3. Ders

DNA’dan Protein’lere
Proteinler, çok sayıda amino asit (50-3000 tane) biriminden oluşmaktadır. Amino
asitlerde, amino grubu (- NH 2 ), asit grubu (- COOH karboksil grubu) ve zincir rezidüsü
(kalan) denen bir kimyasal grup (R) bulunmaktadır. Bu gruplar merkezde bulunan ve α
karbonu denen bir karbon atomuna ( Cα ) bağlıdır.
Amino grubu
Karboksil grubu
H
O
H
N
C
C
OH
H
R
Cα
Atomu
Doğadaki canlılarda, R zincir rezidüsüne göre 20 çeşit amino asit bulunmaktadır (1986
da 21. ve 2002 de 22. amino asit tespit edilmiştir). Aşağıdaki tabloda, proteinlerde bulunan 20
amino asitin kodları ( 1 harfli ve 3 harfli), hidrofobiklik değeri (polar requirement)ve hidrofob
(H) ya da hidrofil, yani polar (P) olup olmadıkları yer almaktadır.
Amino Asit
Alanine
Arginine
Asparagine
Aspartic acid
Asparagine
Cysteine
Glutamine
Glutamic acid
Glutamine
Glycine
Histidine
Isoleucine
Leucine
Lysine
Methionine
Phenylalanine
Proline
Serine
Threonine
Trytophan
Tyrosine
Valine
Kod
(1 karakterli)
A
R
N
D
B
C
Q
E
Z
G
H
I
L
K
M
F
P
S
T
W
Y
Z
Kod
(3 karakterli)
Ala
Arg
Asn
Asp
Asx
Cys
Gln
Glu
Glx
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Tyr
Val
Polar req.
7.0
9.1
10.0
13.0
4.8
8.6
12.5
7.9
8.4
4.9
4.9
10.1
5.3
5.0
6.6
7.5
6.6
5.2
5.4
5.6
H/P
H
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
H
H
P
H
H
H
P
P
H
P
H
Genetik kod: Canlı hücrelerde, DNA ve karşılığı RNA molekülündeki nükleotid dizilişi ile
sentezlenecek proteinler arasındaki bağı sağlayan kurallar topluluğudur.
Genetik kod; kodon → amino asit paradigması üzerine kuruludur. Genetik kod, üç
nükleotidlik bir dizi parçasından amino asitler kümesine tanımlı bir fonksiyondur. Bu
fonksiyon DNA için,
c : { A, C , G, T } × { A, C , G, T } × { A, C , G, T } → AminoAsitler
ve RNA için,
c : { A, C , G,U } × { A, C , G, U } × { A, C , G,U } → AminoAsitler
dır. James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins ve Rosalind Franklin tarafından DNA
‘nın yapısı keşfedildikten sonra proteinlerin kodlanması üzerine başlayan çalışmalar sırasında
George Gamov, 20 farklı amino asitin kodlanması için üç harflik bir kod’un kullanılması
gerektiğini ifade etmiştir. A,C,G,T harflerinden oluşan 4 harflik bir alfabe ile 20 farklı kelime
yazabilmek için kelimeler en az üç harfli olmalıdır. Kodonların üç DNA nükleotidinden
oluştuğunu deneysel olarak ilk Crick, Brenner ve arkadaşları göstermiştir. Genetik kod,
aralarında ayırma işareti bulunmayan ve örtüşmeyen, üç harfli kelimelerden (kodonlardan)
oluşan bir kod’dur.
DNA veya RNA molekülündeki birimlerin diziliş biçiminde hücrenin hangi proteini
üreteceğini bildiren bir şifre gizlidir. Bazı istisnalar dışında tüm canlılar Standart Genetik Kod
denen aynı genetik kodu kullanmaktadır. DNA için bu kodu I.Y.Yonemoto tablosunda
(http://en.wikipedia.org/wiki/Image:GeneticCode21.svg)ve RNA için aşağıda görebilirsiniz.
U
C
A
G
U
Phe (UUU)
Phe (UUC)
Leu (UUA)
Leu (UUG)
Leu (CUU)
Leu (CUC)
Leu (CUA)
Leu (CUG)
Ile ( AUU)
Ile (AUC)
Ile (AUA)
Met (AUG)
Val (GAU)
Val (GAC)
Val (GAA)
Val (GAG)
C
Ser (UCU)
Ser (UCC)
Ser (UCA)
Ser (UCG)
Pro (CCU)
Pro (CCC)
Pro (CCA)
Pro (CCG)
Thr (ACU)
Thr (ACC)
Thr (ACA)
Thr (ACG)
Ala (GCU)
Ala (GCC)
Ala (GCA)
Ala (GCG)
A
Tyr (UAU)
Tyr (UAC)
Stop(UAA)
Stop(UAG)
His (CAU)
His (CAC)
Gln (CAA)
Gln (CAG)
Asn (AAU)
Asn (AAC)
Lys (AAA)
Lys (AAG)
Asp (GAU)
Asp (GAC)
Glu (GAA)
Glu (GAG)
G
Cys (UGU)
Cys (UGC)
Stop(UGA)
Trp (AGG)
Arg (CGU)
Arg (CGC)
Arg (CGA)
Arg (CGG)
Ser (AGU)
Ser (AGC)
Arg (AGA)
Arg (AGG)
Gly (GGU)
Gly (GGC)
Gly (GGA)
Gly (GGG)
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
Ala/A GCU, GCC, GCA, GCG
Leu/L
UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Arg/R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA,
AGG
Lys/K
AAA, AAG
Asn/N AAU, AAC
Met/M
AUG
Asp/D GAU, GAC
Phe/F
UUU, UUC
Cys/C UGU, UGC
Pro/P
CCU, CCC, CCA, CCG
Gln/Q CAA, CAG
Ser/S
UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Glu/E GAA, GAG
Thr/T
ACU, ACC, ACA, ACG
Gly/G GGU, GGC, GGA, GGG
Trp/W UGG
His/H CAU, CAC
Tyr/Y
UAU, UAC
Val/V
GUU, GUC, GUA, GUG
STOP
UAG, UGA, UAA
Ile/I
AUU, AUC, AUA
START AUG
Bir amino asit için birden çok kod bulunmaktadır. Aynı aminoasiti belirleyen kodların
ilk iki harfi aynıdır. RNA boyunca üçlü gruplar halinde bulunan ve protein sentezleme
sırasında üretilen aminoasit dizilerinin düzenini belirleyen nükleotid dizileri, kalıtsal olarak
DNA molekülü tarafından belirlenmektedir. Vücudumuz genlerden aldığı bilgiye göre gerekli
olan proteinleri ne zaman ve ne şekilde üreteceğine karar verir. Hangi genin hangi proteini
kodlayacağı belirlidir.
Protein sentezi, bir biyokimyasal süreç olup, transkripsiyon ile başlayıp translasyonla
biten çok aşamalı bir süreçtir.
Bir protein için DNA molekülü üzerindeki okuma çerçevesi sürekli değildir. Bu
çerçeve aşağıda görüldüğü gibi intron bölgeleri tarafından kesilmektedir. Đntronlar arasında
bilgiyi taşıyan ekzonlar (exons) yer almaktadır. Đntronlar 1977 yılında P.A. Sharp ile R.J.
Roberts tarafından keşfedilmiştir ve daha sonra kendilerine Nobel ödülü kazandırmıştır.
Đnsan genomunun, yani DNA ‘nın yaklaşık %1.5 ‘lik kısmı (yaklaşık 25,000 gen)
protein kodlamaktadır. Protein kodlamayan DNA dizisindeki bölgeler intronlardaki DNA,
bazı tekrarlanan DNA (repetitif DNA) ve Alu elemetleridir. Đnsan genomunun kodlayıcı
olmayan büyük kısmı intronlardadır. Repetitif DNA genomun yaklaşık %15 dir. Bunun 1/3
genellikle 1. kromozomdan kopyalanmış büyük parça tekrarlarıdır. Alu elementleri genomun
yaklaşık %10 kadardır. Birbiri ardına eklenen genlerinin %5 ‘i Alu parçalarına sahiptir. Alu
genoma rastgele girmiş bir genomik parazit gibidir. Her 100-200 doğumda yeni bir Alu giriş
olabilmektedir.
Đntronlar, kendiliğinden veya enzimler tarafından katalize olarak transkripsiyon
esnasında düşüp ayrılmaktadırlar (splicing). Đntron-ekzon bağlanma yerlerini belirlemek
biyoinformatikte önemli problemlerden biridir. Đntronların ayrılmasını takiben noktasal olarak
diziye nükleotid girebilir veya diziden kopabilir. Bu olay kılavuz (guide) RNA tarafından
(gRNA tarafından) gözden geçirilmektedir (RNA editing).
Prokaryotlarda çekirdek zarının olmaması, transkripsiyon ve taranslasyonun aynı anda
olmasını sağlar.
Ökaryot Hücre
Çekirdek
Prokaryot Hücre
DNA
Kromozom
Transkripsiyon
(Transcription)
DNA
Transkripsiyon
mRNA
Translasyon
Splicing
mRNA
Translasyon
(Translation)
Protein
Protein
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. Đkinci 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 (tümleyen)
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.
Ökaryot hücrelerde, çekirdek zarından geçerek sitoplazmaya ulaşan mRNA translasyona
uğramaktadır. mRNA da yer alan kodonların taşıdığı genetik mesaj ribozomlarda adım adım
deşifre edilerek uygun amino asitler tRNA vasıtasıyla ribosoma getirilir. Ribosomlar, aşağı
yukarı 20nm (200 Ångström) çapında olup, %65 ribosomal RNA ve 35% ribosomal
proteinlerden oluşmaktadırlar. Ribozomlar birbirine uyan ve birlikte çalışan iki altbirimden
oluşmaktadır.
Büyük (1) ve küçük (2) altbirimler.
Atomic structure of the 30S Subunit
from Thermus thermophilus.
Proteins are shown in blue and the
single RNA strand in orange.[5]
Ribozomlar protein sentezlerinin yapıldığı merkezlerdir. Transfer RNA (kısaca
tRNA), translasyon sırasında protein sentezindeki ribozomal bölgedeki büyüyen polipeptid
zincirine özel amino asitleri ekleyen küçük, yaklaşık 80 nükleptidlik bir RNA zinciridir.
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.
mRNA’nın (1) ribozom tarafından (2) polypeptide zincirine (3) translasyonu. mRNA
start kodonu (AUG) ile başlamakta ve stop kodonu (UAG) ile bitmekte
Proteinler har zaman N-ucundan C-ucuna doğru biyosentezlenir. Yeni sentezlenen
proteinler, etkinleştirme moleküllerine bağlanıp, değişikliğe uğradıktan sonra aktif hale
gelmektedirler. Proteinler tam olarak rijid (kaskatı) moleküller değillerdir. Proteinler biyolojik
işlevlerini yerine getirirken belli üçüncül ve dördüncül yapılanmalar arasında gelip
gidebilirler. Bu yapılanmalara konformasyonlar ve geçişlere konformasyon değişimleri denir.
Cytochrome c proteininin sürekli oynayan dinamik NMR yapıları (Büyük boy görüntü).
Proteinlerin yapı taşları olan amino asitler molekül ölçüleri, elektrik yükleri ve başka
özellikleri bakımından çok değişik kimyasal özelliklere sahiptir. Bir hücrede bulunan
proteinlerin tamamına onun proteomu adı verilir. Proteinler vücuttaki pek çok işlevi yerine
getiren moleküllerdir. Haberleri taşırlar, reaksiyonları katalizlerler, hücrelerin içinde yer
alırlar. Proteinler olmadan yaşam olmaz. Proteinlerdeki amino asitlerin ne şekilde dizilip
protein oluşturacaklarının şifresi DNA’da bulunmaktadır. DNA’da bulunan ve hangi proteinin
ne şekilde üretileceğini söyleyenler ise genlerdir. Ancak tüm enformasyon sadece genetik
koddan ibaret değildir. Tüm organizmaların DNA’larında düzenleyici dizi parçaları ve genler
arası segmanlar bulunmaktadır. Bunların ve kromozomal yapılanmaların da fenotiplerin
oluşmasında önemli katkılar olmaktadır. Ayrıca bu
kodon → amino asit paradigması kadar tekdüze değildir.
katkının işleyişi, iyi bilinen
Biyolojik sistemlerde informasyon akışı (Wikipedia)