Aminoasitler ve Proteinler

Konu Anlatımı

Aminoasitler ve Proteinler

Proteinler, canlıların yapı ve işlevlerinin temel taşlarıdır. Yapılarını anlamak için önce amino asitlere bakmak gerekir. Amino asitler, aynı molekül üzerinde hem amino grubu hem de karboksil grubu taşıyan organik bileşiklerdir. Bu iki grubun proton alışverişi, amino asitlere sınırlarını aşan bir özellik kazandırır.

Amino asitlerin yapısı ve zwitteriyon

Amino asidin genel yapısı H2N−CH(R)−COOH biçimindedir. R grubu, yirmi farklı amino asidi birbirinden ayıran yan zincirdir. Sulu çözeltide amino grubu bir proton alarak pozitif yüklü hâle geçer, karboksil grubu ise bir proton vererek negatif yüklü hâle geçer. Böylece molekülün net yükü sıfır olsa da iki uçlu bir iyon ortaya çıkar; bu biçime zwitteriyon denir.

Zwitteriyon biçimi, amino asitlerin elektrik alanlarında hareket etmesini ve kromatografi analizlerinde beklenmedik davranışlar göstermesini açıklar. Asidik yan zincirli amino asitlerde karboksil sayısı fazladır ve çözelti pH değerine göre net negatif yüklü olabilirler; bazik yan zincirlilerde ise amino sayısı fazladır.

Peptit bağı ve peptitler

Bir amino asidin karboksil grubu, komşu amino asidin amino grubuyla tepkimeye girdiğinde peptit bağı oluşur. Tepkimede karboksil grubundan bir hidroksil, amino grubundan bir hidrojen ayrılır ve bu iki grup su molekülü oluşturur. Bu nedenle bağ kurulurken toplam kütle azalır ve molekül sayısı bir eksilir.

Bu kural çok sayıda hesapta kullanılır: n amino asitli bir peptitte n−1 peptit bağı ve buna karşılık gelen miktarda su oluşur. Üç amino asit birleşirse tripeptit, dört amino asit birleşirse tetrapeptit denir. Kısa zincirli peptitler hormon ve nörotransmitter gibi biyolojik etkinliği yüksek maddelerin yapısında bulunur.

Proteinlerin yapı düzeyleri

Proteinlerin yapısı dört düzeyde ele alınır. Birincil yapı, amino asitlerin peptit bağlarıyla birleşme sırasını ifade eder ve genetik bilgiyle kodlanır. İkincil yapı, omurga boyunca oluşan düzenli konumlardır; en yaygın olanı alfa sarmalıdır ve peptit omurgasındaki karbonil oksijeniyle bir sonraki amid hidrojeni arasında kurulan hidrojen bağlarıyla kararlı hâle gelir.

Üçüncül yapı, ikincil yapının katlanmasıyla oluşur ve burada yan zincirler arasındaki hidrofobik etkileşimler, tuz köprüleri, disülfit bağları ve hidrojen bağları belirleyicidir. İki ve daha fazla polipeptit zincirinin bir araya gelmesiyle oluşan dördüncül yapı ise hemoglobinde olduğu gibi birden çok alt birimin birleşmesiyle meydana gelir.

Denatürasyon ve geri katlanma

Proteinin sağlıklı katlanmış yapısının bozulmasına denatürasyon denir. Yüksek sıcaklık, aşırı pH değerleri, ağır metal iyonları ve organik çözücüler denatürasyona yol açar. Denatürasyonda peptit bağları kırılmaz; yalnızca ikincil ve üçüncül yapı bozulur. Bu nedenle birçok denatürasyon olayı geri dönüşümlüdür.

Klasik deney, ribonükleaz enziminin ödül ve üre ile denatüre edilip sonra ödülün uzaklaştırılmasıyla enzimin yeniden etkinleşmesidir. Bu sonuç, proteinlerin doğru ortamda doğru biçimde katlanabileceğini gösterir.

Enzimler ve aktif merkez

Enzimler, biyolojik katalizörlerdir ve büyük ölçüde protein yapılıdır. Her enzimin belirli bir bölgesinde aktif merkez bulunur. Bu bölgedeki amino asit kalıntıları, substratın bağlanacağı uygun bir geçit oluşturur. Geçidin üç boyutlu şekli, yalnızca yapısına uyan substratların bağlanmasına izin verir; bu durum substrat özgüllüğü olarak adlandırılır.

Enzim, substratı bağladıktan sonra aktif merkezdeki asidik ve bazik gruplar substratı katalizler. Ürünler oluşup ayrıldıktan sonra enzim değişmeden kalır ve yeni bir substrat molekülüyle tepkimeye girebilir. Enzimler, hücrede çok düşük miktarlarda bile kullanılabilirler.

Ne Öğreneceğiz

Amino asitlerin yapısını, peptit bağını, proteinlerin düzeyli yapılarını ve enzimlerin çalışma ilkesini kapsayan biyokimya konusudur. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Amino asitlerin ortak yapısını ve zwitteriyon hâlini açıklar.
• Asidik ve bazik yan zincirli amino asitleri sınıflandırır.
• Peptit bağının oluşumunda su açığa çıkmasını hesapla.
• Proteinlerin birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapılarını karşılaştırır.
• Proteinlerin denatürasyonunu ve geri katlanmasını açıklar.
• Enzimlerin aktif merkezini ve substrat özgüllüğünü irdeler.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Amino asitlerde amino grubu ve karboksil grubu aynı molekülde bulunur.
• Sulu çözeltide amino asitler zwitteriyon hâlinde bulunur.
• Peptit bağı oluşurken su açığa çıkar ve molekül sayısı azalır.
• Proteinin birincil yapısı amino asit dizilimidir.
• İkincil yapıda hidrojen bağları, üçüncül yapıda yan zincir etkileşimleri rol oynar.
• Denatürasyon proteinin biyolojik işlevini bozar.
• Enzimlerin etkinliği aktif merkezlerinin yapısına bağlıdır.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: Beş amino asitli bir peptitte kaç peptit bağı bulunur?

1. Amino asitler tek bir doğrusal zincir hâlinde sıralanır.
2. Her bağ iki amino asidi birleştirir.
3. Bağ sayısı, molekül sayısından bir eksiğine eşittir.

Sonuç/cevap: Dört peptit bağı bulunur; molekül sayısı ile bağ sayısı arasındaki fark birdir.

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Enzimler neden yalnızca belirli substratları etkiler?

1. Enzimin aktif merkezindeki uygun geçit belirlenir.
2. Substratın bu geçide uygunluğu değerlendirilir.
3. Geçit biçimine uymayan substratın bağlanamadığı sonucu çıkar.

Sonuç/cevap: Aktif merkezin üç boyutlu yapısı belirli substratları tam olarak kabul eder; bu nedenle enzimler substrat özgüllüğü gösterir.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Örnek 1: Peptit bağı sayısı konusunun adımları:

1. Amino asitler tek bir doğrusal zincir hâlinde sıralanır.
2. Her bağ iki amino asidi birleştirir.
3. Bağ sayısı, molekül sayısından bir eksiğine eşittir.

Karşılaştırma Tablosu

Sık Yapılan Hatalar

Peptit bağı oluşurken su açılmadığını düşünmek: Amino grubundan bir hidrojen ile karboksil grubundan bir hidroksil grubu ayrılarak su oluşturur ve peptit bağı kurulur.

Proteinlerin birincil yapısının üçüncül yapı olduğunu sanmak: Birincil yapı yalnızca amino asit dizilimidir; üçüncül yapı ise dizilimin üst üste kıvrılmasıyla oluşur.

Denatürasyonun protein yapısını geri dönüşümsüz bozduğunu varsaymak: Bazı durumlarda uygun koşullar sağlandığında protein doğru biçimde yeniden katlanabilir; bu durum deneylerle gösterilmiştir.

Zwitteriyonun yüksüz olduğunu düşünmek: Amino asidin pozitif ve negatif yükleri eşit olduğu için molekülün net yükü sıfır olsa da molekül dipolar bir iyon olarak davranır.

Enzimlerin her maddeye etki ettiğini sanmak: Enzimler aktif merkezlerinin şekli sayesinde yalnızca uygun substratları tanır ve dönüştürür.

Özet

Amino asitler, aynı anda amino grubu ve karboksil grubu taşıyan organik bileşiklerdir. Bu iki grubun proton alışverişi sayesinde sulu çözeltide zwitteriyon adı verilen dipolar iyon hâlinde bulunurlar. Amino asitler peptit bağıyla birbirine bağlandığında peptitler oluşur; bu bağ kurulurken su açığa çıkar ve molekül sayısı bir azalır. Çok sayıda amino asidin peptit bağıyla birleşmesiyle proteinler oluşur. Proteinlerin yapısı dört düzeyde incelenir: amino asit diziliminden oluşan birincil yapı, hidrojen bağlarıyla kararlı hâle gelen ikincil yapı, yan zincir etkileşimleriyle oluşan üçüncül yapı ve birden çok üçüncül yapının bir araya gelmesiyle meydana gelen dördüncül yapı. Denatürasyon, proteinin biyolojik yapısını bozan ve geri dönüşümsüz olabilen işlemdir; ribonükleaz enzimiyle yapılan denatürasyon deneyi bu konunun klasik örneğidir. Enzimler, protein yapılı biyokatalizörlerdir ve aktif merkezleri sayesinde substrat özgüllüğü gösterirler.

Kendini Dene

Soru: Proteinlerin birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapılarını karşılaştıran bir tablo hazırlayınız.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Dört düzeyin adlarının yazılması 2 puan; her düzeydeki etkileşim türünün belirtilmesi 4 puan; örnek yapıların verilmesi 2 puan; düzeyler arası ilişkinin açıklanması 2 puan. Toplam 10 puan.