Katalog

Doğada Nanomakinelere Genel Bir Bakış ve Matematiksel Benzeşim Yaklaşımları (2) Günümüzde herhangi bir doğal moleküler makinenin, bilgisayar üzerinde bellek ve zaman sınırlamaları dolayısıyla benzeşimi yapılamamaktadır. Doğanın tasarımı olan moleküller, kimyacıların yaptıkları sentetik moleküllerden çok daha karmaşık makinelerdir. Yrd. Doç. Dr. R.Murat Demirer (İstanbul Kültür Üniversitesi) bir süreçtir. Çoklu peptidleiyolojik moleküler makinelere (moleküler motorrin katlanarak, doğal olmalar) örnek verirsek, kas kasılmalarından sorumlu olan yan basit formlarından, kenmotor proteinlerini (myosin), hücre çekirdeğinden, di özgün yapısına gelme sühücre içine mikrotüpler yardımıyla kargo taşıyan proteinleri reci olarak tanımlanır ve hâ(kinesin), ATP'de bulunan hidrojen bağlarını kırarak kimlâ çözülemeyen bir problemyasal enerjiyi mekanik enerjiye çeviren proteinlerini sadir. yabiliriz. Mikrotübüller sanki demiryolu rayı gibi proteiBu süreç çok kısadır, 10ni üzerinde taşırlar ama bir fark vardır bu raylar dinamik 3 saniyeden 1 saniyeye kadar olarak değişirler. değişmektedir. Her proteinin Yani şöyle diyelim, bazı koşullarda bu proteinler altek bir özgün konumu vardır, tındaki tren rayı (mikrotüpler) ile etkileşime girerek bu durumda kendi biyolojik onun uzunluğunu ve şeklini değiştirirler. Halbuki gerçekte çevresi içinde protein aktifbizim bildiğimiz hiçbir tren bulunduğu rayı değiştiremez. tir ve kararlıdır. Bu katlaMikrotübüller tüm hücreyi boylu boyuna geçen demiryolu manın nasıl yapıldığı hâlâ rayları gibidir. Bu raylar XY düzlemi boyunca yönlendiaçık bir problemdir. rilmişlerdir. Zekseni boyunca birkaç katman oluştururlar. Bir protein kendini kâğıt Kargo yükü bu rayların oluşturduğu taşıma ağı üzerinden gibi katlar. Bu süreci, serbest taşınır. Kargo yüklerine örnek verirsek ‘vesicles’, proteinler, enerjisini en az kullanacak organeller, mRNA'lar gibi yükleri sayabiliriz. şekilde, çevresine ve atom diBu raylar hücre zarından çekirdeğe, ya da tersi, veya zilimine göre gerçekleştirir. hücre zarından gelip ara istasyon üzerinden çekirdeğe daBugün protein veri bankaha sonra da hücrenin ribozomlar gibi farklı bölümlerine Şekil 2. Sol sütun motor pro sında ortalama 40,000 proteinin sağ sütun yolunu gösgidebilirler. Son zamanlarda anlaşıldı ki adenovirüsler, termektedir. teinin sırrı çözülmüştür ve üç Herpes Simplex virüsü, and HIV virüsü bu taşıma ağında boyutlu yapıları saklanmakara istasyonu çekirdek olarak kullanan yoldan yararlanı tadır (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do ). Buna yor ve çekirdeğe geldiklerinde kendi gen yapısını çekirdek karşın 2,000,000 dan fazla protein diziliminin varlığından gözeneklerinden içeriye bırakıyorlar[4]. Bu yolların bo bahsedilmektedir. Bu büyük rakamın nedeni, protein yazulması hastalıkların nedenlerinden biri olmaktadır. pılarının gerektirdiği deneysel çalışmaların pahalılığından Bazı motor proteinlerinin üzerlerinde gittikleri yani kul kaynaklanmaktadır. Bu deneylerde Xışını kristalografisi landıkları demiryolu hatlarının isimleri aşağıdaki şekilde veya nükleer magnetik rezonans yöntemleri kullanılmakgösterilmektedir. tadır. Bu da her yıl ancak ortalam 5000 proteinin varlığıBugün hücre zarı kütlesinin %2075 proteinlerden meynı ortaya çıkarmaktadır. dana gelmiştir. Genetik bilgisinin %30’u hücre zarı proHelicase proteinler fermuteinlerini kodlamak içindir. Şu anda tedavide kullanılan ar açıcı gibi, polymerazlar fotoilaçların %60’ı bu proteinleri etkopi makinesi gibi, ribozomlar kilemek içindir. ise binanın kirişleri gibi çalışır. Moleküler makineler moBir biolojik moleküler makitorlar, enzimler veya ion pomnaya örnek olarak aşağıdaki paları olarak çalışırlar ve biyoE.Coli bakterisine ait “helicase” lojik hücrelerin fonksiyonu içinŞekil 3 Helicase proteini proteinini gösterebiliriz [5]. Bu de yer alırlar. Proteinlere de mobir motor proteinidir, DNA leküler motorlar diyebiliriz. sarmalını fermuar gibi açar ve Şekil 1. Hücre içinde mikrotübüllerin oluştur Protein bir polipeptid yapısıdır açılan saplanlardan birini kendi üzerinde gittiği yol olarak duğu yolların 3 boyutlu yani amino asit zinciridir. Ama kullanır. Bu proteinler nükleik asidlerdir yani çekirdekte gösterimi. Oklar bu tüp mümkün olabilen tüm dizilim bulunan moleküler motorlardır. lerin eksi (negatif) tarafı sıralamalarından ancak çok azı Bazen molekülleri bulundukları ortama göre de sınıfnı göstermektedirler [4]. geçerli bir protein yapısı oluşlandıranlar vardır. Polimerazlar, “helicase” ler ve ribozomlar, turmaktadır. Bu da özgün ko DNA’ nın sarmalını açarak bunlardan birini, kendi üzenumundaki yapısıdır. Bu durumda proteinin 3 boyutlu rinde hareket edeceği iz (biyokimyasal hat) olarak kullauyumlu yapısı kararlıdır ve oda sıcaklığında bulunduğu bio nan nükleik asid tabanlı motorlardır. Buna karşın pompalar, lojik çevrede aktif olarak işlevini yerine getirir. Moleküler yerinden çıkaran protein yapıları, ATP sentezi ve sperm motor hareketlerine örnek olarak protein katlaması, fiziksel gibi kuyruk tipi yapılar hücre zarıyla ilgili proteinlerdir. Miyosin gibi proteinler kürek çekmeye benzer bir hareket yaparlar. Her myosin kendi biyokimysal çevriminin sadece çok küçük bir kısmında üzerinde hareket edeceği “actin” e değerek çok küçük bir kuvvet uygular. Fakat bu proteinler çok sayıda bulunduklarından, kolektif olarak ritmik (bu periyodikli Şekil 4 Kürek sporu (http://en.wikipeği ilerde gösterece dia.org/wiki/File:GBPairatHenley ğiz) davrandıkları za 2004.JPG) man (Şekil 1), kürek sporunda Şekil 4 te olduğu gibi yüksek hızda hareket etmesine benzer harekete neden olurlar ve böylelikle kaslar kasılır. Her biyokimyasal çevrimde küreğin su içinde kalış süresi kısadır. Kinezin ve “dynesin” proteinleri ise başında yük taşıyan tekerleği olmayan taşıyıcı insanlar gibi hareket ederler. Bu bahsettiğimiz tüm biyomoleküler makineler, uzunluk, zaman, kuvvet ve enerji birimleri olarak sırasıyla nanometre (1010 metre), milisaniye, picoNewton ve (kB Boltzmann katsayısı, T sıcaklık (Kelvin)) cinsindendirler. Büyük ölçekli motorlarla moleküler motorlar arasındaki farklar aşağıdaki tabloda özetlenebilir [ 4] Özellikleri Malzeme Motorun izlediği yol/hat Yakıt Yön Hız Kuvvet Enerji Büyük ölçekli motorlar Çoğunlukla sert malzeme Yol veya demiryolu Petrol veya dizel Çift yönlü 1 km/min 1000 Newton 1100 Joule Moleküler motorlar Çoğunlukla yumuşak malzeme Proteinler veya nükleik asitler Çoğunlukla ATP sentezi Tek yönlü 15 mikron (106 metre)/saniye pN (1012 N) 1100 1021 Joule B CBT 1164 / 12 10 Temmuz 2009 KAYNAKÇALAR 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Brownianratchet 2. D Keller and C Bustamante, Biophys. J., Vol.78, p.541, 2000. 3. C Bustamante,DKeller andGOster, Acc. Chem. Res., Vol.34, p.412, 2001 4. Debashish Chowdhury,Natural NanoMachines, Discussion on Methods, Materials and Mechanisms, Resonance Feb 2007 5. http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do 6. M Aridor and L A Hannan, Traffic, Vol.1, p.836, 2000; Vol.3, p.781, 2002. 7. N Hirokawa and R Takemura, Trends Biochem. Sci., Vol.28, p.558,2003. 8. R N Cohen,MJ Rashkin, XWen and F C Szoka Jr., DrugDiscovery Today: Technologies, Vol.2, p.111, 2005. 9. M. Dittrich, J. Yu, and K. Schulten, Top. Curr. Chem. 268, 319 2007. 10. D. McDonald, M. A. Vodicka, G. Lucero, T. M. Svitkina, G. G. Borisy, M. Emerman, and T. J. Hope, J. Cell Biol. 159, 441 2002 11. Aviv Kahana, Gilad Kenan, Mario Feingold, Michael Elbaum,Rony Granek, Active transport on disordered microtubule networks: The generalized random velocity model, Physical Review E 78, 051912 2008 12. Andrew Cressman,Yuichi Togashi, Alexander S. Mikhailov, and Raymond Kapral Mesoscale modeling of molecular machines: Cyclic dynamics and hydrodynamical fluctuations, Physical Review E 77, 050901 2008 Not. Bu yazımı Sepsisden kaybettiğim babam Tarık Demirer’e ithaf ediyorum. Bu yazıda bana yardım eden eşim Dr.Oya Demirer’e çok teşekkür ederim.