Protein Yapısında Zayıf Etkileşimler

Açılış sahnesi

Pazartesi, saat üçü on geçiyor. Laboratuvarın arka tezgâhında Güllizar Hanım, serum protein elektroforezi örneklerinin bazik bir tamponda yol aldığı agaroz jeli tanktan çıkarıyor. Jeli asetik asit ve alkol karışımı bir sabitleyici banyoya, ardından boya çözeltisine geçiriyor. Turgut Bey kurumaya bırakılan jelde koyu bantları sayıyor: en önde albümin, arkasında globulin kümeleri.

Turgut Bey'in aklı cumartesiden kalan beyaz tabakada. "Tamponun içinde bu proteinler kendi yükleriyle koşuyordu, canlı gibiydi. Asitli banyodan sonra olduğu yerde dondu. Asit proteini kırdı mı?". Güllizar Hanım jeli ışığa tutuyor: "Zincirde kopan tek bir bağ yok. Kaybolan şey biçimi. Biçimi tutan şey, çarşamba konuştuğumuz türden zayıf çekimler".

Bu derste ne olacak

Proteinin dört yapı düzeyini ayıracak, α-sarmalın geometrisini sayılarla yürütecek, tabakayı, çekirdeği ve köprüleri modülün önceki derslerine bağlayacağız. Katlanmış hâlin neden kıl payı kararlı olduğunu iki hesapla gösterecek, denatürasyonu bu payın kaybı olarak okuyacağız. Son iki bölüm modelin kırıldığı yerleri ve dersin neyi göstermediğini yazıyor.

Mekanizma

Zincir ile biçim ayrı şeylerdir

Kovalent bağları işlediğimiz derste (L02-P06-M02-D02) amino asitlerin birbirine peptit bağıyla eklendiğini ve bu sırada bir su molekülünün ayrıldığını görmüştük. Bu kovalent zincirin dizilimi proteinin birincil yapısıdır. UniProt kaydı ve ansiklopedik kaynaklar albüminin olgun zincirini 585 amino asit uzunluğunda veriyor. Bu zincir suyun içinde düz bir ip olarak kalmaz, kendine özgü bir biçime kıvrılır.

Biçimin üç düzeyi daha vardır. Omurganın kısa parçalarının düzenli kıvrımları ikincil yapıyı, bütün zincirin üç boyutlu katlanışı üçüncül yapıyı, birden çok zincirin bir araya gelişi dördüncül yapıyı oluşturur. Birincil yapıyı peptit bağları tutar. Öteki üç düzeyin büyük kısmını modül boyunca işlediğimiz zayıf etkileşimler tutar; bunlara birkaç kovalent köprü ve metal bağlanması eşlik eder.

Sarmalın hesabı

Linus Pauling, Robert Corey ve Herman Branson 1951'de PNAS'ta yayımladıkları makalede (37: 205–211) omurganın kendi içinde hidrojen bağı kurarak sarmal oluşturabileceğini öne sürdü. Modelin taşıyıcı fikri, peptit grubunun düzlemsel olduğu ve her C=O grubunun zincirde dört kalıntı ilerideki N–H grubuyla eşleştiğiydi.

Wikipedia'nın α-sarmal maddesi ve EMBL-EBI'nin protein yapısı eğitim kursu aynı ölçüleri veriyor: tur başına 3,6 kalıntı ve 5,4 Å adım, yani bir tam turun eksen boyunca ilerlediği uzaklık. Kalıntı başına yükseliş buradan çıkar: 5,4 ÷ 3,6 = 1,5 Å.

Bu sayılarla 18 kalıntılık bir sarmalı çözebiliriz. Tur sayısı 18 ÷ 3,6 = 5 olur, sarmalın boyu 18 × 1,5 = 27 Å, yani 2,7 nm. Hidrojen bağlarını sayarken uçları hesaba katmak gerekir. Her bağ i ile i + 4 arasında kurulduğu için sarmalın ilk dört kalıntısının N–H grupları ve son dört kalıntısının C=O grupları sarmal içinde eş bulamaz; 18 − 4 = 14 omurga hidrojen bağı çıkar.

Tabaka ve çekirdek

Sarmalda bağlar yakın kalıntılar arasında kalır, tabakada ise dizilimde birbirinden uzak parçaları birleştirebilir. Uzamış bir parçada ardışık yan zincirler dönüşümlü olarak tabakanın bir yüzüne ve öbür yüzüne bakar. Bu düzen, bir yüzü apolar, öbür yüzü polar yan zincirlerle dolu tabakalara izin verir.

Hidrofobik etki dersinde su apolar yüzeyi itmiyordu; bağ ağını bozmamak için onu bir köşeye topluyordu. Katlanmada lösin, valin, izolösin ve fenilalaninin su sevmeyen yan zincirleri aynı nedenle proteinin içine toplanır.

Çekirdekte bir sorun doğar: omurganın amit hidrojenleri ve karbonil oksijenleri gömülürken suyla kurdukları bağları kaybeder. Sarmal ve tabaka bu grupları birbirleriyle eşleştirerek apolar ortamda da bağlı tutar; hücre zarını geçen protein parçalarında α-sarmalın baskın biçim olması da kısmen bu yüzdendir.

Köprüler ve metal

Yüzeye yakın kısımlarda yüklü yan zincirler bulunur. Aspartat ve glutamatın karboksilat grupları eksi, lizin ve argininin amonyum ve guanidinyum grupları artı yük taşıyabilir.

İyonik bağ dersinde suyun iyonları sararak aralarındaki çekimi zayıflattığını görmüştük. Tuz köprüsünde de aynı gerilim işler: iki yükü suyun kabuğundan çıkarıp yan yana getirmek bir bedel ister ve bazı yüzey köprülerinde bu bedel kazanılan çekimi neredeyse sıfırlar. pH değişince yükler de değişir: ortam asitleştikçe karboksilat grupları proton alıp yüksüzleşir ve köprü dağılır.

Disülfit köprüsü bu tablonun kovalent istisnasıdır. İki sisteinin kükürt atomları arasındaki bu bağı kovalent bağ dersinde insülinin iki zinciri üzerinden tanımıştık. Albüminin on yedi disülfit köprüsü taşıdığını hem UniProt kaydı hem de ansiklopedik kaynaklar yazıyor. Metal bağlanması da benzer biçimde kalıcı bir destek sağlar: çinko parmakta iki sistein ve iki histidinin çinkoya elektron çifti sunduğu koordine kovalent bağlar, kısa bir zincir parçasını belirli bir kıvrıma kilitler.

Kıl payı kararlılık

Christian Anfinsen 1973'te Science'ta yayımladığı "Principles that govern the folding of protein chains" başlıklı Nobel konferansı metninde (181: 223–230), ribonükleaz deneylerini özetledi: denatüre edilip disülfit köprüleri çözülen enzim, uygun koşullara döndürülünce kendiliğinden eski biçimine ve etkinliğine kavuşuyordu. Katlanmış biçimi, dizilimin o koşullarda ulaşabildiği en düşük serbest enerji hâli belirliyordu.

Bu en düşük hâlin açılmış hâlden farkı şaşırtıcı ölçüde küçüktür. Seelig ile Seelig'in 2023'te Journal of Physical Chemistry B'de yayımladığı çalışma literatürde sık verilen aralığı 5–15 kcal/mol diye aktarıyor; bu yaklaşık 21–63 kJ/mol eder. LibreTexts'teki Jakubowski ve Flatt biyokimya kitabı, 100 kalıntılık bir protein için yaklaşık −42 kJ/mol veriyor. Bu küçük sayı, büyük ve zıt yönlü katkıların farkıdır. Zincir katlanırken sayısız biçim seçeneğini yitirir ve bu çok büyük bir entropi kaybıdır; buna karşılık çekirdekten salınan suyun kazandığı düzensizlik ve kurulan zayıf etkileşimlerin toplamı kaybı ancak biraz aşar.

Hidrojen bağı dersinde su molekülleri arasındaki bir hidrojen bağının enerjisini yaklaşık 21 kJ/mol olarak kullanmıştık. Oran 42 ÷ 21 = 2 çıkıyor: 100 kalıntılık bir proteinin bütün katlanmış hâli, sudaki iki hidrojen bağının enerjisi kadar bir farkla ayakta duruyor.

Bu farkın ne anlama geldiğini katlanmış ve açılmış moleküllerin oranı gösterir. Bu oran denge sabitidir, K = e^(−ΔG ÷ RT) ile hesaplanır ve Termodinamik ve Kinetik modülünde türetilecek. Vücut sıcaklığında RT = 8,314 × 310 ≈ 2577 J/mol, yani yaklaşık 2,58 kJ/mol'dür. Katlanma serbest enerjisinin −42 kJ/mol olduğunu varsayarsak üs 42 ÷ 2,58 ≈ 16,3 olur ve K yaklaşık 1,2 × 10⁷ çıkar: her an on iki milyon kadar katlanmış moleküle bir açılmış molekül düşer. Aynı proteinin kararlılığı yarıya, 21 kJ/mol'e inerse üs 21 ÷ 2,58 ≈ 8,1 olur ve K yaklaşık 3400'e düşer. Kararlılığın yarısını kaybetmek, açılmış moleküllerin payını yaklaşık üç bin dört yüz kat artırıyor.

Denatürasyon

Isı yükseldikçe −TΔS terimi büyür ve zincirin açılmakla kazanacağı biçim çokluğu ağır basar; yumurta akının pişince beyazlaşması bunun gündelik örneğidir. pH uçları tuz köprülerini ve yan zincirlerin yük dengesini bozar. Hidrofobik etki dersindeki sodyum dodesil sülfat gibi deterjanlar kuyruklarını apolar yan zincirlere yaslayarak çekirdeği çözer. Açılıştaki sabitleyici banyo asit ile alkolün birlikte işlediği bir denatürasyondur ve açılan zincirler birbirine dolanıp jelin içinde yerinde çöker.

