Genetik şifre, Transkripsiyon ve Translasyon ASLI SADE MEMİŞOĞLU

Transkript

1 Genetik şifre, Transkripsiyon ve Translasyon ASLI SADE MEMİŞOĞLU

2 Giriş DNA nın genetik bilgiyi barındırdığının anlaşılmasından sonra; DNA nın genler halinde nasıl organize olduğu ve Genetik işlevin kromozomlar halinde nasıl organize olduğu araştırılmaya başlanmıştır. Burada sorulacak asıl soru genetik maddenin organizmanın genomunu oluştururken nasıl düzenlendiğidir.

3 1. Virüs ve bakteri kromozomları basit DNA molekülleridir Genellikle tek bir nükleik asit molekülünden oluşur ve proteinlerle çok ilişkili değildir. Daha az genetik bilgi içerirler.

4 1.1 Virüs kromozomu Virüs kromozomları, tek ya da çift zincirli tek tip bir nükleik asit molekülünden (ya DNA, ya da RNA dan) oluşur. Halkasal yapıda ya da doğrusal yapıda olabilir. Ör: Bakteriyofaj øx174 ün tek zincirli DNA sı, olgun virüsün protein kılıfı içinde kapalı halka şeklinde bulunur.

5 1.1 Virüs kromozomu 17μm lik bir DNA her kenarı 0.1μm olan bir kapsüle sığdırılır Virüs, bakteri ve ökaryotik hücrelerin ortak bir özelliği; Çok uzun DNA molekülünü oldukça küçük bir hacim içine paketleme yetenekleridir.

6 1.2 Bakteri kromozomu Bakteri kromozomları yapısal olarak basittir. Daima çift zincirli DNA molekülünden oluşur ve nükleoid olarak adlandırılan bir yapı içinde sıkışmış olarak bulunur. Bakteri kromozomlarını oluşturan DNA nın çeşitli tiplerde DNA bağlanma proteinleri ile ilişkili olduğu bulunmuştur.

7 Bazı virüs ve bakterilerin genetik materyalleri

8 2. Ökaryotlarda DNA, kromatin şeklinde düzenlenmiştir Kromatin: DNA nın ve proteinlerin birleşerek oluşturduğu nükleoprotein yapısına denir. Mitoz sırasında kromozom yapısı, çok sıkı kıvrılmış, katlanmış kromatin ipliklerinden oluşmuştur.

9 2. Ökaryotlarda DNA, kromatin şeklinde düzenlenmiştir Hücre döngüsünün interfaz aşamasında kromatin açılır ve kromozomlar kaybolur. İnterfazda, kromatin, çekirdek içinde dağılmıştır. Her kromozomun DNA sı eşlenir. Hücre döngüsü süresince çoğu hücre tekrar mitoza girer. Kromatin, görünür kromozomları oluşturmak üzere yeniden kıvrılır. Bu yoğunlaşma her bir kromatin ipliğinin boyunun kat kısalması demektir.

10 2.1 Kromatin yapısı ve nükleozomlar Kromatin yapısındaki proteinler histonlar ve histon olmayanlar olarak iki gruba ayrılırlar. Histonlar, (+) yüklü amino asitleri çok fazla miktarda içerirler. Bu şekilde proteinler, nükleotitlerin ( ) yüklü fosfat gruplarına bağlanır.

11 2.2 Nükleozomlar Histon proteinleri, DNA nın nükleozom şeklinde katlanmasında ve paketlenmesinde önemli rol oynar. 147 kb lik çift zincirli DNA = bağlayıcı DNA, dört çift histon proteinini çevrelemektedir. Bu yapı, ökaryotik çekirdekteki DNAʼnın temel katlanma birimidir.

12

13

14 2.3 Kromatin yeniden modelleme Bu paketlenme DNA eşlenmesi, transkripsiyonu gibi işlemlerde diğer proteinlerin DNA ya ulaşımını engeller. Bu sorun nasıl çözülür? Paketlemenin açılması gerekmektedir Histon proteinlerine eklenen kimyasal gruplar sayesinde DNA ile arasındaki çekim azaltılmakta ve böylece DNA nın açılması sağlanmaktadır

15 2.3 Kromatin yeniden modellemesi Ökromatin bölgeler, kromozomun açılmış halini tanımlamak için kullanılmıştır. Heterokromatin bölgeler ise paketli ve genetik olarak inaktif olan kısımlardır. Bu bölgeler ya genlerden yoksundur ya da baskılanmış genleri içerirler. Heterokromatin bölgeler, ökaryotik kromozomun farklı bölgelerinde bulunabilir. Sentromer telomer kısımları heterokromatiktir

16 Heterokromatin Ökromatin

17 3. Ökaryotik genomun büyük bir kısmı işlevsel genleri kodlamaz! Ökaryotik genomun ne kadarlık bir kısmının gerçekte işlevsel ve kodlayıcı genlerden oluşur? İnsan genomunun yaklaşık %40ʼı çok ya da orta sayıda tekrarlanan DNA dizilerinden oluşur. Ayrıca kodlayıcı olmadığı belirlenen büyük miktarda tek kopya DNA dizileri vardır.

18 Organizmaların ortak bir özelliği! Tüm organizmalarda, genomun sadece küçük bir kısmı proteinleri kodlar. Örneğin; deniz kestanesinde ile gen protein kodlar ve bu miktar, genomun %10ʼʼundan az kısmını oluşturur. Drosophilaʼʼda genomun %5 ile 10ʼʼu proteinleri kodlar. İnsanda ise ile arasında olduğu düşünülen işlevsel genler genomun %5ʼʼinden az kısmını kapsar.

19 Kromozom Nükleozom Gen

20 4.1 Genetik şifrenin özellikleri Genetik bilgi, yeryüzündeki tüm canlılar için hemen hemen evrensel olan üçlü şifreler halinde DNA da depolanır. Genetik bilgi, transkripsiyon işlemi süresince DNA dan RNA ya aktarılır. RNA da, dört ribonükleotid harften oluşan üçlü kodonlar bulunur. 20 amino asit, 4 farklı ribonükleotidin kodonlar şeklinde yapılanması ile 64 farklı kodondan oluşur

21 4.1 DNA nın iki zincirinden birindeki bilgi transkripsiyonla RNA ya aktarılır (mrna). Bu RNA lar ribozomla etkileşime geçer ve burada mrna nın şifresi, protein oluşturmak için çözülür.

22 4.1 Genetik şifre bazı karakteristik özelliklere sahiptir: 1. Harfler olarak betimlenen ribonukleotid bazları çizgisel olarak sıralanır. 2. Kodon denilen 3 lü ribonükleotid grubu bir amino asidi belirler. 3. Özgündür: Her üçlü yalnız bir amino asidi belirtir. 4. Dejeneredir: Aynı aminoasit, birden fazla kodon tarafından şifrelenebilir. 5. Şifrede başla ve dur sinyalleri bulunur. 6. Şifre hemen hemen evrenseldir. 7. Duraksamaz: Translasyon başladığında kodonlar arasında boşluk ve duraksama olmaz. 8. Üst üste çakışmaz.

23 4.2 Şifrenin işleyişi Genetik şifre üçerli gruplar halinde okunur. Dört baz üçerli gruplar halinde 64 farklı üçlü grup oluşturabilir 4 3 = = 16 (20 amino asite yetersiz)

24 4.2.1 Üçlü şifreleme Üçlü okuma bir çerçeve oluşturur Eğer 1 veya 2 baz eklenirse bu çerçeve kayar Fakat 3 baz eklenirse okumada çerçeve tekrar doğru sıraya döner

25 4.3 Dejenere şifre Amino asitlerin hemen hepsi iki, üç yada dört farklı kodon tarafından belirlenmektedir. Aynı amino asidi belirleyen kodonların ilk iki harfi aynı yalnız üçüncü harf farklıdır. Crick, üçüncü pozisyondaki bu dejenerasyonu gözlemlemiş ve bunu açıklamak için 1966 da Wobble hipotezini öne sürmüştür.

26

27 4.3.1 Wobble hipotezi Crick in hipotezine göre, trna seçiminde ilk iki ribonükleotid üçüncüye göre daha kritiktir. kodon-antikodon etkileşiminde üçüncü pozisyondaki hidrojen bağının kurulmasında esneklik vardır ve baz eşleşme kuralına sıkıca uyma zorunluluğu yoktur.

28 4.3.1 Bu durumda 1 trna ilk 2 nükleotiti aynı olan birden fazla kodona bağlanabilir 61 kodon için sadece trna yeterli olduğu görülmüştür. = ekonomi

29 4.3.2 Başlama ve sonlanma AUG metiyonin kodlar ve buna bazen başlatıcı kodon denmektedir. UAA, UGA ve UAG sonlanma kodonları olarak işlev görür. Bunlara karşılık gelen bir trna yoktur Eğer DNA dizisinde bir mutasyon olur ve aradaki bir kodon sonlanma kodonlarından birine dönüşürse??? Karşılık gelen trna olmadığından protein sentezi durur eksik protein üretilir ve çoğunlukla işlevsiz olur

30 4.5 Prokaryotlarda Transkripsiyon mrna (mesajcı RNA) DNA ile protein arasındaki köprüdür mrna bir DNA kalıbından transkripsiyon sırasında sentezlenir.

31 4.5.1 RNA polimeraz RNA polimeraz DNA kalıbı kullanarak RNA sentezini yapar. DNA polimerazdan farklı olarak başlamak için bir primer gerekmez Deoksiribonükleotitler yerine ribonükleotitleri kullanır.

32 4.5.2 Promotorlar ve kalıba bağlanma Transkripsiyon sonucu, DNA ikili sarmalının zincirlerinden biri üzerindeki bir bölgeye tamamlayıcı olan tek zincirli RNA molekülü sentezlenir. Birinci basamak, kalıba bağlanma basamağı olarak tanımlanır. Bakteride bu ilk bağlanma, RNA polimerazın promotor denilen özgül DNA dizilerini tanımasıyla gerçekleşir.

33 4.5.2 Promotor bölge, genin transkripsiyonunun başlangıç noktasına göre daha yukarıda yani 5 - kısımda yer almaktadır. Enzim, promotor bölgeyi tanıyana kadar belli bir uzunluktaki DNA boyunca keşif yapmaktadır.

34 4.5.3 Başlama, Uzama, Sonlanma Enzim bağlanması gerçekleştikten sonra sarmal, bu bölgede açılır. Böylece DNA kalıbı, enzimin çalışmasına müsait duruma gelir. Transkripsiyonun başladığı bu noktaya transkripsiyon başlangıç bölgesi denir. RNA polimeraz, promotoru tanıyıp bağlandıktan sonra DNA kalıp zincirinin başlangıç noktasındaki ilk nükleotide tamamlayıcı olan nükleotiti ekler. RNA uzaması, bir sonraki tamamlayıcı ribonükleotidin girmesi ve bir öncekine fosfodiester bağı ile bağlanması şeklinde meydana gelir. Bu işlem 5-3 yönüne doğru devam eder.

35

36 4.5.3 Başlama, Uzama, Sonlanma Bakterilerde transkripsiyon, gen dizisi sonundaki 40 bazlık bir bölümün kendi üzerine katlanması ile sonlanır.

37

38 4.6 Ökaryotlarda Transkripsiyon Prokaryotlardan farkları: 1. Çekirdekte meydana gelir ve üç ayrı RNA polimeraz tarafından yönlendirilir. 2. mrna nın, translasyon için çekirdekten sitoplazmaya taşınması gerekir 3. Ökaryotik genlerin transkripsiyonunun başlaması için nükleozomun gevşemesi (kromatin iplik-protein birlikteliği) ve kromatin ipliklerinin ayrılması 4. Transkripsiyonun başlaması ve düzenlenmesi için, DNA nın yukarı bölgesindeki promotor DNA dizileri ile protein faktörleri arasında karmaşık ilişkilerin kurulması 5. İlk oluşan mrna nın sadece %25 kadarı protein sentezinde kullanılır: Kesip birleştirme işlemleri

39 4.6.1 Başlama RNA polimeraz II aktivitesi, hem genin içindeki özel DNA dizileri, hem de bu dizilere bağlanan transkripsiyon faktörleri (proteinler) tarafından kontrol edilir. en az üç tane DNA dizi elementi bulunur. ana-promotor ve etki arttırıcı elementler Etki azaltıcı elementler de düzenlemeye katkıda bulunur

40 Başlama noktası Başlama noktası Başlama noktası Başlama noktası

41 4.6.2 Uzama ve sonlanma Uzama prokaryotlara benzer şekilde işler Transkripsiyon sonunda DNA da sonlanma sinyalini taşıyan kısma gelinir. Kompleks dayanıksız hale geçer. Transkripsiyon sona ererken DNA ve RNA enzimden ayrılır.

42 4.6.3 RNA nın işlenmesi Çekirdekte oluşan RNA molekülü ön-mrna olarak adlandırılır Bu mrna sitoplazmaya geçmeden önce belirli işlemlerden geçer: Bu işlemlere transkripsiyon sonrası değişiklik (post-transkripsiyonel modifikasyon) denir

43 4.6.3 mrna nın işlenmesi 1. 5 ucuna 7-metil guanozin şapka yapısı takılır. 1. muhtemelen mrna yı nükleaz enzimlerince parçalanmaya karşı korumaktadır. 2. mrna sonuna poly-a kuyruk takılır civarında adenin nükleotit mrna yı nükleazlara karşı korur 3. Kes-yapıştır işlemi: 1. Ökaryot genlerinde proteine dönüşmeyen bölgeler bulunur = intron. Bu bölgeler ön-mrna dan kesilerek çıkarılır ve esas protein kodlayan bölgeler (ekzon) tekrar birleştirilir

44

45 Ön-mRNA ve olgun mrna

46 Elektron mikroskopu ile transkripsiyon gözlemlenebilir Figure 14.15

47

48 5. TRANSLASYON VE PROTEİNLER

49 5. Translasyon ve proteinler Translasyon; mrna, trna, ribozomlar ve polipeptid zincir sentezinin başlaması, uzaması ve sonlanması için gerekli çeşitli translasyon faktörleri arasındaki etkileşimleri içerir. 49

50 5.1 mrna nın translasyonu ribozomlara ve trna lara bağlıdır mrna nın translasyonu, amino asitlerin polipeptid zincirleri oluşturmalarıdır. trna, mrna daki özel üçlü kodonlar ile doğru amino asitler arasındaki adaptör moleküldür Ribozoma bağlanan mrna da belli bir amino asite ait özgül bir kodon bulunur. Özgül bir trna molekülünün nükleotid dizileri arasında ise; Kodonla baz eşleşmesi yapabilen ve Antikodon olarak adlandırılan, üçlü ribonükleotid dizileri vardır. 50

51

52 5.2 Ribozom yapısı Ribozomlar, biri büyük biri küçük olmak üzere iki alt birimden oluşur. Bu alt birimler, rrna ve çeşitli ribozomal proteinler içerir. 52

53 (Kaynak: Genetik Kavramlar, Klug, Cummings & Reece) 53

54 5.3 trna nın yapısı Yapıları bakteri ve ökaryotlarda çok benzerdir. yapısı iki boyutlu yonca yaprağı modelidir. Baz eşleşmesi yapmış kollar ve yapmamış halkasal yapılar oluşturmaktadır. 54

55 5.4 mrna nın translasyonu 1. Başlama 2. Uzama 3. Sonlanma 55

56 Başlama Ribozomlar, translasyona katılmadığı zamanlarda büyük ve küçük alt birimleri ayrıdır. 56

57 5.4.1 Başlama 57

58 Uzama Ribozomun iki alt birimi mrna ile bir araya geldiğinde, iki yüklü trna molekülü için bağlama bölgeleri oluşur. Bu iki bölge, peptidil (P) ve aminoaçil (A) bölgeler olarak adlandırılır. Polipeptid zincirine bir amino asit eklenerek büyümesine uzama denir mrna nın hareketinin ardından, P bölgesi, peptit zincirine bağlı trna içerir (P: peptid). A bölgesinde ise amino aside bağlı trna yer alır (A: amino asit). 58

59 59

60 5.4.2 Zincir uzamasında küçük ve büyük alt birimin rolü Küçük alt birimin rolü: mrna daki kodonların deşifre edilmesi. Büyük alt birimin rolü: Peptid bağının sentezlenmesidir. 60

61 Sonlanma Protein sentezlerinin sonlanma sinyalleri A bölgesindeki: UAG UAA UGA A bölgesindeki bu kodonların belirlediği hiçbir amino asit yoktur. Bu kodonlar A bölgesine trna çağıramazlar. 61

62 Sonlanma Dur kodonları salınma faktörlerine harekete geçme sinyalini verir. Polipeptid zinciri ve trna arasındaki bağı kırarak polipeptid zincirinin translasyon kompleksinden ayrılmasını sağlar. Kırılmadan sonra trna ribozomdan ayrılır ve ribozom alt birimlerine ayrışır. 62

63

64 5.5 Prokaryotik ve ökaryotik ribozomlar arasındaki farklar Prokaryotlarda Sentez, küçük ribozomlarda gerçekleşir. Transkripsiyon ve translasyon yer ve zaman açısından ayrılmamıştır. mrna ların ömürleri kısadır. Ökaryotlarda Sentez, daha büyük ribozomlarda gerçekleşir. Bu iki işlem farklı yer ve zamanda gerçekleşir. Translasyon sitoplazmada, transkripsiyon çekirdekte gerçekleşir. RNA ve protein bileşenleri daha karmaşıktır. mrna ların ömürleri daha uzundur. 64

65 6. Genetik ifadenin son ürünleri proteinlerdir Bir gen-bir enzim hipotezi: genler enzim sentezinden doğrudan sorumludur 1940 larda ortaya çıkan bir gen-bir enzim kavramı tüm genetikçiler tarafından kabul görmemiştir. Çünkü mutant enzimlerin nasıl birçok farklı fenotipik özelliğe neden olabileceği henüz çok belirgin değildi. Genetik çalışmalar ilerledikçe, tüm proteinlerin genlerde depo edilen bilgi ile belirlendiği açıklık kazanmış ve dolayısıyla bir gen-bir protein ifadesinin doğru olabileceği düşünülmüştür. Her bir farklı polipeptid zinciri farklı bir gen tarafından kodlandığı için, prensibin modern ifadesi, bir gen-bir polipeptid zinciri şekline dönüştürülmüştür. 65

66 6.1 Protein yapısı biyolojik çeşitliliğin temelidir Translasyonda amino asit zincirinin ribozomdan çıktığı andaki şekli polipeptit olarak adlandırılır. Translasyon sonucu ribozomdan salınan polipeptit katlanarak daha yüksek bir yapı düzeyine ulaşır. Bu durumdaki polipeptit üç boyutlu yapısını kazanmış olur. Molekülün işlev kazanabilmesi için üç boyutlu yapısını alması gerekir Birçok durumda, böyle bir yapı birden fazla polipeptit zincirinin bir araya gelmesiyle oluşur. Aldığı son şekilde molekül tamamen işlevseldir ve artık protein olarak adlandırılması uygun olur. 66

67 6.2. Aminoasitler Aminoasitlerin hepsinde; Merkezdeki karbon atomuna kovalent olarak bağlanmış bir karboksil grubu, Bir amino grubu ve Bir de yan grup (R grubu) bulunur. Her aminoasitin özgün kimyasal özelliğini, sahip oldukları yan grupları sağlamaktadır. 67

68 Prof. Dr. Bektaş TEPE 68

69 6.2 Proteinlerin yapısı Proteinler için dört yapı düzeyi tanımlanmıştır: Primer (birincil) Sekonder (ikincil) Tersiyer (üçüncül) Kuaterner (dördüncül) yapı 69

70 6.2 Proteinlerin yapısı Polipeptitlerin doğrusal iskeletini oluşturan amino asit dizisi, onun birincil yapısıdır. Bu dizilimi, mrna aracılığı ile DNA daki nükleotitlerin dizisi belirler. İkincil yapıda, polipeptit zincirinde birbirine komşu olan amino asitlerin oluşturduğu bir şekil bulunur. α sarmal, βkatlamalı tabaka 70

71 (Kaynak: Genetik Kavramlar, Klug, Cummings & Reece) 71

72 6.2 Proteinlerin yapısı Üçüncül yapı zincirin uzaydaki üç-boyutlu şeklini ifade eder. Her polipeptit, çok özgül bir biçimde kendi üzerine bükülür, dönüşler yapar ve halkalar oluşturur. Proteini dayanıklı kılan ve şeklini oluşturan bu yapı düzeyinin iki yönü çok önemlidir: Polar hidrofilik R gruplarının neredeyse tümü, protein yüzeyinde yer alır ve su ile ilişki kurar. Non-polar hidrofobik R grupları protein molekülünün içinde yer alır ve birbirleri ile etkileşime girerek sudan kaçarlar. 72

73 6.2 Proteinlerin yapısı Proteinlerin dördüncü düzeydeki organizasyonunda birden fazla polipeptit zinciri içeren proteinler için söz konusudur 120

74 6.2 Proteinlerin doğru katlanması çok önemlidir çünkü hatalı katlanan proteinlerin işlevlerini yitirir, aynı zamanda bu proteinler tehlikeli de olabilir. İnsanlarda Alzheimer hastalığı, deli dana hastalığı ve Creutzfeldt-Jacob hastalığı yanlış katlanmış proteinlerden kaynaklanır. 74