Moleküler Hücre Biyolojisi I

Transkript

1 Moleküler Hücre Biyolojisi I Ha6a 1: Hücreler ve Genomlar Yrd Doç Dr Arzu ATALAY

2

3

4

5 Hücreler ve Genomlar Gezegen yüzeyi karmaşık şekilde örgütlenmiş, çevrelerinden madde alıp bu ham maddeleri kendilerinin kopyalarını üretmekte kullanan kimyasal fabrikalarla doludur. Birbirinden son derece farklı olan bu canlıların hepsi hücrelerden oluşur ve temel işlevlerin çoğunda aynı düzeneği paylaşmaktadırlar. Biyoloji bilimi iki konu arasındaki karşı görüşe dayanır: bireyler arasındaki şaşırdcı çeşitlilik ve temel düzeneklerdeki şaşırdcı değişmezlik Yeryüzünde 10 milyondan(belki de 100 milyondan) fazla canlı tür olduğu tahmin edilmektedir. Her tür farklıdır ve bunların her biri aynı türe ait nesiller oluşturarak kendini aynen ürekr. KalıDm yaşamın tanımının ana kısmıdır, canlılık için gerekli serbest enerji kullanımı kalıdm bilgisiyle belirlenmişkr, son derece karmaşık kimyasal işlemlerin gerçekleşmesini sağlar.

6 Yeryüzündeki hücrelerin evrensel özellikleri Canlı organizmaların büyük kısmı tek hücrelidir, diğerleri ise içinde hücre gruplarının özelleşmiş işlevler yerine gekrdiği ve karışık ilekşim sistemleri ile bağlı oldukları büyük çok hücreli yapılardır. Tek hücreli bakteri de, çok hücreli organizma da tek bir hücrenin bölünmesi ile meydana gelir. Tek bir hücre, türleri tanımlayan kalıdm bilgilerini taşıyan bir araçdr. Deniz kestanesi Fare Fucus (deniz yosunu)

7 Bütün hücreler kalıtsal bilgiyi aynı kimyasal kod (DNA) içinde saklar Yerküredeki tüm hücrelerde kalıtsal bilgiler çiq iplikçikli DNA molekülünde (uzun, dallanmayani eşlenmiş, her zaman aynı dört Kp monomerden oluşan polimer iplikleri) depolanır. DNA ve yapı taşları

8 Bütün hücreler kalıtsal bilgileri kalıplı polimerleşme ile kopyalar. DNA Dpkıyapımı ile genekk bilgi kopyalanır. DNA Dpkıyapımı işlemi değişik hücrelerde farklı hızlarda, farklı başlama ve bikrme düzenekleriyle ve farklı moleküllerin yardımı ile gerçekleşir. Ancak olayın temeli evrenseldir: DNA bilgi deposudur ve kalıplı polimerleşme canlılar dünyasında bu bilginin kopyalandığı yoldur.

9 Bütün hücreler kalıtsal bilgi parçalarını aynı ara şekle (RNA) dönüştürür DNA sentezi: Dpkıyapım RNA sentezi: yazılım Protein sentezi: çevirim

10 DNA dizisinin belirli bölümlerinin kopyalanması ile oluşan farklı RNA molekül grupları her hücreye kendi bilgisini farklı şekilde depolama olanağı verir Bilgi arşivi: DNA Bilgi taşıyıcısı : RNA

11 RNA molekülünün yapısı (A) Aynı RNA molekülünün farklı bölgeleri arasındaki nükleokd eşleşmesi molekülün belirgin bir şekil almasına neden olur (B) HepaKt delta virüsünde RNA dizi ayrılmasını katalizleyen gerçek RNA molekülünün 3 boyutlu yapısı

12 Bütün hücreler proteinleri katalizör olarak kullanır Protein monomerleri olan amino asitler DNA ve RNA monomerlerinden oldukça farklıdır ve bunlardan 4 tane yerine 20 tane vardır, her amino asidin temel yapısı aynıdır, özgün kimyasal karakterini kazandıran şey asıl yapıya bağlanan bir yan gruptur.

