Glikobiyoloji’ye Giriş

Monosakkaritler ve Temel Yapıları

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

Monosakkaritler Glikanların Temel Yapısal

Birimleri

Karbonhidratlar polyhydroxyaldehitler, polyhydroxyketonlar ve

bunların basit türevleri, ya da daha büyük bileşenleri olarak

tanımlanır.

Karbonhidratları birimlerine ayırmak için hidrolize edildiğinde,

monosakkaritlere kadar ayrılabilirler.

Daha basit bir forma hidrolize edilemezler.

Bu karbon zincirinin ucunda potansiyel bir karbonil (bir aldehit

grubu) ya da bir iç karbon (bir keton grubu) vardır.

Bu monosakaritlerin iki tipi vardır.

Bunlara aldozlar ve ketozlar olarak adı verilir (Şekil 7.1). Serbest

monosakkaritlerin açık-zincirli ya da halka oluşturan yazılım şekilleri

mevcuttur (Şekil 1.2).

Halka şeklinde monosakkaritlerin ve oligosakkaritlerin

oluşturmasında belli kuralları vardır.

Oligosakkaritler, glikosidik bağlar vasıtasıyla birbirlerine

bağlanmış monosakkaritlerin doğrusal ya da dallanmış zincirlerini

içerir.

"Polisakkarit" terimi ise oligosakkarit tekrarlarından oluşan büyük

glukanlar için kullanılır.

Burada kullanılan "glukan" genel bir terimdir.

Mono-, oligo-, ya da poli- herhangi bir biçimdeki şekerleri ifade

etmek için kullanılır.

Doğada en sık görülen şekerler 5 veya daha fazla karbon

atomu içeren monosakkaritlerdir.

Bunlarda genellikle molekül iskeletini oluşturan C atomlarına

bağlı hidroksil grupları gözlenir (Şekil 7.3).

Kovalent bağlarla bağlı, fonksiyonel gruplar içeren

biyolojik makromoleküllerin doğru çalışmaları, üç boyutlu

(3D) yapılarına, yani uzayda bulunma şekillerine bağlıdır.

Bu uzaysal şekli, konformasyonu, belirlemeye çalışan

Kimya bilim dalına Stereokimya adı verilir.

Stereokimya, bir moleküllün karbon atomlarına bağlı,

farklı şekillerini belirlemek için çalışır. Bu farklı şekillere sahip

karbohidratların, fonksiyonel olan, aynı kimyasal birimlere

sahip moleküllerine stereoizomerler adı verilir (Şekil 1.18).

Yani aynı molekülün, sadece uzayda farklı

konformasyon da, şekilde-duruşta olması ve buna bağlı

olarak görevinin-fonksiyonun değişmesini inceleyen bilim

dalı Stereokimyadır.

Halka şeklindeki bir monosakkarit genellikle kiral (stereokimyada

optik izomeriye sebep olan karbonlara verilen isim) bir anomerik

merkez içerir (Şekil 7.2).

Bu kiral merkez ya birinci karbona (C-1) bağlı aldo şekerler ya

da ikinci karbona (C-2) bağlı keto şekerlerdir.

Bu merkez bir glikozidik bağ yardımı ile başka bir monosakkarit

bağlanır.

Tüm monosakkaritler, di-hidroksiaseton hariç, bir veya daha fazla

asimetrik karbon atomu içerir. Böylece molekülün aktif izomerik

formlarını oluşturur.

Basitçe aldozlar ve aldehitler tek bir kiral merkez içerir (ortadaki C

atomu).

Böylece iki farklı optik izomer veya enantiomer oluşturur (Şekil

1.20).

Eğer molekül aynı birimlere sahipse kiral bir izomeri göstermez.

Bu tip moleküllere akiral moleküller adı verilir (Şekil 1.19).

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Özellikle şekerleri ve amino asitleri yazarken

kullanılan D- ve L- ön ekleri, o molekülde yer alan

grupların büyüklüğüne bağlı olarak molekülün,

ışığı sola (Levorotatory=L) kırması veya sağa

(Dextrorotatory=D) kırmasını gösterir.

Molekülün konformasyonun da yer alan

büyük grubun, aktif grubun nerede yer aldığını

anlamak böylece mümkün olur (Şekil 3.3).

Epimer terimi; iki şeker arasında sadece tek

bir C atomunda gözlenen konfügürasyon farkını

anlatmak için kullanılır.

Buna en iyi örnekler, D-glukoz ve D-mannoz

arasındaki C-2 karbonunda yer alan

stereokimyasal farkla anlaşılabilir. Bir diğer örnek

olarak D-glukoz ve D-galaktoz C-4 karbonları

arasında yer alan farkta verilebilir (Şekil 7.4).

Disakkaritlerin Bağlanması ve Okunması

Tipik olarak; iki monosakkarit yapısındaki birimlere göre isim alırlar

ve bir disakkarit oluşturmak için glikosidik bağlar ile bağlanırlar.

Sonuçta oluşan disakkaritte bağlanma şekline göre adlandırılır.

Tipik olarak, bu monosakkaritlerin her birinin anomerik

merkezinde bir hidroksil grubu yer alır.

Buna göre; Anomerik merkeze ilk bağlanan monosakkarit

sağdan bağlanırsa α, soldan bağlanırsa β yapılı monosakkarit

oluşur.

Bunların oluşturacağı disakkaritin okunuşu ise, disakkaritin hangi

karbon yada/karbonlardan bağlandığına bağlıdır. İlk bağlanan

monosakkaritten başlayarak sonraki monosakkarite doğru okunur

(Şekil 7.11).

Bu grup genellikle α veya β bağları yardımıyla oksijen atomunu,

anomerik karbona ve halkaya bağlar (Şekil 7.12).Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Disakkaritlerin Bağlanması ve Okunması (devam)

Bu iki bağlantı türü çok farklı yapısal özellikleri ve biyolojik

fonksiyonları gerçekleştirmek için kullanılırlar.

Dolayısıyla bağlanma şekli, şekerin bileşimini ve işlevini değiştirir.

Bunun en klasik örneği olarak, belirgin farklılıklar içeren nişasta ve

selüloz polisakkaritleridir. Her iki polisakkariti oluşturan şeker birimlerine

bakıldığında aynı glikoz homopolimerlerini içerir.

Bu iki polisakkarit arasında yer alan tek fark birinde homopolimer

glikoz alt birimlerinin α 1-4, diğerinde β 1-4 bağları ile bağlanmış olması,

bu bağları içermesidir (Şekil 7.21, 7.16).

Doğada yer alan farklı polisakkaritler için yine benzer şekilde farklı

bağlar içerebildiklerine rastlanmıştır.

Buna örnek olarak; amilaz-kitin, dekstran-amilaz sayılabilir (Şekil 7.15,

7.18, 7.19).

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Glikokonjugatlar

Glikokonjugat bir bileşik şeker yapısıdır.

Bu yapıda bir ya da daha fazla monosakkarit veya

oligosakarit birimleri (glycone-glikon) kovalent bir bağ ile

karbonhidrat yapısında olmayan (noncarbohydrate,

aglikon) bir birime (Lipit veya protein vbg) bağlı olarak

bulunur.

Bu durumda glikokonjugat, bir oligosakkarit ve terminalin

de yer alan aldehit veya ketonu indirgeyici güce sahip bir

aglikon takılı değilse indirgenme yeteneğini kaybeder.

Bu yapı, nükleotit zincirlerinde görülen 5 've 3' uçlarına ya

da polipeptidlerin amino ve karboksil terminaline uçlarına

benzer bir yapıdır.

Glukanlar; glikokonjugatlardan oluşan

büyük bir topluluktur.

Doğal olarak meydana gelen glikokonjugatların

yapıları, glikanları oluşturan moleküllerin yapısına bağlı

olarak büyük ölçüde değişebilir.

Genel boyutuna bakıldığında çok küçük miktarda

olmakla beraber, baskın bileşen olarak hemen hemen

tüm glikanların yapısına katılırlar.

Birçok durumda, glikokonjugat kütlesinin önemli bir

bölümünü oluşturur (Şekil 1.3).

Bu nedenle, bütün doğal hücre türlerinin yüzeyleri

(ağır olan glikokonjugatlar da farklı olmak koşuluyla) etkili ve

yoğun olarak bir dizi şeker ile kaplıdır.

Bu tabakaya Glikokaliks adı verilir.

Glikokaliks denilen bu hücre-yüzey yapısı, ilk kez

elektron mikroskobu çalışan araştırıcılar tarafından

yıllar önce görülmüştür.

Bu hücre zarı dış yüzeyinde yer alan tabakanın

anyonik bir tabaka olduğu, katyonik özelliğe sahip

ferritin gibi polikatyonik reaktifler yardımıyla

anlaşılmıştır (Şekil 1.4).

Monosakkaritler, Amino asitlerden veya Nükleotidlerden

çok daha fazla bağ yapabilirler.

Nükleotidler ve proteinlerin monomerlerinin her biri arasındaki

bağlantıyı sağlayan bir tür temel bağ içeren doğrusal polimerlerdir.

Bunun aksine, her bir monosakarit teorik olarak bir α veya bir β bağı

yapabilir ve bunlardan herhangi birine göre bir bağ oluşturabilir.

Böylece oluşan her bir zincir ya da molekülün başka bir tür

monosakkarite dönüşebileceği (Ör: Nişasta ve Selüloz α ve β 1-4 glikoz

homopolimerleri arasındaki bağ ile şekillenir) bilinmektedir.

Örneğin, 3 farklı nükleotid veya amino asit sadece 6 trimer

oluşturabilir.

Buna karşın, 3 farklı heksoz, 1.056 taneden 27,648 adede kadar

benzersiz trisakkarit üretebilir.

Hangi formların kararlı olacağına bağlı olarak, bu

alternatiflerin tamamına doğada rastlanmaz.

Glikanın karmaşıklığına yani monosakkarit birimlerinin

sayısına bağlı olarak bu fark daha da büyük bir hale

gelebilir.

Örneğin, hekzosakkaritler(=hexasaccharide); altı farklı

heksoz (6C’lu şeker) içerirse 1 trilyondan fazla olası

kombinasyona sahip olabilirler.

Bu nedenle, mümkün olan sakkarit birimlerinin teorik

kombinasyonları neredeyse düşünülemez bir sayıda

biyolojik sistemlerde mevcut olabilir.

Bugüne kadar biyolojik sistemlerde doğal olarak

meydana gelen şeker makromoleküllerinin sayısı, olası

monosakkarit birimlerinin meydane getirebileceği

hesaplanmış olasılıklara göre, nispeten daha azdır.

Yani, var olan canlılarda, bilinen monosakkarit

birimlerinin çeşitleri, sayıları ve kombinasyonlarının sınırlı

sayıda olduğu gözlenmiştir.

Bununla beraber doğada glukanların büyük

çoğunluğunun henüz keşfedilmediği ve yapısal olarak

tanımlanmadığı unutulmamalıdır.

Glikokonjugatların Ortak ve Sık Rastlanan

Monosakkarit Birimleri

Birkaç yüz farklı monosakarit’in doğada meydana geldiği

bilinmekle beraber, sadece çok az sayıda glikan yaygın olarak

hayvanlarda gözlenmiştir. Bunları listelersek;

Pentozlara: Beş-karbonlu, nötr şekerlerdir. Ör: D-ksiloz (Xyl)

Heksozlar: Altı karbonlu, nötr şekerlerdir. Ör: D-glukoz (Glc),

D-galaktoz (Gal), ve D-mannoz (Man).

Heksozaminler (Hexosamins): Heksozların 2. konumunda

yer alan C-’a bağlı bir amino grubu içerirler. Daha serbest,

bağ yapar formda ya da daha yaygın-sık görülürler. Genellikle

N-asetillenmiş örnekleri vardır. Ör:N-asetil-D-glukozamin

(GlcNAc) ve N-asetil-D-galaktozamin (GalNAc).

Deoksiheksozlar (Deoxyhexoses): 6-pozisyonunda

hidroksil grubu eksik olan 6 karbonlu nötral yapıda

şekerlerdir. Ör: L-fukoz [Fuc].

Üronik asit: 6. pozisyonunda yer alan C atomundaki

karboksilat yapısı nedeniyle negatif yüklü heksozlardır.

Ör: D-glukuronik asit (GlcA) ve L-iduronik asit (IdoA).

Sialik asitler: Dokuz karbonlu asidik şeker ailesinde

yer alır (genel kısaltmaları Sia’dır). Bunların en sık

görüleni ve en çok bilinen üyesi N-asetilneuraminik asit

(=N-acetylneuraminic acid= Neu5Ac)’tir. Bazen

NeuAc veya daha eski adı ile NANA olarak adlandırılır.

Şekerler tam olarak kimyasal yapıları ile yazıldığında

büyük moleküller olması nedeniyle, anlaşılmasında ve

okunmasında güçlükler ile karşılaşılmıştır.

Bu nedenle dünya çapında, konuyu çalışan

araştırıcılar tarafından, yazımlarının basitleştirilmesi ve

tek bir ortak simgesel dile dönüştürülmesine karar

verilmiştir.

İlk olarak, yazımlarının basitleştirilmesi için, şeker

sembollerinin kimyasal açık adında yer alan D-ve L-

sembolleri, monosakkaritlerin kısaltmalarından

çıkarılmıştır.

Zaman zaman sadece L sembolü uygun

olduğunda kullanılabilir (Ör: L-fukoz ya da L-iduronik

asit vbg).

Bu sınırlı sayıda monosakkaritlerde ve Glikobiyoloji

konularında ağırlıklı olarak çalışılan hayvan hücre ve

dokularında (çok hücreli gelişmiş canlılarda) son

zamanlarda geliştirilmiş ve neredeyse tamamen

uygulanmaya başlanmıştır.

Ancak birkaç diğer canlı türünde yada daha az

gelişmiş olarak kabul edilen, özellikle tek hücreli ve

nispeten daha basit canlılarda, yani bakterilerde (Ör:

keto-deoksioktulosonik asit, ramnoz, L-arabinoz ve

muramik asit vbg) ve bitkilerde (Ör: arabinoz, apiose

ve galakturonik asit) geliştirilmeye ve uygulanmaya

çalışılmaktadır.

Canlılarda görülen ve çeşitli modifikasyonlar geçiren

glikanların, doğada çeşitliliği, sıklığı ve önemli biyolojik

fonksiyonları farklı şekillerde karşımıza çıkabilir.

Buna göre glikanları oluşturan monosakkaritlerde yer

alan farklı hidroksil grupları yardımıyla canlıda görülen;

fosforilasyon, sülfasyon, metilasyon, O-asetilasyon, ya da

yağ asillenmesi gibi olaylarda arabulucu olarak yer

alabilirler.

Yine bu monosakkaritlerde yer alan amino grupları (her ne

kadar genel olarak N-asetillenmiş olsa da) N-kararsız ya da

sülfatlanmış olarak kalabilirler.

Benzer şekilde karboksil gruplarına yakın hidroksil

gruplarında veya amino gruplarının yakınında laktonizasyon

da gözlenebilir.

Monosakkaritlerin yapısal bağlantıları ve oligosakkaritlerin yapısal tasviri

ile ilgili olarak, bu şeker zincirlerinin tasvirinde de benzer yazılım

basitleştirilmesine karar verilmiştir ve bu basitleştirilmiş tarz kullanılmaktadır

(Şekil 1.5).

Burada şekerler için kullanılan sayılar ve semboller Glikomiks

Konsorsiyumu tarafından oluşturulmuş ve dünya çapında kabul edilmiştir.

Recommended symbols and conventions for drawing glycan structures. (Top panel) The monosaccharide

symbol set from the first edition of Essentials of Glycobiology is modified to avoid using the same shape or color, but

with different orientation to represent different sugars. Each monosaccharide class (e.g., hexose) now has the

same shape, and isomers are differentiated by color/black /white/shading. The same shading/color is used for

different monosaccharides of the same stereochemical designation, e.g., Gal, GalNAc, and GalA. To minimize

variations, sialic acids and uronic acids are in the same shape, and only the major uronic and sialic acid types are

represented. When the type of sialic acid is uncertain, the abbreviation Sia can be used instead. Only common

monosaccharides in vertebrate systems are assigned specific symbols. All other monosaccharides are represented

by an open hexagon or defined in the figure legend. If there is more than one type of undesignated

monosaccharide in a figure, a letter designation can be included to differentiate between them. Unless otherwise

indicated, all of these vertebrate monosaccharides are assumed to be in the D configuration (except for fucose

and iduronic acid, which are in the L configuration), all glycosidically linked monosaccharides are assumed to be

in the pyranose form, and all glycosidic linkages are assumed to originate from the 1-position (except for the sialic

acids, which are linked from the 2-position). Anomeric notation and destination linkages can be indicated without

spacing/dashes. Although color is useful, these representations will survive black-and-white printing or

photocopying with the colors represented in different shades (the color values in the figure are the RGB triplet color

settings)*. Modifications of monosaccharides are indicated by lowercase letters, with numbers indicating linkage

positions, if known (e.g., 9Ac for the 9-O-acetyl group, 3S for the 3-O-sulfate group, 6P for a 6-Ophosphate group,

8Me for the 8-O-methyl group, 9Acy for the 9-O-acyl group, and 9Lt for the 9-O-lactyl group). Esters and ethers are

shown attached to the symbol with a number. For N-substituted groups, it is assumed that only one amino group is

on the monosaccharide with an already known position (e.g., NS for an N-sulfate group on glucosamine, assumed

to be at the 2-position). (Middle panel) Typical branched “biantennary” N-glycan with two types of outer termini,

depicted at different levels of structural details. (Bottom panel) Some typical glycosaminoglycan (GAG) chains.

*Note: To reproduce precise colors in RGB format, use the following triplet values: Galactose stereochemistry:

Yellow (255,255,0); Glucose stereochemistry: BLUE (0,0,250); Mannose stereochemistry: GREEN (0,200,50); Fucose:

RED (250,0,0); Xylose: ORANGE (250,100,0); Neu5Ac: PURPLE (125,0,125); Neu5Gc: LIGHT BLUE (200,250,250); KDN:

GREEN (0,200,50); GlcA: BLUE (0,0,250); IdoA: TAN (150,100,50); GalA: Yellow (255,255,0); ManA: GREEN (0,200,50).

Kullanılan Kaynak

A. Varki et al. Essential of Glycobiology Cold

Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor,

New York (1st.Ed.1999, 2nd Ed. 2009)

Lehninger Principles of Biochemistry, D.L. Nelson

and M.M. Cox, Part 1, p: 1-272 University of

Wisconsin–Madison, 4th Ed. 2004.