Protein sentezi

Protein sentezi, hücrenin protein sentezlenmesi için gereken bir biyokimyasal süreçtir. Bu terim bazen sadece protein translasyonu anlamında kullanılsa da transkripsiyon ile başlayıp translasyonla biten çok aşamalı bir süreçtir. Prokaryotlarda ve ökaryotlarda ribozom yapısı ve yardımcı proteinler bakımından farklılık göstermesine karşın, temel mekanizma korunmuştur.

Protein sentezi için aminoasil-tRNA'ların hazırlanmasında, ya da sentez süresince ATP ve GTP hidrolizi ile yüksek miktarda enerji harcanır. Ayrıca, hücreler ürettikleri enerjinin büyük kısmını protein sentezinde görev alan yapıları oluşturmakta kullanırlar.
Bu sürecin genel hata oranı 10-4 civarındadır (her 10000 amino asitten bir hatalı yerleştirilir). Bazı antibiyotikler protein sentezine müdahale ederek etki gösterirler.
Genetik bilgi akışında sıra protein sentezine geldiğinde mRNA’dan başka tRNA’da devreye girerek ribozomlarda protein sentezi gerçekleşir. mRNA da yer alan kodonların taşıdığı genetik mesaj ribozomlarda adım adım deşifre edilerek uygun amino asitler tRNA vasıtasıyla ribozoma getirilir. Hücre sitoplazmasında 20 çeşit aminoasit tRNA ların bağlanabilecekleri çeşitli bölgeler bulunur ve amino asitlerini bırakan tRNA’lar ribozomlardan ayrılırken polipeptid zinciri de sentezlenmiş olurlar. tRNA’lar üzerinde yer alan nükleotitlere antikodon adı verilir. Örneğin, UUU şeklinde olan bir mRNA zincirine uyan tRNA antikodonunun nükleotid sırası AAA şeklindedir. UUU şeklinde bir kodona da Fenilalanin adlı aminoasitin şifresidir.

tRNA Yapısı ve Fonksiyonu

tRNA yapısı

Transfer RNA (kısaca tRNA), translasyon sırasında protein sentezindeki ribozomal bölgedeki büyüyen polipeptid zincirine özel amino asitleri ekleyen küçük bir RNA zinciridir (74-93 nükleotid). Amino asit bağlanması için bölgesi ve tamamlayıcı baz çiftleşmesi ile mRNA üzerindeki üç-baz kodon alanına karşılık gelip antikodon olarak adlandırılan üç-baz alanı vardır. Her tRNA molekül tipi sadece bir tip amino aside bağlanabilir fakat genetik kodun dejenere olması yüzünden - bu da, aynı amino asidi belirten çoklu kodonları içermesi anlamına gelir - farklı antikodonları oluşturan birçok tRNA tipi aynı amino asidi taşıyabilir.
Transfer RNA, mRNA’daki kodon dizisini tanımaya aracılık eden, kodonun uygun amino aside translasyonuna izin veren ve Francis Crick tarafından hipotezi kurulan "adaptör" molekülüdür. mRNA'da olduğu gibi tRNA da çekirdekte sentezlenir ve sitoplazmaya taşınır. Yaklaşık 80 nükleotid uzunluğunda tek zincirli bir yapıdadır. Farklı tRNA bölgeleri, hidrojen bağlarıyla birbirlerine bağlanmış haldedirler. tRNA'nın 3' ucu ACC nükleotid dizisine sahiptir ve amino asitlerin bağlandığı bölgedir. Antikodonlar 3'--->5' yönündedir. mRNA'da kodonlar 5'--->3' yönündedir. Örneğin, antikodon baz sırası 3'-AAG-5' ise, mRNA’daki kodon 5'-UUC-3' biçimindedir. mRNA’daki her bir amino asit kodonuna özgü bir tRNA olsaydı, 61 çeşit tRNA olması gerekirdi. Oysa tRNA çeşidi yaklaşık 45'tir. Sebebi de, aynı antikodon bölgesine sahip olarak hazırlan tRNA'ların, verilen amino asitlere uyumlu olarak birden çok kodonu tanıma yeteneğinde oldukları gösterilmiştir. Kodonların 3. pozisyonundaki baz ile onun antikodonundaki eşi olan 1. baz arasında standart olmayan bir baz eşleşmesi veya Wobble özelliği nedeniyle bir tRNA çok sayıda kodonu tanıyabilir. Bu konuda en değişken tRNA, Wobble pozisyonunda inozin (I) bulunduran tRNA'lardır. İnosin, bir guanin analoğu olup 2. karbon atomunda amino grubu taşımaz. tRNA antikodonu Wobble pozisyonundaki inosin ile başarılı bir şekilde adenin, sitozin veya urasil ile eşleşebilir. Örneğin, tRNA antikodonu CCI olan bir tRNA, GGU, GGC ve GGA şeklindeki mRNA kodonlarına uyup, glisin amino asidini protein sentezine katabilir.

