Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Yapısal biyoloji, biyolojinin özellikle amino asitlerden yapılmış olan proteinler, nükleotitlerden yapılmış RNA ve DNA gibi nükleik asitler ve lipitlerden oluşmuş olmak üzere biyolojik makromoleküllerin yapılarını ve uzamsal dizilişlerini inceleyen bir dalıdır. Yapısal biyoloji asıl olarak biyofizik yöntemleri ile makromoleküllerin atom düzeyinde üç boyutlu yapılarının belirlenmesi, yapısal değişikliklerinin temel prensipleri, moleküler hareketlerin analizi ve bu yapıların dinamiği ile ilgilenir. Makromoleküller hücrelerin hemen hemen tüm işlevlerini yerine getirir ve bunu da yapabilmek için belirli üç boyutlu şekillere girerler. Moleküllerin "(üçüncül yapı)"sı olarak adlandırılan bu yapılar her molekülün temel bileşimi ya da "(birincil yapı)"ları ile karmaşık bir şekilde bağlantılıdır.
Biyomoleküller en gelişmiş ışık mikroskopları ile bile detaylı olarak görülemeyecek kadar küçüktür. Yapısal biyologların biyomoleküllerin yapısını belirlemek için kullandığı yöntemler genellikle çok sayıda özdeş molekülün aynı anda ölçülmesini içerir. Bu yöntemler arasında kütle spektrometrisi, (makromoleküler kristalografi), nötron kırınımı, , (biyomoleküler nükleer manyetik rezonans spektroskopisi) (NMR), (EPR), kriyo-elektron mikroskobu, elektron kristalografisi ve , , , , ve sayılabilir. Çoğunlukla araştırmacılar bu yöntemleri makromoleküllerin ""larını incelemek için kullanırlar. Ama aynı zamanda bu yöntemlerin bazı varyasyonları açığa çıkmış ya da denatüre moleküllerin doğarl durumlarına gelmesini izlemek için de kullanılır.
Yapısal biyologların moleküler yapıları anlamak için kullandıkları bir başka yöntem de belirli şekillerin ortaya çıkmasına neden olan çeşitli dizilimlerin arasında modelleri aramak için kullanılan biyoenformatiktir. Araştırmacılar sıklıkla hidrofobisite analizi ile tahmin edilen temel alınarak integral membran proteinlerinin yapısal özelliklerini çıkarabilirler.
Son yıllarda biyolojik yapıların araştırmalarını tamamlayacak oldukça hassas fiziksel de mümkün olabilmiştir ve bu modellere örnekler Protein Veri Bankası'nda bulunabilir.
Proteinlerin yapılarını, şekil değiştirmelerini ve işlevlerini araştırmak için ampirik yapı belirleme yöntemlerinin yanı sıra moleküler dinamik simülasyonları gibi işlemsel teknikler de kullanılabilmektedir.
Yapısal biyoloji araştırmalarının sonuçlarından sıklıkla ilaç geliştirme projelerinde yararlanılır. Bir ilacın hedefi üzerindeki etkisinin moleküler ve yapısal olarak anlaşılması ve bunun görselleştirilmesi aktif moleküllerin tasarımını ve iyileştirilmesini mümkün kılar. Bunu sağlamak için hem yapısal analizi inceleyen deneysel yöntemler hem de bilişimsel yaklaşımlar kullanılarak moleküler yapılarından yola çıkarak aday ilaçlar belirlenir.
Yapısal biyoloji teknikleri
Optik mikroskop tekniği biyolojik moleküllerin atomik yapısını görmek için yeterli sahip değildir. Yapısal biyolojide kullanılan yöntemler daha sıklıkla dolaylı fiziksel yöntemlerdir. Tarihsel olarak en eski ve günümüzde de en çok kullanılan yöntem X ışını kristalografisidir. Bu yöntemi tamamlamak için hem atomik ölçekte çözünürlüğe ulaşmak hem de çözelti içindeki moleküllerin dinamiğini anlamak için nükleer manyetik rezonans spektroskopisi(NMR) kullanılır. ve nötron kırınımı gibi kullanılan diğer yöntemler yüksek çözünürlüklü değildir ancak çözelti içindeki molekülleri incelemek için diğer yöntemlerin gerektirdiği kırınım yapabilen monokristallerin oluşturmasını gerektirmediği ve NMRîn ihtiyaç duyduğu küçük örneklemelere ihtiyaç duymadığı için kullanışlıdır.
Yeni sensörler ve veri işlemedeki gelişmeler sayesinde kriyo-elektron mikroskobu rutin olarak elde edilen çözünürlüğü oldukça önemli oranda geliştirmiştir. Kristalografi ve NMR'in sınırlamalarına sahip olmayan kriyo-elektron mikroskobu büyük boyutlu makromoleküllerin incelenmesinde ana yöntem olarak yapısal biyolojide diğer iki yöntemin yerine geçmektedir.
Makromoleküler kristalografi
Kristalografik yapının çözünürlüğü X ışınlarının makromolekül kristallkeri üzerindeki kırınımlarının incelenmesne dayanır. Elektronlera çarpan X ışınları kırınıma uğrar ve molekülün yani molekülün çevresinde dönen elektronlerın yerini bulmak için analiz edilebilir. Bu yoğunluk yeteri kadar belirgin ise molekülün her bir atomunun yerini tespit etmeye yani kartezyen koordinatlarını belirlemeye yarar.
Bu analiz yönteminin ön koşul moleküllerin kristallerinin elde edilmesidir. Uygun fiziksel ve kimyasal koşullar altında çözelti içindeki makromoleküller kristaller oluşturabilir. Bir molekülden diğerine değişkenlik gösteren bu uygun fiziksel ve kimyasal koşulların saptanması çoğunlukla ampiriktir. Ayrıca molekülün saflık derecesi de belirleyici faktörlerden biridir. Dolayısıyla ön koşul olan kristalleşme etabı bu tür analiz için genellikle sınırlayıcı olmaktadır.
Onlarca ya da yüzlerce mikron büyüklüğünde yeterli kristal boyutuna erişildiğinde monokromatik X ışını hüzmesi altına getirilir. Uygun koşullar altında kristal yapı içinde dizilmiş elektronlara çarpan X ışınları krınıma uğrar. Bir sensör yardımıyla, kristalin farklı oryantasyonları için kırınım desenleri kaydedilir. Desen üzerindeki lekelerin arasındaki boşluk kristal yapı hakkında bilgi verir. Lekelerin şiddeti de kristal yapı içindeki her bir makromolekülün elektron yoğunluğu hakkında bilginin bir kısmını sağlar. Her bir leke ile bağlantılı sinyal fazı ise kaybolduğundan yeniden oluşturulmalıdır. Bu fazları oluşturmak için farklı yöntemler kullanılır:
- Çoklu izomorf replasmanı kristal içine elektron zengini olan ağır atomları yaymak ve kristalin kırınımını ağır atomlar ile ve ağır atomlar olmadan kıyaslamaktır. Ağır elementlerin varlığı kırınım şiddetini hafifçe değiştirdiği için veri üçlemesi yoluyla fazları hesaplamak mümkün olabilmektedir;
- molekülün içinde yer alan atomlardan bir türünün soğurma eşiği çevresinde X ışınlarının boyunu değiştirme yöntemidir. Özellikle kullanılan dalga boylarına (0,1 nm) yakın bir soğurma eşiğine sahip olan selenyum sıklıkla kullanılır. Proteinler için genellikle biyosentetik yoluyla sokulan selenosistein ya da gibi amino asitler kullanılır;
- Moleküler replasman ise bilindiği takdirde eşlenik bir protein yapısının kullanılması yöntemidir. Eşlenik yapı kristalin içine sokulmaya çalışıldıktan sonra teorik kırınımı hesaplanır ve gözlemlenen kırınım ile kıyaslanır. Bu şekilde teorik öncül fazlar hesaplanabilir.;
Bir kere fazlar hesaplandıktan sonra kırınım sinyallerinin Fourier dönüşümü ile elektron yoğunluğu elde edilir. Böylece molekülün her bir atomunun kartezyen koordinatlarını elde etmeye olanak sağlayan otomatik sistemler ya da interaktif grafik yazılımları kullanılarak elektron yoğunluğu yoluyla molekül yeniden oluşturulmaya çalışılır. Model oluşturulduktan sonra kırınım şiddetleri teorik olarak bu modele göre hesaplanır ve deneysel olarak elde edilen şiddet değerleri ile kıyaslanır. Böylece aşamalı olarak model geliştirilir.
Biyomoleküler nükleer manyetik rezonans spektroskopisi
Nükleer manyetik rezonans ya da NMR molekül üzerine uzaklık ve açı gibi geometrik bilgileri elde etmek için atom çekirdeklerinin manyetik özelliklerini kullanır. Elde edilen bu geometrik bilgilerle bir çeşit veri üçlemesi yöntemi kullanılarak molekülün üç boyutlu yapısını hesaplamak mümkündür.
Özellikle hidrojen 1H, karbon 13C ve azot 15N gibi belirli atomların çekirdekleri spin adı verilen açısal momentuma sahiptir. Bu spin bi ile bağlantılıdır. Tipik olarak 10 ila 20 Tesla büyüklüğünde çok şiddetli bir manyetik alana yerleştirildiklerinde bu spinler manyetik alan ile aynı doğrultuya gelir. NMR, moleküldeki spinler arasındaki etkileşimleri inceler ve asıl olarak iki türlü etkinin gözlemlenmesine olanak verir. Birincisi elektron çiftleri arasındaki bağlarda görülen skaler etkileşimlerdir. Bu skaler etkileşimler molekülün kovalent bağları ile oluşan birleşimleri belirlemeye olanak sağlar ve böylece molekülün topolojisi çıkarılabilir. Topoloji bu bağların geometrisine ve özellikle de atomlar arasındaki bağlıdır. İkincisi nükleer Overhauser etkisi adı verilen ve uzam içinde manyetizasyon transferine karşılık gelen dipolar etkileşimlerdir. Bu etkileşimler yalnızca atomlar arasındaki uzaklıklara bağlıdır ve atomlar arasındaki bağların geometrisinden bağımsızdır. Ayrıca yalnızca 0,5 nm civarında iseler gözlemlenebilirler.
Biyomoleküler nükleer manyetik rezonans spektroskopisi çözelti içindeki makromolekülleri örnek olarak kullanır ve alınan spektrografilerle hem skaler hem de dipolar etkiler arasındaki ilişkileri kaydeder. Alınan spektrografilerden farklı sinyallerin analizinin gerçekleştirilmesiyle molekülün her bir atomu birer birer belirlenebilir. Bundan sonra molekülün geometrik verileri toplanır ve alınan spektroskopi sonuçları ile birleştirilerek molekülün üç boyutlu yapısı hesaplanır. Bu hesaplamalar iterasyon yöntemi ile tek bir çözüme ulaşılana kadar devam eder.
Kriyo-elektron mikroskobu
Kriyo-elektron mikroskobu karmaşık makromoleküllerin yapılarının düşük çözünürlüklü görüntülerini elde etmeye yarar. İncelenek olan makromolekül sıvı azot banyosu içinde tutulan sıvı etan gibi kriyojenik bir sıvının içine hızlıca batırılıp çıkarılarak dondurulur. Bu koşullar altında çözelti içindeki su, içindeki makromoleküllerin biçimlerini koruyacak şekilde amorf hâlde katılaşır.
Bu aşamadan sonra elektron mikroskobuyla buz içinde katılaşan molekülün farklı oryantasyonlarda resmi elde edilir. Bilişim yöntemleri ile bu farklı resimler sınıflandırılarak benzer bir oryantasyonda incelenen biyolojik nesnelerle karşılaştırılarak gruplandırılır. Gruplana bu resimlerin her birinde arka plan gürültüsünün azaltılması için resim çözümleme teknikleri uygulanır.
Bu veri işleme sonrasında, incelenen üç boyutlu yapının karşılık gelen hassas iki boyutlu resimler elde edilir. Yeniden bilişim yöntemleri kullanılarak bu iki boyutlu resimlerden molekülün çevresel olarak üç boyutlu yapısı oluşturulur. Hassas bir üç boyutlu yapı elde etmek için genellikle birkaç bin kadar iki boyutlu resim kullanılır. Simetrik olmayan yapılar için bu oluşturulan üç boyutlu desenlerin hassasiyeti 1 ila 2 nanometre civarındadır. Hatta daha iyi belirlenmiş yapılar için hassasiyet nanometre altına düşer.
Virüslerin protein kılıfları gibi simetrik oligomerlerde elde edilen üç boyutlu resmin hassasiyetini artırmak için simetri bilgisi de kullanılarak modelleme yapılır.
Saçınım teknikleri
Küçük açılı saçınım teknikleri çözelti içinde bulunan nesnelerin boyutları ve biçimleri hakkında bilgi toplamaya olanak sağlar. Biyolojik saçınım yöntemlerinde makromoleküllerin oligomerizasyon durumu ve biçimleri üzerine düşük çözünürlüklü veri elde edilebilir. Yapısal biyolojide iki farklı küçük açılı saçınım yöntemi kullanılır: X ışınları saçınımı (SAXS: small angle X-ray scattering) ve nötron saçınımı (SANS : small angle neutron scattering')
Bu deneysel yöntemlerin prensipleri aslında basittir. Üzerinde çalışılacak makromolekülün konsantre çözeltisi paralel X ışınları ya da nötron akışı içine yerleştirilir. Çözelti içindeki nesneler üzerlerine düşen dalgaları saçılıma uğratır. X ışınlarında saçılma elektron bulutu ile fotonlar arasındaki etkileşimdem kaynaklanırken nötronlarda ise çözeltideki molekülün atom çekirdekleri ile oluşan etkileşimden kaynaklanır. Saçınıma uğrayan sinyalin şiddeti farklı açılara göre tespit edilir. Üzerinde çalışılan molekülün tüm oryantasyonları için bir ortalama değer olan sinyal sonucunda molekülün boyutu ve dış kabuk biçim hakkında bilgi edinilir. Özellikle virüsler gibi içsel simetri sahibi moleküller için 1 nanometrelik çözünürlüğe kadar hassas modeller elde edilebilir.
Moleküler modelleme
Moleküler modelleme yapısal biyoloji ile biyoenformatik dallarının kesişiminde olan bir yöntemlerbütünüdür. Moleküler yapıları oluşturmak, yapısal tahminlerde bulunmak ya da makromoleküllerin dinamik özelliklerini analiz etmek için bilişsel yöntemlerle yapılan hesaplama yöntemlerini içerir. Minimal enerji için atomların hareket etmesini sağlayan moleküler tanımlamasına dayanır.
Veri tabanı
Biyolojik makromolekül yapıları üzerine gerekli bilgiler kamuya açık Protein Veri Bankası (PDB: Protein Data Bank) adlı veri tabanında saklanır. PDB'de 2014 Mayıs ayı itibarıyla 100.000'den fazla makromolekülün atom koordinatlarının bulunduğu yapısal veriler standart bir format hâlinde saklanmaktadır. Bu bilgiler çevrimiçi olarak serbestçe ulaşılabilir ve çeşitli interaktif yazılımlar kullanılarak üç boyutlu yapılar izlenebilir.
PDB'de yer alan biyolojik yapılar 4 alfanümerik karakterden oluşan bir kod ile tanımlanırlar. Genellikle ilk karakter bir rakamdır. Örneğin ispermeçet balinasının miyozin molekülünün kodu 1MBO30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .'dur). Akademik dergilerin çoğunda yayın yapabilmenin ön koşulu PDB'ye yapıların girilmesi olduğu için, PDB içinde bilimsel literatürde yayımlanmış moleküler yapıların çoğunluğu bulunmaktadır.
Günümüzde PDB'de bulunan ve X ışınları kristalografisi yöntemi ile belirlenmiş biyolojik makromoleküllerin yapısı çoğunlukla sinkrotron radyasyonu yöntemiyle elde edilmiştir. Biyolojik makromoleküllerin üç boyutlu yapısını belirlemede sinkrotron kullanımı, PDB'ye 1995 yılından beri yapılan kayıtların %80'ini belirlemek için kullanılmıştır.
Yapısal biyoloji uygulamaları
Katalik mekanizmaların anlaşılması açısından biyokimya ve alanlarında yapısal biyoloji önemli uygulamalara sahiptir. En önemli uygulama alanlarından biri ilaç tasarımıdır. Özellikle hedef alınan biyolojik yapıların üç boyutlu yapıları kullanılarak ligandların tasarlanmasında büyük yarar sağlamaktadır.
Kaynakça
- ^ Kendrew, J.C.; Bodo, G.; Dintzis, H.M.; Parrish, R.G.; Wyckoff, H.; Phillipps, D.C. (1958). "A three-dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x-ray analysis". Nature. Cilt 181. ss. 662-666. (PMID) 13517261.
- ^ Banaszak, Leonard J. (2000). Foundations of Structural Biology. Burlington: Elsevier. ISBN .
- ^ Karplus, Martin; McCammon, J. Andrew (1 Eylül 2002). "Molecular dynamics simulations of biomolecules". Nature Structural Biology. 9 (9). ss. 646-652. doi:10.1038/nsb0902-646. (PMID) 12198485.
- ^ "Direct Electron Detectors". Methods in Enzymology. Cilt 579. 2016. doi:10.1016/bs.mie.2016.05.056. ISSN 0076-6879. 8 Haziran 2020 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 8 Haziran 2020.
- ^ Nogales, Eva (2016). "The development of cryo-EM into a mainstream structural biology technique". Nature methods. 13 (1). ss. 24-27. ISSN 1548-7091. (PMC) 4913480 $2. (PMID) 27110629.
- ^ Dardel, Frédéric; Maillavin, Thérèse (2002). "Structure des protéines par RMN". Éditions techniques de l'ingénieur. Cilt TI053. ss. AF6608. 24 Temmuz 2011 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 9 Haziran 2020.
- ^ Svergun, D.I.; Koch, M.H.J. (2003). "Small-angle scattering studies of biological macromolecules in solution". Rep. Prog. Phys. Cilt 66. ss. 1735-82. Bibcode:2003RPPh...66.1735S. doi:10.1088/0034-4885/66/10/R05.
- ^ Simonson, Thomas (2005). "Le « problème du repliement » Peut-on prédire la structure des protéines ?" (PDF). Médecine/Sciences. Cilt 21. s. 609-612. (PMID) 15985203. 3 Mart 2016 tarihinde kaynağından (PDF). Erişim tarihi: 9 Haziran 2020.
- ^ Berman, H.M.; Westbrook, J.; Feng, Z.; Gilliland, G.; Bhat, T.N.; Weissig, H.; Shindyalov, I.N.; Bourne, P.E. (2000). "The Protein Data Bank". Nucleic Acids Res. doi:10.1093/nar/28.1.235. (PMID) 10592235.
- ^ Phillips, S. E. (5 Ekim 1980). "Structure and refinement of oxymyoglobin at 1.6 A resolution". Journal of Molecular Biology. 142 (4). ss. 531-554. ISSN 0022-2836. (PMID) 7463482. 13 Şubat 2019 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 9 Haziran 2020.
- ^ "Statistics by Year : BioSync". biosync.sbkb.org. 9 Haziran 2020 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 9 Haziran 2020.
- ^ Matthews, D.A.; Alden, R.A.; Bolin, J.T.; Freer, S.T.; Hamlin, R.; Xuong, N.; Kraut, J.; Poe, M.; Williams, M.; Hoogsteen, K. (1977). "Dihydrofolate reductase: x-ray structure of the binary complex with methotrexate". Science. Cilt 197. ss. 452-455. doi:10.1126/science.17920. (PMID) 17920.
Konuyla ilgili yayınlar
- J. Janin & M. Delepierre (1997) Biologie structurale : Principes et méthodes biophysiques, Hermann, Paris, (Fransızca)
- C. Branden & J. Tooze (1998) Introduction to Protein Structure, Garland Science, (İngilizce)
Dış bağlantılar
- Nature: Structural & Molecular Biology dergisi internet sitesi17 Nisan 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Journal of Structural Biology3 Mayıs 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Structural Biology - The Virtual Library of Biochemistry, Molecular Biology and Cell Biology (Yapısal Biyoloji - Biyokimya, Moleküler Biyoloji ve Hücre Biyolojisi Sanal Kütüphanesi)18 Şubat 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Avrupa'da Yapısal Biyoloji22 Eylül 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Avrupa Protein Veri Bankası, yapısal biyoloji uluslararası veritabanı18 Eylül 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Japonya Protein Veri Bankası, yapısal biyoloji uluslararası veritabanı18 Eylül 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- ABD'de yapısal biyoenformatik araştırma portali28 Ağustos 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Proteopedia, Protein Veri Bankası moleküler yapılarının interaktif görüntülenmesini sağlayan viki7 Ocak 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
wikipedia, wiki, viki, vikipedia, oku, kitap, kütüphane, kütübhane, ara, ara bul, bul, herşey, ne arasanız burada,hikayeler, makale, kitaplar, öğren, wiki, bilgi, tarih, yukle, izle, telefon için, turk, türk, türkçe, turkce, nasıl yapılır, ne demek, nasıl, yapmak, yapılır, indir, ücretsiz, ücretsiz indir, bedava, bedava indir, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, resim, müzik, şarkı, film, film, oyun, oyunlar, mobil, cep telefonu, telefon, android, ios, apple, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, pc, web, computer, bilgisayar
Yapisal biyoloji biyolojinin ozellikle amino asitlerden yapilmis olan proteinler nukleotitlerden yapilmis RNA ve DNA gibi nukleik asitler ve lipitlerden olusmus olmak uzere biyolojik makromolekullerin yapilarini ve uzamsal dizilislerini inceleyen bir dalidir Yapisal biyoloji asil olarak biyofizik yontemleri ile makromolekullerin atom duzeyinde uc boyutlu yapilarinin belirlenmesi yapisal degisikliklerinin temel prensipleri molekuler hareketlerin analizi ve bu yapilarin dinamigi ile ilgilenir Makromolekuller hucrelerin hemen hemen tum islevlerini yerine getirir ve bunu da yapabilmek icin belirli uc boyutlu sekillere girerler Molekullerin ucuncul yapi si olarak adlandirilan bu yapilar her molekulun temel bilesimi ya da birincil yapi lari ile karmasik bir sekilde baglantilidir Ispermecet balinasinin miyoglobin proteininin PDB ID 1MBO30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde uc boyutlu yapisi 1958 yilinda John Kendrew vd tarafindan X isinlari kristalografi yontemi ile uc boyutlu yapisi cozulen ilk proteindir Biyomolekuller en gelismis isik mikroskoplari ile bile detayli olarak gorulemeyecek kadar kucuktur Yapisal biyologlarin biyomolekullerin yapisini belirlemek icin kullandigi yontemler genellikle cok sayida ozdes molekulun ayni anda olculmesini icerir Bu yontemler arasinda kutle spektrometrisi makromolekuler kristalografi notron kirinimi biyomolekuler nukleer manyetik rezonans spektroskopisi NMR EPR kriyo elektron mikroskobu elektron kristalografisi ve ve sayilabilir Cogunlukla arastirmacilar bu yontemleri makromolekullerin larini incelemek icin kullanirlar Ama ayni zamanda bu yontemlerin bazi varyasyonlari aciga cikmis ya da denature molekullerin dogarl durumlarina gelmesini izlemek icin de kullanilir Yapisal biyologlarin molekuler yapilari anlamak icin kullandiklari bir baska yontem de belirli sekillerin ortaya cikmasina neden olan cesitli dizilimlerin arasinda modelleri aramak icin kullanilan biyoenformatiktir Arastirmacilar siklikla hidrofobisite analizi ile tahmin edilen temel alinarak integral membran proteinlerinin yapisal ozelliklerini cikarabilirler Son yillarda biyolojik yapilarin arastirmalarini tamamlayacak oldukca hassas fiziksel de mumkun olabilmistir ve bu modellere ornekler Protein Veri Bankasi nda bulunabilir Proteinlerin yapilarini sekil degistirmelerini ve islevlerini arastirmak icin ampirik yapi belirleme yontemlerinin yani sira molekuler dinamik simulasyonlari gibi islemsel teknikler de kullanilabilmektedir Yapisal biyoloji arastirmalarinin sonuclarindan siklikla ilac gelistirme projelerinde yararlanilir Bir ilacin hedefi uzerindeki etkisinin molekuler ve yapisal olarak anlasilmasi ve bunun gorsellestirilmesi aktif molekullerin tasarimini ve iyilestirilmesini mumkun kilar Bunu saglamak icin hem yapisal analizi inceleyen deneysel yontemler hem de bilisimsel yaklasimlar kullanilarak molekuler yapilarindan yola cikarak aday ilaclar belirlenir Yapisal biyoloji teknikleriOptik mikroskop teknigi biyolojik molekullerin atomik yapisini gormek icin yeterli sahip degildir Yapisal biyolojide kullanilan yontemler daha siklikla dolayli fiziksel yontemlerdir Tarihsel olarak en eski ve gunumuzde de en cok kullanilan yontem X isini kristalografisidir Bu yontemi tamamlamak icin hem atomik olcekte cozunurluge ulasmak hem de cozelti icindeki molekullerin dinamigini anlamak icin nukleer manyetik rezonans spektroskopisi NMR kullanilir ve notron kirinimi gibi kullanilan diger yontemler yuksek cozunurluklu degildir ancak cozelti icindeki molekulleri incelemek icin diger yontemlerin gerektirdigi kirinim yapabilen monokristallerin olusturmasini gerektirmedigi ve NMRin ihtiyac duydugu kucuk orneklemelere ihtiyac duymadigi icin kullanislidir Yeni sensorler ve veri islemedeki gelismeler sayesinde kriyo elektron mikroskobu rutin olarak elde edilen cozunurlugu oldukca onemli oranda gelistirmistir Kristalografi ve NMR in sinirlamalarina sahip olmayan kriyo elektron mikroskobu buyuk boyutlu makromolekullerin incelenmesinde ana yontem olarak yapisal biyolojide diger iki yontemin yerine gecmektedir Makromolekuler kristalografi Bir lizozim kristalinin kirinimi Kristalografik yapinin cozunurlugu X isinlarinin makromolekul kristallkeri uzerindeki kirinimlarinin incelenmesne dayanir Elektronlera carpan X isinlari kirinima ugrar ve molekulun yani molekulun cevresinde donen elektronlerin yerini bulmak icin analiz edilebilir Bu yogunluk yeteri kadar belirgin ise molekulun her bir atomunun yerini tespit etmeye yani kartezyen koordinatlarini belirlemeye yarar Elektron yogunlugu ve atomlarin konumu Bu analiz yonteminin on kosul molekullerin kristallerinin elde edilmesidir Uygun fiziksel ve kimyasal kosullar altinda cozelti icindeki makromolekuller kristaller olusturabilir Bir molekulden digerine degiskenlik gosteren bu uygun fiziksel ve kimyasal kosullarin saptanmasi cogunlukla ampiriktir Ayrica molekulun saflik derecesi de belirleyici faktorlerden biridir Dolayisiyla on kosul olan kristallesme etabi bu tur analiz icin genellikle sinirlayici olmaktadir Onlarca ya da yuzlerce mikron buyuklugunde yeterli kristal boyutuna erisildiginde monokromatik X isini huzmesi altina getirilir Uygun kosullar altinda kristal yapi icinde dizilmis elektronlara carpan X isinlari krinima ugrar Bir sensor yardimiyla kristalin farkli oryantasyonlari icin kirinim desenleri kaydedilir Desen uzerindeki lekelerin arasindaki bosluk kristal yapi hakkinda bilgi verir Lekelerin siddeti de kristal yapi icindeki her bir makromolekulun elektron yogunlugu hakkinda bilginin bir kismini saglar Her bir leke ile baglantili sinyal fazi ise kayboldugundan yeniden olusturulmalidir Bu fazlari olusturmak icin farkli yontemler kullanilir Coklu izomorf replasmani kristal icine elektron zengini olan agir atomlari yaymak ve kristalin kirinimini agir atomlar ile ve agir atomlar olmadan kiyaslamaktir Agir elementlerin varligi kirinim siddetini hafifce degistirdigi icin veri uclemesi yoluyla fazlari hesaplamak mumkun olabilmektedir molekulun icinde yer alan atomlardan bir turunun sogurma esigi cevresinde X isinlarinin boyunu degistirme yontemidir Ozellikle kullanilan dalga boylarina 0 1 nm yakin bir sogurma esigine sahip olan selenyum siklikla kullanilir Proteinler icin genellikle biyosentetik yoluyla sokulan selenosistein ya da gibi amino asitler kullanilir Molekuler replasman ise bilindigi takdirde eslenik bir protein yapisinin kullanilmasi yontemidir Eslenik yapi kristalin icine sokulmaya calisildiktan sonra teorik kirinimi hesaplanir ve gozlemlenen kirinim ile kiyaslanir Bu sekilde teorik oncul fazlar hesaplanabilir Bir kere fazlar hesaplandiktan sonra kirinim sinyallerinin Fourier donusumu ile elektron yogunlugu elde edilir Boylece molekulun her bir atomunun kartezyen koordinatlarini elde etmeye olanak saglayan otomatik sistemler ya da interaktif grafik yazilimlari kullanilarak elektron yogunlugu yoluyla molekul yeniden olusturulmaya calisilir Model olusturulduktan sonra kirinim siddetleri teorik olarak bu modele gore hesaplanir ve deneysel olarak elde edilen siddet degerleri ile kiyaslanir Boylece asamali olarak model gelistirilir Biyomolekuler nukleer manyetik rezonans spektroskopisi Bir toksinin nukleer manyetik rezonans ile elde edilen yapisi Nukleer manyetik rezonans ya da NMR molekul uzerine uzaklik ve aci gibi geometrik bilgileri elde etmek icin atom cekirdeklerinin manyetik ozelliklerini kullanir Elde edilen bu geometrik bilgilerle bir cesit veri uclemesi yontemi kullanilarak molekulun uc boyutlu yapisini hesaplamak mumkundur Ozellikle hidrojen 1H karbon 13C ve azot 15N gibi belirli atomlarin cekirdekleri spin adi verilen acisal momentuma sahiptir Bu spin bi ile baglantilidir Tipik olarak 10 ila 20 Tesla buyuklugunde cok siddetli bir manyetik alana yerlestirildiklerinde bu spinler manyetik alan ile ayni dogrultuya gelir NMR molekuldeki spinler arasindaki etkilesimleri inceler ve asil olarak iki turlu etkinin gozlemlenmesine olanak verir Birincisi elektron ciftleri arasindaki baglarda gorulen skaler etkilesimlerdir Bu skaler etkilesimler molekulun kovalent baglari ile olusan birlesimleri belirlemeye olanak saglar ve boylece molekulun topolojisi cikarilabilir Topoloji bu baglarin geometrisine ve ozellikle de atomlar arasindaki baglidir Ikincisi nukleer Overhauser etkisi adi verilen ve uzam icinde manyetizasyon transferine karsilik gelen dipolar etkilesimlerdir Bu etkilesimler yalnizca atomlar arasindaki uzakliklara baglidir ve atomlar arasindaki baglarin geometrisinden bagimsizdir Ayrica yalnizca 0 5 nm civarinda iseler gozlemlenebilirler Biyomolekuler nukleer manyetik rezonans spektroskopisi cozelti icindeki makromolekulleri ornek olarak kullanir ve alinan spektrografilerle hem skaler hem de dipolar etkiler arasindaki iliskileri kaydeder Alinan spektrografilerden farkli sinyallerin analizinin gerceklestirilmesiyle molekulun her bir atomu birer birer belirlenebilir Bundan sonra molekulun geometrik verileri toplanir ve alinan spektroskopi sonuclari ile birlestirilerek molekulun uc boyutlu yapisi hesaplanir Bu hesaplamalar iterasyon yontemi ile tek bir cozume ulasilana kadar devam eder Kriyo elektron mikroskobu Kriyo elektron mikroskobu ile elde edilen brut goruntu Farkli oryantasyonlarla saperon proteini gorulmektedir protein kilifinin kriyo elektron mikroskobu ile alinan goruntusu Kriyo elektron mikroskobu karmasik makromolekullerin yapilarinin dusuk cozunurluklu goruntulerini elde etmeye yarar Incelenek olan makromolekul sivi azot banyosu icinde tutulan sivi etan gibi kriyojenik bir sivinin icine hizlica batirilip cikarilarak dondurulur Bu kosullar altinda cozelti icindeki su icindeki makromolekullerin bicimlerini koruyacak sekilde amorf halde katilasir Bu asamadan sonra elektron mikroskobuyla buz icinde katilasan molekulun farkli oryantasyonlarda resmi elde edilir Bilisim yontemleri ile bu farkli resimler siniflandirilarak benzer bir oryantasyonda incelenen biyolojik nesnelerle karsilastirilarak gruplandirilir Gruplana bu resimlerin her birinde arka plan gurultusunun azaltilmasi icin resim cozumleme teknikleri uygulanir Bu veri isleme sonrasinda incelenen uc boyutlu yapinin karsilik gelen hassas iki boyutlu resimler elde edilir Yeniden bilisim yontemleri kullanilarak bu iki boyutlu resimlerden molekulun cevresel olarak uc boyutlu yapisi olusturulur Hassas bir uc boyutlu yapi elde etmek icin genellikle birkac bin kadar iki boyutlu resim kullanilir Simetrik olmayan yapilar icin bu olusturulan uc boyutlu desenlerin hassasiyeti 1 ila 2 nanometre civarindadir Hatta daha iyi belirlenmis yapilar icin hassasiyet nanometre altina duser Viruslerin protein kiliflari gibi simetrik oligomerlerde elde edilen uc boyutlu resmin hassasiyetini artirmak icin simetri bilgisi de kullanilarak modelleme yapilir Sacinim teknikleri Kucuk acili sacinim teknikleri cozelti icinde bulunan nesnelerin boyutlari ve bicimleri hakkinda bilgi toplamaya olanak saglar Biyolojik sacinim yontemlerinde makromolekullerin oligomerizasyon durumu ve bicimleri uzerine dusuk cozunurluklu veri elde edilebilir Yapisal biyolojide iki farkli kucuk acili sacinim yontemi kullanilir X isinlari sacinimi SAXS small angle X ray scattering ve notron sacinimi SANS small angle neutron scattering Bu deneysel yontemlerin prensipleri aslinda basittir Uzerinde calisilacak makromolekulun konsantre cozeltisi paralel X isinlari ya da notron akisi icine yerlestirilir Cozelti icindeki nesneler uzerlerine dusen dalgalari sacilima ugratir X isinlarinda sacilma elektron bulutu ile fotonlar arasindaki etkilesimdem kaynaklanirken notronlarda ise cozeltideki molekulun atom cekirdekleri ile olusan etkilesimden kaynaklanir Sacinima ugrayan sinyalin siddeti farkli acilara gore tespit edilir Uzerinde calisilan molekulun tum oryantasyonlari icin bir ortalama deger olan sinyal sonucunda molekulun boyutu ve dis kabuk bicim hakkinda bilgi edinilir Ozellikle virusler gibi icsel simetri sahibi molekuller icin 1 nanometrelik cozunurluge kadar hassas modeller elde edilebilir Molekuler modelleme Molekuler modelleme yapisal biyoloji ile biyoenformatik dallarinin kesisiminde olan bir yontemlerbutunudur Molekuler yapilari olusturmak yapisal tahminlerde bulunmak ya da makromolekullerin dinamik ozelliklerini analiz etmek icin bilissel yontemlerle yapilan hesaplama yontemlerini icerir Minimal enerji icin atomlarin hareket etmesini saglayan molekuler tanimlamasina dayanir Veri tabaniProtein Veri Bankasi nda saklanan protein yapilarina bir ornek Biyolojik makromolekul yapilari uzerine gerekli bilgiler kamuya acik Protein Veri Bankasi PDB Protein Data Bank adli veri tabaninda saklanir PDB de 2014 Mayis ayi itibariyla 100 000 den fazla makromolekulun atom koordinatlarinin bulundugu yapisal veriler standart bir format halinde saklanmaktadir Bu bilgiler cevrimici olarak serbestce ulasilabilir ve cesitli interaktif yazilimlar kullanilarak uc boyutlu yapilar izlenebilir PDB de yer alan biyolojik yapilar 4 alfanumerik karakterden olusan bir kod ile tanimlanirlar Genellikle ilk karakter bir rakamdir Ornegin ispermecet balinasinin miyozin molekulunun kodu 1MBO30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde dur Akademik dergilerin cogunda yayin yapabilmenin on kosulu PDB ye yapilarin girilmesi oldugu icin PDB icinde bilimsel literaturde yayimlanmis molekuler yapilarin cogunlugu bulunmaktadir Gunumuzde PDB de bulunan ve X isinlari kristalografisi yontemi ile belirlenmis biyolojik makromolekullerin yapisi cogunlukla sinkrotron radyasyonu yontemiyle elde edilmistir Biyolojik makromolekullerin uc boyutlu yapisini belirlemede sinkrotron kullanimi PDB ye 1995 yilindan beri yapilan kayitlarin 80 ini belirlemek icin kullanilmistir Yapisal biyoloji uygulamalariKemoterapide kullanilan metotreksat yapisi yesil renkli hedef aldigi dihidrofolat reduktaz yapisina mavi renkli baglanmis olarak gorulmektedir Bir ilac hedef yapisinin gosterimi ilacin nasil etki ettigini anlamada onem tasir Katalik mekanizmalarin anlasilmasi acisindan biyokimya ve alanlarinda yapisal biyoloji onemli uygulamalara sahiptir En onemli uygulama alanlarindan biri ilac tasarimidir Ozellikle hedef alinan biyolojik yapilarin uc boyutlu yapilari kullanilarak ligandlarin tasarlanmasinda buyuk yarar saglamaktadir Kaynakca Kendrew J C Bodo G Dintzis H M Parrish R G Wyckoff H Phillipps D C 1958 A three dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x ray analysis Nature Cilt 181 ss 662 666 PMID 13517261 Banaszak Leonard J 2000 Foundations of Structural Biology Burlington Elsevier ISBN 9780080521848 Karplus Martin McCammon J Andrew 1 Eylul 2002 Molecular dynamics simulations of biomolecules Nature Structural Biology 9 9 ss 646 652 doi 10 1038 nsb0902 646 PMID 12198485 Direct Electron Detectors Methods in Enzymology Cilt 579 2016 doi 10 1016 bs mie 2016 05 056 ISSN 0076 6879 8 Haziran 2020 tarihinde kaynagindan Erisim tarihi 8 Haziran 2020 Nogales Eva 2016 The development of cryo EM into a mainstream structural biology technique Nature methods 13 1 ss 24 27 ISSN 1548 7091 PMC 4913480 2 PMID 27110629 KB1 bakim PMC bicimi link Dardel Frederic Maillavin Therese 2002 Structure des proteines par RMN Editions techniques de l ingenieur Cilt TI053 ss AF6608 24 Temmuz 2011 tarihinde kaynagindan Erisim tarihi 9 Haziran 2020 Svergun D I Koch M H J 2003 Small angle scattering studies of biological macromolecules in solution Rep Prog Phys Cilt 66 ss 1735 82 Bibcode 2003RPPh 66 1735S doi 10 1088 0034 4885 66 10 R05 Simonson Thomas 2005 Le probleme du repliement Peut on predire la structure des proteines PDF Medecine Sciences Cilt 21 s 609 612 PMID 15985203 3 Mart 2016 tarihinde kaynagindan PDF Erisim tarihi 9 Haziran 2020 Berman H M Westbrook J Feng Z Gilliland G Bhat T N Weissig H Shindyalov I N Bourne P E 2000 The Protein Data Bank Nucleic Acids Res doi 10 1093 nar 28 1 235 PMID 10592235 Phillips S E 5 Ekim 1980 Structure and refinement of oxymyoglobin at 1 6 A resolution Journal of Molecular Biology 142 4 ss 531 554 ISSN 0022 2836 PMID 7463482 13 Subat 2019 tarihinde kaynagindan Erisim tarihi 9 Haziran 2020 Statistics by Year BioSync biosync sbkb org 9 Haziran 2020 tarihinde kaynagindan Erisim tarihi 9 Haziran 2020 Matthews D A Alden R A Bolin J T Freer S T Hamlin R Xuong N Kraut J Poe M Williams M Hoogsteen K 1977 Dihydrofolate reductase x ray structure of the binary complex with methotrexate Science Cilt 197 ss 452 455 doi 10 1126 science 17920 PMID 17920 Konuyla ilgili yayinlarJ Janin amp M Delepierre 1997 Biologie structurale Principes et methodes biophysiques Hermann Paris 978 2705662325 Fransizca C Branden amp J Tooze 1998 Introduction to Protein Structure Garland Science 978 0815323051 Ingilizce Dis baglantilarNature Structural amp Molecular Biology dergisi internet sitesi17 Nisan 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde Journal of Structural Biology3 Mayis 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Structural Biology The Virtual Library of Biochemistry Molecular Biology and Cell Biology Yapisal Biyoloji Biyokimya Molekuler Biyoloji ve Hucre Biyolojisi Sanal Kutuphanesi 18 Subat 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Avrupa da Yapisal Biyoloji22 Eylul 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Avrupa Protein Veri Bankasi yapisal biyoloji uluslararasi veritabani18 Eylul 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde Japonya Protein Veri Bankasi yapisal biyoloji uluslararasi veritabani18 Eylul 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde ABD de yapisal biyoenformatik arastirma portali28 Agustos 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde Proteopedia Protein Veri Bankasi molekuler yapilarinin interaktif goruntulenmesini saglayan viki7 Ocak 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde