Biyokimya 2. Hafta-Aminoasitler, Peptidler, Proteinler PDF

BİYOKİMYA I BYL-301 AMİNO ASİTLER, PEPTİTLER VE PROTEİNLER Lehninger Biyokimyanın İlkeleri David Nelson , Michael M. Cox Çevirmen: Y. Murat Elçin Yayınevi: Palme Yayınevi - Akademik Kitaplar ISBN: 9786053551393 Baskı Sayısı: 5 Basım Yılı: 2016 Sunumdaki şekiller bu kitaptan alınmıştı...

BİYOKİMYA I BYL-301 AMİNO ASİTLER, PEPTİTLER VE PROTEİNLER Lehninger Biyokimyanın İlkeleri David Nelson , Michael M. Cox Çevirmen: Y. Murat Elçin Yayınevi: Palme Yayınevi - Akademik Kitaplar ISBN: 9786053551393 Baskı Sayısı: 5 Basım Yılı: 2016 Sunumdaki şekiller bu kitaptan alınmıştır  AMİNOASİTLER, PEPTİTLER VE PROTEİNLER Amino asitler Peptit ve proteinler Proteinlerin yapısı  PROTEİNLER Proteinler çok çeşitlilik göstermekle beraber işlevleri de özgül ve çeşitlidir. Hücrede metabolizma içerisinde çoğu süreçte görev alırlar. En basit canlıdan en karmaşık hücreye kadar tüm proteinler özgün doğrusal dizilerde kovalent olarak bağlanabilen 20 amino asitten oluşur. Birçok farklı biçimde ve dizide birleşebilirler. Her bir yan grup amino aside farklı özellik kattığından dolayı ortaya çıkan proteinler oldukça çeşitli özelliklere sahiptir. Örn; enzimler, hormonlar, antikorlar, taşıyıcılar, kas lifleri, göz lens proteini, tüyler, örümcek ağları, gergedan boynuzu, süt proteini, antibiyotikler, zehirler vd.  PROTEİNLER Proteinlerin bazı biyolojik fonskiyonları: Enzimatik katalizleme Taşıma ve depolama Mekanik hareket Mekanik destek Koruma Hormonlar Sinir uyarılarının üretimi ve iletimi Büyüme ve farklılaşmanın kontrolü  AMİNO ASİTLER Amino asitler bulundukları kaynaklara göre isimlendirilmişlerdir (1806-1938). Ortak yapısal özellikler taşırlar. Tüm amino asitlerde bir alfa karbon ve alfa karbona bağlı bir amino ve bir karboksil grubu bulunur. Bunun yanı sıra yapı, boyut ve elektrik yükü farklı R grupları bulunur. Glisin hariç diğer amino asitlerin alfa karbonları dört farklı grup içerir. Kiral karbondan dolayı iki farklı stereoizomerleri bulunur (ayna görüntüsü olduğu için enantiyomer sınıfındadır). Mutlak düzenlenişe dayalı D, L sistemi kullanılır. Gliseraldehit referans alınır (Optik özellik değil kiral karbon etrafındaki düzenleniş referans alınır). Proteinlerde ki amino asit kalıntıları L amino asitlerdir.  AMİNO ASİTLER Üç harfli kısaltmalar ve tek harfli semboller verilmiştir. AMİNO ASİTLER  AMİNO ASİTLERDE KARBONLARIN NUMARALANDIRILMASI İki kural kullanılır. α karbondan itibaren β, γ, δ, ε olarak isimlendirilebilir. Molekülün bir ucunda en yüksek atom numarası bulunan yan gruba 1, diğer karbonlara sırayla 2,3,4… numaraları verilerek devam eder. Yani amino asidin karboksil karbonu C-1 ve α karbonu C-2 dir. Amino asitlerin iki stereoizomeri vardır. Glisin hariç !!! Bunlar enantiyomerdir ve polarize ışığı da çevirebilirler. Glisin  R GRUPLARINA GÖRE AM İNO ASİTLERİN SINIFLANDIRILMASI En önemli sınıflandırma özellikleri polarite ve biyolojik pH’da (pH 7.0) suyla etkileşme eğilimidir. «Lehninger Biyokimyanın İlkeleri» kitabına göre; beş gruba ayrılmıştır. Nonpolar, alifatik R grupları Aromatik R grupları Polar yüksüz R grupları Pozitif yüklü (Bazik) R grupları Negatif