biyoanorganik
Post on 31-Jul-2015
504 Views
Preview:
TRANSCRIPT
BİYOANORGANİK KİMYA
DERS NOTLARI
PROF.DR.ERHAN DİNÇKAYA
EGE ÜNİVERSİTESİ
FEN FAKÜLTESİ
BİYOKİMYA BÖLÜMÜ
1.B1.BİİYOANORGANYOANORGANİİK KK KİİMYAYA GENEL BAKIMYAYA GENEL BAKIŞŞ
1.1 1.1 BiyoanorganikBiyoanorganik Kimya Nedir?Kimya Nedir?
BiyoanorganikBiyoanorganik Kimya en genel anlamda: anorganik Kimya en genel anlamda: anorganik
kimya ve biyolojinin girikimya ve biyolojinin girişşim yaptim yaptığıığı alanda yer alan bir alanda yer alan bir
bilim dalbilim dalııddıır. r.
BiyokimyanBiyokimyanıın da en genel anlamda biyoloji ve n da en genel anlamda biyoloji ve
kimyankimyanıın kesin kesişştitiğği alanda yer aldi alanda yer aldığıığı ddüüşşüünnüüllüürse rse
biyoanorganikbiyoanorganik kimya; biyokimyankimya; biyokimyanıın temel unsurlarn temel unsurlarıınnıı
oluoluşşturan ve turan ve esansiyelesansiyel anorganik elementleri ianorganik elementleri iççeren pek eren pek
ççok molekok moleküül ve l ve makromolekmakromoleküüllüünn yapyapıı ve fonksiyonlarve fonksiyonlarıınnıın n
incelenmesi ve ortaya incelenmesi ve ortaya ççııkarkarıılmaslmasıınnıı amaamaççlayan bir bilim layan bir bilim
daldalııddıır.r.
Biyolojik sistemlerde doBiyolojik sistemlerde doğğal olarak yer alan bazal olarak yer alan bazıı anorganik anorganik metal iyonlarmetal iyonlarıı ve fonksiyonlarve fonksiyonlarıı Tablo 1.1 de verilmiTablo 1.1 de verilmişştir.tir.
Tablo1.1
Günümüzde canlı sistemlerde doğal olarak
bulunmayan pek çok inorganik elementten de çeşitli
amaçlarla yararlanılmaktadır.
X-ışını kristalografistlerinin ve elektron
mikroskopistlerinin makromoleküllerin yapılarının
aydınlatılması amacıyla prob olarak civa ve platin gibi
ağır metalleri kullanmaları, bunların yanısıra
antikanser özellikli bazı Pt komplekslerinin, antiaritmik
Au ajanlarının ilaç olarak ve radyolojide teknetyumun
görüntüleme amacıyla tıptaki kullanımları örnek
olarak verilebilir.
Bunlar da göz önüne alındığında biyoanorganik kimyanın
ilgi alanına giren başlıca elementler Şekil 1.1. de
verilmiştir.
Şekil.1.1.
Sonuç olarak biyoanorganik kimyanın başlıca ilgi
alanını; biyolojik sistemlerde varolan anorganik
elementler ve biyolojik sistemlere sonradan ilaç olarak
katılan veya biyolojik sistemlerden gelen moleküllerin
tanımlanmasında prob olarak kullanılan anorganik
elementler oluşturur.
Doğal olarak bunların biyolojik sistemdeki
moleküllerle özellikle de proteinlerle etkileşimleri ve
bu etkileşimlerinin söz konusu moleküllerin
fonksiyonları üzerindeki etkileri incelenir.
1.2.1.2.MetaloproteinlerdekiMetaloproteinlerdeki Metal FonksiyonlarMetal Fonksiyonlarıı
Metaller genelde proteinlerin doğal bileşenleri olarak
bulunurlar.Yaşam prosesleri, kendileriyle ilgili çok farklı
ve spesifik fonksiyonun gerçekleştirilmesinde metal
iyonlarının bazı özelliklerinden yararlanırlar.
1.2.a.1.2.a. DioksijenDioksijen Transportu;Transportu; BuBu alan dahilinde
canlı sistemlerde metal iyonlarının da yardımıyla eşsiz
bir şekilde gerçekleştirilen en önemli fonksiyon
solunumdur.
Dioksijen transport proteinlerinin bilinen üç sınıfı
vardır;
*Hemoglobin –Miyoglobin Ailesi
*Hemosiyaninler
*Hemeritrinler
Bu proteinlerde zayıf bir denge uyarınca demir yada
bakıra O2 molekülünün bağlanması gerçekleşir.
Bu olay;
geri dönüşümsüz bir elektron transferi yada redoks,
O-O bağının kırılımına rehberlik eden bir
reaksiyon ve
oksidasyon kimyasıyla ilişkin olaylar
olmaksızın meydana gelir.
Hemoglobin (Hb) ve Miyoglobinde(Mb) dioksijen
bağlama merkezi,oksijen bağlanmasıyla yapısal
değişikliklere uğrayan bir demir-porfirin kompleksidir.
Hemoglobin için bu yapısal değişiklikler, dioksijen
yakalanmasında, metaloproteindeki protein zincirlerinin
hareketini yönlendirerek kooperativite olarak bilinen
olayları gerçekleştirir.
Aşağıda porfirin halkası, Hem grubu ve
deoksihemoglobinin dioksijen bağlaması gösterilmiştir
Diğer iki solunum proteini dioksijen bağlama reaksiyonlarında bir çift metal iyonu kullanırlar.Yumuşakçalar ve kafadanbacaklılarda bulunan Hemosiyanin(Hc) dioksijeni iki bakır atomu arasında bağlar.
Deniz omurgasızlarındaki solunum proteini
Hemeritrin(Hr) ise dioksijeni, Fe2 içeren bir merkezde
bağlar.
Bu her iki durumda O2 molekülü bağlanma
reaksiyonu indirgenmiş yada deoksi formlara oksidatif
bir ilaveyi içerir ve bunun sonucunda dimetalik merkez
okside olmuş formun peroksit ve hidroperoksit
türevinin oluşumuyla şekillenir.
Bu mekanizmalar sonuBu mekanizmalar sonuçç olarak farklolarak farklıı
organizmalarda farklorganizmalarda farklıı gegeççiişş metalleriyle identik metalleriyle identik
fonksiyonlarfonksiyonlarıın gern gerççekleekleşşebildiebildiğğini gini gööstermektedir stermektedir
1.2.b.Elektron Transferi;1.2.b.Elektron Transferi;
Bir Lewis bazı ( O2) , bir Lewis asidine ( Porfirine
bağlı demir ) dönüşümlü olarak bağlanır.
Bu hemoglobinin dioksijen bağlayan metal merkezinde
gerçekleşen ve asit-baz kimyasına dayalı kimyasal
reaksiyonların önemli bir sınıfına örnektir.
Kimyasal reaksiyonların diğer önemli bir sınıfı ise, net
elektron transferini içeren ,proteinlerde meydana gelen ve bir
substrat molekülünde kapsamlı bir kimyasal değişmeyi
katalizlemeksizin redoks transformasyonlarıyla yürüyen
reaksiyonlardır.
Bu tür biyoinorganik akım taşıyıcılar genellikle
elektronlarını enzimlere verir yada alırlar ve böylece
spesifik bir fonksiyonu yerine getirirler(Nitrojen
fiksasyonu gibi).
Bazen redoks aktif merkezi doğrudan
metaloenzimlerle kombine haldedir.
Biyoanorganik kimyada önemli yer tutan ve iki
(bir çift) elektron transfer eden merkezlere örnek
olarak demir-kükürt grupları ve sitokromlar verilebilir.
Demir kükürt grupları farklı FenSn üniteleri biçiminde düzenlenmiş olabilirler.
Şekil 1.2 de en genel örnekler verilmiştir.
Şekil.1.2.
Tablo.1.2. de ise metaloproteinlerle sıkça
reaksiyon veren bir substrat olan O2 ve biyolojik
sistemlerdeki bazı redoks aktif metal iyonlarına ilişkin
redos potansiyelleri verilmiştir
(Değerler suda ve standart koşullar için
verilmiştir(pH:7.0, 250C). Metal iyonlarının bir protein
matriksi ve bir biyolojik ligant ile etkileşimi durumunda
ise bu değerler belirgin bir şekilde değişir.)
1.2.c.Metal 1.2.c.Metal İİyonlaryonlarıınnıın Yapn Yapıısal Rolsal Rolüü;;Son zamanlarda elde edilen bulgular metal
iyonlarının yapısal birtakım fonksiyonlar da üstlenmiş
oldukları yönünde ipuçları vermiştir.
Bunlara bir örnek ,genlerin ekspresyonunu regüle
eden bazı protein gruplarının yapısal fonksiyonu bulunan
Zn 2+, içerdiklerinin bulunmasıdır.
Metaloproteinlerin bu tipine ilk örnek bir kurbağa
türü olan Xenopus’dan elde edilen transkripsiyon faktör
IIIA(TFIIIA) dır.
Bu protein 5S bibozomal RNA’nın doğru
transkripsiyonu için gerekli bir proteindir.
Bu proteinler iyonları çinko parmak proteinleri
olarak adlandırılır ve küçük nükleik asit bağlama
bölgelerinin merkezi oyuğunu oluşturarak yapısal bir rol
oynarlar.
Bu örnekte DNA ile doğrudan bir etkileşim söz
konusudur.Çinko parmak proteini ve DNA etkileşimine
ilişkin bir örnek aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Çinko içeren diğer protein sınıflarında metal
iyonunun yapıyı kararlı kılma gibi farklı fonksiyonları
bulunmuştur(Örneğin DNA ve RNA Polimerazlarda olduğu
gibi).
Ayrıca memelilerde ferritin ve diğer demir depo ve
demir transfer proteinlerinin ekspresyonunda,RNA’nın
proteine translasyon seviyesinde metal iyonlarının
kontrolü söz konusudur ve bu kontrolün yapısal bir takım
özelliklerin oluşturulmasıyla sağlandığı yönünde bulgular
elde edilmiştir.
1.3. Metaloenzim Fonksiyonları
Katalitik fonksiyona sahip metaloproteinler
metaloenzimler olarak bilinirler.Bunlar substratı net bir
kimyasal değişime uğratırlar.
Seçilmiş örnek reaksiyonlar Tablo 1.2. de
verilmiştir.
Tablo 1.2
1.3.a.Hidrolitik Enzimler;
Hidrolitik enzimler bilindiği gibi bir substrat
molekülüne suyun elementlerinin katılması yada çıkarılmasını
katalizleyen proteinlerdir.
Örneğin karbonik anhidraz , CO2’ in hidrolizini
katalizler.
Peptidazlar ve esterazlar karbonil bileşiklerini
hidrolizler,fosfatazlar ise fosfat esterlerini parçalarlar.
Çoğu hidrolitik enzim aktif merkezinde Zn+2 iyonlarını
içerir.Bunun yanısıra Mn+2 , Ni+2 ,Ca+2 , ve Mg+2 bulunabilir.
Bu metal iyonlarının enzimlerin aktif merkezlerinde
bulunmaları hem yukarıda bahsedilen oksijen içeren
substratların pKa değerlerini hem de istenmeyen
elektron transfer olaylarını optimize edecek koşulların
sağlanmasında fonksiyon görürler.
1.3.b. İki Elektron Redoks Enzimleri;
Çoğu metalo enzimler substratın ya yükseltgenmesini
yada indirgenmesini katalizler.
Bunlar genelde bir çift elektronun transferinin söz
konusu olduğu iki elektron redoks prosesleridir.
Bununla birlikte atom veya grupları da transfer
ederler.
Örnek olarak verilebilecek önemli bir grup;
hidrokarbonların alkole oksidasyonunu katalizler. Sitokrom
p-450 enzimleri olarak bilinen bu grup aktif merkezlerinde
demir içeren porfirin halkasına sahiptirler.
Fenolik bileşiklerin orto-hidroksilasyonunu
katalizleyen tirozinazların aktif merkezinde ise iki bakır
atomu bulunmaktadır.
Sülfiti sülfata oksitleyen sülfit oksidaz da pterin
halkasına bağlı molibden atomu içeren aktif merkez görev
yapar.
Bu kapsamdaki bazı metalo enzimler ise
substratlardan oksijen uzaklaştırmada görev
yaparlar.Bunlara örnek olarak ise DNA biyosentezinin ilk
adımından sorumlu ve aktif merkezinde dinükleer bir
demir içeren Ribonükleotid redüktaz(RR) verilebilir
Dehidrojenlenme reaksiyonlarını katalizleyen
enzimler olan dehidrojenazlar iki elektron redoks
proseslerinin diğer bir sınıfını oluşturur.
Bu proseslerde iki elektro ve iki protonun
uzaklaştırılması bir dihidrojen molekülünün kaybına
eşdeğerdir.
Örnek olarak etanolü asetaldehide dönüştüren
karaciğer alkol dehidrogenazı verilebilir. Bu enzimin
aktif merkezinde Zn 2+ yer alır.
1.3.c. Multielektron Çifti Redoks Enzimleri;Bazı metalo enzimler multi elektron çiftlerinin
traansformasyonunda görev alırlar(Tablo.1.3.)Tablo.1.3.
Bu grupta yer alan Sitokrom c oksidaz iki bakır ve iki
hem –demir merkezi içeren oldukça kompleks bir enzimdir ve
dioksijenin suya indirgenmesini katalizler.
Protonun membranlarda oluşturduğu elektrokimyasal
gradientin saklı enerjisinin ADP ile Pi ‘nin bağlanmasında
kullanılarak ATP oluşum prosesine aktarılmasında önemli bir
fonksiyona sahiptir.
Yine bu grupta yer alan Nitrojenaz, baklagillerin kök
yumrularındaki bakterilerde bulunan ve azot
yakalanmasında görev yapan bir enzim sistemidir.Demir,
molibden ve kükürt içeren gruplara sahiptir ve altı elektron
transferini gerçekleştirir.
1.3.d.Yeniden Düzenlenmeler;
Çoğu biyolojik transformasyonlar substratın
oksidasyon durumunda herhangi bir net değişime neden
olmaz.
Kofaktör olarak Vitamin B12 yada onun bir
türevine gereksinim gösteren enzimler sıklıkla 1,2 karbon
yer değiştirmesi reaksiyonlarını katalizler.
Bu enzimlerde kofaktör bir alkil kobalt(III)
kompleksi şeklindeki korrin halkasıdır.
B12 koenzimini kullanan enzimatik reaksiyonların çoğu
serbest radikal oluşumu ve Co-C bağının homolitik yıkımını
katalizler.
Metil malonil koenzim A mutaz enziminin
aktivitesinde adenozil kobalaminin önemli fonksiyonu
vardır(Şekil.1.3.).
Bu gruba diğer bir örnek ise sitrat çevriminde sitratın
izositrata dönüşümünü katalizleyen akonitaz enzimidir.
Bu enzimin aktif merkezinde FeS grupları yer
alırlar.FeS proteinlerinin genel özelliklerine karşın bu
örnekte herhangi bir redoks olayı yoktur.
Şekil.1.3.
1.4. Metal İyonlarının İletişimdeki Rolü
Özellikle Na+ , K+ , ve Ca 2+ gibi alkali ve
toprak alkali iyonlar hücresel iletişimde ve buna bağlı
olarak hücresel cevaplarda önemli fonksiyonlara
sahiptirler.
Hücre yüzeyindeki bazı protein yapısındaki
reseptörlere bağlanan bu iyonlar organizmanın sinyal
iletiminde önemli fonksiyonlar üstlenirler.
1.5 Metal İyonları ve Nükleik Asit Etkileşimleri
Metal iyonları DNA ve RNA ile doğrudan
etkileşirler.
Nükleik asit yapılarının kararlı kılınmasında ,özellikle
yüklü fosfat gruplarıyla elektrostatik etkileşime girerek
fonksiyon göstrerirler.
Metal iyonlarıyla nükleik asitler arasındaki bu
etkileşimler spesifik olmayan etkileşimlerdir ve Na+ ,
Mg 2+ gibi iyonlar en önemli örneklerdir.
Son yıllarda yapılan araştırmalar daha spesifik
etkileşimleri de ortaya çıkarmıştır
Örnek olarak Mg 2+ ve diğer bazı divalent metal
iyonlarının katalitik RNA molekülleri için aktivatör olarak
etkidiği, K+ gibi bazı monovalent katyonların ise telomer
yapılarını kararlı kılmada görev aldığı bulunmuştur.
Bu yapıların kararlılığının hücre içindeki Na+ ve K+
konsantrasyonlarındaki değişimlerden etkilenebildiği
düşünülmektedir.
Şekil.1.4
1.6. Metal1.6. Metal--İİyon Transportu ve Saklanmasyon Transportu ve Saklanmasıı
Bu alanda en yoğun incelenmiş
metal iyonu demirdir. Örneğin; demir, bakterilere
sideroforlar denen düşük molekül ağırlıklı proteinler ile
kompleks oluşturarak girer.
