moleküler biyoloji 1 - Gene-Cell
advertisement
MOLEKÜLER BİYOLOJİ (2011-2012) Doç. Dr. Ercan ARICAN İ.Ü. Fen Fakültesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü A. Hücreler ve Makromoleküller A1. HÜCRESEL SINIFLANDIRMA A. Hücreler ve Makromoleküller A1. HÜCRESEL SINIFLANDIRMA Öbakteriler: Yapısal olarak prokaryot organizmalar olan bu hücreler, genellikle sert bir hücre duvarı ile çevrelenmiş hücre zarına sahiptirler. Fakat hücre içi organellerine sahip değildirler. Bir tane ve genellikle halkasal kromozoma sahiptirler. Tek veya çok hücreli oloabilirler. E. coli en iyi çalışılmış bir öbakteridir. Prokaryotlar tipik olarak 1-10 µ çapında ve hayvan bağırsaklarından asidik sıcak sulara kadar hemen hemen her koşulda yaşayabilen en basit canlı hücrelerdir. Bir prokaryotun yüzeyi, diğer hücrelere ve yüzeylere tutunmayi sağlayan, pili ve hücrenin kendi etrafında dönmesi ve yüzmesini sağlayan flagella(kamçı) bulundurabilir. Öbakteriler: Yapısal olarak prokaryot organizmalar olan bu hücreler, genellikle sert bir hücre duvarı ile çevrelenmiş hücre zarına sahiptirler. Fakat hücre içi organellerine sahip değildirler. Bir tane ve genellikle halkasal kromozoma sahiptirler. Tek veya çok hücreli oloabilirler. E. coli en iyi çalışılmış bir öbakteridir. Prokaryotlar tipik olarak 1-10 µ çapında ve hayvan bağırsaklarından asidik sıcak sulara kadar hemen hemen her koşulda yaşayabilen en basit canlı hücrelerdir. Bir prokaryotun yüzeyi, diğer hücrelere ve yüzeylere tutunmayi sağlayan, pili ve hücrenin kendi etrafında dönmesi ve yüzmesini sağlayan flagella(kamçı) bulundurabilir. Arkea: Ekstrem çevre koşullarında yaşamaya eğilimlidirler. Yapısal olarak öbakterilere benzerler. Ancak ribozomal RNA (rRNA) molekülleri temel alındığında ökaryotlarından ve öbakterileriden farklılık gösterirler ve zar lipidlerinde ester bağları yerine eter bağları bulundururlar. Arkea’lar enerji üretimi ve metabolizmaları yönüyle karşılaştırıldığında daha çok öbakterilere, replikasyon, transkripsiyon ve translasyon bakımından ise daha çok ökaryotlara benzerlik gösterirler. Ökaryotlar: Mantar, bitki ve hayvan hücreleri lipid zarlarla çevrili çok tanımlanmış organellere sahiptir. Özelleşmiş fonksiyonları yerine getirmek üzere yapısal olarak zarlarla çevrili organellere sahip olmalarıyla tanımlanırlar. 10-100 µ çapındadırlar. Bitkiler ve birçok mantar aynı zamanda sert bir hücre duvarına sahiptirler. Oldukça organize bir jel kıvamındaki sitoplazma, organellere ve ribozomlara ek olarak, hücrenin hareketini ve şeklini kontrol eden ve hücrenin bir çok metabolik reaksiyonunun gerçekleşmesine yardımcı olan hücre iskeleti olarak adlandırılan protein iplikçikleri demeti bulundurur. Bu iplikçikler tubilin’den oluşan mikrotubül’leri ve aktinden oluşan mikroflamentler’i içerir. Çoğu ökaryotlar organizmanın tüm özelleşmiş dokularını meydana getirmek için gelişim sırasında farklılaşmaya giren hücrelerden meydana gelirler. Farklılaşma: Bir hücre bölündüğünde yavru hücreler her yönden birbirinin aynısı olabilir veya ana hücreden fonksiyonel olarak farklılaşmak için gen ifade tarzlarını değiştirebilirler. Prokaryotlar ve basit yapılı ökaryotlarda spor oluşumu böyle bir hücresel farklılaşmaya örnektir. Kompleks çok hücreli ökaryotlarda ise embriyonik hücreler kas, beyin, karaciğer ve böbrek gibi oldukça özelleşmiş hücrelere dönüşürler. DNA içeriği aynı kalmakta fakat anlatıma uğrayan genler değişmektedir. A2. ORGANELLER Çekirdekler (Nukleus): Ökaryotik hücre çekirdekleri çoklu kromozomlar üzerinde hücrenin genetik bilgisini taşır, her bir kromozom bir tek DNA molekülünden meydana gelir. Çekirdek nuklear zar olan iki katlı lipit zar ile çevrili olup; bu yapı oldukça büyük moleküllerin geçebildiği büyük porlar içermektedir. RNA’nın transkripsiyonu çekirdekte gerçekleşir ve işlenmiş RNA molekülü translasyonun gerçekleşeceği sitoplazmaya geçer. Çekirdekçikler (nukleolus) rRNA’nın sentezlendiği ve ribozomların kısmen toparlandığı çekirdek içerisindeki cisimlerdir. Mitokondri ve Kloroplastlar: Hücresel solunum, yani besinlerin adenozin 5’-trifosfat (ATP) formunda enerji meydana getirmek için oksitlenmesi mitokondrilerde gerçekleşir. Mitokondriler düz bir dış zara ve kristalar olarak adlandırılan çıkıntılı iç zara sahiptirler. Mitokondriler küçük halkasal DNA molekülü, mitokondriye özgü RNA ve bazı mitokondriyal proteinleri sentezleyen ribozomları bulundururlar. Ancak mitokondri (ve kloroplast) proteinlerinin çoğu çekirdekteki DNA tarafından kodlanır ve sitoplazmada sentezlenir. Bitkilerin kloroplastları, karbonhidrat ve oksijen meydana getirmesi için CO2 ve suyun ışık-bağımlı asimilasyonunun gerçekleştiği fotosentetik merkezlerdir. Kloroplastlarda kristalar yerine iç zar boşluğunda üçüncü bir zar sistemine (tilakoidler) sahip olmaları dışında mitokondrilerle benzer yapılardır. Endoplazmik retikulum: Sitoplazma içinde yoğun bir zar sistemidir ve çekirdek zarı ile devamlılığı vardır. Birçok hücrede 2 form olarak görülürler. Düz endoplazmik retikulum zarları, bazı lipitlerin biyosentezinden ve ilaçlar gibi yabancı maddelerin oksidasyon ve detoksifikasyon (ksenobiyotikler) sorumlu olan birçok enzimi taşır. Granüllü endoplazmik retikulum (GER) birçok ribozomu bulundurduğu için bu adı alır. BU ribozomlar, plazma ve süt proteinleri gibi hücre tarafından salgılanacak özel proteinleri veya plazma zarı ya da özel organellerin ihtiyacı olan proteinleri sentezlerler. GER üzerinde sentezlenen lipitler ve proteinler özelleşmiş taşıma vesikülleri içerisinde, daha ileri modifikasyon ve ayrıştırmaların gerçekleştiği ve yassılaşmış zar kesecikleri demeti olan golgi kompleksine taşınır. Mikrocisimcikler: Lizozomlar golgi kompleksinin tomurcuklanarak ayrılan; proteinler, nukleik asitler, lipitler ve karbonhidratları parçalayacak çeşitli enzimleri içeren küçük, zarla çevrili organellerdir. Bunlar hücre dışından alınan veya hasar görmüş organellerden gelen makromoleküllerin geri dönüşüm merkezleri olarak işlev görürler. Oldukça yüksek reaktif serbest radikaller ve hidrojen peroksit meydana getiren bazı metabolik reaksiyonların ürünleri peroksizomlar adı verilen organellerde, hücresel bileşenlerin zarar görmesini önlemek amacıyla etkisizleştirirler. Peroksizomlar hidrojen peroksit (H2O2) yıkan katalaz enzimini içerirler. Glioksizomlar, glikosilat döngüsü reaksiyonlarını gerçekleştiren özelleşmiş bitkisel peroksizomlardır. Lizozom, peroksizom ve glioksizomların tümü mikrocisimcikler olarak adlandırılır. A3. MAKROMOLEKÜLLER Proteinler ve Nukleik asitler: Proteinler, peptit bağları ile birbirine bağlanmış amino asitlerin polimerleridir. DNA ve RNA nukleik asitleri; azotlu baz, 5 karbonlu şeker (Riboz, deoksiriboz) ve bir fosforik asitten meydana gelen nukleotitlerin polimeridir. Hücresel RNA’nın başlıca 3 tipi vardır: mesajcı RNA (mRNA), ribozomal RNA (rRNA) ve transfer RNA (tRNA). Nukleik asitler genetik bilginin saklanması ve işlenmesine katılır, fakat bu bilginin ifadesi için proteinlere ihtiyaç vardır. Polisakkaritler: Basit şekerlerin glikozidik bağlarla kovalent olarak bağlanmış polimerleridir. Selüloz ve nişasta bitkilerde bol bulunan bileşenlerdir. Bunların her ikiside glukoz polimerleri olmalarına rağmen, glukoz monomerleri birbirlerine farklı yolla bağlanmışlardır. Selüloz, α (1-4) bağları ile düz bir polimerdir ve bitki hücre duvarının başlıca bileşenidir. Nişasta bir şeker deposudur ve metabolizmada hızlı bir şekilde hidrolize olarak glukoza dönüşebilen büyük hücre içi tanecikler olarak bulunur. Nişasta 2 bileşeni içerir.: α(1-4) bağı doğrusal polimer olan α-amiloz ve ilave α(1-6) bağlantılarla dallanmış bir polimerdir. Mantarlar ve bazı hayvansal dokular (karaciğer ve kas) glukozu amilopektin gibi dallı polimer olan glikojen halinde depo ederler. Kitin, böceklerin ve kabukluların (Crustacea) dış iskeletinde ve mantarların hücre duvarlarında bulunur. Kitin selüloza benzer, fakat monomer birimi N-asetilglukozamin’dir. Mukopolisakkaritler, bağ dokusunun fibröz proteinleri içine gömülü halde jel benzeri solüsyonlar oluştururlar. Lipitler: Tek başlarına tam anlamıyla makromoleküller olmamakla birlikte, birçoğu küçük monomerik birimlerden oluşur ve diğer birçok makromoleküllerin birleştirilmesine katılırlar. Büyük lipit molekülleri doğada genellikle hidrokarbon formundadır ve suda çok az çözünürler. Lipitlerin bir bölümü enerjinin transferi ve depolanmasında görev yaparken diğerleri ise zarların, koruyucu zarların ve diğer hücre yapılarının anahtar bileşenidir. Gliseritler bir mol gliserole esterlenmiş uzun zincirli bir, iki veya üç yağ asidine sahiptir. Hayvansal trigiliseritlerde, yağ asitleri çift bağ bulundurmaz (doymuş) ve bu yüzden zincirler düzdür, moleküller sıkı bir şekilde paketlenebilir ve sonuçta meydana gelen yağlar katıdır. Bitkisel yağlardaki yağ asitleri bir veya daha fazla sayıda çift bağlara sahiptir. Bu zincirlerin açılı yapıları sıkı paketlenmeyi önler, dolayısıyla bitkisel yağlar oda sıcaklığında sıvı olma eğilimindedir. Zarlar gliserol ile esterleşmiş iki yağ asiti ile fosforik asitten meydana gelen fosfolipitleri içerirler. Ayrıca fosfat genellikle serin, etanolamin, inozitol veya kolin gibi bir küçük molekülle esterleşirler. Zarlar ayrıca bir amit bağıyla yağ asidine bağlanmış uzun zincirli amino alkol sfingozin olan seramit gibi sfingolipitler de bulundurur. Fosfokolinin bir seramite bağlanması sifingomiyelini üretir. Kompleks makromoleküller: Birçok makromolekül büyük biyomoleküllerin birden fazlasının kovalent veya kovalent olmayan birleşmelerine sahiptir. Örneğin, hemen hemen tüm enzimler proteindir, fakat bazıları katalitik aktivite için esansiyel olarak RNA bileşenine kovalent olmayan bağlarla bağlanması gerekir. Protein ve nukleik asitten oluşan yapılar nukleoprotein olarak bilinir. Ökaryotik kromozom uçlarının replikasyonundan sorumlu olan telomerazlar ve tRNA’yı olgunlaştıran ribonukleaz P bunlara örnektir. Glikoproteinler, protein ve karbonhidrat bileşenlerini içerir. Proteoglikanlar (mokoproteinler) proteinlerin büyük kompleksleridir ve mukopolisakkaritler bakteriyel hücre duvarlarında ve bağ dokusundaki hücrelerarası boşluklarda bulunur. Lipoproteinlerde, lipit ve proteinlerin kovalent olmayan bağlarla bağlanmasıyla oluşmuşlardır. Çünkü lipitler suda çok az çözünür ve dolayısıyla kanda lipoproteinler olarak taşınırlar. A4. MAKROMOLEKÜLER DÜZENLEMELER Protein kompleksleri: Hücre iskeleti hücrelerin hareketini, şeklini ve organellerin hücre içi dağılımını organize eden bir protein filamenti demetidir. Mikrotubüller, globüler bir protein olan tubulinin uzun polimerleridir. Bunlar kamçılama hareketi ile veya sıvıyı hücre yüzeyi boyunca iterek hücreyi hareket ettiren ve birçok ökaryotik hücrenin yüzeyinde bulunan tüye benzer siller ve kamçıların, ve hücre iskeletinin önemli bileşenleridir. Mikrofilamentler, kasılan yapıları oluşturarak sitoplazmik harekete neden olan aktin ve miyozin proteinlerinden meydana gelir. Aktin ve miyozin aynı zamanda kas tellerinin başlıca bileşenleridir. Nukleoprotein: Ribozomlar, protein sentez yeri olan büyük sitoplazmik ribonukleoprotein komplekslerdir. Bakteriyel 70S ribozomları toplam kütlesi 2.5x106 Da olan büyük (50S) ve küçük (30S) alt ünitelere sahiptir. 50S alt birim 23S ve 5S RNA molekülleri ile 31 farklı protein içerirken, 30S alt ünite bir 16S RNA molekülü ve 21 farklı proteine sahiptir. Ökaryotik 80S ribozomlar 60S (28S, 5.8S ve 5S RNA) ve 40S (18S RNA) alt ünitelere sahiptir. Kromatin ökaryotik kromozomları meydana getiren materyaldir. Kromatin, yaklaşık olarak eşit miktarda DNA ve histon adı verilen küçük bazik proteinlerden meydana gelmiş bir deoksiribonukleoprotein kompleksidir. Bu yapılar nukleozom denilen tekrarlayan birimleri oluşturur. Nukleozomların doğru bir şekilde toparlanması ve diğer kompleksleri için toparlayıcı proteinlere ya da kaperonlara gereksinim vardır. Histonlar DNA’daki şeker-fosfat omurgasının negatif yükleri arasındaki itici güçleri nötralize eder ve DNA’nın kromozomlar içinde sıkı bir şekilde paketlenmesini sağlar. Zarlar: Fosfolipitler ve sfingolipitler sulu ortamda bulunduklarında doğal olarak dışa bakan kısımında polar grupların, iç kısımda ise polar olmayan hidrokarbon zincirlerin yer aldığı bir bilayer lipit katmanı oluşur. Proteinler hücre diğer önemli bir bileşenidir. Periferal zar proteinleri dış yüzeye gevşek olarak bağlıdır veya bir lipit üzerine çökmüş olarak ya da glikozil fosfatidillinozitol çapası ile asılı bir şekilde bulunurlar. İntegral zar proteinleri zar içerisine gömülüdür ve zar parçalanmadan zardan uzaklaştırılamazlar. Bazıları zarın dış veya iç yüzeyinin dışına çıkarken, transmembran proteinleri ise bilayer tabaka içerisine tamamen yayılmışlardır ve hem hücre dışı hem de hücre içi yapılara sahiptirler. Zar proteinlerinin değişik fonksiyonları vardır. • Hormonlar ve nörotransmitterler gibi sinyal molekülleri için reseptörler • Hücre dışı moleküllerin hücre içine alımından önce yıkımı için enzimler • Küçük, polar iyonlar ve moleküülerin seçici taşınımı için polar veya kanallar • Hücre-hücre etkileşimi için aracılar B. PROTEİN YAPISI B1. AMİNO ASİTLER Yapısı: Proteinler L-amino asitlerin polimerleridir. Prolin hariç tutulursa, proteinlerde bulunan tüm 20 aa’in hepsi genel olarak α-karbonuna bağlı bir karboksil grup, bir primer amino grubu, bir proton ve her bir aa’e farklı olan bir yan zincir ( R ) sahiptir. Glisin dışında α-karbon atomu asimetriktir. Bu sayede aa’ler optikçe aktif stereoizomer çiftleri şeklinde var olabilir (D- ve L-). Buna rağmen, proteinlerde sadece L-izomerleri bulunur. Aa’ler sulu çözeltilerde dipolar iyonlardır (zwitteriyonlar) ve hem asit hemde baz gibi davranırlar (amfoterik). Yüklü yan zincirler: Referans noktası olarak pH 7 alınırsa, bazı aa’lerin yan zincirleri bu ph’da ekstra bir pozitif veya negatif yük sağladığından dolayı iyonlaşabilen gruplara sahiptir. Asidik aa’ler, aspartik asit ve glutamik asit, genellikle iyonlaşan (negatif yüklü) ilave karboksil gruplarına sahiptir. Bazik aa’ler, pozitif yüklü gruplara sahiptir; lizin ε-karbon atomuna bağlı ikinci bir amino grubuna sahipken, arjinin bir guanidin grubuna sahiptir. Polar yüksüz yan zincirler: Bunlar suyla hidrojen bağlarını oluşturan grupları içerirler. Bunlar yüklü aa’lerle birlikte genelde hidrofilik (su seven) olarak tanımlanırlar. Serin ve treonin hidroksil gruplarına sahipken, asparagin ve glutamin, aspartik asit ve glutamik asitin amit türevleridir. Polar olmayan alifatik yan zincirler: Glisin yan zincir yerinde bir hidrojen atumuna sahiptir ve optikçe inaktiftir. Prolin sekonder aa olmasından dolayı genel aa’lerden ayrı özellik gösterir. Alanin, valin, lösin ve izolösin yan zincirlerinde hidrofobik (su sevmeyen) alkil gruplarına sahiptir ve bu gruplar protein yapılarında hidrofobik etkileşimlere katılırlar. Aromatik yan zincirler: Fenilalanin, tirozin ve triptofan çok büyük hidrofobik yan zincirlere sahiptir. Bu aa’lerin aromatik yapıları, 280 nm’de maksimum absorbsiyon yapan proteinlerin, UV absorbansının büyük bir kısmını gerçekleştirir. B2. PROTEİN YAPISI VE FONKSİYONU Boyutları ve şekilleri: Proteinler iki büyük gruba ayrılabilirler. Globüler proteinler sıkı bir şekilde katlanmıştır ve solüsyonlarda az veya çok küresel partiküller halindedirler. Enzimlerin çoğu doğada globüler yapıdadır. Fibröz proteinler oldukça büyük aksiyal oranlara (uzunluk/genişlik) sahiptir ve bunlar önemli yapısal proteinlerdir, saç keratini gibi. Primer yapı: Bir aa’in α-karboksil grubu diğer bir aa’in α-amino grubuna yaygın olarak peptit bağı olarak bilinen bir amit bağı ile kovalent olarak bağlanır. İki aa’in bu yolla birleşmesi ile oluşan ürün bir dipeptittir. Çok sayıda aa peptit bağları ile bağlanarak bir polipeptidi oluşturur. α-karbon atomlarının tekrarlayan dizisi ve peptit bağları polipeptidin omurgasını oluştururken, aa’lerin farklı yan zincirleri proteinlerde fonksiyonelliği belirler. Aa’lerin N-ucundan C-ucuna olan dizisi polipeptidin primer yapısıdır. Sekonder yapı: Peptit bağlarının birleşme yerlerinde serbest rotasyon olmasına rağmen bu durum, peptit bağının düz ve serbest yapısını ortaya çıkarır. Bu polarite uygun aralıkta ve yöndeki peptit bağ üniteleri arasında H bağlarının oluşmasına neden olur. Bu sayede, H bağları ile bir arada tutulan birkaç düzenli yapılar şeklinde polipeptit zincirleri katlanabilir. En iyi bilinen sekonder yapı α-heliks’dir. α-heliks sekonder yapı örnekleri genelde globüler proteinlerde, az bir kısmı fibröz proteinlerde bulunur. Tersiyer yapı: α-heliks ve diğer az rastlanan sekonder yapılar üç boyutlu düzenlenerek polipeptidin tersiyer yapısını oluşturur. Uygun şartlarda çoğu polipeptidler genelde çok az bir enerji ile doğru tersiyer yapıyı oluşturacak şekilde katlanırlar. Fakat, yeni polipeptit zincir sentezleri öncesi yanlış katlanmaları önlemede yardımcı olan kaperonlar adı verilen proteinlerin katkısıyla in vivo doğru katlanmalar yapılır. Yüksek sıcaklık şoku veya aşırı pH uygulaması ile sekonder ve tersiyer yapıların bozulması, proteinlerin denatürasyonuna neden olur ve rastgele sarmal yapısını ortaya çıkarır. Kuaterner yapı: Proteinlerin çoğu iki veya daha fazla polipeptit zincirinden meydana gelmiştir. Bu zincirler birbirinin aynısı veya farklısı olabilir. Hemoglobin iki α globin ve iki β-globin zincirine (α2β2) sahiptir. Tersiyer yapıyı kararlı hale getiren benzer kuvvetler, bu alt üniteleri bir arada tutar. Bunlara polipeptitdeki sisteinler arasındaki disülfit bağları da dahildir. Bu organizasyonun seviyesi kuaterner yapı olarak adlandırılır ve belirli sonuçlara sahiptir. Proteinler ne yapar? • Enzimler; Katalitik olarak aktif birkaç RNA molekülü hariç bütün enzimler proteindir. Biyokimyasal reaksiyonların hızını önemli ölçüde arttırırlar. Substrata bağlanma, van der Waals kuvvetleri, H bağları, tuz köprüleri ve hidrofobik kuvvetleri kapsayan spesifik Aa yan zincirleri ile kovalent olmayan etkileşimlerle gerçekleşir. * Sinyalleşme; Hücre zarındaki reseptör proteinler ligandlara (örn. hormonlar) bağlanabilir. Bu durumda yapısal değişiklikler ortaya çıkar, hücre içerisinde liganda cevap olarak reaksiyonlar başlar. • Taşıma ve depolama; Hemoglobin kırmızı hücrelerde oksijen taşırken, transferrin ise karaciğere demir taşır. Demir karaciğerde ferritin proteinlerine bağlı olarak depolanır. Besinsel yağlar kanda lipoproteinler tarafından taşınır. • Yapı ve hareket; Deri, kemik ve bağ dokudaki başlıca protein kollojendir. Saçlar ise esas olarak keratinden meydana gelmiştir. Hücre iskeleti örneğinde olduğu gibi hücre içerisinde daha birçok yapısal proteinler bulunmaktadır. Başlıca kas proteinleri olan aktin ve miyozin kas kasılmasını sağlayan filamentleri oluştururlar • Beslanme; Kazein ve ovalbumin süt ve yumurtanın başlıca proteinleridir ve gelişmekte olan yavrunun büyümesi için gerekli Aa’leri sağlamada kullanılırlar. • Bağışıklık; Bakteri, virüs diğer yabancı materyalleri (antijen) tanıyan ve onlara bağlanan antikorlar proteindir. * Regülasyon; Transkripsiyon faktörleri DNA’ya bağlanırlar ve DNA’nın fonksiyonlarını ayarlarlar.
