Aminoasit Nedir? Proteinler Ne İşe Yarar? Aminoasitler, Bir Araya Gelerek Proteinleri Nasıl Oluşturur?

Proteinler, canlı organizmaların kas, saç, kolajen gibi vücut dokularında yapısal olarak yer alan; buna ek olarak enzim ve antikor örneklerinde olduğu gibi fonksiyonel olarak da görev alan; aminoasit adı verilen yapıtaşlarının bir veya birden fazla zincir oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle oluşan; karbon, hidrojen ve oksijene ek olarak her zaman azot ve kimi zaman sülfür içeren, canlıların var oluşu ve sağlığı için vazgeçilmez öneme sahip, büyük biyomoleküllerdir (makromoleküllerdir). Biz insanlar, proteinlerimizi vücudumuzda üretir veya dışarıdan beslenme yoluyla alırız; benzer şekilde, vücudumuzdaki aminoasitlerin bir kısmını kendimiz üretebilirken, diğerlerini dışarıdan, o aminoasitleri üretebilen canlıları yiyerek almamız gerekir.

Bu teknik tanımı birazcık daha sadeleştirecek olursak: Proteinler, genellikle kas dokusu ile ilişkilendirilir; ancak canlılığı oluşturan bütün doku ve organların yapısında proteinler görev alır. Proteinler, aminoasit denen daha ufak moleküllerin uç uca, üst üste, yan yana peptit bağı adı verilen bir bağ türüyle bağlanması sonucu oluşan bir molekül kompleksidir. Peptit bağı, aminoasitlerin su kaybetmesi (dehidrasyonu) ile oluşan, kovalent yapılı bir bağdır. Aminoasitleri, farklı renklerde boncuklar olarak düşünecek olursanız, proteinler de bu boncukların bir araya gelmesinden oluşan kolyeler gibidir. Her boncuk; karbon, oksijen, hidrojen, azot ve bazen kükürt atomları içeren aminoasidi temsil eder. Yani bir protein, esasen bu küçük tekil aminoasitlerden oluşan bir dizedir.

Her ne kadar "kolye" analojisini vermiş olsak da; aslında bir protein genellikle bir ip veya kolye gibi dümdüz bulunmaz; daha ziyade, bünyesindeki aminoasitlerin sırasına ve bunların birbirleriyle fiziksel ve kimyasal olarak nasıl etkileştiğine bağlı olarak belirli bir 3 boyutlu şekle katlanır. Bu şekil, adeta bir alet görevi görür. Nasıl ki her aletin farklı bir görevi vardır, katlanan proteinin oluşturduğu şekilde doğan alet de, proteinin vücudumuzda ne yapabileceğini belirler. Buna az sonra daha detaylı bir şekilde geleceğiz.

Dünya'da Kaç Farklı Aminaosit Var?

Bugüne kadar aminoasit olarak kategorize edilen yüzlerce kimyasal molekül tespit edilmiştir. Ancak bunların hepsi canlı vücudunda bulunmaz. Canlı vücudunda bulunan aminoasitlerin de hepsi, genetik koda dahil değildir; yani canlı vücudunda genlerle yönetilen kimyasal yolaklarla üretilmezler.

Hemen hemen her kombinasyonda birleştirebileceğiniz 20'si standart, 2'si özel translasyon (protein üretimi) mekanizmalarıyla proteinlerin yapısına dahil olabilen, toplamda 22 adet aminoasit çeşidi vardır. Bunların 21 tanesi ökaryotik canlılarda kullanılabilir; 22.'si olan formilmetiyonin, sadece Endosimbiyoz Teorisi çerçevesinde izah edilen biçimde, mitokondri gibi prokaryotik organelleri olan ökaryotlarda ulaşabilmekteyiz. Canlılığın vücudundaki proteinlere dahil olan bu aminoasitlere proteinojenik aminoasitler denir. Bunlar, canlıların genomunda karşılığı olan, yani canlı DNA'larında kodlanan aminoasitlerdir.

Temel Aminoasitler Hangileridir?

