Translasyon (Protein Sentezi) Protein Sentezinin Regulasyonu

Protein Sentezi
(Translasyon)
Dr. Hatice Mergen
Protein Metabolizması
• Proteinler birçok informasyon yolunun son ürünüdür.
Tipik bir hücrede binlerce farklı protein vardır. Bu
proteinler hücrenin ihtiyaçlarına göre sentezlenir ve
uygun hücresel hedeflere yönlendirilirler.
• Protein biyosentezi en kompleks biyosentetik işlemdir.
Ökaryotik protein sentezine 70’in üzerinde ribozomal
protein, 20 veya daha fazla aktive olmuş amino asit
öncülü, bir düzineden daha fazla yardımcı enzim ve
faktör başlama, uzama ve polipeptid sonlanması için
gereklidir.
Protein Metabolizması
• Ayrıca, farklı proteinlerin final işlenmesi için ek olarak
100 kadar enzim gereklidir.
• Sonuç olarak, 300’den fazla sayıda farklı makromolekül
protein sentezinde görev alır.
• Protein biyosentezi hücredeki tüm biyosentetik
reaksiyonlarda kullanılan enerjinin % 90’ını kullanır.
• Tipik bir bakteri hücresinde 20.000 ribozom, 100.000
ilişkili protein faktörü ve enzim, 200.000 tRNA
hücrenin kuru ağırlığının % 35’inden fazlasını oluşturur.
• Olayın karmaşıklığına rağmen proteinler oldukça hızlı
sentez edilirler. Bir E. coli hücresinde 100 amino asitlik
bir polipeptit yaklaşık 5 saniyede sentez edilir.
Ribozomlar ve Endoplazmik
Retikulum
Genetik Kod
• Amino asidler, amino açil-tRNA
sentetaz
enzimi
ile
aminoaçiltRNA’ları oluştururlar.
• Crick’in adaptör molekülü hipotezinde
adaptör molekül bir uçta amino
asidleri bağlarken diğer uçta amino
asit ile ilişkili mRNA dizisi ile bağlantı
kurar.
• Bilgi böylece 4 bazlı nükleik asit
dizilerinden
20
amino
asitli
proteinlere çevrilir (Translasyon).
Crick’in adaptör
hipotezi
Amino asidler kovalent olarak
tRNA’nın 3′ ucuna bağlanır.
tRNA’daki üçlü kodon, mRNA’daki
bazlar ile komplementer olarak
hidrojen bağı ile bağlanır.
Genetik kod sentetik mRNA’lar kullanılarak
çözülmüştür
• Dört nükleotidin ikili olarak değişik şekillerde bir araya
gelme olasılığı 42=16
• Dört nükleotidin üçlü olarak değişik şekillerde bir araya
gelme olasılığı 43=64
• Kodon: Spesifik bir amino asidi kodlayan üç nükleotid’ten
oluşan dize
• Başlama (initiasyon) kodonu (AUG), tüm hücrelerde bir
polipeptidi başlatan sinyal kodonu (Bir polipeptidin içinde
sinyal ayrıca Met’i kodlar)
• Sonlanma-DUR (terminasyon) kodonları (UAA, UAG ve
UGA), hiçbir amino asidi kodlamazlar. Bu kodonlar
polipeptid sentezinin bittiğinin sinyalini verirler (Stop
veya nonsense kodonlar)
• Dejenerasyon: Bir amino asidin birden fazla kodon ile
kodlanmasıdır.
mRNA
amino asit
kodları
Genetik kodun
dejenerasyonu
Kodon ve
antikodon
eşleşmesi
Kodon ve antikodon
eşleşmesi
tRNA’da bulunan inosinat (I), U, C ve A ile hidrojen bağı yapabilir
Wobble bazı
• Wobble bazı tRNA’ların birden fazla
kodonu tanımalarını sağlar
• Antikodon: tRNA’da mRNA’ya karşılık
gelen kodon.
• Antikodon’daki ilk baz (5′  3′
yönünde) wobble bazdır.
Wobble Hipotezi
1.
Bir mRNA kodonundaki ilk iki baz,
tRNA’daki antikodon ile her zaman güçlü
Watson-Crick baz eşleşmesi yapar.
2. Antikodondaki ilk baz (5′  3′ yönünde
okunur) kodondaki 3. bazın karşısındaki
bazdır.
tRNA
tarafından
tanınan
kodonların sayısını belirler (Bkz. Tablo)
3. Tüm 61 kodonun translasyonu için
minumum 32 tRNA gereklidir.
Antikodondaki Wobble bazı tRNA’nın tanıyabildiği kodon
sayısını nasıl belirler
Genetik kod’daki doğal
değişiklikler
Protein Sentezi için
•
•
•
•
mRNA
Ribozomlar
tRNA
Aminoasitler
gereklidir
Ribosomes are necessary for translation
Fig.14.1
Ribozomal
altüniteler
S (Svedberg ünitesi)
Bakteriyel rRNA
tRNA’nın karakteristik
yapısal özellikleri bulunur
• Birçok tRNA’nın 5′ ucunda guanilat (PG)
rezidüsü ve 3′ ucunda, CCA (3′) sekansı vardır.
• Aminoasit kolu spesifik bir amino asidi taşır.
• Antikodon kolu, antikodon içerir.
• TψC kolu, ribotimidin (T), pseudouridin (ψ)
içerir.
• D ve TψC kolları tRNA’nın katlanması için
önemlidir.
•tRNA contains unusual bases
Fig.14.2
Tüm tRNA’ların
genel yonca
yaprağı şeklinde
sekonder yapıları
Cloverleaf Model of tRNA
•Transcribed as large
precursor
•cleaved to 4S
•5’-Gp
•pCpCpA-3’
•stem and loop
structure
TyC
dihydrouracil
Maya
tRNAAla’nın
nükleotid
sekansı
3-D Structure of tRNA
Fig.14.4
TyC
Maya tRNAPhe’nin 3 boyutlu yapısı
Maya tRNAPhe’nin 3 boyutlu yapısı
Protein Sentezi
1.
2.
3.
4.
5.
Amino asidlerin aktivasyonu
İnitiasyon
Elongasyon
Terminasyon ve salınım
Katlanma ve posttranslasyonel
işlemler
Protein Sentezi
Her bir amino asit için özgül amnioaçiltRNA sentetaz enzimi vardır
• Her bir tRNA’ya doğru aminoasitin tanınıp,
bağlanması gerekir. Ayrıca, bu süreç enerji
gereksinen bir sentez sürecidir. Bu nedenle, her
hücrede her bir aminoasite özgü aminoaçil
tRNA sentetaz enzimleri bulunur.
• Enzim katalizli tepkimede ATP hidrolizi ile
aktive edilen amino asit, tRNA’nın 3’ ucundaki
adenin bazına ait riboz şekerin 3’-OH grubuna
bağlanır.
Amino açil
tRNA’ların
genel yapısı
Protein Sentezinde Amino asitlerin aktivasyonu
İki tip amino açil tRNA sentetaz
enzimi bulunur.
Her amino asidin karbonil grubu
peptid bağı oluşumunu kolaylaştırmak
için aktive edilir.
Her amino asit ile şifrelenen bilgi
eşleştirilir.
Bu enzimin hata düzeltme görevi de vardır.
tRNA doğru aminoasiti tanımalıdır
•aminoacyl tRNA
synthetases
tarafından
katalizlenir
•amino asitler aktive
edilir
(aminoacyladenylic
acid)
•ATP gerekir
Mg 2+
Amino acid + tRNA + ATP aminoacyltRNA + AMP + PPi
Fig. 14.5
N-formilmetionin
Protein Sentezinin Basamakları
• Başlama (Initiation)
• Zincir Uzaması (Elongation)
• Zincir Sonlanması (Termination)
Protein Sentezinin BasamaklarıBaşlama
•Sentezin başlaması için: GTP, IF1, IF2,
IF3 gereklidir.
İlk olarak
•SSU rRNA (16S) özgül DNA dizilerini
bulur: Shine-Dalgarno sequence
(AGGAGG)
Başlama için gerekli protein faktörler
Shine-Dalgarno dizesi
(5′) AUG ile initiasyon mRNA’da Shine-Dalgarno dizesi ile
doğru pozisyondan başlatılır.
Shine-Dalgarno dizisi
Sentezin başlaması
Bakteriyel ribozomda amino açil
tRNA’ların bağlandığı üç bölge vardır:
Amino açil veya A bölgesi,
P bölgesi,
E (çıkış) bölgesi
1. İlk olarak mRNA başlama
faktörleri ile birlikte (IF1, 2, 3) küçük
alt birime bağlanır.
2. Başlatıcı fMet-tRNA P
bölgesindeki mRNA kodonuna
bağlanır; IF3 ayrılır.
3. Büyük alt birim komplekse
bağlanır; IF1 ve IF2 ayrılır; EF-Tu,
tRNA’ya bağlanarak, A bölgesine
girişi kolaylaştırır.
Zincir uzaması: İlk basamak
(ikinci amino açil tRNA’nın
bağlanması”)
• İkinci yüklü tRNA, EF-Tu’nun
yardımı ile A bölgesine girer;
uzamanın ilk basamağı başlar.
Uzama, İkinci basamak: Peptid bağı oluşumu
A bölgesinde Dipeptit bağı oluşur
(Peptidil transferaz aktivitesi);
Yüksüz tRNA, E bölgesine hareket
eder ve ribozomu terk eder.
Yeni oluşan dipeptit P bölgesine
hareket eder.
mRNA 3 baz kayar; EF-G
translokasyon basamağını
kolaylaştırır, uzamanın ilk basamağı
tamamlanır.
Uzama, üçüncü
basamak:
translokasyon
EF-Tu +GTP + tRNA A bölgesine
yerleşir, EF-Tu girişi kolaylaştırır;
Peptid bağı oluşumu ile tripeptid
elde edilir.
yüksüz tRNA, E bölgesine hareket
eder.
mRNA 3 baz kayar; EF-G
translokasyon basamağını
kolaylaştırır, uzamanın ilk basamağı
tamamlanır.
Bakterilerde protein
sentezinin terminasyonu
Basamak 1- DUR kodonlarına gelindiğinde, GTP
bağımlı salınma faktörlerine “harekete geçme”
sinyali verilirve polipeptit zinciri ile tRNA
arasındaki bağı kırarak zincirin translasyon
kompleksinden ayrılmasını sağlar.
Basamak 2- Bu kırılmadan sonra tRNA
ribozomdan salınır ve ribozom alt birimlerine
ayrılır.
Polizom
Hem ökaryotik, hem de prokaryotik
hücrelerde protein sentezinde 10 ile
100 ribozom aynı anda aktiftir. Bunlara
polizom denir.
Polizom: Elektron mikroskobu
Bakteride transkripsiyon
ve translasyonun eşleşmesi
Ökaryotlarda Protein Sentezi
•
•
•
•
•
•
•
Daha komplekstir
mRNA stoplazmaya taşınır
mRNA 1-2 saatte yıkılır
Kozak sequence 5’-ACCAUGG…..
AUG Met kodlar
Daha fazla sayıda ribozom görev alır
Ribozomlar E.R’a tutunur.
Ökaryotik initiasyon kompleksinin oluşumundaki
protein kompleksler
Polipeptitteki
aminoasitlerin
linear dizilimi
primer yapıyı
verir.
Fi
(ra
Amino asitler N terminalden C-terminale doğru
peptid bağı ile birleştirilirler
Sekonder yapıda, polipeptit zincirinde birbirine komşu olan
amino asitlerin oluşturduğu, düzenli ve tekrarlayan bir
konfigürasyon bulunur.
Proteinin tersiyer yapısı zincirin uzaydaki
3 boyutlu konformasyonunu ifade eder.
Bu yapı uzayda …..
•Sisteinler arasındaki disülfid bağları
•Hidrofilik polar R grupları
•Hidrofobik nonpolar R grupları ile stabilize edilir
Quaternary Structure
• Birden çok polipeptit zincirinin
biraraya gelmesi ile kuaterner yapı
oluşur.
Translasyon Sonrası
Modifikasyonlar
• N-ucu ve C-ucundaki a.a ler çoğunlukla uzaklaştırılır yada
değişime uğrar.
• Bazen tek bir a.a değişime uğrayabilir.
• Bazen karbohidrat yan zincirleri takılabilir
• Polipeptit zincirlerinde kırpılma yapılabilir.
• Sinyal dizileri proteinden uzaklaştırılır.
• Polipeptit zincirleri çoğu kez metallerle kompleks yapar
• Folding: chaperonins
Post-translasyonel modifikasyonlar
• Amino terminal ve karboksi terminal
uçta
modifikasyonlar:
Tüm
polipeptidler
bakterilerde
Nformilmetionin,
ökaryotlarda
ise
metionin ile başlar. Formil grubu, bu
amino
asidler
final
peptid’den
uzaklaştırılır.
• Ökaryotik proteinlerin % 50’sinde
amino terminal uçtaki amino grubu Nasetil’lenir.
Post-translasyonel
modifikasyonlar
• Bazı amino asitlerin modifikasyonu: Ser, Thr ve
Tyr rezidülerinin hidroksil gruplarının enzimatik
olarak ATPile fosforillenmesi. Böylece diğer
moleküllerle iyonik bağ yapabilen eksi yüklü a.a ler
oluşur.
• Bazı proteinlerde Glu rezidüsüne ekstra karbonil
grubu eklenmesi (Örn.protrombin’de K vitamininin
rolü)
• Bazı kas proteinlerinde ve sitokrom c’de
monometil ve dimetillizin rezidüleri (Örn.
calmodulin’de trimetil lizin rezidüsü bulunmakta)
Amino asid rezidülerinde modifikasyonlar
Amino asid rezidülerinde modifikasyonlar
Amino asid
rezidülerinde
modifikasyonlar
Post-translasyonel
modifikasyonlar
• Karbohidrat yan zincirinin eklenmesi: Polipeptid
zincirinin
sentezi
sırasında
veya
sonra
glikoproteinin karbohidrat yan zinciri eklenir. Bazı
glikoproteinlerde
karbohidrat
yan
zinciri
enzimatik olarak Asn rezidülerine bağlanır (Nlinked oligosakkaridler), diğerlerinde Ser ve Thr
residülerine bağlanır (O-linked oligosakkaridler).
• Birçok protein ekstrasellüler olarak fonksiyon
görür.
Post-translasyonel
modifikasyonlar
• Sinyal sekansının kaybı: Amino
terminal uçtaki 15-30 rezidülük kısım
proteinin
hücre
içi
hedeflere
yönlendirilmesinde önemli rol oynar.
Daha sonra bu kısım çıkartılır.
Post-translasyonel
modifikasyonlar
• Polipeptitlerin metallerle kompleks
oluşturması : Proteinlerin tersiyer ve
kuaterner yapılarında metal atomları vardır
ve bu yapıları kazanmaları çoğu bu kez
metallere bağlıdır.
Post-translasyonel
modifikasyonlar
• Prostetik grupların eklenmesi: Birçok protein
aktiviteleri için kovalant bağlı prostetik gruplara
gereksinim duyarlar. Örn. Asetil-CoA
karboksilaz’ın biyotin molekülü ve sitokrom c’nin
hem grubu
• Proteolitik işlemler: Birçok protein sentez sonrası
kısaltılır. Örn. İnsulin
• Disülfid çapraz bağlarının oluşumu: İki sistein
rezidüsü arasında çapraz bağ oluşur. Bu proteini
hücre içinde ve dışında etkilerden korur.
Protein Sentezinin İnhibisyonu
Peptid bağ oluşumunu
promisin ile blokajı
Translokasyona uğramadığı için
polipeptid sentezinde erken
terminasyon
Peptidil
promisin
Tetrasiklin
Tetrasiklin, bakterilerde protein sentezini ribozomun A bölgesini
bloke ederek sağlar.
Siklohekzimid
Sikloheksimid, 80 S ökaryotik
ribozomlarda peptidil transferaz
aktivitesini bloke eder fakat 70 S
Bakteriyel (ayrıca mitokondrial ve kloroplast)
üzerine etkis yoktur.
Kloramfenikol
Bakterilerde protein sentezini peptidil transferaz blakajı ile yapar.
sitozolik ökaryotik protein sentezi üzerine etkisi yoktur.
Streptomisin
Basit bir trisakkaridtir. Düşük konsantrasyonlarda genetik kodun hatalı
okunması, yüksek dozda ise initiasyonun inhibisyonuna sebep olur.
Toksinlerle protein sentez
inhibisyonu
• Difteri toksininin, ökaryotik elongasyon
faktörü üzerine etkisi vardır.
• Risin, ökaryotik ribozomlarda 60 S alt
üniteyi inaktive eder (23S rRNA’da
spesifik bir adenozin’in depurinasyonu ile).