Protein ve Protein Yapısı

Proteinler, canlı sistemlerde en bol bulunan organik moleküllerden biridir ve tüm makromoleküller arasında en çeşitli işlevlere sahiptir. Proteinler yapısal, düzenleyici, kontraktil veya koruyucu olabilir. Taşımada, depolamada veya membranlarda hizmet edebilirler; veya toksin ya da enzim olabilirler. İşlevleri gibi yapıları da büyük ölçüde değişir. Ancak hepsi lineer bir dizilimde düzenlenmiş amino asit polimerleridir.

Bir proteinin şekli, işlevi için kritik öneme sahiptir. Örneğin, bir enzim, aktif bölgesinde spesifik bir substratı bağlayabilir. Bu aktif bölge, lokal değişiklikler veya genel protein yapısındaki değişiklikler nedeniyle değiştirilirse, enzim substrata bağlanamayabilir. Proteinin son şeklini veya konformasyonunu nasıl aldığını anlamak için, protein yapısının dört seviyesini anlamamız gerekir: birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül.

Birincil Yapı

Amino asitlerin bir polipeptit zincirindeki benzersiz dizisi, birincil yapısıdır. Örneğin, pankreas hormonu insülini, A ve B olmak üzere iki polipeptit zincirine sahiptir ve bunlar disülfid bağlarıyla birbirine bağlanır. A zincirinin N terminali amino asidi glisindir; oysa C terminali amino asit asparajindir.  A ve B zincirlerindeki amino asit dizileri insüline özgüdür.

Proteini kodlayan gen, sonuçta her protein için benzersiz diziyi belirler. Genin kodlama bölgesinin nükleotid dizisindeki bir değişiklik, büyüyen polipeptit zincirine farklı bir amino asit eklenmesine yol açarak protein yapısında ve işlevinde bir değişikliğe neden olabilir. Orak hücreli anemide, hemoglobin β zinciri, protein yapısında ve işlevinde bir değişikliğe neden olan tek bir amino asit ikamesine sahiptir. Spesifik olarak, β zincirindeki valin amino asidi glutamik asidin yerini alır. Zincirdeki bir amino asidin bu değişikliği nedeniyle, hemoglobin molekülleri, bikonkav veya disk şeklindeki kırmızı kan hücrelerini bozan ve kan damarlarını tıkayan hilal veya “orak” bir şekil almalarına neden olan uzun lifler oluştururlar. Bu, bu hastalıktan etkilenenler için nefes darlığı, baş dönmesi, baş ağrısı ve karın ağrısı gibi sayısız ciddi sağlık sorunlarına yol açabilir.

İkincil Yapı

Polipeptidin bazı bölgelerde lokal olarak katlanması, proteinin ikincil yapısına yol açar. En yaygın olanları α-sarmal ve β-yaprak tabaka yapılarıdır. Her iki yapı da hidrojen bağları ile şekillenir. Hidrojen bağları, bir amino asitteki karbonil grubundaki oksijen atomu ile zincir boyunca dört amino asit daha uzak olan başka bir amino asit arasında oluşur.

Bir alfa sarmalındaki her sarmal dönüş, 3.6 amino asit kalıntısına sahiptir. Polipeptidin R grupları (varyant grupları) α-sarmal zincirinden dışarı çıkar. β yaprak tabakada, polipeptit zincirinin omurgasındaki atomlar arasındaki hidrojen bağı "kıvrımları" oluşturur. R grupları karbonlara bağlıdır ve yaprak kıvrımlarının üstünde ve altında uzanır. Kıvrımlı bölümler birbirine paralel veya antiparalel olarak hizalanır ve amino grubundaki kısmen pozitif hidrojen atomu ile peptit omurgasının karbonil grubundaki kısmen negatif oksijen atomu arasında hidrojen bağları oluşur. α-sarmal ve β-yaprak tabaka yapıları, globüler ve fibröz proteinlerin çoğunda bulunur ve önemli bir yapısal rol oynarlar.

Üçüncül Yapı

Polipeptidin benzersiz üç boyutlu yapısı, üçüncül yapısıdır. Bu yapı kısmen polipeptit zinciri üzerindeki kimyasal etkileşimlerden kaynaklanmaktadır. Öncelikle, R grupları arasındaki etkileşimler, proteinin karmaşık üç boyutlu üçüncül yapısını oluşturur. İlgili amino asitlerdeki R gruplarının doğası, standart ikincil yapılar için tanımladığımız hidrojen bağlarının oluşumunu engelleyebilir. Örneğin, benzer yüklere sahip R grupları birbirini iter ve farklı yüklere sahip olanlar birbirini çeker (iyonik bağlar). Protein katlanması gerçekleştiğinde, polar olmayan amino asitlerin hidrofobik R grupları proteinin içinde bulunur; hidrofilik R grupları ise dışarıdadır. Sistein yan zincirleri arasındaki etkileşimler, protein katlanması sırasında oluşan tek kovalent bağ olan oksijen varlığında disülfid bağları oluşturur.

Zayıf ve güçlü tüm bu etkileşimler, proteinin son üç boyutlu şeklini belirler. Bir protein üç boyutlu şeklini kaybettiğinde artık işlevsel olmayabilir.

Dördüncül Yapı

Doğada, bazı proteinler birkaç polipeptit veya alt birimden oluşur ve bu alt birimlerin etkileşimi dördüncül yapıyı oluşturur. Alt birimler arasındaki zayıf etkileşimler, genel yapıyı stabilize etmeye yardımcı olur. Örneğin, insülin (küresel bir protein) hidrojen ve disülfid bağlarının bir kombinasyonuna sahiptir ve bu da onun çoğunlukla bir top şeklinde kümelenmesine neden olur. İnsülin tek bir polipeptit olarak başlar ve kalan zincirleri bir arada tutan disülfid bağlarını oluşturduktan sonra translasyon sonrası modifikasyonun varlığında bazı iç dizileri kaybeder. Bununla birlikte ipek (fibröz bir protein), farklı zincirler arasındaki hidrojen bağının sonucu olan β-yaprak tabaka yapısına sahiptir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins.