Genetik şifre
Genetik şifre, Kalıtım bilgisinin genlerden, hemoglobin, ensülin ve pepsin gibi proteinlere çevrildiği kimyasal denklem. Bazı proteinler bedenin yapı gereci olarak iş görürler; buna karşılık bazı başka proteinler, sözgelimi enzimler ve polipeptit hormonlar bedenin kimyasal tepkilerini düzenlerler (ayrıca Bk. PROTEİN VE PROTEİN BİREŞİM).
Hücrenin çekirdeğine yerleşmiş bulunan kromozomlar DNA (dezoksiribonükleik asit) nükleik asitini içerirler; DNA, organizmaların çoğunda kalıtım gerecidir. Kromozom, "gen" adı verilen birimlere bölünür. Her gen belli bir özellikten sorumludur (Bk. GENETİK). Biyokimyasal anlamda, her gen, bir özelliğin gelişmesinde rol oynayan belli bir proteinin üretilmesinden sorumludur. Protein bireşimi hücrenin protoplazmasında gerçekleştirilir; bu nedenle, genetik bilgi aktarımının hücre zarının içinde oluşması gerekir. Türün geçmiş ve günümüzdeki üyelerinde var olan genetik şifrenin (ya da genetik kod) değişmezliği, genlerin onları kuşaktan kuşağa taşıyan bireylerin üstünde aynı etkileri yapmalarına olanak verir.
Genetik şifrenin nasıl çalıştığına ilişkin bilgiler, tıp araştırmalarında, özellikle de genetik hastalıklar ve genetik mühendislik alanlarında önem taşır. Islah edilmiş bitki ve hayvan yetiştirme yöntemleri, davranış ve gelişme genetiği alanındaki araştırmalar kadar, genetik şifrenin anlaşılmasına da dayanır.
KODON
Kodon, genetik şifrenin temel birimidir. Böyle olmakla birlikte, kodon (şifre sözcüğü) konusunda bilgi sahibi edinebilmek, için nükleik asit moleküllerinin yapısı konusunda da bilgi edinmek gerekir. Hem DNA. hem de RNA, "nükleotit" denilen bir dizi birimden oluşan büyük kimyasal bileşiklerdir. Her nükleotit birimi, üç daha küçük bileşikten (bir fosfat, bir şeker, bir baz) oluşur (Bk. GEN).
Nükleik asit bazları. Genetik şifrenin temel nükleotit alt birimi, bazdır. DNA'da dört çeşit baz görülür: Pürin adı verilen çift halkalı bileşikler olan adenin (A) ile guanin (G); pirimidin adı verilen tek halkalı bileşikler olan timin (T) ile sitozin (C). RN A'da genetik şifrede kullanılan bazlar adenin, guanin, sitozin ve urasildir (U) Urasil. RNA'da, DNA'da timinin bulunduğu yerlerde bulunan bir pirimidindir.
Baz birleşmeleri. Genetik şifreyi açan anahtar, bazların tek zincirli DNA ve RNA'nın bir zinciri üstünde ya da zincirli DNA ve RNA'nın bir zinciri üstünde düzenli bir biçimde dizilme biçimleridir.
Şifreyi çözme sorunu, proteinlerde 20 farklı aminoasit bulunmasına karşın, nükleik asitlerde yalnızca 4 farklı nükleotit bazı bulunmasında yatmaktadır. Her baz, bir aminoasiti belirliyorsa, bu durumda 4 aminoasit seçilecek, bu da kalıtım bilgilerinin aktarma için şifre sözcüklerinin (yani kodonların) eksikliğiyle sonuçlanacaktır. Buna karşılık, kendine özgü bir dizilimdeki üç baz tarafından oluşturan şifre sözcükleri, 4 x 4 x 4 farklı birleşime (64 kodon) olanak verir; bu, proteinlerde bulunan 20 farklı aminoasite yetecek şifre sözcüğünden fazlasını içerir. Şifre sözcüğü, kodon ve triplet (3 bazı anlatır) terimleri, birbirlerinin yerine kullanılabilir. Bir organizmanın genetik malzemesindeki tripletlerin çizgisel düzeni, genetik şifre aracılığıyla üretilen proteindeki aminoasitlerin çizgisel düzenini belirler. Eşanlamlar. 64 şifre sözcüğünün 3'ü dışında her biri, proteinlerde bulunan 20 aminoasitten bir tanesini şifreler. Aminoasitlerin çoğunun birden çok kodonu işine sözcüğü) vardır; oysa birkaç aminoasit için bunları şifreleyen yalnızca bir triplet bulunur. Belli bir aminoasiti şifreleyen çeşitli kodonlara, o aminoasitin eşanlamlısı denir.
ŞİFRELEME İŞLEMİ
Proteinlerin üretilmesi sırasında, genlerin taşıdığı bilginin aktarılması "şifreleme" ve "çevirme' diye adlandırılan iki aşamada gerçekleşir. Şifrelemede (şifre hafine getirme), bir organizmanın kalıtım gereci bir şablon işlevi görür; haberci RNA (mRNA) adı verilen bir RNA polinükleotiti, bu şablon üstünde oluşur. Bu RNA'ya "haberci" denmesinin nedeni, hücre çekirdeğindeki nükleik asitlerden genetik olarak şifrelenmiş bilgiyi, hücre sitoplazmasında yerleşmiş ribozomlara taşımasından kaynaklanır.
Çevirme (ya da çeviri) işlemi sırasında mRNA, fiili protein bireşim yerleri olan hücre ribozomlarına bağlanır. mRNA kodonlarının dizilişi, bir protein içindeki aminoasitlerin dizilişini belirler. Her aminoasit bir aktarım RNA'sıyla (tRNA) taşınır; Bu tRNA'nın nükleotitleri arasında "antikodon" adı verilen bir üç nükleotit baz dizisi vardır. Artkodon, belirli bir mRNA kodonunun tümleyicisidir. tRNA ile mRNA arasında bir karşılıklı çekim ve geçici hidrojen oluşur. Bu bağlanma sırasında belirli aminoasitler, büyüyen polipeptit zincirine aktarılır.
Her iki zincirden şifre haline getirme Genetikçiler başlangıçta çifte zincirli bir DNA molekülünün yalnızca bir zincirinin -"anlamlı"(sense) zincir- RNA'ya kopyalanan fiili genleri taşıdığını düşünüyorlardı. Öbür, "anlamsız" (antisense) zincirin yalnızca kopyalanmada iş gördüğüne inanıyorlardı. O dönemden bu yana, en azından birkaç olguda, aynı DNA dizilişinin her iki zincirinin şifrelendiği belirlenmiştir. Ama anlamaz RNA şifresinin proteine mi çevrildiği, yoksa RNA olarak kalıp anlamlı genin bir düzenleyicisi olarak mı işlev gördüğü henüz belirlenememiştir.
Şifrenin başlatılması ve durdurulması
Nükleik asit zincirinin genlerine bölünebilmesi için, her bilginin nerede başlayıp nerede bittiğini gösteren özel bir bilgi içeren işaretler bulunması gerekir. Bilginin hem başlangıcında, hem bitiminde, mRNA özel nükleotitler içerir: Bunlardan biri şifrenin çevrilmesini başlatır; öbürü de sona erdirir.
Metiyonin kodonu (AUG), protein bireşiminin başlatıcısı olan kodondur. Bu kodon oluştuğu zaman, bütün polipeptit zincirlerinde birinci aminoasitler olarak
metiyonin oluşur. Bununla birlikte, çevirme süreci sırasında ya da protein zincirinin tamamlanmasından sonra, hücre enzimlerinin etkisiyle polipeptit zincirinde genellikle bazı değişiklikler olur; bunun sonucunda işlevsel protein oluşur. Söz konusu değişikliklerden biri, metiyoninin uzaklaştırılmasıdır.
Üç anlamsız kodonu (ya da sonlandırıcı) UUA, UAG ve UGA, herhangi bir aminoasiti şifrelemeyip, yalnızca bilgideki noktalama işaretleri olarak işlev görür. Hiçbir tRNA, UUA, UAG ve UGA taşımaz; bu tripletlerden biri mRNA zincirinde ortaya çıkarsa, çevirme süreci durur.
GENETİK ŞİFRENİN ÖZELLİKLERİ
Genetik şifrenin, aşağıda anlatılan ve bir genin dizilişinin nasıl ve hangi koşullarda okunduğunu belirleyen özellikleri vardır.
Şifre yozlaşması. Proteinlerde bulunan 20 aminoasitten çoğunluğunun en az iki kodonunun bulunmasına karşılık, bazılarında kodon (şifre sözcüğü) sayısı 6'ya kadar çıkabilir. 2 ya da daha çok sayıda şifre sözcüğünün aynı anlama geldiği bir şifre, yozlaşmış bir şifredir. Bir aminoasiti şifreleyecek birden çok şifre sözcüğünün (kodon) bulunması yeteneği, genetik şifrede bulunan trip-letler kadar, belirli bir aminoasit için farklı birçok tRNA'nın bulunmasını gerekli kılar. Şifre sözcükleri eşanlamlarının sayısı ile tRNA'lar arasındaki bu uygunluk, mRNA çevirisinde, bir tRNA ile belli bir mRNA tripleti arasındaki karşılıklı çekimin (kodon ile antikodonun), uygun olması olgusuna dayanır.
Genetik şifre yozlaşmasının bir kalıbı varmış gibi görünmektedir. 2,3 ya da 4 eşanlamlı kodonu bulunan bütün aminoasitler için ilgili tripletlerin ilk 2 bazları özdeştir. Kodonların değişikliği ancak 3. kodondadır. Sözgelimi, glisinin başlamasını şifreleyen bütün kodonlar, GG'yle başlar ve öyle gider. Değşinimin (yani çevirideki bir hatanın) potansiyel olarak zararlı etkilerini, büyük bir olasılıkla bu esnekliğin azalttığı düşünülmektedir. Üst üste binmeyen şifre. Her aminoasit bir ya da daha çok triplet tarafından şifrelenmekle birlikte, birbirine komşu bazların, kodonların (şifre sözcüklerinin) oluşumu sırasında üst üste gelip gelmeyecekleri (örtüşüp örtüşmeyecekleri) sorusu doğar. Sözgelimi, AUGUGG dizilişi, üst üste binmeyen bir şifrede, iki aminoasiti şifreler: Metiyonin (AUG); triptofan (UGG). Oysa üst üste binen bir şifrede, AUGUGG dört aminoasiti şifreleyebilir: Metiyonin (AUG), sistein (UGU); valin (GUG); triptofan (UGG).
Genetik bir şifrenin üst üste binmesinden bazı ciddi sorunlar doğar. Sözgelimi, asparagin, AAU ve AAC kodonları tarafından şifrelenir. Genetik kod üst üste bin-seydi, asparagin hiçbir zaman bir proteinde metiyonini izlemezdi, çünkü üst üste binen UGA'yla sonuçlanan kodon, sonlandırıcı bir kodondur. Bununla birlikte, birçok proteinde asparagin, metiyonini izler. Şifre harfleri karşılıklı olarak tekelci dizilişler oluşturan bütün aminoasitler için aynı şey geçerlidir. Bu yüzden genetikçiler, genetik şifrenin üst üste binmediği sonucunu çıkarmışlardır.
Genetik şifre üst üste binmemekle birlikte, aynı nük-leotit bazlarının bir genden fazla bölümler oluşturduğuna ilişkin örnekler vardır. Sözgelimi virüslerde, çeşitli virüs proteinlerini bileştiren aminoasit sayısı, proteinleri şifreleyen mRNA triplet sayısını aşar. Bu gibi durumlarda, aynı baz dizilişleri, farklı başlangıç noktalarından okunmaktadır. Sözgelimi, AUGAAUGUGUG G... bir polipeptit zincirini soldaki ilk bazdan başlayarak şifreleyebilir; ama aynı zamanda, aynı baz dizisinde, ikinci bir polipeptit zincirini soldan beşinci bazdan başlayarak da şifreleyebilir. Bu koşullar altında, sonlandırıcı kodonlar, mRNA'nın farklı noktalarında da ortaya çıkacaklardır. Bunun sonucu olarak oluşan protinler birbirlerinden boyları, aminoasit bileşimleri ve işlevleri bakımından farklı olacaklardır. Söz konusu koşullar altında, bir genin baz dizilişi bir başkasınınkinin üstüne binebilir ya da bir gen, bir başka genin baz dizisi içinde bile ver alıyor olabilir.
Şifrenin evrenselliği. Geçmişte belirli bir kodonun bütün organizmalarda aynı amino asidi şifrelediği düşünülürken, bunun istisnaları saptanmıştır. İnsan mitokondriyumlarında, genetik şifre tablosunun istisnaları turlardır: UGA term (yani sonlandırıcı) yerine trp'yj; AGA ve AGG, arg yerine term'i; AUA, ile yerine met'i şifreler.
Başka türlerin mitokondriyumları, genetik kodlarında eşit sayıda az değişiklikler bulunmasına karşın farklıdır. Bazı kirpikli birhücrelilerde, UAA ve UAG, term yerine glu'yu kodlar ve yalnızca UGA, kodon işlevi görür. Genetik kodonun (şifre sözcüğünün) kökeni bilinmemekle birlikte, organizmaların çok büyük bir bölümünde de var olması, oluşumunun günümüzden 3 milyar yıl önceye uzandığını düşündürmektedir.
Aktarım RNA'sı (tRNA) özdeşliği. Her tRNA molekülünün, çeviri sürecinde oynadığı çok önemli iki rol vardır: Belirli bir aminoasite bağlanması; o aminoasiti, bir protein içinde yerli yerine yerleştirmesi. tRNA'da her iki işlev için, bu görevi yerine getirmeye yardım edecek bir tanılama yerinin bulunması gerekir.
Genetikçiler bir süredir, her tRNA üstündeki antikodonun, genetik kod içindeki aminoasitlerden bir tanesini şifreleyen özel bir haberci RNA (mRNA) kodonunun tümleyicisi olduğunu bilmektedirler. Bununla birlikte tRNA ile hangi aminoasitin eşleşeceğini kararlaştıran tanıma merkezinin kimliğinin belirlenmesi, bunda rol oynayan bir kalıbın ya da "şifre"nin görülmemesi nedeniyle kolay değildir. En etkili düzen, her iki işleve yarayan, böylece tRNA molekülün her iki görev için kimliğini belirleyen bir tanıma yeri bulunması olurdu. En kestirme sonuç, uygun aminoasitin seçilmesi için tanıma yeri olarak da işlev yapabilen tRNA antikodonu bulunması olurdu. Durumun, tRNA'ların yarısı için böyle olduğu sanılmaktadır; bunlarda tRNA kodonundaki bir değişmeye, tRNA'ya bağlanmak için seçilen aminoasitteki bir değişme eşlik eder.
Bununla birlikte, aminoasit tanıma yerinin tRNA molekülünün başka bir yerinde bulunduğu başka tRNA lar vardır. Aminoasitler için tRNA tanıma yerlerinin şifresini çözecek "ikinci bir genetik şifre"nin aranması çekici gelmekle birlikte, böyle bir şifre bulunmamaktadır Değşinim. DNA zincirinin baz dizilişi herhangi bir yolla değişirse, bir ya da birkaç gen kodunun farklı okunuşu farklı proteinlerin yapımıyla sonuçlanır. Bu değişikliğe değşinim (mutasyon) adı verilir. Değşinim, bazen organizmanın görünüşünde ya da metabolizmasında bir değişiklik oluşmasıyla sonuçlanır. Bir değşinim ve nispeten önemsiz olabilir, ya organizmada ciddi biçim bozukluklarına ya da metabolizma eksikliklerine yol açabilir. Öte yandan, değşinimler, kuramsal olarak bir türde evrime yol açan değişikliklerin nedenlerinden birini oluştururlar.
Bu gibi değişmelerden biri, bir bazın başka bir bazın yerine geçmesi sonucu (baz değişmesi) özel kodonun değişmesiyle sonuçlanmasıdır. Başka bir tip değşinim, bir ya da daha çok nükleotitin DNA zincirine eklenmesiyle ya da DNA zincirinden eksilmesiyle sonuçlanır; bu, bir gen içindeki nükleotit sayısını değiştirir. İskelet-değişim değşinimi, bir eklenme-eksilme değşinim tipidir. Bu değşinimde, bütün gen dizilimi boyunca yer alan bazlar, yeni tripletler oluşaçak biçimde yer değiştirir. Yer değiştirme, genin değşinime uğramış kesiminden şifrelenen mRNA'daki farklı bir tripletler dizilişine yol açar; bu da üretilen polipeptit zincirinden değişik bir aminoasit dizisi ne yansır. Bu zincir aslında değşinim geçirmemiş DNA zincirinin ürettiği polipeptitten bütünüyle farklı olabilir.
Araştırmacılar, kesintisiz bir DNA molekülü içinde bütün (bölütlenmemiş) bir geni bulunan bakterilerin ve öbür alt yapılı organizmaların tersine, üstün yapılı organizmalarda bölütlenmiş bir niteleyici gen bulunduğunu anlamışlardır. "Ekson" adı verilen DNA şifreleyici bölütleri, "intron" adı verilen ve o proteinin herhangi bir aminoasitini şifrelemeyen kesimlerle birbirlerine bağlanmışlardır. Bütün gen, DNA'dan mRNA'ya şifrelenir, ardından enzimler molekülden intron başlatan bölümleri ayırırlar ve ekson başlatan bölümleri birbirine bağlarlar.
Genetikçiler bölütlerdeki genetik şifrenin, özellikle bir baz eklendiği ya da eksildiği zaman, şifrenin bütün dizilişini değiştirerek geniş değşinim olasılığını azalttığına inanmaktadır. Bir genin intronunu temsil eden DNA kesimi içinde, ilgili olmayan bir protein şifresinin bulunabileceği de belirlenmiştir.