Ribozom ve Protein Sentezi
Görsel Telif: Polipeptitlerin Valsi - Mara G. Haseltine (Foto: sunlitgarden.pixnet.net)
Ribozom Nedir?
Ribozom, ribozomal RNA moleküllerinden ve proteinlerden oluşan kompleks (karmaşık) bir moleküldür; hücrede protein sentezi için bir fabrika görevi görür. 1955 yılında, George E. Palade sitoplazmadaki ribozomları keşfetti ve onları, tercihan endoplazmik retikulum zarıyla ilişkilendirilen küçük parçacıklar olarak tanımladı. Başka bilimcilerle birlikte Palade, ribozomların hücrede protein sentezi gerçekleştirdiğini keşfetti ve bu çalışmasıyla 1974 yılında Nobel Ödülü aldı.
Her bir ribozomun bir büyük bir de küçük bileşeni bulunur; ikisi birlikte, birkaç ribozomal RNA molekülünden ve düzinelerce proteinden meydana gelen tek bir birim oluşturur. Ribozom, mesajcı-RNA (mRNA) moleküllerindeki kodlanmış (yazılmış, transkripsiyonu yapılmış) mesajların çevirisini yapıp, amino asitlerden protein sentezlemekten sorumludur. Ribozom, mRNA şablondaki her bir kodonun (nükleotid üçlüsünün) çevirisini yaparak, çevrim (translasyon) sürecinde uygun amino asit ile eşleştirir. Amino asit, bir taşıyıcı-RNA (tRNA) molekülü tarafından getirilir. Her bir yeni çevrilmiş amino asit, protein sentezi işlemini ribozom tamamlayana dek protein zincirine eklenir. (Bkz. DNA Şifresinin Sözcükleri: Kodonlar)
Yazım ve Çevrim Nasıl Gerçekleşir?
DNA’da depolanan genetik bilgi, hücrelerin yaşamsal işlevleri yerine getirmek için kullandığı yönergelerin canlı bir arşividir. Her bir hücrenin içinde, katalizörler bu arşivden uygun bilgiyi arar ve yeni proteinler inşa etmek için kullanır; bu proteinler de hücrenin yapısını oluşturur, hücre içinde biyokimayasal tepkimeler gerçekleştirir ve bazen de dışarıya ihraç etmek için üretilir. Her ne kadar çok-hücreli bir organizmanın tüm hücreleri özdeş genetik bilgi içerse de, organizmadaki işlevsel açıdan farklı hücreler, yaşamsal işlevleri yerine getirmek için bu yönergelerin sadece belirli bir bölümünü ifadelemek için farklı katalizör kümeleri kullanırlar.
Figur 1: Öncü ve gecikmeli DNA iplikçiklerinin eşlenmesi. Helikaz, eşlenme için çift-iplikli DNA’nın iplikçiklerini ayırarak çatallanan bir bir yapı oluşturur. Primaz, kısa RNA iplikçikleri üretir; bunlar da bir DNA iplikçiğine bağlanarak DNA polimerazın yapacağı DNA sentezini başlatır. Bu enzim sadece 5′ den 3′ ye doğru iş yapabilir. O nedenle öncü iplikçik kesintisiz olarak eşlenirken, gecikmeli iplikçiğin eşlenmesi kesintilidir; kısa Okazaki bölümleri oluşturulup birbirlerine eklenir. © 2006 Nature Publishing Group Bell, S. D. Molecular biology: Prime-time progress. Nature 439, 542-543 (2006). All rights reserved.
Hücreler Bölünürken Genetik Bilgi Nasıl Aktarılır?
Bir hücre bölünürken, ortaya çıkacak yavru hücrelerin ikisi için de birer tane genetik bilgi kopyası (DNA molekülleri biçiminde) üretir. Bu kopyaların doğruluğu, yavru hücrelerin sağlığını ve miras alacağı özellikleri belirler; dolayısıyla DNA eşlenme işleminin mümkün olduğunca doğru olması çok önemlidir (Figur 1). (Bkz. DNA Eşlenmesi Nedir?)
Figür 2: Her nükleotid kendi partneri ile çiftlenir: A ile T, C ile G. © 2009 Nature Education All rights reserved.
Hatasız eşlenmeyi sağlamaya yardım eden etkenlerden biri, DNA’nın kendi çift-sarmal (çift-helezon) yapısıdır. Özellikle belirtmek gerekirse, DNA çift-sarmalının iki iplikçiği, nükleotid adı verilen moleküllerin biraraya gelmesinden oluşur. DNA sadece dört farklı nükleotidden oluşur: adenin, timin, sitozin, guanin. Bunların her biri, içerdiği azotlu baza göre adlandırılmıştır. Dahası, DNA çift-sarmalının bir iplikçiğini oluşturan nükleotidler, bütünleyici baz-çiftlenmesi olarak bilinen bir şablona göre (A hep T ile bağlı, C hep G ile bağlı) diğer iplikçikteki nükleotidlerle bağlı durumdadır (Figür 2). Dolayısıyla hücre bölünmesi sırasında, çiftlenmiş iplikçikler ayrılır ve her bir iplikçik, yeni bir bütünleyici iplikçik sentezlenmesi için şablon görevi görür.
Çok-hücreli organizmaların çoğunda, her bir hücre aynı DNA kümesini taşır; ama farklı hücre tipleri tarafından bu genetik bilgi farklı şekillerde kullanılır. Bir başka deyişle, bir hücrenin organizma içinde ne “yaptığı”, genlerinin hangilerinin ifadeleneceğini belirler. Örneğin sinir hücreleri, nöro-iletici adı verilen kimyasallardan bolca sentezler; bunlar diğer hücrelere mesaj iletmek için kullanılır. Kas hücreleri ise kendilerini protein-bazlı iplikçiklerle doldurarak, kas kasılmalarını gerçekleştirir.
Figur 3: RNA polimeraz (yeşil), altındaki şablon DNA iplikçiğini bütünleyen bir RNA iplikçiği sentezler. © 2009 Nature Education All rights reserved.
Genetik Bilgiye Erişimin İlk Adımları Nelerdir?
Yazım (transkripsiyon), hücrenin genetik bilgisinin alınmasında ilk adımdır. Yazım sırasında, RNA polimeraz adlı enzimler, DNA çift-sarmalının bir iplikçiğinin bir kısmına bütünleyici olan RNA molekülleri inşa eder (Figur 3).
RNA molekülü birkaç önemli açıdan DNA molekülünden farklıdır: Çift değil, tek iplikçiklidir; içerdiği şeker deoksiriboz değil, ribozdur; timin nükleotidi yerine urasil nükleotidi içerir (Figur 4). Ayrıca,tek iplikçikli olduğundan, RNA molekülü helezon oluşturmayıp, içsel bütünleyici baz-çiftlenmesiyle dengelenen karmaşık yapılar şeklinde katlanır.
Figur 4: DNA (üstte) timin (kırmızı) içerir; RNA’da (altta), timin yerine urasil (sarı) bulunur. © 2009 Nature Education All rights reserved.
RNA moleküllerinin üç genel sınıfı, bir hücrenin DNA’sında kodlanan genlerin ifadelenmesinde rol alır. Mesajcı-RNA (haberci-RNA, mRNA) molekülleri, yazımlar (transkriptler) denilen kodlanmış dizilimleri protein sentezi için getirir; ribozomal RNA (rRNA) molekülleri, hücrenin ribozomlarının (protein sentezinin yapıldığı yer) kalbini oluşturur; taşıyıcı RNA (transfer RNA, tRNA) molekülleri ise protein sentezi sırasında amino asitleri ribozoma taşır. Ökaryotik hücrelerde, her RNA sınıfının kendi polimerazı bulunurken, prokaryotik hücrelerde tek bir RNA-polimeraz, farklı RNA sınıflarını sentezler. Başka RNA tipleri de vardır ama onlar pek iyi anlaşılmamıştır; görünüşe göre, gen ifadelenmesinde düzenleyici rol oynamakta ve ayrıca işgalci virüslere karşı korumada rol almaktalardır.
En çok çeşidi olan RNA sınıfı mRNA’dır; gerçekten de herhangi bir hücrede herhangi bir anda binlerce farklı mRNA molekülü vardır. Yapısal proteinlerin yazımları (transkriptleri) gibi bazı mRNA molekülleri bol (yüzlerce ya da binlerce) bulunurken, sinyalleme proteinlerini kodlayan yazımlar gibi diğer bazıları da oldukça enderdir (bazen bir adet). Ömürleri bakımından da mRNA’lar çeşitlilik sergiler. Ökaryotlarda, yapısal proteinler için olan yazımlar on saatten uzun süre bozulmadan kalabilirken, sinyalleme proteinleri için olan yazımlar on dakikadan kısa sürede parçalanabilir. (Bkz. Protein Üretim Miktarını Belirleyen Kod mRNA’da Keşfedildi)
Hücreler, içlerinde bulunan mRNA moleküllerinin izgesiyle karakterize edilebilir; bu izgeye transkriptom adı verilir. Çok-hücreli bir organizmadaki her hücre aynı DNA’ları yani genomu taşısa da, hücre tipine ve işlevine bağlı olarak transkriptomlar geniş bir çeşitlilik sergiler. Örneğin, pankreastaki insülin üreten hücreler, insülin için olan yazımlar (transkriptler) içerir ama kemik hücreleri böyle bir yazım içermez. Kemik hücrelerinin insülin için olan geni taşımasına rağmen, bu genin yazımı kemik hücrelerinde yapılmaz. O nedenle transkriptom, bir hücrede belli bir anda ifadelenmekte olan tüm genlerin bir kataloğu olarak iş görür.
Figur 5: Escherichia coli prokaryotunun mikrografında DNA (merkezde) ve ribozomlar (çeperlerdeki siyah noktalar) görülüyor. Courtesy of Dr. Abraham Minsky (2014). All rights reserved.
Ribozomların İşlevi Nedir?
Ribozomlar, hücrede protein sentezinin gerçekleştiği yerlerdir. Hücreler çok sayıda ribozoma sahiptir ve net sayıları, hücrenin protein sentezlemede ne kadar aktif olduğuna bağlıdır. Örneğin, hızla büyüyen hücrelerin genellikle çok sayıda ribozomu olur (Figur 5).
Ribozomlar, rRNA moleküllerinden ve proteinlerden oluşan kompleksler olup, hücrelerin elektron mikrograflarında gözlemlenebilirler. Bazen ribozomlar kümelenmiş hâlde görülebilir; bu kümelere poliribozomlar denir. Ökaryotlarda ribozomlardan bazıları içsel zarlara tutunur (prokaryotlarda böyle bir şey olmaz); orada sonrasında o zarlara yerleşecek olan veya salgılanacak olan proteinleri sentezlerler (Figur 6). Her bir ribozomda sadece birkaç tane rRNA molekülü bulunmasına rağmen, bu moleküller ribozomal kütlenin yaklaşık yarısını meydana getirir. Geri kalan kütle de çok sayıda proteinden oluşur; prokaryotik hücrelerde 60’a yakın, ökaryotik hücrelerde 80’in üstünde.
Ribozomun içinde, rRNA molekülleri protein sentezinin (bir protein molekülü yapmak için amino asitlerin birbirine eklenmesi) katalitik adımlarını yönetir. Aslında bu işlevini yansıtmak için rRNA’ya bazen ribozim veya katalitik RNA denir.
Ökaryotik ve prokaryotik ribozomlar, ıraksak evrime bağlı olarak birbirlerinden farklıdır. Antibiyotikler bu farklılıklardan yararlanır; ökaryotik ribozomları etkilemeden (hasta konağın hücrelerinde etki yaratmadan), enfeksiyona neden olan bakterilerin prokaryotik ribozomlarını engellemek için tasarlanmışlardır.
Figur 6: Bir pankreatik ekzokrin hücre kesitinin elektron mikrografı. Bu ökaryotik hücrenin endoplazmik retikulumu ribozomlarla bezenmiş. Sol altta çekirdeğin bir kısmı görülüyor. Image courtesy of Prof. L. Orci (University of Geneva, Switzerland). © 2014 Nature Publishing Group Schekman, R. Merging cultures in the study of membrane traffic. Nature Cell Biology 6, 483-486 (2004) doi:10.1038/ncb0604-483. All rights reserved.
İşlem Nasıl Yeni Proteinlerle Sonuçlanır?
DNA’nın mRNA’ya yazımı tamamlandıktan sonra, çevrim yani bu mRNA’ların okunarak proteinlerin üretilmesi başlar. Mesajcı-RNA molekülleri tek ipliklidir ve bazlarının sırası (A, U, C, G) hücrenin DNA’nın belirli bölümlerindeki sıralamayı bütünleyicidir. Her bir mRNA, sentezlenmekte olan protein büyürken eklenecek bir sonraki amino asiti söyler. Her amino asit, mRNA molekülündeki nükleotid üçlülerinden (kodonlardan) biriyle temsil edilir. Örneğin AGC kodonu, serin amino asiti için olan mRNA kodonudur; UAA ise durdurma kodonu da denilen, protein çevrimini durdurmayı belirten bir sinyaldir (Figur 7).
Figur 7: Ribozom ve çevrim. Bir ribozom iki alt-birimden oluşur: büyük ve küçük. Çevrim sırasında ribozomal alt-birimler, mRNA iplikçiği üzerinde sandviç gibi biraraya gelir ve orada amino asitlere (daireler) tutunmuş olan tRNA moleküllerini çekmeye başlarlar. Ribozom mRNA dizilimini polipeptite yani yeni bir proteine dönüştürürken, uzun bir amino asit zinciri belirir. © 2010 Nature Education All rights reserved.
Amino asitlerin mRNA’daki uygun kodonlarla eşleştirilmesi, tRNA moleküllerinin sorumluluğundadır. Her bir tRNA molekülünün iki ayrı ucu vardır; bir uç belli bir amino asite bağlanırken, diğer uç ona karşılık gelen mRNA kodonuna bağlanır. Çevrim sırasında, bu tRNA’lar amino asitleri ribozoma taşır ve bütünleyici kodonlarıyla birleştirir. Ardından ribozom, içindeki rRNA’larıyla birlikte mRNA molekülü boyunca çark mandalı benzeri bir hareketle ilerler ve toplanmış amino asitler birbirlerine eklenir. Ortaya çıkan protein zincirleri, yüzlerce amino asit uzunluğunda olabilir ve bu molekülleri sentezlemek devasa miktarda kimyasal enerji gerektirir (Figur 8).
Prokaryotik hücrelerde, yazım (DNA’dan mRNA’ya) ve çevrim (mRNA’dan proteine) o kadar yakından bağlantılıdır ki, çevrim genellikle yazım tamamlanmadan başlar. Ökaryotik hücrelerde ise iki işlem hem yer hem de zaman bakımından ayrılmıştır: mRNA’lar çekirdekte sentezlenirken, proteinler daha sonra sitoplazmada yapılır.
Figur 8: Çevrimin başlıca basamakları (1) Bir ribozom (gri) sitoplazmadaki bir mRNA molekülünün bir başlatma kodonuna (kırmızı) kenetlendiğinde çevrim başlar. (2) Ardından, amino asitlere (küreler) tutunmuş olan tRNA molekülleri, mRNA molekülü üzerinde karşılık gelen üçlü kodon dizilime kenetlenir. (3, 4 ve 5) Bu süreç tekrar tekrar yinelenir; çok sayıda tRNA kenetlenerek, ardışık amino asitleri bağlantılandırır ve uzayan zincir ribozomun üstünden çıkar. (6) Ribozom bir durdurma kodonuna rastladığında, mRNA molekülü düşer ve protein hücrede kullanım için salınır. © 2010 Nature Education All rights reserved.
Sonuç
Hücresel DNA, hücrenin sağ kalması için gereksinim duyduğu çeşitli proteinlerin yapım yönergelerini içerir. Bir hücrenin bu proteinleri üretmesi için, DNA’sındaki belirli genlerin öncelikle mRNA moleküllerine yazımının yapılması; sonra da bu yazımların amino asit zincirlerine çevriminin yapılmasını gerektirir; bu amino asit zincirleri sonradan eksiksiz işleyen proteinler hâline gelecek biçimde katlanma yapar. Her ne kadar çok-hücreli bir organizmanın tüm hücreleri aynı genetik bilgi kümesini içerse de, farklı hücrelerin transkriptomları hücrenin yapısına ve organizmadaki işlevine bağlı olarak değişkenlik gösterir.
Kaynak ve İleri Okuma
Ribosome https://www.nature.com/scitable/definition/ribosome-194/
Ribosomes, Transcription, and Translation https://www.nature.com/scitable/topicpage/ribosomes-transcription-and-translation-14120660/
BilimFili.com: "Ribozom ve Protein Sentezi"