PROTEİN SENTEZİ (Doç.Dr.Yıldız AKA KAÇAR) ZM106 Biyokimya 11. Hafta

PROTEİN BİYOSENTEZİ Bir genin nükleik asit bazlarının sırası aminoasit çeşitlerinin oluşumu ve bunlarında birbirleriyle oluşturdukları kombinasyonlar farklı protein biyosentezini sağlamaktadır. Proteinler canlılarda en önemli yapısal ve ödevsel fonksiyonları gören makro moleküllerden biridir.

Protein sentezi 5 ana başlık halinde incelenmektedir. PROTEİN BİYOSENTEZİ Protein sentezi 5 ana başlık halinde incelenmektedir. Amino asitlerin aktivasyonu Sentezin Başlaması (initiation) Zincirin uzaması (elongation) Sentezin sonlanması (termination) Kıvrılma ve sentez sonrası modifikasyonlar

Protein Biyosentezinin Kuralları DNA, RNA sentezini RNA da protein sentezini idare eder ve bazı özel proteinler de hem DNA hem de RNA sentezini katalize eder. Bu dönüşüm bütün hücrelerde oluşur ve moleküler biyolojide “Temel Kural” olarak isimlendirilir. DNA-----RNA-----------Protein

Protein Biyosentezinin Kuralları Proteinler sınırlı sayıda farklı alt ünitelerin birleşmesinden meydana gelirler. 20 farklı amino asit protein yapımında kullanılmaktadır. Alt ünitelerin herbiri sırayla zincire eklenmektedir. Proteinlerin inşası adım adım gerçekleşen bir olaydır. Protein biyosentezi amino (NH2) kısmından başlar ve karboksil (COOH) kısmına doğru devam eder.

Protein Biyosentezinin Kuralları Her zincir bir spesifik başlangıç noktasına sahip olup, büyüme belirli bir yönde devam eder. Dolayısı ile bu işlem başlangıç ve durma sinyallerine ihtiyaç duyar. İlk sentetik ürün genelde modifiye edilir. Bir protein molekülünün fonksiyonel formunun uzunluğu çok seyrek olarak ilk uzunluğu ile aynıdır.

Protein sentezlenmesi -Transkripsiyon -Translasyon olmak üzere iki aşamadan meydana gelir. Transkripsiyon: DNA’dan proteine bilgi akışını sağlayacak olan RNA’nın sentezlenmesi olayıdır.

Transkripsiyon (Yazılım) Transkripsiyon işlemi, DNA replikasyonunda baz eşlenmesi kuralının aynısını takip eder. Hangi DNA kaynağı kullanılırsa kullanılsın sentez edilen RNA (A+G)/(U+C)=1 oranına sahiptir. (A+G)/(T+C)=1--DNA

Transkripsiyon (Yazılım) mRNA’yı üretmek için transkript edilen DNA iplikçiğine kalıp (sens) iplikçiği ve karşısındaki tamamlayıcı iplikçiğe de kalıp olmayan (antisens) iplikçik adı verilir. Transkript edilen mRNA, T’nin yerine geçen U dışında kalıp olmayan iplikçiğe tam bir benzer diziye sahiptir.

Transkripsiyon (Yazılım) Transkripsiyon gibi oldukça kontrollü bir kimyasal reaksiyon kendi kendine gerçekleşmez. Bu reaksiyon RNA polimeraz adı verilen bir enzim tarafından katalize edilir.

RNA polimeraz II : Transkripsiyonda katalizör Bu enzim, beta, beta prime, alfa ve sigma ünitelerinden oluşur. Transkripsiyonun başlamasında sigma faktörü etkili.

Transkripsiyonun evreleri Başlama (initiation) Uzama (elongation) Durma (termination) Başlama: RNA polimeraz protein kodlayacak genden daha önde bulunan promotor (teşvik edici) olarak adlandırılan bölgeyi tanır. Promotorun çekirdek bölgesinde genin başlangıç noktasından 30 bp uzakta bulunan TATA kutusu bulunur.

mRNA GGGCGG CCAAT TATA -200 bp -100 bp 30 bp Yüksek ökaryotlarda promotorun yapısı. TATA kutusu mRNA başlangıç bölgesinden yaklaşık 30 bp önde bulunur. Diğer iki korunmuş bölge CCAAT ve GGGCGG kutuları genelde sırasıyla -100 bp ve -200bp uzaklıkta bulunur.

RNA polimerazdaki sigma faktörü enzimin özellikle promotor bölgesini tanımasını ve bağlanmasını sağlar. Önce gevşek bağlanma meydana gelir. Yaklaşık 10 baz çifti çözülür ve RNA polimeraz RNA zincirini inşa etmeye başlar.

Uzama : Sigma faktörü RNA polimerazdan ayrılır. Uzama 5’ 3’ yönünde devam eder.

Sona erme : Promotorların transkripsiyon için başlangıç sinyalleri olarak görev yapmaları gibi genlerin sonlarındaki diğer bölgelerde sona eriş sinyali verirler. RNA polimeraz sona eriş sinyallerini tanır ve sonuçta olgunlaşmamış ham RNA ve enzim DNA kalıbından ayrılır.

Sona erme : Transkripsiyonun sona ermesi ile ilgili iki Sona erme : Transkripsiyonun sona ermesi ile ilgili iki mekanizma vardır. 1- Durma dizilimi, 6 veya daha fazla A tarafından takip edilen GC’ce zengin 40 baz çifti uzunluğunda bir bölge içermektedir. RNA üzerinde tamamlayıcı GC dizileri sıralanış şekillerinden dolayı kendisi üzerinde tamamlayıcı bir bağ oluşturur (Saç tokası kıvrımı). Kıvrımın sonunda DNA’daki A’lara karşılık gelen bir seri U yer alır. Bu kıvrım ve U serisi RNA polimerazın serbest kalması için bir sinyaldir. Saç tokası Baz eşleşmesi

2- RNA polimerazın sona eriş sinyallerini tanıması için Rho denilen bir protein faktörü rol oynar. Bu şekilde sona eren RNA’larda saç tokası kıvrımı ve U serisi bulunmaz. Burada Rho, RNA’daki spesifik bir bölgeye bağlanarak RNA’yı RNA polimerazdan kurtarır.

Sentezlenen bu transkript 3 aşamada olgunlaştırılır. 1- 5’ ucuna 7-metil guanozin eklenmesi (capping) 2- 3’ ucuna poly A eklenmesi (memelilerde yaklaşık 250 adenin, böcek ve mayalarda 150 adenin) 3- RNA’ daki intron bölgelerinin ayrılması ve RNA’nın yeniden birleştirilmesi (splicing)

RNA Polimerazlar RNA Pol I : rRNA sentezi RNA Pol II : Protein kodlayan genlerin sentezi RNA Pol III: tRNA sentezini katalize eder Tür Bağıl oranı (%) Baz sayısı İşlev rRNA  80  120-3500   Ribozomlarda yapısal görev tRNA  15  75  Amino asit taşınımı mRNA  5  değişken  Protein sentezinde kalıp

t - RNA Taşıyıcı RNA; 70 ile 80 nükleotidli bir moleküldür. Zincirin bir ucu sitozin–sitozin–adenin (CCA) ve diğer ucu guanin (G) ile son bulur. Ayrıca yapısında nadir bazlarda yer alır. Biçimi 3 yapraklı yonca yaprağı biçimindedir.

tRNA: Translasyonda adaptör görevi görür. Her amino asit için en az bir tane tRNA vardır. Her bir amino asit hem tRNA’yı hem de amino asiti tanıyan bir aminoaçil tRNA sentezaz enzimi tarafından tRNA’nın 3’ ucuna eklenir. 3’ ucu hemen tüm tRNA’larda CCA dizisine sahiptir. Yapının alt kısmında mRNA’ya karşılık gelen antikodon bölgesi bulunmaktadır.

t - RNA tRNA nın rolü hücre ortamındaki amino asitleri, mRNA tarafından kurulan protein montaj zincirine doğru taşımaktır. Her tRNA belirli bir amino asit için özgüldür. Bu özgüllük molekülün, bütün tRNA larda bulunan CCA bölümünün hemen önündeki ucunda yazılıdır. tRNA ve onun amino asidi bir tRNA–aminoasit bileşiği oluşturur. Her an sitoplazma her amino aside karşılık gelecek böyle bileşiklerden yedekler bulundurmaktadır.

t - RNA tRNA da yoncanın yapraklarından biri üzerinde bir baz üçlüsünden oluşan özgül bir başka bölge daha vardır. Bu üçlü amino aside özgüldür ve mRNA üzerindeki ilgili kodunun bir ‘’antikodon’’unu oluşturur, Yani onun karşı-tipidir.

t - RNA Ribozom tRNA üzerinde kayıtlı kodu işlerken, onun her kodonda ‘’durduğu’’ ve o belirli anda, bir tRNA ya ilişkin antikodona takıldığı düşünülebilir. Böylece tRNA lar, mRNA tarafından şaşmaz bir düzene, yani genetik koda göre kurulmuş montaj zinciri üzerinde arka arkaya gelecek ve yeni koda göre amino asitlerin birbirlerine takılmalarını sağlayacaktır. Bir defa kullanıldıktan sonra her tRNA yeni bir amino aside bağlanır ve onu polipeptid zincirinde dizmeye koyulur.

tRNA

Ribozom : Protein sentezinin yapıldığı yerler. rRNA ve proteinden meydana gelir. Prokaryotlarda, 30 S + 50 S = 70 S Ökaryotlarda, 40 S + 60 S = 80 S ünitelerinden oluşur. mRNA 30 S alt ünitesine, tRNA üstte bulunan A ve P bölgelerine gelir.

Translasyon : mRNA’dan protein sentezlenmesidir. Başlama, uzama ve sona erme safhaları Başlama mRNA, Ribozom, başlangıç faktörleri (IF 1, IF 2 ve IF 3 ) rol oynar.

Translasyon : Çoğu organizmada sentezlenen ilk amino asit N-formilmetionin’dir (AUG). Bu amino asit Met-tRNA yerine fMet-tRNA diye adlandırılan başlangıç tRNA’sı tarafından temin edilir. Bakterilerden E. coli AUG ve GUG ve seyrek olarakta UUG başlangıç kodonları kullanılmaktadır. Bu üçlülerden biri başlangıç pozisyonunda bulunduğunda N-formilmetionin tarafından tanınır ve metionin zincirdeki ilk aminoasit olarak karşımıza çıkar.

Başlangıç safhası üç aşamada gerçekleşir. 1- mRNA’nın IF 3 faktörü tarafından teşvik edilmesi ve ribozomun 30 S alt ünitesine bağlanması. AUG

Başlangıç safhası üç aşamada gerçekleşir. 2- IF 2 faktörü GTP’ ye (guanozin trifosfat) ve başlatıcı fMet-tRNA’ ya bağlanır ve fMet-tRNA’ yı ribozomun P bölgesine götürür. IF2 UAC AUG

Başlangıç safhası üç aşamada gerçekleşir. 3- Bir ribozom proteini parçalanarak iki alt ünitenin oluşumu sağlanır. IF 2 ve IF 3 serbest kalır (IF1’in rolü tam olarak açık değildir, ancak ribozomun tekrar sirkülasyonunda rol aldığı düşünülmektedir). +50S ünitesi IF3 UAC AUG

. 30S alt ünitesi fMet-tRNA IF2 ve IF3 serbest kalır IF 3 mRNA’yı bağlayabilen kompleks mRNA IF 2 GTP UAC fMet-tRNA Pi IF3 GDP IF2 ve IF3 serbest kalır

P Bölgesi A Bölgesi EF-Tu GTP EF-Tu, aminoaçil tRNA’nın A bölgesine girişini sağlamak için GTP ile birleşir ve tRNA’ ya bağlanır. GTP, GDP’ ye hidrolize olur ve ortaya çıkan enerji ile aminoaçil tRNA A bölgesine girer. EF-Tu, EF-Ts ve EF-G üç protein faktörü rol oynar. 3 aşamadan meydana gelir. 2- Uzama faktörü EF-Ts, EF-Tu ve GDP’ nin ribozomdan ayrılması ve daha sonra EF-Tu-GTP’ nin meydana gelmesi olaylarını düzenler. 3- Translokasyonda, peptidil RNA üzerindeki polipeptit zinciri peptidiltransferaz enzimi tarafından katalize edilen reaksiyonda A bölgesinde aminoaçil RNA’ya transfer edilir. Ribozom mRNA boyunca bir kodon ileri giderek translokasyon gerçekleştirilir.

2. Uzama faktörü EF-Ts, EF-Tu ve GDP’ nin ribozomdan ayrılması ve daha sonra EF-Tu-GTP’ nin meydana gelmesi olaylarını düzenler. 3. Translokasyonda, peptidil RNA üzerindeki polipeptit zinciri peptidiltransferaz enzimi tarafından katalize edilen reaksiyonda A bölgesinde aminoaçil RNA’ya transfer edilir. Ribozom mRNA boyunca bir kodon ileri giderek translokasyon gerçekleştirilir. P Bölgesi A Bölgesi EF-Tu GTP Peptidiltransferaz Translokasyon bölümünde, peptidyl-tRNA üzerindeki polipeptid zinciri peptidiltransferaz enzimi tarafından katalize edilen bir reaksiyonda A bölgesinde aminoaçil-tRNA’ya transfer edilir. Daha sonra ribozom mRNA boyunca 5’ 3’ yönünde bir kodon ileri giderek translokasyon gerçekleştirilir. Bu adım uzama faktörü EF-G’nin yardımıyla ve bir GTP’nin GDP’ye dönüşümüyle oluşur. Bu işlem P bölgesinden boşaltılmış tRNA’yı serbest bırakır ve yeni oluşturulmuş peptidyl-tRNA’yı A bölgesinden P bölgesine transfer eder

3. Translokasyon bölümünde, peptidyl-tRNA üzerindeki polipeptid zinciri peptidiltransferaz enzimi tarafından katalize edilen bir reaksiyonda A bölgesinde aminoaçil-tRNA’ya transfer edilir. Daha sonra ribozom mRNA boyunca 5’ 3’ yönünde bir kodon ileri giderek translokasyon gerçekleştirilir. Bu adım uzama faktörü EF-G’nin yardımıyla ve bir GTP’nin GDP’ye dönüşümüyle oluşur. Bu işlem P bölgesinden boşaltılmış tRNA’yı serbest bırakır ve yeni oluşturulmuş peptidyl-tRNA’yı A bölgesinden P bölgesine transfer eder

P Bölgesi A Bölgesi EF-Tu GTP EF-G 2- Uzama faktörü EF-Ts, EF-Tu ve GDP’ nin ribozomdan ayrılması ve daha sonra EF-Tu-GTP’ nin meydana gelmesi olaylarını düzenler. 3.Translokasyon bölümünde, peptidyl-tRNA üzerindeki polipeptid zinciri peptidiltransferaz enzimi tarafından katalize edilen bir reaksiyonda A bölgesinde aminoaçil-tRNA’ya transfer edilir. Daha sonra ribozom mRNA boyunca 5’ 3’ yönünde bir kodon ileri giderek translokasyon gerçekleştirilir. Bu adım uzama faktörü EF-G’nin yardımıyla ve bir GTP’nin GDP’ye dönüşümüyle oluşur. Bu işlem P bölgesinden boşaltılmış tRNA’yı serbest bırakır ve yeni oluşturulmuş peptidyl-tRNA’yı A bölgesinden P bölgesine transfer eder

SONA ERİŞ SAFHASI mRNA üzerindeki UAG, UAA ve UGA kodonları durma kodonlarıdır Bunlar tRNA tarafından değil, RF1 ve RF2 olarak adlandırılan serbest bırakma faktörleri tarafından tanınırlar. RF1 faktörü UAA ve UAG kodonlarını, RF2 ise UAA ve UGA kodonlarını tanırlar. Üçüncü bir faktör olan RF3 ise zincir sonlanmasının katalizasyonuna yardım eder. Peptidil-tRNA P bölgesinde iken serbest bırakma faktörleri zincir sonlandıran kodonlara bir karşılık olarak A bölgesine bağlanırlar

Sonra polipeptid P bölgesinden serbest bırakılır ve ribozomlar bir GTP molekülünün hidroliziyle gerçekleştirilen bir reaksiyonda iki alt ünite halinde bölünürler Bu noktadan sonra translasyon aygıtı UAG üçlüsünü tanıyacak bir tRNA olmadığı için dur kodonundan daha ileriye geçemez Bu durum protein biyosentezinin son bulmasına ve ploipeptid parçasının serbest bırakılmasına neden olur

PROTEİN BİYOSENTEZİNİN GENEL ÖZETİ Başlangıç safhasında, ribozom mRNA’nın bir bölgesindeki başlama noktasını tanır ve tek bir amino asit taşıyan bir tRNA molekülünü bu noktaya bağlar. Bakteriyel proteinlerin hepsinde bu ilk amino asit daima N-formilmetionin Uzama safhasında, ikinci bir amino asit birinciye iliştirilir. Sonra ribozom, mRNA molekülü üzerindeki pozisyonunu değiştirir ve uzama devri tekrarlanır. Dur kodonuna ulaşıldığı zaman, amino asidlerden oluşan zincir bir proteini oluşturmak için kendiliğinden kıvrılır

Hemen bunu takiben ribozom iki alt ünitesine parçalanır Bu iki alt ünite daha sonra yeni bir mRNA parçasının translasyonu için tekrar birleşecektir Protein biyosentezi başlangıç, uzama ve sona eriş faktörleri olarak adlandırılan birçok katalitik proteinler ve enerji kaynağı olarak kullanılan GTP (guanozin trifosfat) tarafından katalize edilir