Hafıza Molekülü adlı yazımda protein adı verilen moleküllerin, genetik şifrenin etkinlik kazanması ile varolduğunu belirtmiştim. Protein sentezi adı verilen bu işlem, kendi içinde komplike ayrıntıları barındıran bir işlemdir. Konunun ayrıntılarıyla sizleri yormak yerine temel noktalarından bahsetmek istiyorum.

Hücresel yaşamın kontrolü ve dolayısıyla tüm canlılardaki hayatsal faaliyetler, genlere bağlıdır. Deoksiribo Nükleik Asitte (DNA) belli sayı ve sıralarda nükleotid bazlarının oluşturduğu diziler gen birimlerini oluşturur. Genetik şifre, metabolizmada bulunan amino asitler ile proteinler arasındaki iletişimi sağlar. Hayvansal ve bitkisel besinlerden aldığımız proteinler neden hücrelerimizde direk kullanılmıyor da, bu proteinlerin yıkımı ile elde edilen amino asitlerden yeni baştan protein sentezi yapılıyor?

Her canlının çekirdeğinde yapısal tüm proteinlerin şifresi bulunmaktadır. Yapısal proteinler, bir hücrenin yapısını oluşturan tüm organel ve birimlerin yapılarına katılan moleküllerdir. Dolayısıyla evrimsel süreç içinde şekillenen hücrelerin yapıları da birbirlerinden çok büyük farklar içermektedir. Genetik şifrede meydana gelen mutasyonlar şifrenin yapısında değişiklikler meydana getirmiş ve bunun sonucunda da farklı genler ve farklı proteinler oluşmuştur.

Geniş yelpazede çeşitlilik gösteren proteinlerin en alt birimi amino asitler tüm canlılar da sadece 20 çeşittir. İnsanlarda 20 çeşidi kullanılırken, evrimin daha alt sıralarında yer alan canlılarda bu sayı giderek  azalır.

Amino asitlerin kimyasal yapıları, adından da  anlaşılacağı üzere bir amino (NH3), birde karboksil asit (COOH) grubundan oluşur. Amino asitler arasında farkı ortaya koyan faktör bu ana yapıya benzen halkası, alkali grubu gibi kimyasal moleküllerin eklenmesidir.

1966 yılında Marshall Nirenberg tarafından nükleotidler ile amino asitler arasındaki bağlantıyı  sağlayan genetik şifre belirlenmiş oldu. Buna göre genetik şifre, üçlü nükleotid dizilerden oluşur. Amino asitleri kodlayan ve kodon adı verilen üçlü nükleotid dizisi vardır.( AUU, GCG, UUG, UAA vb.)

Kodon sayısı 4 nükleotid arasında üçlü kombinasyonla 64 (=4*4*4) ihtimal gerçekleşebilir. Oysa protein sentezi için 20 amino asit kullanılır. Genetik şifreyi oluşturan 64 kodondan 61 tanesinin  amino asit karşılığı olduğu bilinmektedir. Amino asit sayısının kodonlardan düşük olması, aynı anlamı veren birden fazla kodonun olduğunu gösterir Amino asitleri şifreleyen kodonlara anlamlı kodon denir. Üç tane kodonun ise (UAA; UAG; UGA) amino asit karşılığı yoktur, fakat protein sentezini sonlandırıcı (Terminatör) işaret görevini yerine getirirler. Bu kodonlara anlamsız kodon adı verilir. AUG kodonu ise protein sentezini başlatıcı işareti veren kodondur. Bu kodon aynı zamanda bir amino aside karşılık anlam içerdiği için anlamlı kodon sınıfında değerlendirilir.

Şifre evrenseldir. Virüsten  insana kadar tüm canlılarda tüm kodların anlamları aynıdır. Genin evrenselliği, genetik mühendisliği tekniklerinin geliştirilmesine paralel olarak, günümüzde çok değişik organizma grupları arasında gen aktarımları yapılmakta ve genlerin ürünlerini yabancı konaklarda elde etmek mümkün olmaktadır.

Hücreler, sitoplazmalarında belli bir enzime ihtiyaç duyduğunda, genlerinde depolanmış olan şifreyi çözmeye başlar. Tüm bu işlemler iki ana basamakta gerçekleşir. Mesajın protein molekülüne çevrilebilmesi için öncelikle çekirdekten dışarıya taşınması gereklidir. Bunun için, mesaj RNA molekülü şeklinde kopyalanır (Transkripsiyon). Mesaj taşıyıcı RNA anlamında mRNA adı verilen molekül, bir geni oluşturan nükleotid dizisinin kopyasıdır. Çift zincirli DNA molekülünün sadece anlatım yapılması istenen bölümünün çift zincirli bölümü açılarak tek zincirinin kopyası çıkarılır. Orijinalinden tek farkı Timin (T) nükleotidinin yerine Urasil (U) nükleotidinin yer almasıdır.

Sentezlenen mRNA molekülü, çekirdeği terk ederek sitoplazmaya geçer. Hedef, ribozoma varmaktır. Şifre çözümünün ikinci evresi mRNA nın mevcut kodonlarına denk gelen amino asitlerin dizilimini gerçekleştirmektir (Translasyon). mRNA, protein sentezinin gerçekleştiği organel olan  ribozomlarla ilişkiye girer. Ribozomların biyokimyasal mekanizması, mRNAdaki şifreleri çözebilen taşıyıcı RNA (tRNA) moleküllerini harekete geçirir. Taşıyıcı RNA molekülleri, mRNA molekülündeki kodonlara göre,  uygun amino asitleri uç uca ekler. tRNA nın şekli aynen küçük t harfi şeklindedir. Alttaki uzun sapın ucunda bir amino asit bağlıdır. Üst taraftaki kısa uçta ise üçlü nükleotid baz vardır ve bu bölüme antikodon adı verilir mRNA daki kodonların bilgisine karşılık 61 çeşit tRNA mevcuttur. Her kodona bir antikodon karşılık gelir. Tüm mekanizma anahtar kilit sistemine uygun olarak işlerliğini sürdürmektedir.

Taşıyıcı RNA molekülleri, mRNA molekülündeki kodonlara göre, uygun amino asitleri peptit bağları ile uç uca ekler.

İki evrede işleyen protein sentezi, prokaryotik(çekirdeği olan hücreler;hayvan ve bitki hücreleri) ve ökaryotik(çekirdeği olmayan hücreler; bakteriler) hücrelerde gerçekleşir. Ökaryotik hücrelerde genetik bilginin şifrelenmesi ve şifrenin işleyişi prokaryotlara oranla biraz daha karmaşıktır. Çünkü ökaryot genlerde kodlayıcı (eksonlar) ve kodlayıcı olmayan (intronlar) bölgeler mevcuttur. Birinci evrenin sonunda ekson ve intron bölgelere sahip öncü bir mRNA sentezlenmiş olur. Daha sonra  bu moleküldeki intron bölgeler özel enzimler tarafından kesilip atılır. Ancak bu işlemin akabinde ribozomda işlemler sürdürülebilir .Protein sentezinin yürütülmesinde bir çok enzim ve protein faktörleri rol oynar.

Protein sentezi sırasında meydana gelebilecek mutasyonlara karşı bir tamir mekanizması yoktur. Replikasyon(DNA nın kendini eşlemesi) işlemi sırasında  meydana gelebilecek hataları onarıcı, onarım sistemlerinin olması yanında DNA nın çift zincirli yapısı, hataları minimuma indirmiştir. RNA da onarım sisteminin yokluğu ve tek zincirli yapısı bir çok dezavantajları da beraberinde getirir. Karşılaşılan en tipik problem mRNA’daki nükleotidlerden birinin aradan çıkmasıdır. Bu durumda tüm kodonlar değişecektir. Bu durumu örnek ile açıklayalım;

AUG-UGC-GAU-GCC-GAA-UCG-CUA-GCC-UGA bir mRNA molekülü kırmızı renk başlatıcı mavi renk bitirici kodondur.

Guanin (G) nükleotidi mutasyon ile aradan çıkarsa tüm kodonlar değişecektir.

AUG-UGC-GAU-GCC-AAU-CGC-UAG-CCU-GA molekülü oluşur.

Bu durumda sentez sonucunda istenmeyen bir protein elde edilebilir yada sentez yarıda kesilmiş olur. Eğer mutasyon, başlatıcı kodonda meydana gelirse bu defa sentez ribozomlarda başlatılamaz ve mRNA 20 dakikalık süre içinde parçalanır.

Çeşitli varyetelerde meydana gelebilen mutasyonlar evrimsel sürecin işlemesinde rol oynamaktadırlar. Günümüzde AIDS virüsü olarak bilinen HIV virüsünün kalıtım materyali RNA molekülüdür. Tedavi yöntemlerinin başarısızlığa uğramasının en temel nedeni HIV in kendini sürekli değiştirmesidir. RNA da meydana gelen mutasyonlar gün geçtikçe yeni tiplerde virüslerin oluşumuna sebep olmaktadır. Bu yöndeki değişimler, yürütülen tüm çalışmaların yeni baştan başlatılmasına neden olmaktadır.

Evrensel şifrelerimiz her an mutasyona uğrayıp değişimler ortaya koyması yanında değişmez kuralların hüküm sürdüğü bir sistemde işlerliğini sürdürmektedir.

İstanbul - 06.06.2001
http://afyuksel.com

Kaynak:
Moleküler Genetik 2  Prof. Dr. Güler Temizkan