KALITIMIN MOLEKÜLER TEMELİ MBG 111 BİYOLOJİ I Hazırlayan: Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER
Genetik Bilgi Kaynağımızın Doğası 1928 de Frederick Griffith bakteri hücrelerinin kendini transforme edilebildiğini gösterdi. Bulaşıcı olmayan (=Nonvirulent) Streptococcus pneumoniae (Tüberküloz etkeni) bilinmeyen bir bileşen ile bulaşıcı forma dönüştüğünü, bunun dölden döle aktarabildiğini ve öldürücü olabileceğini kanıtladı.
Oswald Avery, Maclyn MacLeod ve Colin McCarty transformasyonun prensiplerini tanımladılar. Genetik bilginin okunmasının ve protein diline çevrilmesinin; DNA ve enzimler ile inaktive edilebildiğini gösterdiler. Bununla beraber protein haline geldiğinde bu değişimin o kadar kolay olmadığını belirlediler. Elde edilen bu veriler ışığında yapılan çalışmalar ile virüslerde de genetik materyalin DNA olduğu gösterildi. Bakterileri enfekte eden virüslere, bakteri yiyen anlamında bakteriyofaj (bacteriophages) adı verildi. Kısaca faj denilen bu viral yapılar transmisyon elektron mikroskobu ile görüldü ve sınıflandırıldı. Bakterilere göre nükleik asit ve protein kılıftan oluşan çok daha basit bir yapıları olduğu belirlendi (Şekil 16.3).
Kısaca faj denilen bu viral yapılar transmisyon elektron mikroskobu ile görüldü ve sınıflandırıldı(şekil 16.3). Hershey ve Chase fajlarda da genetik materyalin genellikle DNA olduğunu gösterdiler. Faj enfeksiyon sırasında yapılan radyoaktif etiketleme ile faj enfeksiyonuna yol açan ajanlarda genetik bilginin, fajın DNA sında depolandığını ve proteinlerinde depolanmadığını gösterdiler (Şekil 16.4). Bakterilere göre nükleik asit (DNA ve/veya RNA) ve protein kılıftan oluşan çok daha basit bir yapıları olduğu belirlendi.
DNA nın Yapısı Yapılan çalışmalar ile DNA nın bileşenleri bilinmekteydi fakat onun üç boyutlu yapısı bir sırdı. DNA, nükleotid birimlerden oluşur. Bu birimlerin her biri; içinde bir deoksiriboz şeker ve bir azotlu baz [adenin (A), guanin (G), sitosin (C), timin (T)] içerir. Bu nukleotid yapı 5' karbon atomu ile bir fosfata ve diğer nükleotidin 3' karbonuna bağlı hidroksil arasında fosfodiester bağları ile bağlanarak oluşur (Şekil 14.3, 14.4, 16.5).
Erwin Chargaff, Rosalind Franklin, MauriceWilkins ve Linus Pauling DNA nın üç boyutlu katlanmasına dair bazı yapısal kanıtlar elde edilmişlerdir. Chargaff DNA da adenin ve timin ile sitozin ve guanin eşit miktarda bulunduğunu belirledi. Bu bazların keto ve enol formlarının hidrojen bağları ile oluştuğunu gösterdi. Franklin DNA nın diziliminde hidrofobik birimlerin içeride yer aldığını belirledi. Franklin,Wilkins ve Paulin in X-ışını kırılma çalışmaları, DNA'nın sarmal yapıda olduğunu gösterildi (Şekil 16.6). Watson-Crick işte bu elde edilen kanıtlara dayanarak DNA modelinin son halini oluşturdu. (Şekil 16.1).
Bu belirlenen modele göre (Şekil 16.7 ve 16.8); DNA birbirine antiparalel iki polinükleotid iplikçikten oluşur. Bu yapı ortak bir eksen etrafında sarmal formda durur. Bu iplikçikler (A / T ve G / C) oluşan baz çiftleri arasındaki hidrojen bağları ile bir arada tutulur. Her bir iplikçik diğerinin tamamlayıcısıdır. Dolayısıyla bir iplikten diğerinin baz dizisini belirleyebilirsiniz.
Belirlenen DNA modelinden sonra diğer adım, DNA nın replikasyonunun (Eşlenmesinin) temel nitelikleri anlamaya çalışmaktı. Bu amaçla ortaya atılan model hipotezlerde 3 olasılık vardı. Bunlar, DNA nın korunan modeli, yarı korunan modeli ve dağınık modeli adını alıyordu (Şekil 16.10).
Matthew Meselson ve Franklin Stahl yaptıkları denemelerde; DNA nın yavru hücrelere yarı-korunmuş (=semiconservative) bir mekanizma ile aktarıldığını kanıtladılar (Şekil 16.11). Yarı-korunmuş çoğaltım için bir DNA molekülünün her bir ipliği kademeli olarak açılarak yeni bir iplik üretmek için kullanılır. Meselson ve Stahl bunu ağır azot izotopu kullanarak göstermişlerdir. Buna göre oluşan F1 dölünde oluşan nükleer materyalde DNA ipliklerinde bir eski, normal N atomu içeren iplik ve bir yeni, ağır azot atomu içeren iplik belirlemişlerdir.
DNA çoğaltılmasında (=replikasyon) bir şablon, nükleotidler ve polimeraz enzimi gereklidir. Tüm yeni DNA molekülleri, bir DNA şablonundan, DNA polimeraz kullanılarak kopyalanması yoluyla üretilmiştir. Bilinen tüm polimerazlar yeni DNA sentezine 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.
Prokaryotik Çoğalma Prokaryotik çoğaltma tek bir orjinden-noktadan başlar. E. coli bakterisinde bu nokta, başlangıç 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, II ve III ün herbiri 3'den 5 e ekzonukleaz aktivitesi ile yanlış eşleşmiş bazları tarayabilir. Pol I bazları sadece 5-3 yönünde sentezleyebilir. RNA primerinin buradaki hareketi çok önemlidir (Şekil 14.13, 16.7).
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)(şekil 16.13).
DNA çoğaltılmasında kesikli senteze bakarsak; DNA çoğaltılması aşamasında polimeraz enzimleri 5-3 yönünde çalıştıkları için 5-3 yönündeki iplik kesintisiz olarak sentezlenir. Antiparalel diğer iplikte çoğaltım parça parça gerçekleşir (Şekil 14.15). Kesintisiz sürekli sentezlenen iplikçiğe kalıp- önde gelen DNA denir (Şekil 16.15). Kesikli sentezlenen iplikçiğe ise kesikli gecikmeli DNA adı verilir (Şekil 16.16).
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 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 çalışarak yapar. Primerler bu DNA parçalarından Pol I enzimi ile uzaklaştırılır. Sonra bu DNA parçaları arasında kalan boşluklar ise DNA ligaz enzimi ile doldurulur (Şekil 14.17).
Replizom (=Replisome) çoğalma için gerekli tüm enzimleri içerir. Replizom iki kopya Pol III, DNA primaz, DNA helikaz, ve bir dizi yardımcı proteinler içerir. Bunlar bir yönde, beraberce hareket ederek kesikli sentezde bir ilmek yapısı oluştururlar. Böylece antiparalel iplik, kalıp iplikle aynı yönde sentezlenir (Şekil 16.18).
Ökaryotik Çoğaltma 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 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. Bunlar DNA çoğalmasında öncü moleküller olarak kullanılır. Bu öncül moleküllerin sentezlenmesinden sonra DNA polimeraz DNA sentezine devam eder. Her iki enzimde karmaşık bir yapıya sahiptir. Hücre bölünmesi sırasında, bu proteinlere ait ve bunlara özel kayar kelepçe yapısında alt birimler oluşturdukları saptanmıştır. Bunlara hücre üremesinde nükleer antigenler (proliferating cell nuclear antigen, PCNA) adı verilir (Şekil 14.21).
Arkea bakterilerde gözlenen (Archeal, eski) çoğalma proteinleri, ökaryotik çoğalma proteinlerine benzerlik gösterir. Eski canlılarda (ilkel canlılarda) kayar kelepçe yapısı ve bunun DNA ipliği üzerine tutunuşu, DNA polimeraz yapısı ökaryottan - bakteriye çok benzerdir. Doğrusal kromozomların özel son uçları vardır. Doğrusal kromozomların son uçlarına telomerler denir. Bunlar çoğalma komplekslerinden değil telomeraz tarafından yapılmışlardır. Telomerazlar DNA da bilgisi saklanan, korunan bir iç RNA yapısında parçalardır. DNA yapısında kromozomun sonunda yer alırlar. Ergin hücrelerde bunların eksilmesi, hücrenin yaşlanması ile ilişkilidir ve yaşlılığın göstergesidir (Şekil 14.22).
DNA Onarımı Hücreler sürekli DNA'ya zarar veren ajanlara maruz kalmaktadır. Çoğalma ve çevresel kaynaklı, UV gibi ajanlar tarafından 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 onarım hasara özel (=specific) veya genel onarım (=nonspecific) olabilir. Fotoliyaz enzimi (Photolyase) görünür ışıkta ki; UV ışık nedeniyle oluşan timin dimerlerini belirlemede ve kırmada rol oynar (Şekil 14.23, 16.19). Kesip-çıkarma (=Excision, Eksizyon) genel bir onarımdır (Şekil 14.24). Prokaryotlarda bulunan UVR sistemi DNA hasarlı bölgesini tanır ve o bölgeyi uzaklaştırır.
Kaynaklar Campbell Biology 10th ed.(2014) Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Unit 3, Part:16, p: 312-332 Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA 94111. Biology / 9th ed (2008)Peter H. Raven George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Chapter 14, p:256-277. The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020.