Proteinlerin üç boyutlu yapısı

Proteinlerin üç boyutlu yapısı
Bir proteinin kovalent iskeleti yüzlerce tek bağdan oluşmaktadır. Bu bağların
birçoğunun etrafında serbest rotasyon mümkün olduğu için proteinin sınırsız
sayıda konformasyonda bulunduğu düşünülebilir. Ancak her proteinin özgün bir
üç-boyutlu yapıya sahip olduğunu kuvvetle düşündürmektedir. Hemoglobin ve
üreaz enzimi dahil pek çok protein kristallendirilmişti. Bir kristal yapı içinde
moleküllerin düzenli bir diziliminin, genellikle sadece moleküler birimler tıpatıp
aynı olduğunda, oluşabildiği bilinmektedir.
Bu bölümde, proteinlerin üç-boyutlu yapısını, beş temayı vurgulayarak
inceleyeceğiz. Birincisi bir proteinin üç- boyutlu yapısı, proteinin amino asit
dizilimi tarafından belirlenir. İkincisi, bir proteinin işlevi yapısına bağlıdır.
Üçüncüsü, izole edilmiş bir protein eşsiz veya eşsize yakın bir yapıya sahiptir.
Dördüncüsü, belirli bir proteinin özgül yapısının korunmasını sağlayan
sabitleyici en önemli kuvvet kovalent olmayan etkileşimleridir. Sonuç olarak,
çok sayıda özgün protein yapıları arasında, protein mimarisi konusundaki
bilgilerimizi düzenlememize yardımcı olur.
Protein işlevi çoğu kez iki veya daha fazla yapısal biçim arasında değişimi
gerektirir.
Protein yapısına bakış
Bir proteinin yapısında bulunan atomların uzaysal düzenlenimi proteinlerin
konformasyonu olarak adlandırılmaktadır. Proteinin olası konformasyonları,
kovalent bağları kırılmaksızın elde edilebilen herhangi bir yapısal durumudur.
Örneğin, tek bağlar etrafında rotasyon olması ile konformasyonda değişim
oluşabilir. Teorik olarak mümkün olabilen çok sayıdaki konformasyonların,
biyolojik şartlar altında, genellikle bir veya ikisi egemen olarak bulunur. Belirli
şartlar altında mevcut olan konformasyon, çoğunlukla termodinamik olarak en
kararlı, yani en düşük Gibbs serbest enerjisine (G) sahip olan konformasyondur.
Protein konformasyonu büyük ölçüde zayıf etkileşimlerle sabitlenir
Protein yapısıyla ilişkili olan karalılık terimi, doğal konformasyonu sürdürme
eğilimi olarak tanımlanabilir. Fizyolojik şartlar altında tipik proteinlerdeki
katlanmış ve katlanmamış hali ayıran ∆G; 20 ile 65kJ/mol sınırları arasındadır.
Belirli bir polipeptit zincirinin teorik olarak sayısız farklı konformasyonu olduğu
düşünülebilir ve bir proteinin katlanmamış hali, konformasyonal entropisnin en
yüksek olduğu durum olarak nitelendirilebilir. Tek bir kovalent bağın
kırılabilmesi için yaklaşık olarak 200 ile 460 kJ/mol enerji gerekirken zayıf
etkileşimler, 4ile 30 kJ/mol arasındaki önemsiz düzeydeki enerjiyle bozulabilir.
Disülfit bağları gibi kovalent bağlar, şüphesiz tek bir zayıf etkileşimden çok
daha kuvvetlidir.
1
Genelde en düşük serbest enerjili protein konformasyonu (yani en karalı
konformasyon) en fazla sayıda zayıf etkileşimi içeren konformasyonlardan
biridir.
Protein karalılığına zayıf etkileşimlerin katkısı suyun özellikleri göz önüne
alınarak anlaşılabilir. Saf su hidrojen bağı yapmış H2O moleküllerinin bir ağını
içermektedir. Başka hiçbir molekül suyun hidrojen bağlama potansiyeline sahip
değildir ve sulu çözeltide bulunan diğer moleküller, su molekülleri arasındaki
hidrojen bağlarının bozulmasına neden olur.
Entropi terimi, sulu çözeltilerde hidrofobik grupların birleşmesini
yönlendiren başlıca termodinamik itici kuvvettir. Fizyolojik koşullarda bir
proteindeki hidrojen bağlarının ve iyonik etkileşimlerin oluşumu büyük ölçüde
aynı entropik etki tarafından yönlendirilir. Polar gruplar genellikle suyla
hidrojen bağı yaparlar ve bundan dolayı suda çözünürler.
En polar molekülün bile çözünürlük sınırı vardır, çünkü bu moleküllerin
çözeltideki varlığı birim kütle başına düşen hidrojen bağında bir azalmaya neden
olacaktır.
Bir makromoleküldeki iki polar grup arsındaki moleküliçi hidrojen bağları
veya iyonik etkileşimlerin oluşum enerjisi, büyük ölçüde, aynı gruplar ve su
arasındaki herhangi bir
etkileşimin uzaklaştırılmasıyla ortadan kaldırılabildiği halde, moleküliçi
etkileşimlerin oluşumu sırasında yapılanmış olan su tabakasının bozulması,
katlanma için güdümleyici bir entropik güç sağlar.
Hidrofobik etkileşimler bir proteinin konformasyonunun sabitlenmesinde
şüphesiz önemlidir. Genellikle hidrofobik amino asitlerin yan zincirleri proteinin
iç kısmında, yoğun olarak paketlenmiş bir merkez oluşturur. Proteinlerdeki
gruplar arasında oluşan hidrojen bağları kooperatif olarak biçimlenir. Protein
konformasyonunun sabitlenmesine hidrojen bağları ve diğer kovalent olmayan
etkileşimlerin katkısı halen değerlendirilmektedir. İki basit kuralı
yansıtmaktadır: (1) hidrofobik karakterli amino asitler sudan uzakta, daha çok
proteinin iç kısmına gömülü bulunur ve (2) protein yapısı içindeki hidrojen bağı
sayısı maksimum düzeye çıkarılır.
Peptit bağı katı ve düzlemseldir
1930’ların sonlarında, Linus Pauling ve Robert Corey protein yapısı hakkında şu
andaki bilgilerimizin temelini oluşturan seri bir çalışma başlattılar.
2
Düzlemsel Peptit grubu
Cα üzerindeki rotasyondan kaynaklanan bağ açıları N-- Cα için Ø (phi) ve Cα—C
bağı için ψ (psi) olarak belirtilmektedir. Ø ve ψ değerlerinin ikisin inde
Oo olduğu konformasyon bu sebepten dolayı engellenmektedir ve bu
konformasyon sadece rotasyonun açılarını açıklamak için bir referans noktası
3
olarak kullanılmaktadır. Ramachandran grafiğinde Ø ve ψ’in alabileceği
değerler grafik olarak ortaya çıkar.
Proteinlerin ikincil yapısı
İkincil yapı terimi, polipeptidin belirli kısımlarının yerel konformasyonlarını
ifade eder. İkincil yapının özellikle birkaç tipi karalıdır ve protein yapısında
yaygın olarak bulunur. En yaygın olarak bulunanılar α heliks (α sarmal) ve β
konformasyonlarıdır.1952’de bu ikincil yapının varlığını öngörmüşlerdir.
α Heliks yaygın bir protein ikincil yapısıdır
Pauling ve Corey William Astbury’in (1930) deneysel sonuçlarına sahiplerdi.
Katı Peptit bağlarıyla (rotasyonu serbest olan tek bağlar dışında) polipeptit
zincirinin varsayılabilen en basit düzlenimi Pauling ve Corey’in α heliks olarak
adlandırıldıkları helezonik yapıdır. Tekrarlayan birim, eksen boyunca yaklaşık
5.4 Å uzunluğunda olan, heliksin tek bir dönüşüdür. Bir α helikste amino asitler
ψ = -45o ile -50o ve Ø = -60o olduğu konformasyonlara sahiptir. Ve her bir heliks
dönüşü 3.6 amino asit kalıntısı içermektedir.
α Heliks yapısı niçin diğer birçok olası konformasyondan daha kolaylıkla
oluşur? Yanıt, kısmen α heliks yapısının iç hidrojen bağlarının en uygun
kullanımını sağlamasına bağlıdır. Bu yapı, Peptit bağının elektronegatif azot
atomuna bağlı hidrojen atomu ile bu Peptit bağının amino terminal ucu kısmında
bulunan dördüncü amino asidin elektronegatif karbonil oksijen atomu arasında
bulunan bir hidrojen bağıyla sabitlenmektedir. Doğal olarak bulunan L- amino
asitler gerek sağ-el dönüşlü, gerekse sol- el dönüşlü heliks yapısını oluşturabilir.
4
Amino asit dizisi α heliksin kararlılığını etkiler
Polipeptitlerin hepsi kararlı bir α helliks yapısı oluşturamaz. Amino asitlerin
yan zincirleri arasındaki etkileşimler, bu yapıyı stabilize veya destabilize
edebilir.eğer bir polipeptit zinciri Glu’lardan oluşmuş uzun bir bölüm içeriyorsa,
zincirin bu bölümü pH 7.0 ‘de α heliks yapısı oluşturmayacaktır.
Aynı nedenle eğer çok sayıda bitişik, pH 7.0’de pozitif yüklü R grubuna
sahip olan Lys ve / veya Arg amino asitleri varsa; bu amino asitlerde birbirini
itecek ve α heliks oluşumunu önleyeceklerdir. Zincirde birbirlerine yakın
oldukları zaman α heliksi detabilize edebilirler. Pozitif yüklü amino asitler
genellikle negatif yüklü amino asitlerden üç amino asit kalıntısı uzakta bulunur
ve bu yerleşim bir iyon çifti oluşumuna olanak verir. İki aromatik amino asit de
hidrofobik etkileşimler nedeniyle sıklıkla benzer aralıkta bulunur.
Prolin amino asidindeki azot atomu katı halka yapısının bir kısmını
oluşturduğundan N-Cα bağının etrafında rotasyon mümkün değildir. Bu yüzden,
Pro kalıntısı α heliks yapısının kararlılığını bozan bir kıvrım oluşturur.
Bu nedenlerden dolayı prolin α heliks yapısında çok nadir olarak bulunmaktadır.
Glisin faklı bir nedenle α heliks yapısında sık bulunmaz. Daha fazla
konformasyonal esnekliğe sahiptir. Glisin polimerlerinin oluşturduğu sarmal
yapı α heliks yapısından oldukça farklıdır.
5
α heliks yapısının kararlılığını etkileyen son faktör; α –helezonik parçanın
sonuna yakın bölgede bulunan amino asitlerin özelliğidir.
β konformasyonu polipeptit zincirini tabakalar şeklinde düzenler
İpek fibroini ve örümcek ağı fibroini gibi β- keratinlerin, en küçük R
gruplarına sahip iki amino asit olan Gly ve Ala içerikleri çok yüksektir.
6
7
β kıvrılmalar proteinlerde yaygındır
Sık rastlanan ikincil yapılar karakteristik bağ açılarına ve amino asit
içeriğine sahiptir
8