20 adet standart aminoasit (veya temel aminoasit) vardır: Bunlar:

• Fenilalanin (Phenylalanine): UUU ve UUC kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi F harfidir, "Phe" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Lösin (Leucine): UUA, UUG, CUU, CUC, CUA ve CUG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi L harfidir, "Leu" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Serin (Serine): UCU, UCC, UCA, UCG, AGU ve AGC kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi S harfidir, "Ser" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.
• Tirozin (Tyrosine): UAU ve UAC kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi Y harfidir, "Tyr" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.
• Sistein (Cysteine): UGU ve UGC kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi C harfidir, "Cys" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.
• Triptofan (Tyrptophan): UGG kodonuyla temsil edilir. Kısa gösterimi W harfidir, "Trp" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Prolin (Proline): CCU, CCC, CCA ve CCG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi P harfidir, "Pro" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Histidin (Histidine): CAU ve CAC kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi H harfidir, "His" olarak da geçer. Bazik bir moleküldür.
• Glutamin (Glutamine): CAG ve CAA kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi Q harfidir, "Gln" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.
• Arjinin (Arginine): CGG, CGA, CGC, CGU, AGA, AGG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi R harfidir, "Arg" olarak da geçer. Bazik bir moleküldür.
• İzolösin (Isoleucine): AUA, AUC ve AUU kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi I harfidir, "Ile" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Metiyonin (Methionine): AUG kodonuyla temsil edilir. Kısa gösterimi M harfidir, "Met" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Treyonin (Threonine): ACU, ACC, ACA ve ACG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi T harfidir, "Thr" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.
• Asparajin (Asparagine): AAC ve AAU kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi N harfidir, "Asn" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.
• Lisin (Lysine): AAA ve AAG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi K harfidir, "Lys" olarak da geçer. Bazik bir moleküldür.
• Valin (Valine): GUU, GUC, GUA ve GUG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi V harfidir, "Val" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Alanin (Alanine): GCU, GCC, GCA ve GCG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi A harfidir, "Ala" olarak da geçer. Apolar yapılı bir moleküldür.
• Aspartik Asit (Aspartic Acid): GAU ve GAC kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi D harfidir, "Aps" olarak da geçer. Asidik bir moleküldür.
• Glutamik Asit (Glutamic Acid): GAA ve GAG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi E harfidir, "Glu" olarak da geçer. Asidik bir moleküldür.
• Glisin (Glycine): GGU, GGC, GGA ve GGG kodonlarıyla temsil edilir. Kısa gösterimi G harfidir, "Gly" olarak da geçer. Polar yapılı bir moleküldür.

Wikimedia

Kaç Tane Proteinojenik Aminoasit Var?

Ökaryotlarda, 20 temel aminoaside ek olarak 21. proteinojenik aminoasit olarak selenosistein (İng: "selenocysteine") isimli bir diğer aminoasit vardır. Bu aminoasit, proteinlere SECIS elementi adı verilen bir nükleotit dizisi yardımıyla dahil edilebilir. Aslında UGA dizisi, genetik dizinin okunmasını sonlandırmaya yaramaktadır; ancak SECIS elementinin varlığında, ilgili nükleotit sekansının civarında bulunan bir UGA kodonu selenosistein olarak üretilir. Metanojenik prokaryotlarda ise normalde bir durdurma kodonu olan UAG, belli şartlar altında pirrolisin (İng: "pyrrolysine") olarak bilinen bir diğer elemente dönüşür.

Bunlar da sayılacak olursa, proteinojenik aminoasit sayısı 22 olur. Bunlardan sadece 20 tanesi standart genetik kodun parçasıdır ve "standart aminoasitler" olarak bilinirler.

Proteinojenik Olmayan Aminoasitler, Sayıları ve Kategorileri

Canlıların genomunda kodlanmayan, dolayısıyla canlılık içerisinde üretilen proteinlerin yapısına dahil olamayan en az 140'tan fazla (muhtemelen yüzlerce, belki binlerce) proteinojenik-olmayan aminoasit vardır. Bu aminoasitler de canlılığın yapısı ve kimyasal evrim için önemlidir; çünkü bunlar biyosentez sırasında ara madde olarak oluşurlar, proteinlerde translasyon sonrasında görülebilirler; bakteri duvarları, nörotransmiterler veya toksinler gibi bileşenlerde fizyolojik görevlere sahiptirler; doğal olarak oluşan veya insan yapımı farmakolojik bileşenlerde görev alırlar, meteoritlerde ve canlılığın cansızlıktan evrimine yönelik deneylerde (örneğin Miller-Urey Deneyi'nde) kendiliğinden oluşabilirler.^[1]

Proteinojenik-olmayan aminoasitlerin de farklı türleri vardır. Dolayısıyla, bütün aminoasitleri, bu tanımlarımız çerçevesinde, farklı özelliklerine göre kategorize edecek olursak:^[2]

• 20 standart aminoasit vardır.
• 22 proteinojenik aminoasit vardır.
• Yüzlerce proteinojenik-olmayan aminoasit vardır:
• 80'den fazla aminoasit, canlılığa gerek olmaksızın (abiyotik olarak), yüksek konsantrasyonlarda oluşabilir.
• 900 civarında aminoasit, doğal kimyasal yolaklarda üretilebilir.
• 118'den fazla aminoasit, insanlar tarafından üretilip proteinlerin yapısına dahil edilebilmiştir.

Burada dikkat edilmesi gereken şudur: Bu farklı kategorilerin hepsi birbiriyle örtüşür (yani bir aminoasit, bu kategorilerin birden fazlasında bulunabilir); ancak hiçbiri birbiriyle birebir aynı değildir.

Evrimsel açıdan incelediğimizde, proteinlerden önce aminoasitlerin evrimleştiğini görmekteyiz. Bu aminoasitlerin farklı birleşimleri, çok çeşitli proteinleri oluşturmuştur. Ancak proteinler, aminoasitlerin evriminden hemen sonra ortaya çıkmamıştır. Öncesinde, çok farklı şekillerde, çok sayıda ara kimyasal grubu evrimleşmiştir. Örneğin aminoasitler ile proteinler arasında, "ara geçiş kimyasalları" olarak görebileceğimiz, peptit isimli kimyasallar da bulunur. Bunlar, ne protein olan ne de tek başına aminoasit olan, polimer varyantlarıdır. Bunların birikimli seçilimi sonucunda, boyları genelde 100 aminoaside kadar olan polipeptitler üretilir. Polipeptitlerin birbirleriyle ve diğer aminoasitlerle etkileşimi sonucunda daha da karmaşık yapılı olan proteinler evrimleşebilmiştir. Aşağıda, aminoasitlerin evrimini ayrıca inceleyeceğiz.

Aminoasit ve Proteinlerin Yapıları

Burada temel aminoasitlere odaklanacağız. Proteinlerin tamamında; karbon, hidrojen ve oksijen atomlarına ek olarak azot atomları da bulunur; önemli bir bölümünde sülfür atomlarına da rastlanır. Aminoasit dediğimiz yapı, amino grubu ile karboksil grubu adı verilen iki kimyasal grubun bağlanmasıyla oluşur. Amino (İng: "amine"), "azot içeren" demektir; karboksil ise "karbon içeren" demektir. Aşağıda günümüze kadar süren evrimsel süreçte oluşmuş 20 temel aminoasidi ve bunların kimyasal yapısını görmektesiniz:

Bunların hepsi aynı yapıya sahiptir ve hepsinde merkezi bir karbon atomu, şunlara bağlanır:

• bir hidrojen atomu,
• alkalin (bazik) bir amino grubu (NH₂)
• asidik bir karboksil grubu (COOH)
• değişken bir grup

Görselden görülebileceği üzere, bir aminoasidin de yapısında, diğer moleküllerden farklı bir özellik yoktur. Tek gördüğümüz; karbonlar, oksijenler, hidrojenler ve azottur! Aminoasitlerin içerisinde hem asidik, hem bazik özellikte parçalar bulunduğu için, organizmaların asit-baz dengesini sağlamasında çok avantajlı bir moleküldür.

Aminoasit şemalarında yaygın olarak gösterilen “R” harfi, "radikal" kelimesinin ilk harfidir. Bu harf, değişken uzunlukta ve yapıda bir kimyasal grubu ifade etmektedir; buna yan zincir veya R-grubu denmektedir. Molekülün bu kısmına da çeşitli atomlar bağlanarak, birbirinden farklı aminoasitleri oluştururlar. Bu grubun esnekliği, aminoasit çeşitliliğinin kökeninde yatan kimyasal kaynaktır; çünkü bu parça farklı boyutlarda olabilir, polar veya apolar olabilir ve tüm bu nitelikleri sayesinde aminoasitlere bambaşka özellikler kazandırabilir. Örneğin sistein ve metiyonin isimli iki aminoasitte bu yan zincir, sülfür de içermektedir. Sülfür, hidrojen bağlarına katılmaz; ancak diğer tüm aminoasitlerde hidrojen bağları vardır ve sadece bu basit varyasyon bile, bu iki aminoasidi içeren proteinlerin yapısını köklü bir şekilde değiştirebilir. Yani aminoasitlerde gördüğümüz bu geniş çeşitlilik, kimyasal evrim ve canlılığın başlangıcı açısından büyük öneme sahiptir.

Aminoasitler Nereden Geliyor?

Bu soruyu iki farklı seviyede ele alabiliriz: Fizyolojik olarak, aminoasitlerin vücudumuza nereden geldiğine bakabiliriz. Evrimsel olaraksa, aminoasitlerin en başta nereden geldiğini, yani kimyasal evrim sürecinde nasıl oluştuklarını sorgulayabiliriz. Her ikisini de yapalım.

Fizyolojik Cevap: Aminoasitler Vücudumuza Nereden Geliyor?

İhtiyacımız olan aminoasitlerin yaklaşık yarısını kendi vücudumuzda üretebiliriz; ancak diğerlerini dışarıdan (örneğin yiyeceklerimizden) almalıyız.

Dışarıdan almamız gereken aminoasitlerin büyük bir kısmı yediğimiz gıdalardan gelir. Örneğin, diğer hayvanlar otlardan aldıkları ve kendi vücutlarında ürettikleri aminoasitleri (kimi zaman bizim üretemediğimiz aminoasitleri, diğer hayvanlar üretebilirler) kullanarak, protein yaparlar ve bizler, o hayvanları (veya bitkileri) yediğimizde, bu proteinler vücudumuza almış oluruz.

Sonrasında vücudumuz içerisinde parçalanan proteinleri oluşturan aminoasitler, hücrelerimiz içine alınır ve burada, ihtiyaca bağlı olarak, herhangi bir diğer proteine dönüştürülebilirler. Bunun için vücudumuzun tek yapması gereken, o aminoasitleri farklı bir boncuk dizilimine sokmaktır.

Protein Neden Genellikle Kaslar ve Et ile İlişkilidir?

Farklı yiyecek türleri, farklı türlerde protein içeriğine sahiptir. Buğday ve pirinç gibi bitkilerde çok fazla karbonhidrat bulunur, ancak bunlar protein içeriği bakımından daha az zengindir. Ancak et genel olarak daha fazla protein içeriğine sahiptir. Vücudunuzdaki kasları yapmak için çok fazla protein gerekir. Bu nedenle protein genellikle et yemek ve kas yapmakla ilişkilendirilir; ancak proteinler gerçekten bundan çok, çok daha fazlasını kapsar. Az sonra bunların bir özetini göreceğiz.

Evrimsel Cevap: Aminoasitler Nasıl Evrimleşti?

Peki proteinleri oluşturan aminoasitler, kendilerinden önce gelen inorganik moleküllerden nasıl oluşmuş olabilir?

Her ne kadar aminoasitlerin kimyasal tepkimelerle, dolayısıyla kendiliğinden oluşabileceklerini ispatlayan deneyler 19. yüzyılın başlarına, Alman kimyager Friedrich Wöhler'e kadar dayansa da; başarılı bir biçimde, laboratuvar ortamında ilk defa 1850 senesinde Adolphe Strecker tarafından bir aminoasit üretilmiştir. Strecker, yine okyanus tabalarında bulunduğunu bildiğimiz (o zamanlarda bu bilinmiyordu) asetaldehit, formladehit, amonyak ve hidrojen siyanit kullanarak alanin ve glisin isimli bir aminoasitleri doğal yollarla sentezlemeyi başarmıştır. Bugün bu tepkimeler Strecker Sentezi olarak bilinmektedir (aşağıda gösterilmiştir). Günümüzde bu tepkime ve benzerlerinin okyanus tabanlarındaki volkan bacaları etrafında, kendiliğinden olduğunu ve aminoasitleri oluşturduğunu biliyoruz.

Sadece bu da değil. 1913 yılında Walther Löb ve Oskar Baudish potasyum siyanür ve formaldehit kullanarak, mor ötesi ışınlar ve elektrik etkisi altında glisini üretmeyi başardı. Hatta sonradan, ilkel atmosferik koşullarda karbonmonoksit ve amonyak gazlarının elektrik yükü altında tepkimesiyle de formamidinin sentezlenebileceğini ispatladılar.

Günümüzde, canlılığın başlangıcı için gereken tüm kimyasalların su içerisinde oluşmadığını ve atmosferde de birçok kimyasalın oluştuğunu biliyoruz. Daha sonradan okyanuslar üzerine yağmurlarla veya başka yollarla çöken bu kimyasallar, okyanus tabanlarında birikmeye başlamış ve canlılığın yapısına katılmıştır. Dolayısıyla canlılığın başlangıcını sadece okyanus tabanlarıyla sınırlı tutmak doğru olmayacaktır. Bunlara daha sonradan geleceğiz.

Aminoasitlerin doğal süreçlerle oluşabileceği konusuna odaklanan tek bilim insanları bunlar değildir. Yüzlerce biyokimyager bu konuda uzmanlaşarak canlılığın sırlarını çözmeye çalışmışlardır. Bunlardan en meşhur olanları şüphesiz öncelikle Alexander Oparin, sonrasında ise Stanley Miller ile Harold Urey'dir. 1953 yılında ilk defa yapılan Miller-Urey Deneyi, günümüzde halen yankılarını sürdürmektedir. O dönemden sonra yapılan 460'tan fazla denemede, sadece tüm aminoasitler değil, Hayat Molekülleri'nin neredeyse tamamı laboratuvar koşullarında elde edilebilmiştir.

Bu deneyi ve detaylarını bir başka yazımıza sakladığımız için, burada detaylarına pek girmeyeceğiz. Ancak ilk yapılan ve temel bazı hataları bulunan (sonradan diğer deneylerde düzeltilmiştir) Miller-Urey Deneyi'nde üretilen yapılar şunlardır:

1. Karboksisilik Asitler
2. Formik asit
3. Asetik asit
4. Propiyonik asit
5. Düz ve dallı yağ asitleri (C₄-C₁₀)
6. Glikolik asit
7. Laktik asit
8. Susinik asit
9. Nükleik Asit Bazları
10. Adenin
11. Guanin
12. Ksantin
13. Hipoksantin
14. Sitozin
15. Urasil
16. Amino Asitler
17. Glisin
18. Alanin
19. $\alpha$-aminobütrik asit
20. Valin
21. Lösin
22. İzolösin
23. Prolin
24. Aspartik asit
25. Glutamik asit
26. Serin
27. Treyonin
28. Şekerler
29. Düz ve dallı pentozlar ve hekzozlar

Üstelik tüm bunların oluşumu sadece 6 gün sürmüştür! 2012 yılında Harold Urey'in laboratuvarında sakladığı bazı deney tüpleri açığa çıkarılmıştır. Yapılan analizlerde, 1953 senesinden bu yana bekleyen tüplerde tüm aminoasitlerin, şekerlerin tamamının, nükleik asitlerin ve canlılığın yapısına doğrudan katılmayan birçok organik molekülün kendiliğinden oluştuğu görülmüştür. Tahmin edilebileceği gibi bu deneylerde zaman arttıkça, ürünler de artmaktadır. Unutmayınız ki yapılan deneyler, yaklaşık 400-600 milyon yılda oluşan canlılığın temellerini, sadece birkaç gün ve haftada elde etmeyi hedeflemektedir. Buna rağmen, çok başarılı sonuçlar elde edebilmektedirler!

Daha sonradan yapılan deneylerde, aminoasitlerin doğal süreçlerle bir araya gelerek proteinleri oluşturabileceği de ispatlanmıştır. Örneğin Sidney Fox'un yaptığı deneylerde 150^oC sıcaklıkta 15 gün kadar bir süre içerisinde 23 aminoasit uzunluğunda proteinlerin oluştuğunu gözledi. Fox, bu deneylerinde sodyum klorür, bikarbonat, aspartik asit, glutamik asit, karbonik asit, amonyum klorür gibi kimyasallar kullanmıştır. Kendisinden sonra yapılan deneyler de, Fox'un çalışmalarını doğrulamış ve hatta daha uzun yapılı proteinlerin de birkaç haftada kendiliğinden oluşabileceğini ispatlamıştır.

Proteinlerin Oluşumu ve Yapısal Formlarının Önemi

Bu aminoasitler, farklı şekillerde uç uca birleşerek, milyonlarca farklı proteini oluşturabilirler: Bu 20 aminoasitten bir kısmını içeren sadece 20 aminoasitlik zincir, bildiğimiz en küçük protein olan TRP-Cage proteinini oluşturabilirken, aynı 20 aminoasitten yüzlercesi ve binlercesi bir araya gelerek, hücrelerimizde bulunan devasa proteinleri oluşturabilirler. Örneğin vücudumuzda bulunan 27.000-33.000 aminoasitli titin proteini, bildiğimiz en büyük proteinlerden birisidir; ancak canlılardaki aminoasitlerin çoğu, genellikle birkaç on ila birkaç yüz aminoasidin bir araya gelmesiyle oluşur. Yani aynı aminoasitler, farklı şekillerde bir araya gelerek, inanılmaz bir protein çeşitliliği oluşturmaktadır. Bu çeşitlilik, yaşamın çeşitliliğin özüdür! Örneğin aşağıda bir G-Proteini görüyorsunuz:

Bu protein yapısında yüzlerce aminoasit, farklı sıra ve sayılarda kullanılmaktadır (yukarıdaki temsili bir 3 boyutlu çizimdir, dolayısıyla aminoasitler ayrı ayrı gözükmemektedir). Bu sıraların ve sayıların değişmesi, farklı özelliklerde proteinlerin üretilmesi, bu da farklı protein moleküllerinin farklı işlevlere sahip olabilmesi demektir. Bunu, Türkçede bir cümle oluşturmaya benzetebilirsiniz. Bu benzetimle ilgili detaylı bir yazımızı buraya tıklayarak okuyabilirsiniz.

Proteinlerin şekilleri, onların nasıl çalışacağını doğrudan belirler. Yani proteinleri adeta bir "alet" gibi düşünebilirsiniz. Nasıl ki bir çorba içmek için çatal, bir biftek yemek için kaşık kullanamazsınız (veya kullansanız da pek iyi çalışmaz), proteinlerin de şekilleri, onların neler yapmakta kullanılabileceğini belirler. Bu nedenle proteinlerin şekil ve yapı çeşitliliği büyük öneme sahiptir.

Proteinleri oluşturan aminoasitlerin bir araya gelmesiyle birincil yapı dediğimiz polipeptit zincirleri oluşur. Birincil yapıyı bir arada tutan, kovalent bağlardır. Bu zincir, kendi üzerine farklı şekillerde katlanarak alfa-heliks veya beta-katlanmış plaka adı verilen, ikincil yapı olarak da bilinen şekilleri oluştururlar. Bu ikincil yapı, aminoasitler arasındaki hidrojen bağlarıyla bir arad tutulur. İri proteinlerin bu katlı şekli, tekrar kendi üzerine katlanarak üçüncül yapı dediğimiz bir şekli oluştururlar. Hatta bazı proteinler öylesine iridir ki, kendilerini oluşturan aminoasit gruplarını "alt birim" olarak bilinen parçalara bölmemiz mümkündür ve bu parçaların birbiriyle etkileşimi, dördüncül yapı adını verdiğimiz, protein fonksiyonlarını doğrudan etkileyen bir yapıyı oluşturur.

Yani proteini oluşturan aminoasitlerin yapısı, sayısı ve dizilimleri, proteinlerin tam olarak ne şekle sahip olacağını ve dolayısıyla ne işler yapabileceğini belirler. Örneğin kaslarımızı oluşturan uzun ve ince proteinler, bu şekilleri sayesinde uzayıp kısalabilirler; öte yandan, kemiklerimizi oluşturan uzun kolajen proteinleri, kemiklerimizdeki minerallerin birikebileceği bir kalıp görevi görürler. Bu tür uzunlamasına proteinlere fibröz proteinler deriz.

Öte yandan küresel (globüler) proteinler, isimlerinden de anlayabileceğiniz gibi, daha küresel bir şekle sahiptir. Bu şekilleri sayesinde tepkimeye girmeye çok daha meyillidirler ve çoğu zaman hidrofiliktirler, yani suyu severler (ortamda su molekülleri varsa, ona doğru çekilirler). Örneğin kan hücrelerimizde bulunan hemoglobin proteini, bu yapıda bir proteindir.

Bir proteinin şeklini bozmak için onu ısıtmanız veya asidik veya bazik kimyasallara maruz bırakmanız gerekir. Bunun sonucunda denatürasyon denilen bir süreçten geçerek, proteinin az önce sözünü ettiğimiz dördüncül, üçüncül, ikincil ve kimi zaman birincil yapısı parçalanır. Yapısal şeklini yitiren proteinler, artık görevlerini yerine getiremezler (işlevlerini de yitirirler). Bunun gündelik yaşamdan en bilindik örneği, süte limon suyu damlatmanız halinde kısa bir süre içinde oluşan kararmadır.

Proteinler Vücudumuzda Ne Yaparlar?

Her ne kadar tam sayısı birazcık tartışmalı olsa da, birçok bilim insanı vücudumuzda yaklaşık 20.000 farklı protein olduğunu düşünmektedir. Bazı araştırmalar, daha da fazlası olabileceğini öne sürmektedir.^[3] Proteinler, pratik olarak vücudunuzdaki her işi yaparlar. Bazıları metabolik dönüşümler yaparken, diğerleri hücrelerinizi bir arada tutmaya ve kaslarınızın çalışmasına yarar. Gelin bunlara biraz daha yakından bakalım.

Proteinler, temel olarak her yerde kullanılabilen, çok önemli, son derece istikrarlı (stabil) moleküllerdir. En önemli görevleri arasında enzimleri oluşturmak ve diğer tepkimelerin hızlarını kat be kat arttırmak bulunur. Çünkü doğadaki birçok kimyasal tepkime oldukça yavaştır; ancak ortamda enzimlerin veya katalizörlerin bulunması halinde bu tepkimeler çok daha hızlı gerçekleşebilir. Eğer vücudumuzda protein yapılı enzimler bulunmasaydı, vücudumuzun şu andaki şekliyle işlemesi mümkün olmazdı (tabii bu tür kimyasal ön koşullar altında, bambaşka yapıların evrimleşebileceği de iddia edilebilir).

Enzimatik Proteinler, Kimyasal Tepkimelerin Hızını Nasıl Arttırıyor?

Protein yapılı enzimlerde asıl iş, enzimin aktif bölge adı verilen kısmında gerçekleşir. Her enzim, çok kısıtlı sayıda (neredeyse her zaman 1 adet) tepkimeyi hızlandırabilir; çünkü az önce de söylediğimiz gibi proteinlerin yapısındaki her türlü değişim, onların fonksiyonunu da az çok etkilemektedir. Buna, enzim spesifitesi adı verilir. Bu özellik çerçevesinde, sadece belirli bir şekle ve elektrik yüküne sahip olan kimyasallar enzim ile bağ kurabilir.

Bir enzimin, hızlandıracağı kimyasal tepkimede bağlandığı maddeye substrat adı verilir. Bu ikili birbirine bağlandığında, enzim-substrat kompleksi üretilmiş olur. Enzimler, sihirli moleküller değildir; en nihayetinde, diğer kimyasal maddelerin oryantasyonunu (duruş yönünü) ve kimi zaman fiziksel yapısını (konformasyonunu) değiştiren moleküllerdir. Bir enzim, bir substratı, kimyasal tepkimeye daha açık hale getirir; bu sayede normalde o kimyasal madde daha yavaş tepkime geçirirken, enzim varlığında daha hızlı bir şekilde tepkimeye girebilir. Tepkime sonrasında enzim, yapısı değişen substrata bağlanamaz ve enzim-substrat kompleksi dağılır. Böylece o enzim, bir diğer substrata bağlanmak üzere boşa çıkmış olur ve bu sayede enzimler, substrat var olduğu sürece, neredeyse durmaksızın kimyasal tepkimeleri hızlandırmaya devam edebilirler.

Bu açıdan, enzimatik görevi olan proteinler ilk defa evrimleştikten sonra, kimyasal evrimin ne kadar büyük bir hız kazandığı da anlaşılır olacaktır. Bu noktada, tepkimeleri hızlandıran tek unsurun enzimler olmadığını, kimi zaman basit inorganik katalizörlerin de kimyasal tepkimeleri hızlandırabildiği hatırlanmalıdır. Bu katalizörlerin etkisi altında aminoasitler ve proteinler evrimleşmiş, bu proteinlerin faaliyetleri sayesinde diğer kimyasal süreçler hızlanarak, evrime hız katmıştır.

Proteinlerin Diğer Görevleri

Ancak proteinlerin tek görevi enzimatik faaliyet değildir. Vücudumuzdaki neredeyse her işlev, proteinler sayesinde yapılır. Çünkü genetik kodlarımız, proteinlerin üretimini kodlamaktadır ve bu sayede aklınıza gelebilecek her özelliğimizi kazanırız. Ayrıca proteinler, hücrelerin yapısına da katılarak önemli iletişim ve yapı görevleri üstlenebilirler. Derinizin üst tabakasındaki keratin yapısı, proteinlerden inşa edilir. Derinizin dermis tabakasındaki, kemiklerinizdeki ve beyninizin menenj adı verilen zarındaki kolajen, proteinlerden inşa edilir. Sindirim kanalımızdaki sindirim enzimleri, savunma sisteminizdeki antikorlar, sinir sisteminizdeki nörotransmiterler, hormonal sisteminizdeki hormonların önemli bir bölümü, peptit-temelli proteinlerdir.

Proteinleri işlevlerini birkaç geniş kategoriye ayırabiliriz: Bunlardan birisi yapısal işlevlerdir. Vücudunuz birçok farklı türde yapıdan oluşur ve bunları sicim benzeri yapılar, kürecikler, çapalar, vb. gibi düşünebiliriz. Örneğin proteinler, vücudunuzun farklı parçalarını bir arada tutan yapıları oluştururlar: Kolajen, cildinize, kemiklerinize ve hatta dişlerinize yapı kazandıran bir proteindir.^{[4], [5]} Integrin, hücreleriniz arasında esnek bağlantılar kuran bir proteindir.^[5] Saçınız ve tırnaklarınız keratin adı verilen bir proteinden yapılmıştır.^{[6], [7]}

Üstlendikleri bir diğer büyük rol de biyokimyasal işlevlerdir. Biyokimya, vücudunuzun hücrenizde yağ veya aminoasitleri parçalamak gibi belirli reaksiyonların nasıl gerçekleştiğini inceleyen bilim dalıdır. Daha önceden, vücudumuzun yediğimiz gıdalardaki proteini parçaladığını söylemiştik: Bu işlev bile, pepsin gibi proteinler tarafından yerine getirilir.^{[8], [1]} Diğer bir örnek, kanınızda oksijen taşıyan protein olan hemoglobindir.^{[2], [9]} Bunların hepsi, proteinler sayesinde mümkün olmaktadır.

Proteinler ayrıca, hücrelerimizde zamanı tutan sirkadiyen saat proteinleri gibi sinyalleri ve bilgileri de işleyebilir.^{[11], [12]} Bunlar proteinlerin, hücrede gerçekleştirdiği tüm görevler değildir; burada sadece birkaç tanesine yer verebildik.

Tüm bunlar, aminoasitlerin farklı kombinasyonlarından ötürü proteinlerin de farklı özelliklerde olabilmesinin bir sonucudur. Bu sebeple canlılığı, "proteinlerin işlevlerinin bir toplamı" olarak görmek çok da isabetsiz bir düşünce olmayacaktır.