Genden Proteine: Nükleik Asitler ve Protein Sentezi

Kalıtım maddesinin arayışı

Yirminci yüzyılın başında kromozomların kalıtımı taşıdığı biliniyordu, ama kromozomlarda hem DNA hem de protein vardı. Birçok bilim insanı kalıtım maddesinin protein olduğunu düşünüyordu: proteinler 20 çeşit amino asitten yapılır ve çok çeşitlidir, DNA ise yalnızca dört çeşit nükleotitten oluşur. Bu soruyu birbirini izleyen birkaç deney çözdü.

Griffith (1928). Frederick Griffith, zatürreye yol açan bir bakterinin iki tipiyle çalıştı. S tipi bakterilerin çevresinde koruyucu bir kapsül vardır ve fareleri öldürür; R tipi bakterilerde kapsül yoktur, bağışıklık sistemi onları yok eder ve fare yaşar. Griffith fareleri dört gruba ayırdı. Canlı S bakterisi verilen fareler öldü, canlı R bakterisi verilenler yaşadı. Isıyla öldürülmüş S bakterisi verilen fareler de yaşadı. Ancak ısıyla öldürülmüş S bakterileri canlı R bakterileriyle karıştırılıp verildiğinde fareler öldü ve kanlarından canlı S bakterileri elde edildi.

Griffith bu olaya dönüşüm (transformasyon) dedi. Dönüşen bakterilerin yavruları da kapsüllüydü; yani değişiklik kalıtsaldı. Deney, kalıtsal özellikleri taşıyabilen bir maddenin bir hücreden ötekine geçebildiğini gösterdi, ama bu maddenin ne olduğunu göstermedi.

Avery, MacLeod ve McCarty (1944). Bu araştırmacılar ısıyla öldürülmüş S bakterilerinden elde ettikleri özütü ayrı tüplere böldü. Bir tüpte proteinleri parçalayan enzim (proteaz), birinde RNA'yı parçalayan enzim (RNaz), birinde de DNA'yı parçalayan enzim (DNaz) kullandılar ve her özütü R bakterileriyle karıştırdılar. Dönüşüm yalnızca DNaz uygulanan tüpte gerçekleşmedi. Dönüşümü sağlayan madde DNA'ydı.

Hershey ve Chase (1952). Bakteriyofajlar (kısaca faj) bakterileri enfekte eden virüslerdir; yapıları yalnızca bir protein kılıf ve onun içindeki DNA'dan oluşur. Fajın yapısında DNA'da fosfor bulunur ama kükürt bulunmaz; proteinde ise kükürt bulunur ama fosfor (pratikte) bulunmaz. Alfred Hershey ve Martha Chase, bir grup fajın proteinini radyoaktif kükürtle (\(^{35}\text{S}\)), diğer grubun DNA'sını radyoaktif fosforla (\(^{32}\text{P}\)) işaretledi. Fajlar bakterileri enfekte ettikten sonra karışım bir karıştırıcıda çalkalandı; böylece bakterinin yüzeyinde kalan faj kılıfları koparıldı. Sonra santrifüj edildi: ağır olan bakteriler tüpün dibinde çökelti oluşturdu, hafif faj kılıfları sıvı kısımda kaldı.

\(^{32}\text{P}\) ile işaretli grupta radyoaktivite çökeltideki bakterilerde, \(^{35}\text{S}\) ile işaretli grupta ise sıvı kısımda bulundu. Bakterinin içine giren ve yeni fajların oluşumunu yönlendiren molekül DNA'dır. Yeni fajların protein kılıfları bakterinin amino asitleri ve ribozomları kullanılarak, faj DNA'sındaki bilgiye göre yapılır.

DNA'nın yapısı: Watson ve Crick modeli

TYT'de DNA'nın nükleotitlerden oluştuğunu, A ile T'nin, G ile C'nin eşleştiğini gördük. Bu bilgiye nasıl ulaşıldı? Erwin Chargaff, farklı canlıların DNA'sını inceleyip bir düzenlilik buldu: her türde A miktarı T'ye, G miktarı C'ye eşitti, ama A + T'nin G + C'ye oranı türden türe değişiyordu. Rosalind Franklin, X ışınlarını DNA liflerinden geçirerek elde ettiği kırınım görüntüleriyle molekülün sarmal yapıda olduğuna ve fosfat gruplarının dışta yer aldığına dair kanıtlar sağladı. James Watson ve Francis Crick, bu verileri bir araya getirerek 1953'te çift sarmal modelini önerdiler.

Modelin temel özellikleri şunlardır:

• DNA, birbirinin çevresinde sarılmış iki polinükleotit zincirinden oluşur. Şeker-fosfat omurgası dışta, bazlar içtedir; sarmalın her tam dönüşünde yaklaşık 10 baz çifti bulunur.
• Bir pürin (A ya da G) her zaman bir pirimidinle (T ya da C) eşleşir. Bu yüzden iki zincir arasındaki uzaklık molekül boyunca sabittir. A ile T arasında 2, G ile C arasında 3 hidrojen bağı kurulur; Chargaff'ın eşitlikleri bu eşleşmenin sonucudur.
• Her zincirin iki ucu farklıdır. Nükleotitlerin şekeri beş karbonludur ve karbonlar 1'den 5'e numaralanır. Bir zincirin bir ucunda 5. karbona bağlı serbest fosfat (5' ucu), öbür ucunda 3. karbona bağlı serbest OH grubu (3' ucu) bulunur.
• İki zincir antiparaleldir: biri 5' → 3' yönünde uzanırken karşısındaki zincir aynı yönde 3' → 5' uzanır.

Antiparallellik dizi yazarken önemlidir. Bir zincir 5'-GATTCCGA-3' ise karşı zincir hizalı olarak 3'-CTAAGGCT-5' biçiminde yazılır. Bu zinciri 5' ucundan başlayarak okumak istersen diziyi ters çevirirsin: 5'-TCGGAATC-3'. Diziler, aksi belirtilmedikçe 5' ucundan 3' ucuna doğru yazılır.

DNA'nın kendini eşlemesi

Watson ve Crick modelin bir sonucunu hemen fark ettiler: zincirlerden biri bilinirse karşı zincir de bilinir. Eşlenmede iki zincir birbirinden ayrılır ve her biri yeni bir zincir için kalıp olur. Oluşan iki DNA molekülünün her biri bir eski, bir yeni zincir taşır. Bu modele yarı korunumlu eşlenme denir. Ökaryotlarda DNA, hücre döngüsünün S evresinde çekirdekte eşlenir; mitokondri ve kloroplastlar kendi DNA'larını da eşler. Eşlenme için kalıp DNA, dört çeşit DNA nükleotidi, enzimler ve enerji (ATP) gerekir.

Eşlenmede görev alan başlıca enzimler:

• Helikaz: Baz çiftleri arasındaki hidrojen bağlarını koparır ve iki zinciri fermuar gibi açar. Zincirlerin ayrıldığı bölgeye eşlenme çatalı denir.
• DNA polimeraz: Kalıp zincirdeki bazın karşısına uygun nükleotidi getirir ve yeni zincire ekler. Yeni nükleotidi yalnızca büyüyen zincirin 3' ucuna ekleyebilir; bu yüzden yeni zincir her zaman 5' → 3' yönünde uzar ve kalıbı 3' → 5' yönünde okur. DNA polimeraz yanlış eklenen nükleotitlerin çoğunu fark edip düzeltir; eşlenmenin hata oranı bu sayede çok düşüktür.
• Ligaz: Kesintili sentezlenen DNA parçalarını, aralarında fosfodiester bağı kurarak birleştirir.

İki kalıp zincir antiparalel olduğu için çatal açıldıkça kalıplardan biri 3' → 5' yönünde açılır ve bu zincir üzerinde yeni zincir çatala doğru kesintisiz uzar. Öteki kalıp üzerinde ise DNA polimeraz çataldan uzaklaşan yönde çalışmak zorundadır; bu zincir kısa parçalar hâlinde sentezlenir ve parçaları ligaz birleştirir. Ökaryot kromozomlarında eşlenme aynı anda birçok noktadan başlar; bu sayede çok uzun DNA molekülleri kısa sürede eşlenir.

Meselson ve Stahl deneyi

Yarı korunumlu modelin yanında iki model daha düşünülmüştü. Korunumlu modele göre eski çift zincir olduğu gibi kalır ve tamamen yeni bir çift zincir oluşur. Dağınık modele göre ise eski ve yeni DNA parçaları her iki zincire de karışık olarak dağılır. Matthew Meselson ve Franklin Stahl 1958'de bu modelleri ayırt eden deneyi yaptı.

Azotun iki kararlı izotopu vardır: yaygın olan \(^{14}\text{N}\) ve bir nötron fazlası olan ağır \(^{15}\text{N}\). Bazlarda azot bulunduğundan, \(^{15}\text{N}\) içeren ortamda uzun süre üretilen bakterilerin DNA'sı daha yoğundur. Yoğunluk farkı, DNA çok hızlı santrifüj edildiğinde tüpte bantların farklı yüksekliklerde toplanmasıyla görülür: ağır DNA tüpün alt kısmında, hafif DNA daha yukarıda, ikisinin karışımı olan ara yoğunluktaki DNA da aralarında toplanır.

Meselson ve Stahl, \(^{15}\text{N}\) ortamında üretilmiş E. coli bakterilerini \(^{14}\text{N}\) içeren ortama aktardı ve her bölünmeden sonra DNA'yı inceledi.

• 1. kuşak: Tek bant, ara yoğunlukta. Her molekül bir \(^{15}\text{N}\), bir \(^{14}\text{N}\) zincir taşır. Bu sonuç korunumlu modeli çürüttü; o modele göre bir ağır ve bir hafif bant görülmeliydi.
• 2. kuşak: İki bant, ara ve hafif, eşit miktarda. Bu sonuç dağınık modeli çürüttü; o modele göre yine tek bir bant, ara ile hafif arasında bir konumda görülmeliydi.
• n. kuşak: Toplam \(2^{n}\) molekülün yalnızca 2'si ara yoğunluktadır, geri kalan \(2^{n} - 2\) tanesi hafiftir. Başlangıçtaki iki ağır zincir hiçbir zaman kaybolmaz ve hiçbir zaman yeniden bir araya gelmez.

Gen ve genetik şifre

Gen, bir polipeptidin (ya da bir RNA molekülünün) yapısına ait bilgiyi taşıyan DNA bölümüdür. Bilgi, nükleotitlerin diziliş sırasında saklıdır. Peki dört harfli bir alfabe 20 amino asidi nasıl belirtir? Tek nükleotit yalnızca \(4^{1} = 4\), iki nükleotit \(4^{2} = 16\) amino asidi ayırt edebilirdi; ikisi de yetmez. Üç nükleotit \(4^{3} = 64\) farklı birleşim verir ve bu yeterlidir. mRNA üzerinde bir amino asidi belirten ardışık üç nükleotide kodon denir; şifre bu yüzden üçlü şifredir.

Genetik şifrenin özellikleri:

• 64 kodonun 61'i amino asit şifreler; UAA, UAG ve UGA hiçbir amino asit şifrelemez, translasyonu durdurur (durdurma kodonları).
• AUG hem metiyonin şifreler hem de translasyonun başladığı yeri gösterir (başlama kodonu). Bu yüzden yeni sentezlenen polipeptitlerin ilk amino asidi metiyonindir; bu amino asit daha sonra çıkarılabilir.
• Şifre dejeneredir: çoğu amino asit birden fazla kodonla şifrelenir (ör. lösin altı, alanin dört kodonla). Buna karşılık her kodon yalnızca bir amino asidi belirtir; şifre belirsiz değildir.
• Şifre hemen hemen evrenseldir: bakteriden insana kadar canlıların çok büyük çoğunluğunda aynı kodon aynı amino asidi belirtir (mitokondri gibi birkaç küçük istisna vardır). Bu, canlıların ortak bir kökenden geldiğinin güçlü bir kanıtıdır ve insan insülin geninin bakteride çalıştırılmasını mümkün kılar.
• Kodonlar ara vermeden ve üst üste binmeden, sırayla okunur. Okumanın nereden başladığı (okuma çerçevesi) başlama kodonuyla belirlenir.

Transkripsiyon: DNA'dan mRNA'ya

Ökaryot hücrede DNA çekirdektedir, protein sentezi ise sitoplazmadaki ribozomlarda yapılır. Bilgiyi ribozoma taşıyan aracı molekül mesajcı RNA (mRNA)'dır. DNA'daki bilginin RNA'ya aktarılmasına transkripsiyon (yazılım) denir.

• RNA polimeraz enzimi genin başındaki bölgeye bağlanır, iki zinciri o bölgede açar ve zincirlerden yalnızca birini kalıp olarak kullanır.
• Kalıptaki bazların karşısına RNA nükleotitleri gelir: A'nın karşısına U, T'nin karşısına A, G'nin karşısına C, C'nin karşısına G. Eşleşmede timin değil urasil kullanılır.
• RNA polimeraz, DNA polimeraz gibi, yeni nükleotidi 3' ucuna ekler; mRNA 5' → 3' yönünde uzar. Gen bölgesi bitince mRNA ayrılır ve DNA zincirleri yeniden birleşir.
• Ökaryotlarda transkripsiyon çekirdekte olur (mitokondri ve kloroplastta da kendi genleri için). Ökaryot genlerinin çoğunda protein şifrelemeyen ara bölgeler (intron) bulunur; bunlar mRNA çekirdekten çıkmadan önce kesilip atılır. Olgunlaşan mRNA, çekirdek porlarından sitoplazmaya geçer.
• Prokaryotlarda çekirdek zarı yoktur; transkripsiyon ve translasyon sitoplazmada, hatta aynı mRNA üzerinde aynı anda yürüyebilir.

Bir DNA bölümünden yalnızca bir zincir kalıp olarak kullanıldığından, çift zincirde \(N\) nükleotit taşıyan bir gen bölgesinden \(\frac{N}{2}\) nükleotitli bir mRNA oluşur (intronların olmadığı varsayımıyla). mRNA tek zincirlidir; bu yüzden onda A = U, G = C eşitliği beklenmez. Ancak mRNA'nın baz oranları kalıp zincirden doğrudan bulunur: mRNA'daki U oranı kalıptaki A oranına, mRNA'daki C oranı kalıptaki G oranına eşittir.

RNA çeşitleri

Hücrede üç temel RNA çeşidi vardır ve üçü de DNA'dan transkripsiyonla sentezlenir.

• mRNA: Genin taşıdığı bilgiyi kodonlar hâlinde ribozoma taşır. Bir mRNA birçok kez okunabilir; aynı anda üzerinde birden fazla ribozom çalışabilir (bu yapıya poliribozom denir).
• tRNA (taşıyıcı RNA): Sitoplazmadaki amino asitleri ribozoma taşır. Kısa bir zincirdir ve bazı bölgelerinde kendi üzerine katlanıp eşleşerek yonca yaprağı biçimini alır. 3' ucuna belirli bir amino asit bağlanır; bu bağlanma ATP harcanarak, özgül enzimlerle yapılır. Öbür uçtaki ilmekte, mRNA'daki kodonla eşleşen üç bazlık antikodon bulunur.
• rRNA (ribozomal RNA): Proteinlerle birlikte ribozomun yapısına katılır. Ökaryotlarda rRNA çekirdekçikte sentezlenir. Ribozom büyük ve küçük iki alt birimden oluşur; peptit bağının kurulmasında büyük alt birimdeki rRNA görev alır.

Antikodon ile kodon da antiparalel eşleşir. Bu yüzden antikodonu 3' → 5' yönünde yazarsan kodonla harf harf karşılaştırabilirsin. Durdurma kodonlarının karşılığı olan tRNA yoktur; translasyon bu kodonlara gelince yeni amino asit eklenemez.

Translasyon: mRNA'dan proteine

mRNA'daki kodon dizisine göre amino asitlerin peptit bağlarıyla birleştirilmesine translasyon (çeviri) denir. Translasyon ribozomlarda gerçekleşir: sitoplazmada serbest ribozomlarda, granüllü endoplazmik retikulum üzerindeki ribozomlarda, ayrıca mitokondri ve kloroplast içindeki ribozomlarda. Üç aşamada incelenir.

• Başlama: Ribozomun küçük alt birimi mRNA'ya bağlanır ve başlama kodonunu (AUG) bulur. Metiyonin taşıyan ve antikodonu 3'-UAC-5' olan tRNA bu kodona yerleşir, ardından büyük alt birim katılır.
• Uzama: Sıradaki kodona antikodonu uygun tRNA gelir. Ribozom, önceki amino asitle yeni gelen amino asit arasında peptit bağı kurar; büyüyen zincir yeni gelen tRNA'ya aktarılır. Boşalan tRNA ribozomdan ayrılır, sitoplazmada yeniden amino asit yükleyebilir. Ribozom mRNA üzerinde 5' → 3' yönünde bir kodon (üç nükleotit) ilerler ve döngü tekrarlanır.
• Bitiş: Ribozom bir durdurma kodonuna geldiğinde bu kodona uyan tRNA olmadığından zincir uzayamaz. Polipeptit serbest bırakılır, ribozomun alt birimleri birbirinden ayrılır.

Polipeptit zinciri ribozomdan ayrıldıktan sonra katlanarak üç boyutlu şeklini alır. Bazı proteinler birden fazla polipeptit zincirinin birleşmesiyle çalışır. Hücre dışına salgılanacak proteinler granüllü endoplazmik retikulum ribozomlarında sentezlenir, Golgi cisminde paketlenir.

Protein sentezinde sayısal ilişkiler

Hesap sorularında zincirin her halkası bir öncekinden kolayca bulunur. Soru kökünde genellikle "durdurma kodonu da şifrelenmiştir" ve "intron yoktur" gibi varsayımlar verilir; vermiyorsa durdurma kodonunu nasıl ele alacağını kökten anlamaya çalış.

Peptit bağı dehidrasyon sentezidir: \(n\) amino asitlik tek bir polipeptit zincirinde \(n - 1\) peptit bağı vardır ve her bağ için bir su molekülü açığa çıkmış sayılır. Ters yönde gidersen \(n\) amino asitli bir polipeptidi şifreleyen mRNA'da en az \(3(n + 1)\) nükleotit, gen bölgesinde en az \(6(n + 1)\) nükleotit bulunur (durdurma kodonu dahil).

Mutasyonlar ve proteine etkileri

DNA'nın nükleotit dizisinde ya da kromozomların yapısında veya sayısında kalıcı değişikliklere mutasyon denir. Mutasyonlar eşlenme hatalarıyla kendiliğinden oluşabilir; morötesi (UV) ışınlar, X ışınları gibi iyonlaştırıcı ışınlar ve bazı kimyasal maddeler mutasyon olasılığını artırır. Vücut hücrelerindeki mutasyonlar yavrulara aktarılmaz; üreme hücrelerindeki mutasyonlar aktarılabilir. Mutasyonlar yeni alellerin asıl kaynağıdır.

Nokta mutasyonları tek bir nükleotidi (ya da birkaç nükleotidi) etkiler:

• Yer değiştirme: Bir baz başka bir bazla değişir. Şifre dejenere olduğundan yeni kodon aynı amino asidi şifreleyebilir; bu durumda protein değişmez (sessiz mutasyon). Yeni kodon başka bir amino asidi şifrelerse proteinde tek bir amino asit değişir. Yeni kodon bir durdurma kodonu olursa polipeptit erken sona erer ve kısa kalır.
• Ekleme ve çıkarma: Bir ya da iki nükleotit eklenir veya çıkarılırsa, o noktadan sonraki bütün kodonlar kayar (çerçeve kayması). Değişiklikten sonraki amino asitlerin çoğu değişir, çoğu zaman erken bir durdurma kodonu ortaya çıkar. Üç nükleotit eklenir ya da çıkarılırsa okuma çerçevesi korunur; proteine bir amino asit eklenir ya da proteinden bir amino asit eksilir.

Orak hücre anemisi tek bir yer değiştirmenin sonucudur. Hemoglobinin β zincirinin 6. amino asidini şifreleyen kodon GAG yerine GUG olur; glutamik asit yerine valin gelir. Bu tek fark, oksijen azaldığında hemoglobin moleküllerinin bir araya toplanmasına ve alyuvarların orak biçimini almasına yol açar. Bir amino asidin bile proteinin şeklini ve işlevini değiştirebileceğini gösteren klasik bir örnektir.

Kromozom mutasyonları daha büyük ölçeklidir ve mikroskopta görülebilir. Yapı değişiklikleri dört grupta toplanır: bir parçanın kaybı (silinme), bir parçanın birden fazla kopyalanması (tekrarlanma), bir parçanın kopup ters dönerek yerine bağlanması (ters dönme) ve bir parçanın homolog olmayan bir kromozoma geçmesi (yer değiştirme). Kromozom sayısındaki değişiklikler çoğunlukla mayozda kromozomların ayrılmamasıyla olur; Down sendromunda 21. kromozomdan üç tane bulunur. Bitkilerde kromozom takımlarının katlanması (poliploidi) tarımda verimli çeşitler elde etmek için kullanılır.