Dr. Yasemin DELEN AKÇAY Bölüm 18: Kolesterol ve Steroid Metabolizması 219 Çeviri: Prof. Dr. Yasemin DELEN AKÇAY ÜNİTE IV: Azot Metabolizması Bölüm 19: Amino Asitler: Azotun Uzaklaştırılması 245 Çeviri: Doç. Dr. Arzu YILMAZTEPE ORAL Bölüm 20: Amino Asit Yıkımı ve Sentezi 261 Çeviri: Doç. Dr. Arzu YILMAZTEPE ORAL Bölüm 21: Amino Asitlerin Özelleşmiş Ürünlere Dönüşümü 277 Çeviri: Doç. Dr. Arzu YILMAZTEPE ORAL Bölüm 22: Nükleotid Metabolizması 291 Çeviri: Doç. Dr. Arzu YILMAZTEPE ORAL ÜNİTE V: Metabolizmanın Düzenlenimi Bölüm 23: İnsülin ve Glukagonun Metabolik Etkileri 307 Çeviri: Prof. Dr. Ümit ZEYBEK Bölüm 24: Beslenme/Açlık Döngüsü 321 Çeviri: Prof. Dr. Ümit ZEYBEK Bölüm 25: Diabetes Mellitus 337 Çeviri: Prof. Dr. Ümit ZEYBEK Bölüm 26: Obezite 349 Çeviri: Prof. Dr. Ümit ZEYBEK Bölüm 27: Beslenme 357 Çeviri: Prof. Dr. Ümit ZEYBEK Bölüm 28: Vitaminler 373 Çeviri: Prof. Dr. Ümit ZEYBEK ÜNİTE VI: Genetik Bilginin Depolanması ve Anlatımı Bölüm 29: DNA Yapısı, Replikasyonu ve Onarımı 395 Çeviri: Doç. Dr. Elif İLKAY ARMUTAK Bölüm 30: RNA Yapısı, Sentezi ve İşlenmesi 417 Çeviri: Doç. Dr. Elif İLKAY ARMUTAK Bölüm 31: Protein Sentezi 431 Çeviri: Prof. Dr. İlhan YAYLIM Bölüm 32: Gen Anlatımının Düzenlenmesi 449 Çeviri: Prof. Dr. İlhan YAYLIM Bölüm 33: Biyoteknoloji ve İnsan Hastalıkları 465 Çeviri: Prof. Dr. İlhan YAYLIM Dizin 489

9 Çeviriye Katkıda Bulunanlar Çeviri Editörü: Prof. Dr. Engin ULUKAYA Uludağ Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, BURSA Çevirmenler: Prof. Dr. Yasemin DELEN AKÇAY Ege Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, İZMİR Prof. Dr. Arzu ERGEN İstanbul Üniversitesi DETAE Moleküler Tıp Anabilim Dalı, İSTANBUL Doç. Dr. Uzay GÖRMÜŞ İstanbul Bilim Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, İSTANBUL Doç. Dr. Elif İLKAY ARMUTAK İstanbul Üniversitesi Veteriner Fakültesi Histoloji ve Embriyoloji Anabilim Dalı, İSTANBUL Prof. Dr. İlhan YAYLIM İstanbul Üniversitesi DETAE Moleküler Tıp Anabilim Dalı, İSTANBUL Doç. Dr. Arzu YILMAZTEPE ORAL Uludağ Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı, BURSA Prof. Dr. Ümit ZEYBEK İstanbul Üniversitesi DETAE Moleküler Tıp Anabilim Dalı, İSTANBUL vii

10 ÜNİTE I: Protein Yapısı ve Fonksiyonları Aminoasitler 1 I. GENEL BAKIŞ Proteinler yaşayan sistemler içinde en bol bulunan ve çok çeşitli görevlere sahip moleküllerdir. Neredeyse her yaşamsal işlev bu molekül sınıfına bağımlıdır. Örneğin, enzimler ve polipeptit hormonlar vücutta metabolizmayı yönetip düzenlerken, kastaki kasılma proteinleri hareketi sağlamaktadır. Kemikte, kollajen proteini kalsiyum fosfat kristallerinin yerleşebilmesi için bir kafes yapısı oluşturarak beton içindeki güçlendirici çelik kablolar gibi davranır. Dolaşımda, hemoglobin ve plazma albumini gibi proteinler, yaşamsallık için gerekli molekülleri taşırken, immunglobulinler enfeksiyöz bakteri ve virüslerle savaşırlar. Kısacası, proteinler inanılmayacak kadar çok çeşitte fonksiyon üstlenirler. Farklı görevler almalarına rağmen bütün proteinler doğrusal aminoasit polimerleri olarak ortak yapısal özelliğe sahiptir. Bu bölüm aminoasitlerin özelliklerini tanımlamaktadır; Bölüm 2 ise bu basit