Translasyon  (Protein  Biyosentezi)  

Prof. Dr. Mustafa Arda

Ankara Üniversitesi Veteriner Fakültesi
Temel Mikrobiyoloji 1

01. Genel Giriş  
02. Aktivasyon  
03. Başlama  
04. Zincir Uzaması  
05. Bitiş (terminasyon)  
06. Önemli Notlar  
07. Translasyon İnhibitörleri

01.Genel Giriş

Proteinler, hücrelerin informasyonal makromolekülleri olup kromozomda bulunan nukleotid (baz) sıraları tarafından spesifiye edilirler. Her protein bir veya birden fazla polipeptid zincirinden oluşmuştur. Her bir peptid zinciri de, aminoasitlerden meydana gelmiş lineer polimerler halindedirler. Proteinlerin amino asit sıraları, mRNA'daki baz sıraları tarafından tayin edilir. Genellikle, bir genin bir proteini kodladığı kabul edilir.

Mesenger RNA'daki kodlar, ribosomlar üzerinde deşifre edilerek, amino asit sıraları (polipeptid ve proteinler) haline dönüştürülürler

Protein sentezi bilinen en kompleks biyokimyasal olaylardan biri olup 100 den fazla farklı protein ve 30 türden fazla tRNA'nın fonksiyonu ile gerçekleştirilir.

Protein sentezindeki sellüler mekanizmaları kolay izleyebilmek ve anlamak için, bunları aşamalar halinde incelemek daha yararlı olacaktır.

Protein sentezi, başlıca 4 basamak içinde toplanabilir;

1) Aktivasyon

2) Başlama

3) Zincir uzaması

4) Bitiş (terminasyon)

02. Aktivasyon

Hücre içinde, sitosolda bulunan amino asitler, mRNA üzerindeki spesifik kodonlarına taşınmadan önce, kendine ait spesifik tRNA ile interaksiyona girmesi ve bağlanması gereklidir. Her amino asitin kendine uygun bir veya birden fazla tRNA'sı bulunmaktadır. Amino asitleri mRNA'ya taşımada tRNA'lar adaptör molekül görevi yaparlar. Amino asitlerin, kendilerine uyan tRNA'lara bağlanmasında amino acyl synthetase enzimi önemli fonksiyona sahiptir ve amino asitleri aktive ederek, tRNA'ya bağlanmasını sağlar. Aktive olan amino asitler, kendilerindeki karboksil grubu ile tRNA'nın serbest 3'-CCA (adenilik asit) terminusuna (akseptör kol) ester bağlarıyla birleşir. Reaksiyon iki aşamada tamamlanır. Gerekli enerji ATP'den sağlanır ve reaksiyonu sentetase enzimi katalize eder. Sonuçta,

                                          Mg⁺⁺

Amino asit + ATP + tRNA     ¾®  amino acyl tRNA + AMP + PP1 meydana gelir.

Her sentetase enzimi, hem spesifik amino asitin ve hem de ilgili tRNA'nın üzerindeki özel bölgeleri tanıma yeteneğine sahiptir. Hücrelerde, genetik kodlar tarafından spesifiye edilen her bir amino asit için bir tane sentetase enziminin bulunduğu bildirilmektedir. Ancak, enzim, birden fazla ilgili tRNA'yı tanıma yeteneğindedir. Hatta, enzim, tRNA'ların antikodonları değişse veya çıkarılsa bile yine de (uygun) tRNA'yı tanıyabilir. Fakat, bazı sentetazlar ise hiçbir değişikliğe maruz kalmamış antikodonları tanıyabilmektedir.

Birçok sentetase enziminde hataları düzeltmek için bazı spesifik bölgelerin bulunduğu belirtilmiştir. tRNA'lara uygun olmayan amino asitlerin bağlanması durumunda, enzim, bunları hidrolize ederek çıkarır ve doğru amino asitle yer değişmesini sağlar (geriye dönük düzeltme okuması).

03. Başlama

Protein sentezini başlatmada özel tek bir tRNA görev yapar ki o da formilize olmuş metionini taşıyan fmet tRNA'dır. Bu transfer RNA, aynı zamanda, kendi antikodon bölgesindeki bazlar (UAC) yardımıyla, mRNA üzerinde sırada bulunan ve metioninin kodonu olan AUG'yi tanıyarak kovalent olarak bağlanır. Bakterilerde, bazen AUG yerine, nadiren GUG kodonu da kullanılabilir.

Hücrelerde, genellikle, iki tür tRNA, metionini spesifiye eder. Bunlardan biri, internal pozisyonda bulunan metionini tanır ve onunla bağlanır (met tRNA). Diğeri ise, formilize olmuş metioninle bağ  kurar (fmet tRNA). Ancak, bunlardan sadece fmet tRNA başlatmada rol alır ve önem taşır. Aynı zamanda, başlatma faktörleri (IF), fmet tRNA'yı, ve uzatma faktörleri de (EF), met tRNA'ları tanırlar.

Başlatmada diğer önemli aşama ise, formilize olmuş metioninin tRNA'sının antikodonu (UAC) ile, 30 S'lik ribosomal alt ünite üzerinde sıraya girmiş olan mRNA'daki kendine ait AUG kodonunun bağlanmasıdır.

30 S ribosomal serbest alt ünite önce başlatma faktörü (IF-3) ile bağlanır. Bu faktör, 30 S'lik alt ünitenin, mRNA'nın 5' -ucuna ve AUG kodonuna bağlanmasını güven altına alır. IF-3 olmadan 30 S alt ünite mRNA ile bağlanamaz. Böylece, 30 S'lik alt ünite mRNA'nın 5' -ucundaki AUG kodonu ile bağlanmış ve protein sentezi için güvenli ilk adım atılmış olur. Bu aşamadan sonra, başlatma faktörlerinden olan IF-2 fmet tRNA ile bağlanarak bunu, ribosoma getirmede görev alır. Bununla beraber, reaksiyonda gerekli olan enerjiyi sağlayacak olan GTP'de ribosoma getirilir. fmet tRNA gelmeden ve 50 S'de birleşmeden önce, görevi sona eren IF3 ayrılır ve hidrolize olan GTP'de GDP'ye dönüştürülür.

mRNA, 30 S'lik küçük alt ünite ile birleştikten sonra IF-3 hemen ayrılır. 30 S alt ünitede P-bölgesinde sırada bulunan ve IF-2 ile bağlanmış olan fmet tRNA'nın antikodon bölgesindeki bazlar (UAC), mRNA'da sırada bulunan kendine ait olan kodon (AUG) ile birleşir. Bu iki bölge birbirine komplementerdir.

mRNA'da AUG kodonunda 5' -ucuna doğru ve bundan yaklaşık 10 baz kadar uzakta pürinden zengin olan Shine Dalgarno (SD) sekansları da mRNA'nın ribosomlara sıkıca bağlanmasında rolü vardır. Shine Dalgarno bölgesindeki bazlar ile 30 S'lik alt ünitede bulunan 16 S rRNA'daki nukleotidler birbirlerine komplementerdir. Böylece kolay bir bağlanma yaparlar. Bu sekanslar, mRNA'nın ve dolayısıyla da mesajların daha güvenli ve sağlam bağlanmasını sağlarlar.

Prokaryotiklerde DNA üzerinde başlatma kodonundan 3' -ucuna doğru, promotor bölgesi de bulunmasına karşın, mRNA'ya sadece SD ve (DNA da bulunan TAC tripletinin karşılığı olan) AUG bazları aktarılır, promotor aktarılmaz.

30 S'lik alt üniteye fmet tRNA bağlandıktan hemen sonra 50 S ribosomal büyük alt ünite de katılır. Böylece başlama kompleksi oluşur (70 S). Hemen IF-2 (ve IF-1) kompleksten çıkarılır. GTP'de hidrolize olur ve GDP + PP1'e ayrışır.

50 S'lik ribosomal alt ünitede bulunan bölgelerden P-bölgesinde (peptidil bölgesi) fmet tRNA lokalize olmuştur ve A-bölgesi (akseptör bölge) ise boştur. Ancak, burada polipeptid zincirine girecek olan ikinci amino asitin kodonu bulunmaktadır. İkinci amino asitin (aa2) sıraya girebilmesi için, sentetase enziminin yardımı ile kendine ait tRNA ile birleşmesi ve bu defa zincir uzatma faktörüne (EF-Tu) bağlanarak A-bölgesinde hazır bulunan mRNA üzerindeki kendine ait kodona, antikodonuyla birleşmesi gerekir.

EF-Tu+amino asil tRNA+GTP, üçlü kompleksi ribosom üzerinde A-bölgesinde sıradaki kodona, tRNA'nın antikodon bölgesindeki nukleotidler ile bağlanır. Bağlanma bitince EF-Tu serbest kalır. GTP'de GDP'ye ve PP1'e ayrışır.

Böylece, P-bölgesinde fmet tRNA (1. amino asit, aa1) ve A-bölgesini de 2. amino asiti (aa2) taşıyan tRNA (amino asil tRNA) işgal etmiş olur. Bundan sonra, P-bölgesindeki fmet ile, A-bölgesinde tRNA'ya bağlı bulunan 2. amino asit arasında peptid bağı kurularak P bölgesindeki aa1 (fmet) A-bölgesine transfer edilir ve aa1 ile aa2 birleşir. Bu suretle, A-bölgesinde tRNA'nın 3' -CCA ucunda iki amino asit bağlı bulunmuş olur. İki amino asit  arasında peptid bağının kurulmasını peptidil transferase enzimi katalize eder. Bu suretle, polipeptid zincirine iki amino asit katılmış olur. P-bölgesinde serbest kalan f  metionine ait tRNA buradan, geçici bir süre için E-bölgesine transfer edilir ve sonra da buradan ayrılır.

Her bakteride yaklaşık EF-Tu'den 70000 molekülün bulunduğu belirtilmiştir. Diğer bir zincir uzatma faktörü olan EF-Ts, EF-Tu+GDP inaktif molekülünü aktive ederek tekrar EF-Tu+GTP'ye çevirir. EF-Tu+EF-Ts'lere T-faktörleri adı verilir.

04. Zincir Uzaması

Başlatma kompleksi oluştuktan sonra ikinci amino asitin kodonla birleşmesi, zincir uzamasının ilk adımını da oluşturur. Bu periyot başlıca 3 kısımdan meydana gelir.

a) Kodon tanıma: Bu aşamada, yukarda belirtildiği gibi mRNA üzerinde sıraya giren ve üç bazdan oluşan kodonla bu kodonun temsil ettiği amino asitle birleşen tRNA'nın antikodon bölgesi arasında, bunların komplementer olması nedeniyle, karşılıklı bağlar kurulur. Örn, eğer kodon üzerinde Valinin tripletinden biri olan GUU varsa, buna tekabül eden ve valini taşıyan amino acyl tRNA'nın antikodonunda CAA bazlarının bulunması gerekecektir.

Böylece, tRNA'ya bağlanmış olan amino asitte, EF-Tu+GTP ile birlikte, 30 S ribosom alt ünitedeki kodonla birleşir. Birleşme olunca EF-Tu serbest kalır, GTP'de, GDP ve PP veya 1'e ayrışır (EF-Tu-GDP inaktif bir moleküldür).

b) Translokasyon: 70 S'lik ribosomda P- ve E-bölgeleri boşaldıktan sonra, A-bölgesinin de boşalması ve buraya 3. amino asiti bağlayan tRNA'nın gelmesi gerekir. Bunun için, A-bölgesinin serbest kalması lazımdır. İşte bu önemli olay, 70 S'lik ribosomun mRNA üzerinde bir kodon boyu kayması (5' ® 3' yönde) ile gerçekleşir. 70 S'lik ribosom, m RNA üzerinde sadece bir kodon boyu kaydığında. A bölgesi, m RNA üzerindeki bitişik, yeni bir amino asitin kodonuna gelmiş olur (veya böylece, A bölgesine yeni bir kodon gelmiş olur). Böyle bir hareket olurken, P bölgesindeki AUG kodonuna bağlı olan ve amino asit taşımayan t RNA dışarı itilerek serbest kalır ve AUG kodonundan ayrılır. Serbest kalan tRNA önce 50 S alt ünite üzerindeki E bölgesine gelir ve buradan da diğer bir amino asitle bağlanmak için tekrar sitosola döner. Bu kodona ait amino asitleri, amino acyl sentetase aktive ederek kendine ait tRNA ile bağlar. Bundan sonra, EF-Tu ve GTP ile bağlanan amino acyl tRNA kompleksi, kodonla birleşir.

Translokasyonda ribosom, mRNA üzerinde her defasında bir kodon boyu ilerler. Translokasyon için başlıca 2 görüş bulunmaktadır. Biri, önce 50 S'lik alt ünite 5' ® 3' yönünde 30 S'in üzerinde bir kodon boyu kayar ve sonra bunu 30 S'lik alt ünite takip ederek 70 S'lik ünite tamamlanır. 50 S'lik alt ünitenin kayma sırasında, 30 S üzerindeki P-bölgesindeki peptidil tRNA'lar ile A-bölgesindeki amino acyl tRNA'lar yerinde kalırlar. Diğer görüş ise, 70 S'lik ünite tümden mRNA üzerinde bir kodon boyu ilerler.

Translokasyonda başlıca 2 faktör önemlidir. Bunlardan biri, EF-G ve diğeri de GTP'dir. EF-G her hücrede bir kopya halinde bulunur (20.000 molekül). EF-G, ribosoma bağlanarak translokasyonu güven altına alır. GTP hidrolize olunca, EF-G'de serbest kalır.

Ribosomlar, aynı anda, hem EF-Tu ve hem de EF-G ile ilişkili kuramazlar. Bu faktörler ribosomlara sıra ile bağlanırlar. Birinin fonksiyonu bitip kompleksten ayrılırken diğeri, reaksiyona katılır. Önce, EF-Tu+GTP+amino acyl tRNA ternar (üçlü) kompleks oluşturur. Bundan EF-Tu+GDP ayrıldıktan sonra EF-G+GTP bağlanır ve sonra da EF-G+GDP halinde serbest kalır.

c) Transpeptidasyon: Transpeptidasyon, peptidil bölgesindeki tRNA'ya bağlı amino asitler ile A-bölgesindeki, yeni gelen, tRNA'daki amino asitin karboksil ve amino terminal uçları arasında peptid bağı kurulması olayıdır. Bu reaksiyonu peptidil transferase enzimi katalize eder. Bu reaksiyon sonunda, P-bölgesindeki amino asitler, A-bölgesindeki yeni gelen amino asitle birleşirler.

Böylece zincir uzaması devam eder. Her translokasyonda sıraya bir amino asit katılmış olur.

05. Bitiş (terminasyon)

Protein sentezini sonlandırmada mRNA üzerinde 3 kodon etkili olur ve bunlara terminasyon kodonları (stop kodon) adı verilir (UAG: amber; UAA: ochre ve UGA:opal). Bazen terminasyon tripletlerini ifade etmede nonsense kodonlar terimi de kullanılmaktadır.

Bakteriler, en fazla UAA tripletini terminasyon kodonu olarak kullanırlar. Diğer terminasyon kodonlarından daha az yararlanılır.

Eğer, mRNA üzerinde bulunan bu kodonlardan biri A-bölgesine gelirse, polipeptid zincirine herhangi bir amino asit ilave edilemez. Çünkü, bu kodonların karşılığı olan spesifik bir amino asit ve tRNA yoktur. Böylece sentez durur. Fakat, polipeptid henüz mRNA'dan ayrılmış değildir. E. coli 'de zincirinin ayrılmasında 2 proteinin rolü bulunmaktadır. Bunlardan biri, serbest bırakma faktörü-1 (RF-1) ve diğeri de RF-2'dir. Bunlar farklı terminasyon kodonu için spesifiktirler. RF-1, UAA ve UAG'yı tanır, RF-2 ise UGA ve UAA'yı tanır. Bu faktörlerden birisi terminasyon kodonuna geldiğinde polipeptid zinciri tRNA'dan serbest kalır. Polipeptidin tRNA'dan ayrılması, moleküle suyun ilavesi ile (hidrolizasyon) gerçekleştirilir. Her bir hücrede bu faktörlerden yaklaşık, 600 kadar bulunur. Diğer bir serbest bırakma faktörü (RF-3) olarak tanımlanan proteinin, diğer iki faktörünün (RF-1 ve -2) aktivitesini kuvvetlendirdiği bildirilmektedir.