yüklü (Asidik) R grupları  NONPOLAR, ALİFATİK R GRUPLARI R grupları polar değildir ve hidrofobiktir. Alanin, valin, lösin ve izolösin R grupları hidrofobik etkileşimlerde kümeler oluşturma eğilimindedirler ve bu etkileşimlerle proteinleri stabilize etmektedirler. Prolin halkalı bir gruba sahiptir. İkincil amino (imino) grubu nedeniyle yapısal esnekliği azaltıp sert bir düzenlenme sağlar. Glisin en basit yapıya sahiptir. Hidrofobik etkileşime katılmaz. Metiyonin kükürt içeren iki amino asitten biridir.  AROMATİK R GRUPLARI Nispeten hidrofobik etkileşimlere katılabilirler. Tirozinde bulunan hidroksil grubu enzimler için önemlidir. Özellikle tirozin ve tiriptofan mor ötesi ışığı soğurur ve bu sayede proteinlerin karakterizasyonu 280 nm dalga boyunda ışığı soğurmalarından dolayı yapılabilir.  POLAR YÜKSÜZ R GRUPLARI Hidrofilik özelliğe sahiptir çünkü suyla H bağları kurabilen R gruplarına sahiptirler. Serin ve threonin hidroksil grubu, sistein sülfidril grubu, asparajin ve glutamin ise amit grubu içerir. Asparajin ve glutamin negatif yüklü aspartat ve glutamat amino asitlerinin amit halleridir. Asit bazlarla hidrolizlenirler. İki sistein bir disülfit bağı ile birleşip sistin denilen kovalent bağlı dimerik bir amino aside yükseltgenebilir. Disülfit bağları proteinler için önemlidir.  POZİTİF YÜKLÜ (BAZİK) R GRUPLARI Oldukça hidrofiliklerdir. Lizin (amino grubu) ve arjinin (guanidyum grubu) nötral pH’da tamamen pozitif yüklüdür. Nötral pH’ya yakın pKa’lı iyonlaşabilen bir yan zinciri olan histidin (aromatik imidazol grubu) pH 7’de pozitif ya da yüksüzdür. Histidin proton vericisi veya alıcısı olarak davranıp enzim katalizli çoğu tepkimeyi hızlandırabilir.  NEGATİF YÜKLÜ (ASİDİK) R GRUPLARI İkincil bir karboksil grubuna sahip aspartat ve glutamat pH 7’de negatiftir.  20 amino asit dışında nadir görülen amino asitler de bulunur. Bazıları sentez sonrası değişime uğrayan bazıları protein yapısına girmeyen amino asitlerdir. Prolin türevi olan 4-hidroksiprolin; bitki hücre duvarı proteinlerinde lizin türevi olan 5-hidroksilizin ile beraber kolajen yapısında bulunur. 6-N-metillizin miyozin bileşiğidir. γ-karboksiglutamat protrombin ve kalsiyum bağlayan bazı proteinlerin yapısında bulunur. Selenosistein sentez sırasında oluşur, sisteindeki kükürt yerine selenyum içerir. Protein aktifliğini azaltmak ya da arttırmak amaçlı kalıntılara fosforil, metil, asetil, adenilil, ADP-ribozil eklenip modifiye edilebilir. 300’e yakın aa bulunmuştur ancak bunların hepsi protein yapısında bulunmaz. Ornitin ve sitrüllin arjinin biyosentezi ve üre çevriminde görevlidir.  AMİNO ASİTLERİN TİTRASYONU Amino asitler asit baz gibi davranabilirler. Amino ve karboksil grupları ve iyonize olabilen R grupları ile zayıf asit ve baz görevi görür. Nötral pH’da suda çözündüğünde çözeltide zayıf asit ya da baz gibi davranabilen dipolar iyon ya da iç tuz (zwitterion; hibrit iyon) olarak bulunur. Asit-baz doğası bulunan maddelere amfoterik denir ve amfolitler olarak adlandırılır.  