Protein Katlanması

Ara 18, 2013

Origami ile fil yapmak! Yazıdan sıkılsanız bile, el becerinizi geliştirebilirsiniz. Kaynak: theelephantmagazine.wordpress.com

Origami ile fil yapmak! Yazıdan sıkılsanız bile, el becerinizi geliştirebilirsiniz. Kaynak: theelephantmagazine.wordpress.com

Küçüklüğümden beri el işi konusunda hep çok başarısız olmuşumdur; ne güzel resim yapabilmişimdir, ne herhangi bir şeyi düzeltip tamir edebilmişimdir. Misal, kağıtları katlayarak uçak yapmayı (daha doğrusu uçabilen uçak) hiç başaramamışımdır. Belki bu yüzden olsa gerek, Japonların 'origami' sanatından hep etkilenmişimdir; belli boyutlardaki kağıt parçaları katlayarak birbirinden güzel şekiller elde edersiniz origamiyle.

Doğada ise, aslında origaminin kralı vardır ve bunu keşfetmemle birlikte de ilgim hep o yöne doğru kaymıştır; protein katlanması. Bir diğer değişle de, tek boyutlu amino asit zincirlerinin katlanarak, eğilip bükülerek çok özel üç boyutlu şekiller kazanması. Elbette, origamide elle yaptığımız işi doğa atomlar arası etkileşimleri kullanarak kağıtlar yerine birbirine zincir halinde bağlanmış amino asitleri temel alarak yapıyor. Öyle ki, bu özel yapılar sayesinde canlılık devam edebiliyor ve tam da bu yapılardan dolayı hasta olabiliyor, hatta ölebiliyoruz. Bu yüzden olsa gerek, proteinlerin nasıl katlandıkları, bu yapıların tahmin edilebilirliği ve değiştirilebilirliği bilimin son 50 yıldır en çok üzerinde çalıştığı konulardan biri.

Proteinlerin nasıl katlandıkları üzerine bazı bilgilerimiz var. En azından, organel düzeyinde bu işin nasıl gerçekleştiğini üç aşağı beş yukarı biliyoruz; DNA'dan üretilen RNA'lar sayesinde hücrelerin içindeki ribozomlarda proteinler sentezleniyor ve üç boyutlu yapılarına erişiyorlar. Ancak, daha moleküler düzeyde bu işlemin nasıl gerçekleştiğini henüz çözebilmiş değiliz. Bu konuda yapılmış binlerce çalışma halihazırda literatürde mevcut; bense konuyu biraz özetlemeye çalışacağım.

download

Kromozom, gen ve DNA arasındaki ilişkiyi gösteren bir görsel. DNA'yı oluşurturan A, T, C ve G bazlarını görüyorsunuz. Bunlar, bütün bilgiyi şifreleyen dört harfli alfabemizi oluşturuyorlar. Kaynak: commons.wikimedia.org

Bütün hücrelerde DNA (deoksiribonükleik asit) adı verilen ve canlının bütün bilgilerini kodlayan moleküller bulunur. Bu moleküllerde o canlıyı canlı yapan her şeyi bulabilirsiniz; dahası, bu moleküller canlının özelliklerini kuşaktan kuşağa aktarmaktadırlar. DNA üzerinde bilgi, dört harfli bir alfabe ile kodlanır: A, T, C ve G. Bu harflerin binlercesinin bir araya gelerek oluşturdukları yapılar bizim kalıtsal bilgimizi oluşturur ve farklı kombinasyonlar da bizi birbirimizden ayıran farklılıklara yol açar.

Bu dört harfli alfabe, temel olarak canlıdaki proteinlerin şifrelenmesini içerir; alfabenin her üçlü kombinasyonuna karşılık gelen bir tane amino asit vardır ve bu amino asitler de proteinlerin yapıtaşıdır. Bundan dolayı proteinler aslında bir şekilde genetik malzememizin ifade edilmiş halidir.

DNA'da şifrelenen bu bilgi, RNA (ribonükleik asit) adı verilen bir grup özel molekül sayesinde okunur, hücre içinde proteinlerin üretildiği yapılara, yani ribozomlara taşınır ve ribozomlarda da gelen şifreli yapı protein olarak üretilir. Bu süreçte pek çok farklı molekül görev alır. Oldukça karmaşık olmasına rağmen nispeten çok daha iyi anlaşılmış olan bu süreçi ne yazık ki proteinlerin özel üç boyutlu yapılarını tahmin etmemiz için yeterli değildir. Aşağıdaki videoda, bu paragrafta bahsettiğim protein üretiminin bir daha detaylı bir animasyonu var.

Elbette, her protein molekülü, farklı kalıtsal bilgi tarafından şifrelendiği için birbirinden farklı olacaktır; ama bütün proteinler temelde bazı özellikleri paylaşırlar. Bu özellikleri kısaca birden fazla amino asitin oluşturduğu zincirlerden oluşma ve özel, kendisine has üç boyutlu bir yapıya sahip olma olarak maddeleyebiliriz. Şu anki teknolojimiz ve bilgi birikimimiz sayesinde pek çok proteinin yapısında yer alan amino asitleri sırasıyla biliyoruz; dahası, pek çok proteinin canlı içinde hangi üç boyutlu yapıda bulunduğunu da biliyoruz. Bilmediğimiz, ve bizim için en büyük önemi oluşturan şey ise, zincir halindeki amino asitlerin nasıl oluyor da tekil üç boyutlu yapılara ulaştığı, yani katlandığı.

Düz zincirli amino asit yapısından iki boyutlu bir yapıya geçilmesi, protein katlanmasının ilk basamağını oluşturur.

Düz zincirli amino asit yapısından iki boyutlu bir yapıya geçilmesi, protein katlanmasının ilk basamağını oluşturur.

Katlanma işlemini anlamamız ve daha önemlisi de, proteinin sadece amino asit dizilimine bakarak hangi üç boyutlu şekli alacağını tahmin etmemizin önünde pek çok engel var. Bunlardan birincisi, gözlem gücümüz. Pek çok protein, saniyenin milyonda birinden çok daha kısa bir süre içerisinde katlanır ve bu süre, bizim gözlem araçlarımızın sınırlarını zorluyor. İkincisi, hücre içinin çok karmaşık ve kalabalık olması; eğer katlanma süresinde rol oynayan bütün molekülleri ve etkileri görmek isterseniz, ne yazık ki elinizdeki deneysel düzenek hiçbir şekilde gözlemlemenize yetmeyecektir. Bunun sebebi ise, proteinler, lipidler, RNA molekülleri gibi görece büyük moleküllerin yanı sıra, herhangi bir deneysel düzenek ile gözlemlenmeleri çok zor olan pek çok iyon ve daha küçük molekül de bu katlanma süresince rol oynuyor.

Proteinlerin üç/dört boyutlu yapısına bir örnek. Farklı işleve sahip bölgeler numaralandırılmış. Gerçekten de, bir ipi dolaya dolaya bu hale getirdiğinizi düşünün, gerçekten müthiş! Kaynak: flickr.com

Proteinlerin üç/dört boyutlu yapısına bir örnek. Farklı işleve sahip bölgeler numaralandırılmış. Gerçekten de, bir ipi dolaya dolaya bu hale getirdiğinizi düşünün, gerçekten müthiş! Kaynak: flickr.com

Ne zaman çok karmaşık işlerle uğraşsak, soluğu bilgisayarların yanında alır ve onlardan yardım isteriz. Doğanın temel yasalarına dair bilgimizi bilgisayar programlarına ve simülasyonlarına aktarır, onların hesapladıkları değerlerden bazı sonuçlar çıkarmaya çalışırız. Bizim için bilgisayarların en büyük yardımı, saniyede milyonlarca işlem yapabilme gücünde olmaları ve bundan dolayı da bir kişinin (ya da bir grup insanın, farketmez) yıllar içerisinde yapabileceği hesabın çok daha fazlasını birkaç saat içerisinde yapabilmeleridir. Bir diğer faydaları ise, bir önceki paragrafta bahsettiğim saniyenin milyarda biri seviyesindeki zaman dilimlerini ve hatta çok daha küçüklerini bilgisayarlar kullanarak canlandırabilmemizdir.

O halde, “Ne duruyoruz, haydi bilgisayarlara yüklenelim ve şu sorun çözülsün dostum!” diyebilirsiniz, ki ben de birkaç yıldır bunu diyorum. Ancak, bilgisayarlarla yapılan hesaplarda da önümüzde pek çok sorun mevcut. En başta gelenlerden bir tanesi, proteinlerin ve canlı içi ortamların bilgisayarlar için bile çok karmaşık ve modellemesinin zor olması. Şöyle bir düşünün; ortalama boyutlarda bir protein molekülünde 500 kadar amino asit var. Her amino asit, gene ortalama olarak 10 tane atom içeriyor. Dahası, hücre içinde proteinin etrafında bulunan binlerce su atomu, binlerce iyon ve sisteme bir dahil olup bir çıkan, gene binlerce atom içeren başka yardımcı moleküller var. Bütün bu sayıları toparladığınızda, karşınıza onbinlerce atomun (hatta yüzbinlerce) bir araya gelerek oluşturduğu, her atomun bir başka atomu etklediği oldukça karmaşık bir sistem çıkıyor. Evet, bilgisayarlar için bile çok zor bir görev bu.

Proteinlerin bilgisayar modellemeleri ve hesaplamaları için kullanılan programlara bir örnek. Kaynak: commons.wikimedia.org

Proteinlerin bilgisayar modellemeleri ve hesaplamaları için kullanılan programlara bir örnek. Kaynak: commons.wikimedia.org

Dahası, doğanın işleme mekanizmasına dair bildiğimiz bütün teoriler ve kuramlar, bu denli karmaşık sistemleri incelemek istediğimiz zaman hata veriyor. Yanlış oldukları için mi? Hayır, sadece bu kadar karmaşık sistemleri en temel düzeyden incelemek istediğimiz zaman elimizde çözülemeyen denklemler ve saçı başı dağılmış bilim adamları kalıyor.

Bu durumda, yapmamız gereken şey ilk olarak sistemi daha basit bir hale getirmek, farklı amino asitler arasındaki etkileşimleri belirleyebilmek ve bunları uygun bir bilgisayar modellemesi kullanarak hesaplamak. 2013 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanan bilimadamları işte tam olarak da bu noktada bilgimize çok büyük katkılar yaparak büyük çapta bilgisayar hesapları ve modellemeleri yapmamıza izin veren programları geliştirdiler, amino asitlerin arasındaki etkileşimleri bir şekilde hesaplanabilir boyutlara indirgediler.

Gelişmiş bilgisayarlara ve doğanın işleyişiyle ilgili bilgimize rağmen, proteinlerin katlanması bizim için hala bir sır niteliğinde. Gene de, binlerce biliminsanının yıllar süren yoğun araştırmaları sonucunda yavaş da olsa bir ilerleme kaydedebilmiş durumdayız. Artık atomik etkileşimleri daha iyi anlıyor, daha çok deneysel verinin ışığı altında daha gerçekçi modellemeler yapabiliyor ve daha güçlü bilgisayarlar inşa ediyoruz. Çok büyük paralar harcıyor ve oldukça fazla emek sarfediyoruz. Bütün bunların sonucunda elde edeceğimiz bilginin ve anlayışın hayat ve insan sağlığı için değeri paha biçilemez olacaktır.

Solda düzgün katlanmışi sağda ise katlanamamış protein gösteriliyor. Sağ taraftaki protein normal fonksiyonuu yerine getiremediği gibi canlı için zararlı bile olabilir. Kaynak: www.michaeljfox.org

Solda düzgün katlanmışi sağda ise katlanamamış protein gösteriliyor. Sağ taraftaki protein normal fonksiyonuu yerine getiremediği gibi canlı için zararlı bile olabilir. Kaynak: www.michaeljfox.org

Neden bu kadar takıntılıyız bu protein katlanması olayına? Saf bilimsel merakı, bilme isteğini bir kenara bırakacak olursak bile, protein katlanmasının anlaşılması hastalıkların nedenlerini anlamamızda ve dahası onları tedavi edebilmemizde çok önemli rol oynuyor. Daha önce de söylediğim gibi, proteinler doğrudan doğruya kalıtsal malzememizin, bizi biz yapan şifrenin bir çeşit ifadesi. Eğer kalıtsal malzemenın yapısında bir bozulma meydana gelirse, ya da protein üretim aşamasında bir sorun ortaya çıkarsa ve proteinin üç boyutlu yapısı değişirse, ortaya Alzheimer'dan tutun da Parkinson'a, kansere pek çok hastalık kapımızı çalabilir. Sadece insanlarda değil, bakterilerde ve diğer hastalık yapma potansiyeline sahip canlılarda da proteinler benzer şekilde üretiliyor. Katlanma sürecinin iyi anlaşılması hastalık yapıcı canlılara karşı daha etkin ilaçların geliştirilmesinde, tedavi yöntemlerinin ortaya çıkmasında çok büyük öneme sahip olacaktır.

Araştırmalarda kimyacısından fizikçisine, matematikçisine, bilgisayar bilimcisine pek çok farklı alandan kişinin çalıştığı protein katlanması, günümüzde biyolojik bilimlerin en önemli sorularından birisidir ve daha pek çok yıl bilimadamlarının kafasını meşgul edeceğe de benzemektedir.

Notlar:

*Protein katlanmasının hastalıklarla ilişkisi üzerine yazılmış bir değerlendirme makalesi; http://www.nature.com/nature/journal/v426/n6968/abs/nature02261.html

*Bu yazı Carl Branden ve John Tooze tarafından hazırlanan "Introduction to Protein Structure"   isimli kitabın 1999 baskısı temel alınarak derlenmiştir.

*Daha detaylı Türkçe kaynak için, http://www.acikbilim.com/2013/10/dosyalar/molekuler-origami-protein-katlanmasi.html adresine başvurabilirsiniz.

Yorum Bırakın

E-posta hesabınız yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Şu HTML etiketlerini ve özelliklerini kullanabilirsiniz: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Download mp3