Genetik şifre, Transkripsiyon ve TranslasyonASLI SADE MEMİŞOĞLU

Giriş

DNA’nın genetik bilgiyi barındırdığının anlaşılmasından sonra;

DNA’nın genler halinde nasıl organize olduğu ve

Genetik işlevin kromozomlar halinde nasıl organize olduğu araştırılmaya

başlanmıştır.

Burada sorulacak asıl soru genetik maddenin organizmanın

genomunu oluştururken nasıl düzenlendiğidir.

1. Virüs ve bakteri kromozomları basitDNA molekülleridir

Genellikle tek bir nükleik asit molekülünden oluşur ve proteinlerle çok ilişkili değildir.

Daha az genetik bilgi içerirler.

1.1 Virüs kromozomu

Virüs kromozomları, tek ya da çift zincirli tek tip bir nükleik

asit molekülünden (ya DNA, ya da RNA’dan) oluşur.

Halkasal yapıda ya da doğrusal yapıda olabilir.

Ör: Bakteriyofaj øX174’ün tek zincirli DNA’sı, olgun virüsün

protein kılıfı içinde kapalı halka şeklinde bulunur.

17μm’lik bir DNA her kenarı 0.1μm olan bir kapsüle sığdırılır

Virüs , bakteri ve ökaryotik hücrelerin ortak bir özelliği;

Çok uzun DNA molekülünü oldukça küçük bir hacim içine paketleme yetenekleridir.

1.1 Virüs kromozomu

1.2 Bakteri kromozomu

Bakteri kromozomları yapısal olarak basittir.

Daima çift zincirli DNA molekülünden oluşur ve nükleoid

olarak adlandırılan bir yapı içinde sıkışmış olarak bulunur.

Bakteri kromozomlarını oluşturan DNA’nın çeşitli tiplerde

DNA bağlanma proteinleri ile ilişkili olduğu bulunmuştur.

Bazı virüs ve bakterilerin genetikmateryalleri

2. Ökaryotlarda DNA, kromatin şeklindedüzenlenmiştir

Kromatin: DNA’nın ve proteinlerin birleşerek oluşturduğu

nükleoprotein yapısına denir.

Mitoz sırasında kromozom yapısı, çok sıkı kıvrılmış, katlanmış kromatin ipliklerinden oluşmuştur.

Hücre döngüsünün interfaz aşamasında kromatin açılır ve kromozomlar kaybolur.

İnterfazda, kromatin, çekirdek içinde dağılmıştır.

Her kromozomun DNA’sı eşlenir.

Hücre döngüsü süresince çoğu hücre tekrar mitoza girer.

Kromatin, görünür kromozomları oluşturmak üzere yeniden kıvrılır.

Bu yoğunlaşma her bir kromatin ipliğinin boyunun 10.000 kat kısalması demektir.

2. Ökaryotlarda DNA, kromatin şeklindedüzenlenmiştir

2.1 Kromatin yapısı ve nükleozomlar

Kromatin yapısındaki proteinler histonlar ve histon olmayanlar

olarak iki gruba ayrılırlar.

Histonlar, (+) yüklü amino asitleri çok fazla miktarda içerirler.

Bu şekilde proteinler, nükleotitlerin (–) yüklü fosfat gruplarına bağlanır.

2.2 Nükleozomlar

Histon proteinleri, DNA’nın nükleozom şeklinde katlanmasında ve

paketlenmesinde önemli rol oynar.

147 kb’lik çift zincirli DNA = bağlayıcı DNA, dört çift histon

proteinini çevrelemektedir.

Bu yapı, ökaryotik çekirdekteki DNAʼnın temel katlanma birimidir.

2.3 Kromatin yeniden modelleme

Bu paketlenme DNA eşlenmesi, transkripsiyonu gibi işlemlerde diğer proteinlerin DNA’ya ulaşımını engeller.

Bu sorun nasıl çözülür?

Paketlemenin açılması gerekmektedir

Histon proteinlerine eklenen kimyasal gruplar sayesinde DNA ile arasındaki çekim azaltılmakta ve böylece DNA’nın açılması sağlanmaktadır

2.3 Kromatin yeniden modellemesi

Ökromatin bölgeler, kromozomun açılmış halini tanımlamak için kullanılmıştır.

Heterokromatin bölgeler ise paketli ve genetik olarak inaktif olan kısımlardır.

Bu bölgeler ya genlerden yoksundur ya da baskılanmış genleri içerirler.

Heterokromatin bölgeler, ökaryotik kromozomun farklı bölgelerinde bulunabilir.

Sentromer telomer kısımları heterokromatiktir

Ökromatin

Heterokromatin

3. Ökaryotik genomun büyük bir kısmıişlevsel genleri kodlamaz !

Ökaryotik genomun ne kadarlık bir kısmının gerçekte işlevsel ve kodlayıcı genlerden oluşur?

İnsan genomunun yaklaşık %40ʼı çok ya da orta sayıda tekrarlanan DNA dizilerinden oluşur.

Ayrıca kodlayıcı olmadığı belirlenen büyük miktarda tek kopya DNA dizileri vardır.

Organizmaların ortak bir özelliği !Tüm organizmalarda, genomun sadece küçük bir kısmı proteinleri kodlar.

Örneğin; deniz kestanesinde 20.000 ile 30.000 gen protein kodlar ve bu miktar,

genomun %10ʼʼundan az kısmını oluşturur.

Drosophilaʼʼda genomun %5 ile 10ʼʼu proteinleri kodlar.

İnsanda ise 20.000 ile 25.000 arasında olduğu düşünülen işlevsel genler genomun

%5ʼʼinden az kısmını kapsar.

Gen

Kromozom

Nükleozom

4.1 Genetik şifrenin özellikleriGenetik bilgi, yeryüzündeki tüm canlılar için hemen hemen evrensel olan üçlü şifreler halinde DNA’da depolanır.

Genetik bilgi, transkripsiyon işlemi süresince DNA’dan RNA’ya aktarılır.

RNA’da, dört ribonükleotid harften oluşan üçlü kodonlar bulunur.

20 amino asit, 4 farklı ribonükleotidin kodonlar şeklinde yapılanması ile 64 farklı kodondan oluşur

4.1

DNA’nın iki zincirinden birindeki bilgi transkripsiyonla RNA’ya aktarılır (mRNA).

Bu RNA’lar ribozomla etkileşime geçer ve burada mRNA’nın şifresi, protein oluşturmak için çözülür.

4.1Genetik şifre bazı karakteristik özelliklere sahiptir:

1. Harfler olarak betimlenen ribonukleotid bazları çizgisel olarak sıralanır.

2. Kodon denilen 3’lü ribonükleotid grubu bir amino asidi belirler.

3. Özgündür: Her üçlü yalnız bir amino asidi belirtir.

4. Dejeneredir: Aynı aminoasit, birden fazla kodon tarafından şifrelenebilir.

5. Şifrede başla ve dur sinyalleri bulunur.

6. Şifre hemen hemen evrenseldir.

7. Duraksamaz: Translasyon başladığında kodonlar arasında boşluk ve duraksama olmaz.

8. Üst üste çakışmaz.

4.2 Şifrenin işleyişi

Genetik şifre üçerli gruplar halinde okunur.

Dört baz üçerli gruplar halinde 64 farklı üçlü grup oluşturabilir

43 = 64

42 = 16 (20 amino asite yetersiz)

4.2.1 Üçlü şifreleme

Üçlü okuma bir çerçeve oluşturur

Eğer 1 veya 2 baz eklenirse bu çerçeve kayar

Fakat 3 baz eklenirse okumada çerçeve tekrar doğru sıraya döner

4.3 Dejenere şifre Amino asitlerin hemen hepsi iki, üç yada dört farklı kodon tarafından belirlenmektedir.

Aynı amino asidi belirleyen kodonların ilk iki harfi aynı yalnız üçüncü harf farklıdır.

Crick, üçüncü pozisyondaki bu dejenerasyonu gözlemlemiş ve bunu açıklamak için 1966’da Wobble hipotezini öne sürmüştür.

Crick’in hipotezine göre, tRNA seçiminde ilk iki ribonükleotid üçüncüye göre daha kritiktir.

kodon-antikodon etkileşiminde üçüncü pozisyondaki hidrojen bağının kurulmasında esneklik vardır ve baz eşleşme kuralına sıkıca uyma zorunluluğu yoktur.

4.3.1 Wobble hipotezi

4.3.1Bu durumda 1 tRNA ilk 2 nükleotiti aynı olan birden fazla kodonabağlanabilir

61 kodon için sadece 40-50 tRNA yeterli olduğu görülmüştür.

= ekonomi

4.3.2 Başlama ve sonlanmaAUG metiyonin kodlar ve buna bazen başlatıcı kodon denmektedir.

UAA, UGA ve UAG sonlanma kodonları olarak işlev görür.Bunlara karşılık gelen bir tRNA yoktur

Eğer DNA dizisinde bir mutasyon olur ve aradaki bir kodon sonlanma kodonlarından birine dönüşürse???◦ Karşılık gelen tRNA olmadığından protein sentezi durur

◦ eksik protein üretilir ve çoğunlukla işlevsiz olur

mRNA (mesajcı RNA) DNA ile protein arasındaki köprüdür

mRNA bir DNA kalıbından transkripsiyon sırasında sentezlenir.

4.5 Prokaryotlarda Transkripsiyon

RNA polimeraz DNA kalıbı kullanarak RNA sentezini yapar.

DNA polimerazdan farklı olarak başlamak için bir primergerekmez

Deoksiribonükleotitler yerine ribonükleotitleri kullanır.

4.5.1 RNA polimeraz

4.5.2 Promotorlar ve kalıba bağlanma

Transkripsiyon sonucu, DNA ikili sarmalının zincirlerinden biri üzerindeki bir bölgeye tamamlayıcı olan tek zincirli RNA molekülü sentezlenir.

Birinci basamak, kalıba bağlanma basamağı olarak tanımlanır.

Bakteride bu ilk bağlanma, RNA polimerazın promotor denilen özgül DNA dizilerini tanımasıyla gerçekleşir.

4.5.2 Promotor bölge, genin transkripsiyonunun başlangıç noktasına göre daha yukarıda yani 5’- kısımda yer almaktadır.

Enzim, promotor bölgeyi tanıyana kadar belli bir uzunluktaki DNA boyunca keşif yapmaktadır.

Enzim bağlanması gerçekleştikten sonra sarmal, bu bölgede açılır.

Böylece DNA kalıbı, enzimin çalışmasına müsait duruma gelir.

Transkripsiyonun başladığı bu noktaya transkripsiyon başlangıç bölgesi denir.

RNA polimeraz, promotoru tanıyıp bağlandıktan sonra DNA kalıp zincirinin başlangıç noktasındaki ilk nükleotide tamamlayıcı olan nükleotiti ekler.

RNA uzaması, bir sonraki tamamlayıcı ribonükleotidin girmesi ve bir öncekine fosfodiester bağı ile bağlanması şeklinde meydana gelir.

Bu işlem 5’-3’ yönüne doğru devam eder.

4.5.3 Başlama, Uzama, Sonlanma

Bakterilerde transkripsiyon, gen dizisi sonundaki 40 bazlık bir bölümün kendi üzerine katlanması ile sonlanır.

4.5.3 Başlama, Uzama, Sonlanma

https://www.youtube.com/watch?v=1b-bRVgqof0

4.6 Ökaryotlarda TranskripsiyonProkaryotlardan farkları:

1. Çekirdekte meydana gelir ve üç ayrı RNA polimeraz tarafından yönlendirilir.

2. mRNA’nın, translasyon için çekirdekten sitoplazmaya taşınması gerekir

3. Ökaryotik genlerin transkripsiyonunun başlaması için nükleozomungevşemesi (kromatin iplik-protein birlikteliği) ve kromatin ipliklerinin ayrılması

4. Transkripsiyonun başlaması ve düzenlenmesi için, DNA’nın yukarı bölgesindeki promotor DNA dizileri ile protein faktörleri arasında karmaşık ilişkilerin kurulması

5. İlk oluşan mRNA’nın sadece %25 kadarı protein sentezinde kullanılır: ◦ Kesip birleştirme işlemleri

4.6.1 Başlama

RNA polimeraz II aktivitesi, hem genin içindeki özel DNA dizileri, hem de bu dizilere bağlanan transkripsiyon faktörleri (proteinler) tarafından kontrol edilir.

en az üç tane DNA dizi elementi bulunur.ana-promotor ve etki arttırıcı elementler

Etki azaltıcı elementler de düzenlemeye katkıda bulunur

Başlama noktası

Başlama noktası

Başlama noktası

Başlama noktası

4.6.2 Uzama ve sonlanmaUzama prokaryotlara benzer şekilde işler

Transkripsiyon sonunda DNA’da sonlanma sinyalini taşıyan kısma gelinir.

Kompleks dayanıksız hale geçer.

Transkripsiyon sona ererken DNA ve RNA enzimden ayrılır.

4.6.3 RNA’nın işlenmesiÇekirdekte oluşan RNA molekülü ön-mRNA olarak adlandırılır

Bu mRNA sitoplazmaya geçmeden önce belirli işlemlerden geçer:

Bu işlemlere transkripsiyon sonrası değişiklik (post-transkripsiyonelmodifikasyon) denir

4.6.3 mRNA’nın işlenmesi1. 5’ ucuna 7-metil guanozin şapka yapısı takılır.

1. muhtemelen mRNA’yı nükleaz enzimlerince parçalanmaya karşı korumaktadır.

2. mRNA sonuna poly-A kuyruk takılır1. 250 civarında adenin nükleotit mRNA’yı nükleazlara karşı korur

3. Kes-yapıştır işlemi:1. Ökaryot genlerinde proteine dönüşmeyen bölgeler bulunur = intron. Bu bölgeler

ön-mRNA’dan kesilerek çıkarılır ve esas protein kodlayan bölgeler (ekzon) tekrar birleştirilir

Ön-mRNA ve olgun mRNA

Figure 14.15

Elektron mikroskopu ile transkripsiyon gözlemlenebilir

https://www.youtube.com/watch?v=JOBwqwxgJqc

https://www.youtube.com/watch?v=DoSRu15VtdM&t=41s

5. TRANSLASYON VE PROTEİNLER

5. Translasyon ve proteinler

49

Translasyon; mRNA, tRNA, ribozomlar ve polipeptid zincirsentezinin başlaması, uzaması ve sonlanması için gerekli çeşitlitranslasyon faktörleri arasındaki etkileşimleri içerir.

5.1 mRNA’nın translasyonu ribozomlara ve tRNA’larabağlıdır

50

mRNA’nın translasyonu, amino asitlerin polipeptid zincirleri oluşturmalarıdır.

tRNA, mRNA’daki özel üçlü kodonlar ile doğru amino asitler arasındaki adaptörmoleküldür

Ribozoma bağlanan mRNA’da belli bir amino asite ait özgül bir kodon bulunur.

Özgül bir tRNA molekülünün nükleotid dizileri arasında ise;

Kodonla baz eşleşmesi yapabilen ve

Antikodon olarak adlandırılan,

üçlü ribonükleotid dizileri vardır.

5.2 Ribozom yapısı

52

Ribozomlar, biri büyük biri küçük olmak üzere iki alt birimdenoluşur.

Bu alt birimler, rRNA ve çeşitli ribozomal proteinler içerir.

(Kaynak: Genetik Kavramlar, Klug, Cummings & Reece)

53

5.3 tRNA’nın yapısı

54

Yapıları bakteri ve ökaryotlarda çok benzerdir.

yapısı iki boyutlu yonca yaprağı modelidir.

Baz eşleşmesi yapmış kollar ve yapmamış halkasalyapılar oluşturmaktadır.

5.4 mRNA’nın translasyonu

55

1. Başlama

2. Uzama

3. Sonlanma

5.4.1. Başlama

Ribozomlar, translasyona katılmadığı zamanlarda büyük ve küçük alt birimleri ayrıdır.

56

5.4.1 Başlama

57

58

Ribozomun iki alt birimi mRNA ile bir arayageldiğinde, iki yüklü tRNA molekülü için bağlama bölgeleri oluşur.

Bu iki bölge, peptidil (P) ve aminoaçil (A) bölgeler olarak adlandırılır.

Polipeptid zincirine bir amino asit eklenerek büyümesine uzama denir

mRNA’nın hareketinin ardından, P bölgesi, peptitzincirine bağlı tRNA içerir (P: peptid).

A bölgesinde ise amino aside bağlı tRNA yer alır (A: amino asit).

5.4.2. Uzama

59

5.4.2 Zincir uzamasında küçük ve büyük altbirimin rolü

60

Küçük alt birimin rolü: mRNA’daki kodonların deşifre edilmesi.

Büyük alt birimin rolü: Peptid bağının sentezlenmesidir.

5.4.3. Sonlanma

61

Protein sentezlerinin sonlanma sinyalleri A bölgesindeki:

UAG

UAA

UGA

A bölgesindeki bu kodonların belirlediği hiçbir amino asit yoktur.

Bu kodonlar A bölgesine tRNA çağıramazlar.

5.4.3. Sonlanma

Dur kodonları salınma faktörlerineharekete geçme sinyalini verir.

Polipeptid zinciri ve tRNA arasındaki bağı kırarak polipeptid zincirinin translasyonkompleksinden ayrılmasını sağlar.

Kırılmadan sonra tRNA ribozomdan ayrılır ve ribozom alt birimlerine ayrışır.

62

https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA

https://www.youtube.com/watch?v=kmrUzDYAmEI

5.5 Prokaryotik ve ökaryotik ribozomlar arasındaki farklar

64

Prokaryotlarda

Sentez, küçük ribozomlarda gerçekleşir.

Transkripsiyon ve translasyon yer ve zaman açısından ayrılmamıştır.

mRNA’ların ömürleri kısadır.

Ökaryotlarda

Sentez, daha büyük ribozomlarda gerçekleşir.

Bu iki işlem farklı yer ve zamanda gerçekleşir. Translasyon sitoplazmada, transkripsiyon

çekirdekte gerçekleşir.

RNA ve protein bileşenleri daha karmaşıktır.

mRNA’ların ömürleri daha uzundur.

65

6. Genetik ifadenin son ürünleri proteinlerdir

Bir gen-bir enzim hipotezi: genler enzim sentezinden doğrudan sorumludur

1940’larda ortaya çıkan bir gen-bir enzim kavramı tüm genetikçiler tarafından kabul görmemiştir.

Çünkü mutant enzimlerin nasıl birçok farklı fenotipik özelliğe neden olabileceğihenüz çok belirgin değildi.

Genetik çalışmalar ilerledikçe, tüm proteinlerin genlerde depo edilen bilgi ile belirlendiği açıklık kazanmış ve dolayısıyla bir gen-bir protein ifadesinin doğru olabileceği düşünülmüştür.

Her bir farklı polipeptid zinciri farklı bir gen tarafından kodlandığı için, prensibin modern ifadesi, bir gen-bir polipeptid zinciri şekline dönüştürülmüştür.

6.1 Protein yapısı biyolojik çeşitliliğin temelidir

66

Translasyonda amino asit zincirinin ribozomdan çıktığı andaki şekli polipeptit olarak adlandırılır.

Translasyon sonucu ribozomdan salınan polipeptit katlanarak daha yüksek bir yapı düzeyine ulaşır.

Bu durumdaki polipeptit üç boyutlu yapısını kazanmış olur.

Molekülün işlev kazanabilmesi için üç boyutlu yapısını alması gerekir

Birçok durumda, böyle bir yapı birden fazla polipeptit zincirinin bir araya gelmesiyle oluşur.

Aldığı son şekilde molekül tamamen işlevseldir ve artık protein olarak adlandırılması uygun olur.

6.2. Aminoasitler

67

Aminoasitlerin hepsinde; Merkezdeki karbon atomuna kovalent olarak bağlanmış bir

karboksil grubu,

Bir amino grubu ve

Bir de yan grup (R grubu) bulunur.

Her aminoasitin özgün kimyasal özelliğini, sahip oldukları yan grupları sağlamaktadır.

Prof. Dr. Bektaş TEPE

68

6.2 Proteinlerin yapısı

69

Proteinler için dört yapı düzeyi tanımlanmıştır:

Primer (birincil)

Sekonder (ikincil)

Tersiyer (üçüncül)

Kuaterner (dördüncül) yapı

6.2 Proteinlerin yapısı

70

Polipeptitlerin doğrusal iskeletini oluşturan amino asit dizisi, onunbirincil yapısıdır.

Bu dizilimi, mRNA aracılığı ile DNA’daki nükleotitlerindizisi belirler.

İkincil yapıda, polipeptit zincirinde birbirine komşu olan amino asitlerin oluşturduğu bir şekil bulunur.

α sarmal, βkatlamalı tabaka

(Kaynak: Genetik Kavramlar, Klug, Cummings & Reece)

71

6.2 Proteinlerin yapısı

72

Üçüncül yapı zincirin uzaydaki üç-boyutlu şeklini ifade eder.

Her polipeptit, çok özgül bir biçimde kendi üzerine bükülür, dönüşler yapar ve halkalar oluşturur.

Proteini dayanıklı kılan ve şeklini oluşturan bu yapı düzeyinin iki yönü çok önemlidir: Polar hidrofilik R gruplarının neredeyse tümü, protein yüzeyinde yer alır ve su ile

ilişki kurar.

Non-polar hidrofobik R grupları protein molekülünün içinde yer alır ve birbirleri ile etkileşime girerek sudan kaçarlar.

Proteinlerin dördüncü düzeydekiorganizasyonunda birden fazlapolipeptit zinciri içeren proteinleriçin söz konusudur

120

6.2 Proteinlerin yapısı

6.2

74

Proteinlerin doğru katlanması çok önemlidir çünkü

hatalı katlanan proteinlerin işlevlerini yitirir,

aynı zamanda bu proteinler tehlikeli de olabilir.

İnsanlarda Alzheimer hastalığı, deli dana hastalığı ve Creutzfeldt-Jacob hastalığı yanlış katlanmış proteinlerdenkaynaklanır.