AMİNO ASİTLER Yrd. Doç. Dr. Osman İBİŞ
Proteinler, tüm hücrelerde ve hücrelerin tüm bölümlerinde en çok bulunan biyolojik makromoleküllerdir ve canlının kuru ağırlığının % 50 veya daha fazlasını kapsarlar. Proteinler her hücrede bulunduğu gibi çeşitli yapı ve fonksiyonlara sahiptirler. Bütün proteinler doğal olarak oluşan 20 çeşit amino asitten oluşmuşlardır. Ancak, 20 amino asitin hemen hepsi ortak bir omurgaya sahipse de, yan zincirleri (R) farklılık gösterir. Bu yan zincirler sayesinde her protein farklı bir yapı ve fonksiyon kazanır.
Yukarıdaki genel yapı 19 amino asit için geçerli iken, prolinde yan zincir (R) azot atomuna bağlıdır ve dolayısı ile prolin bir imino asit tir.
Alfa-karbon atomuna asimetrik karbon atomu denir ve glisin hariç tüm amino asitlerde vardır. Bu nedenle alfa karbon atomuna kiral merkez (dört farklı gruba bağlı) de denir. Böyle bir yapının birbiri üstüne çakıştırılamayan iki ayna görüntüsü vardır. Bu iki forma enantiyomer veya stereoizomer denir:
Stereoizomerler aynı moleküler formüle ve aynı çeşit atomların herhangi bir moleküle bağlı olduğu maddeler olup, sadece bu atomların uzaydaki (üç boyutlu yapıdaki) dizilişleri bakımından farklılık gösterirler. Enantiyomerler ise an az bir kiral atomun varlığına ihtiyaç duyan stereoizomerler olup birbirlerini ayna görüntüsü olan iki maddeyi ifade eder. Kiral karbon (asimetrik karbon) dört farklı grubun bağlandığı karbon atomudur.
Enantiyomerler birbirlerinden D veya L formu olarak ayrılırlar. Diastereomerler birbirinin ayna görüntüsüne sahip olmayan stereoizomerler olup kiral atomun olmasına gerek göstermezler. Epimerler birden fazla asimetrik atoma sahip diastereoizomerler olup sadece bir asimetrik karbon atomunun konfigürasyonu (karbona bağlı grupların ayrı konumlarda olması, örneğin sağda veya solda) ile birbirlerinden farklıdırlar.
Anomerler karbonhidrat epimerlerinin özel bir formu olup özellikle anomerik karbon atomu bakımından farklıdırlar. Cis-trans izomerizm çift bağ tarafından sağlanan bir özelliktir. Eğer çift bağın iki ucundaki gruplar aynı yönde ise Cis, ters yönde ise trans konfigürasyon meydana gelir.
Proteinlerin hepsi L-amino asitlerden meydana gelmişlerdir. L-amino asitlerde (L=levo yani sol) alfa-amino grubu asimetrik karbon atomunun solunda, D-amino asitlerde (D= dekstro yani sağ) ise sağında bulunur. Kiral merkezler ayrıca optik aktivite gösterirler (her izomer ışığı farklı kırar).
Amino asitlerin genel yapısı
Glisin hariç, tüm amino asitlerde alfa karbon atomu vardır. Glisinin yan zincirinde H atomu bulunduğundan asimetri bozulmuştur. Alfa karbonu (α-c), karboksil (COOH) grubuna bağlı ilk karbon atomunu ifade eder. Karboksil grubundan itibaren 2. karbona β- karbon, 3. karbona γ-karbon, vb. adı verilir.
Prolin hariç, diğer tüm 19 amino asitler α-c atomuna bağlı karboksil, amino ve yan zincir (R) taşırlar. Diğer bir deyimle prolin hariç diğer bütün amino asitler serbest bir α-amino ve serbest bir α-karboksil grubuna sahiptir.
