Proteinlerin Yapısı ve İşlevi Nasıl Tespit Edilir?
Protein; tüm canlılarda bulunan, vücudun yapıtaşı olarak ve enzim ve hormonların yapısına katılarak işlevsel olarak görev yapan oldukça karmaşık bir moleküldür. Proteinlerin yapısı; amino asitler adı verilen yapıtaşlarının kimyasal olarak birbirleriyle bağlanması ve zincir oluşturmasıyla meydana gelir. Proteinlerin metabolik aktivitelerde önemli rol oynadığını 1902 yılında Emil Fischer ve Franz Hofmeister keşfetti.
Proteinlerin birincil yapısı, mRNA tarafından kodlanan amino asitlerle belirlenir ve bu birincil yapıya polipeptid zinciri denir. Polipeptid zinciri katlanmayla, ikincil bir yapı kazanır. Bu ikincil yapılardan biri sarmal şekilli alpha helix’tir. Beta zincirleri ise polipeptidin düz kısımlarıdır ve düz beta tabakaları şeklini alır. Proteinin yapısındaki sarmallar ve kıvrımlar birbiriyle kimyasal olarak bağ kurarlar ve proteinin üç boyutlu yapısını oluştururlar. Çok sayıda proteinin, onları aktif proteinlere dönüştüren birkaç farklı polipeptit alt birimleri vardır. Bu proteinler için, farklı alt birimler arasındaki etkileşimler onların dördüncül yapılarını oluşturur.
İnsan genleri ve proteinleri üzerine çalışılmasıyla, hastalıkların tedavi için yeni ilaçlar ortaya çıktı. Bu yeni ilaçların ortaya çıkışı, hastalıklarla ilişkili proteinlerin proteom (organizmada bulunan tüm proteinler) ve genom (organizmanın DNA’sının tamamı) bilgisine dayanır. Proteomiks sözcüğü ilk defa 1995’te ortaya çıktı ve bir hücre hattı, doku ya da organizmanın sahip olduğu bütün protein yapısının büyük ölçekte tanımlanması anlamına gelir. Proteomiks; özellikle proteinlerin kompozisyonunu, yapısını, işlevlerini ve hücre aktivitesini proteinlerin birbirleriyle etkileşimini içeren büyük ölçekte bir protein çalışmasıdır.
Çoğu protein işlevini gerçekleştirirken, diğer proteinlerle etkileşim halindedir ve proteomiksin asıl amacı hangi proteinlerin etkileşim halinde olduğunu tespit etmektir. Genomiğin gelişmesinin ardından sonra proteomik, biyolojik sistemlerin çalışılmasında ileri bir adım olarak değerlendirilir. Çoğunlukla genomikten daha karmaşıktır. Çünkü organizmanın toplam protein profili, genomuna kıyasla daha değişken olabilir ve zamanla, makro ya da mikro çevresel faktörlere göre sürekli değişebilir.
Proteinleri tespit etmek için kullanılan kütle spektrometresi (MS) yöntemleri adli bilimlerde, özellikle yasa dışı ilaçların bileşenlerinin tanımlanmasında kullanılır. MS; kütle spektrometresi kullanarak, iyonları kendilerine özgü kütlesiyle (kütle yük oranı) ayırarak bileşenleri tanımlar. Bu yöntem; her bileşenin kendine özgü bir parçalanma karakteristiğine sahip olmasına (kütle spektrumu) dayanır. Örnek iyonlaşır ve örnekteki iyonlar kütlelerinin farklılıklarına göre ayrışır. Proteomik; proteinlerin yapısı, işlevi ya da etkileşimlerini incelemesine göre farklı alanlara ayrılır.
Ekspresyon proteomiği, iki farklı koşulda total proteinin kalitatif ve kantitatif ekspresyonunu (üretilmesini) çalışır. Normal hücre ve hasta hücre, hastalığa neden olan proteinin bulunması için total protein ekspresyonları açısından karşılaştırılır. Tipik olarak ekspresyon proteomiği çalışmaları; anormal hücrelerdeki protein ekspresyonunu araştırır ve bu ekspresyon profilini sağlık hücredeki profille kıyaslar. Örneğin tümör dokusu hücresi ve normal hücredeki protein ekspresyonu araştırılabilir ve birbiriyle karşılaştırılabilir. Ekspresyonu azalmış ya da artmış proteinler tespit edilebilir ve multi-protein kompleksi ya da sinyal yolağı olarak proteinlerin aktivitesi karakterize edilebilir. Bu proteinlerin tanımlanması, hastalıkların ortaya çıkışının moleküler biyolojisi hakkında ve proteinlerin tanı belirteci ya da tedavi edici hedef olarak kullanımı için değerli bilgiler verir.
