Protein Sentezi ve Posttranslasyonel Modifikasyonlar DNAda bulunan nkleotidler

Protein Sentezi ve Posttranslasyonel Modifikasyonlar

• DNA’da bulunan nükleotidler, 3 harfli kodlar (kelimeler) şeklinde organize olmuştur. Bunlara kodon denir. • DNA’daki nükleotid sekansı/dizisi, öncelikle, nükleusta, komplementer/tamamlayıcı şekilde RNA’ya transkript edilir; ardından farklı sınıflara ait RNA molekülleri, transkript edilen genetik bilginin ışığında protein sentezini yönlendirir.

• Protein sentez süreci “translasyon” olarak adlandırılmaktadır. • Bunun sebebi nükleotid sekansından oluşan “dil”in; amino asit sekansından oluşan “yeni bir dil”e tercüme edilmesidir.

21. amino asit: Selenosistein • m. RNA üzerinde özel bir sekans (selenocysteine insertion sequence (SECIS)) mevcut olduğunda, UGA kodonu stop kodonu olarak değil selenosistein kodlayan bir kodon olarak işlev görür. • Bakterilerde SECIS, okuma alanı içerisinde ve UGA kodonuna yakın yerleşimli iken; ökaryotlarda transleyt edilmeyen 3‘ bölgesindedir (3’untranslated region (3' UTR)). • Şu ana kadar insanlarda selenosistein içeren 54 protein tespit edilmiştir (selenoprotein).

Pirolizin • UAG kodonu, özel iki genin (pyl. T ve pyl. S) ve bu genlerin ürünü olan özel t. RNA ve aminoaçil-t. RNA sentetaz ürünlerinin mevcudiyetinde, pirolizin şeklinde ifade edilir. • Pirolizin (Pyl), yalnızca bazı prokaryotlarda tespit edilmiştir (insanlarda yoktur!).

Lizin Pirolizin

Genetik Kodun Özellikleri • Spesifik: Bir kodon daima aynı amino asidi kodlar. • Evrensel/Standart: Evrimsel olarak korunmuştur ve bütün canlılar için ortaktır. – Bunun bazı istisnaları olabilir. Mesela mitokondride UGA, triptofanı kodlar. • Dejenere: Bir kodon yalnızca bir amino asidi kodlamakla birlikte; bir amino asit için birden fazla kodon olabilir. Örneğin hepsi de arjinini kodlayan 6 farklı kodon vardır. • Noktalamasız/kesintisiz: Bir kodonu (3 harfli kelimeyi) bir diğeri takip eder. Kodonlar/kelimeler arasında başka bir şey yer almaz. Mesela; AGCUGGAUACAU şöyle okunur: AGC UGG AUA CAU.

Genetik kodun evrenselliğinin bazı istisnaları

• m. RNA üzerindeki tek bir bazın değişmesine yol açacak genetik değişiklik (DNA’da nokta mutasyonu), 3 muhtemel sonuç doğurur: – Sessiz (silent) mutasyon: Değişiklik sonucu yine aynı amino asit kodlanır. Örneğin; UCA yerine UCU olsa bile, bu kod yine serine ait olacaktır. – Missens (yanlış anlamlı) mutasyon: Sentezlenecek olan amino asit değişir. Örneğin; UCA yerine CCA olursa, serin yerine prolin sentezlenmiş olur. – Nonsens (anlamsız) mutasyon: Mutasyon stop kodonun oluşmasına yol açar. Örneğin; UCA yerine UAA olursa, serin sentezlenmesi gerekirken translasyon durur. Böyle mutasyonlar sonucu kesik/kısa proteinler sentezlenir.

Protein Sentezi İçin Gerekli Bileşenler • Amino asitler • Taşıyıcı RNA’lar • Enzimler ve non-enzim proteinler – Aminoaçil-t. RNA-sentetazlar • Ribozomlar – Ribozomal RNA’lar • Enerji kaynakları • Transkript edilecek m. RNA

Amino Asitler

Transfer RNA (t. RNA) (Taşıyıcı RNA) • t. RNA molekülleri 3 major RNA tipinin en küçüğüdür. • t. RNA moleküllerinde anormal bazlar bulunabilir. • Zincir içi baz eşleşmeleri vardır. • Standart 20 amino asidin her biri için, en az 1 tane spesifik t. RNA vardır. • Amino asit, t. RNA’nın 3’-ucuna ester bağı ile bağlanır.

• t. RNA şu kısımlardan oluşur: – 5’-P uç – Akseptör (alıcı) kök – Dihidroüridin içeren D kolu (aminoaçil-t. RNA sentetaz için tanınma bölgesi) – Antikodon kolu – T kolu (TΨC) (Ψ: pseudouridin) (ribozom için tanınma bölgesi) – CCA-3’-OH uç

Aminoaçil t. RNA Sentetaz • Amino asidi, antikodonu uyumlu spesifik t. RNA’sına bağlar. Bu esnada ATP yıkılarak AMP açığa çıkar. • Her amino asit için spesifik aminoaçil-t. RNA sentetaz enzimi vardır. • İlgili animasyon: https: //www. youtube. com/watch? v=l 69 Ku. B s 99 u. M

Ribozomal RNA (r. RNA) • Protein sentezinde ribozomal RNA, bir katalizör olarak işlev görür (ribozim). • Prokaryotlarda ve ökaryotik mitokondrilerde 23 S, 16 S ve 5 S; ökaryotik hücrelerin sitoplazmalarında ise, 28 S, 18 S, 5. 8 S ve 5 S r. RNA vardır.

Svedberg birimi (S) • Ultrasantrifüjdeki çökme hızı. • Bir molekülün ağırlığı ve şekli S değerini belirler. • Daha ağır ve daha kompakt moleküller, daha hızlı çökerler ve daha yüksek bir Svedberg değerine sahiptir.

Ribozomal RNA (r. RNA)

Protein Sentezinin Aşamaları • Protein sentezi süreci; m. RNA üzerindeki 3 harfli kelimelerden (kodonlardan) ibaret nükleotid sekansı dilini, proteinlerin yapısını ifade eden 20 harflik amino asit diline çevirir. • m. RNA, 5’-uçtan 3’-uca doğru okunarak çevrilirken; N-terminal’den C-terminale doğru bir protein de sentezlenmiş olur.

• Prokaryotik m. RNA’lar sıklıkla birkaç kodlayıcı bölgeye sahiptir (polisistronik = poligenik). • Oysa ökaryotik m. RNA’lar, sadece bir kodlayıcı bölgeye sahiptir (monosistronik).

Protein Sentezinin Aşamaları • Translasyon süreci 3 aşamada yürür: – Başlangıç (initiation) – Uzama (elongation) – Sonlanma (termination)

Başlangıç • Protein sentezinin başlaması için şu komponentlerin bir arada bulunması gerekir (başlangıç kompleksi): – Büyük ve küçük ribozomal subunit – Transleyt edilecek m. RNA – İlk kodonun aminoaçil-t. RNA’sı (başlatıcı t. RNA) – GTP – İnisiasyon (başlangıç) faktörleri • Prokaryotlarda, IF-1, IF-2, IF-3 • Ökaryotlarda çok sayıda e. IF

Başlangıç Kodonunun Tanınması • Prokaryotlarda: 16 S r. RNA’nın, m. RNA üzerindeki Shine-Dalgarno sekansı ile eşleşmesi • Ökaryotlarda: e. IF-4 üyelerinin yardımıyla küçük ribozomal subunitin 5’kep’i bağlayıp, AUG kodonuna ulaşması (ATP gerektirir!)

Shine-Dalgarno Sekansı • E. coli’de m. RNA üzerinde AUG kodonundan 5’ uca doğru (upstream) yaklaşık 5 -10 bazlık mesafede pürin nükleotidlerinden zengin bir sekans bulunur.

• Küçük ribozomal subunitin (30 S), 16 S’lik ribozomal RNA’sı kendi 3’-ucuna yakın, Shine-Dalgarno sekansına kısmi veya tam komplementer bir sekansa sahiptir.

• Böylece m. RNA’nın 5’ ucuna yakın Shine. Dalgarno sekansı ile, 16 S r. RNA’nın 3’ ucuna yakın komplementer sekans eşleşerek, protein sentezinin başlaması için AUG kodonunun pozisyon almasını temin eder.

5’-Cap • Ökaryotik m. RNA’lar Shine-Dalgarno sekansına sahip değildir. • Ökaryotlarda, m. RNA 5’-ucunda 5’-5’-trifosfat bağlarıyla bağlanmış 7 -metilguanozin’den oluşan bir “cap (şapka)” taşır (5’-kep). • Ökaryotlarda küçük ribozomal subunit (40 S), e. IF-4 yardımıyla, m. RNA’nın 5’ ucundaki şapka yapısını bağlar ve AUG kodonuna ulaşıncaya kadar m. RNA üzerinde aşağıya doğru hareket eder. Bu “tarama” işlemi için ATP gereklidir.

5’-kep

• 5’-kep bağlayıcı e. IF-4 proteinleri ve poli-A kuyruk bağlayıcı proteinler arasındaki etkileşimler sayesinde ökaryotik m. RNA sirküler (halkasal) bir yapı kazanır.

Başlama Kodonu • AUG kodonu özel bir t. RNA tarafından tanınır (başlatıcı t. RNA). • Bu tanınma işlemi, prokaryotlarda IF-2 GTP; ökaryotlarda ise e. IF-2 -GTP ve ilave inisiasyon faktörleri ile kolaylaştırılır. • Yüklü başlatıcı t. RNA, küçük subunit üzerindeki P bölgesine girer. – Direkt olarak P bölgesine giren tek t. RNA; başlatıcı t. RNA’dır.

• IF-2 ve e. IF-2 sadece başlama kodonuyla uyumlu olan başlatıcı t. RNA’yı tanır. • Bakterilerde ve mitokondride, başlatıcı t. RNA; N-formil metiyonin (f. Met) taşırken; ökaryotlarda metiyonin taşır.

N-formil metiyonin

• Ökaryotlarda başlatıcı t. RNA’nın taşıdığı metiyonin formillenmez. • Hem ökaryotlarda, hem de prokaryotlarda proteinlerin N-terminal ucunda bulunan metiyonin, genellikle translasyon tamamlanmadan önce çıkarılır.

• Büyük ribozomal subunitin bağlanmasıyla beraber, başlangıç kompleksi tamamlanmış olur (P bölgesinde yüklü başlatıcı t. RNA içerir; A bölgesi ise boştur). • Spesifik IF’ler, büyük subunitin erken bağlanmasını önler.

Uzama (Elongasyon) • Uzama süreci, büyüyen polipeptit zincirine C-terminal uçtan yeni amino asitlerin eklenmesiyle olur. • Bu süreçte, ribozom, m. RNA’nın 5’ ucundan, 3’ ucuna doğru hareket eder.

Elongasyon Faktörleri • EF-Tu-GTP (elongation factor thermo unstable -GTP): Sitoplazmada aminoaçilt. RNA bağlar ve oluşan kompleks ribozoma A bölgesinden girer. • EF-Ts (elongation factor thermo stable): EF-Tu için bir guanin nükleotid değiştirme faktörüdür; EF-Tu’dan guanozin difosfatın (GDP) salınımını katalizler. Böylece EF-Tu yeniden GTP bağlayabilir.

• Peptit bağının oluşumu, büyük (50 S) ribozomal subunitte bulunan 23 S ribozomal RNA’nın peptidiltransferaz aktivitesi ile katalizlenir. • Bunun ökaryotlardaki karşılığı; 60 S subunitin 28 S’lik r. RNA’sıdır.

• Oluşan peptit bağı ile, P bölgesindeki t. RNA’ya bağlı olan peptit zinciri, A bölgesindeki t. RNA’ya bağlı amino aside aktarılmış olur. • Daha sonra, ribozom, m. RNA’nın 3’ ucuna doğru 3 nükleotit kadar ilerler (translokasyon). • Translokasyon için, prokaryotlarda EF-G-GTP; ökaryotlarda EF-2 -GTP’ye ihtiyaç duyulur (GTP hidroliz edilir). • Translokasyon ile, yüksüz hale gelen t. RNA, P bölgesinden E bölgesine kayarken; peptidil t. RNA da A bölgesinden P bölgesine hareket etmiş olur.

Sonlanma (Terminasyon) • Sonlanma; A bölgesi, 3 terminasyon kodonundan birine (UAA, UAG, UGA) ulaşınca meydana gelir. • E. coli’de bu 3 kodon sonlanma/salıverme faktörleri (release factor; RF) tarafından tanınır.

• RF-1: UAA ve UAG’yi tanır. • RF-2: UAA ve UGA’yı tanır. • Bu faktörlerin bağlanması; P bölgesindeki t. RNA’dan peptidin ayrılmasına yol açar. • RF-3 -GTP: RF-1 ya da RF-2’nin salınımına neden olur (GTP hidroliz edilir).

• Ökaryotlar tek bir salıverme faktörüne (e. RF) sahiptir. Bu faktör, her üç terminasyon kodonunu da tanır. • Ökaryotik e. RF-3 ise prokaryotik RF-3 gibi işlev görür.

Hücre Faktör Görev İnisiasyon/Başlama Prokaryot IF-2 -GTP Ökaryot e. IF-2 -GTP Prokaryot IF-3 Ökaryot e. IF-3 Yüklü başlatıcı t. RNA’yı P bölgesine kazandırmak Ribozomal subunitlerin ilişkisini önlemek Elongasyon/Uzama Prokaryot EF-Tu-GTP Diğer yüklü t. RNA’ları A bölgesine kazandırmak Ökaryot EF 1α-GTP Prokaryot EF-Ts Ökaryot EF 1βγ Guanozin nükleotid değiştirme faktörü Prokaryot EF-G-GTP Translokasyon Ökaryot EF-2 -GTP Terminasyon/Sonlanma Prokaryot RF-1, RF-2 Ökaryot e. RF Stop kodonlarını tanıma, t. RNA’dan peptidin ayrılması Prokaryot RF-3 -GTP Diğer RF’lerin salınımı Ökaryot e. RF-3 -GTP

Prokaryotlarda ve Ökaryotlarda Protein Sentezi Animasyonları • https: //www. youtube. com/watch? v=KZBl j. AM 6 B 1 s • https: //www. youtube. com/watch? v=q. Iwr h. Urv. X-k

Posttranslasyonel Modifikasyon Örnekleri

Öncül/İnaktif Proteinlerin Yıkımı ile Aktif Proteinlerin Sentezi

• C-peptit, hücrelerden insülinle birlikte salınır (endojen insülin sekresyonunun belirteci). • Dışarıdan insülin alan hastalarda, hastanın kendi insülin salgısı hakkında dolaylı olarak fikir verir. • Ayrıca karaciğer portal dolaşıma salınan insülini farklı oranlarda metabolize edebilir. Oysa C-peptit için bu geçerli değildir. Bu nedenle, C-peptit; insülinin kendisinden daha iyi bir insülin salgısı belirtecidir. Pankreas beta hücre aktivitesini ve kapasitesini yansıtır.

Fosforilasyon • Kinazlar ATP’nin terminal fosfat grubunu proteinlere transfer ederek onların aktivite durumunu değiştirir (ya aktif veya inaktif yapabilir). • Proteinlerde fosfat grubu nakledilen amino asitler hidroksil grubu taşıyan serin, treonin ve daha az sıklıkla da tirozindir. • Sonuçta fosfo-ester bağı oluşur.

Glikozilasyon • Hücre membranında görev yapacak olan veya hücreden sekrete edilecek olan proteinlerin çoğu karbonhidrat eklenerek glikozillenir. • Bu süreç proteine bir “kimlik” kazandırır.

Hidroksilasyon • Kollajende, prolin ve lizin rezidüleri, vitamin C varlığında hidroksillenir. • Hidroksillenme yapıyı stabilize eder. • C vitamini eksikliğinde (skorbüt hastalığı); kollajen sentezi bozulur; gingival, intramüsküler vb. kanamalar görülebilir.

Diğer Modifikasyonlar • Karboksil gruplarının ilavesi (karboksilasyon) – Kanın pıhtılaşmasında görev alan bazı proteinlerin (Faktör 2, 7, 9, 10) aktivitesi için önemli • Biotin bağlanması – Bazı enzimlerin aktivitesi için önemli • Asetilasyon – Histon proteinlerinin asetilasyonu gen ekspresyonunu etkiler