Tıbbi Biyoloji: Nükleik Asitlerin Yapısı ve Bileşenleri PDF

TIBBİ BİYOLOJİ Nükleik Asitlerin Yapısı ve Bileşenleri Prof. Dr. Fatma Filiz ARI  Nükleik Asitler Tüm canlılarda ve virüslerde bulunurlar. C, H, O, N ve P atomları içeren “nükleotid” alt birimlerinden oluşurlar. Nükleik asitlerin...

TIBBİ BİYOLOJİ Nükleik Asitlerin Yapısı ve Bileşenleri Prof. Dr. Fatma Filiz ARI  Nükleik Asitler Tüm canlılarda ve virüslerde bulunurlar. C, H, O, N ve P atomları içeren “nükleotid” alt birimlerinden oluşurlar. Nükleik asitlerin 2 tipi vardır: DNA (DeoksiriboNükleik Asit) ve RNA (RiboNükleik Asit) Canlı organizmaların hücrelerinde gerçekleşen temel olayları yönettikleri için “yönetici moleküller” olarak isimlendirilirler. DNA, tüm genetik özelliklerin depolanmasında RNA, bu bilgilerin işlenmesi/ekspresyonu/ifade edilmesinde işlev görür.  DNA’nın Keşfi Her hücre bölünmesinden önce DNA replikasyon yoluyla kopyalanır ve yavru hücrelere aktarılır. Böylece kalıtsal özellikleri taşıyan genetik şifreler nesilden nesile taşınır. DNA’nın genetik şifreyi taşıyan molekül olduğu bilgisine tarihsel süreç içinde nasıl ulaşılmıştır? DNA’nın keşif süreci 4 döneme ayrılabilir.  Birinci dönem (1869-1943): DNA’nın varlığının keşfi DNA, ilk olarak 1869’da İsviçreli doktor Friedrich Miescher tarafından hücrenin çekirdeğinde keşfedilmiştir. Asidik özellik gösteren bu moleküle, çekirdek asidi anlamında “nükleik asit” adı verilmiştir. O yıllarda, genetik bilgiyi bulunduran ve hücreden hücreye taşınmasında rol alan molekülün Protein yapısında olduğu düşünülüyordu. Çünkü proteinler, hücre kuru ağırlığının yaklaşık yarısını oluşturan ve hücreden hücreye farklılık gösterebilen moleküller olarak canlılardaki farklılığın kaynağı olarak görülüyordu.  İkinci dönem (1944-1952): DNA’nın kalıtsal bilgiyi taşıdığının ispatı 1944’de Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty zatürreye neden olan Streptococcus pneumoniae bakterisi ile yaptıkları çalışmada DNA’nın genetik madde olduğunu ispatladılar (kapsüllü S. pneumoniae izolatından kapsülsüz S. pneumoniae izolatına aktarılan ve kapsül oluşumu sağlayan molekülün DNA olduğunu gösterdiler). 1952’de DNA’nın genetik bilgiyi taşıdığını ispatlayan bir diğer çalışma ise Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından bakteriyofajlar kullanılarak yapılmıştır.  Üçüncü dönem (1953-1973): DNA’nın yapısının keşfi ve replikasyonu, genetik kodun doğası ve işlemesi araştırmaları Biyolog James Watson ve Fizik mühendisi Francis Crick 1953’te DNA’nın çift iplikli ve sarmal yapısını buldular / 1962 Nobel Ödülü  DNA yapısının keşfinde kimyager ve X-ışını kristalografı Rosalind Franklin’in de katkısı büyüktür. DNA'nın çift sarmal olduğunun bulunmasında X-ışını kırınımı resimleri kilit rol oynamıştır. Eğer 38 yaşında kanserden ölmeseydi o da Nobel Ödülünü paylaşabilirdi.  