Fizyolojik ph da (yaklaşık ph 7.4) karboksil grubu (COOH) ayrışırken (COO-), amino (NH2) grubu protone olur (NH3+). Tüm proteinlerde bu karboksil ve amino grubu arasında peptid bağı oluştuğundan, bu tür reaksiyonların (ayrışma veya proton kazanma) olması mümkün değildir. Dolayısı ile bir proteinin özelliğini belirleyen, esas olarak amino asitlerin yan zincirleri (R) dir. Dolayısı ile amino asitler, yan zincirlerinin özelliklerine göre sınıflandırılırlar.
Amino asitlerin sınıflandırılması 20 çeşit amino asit proteinlerin yapısına giren standart amino asitlerdir. Ancak, bilinmektedir ki, protein sentezinden sonra bazı standart amino asitler modifiye olabilmektedir. Yine, canlıda bulunup da proteinlerin yapısına girmeyen başka amino asitler de mevcuttur. Ancak, doğada her ne kadar 300 kadar farklı amino asit çeşidi tanımlanmışsa da, bunlardan sadece 20 tanesi genetik kodun deşifre edilmesi ile protein sentezine girerler.
Amino asitler yan zincirleri (R) nin yapısına göre sınıflandırılabilirler. Protein yapısına giren 20 amino asit sahip oldukları farklı yan zincirlerden dolayı farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Bu standart 20 çeşit amino asit farklı şekilde gruplandırılabilir. Bu özellikler arasında en önemlisi polarite yada biyolojik ph da (ph 7.0) suyla etkileşme eğilimi olarak bilinir. R-gruplarının polaritesi, polar olmayan ve hidrofobik özellikten yüksek derecede polar ve hidrofilik özelliğe kadar büyük değişkenlik gösterir
Aşağıda her amino asit kendilerine has özellikleri ile ele alınmışlardır.
Glisin Glisin en küçük ve aynı zamanda en basit amino asittir. Yan zincirinde bir hidrojen atomu bulunur. Dolayısı ile alfa-karbon atomuna sahip olmayan yegane amino asittir. Küçük yapısından dolayı bazı proteinlerde helezon (sarmal) oluşumunda rol oynar (ör. kollajen).
Nispeten küçük yapısından dolayı bu amino asitin girmiş olduğu bölgelerde polipetid zincirine daha elastik bir konformasyon kazandırır. Her ne kadar birçok proteinin yapısında az miktarda bulunsa da bazı proteinlerde oldukça yüksek oranlarda bulunur. Ör. kollajendeki toplam amino asit kompozisyonunun % 30 undan fazlası bu amino asittir.
Alanin Alanin glisinden sonraki en küçük amino asittir. Yan cincirinde bir tane metil grubu vardır. Dolayısı ile hidrofobik olan bu amino asit lösinden sonra proteinlerin yapısında en bol bulunan amino asitlerden biridir.
Valin, lösin, izolösin ve metionin
Bu amino asitlerin yan zincirleri metilen (-CH2-) ve metil (-CH3) gruplarından oluşur ve en önemli özellikleri alifatik (hidrofobik) bir yan zincire sahip olmalarıdır. Bu nedenle bu amino asitler yan zincirleri ve diğer polar olmayan amino asitler (ör. Aromatik amino asitler) ile bir araya toplanırlar ve suyu iterler. Dolayısı ile bu amino asitler proteinlerin hidrofobik bölgelerinde daha yoğun bulunurlar. R grubu hidrokarbon (C ve H den oluşan) böyle amino asitlere alifatik amino asitler adı da verilir.
Metionin sistein gibi kükürt içeren bir amino asittir. Bir metionin türevi olan Sadenozil metionin çeşitli karbon transfer reaksiyonlarında metil grubu sağlayıcısı olarak görev yapar. Aynı zamanda bir şelatlama ajanı olan metionin, karnitin, lesitin, fosfatidilkolin ve diğer fosfolipidlerin sentezinde önemli role oynar. Metionin yan zincirindeki kükürt (sülfür) atomu hava ve peroksidlerle kolayca oksidasyona uğrayabilir.
Prolin Prolin amino grubu yerine bir imin grubu taşıyan tek amino asittir.
Bu halkasal amino asit kompakt bir alifatik yan zincire sahiptir. Kaba yan zincirinden dolayı, proteinlerdeki alfasarmal yapıyı bozan bir özelliği vardır. Yani diğer bir deyimle, prolin sahip olduğu geniş yan grup nedeni ile proteinlerde düz zincirde şişkinliklere neden olur. Bu amino asit girmiş olduğu proteinlerde glisine tam zıt bir etki yapar (yani protein elastikiyetini azaltır). Bir proteinde (ör. kollajen) bir çok prolin veya hidroksi-prolin araka arkaya gelirse bir prolin sarmali oluşur.
Serin ve treonin Bu amino asitlerin de yan zincirleri küçük ve alifatiktir. Ancak, yan zincirler farklı olarak polar bir hidroksil grubu taşırlar. Bu hidroksil grupları post-translasyonal (translasyon sonrası) modifikasyonların (ör. fosforilasyon ve glikozilasyonun) gerçekleştiği yerlerdir.
Sistein
Sistein yan zincirinde hidrofobik CH2- ve bir sülfidril (tiol, -SH) grubu içerir. Tiol grubu amino asit yan zincirleri içinde en reaktif olanıdır ve bu özellik birçok enzim tarafından kullanılır. Sisteinlerdeki bu tiol grubu birçok metal iyonu (bakır, demir, çinko, molibden, mangan) ile değişen karalıklarada kompleksler oluşturur. Bu durum bazı proteinlerin (ör. çinko-parmak transkripsiyon faktörleri) metalleri yüksek spesifite ile bağlamalarında rol oynar.
Sisteinin sülfür atomu birçok oksidasyon durumunda bulunabilir. Ancak, disülfit oksidatif ortamda en yaygın bulunan formudur. Disülfit bağları iki sistein arasında sulfidril gruplarının karşılıklı gelerek oksidasyonu ile oluşurlar ve daha çok hücre dışına salınan proteinlerde görülürler. İki adet sisteinin bir disülfit bağı ile bağlanmasından oluşan yapıya sistin denir.
Bu şekilde oluşan köprüler bir çok proteinde (örneğin, insülin) görülür ve o proteini daha kararlı bir hale getirirler. Bu amino asit (sistein) en fazla yapısal özelliği olan proteinlerde bulunur (ör. keratin). Kovalent yapıda olan bu disülfit bağları sulfidril gruplarının hava ile temas etmesi ve böylece oksitlenmesi sonucu oluşurlar ve protein ikincil ve üçüncül yapıyı oluşturacak katlanmaları yaparken proteine büyük bir dayanıklılık kazandırırlar.
Aspartik asit ve Glutamik asit
Fizyolojik ph da (ph 7.0) bu amino asitlerin yan zincirleri negatif yüklü olup oldukça poladırlar. Dolayısı ile aspartik asit ve glutamik asit aynı zamanda asidik amino asitler olarak bilinirler(her biri fazladan birer karboksil grubuna sahip olduğu için). Bu iki amino asit aynı zamanda oldukça etkili birer metal şelatörlerdir (ayni metl iyonlarını bağlarlar).
Her ne kadar glutamik asit yan zincirinde bulunan ekstra bir metilen (-CH2-) grubu ile asapartik asitten farklılık gösterse de, her iki amino asit girdikleri peptidi yapıya oldukça farklı özellikler kazandırırlar. Aspartik asit (iyon formu aspartat olarak bilinir) asaparajinin karboksilik asit analogu olup, bir nörotransmitter olarak görev yapar. Aynı zamanda bir üre döngüsü metaboliti olup, glukoneogeneziste de rol alır. Glutamik asit (iyon formu glutamat olarak bilinir) beyindeki en önemli nörotransmitterlerden biridir. Aynı zamanda diğer bir nörotransmitter olan GABA nın (gama amino butirik asit) da prekürsörüdür.
