Membran Proteinleri

1. Membran Proteinleri Ayhan ÜNLÜ

3. Yapisi: Hücre zari baslica protein ve fosfolipitlerden olusmus çift katli bir sividir. Fosfolipit tabaka membranin sivi bölümünü olustururken, fosfolipitten olusmus bu sivi tabaka içine gömülü halde bulunan proteinler ise mozaik bölümünü olustururlar.

6. Yaklasik olarak 6-10 nanometre kalinliginda olan hücre zari, farkli hücre tiplerinde, degisik oranlarda lipid. protein ve karbonhidrat içerir. Hücre protein oraninin fazla olmasi, hücrenin biyokimyasal etkinliginin çok oldugunun bir göstergesidir. Zara yerlesik proteinler; almaç (reseptör-hormonlar ya da 'ileticiler' hücre yüzeyinde bulunan bu yapilara baglanarak hücresel tepkimeleri baslatabilirler), enzim ya da zarin her iki yönüne geçisi düzenleyen bir kanal islevi görürler. Bu baglamda yüksek oranda protein içeren bir zarin islevlerinin de o oranda fazla oldugu düsünülmektedir.

7. Zar Lipidleri Hücre zari iki tabakali bir fosfolipid yapidan olusur. Her bir fosfolipid tabaka, hidrofilik (suyu seven) bas ve hidrofobik (suyu sevmeyen) kuyruk içerir. Fosfolipid tabakanin hidrofilik bas kisimlari, zarin dis tabakasini olustururken; hidrofobik kuyruk kisimlari, diger fosfolipid tabakanin hidrofobik bölümüyle karsilikli durarak çift tabakali hücre mebramnin iç kisimlarini olustururlar.

8. Zar lipidleri, büyük oranda fosfolipidlerden olussa da. daha az oranda kolesterol ve diger lipid tiplerini de içerir. Zarda bulunan kolesterolün en önemli görevi, yüksek isi gibi iç ya da dis etkenlerin zar akiskanligini artirmasini engelleyerek, zar dayanikliliginin sürdürülmesini saglamaktir.

9. Zar Hareketleri Hücre zari hareketsiz ve sabit bir yapi olmayip, yapim ve yikimla beraber, kendine özgü hareketin de sürekli olarak izlendigi özel bir organeldir. Zar hareketleri, her iki yana, kendi çevresinde ve boylamasina olabilir.

10. Zar Proteinleri Her ne kadar biyolojik zarlarin temel yapisi lipidler tarafindan olusturuIuyorsa da, hücrenin yasamasiyla ilgili birçok özel fonksiyon proteinler tarafindan gerçeklestirilir. Zarda yer alan proteinlerin tipleri ve miktarlari oldukça farklidir. Örnegin; Sinir aksonlarini kusatan myelin zarlarda, zarin toplam kütlesinin % 25 inden daha azi proteinken, mitokondri, kloroplast gibi enerji üreten yapilarda bu miktar % 75 kadardir. Olagan zarlarda ise bu miktar yaklasik % 50 dolaylarindadir. Lipid molekülleri, protein molekülleriyle kiyaslandiginda, hacim olarak daha küçük oldugundan bu % 50 lik oranda bile çok fazla sayida lipid molekülü vardir. Diger bir deyisle zarlarda 1 protein molekülüne karsilik yaklasik 50 lipid molekülü yer alir.

11. Proteinlerin Zarlardaks Yerlesim Sekilleri Birçok zar proteini, lipid tabakada bir taraftan diger tarafa kadar uzanir. Transmembran proteinler olarak adlandirilan bu proteinler amfipatik özelliktedir, yani hem hidrofilik hem de hidrofobik bölgelere sahiptirler. Hidrofobik kisimlari lipid tabakanin hidrofobik iç kismiyla, hidrofilik kisimlari ise lipid tabakanin her iki yaninda yer alan su tabakasiyla iliskidedir. Bu proteinlerin bazilarinin hidrofobikligi kendilerine kovalent olarak baglanmis olan ve lipid tabakanin sitoplazmik yarisi içine gömülü bulunan yag asiti zincirleri nedeniyle artabilir. Zarlarin sitoplazmik yarisina baglanan bazi proteinler sadece yag asiti zincirleri araciligiyla lipid tabakaya tutunur . Bazi hücre yüzey proteinleri ise küçük bir fosfolipid olan fosfatidil inositole kovalent olarak baglanarak lipid tabakanin dis yüzünde yer alirlar

13. Bunlarin disindaki proteinler ise zarin her hangi bir yüzeyinde yer alip, hidrofobik bölgeye kadar uzanmazlar, zarda yer alan diger proteinler ile nonkovalent baglarla baglanmis olarak bulunurlar. Bunlar ekstraksiyon metodlariyla zarlardan çok kolay ekstrakte edilebilirler. Bu tip proteinlere periferal zar proteinleri adi verilir. Bunlarin aksine, transmembran proteinler, fosfatidil inositol'e bagli proteinler ve yag asitlerine bagli proteinler bütün lipid tabaka deterjanlarla veya organik çözücülerle tahrip edilmek suretiyle elde edilebilirler. O nedenle transmembran proteinlere integral zar proteinleri adi da verilir.

14. Zar Proteinleri Hücre zarinda çok farkli isleve sahip proteinler bulunur. Zar proteinlerini zardaki yerlesimlerine göre, "integral" ve "periferal" olarak ikiye ayirmak mümkün. Integral proteinler, zarin her iki tarafina dogru yerlesim gösterirken, periferal proteinler, ya iç ya da dis tabakada bulunurlar.

15. Zar Proteinleri 1. Integral zar proteinleri a. Transmembran zar proteinleri b. Zarin sitozolik yüzüne baglanan zar proteinleri c. Zarin dis yüzüne baglanan zar proteinleri 2. Periferal zar proteinleri

16. Yag asitlerine kovalent olarak tutunan proteinler zarda bulunan lipidlere kovalent olarak baglanir. Bu proteinler üç tip lipid grubuyla baglanirlar. Birinci tip baglanmada (açilasyon); bir yag asiti zinciri (myristic veya palmitic acid) bir amid bagi araciligiyla, sitozolik yüzde, proteinin amino ucundaki glisine kovalent olarak baglanir. Ikinci tip baglanmada (prenilasyon); bir prenyl grubu (farnesyl veya daha uzun olan geranyigeranyl grubu) bir thioeter bagi ile, sitozolik yüzde, proteinin karboksil ucundaki 4. sirada yer alan sistein'e baglanir. Bu prenilasyonu takiben uçtaki 3 amino asit ayrilir ve yeni olusan karboksil uç metillenir, böylece protein zara yerlesmis olur. Üçüncü tip baglanmada; proteinler, zarin dis yüzünde yer alan glikozilfosfatidilinositol (glycosylphosphatidylinositol)(GPI)'a baglanir. GPl'in yapisi hücreler arasinda farklilik gösterebilir. Bu yapi genel olarak fosfatidilinositol ve fosfatidiletanoamin ihtiva eder. Fosfatidilinositolün iki yag asidi zarda uzanirken fosfatidiletanoamin bu lipid yapiyi proteine baglar. Fosfatidilinositol ve fosfatidiletanoamin arasinda ise sayisi hücre tipine göre degisen seker rezüdüler yer alir.

18. Transmembran proteinlerin, polipeptid zincirinin lipid çift tabakanin hidrofobik bölgesine gömülü olan kismi nonpolar yan zincirli amino asitlerden olusurlar. Bu proteinler, lipid çift tabakayi a-sarmal (a -heliks) halinde geçerler . Bu geçis ya tek bir zincir seklinde, tek geçisli (single-pass), veya birkaç tane a -sarmal zincir halinde, çok geçisli multipass olur . Transmembran proteinlerin çogu glikozillenmistir (seker gruplari eklenmistir). Seker molekülleri bu proteinlere endoplazmik retikulum ve Golgi Kompleksinde eklenir ve proteinlerin oligosakkarit zincirleri daima ekstraselüler yüzde yer alir. Proteinlerin sergiledikleri asimetri, sahip olduklari diger ilave gruplar ve çesitli baglar tarafindan daha da artirilir. Bunlardan, sülfidril (sulphydril = SH) gruplari sitoplazmik yüzde, disülfit (S-S) baglari ekstraselüler yüzde yer alir

20. Spektrin (Specirin) Eritrositlerdeki protein moleküllerinin çogu lipid tabakanin sitoplazmik yüzüne tutunmus olan periferal zar proteinleridir. Bunlarin içinde de en bol bulunani spektrin'dir. Spektrin yaklasik 100 nm uzunlukta, uzun, ince, esnek, çubuk seklinde olup zar proteinlerinin yaklasik % 25 ini teskil eder. Zarin altinda yer alan sitoplazma iskeletinin esas elemanidir. Spektrin iki büyük polipeptid zincirinden meydana gelmistir. Bunlar: a-spektrin (~ 240 000 dalton) ve ß-spektrin (~ 220 000 dalton) zincirlerdir. Esnek yapidaki bu zincirler birbirlerine birkaç noktada nonkovalent olarak tutunmustur. Spektrin heterodimerleri uç uca eklenerek 200 nm uzunlukta tetramerleri olusturur, a ve ß zincirler 106 amino asit uzunlugunda, çok sayida tekrarlayan kisimlardan meydana gelmistir.

22. Glikoforin (Glycophorin) Insan kirmizi kan hücre zarinda bulunan ve bütün amino asit dizilisi tam olarak bilinen ilk protein Glikoforin'dir. Glikoforin, kütlesinin büyük kismi zarin dis yüzeyinde bulunan, 131 amino asitten olusmus bir transmembran glikoproteindir.

24. Glikoforin üç kisimdan meydana gelmistir: 1. Amino uç kisim: Zarin dis yüzünde yer alan bu kisim 61 amino asitten olusmus bir zincir halindedir. Bu kisma 16 karbohidrat ünitesi baglanmistir. Karbohidratlardan 15 tanesi glikoforinin serin ve threonin amino asitlerine baglanirken bir tanesi asparagin'e baglanir. Bu oligosakkaritler genellikle negatif yüklü sialik asit grubu tasirlar. 61. pozisyondaki pozitif yüklü arginin, zarda yer alan, negatif yüklü bir fosfolipid bas grubuyla iyonik olarak etkilesir. Glikoforin (Glycophorin)

25. 2. Hidrofobik orta kisim: Glikoforini olusturan 131 amino asitten, 62.-95. siralari arasinda yer alan 34 amino asitlik dizi proteinin zara tutunmasini saglar. 66, 67, 70 ve 72. siralarda yer alan yüklü amino asitler (histidin ve glutamik asit) hariç, digerleri çogunlukla hidrofobik amino asitlerden (fenilalanin, lösin, izolösin, valin, triptofan ve tirozin) meydana gelmistir. Bu kisim bir a-sarmal halinde uzanarak zari kateder. Glikoforin (Glycophorin)

26. 3. Karboksil uç kisim: Polar ve iyonize olmus yan zincirlerce zengin olup sitoplazmada uzanir ve proteinin zara tutunmasina katkida bulunur. Bu katki, sitoplazmik yüzde yer alan fosfolipidlerin negatif yüklü bas kisimlari ile glikoforinin 96, 97, 100 ve 101. siralarinda yer alan pozitif yüklü arginin ve lizin amino asitleri arasindaki iyonik iliski sayesinde saglanir. Glikoforin (Glycophorin)

27. Band 3 Protein Glikoforin gibi Band 3 proteini de bir transmembran proteindir. Glikoforinden farkli olarak Band 3 proteini çok geçisli (multipass) bir zar proteinidir. Band 3 proteini lipid çift tabakayi 10 a-sarmal halinde kateden ve yaklasik 900 amino asitten olusmus uzun bir proteindir. Bilindigi gibi eritrositlerin baslica görevi akcigerlerden dokulara oksijen, dokulardan akcigere karbondioksit tasimaktir. Karbondioksitin oksijen ile degisimi bir anyon degistirici transport proteini sayesinde olur. Iste eritrositlerdeki bu anyon transport proteinleri Band 3 proteinlerdir. Band 3 proteinleri dondurma-kirma elektron mikroskobi teknikleriyle incelendiginde zar içi partiküller olarak görülür. Bu yolla incelendiginde glikoforinin E, Band 3 proteinin ise P yüzde yer almaktadir

28. Bakteriorodopsin

29. Membrane protein. Special proteins inserted in cellular membranes create pores that permit the passage of molecules across them. The bacterial protein shown here uses the energy from light (photons) to activate the pumping of protons across the plasma membrane. (Adapted from H. Luecke et al., Science 286:255–260, 1999.)

30. Her bir bakteriorodopsin molekülü ayrica retinal olarak adlandirilan, isik absorbe edici bir kromofor (veya prostetik grup) ihtiva eder. Ayni yapidaki bir kromofor omurgalilarin retina çomak hücrelerinde de bulunur. Retinal, bakteriorodopsinin lizin yan zincirlerine kovalent olarak baglanmistir. Bir isik fotonu tarafindan uyarildiginda protein kompleksinde yapisal bir degisiklige neden olarak bir veya iki protonun (H+) hücrenin disina transferini gerçeklestirir.

31. Proteinler hücre zarlarinin temel bilesenleri olup, hücrenin degisik zarlarinin kütlesinin %25 - %75'ini olusturur. Fosfolipidler zarlarin temel yapisal düzenini olustururken, zar proteinleri hücrenin degisik zarlarinin özgül islevlerini yerine getirmektedir. Bu proteinler, zarla iliskilerine göre iki temel sinifta toplanirlar, Integral zar proteinleri lipid çift-tabakamn içine dogrudan gömülmüslerdir. Periferal zar proteinleri lipid çift-tabakamn içine gömülmezler fakat zarla indirekt olarak, genelde integral zar proteinleri ile etkilesimler yoluyla, iliskilidirler.

34. Lipid çift-tabakalari geçen tek diger protein yapisi olarak, ß-tabakalarin fiçiya benzer bir yapi olusturduktan ß -fiçi yapisi bilinmektedir ki bu yapi, bakteri, kloroplastlar ve mitokondrilerin transmembran proteinlerinde görülmektedir.

35. Fosfolipidler gibi, transmembran proteinler, hidrofilik kisimlari zarin her iki yüzeyindeki sulu ortamlar ile iç içe olan amfipatik moleküllerdir. Bazi transmembran proteinler zari yalnizca bir kez geçmektedir; digerlerinin, zan geçen çok sayida bölgeleri vardir. Ökaryot plazma zarlarinin transmembran proteinlerinin çogu, karbohidratlarin baglanmasiyla modifiye olmuslardir; bu karbohidratlar, hücrenin disi ile iliskilidir ve hücre-hücre etkilesimlerine katilabilirler.

36. Zar Proteinlerinin Saf Olarak Elde Edilmesi Genel olarak transmembran proteinler, lipid tabakayi tahrip ederek hidrofobik iliskileri bozan çesitli ajanlar tarafindan çözündürülebilir. Bu ajanlar içinde en fazla kullanilan deterjanlardir. Bunlar suda misel seklinde toplanma egilimi gösteren amfipatik moleküllerdir. Zarlarla karistirildiklarinda deterjanlarin hidrofobik uçlari zar proteinlerinin hidrofobik bölgelerine baglanir, böylece lipid moleküllerin yerini degistirirler. Deterjan molekülünün diger ucu polar oldugundan, protein molekülünün lipid tabakadan ayrilarak bir protein-deterjan kompleksi halinde solüsyon içerisine geçmesini saglar. Bu komplekse nadiren çok kuvvetli baglanmis lipid molekülleri de katilabilir. Deterjanlar dializ veya herhangi bir kromatografi teknigi kullanilarak uzaklastirilmadan önce ortama fosfolipidler karistirilir. Böylece sadece o proteini ihtiva eden özel bir fosfolipid çift tabaka elde edilir ve o proteinin istenen fonksiyonu bu ortamda arastirilir. Deterjanlarin polar uçlari, ya sodyum dodesil sülfat (sodiurn dodecyl sulfate) (SDS) ta oldugu gibi elektiriksel olarak yüklü (iyonik) ya da triton'da oldugu gibi yüksüzdür (aniyonik).

38. Zar Proteinlerinin Eritrositlerde Incelenmesi Ökaryotik hücrelerde hücre zari ile yapilan çalismalarda çogunlukla kirmizi kan hücreleri kullanilir, çünkü: 1. Diger hücrelerle karisma tehlikesi olmaksizin bol olarak elde edilebilir. 2. Çekirdek veya diger organellere sahip olmadigindan diger iç zarlarla karismadan, dogrudan saf olarak eritrosit zari elde edilebilir. 3. Bos kirmizi kan hücre zarlari veya kalintilari (ghost) elde etmek çok kolaydir. Kan hücresinin sitoplazmasindan daha düsük konsantrasyonlarda (hipotonik) solüsyonlar kullanildiginda, normal difüzyon kurallarina göre dis ortamdaki sivi hücre içine girerek kirmizi kan hücrelerinin patlamasina (lysis) neden olur. 4. Zar kalintilari ile fazla parçalanmadan, sadece tek noktadan yirtikken çalisilabilir (böylece, çalismada kullanilacak solüsyonlar istege göre zarin her iki yüzüyle temas edecektir), veya yirtigin kapanmasi saglanir. Bu özellikten faydalanilip, kullanilan degisik iyonik konsantrasyonlar sayesinde iç yüzü disa gelmis veziküller elde edilebilir.

40. Bu tür çalismalarla bazi zar proteinlerinin lipid tabakayi boydan boya geçtigi ve lipid çift tabakanin lipid kompozisyonunun birbirinden farkli oldugu gösterilebilmistir. Insan eritrosit zarlarinda, SDS poliakrilamit jel elektroforezi ile yapilan çalismalarla, molekül agirligi 15 000 - 250 000 arasinda degisen 15 büyük protein bandi elde edilmistir Bu proteinlerden üçü, spektrin (spectrin), giikoforin (glycophorin) ve Band 3 toplam proteinlerin % 60 i kadardir. Bu proteinlerin zarda dizilis sekilleri farklidir bu yüzden bu 3 proteinin birlesme sekli proteinlerin zarla yapmis olduklari 3 farkli birlesme seklinin örnegi olarak açiklanir.