yapılaşmaların birleşerek nasıl özgün, üç boyutlu proteinleri oluşturduğunu ve bu sayede özel biyolojik fonksiyonları nasıl üstlendiğini açıklamaktadır. A Serbest amino asit Proteinlerdeki bütün α-amino asitler için ortak Amino grubu H + H 3 N C α COOH OH Herbir amino asidin yan zinciri farklıdır. R Karboksil grubu α-karbon karboksi ve amino grubun arasındadır. II. AMINOASITLERIN YAPISI B Amino asitler peptid bağıyla bağlanmıştır Doğada 300 den farklı aminoasit tanımlanmış olmasına rağmen, bunlardan sadece 20 tanesi memeli proteinlerinin yapısında bulunmaktadır. [Not: Bunlar hücrenin genetik materyali olan DNA tarafından kodlanan yegane aminoasitlerdir (sayfa 395 e bakınız)]. Her bir aminoasit, (ikincil bir amino grubu içeren prolin hariç) α-karbon atomuna bağlı bir karboksil grubu, bir adet birincil amino grubu ve ayırdedici bir yan zincire ( R-grubu ) sahiptir (Şekil 1.1A). Fizyolojik ph da (yaklaşık olarak ph= 7,4), karboksil grubunun ayrılmasıyla negatif yüklü karboksilat iyonu (-COO - ) oluşturularak amino grubu protonlanır (-NH 3+ ). Proteinlerde bu karboksil ve amino gruplarının hemen tamamı peptid bağı aracılığıyla birbirine bağlanır ve genellikle hidrojen bağı oluşturmak dışında herhangi bir kimyasal reaksiyona girmezler (Şekil 1.1B). Bu durumda, bir aminoasidin proteindeki rolünü belirleyen sonuçta yan zincirlerinin yapısıdır. Bundan dolayı, aminoasitleri yan zincirlerinin nonpolar (elektronların NH-CH-CO-NH-CH-CO R R Yan zincirler proteinin özelliklerini belirler. Şekil 1.1 Amino asitlerin yapısal özellikleri (tam protanlanmış formda gösterilmiştir). 1

11 2 1. Aminoasitler dengeli bir dağılıma sahip olması) ve polar (asitlerde ve bazlarda olduğu gibi elektronların dengeli olmayan bir dağılıma sahip olması; Şekil 1.2 ve 1.3) olması durumuna göre sınıflandırmak kullanışlı olmaktadır. A. Nonpolar yan zincirli aminoasitler Bu aminoasitlerin her biri proton kazanıp kaybetmeyen veya hidrojen ya da iyonik bağlara katılmayan nonpolar bir yan zincir içerir (Şekil 1.2). Bu aminoasitlerin yan zincirlerinin, hidrofobik etkileşimi uyaran, yağsı veya lipid-benzeri özelliğe sahip olduğu düşünülebilir (Şekil 2.10, sayfa 19). 1. Nonpolar aminoasitlerin proteinlerdeki konumu: Sulu çözeltilerde -polar ortamda- bulunan proteinlerde nonpolar aminoasitlerin yan zincirleri proteinin iç kısmında bir araya gelme eğilimindedirler (Şekil 1.4). Bu fenomen, hidrofobik etki olarak bilinir ve sıvı ortamlarda yağ damlacıklarının birleşme eğilimine benzer şekilde nonpolar hidrofobik R-gruplarının biraraya gelmesinden kaynak- Şekil 1.2 Proteinlerde bulunan 20 amino asidin asidik ph da yan zincirlerinin yüklerine ve polaritelerine göre sınıflandırılması burada gösterilmekte ve Şekil 1.3 de devam etmektedir. Her amino asit tamamen protonlanmış haliyle gösterilmiş ve ayrılabilen hidrojenler kırmızı ile gösterilmiş, polar olmayan aminoasitlerin a-amino ve a-karboksil gruplarının pk değeri glisin için gösterildiği gibidir. (Şekil 1.3 de devamı.)

12 II. Aminoasitlerin Yapısı 3 Şekil 1.3 Proteinlerde bulunan 20 amino asidin asidik ph da yan zincirlerinin yük ve polaritesine göre sınıflandırılması (Şekil 1.2 nin devamı).

13 4 1. Aminoasitler Polar amino acids ( ) cluster on the surface of soluble proteins. lanır. Bu nedenle, nonpolar R-grupları katlanmış bir proteinin iç kısmını doldurur ve üç boyutlu yapı kazanmasına yardımcı olur. Membranlar gibi hidrofobik ortamlarda proteinlerdeki nonpolar R-grupları proteinin dış yüzeyine yerleşik bulunarak lipid ortamla etkileşirler (bakınız Şekil 1.4). Bu hidrofobik etkileşimlerin protein yapısını kararlı hale getirmedeki önemi sayfa 19 da anlatılmıştır. Soluble protein Membrane protein Şekil 1.4 Çözülebilen ve membran proteinlerinde polar olmayan amino asitlerin yerleşimi. Şekil 1.5 Prolinde bulunan ikincil amino grubunun alanin de olduğu gibi diğer amino asitler de bulunan birincil amino grubuyla karşılaştırılması. H + H 3 N C COOH CH 2 O H O C Karbonil grubu Tirozin Hidrojen bağı Cell membrane Şekil 1.6 Tirozinin fenolik hidroksil grubuyla, karbonil grubu içeren başka bir molekül arasındaki hidrojen bağı. Kırmızı kan hücrelerinin orak şekli alması ile süregiden bir hastalık olan orak hücreli anemi, hemoglobinin β altünitesinde 6. pozisyonda bulunan nonpolar valin aminoasidinin polar glutamat aminoasidi ile yer değiştirmesi sonucunda ortaya çıkar (bakınız sayfa 36). 2. Prolin: Prolinin yan zinciri, α-amino grubu ile birleşerek bir halka yapı oluşturur; bu nedenle prolin diğer aminoasitlerden farklı olarak amino grubu yerine imino grubu taşımaktadır (Şekil 1.5). Böylece prolin (birincil yerine) ikincil bir amino grubuna sahiptir, Sıklıkla iminoasit olarak tanımlanır. Prolinin emsalsiz geometrisi kollajenin fibröz yapısının (bkz. sayfa 45) oluşumuna katkıda bulunur ve sıklıkla globüler proteinlerde bulunan α-heliksleri kesintiye uğratır (bkz. sayfa 26). B. Yüksüz polar yan zincirli aminoasitler Sistein ve tirozinin yan zincirleri alkali ph da proton kaybedebilmesine rağmen, bu aminoasitler nötral ph da net sıfır yüke sahiptir (bkz. Şekil 1.3). Serin, treonin ve tirozinin herbiri hidrojen bağı oluşumuna katılabilen polar birer hidroksil grubu taşırlar (Şekil 1.6). Asparajin ve glutaminin yan zincirleri de hidrojen bağına katılabilen birer karboksil ve amid grubu kapsarlar. 1. Disülfit bağı: Sisteinin yan zinciri birçok enzimin aktif bölgesinin önemli bir parçası olan sülfidril grubu (-SH) taşır. Proteinlerde iki sistein in SH grupları okside olarak, disülfit bağı (-S-S-) denilen kovalent bir çapraz bağ yaparak sistin dimerini oluşturur (Disülfit bağı oluşumu hakkında detaylı bilgi için sayfa 19 a bakınız). Birçok ekstrasellüler protein disülfit bağları ile kararlı hale gelir. Çeşitli moleküllerin kanda taşınmasını sağlayan albümin proteini buna bir örnektir. 2. Başka bileşiklere bağlanma yeri olarak yan zincirler: Serin, treonin ve ender olarak tirozin, birer polar hidroksil grubu taşır; bu hidroksil grubu, tıpkı fosfat grubu gibi, çeşitli yapılara bağlanma bölgesi olarak hizmet edebilmektedir. Ayrıca, asparajin in amid grubu da, serin veya treonin in hidroksil grubu gibi, glikoproteinlerdeki oligosakkarit zincirlerinin bağlanma bölgesi olarak görev alabilir (bkz. sayfa 165).

14 II. Aminoasitlerin Yapısı 5 C. Asidik yan zincirli aminoasitler Aspartik ve glutamik asitler proton vericidirler. Fizyolojik ph ta bu aminoasitlerin yan zincirleri tamamen iyonize olarak, negatif yüklü bir karboksilat grubu (-COO - ) taşır. Bu nedenle, fizyolojik ph da negatif yüklü olduklarını vurgulamak için bu aminoasitlere aspartat ve glutamat da denilebilir (bkz. Şekil 1.3). D. Bazik yan zincirli aminoasitler Bazik aminoasitlerin yan zincirleri proton alıcısıdır (Şekil 1.3). Fizyolojik ph da lizin ve arjinin in yan zincirleri tamamen iyonize olur ve pozitif yüklenir. Tam tersine, histidin zayıf baziktir ve serbest aminoasit hali fizyolojik ph da büyük oranda yüksüzdür. Öte yandan, bir proteinin yapısına katıldığında, polipeptit yan zincirinin oluşturduğu iyonik ortama bağlı olarak histidin in yan zinciri pozitif yüklü veya nötral olabilir. Bu, histidin in, hemoglobin gibi proteinlerin fonksiyonundaki rolü için gereken önemli bir özelliğidir (bkz. Sayfa 31). E. Sık karşılaşılan aminoasitler için kısaltma ve semboller Her aminoasit ismi için bir tane üç harfli ve bir tane de tek harfli sembol bulunmaktadır (Şekil 1.7). Tek harfli kodlar aşağıdaki kurallara göre belirlenmiştir: 1. Tek harf: Bir harfle sadece bir aminoasit başlıyorsa bu harf onun sembolü olarak kullanılır. Örneğin, I= izolösin. 