Biyokimya!

Ana maddeler: Amino asit ve peptit bağı
Amino asitleri birleştiren peptit bağının rezonans yapısı



Birbirine peptit bağıyla bağlanmış serin ve alanin birimlerini gösteren bir protein yapısı kesiti Karbonlar beyaz renklidirve daha sade görünüm için hidrojenler çıkarılmıştır


Proteinler, 20 farklı L-alfa-amino asitten oluşmuş lineer polimerlerdir Tüm amino asitler, bir alfa karbonuna birer karboksil ve amino grubu ve bir yan zincirin bağlanıyor olması gibi ortak yapısal özelliklere sahiptir Bir tek prolin, yan zincirinin amino grubuyla bir halka oluşturması yüzünden biraz farklılık gösterir: bu yüzden, CO-NH amit dizisi sabit bir şekle zorlanır[3]Standart amino asitlerin listesinde ayrıntıları verilmiş olan yan zincirlerin farklı kimyasal özellikleri proteinlerin üç boyutlu yapısını belirler ve dolayısıyla protein işlevine etki eder Bir polipeptit zincirdeki amino asitler bir dehidrasyon tepkimesi sonucu oluşan peptit bağı ile birbirlerine bağlanırlar Protein zincirine dahil olmuş amino asit birimlerine "kalıntı" (residue); karbon, azot ve oksijen atomlarından oluşan tekrarlayan diziye de "ana zincir" ya da "protein omurgası" denir Peptit bağının iki rezonans formu vardır ve bunlar ona kısmî çift bağ özelliği kazandırarak, ekseni etrafında dönmesini engeller Bu yüzden de alfa karbonlar eşdüzlemseldir Peptit bağdaki diğer iki dihedral açı protein omurgasının yerel şeklini belirler
Her bir amino asitin kimyasal yapısı nedeniyle, protein zincirinin bir yönü vardır Proteinin serbest bir karboksil grubuna sahip olan ucu, "karboksi ucu" (C ucu) ya da "karboksi terminali" (C terminali); serbest bir amino grubu olan ucu ise "amino ucu" (N ucu) ya da "amino terminali" (N terminali) olarak adlandırılır
"Protein", "polipeptit" ve "peptit" sözcüklerinin kullanımında bir muğlaklık vardır "Protein" genelde kararlı bir şekle sahip olan bütün biyolojik molekül için kullanılır "Peptit" ise genelde kararlı bir üç boyutlu yapıya sahip olmayan, kısa amino asit oligomerleri için kullanılır Ancak bu iki terim arasındaki sınır belirsizdir ve genelde 20-30 kalıntı dolayındadır[4] "Polipeptit"se, uzunluğundan bağımsız olarak, herhangi bir amino asit zinciri için kullanılır ve sıklıkla da tanımlı tek bir biçimin olmadığına işaret eder

Sentez [değiştir]

Ana madde: protein senteziProteinler genlerde kodlanmış bilgiye dayanarak amino asitlerden inşa olurlar Her proteinin, kendisini kodlayan gendeki nükleotit dizisi tarafından belirlenen, kendine has bir amino asit dizini vardır Genetik kod, kodon olarak adlandırılan üç nükleotitlik dizinlerden oluşan bir kümedir, her üç nükleotitli kombinasyon bir amino asite karşılık gelir, örneğin ATG metionine kaşılık gelir DNA dört nükleotitten oluştuğu için tüm kodonların sayısı 64'tür, dolayısıyla genetik kod bir miktar tekrar içerir ve bazı amino asitler birden fazla kodon tarafından belirlenir DNA'da kodlanmış genler önce RNA polimeraz gibi bir protein tarafından transkripsiyon yoluyla bir ön mesajcı RNA (pre-mRNA) molekülünün sentezlenmesi şeklinde okunurlar Çoğu canlı sonra bu pre-mRNA'yı çeşitli transkripsiyon sonrası değişim biçimleriyle (post-transcriptional modification) işlemden geçirip olgun mRNA oluştururlar, bu da protein sentezi için ribozom tarafından bir şablon olarak kullanılır Prokaryotlarda mRNA üretildikten hemen sonra kullanılabilir veya bir ribozom tarafından bağlanılır Buna karşın ökaryotlar mRNA'yı hücre çekirdeğinde imal ettikten sonra onu çekirdek zarındansitoplazmaya aktarırlar, protein sentezi orada yer alır Prokaryotlarda protein sentezi ökaryotlardan dah hızlıdır ve saniyede 20 amino asiti bulabilir[5]
Bir proteinin bir mRNA şablonundan sentezlenmesine translasyon denir Ribozoma yüklenen mRNA dizinindeki her kodon, üçer nükleititlik birimler yani kodonlar olarak okunur Bu işlemde o kodona karşılık gelen amino asiti taşıyan bir taşıyıcı RNA molekülünde bulunan antikodon ile mRNA'daki kodon baz çiftlemesi yoluyla eşleştirilir Aminoasil tRNA sentetaz adı verilen enzim tRNA moleküllerine doğru amino asidi "yükler" Bu sentez sırasında Uzamakta olan polipeptide doğan zincir (İngilizce nascent chain) denir Proteinler hep N-terminus'tan C-terminus'a doğru uzarlar
Sentezlenen bir proteinin büyüklüğü dalton birimi (atom kütlesi ile eş anlamlıdır) veya ondan türemiş kilodalton (kDa) ile ifade edilen moleküler kütlesiyle ölçülebilir Büyüklüğünü belirtmenin bir diğer yolu onu oluşturan amino asitlerin sayısıyladır Maya proteinleri ortalama 466 amino asit uzunluğunda ve 53 kDA ağırlığındadır[4] En büyük proteinler kassarkomerinde bulunan titinlerdir, bunların moleküler kütlesi nerdeyse 3000 kDA ve toplum uzunluğu nerdeyse 27000 amino asittir[6]

Kimyasal sentez [değiştir]

Kısa proteinler laboratuvarda kimyasal yolla da sentezlenebilir Peptit sentezi olarak adlandırılan yöntemler, kimyasal bağlama (ligation) gibi organik sentez tekniklerine dayandırılmıştır Kimyasal sentez yoluyla polipeptit zincirlerine doğal olmayan aminoasitlerin de dahil edilmesi mümkündür, örneğin amino asit yan zincirlerine flüoresan işaretler takılabilir Bu yöntemler laboratuvar biyokimyası ve hücre biyolojisi araştırmalarında faydalıdır ama genelde ticari uygulamalarda kullanılmazlar 300 amino asitten uzun polipeptitler için kimyasal sentez verimsizdir ve sentezlenmiş protein kendiliğinden doğadaki üç boyutlu şeklini kazanmayabilir Çoğu kimyasal sentez yöntemi, biyolojik reaksiyonun tersi yönde, yani C-uçtan N-uca doğru ilerler

Proteinlerin yapısı [değiştir]

Ana madde: Protein yapısı
Trioz fosfat izomeraz enziminin üç boyutlu yapısının üç farklı gösterimi Solda, atom tipine göre renklendirilmiş tüm-atomlu gösterim Ortada, ikincil yapı türlerine göre renklendirilmiş protein omurga şeklinin şematik gösterimi Sağda, kalıntı tiplerine göre renklendirilmiş (asit kalıntılar kırmızı, bazik kalıntılar mavi, polar kalıntılar yeşil, nonpolar kalıntılar beyaz), çözücü tarafından erişilir yüzey gösterimi


Çoğu protein katlanarak kendine has üç boyutlu bir yapıyla şekil alır Proteinin doğal olarak katlanıp oluşturduğu şekle onun doğal hali denir Çoğu proteın kendini olşturan amino asitlerin yapısal eğilimleri yoluyla yardım görmeden katlanabilirse de, diğerleri doğal hallerine elde edecek sekilde katlanabilmek için moleküler şaperonlara gereksinim duyarlar Biyokimyacılar çoğu zaman protein yapısının dört ayrı yönüne değinirler:

• Birincil yapı: amino asit dizini
• İkincil yapı: hidrojen bağları ile kararlı kılınan, düzenli tekrarlanan yerel yapılardır Bunların en yaygın örnekleri alfa sarmalı (alpha helix) ve beta yaprağıdır (beta sheet)[7] İkincil yapılar yerel olduğu için bir proteinin içinde farklı ikincil yapılara sahip pek çok bölge olabilir
• Üçüncül yapı: tek bir proteinin tamamının şekli, ikincil yapıların birbirleriyle olan uzaysal ilişkisi Üçüncül yapı genelde yerel olmaya etkileşimler tarafından kararlı kılınır, bu en yaygın olarak bir hidrofobik çekirdeğin oluşmasıyla olur ama tuz köprüleri, hidrojen bağları, disülfür bağları ve hatta translasyon sonrası değişimler (post-translational modifications) de olur Üçüncül yapı ile katlama (İngilizce fold) eş anlamlıdır
• Dördüncül yapı: Birden fazla protein molekülünün birbiriye etkileşmesiyle oluşan yapının şekline denir Bu bağlamda söz konusu proteinlerin bir protein kompleksinin altbirimleri olduğu söylenir

Yapıyı oluşturan bu seviyelere ek olarak, proteinler işlevlerini görürken birbiriyle ilişkili bir yapıdan başka bir yapıya geçmeleri de protein yapısının bir diğer boyutunu oluşturur Bu işlevsel yeniden yapılanmaların söz ederken bu üçüncül veya dördüncül yapılarına proteinin "konformasyonları" denir ve bunlar arasındaki geçişlere konformasyonal değişim adı verilir Bu tür değişimler çoğu zaman bir substrat molekülün bir enzime bağlanmasıyla tetiklenir

Çeşitli proteinlerin birbirine göreceli boylarını gösteren moleküler yüzeyleri Soldan sağa: Antikor (IgG), Hemoglobin, İnsülin (bir hormon), Adenylate kinaz (bir enzim), ve Glutamin sentetaz (bir enzim)


Tipik olarak görülen üçüncül yapılarla ilintili olarak proteinler kabaca üç ana sınıfa ayrılabilirler: küresel (globüler) proteinler, lifli (fibröz) proteinler ve zar (membran) proteinleri Hemen bütün globüler proteinler suda çözünür ve çoğu enzimdir Fibröz proteinler çoğunlukla yapısaldırlar; zar proteinleri ise sıkça reseptör olarak görev yapar veya suda çözünen küçük moleküllerin hücre zarından geçmeleri için kanal oluştururlar
Proteinlerin içinde yer alan özel bir hidrojen bağı türüne dehidron denir, bunlar su molekülü saldırısından korunaklıdır ve kendi dehidrasyonlarını sağlarlar

Yapı belirlemesi [değiştir]

Bir proteinin üçüncül yapısının veya onun parçası olduğu komplekslerin dördüncül yapısının keşfi, onun işlevi hakkında önemli ipuçları verebilir Yapı belirlemek için kullanılan en yaygın deneysel teknikler X ışını kristalografisi ve NMR spektroskopisidir, her ikisi de atomik çözünürlükte bilgi sağlarlar[7]Kriyoelektron mikroskopisi, çok büyük protein kompleksleri ve virüsler hakkında daha düşük çözünürlüklü yapısal bilgi üretmekte kullanılır;[7] bunun bir çeşitlemesi sayılan elektron kristalografisi de bazı durumlarda, özellikle membran proteinlerinin iki boyutlarının kristalleri için, yüksek çözünürlüklü bilgi üretebilir[8] Çözülmüş yapılar genelde Protein Data Bank (PDB) adlı veri tabanına kaydedilir, bu ücretsiz kaynaktan binlerce proteinin yapısal verileri proteindeki her atomun Kartezyen koordinatları olarak elde edilebilir
Yapısı çözülmüş protein sayısından çok daha fazla sayıda gen vardır Ayrıca, yapısı çözülmüş proteinler, yapı çözmede kullanılan başlıca deneysel tekniklere kolayca tabi tutulabilenlere ağırlıklıdır Özellikle, globüler proteinlerin X-ışını kristlografisi için kristalleştirilmeleri nispeten kolaydır Buna karşın membran proteinlerinin kristalleştirilmesi zordur ve PDB'de az sayıda temsil edilirler[9]Yapısal genomik girişimleri bu yetersizliklerin üstesinden gelmek amacıyla belli katlama sınıflarına ait yapıları sistematik olarak çözmektedirler Protein yapı tahminleme yöntemleri, deneysel olarak yapısı belirlenmemiş proteinler hakkında makul yapıları üretmeyi amaçlar

Hücresel işlevler [değiştir]

Proteinler genlerde kodlanmış bilgiler tarafından belirlenmiş görevleri yerine getirirler[4] Bazı RNA tipleri dışında hücrede bulunan çoğu diğer molekül, proteinlerin etki ettiği nispeten atıl elemanlardır Proteinler bir E coli hücresininin kuru ağırlığının yarısını oluştururlar, DNA ve RNA ise %3 ve %20'sini oluştururlar[10] Belli bir hücre veya hücre tipinde bulunan proteinlerin tamamı onun proteomu olarak adlandırılır

Heksokinaz enzimi top ve çubuk moleküler model gösterimi Substratları olan ATP ve glikoz sağ yukarı köşede aynı ölçekte görülebilir


Proteinlerin çeşitli hücresel işlevlerini yürütmelerini sağlayan başlıca özellikleri başka moleküllere spesifik ve sıkı bir şekilde bağlanabilemeleridir Proteinin başka bir moleküle bağlanmasından sorumlu bölgesi bağlanma yeri (İngilizce binding site) olarak bilinir ve genelde proteinin yüzeyinde bir çukur veya cep şeklindedir Proteinin üçüncül yapısı bağlanma yerindeki cep ve etrafındaki amino asite yan zincirlerinin kimyasal özelliklerini belirler, bağlanma yeteneği onun tarafından oluşturulur Protein bağlanması son derece sıkı ve spesifik olabilir; örneğin ribonükleaz inhibitör proteini insan anjiogenin'ine femtomolardan düşük bir ayrışma katsayısı ile bağlanır (<10-15) ama onun amfibi homoloğu olan onkonaz'a bağlanmaz (>1 M) Bağlanan molekülde çok ufak bir değişiklik, tek bir metil grubunun eklenmesi gibi, bağlanmayı nerdeyse tamamen ortadan kaldırabilir; örneğin valin amino asidine spesifik olan aminoasil tRNA sentetaz ona çok benzeyen izolösin amino asidini ayırdedebilir
Proteinler küçük moleküllere bağlanmanın yanı sıra başka proteinlere de bağlanabilirler Proteinler kendilerinin diğer kopyalarına bağlandıkları zaman oligomerleşip ipliksi yapılar oluştururlar; bu süreç globüler monomerlerden oluşan, kendi kendisiyle birleşip bükülmez lifler meydana getiren yapısal proteinlerde sıkça görülür Protein-protein etkileşimleri enzim etkinliğine de düzenler, hücre döngüsünde ilerlemeyi kontrol eder ve birbiriyle ilişkili pek çok reaksiyonu yürüten büyük protein komplekslerinin birleşmesini sağlar Proteinler hücre zarına bağlanabilir veya ona entegre olabilir Bağlanan bir proteinin konformasyon değişikliğine neden olma yeteneği karmaşık sinyalleşme ağlarının inşasına olanak sağlar