AMİNO ASİTLERİN TİTRASYONU Asit baz titrasyonunda protonlar kademeli olarak eklenip çıkarılır. Şekilde Glisinin iyonlaşabilen karboksi ve amino grubu NaOH gibi kuvvetli bir baz ile titre edilir. Grafikte iki farklı grubunun deprotonlanmasını gösteren evre vardır. Tam orta evrede proton verici ve proton alıcı formu eşit derişimdedir. Düşük pH’da baskın form tamamen protonlanmış +H3N-CH2-COOH (net yük = +1), arada baskın form zwitterionic form, +H3N-CH2-COO- (net yük = 0) ve titrasyon sonunda yüksek pH’da baskın form H2N-CH2- COO- (net yük= -1)’dir. Glisinin düşük ve yüksek pH’da iki tamponlama bölgesi vardır. Handerson-Haselbalch eşitliği herhangi bir pH’da konjuge asit, konjuge baz çiftinin derişimlerini hesaplamak için kullanılabilir. Net yükün sıfır olduğu orta nokta (zwitterionic form) izoelektrik nokta olarak adlandırılır (pI).  DİĞER AMİNO ASİTLERDE TİTRASYON İkincil bir karboksil grubuna sahip olan glutamat ve aspartat iki değil üç platoya sahiptir ve her birinde bir proton grubu ayrılır. Üç pKa değeri vardır. Histidin nötral pH yakınında tamponlama kuvveti sağlayan bir R grubuna sahip olması açısından önemlidir (pKa= 6,0).  PEPTİT VE PROTEİNLER Amino asitler bir su ortaya çıkararak peptit bağı ile birbirine bağlanır ve uzun polipeptitleri oluştururlar. Bir amino asidin karboksil ve diğerinin amino grubunun ortaya su çıkararak (dehidreasyon) birleşmesi sonucu peptit bağı oluşur. İki aa dipeptit, üç aa tripeptit vs… birkaç aa oligopeptit ve miktar artınca polipeptit diye isimlendirilir. Polipeptitlerin genelde molekül kütlesi 10.000’den az, proteinlerin ise fazladır.  PEPTİTLERİN İYONİZASYONU Bir peptidin ya da polipeptidin iyonlaşması serbest - amino ve - karboksil gruplarına ve bunun yanı sıra iyonlaşabilen yan gruplarına (R) bağlıdır. Peptit bağına katılan amino asitler asit baz davranışlarına katılmaz çünkü artık kovalent olarak bağlanmışlardır. Peptitlerin de elektriksel alanda hareket etmedikleri bir pI değerleri vardır. Proteinlerin ayırt edilmesinde kullanılır. Peptitlerde iyonize olabilen grupların pKa değerleri bulundukları çevreye bağlıdır. Diğer R grupları ile olan etkileşimler, yük kaybı ve diğer çevresel faktörler etkileyebilir.  PEPTİTLER ÇOK FARKLI BOYUT VE ŞEKİLDE OLABİLİR Biyolojik aktivite gösteren peptitler çok küçük ya da binlerce amino asit kalıntısından oluşabilir. Dipeptit L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester Aspartam buna iyi bir örnektir. Oksitosin, 9 amino asit kalıntısından, trotiropin salgılayıcı hormon ise üç kalıntıdan oluşur.  AMİNO ASİT KOMPOZİSYONLARI Bazı proteinler tek polipepetitten oluşurken bazıları birden çok polipeptitin zayıf etkileşimlerle bir arada tutulması ile çok alt birimlidir. Çok alt birimli proteinlerde en az iki polipeptit aynı ise oligomerik denir ve alt birimlere protomerler denir. Kovalent olarak bağlanan iki veya daha fazla polipeptit içeren (disülfit bağları ile bağlanan) proteinlerde polipeptitlerin her birine zincir denir. Proteinlerin amino asit bileşenleri değişkendir ve proteinlerin özelliğini belirler. İlave bir kimyasal içeriği olmayan bir proteinin yaklaşık amino asit kalıntısını bu proteinin molekül kütlesini 110’a bölerek bulabiliriz.  