Modelin sınırı

Anlatılan tablo, hidrojen bağı enerjisini sudaki iki molekül arasında ölçülen değerle aldı. Oysa protein katlanırken omurga grupları yeni bir bağ kurmaz; suyla kurdukları bağları birbirleriyle kurdukları bağlarla değiştirir. Tek bir omurga hidrojen bağının katlanmaya net katkısı bu değiş tokuşun farkıdır ve 21 kJ/mol'ün çok altındadır. Yukarıdaki 42 ÷ 21 = 2 oranı bir ölçek duygusu verir, bağ sayımı değildir.

Etkileşimler toplanabilir tuğlalar gibi anlatıldı. Gerçekte birbirini etkilerler: bir tuz köprüsünün değeri çevresindeki suyun, komşu yüklerin ve gömülme derinliğinin bileşkesidir; bir kalıntıyı değiştirip ölçülen fark, çevresinin yeniden düzenlenmesini de içerir.

Kararlılık hesabı ΔG'yi sabit aldı ve vücut sıcaklığına taşıdı. Oysa katlanma serbest enerjisi sıcaklığa, pH'a ve tuz derişimine bağlıdır. İki hâlli denge varsayımı da her proteinde tutmaz: bazı proteinler ara hâllerden geçer, bazılarının bölümleri katlanmadan işlev görür.

Anfinsen ilkesi tüpte kanıtlandı. Hücrede zincir henüz sentezlenirken katlanmaya başlar ve katlanmış hâlin yanında birbirine yapışmış kümeler gibi başka enerji çukurları da vardır; iki hâlli model bu yolu görmez.

Bu ders neyi göstermiyor

Bu mekanizma hiçbir besinin, takviyenin ya da "protein katlanmasını destekler" diye pazarlanan bir ürünün etkisini göstermiyor. Katlanmanın zayıf etkileşimlere dayandığını bilmek, bir maddenin bu etkileşimleri vücutta değiştireceğini söylemez; araya emilim, dağılım ve ölçülmüş sonuç gibi sınanmamış halkalar girer.

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor. Bir kararı destekleyen şey, L01-P02 programında kurulan çalışma tasarımlarıyla üretilmiş kanıttır. Anlatının düzgünlüğü, bir uygulamanın insanlarda ne yaptığı sorusunu cevaplamaz.

Ders, yanlış katlanmanın bir hastalığa nasıl yol açtığını da göstermiyor. Alzheimer hastalığı, prion hastalıkları ve kalıtsal amiloidoz gibi durumlar katlanma ve kümelenme bozukluklarıyla ilişkilendirilir; bu ilişkinin kanıtı, sınırları ve tedaviye yansıması kendi derslerinde okunmalıdır. Serum protein elektroforezinin klinik yorumu da buradan çıkarılamaz.

Tezgâha dönüş

Turgut Bey kuruyan jeli bir kez daha ışığa tutuyor. "Yani asit zincire dokunmadı, zinciri tutan küçük hesapları bozdu. İki bağlık bir fark için koca bir biçim gidiyor". Güllizar Hanım jeli okuma cihazına yerleştirirken ekliyor: albüminin disülfit köprüleri banyodan sağ çıktı, ama biçim suyun, yüklerin ve apolar yan zincirlerin arasındaki pazarlıkla ayakta duruyordu. Tamponda koşturan yük de, asitte çöken biçim de aynı yan zincirlerden geliyordu.

Kendini sına

1. 36 kalıntılık bir α-sarmalın tur sayısını, boyunu ve omurga hidrojen bağı sayısını hesapla.
2. Tuz köprüsü ile disülfit köprüsünü bağ türü, pH'a duyarlılık ve denatürasyondaki akıbetleri açısından karşılaştır.
3. Bir proteinin katlanma serbest enerjisi 60 kJ/mol ise vücut sıcaklığında K kabaca kaç olur? 42 kJ/mol'lük proteinle kıyasla.
4. Sudaki hidrojen bağı enerjisiyle yapılan 42 ÷ 21 karşılaştırması neden bir bağ sayımı değildir?
5. Isı, pH ve deterjan denatürasyonunda hangi etkileşimin önce bozulduğunu birer cümleyle yaz.

Bir sonraki derse köprü

Modül burada kapanıyor ve sıradaki birim onu bir quizle yoklayacak. Hazırlanırken iyonik bağdan hidrofobik etkiye uzanan altı bağ ve etkileşim türünü tek bir tabloda karşılaştırmayı dene: hangisinin enerjisi kovalent bağlara yakın, hangisi yalnız belirli bir doğrultuda kurulabiliyor, hangisi ise suyun varlığı olmadan hiç ortaya çıkmıyor? Son sütun, her birinin bir kristalde, bir zarda ya da bir proteinde nerede iş gördüğünü sorsun.