Enzimler [değiştir]

Ana madde: EnzimProteinlerin en iyi bilinen rolü kimyasal tepkimelerin katalizleyicisi olarak enzim görevleridir Enzimler genelde bir veya bir kaç tepkimeyi hızlandıran çok özgül katalizörlerdir Enzimler metabolizma ve katabolizma ile ilgili çoğu tepkimeye etki eder, ayrıca DNA çoğalması, DNA onarımı ve RNA sentezinde de yer alırlar Bazı enzimler translasyon sonrası değişim (post-translational modification) adı verilen bir süreç ile başka proteinler üzerinde etki ederler, kimyasal gruplar ekler veya çıkarırlar Enzimlerin katalizlediği yaklağık 4000 tepkime bilinmektedir [11] Enzim katalizinin sağladığı hızlanma çoğu zaman muazamdır Orotat dekarboksilaz durumunda hızlanma 1017 kata ulaşabilir [12]
Enzimler tarafından bağlanan ve etki gören moleküller substrat olarak adlandırılır Enzimler yüzlerce amino asitten oluşsalar da substratla temas kuranlar bunların çok ufak bir bölümüdür, doğrudan kataliz reaksiyonuyla ilişkili olanlar daha da küçük bir bölümünü oluşturur[13] Enzimin substrata bağlanan kısmına aktif yer (active site) denir

Hücre sinyallemesi ve ligand taşıması [değiştir]


Koleraya karşı bir fare antikorununkarbonhidrat antijenine bağlanmış hali Antikorun ağır ve hafif zincirleri turuncu ve mavi renkte şematik olarak, tepedeki karbonhidrat ise van der Waals gösterimi ile görünmektedir, atom tipine göre renklendirilmiştir (karbon siyan, oksijen kırmızı, azot mavi)


Çoğu protein hücre sinyallemesi ve sinyal aktarımı süreçlerinde yer alırlar İnsülin gibi bazı proteinler, hücre dışı proteinler olup sentezlendikleri hücreden uzaktaki dokulardaki hücrelere bir sinyal taşırlar Diğerleri reseptör olarak çalışan membran proteinleridir, ana işlevleribir sinyal molekülüne bağlanmak ve hücre içinde bir biyokimyasal tepkiye yol açmaktır Çoğu reseptör, bağlanma yeri hücre yüzeyinde bulunan ve hücre içinde bir etki bölgesi olan membran proteinidir Etki bölgesinin bir enzim etkinliği olabilir veya hücredeki başka proteinlerce algılanabilen bir konformasyon değişimine uğrayabilir
Antikorlar, adaptif bağışıklık sisteminin protein bileşkeleridir, ana işlevleri antijenlere, yani vücuda yabancı olan maddelere, bağlanıp onların imha edilmeleri için işaretlemektir Antikorlar hücre dışı ortama salgılanabilirler veya plazma hücresi olarak adlandırılan özelleşmiş B lenfositlerinin membranlarına takılabilirler Enzimlerin substratlarına bağlanma gücü (afinitesi) onun reaksiyonunu yürütme gereğinden dolayı sınırlı olmasına karşın, antikorların böyle bir sınırlaması yoktur Bir antikorun hedefine bağlanma afinitesi olağanüstü yüksektir
Çoğu ligand taşıma proteini küçük moleküllere bağlanıp onları çok hücreli bir canlının vücudunda başka bir yere taşırlar Bu proteinler ligandları yüksek konsantrasyonda olduğu zaman yüksek bir afiniteye sahip olmalı ama konsantrasyonun düşük olduğu hedef dokuda ligandı salmalıdır Ligand-bağlayıcı proteinin klasik örneği hemoglobindir, omurgalılarda oksijeniakciğerlerden diğer organ ve dokulara taşır ve her biyolojik alemde yakın homologları vardır
Transmembran proteinler hücre membranının küçük molekil ve iyonlara olan geçirgenliğini değiştirerek ligand taşıyıcı protein olarak görev yapabilirler Membranın hidrofobik olan içi polar ve yüklü moleküllerin difüzyonuna elvermez Membran proteinlerinde bulunan kanallar bu küçük moleküllerin hücreye girip çıkmalarını sağlar Çoğu iyon kanalı belli bir iyon için özelleşmiştir; örneğin potasyum ve sodyum kanalları bu iki iyondan yalnızca birini geçirirler

Yapısal proteinler [değiştir]

Yapısal proteinler akışkan biyolojik yapılara bükülmezlik ve peklik sağlarlar Çoğu yapısal protein fibröz proteindir, örneğin aktin ve tübülin monomerleri globüler ve çözülgen proteinler olmalarına rağmen polimerleştikleri zaman hücre iskeletinin parçası olan, uzun ve bükülmez lifler oluştururlar Hücre iskeleti hücrenin şeklini ve büyüklüğünü korumasını sağlar Kollajen ve elastinbağ dokunun önemli bileşkeleridir; keratin ise saç, tırnak, tüy ve bazı hayvanlarda kabuk gibi sert veya lifli dokularda yer alır
Yapısal görev yapan diğer proteinler arasında miyozin, kinesin ve dinein gibi motor proteinler vardır, bunlar mekanik kuvvet yaratırlar Bu proteinler eşeyli çoğalan çok hücreli canlılarda sperm hücrelerinin ve tek hücreli canlıların hareket yeteneği (motilitesi) için çok önemlidir Kasların kasılmasında oluşan kuvvet de bu proteinler tarafından meydana gelir

