Hazır sizler, Özge Yoluk ile “Moleküler Dinamikleri Simülasyon” yöntemini öğrenmeye başlamışken, ben de, Moleküler Dinamikleri yöntemi ile çalışan bir hesaplamalı biyofizikçi olarak, iyon kanalları (sodyum, potasyum, kalsiyum gibi iyonların hücre zarından geçişini sağlayan proteinler) hakkında yazmak istiyorum. Daha doğrusu i̇yon kanalları aracılığıyla iyon taşınımını* (veya iyon permeasyonunu) hesaplamalı olarak nasıl çalıştığımızdan bahsetmek istiyorum. Ama konuyu oraya getirmeden önce de sizlere bahsetmem gereken bir sürü şey var! Eğer siz de, benim gibi, biyolojiyi, fiziği ve kimyayı ilginç buluyor ve üçü arasında seçim yapmakta zorlanıyorsanız, bahsedeceğim şeyler size oldukça ilginç gelecek 🙂 İyon kanalları bir yazı dizisi olacak ve ilk bölümünde iyonlardan bahsedeceğim.

İyonlar

Vücudumuzda, sodyum (Na+), potasyum (K+), kalsiyum (Ca2+) ve magnezyum (Mg2+) gibi metal iyonlar bulunur ve önemli kimyasal süreçlerde görev alırlar. Görevlerini de biyomoleküllerle etkileşerek yerine getirirler. Biyomoleküller dediğimde aslında proteinlerden bahsediyorum: enzimler, kanallar, mesajcı proteinler, antikorlar (bağışıklık proteinleri) gibi… İyonlar, proteinlerle etkileşerek onları yapı değişikliklerine uğratırlar. Bu değişiklikler genelde i̇ki şekilde olur:

  • Proteinlerin yapılarında aktif merkezler oluşturarak;
  • Proteinlerin yapılarında kalıcı şekil değişikliklerine (conformational change) sebep olarak.

Proteinler, hücrelerimizin küçük kimyagerleri gibi düşünün, görevleri çok ama çok önemli olan kimyagerler. Ne mi bu önemli görevler? Kısaca:

  • Enerji üretimi;
  • Doku ve kas oluşturmaları;
  • Hücreler, dokular ve organlar arası iletişim;
  • Hormon ve enzim üretimi;
  • Taşıma ve depolama;

gibi görevleri örnek verebilirim. Bu görevler, proteinlerin şekline, yani üç boyutlu yapılarına, oldukça bağlı. Dolayısıyla, daha önce bahsettiğim “metal i̇yonlar proteinlerle etkileşerek proteinin yapılarında değişikliklere sebep olur” cümlesine bir kez daha vurgu yapmak istiyorum. Mesela, i̇yon A, protein B ile etkileşerek onun şeklini değiştirip (aktif merkez oluşturup), protein B’nin belli bir görevi gerçekleştirmesine imkan sağlayabilir. Bu görev, protein B ile protein C’nin etkileşmesini gerektiriyorsa, örneğin, protein B’de oluşan aktif merkez sayesinde protein B, protein C ile etkileşebilir. Bu tip etkileşimler farklı proteinler arasında olmak zorunda da değil. Gelin, bunu bilinen örneklerden biri olan hemoglobin üzerinden konuşalım:

 

 

 

 

 

 

 

 

Hemoglobinin dört alt birimden oluşan yapısı (Solda “hem” yapısı turuncu renkte gösteriliyorken, “hem” yapısı gizli, sağda ise dört alt birimi gösteriliyor.)

Hemoglobin, kırmızı kan hücrelerimizde bulunan ve birden fazla alt birimi (multi-domain) olan bir protein. Yani, resimde gördüğünüz pembe, sarı, mavi ve yeşil renklerinde gösterilen dört alt birim bir araya gelerek hemoglobin’in üç boyutlu yapısını oluşturuyor. Hemoglobinin görevi ise çok temel: oksijeni akciğerlerimizden alıp vücudumuzun diğer yerlerine taşımak! Bu görevde etkili olan i̇ki önemli faktör var: yapısındaki hem (ing. heme) kısmında bulunan demir iyonları ve hemoglobinin dört alt birimi (resimde görülen dört farklı renk) arasındaki etkileşimler. Bu etkileşimler, oksijenin hemoglobine tutunması ve gerekilen yere salınması (serbest bırakılması) gibi olayları düzenlemekte rol oynuyor. Demir iyonları ise hemoglobinin yapısında oksijenin bağlandığı yer! Oksijen, hemoglobinin her alt biriminde bulunan ve “hem (ing. heme)” denilen kısmındaki demir iyonuna (Fe2+) bağlanıyor. Oksijen taşınımı, demir iyonunun rol aldığı görevlerden sadece biri. Biyolojik olarak önem taşıyan diğer iyonlar ve rol aldıkları biyokimyasal görevler hakkında daha detaylı bilgi edinmek isterseniz, aşağıdaki tabloya göz atın:

 

İYON ROL ALDIĞI BİYOKİMYASAL SÜREÇLER
Na+ ve K+ Ozmotik basıncın düzenlenmesi, membran potansiyelinin sabitlenmesi, hücre uyarımı (signalling), enzim aktivitesi.
Mg2+ 300’den fazla biyokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi, enerji üretimi ve enzim aktivitesi.
Ca2+ Hücre uyarımı, kas kasılmaları, enzim aktivitesi.
Cu2+ ve Fe2+ Oksijen taşınımı, elektron taşınımı, enzim aktivitesi.
Co2+ B12 vitamininin sentezi, kırmızı kan hücresi üretimi ve sinir sisteminin çalışması.
Zn2+ Protein yapılarının sabitlenmesi, beyaz kan hücresi üretimi, hücre bölünmesi, protein sentezi.

Kaynak: https://www.chemie.uni-hamburg.de/ac/rehder/Lund_BioinorgChem_08.pdf

 İyonların yukarıda bahsettiğim önemli görevleri gerçekleştirebilmeleri için, rol alacakları görev yerinde (hücre içi ya da hücre dışı) bulunması gerek. Onları hücre içi veya dışına geçiren proteinler, iyon kanalları ve i̇yon taşıyıcıları olmak üzere i̇ki gruba ayrılıyor. Bir sonraki yazımın konusu olacak olan bu proteinlerden bahsetmemizden önce, iyonlarla ilgili konuşmamız gereken bir şey daha var: suyla nasıl etkileştikleri!

İyon kelimesinin anlamını bir kimyacıya veya fizikçiye sorarsanız, size “net yükü olan atom veya molekül” cevabını verecektir. Yani sahip olduğu protonlarla elektronların sayısı eşit olmayan atomlar ve moleküller. Eğer daha çok elektrona sahipse negatif yüklü i̇yon (veya anyon), eğer daha çok protona sahipse de pozitif yüklü iyon (veya katyon) dediğimiz yapılar. Eğer, soruyu sorduğunuz bilim insani biyofizik veya biyokimya alanında çalışıyorsa, ilk aklına gelen şey tuz olabilir mesela! Kimyada, tuz dediğimiz iyonik bileşikler, bir asit ile bazın nötrleşme reaksiyonu sonucunda oluşan bileşiklerdir. Sodyum klorürü ele alalım mesela: sofra tuzu olarak bildiğimiz sodyum klorür NaCI kimyasal formülü ile ifade edilir. Su ile karıştırdığınızda, suda pozitif yüklü Na+ ve negatif yüklü Cl iyonlarına ayrılacak şekilde çözünür.

Konuyu iyonlardan yavaşça çözünmeye, daha doğrusu suya getirmemin sebebi ise şu: İyonlar vücudumuzda ya serbest halde ya da proteinlere bağlanmış halde bulunurlar.  İyonlar hücrelerimizin içinde veya hücreler arasında, serbest halde nasıl hareket ediyorlar? Belki biyoloji derslerinizden hatırlıyorsunuzdur, hücrelerimizin içini hücre içi sıvı (ing. cytosol) dediğimiz, suda çözünmüş maddelerden oluşan akışkan bir sıvı kaplıyor. Bu sıvının çok büyük bir kısmı su olsa da, içinde potasyum, magnezyum, fosfat gibi i̇yonlar ve proteinler de var. Benzer şekilde, hücrelerin arasını kaplayan sıvıya ise hücre dışı sıvı (ing. extracellular fluid) adını veriyoruz. Hücre dışı sıvısının iyon kompozisyonu hücre içi sıvısından daha farklı. Örneğin hücre içi sıvısında, hücre dışı sıvısına oranla daha az sodyum iyonu varken potasyum i̇yon miktarı işe daha fazla. Bu tip iyon konsantrasyonu farklılıkları sinir ve kas hücrelerinin uyarımı, ozmotik basınç düzenlenmesi, hücrelerin uyarılması gibi görevlerin gerçekleştirilebilmesi için çok önemli.**

Peki, iyon, serbest haldeyken nasıl hareket ediyor? Etraflarında bir küre oluşturarak! Kimyada, bir merkez atom veya iyon etrafında bulunan molekül katmanına koordinasyon kompleksi denir. Bir iyonun su molekülleri ile koordine edilmeden hareket etmesi (mesela hücre zarını geçmesi) çok büyük enerji gerektirir. Enerji ihtiyacı olmadan hareket edebilmek için su moleküllerinden oluşan kendi koordinasyon kürelerini oluştururlar. Su molekülleri yapılarından dolayı polar moleküller. Yani, bir su molekülünün net yükü sıfır ama hidrojen atomlarının olduğu tarafları kısmen pozitif yüklü ve, benzer şekilde, oksijen atomunun olduğu kısım ise kısmen negatif yüklü. Dolayısıyla da yüklü atom veya moleküllerle kolay etkileşebilir.

 

 

 

 

 

 

 

Su molekülü (H2O). Kısmen pozitif yüklü kısımlar (hidrojenler) mavi bir artı işaretiyle ve kısmen negatif yüklü kısımsa pembe bir eksi işaretiyle gösteriliyor.

İyon serbest halde su içinde hareket ederken, polar olan su molekülleriyle etkileşir, bu etkileşim sonucu, su molekülleri iyonun etrafına belirli açılarda yaklaşarak onu çevreler. Bir proteine bağlanacakları zaman, veya bir proteinle etkileşecekleri zaman) ise etraflarındaki su moleküllerinden bir veya birkaçı yerine proteinin atomları ile etkileşir. İyonların etrafında bulunan ve iyonla güçlü şekilde etkileşen moleküllerin sayısına koordinasyon sayısı denir, Genelde bu sayı 2 ile 9 arasında değişebilir ve metal iyonlar*** (Ca2+, Mg2+, Na+, K+ gibi) birden fazla koordinasyon sayısına da sahip olabilir. Suda serbest halde, etraflarında oluşturdukları su küresindeki su moleküllerinin sayısına ise hidrasyon sayısı denilir. İyonların rol oynadığı kimyasal süreçleri çalışırken çok dikkat ettiğimiz değişkenlerden biri iyonun hidrasyon sayısıdır. Hesaplamalı biyofizikçiler, örneğin, hidrasyon sayısına bakarak, bir iyonun membran ve protein gibi biyomoleküllerle etkileşirken girdiği ortamda ne kadar mutlu olduğunu, ne kadar rahat hareket edebileceğini anlarlar. Bir iyonun etrafındaki moleküllerle nasıl etkileştiğini anlamamız çok önemli. Çünkü iyonlar, proteinlerin görevlerini gerçekleştirebilmeleri için olmazsa olmaz yüklü atomlar! İşte bu yüzden de, iyon kanalı olarak görev yapan proteinlerin hangi iyonu ne şekilde seçtiği hala önemini koruyan bir araştırma alanı. Gelecek yazımda, sizlere iyon kanallarından bahsedeceğim. O zamana kadar bilimle kalın!

Yazan: Tuğba Nur Öztürk

Düzenleyen: Kübra Gülmez Karaca

 

Notlar

*İyon permeasyonu derken aslında kolaylaştırılmış iyon taşınımından bahsediyorum. İyonların hücre zarında yer alan iyon kanalı olarak görev alan proteinlerin oluşturduğu kanallardan geçmesine (başka bir deyişle, hücre zarı içerisindeki kanal boyunca difüzyona uğramasına) iyon taşınımı veya iyon permeasyonu diyoruz.

**Eğer hücre içi ve dışı sıvılarında iyon konsantrasyonlarının farklı olması hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz ve kaynağın ingilizce olması sizin için sorun değilse Rakamlarla Hücre Biyolojisi (Cell Biology By The Numbers) adlı kitabı öneririm! İçinde çok pratik bilgiler var. Mesela: http://book.bionumbers.org/what-are-the-concentrations-of-different-ions-in-cells/

***Metal iyon, sodyum, potasyum gibi metallerin bir veya birden fazla elektron kaybederek oluşturdukları iyonlar.