Glikobiyoloji

Glikobiyoloji’ye Giriş
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik
Bölümü
Glikobiyoloji; Şeker Biyolojisi...

Glikobiyoloji son 50 yılda ortaya çıkan ve gelişmekte olan önemli bir biyoloji alt dalıdır.

Bu konuya başlarken, konunun Dünyada en önemli isimlerinden olan Ajit Varki’nin Essential of
Glycobiology (1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009) kitabı ve ülkemizde bu konudaki ilk çalışmaları başlatmış olan
Prof.Dr. Sabire Karaçalı’nın 2002 yılında TÜBİTAK-Veterinerlik Bilimleri dergisinde çıkan derlemesi en
önemli ders kaynaklarımız arasında yer alır. Bu derse bu kitaptan ve derlemeden yapılan özetle
başlıyoruz.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Giriş
 Canlıların, makomoleküllerden oluştuğu ve bu makromoküllerin neler olduğu
uzun yıllardır bilinmektedir.
 Bumakromoleküllerden;
nükleik
asitlerin
ve
proteinlerin
yapıları,
biyosentezleri, görevleriyle ilgili olarak bakterilerden insana kadar bütün
canlılarda ortak olan mekanizmalar tanımlanmıştır.
 Bir diğer makromoleküller olan lipitler ve karbohidratların gerçek görevleri,
moleküler olaylardaki can alıcı rolleri ise yeni anlaşılmaya başlanmıştır.
 Dersimizin konusunu oluşturan, karbohidratların görevleri arasında;
1-Biyolojik çeşitlilikten sorumlu olmaları,
2-Önemli miktarda bilgi depolamaları ve bu bilgi geçişini sağlamaları,
3-Özel tanıma olaylarını kontrol ve idare etmeleri
4-Biyolojik olayları değiştirecek etkileri olduğunun belirlenmesi yeni gelişmelerdir.
Glikobiyoloji nedir?
 Karbonhidratların biyolojik rollerinin uzun süre hakkıyla farkedilememesi
diğer makro-moleküllere ilgiyi arttırmıştır.
 Ancak ondokuzuncu yüzyılın ortalarından itibaren, Karbonhidrat Kimyası,
Karbonhidrat Biyokimyası ve Karbonhidrat Biyolojisi yani Glikobiyoloji
çok belirgin bir ilgi odağı haline gelmiştir.
 1960’lı yıllar Karbonhidrat Biyolojisi çalışmaları için dönüm noktası
olmuştur.
 Şekerlerin diğer moleküllere bağlı yapısal kısımları olduğu gösterilmiştir.
 Böylece şekerlerin rol aldığı hibrit moleküller glikokonjugatlar
olarak isimlendirilmiştir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
 Bu glikokonjugatları oluşturan yapılar; glikoproteinler, proteoglikanlar
ve glikolipitlerdir.
 Bunlar oligosakkarid yan zincirlerinde polipeptit ve lipitlere kovalent olarak
bağlanırlar.
 Glikozilfosfatidil içeren glikokonjugatlar, ya da diğer adıyla zar çıpaları
ise hücre zarının yapısında, bir ucuna proteini, diğer serbest ucuna zar
lipitlerini bağlayarak bir köprü gibi görev yaparlar.
 Glikobiyoloji, şeker zincirlerinin yapılarını, biyosentezlerini ve biyolojik
görevlerini çalışan yeni biyolojik araştırma alanının adıdır.
 Bu, karbonhidrat kimyası ile glikan sentezi veya parçalanmasından
sorumlu
proteinlerin
enzimolojisinden,
şekerlerin
görevlerine
ve
çeşitliliğine kadar geniş bir alanı kapsar.
 Bu çalışmalar sırasında organik kimya, moleküler hücre biyolojisi ve
fizyolojisi, moleküler genetik gibi farklı disiplinlerden destek alır.
Yeniden Düzenlenen Bilgi Akışı Şeması
*Moleküler biyolojide bilginin taşınımının yönünü uzun zamandır ;
DNA → RNA → Protein → Hücre
Olarak kabul edilirdi.
Yeni bilgiler ışığında bu bilgi akışı yeniden düzenlenmiş ve şekerlerinde yer aldığı
bir şekle dönüştürülmüştür.
