Translasyon Nasıl Gerçekleşir? mRNA’dan Protein Sentezi

mRNA’daki kodonlar proteinin amino asit sırasını nasıl belirler?

mRNA üzerindeki her üç nükleotitlik diziye kodon denir. Kodonlar, ribozomun mRNA’yı hangi sırayla okuyacağını belirleyen küçük bilgi birimleridir. Bir kodon genellikle belirli bir amino asitle ilişkilidir; bu nedenle kodonların mRNA üzerindeki sırası, oluşacak polipeptit zincirindeki amino asitlerin sırasını etkiler.

AUG, ökaryotlarda en yaygın başlangıç kodonudur ve uygun dizi bağlamında başlatıcı tRNA tarafından tanınır. Bakterilerde bazı durumlarda GUG veya UUG de başlangıç kodonu olabilir. Başlangıç tRNA’sının taşıdığı amino asit ökaryotlarda metiyonin, bakterilerde ise genellikle formilmetiyonindir (fMet). UAA, UAG ve UGA ise sonlanma kodonlarıdır. Bunlar amino asit kodlamaz; ribozomun zinciri uzatmayı bırakması ve polipeptidin serbest kalması için bitiş sinyali görevi görür.

Buradaki önemli nokta, mRNA’nın üçlü gruplara hangi noktadan ayrıldığıdır. Aynı nükleotit dizisi farklı bir başlangıç noktasından okunursa kodon grupları değişebilir. Bu nedenle bir dizinin protein karşılığını hesaplarken önce başlangıç kodonunun ve okuma çerçevesinin belirlenmesi gerekir. Başlangıç noktası verilmemiş bir nükleotit dizisinden doğrudan amino asit sırası çıkarmak doğru değildir.

Bir kodonun üç nükleotitten oluşması, amino asit sayısının nükleotit sayısına eşit olduğu anlamına gelmez. Sonlanma kodonu amino asit eklemediği için, başlangıç ve sonlanma kodonları arasındaki kodonlar amino asit zincirinin uzunluğunu belirler. Genel hesap mantığı, uygun bir başlangıç ve ilk sonlanma kodonu varsayımıyla şu şekilde yazılabilir: $amino\ asit\ sayısı = toplam\ kodon\ sayısı - sonlanma\ kodonu\ sayısı$.

Ribozomun A, P ve E bölgelerinde hangi işlemler gerçekleşir?

Ribozom, küçük ve büyük olmak üzere iki alt birimden oluşur. mRNA’nın okunması ve amino asitlerin zincir hâline getirilmesi bu yapının koordineli çalışmasıyla gerçekleşir. Ribozom üzerinde A, P ve E olarak adlandırılan üç temel bağlanma bölgesi bulunur.

A bölgesi, uygun amino asidi taşıyan yeni tRNA’nın ribozoma geldiği bölgedir. P bölgesinde büyümekte olan polipeptit zincirini taşıyan tRNA bulunur. E bölgesi ise amino asidini bırakmış tRNA’nın ribozomdan ayrılmadan önce geçtiği çıkış bölgesidir. Bu bölgelerin sırası, tRNA hareketini anlamak için önemlidir: yeni tRNA A bölgesine girer, zincir P bölgesindeki tRNA’dan A bölgesindeki amino aside aktarılır, ardından ribozom mRNA üzerinde ilerler.

Peptit bağı oluşumu sırasında amino asitler arasında bağlantı kurulur ve polipeptit zinciri uzar. Sonraki translokasyon adımında tRNA’lar bir sonraki konumlarına kayar: A bölgesindeki tRNA P bölgesine, P bölgesindeki boş tRNA ise E bölgesine geçer. E bölgesindeki tRNA daha sonra ribozomu terk eder.

Bu mekanizma, translasyonun yalnızca mRNA ile tRNA’nın rastgele eşleşmesinden ibaret olmadığını gösterir. Ribozom hem doğru kodon-antikodon eşleşmesini izleyen bir yapı hem de amino asitleri zincir hâline getiren moleküler bir makinedir. Doğru amino asidin doğru tRNA’ya yüklenmesinde aminoasil-tRNA sentetaz enzimleri görev alır.

Başlatma, uzama ve sonlanma birbirinden nasıl ayrılır?

Başlatma evresinde küçük ribozomal alt birim, mRNA ve metiyonin taşıyan başlatıcı tRNA bir araya gelir. Başlatıcı tRNA’nın AUG kodonunu tanımasıyla başlatma kompleksi oluşur; ardından büyük ribozomal alt birim komplekse katılır. Böylece ribozom, mRNA’yı kodonlar hâlinde okumaya ve zinciri uzatmaya hazır hâle gelir.

Uzama evresinde sıradaki kodona uygun amino asidi taşıyan tRNA ribozomun A bölgesine girer. A bölgesindeki amino asit ile P bölgesindeki zincir arasında peptit bağı kurulur. Daha sonra ribozom mRNA üzerinde bir kodon ilerler. Bu hareket, tRNA’ların A, P ve E bölgeleri arasındaki yer değişimini sağlar. Yeni tRNA’ların gelmesi ve peptit bağlarının kurulması sürdükçe polipeptit zinciri uzar.

Sonlanma, UAA, UAG veya UGA kodonlarından birinin ribozomun A bölgesine gelmesiyle başlar. Bu kodonlar için amino asit taşıyan bir tRNA yerine özel salım faktörleri görev alır. Salım faktörleri, polipeptit zincirinin P bölgesindeki tRNA’dan ayrılmasını tetikler. Sonrasında ribozom alt birimleri ve diğer bileşenler ayrışır.

Evreleri ayırırken şu ölçüt kullanılabilir: başlangıçta kompleks kurulur ve AUG tanınır; uzamada amino asitler sırayla eklenir; sonlanmada stop kodonu okunur ve zincir serbest bırakılır. Bu üç evre birbirine bağlıdır ancak aynı olay değildir.

Çözümlü örnek: Kodon sayısından amino asit sayısını bulma

Verilenler: Bir mRNA parçasının 18 nükleotitten oluştuğu, dizinin AUG ile başladığı ve son kodonun UAA olduğu kabul edilsin. Ayrıca bu okuma çerçevesinde terminal UAA’dan önce başka bir UAA, UAG veya UGA sonlanma kodonu bulunmadığı; yani UAA’nın ilk in-frame stop kodonu olduğu varsayılsın. Soru, bu parçadan kaç amino asitlik bir polipeptit oluşacağını soruyor.

1. adım — Kodon sayısını bulma: Her kodon üç nükleotitten oluştuğu için toplam kodon sayısı $18 / 3 = 6$ olur.

2. adım — Sonlanma kodonunu ayırma: Altı kodondan biri UAA’dır. UAA amino asit kodlamaz; yalnızca translasyonun sona ermesini bildirir. Ribozom, aynı okuma çerçevesinde karşılaştığı ilk sonlanma kodonunda durur.

3. adım — Amino asit sayısını hesaplama: UAA’nın ilk in-frame stop kodonu olması koşuluyla $6 - 1 = 5$. Buna göre, verilen başlangıç ve okuma çerçevesi koşulları altında polipeptit zincirinde 5 amino asit bulunur.

Sonuç: Bu mRNA parçası, sonlanma kodonu amino asit eklemediği ve UAA’dan önce başka bir sonlanma kodonu bulunmadığı için 5 amino asitlik bir polipeptit oluşturur.

Dikkat edilmesi gereken koşul şudur: Bu hesap, dizinin AUG ile başladığı ve 18 nükleotitlik parçadaki UAA’nın aynı okuma çerçevesinde ilk sonlanma kodonu olduğu varsayımına dayanır. Başlangıç noktası veya okuma çerçevesi verilmezse yalnızca nükleotit sayısına bakarak kesin amino asit sayısı belirlenemez.

Çözümlü örnek: Ribozom bölgelerinde tRNA hareketini izleme

Verilenler: Uzama evresinde P bölgesinde büyümekte olan zinciri taşıyan bir tRNA, A bölgesinde ise sıradaki amino asidi taşıyan uygun tRNA bulunsun.

1. adım — A bölgesini belirleme: A bölgesindeki tRNA, mRNA’nın sıradaki kodonuna uygun antikodonu taşır. Bu tRNA’nın getirdiği amino asit, zincire eklenecek yeni amino asittir.

2. adım — Peptit bağını değerlendirme: P bölgesindeki zincir ile A bölgesindeki amino asit arasında peptit bağı kurulur. Böylece polipeptit zinciri bir amino asit kadar uzar.

