SİTOPLAZMİK ZAR ve SİTOPLAZMA Sitoplazmik Zarın İçeriği ve Fonksiyonu Hem gram negatif hem gram pozitif bakterilerde sitoplazmayı saran ve sitoplazma ile hücre çeperi arasında yer alan bu zarın ayrı bir yapı olduğu Knaysi (1938) tarafından gösterilmiştir. İki tabakalı fosfolipit yapıda olan zar boyanarak yada hücreler lizozimle eritildikten sonra santrifüj edilip ayırılarak gösterilebilir.
Besin maddelerinin taşınması: En önemli özelliği yarı-geçirgen (semi-permeable) olmasıdır. Bu özelliği ile hem ozmotik bir baraj hem bir köprü olarak iş görür. Çevrede yer alan çoğu molekül sitoplazmik zarda yer alan lipit tabakaları doğrudan geçemezler. Taşıma proteinleri denilen ve çift tabakalı fosfolipit tabakayı boydan boya geçen proteinler yardımıyla şeker ve diğer besin maddeleri sitoplazmaya geçerler; besin ve enerji kaynağı olarak kullanılırlar.
Bakteriler zaman zaman zararlı maddelerinde geçişine izin verebilirler. Bunun sebebi taşıma proteinlerinin bir veya birkaç bileşeni özellikle tanımasıdır. Genellikle bakteri içindeki madde yoğunluğu canlının bulunduğu çevredeki madde yoğunluğundan fazladır bu nedenle hücre içine madde alınımında enerji harcanır.
Enerji mekanizması ve elektron taşıma sistemi: Bakterilerde hücre zarı, hücrenin enerji mekanizmasında önemli bir role sahiptir. Sitoplazmik zarda yer alan enzimler ve diğer moleküller proton pompaları yardımıyla çalışırlar. Bu proteinler ve bu sistemde yer alan diğer moleküller elektron taşıma sistemi adını alır. Çünkü elektronlar protonlardan ayrılır ve sitoplazmik zarın dış yüzeyinde birikirler.
Karmaşık protein yapılı terminal elektron yakalayıcıları ATP sentaz lar bu elektronları yakalar ve yeniden hücre içine alır. ATP hücrenin temel enerji kaynağıdır. Bu enerji kirpik motorlarının çalıştırılması ve dışarıdan hücre içine madde alınmasında kullanılır. Bu zar ökaryotlarda mitokondri zarlarına benzer bir görev yapmaktadır ve suya ilgisi azdır.
Bakteri hücre çeperi ve hücre zarının kuru ağırlıktaki oranı %20 kadardır. Bunun nedeni bakterilerin iç basınçlarının çok yüksek olmasıdır. İç basınçları %10-20 lik sakaroz çözeltisine eşittir. Bu nedenle ancak sağlam bir hücre zarı ve hücre çeperi yardımıyla kendilerini patlamaktan koruyabilirler. Hücre çeperleri oluşturması engellenen bakteriler genellikle küre biçiminde hücrelere yani protoplastlara dönüşürler. Eğer bakteri hücrelerinin etrafında hücre çeperi kalıntıları bulunuyorsa bu durumda bakterilere sferoblast adı verilir. Bunların etraflarında hücre zarları vardır.
Sitoplazmik zar ve peptidoglikan sentezi: Sitoplazmik zarda yer alan proteinler, peptidoglikan sentezi ve devrinde de rol oynarlar. Bakterilere uzama ve bölünme emri geldiğinde, peptidoglikanda kırılma meydana gelip yeniden uzatılarak yapılandırılır. Sitoplazmik zar proteinleri bu kırılma ve yeniden yapılanma aşamasında yardım ederler. Ayrıca antibiyotik bağlayan proteinlerde burada yer alır. LTA ve LPS sitoplazmik zara bağlıdır.
Salınım sistemi: Sitoplazmik zarda yer alan proteinler salgılanmış proteinlerdir. Sitoplazmada yapılırlar ve periplazma içine salınırlar. Bu karmaşık proteinlerden oluşan sisteme salgı sistemi adı verilir. Bakteriler ürettikleri bütün proteinleri salgılamak istemezler. Bazılarını periplazma da tutarlar, bazılarını dış çevreye salarlar. Bu tutulan proteinleri amino uçlarında yer alan kısa amino asit sırasının varlığına bakarak belirleyebiliriz. Bu kısa parça kesilip uzaklaştırıldığında protein salınır.
Düzenleyici proteinler: Bakterilerin sitoplazmik zarı kısmen beyin gibi de görev alır. Çünkü burada yer alan bazı duyusal proteinler hücrenin dışındaki çevre şartları ile ilgili değişiklikleri hücre içine iletirler. Bu şekilde hücre dışarıda algıladığı durumlara bağlı olarak hücre içinde ve dışında uygun düzenlemeler yapılır. Ör: insan sindirim sistemine giren bir bakteri ortama hemen tutunması gerekir bu nedenle hemen pili üretir ve o bölgeye tutunur. Bu düzenleyici proteinler yalnız sitoplazma zarında yer almaz hücre içinde de yer alır. Bu düzenlemelerin tam anlamıyla yapılabilmesi için hem sitoplazma zarı hem de hücre içinde yer alan düzenleyici proteinlerin birlikte çalışması gerekir.
SİTOPLAZMA Bakteri hücrelerinin sitoplazmasında yer alan enzimler yardımıyla glukoz ve diğer karbon kaynakları okside edilerek doğrudan ATP elde edilir. Bu enzimlerden bazıları sitoplazmik zarda yer alan elektron taşıma sistemi yardımıyla dolaylı olarak ATP elde edilmesinde görev alır. Buna ek olarak zaman zaman bakterilerde yer alan hücre içinde zar katlanmaları şeklinde gözlenen ve mezozom adını alan, hem enerji eldesin de hem de gaz alış verişinde görev aldığı düşünülen yapılardır.
Fotosentetik bakterilerde fotosentezden sorumlu pigmentler vardır. Bunlarda yine mezozomların üzerinde yer alırlar. Peptidoglikan tabakanın alt birimleri sitoplazmada hazırlanır ve son birleştirme aşamasında periplazmik alana geçerler. Yine bazı yedek maddeler (Ör: poly- β hidroksibütirik asit granülleri) sitoplazma içinde granüller halinde depo edilebilirler.
Ribozomlar: Sitoplazmada serbest halde yer alırlar. Mezozom benzeri zar katlanmalarına tutunmuş olarak ta görülebilirler. Bakteri hücrelerinde yer alan RNA nın %80 den fazlası ribozomlarda yer alır. Prokaryotlardaki ribozomlar hemen hemen küresel yapıda görünürler. 200Å çapında, 70S çökelme sabitine sahiptirler. Alt birimleri 50S ve 30S ten oluşur.
Bakteri genetik materyali: Hücrenin genetik bilgilerini içeren DNA (=Nukleoid) ve onunla bağlantı halinde bulunan proteinlerde sitoplazmada yer alır. E.coli bakterisi DNA sı yaklaşık 1 mm boyunda olduğu ve 3 m boyundaki bakterinin içine bu DNA nın sığması için sıkıca paketlendiği belirlenmiştir.
Bakteri DNA sı nukleoid bölgede iki şekilde, katlanmış ve katlanmamış (açık) olarak bulunurlar. DNA nın çok sıkı bir şekilde kendi üzerine katlandığı süpersarmal adını alır. şekil (supercoil)
Bu tip katlanma bakteriler adına oldukça önemlidir. Bazen bakterilerde histon benzeri proteinler yer alır ve DNA ya tutunurlar ve DNA nın bu yapıyı korumasına yardım ederler. DNA sentezinde yer alan enzimler ve RNA da sitoplazmada yer alır.
Plazmitler: Birçok bakteri türünde normal bakteri genomundan farklı olarak sitoplazmada yer alan dairesel DNAyapılarına plazmit adı verilir. Bunlar toksin yapımı, genetik madde aktarımı, antibiyotiklere direnç, farklı antijenik özellikleri ve daha birçok özelliği taşıyan özel yapılardır. Bakteri genetiği çalışmalarında sıklıkla kullanılan çok önemli yapılardır.
PROKARYOTLARDA DNA DÜZENLENMESİ Bakterilerde DNA hücre kuru ağırlığının yaklaşık %2-3 nü oluşturmaktadır. DNA nın ikili sarmal yapısı deoksiriboz fosfat iskeletten oluşur. Her birimine nukleotid adı verilir. Bu birimler purin yada pirimidin bazı, pentoz şeker ve fosfat molekülü içerir.
Bazlar ikili sarmal yapıyı oluşturmak için birbirlerine hidrojen bağları (H) ile bağlanırlar. Adenin (A), timin (T) bazına 2H ve guanin (G) ise sitozin (C) bazına 3H bağı ile bağlanır. Primidin ve purin bazları hidrofobik bir karaktere ve planer bir yapıya sahiptirler. Bazı mikroorganizmalarda (fajlarda) nukleik asitlerin yapısında belirtilen bu bazların yanı sıra minor bazlar olarak adlandırılan, 5 - metil sitozin ve 5 -hidroksi metil urasil bulunmaktadır. Yan yana bulunan nukleotid ler birbirleri ile fosfodiester bağları ile bağlanarak polinukleotid zincirleri, polimerleri oluştururlar. Bu bağlantı fosfat grubu pentoz şekerin 5 pozisyonundaki karbon atomu ile komşu şekerin 3 pozisyonundaki karbon atomu arasında fosfodiester bağı kurmasıyla oluşur. Bağlantı 5 -P ucundan 3 -OH ucuna bağlandığından 5 3 fosfodiester bağı adını alır.
Dört temel bazın (A, T, G, C) değişik sırada yan yana karşılıklı birleşmesinden oluşan DNA iplikleri hücreler ve canlılar için çok önemli olan genetik bilgileri (genomu) taşır. Bu bilgi baz dizilişi ile ilgilidir. Aynı türün DNA kompozisyonu (diziliş sırası ve sayısı) birbirinin aynıdır, sabittir ve değişmez. Genetik düzeyde oluşan değişmeler (mutasyonlar) yeni nesillerde farklı fenotipik karakterde bireylerin meydana gelmesine neden olur. Bu bireylere Mutant adı verilir. DNA nın sarmal ve özellikle çift iplik olması çok önemlidir. Böylece genetik bilgileri güvence altına alır ve bir çoğalma (replikasyon) mekanizması kurarak bir ipliği diğerinin sentezi için kalıp olarak kullanır. Transkripsiyonda da sadece bir iplik kullanılır. Diğer iplik replikasyonun doğru yönde ilerlemesine yardımcı olur.
Polinukleotid ipliklerde bulunan 4 bazın (A, T, G, C) 3 tanesi bir amino asidi (aa) tanımlar. Buna üçlü kod sistemi yada Triplet (= Kodon) adı verilir. Böylece 20 aa üçlü sistemle 64 farklı kodon oluşturur. Böylece her aa en az bir kodonu olması dışında bazı aa birden fazla kod ile tanımlanır. Buna ek olarak UAA, UAG ve UGA hiçbir aa tanımlamaz, bunlar translasyon da sentezlenen peptidin bitişinin sinyalini veren STOP kodonlardır.