Bazı proteinler amino asitler dışında kimyasal gruplar içerir ki bunlara konjuge proteinler denir. Bu proteinlerin kimyasal grubuna prostetik grup denir (lipoprotein, glikoprotein, metalloprotein vs)  PROTEİN YAPISI Proteinler kovalent bağlarının etrafındaki serbest dönüşler sayesinde sınırsız şekilde, yapıda ve boyutta bulunabilecekken spesifik bir kimyasal ve yapısal işleve sahip olan proteinlerin çoğu özgül iki boyutlu ve üç boyutlu yapılara sahiptir. Çoğu protein ılımlı düzeyde esnekliğe sahiptir ki bu da proteinlerin fonksiyonunu belirlemede yardımcı olur. Belirli şartlarda proteinin bulunduğu son konformasyon termodinamik olarak en kararlı olan ve en düşük Gibbs enerjisine sahip olan konformasyondur.  PROTEİNLERİN YAPISI: BİRİNCİL YAPI Temel olarak dört protein yapısı tanımlanmıştır Birincil Yapı: Polipeptit zincirinde amino asit kalıntılarının kovalent bağlarla birbirine bağlandığı yapıdır. İkincil Yapı: Birincil yapıdaki amino asit kalıntılarının tekrarlayan bir yapısal düzenlenmede bulunduğu kısmi kararlı yapıdır. Üçüncül yapı: Polipeptidin zayıf etkileşimlerle üç boyutlu katlanmasını içeren yapıdır. Dördüncül yapı: Birden fazla polipeptitin bir arada boşlukta düzenlendiği yapıdır.  PROTEİNLERİN YAPISI: BİRİNCİL YAPI Farklı işlevleri olan proteinlerin farklı amino asit dizileri vardır. Genetik hastalıklar birincil yapıdaki küçük bir değişikliğin protein işlevinde büyük değişikliklere yol açabileceğini göstermiştir. Benzer işleve sahip proteinlerin benzer amino asit dizilerine sahiptir. Amino asit dizileri esneklik gösterebilir. İnsanlardaki proteinlerin %20-%30’unun farklılıklar gösterdiği bilinmektedir (polimorfiktir). Uzak türlerdeki benzer işleve sahip proteinler boyut ve dizi farklılığı gösterebilir. Proteinlerde işlev bakımından hayati önem içeren korunmuş bölgeler bulunur.  PROTEİNLERİN BİRİNCİL YAPISI Bir polipeptit zincirinde amino asitlerin birbirine kovalent bağlarla bağlanmasıyla oluşan yapı birincil yapıdır. Bir proteinin işlevi amino asit dizisi tarafından belirlenir. Farklı işlevi olanlarda farklı diziler vardır. Amino asit dizisinde meydana gelen mutasyonlar hastalıklara neden olmaktadır. Farklı organizmada benzer işlevi olan proteinler benzer amino asit dizisine sahiptir. Örn: Ubiquitin  PROTEİN YAPISI Proteinlerin yapısı için kararlı hal doğal yapıdaki konformasyonu sürdürme eğilimidir. Proteinlerde doğal konformasyonu kararlı hale getiren kimyasal etkileşimler disülfit (kovalent) bağları ve zayıf etkileşimlerdir (H bağları, hidrofobik ve iyonik etkileşimler). Disülfit bağları çoğunlukla hücrenin içinde bulunduğu çevre indirgen olduğu için genelde hücre dışına salgılanan proteinlerde bulunur. Arkelerde disülfit bağları bulundukları koşullara karşı proteinlerin kararlılığını sağladığından daha çok bulunur. Zayıf etkileşimler proteinlerin ikincil ve üçüncül ve hatta dördüncül yapılarını almaları açısından oldukça önemlidir.  PEPTİT BAĞLARININ YAPISI İki alfa C arasındaki kovalent bağlar C  ⎯ C⎯ N⎯ C  üç kovalent bağ ile ayrılmaktadır. 1930 yıllarında Linus Pauling ve Robert Corey ‘in yaptığı X ışını kırınım çalışmaları peptit C-N bağının basit bir amindeki C-N bağından daha kısa olduğunu ve peptit bağı aile bağlanan atomların aynı düzlemde olduğunu göstermiştir. Bu durum iki çift elektronun karbonil oksijeni ve amit azotu arasındaki rezonansını ve kısmi paylaşımını gösterir. Oksijen kısmi negatif ve Azot kısmi pozitif yüke sahiptir ve küçük bir elektrik dipolü oluşur.  PROTEİN YAPISI Altı atom tek bir düzlemde iken karbonil grubunun O atomu ile amit azotunun H atomu trans konumdadır. Sonuç olarak C-N bağı kısmi çift bağ özelliği göstermekte ve serbest dönüşe izin vermemektedir. Polipeptit zincir iskeleti C  dönüş ortak noktasını paylaşan esnemeyen ardışık bir düzlemde bulunmaktadır. Peptit konformasyonu  (phi),  (psi) açıları ile belirlenir. N- C  ve C- C    ile gösterilen açılarla dönüş yapabilir. C- N dönüş yapamaz. Proteinlerdeki peptit bağları trans konfigürasyondadır.  PROTEİNLERİN İKİNCİL YAPISI İkincil yapı bir polipeptitin herhangi bir bölgesinde yan zincirlerin konformasyonuna veya diğer bölmelerle olan ilişkisine bakmadan ana zincir atomlarının uzaysal düzenlenişini temsil eder. 1951 yılında Linus Pauling ve Robert Corey  sarmal ve b kıvrımlı tabaka olarak isimlendirilen iki yapı bulmuşlardır. Daha sonra b dönüş yapıları tanımlanmıştır. Alfa sarmallar b konformasyonu ve dönüşleri düzlemsel dizilimde yan yana olan amino asitlerin peptit N-C ve C=O grupları arasındaki hidrojen bağlarının düzenli dizilimi ile oluşur.  ALFA SARMAL YAPI Alfa sarmal yapıda polipeptit omurgası sarmalın ortasında sarmalın ortasında bir uçtan diğer uca uzunlamasına bir eksen etrafında sıkıca durmakta ve R grupları sarmal omurgadan dışarı doğru yönelmektedir  ALFA SARMAL YAPI Alfa sarmal yapısı ana zincirin N-C ve C=O grupları arasındaki hidrojen bağları ile kararlı hale getirilir. Her bir amino asitin CO grubu dizilimde dört birim ilerde bulunan amino asitin NH grubu ile H bağı oluşturur. Neticede  sarmalın sonuna yakın amino asitler hariç ana zincirdeki NH ve CO grupları H bağı ile bağlıdır. Her bir sarmal dönüş 3.6 amino asit kalıntısı içerir. Bütün proteinlerde  sarmal sağ el dönüşlüdür.  ALFA SARMAL YAPININ KARARLI ĞINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Alfa sarmal yapı içerisinde tüm amino asitler kolayca bulunamazlar. Alfa sarmal oluşturmaya en eğilimli amino asit alanindir. En az eğilim gösteren ise Pro ve Gly’dir. Prolin esnemeyen bir halka yapısı ve glisin ise oldukça konformasyonel esnekliğe sahip olması açısından yapıyı bozar. Asparajin, threonin, lösin yan yana bulunuyorsa yapıyı kararsız hale getirir veya valin, threonin ve izolösinde R grubundaki dallanma sterik engellemelerden dolayı yapıyı bozma eğilimindedir. Bir polipeptitte uzun Glutamat kalıntıları varsa negatif yük sarmal yapı oluşmasını engeller. Yine pozitif yüklü çok sayıda arjinin veya lizin sarmal yapı oluşmasını engeller. Pozitif yüklü amino asit genelde negatif yüklü olanlardan üç kalıntı uzakta bulunur ve iyon çifti oluşumuna olanak sağlar. Yapıyı etkileyen bir diğer faktör sona yakın amino asit kalıntılarının türüdür. Negatif yüklü amino asit sarmal bölmenin amino ucuna yakın bulunur ve yapıyı kararlı kılar. Yine amino uçta artı yüklü bir amino asit yapıyı bozar.  