Ana içerik

Konu: AP®︎/Üniversite Biyoloji > Ünite 6

Ders 4: Öteleme

Genetik Kod

Genetik kod mRNA'daki nükleotit gruplarını proteinlerdeki aminoasitlerle birleştirir. Başlangıç kodonu, bitiş kodonu ve açık okuma çerçevesi.

Giriş

Arkadaşlarınızdan birine gizli bir mesaj yazdığınız oldu mu? Yazdıysanız, mesajın başkaları tarafından okunmaması için muhtemelen bir kod kullanmışsınızdır. Örneğin harflerin yerine rakam ya da sembol kullanmış ya da notunuzu belirli bir kurala dayalı olarak yazmış olabilirsiniz. Arkadaşınızın bu mesajı okuyabilmesi için, sizin kullandığınız kodu ya da kuralları bilmesi ve bunu tersten uygulayabilmesi gerekir.

Mesajların kodunu çözmek gen ifadesinin de önemli bir adımıdır. Bu adımda, gendeki bilgi bir protein sentezi için okunur. Bu makalede, DNA ve RNA dizilimlerinin kodunun, proteinin amino asitleri için çözümlenmesine olanak sağlayan genetik kodu biraz daha yakından inceleyeceğiz.

Arka plan: Protein sentezi

Protein sentezi için talimat sağlayan genlerin ifadesi iki adımda gerçekleşir.

Transkripsiyonda, bir genin DNA dizilimi, RNA olarak yeniden yazılır. Ökaryotlarda, RNA'nın, mesajcı RNA yani mRNA olabilmesi için ilave işlemlerden geçmesi gerekir.
Translasyonda, mRNA'daki nükleotid diziliminin, polipeptidi (protein zinciri) meydana getirecek olan amino asit dizilimine translasyonu gerçekleştirilir.

Bunun sizin için yeni bir kavram olduğunu düşünüyorsanız, Sal Khan'ın transkripsiyon ve translasyon hakındaki videosunu izleyerek daha fazla bilgi edinebilirsiniz.

Kodonlar

Hücreler, mRNA'nın kodunu, nükleotidleri kodon adı verilen üçlü gruplar halinde okuyarak çözümlerler. Kodonların bazı özelliklerini aşağıda bulabilirsiniz:

Kodonların çoğu bir amino asidi belirler
Üç "stop" (dur) kodonu, proteinin sonunu belirler
Bir "başla" kodunu (AUG), proteinin başlangıcını beliler ve metionin amino asidini kodlar

mRNA'daki kodonlar, translasyon sırasında başla kodonu ile stop kodonları arasında okunur. mRNA kodonları 5'-3' yönde okunur ve proteinin N-terminus (metionin) C-terminus aralığındaki amino asit sıralamasını belirler.

Bir DNA ya da RNA ipliğinin iki ucu birbirinden farklıdır. Bu da DNA ya da RNA molekülünün yönlülük özelliği olduğu anlamına gelir.

Zincirin 5' ucunda, zincirdeki ilk nükleotidin fosfat grubu açıktadır. Fosfat grubu, şeker halkasındaki 5' karbona bağlı olduğundan, bu uç, 5' uç olarak adlandırılır.
3' uç olarak adlandırılan diğer uçta, zincire eklenen son nükleotidin hidroksil grubu açıktadır. Hidroksil grubu, şeker halkasındaki 3' karbona bağlı olduğundan, bu uç, 3' uç olarak adlandırılır.

DNA replikasyonu ve transkripsiyonu gibi birçok süreç, DNA ya da RNA ipliğinin yönlülüğüne bağlı belirli bir yönde gerçekleştirilir.

Nükleik asitler makalesini okuyarak daha fazla bilgi edinebilirsiniz.

Genetik kod tablosu

Kodonlar ve amino asitler (ya da stop (dur) sinyalleri) arasındaki bağlantılar genetik kod olarak adlandırılır. Genetik kodu bir tabloda özetlemek mümkündür.

Kodon tablosu ilk bakışta biraz göz korkutucu olabilir. Ancak şansımıza çok da mantıklı bir şekilde düzenlenmiştir ve bu düzeni anladıktan sonra kullanması da son derece kolaydır.

Kodon tablosunun nasıl işlediğini görmek için bir örnek üzerinden ilerleyelim. Örnek olarak CAG kodonunu ele alalım ve hangi amino asidi kodladığını öğrenmek istediğimizi düşünelim.

İlk olarak tablonun sol tarafını incelememiz gerek. Sol taraftaki eksen, kodonun ilk harfine karşılık geldiği için bu eksende C harfini bulmamız gerekiyor. Buradan, kodonun tablonun hangi satırında bulunduğunu görebiliriz.
Sonrasında tablonun üst kısmına odaklanacağız. Üst eksen, kodonun ikinci harfine karşılık geldiği için bu eksende de A harfini arayacağız. Buradan, kodonun tablonun hangi sütununda bulunduğunu görebiliriz.

Birinci ve ikinci adımda elde ettiğimiz sütun ve satır, tablonun tek bir kutusunda kesişir ve bu kutuda dört kodon bulunur. Çoğu zaman bu kodonların dördünü de ele alarak, ilgilendiğimiz kodonun hangisi olduğunu belirlemek en kolay olan yoldur.

Tabloyu en doğru şekilde kullanmak için kesişim kutusuna karşılık gelen üçüncü ekseni de hesaba katmak gerekir. Kodondaki üçüncü nükleotidi bu eksende bulduktan sonra, kodonunuzun bulunduğu satırı kutunun içinde belirlemek mümkündür. Örneğin bu eksende G'yi bulduğumuzda, CAD kodonunun, glutamin (Glu) amino asidini kodladığını da bulmuş oluyouz.

Amino asitlerin tabloda, birden fazla kodon ile temsil edildiklerini görebilirsiniz. Örneğin, mRNA dilinde lösin yazmanın altı farklı yolu vardır. Haydi bunların hepsini bulmayı deneyin!

Genetik kod ile ilgili önemli noktalardan biri, genetik kodun üniversal olmasıdır. Bu, küçük istisnalar haricinde, göreceli olarak bakterilerden insanlara kadar tüm türlerin, protein sentezi için yukarıdaki tabloyu kullanabileceği anlamına gelir.

Okuma çerçevesi

Bir mRNA'dan proteine doğru ve düzgün bri şekilde ulaşmak için okuma çerçevesi olarak adlandırılan bir kavrama daha ihtiyaç duyarız. Okuma çerçevesi, translasyon sırasında mRNA diziliminin kodonlara nasıl bölündüğünü belirler.

Bu son derece soyut bir kavram olduğu için bir örnek üzerinden ilerlemekte fayda olduğunu düşünüyoruz. Aşağıdaki mRNA, okunduğu çerçeveye bağlı olarak tamamen farklı üç proteini kodlayabilir.

Bu durumda, sizce bir hücre, bu proteinlerden hangisini sentezlemesi gerektiğini nereden biliyor olabilir? Burada önemli olan başla kodonudur. Translasyon başla kodonu ile başladığı ve üçlü gruplar olarak devam ettiği için, başla kodonunun konumu, mRNA'nın doğru çerçevede okunmasını sağlar (örneğin yukarıdaki örnek için bu 3 numaralı çerçevedir).

Bir ya da iki nükleotidin eklenmesine ya da silinmesine neden olan mutasyonlar (DNA'daki değişiklikler), okuma çerçevesini değiştirerek, mutasyon bölgesinden aşağı yönde doğru olmayan bir proteinin sentezlenmesine sebep olabilir.

Genetik kod nasıl keşfedildi?

Genetik kodun nasıl keşfedildiği son derece havalı ve epik bir hikayedir. Aceleniz olması ihtimaline karşı, dikkatinizi dağıtmaması adına kendi versiyonumuzu aşağıdaki pop-up pencereye koyuyoruz. Ancak eğer biraz zamanınız varsa, oldukça ilgi çekici bir okuma olacağını söyleyebiliriz.

Genetik kodun keşfi

Genetik kodu çözmek için araştırmacıların, bir DNA ya da RNA molekülündeki nükleotid dizilimlerinin bir polipeptitdeki amino asit dizilimini nasıl kodladığını anlaması gerekiyordu.

Peki bunun zor olmasının sebebi neydi diyecek olursanız, anlamanıza yardımcı olması için basit bir kodu ele alalım. Bu kodda, DNA ya da RNA molekülündeki her nükleotidin, proteindeki tek bir amino asidi kodladığını düşüneceğiz. Ancak bu kodun, proteinlerde

20

amino asit ve yalnızca

4

nükleotid bazı bulunması sebebiyle işe yaramayacağını da bilmelisiniz.

İşte bu yüzden, kodun, nükleotidlerle amino asitler arasındaki bir bire bir eşleşmeden çok daha karmaşık olması gerekir. Ama ne?

Üçüz hipotezi

1950'li yılların ortalarında, fizikçi George Gamow, bu bakış açısından yola çıkarak, genetik kodun üçlü nükleotidlerden oluştuğu üzerine bir tahmin yürüttü

^{1}

. Bu kısaca, bir gendeki 3 nükleotidden oluşan grupların, proteindeki bir amino asidi kodlaması anlamına geliyordu.

Gamow'un kurduğu mantık şöyleydi: amino asit başına 2 nükleotid anlamına gelen ikili bir kod bile işe yaramayacaktı çünkü bu da, nükleotidlerden oluşan

16

(

4^{2}

) düzenli grup anlamına geliyordu ve bu, protein yapımında kullanılan

20

standart amino asidi karşılamıyordu. Ancak üçüz nükleotidleri baz alan bir kod işe yarayacak gibi duruyordu: Bu sayede nükleotidlerden oluşan

64

(

4^{3}

) ayrık dizilim elde edilebilirdi ve bu da,

20

amino asidi fazlasıyla karşılardı.

Gamow'un kodun okunması ile ilgili farklı ancak pek de doğru olmayan fikirleri de vardı: örneğin o, üçlü nükleotidlerin üst üste geldiklerini düşünüyordu ancak biz bugün bunun böyle olmadığını biliyoruz

^{1}

. Yine de temel düşüncesi olan, tüm amino asitlerin oluşturulabilmesi için üçlü kodun "minimum" olduğu düşüncesi doğru çıktı.

İkili bir kod kullanılıyorsa

16

ayrık nükleotid grubu, üçlü bir kod kullanılıyorsa da

64

ayrı nükleotid grubu bulunur. Bunun nedeni ne olabilir? Bu ifadelerin arkasında yatan matematiği biraz daha yakından inceleyelim mi?

İkiz (ikili) kod

İlk olarak ikiz (ikili) kodu ele alacağız. İkili kodda, iki nükleotidden oluşan bir sıralı grup, bir amino asidi kodlar. Bu ikili gruplardan kaç tane elde edebiliriz? DNA bazlarını ele alacak olursak, ikili bir gruptaki

2

nükleotidin her biri için

4

farklı olasılık (A, C, T ve G) olduğunu biliyoruz.

A nükleotidini ilk konuma koyacak olursak, dört nükleotidden herhangi biri ikinci konuma gelebilir ve sonuç olarak A ile başlamak üzere 4 farklı kombinasyon elde ederiz: AA, AT, AG ve AC. Aynı durum (TT, TA, TC, TG), (CC, CT, CA, CG) ve (GG, GC, GT, GA) olmak üzere, sırasıyla T, C ve G için de geçerlidir. Bu olasılıkların tamamını değerlendirirsek, toplam

16

tane olduklarını buluruz.

Bu tür soruları yanlış yapmadan ve daha kısa sürede yanıtlamak için matematiği kullanabiliriz. İkili gruptaki her bir konum için 4 farklı nükleotid yani 4 farklı olasılık olduğunu ve konumların sırasının önemli olduğunu bildiğimize göre, olası grupların sayısını permütasyon kurallarını kullanarak aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz:

(birinci konum için

4

olasılık)

\cdot

(ikinci konum için

4

olasılık)

=

4 \cdot 4 = 16

olası sıralı grup

Üçüz (üçlü) kod

Üçlü kod hakkında ne düşüyorsunuz? Bu durumda da, aynı matematiksel mantıktan yola çıkabilir ve sistemimize üçüncü bir konum ekleyebiliriz. Şu anda doldurmamız gereken

3

konum var ve bu üç konum, dört bazın (A, C, T ve G) herhangi biri tarafından doldurulabilir. Her konum için

4

olası seçeneğimiz olduğuna göre, aşağıdaki ifadeyi elde ederiz:

(birinci konum için

4

olasılık)

\cdot

(ikinci konum için

4

olasılık)

\cdot

(üçüncü konum için

4

olasılık)

=

4 \cdot 4 \cdot 4 = 64

olası sıralı grup

Kodonları amino asitlerle eşleştirmek

Gamow'un üçüz (üçlü) hipotezi mantıklı görünüyordu ve geniş bir kitle tarafından kabul gördü. Ancak henüz deneyler ile kanıtlamamış olduğundan, bilim insanları hangi üçlü nükleotidlerin hangi amino asitleri kodladıklarını bilmiyorlardı.

Genetik kodun çözülmesi, 1961 yılında Amerikalı biyokimyager Marshall Nirenberg'in çalışmaları ile başladı. Nirenberg ve çalışma arkadaşları ilk defa, belirli amino asitlere karşılık gelen belirli üçlü nükleotid gruplarını tespit ettiler. Başarılarını iki deneysel inovasyona borçluydular:

Belirli ve bilinen dizilimlere sahip yapay mRNA molekülleri oluşturmanın bir yolunun bulunmuş olması.
mRNA'ların hücre dışında (hücreden bağımsız) polipeptitlere translasyonuna dair bir sistem bulunmuş olması. Nirenberg'in sistemi, patlamış E. coli bakteri hücrelerinin sitoplazmasından oluşuyordu ve bu ortam, translasyon için gerekli tüm materyallere sahipti.

Nirenberg ilk olarak, urasil nükleotidinden poli-U adı verilen bir mRNA molekülü sentezledi. Poli-U mRNA'yı hücreden bağımsız sisteme eklediğinde, oluşan polipeptitlerin tamamen fenilalanin amino asidinden oluştuğunu gördü. Poli-U mRNA'daki tek üçlü UUU olduğu için, Nirenberg, UUU'nun fenilalanini kodluyor olabileceği sonucuna ulaştı

^{2}

. Benzer bir yaklaşımla, poli-C mRNA'nın translasyonu sonucunda da, prolin amino asidinden oluşan polipeptitler elde edildiğini görünce, CCC üçlüsünün de prolin amino asidini kodluyor olabileceği sonucuna ulaştı

^{2}

Wisconsin Üniversitesi'ndeki biyokimyager Har Gobind Khorana gibi diğer araştırmacılar, Nirenberg'in deneyini ilerleterek, daha karmaşık dizilimleri olan yapay mRNA'lar sentezlediler. Örneğin farklı deneylerde, Khorana, bir poli-UC ((UCUCUCUCUC…) mRNA'sı üretti ve bunu Nirenberg'in hücreden bağımsız sistemine benzeyen bir sisteme ekledi

^{3, 4}

Poli-UC mRNA'sının translasyonu sonucunda serin ve lösin amino asitlerinden oluşan bir polipeptit elde edildi. Bu ve diğer deney sonuçları, genetik kodun üçlü grup ya da kodonlara bağlı olduğunu doğruladı. Bugün, serin amino asidinin, UCU, lösin amino asidinin ise CUC kodonları tarafından kodlandıklarını biliyoruz.

1965 yılına gelindiğinde, hücreden bağımsız sistemi ve diğer teknikleri kullanan Nirenber, Khorana ve çalışma arkadaşları genetik kodun tamamını çözmüşlerdi. Bu,

64

nükleotid kodonunun her birine karşılık gelen amino asidin ya da "stop" (dur) sinyalinin ne olduğunun tespit edildiği anlamına geliyordu. Bilime olan bu katkılarından ötürü, Nirenberg ve Khorana, bir diğer genetik kod araştırmacısı olan Robert Holley ile birlikte 1968 yılında Nobel ödülüne layık görüldüler.

Ben her zaman, yaşamın moleküler kodunu çözmenin ne kadar havalı bir iş olacağını düşünmüşümdür. Belki bu kodu çözdük ama daha çözülmeyi bekleyen bir sürü biyolojik gizem olduğunu ve bunlardan birini çözenin de belki sizler olacağını bilmelisiniz!

Açıklama:

Bu makalenin uyarlandığı kaynak: "The genetic code," OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Orijinal makaleyi ücretsiz olarak bu adresten indirebilirsiniz: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.59.

Uyarlanmış makale CC-BY-NC-SA 4.0 lisansıyla lisanslanmıştır.

Alıntı yapılan çalışmalar:

Lorch, M. (16 Ağustos 2012). The most beautiful wrong ideas in science. Chemistry blog. Alıntı yapılan kaynak: http://www.chemistry-blog.com/2012/08/16/the-most-beautiful-wrong-ideas-in-science/.
Nirenberg, M. (2004). Historical review: Deciphering the genetic code – a personal account. TRENDS in Biochemical Sciences, 29(1), 46-54. http://dx.doi.org/10,1016/j.tibs.2003,11.009.
Gellene, Denise. (14 Kasım 2011). H. Gobind Khorana, 89, Nobel-winning scientist, dies. The New York Times. Alıntı yapılan kaynak: http://www.nytimes.com/2011/11/14/us/h-gobind-khorana-1968-nobel-winner-for-rna-research-dies.html?_r=0.
Nobel Media. (2014). Crack the code - how the code was cracked. Nobelprize.org. Alıntı yapılan kaynak: https://www.nobelprize.org/educational/medicine/gene-code/history.html.

Referanslar:

Arnaud, M.B., Inglis, D.O., Skrzypek, M.S., Binkley, J., Shah, P., Wymore, F., Binkley, G., Miyasato, S.R., Simison, M. ve Sherlock, G. (2013). CGD help: Non-standard genetic codes. Candida genome database. Alıntı yapılan adres: http://www.candidagenome.org/help/code_tables.shtml.

Codon. (2014). Scitable. Alıntı yapılan adres: http://www.nature.com/scitable/definition/codon-155.

Gellene, Denise. (14 Kasım 2011). H. Gobind Khorana, 89, Nobel-winning scientist, dies. The New York Times. Alıntı yapılan kaynak: http://www.nytimes.com/2011/11/14/us/h-gobind-khorana-1968-nobel-winner-for-rna-research-dies.html?_r=0.

Guevara Vasquez, F. (2013). Cracking the genetic code. ACCESS - cryptography 2013. Alıntı yapılan adres: http://www.math.utah.edu/~fguevara/ACCESS2013/Cracking_the_Code.pdf.

Nirenberg/Khorana: Breaking the genetic code. Alıntı yapılan adres: http://www.mhhe.com/biosci/genbio/raven6b/graphics/raven06b/howscientiststhink/14-lab.pdf.

Nirenberg, M. (2004). Historical review: Deciphering the genetic code – a personal account. TRENDS in Biochemical Sciences, 29(1), 46-54. http://dx.doi.org/10,1016/j.tibs.2003,11.009 0.

Nirenberg, M. ve Leder, P. (1964). RNA codewords and protein synthesis. Science, 145(3639), 1399-1407. http://dx.doi.org/10,1126/science.145,3639.1399.

Nirenberg, M. W. ve Matthaei, J. H. (1961). The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides. PNAS, 47(10), 1588-1602. http://dx.doi.org/10,1073/pnas.47,10.1588.

Office of NIH History. The poly-U experiment. Deciphering the genetic code: Marshall Nirenberg. Alıntı yapılan adres: https://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/HS4_polyU.htm.

Openstax College, Biology. (29 Eylül 2015). The genetic code. OpenStax CNX. Alıntı yapılan adres: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9,87:QEibhJMi@8/The-Genetic-Code.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H. ve Heller, H.C. (2004). The genetic code. Life: The science of biology (7. baskı, sayfa 239-241). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. ve Singer, S. R. (2014). The genetic code. Biology (10. baskı, AP edisyonu, sayfa 282-284). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). The genetic code. Campbell biology (10. baskı, sayfa 337-340). San Francisco, CA: Pearson.

Söll, D., Ohtsuka, E., Jones, D. S., Lohrmann, R., Hayatsu, H., Nishimura, S. ve Khorana, H. G. (1965). Studies on polynucleotides, XLIX. Stimulation of the binding of aminoacyl-sRNA's to ribosomes by ribotrinucleotides and a survey of codon assignments for 20 amino acids. PNAS, 54(5), 1378-1385. Alıntı yapılan adres: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC219908/.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Sıralama ölçütü:

Henüz gönderi yok.

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.