Genetik Şifre ve Protein Sentezi: DNA’dan Proteine

64 olasılığın 20 amino aside dönüşmesi

DNA’da dört farklı nükleotit bazı bulunur: adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozin (C). RNA’da timin yerine urasil (U) bulunur. Proteinlerde kullanılan temel amino asit sayısı 20 olduğundan, dört sembolün tekli veya ikili gruplar hâlinde kullanılması tüm amino asitleri belirtmeye yetmez. Üçlü gruplar kullanıldığında olası dizi sayısı $4^3=64$ olur.

Protein sentezinde kodon, mRNA üzerindeki art arda gelen üç nükleotitten oluşan anlamlı birimdir. Bu 64 olasılığın 61’i amino asitleri kodlar; UAA, UAG ve UGA ise amino asit eklenmesini durduran kodonlardır. Böylece bazı amino asitler birden fazla kodonla gösterilebilir. Bu özelliğe genetik şifrenin dejenerasyonu veya eş anlamlılığı denir. Örneğin serin için birden fazla kodon bulunması, bazı nükleotit değişikliklerinin amino asit dizisini değiştirmemesine olanak sağlayabilir.

Burada iki kavramı ayırmak gerekir: Kodon mRNA’da bulunur; DNA’daki üçlü dizi için lise düzeyinde çoğunlukla DNA üçlüsü veya kalıp şablon dizisi gibi ifadeler kullanılır. DNA’nın kodlayan zincirindeki dizi, mRNA dizisine T yerine U gelmesi dışında benzer olabilir. Kalıp zincir okunuyorsa mRNA, bu zincire tamamlayıcı olarak oluşturulur. Bu ayrım yapılmadan DNA dizisinden doğrudan kodon sonucu çıkarmak hatalı olabilir.

DNA bilgisinin mRNA’ya yazılması: transkripsiyon

Protein sentezinin ilk bilgi aktarım basamağı transkripsiyondur. Bu aşamada DNA’nın ilgili gen bölgesindeki bilgi, RNA nükleotitleri kullanılarak mRNA’ya aktarılır. DNA’daki T’nin RNA karşılığı U’dur. Eşleşme mantığı kalıp DNA zinciri üzerinden düşünülür: DNA’daki A karşısına RNA’da U, DNA’daki T karşısına A, DNA’daki G karşısına C ve DNA’daki C karşısına G gelir.

Transkripsiyonun amacı DNA’nın tamamını kopyalamak değil, ihtiyaç duyulan gen bölgesinin RNA kopyasını oluşturmaktır. Ökaryot hücrelerde DNA çekirdekte, ribozomlar ise sitoplazmada bulunduğundan mRNA genellikle çekirdekten sitoplazmaya taşınır. Prokaryotlarda çekirdek zarı bulunmadığı için bu mekânsal ayrım aynı biçimde kurulmaz. Bu nedenle “DNA’dan mRNA oluşur” ifadesi bilgi akışını anlatır; bunun hücrenin her tipinde aynı bölmede gerçekleştiği anlamına gelmez.

Transkripsiyon sonunda oluşan mRNA’nın kodonları, translasyonda ribozom tarafından okunur. mRNA’daki dizinin hangi noktadan itibaren üçlü gruplara ayrılacağı önemlidir. İlk nükleotitten, ikinci nükleotitten veya üçüncü nükleotitten başlanması farklı kodonlar oluşturur. Bu başlangıç düzenine okuma çerçevesi denir.

Ribozomun kodonları amino asit sırasına çevirmesi

Translasyon, mRNA’daki genetik bilginin amino asit dizisine dönüştürülmesidir. Ribozom mRNA üzerindeki kodonları üçlü gruplar hâlinde ve belirli bir yönde okur. tRNA molekülleri, taşıdıkları amino asitleri ribozoma getirir. tRNA üzerindeki antikodon, mRNA’daki uygun kodonla tamamlayıcı eşleşme kurarak doğru amino asidin zincire eklenmesine yardımcı olur.

Başlangıç kodonu olarak AUG, hem metiyonin amino asidini belirtir hem de birçok protein sentezinde başlangıç işareti görevi görür. Başlangıç kodonu bulunduğunda ribozomun okuma çerçevesi belirlenir ve amino asitler bu çerçeveye göre sırayla eklenir. UAA, UAG veya UGA kodonlarından biri okunduğunda ise ilgili kodon için amino asit getirilmez; zincirin uzaması sonlandırılır.

Dolayısıyla “dur kodonu bir amino asidi kodlar” demek doğru değildir. Dur kodonlarının görevi, polipeptit zincirinin tamamlandığını bildirmektir. Oluşan zincir daha sonra katlanabilir veya başka moleküllerle etkileşerek işlevsel protein hâline gelebilir. Amino asit sırası değiştiğinde proteinin üç boyutlu yapısı ve işlevi de değişebilir; fakat bu sonuç her tek nükleotit değişiminde ortaya çıkmaz.

Dejenerasyonun mutasyon sonuçlarını nasıl değiştirdiği

Bir amino asidin birden fazla kodon tarafından belirtilmesine genetik şifrenin dejenerasyonu denir. Bu durum, özellikle kodonun bir amino asidi belirlemede etkisi daha düşük olabilen son konumundaki değişikliklerin bazen aynı amino asidin kullanılmasına yol açabilmesi bakımından önemlidir. Böyle bir değişiklik amino asit dizisini değiştirmediği için sessiz mutasyon olarak adlandırılabilir.

