Genetik Şifre ve Protein Sentezi Mekanizması (Santral Dogma)

Dünya üzerindeki tüm canlıların yapısal ve işlevsel özelliklerini (enzimler, hormonlar, hücre zarı reseptörleri, kas telleri vb.) proteinler belirler. Bir canlının kendi biyolojik özelliklerini göstermesi, DNA'sındaki şifrelere uygun proteinleri üretmesiyle mümkündür. Genetik bilginin DNA'dan RNA'ya, oradan da polipeptit (protein) dizilimine dönüşmesine Santral Dogma (Merkezi Yönelim) adı verilir. Bu süreç tek yönlüdür: DNA'dan protein oluşur, ancak proteinden DNA oluşmaz.

Genetik Şifre (Kodon) Sistemi

DNA üzerinde dört çeşit nükleotit (A, T, G, C) bulunurken, doğada canlıların yapısına katılan 20 çeşit amino asit vardır. Eğer her bir nükleotit bir amino asidi şifreleseydi, en fazla 4 çeşit amino asit şifrelenebilirdi. İkili gruplar (4x4) olsaydı 16 çeşit amino asit şifrelenirdi; bu da 20 amino aside yetmezdi. Bu yüzden genetik şifre, nükleotitlerin üçlü kombinasyonları halindedir ($4^3 = 64$ şifre). DNA üzerindeki bu üçlü nükleotit dizilerine genetik kod adı verilir.

• mRNA üzerindeki üçlü nükleotit gruplarına Kodon denir.
• tRNA üzerindeki kodonlara uyum sağlayan üçlü şifrelere Antikodon denir.

64 çeşit kodonun özellikleri şunlardır: - Başlangıç Kodonu: AUG kodonudur. Protein sentezini başlatır ve "Metiyonin" amino asidini şifreler. Üretilen her polipeptit metiyonin ile başlar. - Durdurucu (Stop) Kodonlar: UAA, UAG, UGA. Bu üç kodon hiçbir amino asidi şifrelemez. Ribozom bu kodonlardan birini okuduğunda sentez durur. Amino asit şifrelemedikleri için doğada sadece 61 çeşit antikodon ve taşıyıcı RNA (tRNA) çeşidi bulunur. - Birden Fazla Şifreleme: Bir amino asit, birden fazla farklı kodon tarafından şifrelenebilir. (Örneğin lösin amino asidini şifreleyen 6 farklı kodon vardır). Ancak bir kodon sadece tek bir özel amino asidi şifreler. Bu esneklik, DNA'da meydana gelebilecek nokta mutasyonlarının bazen proteine yansımamasını (sessiz mutasyon) sağlayarak canlıyı korur. - Evrensellik: Genetik şifre evrenseldir. Bakteriden insana kadar AUG kodonu tüm canlılarda Metiyonin amino asidini şifreler. (Çok istisnai olarak mitokondride farklılık gösterebilir).

Protein Sentezi Mekanizması

Protein sentezi iki ana aşamada gerçekleşir: Transkripsiyon (Yazılma) ve Translasyon (Okuma/Çeviri).

1. Transkripsiyon (Yazılma)

DNA, çekirdeğin dışına çıkamayacak kadar büyük ve kıymetli bir moleküldür. Bu nedenle şifre, sitoplazmadaki ribozoma haberci olarak üretilen mRNA ile gönderilir. DNA'daki kalıtsal bilginin mRNA molekülüne aktarılması olayına transkripsiyon denir. Ökaryotlarda çekirdekte, mitokondride veya kloroplastta; prokaryotlarda ise sitoplazmada gerçekleşir. - İşlem, sentezlenecek proteine ait DNA bölgesinin (ilgili genin) çift sarmalının geçici olarak açılmasıyla başlar. - RNA polimeraz enzimi hem sarmalı açar hem de DNA'nın "Kalıp İpliği" karşısına uygun RNA nükleotitlerini dizerek mRNA'yı sentezler. Sentezlenen RNA'da Timin yerine Urasil kullanılır (Kalıptaki Adeninin karşısına Urasil gelir). - Şifre aktarımı bittikten sonra mRNA çekirdek zarındaki porlardan sitoplazmaya geçer. DNA sarmalı ise tekrar kapanıp eski halini alır.

2. Translasyon (Çeviri)

mRNA'daki şifrelerin (kodonların) ribozomda okunarak, bu şifrelere uygun amino asitlerin bir araya getirilip protein sentezlenmesi olayına translasyon denir. Sitoplazmadaki ribozomlarda gerçekleşir. Olay şu şekilde ilerler:

1. Ribozomun Kurulması ve Başlama: mRNA, sitoplazmadaki ribozomun küçük alt birimine tutunur. mRNA üzerindeki AUG (başlangıç) kodonuna uygun olarak UAC antikodonu taşıyan tRNA, yanındaki Metiyonin amino asidiyle ribozoma gelir. Ardından ribozomun büyük alt birimi de gelip birleşir ve aktif ribozom organeli kurulmuş olur.
2. Uzatma (Elongasyon): Ribozom mRNA üzerinde kodon kodon ilerler. Okunan ikinci kodona uygun antikodon taşıyan yeni tRNA, sıradaki amino asidi getirir. Bir önceki amino asit (Metiyonin) ile yeni gelen amino asit arasında rRNA'nın enzim özelliği sayesinde peptit bağı kurulur. Peptit bağı kurulurken su açığa çıkar (Dehidrasyon tepkimesi). İşlemi biten ilk tRNA ribozomu terk ederken, ribozom bir kodon ileri kayar. Bu işlem zincir uzadıkça tekrarlanır.
3. Sonlanma: Ribozom, mRNA üzerinde ilerlerken durdurucu kodonlardan (UAA, UAG veya UGA) birine denk geldiğinde işlem sonlanır. Çünkü durdurucu kodonlara uygun tRNA ve amino asit yoktur. Bunun yerine ribozoma "sonlandırıcı protein faktörü" bağlanır. Peptit zinciri (protein) ribozomdan ayrılır. Ribozomun alt birimleri, mRNA ve tRNA'lar birbirinden ayrılır, dağılır ve daha sonra başka sentezlerde tekrar kullanılabilirler.

Polizom (Poliribozom)

Hücrenin aynı çeşit proteinden çok kısa bir sürede çok fazla miktarda üretmesi gerektiğinde, üretilmiş olan tek bir mRNA zinciri üzerine aynı anda birden çok ribozom organeli tutunur. İnci kolyesi gibi görünen bu yapıya polizom denir. Bu sayede aynı şifre defalarca yeniden yazılmadan, aynı anda onlarca ribozomda okunarak zaman ve enerji tasarrufu sağlanır.

Özetle protein sentezi, DNA'nın emri ve bilgisi doğrultusunda, RNA'ların görev paylaşımı (mRNA'nın haberi getirmesi, tRNA'nın malzeme taşıması, rRNA'nın tezgâh görevi görmesi) ve ATP harcanması ile gerçekleşen muazzam bir fabrikasyon sürecidir.