Biyomoleküllere Giriş (Tıbbî Biyoloji ve Genetik Ders Notları)

BİYOMOLEKÜLLERE GİRİŞ
TIBBÎ BİYOLOJİ VE GENETİK DERS NOTLARI

Necdet Ersöz
Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi

Bu yazıda organizmalarda bulunan biyomoleküllere kısa ve genel bir giriş yapacağız. Biyomoleküllerin ortak bir özelliği, karbon zincirine sahip olmalarıdır. Karbon atomunun dış yörüngesinde 4 elektronun olması, karbonu oldukça geniş bir çeşitlikte bağ yapma kapasitesine sahip yapar. Karbon molekülleri, zincirli, dallı ya da halkalı formlarda bulunabilir. Karbona bağlanan –OH, -NH₂, -H₂PO₄ gibi gruplar, karbon moleküllerini şeker, aminoasit ve nükleotit yapıları hâline getirir. Merkezî karbona bağlanan bu türdeki özel gruplara “fonksiyonel grup” ismi verilir.

D-glukoz, aminoasit ve nükleotit yapıları

Karbon molekülleri arasında izomerlik söz konusu olabilir. İzomerler, aynı molekül formülüne sahip; ancak farklı yapılardaki moleküllerdir. Yapısal izomerler C iskelet yapısında farklılıklar, stereoizomerler ise fonksiyonel grupların lokasyonuna göre farklılıklar barındırır. Enantiyomerler, stereoizomerlerin özel bir formudur. Enantiyomer moleküller, birbirinin ayna görüntüsüdür. 4 farklı molekül gruba bağlanmış karbon atomu barındıran moleküllere ise özel olarak kiral molekül adı verilir. Merkezî karbon atomuna da asimetrik karbon denir. Kiral moleküller polarize ışığı soldan dağa (D-form) ya da sağdan sola (L-form) kıracak şekilde olabilir. Bu özellik, kiral molekülün isimlendirilmesinde başta belirtilir. Organizmalarda bulunan aminoasitler sıklıkla L-formda, şekerler ise D-formdadır. Enantiyomerlik ve kiralite, organik kimya ve ilaç sanayiinde oldukça önemlidir. Normal koşullarda enantiyomer olan iki kiral molekülün organizmaya etkisi bakımından büyük farklılıklar meydana gelebilir; bunlardan biri terapötik nitelikte iken diğer ölümcül dâhi olabilir. Buna yakın medikal tarihten en belirgin örnek, 1950-60lı yıllarda farklı bir terapötik nitelik için (gebelikte sabah bulantısını engellemek üzere) hâmilelere reçete edilen thalidomide isimli ilaçtır. Thalidomide, bireylere enantiyomerlerin karışımı hâlinde verilmiş ve bunlardan biri kısmen istenen etkiyi gösterirken diğeri potent teratojen gibi davranıp çok ciddi doğumsal anomalilere ve defektlere sebep olmuştur. Thalidomide vücuda tamamen istenen enantiyomer formunda verilse bile organizmada istenmeyen enantiyomere dönüşme ihtimâli vardır. Thalidomide gibi literatürümüzde kötü vakalarla birlikte, genelde ise enantiyomerlerin farmakolojik olarak birisi aktifken diğeri inaktif olup inaktif enantiyomer organizmada yer alsa bile doğrudan zararlı etkilerini göstermez.

Medikal tarihte kötü bir yer edinmiş “thalidomide” kiralite ve enantiyomerliği. Gösterilen (+) izomer gebelikte sabah bulantısını önlemek için etkili olabilecekken (-) izomer potent teratojendir. Rasemik, yani kiral molekülleri birlikte barındıran bir karışım olarak preskribe edilen thalidomide, geçtiğimiz birkaç on yılda ciddi doğumsal defektlere sebep olmuştur. Thalidomide vakalarından sonra ilaçlarda rasemik karışım kullanılması noktasında dünya genelinde oldukça büyük tartışmalar yaşanmıştır.

Enantiyomerlerin farmakolojik rollerine dair bir diğer örnek “DOPA”. L-DOPA, Parkinson hastalığı tedavisinde kullanılan bir ilaçtır. D-DOPA ise aynı hastalık üzerinde aktif değildir.

Monomerlik ve Polimerlik

Monomerler, dehidrasyon reaksiyonuyla polimerleri meydana getirir. Polimerler ise hidroliz reaksiyonuyla monomerlerine ayrılır. Dehidrasyon, esasında bir sentez tepkimesi olup bu tepkimede bağlar yapılırken su açığa çıkar. Hidroliz reaksiyonunda ise var olan bağların su katılımıyla açılması söz konusudur. Nişasta, glikojen ve proteinler, polimerlere örnektir.

Karbonhidratlar

Karbonhidratlar, insan organizmasında majör enerji kaynağıdır ve biyolojik olarak aktif pek çok molekülün yapısına katılır. Karbonhidratlar karbon sayılarına göre monosakkaritler, disakkaritler, oligosakkaritler ve polisakkaritler olarak ayrılabilir. Monosakkaritler en basit şeker birimleri olup içerdikleri karbon sayılarına göre 3C triozlar, 4 C tetrozlar, 5 C pentozlar, 6 C heksozlar, 7C, 8C… olarak (Latince isimleriyle) ayrılabilir. Bu sınıflamada en bilinen örnekler olarak 3Clulara gliseraldehit, dihidroksiaseton; 4Clulara eritroz, eritruloz, 5Clulara riboz, ribuloz, deoksiriboz; 6Clulara glukoz, fruktoz, galaktoz, 7Clulara sedoheptiloz, 8Clulara nöraminik asit verilebilir. Şekerler, bulundurdukları aldehit ya da keton gruplarına göre ayrıca aldoz veya ketoz olarak da sınıflanabilir.

Monosakkaritlerin aldehit ve keton gruplarının bir başka molekülün –OH grubuyla oluşturduğu bağa glikozid bağı denir. Glikozid bağı, bir çeşit asetal bağdır.

Glikozit bağı oluşumu

Disakkaritler glikozit bağıyla bağlanmış ikili monosakkarit yapılarıdır. Bunlara örnek olarak maltoz (glukoz-glukoz), sükroz (glukoz-früktoz) ve laktoz (glukoz-galaktoz) verilebilir. Oligosakkaritler 3-12 kadar monosakkaritten meydana gelen çoklu şeker yapılarıdır. Polisakkaritler ise hidrolize edildiklerinde 12’den fazla monosakkarit elde edilir. Burada oligosakkarit ve polisakkarit ayrımı esasında çok keskin olmayıp her ikisi de çok sayıda monosakkarit barındıran karbonhidratları anlatmakta kullanılır. Bu yapılara örnek olarak homopolisakkarit, heteropolisakkarit, glukan, fruktozan, inülin (nefrolojide klinik önemli bir çeşit fruktozan), nişasta (amiloz ve amilopektin formları), glikojen, selüloz, kitin verilebilir.

5 veya daha fazla karbon (C) içeren monosakkaritlerin %99’u hemiasetal veya hemiketal halkası meydana getirir. Çünkü şekerlerin halkasal (siklik) formları düşük enerjilidir ve daha kararlı hâldedir. Moleküllerde, düşük enerji ve kararlı hâle doğru bir spontan kimyasal eğilim söz konusudur. Halkanın 6 üyesi varsa (5 tane C ve 1 tane O₂) bu halkaya piranoz halkası, 5 üyesi varsa (4 tane C ve 1 tane O₂) bu halkaya furanoz halkası adı verilir. Halkasal formda normalde asimetrik olmayan C atomu, böylece asimetrik hâle gelerek “anomer C atomu” ismini alır. Bu anomere bağlı –OH grubu eğer düzlemin üzerinde ise α (alfa), altında ise β (beta) form söz konusudur. Alfa-beta şekiller sulu çözeltide birbirlerinde dönüşerek denge hâlinde bulunur. Bu dönüşüme mutorotasyon denir. Karbonhidratlar ve yazının devamında bahsedeceğimiz diğer biyomoleküller ile ilgili detaylı teknik bilgiler organik kimya, tıbbî biyokimya ve tıbbî fizyoloji bölümlerinde verilecek olup burada sadece moleküler biyoloji düzeyinde bu moleküller okura tanıştırılacaktır.

Proteinler

Proteinler, aminoasit zincirlerinden oluşan makromoleküllerdir. Canlı organizmada 20 adet aminoasit natürel olarak bulunur. Tipik bir aminoasit bir santral (alfa) karbon, amino grup, karboksil grup ve değişken (R) gruba sahiptir. Glisin hâriç biyolojik aminoasitlerin hepsi alfa karbon etrafında bir kiraliteye sahiptir. 20 aminoasidin hepsinde değişken grup farklı olup bu durum aminoasidin işlevsel doğasını etkiler.

Aminoasitler arasında peptid bağları meydana gelir. Peptit bağları bir aminoasidin karboksil (-COOH) grubuyla diğer aminoasidin amino grubu (-NH₂) arasındadır. Oluşan aminoasit zincirleri ileri katlanmalarla oluşan polipeptit ve proteinleri işlevsel hâle getirir.

Proteinler, biyolojik yapıda oldukça önemli fonksiyonlar üstlenmektedir. Bunlara örnek olarak spesifik reaksiyonlara özel enzim katalizi, bağışıklık rolü (antikorlar), organizmada çeşitli moleküllerin transportu (hemoglobin, miyoglobin, transferrin…), yapısal destek (keratin, kollajen, fibrin…), hareket (aktin, miyozin, sitoiskelet elemanları…), regülasyon (bazı hormonlar, hücre reseptörleri…) ve depo görevini (Ca²⁺ ve Fe) verebiliriz.

Proteinlerin yapısal olarak dört organizasyon seviyesi vardır. Primer yapı, proteini meydana getirecek olan aminoasitlerin oluşturduğu özgül, ip gibi zincir yapısıdır. Sekonder yapı, aminoasit zincirinin tabaka ve heliks şekillerini aldığı yapıdır. Tersiyer yapı, aminoasit zincirinin üç boyutlu işlevsel bir şekil aldığı yapıdır. Kuarterner yapıda ise birden fazla aminoasit zinciri birleşerek fonksiyonel bir hâl kazanır.

Nükleik Asitler: DNA ve RNA

DNA (deoksiribonükleik asit), çift zincirli bir nükleotit polimeridir (polinükleotid). İki zincir, birbirine bağlanarak DNA’ya özgü bir heliks formu meydana getirir. Nükleik asitler hücresel büyüme, çeşitli işlevler ve üreme için bilgi taşıyan kompleks moleküllerdir. Yapı taşları nükleotidlerdir. Bir nükleotid, bir azotlu organik baz, bir pentoz şekeri ve bir fosfat grubundan oluşur.

DNA yapısı ve formasyonu

Tipik bir nükleotid yapısı gösterimi

Nükleotid yapılarında görülen azotlu bazlar, iki genel formda incelenir. Bunlar adenin (A) ve guanin bazlarını içeren pürinler ve sitozin (C), timin (T) ve urasil (U) bazlarını içeren pirimidinlerdir.

Nükleik asitlerin yapı taşları nükleotidlerde yer alan azotlu organik bazların moleküler yapıları.

Nükleotidlerde yer alan şekerler, pentoz (5C) yapısındaki riboz ve deoksiriboz şekerleridir. Riboz şekerler RNA, deoksiriboz şekerler DNA yapısında yer alır. Deoksiriboz, 2 numaralı karbonda bir O atomu bulundurmamasıyla riboz şekerinden ayrılır. Oksijen bulunduran ribozun bu özelliği, deoksiriboza göre ribozu daha az kararlı yapar. Bu durum, RNA’nın DNA’ya göre neden kararlı kalıtım molekülü olmadığını açıklayan moleküler özelliklerden biridir. Nükleotitler, asidik niteliktedir.

Nükleozid, riboz ya da deoksiriboz şekerinin 1 nolu karbonuna glikozitik bağla bağlı bir azotlu baz içeren yapıdır. Nükleozidler, azotlu organik bazın sonuna pürinlerde –ozin, pirimidinlerde –idin eklenerek isimlendirilir: deoksiadenozin, uridin… gibi. Nükleozidlere ek olarak fosfat grupları bağlanırsa difosfat ve trifosfat yapıları oluşur. Bu şekilde oluşan adenozin trifosfat (ATP) molekülü, yaşamsal organizmaların hücresel aktiviteler için temel enerji taşıyıcısı olarak görev yapar.

ATP molekülü

Nükleik asitlerin primer yapısı, onların nükleotid sekansıdır. Nükleik asitlerdeki nükleotidler birbirine fosfodiester bağı ile bağlanır. Nükleotidlerde yer alan şekerlerdeki 3’-OH grubu komşu nükleotidin şekerinin 5’-C üzerindeki fosfat grubuyla ester (fosfodiester) bağı yapar. Dizilimi göz önünde bulundurduğumuzda, bir nükleik asit polimerinin bir ucunda 5’-fosfat grubu, diğer ucunda da 3’-OH grubu serbest (açıkta) olarak bulunmaktadır. Bu dizilim, her zaman 5’ uçtan 3’ uca doğru gidecek şekilde okunur. Bu dizilimde şeker ve fosfatların tümü aynı doğrultuda oryante olur.

Figürde gösterilen sekansı okuma, 5’-A-C-G-T-3’ şeklinde olmalıdır.

RNA’da da A, C, G ve U bazları bulunmakta olup riboz ve fosfat grupları 3’-5’ fosfodiester bağını yapar. DNA’da ise U bazı yerine T bazı bulunur ve riboz yerine deoksiriboz şekeri yer alır.

DNA’nın ikincil yapısı, DNA çift heliks yapısıdır. Bu heliks yapısındaki baz çiftleri, birbirinde hidrojen bağları ile bağlanır. Bazların birbirlerine bağlanma durumları spesifiktir. DNA’da adenin bazı (A) yalnızca timin (T) bazıyla, sitozin bazı (C) yalnızca guanin bazıyla (G) hidrojen bağı yapar. Ayrıca adenin ve timin arasında ikili, guanin ve sitozin arasında üçlü hidrojen bağları şekillenir. Yani her bir çift, bir pürin ve bir pirimidinden oluşur ve bu bağlar vasıtasıyla iki zincir, birbirine eşit uzaklıkta yer alır.

Ribonükleik asit (RNA), hücrede DNA’dan daha çok bulunur. DNA ve RNA arasında birtakım farklılıklar söz konusudur. Bunlara örnek olarak aşağıdakiler verilebilir:

·         RNA’da pentoz şekeri riboz iken, DNA’da deoksiribozdur.

·         RNA’da timinin yerini urasil bazı almıştır.

·         RNA çoğu durumda tek zincirli iken DNA çoğu durumda çift zincirlidir.

·         RNA molekülleri genellikle DNA’dan moleküler olarak daha küçük boyutludur.

·         Tipik olarak RNA, messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA) ve ribozomal RNA (rRNA) şeklinde üçe ayrılır.

Messenger RNA (mRNA) hücrede tüm RNA’ların %5-10’una tekabül eder. Temel işlevi nükleustaki DNA’dan ribozomlara protein sentezi için kalıtımsal bilgi taşınımıdır. DNA’dan gelen bilgi ve mRNA bilgisi, komplementerdir. Transfer RNA (tRNA), hücrede %10-15 dolaylarında bulunur ve protein sentezi için ribozomlara spesifik aminoasitler taşır. Transfer RNA (tRNA), tersiyer bir nükleik asit olup L-formludur. Antikodon lopları barındırır. Bir tarafı aminoasit taşımak için özelleşmiş iken bir tarafıyla da mRNA’ya bağlanır. Belirli bölgelerinde hidrojen bağları bulundurur. Ribozomal RNA (rRNA), %75-80 kadar bulunmakta olup ribozomların yapısal komponentlerindendir. Ribozomların yaklaşık %65’ini rRNA, %35’ini de proteinler oluşturur.

DNA’da yer alan karşılıklı zincirler komplementer olup aynı değildir. Zincirler birbirine çok sayıda hidrojen bağı ile bağlanır. Tek bir hidrojen bağı rölatif olarak güçsüz sayılsa da bazlar arasında oluşan binlerce hidrojen bağı, DNA molekülünü kolektif biçimde güçlü kılar. DNA’nın “double helix” yapısı, tümdengelim yöntemiyle Watson ve Crick isimli bilim insanları tarafından 1953 yılında açığa kavuşturulmuştur.

Lipidler

Lipidlerin biyolojik rolleri arasında enerji depolama, yapı görevi, mekanik koruma, pigmentasyon ve hücresel iletişim gibi işlevler yer alır. Hemen hepsi hidrokarbonlardan oluşmakta olup hidrofobik, nonpolar yapıdadır. Suda çözünmezler. Lipidler suya bırakıldıklarında spontan olarak kümeleşme gösterir. Fosfolipidlerin suda oluşturduğu spontan kümeleşmelere “misel” adı verilir. Misellerin, ilkin yeryüzü şartlarında hücresel formasyonu meydana getirecek membran yapısını oluşturduğu düşünülmektedir.

Basit misel oluşumu gösterimi

Trigliserit yapıları, 1 gliserol (3C) ve 3 yağ asidi içerir. Trigliseritler dehidrasyon reaksiyonuyla, su çıkararak oluşur.

Trigliserit oluşum tepkimesi (dehidrasyon).

Yağ asitleri doymuş ya da doymamış olabilir. Doymuş yağ asitlerinde hiçbir çift C-C bağı bulunmaz. Moleküller, bu nedenle çift bağ nedeniyle oluşan kıvrımları içermez, düzdür. Düz moleküller oda koşullarında katı yağları meydana getirir. Doymamış yağ asitleri            zincirin bir ya da birden fazla noktasında çift C-C bağları taşır. Bu nedenle zincir, bu noktalardan kıvrım gösterir. Kıvrım gösteren yağlar, bu nedenle yağların sıvı olmasına neden olur. Bu yağlarda Van der Waals etkileşimleri de azalmıştır. Doymamış yağ asitleri, çift bağ pozisyonlarına H eklenerek doymuş yapılır. Doymuş yağlar kanda LDL seviyesini artırabilir. Doymuş yağlar en çok hayvansal gıdalarda bulunur. Çoklu doymamış yağlardan omega-3 yağı kan ve damar sağlığı üzerinde protektif etkilere sahiptir. Omega-3 en çok deniz balıklarında, bademde ve bazı hayvansal gıdalarda bulunur.

Bir başka yağ olan fosfolipidler, hücresel membranların esas komponentidir. Bunlar plazma membranında, nükleer zarfta, endoplazmik retikulumda (ER), Golgi aparatında ve diğer membranla çevrili veziküllerde bulunur. Yapısal ve kimyasal olarak trigliseritlere benzer; ancak bir yağ asidi yerine fosfat grubu geçmiştir. Fosfat grubu, bu nedenle bu yağlara hidrofilik nitelik kazandırır. Steroidler ise yapısal ve kimyasal olarak diğer lipid gruplarından farklılıklar barındırır. Steroidler, nonpolar ve hidrofobik nitelikleri nedeniyle “lipid” klasifikasyonunda yer alır; ancak lipidlerin standart fonksiyonlarından farklı görevleri söz konusudur. Steroidler 6 ve 5 karbonlu halkasal formlarda bulunur ve bunlardan sentezlenen yapılar, kimyasal messenger (hormon) olarak görev yapar. Eşey hormonları olan testosteron ve östrojen bunlara örnektir. Ayrıca hücre membranının bir komponenti olan kolesterol, tipik bir steroiddir.

Testosteron

Yazar: Necdet Ersöz (Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi)

Yazara sosyal medyadan erişim: