Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

Transkript

1 * Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

2 *DNA, RNA ve Protein Moleküllerinin Yapısı ve Evrimi *Burada Moleküler Biyoloji nin temelini oluşturan DNA-RNA, amino asitler ve proteinler gibi moleküllerin yapılarını hatırlayacağız. Moleküller seviyesinde ki bu bilgilerin gözden geçirilmesi, evrimsel süreçlerin anlaşılması ve üzerinde çalışılması için gereklidir. *NÜKLEOTİT DİZİSİ *Tüm canlılarda kalıtsal bilgiler nükleik asitler vasıtasıyla taşınır. Nükleik asitlerin bilinen iki tipi vardır. Deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA). Canlıların genelinde kalıtsal bilgiyi taşıyan DNA dır. Bazı virüsler burada istisnai bir özelliğe sahiptir. Bu virüslerde kalıtsal bilgiler RNA ile taşınır. Bunlara RNA virüsleri, Retrovirüsler adı verilir. Kimyasal yapılarına bakıldığında RNA tek bir iplikçikten oluşan doğrusal bir polinükleotit zinciri yapısına sahiptir (Şekil 2.1)

3

4 *DNA genellikle birbirlerini tamamlayan, kendi etrafında bükülmüş, sarmal bir şerit görünümündedir. *Nükleik asitler temelde dört-beş çeşit azotlu baz içerir. Bunlar iki purin, adenin (A) ve guanin (G ) ve üç pirimidinden, timin ( T), sitosin (C) ve urasil (U) dan oluşur. Bunlardan A, G, T ve C bazları DNA da bulunurken, RNA da A, G, C ve U yer alır. *DNA'nın kendini tamamlayan iki zincirli bir yapısı olduğunu belirtmiştik. Tamamlayıcı kelimesinin buradaki anlamı, her pirimidin bazı ile bir pürin bazının her zaman karşılıklı gelmesi ve çiftler oluşturmasıdır. Bu da yapılarında bulunan hidrojenler aracılığıyla oluşan hidrojen bağları ile gerçekleşir. *Timin ile adenin çiftleri arasında iki hidrojen bağı vasıtasıyla nispeten zayıf bir bağlanma gerçekleşirken, sitozin ve guanin çiftleri arasında oluşan üç hidrojen bağı vasıtasıyla daha kuvvetli bir bağlanma söz konusudur (Şekil 1.1). *Böylece bir birini tamamlayan iplikçikler oluşur ve bu aşamada DNA nın eni sabit kalır. Ayrıca, A:T, G:C standart baz çifti olarak adlandırılır.

5

6 *Bir DNA dizisini oluşturan her bir nükleotit yapısında bir pentoz şekeri (beş karbonlu şeker- DNA da Deoksiriboz, RNA da Riboz), bir fosfat grubu ve bir pürin veya pirimidin bazı yapısına sahiptir. *Riboz içindeki yer alan 1-5 sayılı karbonlardan, 3 ve 5 numaralı karbonlar geleneksel olarak fosfat gruplarının kovalent bağlandığı karbonlardır. *Dolayısıyla bu uçlardan 5 numaralı olan 5, 3 numaralı karbon üzerinden olan ise 3 ucu adını alır. DNA ipliğinin oluşması ve uzaması aşamasında doğrusal bağlanmada 5 3 yönünde olur. *Onun için bu ipliğe ana iplik, kalıp iplik adı verilir ve eşlenmesi kesintisiz gerçekleşir. Tamamlayıcı iplik ise ters yöndedir. *Asimetrik iplik denilen 3 5 yönündeki bu ipliğin sentezi yine 5 3 yönünde olsa da kesintili ve ters yönde olduğu için zaman alır ve parçalı, kesintili olarak gerçekleşir.

7 *5 C C T G A T 3 *3 G G A C T A 5

8 *Buna ek olarak hemen hemen her iplikte ağır ve hafif baz oranı %50 civarındadır. DNA omurgası üzerinde bulunan deoksiriboz şeker farklılığı yine pentoz şeker halkası, riboz üzerinde yer alan 2 numaralı karbona bağlı OH grubunun yerine sadece bir H bulunmasıyla ortaya çıkar. *Benzer şekilde DNA da T yerine RNA da U azotlu bazının görülmesi konusu incelendiğinde, bu iki baz arasında küçük bir kimyasal yapı farkı belirlenmiştir. Buna göre U ve T yapılarına bakıldığında halkasal yapılarında sadece bir tane CH 3 grubunun eksik olduğu görülür. *Nükleotidler aynı zamanda yapısında üç taneye kadar fosfat molekülü içerebilen yapılardır. Bunların en bilinen örneği ATP (adenosin trifosfat) tır. Hücresel metabolizmada önemli bir enerji moleküldür. Üç fosfat bağlanmış bir nükleotit yapısıdır.

9 *DNA nın ünlü çift sarmal yapısı 62 yıl önce Watson ve Crick tarafından gösterilmiştir (Şekil 2.3).

10 *DNA dan farklı olarak bir RNA molekülü genellikle tek iplikli bir yapıda olduğu için çok çeşitli yapılar oluşturabilir. RNA üzerinde yer alan baz eşleşmesinde G:C, A:U çiftleri görülürken, RNA da aynı zamanda nispeten sık ve sıra dışı, farklı, "standart dışı" denilen çiftleri; örneğin, G:A, G:U çiftlerini de görmek mümkündür. *RNA nın farklı katlanmalarına ve özgün görevlerine en iyi örnek transfer RNA (trna) dır. trna yonca yapısı gösterir. Buna göre dört farklı baz çiftleri-baz eşleşmesi içeren bölgeler bulundurur (Şekil 2.4). *Tek iplikli nükleik asitlerin boyu nükleotid sayısı olarak ölçülür. Çift iplikli bir sekansın boyu ise baz çifti (bp) olarak ölçülür. Baz çiftleri az sayıda ise kilobaz (kilobases Kb), çok sayıda ise megabaz (megabases, Mb)olarak ölçülür.

11

12 *AMİNO ASİTLER *Amino asitler proteinlerin temel yapı birimleridir. Organizmalar da yer alan tüm proteinler, Tablo 1'de listelenen 20 primer amino asit inşa edilir. Her bir amino asit, bir -NH 2 ( amin) grubu ve bir - COOH ( karboksil) grubuna sahiptir. Bunların her biri merkezi bir karbonun her iki tarafında yer alan gruplardır (Şekil 1,8).

13 *Ayrıca yine bu merkezi karbona bağlı yan zincirlerde bir hidrojen atomu ve bir -R grubu (Radikal, değişken grup) yer alır. Çünkü hemen bütün amino asitler, glisin hariç eş olmayan iki ayna görüntüsü, enantiomer oluşturma olasılığına sahiptir. *Glisin haricinde, bütün amino asitlerin, iki optik izomer formu meydana gelebilir. Bir karbon etrafında ışığı sağa çeviren (D) ve sola çeviren (L) amino asitler olabilir. *Amino asitlerin yan zincirlerinin boyutları, şekilleri, yükleri dolayısıyla hidrojen bağlama kapasiteleri, kompozisyonları ve kimyasal aktiviteye girme hızları değişir.

14 *En basit ve en küçük amino asit, R- yan zincirinde sadece bir hidrojen atomuna sahip olan, Glisin dir. Dolayısıyla molekül ağırlığı da (molekül ağırlığı = 75) son derece küçüktür. *Sonraki yan zincirinde metil (CH 3 ) içeren Alanin dir. Bunları takiben valin yer alır, üç karbon uzunluğunda bir yan zinciri vardır. *Sonra diğer büyük, uzun yan zincirler içeren amino asitler gelir. * Bu büyük gruplar arasında alifatik, hidrofobik gruplar içeren örnekler olduğu gibi Prolin amino asiti gibi ani bükülmeler yapan (dirsek atan) örneklerde yer alır. *Dolayısıyla amino asitlerin farklılığı yan zincirlerinin farklılığına dayanır.

15

16

17 *Üç amino asit yan zincirlerinde aromatik gruplar içerir. *Bunlar bir metil grubuna bir indol halkası ve bir benzen halkası katılmış yan zincire sahip triptofan, bir metilen grubuna bağlı bir fenil halkası içerir fenilalanin, ve aromatik halka içeren tirozindir. *Triptofan, büyük amino asitlerdendir (molekül ağırlığı = 204). * Fenilalanin ve triptofan oldukça hidrofobiktir. *Bir sülfür atomu bulunduran sistein ve metionin yine farklı -R grupları bulunan amino asitlerdir. *Bu iki kükürt ihtiva eden amino asit, hidrofobik olmakla beraber, buna ek olarak sistein sülfhidril reaktif yapıdadır. *Dolayısıyla oksidasyon yoluyla bir disülfid oluşturabilmektedir. *Serin ve treonin amino asitleri de içerdiği alifatik hidroksil grupları nedeniyle hidrofilik (su seven) yapıdadırlar ve dolayısıyla reaksiyonlara girmekte daha isteklidirler.

18 *PROTEİNLER *Bir protein, bir veya daha fazla polipeptid zincirinden oluşan bir makromoleküldür. *Her biri benzersiz ve tam olarak belirlenmiş bir amino asidi dizisine sahiptir. *Amino asitler birbirlerine peptit bağı yardımıyla bağlanırlar ve bu sırada bir su molekülü açığa çıkar. Örneğin bir glisin amino asiti (-) yüklü OH grubunu, alanin amino asiti ise (+) yüklü H molekülünü kaybeder, böylece su açığa çıkarak peptit bağı oluşur ve glisilalanin yapısı oluşur (Şekil 1.10, 2.5). *Yani polipeptidler polar moleküllerdir. *Polipeptit dizisinin yazılmasında her bir amino asit standart üç harfli kısaltma ve/veya standart bir tek harfli kod ile gösterilir. Aşağıda bunun bir örneğini görebiliriz. *MADIQLSKYHVSKDIGFLLEPLQDVLPDYFAPWNR *LAKSLPDLVASHKFRDAVKEMPLLDSSKLAGYRQK

19

20 * Bu bağlanma amino asitin amin ucundan ise N- terminal olarak, karboksil ucundan ise C-terminal olarak adlandırılır. * Dolayısıyla glisialalanin olduğu (GA), alanilglisial (AG) dipeptidine de rastlayabiliriz. * Polipeptidler boyutları oldukça değişkendir. * Bir kaç amino asitten veya yüzlerce-binlerce amino asitten oluşabilir. Örneğin; kas hücrelerinde amino asit uzunluğunda yapısı belirlenmiş bir protein yer alır. * Proteinlerle çalışanlar, proteinlerin dört farklı düzeyde katlandığını belirlemişlerdir. * Bunlardan ilki birincil yapı adını alır. Sadece polipeptit sekansı boyunca, amino asitlerin doğrusal (lineer) düzenlenmesi ile oluşur. Bu yapıya proteinin primer yapısı adı verilir. * İkincil yapı amino asitlerin uzaysal düzenlemede yaptıkları ilk katlanmadır. Birincil yapıya yakın bir şekli vardır. * Bu katlanmada yan zincirler de açığa çıkar ve böylece açığa çıkan yeni polar kimyasal grupların düzenlenmeye katılmasını sağlar. * Bu yapıya proteinin sekonder yapısı adı verilir. Bu sayede üçüncül yapının açığa çıkması için yeni yan zincirler ve dolayısıyla yüklü gruplar açığa çıkar.

21 *Bu üçüncü yapı başka bir periyodik yapısal motiftir. Paralel veya paralel olmayan gevşek sarılmış polipeptit kolları içerir. *Bunlar düzlemsel-levhalar ve/veya kıvrımlı tabakalar oluşturmasıyla kendini gösterir. *Üç katlı, tabakalı ve üç boyutlu bu katlanma, proteinlerin görev yaptığı konformasyonlardan biridir. *Örneğin, en önemli saç proteinlerinden keratin, kıvrımlı levhalardan oluşan üçüncül katlanmada (P3) bir protein yapısıdır. *Bu yapıya proteinin tersier yapısı adı verilir. *Bu katlanmalar, paketlenmelerde hidrojen bağları, hidrofobik etkileşimler, kovalent ve kovalent olmayan bağlar, pozitif ve negatif yüklü moleküllerin varlığının yanı arasında tuz köprüleri, sistein çiftleri arasında oluşan disülfit bağları gibi bağ yapıları önemlidir ve kullanılır. *Üç boyutlu katlanma sürecinde hidrofobik yan zincirlere sahip amino asitler dış kısımda, hidrofilik yan zincirler içeren amino asitler ise proteinin içinde merkezinde olma eğilimindedirler. *Bu eğilim küresel yapının gereği olarak ve sulu bir ortam içinde işlev görebilmek için doğal bir yönelimdir.

22 *Bir protein birden fazla polipeptit yapısından oluşabilir. *Bu tür proteinlerde genellikle ikinci polipeptit yapısı, üçüncül katlanmadan sonra ilk proteine eklenir. *Her bir polipeptit zinciri, proteinin bir alt-birimi olarak adlandırılır. *Örneğin, halkalı yapıda olan globinlerden, hemoglobin, kandaki oksijen taşıyıcı olarak görev yapar. Dört alt birimden oluşmaktadır. *Bir diğer etkileyici örnek enerji metabolizmasında yer alan bir mitokondriyal protein Piruvat dehidrojenazdır. Bu protein 72 alt birimden oluşur. *Proteinlerin son yapısı dördüncü yapıdır. *Bu dörtlü yapıda, alt birimler uzaysal düzenlemede farklılaşırlar. *Buna proteinlerin quaterner yapısı adı verilir. *Bir polipeptit zinciri oluşturulduktan hemen sonra, molekül otomatik olarak hidrojen bağları, tuz köprüleri, hidrofobik ve hidrofilik cevapla etkinleşir ve katlanır.

23 *Bir proteinin birincil, ikincil ve üçüncül yapıları benzersizdir. *Polipeptitlerin oluşmasından hemen sonra kendiliğinden belirlenir. *Bu katlanma işleyişini doğru anlamamız ve tahmin edebilmemiz için bilgilerimiz henüz yeterli değildir. *Bunu anlamak günümüzdeki protein kimyası ile oldukça zordur. *Bazı proteinler kendi işlevlerini yürütmek için nonprotein bileşenleri de kullanabilirler. *Bu tür bileşenler, yardımcı gruplar olarak adlandırılır. *Bir proteinin karmaşık yapısı içinde holoprotein ve apoprotein denilen yardımcı gruplar yer alabilir.

24 *Proteinler biyokimyasal reaksiyonların önemli katalizörleridir. *Bu görevlerini enzimler adı altında yerine getirirler. *Proteinler, çok çeşitli reaksiyonları katalize edebilirler. *Çok farklı yapılarda olmaları nedeniyle, reaksiyona göre 20 farklı amino asitin, farklı sırayla ve sayıda bir araya getirilmesi ile oluşturulup kullanılabilirler. *Diğer bir değişle sipariş üzerine üretilebilirler. *Bu nedenle proteinlerin yapıları belirlenmeye çalışılmaktadır. *Birçok protein yapısı X-ışını kristalografisi kullanılarak belirlenmiştir. *Bu yapılar aşağıdaki tabloda, yüklerine göre sınıflandırılarak verilmiştir.

25

26 *KULLANILAN KAYNAKLAR * 1 Fundamentals of Molecular Evolution (2000) Dan Graur and Wen-Hsiung Li Sinauer Associates, Inc.,Publishers. Sunderland, MA, USA. * 2 Bioinformatics and Molecular Evolution (2005) Paul G. Higgs and Teresa K. Attwood Blackweel Publishing Ltd. Malden, MA, USA.