Genden Proteine: DNA Bilgisinin mRNA ve Ribozomla Proteine Dönüşümü

DNA’daki gen bilgisi ribozoma nasıl ulaştırılır?

Bir gen, belirli bir ürünün oluşturulması için gerekli nükleotit dizisini taşıyan DNA bölgesidir. Protein sentezi bakımından bu bilgi tek aşamada kullanılmaz. Önce DNA’daki ilgili bölümün bilgisi RNA biçiminde kopyalanır. Bu RNA türü mRNA’dır; açılımı mesajcı RNA’dır.

Transkripsiyon, DNA’nın kalıp olarak kullanılmasıyla tamamlayıcı bir RNA zincirinin oluşturulmasıdır. DNA’daki adenin RNA’da urasil ile, timin ise adenin ile eşleşir; guanin sitozinle, sitozin de guaninle eşleşir. Böylece DNA’daki dizinin bilgisi korunarak mRNA’ya aktarılır. Burada DNA’nın tamamı değil, protein sentezi için gerekli gen bölgesi kullanılır.

Ökaryot hücrelerde bu ilk aşama çekirdekte gerçekleşir. Oluşan mRNA, DNA’nın kendisi değildir; DNA’daki bilginin ribozomda okunabilecek geçici taşıyıcısıdır. Bu ayrım önemlidir: Transkripsiyonun ürünü protein değil RNA’dır. Protein, ancak sonraki translasyon aşamasında oluşur.

Kodon, antikodon ve amino asit sırası nasıl okunur?

mRNA ribozoma ulaştığında nükleotit dizisi üçlü gruplar hâlinde okunur. mRNA üzerindeki her üç nükleotitlik birim kodon olarak adlandırılır. Bir kodon, bir amino asidin belirlenmesinde veya translasyonun sonlandırılmasında görev alır.

tRNA, uygun amino asidi ribozoma taşıyan RNA türüdür. tRNA üzerindeki antikodon, mRNA’daki kodonla tamamlayıcı ve karşılıklı yönleri zıt olacak şekilde eşleşir. Örneğin mRNA kodonu 5'-AUG-3' ise buna karşılık gelen antikodon 3'-UAC-5' biçiminde gösterilir. Böylece doğru amino asidin doğru sıraya eklenmesine katkı sağlanır.

Ribozom mRNA’yı kodon kodon ilerleyerek okur ve amino asitler arasında peptit bağlarının kurulmasını sağlar. Oluşan ilk ürün, amino asitlerden meydana gelen polipeptit zinciridir. Bu zincir daha sonra kendi özgül üç boyutlu yapısını kazanarak işlevsel bir protein hâline gelebilir. Bu nedenle protein sentezini yalnızca amino asitlerin yan yana dizilmesi olarak düşünmek eksiktir; amino asit sırası, proteinin yapısını ve görevini etkileyen temel bilgidir.

Bir mRNA dizisinde sonlandırma kodonuna kadar bulunan kodonlar amino asit sırasını belirler. Sonlandırma kodonu bir amino asit taşımaz; ribozoma zincirin bırakılması gerektiğini bildirir. Bu yüzden soru çözerken kodon sayısı ile oluşan amino asit sayısını otomatik olarak eşit kabul etmemek gerekir.

Translasyon ribozomda hangi sırayla gerçekleşir?

Translasyonun başlangıcında ribozom mRNA üzerindeki uygun başlangıç bölgesine yerleşir. Lise düzeyinde en sık kullanılan başlangıç kodonu AUG’dur. Bu kodonun karşılığı olan tRNA ribozoma gelir ve ilk amino asidin yerleşmesine aracılık eder.

Daha sonra ribozom mRNA boyunca ilerler. Her yeni kodon için antikodonu tamamlayıcı olan tRNA ribozoma bağlanır. Taşınan amino asit, daha önce eklenmiş zincire peptit bağıyla bağlanır. tRNA’lar görevlerini tamamladıktan sonra ayrılır; yeni tRNA’lar sıradaki amino asitleri taşır.

Ribozom bir sonlandırma kodonuna ulaştığında yeni amino asit eklenmesi durur ve polipeptit zinciri serbest bırakılır. Bu basamakta mRNA’nın kodon sırası, proteinin amino asit sırasını belirler. mRNA’nın farklı bir bölümü okunursa farklı bir amino asit dizisi ve dolayısıyla farklı özellikte bir protein oluşabilir.

Aynı mRNA üzerinde birden fazla ribozomun aynı anda çalışması poliribozom veya polizom olarak adlandırılır. Kaynakta bu yapı protein sentezi başlığı altında ayrıca ele alınır. Polizomun mantığı, tek bir mRNA’nın aynı anda birden fazla ribozom tarafından okunabilmesidir; böylece aynı mRNA bilgisinden birden çok polipeptit zinciri üretilebilir.

Gen aynı olsa da hücreler neden farklı proteinler üretir?

Çok hücreli canlılarda hücrelerin DNA’sı büyük ölçüde aynı genetik bilgiyi taşır; buna rağmen sinir, kas ve karaciğer hücreleri aynı yapı ve göreve sahip değildir. Bunun temel nedeni, her hücrede bütün genlerin aynı anda ifade edilmemesidir. Bir hücre bazı genleri aktif hâle getirerek ihtiyaç duyduğu proteinlerin üretimini artırabilir veya bazı genlerin kullanımını sınırlandırabilir.

Bu nedenle bir genin DNA’da bulunması, o genin her hücrede sürekli olarak proteine dönüştürüldüğü anlamına gelmez. Gen ifadesi, bir genin bilgisinin RNA veya protein ürününe dönüştürülmesidir. Gen ifadesinin düzenlenmesi ise bunun hangi zamanda, hangi hücrede ve hangi düzeyde gerçekleşeceğini belirler. Hücre farklılaşmasının anlaşılmasında bu ara kavram önemlidir: Farklı hücre tipleri, aynı DNA’yı taşımalarına rağmen farklı genleri farklı düzeylerde ifade ettikleri ve farklı proteinler ürettikleri için farklılaşır.

Ayrıca DNA dizisindeki bir değişiklik, mRNA’daki kodonları veya proteinin amino asit sırasını etkileyebilir. Ancak her DNA değişikliğinin mutlaka aynı ölçüde sonuç doğuracağı söylenemez. Değişikliğin hangi bölgede bulunduğu, kodonun nasıl değiştiği ve proteinin etkilenen bölümünün işlev açısından önemi sonucu belirler. Bu nedenle tek bir örneğe bakarak bütün mutasyonların aynı sonucu doğurduğu genellenmemelidir.

Çözümlü örnek: DNA dizisinden mRNA ve amino asit dizisine

Verilenler: Protein sentezinde kullanılacak DNA’nın kodlayan zinciri 5'-ATG GAA TTT TGA-3' olsun. Bu örnekte DNA dizisi, mRNA dizisiyle aynı bilgi sırasını taşır; yalnızca DNA’daki timin yerine RNA’da urasil bulunur.

Adım 1 — mRNA’yı yazma: Kodlayan DNA zincirinden mRNA yazılırken T yerine U kullanılır. Buna göre mRNA dizisi 5'-AUG GAA UUU UGA-3' olur.

Adım 2 — kodonları ayırma: mRNA üçlü gruplar hâlinde okunur: AUG | GAA | UUU | UGA.

Adım 3 — kodonların görevini belirleme: AUG başlangıç kodonudur ve ilk amino asidin yerleşmesini başlatır. GAA ve UUU amino asitlerin dizideki sırasını belirleyen kodonlardır. UGA ise sonlandırma kodonudur ve amino asit taşımaz.

Adım 4 — sonucu ifade etme: mRNA dizisi 5'-AUG GAA UUU UGA-3' olduğuna göre amino asit dizisi metiyonin-glutamik asit-fenilalanin olmak üzere üç amino asitten oluşur; UGA amino asit kodlamaz.

Sonuç: mRNA dizisi 5'-AUG GAA UUU UGA-3'; amino asit dizisi ise üç amino asitten oluşan bir polipeptit parçasıdır. Bu örnekte amaç, DNA → mRNA → kodonların okunması → amino asit sırası zincirini kurmaktır.

Çözümlü örnek: Kodon ile antikodonun yönünü karıştırmama

Verilenler: mRNA üzerindeki kodon 5'-GCU-3' olsun.

Adım 1 — tamamlayıcı bazları bulma: RNA’da G, C ile; C, G ile; U ise A ile eşleşir. Bu nedenle tamamlayıcı dizi UCG olur.

Adım 2 — yönü doğru yazma: Antikodon, kodonla zıt yönlü eşleştiği için antikodon 3'-CGA-5' biçiminde gösterilir. Kodonu ve antikodonu ikisini de 5'ten 3'e yazarak 5'-GCU-3' ve 5'-UCG-3' demek yön bakımından doğru eşleşmeyi göstermez.

Adım 3 — görevleri ayırma: GCU mRNA kodonudur ve ribozomun okuduğu üçlüdür. 3'-CGA-5' ise uygun amino asidi taşıyan tRNA üzerindeki antikodondur.

Sonuç: Kodon mRNA üzerinde, antikodon tRNA üzerinde bulunur. Kodonun amino asit sırasındaki bilgi birimini temsil etmesi ile antikodonun tamamlayıcı eşleşmeyi sağlaması aynı görev değildir.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

1. Transkripsiyon ile translasyonu karıştırmak: DNA’dan RNA oluşuyorsa transkripsiyon; mRNA bilgisinden polipeptit oluşuyorsa translasyon söz konusudur. İlkinde ürün RNA, ikincisinde ürün amino asitlerden oluşan polipeptit zinciridir.

2. Kodon ile antikodonu aynı yerde aramak: Kodon mRNA’da, antikodon tRNA’dadır. Ribozom mRNA’yı okur; tRNA ise uygun amino asidi getirir.

3. DNA’daki timini RNA’da kullanmak: RNA dizisi yazılırken timin yerine urasil yazılır. Bu yüzden DNA’daki ATG dizisi, ilgili kodlayan zincir gösteriminde mRNA’da AUG olarak görülür.

4. Sonlandırma kodonunu amino asit saymak: Sonlandırma kodonu amino asit belirtmez. Bir mRNA’da son kodon stop ise, amino asit sayısı toplam kodon sayısından bir eksik olur. Bu ifade, verilen dizide gerçekten bir sonlandırma kodonu bulunduğu durumda geçerlidir.

5. DNA’nın tamamının tek seferde mRNA’ya kopyalandığını düşünmek: Protein sentezi için genin ilgili bölgesi kullanılır. DNA’nın tümünün tek bir mRNA olarak kopyalandığı varsayımı doğru değildir.

6. Her hücrenin bütün genleri aynı düzeyde kullandığını sanmak: Aynı genetik bilgiye sahip hücreler farklı genleri ifade edebilir. Hücre tipleri arasındaki işlev farklarını açıklarken gen ifadesinin seçici olmasını hesaba katmak gerekir.

7. Her mutasyonu aynı sonuçla eşleştirmek: Bir değişikliğin sonucu, dizinin hangi bölümünü ve protein bilgisini nasıl etkilediğine bağlıdır. Bu nedenle yalnızca mutasyon sözcüğünü görmek, otomatik olarak işlevsiz protein sonucu çıkarmaz.

8. Polipeptit ile olgun proteini eş anlamlı kabul etmek: Translasyonun doğrudan ürünü amino asit zinciridir. Zincirin katlanması ve gerekli düzenlemeleri geçirdikten sonra işlevsel protein hâline gelmesi mümkündür; bu aşamaların ayrımını soru köküne göre yapmak gerekir.