Gen ve genetik kod

İmge'nin annesi gençliğinde yük gemilerinde telsiz operatörü olarak çalışmış. Akşam yemeğinden sonra İmge biyoloji kitabını açmışken annesi parmağıyla masaya vurarak o yıllardan bir şey anlatmaya başlıyor. İmge onu kibarca durdurup kendi derdini söylüyor: «DNA'da dört çeşit baz varmış, proteinlerde yirmi çeşit amino asit. Her baz bir amino asit demekse dört harfli bir alfabe en fazla dört çeşit amino asit yazabilir. Geri kalan on altısı nereden çıkıyor?» Annesi bir şey söylemeden parmaklarıyla masaya yeniden vuruyor: kısa ve uzun vuruşlar, aralarında kısa duraklarla dört öbek hâlinde. «Senin adın bu. Benim elimde yalnız iki çeşit işaret vardı, kısa ve uzun. Bütün harfleri onlarla yazdık.» İmge vuruşları sayarken harflerin tek tek işaretlerden değil, işaret öbeklerinden kurulduğunu fark ediyor. Dört bazlık bir alfabe için bir öbekte kaç harf gerekir?

• Gen, alel, kromozom ve genom kavramlarını birbirine bağlayarak açıklarsın.
• Genetik kodun neden üçlü olduğunu olası birleşim sayısıyla gerekçelendirir, kodun özelliklerini örneklerle ayırt edersin.
• Bir kodon tablosu kesitini kullanarak DNA kalıp zincirinden mRNA kodonlarını ve amino asit dizisini çıkarırsın.
• Bir polipeptit için gereken en az kodon ve nükleotit sayısını, durdurma kodonunu hesaba katarak bulursun.

Genin yeri ve görevi

«DNA'nın yapısı» dersi bilginin bazların dizilme sırasında saklandığını göstermişti. Bir kromozomdaki DNA molekülü boydan boya tek bir talimat değildir; üzerinde ayrı ayrı okunabilen çok sayıda bölüm vardır. Hücre bir proteine ya da belirli bir RNA'ya ihtiyaç duyduğunda DNA'nın yalnız ilgili bölümünü kullanır. Belirli bir polipeptidin ya da bir RNA molekülünün yapılması için gereken bilgiyi taşıyan bu DNA bölümüne gen denir.

Tanımdaki «ya da RNA» kaydı gereklidir: bazı genlerin son ürünü proteine çevrilmeyen RNA'lardır; ribozomun yapısına katılan RNA'lar ve amino asit taşıyan RNA'lar bunlara örnektir. Her gen bir protein şifrelemez.

Genler kromozom üzerinde belirli yerlerde durur; bir genin kromozomdaki yerine lokus denir. «Mendel ilkeleri» dersindeki aleller aynı genin farklı biçimleridir: homolog kromozomların aynı lokusunda bulunur ve nükleotit dizileriyle birbirinden ayrılabilir. «Mutasyon ve modifikasyon» dersinde gördüğümüz gen mutasyonları yeni alellerin kaynağıdır. Bir canlının taşıdığı genetik bilginin tamamına ise genom denir. Genomda genlerin yanında protein ya da RNA bilgisi taşımayan uzun diziler de bulunur; ökaryot genlerinin çoğunun içinde bile ürüne yansımayan ara bölgeler vardır.

Bir gen, bir polipeptit

Genle protein arasındaki bağı ilk kuran çalışmalardan birini Beadle ve Tatum ekmek küfü Neurospora ile yaptı. Belirli bir besini kendisi yapamayan küf soylarında her seferinde tek bir enzimin bozulduğunu gördüler ve «bir gen–bir enzim» fikrini önerdiler. Fikir sonradan genişletildi. Her protein enzim değildir; bazı proteinler de birden çok polipeptit zincirinden kurulur. «Proteinler» dersindeki hemoglobin iki çeşit zincirden oluşur ve bu zincirlerin her birini ayrı bir gen şifreler. Bugünkü ifade «bir gen–bir polipeptit» biçimindedir; RNA şifreleyen genler bu ifadenin de dışında kalır.

Dört harf, yirmi kelime

İmge'nin takıldığı soru aslında bir sayma sorusudur. DNA'da dört çeşit baz vardır ve bunlar proteinlerdeki yirmi çeşit amino asidi belirtmek zorundadır. Her baz tek başına bir amino asidi gösterseydi yalnız 4¹ = 4 çeşit amino asit yazılabilirdi. Bazları ikişerli okumak 4² = 16 farklı birleşim verir; bu da yirmiye yetmez. Üçerli okumada birleşim sayısı 4³ = 64'e çıkar ve yirmi amino asit için yeterli olur. Telsizdeki iki işaret de harfleri ancak öbekler hâlinde karşılayabiliyordu; hücrede öbeğin boyu üçtür.

Kodun çözülmesinde ilk adımlardan birini Nirenberg ve çalışma arkadaşları attı: yalnız urasil içeren yapay bir mRNA'yı hücre özütüne verdiklerinde yalnız fenilalaninden oluşan bir zincir elde ettiler. Böylece UUU üçlüsünün fenilalanini şifrelediği anlaşıldı; öteki üçlüler de benzer yollarla tek tek eşleştirildi.

Kodon ve DNA'daki karşılığı

Proteinin yapımında DNA doğrudan okunmaz; önce genin kalıp zincirine tamamlayıcı bir mRNA kurulur. Bu işlem «Transkripsiyon» dersinin konusudur; burada yalnız harflerin nasıl çevrildiğine bakıyoruz. Kalıptaki A'nın karşısına U, T'nin karşısına A, G'nin karşısına C, C'nin karşısına G gelir. mRNA üzerinde art arda okunan her üç nükleotitlik birim kodon adını alır. Kalıp zincir 3'→5' yönünde yazıldığında mRNA soldan sağa 5'→3' yönünde okunur:

• Kalıp DNA: 3'-TAC AAA CCG TGG ATT-5'
• mRNA: 5'-AUG UUU GGC ACC UAA-3'

mRNA'nın dizisi, kalıp olmayan DNA zincirinin dizisiyle aynıdır; tek fark T yerine U bulunmasıdır. Kodonların ribozomda okunmasını sağlayan tamamlayıcı üçlülere antikodon denir; onları taşıyan RNA ve okumanın kendisi «Translasyon» dersinde ele alınıyor.

Tablo kesiti ve okuma

Standart genetik kodda 64 kodondan 61'i bir amino asidi şifreler. Kalan üçü, UAA, UAG ve UGA, hiçbir amino asidi şifrelemez; zincirin bittiğini bildiren durdurma kodonlarıdır. AUG iki iş görür: polipeptidin başladığı yeri gösterir ve metiyonini şifreler. Bu yüzden yeni kurulan zincirlerin ilk amino asidi metiyonindir (bazı proteinlerde bu metiyonin sonradan uzaklaştırılır); AUG zincirin içinde geçtiğinde de metiyonin eklenir. Aşağıdaki kesit standart kod tablosundan alınmıştır:

Yukarıdaki mRNA bu tabloyla çevrilirse AUG metiyonin, UUU fenilalanin, GGC glisin, ACC treonin olur; UAA'ya gelindiğinde zincir biter. Ürün dört amino asitlik bir zincirdir: metiyonin–fenilalanin–glisin–treonin. Durdurma kodonunun karşılığı olarak zincire amino asit eklenmez.

Okuma çerçevesi

Aynı harf dizisi nereden başlanarak üçe bölündüğüne göre bambaşka kodonlar verir. 5'-CAUGUUUGGA-3' dizisi ilk harften bölünürse CAU, GUU, UGG çıkar; ikinci harften bölünürse AUG, UUU, GGA. Okumanın hangi üçlüden başlayacağını belirleyen başlangıç kodonudur. AUG'den itibaren kurulan bu bölümlemeye okuma çerçevesi denir. Çerçeveye bir nükleotit eklenmesi ya da çıkmasıyla neler olduğu «Mutasyonların proteine etkisi» dersinin konusu.

Kodun özellikleri

• Üçlüdür: Her amino asit üç nükleotitle belirtilir.
• Örtüşmez: Her nükleotit yalnız bir kodona aittir. On iki nükleotitlik bir çerçeve dört kodon verir; komşu kodonlar harf paylaşmaz.
• Virgülsüzdür: Kodonların arasında boşluk ya da ayıraç bulunmaz; başlangıçtan sonra üçer üçer aralıksız okunur.
• Dejeneredir (artıktır): Çoğu amino asidi birden çok kodon şifreler. Tabloda glisinin dört, lösinin altı kodonu var; metiyonin ve triptofan ise tek kodonludur. Birçok amino asidin kodonları ilk iki harfte ortaktır ve üçüncü harfte ayrılır.
• Tek anlamlıdır: Bir kodon her zaman aynı tek amino asidi şifreler. Dejenerelik ters yönde çalışmaz; çok kodon tek bir amino aside gidebilir, ama tek kodon birden çok amino aside gitmez.
• Hemen hemen evrenseldir: Bakteriden bitkiye ve insana kadar canlıların çok büyük çoğunluğu aynı sözlüğü kullanır. Mitokondri ve bazı tek hücrelilerde birkaç kodonun anlamı farklıdır; bu yüzden «istisnasız evrensel» demek yanlıştır.

Evrenselliğin pratik bir sonucu var: bir canlının genindeki kodon dizisi başka bir canlının hücresine aktarıldığında aynı amino asit dizisine çevrilebilir. «Biyoteknoloji» dersindeki uygulamaların çoğu buna dayanır.

Hesaplar

n amino asitlik bir polipeptit için en az n kodon gerekir. Durdurma kodonu da sayılırsa mRNA'daki kodon sayısı n + 1'dir. Her kodon üç nükleotit olduğundan mRNA'daki en az nükleotit sayısı durdurma dahil 3(n + 1), durdurma hariç 3n'dir. Gen çift zincirli olduğu için DNA'daki en az nükleotit sayısı bunun iki katıdır: durdurma dahil 6(n + 1), hariç 6n. Örneğin 150 amino asitlik bir zincir için durdurma dahil 151 kodon, 453 mRNA nükleotidi ve 906 DNA nükleotidi gerekir; peptit bağı sayısı ise 149'dur.

Sorular «en az» der, çünkü gerçek genler bundan uzundur: mRNA'da kodlanan bölümün önünde ve arkasında okunmayan diziler, ökaryot genlerinin çoğunda da araya giren bölgeler bulunur. Sorunun durdurma kodonunu sayıp saymadığına her seferinde bakılmalıdır.

mRNA nasıl yazılıyor?

Bu derste mRNA harflerini kâğıt üzerinde yazarken hangi zincirin kalıp olduğunu hazır verdik. Hücrede bu bilgi hazır gelmez: bir enzimin genin başlangıcını tanıması, sarmalı o noktada açması ve iki zincirden yalnız birini okuması gerekir. Ökaryotta ilk çıkan RNA, genin ürüne yansımayan ara bölgelerini de taşır ve çekirdekten ayrılmadan önce bunlardan arındırılır. «Transkripsiyon» dersi bu işi yürüten RNA polimerazı, ökaryotta mRNA'nın olgunlaşmasını ve süreci DNA eşlenmesinden ayıran noktaları işliyor.

Örnek 1 — Öbek uzunluğu

Soru: Varsayımsal bir canlıda kalıtım maddesi altı çeşit bazdan oluşsun ve bu canlının proteinlerinde otuz çeşit amino asit bulunsun. Her amino asidin aynı uzunlukta bir baz öbeğiyle şifrelenmesi gerekiyorsa öbekte en az kaç baz bulunmalıdır?

• A) uzunluk = 1
• B) uzunluk = 3
• C) uzunluk = 5
• D) uzunluk = 2
• E) uzunluk = 6

Çözüm: Tek bazlık öbekler 6¹ = 6 birleşim verir ve otuza yetmez. İki bazlık öbekler 6² = 36 birleşim verir; bu otuzdan büyüktür. Öyleyse ikili öbek yeterlidir. Dört bazlı DNA'da ise 4² = 16 yetmediği için üçlü öbek gerekiyordu. Cevap: D.

Örnek 2 — Kalıptan zincire

Soru: Bir genin kalıp zinciri 3'-TAC CCG AAA ACT-5' dizisini taşıyor. Tablo kesitine göre bu bölümden hangi amino asit dizisi oluşur? (AUG metiyonin, GGC glisin, UUU fenilalanin, UGA durdurma, UAC tirozin, CCG prolin)

• A) Tirozin–prolin–lizin
• B) Metiyonin–glisin–fenilalanin–durdurma
• C) Metiyonin–glisin–fenilalanin
• D) Metiyonin–prolin–fenilalanin
• E) Glisin–fenilalanin

Çözüm: Kalıptaki her baz tamamlayıcısıyla değiştirilir: TAC → AUG, CCG → GGC, AAA → UUU, ACT → UGA. mRNA 5'-AUG GGC UUU UGA-3' olur. AUG metiyonin, GGC glisin, UUU fenilalanindir; UGA zinciri bitirir ve amino asit eklemez. A seçeneği kalıp zincirin kendisini kodon gibi okumaktan, B durdurma kodonunu amino asit saymaktan, E başlangıç kodonunu okunmuyor sanmaktan gelir. Cevap: C.

Örnek 3 — Durdurma dahil mi, hariç mi?

Soru: 200 amino asitlik bir polipeptidi şifreleyen bir genin çift zincirli DNA bölümünde, durdurma kodonunun karşılığı da hesaba katıldığında en az kaç nükleotit bulunur?

• A) nükleotit sayısı = 1206
• B) nükleotit sayısı = 1200
• C) nükleotit sayısı = 603
• D) nükleotit sayısı = 600
• E) nükleotit sayısı = 201

Çözüm: 200 amino asit ve bir durdurma kodonu 201 kodon eder. mRNA'da 201 × 3 = 603 nükleotit gerekir. Gen çift zincirli olduğu için DNA'da bunun iki katı, 1206 nükleotit bulunur. B durdurmayı unutur, C tek zincirde kalır, E kodon sayısıdır. Cevap: A.

Örnek 4 — Çerçeveyi bulmak

Soru: 5'-GGAUGAAAUGGUAA-3' dizili bir mRNA'da okuma baştaki ilk AUG'den başlıyor. Oluşan zincir hangisidir? (AUG metiyonin, AAA lizin, UGG triptofan, UAA durdurma, GGA glisin, UGA durdurma)

• A) Glisin–metiyonin–lizin
• B) Metiyonin–lizin
• C) Metiyonin
• D) Metiyonin–lizin–triptofan
• E) Metiyonin–lizin–triptofan–glisin

Çözüm: İlk AUG üçüncü nükleotitten başlar. Buradan üçer üçer bölününce AUG, AAA, UGG, UAA çıkar: metiyonin, lizin, triptofan ve durdurma. Dizinin içindeki ikinci AUG (AAA'nın son A'sı ile başlayan) bu çerçevede bir kodon değildir; örtüşmeyen okuma onu yok sayar. C seçeneği UGA'yı (AUGA'daki) durdurma sanır; oysa çerçevede UGA diye bir kodon yoktur. Cevap: D.

• Bir kodonun birden çok amino asidi şifreleyebildiğini sanmak. Dejenerelik yalnız «birden çok kodon → tek amino asit» yönündedir; tek bir kodonun anlamı sabittir.
• Kalıp DNA zincirini doğrudan kodon gibi okumak. Kodonlar mRNA'dadır; önce tamamlayıcı mRNA yazılır, T'nin karşısına A, A'nın karşısına U gelir.
• Durdurma kodonunu amino asit saymak ya da hesapta unutmak. UAA, UAG ve UGA zincire amino asit eklemez, ama mRNA'da yer kaplar; soru «durdurma dahil» diyorsa kodon sayısı n + 1'dir.
• mRNA nükleotit sayısını genin DNA nükleotit sayısıyla karıştırmak. Gen çift zincirlidir; DNA'daki sayı mRNA'dakinin iki katıdır.
• Kodu istisnasız evrensel saymak. Mitokondride ve bazı tek hücrelilerde birkaç kodonun anlamı değişir; doğru ifade «hemen hemen evrensel»dir.
• Her genin bir protein şifrelediğini sanmak. Bazı genlerin son ürünü proteine çevrilmeyen RNA'lardır.