Proteinlerin 3 Boyutlu Yapısı - 1

Peki hücrelerimizde de her an milyonlarca farklı origami yapıldığını biliyor muydunuz? Hem de neredeyse hiç israf etmeden, çok daha çetrefilli şekiller çıkıyor ortaya. Bu sefer katlanan kağıt değil, moleküller. Canlılığın en önemli yapı taşlarından olan bu moleküller hepimizin bildiği, yakından tanıdığı proteinler.  Modern biyolojinin uğraştığı en önemli sorulardan biri de bu proteinlerin 3 boyutlu yapıları.

Proteinler, yapı taşları olan aminoasitlerin zincir gibi art arda dizilmesiyle meydana gelir. Hani hep duyduğumuz sporcuların kullandıkları ‘proteinler’, çoğunlukla bu yapı taşlar olan aminoasitlerdir. Her boncuğun ortak özelliği olarak ipe geçirilecek bir deliği olması gibi, proteinleri oluşturan aminoasitlerin de büyük kısmı birbirinin aynısıdır. 20’yi aşkın çeşidi bulunan aminoasitleri farklı kılan bu gövdeleri değil, bu gövdenin nasıl dallanıp budaklandığıdır. Tabii ki burada bahsedilen dallanma, atomik seviyede.

Birbiri ardına bazen onlarca bazen yüzlerce aminoasidin dizilmesiyle oluşan proteinlerin hücredeki işlevini belirleyen en önemli etken elbetteki aminoasitlerin dizilimidir.  Ortalama uzunluğu 100 aminoasit olan bir protein için 20100 yani yaklaşık 100 basamaklı bir sayıya denk gelecek şekilde kombinasyon yapılacağını düşünürsek, bu kadar hassas bir denge ve düzende olan canlılığın ne kadar mucizevi olduğunu anlamak çok da zor olmaz sanırım.

Boncukların tek tek ipe dizilmesi gibi hücrelerdeki ribozomlar da ardı ardına aminoasitleri kimyasal bağlarla birbirine bağlarlar. Fakat pişmiş spagettinin rastgele büküldüğü gibi proteinler sentezlendikten sonra rastgele şekil almazlar. Aksine her proteinin kimyasal yapısını ve biyolojik görevlerini belirleyen en önemli husus her proteine has 3 boyutlu yapılarıdır. Örneğin, motor proteinler insan gibi iki kol iki ayaklarıyla yürürken; ATP sentezleyen protein (ATP Synthase) bir çark gibi dönerek çalışır. Bu açıdan proteinler bir bakıma nano robotlardır. Bu nano robotların aminoasit dizilimindeki bir hata ya da 3 boyutlu yapısındaki bir bozukluk ölüme bile yol açabilecek birçok hastalığın sebebi olabilir.

Bir origami kağıdının istenen her yönde bükülebilmesi gibi, proteini oluşturan binlerce atom da hareket ederek farklı yapılarda şekil alabilirler. Atomların bu şekil almasından kasıt birbirlerine basit bir sağ sol dizilimden daha ziyade, her atomun ya da bağın 3 boyutlu uzayda hangi açıyla hangi yöne baktığı. Bu bilgiden yola çıkarak ortalama uzunluktaki bir proteinin alabileceği yaklaşık 10100 kombinasyon var ve proteinin aktif ve tam kapasitede çalışabilmesi için sadece birkaçı işe yarar bir şekle sahip.  İşte bu noktada takılıp kalınan yer bu kadar çok farklı kombinasyondan  nasıl olup da sadece işe yarayan aktif yapının ortaya çıktığı, ve rastgele şekil almanın nasıl önlendiği. Dahası, tüm bu şekil alma işlemi kendiliğinden, bazı durumlar hariç, dışarıdan bir yardıma gerek duymadan saniyenin milyonda biri süre içerisinde gerçekleşiyor. Adeta art arta dizilen boncukların birden bir heykele dönüşüvermesi gibi. Ve bu yalnızca bir iki kere değil, vücudumuzda her saniye içinde binlerce kere hatasız tekrarlanıyor.

Proteinlerin şekil alma sürecindeki bu çetrefilli yapıyı anlamaya çalışmak göründüğünden biraz daha zor. İlk akla gelen, her bir atomun rastgele şekil alarak protein aktif haline gelene kadar bir oraya bir buraya kıvrılıp durması. Fakat, saniyede trilyonlarca kere bile kıvrılsa, kombinasyonlar o kadar çok ki, ortalama bir insan proteinin şekil alması evrenin yaşından daha uzun sürecektir.  Fakat olayı bu kadar büyük çaplı düşünmekten ziyade, lokal bazlı düşündüğümüzde iş biraz daha kolaylaşıyor. Şöyle ki, her proteinin kendiliğinden şekil alabilen küçük parçalar halinde büküldüğünü düşünün. Bir kısmı yanlış şekil almış proteinin tümünü söküp baştan yapmaya gerek yok aslında. Yanlış katlanan kısmı düzeltirken, diğer kısımların değişmeden kaldığını hesap ederek yapılan çalışmalar, makul sonuçlar vermektedir. Fakat burada sorun, hangi kısmın nereden bölüneceğine karar vermek, kendi içinde katlanacak kısımları birbirinden ayırt etmektir.

 

Ribozomdan çıktığında dümdüz bir boncuk dizisi olan proteinlerin neresinden nasıl bükülmeye başlanacağına karar vermek de doğada mükemmel şekilde çözülmüş. Her aminoasidin kimyasal özelliklerinden dolayı belirli şekillere girebilmeleri mümkün. Gerçekten de belirli kimyasal özelliklere sahip aminoasitlerin birleşerek kimi zaman spiral olduğunu, kimi zaman fırfır gibi döndüğünü kimi zaman da düz levha yapısına sahip olduğunu görüyoruz. İşte bu yapılar, yukarıda bahsettiğimiz küçük parçalar olarak protein katlanması için bir başlangıç noktası oluşturabilirler. Her parçanın alacağı şekilse aminoasit dizilimine bağlı olacağından, yani aynı aminoasit grubu hemen her zaman aynı şekle gireceğinden, benzer proteinler hep aynı şekilde katlanacak, farklı proteinlerin katlanma rotaları farklı olsa bile ana yapı taşları aynı olacağından başta çok kompleks görünen mesele biraz daha elle tutulabilir parçalara indirilmiş oluyor.

Şu aşamada adım adım olacak bir şekil alma süreci en makulü görülüyor. Aminoasit dizilimine bağlı olarak başlayan ve devam eden bu komplike süreci tam olarak anlamak, en azından basite indirgemek için dur durak bilmeden birçok deneysel ve teorik çalışma yapılıyor. Bu çalışmalardan özellikle deneysel olanlarını, FRET ( Förster Resonance Energy Transfer / Förster Rezonans Enerji Transferi) ve optical tweezers ( optik cımbız/ optik kapan) metotlarını önümüzdeki günlerde bir yazı dizisi halinde açıklamaya çalışacağım. Amacım metotları anlatmaktan ziyade, örnekler kullanarak muhteşem nano robotlar dünyasında sizleri bir yolculuğa çıkartmak. Bana kalırsa, proteinlerin dünyası, milyonlarca yıllık dinozor iskeletlerinin sergilendiği bir müzede gezmekten daha ilgi çekici. Bir bakıma, dünyanın dört bir yanından bilim insanlarının yaptığı her bir keşif, büyük bir yapbozun kayıp parçalarını bir araya getirmek kadar heyecan verici.

Figürler aşağıdaki kaynaklardan alınmıştır:
¹https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fd/Origami-crane.jpg/956px-Origami-crane.jpg
²https://valelab.ucsf.edu/external/images/res-dynein/Dynein-kinesin%20comparison.jpg
³http://www.ks.uiuc.edu/images/ofmonth/2008-05/villin-folding-process.png