Translasyon (Protein Sentezi) Protein Sentezinin Regulasyonu

Transkripsiyon
Transkripsiyon, DNA’da saklanan
genetik bilgilerin bir RNA
molekülü (mRNA, tRNA, rRNA)
şeklinde kopyalanması veya
yazılması olayıdır.
1
• Genetik Bilgi Akışı
2
RNA’nın Yapısı ve Çeşitleri
RNA da DNA gibi uzun ve dallanmış bir
makromolekül olup, nükleotitlerin 3’ ile 5’
fosfodiester bağlarıyla bağlanmasından oluşmuştur.
RNA’nın kovalent yapısı, DNA’dan iki önemli farklılık
gösterir.
1.Pentoz birimi deoksiriboz yerine ribozdur.
2.Dört bazdan birisi urasildir. Urasil de timin gibi
adeninle eşlenebilir.
3
.Ribozda yer alan ve fosfodiester bağı
yapmadığından boşta kalan 2’ –OH grubu
kararlı çift sarmal yapıların oluşmasını
engellemektedir.
.Bu grubun polar karakterinin yanı sıra, su
ve diğer yapılarla hidrojen bağı
oluşturabilir.
.Ayrıca, DNA moleküllerinde
rastlanmayan katalizleme özelliğini de
RNA zincirlerinde 2’-OH gruplarının yer
aldığı reaktif katalitik merkezler
sağlamaktadır
4
Bazı virüslerin dışında bütün canlılarda RNA
molekülleri tek zincir yapısındadır.
RNA molekülleri saç tokası benzeri dönüşlerle ortaya
çıkan çift sarmal yapılı bölgeler ihtiva ederler. Bu
yapıyı yine bazlar arasındaki spesifik eşleşme sağlar.
Bu bölgelerde Adenin Urasil ile eşleşir.
5
Hücrelerde birbirinden farklı üç tip RNA
bulunmaktadır.
1.Haberci(messenger)RNA(mRNA),protein
sentezinde kalıp rolü oynar. Her bir polipeptit
zincirine karşılık gelen bir mRNA vardır. mRNA’lar
bir hücredeki RNA’ların yaklaşık %5’ini teşkil eder.
6
2.Transfer RNA(tRNA),mRNA kalıbı
tarafından belirlenen sıraya uygun olarak
peptit bağı oluşturmak üzere amino asitlerini
aktifleşmiş halde ribozomlara taşımakla
görevlidirler.
20 amino asidin herbirisi için en az bir tane
tRNA vardır. Hücredeki RNA’ların yaklaşık
%15’ini oluştururlar.
7
• 3.Ribozomal RNA, ribozomların en önemli
bileşenleridir. RNA tipleri arasında en bol
olanıdır(yaklaşık %80).
• Prokaryotlarda, 5S, 16S ve 23S’lik rRNA çeşitleri
ve ökaryotlarda 5S, 5.8S, 18S ve 28S’lik rRNA
tipleri vardır. S= Svedberg unit, bileşiğin molekül
ağırlığı ve şekli ile ilgilidir.
• Ayrıca, kloroplast ve mitokondrilerde de 16S ve
12S’lik iki çeşit rRNA moleküllerine rastlanmıştır.
8
RNA’NIN DNA’YA BAĞIMLI
SENTEZİ
• RNA polimerazlar RNA’yı sentezler.
• Sentez için,
• RNA polimeraz, bir DNA şablonu, nükleosit 5´
trifosfatlar (ATP, GTP, UTP ve CTP) ve Mg2+
gereklidir.
• Sentez ribonükleotitlerin 3´-hidroksil ucuna
eklenmesi ile 5´3´ yönünde ilerler.
9
10
• RNA polimeraz bir primere ihtiyaç duymaz.
• RNA sentezinde DNA üzerindeki bütün bazlar
kopya edildiğinden DNA tamamen korunmuş olur.
• RNA polimerazın bilinen hiçbir nükleaz aktivitesi
yoktur.
• RNA polimerazın en aktif şekli çift sarmal
DNA’ya bağlı şeklidir.
• E.colideki bütün RNA çeşitleri aynı RNA
polimeraz enzimi tarafından DNA kalıbına göre
sentezlenir.
11
• Ökaryotlarda ise birbirinden farklı üç çeşit RNA
polimeraz enzimi(RNA pol I, RNA pol II, RNA pol
III) arasında iş bölümü vardır.
• Bazı virüs RNA polimerazları RNA kalıbına göre
RNA sentezini gerçekleştirebilirler.
Ökaryotik RNA polimerazlar ve işlevleri
RNA pol I:18S; 5,8S ve 28S rRNA ların karşılığı
olan genlerin kopyalanmasında görev alır.
Nükleolde bulunur. Nükleol aynı zamanda
ribozomların oluştuğu mekandır. Sitoplazmada
sentezlenen ribozomal proteinler buraya taşınarak
ribozomlar inşa edilir. Ribozomlar daha sonra
nükleus
zarındaki
gözeneklerden
geçerek
sitoplazmaya, yani, görev yaptıkları bölmeye
transfer olurlar.
12
RNA pol II:mRNA’ların ön bileşikleri olan büyük
uzun RNA zincirleri ise (hnRNA’lar) RNA pol II
tarafından sentezlenir. Nükleoplazmada yer alır.
RNA pol III:Bütün tRNA’lar RNA pol III
tarafından sentezlenir. Nükleoplazmada yer alır.
Mitokondri RNA polimeraz:Bütün mitokondri
RNA’ları mitokondri RNA polimerazı tarafından
sentezlenir. Mitokondride bulunur.
13
α-amanitin’in RNA polimerazlara etkisi
α-amanitin mantar zehirlenmesinden ölüme yol açan
toksinlerden birisidir.
RNA pol II’ye çok sıkı bir şekilde bağlanır ve mRNA
sentezini inhibe eder.
RNA pol III ise daha yüksek derişimlerde(10-6 M)
inhibe edilirken, RNA pol I bu toksine cevap
vermez.
14
RNA POLİMERAZ ENZİMİ
E.coli’den elde edilen RNA polimeraz, 460 kDal mol
kütlesine sahip çok büyük ve kompleks bir
enzimdir.
Dört tür ve beş alt birimden ibaret olan enzim iki
kısımdan oluşur.
1. a2, b, b’ alt birimlerinden meydana gelen
çekirdek(kor) enzim RNA sentezini
gerçekleştirir.
2. s faktörü de DNA üzerinde RNA sentezinin
başlayacağı dizilişi (promotor bölgeyi) bularak,
holoenzim adı verilen a2 b b’s şeklinde bu dizilişe
kararlı olarak bağlanır.
15
E.coli’de RNA polimeraz, bir merkez enzim ve sigma faktörü
ile birlikte holoenzim oluşturur. Sigma (s) faktörü, DNA
üzerinde bulunan promotör bölgeyi tanıyarak RNA polimerazın
DNA’ya bağlanmasına yardım eder.
16
17
PROMOTORLAR, KALIBA BAĞLANMA
VE SİGMA ALT BİRİMİ
• Bir DNA çift sarmalı üzerindeki belirli bir gen bölgesine
karşılık gelen DNA zincirlerinden yalnız bir tanesi
transkripsiyona maruz kalır.
• DNA’nın transkripsiyona uğrayan zinciri kalıp, eşleniği
olan zincir de eş zincir adını alır.
• Transkripsiyon, kalıba bağlanma, başlangıç, zincir
uzaması ve sonlanma aşamaları halinde gerçekleşir.
• Kalıba bağlanma, RNA polimerazın sigma alt birimi ile
DNA’nın özgül promotor dizisine bağlanması ile
gerçekleşir.
• Promotor, genin transkripsiyon başlangıç noktasının
gerisinde 5’ ucundadır.
18
E.coli’de RNA polimeraz
yazılımı(transkripsiyon)
• DNA, çift-sarmal yapısındaki iki DNA zincirinden biriyle
tamamlayıcı olan bir RNA zincirinin sentezi sırasında geçici
bir süre çözünür.
• Belli bir sürede yaklaşık 17 baz çifti çözünür. Yazılım
baloncuğu şekildeki gibi soldan sağa doğru ilerlerken, RNA
sentezi gerçekleşir.
• Sentez sırasında DNA, baloncuğun ön tarafında çözünürken,
gerisinde yeniden birleşir.
• Kırmızı oklar; DNA ve kısa RNA-DNA hibridinin, bu işlemin
gerçekleşebilmesi için gerekli olan rotasyon yönlerini
göstermektedir.
• DNA yeniden birleşirken RNA-DNA hibridi yer değiştirir ve
RNA zinciri dışarı verilir.
19
20
Rna yazılımı, kalıp zincirin tamamlayıcısı olarak
sentezlenir ve kodlayan (veya kalıp olmayan)
zincirle aynı diziyi içerir (T yerine U ile).
21
•RNA sentezi promotorlerde başlar.
•Eğer RNA sentezi DNA’nın herhangi bir
bölgesinden başlasaydı, bu olağanüstü savurgan
bir işlem olurdu.
•RNA polimeraz, tersine, promotor adını alan,
hemen yanındaki genlerin yazılımını yöneten özgül
dizilere bağlanır.
•E.coli’de RNA polimeraz, yazım başlama
bölgesinin yaklaşık 30 baz çifti arkası ve 70 baz
çifti önünü kapsayan bir bölgeye bağlanır.
22
•Genel olarak, yeni sentezi başlayan RNA molekülüne
karşılık gelen DNA baz çiftlerine pozitif, RNA
sentezi başlama bölgesinden önce gelenlere ise
negatif sayı verilir. Bu şekilde, promotor bölgenin
uzunluğu -70 ile +30 arasındadır.
•Birçok bakteri promotor dizisinin karşılaştırılması
sonucunda, yaklaşık -10 ve -35 bölgelerinde yer alan
benzerlikler içeren iki dizi saptandı.
•-10 bölgesindeki ortak dizi (5’)TATAAT(3’)
•-30 bölgesindeki ortak dizi (5’)TTGACA(3’)’
•AT’den zengin olan bir diğer üçüncü tanıma
bölgesine UP (promotörün yukarısına doğru,
upstream promoter) denir.
23
E.Coli RNA polimeraz enziminin yazım
işlemini başlatmasına ilişkin basamaklar
•Başlama ve bağlanma olmak üzere genel
olarak iki evreden oluşur.
•Bağlanma evresinde, RNA polimeraz ilk
olarak promotörle etkileşerek kapalı
kompleks oluşumuna yol açar. Bu durumda
promotörün DNA’sı henüz çözülmemiştir.
•DNA’nın 12 ile 15 baz çiftlik bölgesi(-10
bölgesinden +2 veya +3 bölgesine doğru)
çözülerek açık kompleksi oluşturur.
•Kompleks içinde yazımın başlaması
konformasyonel bir değişikliğe yol açarak
kompleksi uzama evresine yönlendirir ve
ilerleyen kompleks promotörden
uzaklaşır. Bu şekilde uzama evresi devam
eder.
24
RNA sentezi için RNA polimeraza, başlama ve
sonlanma sinyallerine gereksinim vardır
25
RNA Sentezinin Sonlanması
RNA zincirinin uzama işlemi, bir sonlanma
sinyaline erişilene kadar devam eder. RNA
ürününün salınması için ilave bir protein (p,
rho faktör) gerekebilir. Alternatif olarak
bazı durumlarda tetramerik RNA polimeraz,
DNA kalıp üzerindeki sonlanma bölgelerini
tanıyabilir (p-bağımsız sonlanma)
26
Rho bağımlı sonlanma
• Rho-bağımlı sonlanma ilave bir proteinin (p
faktör) katılımını gerektirir. Bu faktör yeni
sentezlenen RNA’nın 3’- ucu yakınındaki Czengin bir bölgeye bağlanır ve RNA
polimerazın arkasıdan onunla birlikte 5’3’
yönünde sonlanma yerine kadar haraket eder.
Sonlanma bölgesinde p faktör, DNA kalıp
zinciri kaydırarak RNA molekülünün
ayrılmasını kolaylaştırır.
27
Rho bağımsız sonlanma
• RNA traskripti, RNA polimerazın ilerlemesini
yavaşlatan ve geçici olarak durmasını sağlayan
sabit bir hairpin (saç tokası) yapısı
oluşturabilmektedir. RNA’daki bu dönme, bir
palindrom varlığının sonucu olarak iki kat simetri
gösteren sonlanma yerine yakın bir DNA kalıp
bölgesine tamamlayıcıdır.
• Palindrom: iki zincirden her birinin aynı yönde
okunduğunda aynı nükleotit dizisine sahip olduğu
bir çift zincirli DNA bölgesidir.
28
29
RNA’nın Posttranskripsiyonel
modifikasyonu
rRNA
30
tRNA
31
Yazım sonrası tepkimelerde
oluşturulan değişikliğe uğramış bazı
tRNA bazları
32
Ökaryotik mRNA
• 5‘ başlık (capping)
• Poli A kuyruğu eklenmesi
• İntronların uzaklaştırılması
33
34
• Yazımların şifre bölgelerini
parçalara ayıran şifre
içermeyen bölgelere intron ve
şifre içeren parçalara ekson
denilir.
35
Çoğu kanser tedavisinde kullanılan bazı antibiyotikler
transkripsiyonu inhibe etmektedirler
Actinomycin D, prokaryotlarda ve ökaryotlarda, DNA çift
sarmalında guanin sitozin baz çiftlerinin arasına girerek,
DNA’da şekil bozukluğuna yol açar. Bu durum, polimerazın
kalıp boyunca hareketini engeller.
Akridin de benzer şekilde RNA sentezini baskılar.
Rifampicin, prokaryotlarda RNA polimeraz inhibitörüdür.
a amanitin, ökaryotlarda RNA polimeraz inhibitörüdür.
36
37
38
Transkripsiyonun kontrolü
• Ökaryot ve prokaryotlardaki genetik bilgilerin
proteine dönüştürülmesinin, yani, genetik ifadenin
denetimi ve düzenlenmesinde, en önemli basamak
transkripsiyonun başlangıç safhasıdır.
• Hücrelerin her proteine, her anda aynı oranda
ihtiyacı bulunmaz.
• Bunun sonucu olarak, bazı metabolik yolların
hızlanması ve bazılarının da yavaşlaması icap eder.
• Bunun için, buralarda görev alan proteinlerin ve
enzimlerin sentezlerinin baskılanması veya aktif
hale getirilmesi gerekir.
39
• Prokaryotlarda operon modeliyle bazı örnekleri
açıklanan
transkripsiyonun
bu
düzenleme
mekanizması, çok hücreli canlılarda çok daha
karmaşıktır.
• Operonlar bakterilerde çok sayıda genlerin
kümelendiği ve bu genlerin düzenlenmesini de
sağlayan dizilişleri taşıyan DNA bölgeleridir.
40
Operon modeli
Bir biyosentez veya biyoparçalanmaya ait tüm enzimlere
karşılık gelen genler DNA üzerinde ardarda bulunur. Bunlara
yapısal genler denir.
Bu gen dizisinin önünde ‘o’ simgesiyle operatör (işlemci) ‘p’
simgesiyle promotor (teşvikçi) p,o ve yapısal genlerden oluşan
sisteme ‘Operon’ denir.
Operonun önünde birde ‘i’ simgesiyle gösterilen indükleyici
(harekete geçiren) gen bulunur.
41
E.Coli’deki Laktoz Operonu
• Bakterilerde açıklığa kavuşturulan ilk operon
E.coli’deki laktoz operonudur(lac operon).
• E.coli, karbon kaynağı olarak laktozu kullanabilir.
Bu şekerin metabolizmasında rol alan en önemli
enzim, laktozu galaktoz ve glukoza hidrolizleyen ßgalaktozidaz’dır.
• Bu enzim ile birlikte, aynı gen tarafından
galaktosit permeaz ve tiyogalaktosit transetilaz
enzimleri de sentezlenir.
42
• Permeaz, laktozun bakteri hücresi membranından
geçişini sağlayan bir taşıyıcı proteini iken
transasetilaz laktoz metabolizması için gerekli
değildir.
• Sözkonusu olan laktoz operonunun genetik
elemanlarını bir düzenleyici gen, bir operatör gen
ve bir seri yapısal genler oluşturmaktadır.
43
E.Coli’deki Laktoz Operonu
44
Glukozun varlığında
adenilil siklaz enzimi
inaktiftir ve CAP,
cAMP ile bağlı değildir
Transkripsiyon
resptör molekül ile
durdurulmuştur
mRNA ve dolayısıyla
enzim üretilemez
45
Allolatoz reseptör proteine bağlanır
ve yapısını değiştirerek operatöre
bağlanmasını engeller
Glukozun yokluğunda adenilil siklaz aktif ve CAP’a
bağlanan cAMP üretilir
46
Reseptör inaktif olmasına rağmen CAP bağlanma yeri boş
ve RNA polimeraz transkripsiyonu başlatamaz
Glukozun varlığında
adenilil siklaz enzimi
inaktiftir ve CAP,
cAMP ile bağlı değildir
47