YAŞAMIN EN GİZEMLİ OLUŞUMU=DNA MOLLEKÜLÜ
Johann Gregor Mendel kalıtımla ilgili yaptığı çalışmaların sonucunda henüz kromozom ve genlerin varlığı bilinmemesine rağmen, türsel özelliklerin faktör adını verdiği birimlerle nesilden nesle aktarıldığını söylemiştir. Burada Mendel’in faktör olarak nitelediği birim şüphesiz ki DNA molekülüdür. Fakat DNA molekülünün varlığının bilimsel olarak tespiti için doksan yıla yakın bir zamanın geçmesi gerekmiştir.
1953 yılında Watson ve Crick isimlerindeki iki bilim insanı DNA molekülünün (faktörün) kendine has özelliklere sahip bir çift sarmal yapı halinde bulunduğunu ileri sürdüler.
Bu araştırıcıların önerdikleri DNA yapısı o tarihlerde başka araştırıcılar tarafından ortaya konulan DNA’ya ilişkin önemli bulgulara dayanmaktadır.
Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X-ray ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır.
Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA’nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir.
Ayrıca Tütün Mozaik Virüsü üzerinde yapılan çalışmalar da DNA ile ilgili çalışmalarda ışık tutmuştur.
Bir başka önemli bulguda Chargaff tarafından saptanmıştır.
Herhangi bir türe ait DNA’nın nükleotidlerine (parçalandığında serbest kalan nükleotidlerde) adenin miktarının timine, guanin miktarının da sitozine daima eşit olduğunun saptanmasıdır. Yani Chargaff kuralı‘na göre doğal DNA moleküllerinde adeninin timine veya guaninin sitozine oranı daima 1’e eşittir.
Watson ve Crick bu bulguları değerlendirerek böyle özelliklere sahip DNA makro molekülünün sekonder yapısına açıklayabilmişlerdir.
Birbirlerinden bağımsız dört bileşiğin dev bir molekülde ikişer, ikişer eşit sayılarda bulunması son derece ilginçtir.
=====
Genetik olayların hücrede moleküler düzeydeki temeli genetik materyal görevini üstlenen nükleik asitlerin yapı ve özelliklerine dayanır.
Nükleik asitlerin varlığı Friedrich Miescher tarafından keşfedilmiştir.
Friedrich Miescher özel bir boyama tekniğinden yararlanarak çekirdek içerisinde bazı maddelerin boyandığını görmüş, bu maddelere nükleik asit adını vermiştir.
Nükleid asitler üzerinde yapılan araştırmalar sonucunda; nükleik asitlerin hücre içinde geçen hayatsal olayları yönettiği, kalıtsal özelliklerin yeni hücrelere aktardığı anlaşılmıştır.
Nükleik asitler nükleotit adı verilen yapı birimlerinden oluşur ve oldukça karmaşık kimyasal yapıları vardır.
Nükleik asitlerin iki türü olan deoksiribonükleik asit DNA ve ribonükleik asit RNA temelde aynı yapısal özelliklere sahiptir.
Genler, DNA‘daki bazı kimyasal dizilimler olan nükleotidlerden meydana gelmiştir. Çoğunluk kromozomların içersinde bulunurlar.
Ayrıca DNA molekülü prokaryotlarda (Bakterilerde) kromozom dışı genetik sistem olan plazmidlerde, Ökaryotik hücrelerde genetik materyalin kromozomlar dışında temel olarak hayvan ve bitkilerde mitokondri ve sadece bitkiler ve algler dediğimiz tek hücrelilerdeki kloroplastlarda bulunduğu bilinmektedir.
Diğer ifade ile Nükleikasitler virüsler dahil bütün hücrelerde bulunurlar.
Nükleik asitler hücrelerin en kompleks molekülleri olup önemli fonksiyonlara sahiptir. Canlı hücrelerdeki kalıtsal bilgiyi Hücrelerdeki metabolik olayları düzenleyen enzimler, nükleik asitlerin kontrolünde üretilir. nesilden nesle taşırlar.
Ayrıca mitoz ve mayoz bölünme olayları bu moleküllerin kontrolünde gerçekleşir.
=====
Nükleik asit dizimleri Dna ve Rna olmak üzere iki çeşittir. Prokaryot hücrelerde hem DNA, hem de RNA'lar sitoplâzmada bulunur. Ökaryot hücrelerde; çekirdekte (kromozomların içinde), mitokondri ve kloroplastta hem DNA hem de RNA bulunur. RNA’lar ayrıca ribozomda ve sitoplâzmada mevcuttur.
Karyot hücrelerde başta çekirdek olmak üzere mitokondri ve kloroplast gibi organellerde bulunur.
Prokaryot canlılarda ise sitoplâzmaya dağılmıştır.
Dna çift sarmal yapısına sahiptir.
DNA'nın iskeleti (kolları) şeker ve fosfat moleküllerinden meydana gelmiştir. Yapısına katılan bazla ise karşılıklı olarak aralarında zayıf hidrojen bağı oluşturup iki ipliği bir arada tutmaktadır.
Kromozomlar DNA molekülünden oluşmuştur. Kalıtımla ilgili bilgiler kromozomlarda, dolayısıyla DNA da depolanmıştır.
DNA'lar hücreyi yöneten moleküllerdir. Hücredeki bütün protein çeşitleri DNA'daki nükleotit çeşitlerine uygundur. Yani DNA’daki nükleotit diziliş sırası hücre proteinlerindeki aminoasit diziliş sırasını belirler.
Hücre bölünmesinin temelindeki biyomoleküller olay DNA eşlenmesidir. DNA'nın eşlenmesiyle kromozomlar benzerlerini yapar. Bir bakıma kendilerini kopyalarlar. Bu yolla üreme gerçekleşir.
Bir türe ait bireylerin DNA niceliği aynıdır. Fakat her bireyin kendisine özgü bir DNA niteliği (ayrıntı farklılıkları dizilişi) vardır. Bu farklılığın temel nedeni 4 çeşit nükleotidin binlerce kez değişik şekillerde diziliş çeşitliliğinden kaynaklanır.
Daha önce yazdığımız gibi Adenin sayısı Timin sayısına eşittir (A=T), Guanin sayısı Sitozin sayısına eşit yani G=C’dir.
Adenin ile Timin arasında 2, Guanin ile Sitozin arasında 3 hidrojen bağı bulunur.
Üreme hücrelerindeki DNA miktarı (kromozom sayısı) vücut hücrelerindeki DNA miktarının (kromozom sayısının) yarısı kadardır.
2N bölü 2 miktarındaki bu kromozomlar anne ve babadan gelen yumurta ve sperm kromozomlarıyla birleşerek 2N yani tam bir DNA olur. Bu nedenle yavrular anne ve baba genlerinin karışımıdır.
Anne ve baba genlerindeki ayrıntı farklılıkları birleşmede kombinasyon zenginliğine neden olur. İrsi rahatsızlıklar yavrulara daha zor geçer. Bu nedenle farklılıkların az, benzerliklerin çok olduğu yakın akraba evlilikleri tavsiye edilmez.
DNA'nın bazları arasında belli bir oran vardır. DNA'daki bazların %50 si pürin, %50 si pirimidindir.
DNA'nın en önemli özelliği kendisini eşlemesidir. Bu olaya replikasyon veya duplikasyon denir.
=====
Genetik olayların hücrede moleküler düzeydeki temeli genetik materyal görevini üstlenen nükleik asitlerin yapı ve özelliklerine dayanır. Nükleik asitlerin iki türü olan deoksiribonükleik asit DNA ve ribonükleik asit RNA temelde aynı yapısal özelliklere sahiptir.
Genler, DNA’daki bazı kimyasal dizilimler olan nükleotidlerden meydana gelmiştir. Çoğunluk kromozomların içersinde bulunurlar. Ayrıca DNA molekülü prokaryotlarda (Bakteriler) kromozom dışı genetik sistem, olan plazmidlerde, Ökaryotik hücrelerde genetik materyalin kromozomlar (Nukleus) dışında temel olarak (hayvan ve bitkilerde) mitokondri ve (sadece bitkilerde ve alglerde) kloroplastlarda bulunduğu bilinmektedir.
1953 yılında Watson ve Crick DNA molekülünün kendine has özelliklere sahip bir çift sarmal yapı halinde bulunduğunu ileri sürdüler. Bu araştırıcıların önerdikleri DNA yapısı o tarihlerde başka araştırıcılar tarafından ortaya konulan DNA ya ilişkin önemli bulgulara dayanmaktadır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X-ray ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Ayrıca TMV (tütün Mozaik Virüsü) üzerinde yapılan çalışmalar da DNA ile ilgili çalışmalarda ışık tutmuştur.
Watson ve Crick bu bulguları değerlendirerek böyle özelliklere sahip DNA makro molekülünün sekonder yapısına ait bir model geliştirdiler. Bu modele göre, birçok sorunun açıklanması yapılabildiğinden dolayı 1962 yılında bu iki bilim adamına Nobel Ödülü verildi.
Watson ve Crick’in ortaya koyduğu modele göre:
DNA molekülü, heliks (=sarmal) şeklinde kıvrılmış, iki kollu merdiven şeklindedir. Kollarını, yani merdivenin kenarlarını, şeker (deoksiriboz) ve fosfat molekülleri meydana getirir.
Deoksiriboz ile fosfat grupları ester bağlarıyla birbirlerine bağlanmıştır. İki kolun arasındaki merdiven basamaklarında gelişigüzel bir sıralanma yoktur. Her zaman Guanin (G), Sitozinin (C ya da S); Adenin (A), Timinin (T) karşısına gelir.
Hem pürin (yani adenin ve guanin) ile pirimidin (yani sitozin ile timin) arasındaki hidrojen bağları, hem de diğer bağlar, meydana gelen heliksin düzgün olmasını sağlar.
Pürin ve pirimidin bazları, yandaki şekerlere (Riboz), glikozidik bağlarla bağlanmıştır. Baz, şeker ve fosfat kombinasyonu, çekirdek asitlerinin temel birimleri olan nükleotidleri meydana getirmiştir.
Dört çeşit nükleotid vardır. Bunlar taşıdıkları bazlara göre Adenin, Guanin, Sitozin,Timin şeklinde isimlendirilirler.
DNA molekülü kendini oluşturan nükleotidlerin sayısına bağlı olarak, büyüklüğü türden türe değişen, uzun zincir şeklinde bir yapı gösterir. İnsanda bu zincirin uzunluğu açıldığında 2 metreye kadar varabilir. Bütün halinde var edilmesi zincirin hassas ve kırılgan yapısından ötürü çok güçtür.
İki polinükleotid zincirin şeker fosfat omurgaları, ortak bir eksen çevresinde eşit çaplı ve sağ yöne doğru dönümler meydana getirir.
Nükleotidlerin bazları molekül omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine 90 derece açı yapacak şekilde konumlanmıştır.
Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3,4A dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna 36 derecelik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360 derecelik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34A olur.
İki polinükleotid zincirdeki nükleotidler karşılıklı olarak birbirlerine hidrojen bağları ile bağlanmıştır. Bu bağ fosfor bağları kadar kuvvetli olmadığı için pH değişikliği, sıcaklık basınç gibi faktörlerde kolaylıkla birbirlerinden ayrılabilmektedir.
DNA’nın kendi kopyasını yapması ve gen anlatımı, nükleotidler arasındaki hidrojen bağlarının ayrılması ile gerçekleşmektedir.
Nükleotidler birbirlerine fosfat bağlarıyla bağlanarak, şeker ve fosfat kısımlarının birbirlerini izlediği serilerden oluşan bir omurgaya sahip uzun ve dallanmış polinükleotid zincirlerini meydana getirmiştir.
Kovalent ester bağları veya fosfodiester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir.
Fosfodiester bağlarının varlığı DNA molekülünün tek zincirli yapı halinde iken bile dayanıklı ve stabil yapıda olmasını sağlar. Genetik mühendisliğinin hedeflerinden biri olan klonlama çalışmaları, doğal yolla gerçekleşmesi mümkün olmayan kovalent bağ kırılmalarını gerçekleştirerek yeni türler oluşturma çabalarını içerir.
Nükleotidlerin yapısı bazik olmasına karşın omurgadaki PO4(fosforik asit) grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır.
Hidrojen bağları daima bir pürin(A,G) ile bir pirimidin (T,C) bazı arasından meydana gelir. A-T baz çiftinde 2 hidrojen bağı, G-C baz çiftleri arasında ise 3 hidrojen bağı bulunmaktadır.
Hidrojen bağlarının özelleşmesi; anahtar kilit modelini andıran, uygun nükleotid moleküllerinin karşılıklı gelerek birbirlerine yine uygun sayıda hidrojen bağları ile bağlanmasını sağlar. Böylece zincirin bir kolunda bulunan nükleotidlerin dizilişi, karşı kolda bulunan nükleotidlerin dizilişini bir çeşit dikte ve kontrol eder. Asla tesadüfe bırakmayan bir titizlikle molekül yapısı oluşturulur ve kontrol edilir.
DNA molekülünün en önemli özellik iki poli nükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Pozitif (+) ve negatif (-) iki poli nükleotid zincirlerinin tamamlayıcılık özelliği, genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklanması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinin başında gelir.
DNA çift sarmalının dikkate değer ve önemli bir özelliği, molekülü oluşturan zincirlerin birbirlerinden kolaylıkla ayrılabilmesi ve yeniden birleşebilmesidir.
Protein sentezi ve Dna replikasyonu (kendi kopyasını oluşturması) bu özellik sayesinde meydana gelebilir.
DNA’nın iki zinciri, birbirine sadece H bağları ve hidrofobik etkileşimlerle bağlı olmaları nedeni ile nükleotidleri arasındaki kovalent bağlardaki herhangi bir kopma olmaksızın çözülebilir (denatürasyon).
Aynı şekilde çözülmüş molekülün zincirleri tamamlayıcı bazları arasında H bağlarının oluşumu ile birleşip sarmal yapıyı yeniden oluşturabilir. (renatürasyon).
Nükleotidler arasındaki fosfor bağlarının kopması nedeniyle nükleotidlerin yerine başka nükleotid veya nükleotid dizisinin geçmesi mutasyonlara yol açar. Bu mutasyonların tek zincirli RNA molekülünde oluşma olasılığı çift zincirli DNA molekülüne göre daha fazladır.
Mutasyonların neticeleri hayati fonksiyonları bozabileceğinden ölümcül olabilir. Evrimsel gelişim içinde mutasyonların menfi ya da müspet etkileri göz ardı edilemeyecek noktadadır. Günümüzde viral hastalıkların başında gelen AIDS’in önüne geçilememesinin en geçerli nedeni genomu tek zincirli RNA olan virüsün sürekli mutasyonlar geçirerek kendini sürekli yenilemesi gösterilebilir.
Yukarıda DNA ve DNA molekülleri hakkında biraz ayrıntılı bilgi vermeye çalıştık. Böyle bir bilgi vermemizin nedeni DNA ve RNA makro moleküllerinin rastlantılarla oluşup oluşmayacağı konusunda okuyucuya fikir verme amacını gütmektedir.
Bu arada verdiğimiz bilgilerin yüzeysel olduğunu, adı geçen moleküllerin yapı ve dizilimlerinde bir canlının tüm ayrıntılarıyla bütünsel özelliklerinin kayıtlı olduğunu hatırlatalım.