Asparagin ve glutamin
Asparagin ve glutamin, asidik amino asitler olan aspartik asit ve glutamik asitin amid formları dır. Yani bunların yan zincirleri birer amiddir. Glutamin, amino gruplarının transferinde glutamatla beraber önemli rolü olan bir amino asittir. Her iki amino asit (asparagin ve glutamin) asit veya bazla kolayca asit formlarına (aspartik asit ve glutamik asit) dönüştürülebilirler. Amid yan zincirleri polar olup hidrojen bağı sağlayacısı veya hidrojen bağı alıcısı olarak davranabilirler. Asparagin yan zincirleri bazı yaygın post-translasyonal modifikasyonların olduğu yerlerdir.
Lizin ve Arginin
Fizyolojik ph da (ph 7.0) bu amino asitlerin yan zincirleri pozitif yüklü olup oldukça polardırlar. Dolayısı ile lizin, arginin ve aynı zamanda histidin bazik amino asitler olarak bilinirler (her biri birden fazla amino grubuna sahip olduğu için). Arjinin üre döngüsünde ornitinden sentezlenebilse de esansiyel bir amino asit olarak kabul edilir (özellikle çocuklarda). Bu amino asit vücuttaki amonyağın dönüştürülmesinde görev alır ve aynı zamanda damar gevşetici bir rolü olan nitrik oksit in (NO) sentezinde görev yapar. Bazik karakter gösteren proteinler bu 3 amino asidi yüksek oranlarda içerirler (örneğin, histon proteinler). Bu nedenle bir proteinde bazik amino asitlerin asidik amino asitlere oranı 1.0 dan büyükse (lizin+arjinin/glutamik asit + aspartik asit) bu proteine bazik protein, 1.0 den küçük ise asidik protein denir.
Histidin
İmidazol yan zincirine sahip tek amino asittir. Bu yan zincirinden dolayı bir çok enzimin katalitik merkezinde ve mettalloproteinlerin (ör. hemoglobinin) metal koordinasyon bölgelerinde bulunur. Bu özelliklerinden dolayı histidin genellikle enzim katalizi ile ilişkili bir amino asittir. Hisitidinin imidazol yan zinciri genellikle metal iyonlarının şelatlanmasında kullanılırlar.
Fenilalanin, Tirozin ve Triptofan
Nispeten polar olmayan alifatik (hidrofobik) yan zincirlere sahip diğer amino asitler ise bu aromatik amino asitlerdir. Diğer alifatik amino asitler gibi bu amino asitlerin yan zincirleri de sudan çok kendi aralarında ve diğer alifatik yan zincirlerle interaksiyona girerler. Bu hidrofobik karakterlerinden dolayı bu amino asitler katlanmış (yani sekonder ve tersiyer yapıda) bir proteinde genellikle kor kısımda (suyun olmadığı kısımda) bulunurlar.
Fenilalaninin aromatik yan zinciri rekatif değilken, tirozinin aromatik halkasına bir hidroksil (OH) grubu bağı olduğundan ve hidrojen bağı yapabildiğinden bu amino asit nispeten reaktiftir. Dolayısı ile birçok enzimin aktivitesinde bu amino asitin (tirozinin) özel önemi olup yan ziniciri çeşitli post-translasyonal modifikasyonlar (ör. tiorozin kinazlarla fosforilasyon) için uygun bir ortam oluşturmaktadır.
Triptofanın en önemli özelliği tüm amino asitler içinde en büyük yan zinicre sahip olmasıdır. Triptofan büyük bir indol yan zincire sahip olup, girmiş olduğu proteine o bölgede büyük bir hacim kazandırır.