Protein sentezi sona erdikten ve protein serbest kaldıktan sonra iki alt ünite de (30 S ve 50 S) birbirinden ayrılarak sitosola dönerler.

06. Önemli Notlar

-tRNA'lardaki antikodon (lar) ile mRNA'daki kodon(lar) birbirlerinin komplementeridirler.

-Prokaryotiklerde ekspresyon (transkripsiyon ve translasyon) sitoplazmada, buna karşın ökaryotiklerde transkripsiyon nukleusta ve translasyon ise sitoplazmada meydana gelir.

-Proteinler, ribosomlar üzerinde N-terminustan C- terminusa doğru asamble edilirler.

-Ribosomlar, mRNA üzerinde 5' ¾®3' yönünde hareket ederler. Her bir hareket bir kolon boyudur ve her defasında bir yeni amino asitin kodonu sıraya girer.

-Her ribosom, mRNA boyunca bağımsız olarak bir polipeptidin sentezini gerçekleştirebilir.

-mRNA, aynı anda, birçok(onlarca) ribosom tarafından transle edilebilir.

-mRNA'ya bağlanan ribosomların bir kısmı sentezin sonunda iken diğeri başlangıcında olabilir.

-Antikodon ve kodon ilişkisinde ilk iki nukleotid (baz) önemlidir. Üçüncü bazın değişikliği çok fazla etkili olmayabilir. Yani, 3. baz, kodlanan amino asit türü değişmeden, değişik türde olabilir.

-Kodonlar (tripletler) bir biri arkasına dizilmiştir. Bakteriler de aralarında başka veya kodlamayan sekanslar (intron) bulunmaz. Bakterilerde DNA veya RNA ekzonlardan (kodlayan sekanslar) oluşur.  Ökaryotiklerde genlerin içinde ve aralarında kodlamayan sekanslar (intron) vardır.

-Amino asitlerin, kendilerine ait tRNA'larına bağlanmalarını, amino acyl tRNA synthetase enzimi katalize eder. En azından 20 sentetase enzimi vardır ve her biri ayrı amino asiti tanır.

-Prokaryotiklerde mRNA, genellikle, polisistroniktir (birden fazla polipeptid zincirini kodlar), ökaryotiklerde monosistroniktir.

-Bir amino asit bir veya birden fazla sinonim kodonla temsil edilebilir.

-Genetik kodlar üniversal olmasına karşın, azda olsa bazı değişimlere rastlanmaktadır. Örn, mycoplasmalarda UGA kodonu tryptophanı kodlamasına karşın, diğer prokaryotiklerde bu triplet stop sinyalini verir.

-Protein sentezi bakterilerde çok çabuk oluşan ve aynı zamanda ısıya bağımlı bir prosestir. Bakteriler 37°C 'de, saniyede yaklaşık 15 amino asiti polipeptid zincirine katar (300 amino asitlik bir protein için yaklaşık 20 saniye yeterli olabilmektedir). Ökaryotiklerde protein sentezi çok daha yavaş ilerler (saniyede 1-2 amino asit ilavesi).

-IF-3 taşımayan 30 S alt ünite, mRNA ile bağlanamaz ve başlatma kompleksi oluşamaz. 70 S'lik ribosomda IF-3 bulunmaz.

-IF-3, 30 S'den ayrılınca, bu defa başka ve serbest 30 S alt ünite ile bağlanır.

-Her bakteride yaklaşık 70000 molekül EF-Tu bulunur. İki gen tarafından spesifiye edilen EF-Tu, bakteri total proteininin %5'ini oluşturur. Buna karşın Ts ise yaklaşık 10000 molekül kadardır.

-IF-3, mRNA'nın 50 S ile bağlanmasını önler.

07. Translasyon İnhibitörleri

Mesenger RNA molekülünün translasyonunda bir veya birkaç basamağı inhibe ederek proteinin biyosentezine mani olan bir çok substans bulunmaktadır.

Bakterilerdeki protein sentezi üzerine etkili olmasına karşın ökaryotikler de tesirsiz olan bazı antibiyotikler ve aktiviteleri aşağıda gösterilmiştir.