DNA’nın Yapısı ve Replikasyonu Biyoloji Ders Notları

A. DNA’NIN KEŞFİ VE ÖNEMİ

İlk olarak Friedrich Miescher (1869) akyuvar hücreleri ve balık sperminde yönetici molekülleri tespit etmiştir. Çekirdekte bulunduğu için nükleik asit adı verilmiştir. Daha sonra çekirdek dışında bakteri sitoplazmasında mitokondri, kloroplastlarda da tespit edilmiştir.

DNA hücrelerde:

Hücrenin yönetimi
Protein sentezinin yönetilmesi ve yürütülmesi
Kalıtsal bilgileri oluşturma
Kalıtsal özellikleri bir sonraki nesillere aktarılması görevini yürütmektir.

DNA’nın kalıtsal bilgi aktardığı ilk olarak Pnömokok teorilerle yapılan deneylerde ispatlamıştır.

Zatürree hastalığına neden olan kapsüllü formu ile hastalığa neden olmayan kapsülsüz formu olmak üzere bu bakterilerin iki formu vardır.

Avery ve arkadaşları bu bakterilerle yaptığı çalışmalarda;

a) Kapsülsüz Pnömokok bakteriler fareye enjekte edildiğinde fare canlı kalmıştır.

b) Kapsüllü Pnömokok bakteriler fareye enjekte edildiğinde farenin öldüğü gözlemlenmiştir.

c) Isıtılarak öldürülmüş kapsüllü Pnömokok bakterileri fareye enjekte edildiğinde farenin ölmediği gözlemlenilmiştir.

d) Canlı kapsülsüz bakteriler ısıtılarak öldürülmüş kapsül bakteriler karıştırılarak fareye enjekte edildiğinde fare ölmüştür.

e) Isıtılmış kapsüllü bakterilerden elde edilen DNA özütü, canlı kapsülsüz bakterilerin bulunduğu ortama bırakıldığından bir süre sonra kapsülsüz bakteriler kapsüllü hale gelmiştir. Bu karışım fareye enjekte edildiğinde fare öldüğü gözlemlenmiştir. Böylece kapsülsüz bakterilerin kapsüllü hale gelmesiyle DNA’nın taşıdığı ispatlanmış olur.

B. DNA’NIN YAPISI

DNA’nın molekül modeli ilk olarak Watson Crick tarafından yapılmıştır. Bu modele göre DNA zincirli sarmal yapıya sahiptir. DNA zinciri nükleotidlerin birbirine ester bağıyla bağlanması sonucu oluşan uzun bir polinükleotit zinciridir.

DNA nükleotid denilen birimlerden oluşur. Bir nükleotidde organik bir baz, beş karbonlu şeker (deoksiriboz) ve fosfat bulunur.

DNA’nın azotlu organik bazlar adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T) dir. Adenin, guanin çift halkalı pürin; sitozin, timin tek halkalı pridimin bazıdır (Urasil pirimidin bazı RNA da bulunur)

DNA da adenin sayısı timin sayısına (A=T) ve guanin sayısı sitozin sayısına (G=C) eşittir. DNA da A+G=T+C dir

Adenin ile Timin arasındaki ikili, guanin ile sitozin arasında üçlü hidrojen bağı bulunur.

C. DNA’NIN REPLİKASYONU (KENDİNİ İŞLEMESİ)

DNA kendini yarı konumlu olarak eşler. Atasal DNA molekülünün hidrojen bağları kopar, iki zincir açılır. Her bir zincir molekülün yeni yarısının sentezinde kalıp görevi yapar. Adenin karşısına timin, guanin karşısına sitozin nükleotidi yerleşir. DNA polimeriz enzimiyle nükleotidler birbirine bağlanarak yeni zincirler oluşur. Bu eşleme sonucunda birbirinin aynı iki DNA molekülü oluşur.

DNA’nın yarı korunumlu olarak eşlenmesi ağır azot (15N) bulunan bir ortamda bakterilerin üretilmesi tespit edilmiştir 15N içeren ortamda çoğaltılan bakteri DNA’ları 14N izotoplu azotun bulunduğu ortamda eşlenmesi sağlanmıştır, birinci bölünme sonucunda DNA’ların %50 melez, %50 hafif azot içeren bakteriler oluştuğu görülmüştür.

Hücrelerde mitoz bölünmede DNA’daki kalıtsal bilgi yeni hücrelere aynen aktarılır, canlının kalıtsal devamlılığı sağlanır.

Gen (Nokta) Mutasyonu

DNA replikasyonu DNA polimeraz enzimi ile hatasız olarak gerçekleştirilir. Eşleme sırasında nadiren bazı hatalar oluşabilir. DNA’nın bir çift nükleotidinde oluşan mutasyonlara gen (nokta) mutasyonu denir. Gen mutasyonu, DNA’da bulunan nükleotit dizisinin sırasının ya da bağlarının değişmesi kaybedilmesi ve eklemesi şeklinde olabilir. Baz sırasının veya AT/GC oranının değişmesi o gene ait enzimin tamamen kaybolması veya etkisinin azalmasına sebep olur

Orak Hücre anemisi gen mutasyonuyla ortaya çıkan kalıtsal bir hastalıktır, hemoglobindeki bir amino asidin yanlış bağlanması sonucu ortaya çıkar.

Ç. RNA’NIN YAPISININ ÇEŞİTLERİ

RNA çekirdek, sitoplazma, ribozom, mitokondri ve kloroplastta bulunan tek nükleotit zincirinden oluşan bir nükleik asittir. Kendini eşleyemez, bütün RNA çeşitleri DNA’dan sentezlenir. Yapısında riboz şekeri bulunur. RNA’da adenin, guanin, sitozin ve urasil bazları yer alır. mRNA, tRNA, rRNA olmak üzere üç çeşit RNA bulunur. Bütün RNA çeşitleri protein sentezinde görev alarak hücredeki yaşamsal olayların yönetiminde DNA’ya yardımcı olur.

Mesajcı RNA (m-RNA): Proteinlerdeki amino asit dizisini belirleyen bilgiyi DNA’dan ribozomlara aktarır. mRNA’daki üçlü baz dizilerine kodon denir.

Taşıyıcı RNA (t-RNA): Sitoplazmadaki serbest amino asitleri ribozomlara taşır. Her amino asit çeşidi için en az bir çeşit t-RNA bulunur. t-RNA’daki üçlü nükleotit dizisine antikodon denir. Antikodonlar her bir t-RNA çeşidine özgüdür ve mRNA üzerindeki kodonu tamamlayacak şekilde baz eşlemesi yapar. Örneğin, DNA’da bulunan AGT şifresi mRNA’daki UCA şeklinde kodon oluşturur. UCA kodonu karşısına ise AGU antikodonu gelir.

Ribozomal RNA (r-RNA): Proteinlerle birlikte ribozomun yapısında bulunur. Hücrelerde en fazla bulunan RNA çeşididir.

D. PROTEİN SENTEZİ

Nükleik asitler, proteinler ile ilgili biyolojik bilgileri taşıyan moleküllerdir. Bir hücrede sentezlenecek proteinin yapısına katılacak amino asit sayısı, yeri, çeşidi ile ilgili bilgiler o hücrede DNA’da bulunan her türün genetik bilgisi farklı olduğundan proteinleri de farklıdır. DNA, mRNA, tRNA, amino asit, enzim, ATP ve ribozom protein sentezinde görev alan başlıca organel ve moleküllerdir.

DNA’da bulunan 4 çeşit nükleotit (A, T, G, C) üçlü kombinasyonları ile 43=64 farklı şifre -genetik kod- elde edilir. DNA’daki her genetik kodu bir aminoasidi şifreler.

Genetik koda göre sentezlenen m-RNA’daki üçlü baz grubuna ise kodon denilir. Dolayısıyla kodonlarda aminoaside şifre verir bütün proteinler sentezinde 20 çeşit aminoasit etkilidir. Bundan dolayı aminoasitleri bazıları birden fazla kodon bulundurur. Ayrıca bazı kodonlarda amino asitler için değil başka işlemler için kullanılmaktadır. Örneğin UAA, UGA, UAG hiçbir aminoasidi kodlamaz, sadece protein sentezi durdurma görevini üstlenir. Durdurma kodonlarının anti kodunu ve şifrelendiğini amino asit bulunmaz. Bu nedenle 64 çeşit kodon olmasına rağmen 61 çeşit antikodon bulunur.

DNA’dan protein molekülüne doğru gerçekleşen tek yönlü bilgi akışına santral dogma denir.

Transkripsiyon: DNA’daki bilgini m-RNA’ya aktarımıdır.

Translasyon: m-RNA’daki bilgiye göre ribozomlarda protein sentezi yapımıdır.

Ökaryot bir hücreden protein sentezi;

Çekirdekteki DNA molekülünün kalıp ipliğinden (anlamlı zincir) m-RNA sentezi ( transkripsiyon) olur.
Sentezlenen m-RNA çekirdek porlarından sitoplazmaya geçer ve ribozomun küçük alt birimine tutunur. Ribozomun büyük alt birimi de küçük alt birime bağlanır.
Her bir amino asit özgül bir enzim ve ATP ile uygun t-RNA’lara bağlanır.
Protein sentezinde m-RNA’daki ilk kodon her zaman metiyonim amino asidini şifreleyen AUG (başlatma) kodonudur. AUG kodonuna uygun antikodon m-RNA’ya bağlanınca protein sentezi başlar.
m-RNA ribozom boyunca her seferinde bir kodon hareket ederken ard arda dizilen t-RNA’lar polipeptit zincirine amino asitleri ekler.
İşlem devam ederken durdurma kodonlarından herhangi biri geldiğinden protein sentezi sona erer.
Sentezlenen protein ribozomdan ayrılır ve m-RNA serbest kalır. Ribozomların alt birimleri de birbirinden ayrılır.

Bir hücre tarafından aynı anda çok çeşitli protein üretebilir. Hücrenin protein sentezleme hızı, hücrenin tipine ve protein büyüklüğüne bağlıdır.

E. BİR GEN BİR POLİPEPTİT HİPOTEZİ

Gen, kendine özgü protein sentezinden sorumlu DNA parçasıdır. Enzimler protein yapılı olduğundan her gen bir enzim sentezler. Buna bir gen bir polipeptit hipotezi denir. Oluşan enzimlerde kendine özgü kimyasal reaksiyonları katalizlediği için genler enzim etkinliklerini belirlemiş ve yönetmiş olur. Gen mutasyon nedeniyle değişirse enzim sentezleyemeyeceği için canlıda çeşitli sorunlar ortaya çıkabilir ya da canlı yaşamını sürdüremez.

Örnekte sentezi gerçekleşen arjinin amino asidinin bir dizi kimyasal reaksiyonla üretildiği görülmektedir. Eğer bu enzimleri sentezleyen genlerden biri mutasyona uğrarsa, reaksiyon o gene ait reaksiyonun işe katıldığı yerde duracaktır. Şayet bu ortama mutasyona uğrayan genin ürünü enzim ilave edilirse reaksiyon kaldığı yerden devam eder, arjinin amino asidi sentezlenmiş olur.

F. GEN VE ÇEVRE İLİŞKİSİ

Kalıtım ve çevre bir organizmaya son şeklini verir. Saç rengi, kan grubu, renk körlüğü gibi bazı karakterler yalnız kalıtıma bağlı olarak ortaya çıkar. Bazı özelliklerin ortaya çıkmasında kalıtım yanında çevre de etkilidir. Farklı ortam koşullarında bir canlının fenotipinde meydana gelen değişikliklere modifikasyon denir. Modifikasyonda genin yapısı değişmez genin işleyişinde değişiklik meydana gelir. Işık, sıcaklık, besin vb. faktörler etkisiyle modifikasyonlar gerçekleşir. Modifikasyonlar sonradan kazanılan özellikleri içerdiğinden dölden döle aktarılmaz. Sadece birey üzerinde görülür.

Modifikasyon örnekleri;

Sirke sineklerinde, kıvrık kanat genotipinde olan döllenmiş yumurtalar 16C’ta gelişirse oluşan bireyler düz kanatlı 25C’ta gelişirse kıvrık kanatlı olur.
Himalaya tipi tavşanlarda kulak, kuyruk, ayaklar siyah, diğer bölgeler beyaz renkli kürk bulundurur. Eğer vücudun beyaz kürk taşıyan sırt kısmındaki tüyler tıraş edilip, buz yastığı konulursa çıkan tüyler siyah renkte olur.
Çevrenin insan gelişimi ve fenotipi üzerindeki etkileri en iyi tek yumurta ikizleri üzerinde görülebilir.