Nükleik Asitler ve Yaşamın Başlangıcı

Transkript

1 4 Nükleik Asitler ve Yaşamın Başlangıcı

2 4 Nükleik Asitler ve Yaşamın Başşlangıcı 4.1 Nükleik asitlerin kimyasal yapısı ve görevleri nelerdir? 4.2 Yaşamın küçük molekülleri nerde ve ne zaman ortaya çıktı? 4.3 Yaşamın büyük molekülleri nasıl ortaya çıktı? 4.4 İlk hücreler nasıl ortaya çıktı?

3 4 Nükleik asitler Dünyada şuan 7000 adet çita hayatta kalmış durumda. Tüm çitaların genomu (DNA) birbirine çok yakın. Bu durum günümüzdeki tüm çitaların, bir zamanlar türü nerdeyse yok edebilecek bir olay sonrası hayatta kalan birkaç bireyden türediklerini gösteriyor. Açılış sorusu: DNA analizi, çita popülasyonunun korunması Ve genişletilmesi için kullanılabilir mi?

4 4.1 Nükleik asitler Nükleik asitler genetik bilginin depolanması, aktarılması ve kullanılması için özelleşmiş polimerlerdir. DNA = deoksiribonükleik asit RNA = ribonükleik asit

5 4.1 Nükleik asitler Nükleotitler nükleik asitleri oluşturan monomerlerdir. Nükleotitler bir pentoz şekerden, bir fosfat grubundan ve azot içeren bir bazdan oluşur. Bir nükleosit ise sadece bir pentoz şeker ve azotlu bazdan oluşur.

6 Figure 4.1 Nükleotitlerin 3 birimi vardır Baz Baz Baz Riboz veya deoksiriboz Nükleosit Fosfat Nükleotit Pirimidin Sitozin Timin Urasil Pürin Adenin Guanin

7 4.1 Nükleik asitler RNA şeker olarak riboz içerir. DNA şeker olarak deoksiriboz içerir. Beş karbonlu şekerler (pentozlar) Riboz Deoksiriboz

8 4.1 Nükleik asitler Nükleotitler yoğunlaşma tepkimeleri sonucu fosfodiester bağları ile birleşirler. Fosfat grupları bir şekerin karbon 3 ile diğer şekerin karbon 5 ini birbirine bağlar. Nükleik asitler 5 3 yönünde büyür.

9 Figure 4.2 Nükleotitleri birbirine bağlamak Polimerin devamı Polimerin devamı Pirimidin bazı ucu Pirimidin bazı Yoğunlaşma tepkimesi Fosfodiester bağı ucu Pürin bazı

10 4.1 Nükleik asitler Oligonükleotitler (20 kadar monomer): DNA eşlenmesini başlatan RNA «primerleri» gibi. Polinükleotitler veya nükleik asitler (DNA ve RNA): milyonlarca monomerden oluşabilir.

11 4.1 Nükleik asitler DNA bazları: Adenin (A) Sitozin (C) Guanin (G) Timin (T) RNA timin yerine urasil (U) içerir.

12 Table 4.1 DNA ve RNA yı ayırabilmek Nükleik Şeker Bazlar Nükleosit Zincir Asit RNA Riboz Adenin Adenozin Tek Sitozin Sitidin Guanin Urasil Guanozin Üridin DNA Deoksiriboz Adenin Deoksiadenozin Çift Sitozin Deoksisitidin Guanin Timin Deoksiguanozin Deoksitimidin

13 4.1 What Are the Chemical Structures and Functions of Nucleic Acids? Bütünleyici baz eşleşmesi: pürinler pirimidinlerle hidrojen bağları ile eşleşirler Timin Hidrojen bağı Adenin Sitozin Guanin Polar bağ

14 4.1 Nükleik asitler RNA tek zincirlidir ama baz eşleşmesi molekülün farklı bölgeleri arasında gerçekleşir. Baz eşleşmesi bazı RNA moleküllerinde 3 boyutlu şekli belirler. Bütünleyici baz eşleşmesi ayrıca RNA ve DNA arasında da görülür.

15 Figure 4.3 RNA Tek zincirli ucu Fosfat Riboz ucu

16 4.1 Nükleik asitler Bir DNA molekülünün iki zinciri ikili sarmal oluşturur. Tüm DNA moleküllerinin yapısı aynıdır; çeşitliliği sağlayan baz çiftlerinin sıralanışıdır. DNA bilgi içeren bir moleküldür: Bilgi bazların dizilişi ile kodlanır.

17 Figure 4.4 DNA çift zincirli Deoksiriboz Pirimidin bazı Pürin bazı ucu ucu Fosfat ucu ucu Hidrojen bağı

18 4.1 Nükleik asitler DNA bilgiyi iki yolla aktarır: DNA kendini çoğaltabilir (eşlenme). DNA dizileri RNA ya kopyalanabilir (transkripsiyon). Bu RNA bir polipeptitdeki amino asit dizisini belirler (translasyon).

19 4.1 Nükleik asitler Transkripsiyon + translasyon = gen ifadesi (ekspresyon) DNA eşlenmesi Transkripsiyon Translasyon Polipeptit

20 4.1 Nükleik asitler DNA eşlenmesi ve transkripsiyon tamamen baz eşleşmesine bağlıdır. DNA eşlenmesi tüm molekülü içerir fakat transkripsiyonda daha küçük bölümler RNA ya çevrilir.

21 4.1 Nükleik asitler Bir canlının DNA sının tam setine genom denir. DNA daki bilginin tamamı her an gerekli değildir; DNA nın protein kodlayan bölümlerine gen adı verilir.

22 Figure 4.5 DNA Replication and Transcription Protein 1 için RNA Protein 2 için RNA

23 4.1 Nükleik asitler DNA nesiller arasında kalıtsal bilgiyi taşır. Bazların dizilim sırasının belirlenmesi evrimsel ilişkilerin ortaya çıkmasını sağlar. Bu araştırmalar sonucunda insanların en yakın akrabasının şempanzeler olduğu anlaşılmıştır.

24 4.2 Yaşamsla moleküller nasıl ortaya çıktı? yy arasında çoğu insan canlıların bir anda cansız maddelerden ortaya çıktığını düşünüyordu

25 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı? Francesco Redi 1668 de kendiliğinden oluşum (spontan jenerasyon) hipoteizini çürüttü Kapaksız Kumaş ile kapalı Kapaklı

26 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı? Louis Pasteur deneyleri, mikroorganizmaların ancak diğer mikroorganizmalardan üreyebileceğini kanıtladı.

27 Figure 4.6 Kendiliğinden oluşumun çürütülmesi Hipotez: Mikroorganizmalar ancak diğer mikroorganizmalardan üreyebilirler. Bir anda kendiliğinden ortaya çıkmazlar. Toz Toz Toz Kontrol Deney

28 Figure 4.6 Kendiliğinden oluşumun çürütülmesi Bulgular: Mikroorganizmalar ancak ağzı açık olan ve diğer mikroorganizmalarla teması olan kapta büyüdü. Steril kapta kendiliğinden büyüme görülmedi. Mikrobik büyüme Büyüme yok Sonuç: Canlılık, kendinden önceki canlılıktan oluşur. Yaşam olmayan bir ortam cansız olarak kalır.

29 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı Fakat bu deneyler kendiliğinden oluşumun hiçbir zaman gerçekleşmediğini kanıtlamadı. Milyarlarca yıl önce dünyanın atmosferi ve koşullar tamamen farklıydı. Yaklaşık 4 milyar yıl önce kimyasal şartlar ve suyun varlığı yaşam için en uygun koşullara ulaştı.

30 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı Yaşamın başlangıcı üzerine 2 teori: 1. Yaşam dünyanın dışından gelmiştir da bir meteor parçasında yaşamsal moleküller tespit edilmiştir; pürinler, pirimidinler, şekerler ve 10 adet amino asit. Diğer meteor parçalarındaki kanıtlar, canlılığın bir meteor üzerinde dünyaya gelebileceğini öne sürüyor.

31 Figure 4.7 Murchison Meteor parçası

32 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı? 2. Yaşam kimyasal evrim ile ortaya çıkmıştır: Kimyasal evrim: ilkel dünyadaki koşullar basit moleküllerin oluşumuna sebep oldu (prebiyotik sentez); bu moleküller canlı formlarının oluşmasını sağladı. Bilim insanları bu ilkel koşulları yeniden sağlayarak deneyler yaptılar.

33 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı? Miller ve Urey (1950 ler) dünyanın ilk atmosferinde olduğu düşünülen gazlarla bir deney tasarladılar. Kimyasal tepkimeleri tetikleyebilmek için gereken enerji kaynağı olarak bir elektrik kıvılcımı, yıldırımı taklit etti. Birkaç gün sonra amino asitler dahil olmak üzere organik moleküller oluşmuştu.

34 Figure 4.8 Miller ve Urey deneysel bir atmosferde prebiyotik molekülleri sentezlediler Hipotez: İlkel dünyanın atmosferine benzer koşullarda organik moleküller oluşturulabilir. Atmosfer bölmesi Soğuk su Okyanus bölmesi Yoğunlaşma Isı

35 Figure 4.8 Miller ve Urey deneysel bir atmosferde prebiyotik molekülleri sentezlediler Bulgular SONUÇ: Yaşamın kimyasal yapıtaşları dünyanın erken atmosferinde ortaya çıkabilir

36 Verilerle çalışmak: Dünyanın eski atmosferinde var olan kimyasallardan biyolojik moleküller oluşabilir miydi? 1950 de Miller ve Urey deneylerinde, dünya üzerinde etkili olan enerji kaynakları: Kaynak Enerji Güneşten gelen toplam ışıma Ultraviyole ışınlar Dalga boyu Dalga boyu Dalga boyu Elektrik boşalımları Kozmik ışınlar Radyoaktivite Volkanlar

37 Verilerle çalışmak: Dünyanın eski atmosferinde var olan kimyasallardan biyolojik moleküller oluşabilir miydi? Soru 1: Güneşten gelen toplam enerjinin sadece küçük bir bölümü ultraviyole sınırda, 250 nm den az. Güneş enerjisinin 250nm den az olan bölümünün oranı nedir?

38 Verilerle çalışmak: Dünyanın eski atmosferinde var olan kimyasallardan biyolojik moleküller oluşabilir miydi? Soru 2: CH 4, H 2 O, NH 3, ve CO 2 molekülleri 200nm den küçük dalga boylarındaki ışınları emebilirler. Toplam güneş enerjisinin yüzde kaçı bu sınırdadır?

39 Verilerle çalışmak: Dünyanın eski atmosferinde var olan kimyasallardan biyolojik moleküller oluşabilir miydi? Soru 3: Miller ve Urey deneylerinde enerji kaynağı olarak elektriği kullandılar. Benzer deneylerde başka hangi enerji kaynakları kullanılabilirdi?

40 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı? Başka bir deneyde Miller tüpleri NH 3, HCN, ve su ile doldurmuş ve 78 C de 27 yıl boyunca kapalı tutmuştur. Tüpler açıldığında amino asit ve nükleotit bazları içeriyorlardı. Antik dünyada veya başka gezegenlerde buz içindeki soğuk su, organik moleküllerin prebiotik sentezine izin vermiş olabilir.

41 4.2 Küçük moleküller nasıl ortaya çıktı? Miller ve Urey in deneyleri on yıllarca sürecek araştırmalara ışık tuttu. Dünyanın orijinal atmosferiyle ilgili fikirler değişti: volkanlardan atmosfere CO 2, N 2, H 2 S, ve SO 2 salınmış olabilir. Bu gazların deneysel atmosfere eklenmesi daha fazla küçük organik molekül oluşumuyla sonuçlanır.

42 4.3 Büyük moleküller nasıl ortaya çıktı? Canlı organizmalarda biyokimyasal tepkimeler katalizörlere ihtiyaç duyar tepkimeleri hızlandıran moleküller. Yaşamın başlangıcı için kilit noktalardan biri katalizörlerin ortaya çıkışıdır enzim adı verilen proteinler.

43 4.3 Büyük moleküller nasıl ortaya çıktı? Proteinler nükleik asitlerdeki bilgi ile sentezlenir. Peki hangisi önce oluşmuştur, nükleik asitler mi, protein katalizörler mi?

44 4.3 Büyük moleküller nasıl ortaya çıktı? RNA nın ilk katalizör olma ihtimali çok yüksek. Bazı RNA molekülleirnin (ribozimler) 3 boyutlu yapıları ve diğer özellikleri enzimlere çok benzerdir. RNA hem kendini eşleme hem de diğer proteinlerin sentezi için katalizör görevi yapmış olması olasıdır. DNA sonrasında RNA dan evrimleşmiş olmalıdır.

45 Figure 4.9 RNA dünyası hipotezi

46 4.3 Büyük moleküller nasıl ortaya çıktı? «RNA dünyası» hipotezini çeşitli kanıtlar desteklemektedir: Peptit bağları günümüzde de ribozimler tarafından katalizlenmektedir. Retrovirüslerde ters transkriptaz denilen bir enzim RNA dan DNA sentezini katalizler.

47 Figure 4.10 Yaşamda erken bir katalizör

48 4.3 Büyük moleküller nasıl ortaya çıktı? Deneysel koşullarda, kısa ve doğada bulunan RNA molekülleri nükleotitlerin polimerleşmesini katalizleyebilmektedir.

49 4.4 İlk hücreler nasıl ortaya çıktı? Metabolizmanın kimyasal tepkimeleri ve DNA eşlenmesi seyreltik olan sulu bir ortamda gerçekleşemez. Tepkimelere dahil olan bileşiklerin bir bölmede yoğunlaşması gerekir. Günümüzde canlı hücreler bir zar ile dış çevrelerinden ayrılmıştır.

50 4.4 İlk hücreler nasıl ortaya çıktı? Su içerisinde yağ asitleri kendiliğinden çift katmanlı lipid tabaka oluşturur. Bu ön hücreler, şeker ve nükleotit gibi küçük moleküllerin geçişine izin verirler. Eğer kendini eşleyebilen nükleik asit zincirleri bu ön hücrelerin içine yerleştirilirse, başka nükleotitler içeri girebilir ve büyümekte olan zincire eklenebilir.

51 Figure 4.11 Ön hücreler Ön hücrenin dış yüzeyi Nonpolar kuyruk polar kafa Çift katmanlı tabaka RNA Ön hücrenin içi

52 4.4 İlk hücreler nasıl ortaya çıktı? Ön hücreler hücre evrimi için mantıklı bir model olabilir: Dış çevreden ayrılmış bir iç bölmede birbiriyle etkileşime girebilen maddeler barındırırlar. Kendilerini çoğaltabilirler.

53 4.4 İlk hücreler nasıl ortaya çıktı? 1990 larda Avustralya da bulunan 3.5 milyar yaşındaki kayalarda hücrelerin izlerine rastlandı. Hücreler büyük olasılıkla fotosentez yapabilen mavi-yeşil bakterilerdi (siyanobakter). Fotosentez CO 2,kullanır ve fosillerde bulunan belirli bir oranda karbon izotopu bırakır ( 13 C: 12 C).

54 Figure 4.12 En eski hücreler?

55 4.4 İlk hücreler nasıl ortaya çıktı? İlk hücrelerin ortaya çıkışı dünyanın oluşumundan 500 ila 1000 yıl sonra olabilmiştir.

56 Figure 4.13 Yaşamın başlangıcı Dünyanın oluşumu Kararlı hidrosfer Prebiyotik kimya RNA öncesi RNA dünyası İlk hücreler Milyarlarca yıl önce

57 4 Giriş sorusunun cevabı DNA dizilemesi çitalar arasında DNA açısından en çok fark gösteren bireylerin çiftleştirilmesini sağlamıştır. Böylece yeni nesil en fazla çeşitliliğe sahip olmuştur. Genetik benzerlik erkek çitaların sperm sayılarında azalmaya yol açmıştır. Yapay döllenme bu sorunun üstesinden gelmeye yardımcı olmuştur.