Kalıtımın moleküler temeli

Ebat: px
Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "Kalıtımın moleküler temeli"

Transkript

1 Kalıtımın moleküler temeli DNA kalıtsal maddedir Birçok protein, DNA replikasyonunda ve DNA nın tamirinde birlikte çalışır Kromozom, proteinlerle birlikte paketlenmiş bir DNA molekülünden oluşur

2 Mendel: Kalıtılan faktörlerin varlığını bezelyede inceledi Morgan: Genlerin kromozomlar üzerinde olduğunu gösterdi 1868-Friedrich Meischer: Nükleustan nüklein materyali izole etti 1920-Levene: DNA bileşenlerini belirledi Griffith: Bakterilerde transformasyonun var olduğunu belirledi 1944-Avery, McCarty ve McLeod: DNA nın transform faktörü, genetik materyal olduğunu belirledi 1949-Chargaff: Çeşitli canlılarda DNA bazlarının oranlarının farklı (insanda A :30, bakteride A: %26) ve bazların oranlarında düzenlilik (A, T: %30, G, C: %19) olduğunu buldu 1950-Franklin: X ışını kristalografi metodu ile DNA şeklini ortaya çıkardı Hershey ve Chase: T2 fajının genetik materyalinin DNA olduğunu gösterdiler 1953 Watson ve Crick: DNA nın 3 boyutlu yapısını ortaya çıkardı (1962 yılı Nobel ödülü) 1958: Meselson ve Stahl: DNA replikasyonun yarı saklı (semi-konservatif) olduğunu ortaya çıkardı

3 Kalıtsal madde ile ilgili araştırmalar Aranılan molekül: Genetik bilgiyi bir jenerasyondan diğerine, bir hücreden diğerine taşıyabilmeli Kendi kendini kopyalayabilmeli Değişebilir olmalı «Kod» bilgisi içermeli Protein?, DNA?, Yağ?, Karbohidrat?

4

5 Kalıtsal madde ile ilgili araştırmalar Morgan ve arkadaşları genlerin kromozomlar üzerinde yer aldığını gösterince kromozomların iki kimyasal bileşeni (DNA ve proteinler) kalıtsal madde için aday oldular. 1940ʼlara kadar kalıtsal madde için en güçlü aday olarak proteinler savunuluyordu. Bu evrede nükleik asitler hakkında çok az şey biliniyordu. Bu görüş mikroorganizmalarla yapılan denemeler sonucunda yavaş yavaş değişmeye başlamıştır. DNAʼnın kalıtımdaki rolü ilk defa bakteri ve virüsler ile yapılan çalışmalar ile ortaya konulmuştur.

6 DNAʼnın bakterileri değiştirebildiğine ilişkin kanıt Frederick Griffith, memeli hayvanlarda zatürre etkeni olan Streptococcus pneumoniae üzerinde çalışıyordu. Bu bakterinin patojenik (hastalık yapıcı) ve zararsız olmak üzere iki suşu vardır. Griffith, ısıtılarak öldürülmüş patojenik bakterileri zararsız canlı bakterilerle karıştırdığında canlı bakterilerden bazılarının patojenik forma dönüştüğünü saptadı.

7 Griffift Deneyi (1928) Bir kalıtsal özellik, farklı bakteri suşları arasında transfer edilir mi? Patojenik olma özelliğini sağlayan kapsül üretebilme yeteneğidir. S suşu, kapsül ürettiği için hastalık (zatürre) yapar R suşu, kapsül üretemediği için patojenik (hasta edici) değildir. Sonuç: Canlı R tipi bakterilere S tipi hücrelerden gelen kalıtılan bir madde sayesinde R hücrelerinin S hücrelere dönüşerek, kapsül yapma yeteneği kazandığını göstermektedir.

8 DNA nın bakterileri değiştirebildiğine ilişkin kanıt Bu maddenin kimliği bilinmiyor olmasına karşılık ölü patojenik hücrelerdeki kimyasal maddenin açıkça kalıtsal bir değişime yol açtığı görülebilir. Griffith bu olaya transformasyon adını vermiştir. Bu olay günümüzde, dış ortamda bulunan DNAʼnın hücre içine alınması ile meydana gelen fenotipik ve genotipik değişim olarak tanımlanmaktadır.

9 Avery ve arkadaşlarının çalışmaları Avery, ısıtılarak öldürülmüş patojenik bakterilerden değişik kimyasal maddeler saflaştırmıştır. Daha sonra bu maddelerin her biri ile patojen olmayan canlı bakterileri değişikliğe uğratmaya çalışmıştır. Sonuçta yalnızca DNA ile başarılı olabilmiştir de Avery ve arkadaşları, transformasyona neden olan etkenin DNA olduğunu ilan etmişlerdir. Ancak o dönemde DNA hakkında çok az şey bilinmekte idi. Bu nedenle hiç kimse DNAʼnın kalıtsal bilgiyi taşıyabileceğini hayal edemiyordu.

10 Hershey ve Chase deneyi T2 ile enfeksiyonu sırasında E.coli nin içine hangi yapı (DNA veya protein) girer? Sonuç: Viral DNA, hücreleri programlar

11

12 DNA (Deoxyribonucleic acid) DNA birbirine antiparalel iki polinükleotid iplikçikten oluşur. Bu yapı ortak bir eksen etrafında sarmal formda durur. Bu iplikçikler, oluşan baz çiftleri (A / T ve G / C) arasındaki hidrojen bağları ile bir arada tutulur. Her bir iplikçik diğerinin tamamlayıcısıdır. Dolayısıyla bir iplikten yola çıkarak diğerinin baz dizisini belirleyebilirsiniz.

13

14 10 baz var Hidrofobik bazlar iç kısımda yer alarak molekülü çevreleyen sulu ortamdan korunmuş olurlar.

15

16 Meselson ve Satahl Deneyi DNA replikasyonu hangi modele uygun gerçekleşir? Semi-konservatif Ağır ve hafif azot izotopu kullanılmıştır 15 N ve 14 N). F 1 kuşağında oluşan DNA ipliklerinde bir eski, normal N atomu içeren iplik ve bir yeni, ağır azot atomu içeren iplik belirlemişlerdir. İkinci replikasyonda ise hem ağır hem hafif N izotopu tespit etmişlerdir.

17 Mayoz bölünme Mitoz bölünme DNA REPLİKASYONU (kromozom duplikasyonu)

18 Watson ve Crickʼin DNA eşlenmesine ilişkin temel fikrini göstermektedir.

19 E. coli, yaklaşık 5 milyon baz çiftlik halkasal tek bir kromozoma sahiptir. Uygun koşullar altında 1 saatten daha kısa süre içinde bu DNA nın tamamını kopyalayabilir ve bölünür. İnsan hücrelerinde bulunan DNA ise 46 adet doğrusal kromozomdur yaklaşık 6 milyar baza karşılık gelmekte ve bakteri hücresindeki DNAʼnın 1000 katından fazlasını ifade etmektedir. Bu şekilde bir büyüklüğe sahip kalıtsal bilginin replikasyonu sadece birkaç hata ile gerçekleştirilir.

20 DNA çoğaltılmasında (replikasyon) bir şablon (kalıp), nükleotidler ve polimeraz enzimi gereklidir. Tüm yeni DNA molekülleri, bir DNA şablonundan (kalıp), DNA polimeraz kullanılarak kopyalanması yoluyla üretilmiştir. Bilinen tüm polimerazlar, DNA sentezinde sadece 5'-3' yönünde çalışırlar. Bu enzimler bir primer e (öncüye) gerek duyarlar. Çoğaltma aşamasında deoksinükleotid birimler sadece trifosfatların yüksek enerjili bağlarını kullanırlar ve dışarıdan ek bir enerjiye ihtiyaç duymazlar.

21

22 DNA polimeraz enzimlerinin hiç birisi bir polinükleotit sentezini başlatamaz. Yalnızca kalıp zincir ile baz eşleşmesi yapmış mevcut bir zincirin sonuna nükleotitleri ekler. Replikasyon olayında yeni zincir sentezini başlatan DNA değil, diğer bir nükleik asit olan kısa RNA zinciri, yani primerʼdir. DNA polimeraz, uzayan DNA zincirinin sadece 3ʼserbest ucuna nükleotit eklerken, 5 - ucuna kesinlikle ekleme yapamaz. Yani, yeni DNA zinciri sadece 5ʼ- 3 yönünde uzayabilir.

23 Prokaryotik Çoğalma Prokaryotik çoğaltma yalnız bir orjinden (ori) -noktadan başlar. E. coli bakterisinde bu başlangıç nokta, kolayca açılan AT zengin dizilerinden oluşur. Bu kromozom ve onun kökeni bir Replikonu oluştururlar. E. coli bakterisi en az üç farklı DNA polimeraza sahiptir. Bazı DNA polimerazlar (Pol), ekzonukleaz aktivitesi ile DNA sentezleyebilir. Pol I, bazları sadece 5-3 yönünde ekleyebilir. RNA primeri, sentezi başlatıcı rol oynar. Ayrıca, Pol I, II ve III ün herbiri -3'den -5 ye ekzonukleaz aktivitesi ile yanlış eşleşmiş bazları tarayabilir.

24 DNA sarmalının açılması, enerji gerektiren bir mekanizmaya ihtiyaç duyar. Katlanmış DNA nın açılması ise DNA giraz yardımı ile olur. DNA helikaz enzimi, DNA ipliğini açmak için ATP enerjisi kullanır. Bu sırada açılan DNA ipliklerini, tek ipliğe bağlanan proteinler ayrı tutarlar (single strand binding protein).

25

26 Sentez replikasyon çatalı oluşması ile gerçekleşir. DNA ipliğinde kısmi açılma oluşturan iki tek iplikli bölgeye replikasyon-çoğalma çatalı adı verilir. 5-3 yönündeki önde gelen DNA üzerinde sentez için tek bir öncü RNA molekülüne ihtiyaç duyulur. Polimeraz III, buradan β alt birimi ile tutunur. Kayar kelepçe gibi bu kalıp iplik üzerinde hareket ederek sentezi gerçekleştirir. Pol III ise adına Okazaki parçaları denen DNA parçalarını, her biri için ayrı primer kullanarak; gecikmeli (kesintili), 3 5 iplik üzerinde ama 5-3 yönünde sentezler. RNA primerleri bu DNA parçalarından Pol I enzimi ile uzaklaştırılır. DNA parçaları arasında kalan boşluklar DNA ligaz enzimi ile birleştirilir.

27

28

29 3 I 5 I

30

31

32 Ökaryotik çoğalma birden fazla noktadan başlamaya ihtiyaç duyar. Bunun nedeni ökaryotik kromozomların büyüklüğü ve organizasyonudur. DNA nın birden fazla noktadan köken alarak çoğalmaya başlaması, ökaryot DNA sında birden fazla replikasyon çatalı -başlangıç noktasının varlığını gösterir. Bu aynı zamanda S fazı içerisinde tüm ökaryot DNA sının çoğaltılmasını sağlamanın tek yoludur. Ökaryotik replikasyon enzimleri çok daha karmaşıktır. Ökaryotik primaz enzimi kısa RNA parçaları sentezler. DNA çoğalmasında öncü moleküller olarak kullanılır. DNA polimeraz, bu öncül primerle senteze başlar. Hücre bölünmesi sırasında, bu proteinlere ait ve bunlara özel kayar kelepçe yapısında alt birimler oluşturdukları saptanmıştır.

33

34 Doğrusal kromozomların özel son uçları (Telomer) vardır. Ökaryotik doğrusal kromozomların son uçlarına telomer denir. Bu bölge gen içermez ve kısa nükleotit dizi tekrarları içerir. Ör: insan telomerleri TTAGGG dizisinin tekrarından oluşur. DNA nın uçlarına yakın bulunan genlerin kaybını önlemede rol oynarlar. Ancak her DNA replikasyonu sırasında telomerler kısalır. Ergin hücrelerde telomer kısalması, belirli dokuların hatta organizmanın yaşlanmasıyla bağlantılıdır.

35 Hücrelerdeki genomun organizmadan yavrusuna hemen hemen hiç kayıp olmadan aktarılmasını ne sağlar? Gamet (Germ) hücrelerinin kromozomlarını her hücre döngüsünde bu tip kısalmadan koruyan Telomeraz enzimidir ve telomerlerin uzamasını katalizleyerek tekrar orijinal uzunluklarına gelmesini ve DNA replikasyonunda meydana gelen kısalmanın telafi edilmesini sağlar. Telomerazlar, insanın çoğu vücut hücresinde aktif değildir.

36

37

38 Sentez sırasında DNA Onarımı Sentezi tamamlanmış DNA molekülündeki hata oranı bir milyar nükleotitte birdir. Ancak replikasyon sırasında meydana gelen başlangıç eşleşme hataları baz çiftinde birdir. Replikasyon sırasında DNA polimeraz enzimi, eklenen her nükleotitin doğruluğunu kendi kendine kontrol eder. Yanlış eşleşen nükleotitleri çıkarır ve sentezi tekrarlar.

39 DNA Onarımı Hücreler sürekli DNA'ya zarar veren ajanlara maruz kalmaktadır. Replikasyon süreci ve çevresel kaynaklı (UV gibi ajanlar ve kimyasal mutajenlerden oluşan hatalar ve hasarlar) mutasyonlara yol açabilir. DNA onarımı hasarlı DNA'yı yeniler. Tamir mekanizmaları olmadan, hücrelerde o kadar çok hatalar ve mutasyonlar birikir ki bu canlının ölümüne yol açar. DNA onarımı; hasara özel (=specific) veya genel onarım biçiminde (=nonspecific) olabilir. Fotoliyaz enzimi (Photolyase) görünür ışıktaki UV ışık nedeniyle oluşan timin dimerlerini belirlemede ve kırmada rol oynar. Kesip-çıkarma (=Excision, Eksizyon) genel bir onarımdır. Prokaryotlarda bulunan UVR sistemi DNA hasarlı bölgesini tanır ve o bölgeyi uzaklaştırır.

40 Hasar Tipleri 1-Tek baz değişimleri; Depurinasyon (Adenin ve Guanin bazları şekerle bağ yapamaz) Deaminasyon (sitozinin urasile, adeninin hipoksantine dönüşümü) Nukleotid kaybı veya kazanımı Baz analogları ile yer değişimi 2- İki baz değişimi; Timin-timin dimeri (U.V.etkisi ile) 3- Zincir kırıkları ( İyonizan ışınlar, X-ışını, etkisi ile) 4- Zıt bağlantılar kurulması; Aynı veya zıt ipliklerdeki bazlar arasında DNA ve protein molekülleri arasında (örn: histonlar)

41 DNA üzerindeki hasarlı bölgeler 3 mekanizma ile düzeltilir; 1- Hatalı eşleşmenin tamiri ile 2- Baz çıkarımı ile 3- Nükleotid çıkarılması ile

42 Mekanizma Problem Hatalı eşleşmenin tamiri *Kopyalama hatası (1,2 veya 5 bazlık hatalı eşleşmeden dolayı DNA daki hasar) Baz çıkarımı *Kendiliğinden, kimyasal veya radyasyon etkisi ile tek bazdaki hasar Nükleotid çıkarımı *Kendiliğinden, kimyasal veya radyasyon etkisi ile bir DNA segmentindeki hasar

43 DNA tamir mekanizmasındaki ( ör: deaminasyon için) işlem dizisi sırası; Anormal bazın tanınması ; N-glikozilaz enzimi ile Apurinik veya aprimidinik endonukleaz ile kesim (hatalı bölgenin kesilip atılması) DNA polimeraz beta ile DNA sentezi ( boşluğun doldurulması) Ligaz ile iki DNA ucunun birleştirilmesi

44

45 Zincir üzerinde yan yana bulunan timin bazları birbirlerine kovalent bağlanarak timin dimerleri meydana getirirler. Timin dimerleri, DNA da toka oluşumuna yol açar ve replikasyonu engeller.

46

47 Xseroderma pigmentosum Bu tip bir hasarı tamir etmenin önemi Xseroderma pigmentosum adı verilen hastalıkta açıkça görülür. Bu hastalıkta, nükleotit kesip-çıkarma sisteminde işlen gören bir tamir enziminde kalıtsal bir hasar vardır. Bu bozukluğa sahip kişiler, güneş ışığına karşı oldukça duyarlıdırlar. UV ışınlarının deri hücrelerinde neden olduğu mutasyonlar, bu bireylerde tamir edilemez ve deride kanserleşme meydana gelir.

48

49 Amino ucu (N-ucu)

50

51 Heterokromatin: İnterfaz kromatininin ışık mikroskobunda düzensiz kümeler şeklinde yoğun görülen bölümüdür. Ökromatin: Daha az kompakt ve daha geniş şekilde dağılmış çok miktardaki kromatin bölümüdür ve sıklıkla anlatım yapan genleri içeren DNA bölümleridir.

52 İnterfaz çekirdeğinde her kromozomun özel bir alanı kapladığı görülmektedir. Genellikle bir çiftin iki homolog kromozomu birlikte konumlanmazlar.