Züleyha Demirci
İçindekiler
Giriş
Gezegendeki temel süreçlerden bazıları, su ve enerjinin hücrelere giriş ve çıkışını gerektirir. Bu erişimden sorumlu hücresel kapıcılar, aquaporinler ve hücresel taşıyıcılar olarak bilinirler. Bunlar su, glikoz ve diğer küçük maddelerin biyolojik zarlarda, bir taraftan diğer tarafa geçişinin hızlı ve seçici bir şekilde olmasını kolaylaştıran iki protein ailesidir.
Aquaporinler, yaşamın her aleminde bulunurlar ve tüm organizmaların sağlıklarını devam ettirmelerinde merkezi rollerini gösterirler. İlk aquaporin 1992’de keşfedildi. Bu keşif, 2003’de Peter Agre’ye Nobel Kimya Ödülünü kazandırdı. O zamandan beri, 450’den fazla özgün aquaporin tanımlandı.
Bilgisayar temelli deneylerin, özellikle de moleküler dinamik (MD) simülasyonlarının, maddelerin kanal proteinleri vasıtasıyla moleküler düzeyde nasıl geçtiğini belirlemede önemli oldukları ispatlanmıştır.
Aquapoinler
Liao Chen’e göre, glikoz taşıyıcılarının ders kitaplarındaki tanımları, bu proteinler tarafından gösterilen faaliyetin ne kadar zor olduğu konusunu hafife almıştır. Deneyler ve X-ray kristalografisi, sadece bu kadarlık bir detayı yansıtabilir ve bilgisayar simülasyonları, geçişteki zar kaynaklı zorlukları ve diğer faktörleri içeren büyük çaptaki sistemlerin modelleme yeteneklerini sınırlamıştır.
Texas Gelişmiş Modelleme Merkezi (TACC)’nde Chen, bu problem üzerinde süper bilgisayarlar kullanarak, artan doğruluk ve güçlük ile on yıldan fazla çalıştı. Chen, “Bir teorik fizikçi olarak, Richard Feynman’ın söylediklerine gerçekten inanıyorum; Canlıların yaptığı her şey, atomların kıpırdamaları ve titremeleri bakış açısından anlaşılabilir. Biz, biyolojik sistemlerin çok basit, rastgele olmayan davranış tarzı hakkında milyonlarca atomun kıpırdama ve titremesinden bir bir köprü inşa etmeye çalıştık.” dedi.
2019’dan beri, insan kırmızı kan hücrelerindeki aquaporinler ve glikoz taşıyıcıların, su ve glikozu hücre içine ve dışına nasıl hareket ettiğini araştırmak için, dünyadaki en güçlü süper bilgisayar olan Frontera’nın modelleme gücünü kullandı.
Chen, “Zarda anlık oluşan ortamlar da dahil olmak üzere atomlardan zar proteini modelleri oluşturuyoruz. Bu zarlar lipitlerden oluşuyor. İç ve dış lipit zar parçaları asimetriktir. Nitel olarak, su ve glikozun nasıl hareket ettiğini anlıyoruz ancak kimse bu zarı fiziğin diğer dallarında kesinlik ile modelleyemedi.” dedi.
Chen’in araştırmasında, basit modeller ve daha gerçekçi modeller ile üretilen sonuçlar arasında önemli değişiklikler bulundu. Chen, “Frontea ile gerçekçiliğe daha çok yaklaşabildik ve deneyler ile bilgisayar simülasyonları arasında nicel uygunluk sağlayabildik.” dedi
Aquaporinler ve glikoz taşıyıcıların esas biyolojik fonksiyonlarının dışında bu proteinler, nörolojik bir hastalık olan de Vivo sendromu ile birçok kanser çeşidi gibi rahatsızlıklarla ilişkilidir. 2020’nin nisan ayında, Chen araştırmayı, insanlarda sıtmaya neden olan virüs için kullanışlı bir benzerlik gösteren hastalık yapıcı bir parazite uygulanmasından bahseden makaleyi Frontiers in Physics dergisinde yayınladı. Araştırmacılar ayrıca, bazı kanser türleri için tedavi olarak bu proteinlerin kullanılmasını inceliyorlar. Tümörün büyümesini durdurmak için gerekli besinlerin bulunabilirliğini sınırlıyorlar.
Glikoz Taşıyıcılar
Hücrelerin içindeki ve dışındaki su hareketi, en basit zar taşıyıcılarını gerektirir. Buna rağmen, tüm hücreler tarafından ihtiyaç duyulan enerjiyi temin eden glikozun hücre zarından geçmesini yöneten glikoz taşıyıcı proteinler daha karmaşıktırlar.
Chen, “Glikoz taşınmasının nasıl olacağını belirleyen mekanizma tartışmalara yol açmaktadır ancak ben şu an cevaba oldukça yaklaştığımıza inanıyorum.” dedi.
Uzun bir süre glikoz taşıyıcıların önemli kolaylaştırıcı süper ailesindeki pek çok protein gibi alternatif geçiş teorisine uyduğu varsayılmıştır. Bu salınmak için birbirine bağlı şekilde oldukları kuramlaşmış süper ailedeki proteinler, zar içinden geçen helikazların iki grubuna sahiptir. Bu şekilde protein, şekerin proteinin içine girmesi için hücre dışında kalan kısmından açılmasına izin verir. Sonrasında bu iki grup proteinin hücre içindeki kısmından açılabilmesi için salınır. Böylelikle şekerin proteinden ayrılıp hücreye girmesine izin verir.
Protein,hücresel metabolizmada gerekli enerjiyi taşımak için dış kısım ile iç kısım yapıları arasındaki değişimi sürdürür.
Bununla birlikte glikoz taşıyıcıları, bu süper ailenin diğer üyelerinden farklıdır. Kendileri için geçerli enerji malzemeleri olan aktif taşıyıcıların tersine glikoz taşıyıcılar, pasif kolaylaştırıcılardır; Çalışmaları için imkan sağlayabilecek bir enerji malzemesine sahip değillerdir.
Chen, glikoz taşıyıcıların alternatif geçiş teorisine uymayabileceğini ve içlerinden bir ila üçünü çok yakından incelemeye başladığına inanıyordu.
Şu şekilde bahsetti; “Çalışmalarımız, bu basit taşıyıcıların hücreye koyulduklarına, eğer asimetrik bir zar kullanılırsa, alternatif bir geçiş mekanizmasından geçmelerinin gerekli olmadığına işaret ediyor. Aslında, hücre dışı kısımda vücut sıcaklığına göre açık olmak ve kapalı olmak arasında değişiklik gösteren bir kapıya sahipler.”
Sonuç
Chen şimdiye kadar bu özel konuyla ilgili olan iki makale yayınladı. ACS Chem. Neuroscience‘daki yazısında takımının, merkezi sinir sisteminde yaygın olması nedeniyle nöronal glikoz taşıyıcı da denilen glikoz taşıyıcı 3 hakkında nicel bir çalışma yaptığını yazdı. Biyokimyasal ve biyofiziksel araştırma iletişimi ile ilgili yeni bir makalede, glikoz taşıyıcılarının nasıl çalıştığı hakkında yeni bir olasılık önerdiler.
Ayrıca Chen’in ekibi, hücrelerin ayrıntılı davranışını görmek ve maddelerini karşılaştırmak için esas bir doğruluk elde etmeyi amaçlayan laboratuvar deneyleri yapıyor. Lakin, süper bilgisayarların özel mekanik detaylara erişmesi gerekmektedir.
Nisan 2020’de Chen, protein kanallarını ayrıntılı bir şekilde modellemek için Frontera ile 200000 devre saati kadar çalışma şansı elde etti.
Chen izlenimleri, “Frontera’da her çekirdek daha hızlı ve sistem muazzam büyüklükte böylelikle daha büyük sistemleri çok daha hızlı modelleyebiliyoruz.” sözleriyle belirtti ve “Daha büyük sistemlerin modellenmesi şart, çünkü küçük sistemlerle ilgilenirken gerçekliğe yakın olunmaz.” diyerek konuşmasını sonlandırdı.
Kaynak: https://phys.org/news/2020-06-biophysicists-elucidate-mechanisms-neutral-solute.html
Görsel Kaynak: https://www.shutterstock.com/search/cell+membrane
Editör: Sibel Öncel