PROTEİNLERİN 3 BOYUTLU YAPISI Prof. Dr. Kader KÖSE ?Can you give me some examples of what chemicals you think youve used, or how you think chemistry may have impacted your life? Prof. Dr. Kader KÖSE

PROTEİNLERİN 3 BOYUTLU YAPISI

-Beta–bendler (kıvrım, dirsek) -Tesadüfi kıvrılmalar(Random coil) PROTEİNLERİN 3 BOYUTLU YAPISI 1-Primer Yapı (1o) 2-Sekonder Yapı (2o) 3-Tersiyer Yapı (3o) 4-Kuarterner Yapı (4o) -Alfa–heliks -Beta–kırmalı tabaka -Beta–bendler (kıvrım, dirsek) -Tesadüfi kıvrılmalar(Random coil)

1-Primer Yapı (1o) Protein yapısında yer alan AA lerin, H2N ( )nCOOH Amino asitler Protein yapısında yer alan AA lerin, bir düzen içerisinde peptid bağları ile bağlanması cins sayı sıra Protein sekansı

Primer Yapı = Protein Sekansı AMİNO ASİT SIRALAMASI Her protein için spesifik DNA’nın nükleotid sekansı (genetik bilgi)’na göre belirlenir ?Can you give me some examples of what chemicals you think youve used, or how you think chemistry may have impacted your life? AA dizileri N-terminal C-terminal yönünde okunur

2- Sekonder Yapı (2o) sonucunda oluşur (PAULING ve COREY, 1951) Primer yapıda birbirine yakın olan AAlerin, molekül içindeki düzenli ya da düzensiz ilişkileri sonucunda oluşur ?Can you give me some examples of what chemicals you think youve used, or how you think chemistry may have impacted your life?

(tesadüfi kıvrılmalar) Düzenli ilişkiler: periyodik olarak tekrarlanan yapılar -kırmalı tabaka -heliks Düzensiz ilişkiler: random coil (tesadüfi kıvrılmalar)

Sekonder Yapıyı Oluşturan Bağlar - Disülfid Bağları - Hidrojen Bağları Disülfid Bağı: Sistein rezidüleri arasında kovalent bağ R – CH2– S – S – CH2 – R Cys Cys

Sayıları çok stabilite Hidrojen Bağları (+) H atomları ile (-) O atomları arasındaki elektrostatik çekim gücü Polipeptid zincirleri içinde veya arasında, polar ve yüksüz, -OH, -NH, -NH2 grupları ile -C=O arasında medana gelir ?Can you give me some examples of what chemicals you think youve used, or how you think chemistry may have impacted your life? Protein yüzeyinde bulunan polar gruplar ile su molekülleri arasında da oluşabilir Düşük enerjili zayıf bağlar ömrü kısa( 1x10-9sn) Sayıları çok stabilite

-Heliks Yapısı devam eder zincirin iskeletini oluşturur • Çubuğa benzer bir yapı • Polipeptid zinciri bir ana eksen etrafında kıvrılarak devam eder yan zincir •Peptid bağları ve -Catomu (eksene paralel) polipeptid zincirin iskeletini oluşturur •-C üzerindeki R grupları, heliksin merkezinden dışına doğru yer alır

birbirinden 1.5 A uzaklıkta bulunur -Heliks’in Özellikleri 3.6 AA rezidü 5.4 Ao H bağı • AA Rezidü = 1.5 A Her AA,heliks ekseni boyunca birbirinden 1.5 A uzaklıkta bulunur • 3.6 AA Rezidü / Dönüş Her AA, 100 açı yapar Heliksin her dönüşünde (360), 3.6 AA bulunur • Heliks Yüksekliği = 5.4 A Heliksin bir tam dönüş yapmasıyla gidilen uzaklık 1.5 A x 3.6 AA = 5.4 A

uzaklık bulunan AAler, -heliks -Heliks Eksenine Üst Bakış 5.4 A 1.5 A • Primer yapıda aralarında 3- 4 AA’lik uzaklık bulunan AAler, -heliks ekseninde birbirine en yakındır

-Heliks Yapısında Hidrojen Bağları H bağı Hidrojen bağları, zincir içinde oluşur Heliks zincirindeki tüm peptid bağları hidrojen bağı oluşumuna katılır O (- N -C-) H 1.AA rezidü-NH 4.AA rezidü-C=O Ardışık olarak H bağları oluşur

Heliks zincirinin iç kısmında su molekülü yoktur -Heliks Yapısında Stabilite Bir polipeptid zinciri için: - en düşük enerjili - en kararlı - en dayanıklı yapı G = negatif -Heliks (spontan oluşur) H bağları, sayılarının çokluğu nedeniyle, heliksin dayanıklılığını artırır Heliks zincirinin iç kısmında su molekülü yoktur