Memelilerde ise demir,serum proteini transferrin
tarafından taşınır ve çoğu yaşam formunda ferritin
tarafından depolanır.
Yaklaşık olarak küresel formdaki bir protein olan
ferritin 4500 Fe 3+ iyonu saklayabilir.Yapısı ve işlevi
hakkındaki araştırmalar halen devam etmektedir.
Bu alandaki diğer bir örnek ise bakırın taşınımıdır. Bakır
serumda seruloplazmin tarafından taşınır.
Albuminin de bazı metal iyonları için taşıyıcı olduğu
bilinmektedir.
Metalotioninler ise sisteince zengin yapılardır,Cd 2+ ve
Pb 2+ gibi toksik olanlar da dahil olmak üzere belirli metal
iyonlarının fazla konsantrasyon artışları durumunda büyük
miktarlarda sentezlenirler.
Bu bulgu metalotioninlerin koruyucu bir rolü olduğunu
göstermektedir.Ayrıca metalotioninlerin normal koşullar altında
da metal transport, saklama ve konsantrasyonlarının
kontrolünde görev aldıkları düşünülmektedir.
1.7. Tıpta Metaller
Yüzyıllar boyunca tıpta çeşitli amaçlarla pek çok
metal kullanılmıştır.
Örneğin frengi için Hg2+ , bağırsak rahatsızlıkları
için Mg 2+ ve anemi için Fe 2+ .
Tarih boyunca kullanılan metallerden bazıları
istenmeyen protein – metal etkileşimleri nedeniyle
önemli zararlara da sebep olmuşlardır.
Bugün ise biyoanorganik kimyadaki bilgi birikimi
tıp alanına önemli faydalar sağlayacak düzeye
ulaşmıştır.
Bu amaçlarla geliştirilmiş üç örnek bileşik aşağıda
verilmiştir.
cis[Pt(NH3)2Cl2] = cis-platin ;testis
,yumurtalık,baş ve boyun tümörlerinin tedavisinde,
[Au(PEt3)(ttag)] = Auranofin;romatoid
artritte, (ttag;tetra-o-asetil tiyoglukoz)
[Tc(CNR)6]+ = Kardiolit ;miyokard
dokusunun görüntülenmesinde kullanılır(Şekil.1.5)
Şekil.1.5.
1. BİYOANORGANİK KİMYA İLE İLİŞKİLİ
KOORDİNASYON KİMYASININ TEMEL
İLKELERİ
2.1. Termodinamik Bakış
2.1.a.Sert – Zayıf Asit – Baz Kavramı;
Biyolojik sistemlerde metal iyonları, çok sıklıkla asit
ve bazların sert-yumuşak teorisinin belirlediği
prensiplere göre verici (donör) ligantlara bağlanırlar.
Bazı metal iyonlarının ilişkili ve olabildikleri bazı ligantlarınsert-yumuşak karakterleri Tablo 2.1 de listelenmiştir.
Tablo.2.1.
Bu tablodaki sınıflandırmada, yumuşak terimi büyük
ve kolaylıkla polarize olabilen, buna karşılık sert terimi
küçük ve daha az kolaylıkla polarize olabilen türleri ifade
eder.
Metal iyonları Lewis asitleri olarak kabul edilir.
Metal merkezlerine koordine olan ligant atomları
yada gruplar Lewis bazları olarak kabul edilir.
Biyolojik ortamda bu ligantlar protein yan
zincirleri, nükleik asitlerin bazları, küçük hücresel
sitoplazmik bileşenler,organik kofaktörler ve su olarak
karşımıza çıkar.
Genel kural sert asitler tercihen sert bazlarla ,
yumuşak asitler yumuşak bazlarla bağlanırlar.
Örneğin;X-ışınları kristalografisi ile yapı belirleme
çalışmalarında ağır atom türevleri oluşturmak için, protein
kristaline, K2PtCl4 çözeltisi emdirilir.
Zayıf Pt(II) iyonları genel olarak,zayıf ligantlar olan
sisteinin sülfidril gruplarıyla yada metiyoninin tiyoeter
bağıyla etkileşip bağ oluşturur.
Glutamat ve aspartatın karboksilat gruplarıyla
etkileşim daha azdır.
Buna karşılık Ca 2+ gibi alkali yada toprak alkali
metaller, genellikle karboksilat oksijen atomları tarafından,
Fe 3+ ; karboksilat ve fenoksit oksijen donörleri
tarafından,
Cu 2+ ; histidinin azot atomları tarafından koordine
edilir.
Biyoanaorganik kimyadaki sert-yumuşak asit- baz
ilkesinin en ilgi çekici gösterimlerinden biri, metalotiyonin
proteinlerinde gözlenir(Şekil 2.1.)
Şekil.2.1
Küçük proteinlerden olan metalotiyoninlerin amino
asit yüzdesinin yaklaşık % 30 – 35 ‘i sistein artıklarıdır
ve bu sülfidril grupları Cd 2+,Hg 2+, Pb 2+ ve Tl 2+ gibi
zayıf metal iyonlarını istemli bir şekilde bağlar.
Görevleri hücreyi bu metallerin toksik etkilerinden
korumaktır.
2.1.b.Şelat Etkisi ve Irwing-Williams Serileri;
Şelat oluşumu, merkezi bir metal atomuna tek bir
liganttaki iki yada daha fazla atomun koordinasyonunu
ifade eder.
En bilinen şelat yapıcı ligantlardan biri
EDTA(Etilendiamintetraasetik asit)dır.
EDTA tıpta metal zehirlenmelerinde metal iyonlarının
şelat oluşturarak uzaklaştırılmasında ve gıda alanında gıda
katkı maddesi olarak, tehlikeli bakteriler için zorunlu metal
iyonlarının şelat oluşturarak tutulmasında kullanılır.
Biyokimyasal ve biyolojik araştırmalarda da ortamdaki serbest metal iyonlarının konsantrasyonlarının azaltılarak arzu edilmeyen reaksiyonların ve etkileşimlerin önlenmesinde kullanılır(Şekil 2.2.).
Şekil.2.2.
Biyoanorganik kimyada şelat etkisinin önemli bir
örneği porfirin ve korrin ligantları tarafından gösterilir.
Bu makrosiklik moleküller doğrudan bir merkezi metal
iyonuna yönelmiş azot donörlerine sahip dört birbirine yakın
pirol halkalarına sahiptirler. Metaloporfirin yada
metalokorrin birimleri termodinamik olarak çok kararlıdırlar.
Farklı oksidasyon durumlarında farklı metal iyonlarıyla
oluşan ve biyolojik sistemlerde önemli görevler üstlenen bu
biyoanaorganik fonksiyonel gruplara örnek olarak
sitokromlar(Fe), klorofiller(Mg) ve vitamin B12(Co)
verilebilir.
Anorganik kimyanın diğer bir temel ilkesi , ligant
için, divalent birinci sıra geçiş metal iyonlarının bağlanma
ilgisidir.
Bu ilgi genel olarak
Ca 2+< Mg 2+ < Mn 2+< Fe 2+ < Co 2+ < Ni 2 +< Cu 2+ >Zn 2+
sırasıyla ifade edilir, bir anlamda stabiliteyi ifade
eder ve ilk ortaya koyanlara atfen Irwing-Williams serisi
olarak tanımlanır.
Bu seri iyonik çaptaki azalmayla ilgilidir ve daha
güçlü metal –iyon bağlarının oluşumuna izin veren bir
etkidir.
2.1.c.Koordine Ligantların pKa Değerleri;
Biyolojik sistemlerdeki çoğu metal iyonlarındaki pozitif yük, koordinasyon kabuğundaki bağ yapmış protikligantların asit anyonunu(konjuge baz) stabilize eder.
Bu etkiye en güzel örnek koordine olmuş sudur.
Suyun yanında tiyol, imidazol, fenoller, alkoller, fosforik ve karboksilik asitler ve onların türevlerini içeren diğer pekçok biyolojik ligantlar da örnek olarak verilebilir.
Tablo 2.2 de seçilmiş örnek üzerinde bu ligantgruplarının, metal iyonlarının varlığı yada yokluğu durumundaki pKa değerleri verilmektedir.
Tablo.2.2.
Trivalent metal iyonları, protik ligantların pKa
değerlerini divalent analoglarından daha düşük değerlere
kaydırırlar.
Koordine suyun bir hidrokso ligant şeklinde
deprotonasyonu, metaloenzim katalizini açıklamak için
birkaç hidrolitik mekanizmanın ilk adımıdır.
Bir protik liganda iki yada daha fazla metal
iyonunun koordinasyonu, pKa’nın dramatik bir şekilde
düşmesine yol açar. Bu etki demir(III) ‘ün hidrolizinde
gösterilmiştir.
[Fe(OH2)6] 3+ durumunda suyun deprotonize olması için pKadeğeri 2,2 dir.
Buna karşın [Fe(H2O)4(OH)2]+ durumunda yaklaşık olarak pKa 6 da deprotonlanır.
Bu sonuçlar, sulu demir(III) ve çoğu diğer metal-iyon komplekslerinin fizyolojik pH ~ 7 civarında, desteklyici ligantlarınyokluğunda var olamayacağını gösterir.
Tablo.2.3.
2.1.d.Redoks Potansiyellerinin Düzenlenmesi;
Metal merkezindeki stereokimya ve ligant donör
atomlarının düzenlenmesi,elektron transfer reaksiyonlarında
meydana gelecek potansiyellerde büyük farklanmalara neden
olur.
Sudaki iyonlar için söz konusu olan potansiyeller,bu
faktörler tarafından 1,0 V dan daha büyük ölçüde
azaltılabilir.
Tablo 2.4 deki veriler inorganik kimyada en iyi
incelenmiş örneklerden biri olan Cu(I)/Cu(II) redoks
potansiyellerini düzenleyen değişik ligantların bu etkideki
yeteneklerini göstermektedir.
Tablo.2.4.
Bakır(I), d10 iyonu, 4 koordinasyonlu tetrahedral
yada 3 koordinasyonlu trigonal geometride bulunabilir.
Diğer taraftan divalent bakır (II) kompleksleri,
tipik olarak kare düzlemseldir ve bir yada iki ilave zayıf
bağlı aksiyal ligant içerir.
Böylece tetrahedral geometri oluşturan bir ligant
çevresi, Cu(I) ‘ i Cu(II) üzerinde stabilize eder.
Bu durum redoks potansiyelini arttırarak daha güçlü
bir oksitleme reaktifi oluşumuna yol açar.
Tablo 2.4 den görüleceği gibi Cu(R-sal)2
komplekslerinde büyük R gruplarının ilavesi geometriyi
düzlemselden tetrahedrale yönlendirir.
Bu potansiyel artması ve bakırın indirgenmesi
olayının daha kolay gerçekleşmesini sağlar.
Ayrıca Cu(I), yumuşak bir asittir ve bu yüzden
RS- yada R2S ligantları gibi yumuşak donörlere bağ
yapmayı tercih eder.
Koordinasyon kabuğunda ,yumuşak ligantların
yerleşimi ayrıca Cu(I)/Cu(II) indirgenme potansiyelini
arttırır.
Tablo 2.4 . deki veriler Cu(I)/Cu(II) potansiyeli
hakkında ligand donör tipi ve stereokimyasının etkilerini,
sadece inorganik kompleksler için değil aynı zamanda bakır
içeren proteinler için de açıklar.
Proteinlerde yüksek redoks potansiyelleri, donör
ligantlar olarak iki histidin-imidazol ve bir sistein-tiyolat
yan zincirlerinin kullanımı ile koordinasyon geometrisinin
trigonal düzlemsel şeklinde düzenlenmesiyle elde edilir.
Ancak lokal protein çevresinin ve lokal dielektrik
sabitlerinin etkilerini gözden uzak tutmamak gerekmektedir.
2.1.e.Biyopolimer Etkisi;
Bir biyolojik çevredeki metal merkezinin
termodinamik kararlılığı, koordinasyon geometrisi, ligant
donör yerleşimi, belirli oksidasyon durumu için metalin
doğasından gelen özellikleri yanısıra biyopolimerin varlığı,
onun üç boyutlu yapısı, stereokimyası ve koordinasyon için
ligantların varlığı ile de ilişkilidir.
Koordinasyonda yer almayan gruplar da hidrojen bağı
yaparak,koordinasyon mevkilerinin sterik olarak
engelleyerek, yerel hidrofil yada yerel hidrofob bölgeler
oluşturarak etkirler.
Tüm bu etkiler metalin koordinasyon kabuğunda
bağlı ve bağlı olmayan atomlarla etkileşime girerek
kararlılığı arttırabilir yada azaltabilirler.
Bu faktörler nükleik asitler ve proteinlerdeki
metal bağlanmalarına ışık tutarak, biyolojik alanda
metal fonksiyonlarının nasıl olduğunun açıklanmasına
yardımcı olur.
Yapılan çalışmalar, biyolojik sistemlerdeki
makromoleküllerde (özellikle metaloproteinlerde) çok güçlü ve
spesifik metal bağlanma merkezlerinin bulunduğunu
göstermiştir.
Doğa muhtemelen çok etkili şelatlama ligantlarına
sahiptir.
Bunlar genellikle proteinlerdeki amino asit artıklarından
oluşan donörler üzerinden protein molekülüne bağlanmışlardır.
Buna güzel bir örnek olarak; sığır eritrosit süperoksit
dismutazındaki çinko bağlanma merkezi verilebilir (Cu2 Zn 2
SOD).
Bu merkezdeki çinko koordine eden çevre, metal
içermeyen(apo) bir konumdayken(E2E2SOD; E:empty) ,
diyalizde fosfat tamponundan çinkonun çok küçük miktarlarını
yakalar.
Cu2Cu2SOD konumunda, Zn2+ merkezini Cu2+ iyonlarının
işgal etmiş olduğu durumda, divalent çinko iyonlarının aşırısıyla
protein muamele edildiğinde, Zn2+ merkezindeki bakır
bulunduğu yerden ayrılır.
Irwing-Williams serileri göz önüne alındığında bu durum
genel kurallara pek uymaz. Ancak çinkonun bu merkez için
fonksiyonel olarak önemli olduğu ve spesifiklik açısından özel
bir değişimin varolduğu düşünülür.
2.2. Kinetik Bakış
2.2.a.Ligant Değişim Hızları ;
Tablo 2.5 de pekçok esansiyel metal iyonu için
su-değişim hızları verilmiştir.
Tablo.2.5.
Bu değerler M-OH2 bağlarının çok kararsız
,çabuk kırılan ve saniyede milyar kez tekrar oluşan bir
yapıda olduğunu gösterir.
Metal ligant bağlarının kararsızlıkları tipik olarak
Tablo 2.5 deki aqua kompleksleri için gösterdikleri
eğilimi izler .
Genelde ,ligant değişim hızları , M 2+ iyonları
için onlardan daha fazla yüklü M+3 metal iyonlarından
fazladır.
Çok inert olan Cr 3+ ve Co 3+ gibi 1. sıra geçiş metal
iyonları biyoanorganik kimyada çok nadiren karşımıza çıkar.
2. ve 3. sıra geçiş metal kompleksleri kinetik olarak,
onların 1. sıra karşılıklarına karşın çok daha inerttirler.
Örneğin ; antikanser ilaç cis-[Pt(NH3)2Cl2], Cl
ligantlarının kaybıyla DNA ya bağlanır. Platin, biyopolimerin
uzun süreli diyaliziyle bile ayrılamaz. Yalnızca siyanür gibi
çok güçlü platin bağlayan ligantlar DNA ‘dan Pt ‘i ayırabilir.
Benzer bir durum, amino asit artıklarına rutenyum
bağlanmasında gözlenir.
Fe 2+ gibi birinci sıra geçiş metal iyonlarının
yüksek metal-ligant değişim hızları, çok dişli şelatlama
ligantları tarafından bağlandıklarında önemli ölçüde
azalır.
Örnek olarak metaloporfirinler, kinetik olarak
daha inerttirler. Şelat halkasının bir parçasını
oluşturmayan aksiyal ligantlar, genellikle daha yüksek
hızlarda değişebilirler.
CO, RS- ve CN- gibi ligantlar , M-L bağlarında
daha inert formlar oluştururlar.
Çoğu metaloproteinler,güçlü şelatlama ligantlarına
karşı uzun süreli diyaliz boyunca bile serbest metal
iyonlarıyla değiştirilemeyen sıkı bağlı metal iyonları
içerirler.
Bu protein merkezlerinin kinetik olarak inertlikleri,
proteinin sterik engellemelerinden dolayı metalin
koordinasyon alanına çözgenin ulaşamaması ile açıklanmaya
çalışılır.
Eğer protein ısıtma yada dimetilsülfoksit gibi bir
çözgen ilavesi ile denatüre edilirse genellikle metal
proteinden ayrılır.
2.2.b.Substitüsyon Reaksiyonları;
Bir metal iyonunun diğer bir koordinasyon kabuğundaki
bir ligantın yer değiştirmesi, ya birleşmeli (associative) (ikinci
mertebe) yada ayrışmalı (dissociative) (birinci mertebe) yolla
meydana gelir.
Bunların kinetik ve mekanistik özellikleri sırasıyla
organik kimyadaki SN2 ve SN1 substitusyon reaksiyonlarıyla
anologdur.
Düşük koordinasyon sayılı metaller(< 4) birleşmeli ligant
yer değiştirme, buna karşılık yüksek koordinasyon sayılı
metaller (> 6) ayrışmalı yer değiştirme reaksiyonlarını tercih
ederler.
Protein yada nükleik aside bağlı metal
merkezlerinde meydana gelen substitusyon reaksiyonları
ligandın makromoleküldeki yakın gruplarla etkileşimi, bu
etkileşimlerle makromoleküldeki konformasyonal
değişimler gibi pekçok faktör tarafından etkilendiğinden
oldukça komplekstir.
2.2.2.Elektron Transfer Reaksiyonları;
Geçiş metal iyonlarına yada iyonlarından elektron
transferi için iç-kabuk ve dış –kabuk olarak dizayn edilmiş
iki önemli yol açıklanmıştır.
İç kabuk elektron transfer reaksiyonları,
reaktantların koordinasyon kabuklarına doğrudan bağlanmış
bir yada daha fazla köprüleyici ligandın varlığıyla
karakterize edilir.
Bu reaksiyon yolunun klasik bir örneği aşağıdaki
eşitlikte gösterilmiştir.
Bu eşitlikte kararsız Cr(II) kompleksi, bir
elektronu inert Co(III) reseptörüne bir kararsız,
indirgenmiş Co (II) kompleksi ve bir inert Cr(III) türü
oluşturmak üzere transfer eder.
Bu reaksiyonda Co(III) den Cr(II) merkezine
klorür iyonunun spesifik transferi Şekil.2.3. de
gösterilen köprülenmiş iki çekirdekli bir kompleksin
elektron transfer adımı için geçiş durumunu sağlar.
Bu köprülenmiş kompleksteki elektron transferi atom
transferine kıyasla daha hızlı olduğu için, klorür iyonu,
kinetik olarak inert krom(III) ürününün koordinasyon
kabuğunda kalır.
Şekil.2.3.
Dış kabuk elektron transfer reaksiyon mekanizmasında,
iki redoks çifti, “ öncü kompleks” olarak isimlendirilen bir form
oluşturmak için, asosiye çözgen molekülleriyle biri diğerine
yaklaşır.
Daha sonra yükseltgen ve indirgenin koordinasyon
kabukları arasında ligantların değişimi olmaksızın elektron
transferi meydana gelir.
Metaloproteinlerde iç kabuk elektron transfer
reaksiyonları bilinmemektedir. Protein molekülünün yol açacağı
sterik engelin problem yaratabileceği düşünülmektedir. Dış
kabul elektron transfer reaksiyonları ise özellikle küçük
moleküllerde ihtimal dahilinde görülmektedir.
2.3. Biyolojik Sistemlerdeki Metal İyonlarının
Elektronik ve Geometrik Yapıları
Tablo 2.6. da biyolojik sistemlerdeki metal
iyonlarının en genel oksidasyon durumları ve ilave olarak
geçiş metal iyonları için d-elektron konfigürasyonları
verilmiştir.
Tablo.2.6.
Tabloda en sağdaki değerler metalin d
elektronlarının sayısını vermektedir ve metalin atom
numarasından(Z) formal oksidasyon durumu ve
kendinden önceki asal gazın atom numarasının
çıkarılmasıyla bulunur. Örnek olarak; Fe(III) bir d5
iyonudur;(26-3-18=5), Mo(IV) bir d2 iyonu;(42-4-
36=2) ve Cu(I) bir d10 iyonudur;(29-1-18=10).
Şekil.2.4. de biyoanaorganik kimyada belirlenen
metal iyonları için 3 ila 6 koordinasyon sayısı için en
genel koordinasyon geometrileri gösterilmiştir.
Şekil.2.4.
Biyoanorganik kimyadaki moleküllerin kompleksliği
göz önüne alınınca bu idealize yapılardan önemli
sapmaların da mümkün olduğu söylenebilir.
Formal oksidasyon durumunda verilen bir metal
iyonu bir grup ligant tarafından belirlenen bir polihedron
koordinasyon merkezinde yer aldığında, d orbitallerinde
bulunan metal elektronlarının enerji seviyeleri, serbest
metal iyonunda olduğu durumdakinden daha aşağıya
düşürülür.
Bu olay ligant alan yarılması olarak tanımlanır.
Ligant alan yarılması bir enerji –düzey diyagramı ile
en açık şekilde ifade edilir.
Bu diyagramlar bir -elektron orbital enerjilerini
ligant alanının kuvvetinin fonksiyonu olarak açıklarlar.
Biyoanaorganik metal merkezlerine ilişkin çok önemli
yapılar için ligant alan yarılma diyagramları Şekil.2.5. de
verilmiştir.
Şekil.2.5.
Proteinlerdeki metal merkezlerinin optik
spektrum,magnetizm ve elektron spin rezonans spektrumu
gibi fiziksel özellikleri ile onların yapı ve reaktiviteleri
ilişkilendirilmeğe çalışıldığında bu diyagramlar oldukça
kullanışlıdırlar.
Örneğin; bir proteindeki diamanyetik(çiftleşmemiş
elektronları olmayan) Ni(II) gibi bir metal merkezi söz
konusuysa, bu merkez en muhtemel olarak kare düzlemsel
geometridedir.
Çiftleşmemiş iki elektron içeren paramanyetik d8
Ni(II) kompleksleri oktahedral veya tetrahedral
geometride bulunabilirler(Şekil.2.6.).
Şekil.2.6.
Bir metal merkezindeki ligant alanının kuvveti ,bağlı
ligant atomları tarafından belirlenir. Ligantların
d–orbitallerini yarma yeteneği, aşağıda verilen
“spektrokimyasal serilere” göre değişir.
Bu liste yüksek ve düşük spin elektronik
konfigürasyonların hangisinin söz konusu olduğunu
belirleyebilme açısından önemlidir.
Ancak metaloproteinlerde, metal merkeziyle
etkileşim içinde olabilecek organik artıkların çokluğu ve
kompleksliği sağlıklı sonuçlara ulaşabilmek için , her
zaman, ileri deneysel yöntemlerin de kullanılmasını
grerekli kılar.
2.4. Koordine Ligantların Reaksiyonları
Daha önce bahsedilmiş olduğu gibi, pozitif yüklü metal merkezi, konjuge bazı kararlı kıldığıiçin, bu merkezde koordine olmuş su ve diğer moleküllerin pKa değerleri, serbest ligantlarolmaları halindekinden daha düşüktür.
Hidroksil için örnek reaksiyon aşağıdaki eşitlikte verilmiştir.
Substrat moleküllerinin nükleofilik atağa
duyarlıklarının artışı,metaloproteinlerdeki metal
merkezlerinin fonksiyonu olarak ortaya çıkar.
Biyolojik proseslerde bu kategori içinde; asit
anhidritlerinin, esterlerin, amidlerin,fosfat esterlerinin
hidrolizleri ve Schiff bazları, karboksilasyon ve
dekarboksilasyon reaksiyonları ve transaminasyonlar
sayılabilir.
Metal merkezlerinin Lewis asidi olarak nasıl
etkidiklerine bir örnek olarak nötral pH’da amino
asitlerin hidrolizi verilebilir.
Aşağıdaki eşitlikte,karbonil gruplarına nükleofilik
saldırının, pozitif yüklü metal iyonuna koordine olma
halinde kolaylaştırılma durumu gösterilmiştir.
Bu reaksiyon için hızlar; metal iyonu;
M = Cu 2+ > Co 2+ > Mn 2+> Ca 2+ ~ Mg 2+
şeklindeki Irwing-Williams serilerindeki sıraya göre
değişir. Bu şekilde katalizlenmemiş bu tür bir reaksiyonun
nötral pH da gözlenebilmesi mümkün değildir.
Metal merkezleri tarafından kolaylaştırılan
reaksiyonlarda bu kolaylaştırılmanın diğer nedenleri olarak
; kalıp etkisi, ayrılan grup reaktivitesinin artması, N2 ve
O2 gibi küçük moleküllerin aktivasyonu ve koordinasyon
tarafından kimyasal reaktivitenin maskelenmesi sayılabilir.
Kalıp etkisi, porfirin halkasının sentezine ilişkin
reaksiyonla açıklanabilir.
Kalıp etkisi metalin kondenzasyon
reaksiyonlarındaki reaktif birimi organize etmek için
işlev gördüğü bir olaydır.
Tetrahedral stokiyometride tercih edilen çinkonun
kullanımı, bu reaksiyonda metalin taşınımı ve porfirin
serbest bazının oluşumunu kolaylaştırır.
Aşağıdaki eşitlikte verilen reaksiyon ise ayrılan
gruba bakır iyonunun koordinasyonuyla yönlendirilen
fosfat ester hidrolizini açıklamaktadır.
Biyomimetik kimyanın bu örneğinde, pH;4-7
aralığında 2-(imidazol-4-yl) fenil fosfatın hidrolizi, metal
merkezi sayesinde 103-104 kez hızlandırılır.
3. BİYOLOJİK MOLEKÜLLERİN BİYOANORGANİK
KİMYADAKİ LİGANTLAR OLARAK ÖNEMİ
Biyoanaorganik kimyadaki ligantların çoğu genel
olarak amino asit yan zincirleri yada nükleik asit
bileşenleridir.
Bu gruplar tarafından sağlanan koordinasyon
çevresi kritik bir şekilde proteinlerin üç boyutlu
katlanmalarına ve nükleik asitlerin tersiyer yapılarına
bağımlıdır.
Hücre membranı matriksindeki proteinlerin
yerleşimi yada kromatindeki nükleozomların çevresindeki
DNA ‘ nın sarılımı gibi daha kompleks yapısal durumlar
biyolojik makromoleküllerin metal bağlama yeteneklerini
daha ileri düzeyde yönlendirirler.
Bu bölümde bu konudaki temel unsurlardan
bahsedilecektir.
3.1. Proteinlerde Ligant Olarak Etkiyen Gruplar
Şekil.3.1. de ligant olarak etkiyen amino asitler ve
onların etkileşim biçimleri gösterilmiştir.
En önemli yan zincir ligantları olarak sisteinin tiyolat,
histidinin imidazol, glutamik ve aspartik asidin karboksilat
grupları ve tirozinin fenolat sayılabilir.
Tirozin haricinde bu amino asitlerin her birinin iki
metal iyonu arasında köprüleme ligantı olarak ve tek bir
iyona terminal ligant olarak hizmet gördükleri
belirlenmiştir.
Daha az sıklıkla karşılaşılan metal donörleri olarak
serin ve treoninin hidroksil grupları, metiyoninin tiyoeter
grubu, glutamin ve asparaginin karboksamid grupları,
lizinin amino grubu ve belki argininin guanidino grubu
sayılabilir.
Yan zincirden sağlanan donör atomlarına ilave
olarak metal iyonları peptid bağı karbonil gruplarıyla,
deprotonlanmış peptid bağı azot atomlarıyla ve N
terminal amino ve C terminal karboksil gruplarıyla bağ
yaparlar.
Şekil.3.1.
3.2. Protein Yapısı Açısından Metal İyonlarının Önemi
Metaloproteinlerdeki ligant donör atomlarının yerleşimini
kritik bir şekilde onların üç boyutlu yapılarının nasıl
düzenlenmiş olduğu belirler.
Yapı, temelde proteinin amino asit dizisine bağlı olarak
belirlenir.
Polipeptidin katlanması pek çok faktör tarafından etkilenir.
Bunların en önemlileri olarak; daha polar çözgen çevresiyle
etkileşimden kaçınmak için genellikle iç kısımda yer alan
hidrofobik grupların etkileşimi,spesifik hidrojen bağlarının
oluşumu ve iyonik etkileşimler, disülfit bağları tarafından
oluşturulan kovalent etkileşimler ve amino asit yan zincirlerinin
metal iyonlarına koordinasyonu sayılabilir..
Seçilen üç metaloproteinin katlanmış yapıları
Şekil. 3.2 de verilmiştir.
Şekil.3.2.
Metaloprotein katlanmasında metalin etkisi çok
büyük ölçüde değişiklik gösterir.
Örneğin ; bir metal proteini olan plastosiyaninin
apoproteininin yapısal incelemelerinde, metal iyononun
kaybının çok küçük bir yapısal modifikasyona yol açtığı
saptanmıştır.
Bu durumun metal bağlama merkezinin çok yüksek
bir şekilde proteinin tersiyer yapısı tarafından organize
edildiği ve metalin yokluğunda bile oldukça kararlı
olmasından dolayı ortaya çıktığı bulunmuştur.
Buna karşın Zn 2+ parmak proteinlerinde ancak
Zn 2+ yada bazı diğer metal iyonlarının varlığında yüksek
kararlılığa sahip bir üç boyutlu yapıdan
bahsedilebilmektedir.
Bu iki durum arasındaki bir örnek olarak ise
Calmodulin ve Troponin C gibi Ca 2+ bağlayan proteinler
verilebilir.
Bu örneklerde metal iyonlarının bağlanmasıyla kısmi
katlanmış bir geçiş formu ve daha sonra tamamen
katlanmış form gerçekleşir.
Daha yüksek düzenli yapılarda da metal iyonlarının
önemli fonksiyonları vardır.
Çoğu metaloprotein ve enzimler birden çok altbirim
içerirler.
Örneğin Cu-Zn süperoksit dismutazı bir dimerdir
ve iki özdeş alt birim içerir.
Buna karşın bir Mo-Fe proteini olan nitrojenaz bir
tetramerdir ve 2α- altbirim ve 2β- altbirim içerir.
3.3. Nükleik Asit Yapısı Ve Metal Bağlanmaları
Nükleik asitlerin yapıtaşlarından olan nükleobazların metal bağlama merkezleri Şekil.3.3. de gösterilmiştir.
Şekil.3.3.
Şekil.3.3. de halka içindeki azot atomları metal
bağlama açısından öncelikli bir yer işgal etmektedirler.
Guanozin, adenozin ve sitidinin halka dışındaki
amino gruplarının elektron çiftleri ,rezonans nedeniyle
büyük ölçüde halka içinde delokalize oldukları için, bu
gruplar RNH- iyonu şeklinde deprotonlanmadıkça
diğerlerine oranla daha zayıf metal koordine edici
yeteneğe sahiptirler.
Bu türlerin metal kompleksleri, özel koşulların
haricinde, nötral pH da, DNA ve RNA da nadiren
meydana gelir.
Deneysel ve teorik çalışmalar, nükleobaz
heteroatomları arasında en iyi nükleofillerin purin N7
atomları olduğunu göstermiştir.
Muhtemelen bunlar en iyi metal bağlanma
merkezleridir.Nükleobazların heteroatomları, Cu(II), Cr(II)
ve Pt(II) gibi geçiş metal iyonlarıyla sağlam kompleksler
oluştururlar.
Fosfodiester gruplarının negatif yüklü oksijen
atomları da metal iyonlarına bağlanırlar.
Bunlar özellikle Na+ ,K+ , Mg+ gibi alkali ve toprak
alkali metal iyonları gibi sert metallerle bağ yaparlar.
Örnek olarak ATP de α, β ve γ fosfat gruplarının değişik metal şelatları, X- ışınları kristalografisi ve 31P NMR spektroskopisi ile karakterize edilmiştir. Şekil.3.4.ve Şekil.3.5.de bu ve benzer örnekler verilmiştir.
Şekil.3.4.
Şekil.3.5.
ATP kullanan enzimler sıklıkla Mg 2+ a gereksinim
gösterirler.
Bunlarda Mg-ATP kompleksleri bir substrat yada
kofaktör olarak etkir.
Hücreler içindeki ATP lerin % 90 ından fazlasının
3,8x 10 2 M-1 ‘lik bir bağlanma sabitiyle Mg 2+ a bağlı
olduğu tahmin edilmektedir.
Mg iyonları tRNA moleküllerinin şeker -fosfat
omurgasına tersiyer yapıyı kararlı kılmak üzere zayıfça
bağlanır.
tRNA ‘nın hem Pt(II) hem de trans[Pt(NH3)2Cl2]
kompleksleri kristalografik olarak karakterize edilmiştir.
Kurşun(II) türevi,maya t RNAPhe sındaki şeker- fosfat
omurgasının yıkımının gerçekleşmesinde fonksiyon
sahibidir(Şekil. 3.6.)
Şekil.3.6.
Yapılan çalışmalar RNA ‘nın mükemmel bir metal
bağlama kapasitesi olduğunu göstermektedir.
