PROTEİN KATLANMASI VE İŞLENMESİ 2019-2020 PDF

PROTEİN KATLANMASI VE İŞLENMESİ (PROTEIN FOLDING AND PROCESSING)  Polipeptidlerin ribozomlarda sentezlendikten sonra kullanılabilir bir protein haline gelebilmeleri için son üç boyutlu konformasyonuna katlanmaları (folding) ve birçok durumda da fonksiyonel kompleksi...

PROTEİN KATLANMASI VE İŞLENMESİ (PROTEIN FOLDING AND PROCESSING)  Polipeptidlerin ribozomlarda sentezlendikten sonra kullanılabilir bir protein haline gelebilmeleri için son üç boyutlu konformasyonuna katlanmaları (folding) ve birçok durumda da fonksiyonel kompleksi oluşturmak üzere polipeptid zincirlerinin bir araya gelmeleri gerekmektedir.  Katlanmaya ek olarak, birçok proteinin hücre içinde doğru yerleşimi ve fonksiyonel bir protein haline gelebilmesi için bunlara karbohidratların ve lipidlerin bağlanması da dahil olmak üzere daha ileri değişimlere uğraması gerekmektedir.  Proteinlerin üç boyutlu yapıları, amino asitlerin yan grupları arasındaki etkileşimlerin sonucudur. Bununla birlikte, proteinlerin doğru üç boyutlu yapıya katlanmaları şaperonlar (chaperons) adı verilen diğer hücre içi proteinlerin aktivitesini de gerektirmektedir.  Şaperonlar ve Protein Katlanması Proteinlerin görevlerini yerine getirebilmeleri için öncelikle katlanmaları gerekir. Bu işlemde, kendileri de protein yapıda olan şaperonlar; -proteinlerin yanlış katlanmasını engeller, -yanlış katlanmış proteinlerin hücre içinde birikmesini önler.  Mutasyonlar veya çevresel stres proteinlerde hasara neden olur. Eğer yanlış katlanmış veya hasar görmüş proteinler hücrede belli bir kritik noktanın üstünde birikirse Parkinson ve Alzheimer gibi sinir hücrelerinin tahrip olmasıyla sonuçlanan nörodejeneratif hastalıklar ortaya çıkar.  Proteinlerin katlanmış konformasyonları sadece amino asit dizileri tarafından sağlanır. Şaperonlar; -polipeptid zincirlerinin kendiliğinden bir araya gelme sürecinde katlanmayı katalize ederler, -katlanmaya giden yolda katlanmamış ya da kısmen katlanmış polipeptidlere bağlanarak ve onların kararlılıklarını sağlayarak işlev görürler. Şaperonların yokluğunda, katlanmamış veya kısmen katlanmış polipeptid zincirleri genellikle hatalı katlanarak veya çözünmeyen birikimler oluşturarak kararsız hal alır ve yıkılırlar. Şaperonlar katlanmamış polipeptidlere bağlanarak onları stabilize eder, böylece hatalı katlanmayı veya kümelenmeyi (aggregation) engelleyerek polipeptidlerin doğru konformasyona katlanmasına imkan sağlarlar.  Şaperonların, ribozom üzerinde sentezlenmekte olan polipeptid zincirine bağlanarak hatalı katlanmayı ya da sentez bitmeden polipeptidin ucunun kıvrılmasını önlemesi buna güzel bir örnektir.  Proteinler 50 ila 300 amino asitlik bölümler halinde katlanırlar. Şaperonlar, sentezlenmeye başlayan polipeptidin ilk sentezlenen kısmı olan amino ucuna bağlanır ve polipeptidin geri kalan kısmı sentezlenip doğru katlanma tamamlanıncaya kadar onu stabilize eder. Şaperonlar aynı zamanda katlanmamış polipeptid zincirlerinin organellere taşınması sırasında da bu polipeptid zincirlerini kararlı halde tutarlar. Örneğin, sitoplazmadan mitokondriye taşınacak olan kısmen katlanmış bir polipeptid sitoplazmadan mitokondriye aktarılır. Sitoplazma şaperonları polipeptidi kısmen katlayarak katlanmamış yapının korunmasını sağlar. Polipeptid zinciri mitokondri içine alındıktan sonra mitokondri şaperonları zincirin organel içerisinde tam olarak katlanmasını kolaylaştırır.  