Zar Proteinleri

Perşembe, buz kovası

Perşembe öğleden sonrası, saat ikiye geliyor; avludaki incirin dibine yapraklar süpürülmüş. Dünkü buzlu tüpte, zarı boydan boya geçtiği bilinen bir protein deterjan miselleri arasında çözünmüş duruyordu. Sabah Nezihe Hanım ile Batu bu çözeltiyi lipit keseleriyle karıştırıp deterjanı saatlerce yavaş yavaş çektiler. Tüpte şimdi hafifçe bulanık bir süspansiyon var; Nezihe Hanım ona suda kolayca çözünen, keselerin dış yüzüne yapışan küçük bir protein de katmış.

Batu süspansiyonu üç tüpe bölüyor. Birine derişik tuz çözeltisi, birine buz soğuğu sodyum karbonat, üçüncüsüne deterjan ekliyor. Santrifüjden sonra jeldeki bantlar tabloyu veriyor: tuzlu ve karbonatlı tüplerde küçük protein üstteki sıvıya geçmiş, büyük protein zarla birlikte çökmüş. Deterjanlı tüpte çökelti neredeyse yok, iki protein de sıvıda. "Birini yıkamakla söktük," diyor Batu, "öbürü için zarı eritmemiz gerekti."

Bu derste ne olacak

Proteinlerin zara nasıl bağlandığını ve bunun Batu'nun tüplerinde nasıl okunduğunu göreceğiz. Zarı geçen sarmalın boyunu hesaplayacak, o bölgeyi diziden bulmayı deneyeceğiz. Sonra fıçı biçimli istisnaya, zar proteinlerinin işlerine, zardan zara değişen protein payına ve genomdaki paylarına geçeceğiz.

Metin

İçeride ya da yüzeyde

Pazartesi andığımız akışkan mozaik modelinin ilk sözcüğünü salı açmıştık; mozaiğin taşları proteinlerdir. OpenStax'in Biology kitabı proteinleri plazma zarının ikinci büyük bileşeni sayar ve onları zarla kurdukları bağa göre iki gruba ayırır.

Wikipedia'nın zar proteini maddesi integral proteinleri zarın kalıcı parçası, periferik olanları geçici konuklar sayar ve periferik bağı hidrofobik ile elektrostatik etkileşimlerin karışımı olarak tarif eder; OpenStax de periferik proteinleri fosfolipitlere ya da integral proteinlere tutunmuş hâlde zarın iki yüzüne yerleştirir. İki kaynak da ara bir durumu ayrıca anar: bazı integral proteinler zarı geçmez, tek bir yaprağın içine gömülü kalır. Wikipedia bunlara tek yüzlü, yani monotopik integral protein adını verir.

Üçüncü yolda protein suda kalır ve kovalent bağla takılmış bir lipit zincirini çift tabakaya sokar.

Wikipedia'nın lipit çapalı protein ve zar proteini maddeleri aynı üç çapayı sayar. Yadeta ile arkadaşlarının bitki plazma zarı üzerine 2013 derlemesi GPI çapalı proteinleri ayrı bir kategori sayar ve çoğunu zarın dış yüzüne yerleştirir; çapaların yönü modülün asimetri dersinde yeniden açılacak.

Tuz, karbonat, deterjan

Batu'nun tüpleri bu ayrımı işlemle tanımlar. Wikipedia'nın zar proteini maddesine göre periferik proteinler pH'ı yükseltilmiş ya da tuzu artırılmış bir çözeltiyle zardan ayrılır; Yadeta ile arkadaşları da periferik proteinlerin yüksek pH ya da yüksek tuzla uzaklaştırıldığını anlatır. Fujiki ile arkadaşları 1982'de yayımladıkları yöntem makalesinde sıçan karaciğerinden ayrılan zarları buz soğuğu sodyum karbonatla seyrelttiler. Özetlerine göre kapalı keseler açık zar yapraklarına dönüşür, kesenin içeriği ile periferik proteinler çözeltiye geçer, zar ise santrifüjle çöker.

Wikipedia'nın periferik protein maddesine göre elektrostatik çekimler iyonik güce güçlü biçimde bağlıdır; çözeltideki iyonlar yükleri perdeler ve protein ile lipit başları arasındaki çekim zayıflar. Fujiki'nin karbonatı da tuz da çift tabakayı yerinde bırakır; çöken şey zardır.

İntegral proteinlerde bu yetmez. Wikipedia'nın integral zar proteini maddesine göre bu proteinler ancak deterjanlarla, apolar çözücülerle ya da bazen denatüre edici maddelerle ayrılır; Welling ile arkadaşlarının 1987 derlemesi de onların kromatografisinde tamponların genellikle iyonik olmayan bir deterjan içerdiğini belirtir. Hidrofobik Etki dersinde deterjan moleküllerinin misel kurduğunu, protein yapısını işlediğimiz derste de sodyum dodesil sülfat gibi deterjanların proteinin apolar çekirdeğini çözdüğünü görmüştük. Burada deterjan önce çift tabakayı dağıtır, sonra kuyruklarını proteinin gömülü yüzüne yaslayarak onu suda tutar.

Nezihe Hanım'ın sabahki işi aynı aracın ters yönde kullanılmasıydı. Crouch ile arkadaşlarının 2018 çalışması, deterjanın sonradan tümüyle uzaklaştırıldığı yeniden yerleştirmeyi proteolipozom hazırlamanın önemli bir yolu sayar. Huang ile arkadaşlarının 2024 çalışmasında da deterjandan lipozoma geçirilen bakteri kompleksleri yapılarını korumuştur.

Çekirdeği geçen sarmal

Protein yapısına ayrılan derste (L02-P06-M02-D07) α-sarmalın kalıntı başına eksen boyunca 1,5 Å ilerlediğini bulmuş, zarı geçen parçalarda bu biçimin baskın olmasını omurganın N–H ve C=O gruplarının apolar ortamda birbiriyle eşleşmesine bağlamıştık.

OpenStax, zarı bir kez geçen integral proteinlerin hidrofobik segmentinin genellikle 20 ile 25 amino asitten oluştuğunu yazar. Wikipedia'nın hidrofilisite grafiği maddesi de yaklaşık 20 amino asitlik hidrofobik bir dizinin zarı geçen bir sarmal olabileceğini söyler. Kalıntı başına 0,15 nm ile boyu hesaplayalım: 20 × 0,15 = 3,0 nm, 25 × 0,15 = 3,75 nm. Pazartesi çekirdeğin kalınlığını Nagle'ın tablosunda 2,6–2,9, Wikipedia'da 3–4 nanometre olarak bulmuştuk. Yirmi kalıntılık bir sarmal bu aralığın içine düşer; boyu çekirdeğin kalınlığına denk gelir ve iki ucu baş bölgelerine yaklaşır. On kalıntılık bir parça 1,5 nm'de kalıp çekirdeğin ancak yarısını geçerdi.

Diziden okumak

Zarı geçen parçayı bulmak için yapıyı çözmek gerekmez; dizi bir ipucu verir. Jack Kyte ile Russell Doolittle 1982'de Journal of Molecular Biology'de bir proteinin hidropatik karakterini göstermenin basit bir yolunu önerdiler. Her amino aside bir hidrofobiklik puanı verilir ve dizi boyunca kayan kısa bir pencerenin ortalaması çizilir; Wikipedia'nın hidrofobiklik ölçekleri maddesi ile Paulet ve arkadaşlarının 2011 çalışması yöntemi böyle anlatır.

Wikipedia'nın transmembran protein maddesi de zarı geçen dizinin bu grafikte görülebildiğini yazar. Grafiğin kör noktası da vardır: aynı ansiklopedinin transmembran bölge maddesine göre pompaların ve iyon kanallarının zarı geçen parçaları çok sayıda yüklü ve polar kalıntı taşır, böyle bir parça grafikte alçak kalır.

Fıçı biçiminde geçiş

OpenStax integral proteinlerin zarı α-sarmallarla olduğu kadar β-tabakalarla da geçebildiğini yazar. Walther, Rapaport ile Tommassen'in 2009 derlemesi bu ikinci türü tarif eder: amfipatik β-iplikleri bir silindir biçiminde dizilip zarı bir fıçı gibi geçer. Protein yapısı dersinde β-tabakanın yan zincirlerinin dönüşümlü olarak tabakanın karşı yüzlerine yöneldiğini görmüştük. Fıçıda dışa bakan yan zincirler apolardır ve lipitlere dokunur; Wikipedia'nın porin maddesine göre polar olanlar içe döner ve fıçının ortasında suyla dolu bir kanal açar. Bu dönüşüm yirmi kalıntılık kesintisiz bir apolar dizi bırakmadığı için hidropati grafiği fıçıları kolayca yakalayamaz.

Walther'in derlemesi de Wikipedia'nın transmembran protein maddesi de fıçıları Gram-negatif bakterilerin, mitokondrilerin ve kloroplastların dış zarlarına yerleştirir. Endosimbiyoz kuramını prokaryotu ökaryottan ayırdığımız derste kurmuş, çift zarı kanıt hatlarından biri saymıştık. Walther'in derlemesi bu dağılımı o kökene bağlar: mitokondri ve kloroplast Gram-negatif bakteri kökenli ortakçılardan türemiştir.

Zardaki işler

OpenStax zar proteinlerini enzim, hücre iskeletine tutunma noktası, tanınma yeri ve dışarıdaki sinyali içeri aktaran reseptör olarak anlatır. Wikipedia'nın zar proteini maddesi bunlara taşıma proteinlerini ve hücrelerin birbirine tutunmasını sağlayan yapışma moleküllerini ekler. Almén ile arkadaşlarının 2009 çalışması insan zar proteinlerinin büyük kısmını reseptör, taşıyıcı ve enzim gruplarına yerleştirir.

Kolaylaştırılmış Difüzyon dersindeki tek yönlü taşıyıcı, iyon kanalı ve akuaporin, Aktif Taşıma dersindeki pompalar, hücreleri birbirine bağlayan sıkı bağlantılar ve desmozomlar bu listenin önceden tanıştığımız üyeleriydi. Taşımanın işleyişi sonraki modülün zar taşınımı derslerinde, reseptörün sinyali iletmesi bu modülün sinyal dersinde açılacak.

Ne kadar protein

OpenStax tipik bir insan hücresinin plazma zarında kütlece yaklaşık yüzde elli protein ve yüzde kırk lipit verir, ama oranın zardan zara değiştiğini ekler. Aynı kitaba göre miyelin yüzde 18 protein ve 76 lipit, iç mitokondri zarı ise yüzde 76 protein ve 24 lipit taşır. Wikipedia miyelinin kuru kütlesinde proteini yüzde 15 ile 25 arasında, iç mitokondri zarında protein–lipit oranını 80'e 20 verir. İki kaynağa göre miyelinde protein beşte bir dolayındadır, iç mitokondri zarında ise kütlenin dörtte üçü ile beşte dördü arasını tutar.

Kütle payını molekül sayısına çevirelim. Lipit ile proteinin kütle oranını molar kütlelerin oranıyla çarparsak, protein başına düşen lipit sayısı bulunur. Kurgu olarak ortalama bir zar proteinine 50.000 gram/mol, lipide 750 gram/mol diyelim; oran 50.000 ÷ 750 ≈ 67 eder. Miyelinde 76 ÷ 18 ≈ 4,2 ve 4,2 × 67 ≈ 280 lipit bir proteine düşer. İç mitokondri zarında 24 ÷ 76 ≈ 0,32 ve 0,32 × 67 ≈ 21 lipit bulunur. Aradaki fark on üç kat kadardır. Protein kütleleri çok değişir, lipit payına dünkü kolesterol gibi hafif moleküller de karışır; sonuç yalnız mertebedir.