ALFA SARMAL YAPININ KARARLI ĞINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Beş faktör: Amino asit kalıntısının alfa sarmal oluşturma iç eğilimi Özellikle 3-4 amino asit kalıntısı aralıklarla yerleşen R grupları arasındaki etkileşimler Komşu R gruplarının boyutu Pro ve Gly kalıntılarının bulunması Sarmalın ucundaki amino asitler ile sarmalın doğasında olan elektrik dipolü arasındaki etkileşim  BETA KIVRIMLI TABAKA YAPISI Beta kıvrımlı tabaka polipeptit zincirinin daha da uzatılmış bir yapısıdır. Sarmal yapı yerine zikzak yapıdadır. b iplik denilen zincirler farklı polipeptit zincirlerinden oluşabildiği gibi aynı polipeptit zincirinin farklı bölgeleri de B tabakalı yapı oluşturmak üzere bir araya gelebilir. Bu b tabaka yapısında yer alan diziler birbirleri ile H bağları oluşturarak bir düzlemde bulunurlar. b tabakada komşu zincirler paralel ya da zıt yönlü olabilir. Zıt yönde her bir amino asitin NH ve CO grubu komşu zincirin diğer amino asitinin NH ve CO grubuna H bağı ile bağlanır. Paralel zincirde ise her bir amino asit için CO grubu zincir boyunca komşu iplikteki iki amino asit uzak olan amino asit üzerindeki NH grubu ile H bağı ile bağlanırken, NH grubu komşu iplikteki CO grubuna H bağı ile bağlanır. BETA TABAKA YAPININ KARARLI ĞINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER Bazı protein yapıları b tabakada bulanabilecek amino asit çeşitlerini sınırlar. b tabakada iki b iplik arasında bulunan amino asit kalıntılarının R grupları nispeten küçük olmak zorundadır. İpek fibroini, örümcek ağı fibroini gibi b-keratinler en küçük R gruplarına sahip Gyl ve Ala kalıntılarının çok yüksek miktarda bulunması ile oluşur.  B DÖNÜŞLERI PROTEINLERDE YAYGIN OLARAK BULUNUR Yoğun katlanmış yapıya sahip veya küresel proteinlerde amino asit kalıntılarının üçte biri polipeptit zincirinin ters yöne dönüş yaptığı bölgelerde bulunur. Bunlar  ve b konformasyonları birleştiren bağlantı unsurlarıdır. Özellikle b konformasyonlarında ters b zincirlerinin uçlarının birleştiği b dönüşlerini içeren yapılar çok bulunmaktadır. Bu yapı 180 derecelik dört amino asit içeren bir dönüştür. Birinci ve dördüncü kalıntılar arasında H bağı oluşur. Birinci türde Prolin amino asidi yapıda yer alırken ikinci türde Glisin amino asidi yer almaktadır.  B DÖNÜŞLERI PROTEINLERDE YAYGIN OLARAK BULUNUR Gly ve Pro dönüşlerde çok bulunur. Gly küçük ve esnek yapıya sahiptir. Pro ise sıkı dönüşlerde gerekli olan cis konfigürasyonunu kolayca alan imino azotunu içeren peptit bağlarından dolayı bulunur. Prolin dışındaki amino asitlerin peptit bağlarının %99,95’ten fazlası trans konfigürasyonundadır. Prolin imino azotu içeren peptit bağlarının %6’sı cis konfigürasyonundadır. Bunların çoğu da b dönüşlerinde bulunur.  Amino asit dizisinin bilinmesi; Üç boyutlu yapısı Hücresel yerleşimi Evrimi hakkında bilgi sağlar Protein aileleri: %25’ten fazla benzerlik Evrimsel ilişkiler protein ailelerindeki yapısal ve işlevsel benzerliklerle anlaşılabilmektedir Amino ucundaki dizi (sinyal peptit dizisi) proteinin hücredeki yerleşimini belirler Bazı diziler karbonhidrat ve lipitlerle bağlanma için sinyal niteliğindedir  Protein ailesi üyelerine homolog proteinler denir. Aynı türde bulunuyorsa paralog, farklı türlerde yer alıyorsa ortolog adını alır. Evrimi takip etmek için homolog genlerdeki genetik değişiklikler izlenmektedir.