Araştırma yönetmeleri [değiştir]

Ana madde: Protein yöntemleriBiyolojik moleküller arasında en fazla çalışılmış olanlardan olan proteinlerin etkinlikleri ve yapıları hem in vitro hem de in vivo olarak çalışılır Saflaştırılmış proteinlerin kontrollü ortamlarda incelendiği in vitro çalışmalar bir proteinin nasıl işlev gördğüğnü oğrenmeye yarar Örneğin enzim kinetiği çalışmaları bir enzimin katalitik etkinliğinin kimyasal mekanizmasını ve olası substrat moleküllerine olan afinitesinin araştırılmasına yarar Buna karşın, proteinlerin hücre içinde hatta bütün bür organizmadaki etkinlikleriyle ilgili in vivo deneyler bir proteinin nerede işlev gördüğü ve nasıl düzenlendiği hakkında tamalayıcı bilgiler verir

Protein saflaştırması [değiştir]

Ana madde: Protein saflaştırmasıİn vitro analizler yapabilmek için bir proteinin diğer hücre bileşkelerinden saflaştırılması gerekir Bu süreç genelde önce hücrenin parçalanmasıyla (sitoliz ile) başlar; hücre zarı bozulur ve hücrenin içeriği ham lizat (crude lysate) olarak adlandırılan bir sıvı halinde salınır Bu karışım ultrasantrifigasyon ile hücrenin farklı kısımlarından oluşmuş bölümlere ayrılır; çözünür proteinler, membran lipitleri ve proteinler, hücre organelleri ve nükleik asitler bu şekilde birbirlerinden ayrılırlar Tuzla çökeltme (salting out) yöntemi ile lizattaki proteinlerin konsantrasyonu artırılabilir Bunun ardından, arzu edilen proteini saflaştırmak için onun büyüklüğü, elektrik yükü ve bağlanma afinitesi gibi özelliklerine dayanarak çeşitli kromatografi teknikleri kullanılır Saflaştırmanın derecesini takip etmek için jel elektroforezi (eğer proteinin büyüklüğü biliniyorsa), spektroskopi (eğer proteinin ayırdedici spektroskopik özellikleri varsa) veya enzim ölçmeleri ile (eğer proteinin enzim etkinliği varsa) kullanılır
Doğal bir proteinin laboratuvar uygulamaları için yeterince saf olarak elde edilebilmesi için bir seri saflaştırma aşamasından geçmesi gerekebilir Bu süreci basitleştirmek için çoğu zaman genetik mühendislik kullanılarak proteinin yapı ve etkinliğine etki etmeden saflaştırılmasını kolaylaştıracak kimyasal özellikler eklenir Belli bir amino asit dizisinden oluşan bir işaret ("tag"), çoğu zaman bir seri histidin kalıntısı ("His-tag"), proteinin bir ucuna eklenir Bunun sonucunda, nikel içeren bir kromatografi kolonundan lizat geçirilince histidin kalıntıları nikele bağlanır ve kolonda tutulur, lizattaki işaretlenmemiş diğer herşey kolondan geçip gider

Hücrede yerleşimi [değiştir]


Farklı hücre bölmeleri ve yapılarında yer alan, Yeşil Flüoresan Protein ile işaretlenmiş proteinler


Proteinlerin in vivo araştırılmalarında hücre içinde sentez ve yerleşimine (lokalizasyonuna) bakılır Çoğu hücre içi protein sitoplamada sentezlenir, çoğu membran proteini veya salgılanan protein protein isie endoplazmik retikulumda sentezlenir Ancak, proteinlerin sentezlendikten sonra belli organellere veya hücre içi yapılara nasıl yollandıklarının ayrıntıları çoğu zaman bir araştırma konusu olur Hücresel yerleşimi belirlemek için kullanılan faydalı bir teknik, genetik mühendislikle ilgilenilen protein flüoresan bir protein (Green Fluorescent Protein, GFP) ile birleştirerek bir füzyon protein oluşturulmasıdır Füzyon proteinin hücre içindeki yeri, mikroskop kullanarak kolayca ve açık bir şekilde görüntülenebilir, bunun örnekleri yandaki şekilde görülebilir
Yönlendirilmiş mutagenez (site-directed mutagenesis) olarak bilinen bir diğer genetik mühendislik yöntemi ile proteinin dizisi ve dolayısıyla onun yapısı, hücresel yerleşimi ve düzenlenmesi değiştirilebilir Değiştirilmiş protein in vivo olarak GFP işaretlemesi ile, in vitro ise enzim kinetik ve bağlanma ölçümleri ile izlenebilir

Proteomik ve biyoenformatik [değiştir]

Ana maddeler: Proteomik ve BiyoenformatikBir hücre veya hücre tipinde bulunan proteinlerin tamamına onun proteomu ade verilir, bu tür büyük boyutlu veri kümelerinin araştırılması da proteomik sahasının konusudur (bu dalın ismi ilgili bir saha olan genomikten türetilmiştir) Proteomikte kullanılan anahtar teknikler arasında protein mikrodizilimleri (protein microarray) ve iki-hibrit taraması sayılabilir Protein mikrodizilimleri hücredeki çok sayıda proteinin seviyelerinin belirlenmesini, iki-hibrit taraması ise protein-protein etkileşimlerinin sistematik olarak incelenmesini sağlar Olası biyolojik etkileşimlerin tümüne interaktom (interactome) adı verilir Mevcut olan her protein katlamasınına sahip olan proteinlerin yapılarının sistematik olarak çözme girişimine yapısal genomik adı verilmiştir
Çesitli organizmalara ait genomik ve proteomik veriler sayesinde araştırmacılar evimsel olarak birbirine uzak canlılarda bulunan homolog proteinleri dizi hizalaması (sequence alignment) ile verimli bir şekilde tanımlayabilmektedirler Dizi profilleme programları ile nükleotit dizilerinde restriksiyon enzimi haritaları, açık okuma çerçevesi (open reading frame) analizleri, protein dizilerinden ikincil yapı tahminleri gibi analizler yapılabilir Bu verilerden ilogenetik ağaçlar inşa edilebilir ve ClustalW gibi özel yazılımlar kullanarak modern canlılar ve genlerinin ataları hakkında evrimsel hipotezler geliştirilebilir Biyoenformatik sahası genomik ve proteomik verileri birleştirerek, anlamlandırmak ve analiz eder Bu yolla biyolojik problemlere gen bulma ve kladistik gibi bilişsel teknikler uygular

Yapı tahmini ve simülasyon [değiştir]

Yapısal genomik sahasını tamamlayıcı bir yaklaşım olarak protein yapı tahmini, yapısı çözülmemiş proteinler için makul modeller geliştirmeyi amaçlar Yapı tahmininin en başarılı tipi olan homoloji modellemesi, modellenecek proteine dizin benzerliği olan "şablon" bir yapıya dayanır Yapısal genomiğin amacı çözülmüş yapılar arasında yeterince çeşitlilik elde edip geri kalanları modellemektir Mevcut şablon yapılar modelenecek proteine uzaktan ilişkili olduğu durumlarda güvenilir modeller üretmek zordur Bu sorunun çüzümü dizin hızalamasının en doğru şekilde yapılmasından geçmesi gerektiği öne sürülmüştür[14] Yapı tahmin yöntemleri yeni bir saha olarak gelişmekte olan protein mühendisliğine yol göstermektedir, bu yolla yeni protein katlamaları tasarlanabilmiştir[15]Moleküler yanaşma (molecular docking) ve protein protein etkileşimleri gibi moleküller arası etkileşimlerin tahmini bu sahada çözülmeye çalışılan daha karmaşık bir problemlerdendir
Protein katlanması ve bağlanma süreci moleküler dinamik teknikleri ile simüle edilebilir Moleküler dinamik yöntemlerle kuantum mekanik hesaplamalarının birleştirilmesi yoluyla da proteinlerin elektronik yapıları incelenmektedir[16]

Beslenme [değiştir]

Ana madde: Beslenmede proteinÇoğu mikroorganizma ve bitki standart amino asitlerin 20'sini de sentezleyebilmesine karşın hayvanlar bazı amino asitleri diyetlerinden elde etmek zorundadırlar[10] Bazı amino asitlerin sentezlendiği biyosentetik yollarda yer alan anahtar enzimler, örneğin aspartattan başlayarak lizin, metionin ve treonin sentezinin ilk adımını katalizleyen aspartokinaz, hayvanlarda yoktur Bir organizmanın sentezleyemediği amino asitler esansiyel amino asitler olarak bilinir (bu terim sıkça insanlar için gerekli olanları kastetmek için kullanılır) Eğer bir amino asit ortamda mevcutsa çoğu canlı enerji tasarufu için biyosentetik yolu durdurarak amino asiti ortamdan içine alır Laboratuvarda bakteriler çoğu zaman belli amino asitleri sentezlemek için gereken genlerden yoksun bırakılarak seçilebilir bir işaret (selectable marker) yaratılır Bu yolla hücre içine yabancı DNA sokmanın (transfeksiyon) başarısı belirlenebilir
Hayvanlarda amino asitler protein içeren besinlerin tüketilmesi yoluyla elde edilir Yenen proteinler sindirim yoluyla parçalanırlar, bu süreç zarfında protein önce mide asitlerinin etkisiyle doğal yapısı bozulur (denatüre olur) ve ardından proteaz olarak adlandırılan enzimler tarafından yıkıma uğrar Esansiyel amino asitlerin vücuda alınması canlının sağlığı için çok önemlidir çünkü bu amino asitleri içeren proteinlerin sentezi onların düşük konsantrasyonda olmaları halinde ketlenir (inhibe olur) Amino asitler önemli bir azot kaynağıdır Vücuda alınan bazı amino asitler, özellikle esansiyel olmayanlar, protein sentezi için doğrudan kullanılmazlar Onun yerine glukoneogenez yoluyla karbonhidratlara dönüşürler Glukoneogenez açlık durumunda vücudun kendi proteinlerinden, özelikle kas proteinlerinden, glikoz elde edilmesinde de kullanılırProteinler peynir,süt,et vb çeşitlerde bulunurBazı besinlerde daha az mesela kuru fasulyede

Tarih [değiştir]

Proteinlerin ayrı bir sınıf biyolojik molekül olduğu Onsekizinci yüzyılda Antoine Fourcroy ve diğerleri tarafindan farkedilmiştir Bu sınıftaki maddeler ("albüminoid", Eiweisskörper, veya matières albuminoides olarak adlandırılmışlardı) asit veya ısının etkisiyle pıhtılaşma veya topaklanma özellikleriyle tanınmışlardı 19 yy başlarında bunların iyi bilinen örnekleri yumurta beyazında bulunan albümen, serum albümini, fibrin ve buğday gluteniydi Yumurta beyazının pişmesi ile sütün kesilmesi arasindaki benzerlik eski çağlarda da farkedilmişti, örneğin yumurta beyazı için albümen adı Yaşlı Plinius tarafından yumurta beyazı anlamına gelen Latince albus ovi 'den türetilmişti
Jöns Jakob Berzelius'un tavsiyesi üzerine Hollandalı kimyager Gerhardus Johannes Mulder yaygın hayvan ve bitki proteinleri üzerinde element analizi yapmıştır Herkesin şaşırtan bir sonuç, tüm proteinlerin yaklaşık aynı empirik formüle sahip olduklarıydı: birkaç fosfor ve kükürt atomunun yanısıra yaklaşık olarak C400H620N100O120 Mulder sonuçlarını 1837 ve 1838 tarihlerinde iki makale olarak yayınladı ve "Grundstoff" olarak adlandırdığı bir temel protein maddesi olduğunu, bunun bitkiler tarafından sentezlendiği, hayvanların da onu sindirim yoluyla elde ettiğini hipotezledi Berzelius bu teorinin ilk savunucularındandı ve 10 Temmuz 1838 tarihli bir mektupta bu madde için "protein" adını önerdi:
Fibrin ve albüminin organik oksidi için önerdiğim protein ismini [Yunanca] πρωτειος'dan türetmek istedim, çünkü hayvan beslenmesinin temel veya esas bir maddesi olarak görünmektedirMulder protein yıkımı sonucu ortaya çıkan amino asitleri tanımlamaya girişmiş, lösin için (nerdeyse doğru) molekül ağırlığı olan 131 Da bulmuştur
Mulder'in analizlerinden proteinler için ortaya çıkan en küçük molekül ağırlığı yaklaşık 9 kDa idi, bu rakam o zamanlar üzerinde çalışılan diğer moleküllerden yüzlerce kere daha büyüktü Bu yüzden proteinlerin kimyasal yapısı (birincil yapıları) 1949'a kadar öenmli bir araştırma konusuydu, o tarihte Fred Sangerinsülinin dizisini çözdü Proteinlerin peptit bağlarıyla bağlanmış amino asitlerin lineer polimerleri olduğu teorisi 1902'de bir konferansta Franz Hofmeister ve Emil Fischer tarafından aynı zamanda ve birbirlerinden bağımsız olarak sunuldu Ancak, bazı bilim adamları bu kadar uzun makromoleküllerin çözelti halinde kararlı olabilecekleri konusunda şüpheciydiler Bu yüzden protein birincil yapısına dair çeşitli alternatif teoriler de geliştirildi, örneğin proteinlerin küçük moleküllerden oluşan kümeler olduğunu öne süren kolloid hipotezi, Dorothy Wrinch'in siklol hipotezi, Emil Abderhalen'in diketopiperazin hipotezi ve Troensgard'ın pirrol/piperidin hipotezi (1942) Bu teorilerin çoğu, proteinlerin yıkımı sonucunda peptit ve amino asit oluşumunu açıklamakta zorlanıyordu Nihayet Theodor Svedberg, analitik ultrasantrifüjleme tekniği ile proteinlerin tanımlı terkibi olan makromoleküller olduğunu, kolloid karışımlar olmadığını gösterdi Bazı proteinlerin daha küçük proteinlerin kovalent olmayan birleşimleri olabileceği Gilbert Smithson Adair tarafından (hemoglobininosmotik basıncını ölçerek), daha sonradan da Frederic M Richards tarafından (Ribonükleaz S üzerindeki çalışmaları ile) gösterildi Proteinlerde translasyon sonrası değişimlerin tanımlanmasında kullanılan faydalı bir teknik kütle spektrometrisi olmuştur, bu teknik yakın zamanda protein dizini çözmekte de kullanılmıştır
Çoğu proteinin modern tekniklerle dahi milligram miktarlardan daha fazla saflaştırılması zordur Bu yüzden ilk çalışmalar bol miktarda saflaştırılması kolay olan proteinler üzerine odaklanmıştı, bunlar örneğin kan proteinleri, yumurta beyazı, ve mezbahalardan elde edilebilen çeşitli sindirim ve metabolizma enzimleriydi İkinci dünya Savaşı'nda Edwin Joseph Cohn tarafından başlatılan, amacı askerleri sağ tutacak kan proteinlerinin saflaştırılması olan, bir proje sırasında protein saflaştırılmasıyla ilgili pek çok teknik geliştirildi 1950 sonlarında Armor Hot Dog Company adlı bir sosis imalatçısı, 1 kg pankreatik ribonükleaz A saflaştırıp bunu dünyadaki tüm bilim insanlarının hizmetine sundu Bu cömertliğin sonucu olarak RNaz A, izleyen birkaç on yıl boyunca temel araştırmada kullanılan başlıca protein olmuş ve birkaç Nobel ödülüne yol açmıştır
Protein katlanmasının araştırılması 1910'da Henrietta Chick ve CJ Martin tarafından yazılmış ünlü bir makale ile başlamıştır Bu çalışmada topaklanma sürecinin iki adımdan oluştuğu, proteinin çökelmesinden evvel denatürasyon olarak adlandırılan bir adımın geldiğini göstermişlerdir Denatürasyonda protein az çözünür hale gelir, enzim aktivitesin kaybeder ve kimyasal olarak daha etkin hale gelir 1920 ortalarında Tim Anson ve Alfred Mirsky denatürasyonun tersinir olduğunu öne sürdüler; doğru olan bu hipotez baştan bazı bilimciler tarafından "yumurtanın pişmesini geri alınması" olarak alaya alındı Anson ayrıca denaturasyonun iki halli ("ya var ya yok") bir süreç olduğunu, moleküler bir geçiş sonucunda çözünürlük, enzim etkinliği ve kimyasal etkinlikte büyük bir değişiklik meydana geldiğini de önermişti 1929'da Hsien Wu denatürasyonun aslında bir protein katlanması olduğunu, bazı amino asit yan zincirlerinin çözücüye maruz kalmalarına neden olan bir konformasyon değişikliği olduğunu hipotezledi Bu (doğru olan) hipoteze göre, alifatik ve reaktif yan zincirlerin suya maruz kalması proteini daha az çözünür ve daha reaktif hale getirmekteydi Wu'nun hipotezi makul sayılmakla beraber hemen kabul görmedi çünkü o dönemde protein yapısı, enzimoloji ve gözlemlenen değişikliklere neden olabilecek diğer etmenler hakkında çok az şey biliniyordu 1960'ların başlarında Chris Anfinsen ribonükleaz A'nın katlanmasının hiç bir dış faktöre gerektirmeden tamamen tersinir olduğunu göstererek protein katlanmasıyla ilgili "termodinamik hipotezi" doğruladı Bu hipoteze göre proteinin katlanmış hali, protein serbest enerjisinin global minimum noktasına karşılık gelmektedir
Protein katlanma hipotezinin ardından katlanmış proteini kararlı kılan fiziksel etkileşimler konusunda araştırmalar başladı Hidrofobik etkileşimlerin son derece önemli olduğu Dorothy Wrinch ve Irving Langmuir tarafından siklol yapılarının stabilize edebilecek bir mekanizma olarak daha evvelden hipotezlenmişti Siklol hipotezi 1930'larda Linus Pauling ve diğerleri tarafından çürütülünce bu (doğru olan) hipotez de onunla beraber kenara atılmıştı Pauling protein yapısının hidrojen bağları tarafından stabilize olduğunu savunuyordu, bu fikir ilk William Astbury tarafından 1933'te öne sürülmüştü İlginç bir şekilde, Pauling'in H-bağları hakkında hatalı olan teorisi protein ikincil yapı elemanları (alfa sarmal ve beta yaprak) konusunda onun doğru modeller oluşturmasını sağlamıştır 1959'da Walter Kauzman tarafından denatürasyon hakkında yazılan, kısmen Kaj Linderstrom-Lang'ın calışmalarına da dayalı olan, ünlü bir makale hidrofobik etkileşimi bilimdeki doğru konumuna getirdi Proteinlerin iyonik yapısı Bjerrum, Weber ve Arne Tiselius tarafından kanıtlandı ama Linderstrom-Lang, 1949'da iyonik grupların genelde çözücü tarafından ulaşılabilir olduğunu ve birbirlerine bağlı olmadıklarını gösterdi
Globüler proteinlerin ikincil ve düşük çözünürlüklü üçüncül yapıları önceleri analitik ultrasantrifügasyon ve akı çiftkırılması (flow birefringence) gibi hidrodinamik yöntemlerle araştırıldı Protein yapısını yoklamak için kullanılan sprektroskopik yöntemler (dairesel dikroizm (circular dichroism), flüoresans, yakın-morötesi ve kizilütesi soğurganlığı (absorpsiyonu)) 1950'lerde geliştirildi Proteinlerin atom çözünürlüklü ilk yapıları X-ışını kristalografisi ile 1960'larda, NMR ile de 1980'lerde çözüldü 2006 yılı itibariyle Potein Data Bank'da yaklaşık 40000 atom çözünürlüklü protein yapısı bulunmaktadır Yakın zamanlarda kriyo-elektron mikroskopisi ve hesapsal protein yapı tahminleri de atomsal çözünürlüğe yaklaşan iki yöntem olmuştur