10. Protein Sentezi ve Posttranslasyonel Modifikasyonlar

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
• mRNA 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 (2016 itibarıyla), insanlarda
selenosistein içeren 54 protein tespit edilmiştir
(selenoprotein).
Pirolizin
• UAG kodonu, özel iki genin (pylT ve pylS)
ve bu genlerin ürünü olan özel tRNA ve
aminoaçil-tRNA 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
• mRNA 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-tRNA-sentetazlar
• Ribozomlar
– Ribozomal RNA’lar
• Enerji kaynakları
• Transkript edilecek mRNA
Amino Asitler
Transfer RNA (tRNA)
(Taşıyıcı RNA)
• tRNA molekülleri 3 major RNA tipinin en küçüğüdür.
• tRNA moleküllerinde anormal bazlar bulunabilir.
• Zincir içi baz eşleşmeleri vardır.
• Standart 20 amino asidin her biri için, en az 1 tane
spesifik tRNA vardır.
• Amino asit, tRNA’nın 3’-ucuna ester bağı ile
bağlanır.
• tRNA şu kısımlardan oluşur:
– 5’-P uç
– Akseptör (alıcı) kök
– Dihidroüridin içeren D kolu (aminoaçil-tRNA
sentetaz için tanınma bölgesi)
– Antikodon kolu
– T kolu (TΨC) (Ψ: pseudouridin) (ribozom için
tanınma bölgesi)
– CCA-3’-OH uç
Aminoacyl tRNA Synthetase
• Amino asidi, antikodonu uyumlu spesifik
tRNA’sına bağlar. Bu esnada ATP yıkılarak
AMP açığa çıkar.
• Her amino asit için spesifik aminoaçil-tRNA
sentetaz enzimi vardır.
• İlgili animasyon:
https://www.youtube.com/watch?v=W1eQ
NmtCCkw
Ribozomal RNA (rRNA)
• Protein sentezinde ribozomal RNA, bir
katalizör olarak işlev görür (ribozim).
• Prokaryotlarda ve ökaryotik
mitokondrilerde 23S, 16S ve 5S;
ökaryotik hücrelerin sitoplazmalarında
ise, 28S, 18S, 5.8S ve 5S rRNA 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 (rRNA)
Protein Sentezinin Aşamaları
• Protein sentezi süreci; mRNA üzerindeki
3 harfli kelimelerden (kodonlardan)
ibaret nükleotid sekansı dilini,
proteinlerin yapısını ifade eden 20
harflik amino asit diline çevirir.
• mRNA, 5’-uçtan 3’-uca doğru okunarak
çevrilirken; N-terminal’den C-terminale
doğru bir protein de sentezlenmiş olur.
• Prokaryotik mRNA’lar sıklıkla birkaç
kodlayıcı bölgeye sahiptir (polisistronik
= poligenik).
• Oysa ökaryotik mRNA’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 mRNA
İlk kodonun aminoaçil-tRNA’sı (başlatıcı tRNA)
GTP
İnisiasyon (başlangıç) faktörleri
• Prokaryotlarda, IF-1, IF-2, IF-3
• Ökaryotlarda çok sayıda eIF
Başlangıç Kodonunun Tanınması
• Prokaryotlarda: 16S rRNA’nın, mRNA
üzerindeki Shine-Dalgarno sekansı ile
eşleşmesi
• Ökaryotlarda: eIF-4 üyelerinin
yardımıyla küçük ribozomal subunitin 5’kep’i bağlayıp, AUG kodonuna ulaşması
(ATP gerektirir!)
Shine-Dalgarno Sekansı
• E.coli’de mRNA üzerinde AUG
kodonundan 5’ uca doğru (upstream)
yaklaşık 5-10 bazlık mesafede pürin
nükleotidlerinden zengin bir sekans
bulunur.
• Küçük ribozomal subunitin (30S), 16S’lik
ribozomal RNA’sı kendi 3’-ucuna yakın,
Shine-Dalgarno sekansına kısmi veya tam
komplementer bir sekansa sahiptir.
• Böylece mRNA’nın 5’ ucuna yakın ShineDalgarno sekansı ile, 16S rRNA’nın 3’
ucuna yakın komplementer sekans
eşleşerek, protein sentezinin başlaması
için AUG kodonunun pozisyon almasını
temin eder.
5’-Cap
• Ökaryotik mRNA’lar Shine-Dalgarno sekansına
sahip değildir.
• Ökaryotlarda, mRNA 5’-ucunda 5’-5’-trifosfat
bağlarıyla bağlanmış 7-metilguanozin’den oluşan
bir “cap (şapka)” taşır (5’-kep).
• Ökaryotlarda küçük ribozomal subunit (40S),
eIF-4 yardımıyla, mRNA’nın 5’ ucundaki şapka
yapısını bağlar ve AUG kodonuna ulaşıncaya
kadar mRNA üzerinde aşağıya doğru hareket
eder. Bu “tarama” işlemi için ATP gereklidir.
5’-kep
• 5’-kep bağlayıcı eIF-4 proteinleri ve poli-A
kuyruk bağlayıcı proteinler arasındaki
etkileşimler sayesinde ökaryotik mRNA
sirküler (halkasal) bir yapı kazanır.
Başlama Kodonu
• AUG kodonu özel bir tRNA tarafından
tanınır (başlatıcı tRNA).
• Bu tanınma işlemi, prokaryotlarda IF-2GTP; ökaryotlarda ise eIF-2-GTP ve ilave
inisiasyon faktörleri ile kolaylaştırılır.
• Yüklü başlatıcı tRNA, küçük subunit
üzerindeki P bölgesine girer.
– Direkt olarak P bölgesine giren tek tRNA;
başlatıcı tRNA’dır.
• IF-2 ve eIF-2 sadece başlama
kodonuyla uyumlu olan başlatıcı
tRNA’yı tanır.
• Bakterilerde ve mitokondride,
başlatıcı tRNA; N-formil
metiyonin (fMet) taşırken;
ökaryotlarda metiyonin taşır.
N-formil metiyonin
• Ökaryotlarda başlatıcı tRNA’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 tRNA 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, mRNA’nın 5’
ucundan, 3’ ucuna doğru hareket eder.
Elongasyon Faktörleri
• EF-Tu-GTP (elongation factor thermo
unstable -GTP): Sitoplazmada aminoaçiltRNA 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 (50S)
ribozomal subunitte bulunan 23S
ribozomal RNA’nın peptidiltransferaz
aktivitesi ile katalizlenir.
• Bunun ökaryotlardaki karşılığı; 60S
subunitin 28S’lik rRNA’sıdır.
• Oluşan peptit bağı ile, P bölgesindeki tRNA’ya
bağlı olan peptit zinciri, A bölgesindeki tRNA’ya
bağlı amino aside aktarılmış olur.
• Daha sonra, ribozom, mRNA’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 tRNA, P
bölgesinden E bölgesine kayarken; peptidil
tRNA 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
tRNA’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
(eRF) sahiptir. Bu faktör, her üç
terminasyon kodonunu da tanır.
• Ökaryotik eRF-3 ise prokaryotik RF-3
gibi işlev görür.
Hücre
Faktör
Görev
İnisiasyon/Başlama
Prokaryot
IF-2-GTP
Ökaryot
eIF-2-GTP
Prokaryot
IF-3
Ökaryot
eIF-3
Yüklü başlatıcı tRNA’yı P
bölgesine kazandırmak
Ribozomal subunitlerin
ilişkisini önlemek
Elongasyon/Uzama
Prokaryot
EF-Tu-GTP
Diğer yüklü tRNA’ları A
bölgesine kazandırmak
Ökaryot
EF1α-GTP
Prokaryot
EF-Ts
Ökaryot
EF1βγ
Guanozin nükleotid değiştirme
faktörü
Prokaryot
EF-G-GTP
Translokasyon
Ökaryot
EF-2-GTP
Terminasyon/Sonlanma
Prokaryot
RF-1, RF-2
Ökaryot
eRF
Stop kodonlarını tanıma,
tRNA’dan peptidin ayrılması
Prokaryot
RF-3-GTP
Diğer RF’lerin salınımı
Ökaryot
eRF-3-GTP
Prokaryotlarda ve Ökaryotlarda
Protein Sentezi Animasyonları
• https://www.youtube.com/watch?v=KZBl
jAM6B1s
• https://www.youtube.com/watch?v=qIw
rhUrvX-k
Polizomlar
• mRNA’lar aynı anda birden fazla ribozom
tarafından transleyt edilebilir.
• 1 mRNA molekülü ve 2 ya da daha fazla
ribozomdan oluşan komplekse
polizom/poliribozom denir.
Harcanan Enerji
• 1 amino asidin zincire ilavesi için 4 yüksek
enerjili bağ yıkılır:
– 2’si aminoaçil-tRNA sentetaz reaksiyonunda
(ATP -> AMP)
– 1’i yüklü tRNA A bölgesine bağlanırken (GTP ->
GDP)
– 1’i translokasyon için (GTP -> GDP)
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