Protein nasıl oluştu?

Proteinler Nasıl Üretilir? (DNA'dan Proteinlere)

Proteinler vücutta kritik görevlere sahip büyük ve karmaşık moleküllerdir. Vücut savunmasından, hücrelerin yapısına, madde taşınmasından, vücuttaki kimyasal reaksiyonların düzenlenmesine, hormon üretiminden, vücuttaki tamir işlerine kadar pek çok farklı işlemde görev alırlar. Yani proteinler için "hayati fonksiyonları düzenleyen yapı taşlarıdır" diyebiliriz.

Tahminlere göre vücudumuzda 19.000 farklı protein bulunmaktadır. Bu proteinler aminoasit denilen moleküllerden oluşur. Vücudumuzdaki bütün proteinler sadece 20 farklı aminoasitten oluşmaktadır. Aşağıdaki resimde proteinleri oluşturan aminoasitleri görebilirsiniz.

https://www.sihirlifasulyeler.com/bilim/proteinler-nasil-uretilir-dnadan-proteinlere

Proteinlerin hangi aminoasitlerden oluşturulmaları gerektiği DNA'daki genetik bilgide yer alır. Genetik bilgi DNA zincirlerinde bulunan ve baz adı verilen Adenin, Timin, Guanin ve Sitozin moleküllerinin farklı şekilde sıralanması ile kodlanmıştır.

Protein Üretim Aşamaları

Vücut bir protein üretmek istediğinde ilk olarak hücre çekirdeğinde bulunan kromozomlardaki DNA zincirleri açığa çıkar. DNA zincirlerindeki bazların dizilimi üretilecek proteinin planına sahiptir.

DNA zincirindeki belirli baz dizilimleri, üretim planının DNA zincirinin neresinden başladığını ve neresinde sona erdiğini göstermektedir. Bu özel baz dizilimleri başlatıcı ve sonlandırıcı olarak isimlendirilmiştir. İlk olarak RNA Polimeraz adındaki enzim DNA zincirindeki başlatıcı baz dizisine tutunur. RNA Polimeraz, sarmal yapıdaki DNA zincirinin geçici olarak açılmasına ve çekirdekte serbest hareket eden bazların açılmış DNA zincirindeki bazlara göre biraraya gelmelerini sağlar.

Baz eşleşmeleri gelişigüzel değildir. Adenin bazının çifti Timin, Guanin bazının çifti de Sitozin'dir. Yani DNA zincirindeki Adenin'in karşısına çekirdekte serbest hareket eden Timin, Guanin'in karşısına da Sitozin gelmektedir. Çekirdekteki bazların DNA zincirindeki bazlara göre yanyana sıralanması ile mesajcı RNA (m-RNA) oluşturulur.^[1]

Oluşturulan m-RNA protein üretimi için henüz hazır değildir. Çünkü yapıda protein üretiminde kullanılmayan bazlar da yer almaktadır. Protein üretiminde kullanılmayan m-RNA kısımlarına intron, üretimde kullanılan m-RNA kısımlarına ekzon adı verilir. İntronlar splaysozom adındaki enzim ile m-RNA yapısından uzaklaştırılır. Böylece m-RNA protein üretimi için hazır hale getirilir.

Hazır hale getirilen m-RNA hücre çekirdeğinden sitoplazmaya geçer. m-RNA'yı oluşturan bazlar 3'lü gruplar halinde işlem görür. 3'lü baz gruplarına kodon denir. m-RNA'daki her kodon bir aminoasiti simgeler. Örneğin m-RNA'daki Adenin-Guanin-Adenin (AGA) veya Adenin-Guanin-Guanin (AGG) kodonları Arjinin aminoasitini simgelemektedir. Zincirde aminoasit kodonları yanında başlatıcı ve sonlandırıcı kodonlar da yer almaktadır.

Sitoplazmaya geçen m-RNA'ya Ribozom adı verilen organel, başlatıcı kodondan tutunur. Ribozom aminoasitlerin m-RNA'daki kodonlara göre biraraya geldiği yerdir. Aminoasitler sitoplazmadan taşıyıcı RNA'lar (t-RNA) tarafından taşınarak ribozoma getirilir. Kodonlardaki bazlar okunur ve uygun 3'lü baza sahip t-RNA'lar sıra sıra kodonlara bağlanır.

t-RNA'lar uygun kodonlara bağlanırken, m-RNA ribozom sayesinde hareket eder. Böylece t-RNA'lar taşıdıkları aminoasitleri bırakır. Bırakılan aminoasitler de kimyasal bağlar ile birbirlerine bağlanır. Son t-RNA, sonlandırıcı kodona bağlanıp aminoasitini bıraktığında, ribozom m-RNA'dan ayrılır. Böylece aminoasitlerden oluşan ve peptit zinciri adı verilen uzun moleküllü bir yapı oluşturulur. Peptit zinciri sitoplazmada kendine has 3 boyutlu şeklini oluşturarak protein elde edilir.

Bu sayede DNA'daki genetik bilgiye göre belirli aminoasitler bir araya gelerek istenen proteinler oluşturulur. Aminoasitlerin bir araya gelmesi düşünüldüğü gibi yavaş değildir. Bir ribozom dakikada 200 aminoasiti birbirine bağlayabilir. Buna rağmen DNA'dan proteinlere bütün işlemler yaklaşık olarak 50 dakikayı almaktadır. Süre uzun gibi gözükse de tahminlere göre insan vücudunda 37.2 trilyon hücre bulunur ve her hücrede gerçekleşen protein üretimi ile vücut için yeterli protein elde edilir.

Bundan 3.7 milyar yıl önce proteinler neye benziyordu, yapıları nasıldı bugüne olan benzerlikleri ne kadardı. Weizmann Institute of Science'tan Prof. Dan Tawfik ve Kudüs Hebrew University'den Prof. Dr. Norman Metanis modern proteinlerin ataları olan ilkel protein sekanslarını yeniden yapılandırarak bu soruları cevaplamaya çalıştı.

Bu araştırmanın sonuçları ile geliştirilen hipoteze göre canlı bir hücreyi oluşturmak üzere bu ilkel proteinler gelişerek yapılaşmış olabilir. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) tarafından yayımlanan çalışmada modern proteinin bir hücrenin hareketli tüm yapı ve elemanlarını oluşturduğu belirtilirken, buna karşın ilk proteinlerin ilk canlı hücre ve dolayısıyla yaşamdan da önce ortaya çıkmış olması gerektiği not edildi.

Bilinen modern proteinler 20 farklı aminoasitin, genetik dizimizin dikte ettiği şekilde farklı olarak sıralanarak en sonunda elektromanyetik etki ile üç boyutlu yumak halini alması ile oluşmaktadır. Bu bahsi geçen nevi şahsına münhasır dizilim, o proteinin yapısını, görevini, işlevini belirlemektedir. Bu da ilk proteinleri düşündüğümüzde içine girdiğimiz paradoksun temel sebebidir. Çünkü aminoasitler proteinleri oluşturur ve bu süreç için gerekli olan enzimler de protein yapıdadır. Yani genetik materyalin okunup proteinlerin üretilebilmesi için proteinler gereklidir.

Bunun için elimizdeki en genelgeçer açıklamaya göre, ilkel çorba içinde kendiliğinden var olmuş aminoasitlerin küçük peptitler (az sayıda aminoasitten oluşan mini proteinler) oluşturduğunu daha sonra da şans eseri yularıda bahsi geçen şekilde bir görev yapabilme özelliği ortaya çıkana kadar çok uzun bir süre pu peptitlerin gelişigüzel birbirine bağlandıklarını düşünüyoruz. Deneylerle de desteklenen bu görüşe göre ilk aminoasitlerin enzim etkinliği olmadan tesadüfen oluşması yaşama da dönüşebilen bir evrimin başlangıcı olabilir.

Ancak araştırmacı Dan Tawfik, bu deneylerde yine yukarıda bahsi geçen zorunlu 20 aminoasitin içinde bulunan arjinin ve lizin gibi pozitif yüklü aminoasitlerin eksik kaldığını düşünüyor. Modern proteinlerin tamamının yapısında olmazsa olmaz yere sahip bu aminoasitler DNA ve RNA -ikisi de elektrik yükü olarak net negatif yük arz etmektedir- ile etkileşime girmeyi sağlarlar.

Günümüzdeki bir diğer hipoteze göre RNA'lar tek zincirli olması hasılı ile DNA'lardan da önce genetik bilgi taşıyan ve kendini eşleyebilen ilk kalıtımsal moleküllerdi. Dolayısıyla pozitif yüklü aminoasitler bu RNA'lar ile etkileşimde bulunmamış olsalar, Dünya üzerinde yaşam da başlayamayacaktı. 1952 yılındaki ünlü Miller-Urey deneyinde bir tane pozitif yüklü aminoasit ortaya çıkmıştı: Ornitin. Bodybuilding sporu ile ilgilenen okurlarımızın bildiği gibi bu aminoasit arjinin üretiminde bir ara adımda görev ve yer alır. Buna karşın kendisi asla protein yapısında yer almaz.

Araştırmacılar "Peki bu ilk atasal proteinlerde eksik olan aminoasitler ornitin olsaydı?" sorusunu sorarak ilerlemeye çalıştı. Bu hipotezi test etmek için de araştırmacılar DNA ve RNA'ya bağlanan bir protein ailesinden basit bir protein ile yola çıktı. Filogenetik metotlar ile atasal proteinlerin sekansına benzetilmeye çalışıldı. Bu proteinin 64 aminoasitinin 14'ünün (arjinin veya lizin) pozitif yüklü olduğu yani pozitif aminoasitler açısından zengin olduğu söylenebilir.

Akabinde, pozitif yüklü aminoasitleri ornitinler ile değiştirilerek sentetik proteinler üretildi. DNA'ya bağlanan ornitinli proteinlerin bu DNA bağları oldukça zayıf bağlardı. Laboratuvar ortamında kimyasal reaksiyonların sonucunda ornitinlerin arjinine dönüştüğü gözlemlendi. Bu kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği laboratuvar koşullarının ilk proteinlerin ortaya çıktığı ilkel Dünya'nın evrensel şartlarına benzediğini belirten araştırmacılar daha fazla arjinin dönüşümü oldukça DNA bağının da kuvvetlendiğini gösterdi.

Aynı anda hem güçlenen hem de seçici karakter kazanan DNA ile bağ yapabilme yeteneği, RNA varlığında onun için de geçerliydi. Bu da, protein üretimi için gereken seçici enzimatik etkinliğin bu dönüşüm sayesinde ortaya çıkmış olabileceği ve bunun da direkt canlı evriminin temelini oluşturabileceği gösterilmiş oldu. Dolayısıyla ilk enzimsel proteinler ile RNA'lar bir araya gelerek ilk hücre benzeri yapıları oluşturabilecek ortamı bulmuş olabilirdi.^[1]