Ders 2 Moleküler biyofizik-makromoleküller PDF

BMM 203 Biyofizik Prof.Dr. Emel Alğın Moleküler Biyofizikte Temel Kavramlar Canlıların atomik ve moleküler içeriği Biyolojik türlerin ve bireylerin olağanüstü çeşitliliğine rağmen biyolojik moleküller ve biyokimyasal reaksiyonlar o kadar çeşitli değildir. Tüm canlılarda biyomolekül...

BMM 203 Biyofizik Prof.Dr. Emel Alğın Moleküler Biyofizikte Temel Kavramlar Canlıların atomik ve moleküler içeriği Biyolojik türlerin ve bireylerin olağanüstü çeşitliliğine rağmen biyolojik moleküller ve biyokimyasal reaksiyonlar o kadar çeşitli değildir. Tüm canlılarda biyomoleküler yapılar ve reaksiyonlar hemen hemen aynıdır. Çok karmaşık görünen biyolojik makromoleküller de Schrödinger’in deyimiyle birer aperiyodik kristalden başka bir şey değildir. Örn: Tüm proteinler 20 kadar aminoasitin farklı şekil ve sayıda sıralanmasından oluşmuştur. Canlı hücrelerin yapı ve işlevlerinin ana programı nükleik asitlerce (DNA ve RNA) belirlenir. Ör. Protein sentezinin programı nükleik asitlerde kodlanmış olarak bulunur. Proteinler ise uygulayıcı biyomoleküllerdir. Vücudun bileşenleri Vücudun atom bileşenleri Vücudun moleküler bileşenleri 60.0% hidrojen 80% su 25.7% oksijen 15% protein 10.7% karbon 2% yağlar (lipid) 2.4% azot 1% karbonhidratlar 0.2% kalsiyum 1% nükleik asit 0.1% fosfor 1% diğer 0.1% kükürt 0.8% eser elementler (Na, K, Cl, Mg) 0.01% eser elementler (Fe, Zn, Cu, Co, Se, F, I, Mn, Kr, Mo, Sn, Si, V) Canlı hücrelerde yaygın bulunan elementler Biyolojik moleküller genellikle hafif elementlerin atomlarından oluşur: CHNOPS: Carbon, Hydrogen, Nitrogen, Oxygen, Phosphorus, and Sulfur Ya da: Karbon, Hidrojen, Azot, Oksijen, Fosfor ve Kükürt. CHNOPS (telaffuz: çinops), çoğu canlıda bulunan atomların %98’ini oluşturur. Biyolojik moleküller oldukça özgün yapıya, bileşime ve fonksiyona sahiptir. İki molekülün yapıları arasında çok küçük bir farklılık, işlevleri arasında çok büyük bir farklılığa neden olabilir. Biyolojik makromoleküller Atom: bir elementin en küçük birimi (C, N, H, …) Molekül: bir bileşiğin en küçük birimi (H2O, CO2, C6H6, …) Makromolekül: büyük bir molekül En küçük molekül: H2 En büyük molekül: DNA (milyarlarca atom) Biyolojik makromolekül: belirli biyolojik fonksiyonları olan büyük ve karmaşık moleküldür. Dört temel biyolojik makromolekül vardır: Proteinler Nükleik asitler polimer yapıdadır. Karbonhidratlar Lipitler Polimerler (poli: çok, mer: tekrarlanan birim) Polimeri oluşturan her bir küçük moleküle monomer denir. Çok sayıda monomerin birbirine bağlanarak oluşturdukları çok büyük moleküllere polimer denir. Polimerlerin adlandırılması genellikle makromoleküldeki tekrarlanan monomerlerin adının başına “poli” sözcüğü ilave etmekle olur. propilen => polipropilen, etilen => polietilen, stiren => polistiren … Polimerler (poli: çok, mer: tekrarlanan birim) Biyopolimerler, canlı organizma tarafından üretilir. DNA, RNA’da monomerler nükleotidlerdir. Proteinlerde monomerler aminoasitlerdir. Polisakkaritlerde (kompleks karbonhidratlar) monomerler monosakkaritlerdir (basit şekerler). Makromoleküller A: DNA (B formunda) B: Protein (hemoglobin) C: Lipit molekülü (fosfatidilkolin) D. Dallanmış kompleks karbonhidrat Makromoleküller ve temel rolleri Makromolekül Temel rolleri Karbonhidratlar Enerji depolama Yapısal malzeme Hücre-hücre tanıması (reseptörler) Nükleik asitlerin bileşenleri ve bazı koenzimler Lipitler Membran yapısı Enerji depolama Yalıtım ve koruma Proteinler Biyokimyasal reaksiyonların katalizi (hızlandırılması): Biyokimyasal reaksiyonları katalize eden proteinlere enzimler denir. Biyofiziksel süreçlerin kontrolü veya düzenlenmesi Koruma-bağışıklık Diğer moleküllerin zarlar boyunca ve vücuda taşınması Nükleik asitler için yapısal koruma Kas kasılması (aktin ve miyozin proteinleri) ve hücre içi hareket Nükleik asitler Genetik bilginin saklanması Genetik bilginin replikasyonu (bir sonraki nesle aktarılması) Genetik bilginin ifadesi Protein üretimi Makromoleküllerin polimer yapısı: DNA ve RNA molekülleri: nükleik asitlerden yapılmıştır. Proteinler, amino asitlerden yapılmıştır.  Nükleotidler ve DNA Her bir DNA molekülü dört nükleotitten oluşan polimerlerdir: A, T, G, C A: Adenin T: Timin G: Guanin C: Sitozin DNA modelleri:  Aminoasitler → Proteinler Aminoasitler organik bileşiklerdir. Doğada 500’ten fazla aminoasit vardır. Vücudumuzdaki proteinlerde 20 çeşit aminoasit monomeri bulunur. Aminoasitlerin en az 50 tanesinin peptit bağları ile oluşturduğu sisteme protein denir. Kısaca: Protein zinciri 20 harfli bir alfabe ile yazılmış bir metin gibidir. Aminoasitler → Proteinler Amino asitlerin yapısında bir karbon atomunun dört valansına dört farklı grup bağlanmıştır: karboksil grubu (ꟷCOOH), amino grubu (ꟷNH2), hidrojen (ꟷH) R grubu Bu gruplardan üçü (ꟷCOOH, ꟷNH2 ve ꟷH) değişmez. R grubu ise değişerek çeşitli amino asitlerin türemesini sağlar. R grubuna amino asidin yan zinciri denir. R molekül grubunun farklılığına göre genetik kodda 20 çeşit aminoasit vardır. Aminoasitler → Proteinler Amino asitler amfoter maddelerdir, ortam pH değerine göre pozitif veya negatif net yüke sahip olabilirler. Sulu ortamlarda amino ve karboksil grubu iyonlaşmış olarak bulunur. R yan zincirlerin karakteristiklerine göre amino asitler: Polar olmayan (H bağı yapmayan) yan zincire, Polar (H bağı yapabilen) yan zincire, Elektrikle yüklü (iyonik) yan zincire sahip olabilir.  Proteinlerde bulunan en yaygın kimyasal gruplar: Physical Biology of cell Garland Science 2009 CHNOPS kısaltması: hücrelerde en yaygın olarak bulunan elementler (Tüm atomların %98’ini oluşturur.) İki aminoasit bir peptit bağ ile birleşebilir: + 𝐻2 𝑂 Amino asit 1 Amino asit 2 Peptit bağ Su  İki aminoasit bir peptit bağ ile birleşebilir: Polipeptitin ana iskeletini (CO ꟷ NH) tekrarlanan birimi oluşturur. Moleküllerde atomik gruplar bir bağ etrafında dönebilirler. Ancak peptit birimindeki C ꟷ N bağı kısmen çift bağ karakteri gösterir, bu bağ etrafında dönmeler kısıtlıdır. Bu yüzden peptit bağı kısmen düzlemseldir. Diğer C ꟷ C ve N ꟷ C bağları etrafında dönmeler mümkündür ve proteinlerin 3 boyutlu yapısında önemli rol oynarlar.  Proteinlerin yapı ve konformasyonu Birincil yapı: İkincil yapı: Üçüncül yapı: Dördüncül yapı: Amino asitler bir Amino asit Alfa heliksleri ve Birden fazla sıralarının beta tabakaları zincir şeklinde arasındaki çekim amino asit hidrojen bağı ile zincirinden sıralanmışlardır. bağlanması ve kuvvetleri sonucu katlanması ile oluşan proteinin üç oluşan bir oluşur. boyutlu proteindir. konformasyonudur. Proteinlerin ikincil yapısı: alfa heliks Amino asit sıralarının hidrojen bağı ile bağlanması ve katlanması ile oluşur. Peptit bağları arasındaki etkileşimden kaynaklanır. DNA, alfa helikstir. Hatırla: Proteinlerin ikincil yapısı: beta katlı tabaka Örümcek ağının yapısı beta katlı tabakadır. Protein yapısında bulunan çok sayıda H bağı, örümcek ağını çelikten daha güçlü yapar. Copyright © 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 5.21 Proteinlerin üçüncül yapısı R grupları arasındaki etkileşmeler neden olur: Polar ve/veya yüklü bölgeler arasındaki hidrojen bağları, Yüklü R grupları arasındaki iyonik bağlar, Hidrofobik R grupları arasındaki hidrofobik etkileşimler, Molekülün parçaları arasında güçlü, kararlı bağlar oluşturan disülfit köprüleri (S – S). Proteinlerin dördüncül yapısı İki ya da daha fazla polipeptit zincirden oluşan büyük makromoleküllerdir. Zincir sayısı 2 ile 12 arasında değişir (yaygın olan 2, 3 ve 4). Zincirler birbirleriyle elektrostatik çekimler, hidrojen bağları ve hidrofobik etkileşimler yoluyla kovalent olmayan bir şekilde etkileşime girer. Örnek: Hemoglobin, kolajen. Proteinlerin dördüncül yapısı Örnek: Hemoglobin yapısı, 4 polipeptit zincire sahiptir: İki alfa ve iki beta zinciri Proteinlerin dördüncül yapısı Örnek: Kolajen: Üçlü sarmal yapılı proteindir. Vücuttaki en fazla bulunan proteindir. Tendonların ve bağların yapısını korur, saçın, derinin ve tırnakların güzel görünmesini sağlar. Cilde dayanıklılık, sıkılık ve esneklik kazandır. Proteinlerin karmaşıklığı Yalnızca 20 farklı amino asitten oluşmasına rağmen proteinler nasıl bu kadar çok işlevsel çeşitliğe sahip olabilir? Cevap, birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapının karmaşıklığında yatmaktadır. Vücutta 20.000'den fazla farklı protein vardır. Şekil: https://www.ptglab.com/ Protein modelleri: Proteinler Proteinler moleküler şekillerine göre de sınıflandırılırlar: Lifsel proteinler ve küresel proteinler. Lifsel proteinler: Canlının yapısı ile ilgilidir. Hücre şeklinin korunmasına yardımcı olur. Suda çözünmezler. Şekilleri uzun ve incedir. Örnek: Keratin, kolajen, elastin, fibrin Küresel proteinler: Dinamik işlevsel özelliklere sahiptir. Vücutta belirli bir biyolojik işlevi yerine getirirler. Suda kolay çözünürler. İşlevlerini sulu ortamda yerine getirirler. Şekilleri küreseldir. Örnek: Hemoglobin, miyoglobin, insülin, enzim Konformasyonel geçişler Konformasyonel geçiş, şekil değişikliğinin havalı bir söyleme şeklidir. Konformasyonel kavramı her ne kadar yapı ve şekil kavramını tarif etse de, biyofizik çerçevesinde bir moleküldeki atomların üç boyutlu düzenlenmesi olarak şekil anlamına gelir. Biyomoleküller işlevlerinin bir parçası olarak sık sık üç boyutlu yapılarını değiştirirler. Genetik şifrenin okunması veya DNA'nın bir sonraki nesil için replikasyonu için DNA çift sarmalının geçici olarak gevşemesi gerekir. Konformasyonel değişimleri ölçmek için çok sayıda teknik kullanılmaktadır. Çeşitli konformasyonlar ile bunların biyolojik fonksiyonları arasındaki ilişkiler, bu geçişler sırasındaki enerji ölçümleri yapılır. Proteinler Proteinler canlılarda hemen her süreçte yer alırlar: ✓Büyüme ve erginlik dönemlerinde yeni dokuların yapılmasında ✓Yıpranan dokuların onarılması ✓Enzimlerin ve hormonların yapımında ✓Sinirsel uyarıların iletiminde ✓Canlıya destek olma ve hareket olanağı sağlamada ✓Vücudun bağışıklık sisteminde ✓Oksijen ve diğer maddelerin vasküler yolla taşınmasında ✓Kanın pıhtılaşmasında ✓Su ve elektrolit dengesinin korunmasında doğrudan ya da dolaylı olarak görevleri vardır. Proteinler https://www.youtube.com/watch?v=piXHivrTT-E https://www.youtube.com/watch?v=wvTv8TqWC48 Karbonhidratlar Karbonhidratlar karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan moleküllerdir. Dünya üzerinde en bol bulunan biyomoleküllerdir. Karbonhidratlar enerji depolama (besin) için kullanılır. Biyokimyada karbonhidratlar sakkaritler olarak da adlandırılır (yaygın olarak şekerler). Tüm karbonhidratların en basiti monosakkaritlerdir, basit, tek birimli karbonhidratlar. Bir monosakkaritin kimyasal formülü: CnH2nOn Genellikle n= 3 – 8 Lipitler Lipit ve fosfolipitler, hücre zarlarının temel yapısını oluşturarak zarın önemli işlevlerinde rol alırlar. Zar lipitleri genellikle heterojen bir karışımdır: Polar bir baş (hidrofilik) ve Polar olmayan iki kuyruktan (hidrofobik) oluşur. Polar başın yüklü olması, su ile kolaylıkla etkileşime girmesini sağlar. Hücre membranı (zarı) bir lipit çift tabakasıdır. Hidrofilik baş Lipit molekülü Hidrofobik kuyruk Lipit zar modelleri: