Protein Sentez Mekanizması

Protein Sentezi Nedir?

DNA'daki genetik bilginin kullanılarak ribozom organelinde polipeptit üretilmesine PROTEİN SENTEZİ denir.

Protein sentezinde görev alan başlıca yapılar şunlardır:

• DNA (İligili Gen Bölgesi, DNA Kalıp İplik)
• Üç çeşit RNA (mRNA, tRNA, rRNA)
• ATP
• Enzimler (RNA Polimeraz Enzimi)
• Amino asitler
• Ribozom Organeli

NOT: DNA Polimeraz, Helikaz Enzimi, Ligaz Enzimi protein sentezinde görev yapmazlar. DNA'nın replikasyonunda görev yapan enzimlerdir.

• Canlılar kendi DNA'larına uygun olarak kendilerine özgü olan proteinleri sentezlerler.
• Protein sentezi tüm canlılarda ortak olarak gerçekleştirilen bir olaydır. Ancak tüm canlı hücrelerde gerçekleşmez. Örnek; memelilerin alyuvar hücreleri gibi.
• Canlılarda her protein çeşidi için DNA üzerinde o protein çeşidine ait bir gen bölgesi bulunur.
• İhtiyaç durumunda bu ilgili gen bölgesindeki genetik şifreye uygun protein çeşidi sentezlenir.
• Protein sentezinde önce Polipeptit Sentezi olur. Polipeptit düz bir zincir şeklinde olup işlevsel değildir. Bu polipeptitler üç boyutlu yapılar kazanarak yapısal ve işlevsel proteinlere dönüştürülür.

Protein Sentezinde Genetik Bilgi Akışı

DNA'dan başlayarak RNA'ya ilerleyen ve oradan da proteinin sentezine doğru gerçekleşen bir akıştır.

Protein Sentezinin Basamakları

• Prokaryot ve ökaryot hücrelerde genetik bilginin polipeptide dönüştürülme süreci aynıdır.
• Ancak olayların hücrelerde gerçekleştiği yerler farklıdır.

DNA'daki bir genin nükleotit dizisine göre özgül bir polipeptit zincirinin sentezi iki basamakta gerçekleşir. Bunlar;

1. Transkripsiyon (Yazılma)
2. Translasyon (Okuma) olaylarıdır.

Prokaryot hücrelerde; Transkripsiyon ve Translasyon Sitoplazmada olur.

Ökaryot hücrelerde ise; 

• Transkripsiyon; hücre çekirdeğinin içinde, mitokondrinin matriksinde, kloroplastın stromasında olur.
• Translasyon olayı; sitoplazmadaki ribozomlarda gerçekleşir. Mitokondri ve kloroplastın kendi ribozomlarında gerçekleşir.

Transkripsiyon ve Translasyon olayları üç basamakta gerçekleşir. Bunlar; Başlama, Uzama ve Sonlanma basamaklarıdır.

Transkripsiyon (Yazılma) Nedir?

DNA'nın kalıp zincirindeki genetik bilgiye göre RNA sentezlenmesine Transkripsiyon (Yazılma) denir.

• Transkripsiyonda RNA Polimeraz Enzimi görev yapar.
• Transkripsiyon olayı ile tüm RNA çeşitleri sentezlenir.

Transkripsiyon olayında sırasıyla şu basamaklar gerçekleşir.

1. Başlama

• DNA üzerinde sentezlenecek proteine ait olan ilgili gen bölgesi RNA Polimeraz Enzimi tarafından açılır.
• RNA Polimeraz Enzimi DNA üzerindeki ilgili bölgeye bağlanır.

2. Uzama

• DNA'nın iki zincirinden biri kalıp zincir, diğeri kalıp olmayan (kodlayıcı zincir) zincirdir.
• Kalıp zincir mRNA için şifre veren zincirdir.
• Kalıp olmayan zincir ise; kalıp zincirin tamamlayıcısı olduğu için gen anomalilerinin rapor edilmesinde kullanılır.
• RNA Polimeraz; kalıp olarak kullanılacak DNA zincirini kopyalamaya başlar.
• DNA'daki kalıp zincirde yer alan nükleotitlerin karşısına uygun RNA nükleotitleri gelir. (Adenin karşısına Timin değil Urasil gelir)
• RNA Polimeraz; mRNA üzerinde dizilen nükleotitler arasında Fosfodiester Bağları oluşturur.
• RNA Polimeraz; kalıp zincir boyunca hareket ederek mRNA'nın 3' üssü ucuna RNA nükleotitlerini ekler.
• mRNA DNA'nın kalıp zincirine anti paralel olduğu için mRNA ipliğinin sentez yönü 5' üssünden → 3' üssüne doğru olur.
• Transkripsiyon ilerledikçe yeni sentezlenen mRNA molekülleri kalıp DNA'dan ayrılır. Sonra DNA iplikleri tekrar sarmal hale dönüşür.

3. Sonlanma

• DNA'daki kalıp zincire tutunmuş RNA Polimeraz genin sonlandırıcı dizisine geldiği zaman DNA'dan ayrılır.
• Böylece sentezlenen mRNA serbest kalır.
• Serbest kalan mRNA'nın iki ucu değiştirilerek RNA işlenmesi gerçekleşir.
• mRNA çekirdek zarındaki porlardan çıkarak sitoplazmaya geçer ve ribozomun küçük alt birimine bağlanır.

Translasyon (Okuma) Nedir?

• Translasyon olayı ribozomlarda olur.
• Ribozomun küçük alt birimine bağlanmış olan mRNA'daki kodonlar üzerinden polipeptit sentezinin yapılmasıdır.
• Translasyonda; ribozom, mRNA, tRNA, rRNA, zayıf hidrojen bağları, peptit bağları, amino asitler, amino asitleri tRNA bağlayacak aktifleştirici enzimler görev alır.
• Ribozom ökaryot hücrelerde çekirdekçikte sentezlenir.
• Yapısında protein ve rRNA bulunur.
• Çekirdekçikte sentezlenen ribozomun büyük ve küçük alt birimleri çekirdek porlarından çıkarak sitoplazmaya geçerler.
• Bu alt birimler ayrı ayrı bulunurken protein sentezinde bir araya gelirler.

Ribozomun hücrede bulunduğu yerler;

• Çekirdek zarı,
• Granüllü endoplazmik retikulum zarı üzerinde sitoplazmada tek tek ya da poliribozom şeklinde,
• Mitokondri ve kloroplast organelinde bulunurlar.

Hücre içinde kullanılacak proteinler genellikle sitoplazmada yer alan ribozomlarda sentezlenir. Hücre dışına salgılanacak ve lizozomda kullanılacak enzimlerin proteinleri ise granüllü endoplazmik retukulum zarı üzerindeki ribozomlarda sentezlenmektedir.

Ribozomun büyük alt biriminde üç bölge bulunur. Bunlar;

1. 1.Bölge (A) : tRNA'nın bağlandığı ve kodon ile antikodon eşleşmesi ile okuma olayının gerçekleştiği yerdir.
2. 2.Bölge (P) : Sentezlenen polipeptitin uzadığı yerdir.
3. 3.Bölge (E) : tRNA'nın ribozomu terk ettiği yerdir.

Translasyon olayı prokaryot hücrelerde sitoplazma ve ribozomda gerçekleşir.

Translasyon olayında sırasıyla şu basamaklar gerçekleşir.

1. Başlama

• Çekirdekte DNA tarafından sentezlenen mRNA çekirdekten çıkarak ribozomun küçük alt birimine bağlanır.
• mRNA zinciri üzerinde AUG başlatma kodonu neredeyse buna karşılık gelen UAC antikodonuna sahip tRNA metiyonin amino asidini ribozoma getirir.
• AUG kodonu ile UAC antikodonu arasında geçici hidrojen bağları kurulur.
• Böylece kodon - antikodon eşleşmesi olur.
• Sonra ribozomun küçük alt birimi büyük alt birime bağlanır.
• Büyük ve küçük alt birimin bir araya gelmesi ile polipeptit sentezi başlar.

2. Uzama

• Polipeptit sentezinin başlaması ile birlikte mRNA ribozomun alt birimleri arasında kaymaya başlar.
• tRNA taşıdığı amino asit ile ribozomun ikinci bölgesine gelir.
• Boşta kalan birinci bölgeye ise yeni bir tRNA gelir.
• Tekrar kodon - antikodon eşleşmesi ve okuma gerçekleşir.
• İkinci bölgede bulunan tRNA taşıdığı amino asidi birinci bölgedeki amino asite ekler.
• Bu sırada amino asitler arasında peptit bağı kurulur.
• Bu peptit bağlarının oluşumunda ribozomun büyük alt biriminde bulunan rRNA enzim olarak görev alır.
• Amino asidini bırakan ikinci tRNA üçüncü bölgeye geçer ve ribozomu terk eder.
• Bu olaylar mRNA'daki kodonların tümü okununcaya kadar aynı şekilde tekrar eder.
• Böylece sitoplazmadan ribozoma taşınan amino asitler mRNA'daki kodon sırasına göre dizilerek polipeptit oluşur.

3. Sonlanma

• Uzama evresi mRNA üzerindeki durdurucu kodonlarda biri (UAA, UAG, UGA) gelinceye kadar devam eder.
• Gelen durdurucu kodona sonlandırıcı protein (ayrılma faktörü) bağlanır.
• Bu protein polipeptit zinciri ile tRNA arasındaki bağı kopararak polipeptitin ribozomdan ayrılmasını sağlar.
• Polipeptit zinciri ribozomu terk ettikten sonra ribozomun alt birimleri yeniden birbirinden ayrılır.

EK BİLGİLER-1: Proteinlerin çeşitli olmasının nedenleri;

• DNA tarafından verilen genetik şifrenin farklı olması,
• Proteinin yapısına katılan amino asitlerin dizilimi, sayısı ve çeşitliliğin farklı olmasıdır.

EK BİLGİLER-2:

• Transkripsiyon olayında A, G, C, U nükleotitleri ve RNA Polimeraz Enzimi kullanılır.
• Translasyonda ise amino asitler kullanılır.
• DNA replikasyonunda A, G, C, T nükleotitleri, DNA Polimeraz, Helikaz ve Ligaz enzimleri kullanılır.
• Translasyon ve Transkripsiyon olayında ATP enerjisi harcanır.
• mRNA sentezi DNA'nın kalıp olan ipliğinin 3' (üssü) ucundan başlar.
• mRNA zinciri DNA zincirine anti paralel olduğu için mRNA zincirinin sentezi 5' (üssü) den 3' (üssü) yönüne doğru olur.

EK BİLGİLER-3:

• DNA'nın eşlenmesi (replikasyon) olayı hücrenin bölüneceğini gösterir.
• Transkripsiyon ve translasyon protein sentezi sırasında gerçekleşen olaylardır.
• Protein sentezinde DNA eşlenmesine (replikasyona) gerek yoktur.
• Replikasyon sinir hücresi gibi bölünemeyen hücrelerde gerçekleşmez.
• Replikasyon sırasında oluşabilecek bir hata kalıtsal olabilir. (Gen Mutasyonu)
• Ancak transkripsiyon ve translasyon sırasında oluşacak hatalar kalıtsal olmaz. Sadece farklı bir proteinin üretimine neden olabilir.
• Protein sentezindeki genetik bilgi akışı tek yönlü gerçekleşir.
• Polipeptit sentezi sırasında amino asitler arasında kurulan peptit bağı kadar su açığa çıkar (dehidrasyon).
• Translasyonda mRNA ile tRNA arasında geçici zayıf hidrojen bağları kurulur.
• Polipeptit sentezi sona erdikten sonra tRNA'lar ribozomdan ayrılır. mRNA serbest kalır. Ribozomun alt birimleri birbirinden ayrılır. Bu moleküller tekrar kullanılabilir.
• mRNA aynı çeşit protein sentezi olacaksa kullanılabilir. Yani her protein çeşidi için bir mRNA olmalıdır.
• Sentezde kullanılan enzimlerde tekrar kullanılabilir.

EK BİLGİLER-4:

• Ribozomda sentezlenen polipeptitler düz bir zincir şeklinde olup primer (birincil) yapıdadır.
• Bu polipeptit zinciri işlevsel değildir. Farklı şekillerde katlanmalar yaparak ikincil, üçüncül, dördüncül yapılara sahip üç boyutlu işlevsel proteinlere dönüşür.

Poliribozom (Polizom)

• Bir mRNA'nın çok sayıda ribozom tarafından okunmasıdır.
• Yani, bir mRNA birden fazla ribozoma tutunarak çoklu bir yapı oluşturur.
• Bu durum hücrenin aynı çeşit proteine çok sayıda ve kısa bir sürede acil ihtiyacı varsa bu protein çeşidini üretmek için kullanılır.
• Bu işlem tek mRNA ile defalarca tekrarlanabilir.
• Böylece aynı çeşit proteinden kısa sürede çok miktarda sentezlenmiş olur.

DNA replikasyonu, bir hücre bölünmesi sırasında genetik bilgiyi yeni hücrelere aktarmak amacıyla DNA molekülünün kopyalanması sürecidir. Bu süreç, hücre döngüsünün S fazında gerçekleşir ve birkaç temel adımı içerir:

1. Başlama (Inisiasyon):

   • Replikasyon, DNA molekülünün belirli bir noktadan (orijin) başlar.
   • Orijin bölgesindeki DNA dizileri, helikaz enzimi tarafından tanınır ve açılır. Bu, replikasyon çatalı adı verilen bir yapı oluşturur.

2. Helikaz ve Primer Sentezi:

   • Helikaz enzimi, çift sarmallı DNA'yı açarak iki tek zincirli DNA oluşturur.
   • DNA primaz enzimi, her iki tek zincirli DNA'ya kısa RNA primerleri sentezler. Bu primerler, DNA polimeraz enziminin bağlanması için gereklidir.

3. Uzama (Elongasyon):

   • DNA polimeraz, RNA primerlerinden başlayarak yeni DNA zincirini sentezler. Bu enzim, özgün DNA zincirine karşılık gelen yeni nükleotidleri ekler.
   • Replikasyon, iki yönlü olarak (bidirectional) ilerler ve her iki yönde de yeni DNA zincirleri sentezlenir.
   • Lider iplik (leading strand) sürekli olarak sentezlenirken, gecikmeli iplik (lagging strand) parça parça (Okazaki fragmanları) sentezlenir.

4. Sonlanma (Terminasyon):

   • Replikasyon çatalı, DNA'nın tamamı kopyalanana kadar ilerler.
   • RNA primerleri, DNA polimeraz tarafından çıkarılır ve yerlerine DNA nükleotidleri eklenir.
   • Ligaz enzimi, DNA parçaları arasındaki boşlukları kapatarak kesintisiz bir DNA molekülü oluşturur.

Replikasyonun Önemi

DNA replikasyonu, genetik bilginin doğru ve eksiksiz bir şekilde yeni hücrelere aktarılmasını sağlar. Bu süreçte meydana gelen hatalar, mutasyonlara yol açabilir ve çeşitli genetik hastalıklara neden olabilir. Ancak, hücrede bulunan onarım mekanizmaları, replikasyon sırasında oluşabilecek hataları düzeltir ve genetik kararlılığı sağlar.

Önemli Enzimler

• Helikaz: DNA çift sarmalını açan enzim.
• DNA Primaz: RNA primerlerini sentezleyen enzim.
• DNA Polimeraz: Yeni DNA zincirini sentezleyen enzim.
• DNA Ligaz: DNA parçalarını birleştiren enzim.
• SSB (Tek Zincir Bağlayıcı Proteinler): Açık kalan tek zincirli DNA'yı stabilize eder.