Membran Proteinleri

1
Membran Proteinleri

• Ayhan ÜNLÜ

2

• Hücre zari ya da plazma zari hücrenin
  organellerini ve sivi içerigini saran ve hücreye
  yapisal bütünlük saglayan ayrica çok önemli
  islevleri yürüten seçici
• geçirgen bir yapidir.

3

• Yapisi Hücre zari baslica protein ve
  fosfolipitlerden olusmus çift katli bir sividir.
  Fosfolipit tabaka membranin sivi bölümünü
  olustururken, fosfolipitten olusmus bu sivi
  tabaka içine gömülü halde bulunan proteinler ise
  mozaik bölümünü olustururlar.

4
Fosfolipit tabakasi birbirine sirt sirta dayanmis
molekül gruplarindan olusmaktadir. Kolesterol
molekülleri protein-lipit tabakadaki sirt sirta
vermis molekülleri birbirine baglamada is görür.
Zar proteinleri ise ya iyon transferinde yada
karbonhidratlara yataklik etmede görev alir.
Sekilde mavi renkli yapilar zar proteinleri olup
içindeki kanallar zarin seçici geçirgen
özelligini belirler.
5

• b) ÖZELLIKLERI
• Canli-saydam ve esnektir
• Üzerinde por denilen delikler bulunur
• Seçici geçirgendir
• Zardaki proteinler enzim görevi yapar
• Akiskan bir yapiya sahiptir

• c)GÖREVLERI
• Hücreyi dagilmaktan korur
• Hücreyi dis etkilerden korur
• Madde alis-verisini saglar

6

• Yaklasik olarak 6-10 nanometre kalinliginda olan
  hücre zari, farkli hücre tiplerinde, degisik
  oranlarda lipid. protein ve karbonhidrat içerir.
  Hücre protein oraninin fazla olmasi, hücrenin
  biyokimyasal etkinliginin çok oldugunun bir
  göstergesidir. Zara yerlesik proteinler almaç
  (reseptör-hormonlar ya da 'ileticiler' hücre
  yüzeyinde bulunan bu yapilara baglanarak hücresel
  tepkimeleri baslatabilirler), enzim ya da zarin
  her iki yönüne geçisi düzenleyen bir kanal islevi
  görürler. Bu baglamda yüksek oranda protein
  içeren bir zarin islevlerinin de o oranda fazla
  oldugu düsünülmektedir.

7
Zar Lipidleri

• Hücre zari iki tabakali bir fosfolipid yapidan
  olusur. Her bir fosfolipid tabaka, hidrofilik
  (suyu seven) bas ve hidrofobik (suyu sevmeyen)
  kuyruk içerir. Fosfolipid tabakanin hidrofilik
  bas kisimlari, zarin dis tabakasini olustururken
  hidrofobik kuyruk kisimlari, diger fosfolipid
  tabakanin hidrofobik bölümüyle karsilikli durarak
  çift tabakali hücre mebramnin iç kisimlarini
  olustururlar.

8

• Zar lipidleri, büyük oranda fosfolipidlerden
  olussa da. daha az oranda kolesterol ve diger
  lipid tiplerini de içerir. Zarda bulunan
  kolesterolün en önemli görevi, yüksek isi gibi iç
  ya da dis etkenlerin zar akiskanligini
  artirmasini engelleyerek, zar dayanikliliginin
  sürdürülmesini saglamaktir.

9
Zar Hareketleri

• Hücre zari hareketsiz ve sabit bir yapi olmayip,
  yapim ve yikimla beraber, kendine özgü hareketin
  de sürekli olarak izlendigi özel bir organeldir.
  Zar hareketleri, her iki yana, kendi çevresinde
  ve boylamasina olabilir.

10
Zar Proteinleri

• Her ne kadar biyolojik zarlarin temel yapisi
  lipidler tarafindan olusturuIuyorsa da, hücrenin
  yasamasiyla ilgili birçok özel fonksiyon
  proteinler tarafindan gerçeklestirilir. Zarda yer
  alan proteinlerin tipleri ve miktarlari oldukça
  farklidir. Örnegin Sinir aksonlarini kusatan
  myelin zarlarda, zarin toplam kütlesinin 25
  inden daha azi proteinken, mitokondri, kloroplast
  gibi enerji üreten yapilarda bu miktar 75
  kadardir. Olagan zarlarda ise bu miktar yaklasik
  50 dolaylarindadir. Lipid molekülleri, protein
  molekülleriyle kiyaslandiginda, hacim olarak daha
  küçük oldugundan bu 50 lik oranda bile çok
  fazla sayida lipid molekülü vardir. Diger bir
  deyisle zarlarda 1 protein molekülüne karsilik
  yaklasik 50 lipid molekülü yer alir.

11
Proteinlerin Zarlardaks Yerlesim Sekilleri

• Birçok zar proteini, lipid tabakada bir taraftan
  diger tarafa kadar uzanir. Transmembran
  proteinler olarak adlandirilan bu proteinler
  amfipatik özelliktedir, yani hem hidrofilik hem
  de hidrofobik bölgelere sahiptirler. Hidrofobik
  kisimlari lipid tabakanin hidrofobik iç kismiyla,
  hidrofilik kisimlari ise lipid tabakanin her iki
  yaninda yer alan su tabakasiyla iliskidedir. Bu
  proteinlerin bazilarinin hidrofobikligi
  kendilerine kovalent olarak baglanmis olan ve
  lipid tabakanin sitoplazmik yarisi içine gömülü
  bulunan yag asiti zincirleri nedeniyle artabilir.
  Zarlarin sitoplazmik yarisina baglanan bazi
  proteinler sadece yag asiti zincirleri
  araciligiyla lipid tabakaya tutunur . Bazi hücre
  yüzey proteinleri ise küçük bir fosfolipid olan
  fosfatidil inositole kovalent olarak baglanarak
  lipid tabakanin dis yüzünde yer alirlar

12
(No Transcript)
13

• Bunlarin disindaki proteinler ise zarin her hangi
  bir yüzeyinde yer alip, hidrofobik bölgeye kadar
  uzanmazlar, zarda yer alan diger proteinler ile
  nonkovalent baglarla baglanmis olarak bulunurlar.
  Bunlar ekstraksiyon metodlariyla zarlardan çok
  kolay ekstrakte edilebilirler. Bu tip proteinlere
  periferal zar proteinleri adi verilir. Bunlarin
  aksine, transmembran proteinler, fosfatidil
  inositol'e bagli proteinler ve yag asitlerine
  bagli proteinler bütün lipid tabaka deterjanlarla
  veya organik çözücülerle tahrip edilmek suretiyle
  elde edilebilirler. O nedenle transmembran
  proteinlere integral zar proteinleri adi da
  verilir.

14
Zar Proteinleri
Integral zar proteinleri
Periferal zar proteinleri

• Hücre zarinda çok farkli isleve sahip proteinler
  bulunur. Zar proteinlerini zardaki yerlesimlerine
  göre, "integral" ve "periferal" olarak ikiye
  ayirmak mümkün. Integral proteinler, zarin her
  iki tarafina dogru yerlesim gösterirken,
  periferal proteinler, ya iç ya da dis tabakada
  bulunurlar.

15
Zar Proteinleri

• 1. Integral zar proteinleri
• a. Transmembran zar proteinleri
• b. Zarin sitozolik yüzüne baglanan zar
  proteinleri
• c. Zarin dis yüzüne baglanan zar proteinleri
• 2. Periferal zar proteinleri

16

• Yag asitlerine kovalent olarak tutunan proteinler
  zarda bulunan lipidlere kovalent olarak baglanir.
  Bu proteinler üç tip lipid grubuyla baglanirlar.
• Birinci tip baglanmada (açilasyon) bir yag asiti
  zinciri (myristic veya palmitic acid) bir amid
  bagi araciligiyla, sitozolik yüzde, proteinin
  amino ucundaki glisine kovalent olarak baglanir.
• Ikinci tip baglanmada (prenilasyon) bir prenyl
  grubu (farnesyl veya daha uzun olan
  geranyigeranyl grubu) bir thioeter bagi ile,
  sitozolik yüzde, proteinin karboksil ucundaki 4.
  sirada yer alan sistein'e baglanir. Bu
  prenilasyonu takiben uçtaki 3 amino asit ayrilir
  ve yeni olusan karboksil uç metillenir, böylece
  protein zara yerlesmis olur.
• Üçüncü tip baglanmada proteinler, zarin dis
  yüzünde yer alan glikozilfosfatidilinositol
  (glycosylphosphatidylinositol)(GPI)'a baglanir.
  GPl'in yapisi hücreler arasinda farklilik
  gösterebilir. Bu yapi genel olarak
  fosfatidilinositol ve fosfatidiletanoamin ihtiva
  eder. Fosfatidilinositolün iki yag asidi zarda
  uzanirken fosfatidiletanoamin bu lipid yapiyi
  proteine baglar. Fosfatidilinositol ve
  fosfatidiletanoamin arasinda ise sayisi hücre
  tipine göre degisen seker rezüdüler yer alir.

17
(No Transcript)
18

• Transmembran proteinlerin, polipeptid zincirinin
  lipid çift tabakanin hidrofobik bölgesine gömülü
  olan kismi nonpolar yan zincirli amino asitlerden
  olusurlar. Bu proteinler, lipid çift tabakayi
  a-sarmal (a -heliks) halinde geçerler . Bu geçis
  ya tek bir zincir seklinde, tek geçisli
  (single-pass), veya birkaç tane a -sarmal zincir
  halinde, çok geçisli multipass olur .
• Transmembran proteinlerin çogu glikozillenmistir
  (seker gruplari eklenmistir). Seker molekülleri
  bu proteinlere endoplazmik retikulum ve Golgi
  Kompleksinde eklenir ve proteinlerin
  oligosakkarit zincirleri daima ekstraselüler
  yüzde yer alir.
• Proteinlerin sergiledikleri asimetri, sahip
  olduklari diger ilave gruplar ve çesitli baglar
  tarafindan daha da artirilir. Bunlardan,
  sülfidril (sulphydril SH) gruplari sitoplazmik
  yüzde, disülfit (S-S) baglari ekstraselüler yüzde
  yer alir

19
(No Transcript)
20
Spektrin (Specirin)

• Eritrositlerdeki protein moleküllerinin çogu
  lipid tabakanin sitoplazmik yüzüne tutunmus olan
  periferal zar proteinleridir. Bunlarin içinde de
  en bol bulunani spektrin'dir. Spektrin yaklasik
  100 nm uzunlukta, uzun, ince, esnek, çubuk
  seklinde olup zar proteinlerinin yaklasik 25
  ini teskil eder. Zarin altinda yer alan
  sitoplazma iskeletinin esas elemanidir.
• Spektrin iki büyük polipeptid zincirinden meydana
  gelmistir. Bunlar a-spektrin ( 240 000 dalton)
  ve ß-spektrin ( 220 000 dalton) zincirlerdir.
  Esnek yapidaki bu zincirler birbirlerine birkaç
  noktada nonkovalent olarak tutunmustur. Spektrin
  heterodimerleri uç uca eklenerek 200 nm uzunlukta
  tetramerleri olusturur, a ve ß zincirler 106
  amino asit uzunlugunda, çok sayida tekrarlayan
  kisimlardan meydana gelmistir.

21
Birkaç tane spektrin tetrameri, kisa bir aktin
filament ve band 4.1 adli baska bir protein
araciligiyla birbirlerine baglanarak zarin
sitoplazmik yüzeyinde bir ag gibi uzanir . Bu
yapi özellikle kapillerlerden geçerken olusan
büyük basinca eritrositlerin dayanmasini saglar.
Yapilan çalismalarda spektrin iskeletin zara ne
sekilde tutundugu radyoaktif isaretli spektrin
kullanilarak arastirilmistir. Buna göre
spektrinin zara baglantisini genis ölçüde bir
hücre içi protein olan ankirin saglar. Ankirin,
(5-spektrin'e ve bir transmembran protein olan
band 3' ün sitoplazmik kismina ayni anda tutunur.
Böylece spektrin zara tutunmus olur. Spektrinin
zara tutunmasinda keza ikinci bir protein kümesi
de yardim eder. Bu grupta, band 4.1 proteini
spektrin ve aktin'e baglanarak yine spektrinin
zara tutunmasini saglar. Bu grupta bazi
durumlarda glikoforin (glycophorin)'in de yer
aldigi gösterilmistir.
22
Glikoforin (Glycophorin)

• Insan kirmizi kan hücre zarinda bulunan ve bütün
  amino asit dizilisi tam olarak bilinen ilk
  protein Glikoforin'dir. Glikoforin, kütlesinin
  büyük kismi zarin dis yüzeyinde bulunan, 131
  amino asitten olusmus bir transmembran
  glikoproteindir.

23
(No Transcript)
24
Glikoforin (Glycophorin)

• Glikoforin üç kisimdan meydana gelmistir
• 1. Amino uç kisim Zarin dis yüzünde yer alan bu
  kisim 61 amino asitten olusmus bir zincir
  halindedir. Bu kisma 16 karbohidrat ünitesi
  baglanmistir. Karbohidratlardan 15 tanesi
  glikoforinin serin ve threonin amino asitlerine
  baglanirken bir tanesi asparagin'e baglanir. Bu
  oligosakkaritler genellikle negatif yüklü sialik
  asit grubu tasirlar. 61. pozisyondaki pozitif
  yüklü arginin, zarda yer alan, negatif yüklü bir
  fosfolipid bas grubuyla iyonik olarak etkilesir.

25
Glikoforin (Glycophorin)

• 2. Hidrofobik orta kisim Glikoforini olusturan
  131 amino asitten, 62.-95. siralari arasinda yer
  alan 34 amino asitlik dizi proteinin zara
  tutunmasini saglar. 66, 67, 70 ve 72. siralarda
  yer alan yüklü amino asitler (histidin ve
  glutamik asit) hariç, digerleri çogunlukla
  hidrofobik amino asitlerden (fenilalanin, lösin,
  izolösin, valin, triptofan ve tirozin) meydana
  gelmistir. Bu kisim bir a-sarmal halinde uzanarak
  zari kateder.

26
Glikoforin (Glycophorin)

• 3. Karboksil uç kisim Polar ve iyonize olmus
  yan zincirlerce zengin olup sitoplazmada uzanir
  ve proteinin zara tutunmasina katkida bulunur. Bu
  katki, sitoplazmik yüzde yer alan fosfolipidlerin
  negatif yüklü bas kisimlari ile glikoforinin 96,
  97, 100 ve 101. siralarinda yer alan pozitif
  yüklü arginin ve lizin amino asitleri arasindaki
  iyonik iliski sayesinde saglanir.

Glikoforin, sadece kirmizi kan hücre zarlarinda
bulunuyorsa da, onun yapisi lipid tabakayi bir
a-sarmal halinde geçen transmembran proteinlerin
yapisini açiklamada kullanilir. Bu nedenle bu tip
proteinlere Tek geçisli zar proteinleri
(single-pass transmembran protein) adi verilir.
27
Band 3 Protein

• Glikoforin gibi Band 3 proteini de bir
  transmembran proteindir. Glikoforinden farkli
  olarak Band 3 proteini çok geçisli (multipass)
  bir zar proteinidir. Band 3 proteini lipid çift
  tabakayi 10 a-sarmal halinde kateden ve yaklasik
  900 amino asitten olusmus uzun bir proteindir.
• Bilindigi gibi eritrositlerin baslica görevi
  akcigerlerden dokulara oksijen, dokulardan
  akcigere karbondioksit tasimaktir.
  Karbondioksitin oksijen ile degisimi bir anyon
  degistirici transport proteini sayesinde olur.
  Iste eritrositlerdeki bu anyon transport
  proteinleri Band 3 proteinlerdir. Band 3
  proteinleri dondurma-kirma elektron mikroskobi
  teknikleriyle incelendiginde zar içi partiküller
  olarak görülür. Bu yolla incelendiginde
  glikoforinin E, Band 3 proteinin ise P yüzde yer
  almaktadir

28
Bakteriorodopsin
Yapisi çok iyi bilinen çok geçisli bir zar
transport proteini de Bakteriorodopsin
(Bacteriorhodopsin)'dir. Bu protein belirli
bakterilerin zarlarinda aktif proton (H) pompasi
olarak görev yapar. Bir bakteri olan
Halobacterium halobium'un zari özel bir cins
protein tasir. Bu protein Bakteriorodopsin
(Bacteriorhodopsin)'dir. Bu protein, birbirine
oldukça yakin olarak yer alan 7 a-sarmal halinde
kivrilmis olarak, lipid çift tabakada yer
almaktadir. Her bir a -sarmal yaklasik 25 amino
asitten meydana gelir. Bu a -sarmal segmentler
zarin her iki yaninda hidrofilik segmentlerle
birbirlerine baglanirlar.
29

• Membrane protein. Special proteins inserted in
  cellular membranes create pores that permit the
  passage of molecules across them. The bacterial
  protein shown here uses the energy from light
  (photons) to activate the pumping of protons
  across the plasma membrane. (Adapted from H.
  Luecke et al., Science 286255260, 1999.)

30

• Her bir bakteriorodopsin molekülü ayrica retinal
  olarak adlandirilan, isik absorbe edici bir
  kromofor (veya prostetik grup) ihtiva eder. Ayni
  yapidaki bir kromofor omurgalilarin retina çomak
  hücrelerinde de bulunur. Retinal,
  bakteriorodopsinin lizin yan zincirlerine
  kovalent olarak baglanmistir. Bir isik fotonu
  tarafindan uyarildiginda protein kompleksinde
  yapisal bir degisiklige neden olarak bir veya iki
  protonun (H) hücrenin disina transferini
  gerçeklestirir.

Bakteriyal fotosentetik reaksiyon merkezi
bakterinin plazma zarinda yer alir ve isik
enerjisini yakalayarak 1 nanosaniyeden daha kisa
bir sürede zari geçen yüksek enerjili
elektronlarin olusumunu saglar. Bu elektronlarda
daha sonra sitozolde ATP sentezlenmesi için
elektron tasima sistemi tarafindan kullanilir.
31

• Proteinler hücre zarlarinin temel bilesenleri
  olup, hücrenin degisik zarlarinin kütlesinin 25
  - 75'ini olusturur.
• Fosfolipidler zarlarin temel yapisal düzenini
  olustururken, zar proteinleri hücrenin degisik
  zarlarinin özgül islevlerini yerine
  getirmektedir. Bu proteinler, zarla iliskilerine
  göre iki temel sinifta toplanirlar, Integral zar
  proteinleri lipid çift-tabakamn içine dogrudan
  gömülmüslerdir. Periferal zar proteinleri lipid
  çift-tabakamn içine gömülmezler fakat zarla
  indirekt olarak, genelde integral zar proteinleri
  ile etkilesimler yoluyla, iliskilidirler.

32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34

• Lipid çift-tabakalari geçen tek diger protein
  yapisi olarak, ß-tabakalarin fiçiya benzer bir
  yapi olusturduktan ß -fiçi yapisi bilinmektedir
  ki bu yapi, bakteri, kloroplastlar ve
  mitokondrilerin transmembran proteinlerinde
  görülmektedir.

35

• Fosfolipidler gibi, transmembran proteinler,
  hidrofilik kisimlari zarin her iki yüzeyindeki
  sulu ortamlar ile iç içe olan amfipatik
  moleküllerdir. Bazi transmembran proteinler zari
  yalnizca bir kez geçmektedir digerlerinin, zan
  geçen çok sayida bölgeleri vardir. Ökaryot plazma
  zarlarinin transmembran proteinlerinin çogu,
  karbohidratlarin baglanmasiyla modifiye
  olmuslardir bu karbohidratlar, hücrenin disi ile
  iliskilidir ve hücre-hücre etkilesimlerine
  katilabilirler.

36
Zar Proteinlerinin Saf Olarak Elde Edilmesi

• Genel olarak transmembran proteinler, lipid
  tabakayi tahrip ederek hidrofobik iliskileri
  bozan çesitli ajanlar tarafindan
  çözündürülebilir. Bu ajanlar içinde en fazla
  kullanilan deterjanlardir. Bunlar suda misel
  seklinde toplanma egilimi gösteren amfipatik
  moleküllerdir. Zarlarla karistirildiklarinda
  deterjanlarin hidrofobik uçlari zar
  proteinlerinin hidrofobik bölgelerine baglanir,
  böylece lipid moleküllerin yerini degistirirler.
  Deterjan molekülünün diger ucu polar oldugundan,
  protein molekülünün lipid tabakadan ayrilarak bir
  protein-deterjan kompleksi halinde solüsyon
  içerisine geçmesini saglar. Bu komplekse nadiren
  çok kuvvetli baglanmis lipid molekülleri de
  katilabilir. Deterjanlar dializ veya herhangi bir
  kromatografi teknigi kullanilarak
  uzaklastirilmadan önce ortama fosfolipidler
  karistirilir. Böylece sadece o proteini ihtiva
  eden özel bir fosfolipid çift tabaka elde edilir
  ve o proteinin istenen fonksiyonu bu ortamda
  arastirilir. Deterjanlarin polar uçlari, ya
  sodyum dodesil sülfat (sodiurn dodecyl sulfate)
  (SDS) ta oldugu gibi elektiriksel olarak yüklü
  (iyonik) ya da triton'da oldugu gibi yüksüzdür
  (aniyonik).

37
(No Transcript)
38
Zar Proteinlerinin Eritrositlerde Incelenmesi

• Ökaryotik hücrelerde hücre zari ile yapilan
  çalismalarda çogunlukla kirmizi kan hücreleri
  kullanilir, çünkü
• 1. Diger hücrelerle karisma tehlikesi
  olmaksizin bol olarak elde edilebilir.
• 2. Çekirdek veya diger organellere sahip
  olmadigindan diger iç zarlarla karismadan,
  dogrudan saf olarak eritrosit zari elde
  edilebilir.
• 3. Bos kirmizi kan hücre zarlari veya
  kalintilari (ghost) elde etmek çok kolaydir. Kan
  hücresinin sitoplazmasindan daha düsük
  konsantrasyonlarda (hipotonik) solüsyonlar
  kullanildiginda, normal difüzyon kurallarina göre
  dis ortamdaki sivi hücre içine girerek kirmizi
  kan hücrelerinin patlamasina (lysis) neden olur.
• 4. Zar kalintilari ile fazla parçalanmadan,
  sadece tek noktadan yirtikken çalisilabilir
  (böylece, çalismada kullanilacak solüsyonlar
  istege göre zarin her iki yüzüyle temas
  edecektir), veya yirtigin kapanmasi saglanir. Bu
  özellikten faydalanilip, kullanilan degisik
  iyonik konsantrasyonlar sayesinde iç yüzü disa
  gelmis veziküller elde edilebilir.

39
(No Transcript)
40

• Bu tür çalismalarla bazi zar proteinlerinin lipid
  tabakayi boydan boya geçtigi ve lipid çift
  tabakanin lipid kompozisyonunun birbirinden
  farkli oldugu gösterilebilmistir. Insan eritrosit
  zarlarinda, SDS poliakrilamit jel elektroforezi
  ile yapilan çalismalarla, molekül agirligi 15 000
  - 250 000 arasinda degisen 15 büyük protein bandi
  elde edilmistir Bu proteinlerden üçü, spektrin
  (spectrin), giikoforin (glycophorin) ve Band 3
  toplam proteinlerin 60 i kadardir. Bu
  proteinlerin zarda dizilis sekilleri farklidir bu
  yüzden bu 3 proteinin birlesme sekli proteinlerin
  zarla yapmis olduklari 3 farkli birlesme seklinin
  örnegi olarak açiklanir.