Genler Ne İşe Yarar: Protein Sentezi

İnsanların birbirinden farklı olması, taşıdıkları genlerle ilişkilidir. Bizi biz yapan fiziksel ve kişisel özelliklerimiz genlerimiz tarafından belirlenmektedir. Genler kan grubu ve zekâ düzeyi gibi özellikleri belirlemenin yanı sıra vücudumuz için oldukça gerekli olan proteinlerin sentezlenmesini de sağlamaktadır ve genler aslında birer DNA dizisidir. DNA, genetik bilgilerimizi taşıyan bir yapıdır ve protein sentezi DNA ile mümkündür. İki iplikten oluşan DNA ve tek iplikli RNA molekülleri, protein sentezi için olmazsa olmaz yapılardır. Bu yazı, DNA’daki genlerin RNA’lar aracılığıyla proteine uzanan yolculuğunu inceleyecektir.

Protein Nedir?

Proteinler vücudumuzda üretilebilen yapılardan bir tanesidir ve canlılık için oldukça önemlidir. Hücrelerimizdeki depolama, taşıma, savunma, iletişim ve hareket gibi oldukça geniş alanlarda proteinler görev almaktadır. Proteinlerin en küçük yapı birimi amino asitlerdir. Yani yüzlerce amino asit bir araya gelerek bir protein oluşturmaktadır.

Bir protein DNA’daki bilgiye göre üretilir ve temelde iki aşamada gerçekleşmektedir: Transkripsiyon ve Translasyon. Transkripsiyon yazılma aşamasıdır ve DNA’daki kodlarla bir RNA molekülü oluşturulmaktadır. Translasyon ise okunma aşamasıdır ve oluşturulan RNA’daki bilgiyle amino asitler bir araya getirilmektedir.

DNA ve RNA’nın Protein Sentezindeki Rolü Nedir?

DNA ve RNA’lar kendilerine ait dört farklı nükleotid içeren moleküllerdir. Nükleotidler, tıpkı amino asitler gibi birer yapı taşıdır. Amino asitler bir araya gelerek nasıl bir protein oluşturuyorsa nükleotidler de bir araya gelerek DNA veya RNA’yı oluşturmaktadır. DNA ve RNA’daki nükleotitler, içerdikleri bazlara göre çeşitlilik gösterirler. DNA’da adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozin (S) bazları bulunurken RNA’da ise adenin, guanin ve sitozinin yanında urasil (U) bazı bulunmaktadır.

DNA’daki üçlü bazların oluşturduğu gruba kod (genetik şifre) denmektedir. Örneğin GTG bir koddur ve bu kodlarla RNA üretilmektedir. RNA oluşturulurken DNA’daki bazların karşısına, o baza karşılık gelen nükleotit gelmektedir. DNA’daki adenin bazının RNA’daki karşılığı urasil, timinin adenin, guaninin sitozin ve sitozinin guanindir (A-U, T-A, G-S, S-G). Görüldüğü üzere DNA’daki bazlara karşılık olarak RNA’daki bazlar yer almaktadır. Bu durum, Türkçe bir kelimenin eş anlamlısıyla karşılık bulmasına örnek verilebilir. Eğer DNA’daki şifre “ak” kelimesini ifade ediyorsa RNA’da bunun karşılığı “beyaz” olacaktır.

Protein sentezinde bir adet DNA yeterliyken, üç çeşit RNA kullanılmaktadır. Bunlar mesajcı RNA (mRNA), taşıyıcı RNA (tRNA) ve ribozomal RNA (rRNA)’dır.

Transkripsiyonda mRNA Sentezlenir

Transkripsiyon, DNA’daki şifreyle RNA yazılımıdır. Transkripsiyonda kısaca, DNA’daki bilgilerle bir RNA molekülü oluşturulmaktadır. Oluşturulan RNA, mesajcı RNA (mRNA)’dır çünkü DNA’daki mesajı taşıyacaktır. Transkripsiyon prokaryot hücrelerde hücre sitoplazmasında ve ökaryot hücrelerde çekirdekte meydana gelmektedir. Transkripsiyon üç aşamada gerçekleşir: başlama, uzama ve son bulma

• Başlama: Bu aşamada DNA’dan bilgi alabilmek için ikili zincirin açılması gereklidir. RNA polimeraz adlı bir enzim DNA’ya gelerek ona bağlanır ve DNA zincirlerini gevşetir. Bağlandığı bölgeye transkripsiyon başlatıcı denmektedir çünkü bu bölgede transkripsiyonun başlama noktası bulunmaktadır. RNA polimerazın başlangıç bölgesine bağlanması, transkripsiyon faktörleri adı verilen proteinlerle mümkün olur ve ardından başlama noktasında RNA sentezi başlamaktadır.
• Uzama: RNA polimeraz enzimi DNA boyunca ilerlerken aynı zamanda DNA’yı çözmektedir. RNA polimeraz, DNA’ya karşılık gelen RNA nükleotitlerini birbirine ekler. Bu sayede uzayan RNA zinciri, sonunda DNA’dan ayrılır. mRNA’daki üçlü nükleotit dizisine kodon denmektedir.
• Son Bulma: Bu aşama prokaryotlarda ve ökaryotlarda farklı biçimde gerçekleşmektedir. Prokaryotlarda, yeni oluşan RNA’da özel bir dizi vardır ve bu dizi transkripsiyonun son bulmasını sağlamaktadır. Sonuç olarak yeni oluşan RNA, DNA’dan ayrılır ve doğrudan translasyon aşamasına geçilmektedir. Ökaryotlarda ise RNA polimeraz, DNA’da TTATTT dizisini okur ve RNA’ya AAUAAA olarak yansıtır. RNA’da bu diziler oluşunca çekirdekte bulunan proteinler gelerek bu diziyi bağlar ve AAUAAA’dan önceki yaklaşık 20 diziyi keser. Oluşan bu RNA yapısına ön-mRNA denmektedir. Ökaryot hücrelerin çekirdeğinde oluşan bu öncül mRNA molekülünün, translasyon için sitoplazmaya geçmeden önce değiştirilmesi gerekmektedir. Değiştirilen mRNA artık olgun mRNA ismini alır.

Transkripsiyon Sonunda Olgun mRNA Nasıl Oluşur?

mRNA’nın değiştirilmesi; her iki ucunun değişmesini, bazı dizilerinin kesilmesini ve geri kalan kısımların birleştirilmesini ifade etmektedir. DNA ve RNA dizilerinin enzimler tarafından tek bir yönde okunur. Bu yüzden DNA ve RNA'nın iki ucu 3' ve 5' olarak adlandırılır, 3 ve 5 sayısı karbon sayısını göstermektedir. 

1. mRNA’nın 5’ ucuna başlık (cap) eklenir. Bu başlıkta yaklaşık 30 adet guanin bazlı nükleotit yer almaktadır.
2. mRNA’nın 3’ ucuna çoklu A kuyruğu (poly-A tail) eklenir. Bu kuyrukta 50-250 adet adenin bazlı nükleotid bulunmaktadır. Ön-mRNA’ya eklenen kuyruk ve başlığın temel işlevi, mRNA’nın çekirdekten çıkışını kolaylaştırmaktır. Ayrıca bu yapılar mRNA’yı çekirdek zarındaki parçalayıcı enzimlerden korumakta ve translasyonda çevrilmemektedirler. Bu parçalar amino aside çevrilmese de mRNA’nın ribozoma bağlanmasına yardımcı olmaktadırlar.
3. İntronlar kesilir. İntronlar, ön-mRNA'da olan ancak translasyona geçmeyecek nükleotid dizileridir.
4. Eksonlar birleştirilir. Eksonlar, intronların kesilmesinden geriye kalan ve translasyonda okunacak dizilerdir. Eksonlar birleştirilerek devamlı bir RNA dizisi meydana gelmiş olur.

Ön-mRNA’da gerçekleşen bu değişimler sonucunda gerçek bir mRNA oluşur ve bu mRNA translasyona hazır bir şekilde sitoplazmaya geçer.

Translasyonda Amino Asitler Bir Araya Gelir

Translasyon, mRNA’daki kodonlara göre amino asit okunmasıdır. Translasyonda, mRNA’daki kodonlara karşılık gelen amino asitler, ribozomda bir araya getirilmektedir. mRNA’dan amino asitlere geçiş yapmak bir dilden başka bir dile çeviri yapmak gibidir. Örneğin mRNA’daki kodon “beyaz” ise bir tercüman “white” kelimesini ortaya atar. Bu durumda çevirinin yapıldığı yer ribozomdur, yani translasyon ribozomlarda gerçekleşir.