Bakterilerde genetik kodlar ve özelliklerini özetlersek; 1.Kodlar triplet dirler; genetik bilgiyi saklayan kodlar, 3 bazın birleşmesinden meydana gelmişlerdir. 2.Kodlar değişkendir; her aa için birden fazla triplet bulunmaktadır. 3.Kodlar birbiri ile çakışmazlar; yani bir triplet sadece bir aa tanımlar. Yan yana bulunan bazlardan biri, bir önceki veya bir sonraki aa bir parçası değildir. Dolayısıyla kodonlar birbirinden bağımsızdır. 4.Kodlar arasında boşluk yoktur. Yani bakterilerde kodonlar DNA veya mrna üzerinde yan yana aralıksız olarak devam ederler. Diğer bir değişle bakterilerde viruslarda ve ökaryotlarda olan iki gen arasında 2000 yada daha fazla sayıda okunmayan baz sıraları (=intron) yoktur. 5.Kodlar evrenseldir; Bakterilerde bir kodon hangi aa tanımlıyorsa ökaryotlarda da aynı amino asidi tanımlar.
Bakterilerde DNA Formasyonları Bakterilerde DNA başlıca üç yapısal (Topolojik) formda bulunur. 1.Doğrusal (=Lineer) DNA formu bazı fajlarda (lambda, T2, T4, T6, T1, T3 vs) ve viruslerde (adenovirididae vs) genetik materyali oluşturan sarmal DNA iki ucu açık doğrusal formda bulunur. 2.Dairesel DNA formu; bakteriler, bazı fajlar (PM2 vs), viruslar (popavaviridae vs) ve plazmitlerde bulunur. 3.Süper sarmal (süperheliks) DNA formu; fajlarda, plazmit ve virüslerde daha fazla rastlanan bu form çift sarmal DNA nın serbest ortamda kendi etrafında 360 dönmesiyle oluşur. Süper sarmalın sola dönüşlü olanı pozitif süper sarmal veya sağa dönüşlü negatif süper sarmal formunda bulunabilir.
İn vivo koşullarda genellikle negatif süper-sarmala rastlanır. Pozitif süper-sarmal ise daha sağlam ve sıkı yapısal bir özellik taşımaktadır. Süper-sarmal bakteri DNA sının santrifüj edildiğinde daha çabuk çökmesini sağlar. Süper-sarmalların varlığı birkaç yöntemle ortaya koyulabilir; 1.Elektron mikroskobunda doğrudan kontrolle fotoraflanarak belirlenmiş pek çok örnek vardır. 2.Sedimentasyon yöntemi ile süper-sarmal DNA ların daha hızlı çöktüğü belirlenmiştir. 3.Elektroforez yöntemi ile doğrusal DNA iplikleri süpersarmal DNA lardan daha başlangıç noktasına yakın yer alır.
DNA nın süpersarmal durumuna gelmesi ve açılmasında Topoizomeraz enzimleri görevlidir. Bilinen iki tipi vardır. Topoizomeraz I: 100.000 molekül ağırlığında ve monomerik yapıda olan bu enzim negatif süpersarmal DNA nın tekbir ipliğinin açılmasında görev alır. Bu fonksiyonu için enerjiye gereksinim duymaz. Topoizomeraz II: Bu enzim ATP den enerji alarak süpersarmal DNA nın her iki iplikçiğinde açılmalara ve kopmalara yol açar. E. coli de yer alan ve topoizomeraz II ailesinden sayılan DNA giraz dinlenme halindeki DNA da negatif süpersarmallar oluşmasına yol açar. DNA Giraz: 400.000 molekül ağırlığında tetramerik yapıdadır (A2B2). Hücrelerde A alt biriminin B den 10 defa fazla bulunduğu gösterilmiştir. 30 C ta her dakikada 100 süper sarmal oluşturabilir. Bu enzim aynı zamanda bakterilerde replikasyonun ilerlemesinde de önemli rollere sahiptir. Bazı antibiyotiklerin bu enzimi inhibe ettiği bilinmektedir. Bunlar;
Giraz A nalidixic asit, oxilinic asit ve Giraz B coumermycin ve novobiocin tarafından inhibe edilir. Bakterilerdeki DNA nın uzunluğu bakıldığında ise son derece değişken olduğu bulunmuştur. E.coli de DNA nın uzunluğu 1,1-1,5 mm kadardır. Bu bakterinin boyunun 400-500 katı kadardır. 4106 nükleotid çiftinden oluşur ve molekül ağırlığı 2109 Daltondur. E.coli de yaklaşık 3000 gen yer alır. 1000 tanesinden fazlasının yeri bilinmektedir.
