Protein sentezi nasıl işler: transkripsiyon, translasyon ve mutasyonlar

Genden proteine

Gen, baz dizisi bir proteini yazan bir DNA parçasıdır. Hücre proteini yapmak için DNA’yı doğrudan okumaz. Önce geni mesajcı RNA’ya kopyalar (transkripsiyon), sonra ribozomlar amino asitleri doğru sırada birleştirmek için mRNA’yı okur (translasyon). DNA’dan RNA’ya, RNA’dan proteine olan bu bilgi akışına çoğu zaman moleküler biyolojinin merkezî dogması denir.

Transkripsiyon

RNA polimeraz genin önündeki bir promotöre bağlanır, çift sarmalın kısa bir bölümünü açar (transkripsiyon baloncuğu, yaklaşık 14 baz çifti) ve boyunca ilerler. Bir ipliği, kalıp ipliği okur ve onun tamamlayıcısı olan bir RNA ipliği kurar; nükleotitleri RNA’nın 3′ ucuna eklediği için RNA 5′’ten 3′’e doğru uzar. Dolayısıyla RNA, diğer DNA ipliği olan kodlayıcı iplikle aynı diziye sahiptir; timin (T) yerine urasil (U) vardır. Polimerazın arkasında DNA yeniden kapanır.

Bakterilerde mRNA hemen kullanılır. Ökaryotlarda önce işlenir: 5′ ucuna bir şapka, 3′ ucuna bir poli-A kuyruğu eklenir ve mRNA çekirdekten ayrılmadan önce intronlar kesilip çıkarılır (eklemlenme).

Genetik kod

mRNA üçer baz halinde okunur. Her üçlü bir kodondur. Dört baz 4³ = 64 kodon yapar: 61’i 20 amino asidi kodlar, 3’ü (UAA, UAG, UGA) durdurma anlamına gelir. AUG metiyonini kodlar ve aynı zamanda başlangıcı işaretler. Çoğu amino asidin birkaç kodonu vardır ve bunlar genellikle üçüncü bazda farklılaşır; yani kod artıklıdır (yozlaşmıştır). Küçük istisnalarla aynı kod neredeyse her canlı tarafından kullanılır.

Translasyon

1. Başlama: ribozomun küçük alt birimi mRNA’ya bağlanır ve AUG başlangıç kodonunu bulur; metiyonin taşıyan ilk taşıyıcı RNA onunla eşleşir ve büyük alt birim katılır.
2. Uzama: antikodonu sıradaki kodonla eşleşen bir tRNA, sıradaki amino asidi getirir; ribozom onu bir peptit bağıyla büyüyen zincire ekler, sonra bir kodon ilerler. Bakteri ribozomları saniyede yaklaşık 15 ila 20, bizimkiler yaklaşık 5 amino asit ekler.
3. Sonlanma: bir durdurma kodonunda hiçbir tRNA uymaz; bunun yerine bir salınım faktörü bağlanır, bitmiş zincir serbest bırakılır ve ribozom ayrılır.

Kodonların sırası amino asitlerin sırasını belirler ve bu dizi, zincirin çalışan bir proteine nasıl katlanacağına karar verir.

Çözümlü bir örnek: β-globin

Hemoglobin molekülünün yarısı olan insan β-globin geni (HBB) şöyle başlar:

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

1. mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
2. Kodonlar: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
3. Protein: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, tek harfli kodla MVHLTPEEK.

Mutasyonlar

• Sessiz: bir kodonu aynı amino asidin başka bir kodonuna çeviren yer değiştirme. 2. kodonda GTG’nin GTC olması yine valin verir.
• Yanlış anlamlı: yeni kodon farklı bir amino asidi kodlar. Orak hücreli anemide 7. kodon GAG’den GTG’ye değişir; yani glutamat valin olur. Hidrofobik valin, oksijen azken hemoglobin moleküllerinin lifler halinde birbirine yapışmasına yol açar ve alyuvarları orak biçimine büker. Bazı yanlış anlamlı değişiklikler zararsızdır; diğerleri proteini yok eder.
• Anlamsız: kodon durdurmaya dönüşür. HBB’nin 19. bazını G’den T’ye değiştirmek GAG’i TAG yapar ve protein altı amino asitten sonra durur. Bunun gibi mutasyonlar β-talasemiye yol açar.
• Çerçeve kayması: üçün katı olmayan sayıda bazın eklenmesi ya da silinmesi okuma çerçevesini kaydırır; yani ondan sonraki her kodon farklı olur. HBB’nin 20. bazını silmek MVHLTPGRSLPLLPCGAR ve ardından bir durdurma verir: kısa, işe yaramaz bir protein. Üç bazın eklenmesi ya da silinmesi, kaydırma olmadan bir amino asidi ekler ya da çıkarır; bir fenilalanini silen en yaygın kistik fibroz mutasyonunda olduğu gibi.