Bu çeviri yapılırken tRNA’lar çevirmen görevi görürler. tRNA’nın görevi, sitoplazmada bulunan amino asitleri ribozoma getirerek amino asitlerin bir araya gelmesiyle meydana gelecek olan polipeptit zincirinin oluşmasına katkı sağlamaktır. Toparlayacak olursak DNA’daki “ak” kelimesi mRNA’da “beyaz” olarak karşımıza çıkarken tRNA bu kelimeyi başka bir dile çevirerek “white” yapar. Bildiğimiz gibi tercümanların görevi cümleleri çevirerek yeni bir dilde cümle kurmaktır. Her bir amino asidi birer kelime olarak düşünürsek tRNA’lar bu kelimeleri tek tek çevirerek yan yana koyar ve bir cümle oluştururlar.

tRNA (taşıyıcı RNA), yonca yaprağına benzer yapılı bir RNA’dır. mRNA’daki kodonlara karşılık olarak tRNA’da antikodonlar vardır ve bu antikodonlar amino asitlere karşılık gelirler. Örneğin DNA’daki genetik şifre CCG iken mRNA’daki kodonlar GGC olacaktır. Buna karşılık CCG antikodonlu bir tRNA, sitoplazmadan belirli bir amino asit taşıyarak ribozoma getirmektedir.

Protein sentezinin gerçekleştiği yer ribozomdur ve hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda bulunmaktadır. Ribozom küçük ve büyük olmak üzere iki alt birimden meydana gelmektedir. Ribozomun yapısında proteinler ve rRNA’lar (ribozomal RNA) bulunmaktadır. Hücrede protein sentezlenmediği zamanlar küçük alt birim ve büyük alt birim birbirinden ayrıdırlar. Ne zaman bir mRNA molekülü gelip ribozomun alt birimine bağlanırsa büyük alt birim de gelerek hücrede protein sentezine başlanmaktadır. mRNA, ribozomun bağlanma sitesine bağlanır ve bu kısım üç birimden oluşmaktadır: P, A ve E siteleri

• P sitesi: Uzamakta olan polipeptit zincirini taşıyan tRNA’yı tutar.
• A sitesi: Polipeptit zincirine yeni eklenecek amino asidi taşıyan tRNA’yı tutar.
• E sitesi: Amino asit taşımayan tRNA’yı tutar, bu tRNA E sitesinden ribozomu terk eder.

Translasyonun Aşamaları Nelerdir?

Translasyon da tıpkı transkripsiyon gibi üç aşamada gerçekleşmektedir: başlama, uzama ve son bulma

• Başlama: Bu aşamada mRNA, ribozomun küçük alt birimine bağlanmaktadır. mRNA’da AUG kodonuna ulaşıncaya dek hiçbir amino asit gelmez. Ne zaman mRNA’da AUG kodonuna ulaşılırsa o zaman translasyon başlamış demektir. mRNA, küçük alt birim ve AUG kodonuna karşılık gelen metiyonin amino asidini taşıyan tRNA bir araya gelince ribozomun büyük alt birimi de gelir ve translasyon başlatma kompleksi denen bir yapı oluşmuş olur. Metiyonin taşıyan tRNA, ribozomun P sitesine yerleşir ve boşta bekleyen A sitesi, yeni gelecek amino asitleri taşıyan tRNA’lar için hazır haldedir.
• Uzama: Bu aşamada tRNA’ların getirdiği amino asitler birer birer bir önceki amino aside bağlanmaktadır. Yeni tRNA A sitesine bağlanıp amino asidi polipeptit zincirine ekleyince kayarak E sitesine geçmekte ve ardından ribozomu terk ederek sitoplazmaya dönmektedir.
• Son Bulma: Bu translasyonun yani protein sentezinin son evresidir. Translasyon, durdurma emrini veren kodonlar (durdurma kodonu) nedeniyle son bulmaktadır. mRNA’lardaki bu kodonlar UGA, UAG veya UAA’dır. Bu kodonlardan herhangi bir tanesi ribozomun A sitesine ulaşana kadar translasyon devam eder. A sitesine gelindiğinde bu kodonların amino asit taşıyan bir tRNA çağırması beklenir ancak durdurma kodonlarının karşılık geldiği hiçbir tRNA yoktur, dolayısıyla hiçbir amino asit de gelmeyecektir. Bu durumda hali hazırda oluşmuş zincire yeni bir amino asit eklenmek yerine su eklenmekte ve reaksiyon tamamlanmaktadır. Bu da polipeptit zincirinin ribozomdan ayrılmasıyla sonuçlanmaktadır.

Hücrelerimizde ve vücudumuzda oldukça önemli bir yere sahip olan protein molekülleri, DNA’daki genetik şifrenin mRNA’ya çevrilerek mRNA’daki kodonlara göre uygun amino asitlerin bir araya getirilmesiyle oluşmaktadır. Oluşturulan bu proteinler, hücre zar yapısına katılabileceği gibi, hücre dışı iskelet yapısında da bulunabilmektedirler. Hücrelerde birbirinden farklı görevler için özelleşmiş proteinlerin üretilmesi, adeta bir makine olan vücudumuzun aksamadan çalışmasını sağlamaktadır.