Amino Asitlerin Yapısı ve Özellikleri

Amino asitlerin genel yapısı ve alfa karbon

Bir alfa amino asidin temel iskeleti, merkezde bulunan alfa karbon atomuna dört farklı grubun bağlanmasıyla açıklanır: amino grubu, karboksil grubu, bir hidrojen atomu ve R grubu. Basit gösterim H2N–CH(R)–COOH şeklindedir. Alfa karbon, amino asidin ortak iskeletini oluşturan merkez atomdur; R grubunun değiştiği nokta da burasıdır. Bu nedenle amino asitlerin çoğu aynı temel düzeni paylaşırken birbirlerinden yan zincirleriyle ayrılır.

Amino grubu bazik davranabilir ve proton aldığında –NH3+ biçimine dönüşebilir. Karboksil grubu ise asidik davranabilir; protonunu kaybettiğinde –COO− biçimini alır. Alfa karbona bağlı hidrojen, yapının dört bağından birini tamamlar; R grubu ise amino aside özgü kimyasal özellikleri taşır. Örneğin glisinde R grubu yalnızca hidrojen atomudur. Bu küçük yan zincir, glisini yapısal olarak en basit amino asit hâline getirir ve alfa karbonun iki aynı grupla bağlanmasına neden olur.

Amino asidin suda nasıl çözüneceği, hangi iyonik biçimde bulunacağı ve protein içinde hangi etkileşimlere katılacağı yalnızca ortak iskeletle değil, özellikle R grubuyla ilişkilidir. İki amino asit aynı amino ve karboksil gruplarına sahip olsa bile R grupları farklıysa fiziksel ve kimyasal davranışları da farklılaşabilir. Amino asitlerin birbirine bağlanmasıyla peptit bağı oluşur; bu bağ, bir amino asidin karboksil grubu ile diğerinin amino grubu arasındaki tepkimeyle tanımlanır.

R grubuna göre amino asitlerin sınıflandırılması

R grubu, amino asitlerin sınıflandırılmasında kullanılan temel ölçüttür. Yan zincirin suyla etkileşimi, elektriksel yükü, hidrojen bağı kurma eğilimi ve kimyasal tepkimelere katılabilmesi amino asidin özelliklerini belirler. Bu nedenle amino asitler genel olarak apolar, polar yüksüz, asidik ve bazik yan zincirli gruplar altında incelenir. Bu sınıflandırma kesin bir davranış etiketi değil, amino asitlerin biyolojik ortamdaki eğilimlerini anlamaya yarayan bir çerçevedir.

Apolar ve hidrofobik R grupları suyla zayıf etkileşir. Bu tür yan zincirler proteinlerin suyla temasının daha az olduğu iç bölgelerinde toplanma eğilimi gösterebilir. Alanin, valin, lösin ve izolösin bu gruba örnek verilebilir; bunların yan zincirlerinde hidrokarbon karakteri baskındır. Aromatik halkası bulunan fenilalanin de büyük ölçüde hidrofobik özellik gösterir. Metiyoninin kükürt içermesine rağmen yan zinciri genel olarak apolar kabul edilir.

Polar fakat yüksüz R grupları suyla hidrojen bağları kurabilir, ancak fizyolojik koşullarda yan zincirleri net bir elektriksel yük taşımayabilir. Serin ve treonin hidroksil grupları, asparajin ve glutamin ise amid grupları sayesinde polar davranır. Tirozinin aromatik halkasına bağlı hidroksil grubu da polar etkileşimlere katkı sağlar.

Asidik yan zincirler proton kaybettiğinde negatif yük taşıyabilir. Aspartat ve glutamat bu gruba örnektir. Bazik yan zincirler ise proton alarak pozitif yük kazanabilir; lizin ve arjinin bu özellikleriyle bilinir, histidinin protonlanma durumu ise bulunduğu ortama daha duyarlıdır. Yan zincirin yüklenebilmesi, amino asidin proteinlerin yüzeyinde, iyonik etkileşimlerde veya aktif bölgelerde görev yapmasını etkileyebilir.

Örneğin hidrofobik bir R grubu su ortamından uzaklaşarak protein yapısının iç kısmında bulunmaya daha yatkınken, yüklü veya polar bir R grubu suyla ve diğer yüklü gruplarla etkileşebilir. Bu mekanizma, amino asitlerin yalnızca adlarının değil, yan zincirlerinin kimyasal özelliklerinin de proteinlerin davranışında belirleyici olduğunu gösterir.

Proteinlerde kullanılan temel amino asitler

Proteinlerin yapısında kullanılan standart amino asitler 20 temel amino asitten oluşan bir gruptur. Her amino asidin üç harfli ve tek harfli bir gösterimi vardır: alanin (Ala, A), arjinin (Arg, R), asparajin (Asn, N), aspartat/aspartik asit (Asp, D), sistein (Cys, C), glutamat/glutamik asit (Glu, E), glutamin (Gln, Q), glisin (Gly, G), histidin (His, H), izolösin (Ile, I), lösin (Leu, L), lizin (Lys, K), metiyonin (Met, M), fenilalanin (Phe, F), prolin (Pro, P), serin (Ser, S), treonin (Thr, T), triptofan (Trp, W), tirozin (Tyr, Y) ve valin (Val, V). Tek harfli gösterimler özellikle amino asit dizilerinin kısa biçimde yazılmasını sağlar.

Bu amino asitler yan zincirlerine göre birbirinden ayrılır. Örneğin glisin en küçük yan zincire sahipken, prolinin yan zinciri amino grubuyla halka oluşturan özel bir yapıya sahiptir. Sistein kükürt içeren yan zinciriyle, serin ve treonin hidroksil gruplarıyla, aspartat ve glutamat asidik özellikleriyle, lizin ve arjinin ise bazik özellikleriyle ayırt edilir. Standart amino asitlerin diziliş sırası, oluşan proteinin kimyasal özelliklerini etkiler.

Esansiyel amino asitler vücudun yeterli miktarda üretemediği ve beslenmeyle alınması gereken amino asitlerdir; esansiyel olmayanlar ise vücutta sentezlenebilir. Bu ayrım, amino asidin kimyasal sınıfından farklıdır: Bir amino asit hem polar ya da apolar olabilir hem de esansiyel veya esansiyel olmayan grupta yer alabilir. Proteinlerin daha üst düzey yapısal düzenlenmesi ayrı bir konudur; amino asitlerin analiz ve ayrılma yöntemleri de burada ayrıntılandırılmaz.

Amino asitlerin asit-baz davranışı ve zwitteriyon yapısı

Amino asitler, aynı molekülde hem proton verebilen karboksil grubunu hem de proton alabilen amino grubunu taşıdıkları için amfoterik davranış gösterebilir. Asidik ortamda amino grubu proton alarak –NH3+ hâline gelir. Karboksil grubu da protonlu –COOH biçiminde bulunabilir. Böylece molekülün toplam yükü pozitif olabilir.

Ortamın pH değeri yükseldiğinde karboksil grubu protonunu bırakır ve –COO− biçimine dönüşür. Daha uygun koşullarda amino grubu da proton kaybederek –NH2 hâline gelebilir. Bu değişimler, amino asidin tek bir sabit yükte bulunmadığını; çözeltinin pH değerine bağlı olarak farklı iyonlaşma biçimleri arasında dağıldığını gösterir.

Zwitteriyon, aynı molekül üzerinde hem pozitif hem de negatif yük taşıyan, ancak toplam yükü sıfır olan iyonik biçimdir. Sulu ortamda birçok amino asit için yaygın gösterim +H3N–CH(R)–COO− şeklindedir. Burada amino grubu pozitif, karboksil grubu negatif yük taşır. Net yükün sıfır olması, molekülün üzerinde hiç yük bulunmadığı anlamına gelmez; zıt işaretli yüklerin aynı molekülde bulunması anlamına gelir.

Örneğin glisin düşük pH değerlerinde –NH3+ ve –COOH gruplarını taşıyarak net pozitif olabilir. Orta bir pH aralığında +H3N–CH2–COO− zwitteriyon biçimi baskın hâle gelebilir. Daha yüksek pH değerlerinde amino grubu da protonunu kaybettiğinde net yük negatif olur. Bu proton alışverişleri dinamik dengelerle gerçekleşir; çözeltide tek bir biçim yerine farklı iyonlaşma durumlarının karışımı bulunabilir.

pH, pKa ve izoelektrik nokta ilişkisi

pH, bir çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin logaritmik ölçüsüdür ve ortamın ne kadar asidik veya bazik olduğunu belirtir. Amino asitlerde pH değişimi, amino ve karboksil gruplarının protonlanma durumunu değiştirir. Düşük pH protonların ortamda daha fazla bulunduğu asidik koşulları, yüksek pH ise daha bazik koşulları ifade eder.

pKa, belirli bir iyonlaşabilir grubun protonunu bırakma eğilimini tanımlayan değerdir. Bir grubun bulunduğu ortamın pH değeri pKa değerine yaklaştığında protonlu ve protonsuz biçimler arasında önemli bir geçiş görülür. Genel olarak pH, pKa’dan düşükse grup protonlu biçimde; pH, pKa’dan yüksekse protonunu kaybetmiş biçimde bulunma eğilimi gösterir. Bir amino asitte karboksil grubu, amino grubu ve iyonlaşabilen bir R grubu varsa her biri farklı bir pKa ile değerlendirilebilir.

İzoelektrik nokta, amino asidin ortalama net yükünün sıfır olduğu pH değeridir ve pI ile gösterilir. Bu noktada molekül çoğunlukla zwitteriyon biçiminde bulunabilir; ancak pozitif ve negatif yüklerin varlığı devam eder. pH pI değerinin altına düştüğünde amino asit daha protonlu ve genellikle daha pozitif, pH pI değerinin üstüne çıktığında ise daha proton kaybetmiş ve genellikle daha negatif olur.

Örneğin bir amino asidin çözeltisi pI değerinin altında tutulursa amino grubunun protonlu kalma olasılığı artar ve molekülün net pozitif yükü belirginleşir. Aynı amino asidin çözeltisi pI değerinin üzerine çıkarılırsa karboksil grubunun ve varsa iyonlaşabilir yan zincirlerin negatif biçimleri daha fazla görülür. Bu nedenle aynı amino asit, farklı pH ortamlarında elektrik alanındaki hareketi, çözünürlüğü ve diğer moleküllerle etkileşimi bakımından farklı davranabilir.

Amino asitlerin stereokimyası

Alfa karbonun dört farklı gruba bağlandığı amino asitlerde kiralite ortaya çıkar. Kiral moleküller, birbirinin ayna görüntüsü olan ancak uzayda üst üste çakışmayan iki stereokimyasal biçime sahip olabilir. Amino asitlerde bu biçimler genellikle L ve D gösterimleriyle ifade edilir. Proteinlerin yapımında kullanılan amino asitler çoğunlukla L biçimindedir; bu tercih, protein sentez mekanizmalarının belirli bir uzaysal düzeni tanımasıyla ilişkilidir.

Glisin bu genel kuralın istisnasıdır. R grubu hidrojen olduğu için alfa karbona iki hidrojen bağlıdır ve dört farklı grup oluşmaz; bu nedenle glisin kiral değildir. Bir amino asidin L veya D olması, yalnızca formülündeki atomların sayısını değil, atomların üç boyutlu dizilişini ifade eder. Aynı kimyasal grupları taşıyan iki stereoisomer, biyolojik moleküllerle etkileşimlerinde farklı davranabilir.

Amino asitlerin temel biyolojik rolleri

Amino asitlerin en temel biyolojik rolü proteinlerin yapıtaşı olmalarıdır. Protein sentezinde amino asitler belirli bir sırayla birbirine bağlanır; bu sıradaki değişiklik, ortaya çıkan polipeptidin kimyasal özelliklerini etkileyebilir. R gruplarının hidrofobik, polar veya yüklü olması; proteinlerin suyla, iyonlarla ve diğer moleküllerle etkileşimlerini belirleyen temel etkenlerden biridir.

Amino asitler yalnızca protein üretiminde kullanılan pasif parçalar değildir. Bazıları başka biyolojik moleküllerin öncülü olarak görev alabilir, bazıları ise hücre içindeki kimyasal tepkimelerde azot veya karbon iskeleti sağlayabilir. İyonlaşabilir yan zincirler, proteinlerin aktif bölgelerinde proton alışverişine ve yük temelli etkileşimlere katılabilir. Bu nedenle amino asidin biyolojik rolü, ortak iskeleti kadar R grubunun kimyasal özellikleriyle de ilişkilidir.

Besinlerle alınan proteinler sindirim sırasında daha küçük parçalara ve amino asitlere ayrılır; bu amino asitler vücudun yeni proteinler oluşturmasında kullanılabilir. Proteinlerin yapısal düzeyleri, amino asit dizisinin daha büyük bir yapıya nasıl dönüştüğünü açıklayan ayrı bir başlıktır. Amino asitlerin hücredeki dönüşüm yolları ise amino asit metabolizması kapsamında incelenir.