Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü
* *Karbonhidratlar polyhydroxyaldehitler, polyhydroxyketonlar ve bunların basit türevleri, ya da daha büyük bileşenleri olarak tanımlanır. *Karbonhidratları birimlerine ayırmak için hidrolize edildiğinde, monosakaritlere kadar ayrılabilirler. Daha basit bir forma hidrolize edilemezler. *Bu karbon zincirinin ucunda potansiyel bir karbonil (bir aldehit grubu) ya da bir iç karbon (bir keton grubu) vardır. *Bu monosakaritlerin iki tipi vardır. Bunlara aldozlar ve ketozlar olarak adı verilir (Şekil 7.1). Serbest monosakkaritlerin açık-zincirli ya da halka oluşturan yazılım şekilleri mevcuttur (Şekil 1.2).
*Halka şeklinde monosakkaritlerin ve oligosakkaritlerin oluşturmasında belli kuralları vardır. *Oligosakkaritler, glikosidik bağlar vasıtasıyla birbirlerine bağlanmış monosakkaritlerin doğrusal ya da dallanmış zincirlerini içerir. *"Polisakkarit" terimi ise oligosakkarit tekrarlarından oluşan büyük glukanlar için kullanılır. *Burada kullanılan "glukan" genel bir terimdir. Mono-, oligo-, ya da poliherhangi bir biçimdeki şekerleri ifade etmek için kullanılır. *Doğada en sık görülen 5 veya daha fazla karbon atomu içeren monosakkaritlerdir. Bunlarda genellikle molekül iskeletini oluşturan C atomlarına bağlı hidroksil grupları gözlenir (Şekil 7.3).
* Kovalent bağlarla bağlı, fonksiyonel gruplar içeren biyolojik makromoleküllerin üç boyutlu (3D) yapıları yani uzayda bulunma şekillerine bağlıdır. Bu uzaysal şekli, konformasyonu belirlemeye çalışan Kimya bilim dalına Stereokimya adı verilir. * Stereokimya, bir moleküllün karbon atomlarına bağlı, farklı şekillerini çalışılır. Bu farklı şekillerde fonksiyonel olan aynı kimyasal birimlere sahip moleküllere stereoizomerler denir (Şekil 1.18). Yani aynı molekülün, sadece uzayda farklı konformasyonda, şekilde-duruşta olması ve buna bağlı olarak görevinin ve fonksiyonun değişmesini inceleyen bilim dalı Stereokimyadır.
* Halka şeklindeki bir monosakkarit genellikle kiral bir anomerik merkez içerir (Şekil 7.2). * Bu ya birinci karbona (C-1) bağlı aldo şekerler ya da ikinci karbona (C-2) bağlı keto şekerlerdir. Bir glikozidik bağlantı ile başka bir monosakkarit bağlanır. * Tüm monosakkaritler dihidroksiaseton hariç bir veya daha fazla asimetrik karbon atomu içerir ve böylece molekülün aktif izomerik formlarını oluşturur. Basitçe aldozlar ve aldehitler tek bir kiral merkez içerir (ortadaki C atomu). Böylece iki farklı optik izomer veya enantiomer oluşturur (Şekil 1.20). * Eğer molekül aynı birimlere sahipse kiral bir izomeri göstermez bu tip moleküllere akiral moleküller adı verilir (Şekil 1.19).
* Özellikle şekerler ve amino asitleri yazarken kullanılan D- ve L- ön ekleri o molekülde yer alan grupların büyüklüğüne bağlı olarak, molekülün ışığı sola (Levorotatory=L) kırması veya sağa (Dextrorotatory=D) kırmasını gösterir. Molekülün konformasyonunda büyük grubun, aktif grubun nerede yer aldığını anlamak mümkün olur (Şekil 3.3). * Epimer terimi iki şeker arasında sadece tek bir C atomunda gözlenen konfügürasyon farkını anlatmak için kullanılır. Buna en iyi örnekler, D-glukoz ve D-mannoz arasındaki C-2 karbonunda yer alan sterokimyasal fark yada yine D-glukoz ve D-galaktoz C-4 karbonları arasında yer alan farkı verilebilir (Şekil 7.4).
Disakkaritlerin Bağlanması ve Okunması * Tipik olarak iki monosakkarit yapısındaki birimlere göre isim alırlar ve bir disakkarit oluşturmak için glikosidik bağlar ile bağlanırlar. Sonuçta oluşan disakkaritte bağlanma şekline göre adlandırılır. Tipik olarak, bu monosakkaritlerin her birinin anomerik merkezinde bir hidroksil grubu yer alır. * Buna göre; Anomerik merkeze ilk bağlanan monosakkarit sağdan bağlanırsa α, soldan bağlanırsa β yapılı monosakkarit oluşur. Bunların oluşturacağı disakkaritte hangi karbonlardan bağlandıysa ilk birim monosakkaritten sonraki monosakkarite doğru okunur (Şekil 7.11). * Bu grup genellikle α veya β bağları yardımıyla oksijen atomunu, anomerik karbona ve halkaya bağlar (Şekil 7.12). * Bu iki bağlantı türü çok farklı yapısal özellikleri ve biyolojik fonksiyonları gerçekleştirmek için kullanılırlar. Bu şekerin bileşimini ve işlevini değiştirir. * Bunun en klasik örneği olarak, belirgin farklılıkları içeren nişasta ve selüloz (her ikiside aynı glikoz homopolimerlerini içerir) molekülü verilebilir. Bu iki polisakkarit arasında yer alan tek fark birinde homopolimer glikoz alt birimlerinin α 1-4, diğerinde β 1-4 bağları içermesidir (Şekil 7.21, 7.16). * Farklı polisakkaritler yine benzer şekilde farklı bağlar içerebilirler. Örneğin amilaz-kitin, dekstranamilaz vbg (Şekil 7.15, 7.18, 7.19).
Glikokonjugatlar *Glikokonjugat bir bileşik şeker yapısıdır. Bu yapıda bir ya da daha fazla monosakkarit veya oligosakarit birimleri (glycone-glikon) kovalent bir bağ ile karbonhidrat yapısında olmayan (=noncarbohydrate = aglikon) bir birime (Lipit veya protein vbg) bağlı olarak bulunur. *Bu durumda glikokonjugat, bir oligosakkarit ve terminalin de yer alan aldehit veya ketonu indirgeyici güce sahip bir aglikon takılı değilse indirgenme yeteneğini kaybeder. *Bu yapı, nükleotit zincirlerinde görülen 5 've 3' uçlarına ya da polipeptidlerin amino ve karboksil terminaline uçlarına benzer bir yapıdır.
* *Doğal olarak meydana gelen glikokonjugatların yapıları, glikanları oluşturan moleküllerin yapısına bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir. *Genel boyutuna bakıldığında çok küçük miktarda olmakla beraber, baskın bileşen olarak hemen hemen tüm glikanların yapısına katılırlar. *Birçok durumda, glikokonjugat kütlesinin önemli bir bölümünü oluşturur (Şekil 1.3).
*Bu nedenle, bütün doğal hücre türlerinin yüzeyleri (ağır olan glikokonjugatlar da farklı olmak koşuluyla) etkili ve yoğun olarak bir dizi şeker ile kaplıdır. *Bu tabakaya Glikokaliks adı verilir. Glikokaliks denilen bu hücre-yüzey yapısı ilk kez elektron mikroskobu çalışan araştırıcılar tarafından yıllar önce görülmüştür. *Bu hücre zarı dış yüzeyinde yer alan tabakanın anyonik bir tabaka olduğu, katyonik özelliğe sahip ferritin gibi polikatyonik reaktifler yardımıyla anlaşılmıştır (Şekil 1.4).
* * Nükleotidler ve proteinlerin monomerlerinin her biri arasındaki bağlantıyı sağlayan bir tür temel bağ içeren doğrusal polimerlerdir. * Bunun aksine, her bir monosakarit teorik olarak bir α veya bir β bağı yapabilir ve bunlardan herhangi birine göre bir bağ oluşturabilir. * Böylece oluşan her bir zincir ya da molekülün başka bir tür monosakkarite dönüşebileceği (Ör: Nişasta ve Selüloz α ve β 1-4 glikoz homopolimerleri arasındaki bağ ile şekillenir) bilinmektedir. * Örneğin, 3 farklı nükleotid veya amino asit sadece 6 trimer oluşturabilir. * Buna karşın, 3 farklı heksoz, 1.056 taneden 27,648 adede kadar benzersiz trisakkarit üretebilir. Hangi formların kararlı olacağına bağlı olarak, bu alternatiflerin tamamına doğada rastlanmaz.
* Glikanın karmaşıklığına yani monosakkarit birimlerinin sayısına bağlı olarak bu fark daha da büyük bir hale gelebilir. * Örneğin, hekzosakkaritler(=hexasaccharide) altı farklı heksoz içerirse 1 trilyondan fazla olası kombinasyona sahip olabilirler. Bu nedenle, mümkün olan sakkarit birimlerinin teorik kombinasyonları neredeyse düşünülemez bir sayıda biyolojik sistemlerde mevcut olabilir. * Neyse ki Glikobiyoloji çalışan bir öğrenci için, bugüne kadar biyolojik sistemlerde doğal olarak meydana gelen makromoleküllerin, olası monosakkarit birimlerinin nispeten daha azdır. Varolan canlılarda, bilinen monosakkarit birimlerinin çeşitleri, sayıları ve kombinasyonlarının sınırlı sayıda olduğu gözlenmiştir. * Bununla beraber doğada glukanların büyük çoğunluğunun henüz keşfedilmediği ve yapısal olarak tanımlanmadığı unutulmamalıdır.
* *Birkaç yüz farklı monosakarit in doğada meydana geldiği bilinmekle beraber, sadece çok az sayıda glikan yaygın olarak hayvanlarda gözlenmiştir. Bunları listelersek; *Pentozlara: Beş-karbonlu, nötr şekerlerdir. Ör: D-ksiloz (Xyl) *Heksozlar: Altı karbonlu, nötr şekerlerdir. Ör: D-glukoz (Glc), D- galaktoz (Gal), ve D-mannoz (Man). *Heksozaminler (Hexosamins): Heksozların 2. konumunda yer alan C- a bağlı bir amino grubu içerirler. Daha serbest, bağ yapar formda ya da daha yaygın-sık görülürler. Genellikle N-asetillenmiş örnekleri vardır. Ör:N-asetil-D-glukozamin (GlcNAc) ve N-asetil-D-galaktozamin (GalNAc).
*Deoksiheksozlar (Deoxyhexoses): 6-pozisyonunda hidroksil grubu eksik olan 6 karbonlu nötral yapıda şekerlerdir. Ör: L-fukoz [Fuc]. *Üronik asit: 6. pozisyonunda yer alan C atomundaki karboksilat yapısı nedeniyle negatif yüklü heksozlardır. Ör: D-glukuronik asit (GlcA) ve L- iduronik asit (IdoA). *Sialik asitler: Dokuz karbonlu asidik şeker ailesinde yer alır (genel kısaltmaları Sia dır). Bunların en sık görüleni ve en çok bilinen üyesi N- asetilneuraminik asit (=N-acetylneuraminic acid= Neu5Ac) tir. Bazen NeuAc veya daha eski adı ile NANA olarak adlandırılır.
* Şekerler tam olarak kimyasal yapıları ile yazıldığında büyük moleküller olması nedeniyle, anlaşılmasında ve okunmasında güçlükler ile karşılaşılmıştır. Bu nedenle dünya çapında, konuyu çalışan araştırıcılar tarafından, yazımlarının basitleştirilmesi ve tek bir ortak simgesel dile dönüştürülmesine karar verilmiştir. İlk olarak, yazımlarının basitleştirilmesi için, şeker sembollerinin kimyasal açık adında yer alan D-ve L- sembolleri, monosakkaritlerin kısaltmalarından çıkarılmıştır. * Zaman zaman sadece L sembolü uygun olduğunda kullanılabilir (Ör: L-fukoz ya da L-iduronik asit vbg). * Bu sınırlı sayıda monosakkaritlerde ve Glikobiyoloji konularında ağırlıklı olarak çalışılan hayvan hücre ve dokularında (çok hücreli gelişmiş canlılarda) son zamanlarda geliştirilmiş ve neredeyse tamamen uygulanmaya başlanmıştır. * Ancak birkaç diğer canlı türünde yada daha az gelişmiş olarak kabul edilen, özellikle tek hücreli ve nispeten daha basit canlılarda, yani bakterilerde (Ör: keto-deoksioktulosonik asit, ramnoz, L- arabinoz ve muramik asit vbg) ve bitkilerde (Ör: arabinoz, apiose ve galakturonik asit) geliştirilmeye ve uygulanmaya çalışılmaktadır.
* Canlılarda görülen ve çeşitli modifikasyonlar geçiren glikanların, doğada çeşitliliği, sıklığı ve önemli biyolojik fonksiyonları farklı şekillerde karşımıza çıkabilir. * Buna göre glikanları oluşturan monosakkaritlerde yer alan farklı hidroksil grupları yardımıyla canlıda görülen; fosforilasyon, sülfasyon, metilasyon, O-asetilasyon, ya da yağ asillenmesi gibi olaylarda arabulucu olarak yer alabilirler. * Yine bu monosakkaritlerde yer alan amino grupları (her ne kadar genel olarak N- asetillenmiş olsa da) N-kararsız ya da sülfatlanmış olarak kalabilirler. * Benzer şekilde karboksil gruplarına yakın hidroksil gruplarında veya amino gruplarının yakınında laktonizasyon da gözlenebilir.
* Monosakkaritlerin yapısal bağlantıları ve oligosakkaritlerin yapısal tasviri ile ilgili olarak, bu şeker zincirlerinin tasvirinde de benzer yazılım basitleştirilmesine karar verilmiştir ve bu basitleştirilmiş tarz kullanılmaktadır (Şekil 1.5). * Burada şekerler için kullanılan sayılar ve semboller Glikomiks konsorsiyumu tarafından oluşturulmuş ve dünya çapında kabul edilmiştir.
* Recommended symbols and conventions for drawing glycan structures. (Top panel) The monosaccharide symbol set from the first edition of Essentials of Glycobiology is modified to avoid using the same shape or color, but with different orientation to represent different sugars. Each monosaccharide class (e.g., hexose) now has the same shape, and isomers are differentiated by color/black /white/shading. The same shading/color is used for different monosaccharides of the same stereochemical designation, e.g., Gal, GalNAc, and GalA. To minimize variations, sialic acids and uronic acids are in the same shape, and only the major uronic and sialic acid types are represented. When the type of sialic acid is uncertain, the abbreviation Sia can be used instead. Only common monosaccharides in vertebrate systems are assigned specific symbols. All other monosaccharides are represented by an open hexagon or defined in the figure legend. If there is more than one type of undesignated monosaccharide in a figure, a letter designation can be included to differentiate between them. Unless otherwise indicated, all of these vertebrate monosaccharides are assumed to be in the D configuration (except for fucose and iduronic acid, which are in the L configuration), all glycosidically linked monosaccharides are assumed to be in the pyranose form, and all glycosidic linkages are assumed to originate from the 1-position (except for the sialic acids, which are linked from the 2-position). Anomeric notation and destination linkages can be indicated without spacing/dashes. Although color is useful, these representations will survive black-and-white printing or photocopying with the colors represented in different shades (the color values in the figure are the RGB triplet color settings)*. Modifications of monosaccharides are indicated by lowercase letters, with numbers indicating linkage positions, if known (e.g., 9Ac for the 9-O-acetyl group, 3S for the 3-O-sulfate group, 6P for a 6-Ophosphate group, 8Me for the 8-O-methyl group, 9Acy for the 9-O-acyl group, and 9Lt for the 9-O-lactyl group). Esters and ethers are shown attached to the symbol with a number. For N-substituted groups, it is assumed that only one amino group is on the monosaccharide with an already known position (e.g., NS for an N-sulfate group on glucosamine, assumed to be at the 2-position). (Middle panel) Typical branched biantennary N-glycan with two types of outer termini, depicted at different levels of structural details. (Bottom panel) Some typical glycosaminoglycan (GAG) chains. *Note: To reproduce precise colors in RGB format, use the following triplet values: Galactose stereochemistry: Yellow (255,255,0); Glucose stereochemistry: BLUE (0,0,250); Mannose stereochemistry: GREEN (0,200,50); Fucose: RED (250,0,0); Xylose: ORANGE (250,100,0); Neu5Ac: PURPLE (125,0,125); Neu5Gc: LIGHT BLUE (200,250,250); KDN: GREEN (0,200,50); GlcA: BLUE (0,0,250); IdoA: TAN (150,100,50); GalA: Yellow (255,255,0); ManA: GREEN (0,200,50).
* *A. Varki et al. Essential of Glycobiology Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York (1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009) *Lehninger Principles of Biochemistry, D.L. Nelson and M.M. Cox, Part 1, p: 1-272 University of Wisconsin Madison, 4th Ed. 2004.