13 Bir otokataliik süreç olarak yaşam PolinükleoKdler (nükleokd polimerleri) ve proteinler (amino asit polimerleri) karmaşık kimyasal tepkime grubu vasıtası ile aynı Kpten daha çok polinükleokd ve proteinin sentezi için gerekli olan dizi bilgileri ile katalikk işlevleri sağlar.

14 Bütün hücreler RNAyı proteine aynı şekilde çevirir GeneKk bilgi 4 harfli polinükleokd alfabesinden 20 harfli protein alfabesine çevrilmesi karmaşık bir işkr, 64 olası kodon 20 aminoasit kodlar. trna ve rrnalar, mrna dan protein çevriminde kullanılmaktadır.

15 Gen bir proteini tanımlayan geneik bilgi parçasıdır Bütün hücrelerde bireysel genlerin ifadesi düzenlenmişkr. Hücrenin genomu, yani DNA dizisi içinde toplanmış genekk bilginin tümü, sadece hücredeki proteinlerin niteliğini değil, bunların ne zaman ve nerede yapılacaklarını da tayin eder (A) E.coli de 4 farklı geni kodlayan küçük bir gen bölgesi, protein kodlayan kısımlar arasında kodlamayan düzenleyici bölgeler yer alır. (B) laci düzenleyici proteininin bağlanmış mikrograf görüntüsü, diğer lac genlerinin yazılım hızını denetler (C) B nin şemakk görünümü

16 Bütün hücreler aynı temel moleküler yapıtaşlarını kullanan biyokimyasal fabrikalar gibidir Örneğin bütün hücrelerdna ve RNA sentezi için yapı taşı olarak fosforillenmiş nükleokd ATPye gereksinim duyarlar ve aynı zamanda pek çok kimyasal tepkimeyi yürütmek için serbest enerji ile fosfat grubu taşıyıcısı olarak kullandıkları bu molekülü ürekr ve tükekrler.

17 Bütün hücreler içinden besinlerin ve ajk maddelerin geçiği bir plazma zarı ile çevrilidir AmfipaKk fosfolipit molekülü zar oluşturur Zar transfer proteinleri (A) Bakteriyorhodopsin molekülü protonları hücre dışına pompalar. (B) Değişik Kpteki zar taşıma protein sayıları

18 Canlı hücre 500den az gen ile yaşamını sürdürebilir Mycoplasma genitalium bilinen en küçük genoma sahip canlıdır. Memelilerde parazit olarak yaşar, küçük molekülleri hazır olarak çevresinden alır nükleokdlik genom 477 gen 37si trna,rrna, diğer RNAlar 297 protein kodlayan genin bir kısmının işlevi bilinmiyor, 153ü DNA Dpkıyapımı, yazılım, çevrimde rol oynar, 29u zarda yapısal protein, 33ü zardan besin taşınmasında, 71i enerji dönüşümü, 11i hücre bölünmesinde rol oynar.

19 GENOMLARIN ÇEŞİTLİLİĞİ VE YAŞAM AĞACI Karada suda gün ışığında yaşayan canlılar bildiğimiz canlılar Okyanus derinliklerinde, volkanik çukurlarda, kutuplarda, yer kabuğunun derinliklerinde ise ulaşılmaz ve mikroskopik canlılar vardır, bunların çoğu bilinmemektedir Hücreler değişik serbest enerji kaynaklarını kullanabilir: Organotrofik: canlıları yiyen ve ürefkleri organik kimyasallarla beslenen organizmalar (hayvan, mantar,sindirim sistemi bakterileri) Fototrofik: gün ışığından beslenen, enerji dönüştürücüler (algler, bakteriler, bitkiler) Litotrofik: topraktan beslenen enerji dönüştürücüler (okyanus derinliklerinde ışık yerine jeokimyasal enerji ile beslenen ekosistem) Bazı hücreler diğerleri için azot ve karbondioksit sabitler ( bezelyegiller köklerinde küçük yumrularda azot sabitleyen simbiyokk bakteriler)

20 En geniş biyokimyasal çeşitlilik prokaryot hücrelerde gözlenir Canlı organizmalar hücre yapısına göre ikiye ayrılır: (1) Ökaryot: DNAları çekirdek içinde çevrelenmişkr (bitki, hayvan, mantar) (2) Prokaryot: DNAyı barındıran ayrı çekirdek bölümü yoktur (bakteriler) Bakteriler çeşitli şekil ve büyüklüktedirler

21 Vibrio chlorea bakterisinin iç düzeni ve belirgin kamçısı E.coli bakterisinde hücre DNAsı hafif boyanan kısımdadır Fototrofik bakteri Anabaena cylindirica çok hücreli iplikler oluşturur (V) Fotosentez yapan hücre, (H) azot tutumundan sorumlu, (S) Dirençli sporlara dönüşürler. Sülfür depolamış (sarı) litotrofik bakteri Beggiatoa

22 Yaşam ağacının 3 ana dalı vardır: Bakteriler, arkeler ve ökaryotlar Farklı türlerdeki ribozomal RNA altbirimlerinin nükleokd dizilerinin karşılaşdrılması sonucu oluşturulan ağaç. Çizgilerin uzunluğu her dizideki molekülde oluşmuş evrimsel değişiklik sayısını göstermektedir. Moleküler düzeyde arkeler genekk bilgiyi değerlendirme biçimi açısından ökaryotlara, metabolizma ve enerji dönüşümü açısından bakterilere benzerler

23 Bazı genler hızla evrimleşirken bazıları yüksek oranda korunmuştur Mutasyon, doğal seçilim Bakteri ve arkelerde kadar gen vardır 16S rrna analizi

24 Dizisi tümüyle belirlenmiş bazı genomlar

25 Yeni genler var olan genlerden oluşur Gen içi mutasyon Gen ikilenmesi DNA bölüt kadlması Yatay transfer

26 Gen ikilenmeleri bir hücrede birbirleri ile ilişkili gen ailelerinin oluşmasına yol açar Bacillus submlis genomunun %47si gen ailelerinden oluşur, 77 gen ABC taşıyıcı protein ailesindendir

27 Gen ikilenmeleri bir hücrede birbirleri ile ilişkili gen ailelerinin oluşmasına yol açar İki türün son ortak atasındaki aynı öncül genden türemiş genlere ortolog, bir tek genomda gen ikilemesi ile oluşmuş ve işlevleri farklılaşmış genlere paralog denir, her iki durumda da aynı soydan gelen genlere genel olarak benzeşik (homolog) denmektedir

28 Homolog gen ailesi örneği Hemoglobin kanda, myoglobin kasta oksijen bağlar. Şema insan, tavuk, köpekbalığı ve Drosophila nın hemoglobin, myoglobin ve globin genlerini göstermektedir.

29 Laboratuvarda ve doğada genler organizmalar arasında aktarılabilir Prokaryotlarda yatay gen aktarımı: bakteriyofaj, plazmidler (A) T4 bakteriofajının elektron mikrogran (B) Bakteri yüzeyindeki T4 fajı ile birlikte bakteri içerisinde yapılmakta olan fajlar *Tür içi yatay genekk bilgi değişimi eşeyli üreme ile gerçekleşmektedir. Eşeyli üreme evrensel olmasa da özellikle ökaryotlar arasında yaygındır. Doğal seçilim bu yeteneğe sahip olan organizmaları tercih etmişkr.

30 200den fazla gen ailesi yaşam ağacının üç ana dalında ortakjr.

31 Mutasyonlar gen işlevlerini açığa çıkarır

32 Escherichia coli: yeni keşfedilen genlerin fonksiyonunu incelemede kullanılan başlıca model organizma

33 ÖKARYOTLARDA GENETİK BİLGİ

34 ÖkaryoIk hücreler ilkel avcılardır FAGOSİTOZ: Akyuvarın alyuvarı sindirişi Didinium tek hücreli bir etoburdur

35 ÖkaryoIk hücreler simbiyoz ile evrimleşmişir Mitokondri şema ve elektron mikrogran Bir ata ökaryokk hücrenin mitokondrinin bakteri atasını içine alarak simbiyokk ilişki başlapğı düşünülmektedir

36 ÖkaryoIk hücreler simbiyoz ile evrimleşmişir Kloroplast şema ve fotoğran Zaten mitokondriye sahip ilkel bir hücre bir fotosentekk bakteriyi (siyanobakteri) içine alır ve simbiyozla içinde tutar. Bugünkü bütün kloroplastların atalarının 1 milyar yıldan fazla bir süre önce, bir iç simbiyont (endosimbiyont) olarak kabul edilen bir tek siyanobakteri türüne kadar uzandığı düşünülmektedir.

37 Ökaryotların melez genomları vardır Mitokondri ve kloroplast Ancak çekirdek DNAları pek çok mitokondri ve kloroplast genlerini de kodlar

38 ÖkaryoIk genomlar büyüktür

39 ÖkaryoIk genomlar büyüktür Çoğu ökaryokk genom bakteri ve arkelerinkinden büyüktür. DNA ve protein daha fazladır İnsan genomu Kpik bir bakteri genomuna kıyasla 1000 kat daha fazla nükleokd çiqine, 20 kat daha fazla gene ve kat daha fazla kodlamayan DNAya sahipkr. İnsanda genomun %98.5i kodlamayan DNAdan oluşur, E.coli de bu oran %11dir.

40 Genom çok hücreli gelişim programını belirler Oldukça çeşitli hücre sayısı, özdeş genom Gen düzenleyici proteinler Düzenleyici gendeki mutasyondan dolayı çiçek yerine yapraklı filiz oluşumu

41 Birçok ökaryot tek başına hücreler halinde yaşar: ProIstler Avcı, protozonlar Fotosentezci, algler Çöpçü, tek hücreli mantar ya da mayalar Çizgi 10 mikronu göstermektedir. A, B, E, F, I kirpikliler; C öglenoid; D amip; G dinokamçılı; H güneş hayvancığı(heliozom)

42 Maya en küçük ökaryot modelidir Saccharomyces cerevisiae, tomurcuklanan maya Hayat döngüsü: Çevresel koşullara ve genokpin ayrındlarına göre ya çiq kromozom takımı ile diploid ya da tek kromozom takımı ile haploid durumda bulunabilir. Diploid alışılagelmiş şekilde çoğalabilir veya mayoz ile haploid hücreler oluşur. Haploid şekil sıradan hücre bölünme döngüleri ile çoğalır veya diploid olmak için diğer bir haploid hücre ile eşeyli kaynaşır. Mayoz açlıkla tekklenir ve zor çevresel koşullara dirençli, uyku durumunda, haploid tohumlar oluşur.

43 Bir organizmanın tüm genlerinin ifade düzeyleri eşzamanlı olarak izlenebilir GENOM VERİLERİ, -OMİCS VERİSİ: BİYOİNFORMATİK ÇAĞI Düzenleyici gen ürünü kendi gen ifadesini de düzenleyebilir Mayadaki düzenleyici protein interaksiyon ağı (network)

44 Genomu bilinen model organizmalar CaenorhabdiMs elegans Mus musculus Arabidopsis thaliana Drosophila melanogaster Xenopus

45 Fare memeliler için model organizmadır İnsan ve fare: benzer genler ve benzer gelişim Bebek ve fare yavrusunun alnındaki beyaz yama pigment hücrelerinin korunmasından sorumlu gendeki (kit) mutasyondan kaynaklıdır

46 Farklı omurgalıların uzaksama (divergence) zamanları: Her belirlenmiş hayvan çiqinin son ortak atasının tahmini tarihi ve jeolojik dönemi gösterilmektedir. Bütün zaman tahminleri ortolog proteinlerin amino asit dizilerinin karşılaşdrılması temeline dayanmaktadır. Memeliler ile kuşların ortak atası 310 milyon yıl önce yaşamışdr. Hemoglobin dizisinde ortalama 100 milyon yılda 100 amino asiue 6 değişiklik birikir.

47 Detaylı incelendiğinde tüm bireylerin genomu farklıdır: İnsan genomunda iki kişinin DNA dizisinde 1000 nükleokdde 1-2 nükleokd farklıdır. (İnsan genom projesi)