2. Nükleik Asitlerin Yapısı ve Özellikleri
Nükleik Asitlerin Kalıtım Materyali Olduğunun İspatlanması
Ökaryotik organizmalarda genetik rekombinasyon olayı uzun zamandan beri biliniyor olmasına rağmen, 1940’lara kadar geçen sürede, genetik materyal olarak kalıtsal özelliklerin aktarılmasında nükleik asitlerden ziyade proteinlerin rol aldığına inanılmıştır. Bu inancın ise başlıca üç temel nedeni bulunmakta idi:
i. Proteinlerin, hücre içerisinde nükleik asitlere oranla daha fazla bulunması. Hücreler arasında oldukça değişkenlik gösterse de genel olarak, bütün hücrelerin kuru ağırlıklarının yaklaşık %50’si proteinlerden oluşmaktadır.
ii. Nükleik asitlerin, sadece dört tipteki nükleotidlerin sürekli olarak tekrarlanmasıyla meydana gelen büyük moleküller olduğunun sanılması ve bu moleküllere göre daha kompleks olan ve 20 farklı amino asitin oluşturduğu proteinlerin, genetik bilgiyi taşımak için daha uygun olduğuna inanılmasıdır. O tarihlerde sadece bitkilerden izole edilen RNA molekülleri ise maya nükleik asidi olarak adlandırılmakta ve bu nedenle, bitki ve hayvan hücrelerindeki nükleik asitlerin farklı olduğuna inanılmakta idi.
iii. Bu inanışa katkıda bulunan üçüncü faktör ise, genetik alanında o yıllarda daha aktif olarak sürdürülen araştırmalar olmuştur. 1940 yılından önce genetikçilerin çalışmalarının çoğu, transformasyon genetiği ve mutasyonlar ile ilgili idi. Bu alanda yapılan çalışma sonuçları ise, gerçek kalıtım materyalinin ne olduğunu belirlemek için yapılan çalışmalara duyulan heyecanı köreltmiştir. Böylece proteinler, kalıtım materyali olarak ümit vaad edici olarak görülmüş ve bu görüş kolyca benimsenmiştir.
Bakterilerde gen aktarım mekanizmaları ile yapılan çalışmalardan elde edilen ve DNA’nın kalıtsal materyal olduğunu destekleyen kanıtlardan en önemlisi ise bakterilerde transformasyon (dönüşüm) olayıdır. Transformasyon bir çeşit rekombinasyon olup (organizmalar arasında genetik bilginin değiştirilmesi veya birinden diğerine transferi) iki bakteri hücresinin doğrudan teması veya virüs ve plazmid gibi herhangi bir aracı moleküle gereksinme duyulmadan gerçekleşen gen aktarımıdır.
Daha sonraki yıllarda, DNA’nın genetik materyal olduğunu ve aynı zamanda, virüslerin genetik materyallerinin de nükleik asitlerden oluştuğunu kanıtlayan bir deneysel çalışma ise Hershey ve Chase (1952) tarafından yapılmıştır.
Nükleik Asitlerin Yapısını Meydana Getiren Elemanlar
Nükleik asitler, biyolojik bilgi taşıyan ve bu bilgilerini yavru hücrelere aktarabilen önemli moleküllerdir. Hücredeki bütün fizyolojik olaylar, bu informasyon molekülleri tarafından programlanırlar. Nükleik asitler, monomerleri nükleotidler olan çok büyük polimer moleküllerdir. Bir nükleotid molekülü hidroliz edildiği zaman, üç farklı elemandan meydana geldiği görülür. Bu elemanlar:
i. Fosforik asit.
ii. Pentoz şeker (riboz veya deoksiriboz).
iii. Pürin (Adenin ve Guanin) ve primidin (Sitozin, Timin ve Urasil) bazlarıdır.
Nükleik asitlerin monomerik birimleri olan nükleotidler, aynı zamanda hücrenin intermediyer metabolizmasında da önemli fonksiyonlara sahiptirler. İki ayrı tip protein molekülü birbirlerinden nasıl içerdikleri amino asitlerin karakteristik yan zincirlerine (alkil gruplarına) göre ayırt ediliyorsa, nükleik asitler de nükleotidlerin içerdiği karakteristik halka yapıdaki organik bazlara göre birbirlerinden ayırt edilebilmektedirler. Nükleik asitlerin yapısına katılan nükleotidler iki çeşittir. Bunlar, DNA moleküllerinin yapı taşları olan deoksiribonükleotidler ve RNA’nın yapı taşları olan ribonükleotidler’dir.
Nükleotidlerin, dolayısı ile nükleik asitlerin yapısında iki tip pentoz şeker bulunur.
Bunlar, deoksiribonükleotidlerin yapısında yer alan deoksiriboz ve ribonükleotidlerin yapısında yer alan riboz şekerleridir. Gerek deoksiriboz ve gerekse riboz, nükleotidlerin yapısında furanoz formunda bulunurlar (Şekil 2.5). Deoksiriboz ve riboz şekerlerinin farkı, deoksiribozun 2. karbon atomunda (C2) ribozdan farklı olarak bir oksijen eksiktir. Bu farkı belirtmek üzere, ikinci karbon atomunda bir oksijen eksik anlamında, 2-deoksiriboz adı verilmektedir.
Nükleotidlerin yapısında yer alan ikinci molekül ise fosforik asit (H3PO4)’tir. Şekil 2.5’de fosforik asit molekülünün yapısı görülmektedir.
Nükleotidlerin yapısında yer alan üçüncü tip molekül ise, karbon ve azot atomlarının ardışık olarak birbirlerine kovalent olarak bağlanması ile meydana gelen organik bazlardır. Bu bazlar pürin ya da primidin türevleridir (Şekil 2.5).
Nükleotidlerin yapısına katılan primidin türevi bazlar timin (T), sitozin (C) ve urasil (U) olmak üzere üç; pürin türevi bazlar ise adenin (A) ve guanin (G) olmak üzere iki çeşittir. Bu beş çeşit bazdan timin yalnızca DNA’nın, urasil ise yalnızca RNA’nın yapısına katılır. Timin ve urasil arasındaki tek fark, timinin 5’pozisyonunda (C5) bir metil grubunun bulunmasıdır*. Öteki üç baz, yani sitozin, adenin ve guanin ise gerek DNA’nın gerekse RNA’nın yapısında yer alırlar. Şekil 2.5’de pürin ve primidin türevi bazların moleküler yapıları görülmektedir. Bu şekilden de görüldüğü gibi, pürinlere primidinlerin bir türevi olarak bakılabilir. Çünkü pürinler, birbirlerine kaynaşmış bir primidin ve bir de imidazol halkasından meydana gelmişlerdir.
Şekil 2.5: Nükleik asitleri oluşturan elemanların moleküler yapıları
Nükleotidlerin Yapısı
Pürin bazları olan adenin ve guanin moleküllerinin 9. pozisyonundaki azot atomuna bağlı bulunan H atomu ile pentoz şekerin 1' numaralı karbon atomunda bulunan OH grupları arasında bir H2O molekülü çıkarak kimyasal bir bağ oluşur. Oluşan bu bağa, β-N-9,1'-glikozid bağı (β- N-glikozid bağı), oluşan moleküle de içermiş olduğu pürin bazının adına uygun olarak adenin- , guanin-nükleosid denir (Şekil 2.6).
Primidin bazları olan sitozin, timin ve urasil moleküllerinin ise, 1. pozisyonundaki azot atomuna bağlı bulunan H atomu ile pentoz şekerin 1' pozisyonunda karbon atomuna bağlı bulunan OH grupları arasında, bir H2O molekülü çıkarak oluşan kimyasal bağa ise β-N-1,1'- glikozid bağı (β-N-glikozid bağı), oluşan moleküle de içermiş olduğu primidin bazının adına uygun olarak sitozin-, timin-, veya urasil-nükleosid denir.
Oluşan pürin ve primidin nükleosidleri ile fosforik asit arasında ise, nükleosidin yapısındaki pentoz şekerin 5' karbonundaki OH grubu ile fosforik asitin OH grubunun H atomu
arasında, bir H2O molekülünün çıkması ile oluşan bağa ise 5'-fosfat ester bağı denir. Oluşan molekül ise taşımakta olduğu pürin ya da primidin bazının adına uygun olarak adenin-, guanin- , sitozin-, timin-, urasil-nükleotid adını alır (Şekil 2.6). Nükleotidler, sahip oldukları fosfat grubu nedeni ile kuvvetli asit özelliği gösterirler. Öte yandan, yapılarında pürin ve primidin bazlarının yer almasından dolayı da 250 ile 280 nm dalga boyları arasındaki UV ışığını kuvvetli bir şekilde absorbe ederler.
Nükleik Asitlerin İskelet Yapısı ve Çeşitleri
Deoksiribonükleotidlerin birbirlerine kovalent bağlarla bağlanması sonucu DNA molekülleri, ribonükleotidlerin bağlanmasıyla da RNA molekülleri meydana gelir. Gerek DNA ve gerekse RNA moleküllerini meydana getirmek için nükleotidler birbirlerine fosfodiester köprüleri ile bağlanırlar. Bir fosfodiester köprüsü (bağı), birinci nükleotidin 3' nolu karbon atomundaki OH grubuna, ikinci nükleotidin 5' nolu karbon atomundaki fosfatın OH grubunun bağlanıp bir molekül H2O çıkarmasıyla kurulur. Şekil 2.7’de de görüldüğü gibi, iki nükleotid arasında oluşan bağa 3'5'-fosfodiester bağı denir.
Üçüncü bir nükleotidin de, aynı şekilde, ikinci nükleotidin 3 nolu karbon atomuna bağlanmasıyla nükleik asit zincirinin sentezi 5'-3' yönünde devam eder. Diğer nükleotid monomerleri de bu şekilde bağlanarak uzun polinükleotid zincirlerini meydana getirirler.
Böylece, sentezlenen nükleik asit zincirinin büyüme ucunun bir 3'-OH grubuna sahip olduğu
anlaşılır. Senteze girmeden önce, 5'-trifosfat halinde olan nükleotidlerin iki fosfatı, fosfodiester bağının kurulması sırasında gerekli enerjinin elde edilmesi için harcanır. Dolayısı ile nükleik asit molekülünün yapısına girmiş olan nükleotid, monofosfat halindedir.
Şekil 2.8’den de görüldüğü gibi, gerek DNA ve gerekse RNA omurgası, birbiri arkasına dizilmiş fosfat ve pentoz moleküllerinden oluşmuştur. Nükleik asitlerin iskelet yapısında, pürin ve primidin bazları yer almazlar. Bunlar, bu iki molekülü (DNA ve RNA) birbirinden ayıran yan zincirlerin yapısını oluşturur. Bu durum, polipeptitlerin yapısını kuran amino asitlerin R gruplarının durumuyla benzerlik gösterir.
Bu şekilde meydana gelen polinükleotid zincirinin bir ucunda 5'-fosfat serbest kalırken, diğer ucunda ise 3'-hidroksil grubu serbest kalmaktadır. Polinükleotid zincirinin serbest kalan bu uçlarına 5'-fosfat (P) ve 3'-hidroksil (OH) uçları adı verilir. Çift-sarmallı bir DNA polinükleotid zincirinin yapısında adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T) bazlarının yanı sıra deoksiriboz şeker ve fosforik asit bulunur (Şekil 2.8 ve Şekil 2.9). Tek-zincirli bir RNA polinükleotid zincirinin yapısında ise adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve urasil (U) bazlarının yanı sıra riboz şeker ve fosforik asit bulunmaktadır.
DNA çift-zincirini oluşturan heliksin iç tarafında bazlar, dış tarafında fosfatlar ve pentoz- deoksiriboz şeker bulunur (Şekil 2.8). Dışa dönük fosfatlar iyonlaşarak negatif yüklü polar uçlar meydana getirirler.
Deoksiribonükleik Asit (DNA)
DNA ilk kez, F. Miescher tarafından, irin hücreleri ve som balığının sperm hücrelerinin nükleuslarından izole edilmiştir. Farklı tip hücrelerden ve virüslerden izole edilen DNA molekülleri, içerdikleri nükleotid monomerlerinin oranları, nükleotidlerin sırası ve moleküler kütleleri bakımından birbirlerinden farklılıklar gösterirler. Bazı organizmaların DNA’ları o kadar büyüktür ki, yapısını bozmadan onu hücreden izole etmek gerçekten çok zordur.
Ökaryotik hücrelerde, kromozom sayısı kadar DNA molekülü bulunurken, prokaryotik hücrelerde genel olarak bir tane kromozomal DNA molekülü bulunmaktadır.
Şekil 2.8.DNA ve RNA moleküllerinin iskelet yapısı
DNA İkili Sarmalı
DNA’nın çift-heliks modelini ilk defa, 1953 yılında Watson ve Crick isimli araştırmacılar ortaya atmışlar ve çizdikleri bu DNA modeli ile Nobel ödülü kazanmışlardır. Bu iki araştırmacı, DNA modelinin hazırlanmasında, DNA’nın X-ışınları difraksiyonunundan (kırılmasından) elde ettikleri fotoğraflardan yararlanmışlardır. Bu model, DNA’nın kendini eşlemesini (replikasyon), transkribe olmasını (bilgisini RNA’ya aktarması) ve DNA üzerinde meydana gelen mutasyonları çok güzel açıklamaktadır.
Bazı virüslerin DNA molekülleri tek-zincirli olmasına rağmen bütün hücresel organizmalarda DNA molekülleri, birbirlerinin komplementeri olan iki nükleotid zincirinden meydana gelmiştir. DNA molekülünü oluşturan bu iki polinükleotid dizi ise birbirine anti-
parelel bir şekilde yapılanmaktadır. Bunun nedeni ise, DNA molekülündeki komplementer bazlar arasında meydana gelen H bağlarının oluşumunun özgüllüğü, iki polinükleotid zincirindeki fosfodiester bağlarının birbirine göre ters yönde olmasına yol açar. Bunun anlamı ise, DNA molekülünü oluşturan iki zincirin yönlerinin birbirine zıt olması yani, zincirin bir ucu 5'-P ile başlarken buna komplementer olan zincirin ise 3'-OH ucu ile başlaması demektir. Bunun sonucu olarak da bir DNA molekülünü oluşturan iki zincirden birisi 5' den 3' ne doğru bulunurken, buna komplementer olan zincir 3' den 5' ne doğru sıralanmaktadır (Şekil 2.8 ve Şekil 2.9). Buna rağmen, DNA molekülünü oluşturan iki zincir, doğrusal olarak yan yana duran DNA molekülünü oluşturmaz. Bu iki nükleotid zinciri, birbiri etrafında sağa doğru helikal kıvrımlar yaparak çapı 0,19 nm olan yay şeklinde bir yapı oluşturur. DNA çift-zincirinde yer alan her bin baz-çiftinin (1 kbp) uzunluğu ise 0,34 nm dir. DNA polinükleotid zincirinin oluşturduğu bu heliks yapı, her 10 nükleotidde bir dönüş yapar. Bu nedenle, 1 kilobaz (kb) büyüklüğündeki bir DNA molekülü 100 dönüş yapmaktadır ve bu molekülün uzunluğu ise 0,34 Lm (0,34 nm x 100 = 34 nm = 0,34 Lm)’dir. Bu a-heliks dönüş hareketleri sırasında bir küçük, bir de büyük olmak üzere iki oluk meydana gelir (Şekil 2.9). Bu iki polinükleotid zincirini bir arada tutan kuvvetler ise omurgadan eksene doğru çıkıntılar yapan ve karşılıklı komplementer bazlar arasında meydana gelen hidrojen (H) bağlarıdır. Hidrojen bağları, zayıf bağlar olduğundan ısınma ve değişik fiziksel ve kimyasal faktörler ile birbirlerinden ayrılarak DNA zincirinin birbirinden ayrılmasına neden olabilirler. Daha sonraki bölümlerde de ayrıntılı olarak ele alınacağı gibi, özellikle DNA molekülü ile ilişkili olan çok önemli proteinler bulunmaktadır.
Genel olarak bu proteinler, DNA molekülünün büyük oluğu ile ilişkilidirler ve DNA üzerinde proteinlerle kaplanmayan oldukça fazla boşlukların oluşmasını sağlarlar. DNA çift- sarmalındaki büyük olukların regülatör görevi görmesinden dolayı, büyük oluklarda (ve bazan küçük oluklarda) yer alan bazlarda bulunan bazı atomlar her zaman dışarıya dönüktürler. Büyük oluklarda bulunan ve proteinler ile ilişkili olan bu atomlar ise Şekil 2.10’da gösterilmektedir.
DNA replikasyonu sırasında ise DNA çift-zincirini örten bu proteinler, unvinding (kıvrım açıcı) proteinler aracılığı ile birbirinden ayrılmaktadır. Birbirinden ayrılan her bir DNA zinciri ise kendilerinin komplementeri olan DNA zincirlerinin sentezlenmesinde kalıp olarak kullanılırlar.
DNA molekülünün büyüklüğü ise moleküler kütle cinsinden ifade edilebilir fakat tek bir nükleotidin moleküler kütlesinin 330 Da (dalton*) civarında bulunması ve bir polinükleotid zincirinin çok sayıda nükleotidten oluşması nedeni ile, DNA moleküllerinin moleküler kütleleri çok büyük olmaktadır. Örneğin, çok küçük bir virüs DNA’sının moleküler kütlesi dahi milyonlarca daltondur. Hücrelerdeki DNA’ların moleküler kütleleri ise milyarlar ile ifade edilmektedir. Bu nedenle, DNA moleküllerinin kütlelerini ifade etmenin daha güvenli bir yolu ise bu moleküllerdeki nükleotid sayılarının belirtilmesidir. Böylece, 1000 bazdan oluşan bir DNA molekülü 1 kilobaz (kb) DNA olarak ifade edilmektedir. Şayet, DNA molekülü çift- zincirli ise bu molekülün büyüklüğü kilo baz-çifti (kbp) olarak ifade edilmektedir. Böylece,
5000 baz uzunluğunda çift-zincirli bir DNA molekülünün büyüklüğü ise 5 kbp olarak ifade edilmektedir. E. coli’nin kromozomal DNA’sı ise 4600 kbp’den oluşmaktadır.
DNA çift-zincirinde, bir zincirde bulunan nükleotidler karşı zincirde bulunan komplementerleri ile H bağı yaparlar. Bir zincirde yer alan adenin nükleotidi, karşı zincirde bulunan timin nükleotidi ile H bağı oluştururken, guanin nükleotidi sitozin nükleotidi ile H bağı oluşturmaktadır (Şekil 2.9 ve Şekil 2.10). H bağlarının oluşumlarını sağlayan faktör, pürin ve primidin bazlarındaki aktif kimyasal gruplardır. Bu fonksiyonel gruplar ise guaninin birinci, timin ve urasil bazlarının üçüncü pozisyonundaki -NH gruplarıdır. Sitozinin ikinci, timin ve urasilin dördüncü, guaninin ise altıncı pozisyonundaki koto (-C=O) gruplarının O atomları kuvvetli elektron (e) negatiftirler. Bu nedenle, kısmi pozitif (+) yüklü H’lerle H bağı yapma eğilimindedirler. Aktif kimyasal gruplar aracılığı ile DNA çift-zincirinde yer alan nükleotidler arasında karşılıklı H bağları oluşmaktadır. DNA ikili polinükleotid zincirinde karşılıklı gelen guanin ve sitozin (G, C) nükleotidleri arasında 3 H bağı, adenin ve timin (A, T) nükleotidleri arasında ise 2 H bağı meydana gelmektedir (Şekil 2.10).