Stabiliteyi sonlandıran -Heliks Yapısında Stabilite Stabiliteyi artıran AAler Stabiliteyi Azaltan Stabiliteyi sonlandıran Nötral Yüklü/büyük yapılı AAler GLY:küçük yapı ALA ASN ARG VAL PRO: Sert-yarı katı CYS GLN LYS LEU HIS MET GLU ILE PHE TRP ASP TYR SER /THR

zincirinin birbirlerine sarılması Süper-sekonder Yapı Sarılmış Sarmal(Coiled Coil)Protein İki ya da daha çok -heliks zincirinin birbirlerine sarılması - Stabil, - Enerjetik olarak protein yapısına uygun Although each strand of a CC is an alpha-helix, not all alpha-helices form CCs. There are some special conditions on the alpha-helix that allow it to form a CC. These strands are almost always from different seqs. If these seqs are id’l, CC is a homodimer (if 2 seqs); if different, CC is a heterodimer. Given a protein seq, ideally biologists want to know the complete fold, but for many purposes it is sufficient to know the ?? Or supersecondary structure of a protein. For ex., given a protein seq, will it fold as a CC?

Beta–kırmalı tabaka (–konfigürasyon) • 2 – 5 polipeptid zincirinin paralel ya da antiparalel birleşmesiyle oluşur • Zincirler, tabaka/levha halindedir • R grupları tabaka düzleminin altında ya da üstünde yer alırlar

Her AA, -kırmalı tabaka boyunca birbirinden 3.5 A Beta–kırmalı tabaka 7.0 A • Polipeptid zinciri, gergin-gerilmiş durumdadır. • AA Rezidü = 3.5 A Her AA, -kırmalı tabaka boyunca birbirinden 3.5 A uzaklıkta bulunur

zincirler arasında oluşur Beta–kırmalı tabaka HİDROJEN BAĞLARI zincirler arasında oluşur Stabilite, sayılarının çokluğu nedeniyle, H bağları ile sağlanır

Beta–bendler (kıvrım, dirsek) • Proteinlerdeki -heliks ve -kırmalı tabaka yapıları, -bendler ile birbirine bağlanırlar • -bendler, zincirin yönünü değiştirir( menteşe bölgeleri) • -bendlerin varlığı, polipeptidlerin globüler kütleler oluşturmasını sağlar. • -bend bölgelerindeki 1- 4 AA artıkları arasında H bağları oluşur. • Pro ve Gly sıklıkla bulunur

• Biyolojik fonksiyon bakımından, diğer sekonder yapılarla aynı Tesadüfi kıvrılmalar ((Random coil) •Proteinlerin, heliks, kırmalı tabaka veya -bend yapmayan bölgeleri, gelişi güzel helezonlar, kıvrılmalar şeklindedir. • Düzlemler arasında belirli bir ilişki ve H bağları yoktur • Biyolojik fonksiyon bakımından, diğer sekonder yapılarla aynı öneme sahiptir

3 -Tersiyer Yapı Tersiyer Yapıyı • yuvarlak • elipsoid -Heliks / -kırmalı tabaka yapıları, üstüste katlanarak, sarılarak veya kendi etrafında kıvrılarak şekillerde Tersiyer Yapıyı oluşturur • yuvarlak • elipsoid

Tersiyer Yapı Primer yapıda birbirinden uzakta bulunan AAler, tersiyer yapıda komşu olabilirler Tersiyer yapı, proteinin fonksiyonel karakterini belirler Mevcut proteinlerin çok büyük kısmı, tersiyer yapıya sahiptir

Polipeptid zincirinin katlanarak tersiyer yapıyı oluşturması Albumin:-kırmalı tabaka 200 x 0.5 nm Albumin: -heliks 90 x 1.1 nm Albumin:Tersiyer yapı (gerçek yapı) 13 x 3 nm

Tersiyer yapıyı oluşturan bağlar • Hidrojen bağları (12-30 kJ/mol) • Disülfid bağları ( 460 kJ/mol) • İyonik (tuz) bağlar (20 kJ/mol) (elektrostatik etkileşimler) • nonpolar etkileşimler (<40 kJ/mol) • van der Waals bağları (0.4-4 kJ/mol) Figure Number: 23-11 Title: Figure 23.11 Caption: Stabilizing interactions involved in maintaining the tertiary structure of a protein. Notes: Tertiary structure is maintained by interactions between sidechains of different amino acids within the same protein molecule.

Çok sayıda hidrojen bağı Polipeptid zincirin hücre içinde (sulu ortamda ) katlanması çok hızlıdır ? minutes dakikalar 100 nm x 0.5 nm, ~ 200 nm2 Su molekülleri primer 3.45 nm ~ 37 nm2 tersiyer Çok sayıda hidrojen bağı

Elektrostatik Etkileşimler (İyonik Bağlar) Yan zincirde bulunan ve zıt elektrik yükü taşıyan gruplar (asidik ve bazik amino asitler ) arasında oluşan tuz bağları

Elektrostatik Etkileşimler (İyonik Bağlar) + G = negatif +

van der Waals ve nonpolar etkileşimler Nonpolar yan zincirli AA ler, tersiyer yapının iç kısmında bulunurlar ve su ile temas etmezler Ala Val C H van der Waals ve nonpolar etkileşimler

Nonpolar etkileşimler: Nonpolar yan zincirler arasında van der Waals bağları: Birbirine yakın iki atom arasında Birbirine yaklaşan 2 nötr atomun etrafındaki e- bulutları bir diğerini etkiler  zıt elektrik dipolü

2 nükleus daha fazla yaklaşamaz van der Waals etkileşimi: Zıt dipollerin birbirini çekerek nükleusları yaklaştırması Nükleuslar yaklaşırken, atomların kendi e- bulutları birbirini iter  Çekim ve itim gücü dengelenir  2 nükleus daha fazla yaklaşamaz

Tersiyer yapıyı oluşturan bağlar - Figure Number: 23-11 Title: Figure 23.11 Caption: Stabilizing interactions involved in maintaining the tertiary structure of a protein. Notes: Tertiary structure is maintained by interactions between sidechains of different amino acids within the same protein molecule.

4 - Kuarterner Yapı Proteinlerin polimerizasyonu Primer, sekonder ve tersiyer yapıları bulunan polipeptid zincirlerinin non-kovalent bağlarla bir arada tutulması Proteinlerin polimerizasyonu Protein-protein kompleksi: OLİGOMER

oligomeri oluşturan polipeptidlerin her biri multimer kuarterner yapıda protein monomer protomer subünite oligomeri oluşturan polipeptidlerin her biri dimer 2 polipeptid içeren oligomer homodimer aynı 2 polipeptid heterodimer farklı 2 polipeptid tetramer 4 polipeptid içeren oligomer (homo- veya hetero-)

Kuarterner Yapıda Protein Ör: Hemoglobin dış görünüş modeli zincir modeli 4 Globin Zinciri (tetramer) Hem protein-protein bağlanma bölgesi

üzere globin kompleksi aynı 2 alfa globin zinciri aynı 2 beta globin zinciri a b Hb’ i oluşturmak üzere globin kompleksi bağlanır b a a2 b2-Tetramer

Hidrofobik etkileşimler Kuarterner Yapıyı Oluşturan Bağlar 4 monomer Protein-Protein kompleksi Non-kovalent bağlar hidrojen bağları iyonik bağlar Hidrofobik etkileşimler

Proteinlerin İyonizasyonu PROTEİNLERİN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ    Proteinlerin İyonizasyonu Asidik ve bazik AAler nedeniyle, AMFOTERİK + + OH- OH- pH = pI Net yük 0 Bazik pH Net yük - Asidik pH Net yük + Tüm özellikler minimal seviyede Proteinler presipite edilebilir

3 pH bölgesinde incelenebilir Proteinlerin Titrasyon Eğrileri 3 pH bölgesinde incelenebilir • pH 1.5-6.0 : Karboksil (-COOH, R- COOH) • pH 6.0-8.5 : Histidin ve -NH3 grubu • pH  8.5 : Lys’de -NH3 grubu Tyr’de fenolik OH grubu Cys’de SH grubu Arg’de guanido grubu Proteinler fizyolojik şartlarda tamponlayıcı özelliğini His (imidazol) ile gösterir

Proteinlerin Titre edilebilen Grupları pK pH 7’de yük  - COOH 3.5 - 4.0 - R - COOH 4.0 - 4.8  - +NH3 8.0 - 9.0 + İmidazol 6.5 - 7.4 Guanido 12 Tiyol 8.5 - 9.0 Fenol 9.5 - 10.5

DENATURASYON • Proteinlerin primer yapısı değişmez (peptid bağları mevcut) • Diğer yapılar bozulur(nonkovalent bağlar kopar) • Biyolojik aktivite kaybolur Kuarterner Yapıda denaturasyon: • Subüniteler birbirinden ayrılır • Subünitelerin tersiyer yapıları bozulur, tesadüfü kıvrılmalar, bükülmeler meydana gelir

Denaturasyona neden olan faktörler • 50-60º C’ nin üstünde sıcaklık • pH4 ve pH10 ; asitler, bazlar • Alkol, aseton, eter gibi organik çözücüler • Üre, guanidin HCl, vb kaotropik maddeler (H bağları kopar) • Ağır metaller • u.v. fiziksel etkenler • İyonik deterjanlar (SDS) RENATURASYON: Reversibl Denaturasyon Biyolojik aktivitenin yeniden kazanılması  KOAGÜLASYON: İrreversibl Denaturasyon