Moleküler Evrim, İlk Hücre PDF

Moleküler Evrim, İlk Hücre ve Çok Hücreli Yaşam Öğr. Gör. Dr KÜBRA PASPAL EROĞLU 2023-2024 ~ 13.7 Milyar Yıl önce (Büyük Patlama) Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu 1 Milyon yıl sonra soğuma, basit ilk...

Moleküler Evrim, İlk Hücre ve Çok Hücreli Yaşam Öğr. Gör. Dr KÜBRA PASPAL EROĞLU 2023-2024 ~ 13.7 Milyar Yıl önce (Büyük Patlama) Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu 1 Milyon yıl sonra soğuma, basit ilk elementlerin ortaya çıkışı (H ve Helyum). Sonra diğer elementlerin (Fe, Ni…) oluşumu (milyonlarca yılda) ~ 4.5 Milyar yıl önce Dünyanın oluşumu (Atmosferde N2, CO2, H2O, H2 , CH4 ….gazları) Bu inorganik moleküllerden organik moleküller (amino asitler, fosfat, gliserol, şekerler, yağ asitleri, nükleotitler) Yaşamın başlangıcı, RNA Dünyası ‹#›  Yerkürede yaşam öncesi evreler: Yükleniyor… Atılan hipotezlere göre değişiklik göstermektedir. Yer kürede yaşamın başlangıcı ve evrim süreci birkaç evreyi kapsar: -Prebiyotik evre ve RNA öncesi Dünya, -RNA öncesi dönemden kendini kopyalayabilen RNA dünyasına geçiş -RNA dünyasından günümüz DNA/protein dünyasına geçiş ‹#›  Evrim, her bir organizmanın benzer fakat bire bir aynı olmayan atalardan oluşması işlemidir. Buna göre bütün organizmalar ortak bir atayı paylaşırlar. Darwin evrim mekanizmasını doğal seleksiyon olarak açıklamıştır.  CHARLES DARWİN (1809 – 1882) EVRİM HİPOTEZİ 1. Dünya çok yaşlıdır ve organizmalar hayat tarihi boyunca düzenli bir şekilde değişmektedir. Yükleniyor… 2. Bütün organizmalar tek bir ortak atanın torunlarıdır. 3. Türler, kardeş türlere bölünerek çoğalmaktadır, bu şekilde türleşme dünyada bulunan büyük canlı çeşitliliğini sağlamıştır. 4. Evrim, dramatik şekilde farklı tipteki  Bireyler arasındaki hafif varyasyonlar, bir bireyin hayatta kalma ve üreme şansını önemli şekilde etkiler Bireylerin bu farklılaşan üreme başarısı doğal seleksiyon olarak adlandırılır. Yapay seleksiyon; istenilen özellikleri üretecek bitki ve hayvanların çaprazlanması olayıdır  BİYOLOJİK EVRİM Bir canlı topluluğunun nesiller boyunca genetik özelliklerinde oluşan değişikliklerdir. Aşamaları: eşey hücresinin genetik yapısında değişimler ve genetik çeşitlilik organizmada biyolojik özellik değişimi seçilenlerin üremesi  seçilen özelliğin topluluğa MOLEKÜLER EVRİM Moleküler evrim : -makromoleküllerin evrimi -genlerin ve organizmaların evrimsel tarihinin yeniden yapılandırılmasıdır. “Makromoleküllerin evrimi” : genetik materyallerdeki (DNA ve RNA) değişikliklerin karakterizasyonu, onların ürünlerinin (proteinlerin veya RNA moleküllerinin) evrim süresi boyunca gösterdiği değişikliklerin oranları ve izlerinin belirlenmesidir. Yaşamın iki temel evresi: Kimyasal evrim süreci (Prebiyotik dönem) (~1-1,5 milyar yıl): Organik moleküller, proteinler, polimerler, ve ilk (ilkel) hücre yapısı oluşumu için kimyasal tepkimeler. Yükleniyor… Biyolojik evrim süreci (~ 3.7 milyar yıl): Tek hücreden çok hücrelilere geçiş ve tür çeşitlenmesi ‹#›  PROBİYOTİK EVRİM Alexander Oparin ve John B.S. Haldene Bizim bildiğimiz oksijence zengin atmosferde yaşam için gerekli olan kompleks organik moleküllerin oluşamayacağını ileri sürdüler. Oksijen diğer moleküllerle kolaylıkla reaksiyona girerek kimyasal bağlarını yıkar ve bu moleküllerin basit olarak kalmasını neden olur.  