Yapısal proteomik, proteinlerin üç boyutlu yapısının ve yapısal karmaşıklığının anlaşılmasına yardım eder. Amino asit dizisi belirlendiğinde bir proteinin yapısal tahmini, bir genden homoloji modelleme adlı bir yöntemle yapılır. Yapısal proteomik, spesifik bir hücre organelinde protein komplekslerinin yapısı ve işlevi ile ilgili detaylı bilgi verebilir. Hücredeki zarlar, ribozomlar ve hücre organelleri gibi karmaşık sistemlerde bulunan tüm proteinleri tanımlamak mümkündür. X ışını kristallografisi ve NMR spektroskopisi gibi farklı teknolojiler yapı tahmini için kullanılır.
Proteinlerin birbiriyleriyle etkileşimine bağlı moleküler mekanizmaların aydınlatılmasının yanı sıra işlevsel proteomiks, proteinlerin işlevlerini açıklar. Bir hücrede proteinler, fonksiyonlarını yerine getirirken diğer proteinlerle kompleks oluşturarak ya da etkileşime girerek bir sinyal yolağı oluştururlar. Böylece hücrenin davranışlarını (hücre ölümü, çoğalma, farklılaşma ve göç) kontrol edebilirler. Bu nedenle proteinlerin etkileşimleri ve işlevlerinin bilinmesi çok önemlidir.
Proteomikte Kullanılan Yöntemler
Proteinlerin yapısının ve fonksiyonunun anlaşılmasında, analitik ve yazılımlara dayalı biyoinformatik araçlar beraber kullanılır. Analitik yöntemler; iki boyutlu jel elektroforezi ve MALDI-TOF-MS’tir.
İki Boyutlu Jel Elektroforezi
Bu yöntemde protein örnekleri, ilk aşamada yüke göre ve ikinci aşamada moleküler ağırlığa dayalı olarak ayrılır. Sonuçta her biri bir proteini temsil eden, binlerce küçük noktadan oluşan bir görüntü ortaya çıkar. İyi bir iki boyutlu jel, bin ile iki bin arasındaki protein noktasını ayırt edebilir. Bu teknik temel olarak iki tane benzer örnekte protein farklılıklarını karşılaştırmak için kullanılır.
Kütle spektrometresi (MS); bir örneği oluşturan atom ya da moleküllerin kütlesinden spektrum üreten analitik bir yöntemdir. Spektrum, örneğin elementsel ya da izotopik özelliğini belirlemek için kullanılır. Kütle spekrometresi, kimyasal bileşenleri iyonize ederek çalışır. Böylece yüklü moleküller ve molekül fragmentleri ortaya çıkar ve kütlelerinin yüklerine oranı ölçülür. MALDI-TOF, protein tanımlanmasında en yaygın olarak kullanılan kütle spektrometresi tekniğidir.
DNA, protein ve peptitler gibi biyomoleküllerin analizinde kullanılır. Biyomoleküllerin ve sentetik moleküllerin düşük uçuculuğu vardır ve ısı açısından dengesizlerdir. Bu da karakterizasyon için MS’in kullanımını sınırlandırır. Örneği parçalamadan iyonize edip buharlaştırarak biyomoleküllerin kütlesini tanımlayan MALDI-TOF MS yönteminin gelişmesiyle, bu sorunlar azaltıldı.
Protein örnekleri HPLC (bir tür kromatografi yöntemi) ile ya da peptid haritaları oluşturularak SDS-PAGE yöntemiyle karakterize edilebilir. Bu peptid haritaları, proteinlerin parmak izi olarak kullanılır ya da bir örnekte var olduğu bilinen bir proteinin saflığını belirlemek için kullanılır. Proteinler tripsin gibi parçalayıcı enzimlerle parçalandığında, kütle spektrometresi bir harita verir. Bu peptit haritası, proteinleri veri tabanlarında aramak için kullanılabilir.
Chandrasekhar ve ark. A Short Review on Proteomics and its Applications. doi:10.18052/www.scipress.com/ILNS.17.77
gen, hücre, peptid, protein, proteomik
Vanilya Çubuğu Nedir?