Ancak biyolojide metal RNA komplekslerinin
fonksiyonu henüz keşfedilmeyi bekleyen birçok bilinmezi
içermektedir.
Nükleik asitlerdeki beş standart nükleobazın yanısıra
özellikle RNA moleküllerinde birkaç madifiye nükleozit
bulunmaktadır.Bunlardan biyoanaorganik kimya açısından
en ilginç olanlarından biri 4- tiyoüridindir(S 4U).
Şekil.3.7.
Bu yapı belirli transfer RNA moleküllerinde doğal
olarak bulunmaktadır ve S4U daki kükürt
atomları , özellikle Hg(II) yada Pt(II) gibi yumuşak
metal iyonları için iyi bir metal bağlama
merkezidir.
Bu bağlanma spesifikliği yaklaşık olarak mutlak
düzeydedir. Çünkü diğer DNA ve RNA donör atomları yumuşak
metal merkezlerine böyle yüksek spesifiklikte bağlanmazlar.
Benzer bir spesifiklik DNA ve RNA ‘ya fosforotiyolat
nükleotidlerinin katılımıyla başarılabilir.Bu merkezler yumuşak
metal atomları için çok selektif bağlanma merkezleridir.
3.4. Diğer Metal Bağlayan Moleküller
3.4.a.Prostetik Gruplar;
Çoğu metaloproteinler protein kısmına ilave
organik bileşenler içerirler.
Bunlar çoğu zaman prostetik gruplar olarak
adlandırılırlar ve bazıları bağlı metal iyonları içerirler.
Örneğin; protoporfirin IX içeren prostetik gruplar
Hem olarak adlandırılırlar ve demir kompleksleridirler.
Prostetik grupların diğer önemli bir grubu ise
klorofillerdir (Şekil.3.8.).
Şekil.3.8.
Klorofiller fotosentez için zorunlu olan
mağnezyum kompleksleridirler.
Folik asidin bir bileşeni olan pterin halka
sisteminin bir türevi molibden kofaktör olarak (Mo-co)
adlandırılır ve molibden bağlanma birimi olarak iş görür.
Özellikle nitrojenaz haricindeki molibden içeren
enzimlerin tümünde gözlenen yapıdır.
3.4.b. Koenzim B-12;
Koenzimler düşük moleküler ağırlıklı, protein
olmayan ve enzimatik katalizde gerçek bir substrat gibi
etkiyen yapılardır.
En iyi incelenmiş metaloenzim kobalt içeren
kobalamindir(Vitamin B12).
Bu vitamin siyanür ilavesiyle siyanokobalamin
olarak, Co(I) kompleksi şekline, FAD yoluyla bir iki-
elektron transfer reaksiyonuyla indirgenerek elde edilir.
Bu kuvvetli nükleofil, Adenilat B12 koenzimi vermek
üzere ATP ile reaksiyon verir.
Şekil.3.9.
Koenzim B12 deki Co-C bağının, radikal türler
oluşturmak için birkaç enzim katalizli hidrojen transfer
reaksiyonunun da katıldığı bir homolitik yıkıma uğradığına
inanılır.
Metalokobalamin sulu çözeltideki, Hg, Pb, ve Sn
tuzlarına CH3- iyonunu da transfer eder.
Biyometilasyon reaksiyonunun, bu elementlerin
toksisitesinden sorumlu olduğu düşünülmektedir.
3.4.c.Bleomisin ve Sideroforlar;Bleomisin Streptomyces mantarlarından izole
edilen bir antitümör antibiyotiktir(Şekil.3.10).
Şekil.3.10.
Bleomisin, metal bağlayan polipeptid kısmıyla ilişkili
oksijen redoks kimyasını esas alan reaksiyonlar yoluyla
DNA ya bağlanır ve şeker-fosfat omurgasının yıkımını
katalizler.
Onun glikoprotein karakterine, metal bağlama
özelliklerine, DNA bağlama ve kesme reaktivitelerine
sahip olması, onu biyoanaorganik kimyanın hazine
değerindeki moleküllerinden biri yapmaktadır.
Sideroforlar ise çevreden spesifik demir alımını
kolaylaştırmak amacıyla mikroorganizmalar tarafından
üretilen küçük moleküllerdir.
Bunlar çözünür kompleksler oluşturmak üzere
yüksek bir ilgi ile ferrik iyon bağlama
özelliklerine sahiptirler.
Triester enterobaktin gibi halkalı ve
desferriokzamin gibi doğrusal yapılı moleküller
sideroforlara örnek olarak verilebilirler.
Şekil.3.11.
3.4.d.Kompleks Yapılar;
Biyolojik sistemlerde yukarıda bahsedilen
yapılardan çok daha kompleks ve makromoleküllerle
ilişkili metal bağlayan yapılar vardır.
Hücre membranları,virüsler, ribozom,
mitokondri, endoplazmik retikulum gibi hücre içi
kompartmanlar bunlara örnek olarak verilebilir.
Ancak bu gibi yapılarla ilişkili metal bağlama
kompleksleri hakkındaki bilgiler bugün için oldukça
sınırlıdır.
4. BİYOLOJİDEKİ METAL İÇEREN BİRİMLERİN
SEÇİMİ ,ALIMI VE OLUŞTURULMASI
Periyodik tablodaki pek çok anaorganik elementin
varlığına karşın biyolojik sistemlerde bunların küçük bir
kısmından yararlanılmaktadır.
En sık karşılaşılanlar Na+, K+, Mg 2+ ve Ca 2+ gibi
alkali yada toprak alkali iyonlardır.
Bunlar genelde, DNA, RNA, nükleozit trifosfatlar
gibi kompleks türlerin olduğu kadar fosfat ve sülfat gibi
basit anorganik iyonların yüklerini nötralize etmek için
kullanılırlar.
Özellikle demir, bakır, çinko gibi çoğu birinci sıra
geçiş metal iyonları biyolojide anahtar rol oynarlar.
Vanadyum, mangan,kobalt,nikel ve molibden gibi
doğal olarak nispeten daha az bulunan ikinci sıra geçiş
elementlerinin rollerinin önemi her geçen gün elde edilen
bulgularla artmaktadır.
Tungsten ise biyolojideki metal iyonları listesine son
yıllarda eklenmiştir.
Bu spesifik elementlerin özelliklerinden
yararlanmak için doğanın seçimini nasıl gerçekleştirdiği,
bilinen anorganik özelliklerine göre birinin diğerine neden
tercih edilmiş olduğu, örneğin kobalt komplekslerinin
geri dönüşümlü bir şekilde oksijen bağlamalarına rağmen
niçin solunum proteinlerinde bulunmadıkları önemli
sorulardır.
Metal iyonlarının kullanımını belirleyen faktörlerden biri
onların doğadaki bulunma oranlarıdır. Örneğin; demir,
yerkabuğunda en bol bulunan geçiş metalidir.
Belki de demirin çoğu biyoanorganik sistemin en önemli
bileşenlerinden biri olmasının en önemli nedenlerinden biri
budur.
İkinci faktör ise metaloproteinlerin aktif merkezlerinin
kinetik olarak kararsız ve termodinamik olarak kararlı birimler
içerdikleri gerçeğidir.
Söz konusu kararsızlık substratın birleşme ve ayrışması
kadar, metal merkezinin montaj ve demontajını kolaylaştırır.
Anorganik kimyada Cr 3+ ve Co 3+ gibi metal
iyonları bilinen inertlik özellikleri nedeniyle nadiren
kullanılırlar.
Benzer sebeplerle, çoğu inert ikinci ve üçüncü sıra
geçiş elementleri biyoanorganik kimyada hemen hemen
önemli bir role sahip değillerdir.
Daha ağır geçiş elementleri eğer biyolojik
sistemlerde bulunurlarsa toksik olabilirler.
Belli bir amaç için bir metal iyonuna gereksinim
duyulduğunda bir hücredeki enerji kullanan prosesler
tarafından konsantre edilebilir.
Buna çarpıcı bir örnek bazı deniz canlılarında
vanadyumun alımı verilebilir.
ATP kullanan bir prosesden yararlanılmasıyla, bu
element deniz suyundan kan hücreleri içine çevredeki
düzeyin 5 katından daha yüksek düzeylere konsantre
edilebilir.
Bu hücreler kg kuru ağırlık başına ~ 27 gr V
içerirler. Bu değer Fe miktarından 100 kat daha fazladır.
Bazı canlılar ise, biyolojide çok nadiren görülen Ti,
Cr, ve Nb gibi metal iyonlarını biriktirirler.
V ve diğer elementlerin bu canlılardaki fonksiyonu
henüz bilinmemektedir.
Ancak üzerlerinde yoğun olarak çalışılmaktadır.
Biyolojideki metal iyonlarının özellikleri, spesifik
fonksiyonları optimize etmek için onların lokal çevreleri
tarafından belirlenir.
Bazen bununla beraber, varolan amino asit
artıkları bu amaca ulaşmada yeterli olmayabilir.
Bu yetersizlik özel organik fonksiyonlara sahip
bazı kofaktörlerin anorganik etkiye yardımcı olacak
şekilde katkıda bulunmalarını gerekli kılar.
Daha önceki kısımlarda yer yer bahsedildiği gibi
çoğu farklı proteinlerde bulunan porfirinler ve korrinler,
peptid zincirinden gelen ligantlara bazı katkılar
sağlarlar.
Böyle birimler bu yüzden modern elektronik
aygıtlardaki katı faz bileşenler gibi değerli
biyoanaoganik çipler olarak hizmet görürler ve
katıldıkları ortamın spesifik fonksiyonel yeteneklerini
istenilen yönde değiştirirler.
Biyoanorganik çiplerin diğer bir tipi metal atom
gruplarıdır.
{Fe4S4} 2+ gibi demir-kükürt grupları proteinlerde
yaygın olarak bulunurlar ve önemli elektron transfer
reaksiyonlarını gerçekleştirirler.
İlave olarak, Fe3O4 yada magnetit gibi bazı türler
doğada , bakteri ,güvercin, arı ve muhtemelen insanda
yön bulma ve uyum fonksiyonlarında önemli görevler
üstlenmektedir.
4.1. Metal İyonlarının Biyo-Varlığı
Tablo 4.1.de yerkabuğunda ve deniz suyunda
bulunan anorganik elementlerin bulunma miktarları
verilmiştir.
Tablo.1.1. ve Tablo.4.1 in verileri
değerlendirildiğinde biyolojideki esansiyel metal
iyonlarının esansiyel olmayanlardan nispeten daha fazla
bulundukları görülür.
Titanyum gibi yüksek oranda bulunan metal
iyonlarının biyolojik sistemlerde herhangi bir fonksiyonu
bilinmemektedir.
Bu durumun, bu elementin yaygın iyon formu olan
Ti 4+ un, biyolojik pH olan 6-8 aralığında çözünme ve
hareket güçlüğünden ileri geldiği düşünülmektedir.
Tablo.4.1.
Doğa, metal iyonlarının mineral formlarını nasıl
ekstrakte etmekte ve onları biyoçevre içine nasıl
sokmaktadır?
Na+, Mg 2+ yada Zn 2+ gibi çoğu iyon için
çözünürlük, milimolar mertebesinde konsantrasyonlarına
gereksinim duyulduğu için, belirgin bir problem olarak
ortaya çıkmaz.
Buna karşın demir gibi bazı elementler nötral pH da
büyük ölçüde çözünmez niteliktedir. Metal iyonları
çözünürlük problemleri haricinde ayrıca hücre içine
absorblanmak zorundadırlar.
Bu durum her madde için henüz tamamen
aydınlatılabilmiş değildir. İki muhtemel yol Şekil 4.1. de
verilmiştir
Şekil.4.1
Sodyum gibi bazı iyonlar özel kanallar içinden
geçerler ve hücre membranı içinde pompalanırlar.
Diğer bazı iyonlar hücre membranını geçerken
şelatlama ligantlarına bağlanırlar ve kolaylaştırılmış
transportla membranı geçerler.
Demirin çözünürleştirilmesi ve mobilizasyonunun en
iyi anlaşılanı bakterilerde olanıdır.
Bu sistem klasik koordinasyon kimyasının temel
ilkelerini kullanmaktadır.
Söz konusu sistemde , çok düşük düzeyde bulunan
serbest demir hücreler tarafından alınmaktadır.
Demiri çözünürleştirmek için bazı mikroorganizmalar
demir(III) ü zayıfça bağlayan ve sideroforlar olarak
adlandırılan şelatlayıcı reaktiflere sahiptirler.
Sideroforlar bakteri tarafından çevreye salınırlar.
Bu maddeler demiri ayırırlar,kompleksleşmiş formda
çözünür kılar ve spesifik bir şekilde hücre içine alırlar
En iyi siderofor kateşol temelli bileşik
enterobaktindir.
Enterobaktin, Fe(III) ü aşağıdaki eşitlikte verilen
ve 10 49 değerindeki bir oluşum sabitiyle (Kf)çok zayıf bir
şekilde bağlar.
Bu değer serbest enterobaktin ligantının
protonasyon hesabı içine alındığında pH:7,0 de 10 –25
değerinde gözlenen bir disosiyasyon sabitiyle ilişkilidir.
Böyle zayıf bağlanmalar demirin hücre içinde
salınımı için mekanizmalar geliştirilmesini gerekli kılar.
Demirin oluşturulan trianyonik kompleksi çözünür
niteliktedir ve hücre içinde aktif bir şekilde taşınır.
Bu komplekslerin yapısı bir seri deneyle açıklığa
kavuşturulmuştur.
Enterobaktinin ferrik komplekslerinin optik
absorpsiyon spektrumlarının, tris-(kateşolato)-demir(III)
komplekslerine benzer olduğu ve bu komplekste de
ligantların metali, aromatik halkanın herbirindeki halka
oksijenlerinden birini ve bir amid oksijenini tercih ederek
kateşolat dianyonları olarak koordine ettiği tahmin
edilmiştir.
Bu kompleksler optikçe aktiftir ve Δ ve Λ
izomerleri şeklinde bulunabilirler. Bu komplekslerin krom
türevine verilen örnek aşağıda görülmektedir
Bu komplekslerin vanadyum (IV) analoğunun, [V(enterobaktin)] -2 , X-ışınları kristalografik yapı analizi sonuçlarına göre oluşturulmuş model Şekil.4.2. de verilmiştir.
Şekil.4.2.
E.Coli membranında bulunan spesifik bir reseptörle ferrik
enterobaktinin enerji bağımlı bir mekanizma ile hücre içine alımı
Şekil.4.3 de verilmiştir.
Şekil.4.3.
[Fe(ent)]3- alımının kinetik incelemeleri, çoğu enzimatikreaksiyona benzer şekilde Michaelis – Menten Kinetiği benzeri bir doygunluk davranışı göstermektedir. [Fe(ent)]3- için gözlenen reseptöre bağlanma sabitinin (Km) 0,3 mikromolarolduğu belirlenmiştir.
Yapılan deneysel çalışmalar inert [Rh(cat)3]3-kompleksinin, [Fe(ent)]3- kompleksinin reseptör tarafından alımını inhibe etmediği buna karşın enterobaktinin amidbağlarını taklit eden [Rh(N,N-dimetil-2,3- dihidroksibenzamid)3] kompleksinin etkili bir şekilde [Fe(ent)]3- alımın 100 mikromolar düzeyinde inhibe ettiği belirlenmiştir.
Bu bulgular metal enterobaktin kompleksinin membranreseptörü tarafından tanınmasında amid ve tris-(kateşolato) kısımlarına gerek duyulduğu, trilakton halkasının ise esansiyelolmadığı sonucuna ulaşılmasını sağlamıştır.
4.2. Düşük Düzeyde Bulunan Metallerin Hücre İçi
Kimyası ve Zenginleştirme Stratejileri
Bu bölümün giriş bölümünde bazı canlılar
tarafında deniz suyunda vanadyumun VO42- iyonu
formunda biriktirilmesinden bahsedilmişti.
Bu negatif yüklü türler, sülfat iyonları gibi
transport iyonları olarak bilinen spesifik bir sistem
yoluyla hücre içine dış membrandan geçerek girerler.
Hücre içinde vanadyum indirgenir ve hücre içi
bileşenlerine bağlanır. Böylece artık ortamdan dışarı
difüzlenemez.
Diğer elementler de aynı transport sistemi
tarafından sitoplazmaya geçirilirler.
İlginç bir örnek; kanserojen olan CrO42-(kromat
anyonu) formunda kromun transferidir.
Kansere nasıl neden olduğu tam olarak bilinmese
de hücreye girme ve hücrede immobilize olma
mekanizması , son yıllarda bir ölçüde açıklığa
kavuşturulmuştur (Şekil. 4.4.).
Şekil.4.4.
Vanadat iyonları gibi kromat iyonları da hücre içine
anyon transport sistemiyle taşınırlar.
Sitoplazma da glutatiyon(GSH) ile reaksiyon verir.
Glutatiyon bir sistein sülfidril grubu içeren ve hücre
içinde ~ 5 mM konsantrasyonda buluna bir
tripeptidtir.
GSH ile reaksiyon veren CrO42- , Cr(IV) ve Cr(V) e
indirgenir ve bir Cr-S bağı oluşur.
Söz konusu metal iyonu böylece vanadyum gibi
hücre içinde tutulur ve artık plazmaya geri difüzlenemez.
DNA ya bağlanması, Cr(III) formuna indirgenerek
gerçekleşir ve bu iyonun kanserojenik etkisi bu
şekilde gerçekleşir.
İlginç olan durum +2 ve +3 oksidasyon
durumlarındaki kromun, bu şekliyle hücre içine girişi
mümkün olmadığı için kanserojen olmadığı bilinir.
Bu durum kolaylaştırılmış transportun metal
toksisitesindeki önemini ortaya koymaktadır.
Nötral metal komplekslerinin hücreye alımı, hücre
membranından pasif transportla gerçekleşir.
Buna örnek olarak antitümör ilaç cis-
diamindikloroplatin(II);(cis-DDP) yada cis- platinin alım
mekanizması verilebilir.
Uygulamada cis-platin hastaya sulu tuz çözeltisi
olarak enjekte edilir.
Platinin yarısı serum proteinlerine bağlanır ve
yarısı atılır.
Artakalan kısım değişik dokulara yayılır.
Serumda ilaç büyük oranda, ~ 0,1 M lık yüksek bir
klorür iyonu konsantrasyonuna sahip olarak, cis-[Pt(NH3)2Cl2]
formunda kalır.
Nötral metal molekülü, cis- platin , hücre plazma
membranından sitoplazmaya pasif olarak difüzlenir.
Burada ~ 3 mM lık daha düşük bir klorür
iyonu konsantrasyonuna sahiptir.
Söz konusu bileşik, cis-[Pt(NH3)2 (OH)2Cl2]+
gibi katyonik kompleksler oluşturacak şekilde hidroliz olur ve
bu ürün ,kendisi bir polianyon olan DNA ya bağlanır ve
sitotoksik etki gösterir.
cis-DDP ‘nin hidroliz reaksiyonu onun biyolojik
aktivitesinin esasını oluşturur(Şekil.4.5.).
Şekil.4.5.
Şekil. 4.5. ‘ den görüleceği gibi klorür iyonları su ve
hidrokso kompleksleri oluşturacak şekilde yer değiştirir.
İlacın bu hidrolize formları DNA ile cis-DDP ‘den
daha hızlı bir şekilde reaksiyon verir.
Ancak bu mekanizma ile çalışan antitümör ilaçlar için
unutulmaması gereken bir nokta da cis-DDP örneğinde
olduğu gibi bunların hidroliz ürünlerinin diğer hücre içi
komponentlerle de reaksiyon vererek yan etkiler ortaya
çıkarabilecekleridir.
Buna örnek olarak daha önce anlatılmış olan Cr’un
glutatiyon ile etkileşimi verilebilir.
Diğer bir etkileşim örneği olarak hücre içindeki
askorbik asidin, platinli antikanser ilaçlardaki Pt(IV) ‘ü
Pt(II) ‘ye indirgemesi verilebilir.
Bu etkileşimlerin temelinde daha önceki
bölümlerde bahsedilen sert-yumuşak asit –baz teorisi
yatmaktadır.
4.3. Metal Gruplarının Kendi Kendine Oluşumu
Pekçok metal, proteinlerdeki ve nükleik
asitlerdeki ,bağlanma merkezlerine basit iyonlar olarak
bağlanırlar.
Örneğin Zn 2+ ; karboksipeptidaza ve çinko
parmak proteinlerine, bakır; plastosiyanine bu şekilde
bağlanır.
Buna karşın bazı durumlarda biraz daha kompleks
metal içeren birimler kullanılır.
Bu grupların mekanizmaları detaylandırılmış olmakla
birlikte in vivo da nasıl oluştukları ve proteinlerle nasıl
birleştikleri henüz tam olarak bilinmemektedir.
Söz konusu proseslerin oluşumu “kendi kendine oluşum prensibi” ile açıklanmaya çalışılır.
Bu ilke, arzu edilen model molekülü oluşturmak için
bilinen yada tahmin edilen biyolojik donör atomlarını içeren
en basit ligantlar ve metal iyonlarının reaksiyonlarını
yorumlamaya çalışır.
Bu yaklaşım, biyosferin evrimi boyunca geosferden
kaynaklanan mevcut kimyayı kullanarak, metal
merkezlerinin oluşumunda doğanın izlediği yola benzer
açıklamalar getirmeye çalışır.
Kendi kendine oluşum yaklaşımı, demir-kükürt
proteinlerindeki, {FenSn}m- grupları ve diiron- karboksilat
proteinlerindeki {Fe2O(O2CR)2}2+ çekirdekleri olarak
bilinen protein çekirdek yapılarının tekrar
oluşturulmasında başarılı bir şekilde kullanılmıştır.
Bu bölümde başlıca bu iki gruba ilişkin örnekler
tanıtılacaktır.
4.3.a.Demir-Kükürt Grupları;Demir – Kükürt gruplarının ve bazı özellikleri Tablo.
4.2. ‘de verilmiştir. Proteinlerdeki bu grupların biyolojik fonksiyonları, elektron transfer reaktifleri olarak görev almalarıdır.
Tablo.4.2.
(i) [1Fe-0S] Grupları ;Bu grubun bir örneği olan C.pasteurianum
rubredoksin(Rb) proteininin kristal yapı analizlerinin
sonuçlarına göre çizilmiş geometrisi Şekil. 4. 6. da
verilmiştir.
Bu protein ortalama 2.29 A° mesafeli bir Fe –S
bağını esas alan 4 sisteinato sülfür atomları tarafından
tetrahedral olarak koordine olmuş tek bir demir atomu
içerir.Protein zincirindeki sistein ligantlarının
konumu;Cys(6)-X-X-Cys(9)-Gly ve
Cys(39)-X-X-Cys(42) şeklinde bulunmuştur.
Proteindeki birim {Fe(SR)4}n- şeklinde gösterilir.
Şekil.4.6.
(i) [2Fe – 2S] Grupları ;
Bir S.platensis [2Fe – 2S] ferrodoksin(Fd)
proteininin X ışınları kristalografisi sonuçları iki
kükürt ligant köprüsü ile tetrahedral olarak koordine
olmuş iki demir atomu içeren bir {Fe2S2(S-Cys)4}2-
grubunu tanımlamıştır(Şekil. 4.7.).
Fe2 S2 birimindeki Fe.....Fe arasındaki uzaklık
2,7 A° boyutundadır.
Şekil.4.7.
(i) [3Fe –4S] Grupları ;
Önceleri A.virelandii de bulunan 7- demir
ferrodoksinin X-ışınları kristalografisi bulgularına
dayanılarak yapısının bir [4Fe – 4S] ve bir [3Fe –3 S]
grubu içerdiği ileri sürülmekteydi.
Ancak daha sonraları yapının Fe3S4 şeklinde bir
düzenlenme içerdiği tesbit edilmiştir(Şekil.4.8).
Şekil.4.8.
Bu düzlemsel olmayan yapının daha sonra
incelenecek olan [4Fe –4S] yapılarından bir Fe – S
(Sistein) biriminin uzaklaşmasıyla türevlendiği
düşünülmektedir.
A.vinelandii Fd ‘ i, Desulfovibrio gigas 3Fe – 4S Fd ‘ i ve akonitazın inaktif formuna ilişkin veriler aynı [3Fe – 4S] grubunu işaret etmektedir. Bu molekülde Fe..... Fe atomlarıarasındaki uzaklık 4,1 A° olarak belirlenmiştir.
Şekil.4.9.
(i) [4Fe – 4S]Grupları;
Biyolojik sistemlerdeki en yaygın demir- kükürt
grupları bu sınıf içinde yer alır.
Temel yapı, köşelerde birbirini takip eden Fe ve S
atomları yer alan bozulmuş bir küp yapısıdır.
Fe.....Fe ve S....S atomları arsındaki uzaklık
sırasıyla ~ 2,75 A0 ve 3,55A0 dur(Şekil.4.10).
Bu küp, köşelerdeki 4 demir atomu üzerinden
proteindeki 4 sisteinil sülfür atomu yoluyla proteine
tutturulmuştur(Şekil.4.10).
Şekil.4.10.
[4Fe-4S] gruplarının biyolojik sistemlerde farklı
düzenleniş şekilleri de mevcuttur.
Örneğin; P. aerogenes Fd’ inin merkezinde 2
adet [4Fe - 4S] merkezi vardır ve proteine 8 sistein
artığından bağlanır.
Diğer bir örnek olarak; nitrojenazın MoFe
proteininin kristal yapısının belirlenmesi sonucu 2 adet 4
Fe – 4 S grubunun doğrudan bir S – S bağı ile bağlı
olduğu ortaya çıkarılmıştır.
4.3.b.Polidemir Okzo Grupları ve Biyomineralizasyon;
Biyoanorganik kimyadaki son gelişmeler, iki
çekirdekli demir okzo merkezleri {Fe2O}2+ içeren bir protein
sınıfının keşfedilmesine yol açmıştır.
Bu birimlerde, iki demir atomu hidroksit yada diğer
bir monoatomik köprüleme ligantıyla birbirine bağlanmıştır.
Böyle yapılar demir(III) 'ün hidrolitik kimyasında ve
ayrıca demir(II) bileşikleri, dioksijen tarafından oksitlendiği
zaman oluşan bileşiklerde karşımıza çıkar.
Bunlara ilişkin tipik reaksiyonlar aşağıdaki eşitliklerde
görülmektedir.
Bunlara ilişkin tipik reaksiyonlar aşağıdaki
eşitliklerde görülmektedir.
Metaloproteinlerde hemeritrin(Hr) ve ribonükleotid
redüktaz(RR)’da ; μ-oksodidemir(III) kısmı bir yada iki
ilave köprüleyici karboksilat grubuyla bağlanır.
Bu yapılarda yakın demir atomları arasında oluşan
Fe-O-Fe köprü açısı ~120 - 1300 dir.
Söz konusu proteinlerde bulunmuş olan μ-
okzobis(μ-karboksilato)didemir(III) yapıları temel
anorganik kimya alanında yapılan çalışmalar sonucunda,
demir karboksilatları konusu içersinde, kimyasal
bileşikler olarak yaklaşık yüz yıldır bilinmektedir.
Bu komplekslerin genel formülü [FeO(O2CR)6L3]+ formülüyle verilir.
Burada üç demir(III) iyonuna üçlü köprüleme yapan merkezi bir oksijen atomu bulunur(Şekil.4.11.a.).
Anorganik kimyadaki bu yapılara oldukça benzeyen hemeritrindeki yapı ise {Fe3O(O2CR)2}2+ birimidir (Şekil.4.11.b.).
Ribonükleotid redüktazdaki yapı da benzer şekilde karboksilat köprülenmiş didemir birimi içerir (Şekil.4.11.c).
Biyolojik sistemlerdeki bir polidemir okzo
grubunun çok daha ilginç örneklerinden biri demir
depolama proteini ferritindir.
Memeli ferritinleri, farklı miktarlarda fosfat
grubu içeren bir hidrate ferrik oksit çekirdeğini
çevreleyen 24 alt birimli bir proteindir.
Her bir protein altbirimi ~ 175 amino asit içerir.
Apo yada başka bir deyişle metal içermeyen
ferritin 4 500 demir atomu depolayabilir.
Bu durumda yaklaşık olarak 1 amino asit başına 1
demir iyonu düşer.
X- ışınları kristalografisi yoluyla yapının simetrik
olduğu belirlenmiştir.
Bu simetrik yapıyı 24 asimetrik altbirim
oluşturmaktadır.
Yapı kabaca içinde boşluk bulunan kabuk benzeri
bir küre yapısıdır.
Bu yapının dış çapı 130 A0, iç çapı 75 A0 dur.
Kompleksin içi ile bağlantısını sağlayan
iki tür kanal vardır.
Bunlardan biri iç yüzeyinde 4 hidrofobik amino asit
artığı içeren dörtlü kanallar ve diğeri daha çok aspartat
ve glutamat aminoasitlerinin oluşturduğu 3 hidrofilik
aminoasit artığı içeren üçlü kanallardır.
Bu kanal sistemlerinden üçlü kanallar olarak
adlandırılanların ferritin molekülüne metal girişinin
gerçekleşebileceği en makul yerler olduğu
düşünülmektedir(Şekil.4.12).
Şekil.4.12.
Ferritinin demir çekirdeğinin yapısının değişik analiz
yöntemleriyle incelenmesi sonucunda, yapının oksit ve /
veya hidroksit iyonlarıyla köprülenmiş ve oktahedral
olarak koordine olmuş demir(III) iyonlarından oluştuğu
belirlenmiştir.
Bu yapıda demir-oksijen arasındaki uzaklığın 1,95
A0 ve demir- demir arasındaki uzaklığın 3,3 A0 olduğu ve
bu mesafe içerisindeki boyutta yaklaşık yedi komşu demir
atomunun bulunduğu tespit edilmiştir.
Bu boyutlar, oktahedral boşlukları kısmi olarak
dolduran demir atomları ile oksijen atomlarının çok yakın
bir şekilde paketlenmiş olduğunu gösterir.
Boş oktahedral merkezler düzensiz bir şekilde
biçimlendirilebilir yada bir tabaka şeklinde olabilir.
Böylece yapının, FeO6 birimlerinin, üç boyutlu
çekirdeği doldurmak üzere, birbirleriyle iki boyutlu
yapılar oluşturacak şekilde düzenlenmesiyle
oluşturulduğu düşünülmektedir
Ferrihidrit olarak isimlendirilen bir mineral
yukarıda tanımlanan yapıya benzemektedir.
Ferrihidrit için elde edilen bilimsel bulgular ile izole
ferritin molekülün demir çekirdeğinden elde edilen
bulgular uyum göstermektedir.
Ancak bu bulgular, ferritindeki yapının tamamen
tanımlanması için yeterli değildir.
Bu nedenle henüz çekirdek geometrisi ve demir
giriş çıkışlarının mekanizması hakkında daha fazla
tanımlayıcı çalışmaya gereksinim vardır.
Ferritin çekirdeğinin oluşumu biyomineralizasyon
olarak tanımlanan proseslere bir örnek olarak verilir.
Organizmalar değişik amaçlar için basit
bileşiklerden mineralleri sentezlerler.
Kemiğe mekanik dayanıklılığını veren kalsiyum
fosfat ve manyetotaktik bakteriler tarafından üretilen
(Fe3O4) partikülleri buna örnek olarak verilebilir.
Ferritin çekirdeğinin oluşum mekanizması
hakkındaki bilgi doğrudan araştırmalarla ve model
sistemlerin incelenmesiyle elde edilmektedir.
Bu bilgiler, oluşum yolunun Fe(II) nin hidrofilik
kanallar içine yada iç kısmın kenarlarına girişiyle
başladığını, Fe(II) ‘nin Fe(III) ‘e oksijen ile
oksidasyonu ile birkaç başlatıcı kompleksin oluşumuyla
devam ettiği şeklindedir.
Bu komplekslerin, çekirdeği oluşturmak üzere Fe(II)
‘nin Fe(III) ‘e oksidasyonuyla birlikte olan hidrolitik
polimerizasyon ile büyüdüğü düşünülmektedir.
Bu olaya benzer mekanizmalar demirle ilgili
anorganik reaksiyonlarda görülmektedir. Bu oluşum
şeklini açıklamaya yönelik olarak sentezlenen bir bileşik,
[ FeIII4FeII8(O)2(OCH3)18(O2CCH3)6(CH3OH)4.67], Şekil
4.13. de gösrerilmiştir.
Yapının bozulmuş bir sodyum klorür yapısı gösterdiği
ve ferritin için düşünülen demir ve oksijenin üç boyutlu
kafes yapısına benzediği belirlenmiştir.
Böyle komplekslerin daha ileri karakterizasyonuyla
ferritin çekirdeğinin ayrıntıları, oluşum ve yıkım yolları
hakkında daha ayrıntılı bilgi sahibi olunabilecektir.
Şekil.4.13.
4.4.Özelleşmiş Birimler
Basit metal aqua iyonları ve polimetalik
gruplar tartışıldıktan sonra bu kısımda biyolojideki bazı
özelleşmiş metal bağlayan moleküllerden bahsedilecektir.
Bu birimler enterobaktin gibi iyonoforlardan farklıdırlar.
Çünkü tek bir fonksiyonel amaca sahiptirler. Demir –
sülfür grupları gibi birkaç farklı metaloproteine dahil
olabilirler ve belirli bir metabolik gereksinimi yerine
getirmede önem taşırlar.
4.4.a.Porfirinler;
Porfirinler , demir, mağnezyum ve diğer metal
iyonlarını, dört azot atomunu kullanarak kare düzlemsel
bir koordinasyonda bağlarlar.
Metaloporfirinler , pirol halkası üzerindeki
gruplardan kovalent bağlama yoluyla doğrudan
proteinlere bağlanabilirler yada bu işi makrohalkanın üst
ve altında bulunan aksiyal koordinasyon pozisyonlarına
ligant bağlama yoluyla yaparlar.
Bu her iki bağlanma türü de porfirin içeren
proteinlerde bulunur.
Porfirin halkasının merkezindeki sağlam yapı, hem
serbest bazda ve hem de metaloporfirinde metal
bağlamayı ve metal salmayı zorlaştırır.
Bu nedenle Hem oluşturmak üzere porfirine demirin
sokulması ancak ferroşelataz adı verilen bir enzimle
enzimatik olarak gerçekleştirilir.
Bu enzim Fe 2+ iyonlarına gereksinim gösterir.
Söz konusu enzim, muhtemelen halka düzleminin
dışındaki pirol azotu iyon çiftlerinin birine doğrudan demir
bağlamak için porfirin halkasını büzer.
Bu şekilde metal iyonları N-alkil porfirinlerde,
alkillenmemiş analoglarından 104 kez daha hızlı bir
şekilde şelatlanırlar.
Alkilasyonun metal bağlamayı kolaylaştırıcı şekilde
porfirin halkasını bozduğu bilinmektedir.
4.4.b.Korinler ve Hidroporfirinler;
Diğer bir özelleşmiş birim korinlerdir.
Korinlerin de yapısı büyük ölçüde porfirinlere
benzer.
Porfirinler gibi korinler de bir makro halkalı yapı
oluşturmak üzere dört pirol grubunun kullanıldığı ve
bunların dört azot atomu ile koordine edildiği bir kare
düzlemsel yapıyı içerirler.
En büyük fark, A ve D pirol halkalarını bağlayan
metin karbon atomunun yokluğudur.
Bu özellik, metal merkezlerindeki geometriyi bozar. Bu
durum, meydana gelen kompleksin özelliklerinin oluşmasındaki
temel nedenlerdendir.
Kobalt, Vitamin B12 molekülünü oluşturan en önemli
metal korinoid kompleksini meydana getirir.
Onun koenzim şekilleri, 1,2 - izomerizasyonu ve radikal
teşvikli redoks reaksiyonlarında fonksiyon gösterirler.
Korinler doğada ayrıca nikel kompleksleri şeklinde de
bulunurlar.
Bu formlar, termofilik organizmaların metan dönüştüren
hidrojenaz enzimleri tarafından kullanılırlar.
Porfirinlerle ilgili özelleşmiş ligantların diğer bir
sınıfını, sirohemleri, klorinleri, bakterioklorinleri,
izobakterioklorinleri, korfinleri ve dionhemleri içeren
hidroporfirinler oluştururlar.
Örnek olarak; porfirin seviyesinden on elektronla
indirgenerek oluşan bir hidroporfirin olan korfin verilebilir.
Bu tetrapirol, doğal bir şekilde faktör F430 olarak
meydana gelir.
Bu, metanojenik bakterilerde bulunan S-metil
koenzim-M redüktazın nikel içeren bir prostetik grubudur.
4.4.c.Metal – Nükleotid Kompleksleri;
Hücrelerdeki en önemli moleküllerden biri adenozin
trifosfattır(ATP).
Fosforil ve nükleotidil transferaz enzimleri, bu
polianyonun özellikle Mg 2+ komplekslerine sıkça substrat
olarak gereksinim duyarlar.
ATP’nin Mg 2+ , Ca 2+ , Na+ , ve K+ kompleksleri
ATP azlar için önemli substratlardır.
Bu enzimler ATP nin hidrolizini katalizler ve enerji
transferleri için bu reaksiyonlardan türevlenen enerjiyi
kullanırlar.
ATP’nin yapısı ve onun en önemli metal kompleksleri
Şekil.4.14. de verilmiştir.
Şekil.4.14.
ATP’nin metal komplekslerinde, metal iyonları,
bazın heteroatomlarına ilave olarak α- , β- , γ-
fosfat oksijenleriyle de bağlanabilirler.
Mg 2+ iyonu için koordinasyon yalnızca oksijen
atomları üzerinden meydana gelir.
Bu durumda metal civarında oktahedral
pozisyonlar suyun katılımıyla sağlanır.
4.4.d.Molibden Bağlayıcı Kofaktörler;
Molibden, biyolojik sistemlerdeki tek esansiyel
ikinci sıra geçiş metalidir.
Molibdenin özel önemi, Mo(VI) ve Mo(IV)
oksidasyon seviyeleri arasındaki iki elektron transfer
reaksiyonlarını gerçekleştirme yeteneğinden ileri gelir.
Ayrıca,
Mo VI(O)2 + S S = O + MoIV (O)
reaksiyonundan görüleceği gibi substrat yada
substratlara bir okzo atomunu transfer edebilirler.
Molibden içeren en az iki spesifik kofaktör vardır.
Bunlardan biri demir-molibden kofaktör (FeMoco)
olarak isimlendirilir.
Bu kofaktör nitrojenaz enziminde bulunur.
Son yıllarda nitrojenazın molibden-demir
proteininin yapısı kristalografik olarak
tanımlanmıştır(Şekil.4.15).
Şekil.4.15.
Söz konusu kofaktör, iki küp benzeri unsur içerir.
Bunlardan biri dört demir atomu , diğeri üç demir
ve bir molibden atomu içerir.
Burada molibden oktahedral olarak koordine
olmuştur ve demir atomları iki küp fragmentinde yer
alır.
Bu yapının nasıl işlev gördüğünü açıklamak için
değişik hipotezler öne sürülmüştür.
Bunlardan biri, grubun merkezindeki iki yada daha
fazla demir atomu tarafından indirgenmek üzere aktive
edilen ve dinitrojen bağlayan ancak molibden üzerinden
doğrudan bir koordinasyonun meydana gelmediği
düşünülen bir mekanizmadır.
Bunlara ilave olarak molibden içermeyen, buna
karşılık vanadyum yada demir içeren alternatif
nitrojenazlar bulunmuştur.
Bu nedenle mekanizma aydınlatılmasında daha çok
araştırmaya gereksinim duyulmaktadır.
Redüktazlarda, oksidazlarda ve dehidrogenazlarda
ve okzo transfer kimyasındaki fonksiyonlarda görev alan
diğer bazı farklı molibden kofaktörleri vardır.
Bu örneklerde molibden bağlayan yapı iki kükürt
atomuna metali koordine eden substitue bir pterindir.
Bu modifiye pterin, urothion olarak adlandırılan bir
bileşiğin keşfinden sonra tanımlanabilmiştir.
Bu bileşik, bu tür molibden kofaktörlerinin en
önemli idrar metabolitidir(Şekil.4.16).
Şekil.4.16.
Nitrojenaz haricinde, molibden kofaktör içeren
bilinen bütün enzimler bu pterin türevini içermesine
rağmen, diğer metal koordine eden atomlar belirgin bir
şekilde farklanırlar.
Bu yapıların enzimlerde elektron transfer
yollarında yada proteinden proteine molibden
transferinde ve depolanmasında görev aldığı
düşünülmektedir.
5. HÜCRELER İÇİNDE METAL İYONLARININ
KULLANIMI VE KONSANTRASYONLARININ
KONTROLÜ
Hücreler içinde metal iyonu
konsantrasyonlarının belirli aralıklar dahilinde
tutulması zorunludur.
Metal iyonunun toksisitesi, sıklıkla, hücre içindeki
merkezlere metal iyonlarının bağlanması yoluyla
gerçekleşir.
Metal iyonu homeostazisi ve detoksifikasyonu
değişik mekanizmalar tarafından gerçekleştirilir.
Bunlara örnek olarak; ekstra selüler metal
taşıyıcılar, hücre içine pasif transportu kontrol eden
metal - aracı protein yapısal değişimleri, iyon kanal
pompaları, metal ile kontrol edilen transkripsiyon ve
translasyon verilebilir.
Ayrıca pH daki değişimler ve redoks durumu hücre
tarafından, ilgili reseptör moleküllerine bağlanma ve
salınımı etkilemede kullanılır.
İyon konsantrasyon gradientleri de enerji ve
bilginin saklanması ve iletilmesi amacıyla kullanılır.
5.1.Metal İyonlarının Yararlı ve Toksik Etkileri
Metal iyon konsantrasyonları canlılar için belirli
aralıklar dahilinde olmak zorundadır.
Eğer zorunlu bir metal iyonunun konsantrasyonu çok
düşükse ,onun görev aldığı proses etkili olamayacak ve
organizma bir metal iyonu eksikliğinden kaynaklanan biyolojik
fonksiyon bozukluğu gösterecektir.
Söz konusu metal iyonu konsantrasyon aralığının alt
eşiğinin üzerine çıkıldığında , ortamdaki metal iyonu
konsantrasyonu biyolojik fonksiyonunun tam olarak yerine
getirilmesi için yeterli olabilecektir. Üst eşiğin üzerine
çıkılması durumunda ise metal iyonu toksisitesi ortaya
çıkacaktır.
Örneğin; metal iyonu uygun olmayan bir merkeze
bağlanırsa, bu merkez için uygun ve yararlı diğer bir metal
iyonunun bağlanmasını engelleyebilir.
Yada bağlandığı yerde arzu edilmeyen bir reaktivite
gösterebilir. Bu yaklaşım bazı biyolojik fonksiyonlara sahip
metal iyonları için ortaya konur.
Ancak bazı metal iyonları ise hücrede
bulunabilmelerine rağmen bilinen biyolojik fonksiyonları
yoktur .
Tamamen etkisiz yada tamamen toksik olabilirler.
Şekil.5.1.de bu olayın grafiksel bir sunumu gösterilmiştir.
Şekil.5.1.
Homeostasis; buradaki anlamıyla yararlı metal
iyonu konsantrasyonunun doğru bir aralıkta tutulması ve
detoksifikasyon; yararlı olmayan metal iyonlarının toksik
konsantrasyonlarının uzaklaştırılması olayları, metal
iyonlarının alımı, kullanımı,saklanması ve atımı arasında bir
dengeye gereksinim gösterir.
Biyolojik sistemlerde yararlanılmayan metal iyonları
yüksek affiniteyle spesifik olmayan bir şekilde belirli
merkezlere bağlandıkları için genellikle toksiktirler.
Sağlam bir şekilde bağlandıkları için kinetik olarak
inerttirler ve kolayca uzaklaştırılamadıkları için metal
bağlama merkezinin fonksiyonunu inhibe ederler.
Metal iyon toksisitesinin diğer muhtemel
nedenleri olarak; biyolojik sıvılarda çözünmez tuzlar
oluşturmaları, biyopolimerleri yıkan hidrolitik
reaksiyonlara katılmaları, yada hidroksil radikalleri gibi
zarar verici ürünleri oluşturan redoks reaksiyonlarına
katılmaları sayılabilir.
Metal iyonlarının bu etkilerine iki örnek olarak
demir ve platin ile ilgili mekanizmalar verilebilir.
İlk örnek;bütün organizmalar için zorunlu bir
metal iyonu olan demirdir.
Örneğin insanda demir başlıca dioksijen
transportu ve değişik elektron transport yollarında
görev alır.
Demir eksikliği, onun azalmış kaynakları yada
artmış kaybından ileri gelebilir.
Hemoglobin sentezi için gerek duyulan miktarlar
yetersiz kaldığında anemi ortaya çıkar.
Yüksek düzeyde demir alımı ise kaza ile demir
bileşiklerinın yutulmasıyla yada hasarlı hemoglobin oluşumu
ile karakterize olan talasemi gibi bir hastalığın tedavinde
aşırı miktarda kan verilmesi sonucunda oluşabilir.
Aşırı demir biriktirilir ve kolayca atılamaz. Aşırı
demir alındığında, demir saklama mekanizmaları
doygunluğa ulaştığında metalin aşırı miktarı sisteme verilir
ve bunlar dokulara zarar veren oksijen temelli serbest
radikallerin oluşumunu katalizleyebilirler.
Bu etkilerden korunmak için demirle şelat oluşturan desferriokzamin
gibi ilaçlar kullanılır ve bu yolla demir atılımı kolaylaştırılır
(Şekil.5.2.)
Şekil.5.2.
İkinci örnek olarak ise; cisplatin gibi platin temelli
antitümör ilaçlar verilebilir.
Platin(II) kompleksleri katılma olaylarında
inerttirler ancak genelde oldukça toksiktirler. Katılma
olaylarındaki inert olma özellikleri cisplatinin
kemoterapötik uygulamalarında bir avantaj olarak
kullanılır.
Ligant substitusyon hızının yavaş olması serumdaki
yüksek klorür iyon konsantrasyonu(0,1 M) varlığında
nispeten reaktif olmayan bir formda kalmalarını sağlar.
Söz konusu bileşiğin etki mekanizması önceki kısımda tartışılmıştı.
Hatırlanacağı gibi DNA ile kararlı etkileşimi ile fonksiyon göstermesi nedeniyle zararlı bir etkisi söz konusudur.
Ancak tümörlü dokularda daha fazla etkimesi organizma düzeyinde yararlı etkisini ön plana çıkarmaktadır.
Buna karşın palladyum (II) bileşiği, cis-[Pd(NH3)2Cl2] ,105 kez daha yüksek bir hızla ligant substitusyonreaksiyonuyla yürüdüğü için genellikle kanser kemoterapisinde cis-platinden çok daha toksiktir.
Tahminen palladyum kompleksi hücrenin nukleusundaDNA ya dönüşümsüz bir hasar vermeden önce, çoğu biyolojik yapı ile hızlı bir şekilde reaksiyon vererek toksiketkisini göstermektedir.
5.2. Sıkı Kontrol Altındaki Yararlı Bir Metal:
Demir
Bu kısımda özellikle memeli demir
transport proteini transferrin ve depolama proteini
ferritin üzerinde durularak demir mobilizasyonu ve
regülasyonu ile ilgili sistemler açıklanacaktır.
Bu örnek sisrtemler, gen ekspresyonu üzerinde
metal iyonu etkilerine bir giriş yapmak ve
homeostatik kontrolde metal iyonu etkilerini
yorumlayabilmek açısından varolan kimyasal ve
biyolojik problemleri ve yeni araştırma bulgularını
açıklamada öncülük edebilirler.
5.2.a. Çözünürleştirme, Alım ve Transport;
Önceki konularda değinilmiş olduğu gibi, Fe(II)’nin
nötral pH da hemen tamamen çözünmez olması önemli bir
problemdir.
Bu bakımdan demir, çevrede önemli miktarlarda
bulunmasına rağmen, çözeltide hidratlanmış iyonlarının çok
düşük seviyelerde olması, alım için uygun formunun çok az
bulunması sonucunu doğurur.
Daha önce anlatılmış olan, bakterilerde sideroforlar
ve kolaylaştırılmış demir transport sistemi, canlıların demir
alımı için geliştirmiş olduğu yollardan birini oluşturmaktadır.
Memeli sistemlerine baktığımızda gıdalardan gelen
absorblanmış demirin vücut içine transportunun yapılması
gerekmektedir.
Bu fonksiyon, Fe(III) iyonlarını sıkı bir şekilde
bağlayan yaklaşık 80 kilodalton molekül kütleli bir
glikoprotein olan, transferrin ailesi proteinleri tarafından
gerçekleştirilir.
Bu proteinler serbest demir iyonunun çözünmez
olacağı koşullar durumunda demirin çözünürleştirilmesine
ve transferine imkan verir.
Bu proteinler Fe(III) ü yaklaşık olarak 1020 M-1 lik
bir Kgöz sabitle bağlarlar .
İlginç olanı, bu proteinler , fizyolojik olarak
mevcut olan karbonat anyonunu da demir bağlanmasıyla
sinerjistik bir şekilde bağlarlar.
Bu bağlanmanın demir bağlanmasını kolaylaştırdığı
düşünülmektedir. Bu sinerjizm muhtemelen hücre içinde
demirin salınımı için çok önemlidir.
Transferrin ailesinden birkaç proteinin kristal
yapısı aydınlatılmıştır. protein; laktoferrin sütte
bulunmaktadır.
Şekil.5.3. de her biri bir atomu bağlayan benzer iki kısım içeren bir protein molekülü görülmektedir. Söz konusu protein ailesinden olan bu protein; laktoferrin sütte bulunmaktadır.
Şekil.5.3.
Her bir kısım ise, demir bağlandığı zaman
menteşe gibi bükülen iki alt kısım içerir.
Bu bölge, demir-karbonat ünitesini mengene gibi
sıkıştırır.
Bu olay, bu protein ailesinin bir üyesi olan ve sütte
bulunan insan laktoferrini için gösterilmiştir.(Şekil.5.4.)
Şekil.5.4.
Bozulmuş oktahedral demir koordinasyon kabuğu,
tirozinden gelen iki fenolat oksijeni, histidinden gelen
bir imidazol azotu, aspartik asitten gelen bir
karboksilat oksijeni ve bağlı karbonattan gelen iki
oksijeni içerir.
Karbonat ayrıca peptidin iki NH grubuyla ve
arginin ve treoninin yan zincirleriyle de bağ yapar.Bu
yapı Şekil.5.5. de gösterilmiştir.
Şekil.5.5.
Karbonat ve demir atomlarının sinerjistik
bağlanması bu geometrik dönmeler yoluyla açıklanabilir.
Bu protein ,açık bir şekilde karbonat için bir
bağlanma cebi oluşturur ve bu cep, polipeptid iskeleti ve
yan zincirler ile ilişkili hidrojen bağlarının oluşumuna
imkan verir.
Bağlanma merkezine karbonat bağlandığında, metal
bağlama pozisyonu tamamen organize edilir.
Böylece, demir(III), nispeten sert bir metal iyonu
için uygun, oksijence zengin ligantların bol bulunduğu bir
çevrede koordine edilir.
Enterobaktin gibi transferrin de hücre içine
alınmak için bir membran yüzey reseptörüne bağlanır.
Bu işlem reseptör aracılı endositoz olarak ifade
edilir(Şekil5.6.)
Transferrin reseptörü demir bağlamış
transferrini bağlayan buna karşın apotransferrini
bağlamayan bir dimerik glikoproteindir.
Transferrindeki demir ve karbonat bağlanmasıyla
meydana gelen büyük konformasyonal değişimler, yüklü
ve yüklü olmayan transferrin arasındaki farklanmanın
esas nedenini oluşturur.
Reseptörün transferrine bağlanmasıyla, reseptörü
içeren membran kısmı, kaplanmış vezikül olarak
adlandırılan bir vezikül şeklinde endositozla hücre içine
alınır.
Vezikül zarfı, klatrin olarak adlandırılan bir
proteinle kaplanmıştır.
Klatrin, vezikül oluşumunu kolaylaştırmaktadır.
Hücre içinde, vezikül, endozom oluşturmak üzere
kaplamasını kaybeder.
Endozom membranı, ATP kullanan bir proton
pompası içerir.
Bu moleküller, pH yı 5-6 arasına düşürmek için
protonları endozom içine pompalarlar.
Bu düşük pH’da demir, karbonat ve tirozinat
ligantlarının protonasyonunun bir sonucu olarak salınır.
Salınan demir kullanım için yada ferrinde
depolanmak için uygundur.
Apotransferrini henüz üzerinde taşımakta olan
reseptörü içeren vezikülün bir kısmı plazma membranına
kaynaşır.
Vezikül dışa açıldığında yaklaşık pH;7,4
civarındaki ortamda, apotransferrin reseptörden salınır.
İşlem tekrar başlayarak aynı şekilde devam eder.
Fizyolojik koşullar altında bu çevrimin
tamamlanması 15 dakika sürer.
Bu olayda pH farklarının hem transferrinde hem
de transferrin reseptörüne apotransferrinin
bağlanmasının kontrol edilmesinde önemli olduğu
görülmektedir.
Şekil.5.6.
5.2.b.Alım ve Depolamanın Metaloregülasyonu;
Organizmalar, daha sonra kullanmak üzere metal
iyonlarını biriktirme ve depolama yöntemleri
geliştirmişlerdir.
En iyi karakterize edilen metal iyonu depolama
sistemi ferritindir.
Ferritin, yapısı, oluşumu ve polidemir çekirdeği
önceki konuda anlatılmıştı.
Ferritin, transferrin tarafından hücre içine
transfer edilen demir için bir depo olarak görev yapar ve
gerektiğinde büyük miktarlarda metal iyonu salabilir.
Ferritine demirin alımı ve ferritinden demirin
salınımının hücre tarafından ayarlanmasının nasıl
olduğunun moleküler ayrıntıları henüz tam olarak
aydınlatılamamıştır.
Ancak transferrin resreptörü ve ferritin
apoproteini ve siderofor üretimi için de gereken
proteinleri üreten genlerin çalışmasını demirin kontrol
ettiği son yıllarda elde edilen bulgulardandır.
Bakterilerdeki siderofor biyosenteziyle ilgili genler, transkripsiyonal seviyede demir tarafından kontrol edilir.
Fur(demir alım regülatörü) olarak adlandırılan bir protein, koordine bir şekilde çok sayıda geni kontrol eder.
Bu protein, Fe 2+ gibi divalent metal iyonlarının varlığında, DNA ‘ nın spesifik bir kısmına bağlanan 17 kilodalton molekül kütleli altbirimlerden oluşan bir dimerdir.
Metal iyonu yokluğunda bu bağlanma gerçekleşmez.
Demir konsantrasyonunun yüksek olduğu
koşullarda, Fur proteini bağlı metal iyonlarını içerir,
spesifik DNA regülatör bölgesine bağlanır ve ilgili genin
transkripsiyonu baskılanır.
Düşük metal iyon konsantrasyonlarında, Fur
proteini metal iyonlarına ve dolayısıyla DNA ya
spesifik olarak bağlanamaz ve gen triskripsiyona uğrar.
Memelilerdeki transferrin reseptörü ve ferritin
ekspresyonu da metale bağımlı bir şekilde kontrol edilir.
Ancak protein ekspresyonu translasyonal seviyede
kontrol edilir.
Depolanmış ferritin mRNA’sı hücresel demir
düzeyleri düşerse nispeten yavaş bir şekilde
translasyonda kullanılır.
Buna karşılık, hücresel demir düzeyleri artarsa,
ferritin mRNA translasyon hızı dramatik bir şekilde
artar.
Transferrin reseptörü için mRNA demirce zengin
durumlarda nispeten kararsızdır.
Ancak demirce fakir koşullarda daha kararlı hale
gelir.
Bu iki olayda da demir-sorumlu elementler yada
IRE olarak isimlendirilen yapılar mRNA moleküllerinin
dizi/yapılarında belirli bölgeleri oluşturmaktadırlar.
Söz konusu IRE formu lup yapıları Şekil.5.7. de
gösterilmiştir.
Şekil.5.7.
Bir IRE, ferritin mRNA’sının 5′ ucunda bulunur.
Buna karşılık birkaç IRE yapısının bu duruma zıt
olarak 3′ ucunda yer aldığı da belirlenmiştir.
IRE, molekül kütlesi 90 kilodalton olan ve IRE-
bağlama proteini olarak isimlendirilen bir protein için
bağlanma merkezi olarak görev yapar.
IRE bağlama proteini, ferritin mRNA’sına
bağlandığında, mesajın proteine translasyonunu önler.
Transferrin reseptörü mRNA ‘sına bağlandığı
zaman, söz konusu RNA’nın yıkımını önler buna
karşılık translasyona engel olmaz.
RNA daki IRE için bu proteinin affinitesi, demir
tarafından kontrol edilir.
Bir demir şelatlayıcısıyla muamele edilmiş
hücrelerden izole edildiği zaman IRE-bağlama proteini
yaklaşık 10 –11 M ‘lık bir disosiyasyon sabitiyle RNA ya
bağlanır.
Buna karşılık, demirle muamele edilen hücrelerden
izole edildiği zaman, disosiyasyon sabiti 5x10-9 M
değerine yakındır.
Bu protein son yıllarda saflaştırılmış, kolonlanmış ve
yapısı tanımlanmıştır.
Amino asit dizisinin aydınlatılması dikkat çekici bir
sonuca ulaşılmasını sağlamıştır.
Bu sonuç IRE bağlayan proteinin, mitokondriyal
enzim akonitaz ile homolog olduğudur.
Akonitaz ,demir kükürt grubu içeren bir enzimdir
ve Fe3S4 ve Fe4S4 grupları arasında dönüşümlerle iş
görür. Daha ileri çalışmalar IRE-bağlayıcı
proteinin akonitaz aktivitesine sahip olduğunu ve sitozolik
akonitaza ekivalent bir değer gösterdiğini ortaya
koymuştur.
Bu özellikleri nedeniyle, hücre içindeki demir
konsantrasyonlarındaki değişimlere ilişkin IRE bağlayıcı
proteinlerin anlaşılmasında model sistemler olarak
kullanılabilecekleri önerilmiştir.
Yüksek demir düzeylerinde, proteindeki grup
Fe4S4 şeklindedir ve nispeten IRE içeren RNA molekülleri
için düşük affiniteye sahiptir.
Düşük demir durumlarında, grup disosiye olur. Bu değişim RNA için affiniteyi arttırır. Fur proteini,
transkripsiyonal seviyede iş görür buna karşılık IRE-bağlayıcı protein translasyonal seviyede iş görür .
Bu örnekler metal iyon konsantrasyonlarındaki değişimlere cevapta gen ekspresyonunu kontrol eden proteinlerin ilk örnekleridir.
5.3. Toksik Bir Metale Örnek;Civa
Yararlı elementlerde olduğu gibi toksik elementlerin
etkin uzaklaştırılması için de, canlı sistemler tarafından
benzer mekanizmalar geliştirilmiştir.
Bunlar arasında en iyi anlaşılmış olan proses,
bakterilerdeki plazmid kodlu civa detoksifikasyon
sistemidir.
Bu sistem bakterinin dış çevresinin temizlenmesinde
etkili olduğu kadar civanın alım ve transportunu da yönetir.
Bu sistemin ilginç bir özelliği de detoksifikasyonda
görevli proteinleri kodlayan genlerin ekspresyonunun da
metal-iyon konsantrasyonu tarafından regüle edilmesidir.
5.3.a. Civa Detoksifikasyonunda Görevli Enzimler;Civa iyonları, tiyol gruplarına olan yüksek ilgileri
nedeniyle çoğu organizmalar için yüksek oranda toksiktirler.
Pekçok protein ve enzimin tiyol gruplarına bağlanarak
onları inaktive ederler.
Ayrıca normal metabolik prosesler, Civa(II)’nin
kendisinden çok daha toksik olan civa bileşikleri oluşumuna
yol açabilir.
Bu tür bileşikleri detoksifiye etmek için,
bakterilerdeki sistem organomerküryal liyaz ve merkürik
iyon redüktaz isimli iki enzimden yararlanır.
Bu enzimler sırasıyla aşağıdaki reaksiyonları
katalizlerler.
RHgX + H+ + X- RH + HgX2
Hg(SR)2 + NADPH + H+ Hg(O)+NADP+ + 2RSH
İlave olarak bu proteinleri kodlayan operon, bir
periplazmik bağlama proteini ve bir membrana bağlı transport
proteinini kodlayan genleri içerir.
Bağlama proteini, organizmanın çevresindeki civa
bileşiklerini yakalar ve onları transport proteinine nakleder.
Transport proteini, onları aktif detoksifikasyonun
yapıldığı yer olan sitoplazmaya taşır.
Söz konusu operon, transkripsiyonal regülatör protein;
MerR, ile de ilişkilidir.
Bu protein, yükselmiş civa düzeylerine cevap için
ihtiyaç duyulan diğer genlerin transkripsiyonunu kontrol eder.
Çoğu metal karbon bağları kolayca hidrolizlenebilir.
Buna karşılık civa-karbon bağları genellikle daha
kararlıdır ve kolayca kırılmaz.
Enzimin molü başına dakikada 1-100 mol civarındaki
bir ortalama turnover sayısında bile ,organomerkuryal liyaz
bu hidrolizi yaklaşık bir milyon kat hızlandırır.
Bu enzim 22 kilodaltonluk bir molekül kütlesine
sahiptir.
Bu enzime ilişkin geliştirilen mekanizmalardan öne
çıkan bir teori Şekil. 5.8’de verilmiştir
Şekil.5.8.
Şekilden anlaşılacağı üzere, bu sistemdeki tüm
proteinlerde olduğu gibi, civa ile etkileşen ligantlar, aktif
merkezdeki sistein sülfidril gruplarıdır.
Organomerküryal liyaz’ın ürünü bir civa tiyolat
bileşiğidir; Hg(SR)2.
Bu bileşik, enzimin sisteinat ligantlarının glutatiyon
gibi endojen tiyollerle yer değiştirmesiyle oluşur.
Bu kompleks , her altbirimi bir flavin grubu taşıyan
ve her biri 60 kilodaltonluk iki altbirim içeren dimerik bir
enzim olan merkürik iyon redüktaz enziminin substratıdır.
Bu enzim de diğeri gibi Hg(II) substratını bağlayan
sistein tiyolat gruplarını içerir.
NADPH yardımıyla Hg(II)’yi Hg(0)’ya indirger.
Bu proses, NADPH’dan flavine hidrit transferini
içerir.
Hg(II) koordine olmuş tiyolat kompleksinde
indirgenmiş flavinin saldırısıyla reaksiyon yürür.
Civanın indirgenmesiyle flavin-tiyolat bileşiği
oluşur.
Civa atomu ayrılır ve yeni bir Hg(II) bağlanır.
Oluşan civa atomu hücre membranından
difüzlenerek dışarı atılır.
5.3.b.Civa Detoksifikasyon Genlerinin Metaloregülasyonu;
Civa alımı ve bağlanması prosesi, yalnızca
nispeten yüksek civa düzeylerinde çalışacaktır.
Çünkü diğer koşullarda bu proteinler ve öncüllerinin
sentezi lüzumsuz bir enerji kaybına yol açar.
Ayrıca bu sistem organizma için tehlikeli
olabilecek diğer metal iyonlarının alımına da yol açar.
Bu nedenle ilgili sistem ancak civa bileşiklerinin
yüksek konsantrasyonlarında eksprese edilir.
Bu işlem ,civa detoksifikasyon genlerinin
ekspresyonunu transkripsiyonal seviyede kontrol eden
intrasellüler civa sensörü ; MerR proteini tarafından kontrol
edilir.
MerR bir dimerik DNA bağlayan proteindir. Bu
protein civanın güç algılanan düzeydeki farklarını algılayarak
DNA’ya spesifik olarak bağlanır.
Bağlı civanın yokluğunda ,Mer genlerinin
transkripsiyonu başlar.
Civa bağlandığında ise bu genleri aktive eder. Bu etki
protein-DNA kompleksinin yapısındaki değişimlerle
yönledirilir.
Proteine civanın bağlanması, 5′ DNA da, 33 derecelik bir
sarmal açılmasına neden olmaktadır.
Bu yolla civa , MerR-DNA kompleksine etki eder ve RNA
polimeraz’ın transkripsiyonunu başlatır.
Hücre içinde civa konsantrasyonu eşik değeri aştığında
detoksifikasyon sistemi genleri hızlı bir şekilde transkripsiyona
uğrar .
Maksimum transkripsiyonel hızın yarısına karşılık gelen
konsantrasyon 10 nM,dır.
Cd(II), Au(I), Zn(II) ve Au(III) gibi diğer metal iyonları
da transkripsiyonal aktivasyonu indükler ancak 3 de 2 daha
yüksek konsantrasyonlarda bu etki söz konusu olmaktadır.
5.4. Metal-iyon Konsantrasyon GradientlerininOluşturulması ve Kullanımı;Membranın iki yanı arasındaki iyon gradienti, enerji
saklanması ve bilgi iletimi amacıyla kullanılır.
Bu açıdan, sodyum, potasyum, kalsiyum ve proton
özel öneme sahip iyonlardır.
Onların iyonik gradientleri, biyoenerjetik ve sinir
sisteminin fonksiyonunun temelini oluşturur.
Bu sistemlerin fonksiyon göstermesi için iki tip
protein zorunlu olarak gerekmektedir.
Bunlar pompalar ve kanallar olarak isimlendirilirler.
Pompalar membranın karşı tarafına iyonun
transportunun, ATP ve ADP dönüşümü ile çiftlenmiş
olduğu sistemlerdir.
Bu proteinler, katalitik olarak ATP hidrolizi ya
da ADP ve inorganik fosfat’tan ATP sentezi
gerçekleştirdikleri için ,bunlardan ayrıca ATPazlar
olarak da bahsedilir.
Onlar iyonik gradienti oluşturur ve sürdürürler
yada ATP sentezlemek için iyonik gradienti kullanırlar.
Kanallar, iyonların iyonik gradientler yardımıyla
membrandan geçmesini sağlayan proteinlerdir.
Pompalardan farklı olarak iyon transportu, bu
sistemlerde ATP hidrolizi yada senteziyle doğrudan
çiftlenmemiştir.
Kanallar basit bir iyon transport sistemi değillerdir.
Buna karşılık birer kapı oldukları için, onların iyon
transport yeteneği (veya kapasitesi) bu kapıları etkileyen
membran potansiyeli yada nörotransmitterler gibi ekzojen
ligantların konsantrasyonu benzeri başka koşullardan da
etkilenir. Bu koşullardaki farklanmalar, bileşiğin bir taraftan
diğer tarafa iletilmesine de imkan verir.
Pompa ve kanal sistemlerini daha sağlıklı bir şekilde
yorumlayabilmek için bazı temel ilkelerin bilinmesi
gerekmektedir.
Birinci ilke; membran potansiyelidir. Bu ,bir
membranın iki yanı arasındaki potansiyel farkıdır.
Membran potansiyeli membranın her bir yanındaki iyon
konsantrasyonu farkıyla belirlenen her bir iyondan ileri
gelen potansiyellerinin toplamı olarak mukayese edilir.
Bu farklar , denge potansiyelleri, belirli bir iyonun
transportu için net yürütücü kuvveti üretmek amacıyla
gerekli değerler(büyüklükler) olarak yorumlanabilirler.
Konsantrasyon farkları Nernst eşitliğine göre potansiyelleri belirler;
V = (RT/zF)ln(Cout/Cin)
Bu eşitlikte R = gaz sabiti , T = mutlak sıcaklık, z = net iyon yükü, F = Faraday sabiti, Cout = hücre dışındaki iyon konsantrasyonu, Cin = hücre içindeki iyon konsantrasyonunu
ifade eder.
Tipik memeli hücresindeki hücre içi ve dışındaki iyonik bileşim Tablo. 5.1 ‘de verilmiştir.
Tablo.5.1.
Bu değerler göz önüne alındığında Na+
için denge potansiyeli;
[(8,314JK-1mol-1)(310K)]/(+1)(96,485(mol-1)ln(145mM/12mM)= +68 mV
Benzer şekilde K+ için denge potansiyeli –99 mV
olarak hesaplanır.
İkinci ilke; kondüktanstır.
Kanallar bütün iyonların transportuna eşdeğer
etkinlikte izin vermezler.
Buna karşılık, iyon seçimliliğinin değişen
dereceleri gözlenir.
Bu katyon ve anyonların seçimi şeklinde olduğu
gibi çok benzer anyonlar veya katyonlar arasındaki
yüksek seçimlilik farkı şeklinde de gözlenebilir.
Bir kanal tarafından iletilen akımın voltaj ile
ilişkisi onun konumu ile ifade edilir;
İ = g x V
İ = g x V
Bu eşitlikte i=akım,
g=kondüktans ve
V=voltaj ya da membranın iki yanı arasındaki
elektrokimyasal potansiyeldeki net farktır.
Kondüktans,g, ohm ya da siemens(S) birimi ile
ifade edilir.
Bir iyon kanalının kondüktansı bir moleküler
özelliktir.
5.4.a İyonik Gradientlerin Oluşumu
İyonik gradientlerin oluşumu enerji bağımlı
proseslerdir ve bu enerji ATP’nin ADP ve iyonik fosfat’a
hidrolizi yoluyla sağlanır ve kullanılır.
Bu mekanizmaya en bilinen örnek Na+ ve K+
gradientlerinin oluşumunda sorumlu ve Na+ - K+ ATPaz
enziminin de görev aldığı ve Na+ - K+ pompası olarak
bilinen sistemdir.
Bu membran proteini iki komponentten oluşur.
Bunlardan biri 100 kilodaltonluk katalitik altbirim
ve 45 kilodaltonluk bir assosiye glikoproteindir.
Bunlar α2β2 tetramer şeklinde organize olmuştur.
Enzim aşağıdaki reaksiyonu katalizler;
3Na+in + 2K+out + ATP + H2O 3Na+out + 2K+in + ADP + Pi
Bu sistem şekil 5.9’da özetlenmiştir.
Şekil.5.9.
Bu sistemde ;membran proteininin hücre içine açık
konformasyonunun Na+ iyonlarına ilgisi yüksektir ve 3 Na+
bağlama merkezi vardır.
Na+ iyonlarının bağlanmasıyla ATPaz enzimi aktif hale
gelir ve ATP’nin hidrolize ve membran proteinine fosfat
iyonunun bağlanması sonucu membran proteini konformasyon
değiştirerek dışa açık bir pozisyon alır.
Bu konformasyonun Na+’a ilgisi düşüktür ve 3 adet
Na+ iyonu dışa salınır.
Bu konformasyonun potasyum(K+) iyonlarına ilgisi
yüksek olan iki potasyum bağlama merkezi vardır ve K+
iyonları bağlandığında ,bağlı P proteinden ayrılır.
Onun ayrılması proteinde konformasyon değişimine
yol açar ve K+ iyonlarının bağlandığı merkez hücre içine
döndürülmüş olur.
Bu konformasyonun K+ ilgisi düşüktür ve 2 K+ iyonu
hücre içine salınır.
Bu yolla hücre dışında Na+ hücre içinde K+ yüksek
konsantrasyonda oluşturulur ve bunun sonunda hücre dışı
+, dolayısıyla ona göre hücre içi de negatif yüklenmiş
olur.
5.4.b İyon Kanalları Yoluyla İyon Transportu
Na+-K+ ATPaz saniyede yaklaşık 100 kez bu döngüyü
çevirir.
Buna karşılık iyon kanalları saniyede 106-107 iyonu
transfer eden proteinlerdir.
İyon transportundaki bu yüksek hız,özellikle sinir
hücrelerindeki sinyal iletiminden sorumlu olan aksiyon
potansiyellerinin oluşumu gibi hızlı sinyal olayları için
zorunludur.
Kanallar farklı konformasyonlarda bulunabilirler.
Bunlar iyonların transfer edilebildiği açık ya da iyon
transportunun gerçekleşmediği kapalı yada,inaktif formda
bulunabilirler.
İki iyon kanalı daha ayrıntılı olarak
incelenmiştir.Bunlar;bir nörotansmitter ile kanal;asetilkolin
reseptörü ve voltaj kanalı olan sodyum kanalıdır.
5.4.b(1) Asetilkolin Reseptörü
Asetilkolin reseptörü henüz atomik düzeyde
ayrıntılı bir şekilde tanımlanamamış büyük ve kompleks
bir moleküldür.
Biyokimya, biyofizik ve moleküler biyolojik
teknikler bu proteinin yapısının genel bir görünümünü
ortaya koymuştur.
Elektrokimyasal tekniklerle de aksiyon
mekanizması belirlenmiştir.
Söz konusu asetilkolin reseptörünün biyolojik
fonksiyonunun gösterimi Şekil.5.10 da verilmiştir.
Şekil.5.10.
Asetilkolin reseptörü büyük bir oligomerik
glikoproteindir.
Bu protein α2βγδ genel stokiyometrili 4 farklı tip 5
protein zinciri içerir.
Toplam molekül kütlesi yaklaşık 300
kilodaltondur.
İlk olarak kas, beyin ve elektrikli yılan
balığının elektrik üreten organında bulunmuştur.
Elektrikli yılan balığı ve dana kasındaki reseptör
moleküllerinin 4 alt biriminin homolog olduğu ortaya
çıkarılmış ve bunun ortak bir atasal ilişkiden
kaynaklandığı düşünülmüştür.
Birincisinde 437, ikincisinde 501 amino asit
vardır.
Her bir glikoprotein iki asetilkolin
nörotransmitterini bağlar.
Bunların her biri bir α altbirimi üzerinde
bulunmaktadır.
Reseptörün ayrıntılı yapısı elektron mikroskopik
çalışmalarla ortaya çıkarılmıştır.
Bu yapının şematik gösterimi Şekil.5.11. de
verilmiştir.
Pentagonal şekilde düzenlenen beş alt birimin büyük
kısımları ekstrasellüler tarafta , küçük kısımları intrasellüler
tarafta yer alır.
Hidrofobik amino asitlerin dağılımının analizi onların
molekülün membrana tutunmasında görev aldıklarının
düşündürmektedir.
Her bir altbirimde benzer pozisyonlarda 20-25 bitişik
hidrofobik amino asit içeren 4 bölüm vardır. Bunların bakteriyel
fotosentetik reaksiyon merkezindeki bir yapıyla, benzer bir
dizilimde anolog oldukları X-ışınları kristalografisi ile
belirlenmiştir.
Bu bölgelerin özel önemi iyonun membrandan geçmesi için
kanal oluşturmalarından kaynaklanmaktadır.
Şekil.5.11.
İyonun membrandan transferi için temel olarak
farklı iki mekanizma önerilmektedir.
Bunlardan birincisinde; iyon bir taşıyıcıya
bağlanır, daha sonra taşıyıcı dönerek yada transfer
edilerek difüzlenir ve membranı geçince iyon salınır.
Olası ikinci mekanizmada ise; bir kanal
açılmasıyla taşıyıcının herhangi bir önemli hareketi
olmaksızın iyon membranı geçebilir.
Asetilkolin reseptörü ileri düzeyde kompleks protein
sınıflarına bir örnektir.
Normal koşullar altında kanal kapalıdır ve önemli
sayıda iyonun membrandan geçişi söz konusu değildir.
Asetilkolin varlığında, muhtemelen reseptör molekülü
iyonların serbest geçişine imkan verecek şekilde açık
pozisyona geçer.
Asetilkolin reseptörü spesifik olmayan bir katyon
kanalıdır.
Yalnızca pozitif yüklü iyonlar geçebilir ancak farklı
katyonlar arasında az bir seçimlilik söz konusudur.
Fizyolojik koşullar altında sodyum iyonları en
önemli seçilen türdür ve geçişi çok hızlıdır.
Örneğin; kas asetil kolin reseptörü tipik olarak
transfer için 10 m sec. açık kalır.
Bu süre yaklaşık 104-105 iyon geçişine izin
verir. Bu akış birkaç pikoamperlik bir akım ile
ilişkilidir.
Bir moleküler konformasyonel değişim başına
membranı geçen 105 iyonun hareketinden kaynaklanan
büyük yükseltici faktörden dolayı ve üretilen sinyalin
kolayca ölçülebilir bir form (akım ) olması nedeniyle,
işlev halindeki belirli bir kanalı izlemek için bir yöntem
geliştirmek mümkün olmuştur.
Bu yöntem yama-kenetleme yöntemi olarak
adlandırılır ve Şekil.5.12. de gösterilmiştir.
Şekil.5.12.
Bu yöntemde, içinde bir elektrod bulunan bir
mikropipet hücre membranına dayanır.
İkinci bir elektrod hücre içine sokulur.
Hücrede oluşan akım iki elektrod arasından
geçecektir.
Mikropipetin çok küçük olan açıklığı tek bir kanalı
kapsayacak boyutta olduğu için ölçülecek akımın tek bir
kanala ilişkin olduğu varsayılır.
Asetilkolin varlığında ölçülen pikoamper boyutundaki
akım, reseptörün açık ve kapalı konformasyonları
arasındaki dönüşümle birlikte yürür.
Asetil kolin reseptörünün asetilkolinle ilişkisi
Şekil.5.13. de verilmiştir.
Şekilden görüleceği gibi asetilkolinin düşük
konsantrasyonlarında kanal kapalıdır.
Daha sonra veziküllerden asetil kolin salındığında,
konsantrasyon artar.
Reseptöre bir molekül bağlandığında kanal hala
kapalıdır.
İkinci asetilkolin bağlanmasıyla kanal belirgin bir
şekilde açılır.
Asetilkolin konsantrasyonu difüzyon yoluyla yada
asetilkolin esteraz tarafından hidrolizlenerek azaltılır.
Ayrıca asetil koline uzun süre maruz kalmak
reseptörü diğer kapalı formlardan başka bir inaktif
forma dönüştürülür.
Şekil.5.13.
5.4.b.(2);Voltaj Kapısı Sodyum Kanalı;
Asetilkolin reseptörü, asetilkolin
konsantrasyonundaki artışa bir cevap olarak açılır.
Reseptörlerin yoğun olarak bulunduğu bölgedeki
membran potansiyeli, potasyumun ~ -100 mV luk denge
potansiyeli yakınındaki dinlenme değerinden sodyumun ~
+ 70 mV luk denge potansiyeline doğru değiştiği için, bu
proses sodyum iyonlarını kanal içine doğru yönlendirir.
Membranın bu lokal depolarizasyonu bir aksiyon
potansiyeli oluşturulmasına yol açar.
Bir aksiyon potansiyeli hızlı bir repolarizasyon
tarafından izlenen bir büyük membran
depolarizasyonudur (Şekil.5.14).
Membran boyunca, potansiyelin saniyede 50 metre
hızla hareketi sinirsel iletimden sorumludur.
Söz konusu aksiyon potansiyeli büyük ölçüde
membrandaki voltaj - duyar (sensitive) sodyum
kanallarının varlığına bağlıdır.
Bu kanallar, membran potansiyeli
dinlenme değerine yakın olduğunda kapalıdır
Şekil.5.14.
Aksiyon potansiyelinin daha az negatif olmasıyla
artan bir olasılıkla açık duruma geçiş gerçekleşir.
Böylece asetilkolin reseptörlerinin açılması ve
beraberinde gelen membran potansiyeli, sodyum
kanallarının açılmasına neden olur ve membran
depoloarize olur, daha fazla sodyum iyonu membranı
geçer, depolarizasyon membranının takın bölgelerine
yayılır ve yayıldığı bölgelerde kanalların açılmasına
neden olur.
Sodyum kanallarının yalnızca birkaç milisaniye
kadar kısa bir süre açık kaldığı anda bir puls üretilir
ve daha sonra inaktif (kapalı ) duruma geçilir.
Daha sonra membran spesifik potasyum
kanallarının yardımıyla repolarize olur.
Potasyum kanalları, başlangıç depolarizasyonuna
cevap olarak, ancak sodyum kanallarından daha yavaş
bir hızla açılırlar (Şekil.5.15).
Şekil.5.15.
Voltaj duyar sodyum kanallarının karakterizasyon
çalışmaları sonucunda bir büyük ve bununla ilişkili iki küçük
proteinden oluştuğu, büyük altbirimin, ~ 270 kilodaltonluk
tekrar eden yapısal kısımlarının herbirinin 600 aminoasitten
oluşan 6 transmembran proteinden meydana geldiği
belirlenmiştir(Şekil.5.16).
Bu yapının, asetilkolin reseptörünün altbirimlerinin
bazı kısımlarıyla benzer olduğu bulunmuştur.
Bu benzerlik hakkında yapısal bilgi oldukça azdır.
İyon transport moleküllerinin bazı nitelikleri de
belirlenebilmiştir.
Şekil.5.17.
Asetilkolin reseptöründen farklı olarak sodyum
kanalları, diğer iyonlardan oldukça fazla bir şekilde sodyuma
seçimlidirler.
Sodyum daha küçük olduğundan kanalın dar aralığından
potasyumdan 11 kez daha büyük bir geçirgenlikle
kanaldan geçer.
Diğer iyonlardan lityum ve amaonyum hidrosit de
kanaldan kolayca geçer.
Bu sistemde iyonun büyüklüğünün kanaldan geçişle
ilişkili olduğu düşünülmektedir.
Elde edilen bulgulara dayanılarak geliştirilen
hipotezlere göre özellikle sodyum iyonunun bir su molekülüyle
bağ yaparak kanaldan kolayca geçtiği düşünülmektedir.
İyonların söz konusu kanallardan geçişinde diğer
önemli bir parametre sodyum iyon kondüktansının pH’ya
bağımlılığıdır.
Kondüktans pH daki düşüşle azalır.
Bu veri gözlenen tek-proton bağlama sabiti,
pKa=5,5 ile uyumludur.
Bu sonuç, iyonun iyon kanalının hız sınırlayan
bölgesi içinden geçerken iyonla etkileşen yada yakın
pozisyona gelen tek bir karboksilik asidin etkisiyle
yorumlanır.
Sonuç olarak, iyon transportunun voltaj bağımlılığı,
saflaştırılmış sodyum kanallarının düzlemsel lipid çift
tabakalar içine yeniden yerleştirilmesiyle incelenmiştir.
Bir tek kanalın kondüktansı membran potansiyeline
bağlı değildir.
Buna karşılık bir kanalın açık olma olasılığı kuvvetli
bir şekilde potansiyele bağlıdır.
-100mV luk bir potansiyelde, kanal ilgili zamanın
ancak % 5 inden daha azında açık pozisyondadır.
Membran -70 mV a depolarize edilirse, her bir
kanal ilgili zamanın %90 ı açık pozisyondadır.
KAYNAKLAR*Heinz-Bernhard Kraatz , Nils Metzler-Nolte , Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry, Wiley-Interscience,2006
*Rosette M. ,Roat-Malone, Bioinorganic Chemistry : A ShortCourseWiley-Interscience ,(2002)
*J. J. R. Fra'usto da Silva, R. J. P. Williams The Biological Chemistryof the Elements : The Inorganic Chemistry of Life Oxford UniversityPress,(2001)
*S. J. Lippard, J. M. Berg, “Principles of Bioinorganic Chemistry”, University Science Books, (1994)
*I Bertini, H. B. Grey, S. J. Lippard, J. S. Valentine,”BioinorganicChemistry”, University Science Books, (1994)
top related