Dördüncü dönem (1973-günümüze): -Kromozomun yapısı, Gen ekspresyonu gibi hücrenin moleküler detayları ve mekanizmaları keşfedildi. -DNA dizin analizi, PCR, Klonlama gibi yöntemler geliştirildi. Genetik hastalıkların Moleküler Tanısı Gen Tedavisi gibi Tıbbi yaklaşımlar uygulanmaya başlandı. -Tüm bu gelişmeler Biyoteknoloji ve Genetik Mühendisliği gibi yeni bilim dallarının ortaya çıkmasına sebep oldu.  DNA ve RNA nükleotidlerden oluşan polimerik yapıya sahiptir Nükleotidler 3 bileşenden meydana gelir  PENTOZ ŞEKERİ Nükleotidler adını taşıdığı 5 karbonlu şekerden alır Ribonükleotidler RİBOZ şekeri Deoksiribonükleotidler DEOKSİRİBOZ şekeri taşır AZOTLU BAZLARIN iskelet yapısı Pürin bazları 2 halkalı Primidin bazları 1 halkalı AZOTLU BAZ çeşitleri  Nükleotidi oluşturan bağlar son derece özgüldür Azotlu bazlar, şekerin C-1’ atomu ile bağ kurar Fosfat grubu, şekerin C-5’ atomu ile bağ kurar Nükleotidler hücrede 4 farklı fonksiyona sahiptir 1) nükleik asitlerin alt üniteleridirler 2) hücrede kimyasal enerjiyi taşırlar 3) birçok enzim kofaktörlerinin bileşenleridirler 4) hücresel haberleşme aracı olarak rol alırlar  Nükleotid Monomerlerinden Nükleik Asit Polimerlerinin Oluşması  Polimerizasyon sırasında, her bir NTP molekülü yapıya eklenirken ikişer adet fosfat grubunu kaybeder Oligonükleotid (≤ 20) Polinükleotid (≥ 20) 1000 (1000 nükleotitden oluşan bir zincir 4 kombinasyon ile Nükleik Asit Polimerlerinin yapısı  Nükleik Asit Polimerlerinin büyüklüğü/uzunluğu Bir nükleik asit polimerinin büyüklüğü moleküldeki BAZ veya BAZ ÇİFTİ sayısı olarak ifade edilir: Tek iplikli ise baz (b) Çift iplikli ise baz çifti (bp) 1 kilobaz (kb) = 1.000 b 1 megabaz (mb) = 1.000 kb = 1.000.000 bp Ör: 5000 baz çiftinden oluşan bir DNA sarmalı 5 kbp E. coli (Escherichia coli) bakterisinin genom uzunluğu 4640 kbp (4.64 megabaz çifti = Mbp) DNA MOLEKÜLÜ  DNA’nın yapısal özellikleri DNA’nın iki nükleotid zinciri sarmal (heliks) yapıdadır. İki zincir birbirine ANTİ-PARAREL’dir. Hidrofilik şeker-fosfat iskeleti molekülün dış kısmında yer alır. Fosfatlar negatif yük taşır. Hidrofobik bazlar heliksin iç kısmında dizilmişlerdir. İki zincir birbirlerine bazlar arası kurulan H-bağı ile bağlanırlar. İki zincir birbirinin tamamlayıcısıdır (KOMPLEMENTER) A-T arasında 2 H-bağı ve G-C arasında 3 H-bağı bulunur. DNA’nın yapısal düzenlenişi DNA’da baz eşleşmeleri  A:T ve G:C baz eşleşmesi DNA’nın genetik açıdan en önemli özelliğidir. Sağa dönüşlü sarmalın uzaydaki konformasyonu, Watson-Crick’in verilerine en uygun olanıdır.  Chargaff kuralı Bir canlı türünün DNA molekülü nükleotidlerine parçalandığında: Adenin = Timin (A=T) A/T= 1 Guanin = Sitozin (G=C) G/C= 1 Pürin sayısı = Primidin sayısı (A+G = T+C) Amino gruplu baz = Keto gruplu baz (A+C = G+T) Toplam Nükleotid = Şeker sayısı = Fosfat sayısı A+T/G+C oranı aynı türün bireylerinde sabit-karakteristik, türler arasında farklılık gösterir. DNA’nın yapısal özellikleri  DNA’nın Fiziksel Özellikleri Laboratuvarda; yüksek ısı ile bir DNA’nın iki zincirini ayırmak (de-natürasyon) ve ısıyı düşürerek bu zincirleri tekrar birleştirmek (re-natürasyon) mümkündür.  