3. adım — Translokasyonu izleme: Ribozom mRNA üzerinde bir kodon ilerler. A bölgesindeki tRNA, taşıdığı zincirle birlikte P bölgesine geçer. P bölgesinde bulunan ve amino asidini bırakmış tRNA ise E bölgesine kayar.

4. adım — Çıkışı belirleme: E bölgesindeki boş tRNA ribozomdan ayrılır. Yeni bir tRNA tekrar A bölgesine girebilir ve döngü devam eder.

Sonuç: Bu sıralama, uzama evresindeki temel hareketi gösterir: yeni tRNA A’ya gelir, peptit bağı kurulur, ribozom ilerler, tRNA’lar A-P-E yönünde yer değiştirir. A bölgesi yeni amino asidin girişini, P bölgesi büyüyen zinciri, E bölgesi ise boş tRNA’nın çıkışını temsil eder.

Polipeptit zinciri ne zaman işlevsel proteine dönüşür?

Translasyonun sona ermesiyle serbest kalan ürün, amino asitlerden oluşan bir polipeptit zinciridir. Bu zincir bazı durumlarda doğru üç boyutlu yapıyı kazanmak için katlanır. Ayrıca proteinin işlevini, kararlılığını, hedef hücresel bölgeye yönlendirilmesini veya diğer moleküllerle etkileşimini etkileyebilen post-translasyonel değişiklikler gerçekleşebilir.

Bu değişiklikler arasında disülfür bağlarının oluşumu, glikozilasyon, fosforilasyon, asetilasyon ve belirli bölgelerin proteolitik kesimi sayılabilir. Ancak her polipeptidin bütün bu işlemlerden geçmesi gerektiği söylenmemelidir; hangi değişikliklerin gerçekleşeceği proteinin yapısına ve hücresel bağlama bağlıdır.

Bu aşama, protein sentezi ile işlev kazanma arasındaki farkı açıklar. mRNA’nın doğru okunması gerekli olmakla birlikte tek başına yeterli olmayabilir. Polipeptit uygun biçimde katlanamazsa veya gerekli kimyasal düzenlemeyi alamazsa beklenen işlevini yerine getiremeyebilir. Bu nedenle genetik bilginin proteine dönüşümünü değerlendirirken translasyon sonrası süreç de dikkate alınmalıdır.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

1. Transkripsiyon ile translasyonu karıştırmak: Transkripsiyon, DNA’daki bilginin mRNA’ya aktarılmasıdır. Translasyon ise mRNA’daki bilginin amino asit dizisine çevrilmesidir. DNA’dan doğrudan amino asit zinciri üretilmez; iki süreç arasında mRNA bulunur.

2. Stop kodonlarını amino asit sanmak: UAA, UAG ve UGA sonlanma sinyalidir. Bunlar zincire amino asit eklemez. Bu nedenle kodon sayısı ile amino asit sayısı, sonlanma kodonu hesaba katıldığında eşit değildir.

3. A, P ve E bölgelerinin görevlerini ters çevirmek: Yeni amino asidi taşıyan tRNA A bölgesine gelir; büyüyen zincir P bölgesindeki tRNA ile ilişkilidir; boş tRNA E bölgesinden çıkar. Özellikle A bölgesinin amino asit ekleme bölgesi, P bölgesinin ise yalnızca giriş bölgesi olduğu düşüncesi hatalıdır.

4. Başlangıç kodonunu yalnızca bir bitiş işareti gibi değerlendirmek: AUG, verilen okuma çerçevesinde translasyonun başlatılmasını sağlar ve başlangıç tRNA’sı metiyonin taşır.

5. Her mRNA parçasını baştan sona çevirmek: Bir mRNA dizisini yorumlamak için başlangıç kodonu, kodonların üçlü gruplara ayrılması ve uygun okuma çerçevesi belirlenmelidir. Başlangıç noktası bilinmiyorsa sonuç koşullu ifade edilmelidir.

6. Translasyon ürününü hemen olgun protein kabul etmek: Translasyonun ilk ürünü polipeptit zinciridir. Katlanma veya post-translasyonel modifikasyonlar gerekebileceğinden, polipeptit ile işlevsel protein kavramları bazı durumlarda aynı aşamayı ifade etmez.