TIBBI BIYOLOJI Post-translasyonel Modifikasyonlar PDF

TIBBİ BİYOLOJİ Post-translasyonel Modifikasyonlar Prof. Dr. Fatma Filiz ARI Protein sentezi (protein translasyonu) fonksiyonel bir protein üretimi ile eş anlamlı değildir. Polipeptidler, fonksiyon gösterebilmesi (aktif hale gelebilmesi) için belirli üç boyutlu yapılara dön...

TIBBİ BİYOLOJİ Post-translasyonel Modifikasyonlar Prof. Dr. Fatma Filiz ARI Protein sentezi (protein translasyonu) fonksiyonel bir protein üretimi ile eş anlamlı değildir. Polipeptidler, fonksiyon gösterebilmesi (aktif hale gelebilmesi) için belirli üç boyutlu yapılara dönüşmek zorundadırlar. Bazen de birden fazla polipeptid zincirinin bir araya gelmesi ile fonksiyonel bir protein kompleksi oluşturmak üzere gerekir.  Birincil Yapı (primer yapı) Polipeptitteki aminoasitlerin linear dizilimi primer yapıyı verir. Amino asitler rastgele değil, genetik bilgiye dizildiği için her protein belirli sayıda amino asit içerir ve proteinin primer dizisi kendine özgüdür.  İkincil Yapı (sekonder yapı) Amino asitlerin R gruplarının etkisi göz önüne alınmadan, ana zincir atomlarının hidrojen bağı etkileşimleriyle oluşan konformasyondur. Burada ana zincir atomlarından kastedilen, iki amino asidin birbirine bağlandıkları karboksil ve amino gruplarının atomlarıdır. Ana zincirdeki oksijen atomlarında kısmi negatif, hidrojen atomlarında kısmi pozitif yük olduğu için, bu atomlar arasında oluşan hidrojen bağları, polipeptid zincirinde çeşitli tipte katlanmalara sebep olur.  Üçüncül Yapı (tersiyer yapı) Amino asitlerin R grupları arasındaki etkileşimler ekstra kıvrılma ve katlanmalarla tersiyer yapının oluşumunda rol oynar ve proteininin üç boyutlu yapısı ortaya çıkar. Protein katlanırken, hidrofobik R gruplarına sahip olan amino asitler, sulu ortamdan kaçıp proteinin merkezinde toplanır. Bu zincirler birbirine yaklaştığında, van der Waals etkileşimleri tarafından bir arada tutulurlar. Ayrıca hidrofilik R grupları arası hidrojen bağları ve yüklü R grupları arasındaki iyonik bağlar da üçüncül yapının kararlılığını etkiler. Bu etkileşimler dışında sistein amino asitlerinin birbirine yaklaşmasıyla oluşan disülfid kovalent bağları da bu yapıyı güçlendirir.  Dördüncül Yapı (kuarterner yapı) Bazı proteinler, işlevsel bir makromolekül oluşturabilmek için birden fazla polipeptit zinciri içerirler. Bu yapıda bulunan her bir polipeptit zincire alt birim denir. Bu alt birimler arasındaki etkileşimlerle bir araya gelen kompleks protein molekülü biyolojik fonksiyonunu gerçekleştirir. Hemoglobin dört alt birimden oluşan ve vücudumuzda oksijenin taşınmasından sorumlu bir moleküldür. Her zincir, bir hem grubu içerir ve bu hem grubu sayesinde oksijen hemoglobine tutunur. Hemoglobinin bir alt birimine oksijen bağlandığında, diğer hem gruplarına oksijen bağlanması daha da kolaylaşır. Protein denetürasyonu renatürasyonu Proteinlerin yapısal ve işlevsel özelliklerini kazanması için translasyon sonrası uğradığı değişimlere Post Traslasyonal Modifikasyonlar (PTM) denir. PTM Proteinlerdeki fonksiyonel grupları 20 amino asitin ötesinde çeşitlendirerek proteinin ya fonksiyonunu ya da lokalizasyonunu değiştirir. Diğer bir değişle DNA’da kodlanan belli sayıdaki proteinin fonksiyonel kapasite ve çeşitliliğini arttırır. PTM sonucunda Protein katlanmasında değişiklik yapılabilir. Proteinler yıkım için işaretlenebilir. Kromatinde transkripsiyonel bölgeler işaretlenebilir. Proteinlerin intra ve ekstrasellüler adresleri değiştirilebilir. Enzimler inaktif iken aktif formlarına çevrilebilir.  PTM’ların Hücresel Yerleşimleri Sitoplazmada: GER’da: Golgi’de: Başlangıç Met’in Sinyal peptid ayrılması N-glikozil gruplarının çıkarılması modifikasyonu Palmitoil ve glikozil- N-terminalde fosfatidilinozitol (GPI) O-glikozilasyon asetilasyon eklenmesi (proteinin Tirozinlerin O-glikozilasyon zara bağlanması için) sülfatlanması Palmitoil gruplarının Hidroksilasyon, Proteolitik işleme (pro- glikozilasyon hormon) eklenmesi Disülfid bağı oluşumu (tersiyer-kuarterner yapı) Glikolizasyon Hemen hemen bütün hücre yüzey proteinleri (örneğin kan grubu antijenleri), mukoz zarları kaplayan kayganlaştırıcı proteoglikanlar ve salgılanan proteinler glikozillenmiş durumdadır Amino asit ile şeker grubu arasında bağın tipine göre iki farklı glikozilasyon vardır: N-glikozilasyon genellikle Asn üzerinden kotranslasyonel olarak yapılır. (N-linked oligosakkaridler) O-glikozilasyon genellikle Ser ve Thr’in -OH grupları üzerinden ve başlıca Golgi’de posttranslasyonel olarak gerçekleşir. (O-linked oligosakkaridler) Ökaryotta proteinlerin sentezleri devam ederken endoplazmik retikulumda glikozillenmeleri de başlar. Glikozilasyonun önemi en iyi şekilde proteinlerin anormal glikozilasyonu ile karakterize hastalıklarda anlaşılabilir. Konjenital muskuler distrofi olarak bilinen hastalığın en belirgin özelliklerinden biri, kas hücrelerinin ekstrasellüler matriks ile bağlantısının azalması ya da yok olmasıdır. α-distrofin adlı proteinde glikozilasyonun olmaması ya da eksikliği bu proteinin ekstrasellüler matrikste bulunan lamin proteinine bağlanmasını bozar. Glikozilasyon ayrıca antijen tanınması, enfeksiyon ve immünitede önemli rol alır. Glikozile olmuş hücre yüzey proteinleri enfeksiyonlara karşı bariyer görevi görür Organ boşluklarında salgılanan mukus glikoproteinlerce zengin olup örneğin barsak epitel hücrelerini kimyasal, biyolojik ve fiziksel etkenlerden korur Glikozilasyonun lizozomal proteinlerin görev yerlerine taşınmasında da rol oynadığı bilinmektedir. Eğer bir protein lizozomda görevli ise o protein genellikle N-bağlı glikozillenmiştir ve oligosakkarit zinciri mutlaka mannoz içerir.  Prenilasyon (İzoprenil grupları eklenmesi) Genellikle C-terminali yakınındaki sisteinlerin kükürt atomuna izoprenoid lipidler (farnesil ve geranil) eklenir. Prenillenmiş proteinlere örnek olarak ras onkogeni ve görmede görev yapan transdusin ve G-proteinleri verilebilir. Bu izoprenil grupları molekülü zara gönderip, orada yerleşmesini sağlar.  Yağ asidi eklenmesi (Açilasyon) Açilasyon, N veya C-terminalinde olabilir. En sık miristik asit ile palmitoik asit eklenir. Genellikle Plazma zarının sitozolik yüzü ile ilişkili olan ökaryot proteinleri (intrensek zar proteinleri) bu yolla modifiye edilir. Bu ekleme proteini zara yönlendirir.  Son olarak, oligosakkaridlere bağlı lipidler (glikolipidler), bazı proteinlerin C-ucu karboksil grubuna eklenerek, bu proteinlerin plazma zarının dış yüzüne yerleşmeleri sağlanır. Bu proteinlere takılı olan glikolipidler, fosfotidilinositol içerdikleri için, genellikle glikozilfosfotidilinositol veya GPI çıpası olarak adlandırılırlar  Hidroksilasyo n Kollajendeki Pro ve Lys amino asitlerinin hidroksilasyonu, prolil ve lizil hidroksilaz tarafından yapılır. Hidroksilaz enzimleri koenzim olarak C vitamini kullanılır. Bunu takiben gerçekleşecek olan glikozilasyon ve tropokollajen zincirlerinin birbirlerine sarılması ve kollajen lifçiği oluşturulması için gerekli bir modifikasyondur. Hidroksillenme yapıyı stabilize eder. C vitamini eksikliğinde (skorbüt hastalığı); kollajen sentezi bozulur; gingival, intramüsküler vb. kanamalar görülebilir. Fosforilasyon En sık görülen modifikasyondur. Bir proteinin biyolojik aktivitesini değiştirmek için yapılır, bu yüzden geçicidir. Genellikle Ser, Thr, Tyr ve Cys –OH / -SH grupları ATP kullanılarak kinaz enzimleriyle fosforlanır: ATP + protein fosfoprotein + ADP Fosforilazlar ile defosforile edilir. En tipik örnek metabolik enzimlerdir: ör. Karaciğerdeki glikojen sentaz ve glikojen fosforilazın fosforlanması. Fosforilasyon Fosforilasyon ile açma-kapama  Asetilasyon Histon proteinlerinde Lys amino asitlerine Histon asetiltransferaz enzimleriyle asetil grubu eklendiğinde histonların pozitif yükü nötralize edildiğinden negatif yüklü DNA ile etkileşimleri bozulur ve bu durum DNA gevşemesine neden olur. Bu modifikasyon DNA’nın replikasyonu ve genlerin transkripsiyonel aktivasyonunu sağlar.  Karboksilasyon Pıhtılaşma faktörleri, ör: protrombinin N- terminalindeki Glu aminoasitlerinin karboksilasyonu, K vitamini koenzim olarak kullanılarak yapılır. ++ Bu –COO grupları Ca ile bağlanmayı sağlar. Karboksilasyon ile -karboksiglutamat oluşur Koenzim (prostetik grup) bağlanması Enzimlerin inaktif apo formları, aktif holo formlarına çevrilir. Enzim proteini ribozomdan çıktıktan sonra bağlanma olur. Ör: yağ asidi sentaz enzimine fosfopantetein, karboksilazlara biotin, piruvat dehidrogenaza lipoik asit eklenmesi.  Proteolitik İşleme Birçok protein translasyondan sonra proteolize uğrar. Bunun en basit örneği başlatıcı Met’in çıkarılmasıdır. Ökaryotlarda hücresel organellere taşınacak ya da hücre dışına salınacak proteinlerin sinyal sekansları da kesilerek çıkartılır. Pek çok protein belli fizyolojik koşullarda aktiflenmek üzere inaktif olarak üretilir. Sekresyon sonrasında proteolize uğrayarak aktiflenen inaktif öncü proteinlere proprotein denir. Ör: pankreatik sindirim enzimleri (zimojenler). Preproprotein denilen bazı proteinler de hem sekresyon öncesi hem de sonrasında iki kez proteolize uğrar, ilk ayrılan pre kısmına sinyal dizi de denir, ör: hormonlar (insülin).  Preproinsülin ER’a girdikten sonra salgı sinyal dizisi kesilir, ana yapıda bulunan disülfit bağları oluşur Golgi salgı kesesi içinde bulunan proteazlar ile C peptidi kesilirek aktif insülin oluşur  Şaperonlar ve Protein Katlanması Hücre dışı ortamda denatüre RNaz‘ın kendiliğinden aktif konformasyonunu alabildiğini gösteren deneyler sonucunda bilim dünyasında tüm proteinlerin kendi kendiliğine katlandığı fikri ortaya çıkmıştır. Fakat daha sonra yapılan çalışmalar kendiliğinden bir araya gelmenin hücre içindeki protein katlanması için yeterli olmadığını göstermiştir. Proteinlerin hücre içindeki doğru katlanmasının başka proteinlerin aktiviteleri aracılığı ile gerçekleştiği anlaşılmıştır. Diğer proteinlerin katlanmasını kolaylaştıran proteinler moleküler şaperonlar olarak adlandırılırlar.  Şaperonların yokluğunda, katlanmamış veya kısmen katlanmış polipeptid zincirleri, genellikle hatalı katlanarak veya çözünmeyen birikimler oluşturarak kararsız hal alır ve yıkılırlar. Katlanmamış polipeptidlere şaperonlar bağlanarak onları stabilize eder, böylece, hatalı katlanmayı veya kümelenmeyi engelleyerek polipeptidlerin doğru konformasyona katlanmasına olanak sağlarlar. Şaperonların, ribozom üzerinde sentezlenmekte olan yeni polipeptid zincirine bağlanarak hatalı katlanmayı ya da sentez bitmeden polipeptidin amino ucunun kıvrılmasını önlemesi güzel bir örnek oluşturur. Şaperonlar aynı zamanda katlanmamış polipeptid zincirlerinin organellere taşınması sırasında da (örneğin; proteinlerin sitozolden mitokondriye taşınmasında olduğu gibi) kararlı halde tutarlar. Ubikitin bağlanması Kendisi de 76 aa’lik küçük bir protein olan ubikitin, hedefteki proteinin Lys yan zincirlerine bağlanır. Ubikitinlenmiş protein, proteazomlar tarafından tanınarak proteolitik yıkıma gider. RER’da şaperonlara bağlı olarak bekletilen hatalı katlanmış veya katlanamamış proteinler ile ömrü dolmuş proteinler, ubikitin-proteazom sisteminde yıkılırlar. https://www.drawittoknowit.com/course/biochemistry/glossary/biochemical-pathway/post-translational-modifications