DNA’nın DENATÜRASYONU VE RENATÜRASYONU Isı ile denatürasyona erime (melting) denir. DNA’nın 260 nm’deki absorbsiyonu sıcaklığa karşı grafiklenirse bir erime profili elde edilir. Bu eğrinin orta noktasına erime sıcaklığı (Tm=Temperature of melting) denir. Bir başka ifadeyle; bir DNA molekülünün çift sarmalının %50 sini tek zincir haline getirmek için gereken ısı derecesine Erime sıcaklığı (Tm) denir. G-C zengin DNA’lar denatürasyona daha dirençlidir.  Farklı DNA formları DNA’nın farklı özellikler gösteren çeşitli formları vardır. Bu formlar: DNA’nın bulunduğu ortamın sıcaklığına, tuz iyonu konsantrasyonuna ve baz içerine bağlı olarak değişebilmektedir.  B-DNA Watson ve Crick modeli olarak da bilinir. Fizyolojik koşullarda en yaygın görülen DNA formudur. Sarmal sağa dönüşlüdür ve çapı 20 Å’dür (2 nm). Sarmalın her tam dönüşünde 10 nükleotid bulunur.  A-DNA Su dışında birçok çözeltide oluşan bir formdur. Sarmal sağa dönüşlüdür ve çapı 23 Å’dür. Sarmalın her tam dönüşünde 11 nükleotid bulunur. DNA-RNA hibrit moleküllerinde de rastlanır.  Z-DNA Sarmal sola dönüşlüdür ve çapı 18 Å’dür. Sarmalın her tam dönüşünde 12 nükleotid bulunur. G ve C nükleotid tekrarları içerir.  Ökaryotik hücrelerde, DNA zinciri Histon proteinleri yardımıyla organize olarak kromozomları oluşturur  Ekstra kromozomal DNA’lar Bazı organeller kendilerine ait ekstra kromozomal DNA’lara sahiptir (Hayvan hücrelerinde mitokondriler ve Bitki hücrelerinde mitokondri + kloroplastlar). Bu DNA’lar çift sarmal, fakat halkasal yapıdadır Hücrenin toplam DNA sının %0.1 ini oluştururlar Her iki DNA da histon tipi proteinlere sahip değildir  GENOM NEDİR? Tek hücreli bir organizmada ve çok hücreli bir canlının her bir vücut hücresindeki tüm DNA’ya Genom adı verilir. Ökaryotlarda her kromozomdan 2 kopya bulunduğu için diploid genom, prokaryotlarda ise 1 kopya bulunduğu için haploit genom kavramı kullanılır. Haploid (n) insan genomu 23 kromozomda paketlenmiştir (3 milyar baz çifti içerir ve uzunluğu yaklaşık 1 metre) Yeni doğmuş insanda ~10 trilyon hücre,~1kg DNA ve ~1-2 gram Mitokondriyal DNA bulunur GENOM büyüklüğü türden türe farklılık gösterir. RNA’nın yapısı ve çeşitleri RNA molekülleri tek zincirlidir. DNA’ya kıyasla: daha az kararlıdır, boyutları çok daha küçüktür.  RNA’ların görevleri Toplam RNA’nın ~ %85’i rRNA, %10’u tRNA ve %5’ini mRNA oluşturur. mRNA’lar DNA’daki genlerin RNA kopyalarıdır ve ribozomlarda protein sentezi için kalıp olarak kullanılır. Boyutları dizisini aldığı genin büyüklüğüne göre değişen mRNA’lar (~ 500-2000 baz) işleri bittiğinde hızla parçalanır. rRNA’lar ribozomları oluşturan ribonükleoprotein komplekslerinin yapısal elemanıdır. mRNA’ların ribozoma yerleşmesinde ve genetik kodun okunmasında rol alırlar (Bir ribozomun ~ % 65’i rRNA’dır). tRNA’lar ~75-95 baz uzunluğunda, kısmi çift zincirli bölgeler içeren ve biyolojik aktivitelerine uygun üçüncül yapıya sahiptir. Kendilerine özgü amino asitleri bağlar ve ribozoma taşırlar. DNA ve RNA’nın özelliklerinin karşılaştırılması