Genetik Şifre ve Protein Sentezi

► Tüm canlılarda genetik bilgi DNA'da bulunur.

► Genetik bilgi; her bir gende bulunan nükleotitlerin oluşturduğu özel şifrelerdir.

► DNA'daki nükleotit dizilimi genetik şifreyi oluşturur.

► Şifre; haberleşmeye yarayan işaretler bütünüdür.

► Tüm canlılarda görev yapan genetik şifreler birbirine benzemektedir.

► Hücre içerisinde yaşamsal faaliyetlerin devamlılığını ve düzenini sağlayan şifreler DNA'daki genlerde bulunur.

► Genetik bilgiyi oluşturmada 4 çeşit nükleotit görev yapar.

Bunlar; Adenin, Guanin, Sitozin ve Timin nükleotitleridir. Bu nükleotitleri ifade eden harflar; A, G, C ve T'dir.

► DNA'da bulunan 4 çeşit nükleotitin protein sentezinde kullanılacak olan 20 çeşit amino asiti şifreleyebilmesi için üçlü nükleotitler şeklinde şifreler oluşturması gerekir.

► Eğer ikişer nükleotitten oluşan şifreler kullanılsaydı 16 çeşit şifre oluşurdu. Bu da 20 çeşit amino aside karşılık gelemeyecekti.

► Bu durumda 4³ = 64 çeşit genetik şifre oluşur. 64 çeşit genetik şifre ise 20 çeşit aminoasidi kodlamak için fazlasıyla yeterlidir.

► Her bir amino asit çeşidine karşılık en az bir genetik şifre vardır. Bazı amino asit çeşitleri için ise birden fazla şifre bulunmaktadır.

► 64 şifreden 61 tanesi amino asitleri ifade eden şifrelerdir. Bunlardan Metiyonin amino asidine karşılık gelen şifre protein sentezini başlatan şifre olup aynı zamanda polipeptit zinciri içinde de amino asit olarak yer alır.

► Metiyonin amino asitinin DNA üzerindeki genetik şifresi TAC olup mRNA'daki kodonu ise AUG'dir.

► Protein sentezinde kullanılan ve mRNA üzerinde bulunan kodonlardan üç tanesi durdurma ya da stop kodonları adını alır. Bunlar UAA, UAG, UGA kodonlarıdır. Bu kodonlar hiç bir amino asidi şifrelemez.

► Canlılarda bulunan genetik şifrenin genel biçimi ve işleyişi şu şekilde özetlenebilir.

3 Nükleotit = 1 Kodon = 1 Antikodon = 1 Amino Asit

Genetik Şifre ve Protein Sentezi Arasındaki İlişki

► Canlıların ortak özelliklerinin ortaya çıkmasında DNA molekülü etkilidir. (Virüslerde DNA ya da RNA etkili olur.)

► Yani canlılardaki ortak özelliklere ait bilgiler bu moleküllerde sakladır.

► DNA'da genetik bilgi bulunur.

► Genetik Bilgi; her bir gende bulunan nükleotitlerin oluşturduğu özel şifrelerdir.

► Tüm canlılarda görev yapan genetik şifreler birbirine benzemektedir.

► Bir alfabedeki harflerin kelimeleri,

► Kelimelerin ise cümleleri oluşturması gibi genlerdeki nükleotitlerden de şifreler oluşur.

► Bu şifreler; amino asitleri, amino asitler ise protein moleküllerini oluşturur.

► Amino asitlerin DNA'daki genetik bilgiye göre dizilerek oluşturduğu proteinler canlıya ait özellikleri belirler. Örneğin; kan grubu, göz rengi,saç şekli vb.

► Sonuç olarak hayatın dili ortak şifrelerden oluşmaktadır.

► Genetik şifre evrensel bir kavramdır.

Protein Sentezi

► DNA'daki genetik bilginin kullanılarak ribozom organelinde polipeptit üretilmesine PROTEİN SENTEZİ denir.

► DNA molekülündeki bir gen, bir proteinin sentezlenmesini sağlayan parçadır.

► Protein sentezi; protein sentezletecek gendeki bilgiye uygun olarak gerçekleşir.

► Bu genetik bilgi, proteinde yer alacak olan amino asitlerin çeşidini, sayısını ve dizilimini belirler. Bu da protein moleküllerinin farklı olmasını sağlar.

Protein sentezinde görev alan başlıca yapılar şunlardır:

► DNA (DNA Kalıp Zincirdeki İlgili Gen Bölgesi)

► Üç çeşit RNA (mRNA, tRNA, rRNA)

► ATP

► Enzimler (RNA Polimeraz Enzimi)

► Amino asitler

► Ribozom Organeli

DNA'dan başlayarak RNA'ya ilerleyen ve oradan da proteinin sentezine doğru gerçekleşen bir akıştır.

► Genetik bilgi akışında RNA Polimeraz enzimi DNA'nın ilgili gen bölgesini açarak mRNA'nın sentezini gerçekleştirir. Bu olaya Transkripsiyon (Yazılma) denir.

► Sentez tamamlandıktan sonra RNA Polimeraz açılan ilgili gen bölgesini tekrar sarmal hale getirir.

► mRNA'nın ribozoma giderek orada okunması ile protein sentezi gerçekleşir. Bu olaya ise Translasyon (Okunma) denir.

► Translasyon sonucunda önce Polipeptit Zinciri oluşur. Polipeptit durumunda iken protein işlevsel değildir. Daha sonra üç boyutlu yapılar kazanarak (Sekonder, Tersiyer, Quaterner yapılar) işlevsel ve yapısal proteinler oluşur.

► Prokaryot ve ökaryot hücrelerde genetik bilginin polipeptide dönüştürülme süreci aynıdır. Ancak olayların hücrelerde gerçekleştiği yerler farklıdır.

► Ökaryotlarda Transkripsiyon olayı; çekirdekte, mitokondri matriksinde ve kloroplast stromasında gerçekleşir.

► Translasyon ise sitoplazmadaki ribozomlarda ve mitokondri ile kloroplastta bulunan ribozomlarda gerçekleşir.

 ► Prokaryotlarda bu Transkripsiyon sitoplazmada, Translasyon ise sitoplazmadaki ribozomlarda gerçekleşir.

Protein Sentezinin Basamakları

► Canlılar kendi DNA'larına uygun olarak kendilerine özgü olan proteinleri sentezlerler.

► Protein sentezi tüm canlılarda ortak olarak gerçekleştirilen bir olaydır. Ancak tüm canlı hücrelerde gerçekleşmez. Örnek; memelilerin olgun alyuvar hücrelerinde protein sentezi olmaz.

► Canlılarda her protein çeşidi için DNA üzerinde o protein çeşidine ait bir gen bölgesi bulunur.

► İhtiyaç durumunda bu ilgili gen bölgesindeki genetik şifreye uygun protein çeşidi sentezlenir.

► DNA'daki bir genin nükleotit dizisine göre özgül bir polipeptit zincirinin sentezi iki basamakta gerçekleşir. Bunlar;

♦ Transkripsiyon (Yazılma)

♦ Translasyon (Okuma) olaylarıdır.

Transkripsiyon (Yazılma)

DNA'nın kalıp zincirindeki genetik bilgiye göre RNA sentezlenmesine Transkripsiyon (Yazılma) denir.

► Transkripsiyonda RNA Polimeraz Enzimi görev yapar.

► Transkripsiyon olayı ile tüm RNA çeşitleri sentezlenir.

► Transkripsiyon olayında ilk olarak DNA üzerinde sentezlenecek proteine ait olan ilgili gen bölgesi RNA Polimeraz Enzimi tarafından fermuar gibi açılır.

► DNA'nın iki zincirinden biri kalıp zincir, diğeri kalıp olmayan (anlamlı zincir) zincirdir. (DNA'nın her iki ipliği de RNA sentezinde kalıp olarak kullanılabilir.)

► Kalıp zincir şifre veren, kalıp olmayan zincir ise şifre vermeyen kısımdır.

► Ancak kalıp olmayan zincir; kalıp zincirin tamamlayıcısı olduğu için gen anomalilerinin rapor edilmesinde kullanılır.

► RNA Polimeraz Enzimi kalıp olarak kullanılacak DNA zincirindeki ilgili gen bölgesine bağlanır.

► Gendeki TAC ile başlayan zincir kalıp olarak kullanılır.

► RNA Polimeraz; kalıp olarak kullanılacak DNA zincirini kopyalamaya başlar ve DNA'dan mRNA sentezlenir.

► mRNA sentezi sırasında DNA'daki kalıp zincirde yer alan nükleotitlerin karşısına uygun RNA nükleotitleri gelir.

► DNA'daki Adenin karşısına mRNA'da Timin yerine Urasil,

► DNA'daki Timin karşısına ise mRNA'da Adenin gelir.

► Örneğin; DNA'nın kalıp ipliğindeki genetik şifre TAC, TAG, CCG, ATG, GTA şeklinde ise bu iplik üzerinden sentezlenecek mRNA'da; AUG, AUC, GGC, UAC, CAU kodonları gelir.

► RNA Polimeraz; mRNA üzerinde dizilen nükleotitler arasında Fosfodiester Bağları oluşturur.

► mRNA DNA'nın kalıp zincirine anti paralel olduğu için mRNA ipliğinin sentez yönü 5' üssünden → 3' üssüne doğru olur.

► Transkripsiyon ilerledikçe yeni sentezlenen mRNA molekülleri kalıp DNA'dan ayrılır. Sonra DNA iplikleri tekrar sarmal hale dönüşür.

► DNA'daki kalıp zincire tutunmuş RNA Polimeraz genin sonlandırıcı dizisine geldiği zaman DNA'dan ayrılır.

► Böylece sentezlenen mRNA serbest kalır. Çekirdek zarındaki porlardan çıkarak sitoplazmaya geçer ve ribozomun küçük alt birimine bağlanır.

Translasyon (Okuma)

► Translasyon olayı ribozomlarda olur.

► Ribozomun küçük alt birimine bağlanmış olan mRNA'daki kodonlar üzerinden polipeptit sentezinin yapılmasıdır.

Translasyonda;

♦ Ribozom,

♦ mRNA, tRNA, rRNA,

♦ Zayıf hidrojen bağları,

♦ Peptit bağları,

♦ Amino asitler,

♦ Amino asitleri tRNA'ya bağlayacak aktifleştirici enzimler görev alır.

► Protein sentezinde görev alacak ribozomlar; ökaryot hücrelerde çekirdekçikte sentezlenirler.

► Çekirdekçikte sentezlenen ribozomun büyük ve küçük alt birimleri çekirdek porlarından çıkarak sitoplazmaya geçerler.

► Bu alt birimler ayrı ayrı bulunurken protein sentezinde bir araya gelirler.

► Ribozomların yapısında protein ve rRNA bulunur.

Ribozomlar;

► Çekirdek zarı üzerinde,

► Granüllü endoplazmik retikulum zarı üzerinde

► Sitoplazmada tek tek ya da poliribozom şeklinde

► Mitokondri ve kloroplast organelinde bulunurlar.

► Hücre içinde kullanılacak proteinler genellikle sitoplazmada bulunan ribozomlarda sentezlenirler.

► Hücre dışına salgılanacak ya da lizozomda kullanılacak enzimlerin proteinleri ise; granüllü endoplazmik retukulum zarı üzerindeki ribozomlarda sentezlenmektedir.

Bir ribozomun büyük alt biriminde üç bölge vardır. Bunlar;

1. tRNA'nın bağlandığı, kodon ile antikodon eşleşmesi ile okuma olayının gerçekleştiği bölge (1.Bölge),

2. Sentezlenen polipeptit zincirinin uzadığı yer (2.Bölge).

3. tRNA'nın ribozomu terk ettiği yer (3.Bölge).

NOT: Translasyon olayı prokaryot hücrelerde sitoplazma ve ribozomda gerçekleşir.

Translasyonda sırasıyla şu olaylar gerçekleşir.

► Çekirdekte DNA tarafından sentezlenen mRNA çekirdekten çıkarak sitoplazmaya gelir ve ribozomun küçük alt birimine bağlanır.

► mRNA zinciri üzerinde AUG başlatma kodonu neredeyse buna karşılık gelen UAC antikodonuna sahip tRNA, Metiyonin amino asidini ribozoma getirir.

► mRNA'daki AUG kodonu ile tRNA'daki UAC antikodonu arasında geçici hidrojen bağları kurulur.

► Böylece kodon - antikodon eşleşmesi olur.

► Daha sonra ribozomun küçük alt birimi büyük alt birime bağlanır.

► Büyük ve küçük alt birimin bir araya gelmesi ile polipeptit sentezi başlar.

► Polipeptit sentezinin başlaması ile birlikte mRNA ribozomun alt birimleri arasında kaymaya başlar.

► tRNA taşıdığı amino asit ile ribozomun ikinci bölgesine gelir.

► Boşta kalan birinci bölgeye ise yeni bir tRNA gelir.

► Tekrar kodon - antikodon eşleşmesi ve okuma gerçekleşir.

► İkinci bölgede bulunan tRNA taşıdığı amino asidi birinci bölgedeki amino asite ekler.

► Bu sırada amino asitler arasında peptit bağları kurulur.

► Bu peptit bağlarının oluşumunda ribozomun büyük alt biriminde bulunan rRNA enzim gibi görev yapar.

► Amino asidini bırakan ikinci tRNA üçüncü bölgeye geçer ve ribozomu terk eder.

► Bu olaylar mRNA'daki kodonların tümü okununcaya kadar aynı şekilde tekrar eder.

► Böylece sitoplazmadan ribozoma taşınan amino asitler mRNA'daki kodon sırasına göre dizilerek polipeptit zinciri oluşur.

► mRNA üzerindeki durdurucu kodonlardan herhangi biri (UAA, UAG, UGA) gelinceye kadar sentez devam eder.

► Gelen durdurucu kodona sonlandırıcı protein (ayrılma faktörü) bağlanır.

► Bu protein polipeptit zinciri ile tRNA arasındaki bağı kopararak polipeptitin ribozomdan ayrılmasını sağlar.

► Polipeptit zinciri ribozomu terk ettikten sonra ribozomun alt birimleri yeniden birbirinden ayrılır.

Poliribozom (Polizom)

► Bir mRNA'nın çok sayıda ribozom tarafından okunmasıdır.

► Yani, bir mRNA birden fazla ribozoma tutunarak çoklu bir yapı oluşturur.

► Bu durum hücrenin aynı çeşit proteine çok sayıda ve kısa bir sürede acil ihtiyacı varsa bu protein çeşidini üretmek için kullanılır.

► Bu işlem tek mRNA ile defalarca tekrarlanabilir.

► Böylece aynı çeşit proteinden kısa sürede çok miktarda sentezlenmiş olur.

Canlılardaki proteinlerin çeşitli ve farklı olmasının nedenleri

1. Canlılardaki DNA'ların farklı nükleotit dizilişine sahip olması.

2. DNA'nın verdiği genetik şifreye göre protein sentezinde kullanılan amino asitlerin çeşidi, sırası ve sayısının farklı olması,

Santral Dogma

► DNA, protein sentezinde amino asitlerle doğrudan temas etmez.

► DNA taşıdığı genetik bilgiyi RNA aracılığıyla ribozomlara göndererek protein sentezlenmesini sağlamıştır.

► DNA'daki genetik bilginin aktarımına Santral Dogma denir.

DNA'daki bilgi aktarımı 3 olay ile gerçekleşir.

1. Replikasyon: DNA'dan DNA'nın sentezidir.

2. Transkripsiyon: DNA'dan mRNA ve diğer RNA'ların sentezidir.

3. Translasyon: mRNA'dan protein sentezlenmesidir.

Bir hücrede bu 3 olayın gerçekleşme sıklığı sırasıyla; Translasyon > Transkripsiyon > Replikasyondur.

Santral Dogma olayının gerçekleşme mekanizması bütün canlılarda aynıdır.

Canlılardaki her bir polipeptit zincirinin dolayısıyla her bir protein ya da enzim çeşidinin bir gen tarafından sentezlenmesine Bir Gen Bir Polipeptit Hipotezi denir.

Replikasyon - Transkripsiyon ve Translasyon Olaylarının Karşılaştırılması

1. Hepsinde ATP enerjisi harcanır.

2. Transkripsiyonda; A, G, C, U nükleotitleri ve RNA Polimeraz Enzimi kullanılır. 

3. Translasyonda; amino asitler kullanılır. 

4. Replikasyonunda A, G, C, T nükleotitleri, DNA Polimeraz, Helikaz ve Ligaz enzimleri kullanılır.

5. Replikasyon olayı hücrenin bölüneceğini ifade eder.

6. Replikasyon sinir hücresi gibi bölünemeyen hücrelerde gerçekleşmez.

7. Transkripsiyon ve translasyon protein sentezi sırasında gerçekleşir.

8. Protein sentezinde DNA eşlenmesine (replikasyona) gerek yoktur.

9. Replikasyon sırasında oluşabilecek bir hata kalıtsal olabilir (Gen Mutasyonu). Ancak transkripsiyon ve translasyon sırasında oluşacak hatalar kalıtsal olmaz. Sadece farklı bir proteinin üretimine neden olabilir.

10. Protein sentezindeki genetik bilgi akışı tek yönlü gerçekleşir.

11. Polipeptit sentezi sırasında amino asitler arasında kurulan peptit bağı kadar su açığa çıkar (dehidrasyon).

12. Translasyonda mRNA ile tRNA arasında geçici zayıf hidrojen bağları kurulur.

13. Polipeptit sentezi sona erdikten sonra tRNA'lar ribozomdan ayrılır. mRNA serbest kalır. Ribozomun alt birimleri birbirinden ayrılır. Bu moleküller tekrar kullanılabilir.

14. Her protein çeşidi için bir mRNA sentezlenir. Canlıda protein çeşidi kadar mRNA çeşidi vardır.

15. mRNA sentezi DNA'nın kalıp olan ipliğinin 3' ucundan başlar. mRNA zinciri DNA zincirine antiparalel olduğu için, mRNA sentezi ipliğin 5' ucundan 3' ucuna doğru olur.

16. Ribozomda sentezlenen polipeptitler düz bir zincir şeklinde olup primer (birincil) yapıdadır. Bu polipeptit zinciri işlevsel değildir. Farklı şekillerde katlanmalar yaparak ikincil, üçüncül, dördüncül yapılara sahip üç boyutlu işlevsel proteinlere dönüşür.