21.12: DNA'dan Proteine
Hücrelerdeki genetik bilginin DNA'dan mRNA'ya ve proteine akışı, genlerin mRNA'ların sırasını belirlediğini ve bunun da tüm proteinleri oluşturan amino asitlerin sırasını belirlediğini belirten merkezi dogma tarafından tanımlanır. Bir molekülün, diğer bir molekülün kodunu deşifre etmesi, spesifik proteinler ve RNA'lar tarafından gerçekleştirilir. DNA'da depolanan bilgi, hücresel fonksiyon için çok merkezi olması nedeniyle, DNA'nın kendisini sağlam ve korumalı tutmasına karşın, hücrenin protein sentezi için bu bilginin mRNA kopyalarını üretmesi sezgisel olarak mantıklıdır. DNA'nın RNA'ya kopyalanması, DNA zincirinde okunan her nükleotit için mRNA zincirine bir nükleotit eklenmesiyle nispeten basitleştirilir. Protein translasyonu, biraz daha karmaşıktır çünkü üç mRNA nükleotidi, polipeptit dizisindeki bir amino aside karşılık gelir. Bununla birlikte, protein translasyonu sistematik ve doğrusaldır, öyle ki nükleotit 1 ila 3, amino asit 1'e karşılık gelir, nükleotit 4 ila 6, amino asit 2'ye karşılık gelir vb.
Genetik Kod Dejenere ve Evrenseldir
Her amino asit, üçlü kodon adı verilen üç nükleotit dizisi ile tanımlanır. mRNA farklı numaradaki “harfler” ve protein “alfabeleri” göz önüne alındığında bilim adamları, tek amino asitlerin nükleotit kombinasyonları ile temsil edilmesi gerektiğini teorileştirdiler. Nükleotit çiftleri, her amino asidi belirtmek için yeterli olmayacaktır çünkü yalnızca 16 olası iki nükleotit kombinasyonu (42) vardır. Buna karşılık, amino asit sayısından çok daha fazla olan 64 olası nükleotit üçlüsü (43) vardır. Bilim adamları, amino asitlerin nükleotit üçlüleri tarafından kodlandığını ve genetik kodun “dejenere” olduğunu teorileştirdiler. Başka bir deyişle, belirli bir amino asit, birden fazla nükleotid üçlüsü tarafından kodlanabilir. Bu daha sonra deneysel olarak doğrulanmıştır: Francis Crick ve Sydney Brenner, bir virüsün genine bir, iki veya üç nükleotit eklemek için kimyasal mutajen proflavin'i kullandılar. Bir veya iki nükleotit yerleştirildiğinde normal proteinler üretilmemiştir. Üç nükleotit eklendiğinde, protein sentezlenmiş ve işlevsel olmuştur. Bu, amino asitlerin üç nükleotitlik gruplar tarafından nitelendirilmesi gerektiğini göstermiştir. Bu nükleotit üçlülerine kodon denir. Bir veya iki nükleotidin eklenmesi, üçlü okuma çerçevesini tamamen değiştirmiştir, böylece sonraki her amino asit için mesajı değiştirmiştir. Üç nükleotidin eklenmesi, translasyon sırasında fazladan bir amino asidin eklenmesine neden olsa da, proteinin geri kalanının bütünlüğü korunmuştur.
Bir polipeptit zincirine spesifik bir amino asidin eklenmesi talimatını veren kodonlara ek olarak, 64 kodonun üçü, protein sentezini sonlandırır ve polipeptidi translasyon mekanizmasından serbest bırakır. Bu üçlülere anlamsız kodonlar veya durdurma kodonları denir. Başka bir kodon olan AUG'nin de özel bir işlevi vardır. Amino asit metiyonini belirtmeye ek olarak, translasyonu başlatmak için başlangıç kodonu olarak da hizmet eder. Translasyon için okuma çerçevesi, mRNA'nın 5' ucuna yakın AUG başlangıç kodonu tarafından ayarlanır. Başlatma kodonunu takiben mRNA, bir durdurma kodonu ile karşılaşılıncaya kadar üçlü gruplar halinde okunur.
Tek bir amino asidin birden çok benzer kodon tarafından spesifikasyonuna "dejenerasyon" denir. Dejenerasyonun, rastgele mutasyonların olumsuz etkisini azaltmak için hücresel bir mekanizma olduğuna inanılmaktadır. Aynı amino asidi niteleyen kodonlar, tipik olarak sadece bir nükleotit kadar farklılık gösterir. Ek olarak, kimyasal olarak benzer yan zincirlere sahip amino asitler, benzer kodonlar tarafından kodlanır. Örneğin, GA* bloğunu işgal eden aspartat (Asp) ve glutamat (Glu) negatif yüklüdür. Genetik kodun bu nüansı, bir tek nükleotit ikame mutasyonunun aynı amino asidi belirtebilmesini ancak hiçbir etkisinin olmamasını veya benzer bir amino asidi belirtmesini sağlayarak proteinin tamamen işlevsiz hale gelmesini engeller.
Genetik kod neredeyse evrenseldir. Birkaç küçük istisna dışında, neredeyse tüm türler protein sentezi için aynı genetik kodu kullanır. Kodonların korunması, atlarda globin proteinini kodlayan saflaştırılmış bir mRNA'nın bir lale hücresine aktarılabileceği ve lalenin at globinini sentezleyeceği anlamına gelir. Tek bir genetik kodun olması, özellikle 20 amino asit ve 64 üçlü kodonun yaklaşık 1084 olası kombinasyonu olduğu düşünüldüğünde, Dünya'daki tüm yaşamın ortak bir kökeni paylaştığına dair güçlü bir kanıttır.