Batu'nun kurgu karışımında 2 miligram lipide 0,1 miligram protein katılmış olsun; kütle oranı 0,1 ÷ 2 = 0,05'tir. Aynı molar kütlelerle lipit/protein oranı (2 ÷ 0,1) × (50.000 ÷ 750) ≈ 20 × 67 ≈ 1.330 çıkar. Pazartesi bir lipide 0,65 nm² vermiştik; iki yaprağa bölünen 1.330 lipit (1.330 ÷ 2) × 0,65 ≈ 430 nm² tutar, bu da kenarı yaklaşık 21 nm olan bir karedir. Kesedeki proteinler iç mitokondri zarındakinden altmış kat kadar seyrektir.

Genomun dörtte biri

Fagerberg ile arkadaşları 2010'da insan genomundaki 21.416 geni yedi tahmin yöntemiyle taradılar. Zarı sarmalla geçen bir protein kodladığı tahmin edilen gen sayısı yönteme göre 5.508 ile 7.651 arasında değişti; çoğunluk kararıyla 5.539 gen, yani protein kodlayan genlerin yaklaşık yüzde 26'sı kaldı. Almén ile arkadaşları üç yöntemle insan proteomunun yüzde 27'sini α-sarmallı zar proteini olarak tahmin ettiler. Aynı çalışma ilaç hedeflerinin çoğunun zar proteini olduğunu da yazar; Wikipedia aynı şeyi ilaçların yarısından fazlasının hedefi diye söyler.

Çökeltinin başında

Batu defterine iki satır yazıyor: "tuz, karbonat → sıvıda: yüzeydeki", "deterjan → sıvıda: içerideki". Altına "20 × 0,15 = 3,0 nm, pazartesinin çekirdeği" diye ekliyor. Sonra çökeltiye bakıyor. "Proteini keseye soktuk ama kesenin yüzü çıplak," diyor. "Gerçek bir hücrenin dış yüzü böyle mi?"

Nezihe Hanım dolaptan bir kutu lam çıkarıyor. "Yarın bir hücrenin dış yüzünü boyayacağız. Proteinlerin dışarı bakan uçlarında ne asılı olduğunu o zaman görürsün."

Kendini sına

1. İntegral, periferik ve lipit çapalı proteinleri zara nasıl tutunduklarına göre ayır. Monotopik bir protein bu gruplardan hangisine girer?
2. Batu'nun tuzlu tüpünde bir protein çökeltide kaldı. Bu sonuçtan proteinin zarı boydan boya geçtiği sonucu çıkar mı? Gerekçeni yaz.
3. Zarı bir kez geçen bir proteinin hidrofobik segmenti 22 amino asit olsun. α-sarmalın boyunu hesapla ve pazartesi verilen çekirdek kalınlığıyla karşılaştır.
4. Bir hidropati grafiği bir pompada beklenen tepeleri neden kaçırabilir? Aynı grafik bir β-fıçıda neden daha da güç okunur?
5. Kütlece yüzde 50 protein ve 40 lipit taşıyan bir zarda, metindeki kurgu molar kütlelerle protein başına kaç lipit düşer?
6. β-fıçıların bulunduğu zarlar endosimbiyoz kuramıyla nasıl bağdaşır?

Bir sonraki derse köprü

Kesenin yüzü çıplak kalmıştı. Glikokaliks dersi Nezihe Hanım'ın lamlarındaki soruyu soracak: zarın dış yüzündeki proteinlere ve lipitlere bağlanan şeker zincirleri, yani glikoproteinler ve glikolipitler, hücrenin çevresinde nasıl bir örtü kurar, ve bu örtü neden yalnız dış yüzde bulunur?