Glikobiyolojinin Tarihçesi
 1835- Musinlerin belirlenmesi (SANSSURE)
 1865- Musinler, Protein + Şeker özelliklerini taşır (EICHWALD)
 1874- Asimetrik C-atomu teorisi (de Van’t HOFF ve LE BEL)
 1885, 1888- Şekerler, musin glikoproteinlerinin yapısal kısımlarıdır
(HAMMARSTEN)
 1889- İlk kondroitin sulfat izolasyonu (MORNER)
 1908- Piranoz şekerler 6 üyelidir (HAWORTH ve HIRST)
 1910- DNA yapısında deoksiriboz belirlendi (LEVENE)
 1936- Sialik asit elde edildi (BLIX)
 1935,1939- Nöraminik asit elde edildi (KLENK)
 1938- Şekerler diğer proteinlerde de var (NEUBERGER)
Glikobiyolojinin Tarihçesi
 1942- Influenza virüsü eritrosit aglutinasyonuna neden olur (HIRST)
 1947- RDE= Reseptör Bozan Enzim bulundu (BURNET)
 1949- RDE= Nöraminidaz (GOTSCHALK)
 1952- RDE’in kopardığı ürünle sialik asit arasında yapısal benzerlik var (ODIN)
 1954- N-asetilnöraminik asit izolasyonu başarıldı (KLENK ve FAILLARD)
 1954- Lektinler tanımlandı (BOUD ve SHAPLEIGH)
 1955- RDE’nin kopardığı ürün N-asetilnöraminik asittir (KLENK VE FAILLARD)
RDE= Nöraminidaz= Sialidaz
 1958- Proteinler – Karbohidratlar arasında kovalent bağlar (MUIR)
 1962- N-Asetilnöraminik asidin yapısı açıklandı (KUHN ve BROSSMER)
 1968- Lewisa (Lea) ve Lewisb (Leb) belirleyicileri karbohidratlardır. (KABAT ve
MORGAN)
Glikobiyolojinin Tarihçesi
 1968- Serum glikoproteinlerinin ömrünü sialik asitler
belirler (ASHWELL ve MORELL).
 1968 den beri Sialik asitlerin (SCHAUER) - Yapısal
özelliklerinde
-Kimyasal analizlerinde - metabolik yollarında - Biyolojik
görevlerinde - ilişkili Enzimlerin izolasyonu - Yapı analizi Gen klonlanmasında önemli bildirimler yapılmaktadır.
 1969- Protein glikosilasyonu ve kanser arasındaki
iliş̧ki belirlendi (ROBBINS ve grubu).
 1971- Şeker nükleotidleri keşfedildi (LELOIR).
Glikobiyolojinin Tarihçesi
 1970-1972 WARREN-GLİCK Fenomeni, bu basitçe kanser durumunda
hücre yüzeyinde dallanmış oligosakkaritlerin sayısının çokluğunu ve
oligosakkarit zincirlerinin dallanmasından sorumlu özel bir glikoziltransferaz
enziminin (N- asetilglukozaminiltransferaz V) hiperaktivitesini ifade eder.
 1977- N-bağlı glikoproteinler belirlendi (ASHWELL ve MORELL).
 1977,78- N-asetilgalaktozaminiltransferaz Glikosiltransferaz izolasyonu
(SCHWAEZER ve HILL, HILL).
 1981- Glikosiltransferaz uygulaması (NUNEZ ve BARKER).
 1986 - β1,4-galaktosiltransferaz cDNA klonlanması yapıldı (SHAPER,
QASBA, FUKUDA).
-Glikosiltransferaz gen klonlanması çalışmaları devam etmektedir.
 1990 – Glikozilasyon Mekanizması ve Glikoziltransferazlar (HARDUIN-
LEPERS).
Glikobiyolojinin Tarihçesi
 1990 – Glikozilasyon Mekanizması ve Glikoziltransferazlar
(HARDUIN-LEPERS).
-Enzimlerin belirlenmesi - Klonlama - Gen yapısı - Kopya çıkışının
kontrolü - Çevirinin kontrolü, Yapı-işlev analizleri yapılmaktadır.
 1988 - Glikobiyoloji, Glikoform ve Glikotip deyimleri tanımlandı
(RADEMACHER, PAREKH ve DWEK).
Şekerlerin Görevi ve Mikroçeşitliliğin Önemi
 Doğada ve canlılarda görülen biyolojik
farklılık, çeşitlilik ve şekerlerin rol
aldığı özel biyolojik görevler, onların özgün monomerik yapıları ile bağlantılıdır.
Monomerik birimlerin;
 1-Sıralanma özellikleri; yani monomer sayıları, dizileri, α- veya β- bağları yani
bağlanma pozisyonları ve dallanma özellikleriyle belirlenir.
 2-Modifikasyonları;
yani
yapılarında
bulunan
gruplarının
hidroksil
fosforilasyonu, sülfasyonu, metilasyonu, O- asetilasyonu ve yağ asitlerine, amino
gruplarına
bağlanması,
-asetillenmesi
ve
N-sulfatlanmasıyla
ve
karboksil
gruplarının laktonize olmasıyla ortaya çıkar.
 3-Glikozilasyon hızları ve bunun sebep olduğu çeşitlilik; yani glikozilasyon
hızı, Golgi sahasında meydana gelen reaksiyonların hızıyla ilgilidir.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Glikoform
 Glikoproteinlerin
gösterdiği
mikroçeşitliliği
açıklamak
için
glikoform ve glikotip terimleri kullanılmıştır.
 Glikoformlar, aynı dokudan elde edilmiş, aynı glikoproteine ait
farklı oligosakkarit yan zincirlerini taşıyan farklı moleküllerdir.
 Her bir glikoform farklı fiziksel veya biyokimyasal özelliklere
sahip oldukları için görevsel olarak da farklıdırlar.
 Böylece glikozilasyon profili değiştirilerek, hücrelerde ilişkili
genin
ifadesini
edebilmektedirler.
değiştirerek
glikoproteinin
görevini
kontrol
Glikotip
 Glikotip terimi ise özel bir hücre tipinin bir tek glikozilasyon kapasitesini işaret
eder.
 Bu, aynı organizmada farklı dokular arasında ve/veya erkek-dişi arasında ve
türler arasında glikozilasyondaki değişikliğini yansıtır.
 En iyi bilinen örnek; glikoprotein γ-glutamyltranspeptidase (γ-GT)’ın şeker
zincirlerinde, karaciğerden mi yoksa böbrekten mi elde edildiğine bağlı olarak
görülen farklılıktır.
 Böbrek
örneklerinde Ɣ-
oligosakkaritler
bulunurken,
glutamyltranspeptidaz
karaciğer
dokusu
yapısında-
örneklerinde
iki
dallı
dallanmamış
oligosakkaritler bulunur.
 Böylece farklı hücreler aynı proteinin glikozilasyonu için farklı yeteneklere
sahip olmaktadırlar
Glikobiyoloji Çalışmalarında Yöntemler
 Glikobiyoloji alanında çalışmalar;
1-Moleküler yapı belirlenmesi
2-Glikozilasyon mekanizmasının kontrolü
3-Miktar ve Fenotipik belirlemeler
4-Gen klonlanması konularına odaklanmıştır.
 Glikokonjugatların moleküler yapıları çok hassastır.
 Bu nedenle ancak çeşitli kromatografik ve
spektroskopik yöntemlerle belirlenebilirler.
Glikobiyoloji Çalışmalarında Yöntemler
(Devam)
Bu durum çok pahalı ve özel aletler gerektirir.
Benzer şekilde glikokonjugatların saflaştırılması
aşamasında çeşitli örnek kayıpları olur.
Zaman zaman iz miktarda bulundukları göz
önüne alındığında, bu durum çalışırken
karşılaşılan en temel sorundur.
Glikobiyoloji Çalışmalarında Yöntemler (Devam)
 Glikozilasyon mekanizmasını çalışmak için; enzimler
(endoglikozidazlar ve ekzoglikozidazlar), lektinler, kimyasal
modifikasyonlar veya kesmeler, metabolik radyoaktif işaretlemeler,
glikozilasyon engelleyicileri, antikorlar, glikoziltransferazların
moleküler klonlanması ve yaşayan hücrelerde glikozilasyon
enzimleri yoluyla genetik değiştirmeler gibi yöntemler kullanılır.
 Son yıllarda, kimyasal ve enzimatik yöntemler kullanarak
şekerlerin yönlendirilmiş invitro sentezi, glikozilasyon
mekanizmasını açıklamak için önemli katkılar sağlamıştır.
 Ek olarak, kültürü yapılan hücrelerde, mutant hücrelerle ve hücre
matriks ilişkilerinde tanıma olayları çalışılmaktadır.
 Glikobiyoloji, modern biyoteknolojide de gittikçe artan öneme
sahiptir.
 Çünkü biyolojik aktif, doğal moleküllerin çoğu
glikokonjugatlardır.
 Biyolojik olarak aktif moleküllerin ilişkilerini hassas bir seçicilikle
kurmaları için, şeker ligantlarının reseptörlerinin belirlenmesi
gerekmektedir.
 Bu nedenle Glikobiyoloji ve Karbonhidrat Kimyasının,
Modern Biyoteknoloji de ki önemi gittikçe artmaktadır.
 Tıpta tedavi edici düzenlemelerin (patojenlere ve toksinlere
karşı engelleyicilerin, kanser, iltihaplanma ve doku nakli
uygulamalarında immün sistemi baskılayan ilaçların) yapılmasında
önemlidir.
 Yine tıpta tedavi edici düzenlemeler içinde yer alan
organizmada hedef hücrelere veya dokulara hassas bir
seçicilikle bağlanan ilaçların geliştirilmesinde, vazgeçilmez
bir önemi vardır.
 Bugün Glikobiyoloji, moleküler düzeydeki bilimsel
araştırmaların en yeni, en iyi belirlenmiş ve hızla gelişmekte
olan bilim dallarından biridir.
 Glikopatoloji, Glikoimmünoloji ve Glikoteknoloji gibi alt
bölümleri, bilimdalı olarak gelişmekte ve bu alt bilimlerinin
sayısı hızla artmaktadır.
 Birbiriyle ilişkili bu alanlar GLİKOBİLİMLER
(GLYCOSCIENCES) adı altında toplanmaktadır.
Kullanılan Kaynaklar
 Ajit Varki et al. Essential of Glycobiology Cold Spring
Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York
(1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009)
 Karaçalı S., Glikobiyoloji, Modern Moleküler Biyoloji,
TUBITAK,Turk J. Vet. Anim. Sci.;27,489-495, 2003.
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER