PROTEİN SENTEZİENZİMLER ve VİTAMİNLER

Öncelikle, protein sentezinin yapılabilmesi içinaşağıdakilerin mutlaka mevcut olması gerekmektedir:

• DNA• Aktifleyici enzimler• Üç çeşit RNA (mRNA, tRNA, rRNA)• Ribozomlar• Bazı protein faktörleri• ATP ve GTP molekülleri• Mg+2 iyonları

Protein sentezinde birkaç safha ayırt etmekmümkündür.

• İlk önce sentezlenecek proteini şifreleyengendeki (DNA) bilginin bir RNA kopyasınınçıkarılması (mRNA) gerekir.

• DNA’nın anlamlı zinciri üzerinde söz konusugen bölgesinde sentezlenen mRNA mesajı proteinsentezinin yapılacağı ribozomların üzerinegötürür.

• Ribozomlar üzerinde yer alan protein sentezisistemi mRNA tarafından taşınan mesajımolekülün başından itibaren her bir bir aminoasidi şifreleyen üçlü baz grupları halinde okumayabaşlar.

• Protein zinciri her adımda bir amino asitbağlamak suretiyle polipeptid zincirinin NH2ucundan COOH ucuna doğru yürütülür.

mRNA molekülündeki kodonlar baz çiftleşmesikuralları uyarınca tRNA moleküllerinin ucundakiantikodonlar tarafından tanınır ve uygun amino asitlerözgül tRNA’ları tarafından sıra ile protein sentezi sistemiüzerine getirilir. Bu işlem bütün mesaj okununcaya kadar,başka bir deyişle bu mesaj tarafından şifrelenen proteininsentezi tamamlanıncaya kadar devam eder.

Proteinin COOH ucundaki son amino asit depolipeptid yapısına girince, tamamlanmış olan zincirribozom üzerinden ayrılır. Primer yapıyı oluşturanamino asitlerin yan grupları arasındaki elektrostatikilişkiler sonunda protein zinciri kıvrılarak üç boyutluaktif protein konfigürasyonunu kazanır.

Protein sentezi başlarken amino asitlerinönceden aktifleştirilmesi gerekir. Aktivasyonişlemi amino açil tRNA sentetaz enzimleritarafından katalizlenir. Hücrede bulunanamino asitlerden protein moleküllerininoluşabilmesi için önce bunların tRNAmolekülüne bağlanması, bunun için de aminoasit ve tRNA’nın birbirini tanımasıgerekmektedir. Bu tanıma işi hem tRNA’yıhem de amino asidi tanıyabilen bir enzimtarafından yürütülür. Bu enzim genellikle100.000 dalton molekül ağırlığında olupbaşlıca üç madde için özgül bağlanma yerlerivardır.

Bu yerlerden birincisine aktive edilecekamino asit, ikincisine ATP, üçüncüsüne deaktive edilen amino asit için özgül olantRNA bağlanır. Aminoaçil tRNA sentetazenzimi çok önemlidir çünkü eğer birtRNA’ya yanlış bir amino asit bağlanmışsabu yanlışlık aminoaçil-tRNA sentetaztarafından tanınır ve amino asit hidrolizedilerek tRNA’nın 3’ ucundan koparılır.Aktivasyonda ayrıca Mg+2 ve ATP kullanılır

Amino asitlerin aktivasyonundan sonra hemprokaryot hem de ökaryotlarda protein sentezibirbirine çok benzer şeklide üç aşamadagerçekleşir:

1) Başlama

2) Uzama

3) Sonlandırma

1) Protein sentezinin başlaması(Translasyon = Çeviri)

RNA bazları (Adenin, Guanin, Sitozin, Urasil) şeklindeyazılmış olan genetik bilginin amino asit sırası biçiminedönüştürülmesi işlemine translasyon denir. Aktifleşenamino asitlerin tRNA molekülüne bağlanması aminoaçilsentetaz enzimi sayesinde olur. Amino asit, karboksilgrubu ile tRNA molekülünün ucunda bulunan adeninnükleotidindeki 3’-OH grubu ile bağlanır. Amino asidintRNA molekülüne bağlanmasına yüklenme denir.Translasyon prokaryot ve ökaryotlarda her mRNA’dabulunan methionin amino asidini kodlayan AUGbaşlatıcı kodon ile başlar. Bu nedenle sentezlenenprotein molekülünün en başında methionin amino asidibulunur.

2) Polipeptid zincirinin uzaması

Başlatıcı olaylar tamamlanınca sırapolipeptidlerin uzaması (translasyon) evresinegelir. Bunun için ilk aşamada aminoaçil-tRNAribozoma bağlanır. Sonra enzim ve AUGarasında bir H bağı oluşur. tRNA-kodonkompleksinin oluşumu mRNA’daki kodonuetkiler. mRNA’daki uygun bir mRNA-antikodonu ile kompleks yapılır. Sonrapolipeptid zincirinin oluşup uzaması içinribozom 5’→3’ yönünde hareket ederek yeniamino asitler polipeptid zincirine eklenir.

Dehidrasyon sentezi ile bir amino asidinkarboksil grubu ile diğer amino asidin amingrubu birleşip aralarında peptid bağı oluşur vebu sırada bir molekül su açığa çıkar. Peptidbağı oluştuktan sonra amino asidini bırakmışolan tRNA (yüksüz) ribozomdan ayrılaraksitoplazmaya geçer. Ribozomun mRNAüzerinden ilerleyerek protein zincirininuzaması, sonlandırıcı (dur-UAG) kodonagelinceye kadar devam eder.

Hem prokaryot hem de ökaryotlardaçok sayıda ribozom mRNA molekülününtranslasyonunu aynı anda yapabilir. BirmRNA molekülü ve bu mNA molekülününaynı anda tranaslasyonunu yapan ribozomlararasındaki komplekse poliribozom veyapolizom denir. Ortalama 8-10 ribozommRNA üzerinde aynı anda proteinsentezlemek üzere polizom kompleksiyapabilir, böylece büyük miktarda proteinsentezlenir.

Polipeptid zincirinin sonlanması (Translasyonunsonlandırılması)

Protein zincirinin uzama işlemi mRNA’dabelirlenen sonuncu kodona gelinceye kadardevam eder, dur kodonuyla birlikte proteinsentezi sona erer.

Prokaryot ve ökaryotlarda proteinsonlandırma kodonları UAA, UAG ve UGA’dır.Ribozomların sonlandırma kodonlarınıtanıyabilmesi için mutlaka sonlandırıcı faktör(termination factor) ya da ayırıcı faktör(release factor) denen faktörlere ihtiyaçvardır. protein yapısında olan bu faktörlerzincir sonlandırıcı kodonları tanıyarak okur vesonlandırma işlemi başlar.

Özet olarak aktifleşen amino asitlermRNA’daki kodonlara uygun olarak vesentezlenmekte olan polipeptid zincirinin NH2

ucundan COOH ucuna doğru belli bir sırayagöre dizilirler. mRNA üzerinde ilerleyenribozom dur kodonuna geldiği zaman sentezbiter. Bunu takiben ribozomun P bölgesindebulunan ve 3’-ucundan polipeptidi koparılantRNA ribozomdan ayrılır. Bundan sonra dayeniden protein sentezi başlayana kadarribozomun küçük ve büyük alt birimleri serbestkalır.

Ribozom mRNA molekülünün dur kodonuna geldiğizaman sentez biter. Bu aşamadan proteinin düz çizgibiçimindeki birincil (primer) ve belki de sarmalbiçiminde olan ikincil (sekonder) yapıları tamamlanmışolur.

Proteinler serbest ribozomlarda veya Endoplazmikretikuluma bağlı ribozomlarda sentezlenme durumlarınagöre farklı şekillerde ikincil, üçüncül ve dördüncülyapılarını kazanarak olgunlaşırlar. Hücredekigörevlerine göre hücrenin değişik kısımlarına taşınırlar.

Sitoplazmada bulunan serbestribozomlarda sentezlenen proteinlerhücrenin kendisinde kalacak olan yapısalproteinlerdir.

Endoplazmik Retikulum zarına bağlıribozomlarda (granüllü ER) sentezlenenproteinler yapısal protein olarak görevyapmaz, onun yerine Golgi’deolgunlaştıktan sonra salgı proteinleri,ER, Golgi ve hücre zarının integralproteinleri ve lizozomal salgı proteinleriolarak görev yaparlar.

Proteinler kısa ömürlüdür. Bazı proteinlerhızlı şekilde aminoasitlerine yıkılmaktadırfakat yeniden yapılan protein sentezi ileihtiyaç yeniden karşılanmaktadır. Proteinlerinyıkılması enzim düzeyinin düzenlenmesindeönemli rol oynar, ayrıca organizmada anormalprotein birikimini önleyerek doku büyümesinikontrol eder.

Protein sentezinin bu şekilde karışık bir olayolmasının DNA’da bulunan kalıtsal bilginintaşınmasında oluşabilecek hatalara karşı birsigorta olduğu düşünülmektedir. Yüzlerceprotein molekülünün tek birinde bir amino asidinyanlış yere bağlanması ortaya ciddi sorunlarçıkaracaktır. Örnek vermek gerekirse,insanlarda her bireyin kendine özgü proteinlerivardır.

Bu fark özellikle transplantasyonoperasyonlarında ortaya çıkar. Yabancı organdabu organın takılacağı kişininkinden farklıproteinler bulunur. Organın verileceği kişininvücudu sanki yabancı organdaki proteinlerinsaldırısına uğramış gibi davranır ve yabancıorgana karşı savunma durumuna geçer. Yabancıorgandaki hücreler ölür ve böylece organreddedilmiş olur.

Bu kuralın tek bir istisnası vardır, tekyumurta ikizleri. Tek yumurta ikizleri tek birdöllenmiş yumurtadan meydana geldiklerindeniki bireyde de bulunan proteinler aynıdır. Birbaşka deyişle, bu ikizlerin DNA molekülleribirbirinin aynıdır ve aynı çeşit proteinlerinyapılmasını sağlayan direktiflerle şifrelemeyaparlar. Böylece tek yumurta ikizleriarasındaki organ nakilleri başarıyla sonuçlanır.

Proteinlerin hücre için önemi:

Hücrelerde birbirinden farklı pek çok proteinbulunur. Bu proteinler az önce de belirttiğimiz gibiher canlıya onu diğerinden ayıran özellikler verir. Birhücrenin esas yapısı içindeki proteinlere dayanır.Hücre ve çekirdek zararı lipoprotein yapısındadır.Hücrenin daha küçük yapıları da kısmen proteinlerdenyapılmıştır. Hatta sitoplazmanın akışkan kısmı da esasolarak proteindir.

Hücrenin yapısında bulunan proteinlere ek olarakhücrenin diğer birçok molekülü de proteindir. Birhücrede bulunan en önemli proteinler hücreninenzimleridir. Enzimler bir hücredeki kimyasalreaksiyonların çoğunun temelidir.

Enzimler ve Vitaminler

Hücrede meydana gelen sayısız biyokimyasalreaksiyonu katalizleyen ve canlı hücrede sentezlenenprotein yapısındaki organik moleküllere enzim denir.Enzimler kimyasal katalizörler gibi davranarakreaksiyonu başlatır ve sonlandırırlar. Protein yapısındaoldukları için protein yapısını değiştiren her etkenenzim yapısını da etkiler.

Bazı enzimler sadece saf proteinmoleküllerinden yapılmıştır, bunlara basitenzimler denir. Pepsin, tripsin ve kimotripsin gibienzimler bu grupta yer alır. Diğer bazı enzimlerise protein yapılarına ek olarak, aktivitegöstermek için kofaktör denen inorganik metaliyonları ve koenzim denen kompleks organikmolekülerler birlikte çalışırlar. Bu enzimlere debileşik enzimler denir. Kofaktör ve koenzimlerreaksiyon sırasında enzime geçici olarakbağlanırlar ve kolayca koparlar. Bazı enzimlere isekovalent bağlarlar bağlanır ve devamlı kalırlar,kopmazlar.

Bileşik enzimler kofaktör veya koenzimlerolmadan aktivite gösteremezler. Örneğinsitokrom oksidaz Cu+2; DNA polimeraz Zn+2;üreaz enzimi Ni+2 iyonları gibi kofaktörlereihtiyaç duyarlar. Tükürükte bulunan amilazenziminin nişastayı parçalaması için kofaktörolarak Cl- iyonuna ihtiyacı vardır. Sitokrom-credüktaz FMN; glukoz oksidaz FAD;malikdehidrogenaz ise NAD+ gibi organik enzimgrupları olmadan aktivite gösteremezler.Özellikle B grubu vitaminlerden B1’in tiaminpirofosfat, B2’nin FMN, FAD ve B6’nınpridoksal fosfat formları da önemlikoenzimlerdir.

Bazı enzimler ve kofaktörleri (inorganik elementleri)

Enzimler Kofaktörleri

Amilaz Cl-

Arjinaz Mn+2

Hekzokinaz Mg+2

Sitokrom oksidaz Cu+2

Katalaz Fe+2, Fe+3

Peroksidaz Fe+2, Fe+3

DNA polimeraz Zn+2

Üreaz Ni+2

Glukoz 6 fosfataz Mg+2

Bazı enzimler ve koenzimleri (organik moleküller)

Enzimler Koenzimler

Ksantin oksidaz FAD

Pirüvik dekarboksilaz Thiamin (B1 vitamini)

Sitokrom c redüktaz FMN

Malik dehidrogenaz NAD+

Asetil CoA karboksilaz Biotin

İzositrik dehidrogenaz NADP+

Glutamik oksaloasetiktransaminaz

Pridoksal fosfat (B6

Vitamini)

Bir enzimatik reaksiyonda reaksiyona girenmadde substrat, etkileyen madde enzim, çıkanmadde ise sonuç madde adını alır. Enzimetkinliği substrat ile ilişkilidir, eğer substratyeterince mevcut değilse enzimin fazla olmasıbir şey ifade etmez. Enzimler substrataözgüdür ve belirli bir reaksiyonu seçerek onukatalizler. Örneğin üreaz enzimi sadece üreyiamonyak ve karbondiokside parçalar, başka birmaddeyi etkilemez.

Enzimler diğer katalizörlere göre son derecehızlı çalışırlar ve reaksiyonları çok hızlıyürütürler. Bazı enzimler dakikada milyonlarcamolekülü etkiler. Enzimler kimyasal katalizörleregöre aktivasyon enerjisini düşürüp reaksiyonlarıdaha az enerji harcayarak ve vücut ısısındagerçekleştirirler. Kimyasal katalizörler ise bunuçok yavaş ve fazla enerji harcayarak yaparlar.Örneğin hidrojen peroksidaz kendi kendine veçok yavaş olarak ve 18 Kcal enerji harcayarakyıkılır. Katalaz enzimi kullanıldığında ise 2 kcalenerji kullanarak çok hızlı şekilde yıkılır.

Bazı enzimler proenzim halinde sentezlenirler. Buhaldeyken inaktiftirler, sonra aktif hale geçerler.

Bazı proenzimler ve aktif şekilleri:

Proenzim Sentezlendiği yer Aktif enzim

Pepsinojen Mide Pepsin

Tripsinojen Pankreas Tripsin

Kimotripsinojen Pankreas Kimotripsin

Proelestaz Pankreas Elastaz

Enzimlerin sınıflandırılması:1) Oksido-redüktazlar: Oksidasyon-indirgenme

reaksiyonları, elektron transferi2) Transferazlar: Fonksiyonel bir grubu bir molekülden

koparıp başka bir akseptöre taşıma3) Hidrolazlar: Su molekülü kullanarak çeşitli bağları

yıkma (hidrolitik reaksiyon)4) Liyazlar: C-C, C-O ve C-N arasındaki bağları hidroliz

etme ve oksidasyondan farklı şekilde kırma5) İzomerazlar: Bir molekül içindeki geometrik ve yapısal

değişiklikleri kataliz etme6) Sentetazlar ve Ligazlar: C-O, C-S, C-N, C-C arasında

bağ oluşumu (Genellikle ATP’deki veya diğertrifosfatlardaki pirofosfatı hidrolize ederek ikimolekülü birbirine bağlarlar).