2. En sık kullanılan aminoasitler önceliğe sahiptir: Eğer birden fazla aminoasit aynı harfle başlıyorsa, harf, bu aminoasitlerden en sık görülenin sembolü olarak kullanılır. Örneğin, glisin, glutamattan daha sık görülmektedir, bu nedenle G = glisin. Arjinin Asparajin asparajin ( arjinin ) 3. Benzer sesli isimler: Bazı tek harfli semboller temsil ettikleri aminoaside benzer söylenirler. Örneğin, F= fenilalanin, veya W= triptofan (Elmer Fudd un söyleyişine göre twiptofan). 4. İlk harfe yakın harfler: Geri kalan aminoasitler için ise, alfabede aminoasidin ilk harfine en yakın olan harf kullanılmaktadır, örneğin K= lizin. Ayrıca, hem aspartik asit hem de asparajin için kullanılan Asx yerine B; hem glutamik asit hem de glutamin için kullanılan Glx yerine Z kullanılır. Belirsiz aminoasitler için ise X tercih edilir. F. Aminoasitlerin optik özellikleri Her bir aminoasidin α-karbonu dört farklı kimyasal gruba bağlıdır ve bu nedenle şiral veya optikçe aktif karbon atomu olarak adlandırılır. Glisin bir istisnadır, çünkü glisinin α-karbonu iki hidrojene bağlıdır ve bu nedenle optikçe inaktifdir. α-karbonunda bir asimetrik merkeze sahip aminoasitler D ve L olarak belirtilen birbirinin ayna görüntüsü olan iki durumda bulunabilir (Şekil 1.8). Her bir çiftteki iki durum stereoizomer, optik izomer veya enantiyomer olarak anılır. Proteinlerde bulunan bütün aminoasitler L konfigürasyonundadır. Ancak, bazı antibiyotiklerde ve bakteriyel hücre duvarında D-aminoasit durumunda da bulunabilir (D aminoasit metabolizması için Sayfa 253 e bakınız). Şekil 1.7 Yaygın olarak bulunan amino asitler için sembol ve kısaltmalar. + H 3 N COOH C H CH 3 L-Alanin HOOC + H C NH 3 H 3 C D-Alanin Şekil 1.8 Alanin D ve L formları ayna görüntüsündedir.

15 6 1. Aminoasitler III. AMINOASITLERIN ASIDIK VE BAZIK ÖZELLIKLERI Aminoasitler sulu çözeltilerinde zayıf asidik α-karboksil grubu ve zayıf bazik α-amino grubu taşırlar. Ayrıca, asidik ve bazik aminoasitlerin her biri yan zincirinde iyonize olabilen bir grup da taşırlar. Bu nedenle, hem serbest aminoasitler hem de peptid bağında yer alan bazı aminoasitler tampon gibi davranabilirler. Asitlerin proton vericisi bazların ise proton alıcısı olduklarını hatırlayınız. Asitler (veya bazlar) yalnızca sınırlı koşullarda zayıf iyonize olarak tanımlanırlar. Protonların sıvı ortamlardaki konsantrasyonları ph olarak tanımlanır, ph= log1/[h + ] veya -log[h + ]. Zayıf bir asit (HA) ve onun konjuge bazının (A - ) konsantrasyonu ve çözeltinin ph ı arasındaki kantitatif ilişki Henderson-Hasselbalch denklemiyle tanımlanır. A. Denklemin elde edilişi HA olarak tanımlanan zayıf bir asitten bir proton salındığını düşünelim: HA H + + A - Zayıf proton konjuge baz asit veya tuz formu Tuz veya konjuge baz, A -, bir zayıf asidin iyonize formudur. Asidin ayrışma sabiti olan K a aşağıdaki gibi tanımlanır; [H + ] [A - ] Ka = [HA] Şekil 1.9 Asetik asit için titrasyon eğrisi. [Not: K a ne kadar büyükse, HA nın çoğu H + ve A - a ayrıştığından dolayı, asit o kadar kuvvetlidir. Tersine, K a ne kadar küçükse, asit daha az ayrışacağından dolayı daha zayıftır]. Yukarıdaki eşitlikte [H + ] yı çözümlemek için eşitliğin heriki tarafının logaritması alınarak -1 ile çarpılır ve ph = -log [H + ] ve pk a = -log K a yerine konur ve Henderson Hasselbalch denklemi elde edilir. ph pk a log [A ] + [HA] B. Tamponlar Tampon, ortama asit veya baz eklenmesini takiben ph daki değişime direnebilen bir çözeltidir. Zayıf bir asit [HA] ve onun konjuge bazının [A - ] karışımıyla tampon elde edilebilir. Böyle bir çözeltiye HCl gibi bir asit eklendiği zaman, A -, HA ya dönüşerek çözeltiyi nötralize edebilir. Şayet bir baz eklenirse, bu kez HA, A - e dönüşerek çözeltiyi yine nötralize edebilir. Maksimum tamponlama kapasitesi ph, pk a ya eşit olduğunda oluşur; ancak çözeltinin ph ı zayıf asidin pk a sının ± 1 aralığında olduğunda da konjuge asit/baz çifti, etkin tampon görevi yapabilir. HA nın miktarı A - nınkine eşitse, ph, pk a ya eşittir. Şekil 1.9 da görüldüğü gibi,

16 III. Aminoasitlerin Asidik ve Bazik Özellikleri 7 Şekil 1.10 Asit, nötral ve bazik çözeltilerde alaninin iyonik formları. pk a sı 4,8 olan, asetik asit (HA = CH3-COOH) ve asetat (A - = CH3- COO-) içeren bir tampon çözelti, maksimum tamponlamayı ph = 4,8 de gerçekleştirirken ph ın 3,8 ile 5,8 olduğu aralıkta da direnç göstermeye devam edebilir. pk a nın altındaki ph değerlerinde protonlanmış asit formu (CH3-COOH) hakimdir. pk a nın üzerindeki ph değerlerinde ise çözeltide hakim olan protonsuz baz formudur (CH3-COO - ). C. Bir aminoasidin titrasyonu 1. Karboksil grubunun ayrışması: Herhangi bir aminoasidin titrasyon eğrisi yukarıda asetik asit için tarif edildiği şekilde ifade edilebilir. Örneğin, hem bir α-karboksil grubu hem de α-amino grubu içeren alanin i ele alalım. Düşük (asidik) ph da bu grupların her ikisi de protonlanmıştır (Şekil 1.10 da gösterildiği gibi). Çözeltinin ph ı arttıkça Form I in -COOH grubu ortama bir proton vererek ayrılabilir. Bir protonun ayrılması karboksilat (-COO - ) grubunun oluşumuyla sonuçlanır. Bu yapı molekülün dipolar formu olan Form II olarak gösterilmiştir (bkz. Şekil 1.10). Bu form zwitter iyon olarak da adlandırılır, alanin in izoelektrik formudur başka bir deyişle toplam (net) yük sıfırdır. 2. Henderson-Hasselbalch denkleminin uygulanması: Molekülde titre edilebilir ikinci bir grup olduğu için bir aminoasidin karboksil grubunun ayrışma sabitine Ka yerine K1 denir. Henderson- Hasselbalch denklemi asetik asit için tarif edildiği gibi, alaninin karboksil grubunun ayrışması için de kullanılabilir. [H + ] [II] K1 = [I] Burada I, alanin in tamamen protonlanmış durumu, II ise alaninin izoelektrik durumudur (bkz. Şekil 1.10). Bu denklem yeniden düzenlenerek logaritmik durumu ile de ifade edilebilir:

17 8 1. Aminoasitler ph pk 1 + log [II] [I] 3. Amino grubunun ayrışması: Alanin in ikinci titre edilebilen grubu Şekil 1.10 da gösterilen amino (-NH3 + ) grubudur. Bu COOH grubundan çok daha zayıf bir asittir ve bu nedenle, çok daha küçük ayrışma sabitine (K2) sahiptir. [Not: Dolayısıyla da pk a değeri daha büyüktür.] Form II nin protonlanmış amino grubundan bir protonun salınımı alanin in tamamen protonsuzlaşmış hali olan form III ün oluşumuyla sonuçlanır (bkz. Şekil 1.10). 4. Alanin in pk değerleri: Alanin in karboksil ve amino gruplarından protonların sırayla ayrılışları Şekil 1.10 da gösterilmiştir. Her bir titre edilebilir grup, o gruptan protonların tam yarısının ayrıldığı ph değerine eşit olan bir pka ya sahiptir. En asidik grubun (-COOH) pk a sı pk1 dir, sonraki en asidik grubun (-NH3 + ) pk a sı ise pk2 dir. Eklenen 5. Alanin in titrasyon eğrisi: Ayrışabilen asit gruplarının her birine Henderson-Hasselbalch denklemi uygulanarak zayıf bir asidin tam titrasyon eğrisini hesaplamak mümkündür. Şekil 1.11 alanin in tam olarak protonlanmış durumuna (I), baz eklenerek tamamen proton kaybetmiş (III) hale geçmesi esnasında oluşan ph değişikliklerini göstermektedir. Aşağıdaki noktalara dikkat edilmelidir: H Şekil 1.11 Alaninin titrasyon eğrisi. a. Tampon çiftleri: -COOH/-COO - çifti pk1 e yakın ph alanında ve NH3 + /-NH2 çifti pk2 ye yakın ph alanında tampon olarak çalışabilir. b. ph, pk ya eşit olduğunda: ph, pk 1 e (2,3) eşit olduğunda çözeltide alanin in I ve II Formları eşit miktarda bulunur. ph, pk2 ye (9,1) eşit olduğunda ise çözeltide Form II ve III eşit miktarda bulunur. c. İzoelektrik nokta: Nötral ph da alanin ağırlıklı olarak, amino ve karboksi gruplarının iyonize olduğu dipolar Form II durumunda bulunur ancak net yükü sıfırdır. İzoelektrik nokta (pi), bir aminoasidin elektriksel olarak nötral olduğu, başka bir deyişle pozitif yüklerin toplamının negatif yükler toplamına eşit olduğu ph dır. Alanin gibi sadece iki tane ayrışabilen hidrojeni olan (biri α-karboksil den, diğeri α-amino grubundan) bir aminoasit için pi, pk1 ve pk2 nin ortalamasıdır (pi = [2, ]/2 = 5,7, bkz. Şekil 1.11). Yani pi, pk1 (2,3) ve pk2 nin (9,1) ortasındadır. Bu, II. yapının hakim olduğu (net yük sıfır) ve aynı zamanda eşit miktarda Form I (net yük +1) ve Form III (net yük -1) ün ortamda bulunduğu ph a karşılık gelir.