Bununla birlikte dejenerasyon, mutasyonların etkisiz kalacağını garanti etmez. Yeni kodon başka bir amino asidi gösterebilir; bu durumda amino asit değişimi meydana gelir. Değişen kodon bir dur kodonuna dönüşürse zincir normalden erken sonlanabilir. Tersine, bir dur kodonunun amino asit kodlayan kodona dönüşmesi de zincirin gereğinden uzun oluşmasına yol açabilir. Değişikliğin sonucu; kodonun yerine, proteinin ilgili bölgesine ve amino asit değişiminin proteinin yapısına etkisine bağlıdır.

Bu nedenle “tek nükleotit değişikliği mutlaka proteini bozar” ve “dejenerasyon her mutasyonu etkisizleştirir” ifadelerinin ikisi de aşırı genellemedir. Doğru karar için eski ve yeni mRNA kodonları karşılaştırılmalı, amino asit veya durma sinyali değişip değişmediği kontrol edilmelidir.

Çözümlü örnek: mRNA kodonlarından polipeptide geçiş

Verilen mRNA dizisi: 5'-AUG GCU UUU UGA-3'. Bu dizinin amino asit sırası sorulsun.

1. adım — Diziyi üçlü gruplara ayırma: Dizi zaten kodonlar hâlinde verilmiştir: AUG | GCU | UUU | UGA.

2. adım — Başlangıcı belirleme: AUG başlangıç kodonudur ve metiyonini belirtir. Bu kodondan sonra okuma aynı çerçevede sürdürülür.

3. adım — Kodonları amino asitlerle eşleştirme: AUG metiyonin, GCU alanin, UUU fenilalanin anlamına gelir.

4. adım — Dur kodonunu değerlendirme: UGA bir dur kodonudur; zincire amino asit eklenmez ve sentez burada sonlanır.

Sonuç: Oluşan polipeptit dizisi metiyonin–alanin–fenilalanindir. UGA amino asit dizisine eklenmez. Soruda yalnızca amino asit sayısı isteniyorsa cevap 3’tür; dur kodonu bu sayıya katılmaz.

Çözümlü örnek: kalıp DNA’dan mRNA ve amino asit dizisi

Verilen kalıp DNA zinciri: 3'-TAC CGA AAA ACT-5'. Kalıp zincirden mRNA dizisinin ve amino asit sırasının bulunması isteniyor.

1. adım — Tamamlayıcı RNA dizisini yazma: Kalıp DNA’daki T’nin karşısına RNA’da A, A’nın karşısına U, C’nin karşısına G, G’nin karşısına C gelir. Bu nedenle mRNA dizisi 5'-AUG GCU UUU UGA-3' olur.

2. adım — Yönü kontrol etme: Kalıp DNA 3'ten 5'e verildiği için oluşan mRNA tamamlayıcı olarak 5'ten 3'e yazılır. Yön kontrolü yapılmazsa dizinin ters okunması mümkün olur.

3. adım — Kodonları ayırma: mRNA kodonları AUG | GCU | UUU | UGA şeklindedir.

4. adım — Çevirme: AUG metiyonin, GCU alanin, UUU fenilalanin belirtir; UGA dur sinyalidir.

Sonuç: mRNA 5'-AUG GCU UUU UGA-3'; polipeptit metiyonin–alanin–fenilalanindir. Bu örnekte DNA dizisini doğrudan kodon kabul etmek yerine önce kalıp zincirden mRNA’ya tamamlayıcı dönüşüm yapılması gerekir.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

• Kodon ile antikodonu karıştırmak: Kodon mRNA’da, antikodon tRNA’da bulunur. İkisi tamamlayıcıdır; aynı dizi değildir.

• DNA’daki T’yi mRNA’ya aynen taşımak: RNA’da T yerine U bulunur. Ancak dönüşümün tamamlayıcı mı yoksa kodlayan zincir üzerinden mi yapılacağı, soruda verilen DNA zincirine bağlıdır.

• Her üçlü DNA dizisine kodon demek: Kodon terimi doğrudan mRNA’daki üçlü nükleotit birimi için kullanılmalıdır.

• Dur kodonunu amino asit saymak: UAA, UAG ve UGA amino asit taşımaz; sentezin sonlanmasını sağlar.

• Başlangıç kodonunu yalnızca “metiyonin” olarak görmek: AUG metiyonini kodlar; aynı zamanda translasyonun başlangıç noktasını belirleyen işaret olabilir.

• Okuma çerçevesini göz ardı etmek: Aynı dizi farklı bir nükleotitten başlatılırsa kodonlar değişir ve tamamen farklı bir amino asit dizisi elde edilir.

• Dejenerasyonu mutasyonlara tam koruma sanmak: Aynı amino asidi veren kodonlar bulunduğu için bazı değişiklikler sessiz kalabilir; fakat bazıları amino asit değişimine veya erken durmaya yol açabilir.

• DNA’dan proteine geçişte RNA basamağını atlamak: Genetik bilgi akışının temel şeması DNA → RNA → protein şeklindedir. DNA’nın proteinle doğrudan eşleştirildiği varsayımı, özellikle T/U ve tamamlayıcı zincir sorularında hata doğurur.