PROKARYOTLARDA RNA DÜZENLENMESİ Mikroorganizmalarda DNA kadar önemli olan bir diğer makromolekül de ribonükleik asittir. DNA gibi pirimidin veya pürin bazı, pentoz (D-riboz) şeker ve fosfat molekülünden oluşur. RNA nın yapısında yer alan pirimidin bazlarından Timin yerine Urasil yer alır. Yapı olarak birbirine çok benzeyen bu iki azotlu baz arasında tek fark timinde 5 pozisyonunda yer alan metil gurubu (CH3) yerine hidrojen (H) yer almasıdır. RNA tiplerine baktığımızda, canlılarda 4 farklı şekilde bulunduğunu görürüz. Bunlar; 1.Mesenger (Mesajcı) RNA (mrna) 2.Transfer RNA (trna) 3.Ribozomal RNA (rrna) 4.Primer RNA (prna)
1.Mesenger (Mesajcı) RNA (mrna): DNA ipliklerinden birinde yer alan RNA polimeraz enziminin katalitik etkisi ile genetik bilgileri mrna ya aktarılır (Transkripsiyon). Yeni oluşan mrna kendisine kalıplık yapan DNA iplikçiğine antiparalel bir durum gösterir. Hücrede mrna nın ömrü 2-3 dk kadardır, RNaze lar ile hemen sindirilir. Yapısına bakıldığında 5 ucunda translokasyonu başlatma sinyali veren 30S lik ribosomal alt üniteye bağlanan AUG kodonu bulunur. Bu başlama kodonundan sola doğru Shine Dalgarno (SD) dizisi diye bilinen nükleotid sıraları bulunmaktadır. Bunlar mrna nın 30S ribozom alt birimine daha sıkı bağlanmasın da görev alır. mrna nın iç kısmında yer alan AUG kodonu ise met trna nın özel bağlanma yeridir.
2.Transfer RNA (trna): Protein sentezinde amino açil sentetaz ile aktive olduktan sonra mrna da ki üçlü kodona uygun amino asitleri ribozomlara taşıyan moleküldür. Her aa uygun bir veya birden fazla trna vardır. Morfolojisi 4 yapraklı yoncaya benzer burada en önemli kol antikodon içeren koldur.
3.Ribozomal RNA (rrna): ribozomların aa ile birleşmesinde ve proteine dönüşmesinde rol alır. Ribozomların %60 RNA ve %40 özel proteinlerdir. E.coli de başlıca 3 tip rrna bulunur. Bunlar 5S rrna, 23S rrna, 16S rrna dır. 4.Primer RNA (prna): DNA eşlenmesi sırasında iplikciğin 5 3 yönünde sentezlenmesini sağlar. Ters iplikçikte yön 3 5 ama ters olacağı için burada kesintili sentez yapılır oluşan bu kısa DNA parçalarına Okozaki parçaları adı verilir. Bu parçaların araları polimeraz I enzimi yardımıyla doldurulup, DNA ligaz ile birleştirilir.
DNA NIN FONKSİYONLARI Hücre içinde DNA nın 5 tür temel işlevi bulunmaktadır. Bunlar; 1.DNA Replikasyonu 2.Transkripsiyon 3.Revers Transkripsiyon 4.DNA Tamir Mekanizması 5.DNA Rekombinasyonları
Kaynaklar Brock Biology of Microorganisms, 13th Edition 2012; Madigan M.T., Martinko J.M, Dunlap P.V., Clark D.P.,Pearson Benjamin Cummings,1301 Sansome Street,San Francisco, CA 94111 Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER