Proteinlerin Katlanma Mekanizmaları Nelerdir?

Proteinler, vücudumuzda sayısız işlevi yerine getiren moleküllerdir. Vücudumuzun ihtiyaç duyduğu proteinlerin elbette işe yarar ve aktif olmaları gerekmektedir. Proteinlerin biyolojik faaliyetlerde işe yararlılığı, protein katlanma mekanizmaları sayesinde sağlanmaktadır.

Protein katlanması, amino asitlerin bir araya gelerek oluşturduğu polipeptit zincirinin üç boyutlu yapı kazanmasıdır. Vücudumuz için işlevli olan proteinler, katlanmış proteinlerdir.

Bir protein ribozomda sentezlenirken amino asitler birbirine bağlanmaktadır. Oluşan amino asit zinciri, proteinin birincil yapısını ifade etmektedir. Amino asitler birbirine bağlandıkça, hidrojen bağları sayesinde bu zincir düzenli bir şekilde katlanmakta ve ikincil yapıyı meydana getirmektedir. Amino asit zincirinin hidrojen bağları, iyonik bağlar, disülfit bağları gibi bağları içeren ve tam işlevli hali ise üçüncül yapı olarak bilinmektedir.

Bir protein, ribozomda sentez aşamasındayken kendisi veya bir başka protein ile yanlış bir etkileşime girmezse, kendiliğinden katlanabilmektedir. Bir proteinin hücrede etkin bir rol alması, ancak o proteinin doğru katlanmasıyla mümkündür.

Proteinlerin katlanma esnasında, hücrede meydana gelen bazı değişiklikler tespit edilmiştir. Örneğin katlanma sırasında sıcaklık, iyonik güç ve pH değerleri, normalde olduğundan farklı gözlemlenmiştir. Hücre içinde gerçekleşen bu değişimler araştırıldığı zaman şaperonlar keşfedilmiştir.

Proteinler, olması gerektiği gibi katlanamadıkları veya yanlış katlandıkları zaman birikerek protein yığını oluştururlar. Şaperonlar, proteinlerin yanlış katlanma veya katlanmama sonucu oluşturdukları yığılmayı düzeltmek için proteinlerin katlama verimini artıran proteinlerdir. Şaperonlar sayesinde proteinler düzgün bir şekilde yeniden katlanacak, protein yığılmaları düzeltilecek ve hücrelerde işe yarar proteinler yer alacaktır.

Şaperonlar, bakteriden insan hücrelerine kadar her hücrede bulunabilen proteinlerdir. Isı şok proteinleri (HSP) ve şaperoninler, şaperon ailesinin birer üyesidir. Proteinlerin şaperonlar sayesinde hücrelerde nasıl doğru bir şekilde katlandığını anlayabilmek için HSP proteinleri ve şaperonin mekanizmalarının çalışma prensiplerine yer vereceğiz.

HSP70 proteinleri HSP70 döngüsünde yer almaktadır ve protein katlanma mekanizmasında oldukça önemli bir konumdadır. HSP70 proteini, hücrelerde yer alan bir moleküler şaperondur. HSP70 döngüsü, katlanmamış veya tam katlanmamış proteinler üzerinde etkilidir. HSP70 aktivitesi sonucunda proteinler, yığılma ve bozunmadan korunmuş olurlar. Doğru şekilde katlanması gereken proteinin bir kısmı HSP70’e substrat olarak bağlanmakta ve HSP70’te düzgün hale gelmektedir. Bu döngü, ATP’ye bağlı bir döngüdür. Yani ATP molekülleri tarafından kontrol edilmektedir. HSP70 proteini ATP bağlıyken açık halde, ATP bağlı değilken kapalı halde bulunmaktadır. ATP’nin bağlanması ve ayrılması, HSP70 döngüsünde sırasıyla proteinin katlanmasını ve serbest bırakılmasını sağlamaktadır.

HSP70 döngüsünün çalışma şekli şöyledir:

Kısmi katlanmış veya katlanmamış protein, HSP70’e bağlanmakta ve bu bağlanma HSP70’de bulunan ATP molekülünün parçalanmasına yol açmaktadır. ATP parçalanıp HSP70’i terk etmekte ve bu ayrılma, HSP70’in kapanmasına yol açmaktadır. HSP70’in kapalı olduğu zaman zarfında ise substrat proteini katlanmaktadır. Çünkü HSP70’nin kapalı hali, substrata sıkıca bağlanmaktadır. Bu sayede katlanan proteinin serbest kalabilmesi için HSP70’in açık formuna geri dönmesi gerekmektedir. Bunun için bir ATP molekülü HSP70’e bağlanmalıdır.

Döngü sonucunda serbest bırakılan protein doğru bir şekilde katlanmışsa hücredeki rolü için kullanılacaktır ancak protein hala düzelmediyse bir şansa daha sahiptir ve döngüye yeniden girebilecektir.

Moleküler şaperonların bir diğer üyesi de HSP90 proteinleridir. Bu proteinler yalnızca ökaryotik hücrelerde bulunabilirler. HSP90, kısmi katlanmış proteinleri fark ederek onların doğru bir biçimde katlanmalarına imkan tanımaktadır. Tıpkı HSP70’te olduğu gibi HSP90’da da ATP’nin bağlanması ve parçalanması gözetilmektedir.

HSP90’a bir protein substratı ve ardından ATP bağlanmaktadır. ATP’nin bağlanmasıyla birlikte HSP90’da bir değişim meydana gelmektedir. Bu değişim sonucunda HSP90 kapanmakta ve proteine sıkıca bağlanarak onu katlamaktadır. Protein düzgün bir şekilde katlandıktan sonra ATP parçalanmakta, HSP90 açılmakta ve protein serbest bırakılmaktadır.

Protein katlama mekanizmalarından biri de şaperoninlerdir. Şaperoninler, Grup-I ve Grup-II şaperoninleri olarak iki grupta incelenebilir. Bu yazıda yalnızca grup-I şaperoninlerinden bahsedilecektir.

Grup-I şaperoninleri GroEl-GroEs olarak da bilinmekte ve prokaryot hücrelerde, kloroplastta ve mitokondride bulunabilmektedir. Grup-I şaperoninleri çift halkalı kompleks protein yapılarıdır. Her bir halka 7 adet alt birimden oluşmaktadır ve bir kapağa sahiptir. Kompleks yapıdaki çemberlere GroEl, kapaklara da GroEs denmektedir.

GroEl-GroEs’te proteinler şu aşamalarla katlanmaktadır: Katlanmamış protein, bir GroEl çemberine giriş yapar. Diğer çember, GroEs kapağı ile kapalı haldedir. ATP kompleks yapıya bağlanır ve GroEl-GroEs’te bir yapısal değişim meydana gelir. Bu değişim sonucunda ATP parçalanır ve GroEs kapağı çemberi terk eder. Yeni bir GroEs kapağıyla birlikte kompleks yapıya ATP bağlanır. ATP parçalanıncaya dek çemberlerde sıkışık halde duran protein katlanır ve sonuç olarak parçalanmış ATP (ADP) ve GroEs kapağı çemberden ayrılır. Nihayetinde katlanmış protein, açık hale gelen çemberden serbest bırakılmaktadır.

Görüldüğü üzere proteinlerin görevlerini yerli yerince gerçekleştirebilmeleri için hücre içinde birden fazla mekanizma, doğru katlanmayı sağlama ve yanlış katlanmayı düzeltme yolunda çalışmaktadır. Ancak hücre içinde gerçekleşen birtakım bozunmalar nedeniyle yanlış katlanmış proteinler plak halinde birikebilir. Bu plaklar eklemlerde, karaciğerde ve beyinde birikirse ciddi hastalıklara neden olabilmektedir. İnsanlarda Alzheimer ve Parkinson; inek ve koyunlarda deli dana, protein birikimi sonucu meydana gelen hastalıklardan bazılarıdır.

Proteinlerin sentezlendikten sonra doğru bir şekilde katlanması, hücre ve organizmanın ihtiyaç duyduğu işlevleri yerine getirebilmeleri açısından oldukça önemlidir. Yanlış katlanan proteinlerin hastalıklara kapı aralıyor olması, proteinlerin doğru bir şekilde katlanmalarının ne denli önemli olduğunu gösteriyor. Vücudumuzun sağlıklı kalmasında büyük yer edinen şaperonları tanımak, vücudumuzun kendisi için yaptığı sayısız iyilikten birini anlamamıza yardımcı oluyor.