Protein Translasyonu: mRNA Bilgisi Polipeptide Nasıl Çevrilir?

Translasyonun tanımı ve biyolojik amacı

Translasyon, mRNA’daki kodon dizisinin okunması ve bu dizinin amino asitlerden oluşan bir polipeptit zincirine dönüştürülmesi sürecidir. Gen ifadesinin protein üretimine ulaşan aşamasıdır: DNA’daki bilgi önce transkripsiyonla mRNA’ya aktarılır, ardından mRNA’nın nükleotid sırası translasyonla protein dizisinin temelini oluşturur. Bu nedenle her üç nükleotidlik kodon, polipeptitte belirli bir amino asidin eklenmesiyle ya da zincirin serbest bırakılmasıyla ilişkilidir.

Süreçte mRNA bilgi şablonunu, ribozom sentez platformunu, tRNA ise amino asit taşıyan adaptör molekülü temsil eder. Ribozom mRNA’yı 5′ yönünden 3′ yönüne doğru üçlü birimler hâlinde ilerleyerek okur. Her uygun tRNA sıradaki amino asidi getirir ve amino asitler peptit bağlarıyla birbirine bağlanır. Örneğin bir hücre, belirli bir proteine ihtiyaç duyduğunda ilgili genin mRNA’sı ribozomlarda okunabilir; mRNA’daki kodon sırası da ortaya çıkacak polipeptitteki amino asitlerin sırasını belirler. Aynı mRNA, aynı yönde ilerleyen birden fazla ribozom tarafından eş zamanlı okunabilir; bu yapıya poliribozom denir ve tek bir mRNA’dan aynı polipeptidin birden fazla kopyasının üretilmesini sağlar.

Ribozomlarda sentezlenen bazı proteinler sitoplazmada işlev görürken, kaba endoplazmik retikulumla ilişkili ribozomlar Golgi aygıtına yönlendirilecek proteinlerin sentezinde görev alabilir.

mRNA kodonları, tRNA antikodonları ve amino asit eşleşmesi

mRNA üzerindeki kodon, art arda gelen üç nükleotidden oluşan ve bir amino asidin eklenmesini ya da translasyonun sona ermesini belirleyen dizidir. tRNA üzerindeki üç nükleotidlik antikodon ise ilgili kodona tamamlayıcıdır. Kodon ile antikodonun baz eşleşmesi, doğru tRNA’nın ribozoma seçilmesini sağlar; tRNA’nın diğer ucuna bağlı amino asit de böylece doğru konuma taşınır. tRNA’nın amino asitle eşleştirilip yüklenmesi aminoasil-tRNA sentetaz enzimlerinin görevlerinden biridir.

Örneğin mRNA’daki GGA kodonu glisini belirtir. Buna tamamlayıcı olan CCU antikodonunu taşıyan tRNA, glisin amino asidini ribozoma getirir. Benzer biçimde mRNA’da CUA kodonu bulunduğunda GAU antikodonlu ve lösin taşıyan tRNA ile eşleşme gerçekleşir. Ribozomun doğru okuma çerçevesinde ilerlemesi önemlidir; bir ya da iki nükleotidin eklenmesi veya çıkarılması, üçlü grupların tamamının değişmesine ve sonraki amino asit bilgisinin bozulmasına yol açabilir.

Genetik kodda bir amino asit birden fazla kodonla belirtilebilir; ancak aynı kodon normal koşullarda birden fazla amino asidi belirsiz biçimde belirtmez. Kodon tablosu kullanılırken mRNA kodonu 5′-3′ yönünde okunur; antikodonun tamamlayıcı olması nedeniyle antikodon dizisi doğrudan kodon gibi okunmaz. Üç kodon translasyonu durdurur, AUG ise hem metiyonini belirtir hem de başlangıç kodonu olarak görev yapar.

Ribozomun yapısı ve A, P, E bölgelerinin görevleri

Ribozom, mRNA ile tRNA’ların bir araya geldiği ve amino asitlerin polipeptit zincirine bağlandığı hücresel yapıdır. rRNA ve proteinlerden oluşan ribozom, mRNA’yı iki alt birimin arasına yerleştirir. Küçük alt birim mRNA ile tRNA kodon-antikodon eşleşmesinin doğru hizalanmasına katkı verir; büyük alt birim ise peptit bağının kurulacağı katalitik ortamı sağlar. Translasyon başlamadan önce bu alt birimler ayrı bulunabilir, başlangıç kompleksi kurulduğunda birlikte çalışır.

Ribozom üzerindeki üç temel tRNA bölgesi, zincirin düzenli biçimde uzamasını sağlar. A yani aminoasil bölgesi, yeni gelen ve amino asit taşıyan tRNA’nın bağlandığı yerdir. P yani peptidil bölgesi, büyüyen polipeptit zincirini taşıyan tRNA’yı tutar. E yani çıkış bölgesi ise amino asidini bırakmış tRNA’nın ribozomdan ayrılmadan önce geçtiği bölgedir. Bu nedenle uzama sırasında tRNA’ların genel hareket sırası A → P → E şeklindedir.

Örneğin A bölgesine yeni bir amino asit taşıyan tRNA geldiğinde, P bölgesindeki zincir ile A bölgesindeki amino asit arasında peptit bağı kurulabilir. Ardından ribozom mRNA üzerinde bir kodon ilerler; zinciri taşıyan tRNA P bölgesine, boşalan önceki tRNA ise E bölgesine geçer. Büyük alt birimde bulunan rRNA temelli peptidil transferaz etkinliği peptit bağlarının oluşumunu katalizler. Ribozomun ayrıntılı moleküler yapısı ve ribozom biyogenezi ise bu temel işleyişin dışında kalan konulardır.

Translasyonun başlatma evresi

Başlatma, ribozomun mRNA üzerinde doğru başlangıç kodonuna yerleşmesiyle başlar. Küçük ribozom alt birimi mRNA’ya bağlanır ve başlangıç tRNA’sı AUG kodonuyla eşleşir. Bu özel tRNA doğrudan P bölgesine yerleşir; böylece A bölgesi, AUG’dan sonraki ilk kodona karşılık gelen amino asit taşıyan tRNA’yı kabul etmeye hazır kalır. Daha sonra büyük alt birim komplekse katılır ve işlevsel başlatma kompleksi oluşur. Başlangıç kodonu aynı zamanda okuma çerçevesini belirlediği için sonraki kodonların üçlü gruplar hâlinde doğru sırada okunmasını sağlar.

Prokaryotlarda küçük alt birimin mRNA üzerinde konumlanmasına Shine-Dalgarno dizisi katkı verir; ökaryotlarda ise başlangıç kompleksi 5′ uçtaki başlık bölgesini tanır ve uygun AUG’u bulmak üzere mRNA boyunca ilerler. Prokaryot ve ökaryot hücrelerdeki genel farklar için [prokaryot-ve-okaryot-hucre-arasindaki-fark-nedir] konusuna bakılabilir.

Translasyonun uzama evresi

Uzama, başlangıç kompleksi kurulduktan sonra polipeptit zincirinin kodon kodon büyüdüğü evredir. Ribozom mRNA üzerindeki bir sonraki kodonu A bölgesine getirir. Bu kodona tamamlayıcı antikodonu taşıyan, amino asitle yüklenmiş tRNA A bölgesine bağlanır. Eşleşme doğruysa yeni amino asit zincire eklenmeye hazır hâle gelir. mRNA bulunmadığında ribozom tRNA’ları özgül biçimde seçemez; bu nedenle mRNA, uzama sırasında hangi amino asidin sıraya gireceğini belirleyen şablondur.

Peptit bağı, A bölgesindeki amino asidin amino grubuyla P bölgesindeki büyüyen zincirin karbonil (karboksil) ucu arasında kurulur; böylece zincir A bölgesindeki tRNA’ya aktarılır. Bu tepkime, büyük ribozom alt birimine bağlı rRNA temelli peptidil transferaz etkinliğiyle katalizlenir. Peptit bağının kurulmasından sonra ribozom mRNA üzerinde üç nükleotid, yani bir kodon kadar ilerler. Bu yer değiştirme sırasında zinciri taşıyan tRNA A bölgesinden P bölgesine, amino asidini bırakmış tRNA ise P bölgesinden E bölgesine geçer ve ribozomdan ayrılır. Ribozomun her adımı, uzama faktörlerinin GTP hidrolizinden sağladığı enerjiyle gerçekleşir.

Örneğin mRNA’da sıradaki kodon GGA ise, glisin taşıyan ve CCU antikodonuna sahip tRNA A bölgesine girer. Bu glisin, P bölgesindeki zincire peptit bağıyla eklenir; sonraki ribozom hareketinde glisin zincirin yeni ucunu oluşturur ve boş tRNA E bölgesinden çıkar. Aynı döngü, mRNA’daki son kodona ulaşılıncaya kadar tekrarlanır. Böylece kodonların sırası, polipeptitteki amino asitlerin sırasına çevrilmiş olur.

Translasyonun sonlanması

Sonlanma, ribozomun mRNA üzerindeki durdurma kodonlarından birine ulaşmasıyla gerçekleşir. Durdurma kodonları herhangi bir amino asidi kodlamaz; bu nedenle bunlara tamamlayıcı amino asit taşıyan bir tRNA’nın A bölgesine bağlanması beklenmez. Bunun yerine salıverme faktörleri durdurma kodonunu tanır ve büyüyen polipeptit zincirinin onu taşıyan tRNA’dan ayrılmasını sağlar. Polipeptit serbest kaldıktan sonra ribozom alt birimleri, mRNA ve tRNA’lar birbirinden ayrılabilir; böylece translasyon döngüsü tamamlanır.

Translasyon sonucunda polipeptit zincirinin oluşması

Translasyonun doğrudan ürünü, peptit bağlarıyla birbirine bağlanmış amino asitlerden oluşan polipeptit zinciridir. Zincirin amino asit sırası mRNA’daki kodon sırası tarafından belirlenir; ancak yeni sentezlenmiş polipeptit, her zaman hemen işlevsel ve tamamlanmış bir protein anlamına gelmez. İşlev kazanması için zincirin uygun üç boyutlu yapıyı oluşturması veya hücresel konumuna ulaşması gerekebilir.

Örneğin translasyon sırasında zincirin bir ucuna yeni amino asitler eklenirken önceki amino asitler zincirin içinde kalır ve sıraları korunur. Durdurma kodonuna ulaşıldığında bu zincir ribozomdan serbest bırakılır. Bir mRNA’nın birden fazla ribozom tarafından eş zamanlı okunması, aynı polipeptidin çok sayıda kopyasının kısa sürede üretilmesini sağlayabilir. Polipeptit zincirinin katlanması ve translasyon sonrasında gerçekleşen işlemler burada ayrıntılandırılmadan, sentez ürününün işlev kazanmasında sonraki basamaklar olarak anılabilir.