Ökaryot ve prokaryot hücreler ani ısı artışına maruz kaldıklarında hücrede ısı şoku proteinleri [Heat Shock Proteins (HSP)] olarak adlandırılan proteinler sentezlenir. Bu proteinlere, sadece ısı şokuna karşı değil hücreye yönelik değişik saldırılara cevap olarak üretimlerinin hızlandığı gösterildiğinden "Stress Proteinleri" adı da verilir.  Günümüzde moleküler şaperon olarak işlev gören proteinlerin bir çoğu, önceleri ısı şok proteinleri olarak tanımlanan ısı, soğuk ve oksijen azlığı gibi çevresel faktörlerle uyarılan proteinlerdir. HSP’ler yüksek sıcaklıkla karşılaşma sonucu kısmen denatüre olmuş proteinleri korur ve tekrar katlanmalarını kolaylaştırırlar.  Bununla birlikte, HSP’ler hücrelerde normal çoğalma koşullarında da sentezlenirler ve temel hücresel fonksiyona sahiptirler. Normal şartlar altında da polipeptidlerin katlanması ve transportu için gereklidirler. HSP60 ve HSP70 proteinleri, hücrelerde genel protein katlanma yolaklarında özellikle önemlidirler. Bu proteinler, polipeptid zincirlerinin katlanmamış bölgelerine bağlanarak iş görürler.  HSP70; -polipeptidlerin endoplazmik retikulum ve mitokondri gibi çeşitli organellere taşınmasında, -translasyon (protein sentezi) sırasında polipeptidlere bağlanarak ve onları stabilize ederek görev yapar. HSP70, katlanmamış polipeptidlere bağlanarak onları kararlı halde tutar ve böylece hücre içinde birikmelerini önler. HSP60; -Şaperonin olarak ta adlandırılır. -Proteinlerin kendilerine özgü yapılarına katlanmalarını daha da kolaylaştırır. Birbirinin üzerine oturmuş iki halkalı bir silindirik yapı halindedir. Katlanmamış polipeptid zincirleri şaperonin silindirlerinin merkezindeki boşluğa bağlanarak sitoplazmadaki enzimlerin sindirici etkisinden korunurlar. Polipeptid zincirlerinin katlanmamış bölgelerinin kümelenmesi şaperoninlere bağlanarak engellenir ve bu izole ortamda protein katlanması devam edebilir.  Bazen, HSP70 ve HSP60 şaperonları polipeptid zincirlerinin katlanması için birlikte (ardışık olarak) çalışırlar. Burada HSP70, polipeptid sentezi sırasında, katlanmamış polipeptid zincirine bağlanır ve sentez tamamlanıncaya kadar onu stabilize eder. Daha sonra katlanmamış polipeptid, HSP60’a aktarılarak orada üç boyutlu yapısına, doğru bir şekilde katlanır. Bu süreç ATP bağımlıdır. Huntington hastalığı, otozomal dominant geçişli nörodejeneratif bir hastalıktır ve genellikle yetişkinlikte ortaya çıkarak istem dışı anormal davranışlara ve psikiyatrik semptomlara neden olur. Huntington hastalığında, mutasyon sonucu oluşan huntingtin proteininde çok sayıda poliglutamin tekrarları vardır. Poliglutamin tekrarlarına bağlı olarak oluşan hatalı proteinler hücre içinde birikerek ER stresinin artmasına yol açar. Bir başka örnek, prion proteinlerin neden olduğu hastalıklardır. Hastalık, hatalı katlanmış prion adlı proteinlerin sinir hücrelerinde çok büyük protein kitleleri halinde birikmesi sonucunda ortaya çıkmaktadır. Bu hastalıkta sinir hücrelerindeki endoplazmik retikulumlar büyüyen protein kitlelerini yok edemediği için sinir hücreleri apoptozise (hüce ölümü) girmektedirler. Prion hastalıkları, canlılar