glikobiyoloji’yegiri -...
TRANSCRIPT
Glikobiyoloji’ye Giriş
Monosakkaritler ve Temel Yapıları
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü
Monosakkaritler Glikanların Temel Yapısal
Birimleri
Karbonhidratlar polyhydroxyaldehitler, polyhydroxyketonlar ve
bunların basit türevleri, ya da daha büyük bileşenleri olarak
tanımlanır.
Karbonhidratları birimlerine ayırmak için hidrolize edildiğinde,
monosakkaritlere kadar ayrılabilirler.
Daha basit bir forma hidrolize edilemezler.
Bu karbon zincirinin ucunda potansiyel bir karbonil (bir aldehit
grubu) ya da bir iç karbon (bir keton grubu) vardır.
Bu monosakaritlerin iki tipi vardır.
Bunlara aldozlar ve ketozlar olarak adı verilir (Şekil 7.1). Serbest
monosakkaritlerin açık-zincirli ya da halka oluşturan yazılım şekilleri
mevcuttur (Şekil 1.2).
Halka şeklinde monosakkaritlerin ve oligosakkaritlerin
oluşturmasında belli kuralları vardır.
Oligosakkaritler, glikosidik bağlar vasıtasıyla birbirlerine
bağlanmış monosakkaritlerin doğrusal ya da dallanmış zincirlerini
içerir.
"Polisakkarit" terimi ise oligosakkarit tekrarlarından oluşan büyük
glukanlar için kullanılır.
Burada kullanılan "glukan" genel bir terimdir.
Mono-, oligo-, ya da poli- herhangi bir biçimdeki şekerleri ifade
etmek için kullanılır.
Doğada en sık görülen şekerler 5 veya daha fazla karbon
atomu içeren monosakkaritlerdir.
Bunlarda genellikle molekül iskeletini oluşturan C atomlarına
bağlı hidroksil grupları gözlenir (Şekil 7.3).
Kovalent bağlarla bağlı, fonksiyonel gruplar içeren
biyolojik makromoleküllerin doğru çalışmaları, üç boyutlu
(3D) yapılarına, yani uzayda bulunma şekillerine bağlıdır.
Bu uzaysal şekli, konformasyonu, belirlemeye çalışan
Kimya bilim dalına Stereokimya adı verilir.
Stereokimya, bir moleküllün karbon atomlarına bağlı,
farklı şekillerini belirlemek için çalışır. Bu farklı şekillere sahip
karbohidratların, fonksiyonel olan, aynı kimyasal birimlere
sahip moleküllerine stereoizomerler adı verilir (Şekil 1.18).
Yani aynı molekülün, sadece uzayda farklı
konformasyon da, şekilde-duruşta olması ve buna bağlı
olarak görevinin-fonksiyonun değişmesini inceleyen bilim
dalı Stereokimyadır.
Halka şeklindeki bir monosakkarit genellikle kiral (stereokimyada
optik izomeriye sebep olan karbonlara verilen isim) bir anomerik
merkez içerir (Şekil 7.2).
Bu kiral merkez ya birinci karbona (C-1) bağlı aldo şekerler ya
da ikinci karbona (C-2) bağlı keto şekerlerdir.
Bu merkez bir glikozidik bağ yardımı ile başka bir monosakkarit
bağlanır.
Tüm monosakkaritler, di-hidroksiaseton hariç, bir veya daha fazla
asimetrik karbon atomu içerir. Böylece molekülün aktif izomerik
formlarını oluşturur.
Basitçe aldozlar ve aldehitler tek bir kiral merkez içerir (ortadaki C
atomu).
Böylece iki farklı optik izomer veya enantiomer oluşturur (Şekil
1.20).
Eğer molekül aynı birimlere sahipse kiral bir izomeri göstermez.
Bu tip moleküllere akiral moleküller adı verilir (Şekil 1.19).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Özellikle şekerleri ve amino asitleri yazarken
kullanılan D- ve L- ön ekleri, o molekülde yer alan
grupların büyüklüğüne bağlı olarak molekülün,
ışığı sola (Levorotatory=L) kırması veya sağa
(Dextrorotatory=D) kırmasını gösterir.
Molekülün konformasyonun da yer alan
büyük grubun, aktif grubun nerede yer aldığını
anlamak böylece mümkün olur (Şekil 3.3).
Epimer terimi; iki şeker arasında sadece tek
bir C atomunda gözlenen konfügürasyon farkını
anlatmak için kullanılır.
Buna en iyi örnekler, D-glukoz ve D-mannoz
arasındaki C-2 karbonunda yer alan
stereokimyasal farkla anlaşılabilir. Bir diğer örnek
olarak D-glukoz ve D-galaktoz C-4 karbonları
arasında yer alan farkta verilebilir (Şekil 7.4).
Disakkaritlerin Bağlanması ve Okunması
Tipik olarak; iki monosakkarit yapısındaki birimlere göre isim alırlar
ve bir disakkarit oluşturmak için glikosidik bağlar ile bağlanırlar.
Sonuçta oluşan disakkaritte bağlanma şekline göre adlandırılır.
Tipik olarak, bu monosakkaritlerin her birinin anomerik
merkezinde bir hidroksil grubu yer alır.
Buna göre; Anomerik merkeze ilk bağlanan monosakkarit
sağdan bağlanırsa α, soldan bağlanırsa β yapılı monosakkarit
oluşur.
Bunların oluşturacağı disakkaritin okunuşu ise, disakkaritin hangi
karbon yada/karbonlardan bağlandığına bağlıdır. İlk bağlanan
monosakkaritten başlayarak sonraki monosakkarite doğru okunur
(Şekil 7.11).
Bu grup genellikle α veya β bağları yardımıyla oksijen atomunu,
anomerik karbona ve halkaya bağlar (Şekil 7.12).Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Disakkaritlerin Bağlanması ve Okunması (devam)
Bu iki bağlantı türü çok farklı yapısal özellikleri ve biyolojik
fonksiyonları gerçekleştirmek için kullanılırlar.
Dolayısıyla bağlanma şekli, şekerin bileşimini ve işlevini değiştirir.
Bunun en klasik örneği olarak, belirgin farklılıklar içeren nişasta ve
selüloz polisakkaritleridir. Her iki polisakkariti oluşturan şeker birimlerine
bakıldığında aynı glikoz homopolimerlerini içerir.
Bu iki polisakkarit arasında yer alan tek fark birinde homopolimer
glikoz alt birimlerinin α 1-4, diğerinde β 1-4 bağları ile bağlanmış olması,
bu bağları içermesidir (Şekil 7.21, 7.16).
Doğada yer alan farklı polisakkaritler için yine benzer şekilde farklı
bağlar içerebildiklerine rastlanmıştır.
Buna örnek olarak; amilaz-kitin, dekstran-amilaz sayılabilir (Şekil 7.15,
7.18, 7.19).
Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER
Glikokonjugatlar
Glikokonjugat bir bileşik şeker yapısıdır.
Bu yapıda bir ya da daha fazla monosakkarit veya
oligosakarit birimleri (glycone-glikon) kovalent bir bağ ile
karbonhidrat yapısında olmayan (noncarbohydrate,
aglikon) bir birime (Lipit veya protein vbg) bağlı olarak
bulunur.
Bu durumda glikokonjugat, bir oligosakkarit ve terminalin
de yer alan aldehit veya ketonu indirgeyici güce sahip bir
aglikon takılı değilse indirgenme yeteneğini kaybeder.
Bu yapı, nükleotit zincirlerinde görülen 5 've 3' uçlarına ya
da polipeptidlerin amino ve karboksil terminaline uçlarına
benzer bir yapıdır.
Glukanlar; glikokonjugatlardan oluşan
büyük bir topluluktur.
Doğal olarak meydana gelen glikokonjugatların
yapıları, glikanları oluşturan moleküllerin yapısına bağlı
olarak büyük ölçüde değişebilir.
Genel boyutuna bakıldığında çok küçük miktarda
olmakla beraber, baskın bileşen olarak hemen hemen
tüm glikanların yapısına katılırlar.
Birçok durumda, glikokonjugat kütlesinin önemli bir
bölümünü oluşturur (Şekil 1.3).
Bu nedenle, bütün doğal hücre türlerinin yüzeyleri
(ağır olan glikokonjugatlar da farklı olmak koşuluyla) etkili ve
yoğun olarak bir dizi şeker ile kaplıdır.
Bu tabakaya Glikokaliks adı verilir.
Glikokaliks denilen bu hücre-yüzey yapısı, ilk kez
elektron mikroskobu çalışan araştırıcılar tarafından
yıllar önce görülmüştür.
Bu hücre zarı dış yüzeyinde yer alan tabakanın
anyonik bir tabaka olduğu, katyonik özelliğe sahip
ferritin gibi polikatyonik reaktifler yardımıyla
anlaşılmıştır (Şekil 1.4).
Monosakkaritler, Amino asitlerden veya Nükleotidlerden
çok daha fazla bağ yapabilirler.
Nükleotidler ve proteinlerin monomerlerinin her biri arasındaki
bağlantıyı sağlayan bir tür temel bağ içeren doğrusal polimerlerdir.
Bunun aksine, her bir monosakarit teorik olarak bir α veya bir β bağı
yapabilir ve bunlardan herhangi birine göre bir bağ oluşturabilir.
Böylece oluşan her bir zincir ya da molekülün başka bir tür
monosakkarite dönüşebileceği (Ör: Nişasta ve Selüloz α ve β 1-4 glikoz
homopolimerleri arasındaki bağ ile şekillenir) bilinmektedir.
Örneğin, 3 farklı nükleotid veya amino asit sadece 6 trimer
oluşturabilir.
Buna karşın, 3 farklı heksoz, 1.056 taneden 27,648 adede kadar
benzersiz trisakkarit üretebilir.
Hangi formların kararlı olacağına bağlı olarak, bu
alternatiflerin tamamına doğada rastlanmaz.
Glikanın karmaşıklığına yani monosakkarit birimlerinin
sayısına bağlı olarak bu fark daha da büyük bir hale
gelebilir.
Örneğin, hekzosakkaritler(=hexasaccharide); altı farklı
heksoz (6C’lu şeker) içerirse 1 trilyondan fazla olası
kombinasyona sahip olabilirler.
Bu nedenle, mümkün olan sakkarit birimlerinin teorik
kombinasyonları neredeyse düşünülemez bir sayıda
biyolojik sistemlerde mevcut olabilir.
Bugüne kadar biyolojik sistemlerde doğal olarak
meydana gelen şeker makromoleküllerinin sayısı, olası
monosakkarit birimlerinin meydane getirebileceği
hesaplanmış olasılıklara göre, nispeten daha azdır.
Yani, var olan canlılarda, bilinen monosakkarit
birimlerinin çeşitleri, sayıları ve kombinasyonlarının sınırlı
sayıda olduğu gözlenmiştir.
Bununla beraber doğada glukanların büyük
çoğunluğunun henüz keşfedilmediği ve yapısal olarak
tanımlanmadığı unutulmamalıdır.
Glikokonjugatların Ortak ve Sık Rastlanan
Monosakkarit Birimleri
Birkaç yüz farklı monosakarit’in doğada meydana geldiği
bilinmekle beraber, sadece çok az sayıda glikan yaygın olarak
hayvanlarda gözlenmiştir. Bunları listelersek;
Pentozlara: Beş-karbonlu, nötr şekerlerdir. Ör: D-ksiloz (Xyl)
Heksozlar: Altı karbonlu, nötr şekerlerdir. Ör: D-glukoz (Glc),
D-galaktoz (Gal), ve D-mannoz (Man).
Heksozaminler (Hexosamins): Heksozların 2. konumunda
yer alan C-’a bağlı bir amino grubu içerirler. Daha serbest,
bağ yapar formda ya da daha yaygın-sık görülürler. Genellikle
N-asetillenmiş örnekleri vardır. Ör:N-asetil-D-glukozamin
(GlcNAc) ve N-asetil-D-galaktozamin (GalNAc).
Deoksiheksozlar (Deoxyhexoses): 6-pozisyonunda
hidroksil grubu eksik olan 6 karbonlu nötral yapıda
şekerlerdir. Ör: L-fukoz [Fuc].
Üronik asit: 6. pozisyonunda yer alan C atomundaki
karboksilat yapısı nedeniyle negatif yüklü heksozlardır.
Ör: D-glukuronik asit (GlcA) ve L-iduronik asit (IdoA).
Sialik asitler: Dokuz karbonlu asidik şeker ailesinde
yer alır (genel kısaltmaları Sia’dır). Bunların en sık
görüleni ve en çok bilinen üyesi N-asetilneuraminik asit
(=N-acetylneuraminic acid= Neu5Ac)’tir. Bazen
NeuAc veya daha eski adı ile NANA olarak adlandırılır.
Şekerler tam olarak kimyasal yapıları ile yazıldığında
büyük moleküller olması nedeniyle, anlaşılmasında ve
okunmasında güçlükler ile karşılaşılmıştır.
Bu nedenle dünya çapında, konuyu çalışan
araştırıcılar tarafından, yazımlarının basitleştirilmesi ve
tek bir ortak simgesel dile dönüştürülmesine karar
verilmiştir.
İlk olarak, yazımlarının basitleştirilmesi için, şeker
sembollerinin kimyasal açık adında yer alan D-ve L-
sembolleri, monosakkaritlerin kısaltmalarından
çıkarılmıştır.
Zaman zaman sadece L sembolü uygun
olduğunda kullanılabilir (Ör: L-fukoz ya da L-iduronik
asit vbg).
Bu sınırlı sayıda monosakkaritlerde ve Glikobiyoloji
konularında ağırlıklı olarak çalışılan hayvan hücre ve
dokularında (çok hücreli gelişmiş canlılarda) son
zamanlarda geliştirilmiş ve neredeyse tamamen
uygulanmaya başlanmıştır.
Ancak birkaç diğer canlı türünde yada daha az
gelişmiş olarak kabul edilen, özellikle tek hücreli ve
nispeten daha basit canlılarda, yani bakterilerde (Ör:
keto-deoksioktulosonik asit, ramnoz, L-arabinoz ve
muramik asit vbg) ve bitkilerde (Ör: arabinoz, apiose
ve galakturonik asit) geliştirilmeye ve uygulanmaya
çalışılmaktadır.
Canlılarda görülen ve çeşitli modifikasyonlar geçiren
glikanların, doğada çeşitliliği, sıklığı ve önemli biyolojik
fonksiyonları farklı şekillerde karşımıza çıkabilir.
Buna göre glikanları oluşturan monosakkaritlerde yer
alan farklı hidroksil grupları yardımıyla canlıda görülen;
fosforilasyon, sülfasyon, metilasyon, O-asetilasyon, ya da
yağ asillenmesi gibi olaylarda arabulucu olarak yer
alabilirler.
Yine bu monosakkaritlerde yer alan amino grupları (her ne
kadar genel olarak N-asetillenmiş olsa da) N-kararsız ya da
sülfatlanmış olarak kalabilirler.
Benzer şekilde karboksil gruplarına yakın hidroksil
gruplarında veya amino gruplarının yakınında laktonizasyon
da gözlenebilir.
Monosakkaritlerin yapısal bağlantıları ve oligosakkaritlerin yapısal tasviri
ile ilgili olarak, bu şeker zincirlerinin tasvirinde de benzer yazılım
basitleştirilmesine karar verilmiştir ve bu basitleştirilmiş tarz kullanılmaktadır
(Şekil 1.5).
Burada şekerler için kullanılan sayılar ve semboller Glikomiks
Konsorsiyumu tarafından oluşturulmuş ve dünya çapında kabul edilmiştir.
Recommended symbols and conventions for drawing glycan structures. (Top panel) The monosaccharide
symbol set from the first edition of Essentials of Glycobiology is modified to avoid using the same shape or color, but
with different orientation to represent different sugars. Each monosaccharide class (e.g., hexose) now has the
same shape, and isomers are differentiated by color/black /white/shading. The same shading/color is used for
different monosaccharides of the same stereochemical designation, e.g., Gal, GalNAc, and GalA. To minimize
variations, sialic acids and uronic acids are in the same shape, and only the major uronic and sialic acid types are
represented. When the type of sialic acid is uncertain, the abbreviation Sia can be used instead. Only common
monosaccharides in vertebrate systems are assigned specific symbols. All other monosaccharides are represented
by an open hexagon or defined in the figure legend. If there is more than one type of undesignated
monosaccharide in a figure, a letter designation can be included to differentiate between them. Unless otherwise
indicated, all of these vertebrate monosaccharides are assumed to be in the D configuration (except for fucose
and iduronic acid, which are in the L configuration), all glycosidically linked monosaccharides are assumed to be
in the pyranose form, and all glycosidic linkages are assumed to originate from the 1-position (except for the sialic
acids, which are linked from the 2-position). Anomeric notation and destination linkages can be indicated without
spacing/dashes. Although color is useful, these representations will survive black-and-white printing or
photocopying with the colors represented in different shades (the color values in the figure are the RGB triplet color
settings)*. Modifications of monosaccharides are indicated by lowercase letters, with numbers indicating linkage
positions, if known (e.g., 9Ac for the 9-O-acetyl group, 3S for the 3-O-sulfate group, 6P for a 6-Ophosphate group,
8Me for the 8-O-methyl group, 9Acy for the 9-O-acyl group, and 9Lt for the 9-O-lactyl group). Esters and ethers are
shown attached to the symbol with a number. For N-substituted groups, it is assumed that only one amino group is
on the monosaccharide with an already known position (e.g., NS for an N-sulfate group on glucosamine, assumed
to be at the 2-position). (Middle panel) Typical branched “biantennary” N-glycan with two types of outer termini,
depicted at different levels of structural details. (Bottom panel) Some typical glycosaminoglycan (GAG) chains.
*Note: To reproduce precise colors in RGB format, use the following triplet values: Galactose stereochemistry:
Yellow (255,255,0); Glucose stereochemistry: BLUE (0,0,250); Mannose stereochemistry: GREEN (0,200,50); Fucose:
RED (250,0,0); Xylose: ORANGE (250,100,0); Neu5Ac: PURPLE (125,0,125); Neu5Gc: LIGHT BLUE (200,250,250); KDN:
GREEN (0,200,50); GlcA: BLUE (0,0,250); IdoA: TAN (150,100,50); GalA: Yellow (255,255,0); ManA: GREEN (0,200,50).
Kullanılan Kaynak
A. Varki et al. Essential of Glycobiology Cold
Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor,
New York (1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009)
Lehninger Principles of Biochemistry, D.L. Nelson
and M.M. Cox, Part 1, p: 1-272 University of
Wisconsin–Madison, 4th Ed. 2004.