Genetik Şifre ve Protein Sentezi

Genetik Kod

    Genler, protein sentezi için amino asit dizilerini belirleyen bilgileri taşıyan ve ileten DNA nükleotid dizileridir. Her DNA molekülü birçok gen içerir. Genom, toplu olarak bir hücrede kodlanan toplam genetik bilgiyi ifade eder. Üreme hücreleri hariç, tüm insan hücreleri, her hücre çekirdeğinde 46 DNA molekülü içerir. Her DNA molekülü bir kromozoma karşılık gelir. Her kromozom, histon adı verilen proteinlerle paketlenir. Kromozom ve histon kompleksine nükleozom denir.

    RNA molekülleri, DNA'dan protein sentezi bölgesine bilgi aktarmaktan sorumludur. RNA moleküllerinin kendileri, DNA'da kodlanan bilgilere göre sentezlenir.

    Transkripsiyon Çevirisi

    DNA -> mRNA -> Proteini

    DNA nükleotidlerinin uzun baz zincirlerinden oluştuğunu hatırlayın. Üçlü kod, tek bir DNA ipliği boyunca üç bazdan oluşan bir dizidir. Her üçlü kod 'okunur' ve belirli bir amino asit gerektirir. DNA'da 4 baz ( Guanin, adenin, sitozin, timin ) ve çeşitli proteinler yapmak için farklı düzenlemelerde birbirine bağlanan 20 amino asit olduğunu hatırlayın. 4 baz, 64 farklı üçlü kod ( üç baz dizisi ) halinde düzenlenebilir. Kodların altmış bir ( 61 ) tanesi 20 amino asitten birine kadar eşleştirilir, belirli bir amino asit birden fazla üçlü kodla belirtilebilirken, kalan üç üçlü kod durdurma sinyalleri olarak işlev görür ve bir amino asit eklemek yerine protein zincirini sonlandırır. Üçlü kodlar okundukça, büyüyen zincire uygun amino asit eklenir, nihai sonuç DNA bilgisi tarafından belirlenen bir proteindir. Genetik kod tüm hücrelerde evrenseldir.

Protein Sentezi

Transkripsiyon: mRNA sentezi

    Protein sentezindeki ilk iş kalemi, DNA çift sarmalının çözülmesi ve iki nükleotid zincirinin ayrılmasıdır. İplikçiklerden biri şablon görevi görecek ve RNA nükleotidlerinin dizisini belirleyecektir. Şablon iplik, promotör adı verilen spesifik bir DNA nükleotid dizisinin varlığı ile belirlenir. Dizi, genin başlangıcına yakın bir yerde bulunur. RNA polimeraz, hizalanmış ribonükleotidleri bir iplikçikte birleştiren enzimdir. Üçlü kodlar bir durma dizisine veya durma sinyaline ulaştığında, RNA polimeraz zinciri sonlandırır ve ardından RNA transkriptini serbest bırakır. Son bir dokunuş olarak, kopyalanan RNA zincirinin ucuna poli A kuyruğu adı verilen bir dizi adenin nükleotidi eklenir. Kuyruk, RNA'nın çekirdekten dışarı çıkmasına ve daha sonra proteinlerin kodlanmış bilgiden sentezleneceği sitoplazmadaki ribozomlara bağlanmasına izin vermek için gerekli sinyali vermesi açısından hayati önem taşır.

    DNA'da üç baz dizisine üçlü kodlar denirken, RNA'da bir amino asidi belirten üç baz dizisine kodon denir. Bu nedenle, üçlü kodlar ve kodonlar işlev olarak benzerdir. Tüm şablon zincirindeki tüm nükleotid dizisi, bir birincil RNA transkriptine kopyalanır. Bu genin sadece belirli bölümleri aslında amino asitleri kodlar. Segmentlere ekzonlar, ekzonlar arasındaki kodlamayan segmentlere ise intron denir. İntronlar, sürekli bir ekzon dizisi oluşturmak için bir spliceosome tarafından genden eklenir; dizi şimdi mRNA olarak adlandırılıyor.

Çeviri: polipeptit sentezi

    İntronlar çıkarıldıktan sonra, mRNA nükleer gözeneklerden sitoplazmaya doğru hareket eder ve bir ribozoma bağlanır. Her ribozom, proteinlerden ve nükleoldeki DNA'dan kopyalanan bir iplik olan ribozomal RNA ( rRNA ) adı verilen bir RNA sınıfından oluşur.

    Transfer RNA ( tRNA ), bir amino asit ile mRNA kodonu arasındaki bağlantıdır, çünkü tRNA'nın yonca yapraklı şekilli molekülü her ikisiyle de birleşebilir. Transfer RNA, sitoplazmaya taşınmadan önce çekirdekte sentezlenir. Aminoasil-tRNA sentetaz adı verilen bir enzim ( her amino aside özgü 20 tane vardır ) spesifik amino asitleri tRNA moleküllerine bağlar. tRNA molekülü ve amino asit daha sonra anti-kodon adı verilen üç bazlı bir dizi ile mRNA ile baz eşleştirilir. Anti-kodon, amino asidi belirtir.

    Protein montajı üç aşamalı bir işlemdir:

1. Polipeptit zincirinin başlatılması, bir amino asit-tRNA kompleksindeki bir anti-kodonun mRNA-ribozom kompleksindeki karşılık gelen kodona bağlanmasıyla başlar. Bu ilk bağlanma, başlatma faktörleri adı verilen enzimler tarafından yönlendirilir; Bu enzimatik faktörlerin aktivitesi, protein sentezi hızını düzenler. Başlatma aşaması, montaj sürecindeki üç aşamadan en yavaş olanıdır.
2. Polipeptit zincirinin uzaması ikinci aşamadır. Bir tRNA molekülü üzerinde zincire getirilen her amino asit, büyüyen protein zincirinin ucuna bir peptit bağı ile bağlanır; serbest tRNA daha sonra ribozomdan salınır ve başka bir amino aside bağlanır.
3. Ribozom bir 'okuyucu' görevi görür ve mRNA'da bir sonlandırma dizisine ulaştığında, polipeptit zinciri ile tRNA arasındaki bağlantı kopar. Tamamlanan protein daha sonra ribozomdan salınır ve ribozom, çekirdekten gelen bir sonraki mRNA zinciri için kullanılabilir.

    Ribozomdan küçük proteinler çıktıkça katlanmaya uğrarlar. Daha büyük proteinler, şaperon adı verilen küçük, içi boş bir protein odasının girintisi içinde katlanacaktır. Protein zincirine karbonhidrat veya lipid türevleri gibi herhangi bir şey eklenecekse, bunlar şaperon bölgesinde meydana gelir. Sonunda, mRNA molekülleri sitoplazmik enzimler tarafından nükleotidlere parçalanır.

    Mitokondriyal DNA'nın intronları yoktur. Mitokondrilerin her biri kendi proteinlerini üretmek için eksiksiz bir makine setine sahiptir, nükleer DNA geri kalanını sağlar.

Protein sentezinin düzenlenmesi

    Hücrenin içinden veya dışından gelen sinyaller, genlerin transkripsiyonunu açabilir veya kapatabilir. Bu düzenleme, transkripsiyon faktörleri adı verilen bir enzim sınıfının allosterik veya kovalent modülasyonu yoluyla gerçekleştirilir. Promotör bölgedeki bir ön başlatma kompleksi bu faktörleri oluşturur ve başlatma sürecini ( DNA ipliklerinin ayrılması, RNA polimerazın aktivasyonu gibi ) aktive eder veya baskılar.

Protein Salgısı

    Bir hücreden salgılanacak proteinler, granüler endoplazmik retikulumun yüzeyindeki belirli bir zar proteinine bağlanan ve lümenine beslenen, içinde sinyal dizisinin çıkarıldığı ve karbonhidrat gruplarının bağlandığı bir sinyal dizisine sahiptir ( salgılanan proteinlerin neredeyse tamamı glikoproteinlerdir ). Retikulumun kısımları tomurcuklanır ve proteinleri içeren veziküller oluşturur. Veziküller Golgi aygıtına göç eder ve Golgi zarı ile birleşir. Golgi içinde, proteinlerin son varış noktalarına göre gruplar eklenebilir veya çıkarılabilir. Proteinler daha sonra Golgi zarının yüzeyinden tomurcuklanan veziküller halinde paketlenir ve ekzositoz adı verilen bir işlemle içeriklerini hücre dışı sıvıda kaynaştırıp serbest bıraktıkları plazma zarına gider.

Genetik Bilginin Replikasyonu ve İfadesi

    Her hücrenin 44 otozomu, hücre yapısını ve işlevini yöneten proteinleri üreten genleri içeren kromozomlar ve cinsiyeti belirleyen genleri içeren 2 cinsiyet kromozomu vardır. Her ebeveyn bu ( 22 ) otozomların ve ( 1 ) cinsiyet kromozomlarının yarısına katkıda bulunur. Her otozom çifti, aynı proteini kodlayan homolog genlere sahiptir.

    Bir hücre her bölündüğünde, her biri bir DNA molekülüne karşılık gelen 46 kromozomun tümü kopyalanmalı ve yeni yavru hücrelerin her birine özdeş kopyalar geçirilmelidir. Bu nedenle, tüm hücreler ( spermler ve yumurtalar hariç ) aynı DNA setine ( ve dolayısıyla genlere ) sahiptir. Bir hücreyi diğerinden farklı kılan şey, çeşitli gen kümelerinin farklı ifadesidir.

DNA Replikasyonu

    DNA, bir hücrede, başka bir hücre bileşeninden bilgi almadan kendini kopyalayabilen tek moleküldür. Replikasyon sırasında, çift sarmalın iki ipliği ayrılır ve açıkta kalan her iplikçik, serbest deoksiribonükleotid trifosfatların baz çiftleştirildiği bir şablon görevi görür. DNA polimeraz enzimi daha sonra serbest nükleotidleri birbirine bağlayarak her bir şablon zincirini tamamlayan bir iplik oluşturarak iki özdeş DNA molekülü oluşturur.

    Replikasyona yardımcı olan enzimler, ipliklerin ayrıldığı bölgenin hemen ilerisindeki DNA'ya bağlanır. Replikasyon işlemi DNA molekülünün terminal segmentine ulaştığında enzimlerin bir bağlantı yeri bulması için, telomeraz adı verilen bir enzim, DNA molekülünün sonuna telomer adı verilen tekrar eden bir dizi ekler. Telomerazın yokluğunda, her replikasyon DNA molekülünün kısalmasına neden olur. Çoğaltma sırasında temel dizideki herhangi bir hata, düzeltme okuması adı verilen bir mekanizma tarafından düzeltilir.

Hücre Bölünmesi ve Hücre Döngüsü

    Bir bölünmenin sonu ile bir sonraki bölümün başlangıcı arasındaki süreye interfaz denir. Bir hücre, zamanının çoğunu daha sonra bölünebilen interfazda geçirir:

1. Gl ( Boşluk 1 ): Bir bölümün sonundan S fazına kadar olan süre.
2. S ( Sentez ): DNA replikasyonunun G1 fazından sonra gerçekleştiği dönem.
3. G2 ( Boşluk 2 ): S fazının sonu ile gerçek hücre bölünmesi arasında kısa bir aralık.

    M fazı, bir nükleer bölünme, mitoz ve bir sitoplazmik bölünme, sitokinezden oluşan gerçek hücre bölünmesidir.

    Hücre döngüsünün ilerlemesini kontrol eden iki kritik kontrol noktası GI - S ve G2 - M sınırlarıdır.

    Bazı hücreler, örneğin kök hücreler, sürekli bölünür ve ardışık hücre döngüleri boyunca sürekli olarak ilerlerken, bazı hücreler, örneğin sinir hücreleri nadiren bölünür ve zamanlarının çoğunu, S fazına girişi olmayan tutuklanmış bir G1 olan G0 adı verilen bir fazda geçirirler. Go geçici bir faz olabilir ve bir hücre, enzimlerin sentezini kontrol eden büyüme faktörleri adı verilen proteinlerden, hücre bölünme döngüsü kinazlarından ( cdc kinazlar ) ve siklinlerden uygun sinyallerin alınması üzerine aktif hücre döngüsüne yeniden girebilir.

    Bir DNA molekülünün replikasyonu, kardeş kromatitler adı verilen iki özdeş zincirle sonuçlanır; sentromere adı verilen bir noktada bir araya geldi. Hücre bölünmesinden hemen önce, her biri iki kromatitten oluşan 46 kromozom vardır. Çekirdek zarı kırılır, kromozomların sentromerleri, sentrozomdan çıkan mikrotübüllerden oluşan iğ liflerine bağlanır. Sentrozomun 2 santiyolü bölünür ve bir çift hücrenin zıt taraflarına hareket eder.

    Kardeş kromatitler sentromerde ayrılır ve zıt sentriyollere doğru hareket eder. Sitokinez sonunda hücreyi ikiye böler. İğ lifleri çözülür, çekirdek zar yeniden ortaya çıkar ve kromatitler çözülür.

Mutasyon

    DNA nükleotid dizisindeki, mutajen adı verilen faktörler tarafından üretilen, DNA'daki kimyasal bağları kıran ve segmentlerin kaybına veya birleşmesine neden olan herhangi bir değişiklik. Çoğaltma sırasındaki hatalar nedeniyle de doğal olarak oluşur.

Mutasyon türleri:

1. Nokta mutasyonu – Tek bir baz farklı bir bazla değiştirilir. Genetik kodun fazlalığı nedeniyle bir amino asit dizisini değiştirebilir veya değiştirmeyebilir.
2. Ekleme / silme – DNA'nın tüm bölümleri eklenir veya silinir, bu da bir kodun yanlış okunmasına veya bir dizi genin kaybolmasına neden olur.

    Aşağıdaki durumlarda bir mutasyonun herhangi bir etkisi olmayabilir:

• Mutasyon bir intron segmenti içinde meydana gelir
• Değiştirilen amino asit, polipeptidin yapısını ve işlevini etkilemez
• Homolog gen sağlamdır ve bozulmamış bir protein üretebilir
• Amino asit dış kaynaklardan elde edilebilir.

    Bir sperm veya yumurta hücresindeki mutasyon bireyi etkilemez, ancak yavruları etkiler.

    Mutasyonlar, bazıları rekabetçi olarak daha iyi olabilecek varyasyonlar sunarak katkıda bulunabilir.

DNA onarım mekanizmaları

    Hücreler, hasar görmemiş iplik tarafından sağlanan şablona dayalı olarak değiştirilmiş bir DNA zincirini onarabilen bir dizi enzimatik mekanizmaya sahiptir.

Gen Havuzu

    Aleller aynı genin varyantlarıdır. Her bir ebeveynden her genin bir aleli alınır. Her iki alel de aynıysa, o gen için bireysel homozigot, ikisi farklıysa, birey heterozigottur. Bir bireydeki alel kümesine genotipi denir. Genotiplerin belirli bir yapısal ve fonksiyonel form üreten proteinlere ekspresyonuna fenotip denir.

    Bir gen için her homolog alel ( cinsiyet kromozomlarındaki genler hariç ) proteinlere çevrilebilir. Alellerden sadece biri aktifse ve bir karakter üretiyorsa, buna baskın alel denir. Belirli bir karakter üretmek için her iki alelin de aktif olması gerekiyorsa, bu alellere çekinik denir.

    Genetik hastalık, anormal yapı veya işlev üreten mutant genlerin kalıtımından kaynaklanabilir. Ailesel hiperkolesterolemi, kistik fibrozis, orak hücreli anemi, hemofili, musküler distrofi tek gen hastalıklarıdır. Poligenik hastalıklar, her biri kendi başına çok az etkiye sahip olan birkaç kusurlu genden kaynaklanır. Örnekler diyabet, hipertansiyon ve kanserdir.

    Kromozomal hastalıklar, mayoz bölünme sırasında kromozomların tamamının veya bir kısmının eklenmesi veya silinmesi sonucu ortaya çıkar. Bir örnek, yumurtanın kromozom 21'in fazladan bir kopyasına sahip olduğu Down sendromu veya trizomi 21'dir.

Kanser

    Kanser, genellikle kalıtsal olmayan genetik bir hastalıktır. Somatik hücrelerdeki mutasyonlardan kaynaklanır. Hücre bölünmesini düzenleyen kontrol sisteminin arızalanmasına ve kontrolsüz büyümeye neden olur.

    Onkogenler olarak adlandırılan baskın kanser üreten genler, büyüme faktörlerini bağlayan ve sürekli bir büyüme sinyali üreten hücre yüzeyi reseptörlerinin anormal formlarını kodlar. Tümör baskılayıcı genler olarak adlandırılan resesif kanser üreten genler, hücre replikasyonundaki çeşitli adımları inhibe eden proteinler üretemez.

    Hücrelerin anormal replikasyonu, tümör adı verilen bir doku kütlesi oluşturur. Bu hücreler lokalize kalırsa iyi huylu tümör, çevre dokuyu istila ederse kötü huylu tümör olarak adlandırılır.

    Epitel hücrelerinde gelişen kanserlere karsinom, kas hücrelerindekilere sarkom, beyaz kan hücrelerinde gelişen kanserlere lenfoma denir. Akciğer, kolon ve meme en sık etkilenen organlardır. Kusurlu mutasyonların birikmesi nedeniyle kanser insidansı yaşla birlikte artar.

    Bir hücrenin kanserli transformasyon olasılığını artıran mutajenlere kanserojen denir.

Genetik Mühendisliği

    Bir DNA molekülünün baz dizisinin, bazların eklenmesi veya silinmesi yoluyla değiştirilmesini içerir:

1. DNA zincirlerinin, kısıtlama bölgeleri adı verilen belirli bölgelerde, kısıtlama nükleazları adı verilen bakteriyel enzimler tarafından kesilmesi.
2. Elde edilen ilgi parçalarını ligaz adı verilen bir enzim kullanarak başka bir DNA molekülüne bağlamak.
   DNA'nın bir organizmadan diğerine aktarılması işlemine transfeksiyon denir ve böyle bir transferin gerçekleştiği organizmaya transgenik organizma denir.

    Bakteriler, büyük miktarlarda insan proteini üretmek için insan genleri ile transfekte edilebilir. Bir mRNA şablonu üzerinde ters transkriptaz adı verilen viral bir enzim kullanılarak tamamlayıcı DNA ( cDNA ) adı verilen intronsuz DNA üretimini içerir. cDNA gereksinimi, bakteri DNA'sının intronlara veya bunları birleştirme mekanizmasına sahip olmamasından kaynaklanmaktadır.