18 III. Aminoasitlerin Asidik ve Bazik Özellikleri Plazma proteinlerini ayırmak için tipik olarak tüm proteinlerin negatif olduğu, temel proteinlerin pi değerinin üzerinde olan bir ph ortamı kullanılır. Elektriksel ortamda bu proteinler, herbirinin net negatif yüküne göre belirlenecek hızlarla pozitif elektroda doğru hareket eder. Burada proteinlerin hareketlerinde belirlenen değişiklikler çeşitli hastalıkların habercisi olabilir. 9 Pulmoner obstruksiyon karbon dioksitte artışa ve ph da düşüşe yol açarak, solunumsal asidoza neden olur. 6. Nötral ph da aminoasitlerin net yükü: Fizyolojik ph da bütün aminoasitler, her ikisi de α-karbon atomuna bağlı negatif yüklü (-COO-) ve pozitif yüklü (-NH3+) gruplara sahiptir. [Not: Glutamat, aspartat, histidin, arjinin ve lizin yan zincirlerinde ayrıca potansiyel olarak yüklenebilir gruplar taşırlar]. Aminoasitler gibi hem asit hem de baz davranışı sergileyebilen maddeler amfoteriktirler, amfolit (amfoterik elektrolit) olarak adlandırılırlar. D. Henderson-Hasselbalch denkleminin diğer uygulamaları Henderson-Hasselbalch denklemi, fizyolojik çözeltilerin ph ının zayıf asit ve/veya karşılık gelen tuz formunun konsantrasyonundaki değişikliklerden nasıl etkilendiğini hesaplamak için kullanılır. Örneğin, bikarbonat tampon sisteminde Henderson-Hasselbalch denklemi bikarbonat iyon konsantrasyonundaki [HCO3-] ve CO2 deki değişikliklerin ph ı nasıl etkilediğini gösterir (Şekil 1.12A). Denklem asidik veya bazik ilaçların iyonik formlarının miktarını da hesaplamaya yarar. Örneğin, birçok ilaç ya zayıf asit ya da zayıf bazdır (Şekil 1.12B). Asidik ilaçlar (HA) bir proton (H+) vererek bir anyon (A-) oluşumuna neden olurlar. HA H+ + A- Zayıf bazlar da (BH+) bir H+ salabilirler. Ancak, bazik ilacın protonlanmış formu genellikle yüklüdür ve proton kaybederek yüksüz baz (B) oluştururlar. BH+ B + H+ Bir ilaç yüksüzse membranları daha kolay geçer. Bu yüzden, aspirin gibi zayıf bir asit için yüksüz HA membranları geçerken, A- geçemez. Morfin gibi zayıf bir baz için ise yüksüz B formu hücre membranını geçerken, BH+ hali geçemez. Bu nedenle, her ilacın emilim esnasındaki membranı geçebilen formunun etkin konsantrasyonu, yüklü ve yüksüz formlarının göreceli konsantrasyonu ile saptanır. Buna bağlı olarak, iki formun arasındaki oran, emilim bölgesindeki ph la ve zayıf asidin veya bazın gücü ile belirlenir; bu da iyonize edilebilen grubun pka sı olarak ifade edilir. Henderson- Hasselbalch denklemi, bir membranın iki tarafında farklı ph lar olduğunda her iki taraftaki ilaç konsantrasyonlarının saptanmasında kullanılır; örneğin mide (ph ) ve kan plazması (ph 7.4) gibi. Şekil 1.12 Hendersen-Hasselbalch denklemi kullanılarak; A, HCO3 veya CO2 konsantrasyonları değiştiğinde ph daki değişiklikleri veya B, ilaçların iyonik formları tahmin edilebilir.

19 10 1. Aminoasitler IV. KAVRAM HARITALARI Öğrenciler bazen biyokimyayı anlaşılabilir kavramlardan çok ezberlenecek denklemler veya karmaşıklıklar olarak görürler. Bu kavramların anlaşılmasını kolaylaştıracak detaylar farkında olmadan zihin karışıklığına yol açar. Farklı konuların birbiri ile ilişkili olarak anlaşılmasını sağlayacak bir rehber-yol haritası eksik gibi görünmektedir. Bu yüzden yazarlar, bir bölümde sunulan fikirler arasındaki ilişkiyi grafiksel olarak sunan biyokimyasal kavram haritaları oluşturmuş ve bilgilerin nasıl gruplanarak düzenlenebileceğini göstermişlerdir. Kavram haritası kavramlar arasındaki ilişkileri gösterebilmek için kullanılır. Eldekiler hiyerarşik bir düzende gösterilmektedir, en genel ve kapsamlı kavramlar haritanın en üst kısmında yer alırken, daha özel ve daha az genel olan kavramlar ise hemen sonrasında konumlandırılmaktadır. Kavram haritaları bilgi düzenlenmesinde kullanılan rehberler veya taslaklar gibi görev alırlar, böylece öğrenci zaten öğrenmiş olduğu bilgilerin bütünleştirilebilmesi için en iyi yolu bulmuş olur.... protein doğal yapısına nasıl katlanır tüketilir Şekil 1.13 Kavram haritasında kullanılan semboller. A. Kavram haritası nasıl oluşturulur? 1. Kavram kutuları ve bağlantılar: Eğitimciler kavramı objeler veya olaylardaki belirlenmiş düzenler olarak tanımlarlar. Bizim biyokimya haritalarımızda kavramlar soyut olanları (örneğin, serbest enerji), olayları (örneğin, oksidatif fosforilasyon) ve bileşikleri (örneğin, glikoz 6-fosfat) kapsar. Bu genişce tanımlanmış kavramlar öncelikle sayfanın üzerinde merkezi fikir konumuyla yerleştirilmiştir. Bu merkezi fikirden sonra gelen kavramlar ise kutularla gösterilmiştir (Şekil 1.13A). Kutunun boyutu ve tipi her bir fikrin bağıl önemini vurgular. Çizgiler ilişkili olan kavram kutularını gösterir. Çizgiler üzerindeki etiketler iki kavram arasındaki ilişkiyi tanımlar, böylece de bu bağlantı geçerli anlamını kazanır. Okun yönü bağlantının hangi yönde okunacağını gösterir (Şekil 1.14). 2. Çapraz bağlantı: Düzlemsel çizelge ya da çizimlerden farklı olarak, kavram haritaları, okuyucunun haritanın farklı bölgelerinde gösterilen fikirler arasındaki ilişkileri fark edebilmesi (Şekil 1.13B), veya bu kitapta ya da eşdeğer kitaplardaki diğer bölümlerle harita arasındaki ilişkileri (Şekil 1.13C) gözlemleyebilmesi için çapraz bağlantılar da içerebilirler. Böylece çapraz bağlantılar birden çok alanda kullanılan ortak kavramların belirlenmesini sağlayarak öğrencilerin klinik koşullarda, United State Medical Licensure Examination (USMLE) ve diğer sınavlarda disiplinlerarası bağlantıları kurarak daha etkin bilgi sahibi olmalarını sağlar. Öğrenciler bu sayede düz yazılarda kaynak belirtme sisteminin aksine, olaylar arasındaki doğrusal olmayan ilişkileri de görsel olarak öğrenirler. V. BÖLÜM ÖZETI Her bir aminoasit bir α-karboksil grubu ve birincil α-amino grubuna sahiptir (ikincil amino grubuna sahip olan prolin hariç). Fizyolojik ph da α-karboksil grubu ayrışarak negatif yüklü karboksilat iyonu

20 V. Bölüm Özeti 11 den oluşmuştur protonlandığında Yan zincirler (20 farklı tür) olarak sınıflanır [ [ [ [ Asparajin Sistein Glutamin Serin Treonin Tirozin ile karakterize Arjinin Histidin Lizin ile karakterize aralığında Proteinlerde, çoğu... proteinin doğal yapısına nasıl katlandığını Şekil 1.14 Amino asitler için anahtar kavram haritası.

21 12 1. Aminoasitler (-COO - ) oluşturur ve α-amino grubu protonlanır (-NH3 + ). Her bir aminoasit α-karbon atomuna bağlanmış 20 farklı ayırdedici yan zincir içerir. Yan zincirin kimyasal doğası bir proteindeki aminoasidin fonksiyonunu belirler ve aminoasitlerin nonpolar, yüksüz polar, asidik ve bazik olmak üzere sınıflandırılmasının temelini oluşturur. Bütün serbest aminoasitler ve peptit zincirindeki yüklü aminoasitler tampon olarak işlev görürler. Bir zayıf asidin (HA) ve onun konjuge bazının (A-) konsantrasyonu ile çözeltinin ph ı arasındaki kantitatif ilişki Henderson-Hasselbalch denklemi tarafından tanımlanır. pk a ± 1 ph aralığında tamponlama olayı gerçekleşebilmekle birlikte; tamponlama, [A - ] = [HA] olduğu ph = pk a durumunda maksimum düzeydedir. Her bir aminoasidin (glisin hariç) α-karbonu dört farklı kimyasal gruba bağlanmıştır ve bu yüzden bu bir şiral veya optik olarak aktif karbon atomudur. İnsan vücudunda sentez edilen proteinlerde aminoasitlerin yalnızca L- formu bulunur. Çalışma Soruları Doğru cevabı seçiniz 1.1 A-E harfleri glisinin titrasyon eğrisindeki farklı noktaları ifade etmektedir (aşağıda gösterilmektedir) Eğri ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? Eklenen OH ekivalanı 2.0 D C 0.5 B A ph E Doğru yanıt= C. C noktası bu monoamino monokarboksilik asidin pk 1 ve pk 2 sinin orta noktasında bulunan izoelektrik noktasını ifade etmektedir. Glisin A noktasında tam olarak protonlanmış haldedir. B noktası ve D noktası maksimum tamponlama bölgelerini ifade etmektedir. E noktası glisinin tam olarak protonlarını kaybetmiş halini gösterir. A. A noktası glisinin proton kaybettiği bölgeyi ifade etmektedir. B. B noktasını tamponlama kapasitesinin en düşük olduğu bölgeyi ifade etmektedir. C. C noktası glisinin net yükünün sıfır olduğu bölgeyi ifade etmektedir. D. D noktası glisinin karboksil grubunun pk sını ifade etmektedir. E. E noktası glisinin pi sını ifade etmektedir. 1.2 Aşağıda gösterilen peptitle ilgili ifadelerden hangisi doğrudur? Gly-Cys-Glu-Ser-Asp-Arg-Cys A. Peptit glutamin içermektedir. B. Peptit ikincil amino grubu içeren bir yan zincir içermektedir. C. Peptit çoğunluğu ph 7 de pozitif yüklenecek aminoasitlerden meydana gelmektedir. D. Peptit internal disülfit bağı yapabilecek durumdadır. 1.3 Glisinin pi değeri 6,1 olduğuna göre ph= 2 olan bir elektriksel alanda glisin hangi yöne hareket eder? Pozitif elektroda mı, negatif elektroda mı? Açıklayınız Doğru yanıt= D. Yükseltgenmiş koşullarda iki sistein kalıntısı bir disülfit bağı oluşturabilir. Glutaminin üç harfli kısaltması Gln dir. Prolin (Pro), ikincil amino grubu içermektedir. Yedi aminoasitten sadece biri (Arg) ph ın 7 olduğu durumda pozitif yüklenebilir haldedir. Doğru yanıt= Negatif elektrot. pi değeri ph dan küçük olduğunda α-amino grubu tam olarak protonlanmış olduğu için glisin pozitif yüklenir (Glisinin R grubu olarak H bulundurduğunu hatırlayınız).

22 Proteinlerin 2 Yapısı I. GENEL BAKIŞ Proteinlerde ortak olan 20 aminoasit birbirlerine peptit bağlarıyla bağlı halde bulunurlar. Bağlanmış aminoasitlerin doğrusal dizilişi, protein molekülünün kendine özgü üç boyutlu yapısının oluşması için gereken bilgiyi içermektedir. Protein yapısı birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül olmak üzere dört organizasyon düzeyinde incelenebilir (Şekil 2.1). Giderek artan karmaşıklıktaki bu yapıların incelenmesi sonucunda çeşitli proteinlerde bazı yapısal ünitelerin tekrarladığı gözlemlenmiştir; bu da proteinlerin doğal fonksiyonel durumlarına gelebilmeleri için genel bazı kurallar ın varlığını göstermektedir. Bu tekrarlayan yapısal elemanlar küçük motifler oluşturan a-heliks ve b-tabakalardan, çok fonksiyonlu proteinlerdeki polipeptit yapılarının karmaşık katlanmalarına kadar geniş bir alanı kapsar (bkz. sayfa 18). Birincil yapı İkincil yapı II. PROTEINLERIN BIRINCIL YAPILANMASI Bir proteindeki aminoasitlerin dizilişine o proteinin birincil yapısı denir. Proteinin birincil yapısının anlaşılması önemlidir; çünkü birçok genetik hastalık, anormal aminoasit dizilişi sebebiyle yanlış katlanmalar oluşması sonucunda normal fonksiyonlarını gösteremeyen ya da kaybetmiş proteinlerden kaynaklanır. Normal ve mutasyona uğramış proteinlerin birincil yapıları bilindiği takdirde, bu bilgi kullanılarak hastalığın tanısına gidilebilir veya hastalık araştırılabilir. A. Peptit Bağı Proteinlerdeki aminoasitler, bir aminoasidin a-karboksi grubuyla diğer amino asidin a-amino grubu arasında oluşan ve peptit bağı olarak adlandırılan amid bağlarıyla kovalent olarak bağlıdırlar. Örneğin, valin ve alanin bir peptit bağı oluşturarak valilalanin dipeptitini meydana getirebilir (Şekil 2.2). Peptit bağları ısıtılarak veya üre konsantrasyonunun yüksek olduğu ortamlara konarak yıkılamazlar (bkz. sayfa 20). Bu bağları non-enzimatik olarak hidrolize etmek için yüksek ısıda uzun süre güçlü asit veya bazlara maruz bırakmak gerekir. Üçüncül yapı Dördüncül yapı Şekil 2.1 Protein yapısının dört düzeyi. 13