arasında bulaş gösterebilen bir mikroorganizma gibi davranan, prion adı verilen protein parçacıklarının neden olduğu bir grup insan ve hayvan hastalığıdır. Temel patoloji nörodejenerasyondur. Bulaşabilen spongioform (süngerimsi) ansefalopatiler olarak da adlandırılan bu hastalık grubu, sinir dokusunda uzun süreli bir inkübasyon süresinden sonra ortaya çıkan spongioform değişiklikler, nöronal kayıp ve gliozise (glial hücre artışı) neden olurlar. Ortak klinik hızlı ilerleyici demans, hareket bozuklukları, nöbetler ve hızla ölüme giden bir süreçtir. Özkan S. Prion hastalıkları. Turkiye Klinikleri J Neurol-Special Topics. 2016;9(1):63-6  Prionların enfektivitesi, prion proteini (PrP) tarafından oluşturulan amiloid proteinlerine dayanır. PrP normal helikal formunda (PrP-c) eksprese olur. Enfeksiyöz form ise PrP’nin hatalı katlanmış PrP-Sc olarak tanımlanan amiloid halidir. Prp-Sc, PrP-c’nin hatalı katlanmasını tetikleyerek amiloid PrP-Sc birikimini uyarmaktadır. Böylece Prp-Sc, hücreleri enfekte edebilir ve enfeksiyöz partikül içinde nükleik asite gerek duymaksızın replike olur.  Şekil: Prion çoğalması Prion protein Prp-Sc, doğal olarak bulunan PrP-c’nin yanlış katlanmasını uyararak onun amiloid PrP-Sc’ye dönüşmesini uyarır. Büyüyen amiloid fiberleri fragmanlarına ayrışarak yeni PrP-Sc partiküllerini oluşturur.  Enzimler ve Protein Katlanması Hücreler, protein katlanmasını katalizleyen en az iki tip enzime sahiptirler. Birçok proteinin katlanmış yapısının kararlı hale gelmesinde, proteinin yapısında bulunan sistein amino asitleri arasındaki disülfid bağı oluşumu oldukça önemlidir.  Bu enzimlerden birisi protein disülfit izomeraz enzimidir. Bu enzim, proteinin yapısına giren sistein amino asitleri arasındaki disülfit bağlarının yıkımını ve tekrar oluşumunu katalize ederek proteinin kararlı hale gelmesini sağlar.  Protein katlanmasında görevli diğer bir enzim ise peptidil prolil izomeraz enzimi olup, prolin amino asitleri arasındaki izomerizasyonu katalizler.  Protein Kesimi (Proteoliz) Birçok proteinin olgunlaşmasında polipeptid zincirinin kesilmesi önemli bir aşamadır. Örneğin, ribozomda sentezlenmeye başlayan polipeptidin amino ucundaki başlatıcı metiyonin, proteoliz sonucu uzaklaştırılmaktadır. Ribozomlarda sentezlendikten sonra, mitokondri ve endoplazmik retikulum gibi hücre organellerine gidecek proteinlerin amino uçlarında ortalama yirmi amino asit uzunluğunda bir sinyal dizisi bulunmaktadır.  Proteinin amino ucundaki bu sinyal dizileri, ribozomlarda sentez devam ederken proteinleri hücre içi organellere hedefler. Örneğin, sentezlendikten sonra hücre dışına salgılanacak olan proteinler, henüz sentez aşamasındayken sinyal dizileri sayesinde endoplazmik retikuluma hedeflenerek, endoplazmik retikulumun zar kanallarına girerler.  Polipeptid zincirinin kalan kısmı sentez ilerledikçe zar kanalından geçer. Polipeptid zinciri endoplazmik retikulumun lümenine girdikten sonra bu amino ucu sinyal dizileri, endoplazmik retikulum zarında bulunan sinyal peptidaz enzimiyle kesilir ve olgun protein şeklinde endoplazmik retikulum lümeninde serbest kalır.  Proteolitik kesime diğer bir önemli örnek ise aktif enzim veya hormonların büyük öncüllerden kesimle oluşmalarıdır. Buna örnek olarak insülin hormonu verilebilir. Başlangıç öncülü olan preproinsülin, sinyal dizisi sayesinde endoplazmik retikuluma hedeflenir. Endoplazmik retikuluma transfer sırasında sinyal dizileri kesilerek uzaklaştırılır. Endoplazmik retikulumun lümeninde, A ve B polipeptid zincirleri disülfit bağları ile bağlanarak proinsülin ikinci öncülü oluşur. Bu öncül daha sonra aradaki birleştirici peptidin uzaklaştırılması ile fonksiyonel insüline çevrilir.  Bunlara ek olarak, birçok viral protein de büyük öncüllerden proteolitik kesimle oluşmaktadır. Proteoliz işlemi virüs çoğalmasında oldukça önemlidir. Örneğin, HIV (Human Immunodeficiency Virus)’nin çoğalmasında, virüs tarafından kodlanan HIV proteaz enzimi virüsün yapısal proteinlerini oluşturmak üzere öncül polipeptidi keser.  Virüs çoğalmasındaki temel rolü nedeniyle, HIV proteaz enzimi AIDS hastalığının tedavisinde kullanılmak üzere ilaç geliştirilmesinde önemli bir hedeftir. Günümüzde bu proteaz inhibitörleri AIDS ile savaşta elimizde bulunan ilaçlar içinde en etkin olanlardan birisidir.  Proteinlerin Glikozillenmesi Glikozillenme, bazı proteinlere karbohidrat gruplarının eklenmesidir. Karbohidrat gruplarının eklendiği proteinlere glikoproteinler adı verilmekte olup, bunlar daha çok salgılarda ve hücre yüzeyinde yer alırlar.  Glikoproteinlerin karbohidrat kısımları; -endoplazmik retikulumda protein katlanmasında, -proteinlerin uygun hücre içi bölgelere yönlenmesinde ve -hücre-hücre etkileşim bölgelerinin tanınmasında önemli rol oynarlar. Bu proteinler genellikle sentezleri devam ederken endoplazmik retikuluma transfer olurlar ve organel içerisinde bunlara karbohidrat grupları eklenir.  Bu şekilde glikozillenen proteinler, endoplazmik retikulumdan çıkarak Golgi aygıtına geçerler. Golgi’de iyice olgunlaştıktan sonra, ya salgı proteinleri şeklinde hücre dışına salınırlar ya da hücre zarının yapısına katılırlar.  Proteinlere Lipid Eklenmesi Bazı proteinler polipeptid zincirine lipid eklenmesi ile modifiye olurlar. Bu tür proteinlere lipoproteinler denir. Lipidler hidrofobik olduklarından dolayı hücre zarıyla etkileşebildikleri için, lipid bağlanması proteinleri hücre zarına yönlendirir ve zarda yerleşimini sağlar. Plazma zarının sitozolik yüzünde yer alan proteinlerde N-miristillenme, prenillenme ve palmitoillenme olmak üzere üç genel tipte lipid bağlanması yaygındır. Dördüncü modifikasyon ise glikolipidlerin bağlanması olup, bunlar hücre yüzey proteinlerini plazma zarının dışa bakan yüzüne yerleştirmede rol oynarlar.  N-miristillenmede, translasyon esnasında polipeptid zincirinin ucuna bir yağ asidi takılır. Bu işlemde 14 karbonlu miristik asit, bir glisin rezidüsünün ucuna takılmaktadır. Yağ asidi eklenmeden önce başlatıcı metionin proteolitik kesimle uzaklaştırıldıktan sonra, genellikle polipeptid zincirinin ikinci amino asidi olarak bulunan glisin’e miristik asit takılır.  Prenillenmede lipidler; sistein, serin ve treonin amino asitlerinin yan zincirlerine bağlanmaktadır. Burada prenil grupları, polipeptid zincirinin C-ucuna yakın bölgede bulnunan sisteinlerin yan zincirlerindeki kükürt atomuna bağlanırlar.  Palmitillenmede ise 16 karbonlu palmitik asit sisteinlerin yan gruplarındaki kükürt atomlarına bağlanır. Miristillenme ve prenillenme gibi, palmitillenme de bazı proteinlerin plazma zarının sitozolik yüzüne bağlanmasında önemli rol oynar.  Son olarak, oligosakkaritlere bağlı lipidler (glikolipidler) bazı proteinlerin karboksil ucuna eklenerek, bu proteinlerin plazma zarının dış yüzüne yerleşmeleri sağlanır. Bu proteinlere takılı olan glikolipidler, fosfatidil inozitol içerdiklerinden genellikle glikozilfosfotidilinozitol (GFI) çapası olarak adlandırılırlar.  PROTEİN FONKSİYONUNUN DÜZENLENMESİ Proteinlerin en önemli işlevlerinden birisi de tüm biyolojik reaksiyonların katalizi için gerekli olan enzimatik aktiviteleridir. Böylece enzim aktivitesinin düzenlenmesi, hücre davranışlarını belirlemede anahtar rol oynamaktadır.  Hücre bunu kısmen, sentezlenecek enzim miktarını belirleyen gen ifadesi (ekspresyon) düzeyinde başarır. Daha ileri düzeyde bir kontrol ise proteinlerin sadece miktarını değil aynı zamanda aktivitelerini de kontrol etmeye imkan veren protein işlevinin denetimi ile sağlanmaktadır.  Proteinlerin sentez sonrası kontrolünde 3 genel mekanizma bulunmaktadır: a) Küçük Moleküllerle Düzenlenme Enzimlerin birçoğunun katalitik aktiviteleri, yapısal değişimleri ile kontrol edilmektedir. Bu yapısal değişim genellikle enzim aktivitesini düzenleyen nükleotidler veya amino asitler gibi küçük moleküllerin enzime bağlanması sonucunda oluşmaktadır. Bu tip düzenlenmeler genellikle geriye tepki inhibisyonu (feed back inhibition) şeklinde olmaktadır. Örneğin, biyosentez yollarının birçoğunda, oluşan son ürün (ör. amino asitler) hücre için yeterli miktarda üretildikten sonra, kendi sentez yolundaki ilk basamağı katalizleyen enzimi inhibe eder. Böylece gereksiz sentez önlenerek yeterli miktarda ürün sağlanması garantilenmiş olur. Her enzimin substratını etkilediği bir bölge bulunmaktadır. Bu bölgeye katalitik bölge adı verilir. Katalitik bölgenin dışındaki bölgeye ise allosterik bölge denir. Küçük moleküllerin enzimin allosterik bölgesine bağlanması, o enzimin üç boyutlu yapısı değiştirir ve bu nedenle katalitik bölgenin de şekli değiştiği için enzim aktivitesi inhibe edilir (allosterik inhibisyon). Bu küçük moleküllerin enzimlere bağlanması, hücrelerin çevresel değişimlere hızla cevap vermesine imkan sağlayacak şekilde kolayca geri dönüşebilmektedir. b) Protein Fosforillenmesi Protein fosforillenmesi; ATP’nin bir fosfatının (P) hedef proteinlerin yapısında bulunan bazı amino asitlere (serin, treonin, tirozin) transfer edilmesidir. ATP’nin fosfatını proteinlere transfer eden enzimlere genel olarak protein kinazlar adı verilmektedir. Protein fosforillenmesi ile glikojen yıkımının düzenlenmesi Epinefrinin (adrenalin) hücre yüzeyine bağlanması, cAMP yapımını tetikler. cAMP, cAMP bağımlı protein kinazı aktive eder. cAMP bağımlı protein kinaz, fosforilaz kinazı fosfatlayarak ektive eder. Fosforilaz kinaz da glikojen fosforilazı fosforilleyerek aktive eder. Glikojen fozforilaz da glikojenin glikoz-1 fosfata yıkımını katalizler.  Protein fosforillenmesi kolayca geri dönüşebilir bir olay olduğu için, fosforillenme çevresel sinyallere cevap olarak birçok hücresel proteini geri dönüşümlü bir şekilde aktive ya da inhibe etmektedir. Örneğin, protein fosforilasyonu protein fosfataz enzimleri tarafından geri dönüştürülebilir (protein kinaz tarafından transfer edilmiş fosfatın, protein fosfataz enzimi ile proteinden uzaklaştırılması).  c) Protein-protein etkileşimleri Birçok protein, birden fazla polipeptid zincirinin bir araya gelmesiyle oluşmaktadır. Bazı proteinlerde bu polipeptid alt birimleri özdeştir, bazı proteinler ise birkaç farklı polipeptid alt biriminden oluşur. Her iki durumda da polipeptid zincirleri arasındaki ilişki protein aktivitesinin düzenlenmesi için önemlidir. Birçok enzimin aktivitesi, protein-protein etkileşimi ile düzenlenmektedir. İki katalitik ve iki düzenleyici alt birimden oluşan siklik AMP (cAMP) bağımlı protein kinaz enzimi buna iyi bir örnektir. Başlangıçta, düzenleyici alt birimler katalitik alt birimlerin aktivitesini engellediğinden, enzim inaktiftir. Bu enzimin düzenleyici alt birimine cAMP molekülleri bağlandığında, katalitik alt birim, düzenleyici alt birimden ayrılarak enzim aktif hale gelir.  PROTEİN YIKIMI (PROTEOLİZ) Hücre içindeki proteinlerin miktarı sadece onların sentez hızları ile değil, aynı zamanda yıkım hızları ile de kontrol edilmektedir. Proteinlerin hücre içindeki yarı ömürleri birkaç dakikadan birkaç güne kadar değişim gösterir ve proteinlerin yıkımındaki bu hız farkları hücre regülasyonu için çok önemlidir.  DNA’dan, mRNA oluşumunda görev alan transkripsiyon faktörleri gibi çabucak yıkılan proteinler düzenleyici moleküller olarak işlev görürler. Bu proteinlerin hızlı dönüşümü, hücrenin çevresel uyaranlara hızlı cevap verebilmesi için gereklidir. Buna ilave olarak, hücre içindeki hasarlı veya hatalı proteinler süratle tanınarak yıkılmakta ve dolayısıyla protein sentezi sırasında oluşan hatalar hızla elimine edilmektedir. Protein yıkımını sağlayan ubikütin proteozom ve lizozomal proteoliz olmak üzere iki yol bulunmaktadır. a) Ubikütin proteazom yolu; hücrede proteinlerin seçilerek yıkımını sağlayan bir yıkım yoludur. Burada, yıkılacak proteinler önce ubikütin (76 amino asitlik bir protein) ile bağlanarak işaretlenmekte ve sonra proteazom adı verilen bir enzim sistemi tarafından tanınarak yıkılmaktadırlar.  b) Lizozomal proteoliz yolu’nda ise, yıkılacak proteinler lizozomlar tarafından alınarak lizozomların içinde bulunan enzim sistemleri sayesinde yıkıma uğratılırlar. Lizozomlar, içlerinde çeşitli proteazların da dahil olduğu bir seri sindirim enzimlerinin bulunduğu zarla çevrili hücre organelleridir. Lizozomların sitoplazmik proteinler ve hücre içi organellerin yıkılması ve endositozla hücreye alınan hücre dışı proteinlerin sindirimi de dahil olmak üzere hücre metabolizmasında çeşitli rolleri vardır.  Proteazlar ve diğer sindirim enzimlerinin lizozomlarda tutulması, hücre içi bileşenlerin kontrolsüz bir şekilde yıkımını önlemektedir. Bu nedenle, lizozomal proteoliz yoluyla yıkım için hücresel proteinlerin önce lizozomlar içerisine alınması gerekmektedir.  Hücresel proteinlerin veya hücre organellerinin lizozom içine alınarak sindirilmesine otofaji denir. Otofaji olayında, önce sindirilecek protein ya da organel endoplazmik retikulum zarıyla kuşatılır ve sonra vezikül şeklinde endoplazmik retikulumdan ayrılır. Bu vezikül daha sonra lizozom ile birleşir (fagolizozom) ve vezikül içeriği lizozomal enzimler tarafından sindirilir. Otofaji olayında hücre gerekli olmayan protein ve organelleri yıkarak onların bileşenlerini tekrar tekrar kullanıma sokmaktadır. SORULAR…