Aminoasil-tRNA Sentetaz  

Aminoasil-tRNA yapısı

Kodon-Antikodon eşleşmesinden önce tRNA’nın doğru amino asidi taşıması gerekmektedir. Her bir amino asidi tRNA’ya bağlayan 20 çeşit aminoasil-tRNA sentetaz enzimi vardır. Bu enzimin aktif yüzeylerinden birine önce amino asidin bağlanması gerekir. ATP, AMP’ye dönüşerek amino aside bağlanır ve aktive edilmiş amino asit özgün enzime bağlanır. Daha sonra bu enzime ve amino aside özgü tRNA enzime bağlanır ve amino asitle tRNA arasında bir bağ oluşur. Bu sırada AMP de açığa çıkar. tRNA ile birleşen amino asit, enzimden serbest bırakılarak sitoplazmaya geçer. 

Ribozomlar

 

Ribozom-tRNA bağlanması

Ribozomlar protein sentezinin yapıldığı, mRNA ile tRNA’lar arasındaki bağlantının kurulduğu organellerdir. Büyük ve küçük alt birim olmak üzere sadece protein sentezinde birleşen iki kısımdan oluşur. Protein ve ribosomal RNA’lardan (rRNA) meydana gelmiştir. Ökaryotlarda alt birimler çekirdekçikte sentezlenir. Her bir ribozomda üç bağlanma bölgesi vardır. Polipeptide eklenmek için bekleyen aminoasil-tRNA, A yüzeyinde beklerken, sentezlenen polipeptid P yüzeyinde durur. Yükünü boşaltan tRNA ise ribozomdan çıkmak için E yüzeyine geçer. Bu işlemlerin olabilmesi için mRNA kodonları ile tRNA antikodonları arasındaki eşleşmelerin uygun olarak gerçekleşmesi gerekir. Prokaryot ve ökaryot ribozomları arasında benzerliklerle birlikte bazı farklılıklar da vardır. Prokaryot ribozomları, antibiyotiklerden büyük ölçüde etkilenirler ve protein sentezi bu sayede durmuş olur.

Polipeptid Yapımı
Protein yapımını (Translasyon) üç aşamaya ayırabiliriz. Başlama (Initiation), uzama (Elongation) ve sonlanma (Termination). Bazı protein faktörleriyle birlikte mRNA, tRNA ve ribozomlar translasyon için gereklidir. Enerji ise GTP (Guanosin trifosfat)’den sağlanır.

Ribozom-mRNA birleşmesi ve tRNA oluşumu

Protein Sentezinin Başlaması
DNA'yı kaynak olarak kullanan RNA polimeraz enzimi tarafından üretilen mRNA molekülü, IF proteinlerinin yardımıyla önce ribozomun küçük altbirimine bağlanır. Daha sonra mRNA 5' ucundan okunmaya başlar. AUG kodonu protein sentezini başlatıcı kodondur. Bu kodona Met-tRNAi (bakterilerde fMet-tRNAf) molekülü bağlanır. Daha sonra büyük alt birim ile küçük alt birim birleşir ve protein sentezi ilerler. Gerekli olan enerji GTP’den sağlanır. Başlatıcı kodona uyan tRNA, ribozomun P bölgesine yerleşerek A bölgesine kodona uygun yeni bir aminoaçi-tRNA gelmesi beklenir.

Polipeptid uzaması

Uzama
Ribozomun A yüzeyine uygun antikodona sahip tRNA gelir ve zayıf hidrojen bağlarıyla kodona bağlanır. Bu sırada 2 molekül GTP harcanır. İkinci basamakta P yüzeyde bulunan polipeptid, A yüzeyine gelen amino asit ile birleşecek biçimde ortama aktarılır. Ribozom, mRNA üzerinde 3' yönüne doğru hareket ederek A yüzeyinde bulunan tRNA ile birlikte polipeptidi P yüzeyine aktarır. P yüzeyinde bulunan tRNA ise E yüzeyine geçerek ribozomdan uzaklaştırılır. Enerji GTP’den sağlanır. Ribozom, mRNA üzerinde 5'--->3' yönünde hareket eder. Okuma ise kodon seviyesinde gerçekleşir.

Sonlanma

  

 

Polipeptidin serbest kalması

Uzama, mRNA üzerinde durma kodonlarına kadar devam eder. A yüzeyine serbest bırakıcı faktörler geldiğinde okuma sonlanır. Bu faktörlerin A yüzeyine gelebilmesi için mRNA’daki kodonun UAG, UAA veya UGA şeklinde olması gerekir. Hidroliz enzimleri yardımıyla P yüzeyinde bulunan polipeptit serbestbırakılır. Böylece protein sentezi sonlanmış olur.

Transkripsiyon
Transkripsiyon için DNA çift sarmalının sadece bir ipliği gereklidir. Bu ipliğe kalıp iplik denir. Transkripsiyon başlatma (initiation) ile başlar. Transkripsiyonun başlangıç noktasını tayin eden RNA polimeraz enzimi DNA üzerinde belirli bir bölgeye bağlanır. Bu bağlanma bölgesine promotor denir. RNA polimeraz promotora bağlandığında, DNA iplikleri açılmaya başlar.
İkinci aşama uzamadır (elongation). RNA polimeraz, kodlamayan kalıp iplik üzerinde dolaşırken bir ribonükleotid polimeri sentezler. RNA polimeraz kodlayıcı ipliği kullanmaz çünkü herhangi bir ipliğin kopyası, kopyalanan ipliğin komplementer baz dizisini üretir.
Polimeraz sonlanma (termination) aşamasına geldiğinde yeni sentezlenen mRNA'nın sitoplazma ve endoplazmik retikulum dahil birçok hücre bölgesine ulaşması için değişikliğe uğraması gerekmektedir. Yıkılmasını önlemek için mRNA'ya 5' cap eklenir. Kalıp olmak ve daha sonra işlenmesini sağlamak için 3' ucuna bir poly-A kuyruğu eklenir. Ökaryotlardaki hayati önem taşıyan splicing olayı bu aşamada gerçekleşmektedir.

Poliribozomlar

  Aynı zaman diliminde birçok ribozomun tek bir mRNA’yı okuması, aynı proteinden birçok örneğin yapılmasını sağlar. Bir ribozom mRNA üzerinde ilerlerken, diğer ribozom da mRNA’nın 5' ucuna eklenip ilerlemeye devam eder. Böyle ribozom zincirleri poliribozomları oluştururlar. Prokaryotik ve ökaryotik hücrelerde bulunabilirler. Böylece kısa zamanda aynı proteinden çok sayıda sentezlenmiş olur. Proteinler sentez edildikten sonra görevlerine göre değişik işlemlerden geçerek görevli oldukları yerlere giderler.

Sinyal Tanıma Tanecikleri

Hücrede ribozomların bir kısmı sitoplazmada serbest halde bulunup sentezledikleri proteini sitoplazmaya verirken, bazı ribozomlar zar sistemlerine (Endoplazmik Retikulum, Golgi, Lizozom) bağlı halde bulunurlar. Ribozomların hepsinde protein sentezi sitoplazmada serbest haldeyken başlar. Sentez ilerlerken ER’ye bağlanma gerçekleşir. Büyüyen polipeptid de sinyal peptid kısmıda (20 amino asit) sentezlenince sitoplazmada bulunan SRP [Signal Recognition Particules] (Sinyal Tanıma Tanecikleri) ile birleşir. Protein sentezi ilerler ve polipeptid ER’ye bağlı kanallardan organelin boşluğuna bırakılır. Böylece sinyal, peptidler yardımıyla hedef proteinler istenen organele iletilmiş olur.

Prokaryotik Ve Ökaryotik Hücrelerin Protein Sentezi Farkları

Polipeptid

Aralarında birçok benzerlik olmasına rağmen prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin protein sentezleri arasında bazı farklılıklar da vardır. Prokaryotik ve ökaryotik polimerazlar birbirlerinden farklı olduğu gibi, ribozomlar arasında da farklar vardır. Prokaryotlarda çekirdek zarının olmaması, transkripsiyon ve taranslasyonun aynı anda olmasını sağlar. Ökaryotlarda organellerin gelişmiş olması hedef proteinleri meydana getiren sinyallerin gelişmesine yol açmıştır. Bu sistemler prokaryotlarda bulunmaz. 

Nokta mutasyonu

DNA baz diziliminde nükleotidlerde oluşan değişiklikler nokta mutasyonlarını oluşturur. Üreme hücrelerinde oluşan nokta mutasyonları döllere aktarılır. Örneğin, orak hücre anemisinde hemoglobinin bir polipeptid zincirini sentezleyen geninde bir nokta mutasyonu oluşmuştur. Bu ise tek bir nükleotitte değişme (Kalıp DNA zincirinde), anormal bir proteinin üretilmesine neden olur. Timin yerine adenin girmesi, mRNA’da adenin yerine urasilin gelmesine ve bu da translasyonda valin adlı amino asitin yanlışlıkla proteinin yapısına giripmesi bu hastalığın temelini oluşturur.

Çeşitli mutasyon tipleri vardır. DNA’ya baz ilavesi (insersiyon) ya da çıkarılması (delesyon)en zararlı iki mutasyon tipidir. Kodonların kayma sonucu yanlış okunmasına çerçeve kayması mutasyonu frameshift) denir. Baz çifti eklenmesinde, eğer üçüncü bazda bir değişme meydana gelirse çoğunlukla bir değişme olmaz. Örneğin, GGC yerine GGU olursa gene glisin amino asiti polipepti eklenmiş olur. Diğer yer değiştirmeler ise değişik biçimlerde sonuçlanabilir. Baz eklenmesi ya da çıkması ise değişik amino asitlerin eklenmesini sağladığı gibi, durma kodlarının okunmasına da sebep olabilir. Ultraviyole ışınları, X ışınları gibi iyonize radyasyon, kozmik ışınlar, radyoaktif materyallerin emisyonları gibi yüksek enerjili radyasyon, mutasyonlara neden olur. İyonize radyasyon, basit tek baz değişimlerşne sebep olabilir. Bazı mutajenik kimyasallar, etkilerini doğrudan bir bazı başka bir baza değiştirerek yaparlar. Örneğin, nitroz asidi sitozindeki amino grubunu deamine ederek Urasil oluşturur.

 Baz çifti yer değiştirmesi

Baz çifti Eklenmesi ya da çıkarılması

Bir Ökaryotik Hücrede Transkripsiyon Ve Translasyon

Protein sentezi

Gen, bir hücrede bir polipeptidin senntezinden sorumlu olan nükleotidlerden oluşmuş DNA parçasıdır. Bir gen, içinde kodlamayan intron bölgeleri bulundurur. Ayrıca bir gen içinde polipeptid sentezini idare ve kontrol eden promotor ile düzenleyici bölgeleri vardır. Bu bölgeler okunmaz, sadece gen sentezini denetler. Ayrıca genler, rRNA ve diğer RNA çeşitlerinin de sentezinden sorumludur. Yani gen, bir polipeptid ya da RNA sentezinden sorumlu bölge olarak tanımlanabilir.