Protein bilimi 101

Canlılık dediğimiz şey aslında en alt, moleküler, düzeyde 4 temel molekül ile işliyor: Karbonhidratlar, Nükleik asitler, yağlar ve Proteinler! Bu yazıda Proteinleri size tanıtacağım vücudumuzda bir çok farklı görevi üstlenen bu molekül bilim dünyası için hala daha bir gizem.

Proteinleri anlatmak için en temelinden başlayalım: Amino asitler. Amino asitler bir ucunda karboksil(COOH) diğer ucunda amino(NH2) bulunan bu iki kimyasal grubu birbirine bağlayan merkezi, alfa, karbon ve bu karbona bağlanan bir hidrojen bir de radikal gruptan oluşur. Bu radikal grup amino asit'e özel kimyasal ve fiziksel özelliği veren bir kimyasal gruptur. Doğada 20 farklı Amino asit bulunur.^[1] Moleküler Biyoloji'nin santral dogması'na göre DNA>RNA>Protein şeklinde DNA'daki genlerin 1 amino asit'i kodlaması ile gerçekleşir bu koda göre sentezlenen amino asitler arasında kurulan bağlarla bir polimer olan polipeptidler oluşur.^[2] Bu polipeptid'i oluşturan amino asit sekuansı bir proteinin birincil yapısı olarak adlandırılır. Polipeptidler arasında kurulan bağlar amino grubu ve karboksil grubu arasındaki etkileşim ile olur. Bu şu şekilde olur: normal hücre içerisinde amino grubu bazik(NH3) ve nitrojen pozitif yüklü, Karboksil grubu asidik(COO) ve oksijenlerden karbonla çift bağ yapmış olan negatif yüklüdür. Bu durum Amino grubu ile Karboksil grubu arasında hidrojen bağına sebep olur. Amino asitler kolineer bir geometridedir. Fakat, Amino asitlerin sahip oldukları radikal gruplar Amino asitlerin goemetrilerini etkiler. bu şekil değiştirme amino astilerdeki merkezi karbonla karboksil grubundaki karbon arasındaki psi bağı ile(x ekseninde döner) ve nitrojenle merkzi karbon arasındaki phi bağı( y eksenin de döner) ile olur. Teorik olarak sonsuza yakın şekle sebep olsa da amino asitlerin alabileceği belirli açı dereceleri olduğu sonradan keşfedilmiştir. Açı dereceleri proteinlerin ikincil yapısının oluşmasını sağlar ve 3 farklı ikincil yapıya sebep olur: Beta sheet'ler ve alfa heliks'ler. fakat her zaman bu ikisine dönmez ve loop denen katlanmamış iplik gibi halde kalabilir. Alfa heliksler, aynı DNA gibi bir katlanma yapısıdır. 1. Karboksil ile 5. Amino grubu arasındaki hidrojen bağı ile oluşur ve örüntü n, n+4 şeklinde devam eder. alfa heliks'in içe bakan kısmı hidrofobik, dışa bakan kısmı hidrofiliktir. Beta sheet'ler ise, amino grubundan karboksil grubuna doğru amino asitlerin paralel katlanması sonucu oluşan etkileşimler ile oluşur. Daha az yaygın olan katlanma türleri ise şunlardır: pi heliksleri: n, n+5 arası bağlanma ile oluşur(alfa heliksten tek farkı budur). 3^10 heliks: n, n+3 arası bağlanma ile oluşur. poliproline 2: üst üste binen proline amino asitleri ile olur ( proline kendi radikal grubu ile amino grubunun kovalent bağ yapması sonucu oluşan özel bir amino asittir) kolejen buna örnektir. eğer bir polipeptitteki bu katlanmalarda birbirleri ile etkileşip katlanırsa bu da üçüncül yapıya sebep olur. yapılan araştırmalar Termodinamik hipotezi doğurmuştur. Bu hipoteze göre: bu katlanmalar her zaman proteinin kendi sahip olduğu serbest enerji en az olcak şekilde gerçekleşir. Fakat bazı durumlarda, termodinamik tuzaklar, protein yanlış katlanmış halde takılı kalabilir, Bu durum aslında hücrelerde çok gerçekleşir neden derseniz: Termodinamik enerjiyle ilgilnen bir fizik dalıdır. tahmin edersinizki çevrenizde sürekli bir enerji değişimi ve kaos vardır ve termodinamiğe göre bu kaos hep artar başka bir değişle entropi hep artar. hücre içerisinde bir çok farklı tepkime ve molekül hareket, etkileşimi vardır tabiki de bu etkileşim protein üzerinde bir termodinamik etki bırakır ve proteinin en az enerjili durumu daha farklı bir şekilde gerçekleşebilir yanlış da gerçekleşebilir! Bu duruma karşı şaperon denen bir kurtarıcı hücrelerde bulunur. Şaperonlar, proteini içlerine alır ve protein içlerindeyken gerçekleşen tepkimeler ile proteinin kimyasını değiştirmeden enerji durumuna etki ederek proteinin doğru katlanmasını sağlarlar bu durum hem üçüncül hem dördüncül yapı için geçerlidir. Dördüncül yapı demişken! Dördüncül yapı üçüncül yapı ile oluşan polipeptitlerin birbirleri ile etkileşerek birleşmeleri ile oluşur. Bu polipeptit parçalarına domanin de denir. Bir de beşincil yapı vardır bu yapı adaptasyondur aslında. Ne demek istedin derseniz: proteinlerde aynı canlılar gibi evrim geçirir ve çevrelerine uyum sağlar. Bu uyum sonucunda belirli bir yapı geliştilirler işte bu da beşincil yapıdır. Bu yapı aynı zamanda bir protein bir ligand'a bağlanınca da değişir bağlanmadan önceki haline apo hali sonraki haline de holo hali denir. Proteinler sentezlendikleri ve yapılarına kavuştuklarında hücre içerinde de bazı durumlarla değişirler bunlar:Protein prosesleme ve yıkmadır. Eğer bir protein pasif sentezlenmesi gerekliyse(enzimlerin bir kısmı) bu şekilde sentezlenen molekül aktifleşmek için çeşitli kimyasal süreçlerle kesilir bu kesilme birden fazla enzime sebep olabilir(örn:insülin) ya da enzim yeni bir yapı kazanır(kimotripsin). Proteinlerin hikayesi daha bitmedi! Proteinler alternative access model dene bir model ile membrandan tranferde görev alırlar. Peki nedir bu ? Bu modele göre bir membran proteini gerekli ligand'a bağlanır ve şekli değişir ligand proteinin içine girer sonra tekrar gerçekleşen değişim ile ligand hücreye girer. aynı zamanda proteinler yaptıkları kimyasal bağlarla da şekil değiştirirler.

İşte proteinler bunlar hala daha yapısını bilmediğimiz bir çok protein var. Bunların yapısını keşfetmek içim bir çok yapısal biyolog ve yapısal biyoinformatikçi çalışmalara devam ediyorlar. son zamanlarda çıkan alphafold AI ile bir çok yeni protein yapısı keşfedildi bu keşfedilen yapılara ne oluyor derseniz Protein Data Bank'a kaydediliyor(PDB). Protein yapıları hakkında ayrıca ekstra bilgi edinmek istiyorsanız proteopedia denen siteden birçok yeni bilgi alabilirsiniz. Eğer diyorsanız ki ben 3 boyutlu yapılarını görmek incelemek istiyorum pymol dene programını öğrenerek sizde protein yapılarını görebilirsiniz. Bunca protein sınıflanıdılırmıyor mu peki derseniz de : CATH proteinleri evrimsel geçmişleri ve geometrilerine göre sınıflandırıyor. Proteinler canlı vücudunda çok bulunan ve hayli ilginç bir makromolekük türü bilimsel dünyaydaki gelişmeler arttıkçada çözülecek ayrı da bir gizem.