Oparin ve Haldene ilk atmosferin oksijence fakir, hidrojen gazı, metan ve amonyak bakımından zengin olduğunu ileri sürdüler. Bu şartlar altında canlılık cansız maddelerden kimyasal reaksiyonlarla oluşabilecekti. Bu kimyasal evrim işlemi probiyotik evrim veya hayatın mevcudiyetinden önceki evrim olarak adlandırılmaktadır. Bu dönemde; Prebiyotik karışımlardan amino asitlerin ve purinlerin (A,G) oluşumu Formaldehitten riboz şekerin oluşumu Aktif nükleozid monomerlerin polimerizasyonu gerçekleştiği tahmin edilmektedir.  ORGANİK MOLEKÜLLERİN ORTAYA ÇIKIŞI (ABİYOTİK KİMYASAL EVRİM) Oparin: İlk kez “organik çorba” önerisi/hipotezini öne sürdü (1935’de yayımlandı) Stanley Miller : İlk kez bu hipotezi test etti (1953)  Ferris laboratuarda prebiyotik çorba hazırlamış ve içine kil montmorillonit ilave etmiştir. Montmorillonit doğal olarak oluşan, organik moleküllerin kolaylıkla tutunabildiği bir alüminyum-silikat kilidir. Aktif hale getirilmiş nükleotitler montmorillonite tutunursa, kil kataliz olarak hareket eder ve polinükleotit bir zincirde bunları birlikte bağlamayı başarır. Kile bağlı iken polinükleotitler hidrolizlerinden daha hızlı meydana gelirler Ferris bir oligonükleotit primerden aktif nükleotit ilavesiyle uzun süre tekrarlayarak 40 nükleotitten daha uzun bir poliadenilat sentezlemeyi başarmıştır. Bu gözlem Oparin-Haldane modelinin ikinci basamağının bir deneysel desteğini teşkil etmektedir.  MİLLER-UREY DENEYİ-1953 Bir haftalık sürekli bir işlemin ardından Miller ve Urey sistemin içindeki karbonun en az %10-15 kadar bir kısmının organik bileşik oluşturduğunu gözlemlemişlerdi. Karbonun yüzde iki kadar bir kısmının da, canlıların hücrelerini oluşturan proteinlerin oluşumunda kullanılan amino asitleri, bol olarak da glisinin oluşturduğunu görmüşlerdi. Şekerler, lipitler ve nükleik asitlerin bazı yapıtaşları da oluşmuştu. Stanley Miller, "Basit bir prebiyotik deneyde kıvılcım oluşturmak bile 20 amino asidin 11'inin ortaya çıkmasını sağlar." demiştir.  BİYOLOJİK EVRİM SÜRECİ Biyolojik evrim süreci (~ 3.7 milyar yıl): Tek hücreden çok hücrelilere geçiş ve tür çeşitlenmesi  Hangisi önce oluştu? Hipotezler: Önce; - DNA dünyası - RNA dünyası - Protein dünyası - RNA ve protein birlikte  RNA DÜNYASI HİPOTEZİ RNA, bilgiyi depolama ve taşıma kapasitesine ve biyolojik iş yapabilme yeteneğine sahip olduğundan, şu anda yaşamın kökenine gidilen yolda, proteinler ve DNA’nın ikisinin de önünde olduğu düşünülmektedir. Bu temelde oturan yaşamın kökeni ile ilgili hipoteze RNA dünyası (yaşamın tümüyle RNA üzerine kurulu olduğu bir zaman) hipotezi denilmektedir Bir proteinin yardımı olmaksızın RNA’nın replikasyonu, RNA dünyası hipotezinin temelidir. Kendini replike eden RNA’nın ortaya çıkmasıyla başlar, ribozom ya da protein sentezinin gelişmesiyle sona erer.  Kendisinin ya da diğer RNA moleküllerinin replikasyonunu yapabilen RNA’ların bir kısmı muhtemelen küçük proteinleri kodlamaya ve sentezlemeye başlamıştır. Ribozimler, kendini çoğaltabilen katalitik özelliklere sahip RNA yapısında ilk kompleks moleküllerdir. Ribozomlar, ribozimlerden gelişmiştir.  Ribozim, "ribonükleik asit enzimi"nin kısaltılmışıdır. Ribozim, aslında temel olarak bir RNA molekülüdür. Bu molekülün üçüncül (tetriary) yapısı sayesinde, kalıtım materyali haricinde, aynı zamanda bir enzim olarak çalışmakta ve kimyasal tepkimelerin aktivasyon enerjisini düşürebilmektedir. Ribozim kimyasal yapısından ötürü, ortamda kendisini oluşturacak ve yazı dizimizin nükleotitler bulunduğu sürece, kendi kendisini üretme tepkimesini tetikleyecek bir yapıdadır. Bu tip yapılara bilim dünyasında oto- katalizör denmektedir.  RNA DÜNYASINDAN DNA DÜNYASINA GEÇİŞ RNA’dan tarafından kodlanan proteinlerin bir kısmı daha etkin işlev kazanarak (Seçilerek) RNA replikasyonu için gerekli katalizi üstelenmeye başlamıştır Bu olaylar daha kompleks proteinleri kodlayabilen daha uzun RNA sarmallarının oluşmasına yol açmıştır Bu proteinlerle DNA molekülünün sentezi ve replikasyonu sağlanabilmiştir.  DNA’DAN ÖNCE RNA’NIN OLDUĞUNU DÜŞÜNDÜREN KANITLAR DNA’ya özgü bir baz olan Timin’in RNA’nın özgün bazı olan Urasil’in metilasyonuyla oluşabilmesi, DNA sentezi sırasında zorunlu olarak başlangıç-primer RNA’ya gereksinim duyulması, RNA’nın katalizör olarak kullanılması gösterilebilir.  Evrimsel süreçte DNA, RNA’ya üstün geldi; çünkü DNA Pek çok geni taşıyabilmektedir. Çift sarmal yapıda olduğundan RNA’ya göre daha stabildir. Bir sarmaldaki hasar ya da nükleotit eksilmeleri diğer sarmalın kalıp olarak kullanılmasıyla giderilebilmektedir. RNA protein sentezinde aracı olarak kullanılmaktadır.  RNA’DAN DNA’YA GEÇİŞ Çift sarmal RNA’dan çift sarmal DNA’ya geçiş RNA nükleotidlerinin yerini DNA nükleotidlerinin almasıyla mümkündür. Bunun için de RNA–bağımlı RNA polimerazın yerine RNA- bağımlı DNA polimerazın geçmesi ve ardından da DNA- bağımlı DNA Polimerazın ortaya çıkması gerekir. ‹#›  Çift sarmal DNA’dan transkripsiyon (RNA sentezi) B. Çift sarmal DNA’dan RNA sentezi çift sarmal RNA’dan RNA sentezine benzer. Farklılık, sentezi yapan RNA polimerazın kalıp olarak DNA’nın bir sarmalını kullanmasıdır. Yükleniyor… ‹#›  Moleküler fosiller RNA Dünya Hipotezi için Öne Sürülen Moleküler Fosil Kanıtları : 1) RNA, hem bir katalist (ribozimler) hem de genom olarak işlevseldir (RNA virüsleri) - 52 nt ‘lik RNA moleküllerinin enzimatik aktiviteleri gösterilmiştir. 2) DNA polimerazlar sentez için her zaman RNA primerleri kullanır. 3) Doğada dNTP’ler, rNTP’lerin indirgenmesiyle oluşur. ‹#›  Protein Dünyası (In)organik kimya Prebiyotik metabolizma RNA Dünyası proteinler Erken yaşam sürecinde, bazı özgün amino asitler özgün üçlü nükleotidler tarafından çekilerek,kısa peptidlerin oluşması sağlandı. İlk oluşan proteinler, oldukça küçük (10 a.a) ve büyük olasılıkla yalnızca bağlanma ve stabilize etme işlevine sahip peptidlerdi. Sonraki süreçte daha stabil daha özgün işleve sahip oldular. ‹#›  RNA ‘DAN PROTEİN DÜNYASINA GEÇİŞ Proteinler, katalizör olarak ribozimlerden daha etkili olmuştur. Çünkü proteinler, ribozimlerden çok daha fazla çeşitlilik oluşturabilmiştir: Ribozimler; 4 farklı nükleotitten oluşurken Protein yapısındaki enzimler: 20 farklı amino asitten oluşmaktadır. Bu nedenle proteinler; daha iyi katalisttir. zarların yapısına katılabilirler. substratlara bağlanabilirler. Günümüzde ribozimler, çok eski ortamda var olmuş (çok eski zamandan kalmış) bir RNA iskeletidir. ‹#› RNA Hipotezi ve ötesi; özetle: Nükleotitleri içeren prebiotik çorba Rastgele kısa dizilimli RNA molekülleri Kendini kopyalayan katalitik RNA dizileri ve seçici replikasyon RNA ile katalizlenen özgün peptidlerin artan rolü RNA genomlu ve RNA-protein katalizli ilkel protein sentez sisteminin gelişimi Genomik RNA’dan DNA’ya kopyalama ‹#› DNA genomu ve RNA-protein kompleksli (Ribozom)protein sentezi  Evrimin moleküler kanıtları Tüm organizmalar hemen hemen aynı genetik şifreyi kullanırlar. Prokaryotlarda, arkea ve mitokondrilerdeki 16S rRNA (ve ökaryotik 18S rRNA) genleri (küçük ribozomal alt birim RNA’ları) evrensel olarak korunmuş gendir. Tüm canlılarda bulunur. Ribozomda peptidil transferaz aktivitesi rRNA ile olur; Ribozom bir ribozimdir. Mitokondri (AEROBIC BACTERIA kökenli) ve kloroplastlar (CYANOBACTERIA kökenli)-endosimbiyoz. ‹#›  PROKARYOTLAR Prokaryotlar, evrimin erken aşamalarında birbirinden ayrılan arkebakteriler ve bakteriler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Su ve diğer organizmalar gibi çok geniş bir dizi ortamlarda yaşarlar. Bakteri hücrelerinin çoğu, 1-10 µm çapında küresel, çubuk şeklinde veya spiral şeklindedir. En büyük ve en gelişmiş prokaryotlar, fotosentez mekanizması gelişmiş olan siyanobakterilerdir.  ÖKARYOTLAR Tüm ökaryot hücreler de plazma zarı ile çevrilidir ve ribozom içerirler. Ancak, ökaryot hücreler çok daha fazla karmaşıktır ve bir nukleus ve çeşitli sitoplazmik organellere sahiptirler. Nükleus, DNA replikasyonunun ve RNA sentezinin olduğu bölgedir. RNA’nın proteinlere translasyonu sitoplazmadaki ribozomlarda gerçekleşir. Sitoplazmik organeller tarafından oluşturulan bölümleşme, ökaryot hücrelerin etkin bir biçimde görevlerini yerine getirmelerini sağlar. Bu organellerden ikisi, mitokondriler ve kloroplastlar enerji metabolizmasında önemli rol oynarlar  Ökaryot hücreler diğer bir iç organizasyon düzeyine daha sahiptirler. Sitoplazmada boydan boya uzanan protein ipliklerinden oluşmuş bir ağ şeklindeki hücre iskeleti, hücrenin şeklini ve sitoplazmanın genel organizasyonunu belirleyerek hücrenin yapısal çatısını oluştururlar. Ayrıca, hücre iskeleti hücrelerin hareketinden (örneğin kas hücrelerinin kasılması) ve hücre bölünmesi sırasında kromozomların hareketi dahil, organellerin ve diğer yapıların hücre içinde taşınmaları ile yerleştirilmelerinden sorumludurlar.  SİMBİYOTİK YAŞAM Bugün yaşayan tüm canlıların "Son Evrensel Ortak Ata"sı olan SEOA, gezegende var olan tüm canlılarla aynı genetik şifreyi kullanan bir prokaryottur. Uzun canlılık tarihi içerisinde, SEOA'nın ardından gelen nesiller, evrimle çeşitli değişiklikler geçirdi. Canlılık tarihindeki böylesi sıçramaların en önemlilerinden birkaç tanesi, bağımsız yaşayan tek-hücrelilerin kurduğu ortaklıklar sayesinde gerçekleşti.  ENDOSİMBİYOTİK YAŞAM Ortakyaşamın (simbiyozun) mutualizm olarak bilinen biçiminde, iki farklı organizma, birbirleri olmadan sağ kalamayacakları ortaklaşa bir yaşam şekli kurar. Endosimbiyoz (içten-ortakyaşam) ise ortakyaşarlığın öyle bir şeklidir ki, ortaklardan biri diğerinin içinde yaşar. Endosimbiyotik Kuram altında incelenen olaylardan en sık söz edilen iki tanesi, eskiden bağımsız birer bakteri olan mitokondri ve kloroplastın, artık hücre organeli hâline gelmiş olmasıdır. ENDOSİMBİYOSİS Lynn Magulis,1960: ‘’ökaryotik hücrelerinin ataları bir ya da daha fazla prokaryotik hücrenin ‘simbiyotik konsorsiyum’oluşturması’’ Fotosentetik bakteri kloroplast O2’li solunum yapan bir bakteri mitokondri. ‹#›  Ökaryot hücrenin bu şekilde Endosimbiyoz Hipotezini Destekleyen Bulgular  İlk çok hücreli organizmalar, var olan tek hücreli Çok Hücrelilere Geçiş formlardan gelişti. Koloniler oluşturdu. Çok hücreli organizasyonların oluşumu, (1.5 milyar yıl önce) hücrelerin birbirine yapışmasına ve farklılaşmasına bağlıdır. ‹#›  Genlerin Oluşumu ve Genlerin Çeşitlenmesi Bakteri, arkea ve ökaryotik genom: ortak 60 gen Ribozomal RNA genleri, ribozomal protein ve protein sentezi.  Gen evrimi Yeni genlerin de kökeni önceki genlerdir. - İntragenik mutasyonlar - Gen duplikasyonları - Gene/segment shuffling - Horizontal transfer Genoma, yeni genler (ve işlevleri) eklenerek morfolojik karmaşıklık artmıştır. İşlevsel önemi daha az olan moleküller (ya da molekülün parçası) daha fazla değişime uğrar. ‹#›  Gen/Genom Duplikasyonu Gen duplikasyonu, evrimde yeni genlerin oluşması için gen deposu sağlar. TİPLERİ - Duplikasyon tam bir gende olabilir, - Genin bir parçasında olabilir (parsiyel, gen içi ya da gen dışında), - Tam bir kromozom olabilir (aneuploidi), - Kromozomun bir parçası olabilir (birkaç gen duplike olabilir) - Tüm genom olabilir =poliploidi(yeni genler ve gen aileleri için yer açar). ‹#› DNA duplikasyon mekanizmaları Eşit olmayan crossing-over (DNA’da peşpeşe (tandem) kopyalar oluşturur) Mobil elementler (transpozon, retrotranspozon), Virüsler, Exon shuffling, New function Pseudogene ‹#›  Duplikasyon sonrası gen kopyalarının evrimsel sonu (kaderi): Genin her iki kopyası da orijinal işlevini korur (daha çok ürün elde edilebilir). Her iki kopya orijinal işlevini korur, ancak farklı doku ya da farklı zamanda ifade edilir. Bir kopyada mutasyonların birikmesiyle Kodlayıcı yeni işlev kazanılır. bölgeler Bir kopya kaybolabilir ya da bir kopyada Gen düzenleyici bölgeler zararlı mutasyonların birikmesiyle işlevsiz olur ve pseudogen oluşur. Hem kodlayıcı ve hem düzenleyici bölgeler değişebilir; her bir gen subfonksiyonal özellik kazanır. ‹#›  Ekzon karıştırımı: var olan bir gene yeni bir ekzonun sokulması ya da aynı gende bir ekzonun duplikasyonuyla gene bir ekzon katılması olayıdır. Karıştırım, eşit olmayan crossing-over ile de oluşur. Ekzon karışımıyla organizmaya evrimsel süreçte avantaj sağlayan yeni bir kimerik protein oluşturulmaktadır. ‹#›  Endosimbiyozis ile horizontal gen transferi olmuştur. Konjugasyon, transdüksiyon ve transformasyon da horizontal gen transfer örnekleridir. ‹#›  Homolog genler: Ortak atasal bir DNA/gen dizisinden gelen iki gendir. İki tipi vardır. Ortolog gen: farklı canlılarda bulunan benzer işlevli proteinleri kodlar. Paralog gen : farklı yapı ve işlevi olan proteinleri kodlar ‹#› TEŞEKKÜRLER =)