Simülasyonu kullanmak

Protein sentezi simülatörü: transkripsiyon ve translasyonda denenecek şeyler:

• β-globinin transkripsiyonunu, sonra translasyonunu izle; sonuçlardaki mRNA’yı kodlayıcı iplikle karşılaştır.
• 20. bazda T ile Yer değiştirme’yi seç: yanlış anlamlı E7V olarak gösterilen orak hücre mutasyonu.
• 19. bazı T yap: anlamsız. 6. bazı C yap: sessiz.
• 20. bazda Silme: çerçeve kayması ve hidropati grafiği 7. kodondan sonra karışır.
• Kısa örneğin başlangıç kodonu birkaç bazdan sonra gelir: ribozom onları atlar ve TGA’da durur.
• ATG’si olmayan bir dizi yaz: protein yapılmaz.

Modelin varsayımları

• Dizideki ilk ATG’den, o çerçevede, ilk durdurma kodonuna ya da dizinin sonuna kadar okunan standart genetik kod.
• İntronsuz bir kodlayıcı dizi: yazdığın şey mRNA’nın dizisi olarak ele alınır; promotör, eklemlenme, şapka ya da kuyruk yoktur.
• Sabit hızlarda, aynı anda bir polimeraz ve bir ribozom; gerçek genler birçok polimeraz tarafından yazılır ve her mRNA aynı anda birçok ribozom tarafından okunur (bir polizom).
• Hiçbir değişiklik olmaksızın ortalama kalıntı kütlelerinden artı bir su molekülünden gelen kütleler; metiyonin başta tutulur.
• Beş kalıntılık pencereler üzerinden ortalanan, Kyte–Doolittle ölçeğinden hidropati.

Sınır durumları

• Başlangıç kodonu yok: protein yok. ATG’nin kendisindeki bir mutasyon başlangıcı kaybettirir; simülasyon o zaman sonraki ATG’den çevirir ve bu başka bir çerçevede olabilir.
• Durdurma kodonu yok: ribozom dizinin sonundan taşar. Hücrelerde böyle “durdurmasız” mRNA’lar tanınır ve yok edilir.
• Başlangıçtan önceki ya da durdurmadan sonraki mutasyonlar proteini değiştirmez; yine de gerçek genlerde ne kadar üretildiğini etkileyebilirler.
• Aynı baza yer değiştirme hiçbir şeyi değiştirmez.

Modelin doğru olmaktan çıktığı yerler

• Sessiz her zaman zararsız değildir. Eş anlamlı değişiklikler eklemlenme sinyallerini, mRNA katlanmasını ya da bir kodonun ne kadar hızlı okunduğunu değiştirebilir ve böylece ne kadar protein üretildiğini ya da nasıl katlandığını değiştirir.
• Anlamsız aracılı bozunma. Ökaryotlarda erken durdurmalı bir mRNA, çok fazla kısaltılmış protein üretilmeden genellikle yok edilir.
• Bağlam içinde başlangıç kodonları. Ökaryotlardaki ribozomlar şapkadan itibaren tarar ve iyi bir bağlamdaki bir AUG’yi (GCCACCAUGG gibi Kozak dizisi) tercih eder; bakteriler hemen önündeki bir Shine–Dalgarno dizisini kullanır. İlk ATG her zaman kullanılan ATG değildir.
• Translasyondan sonra. Baştaki metiyonin çoğu zaman çıkarılır; orak hücre mutasyonuna Glu6Val denmesinin nedeni budur. Proteinler kesilir, şaperonların yardımıyla katlanır ve şekerlerle ve fosfatlarla donatılır.
• Diğer kodlar. Mitokondriler ve bazı mikroplar birkaç kodonu farklı okur; insan mitokondrilerinde UGA triptofanı kodlar.

İlgili araçlar

Her diziyi altı çerçevede DNA’yı proteine çevir ile çevir, açık okuma çerçevelerini ORF bulucu ile bul, nokta mutasyonlarını DNA mutasyonu ile yap ve sonucu Protein molekül ağırlığı ile tart. DNA, proteine nasıl çevrilir kodu elle işler; DNA ve RNA katlanma görüntüleyici de molekülün kendisini gösterir.