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)