DNA'nın Yapısı (PDF)

4-DNA’nın Yapısı Prof. Dr. Ali İrfan GÜZEL Doç. Dr. Ebubekir DİRİCAN BŞEÜ-Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı 05.01.2024 (10.30)-CUMA Öğrenim Hedefleri DNA’nın yapısal özelliklerini açıklar. DNA tiplerini açıklar. DNA’nın kimyasal özelliklerini açıklar. DNA’NIN YAPISI ve GENEL ÖZELLİKLERİ NEL...

4-DNA’nın Yapısı Prof. Dr. Ali İrfan GÜZEL Doç. Dr. Ebubekir DİRİCAN BŞEÜ-Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı 05.01.2024 (10.30)-CUMA Öğrenim Hedefleri DNA’nın yapısal özelliklerini açıklar. DNA tiplerini açıklar. DNA’nın kimyasal özelliklerini açıklar. DNA’NIN YAPISI ve GENEL ÖZELLİKLERİ NELERDİR? DNA’nın Yapısı ve Özellikleri  Tüm canlıların ve bazı virüslerin biyolojik faaliyetleri için gerekli genetik talimatları taşıyan molekülü Deoksiribo Nükleik Asittir (DNA).  DNA, canlının özelliklerinin nesilden nesile geçmesini sağladığı için kalıtım molekülü/materyali olarak da adlandırılmaktadır.  Prokaryotik canlılarda (bakteriler gibi) DNA hücrenin içinde dağınık biçimde bulunur.  Ökaryotik canlılarda ise (hayvanlar ve bitkiler gibi) DNA hücre çekirdeğinde bulunur (organellerden mitokondri ve kloroplastlarda da DNA bulunmaktadır).  DNA hücre bölünmeleri sırasında replikasyon (kopyalama, sentez) yoluyla iki katına çıkartılarak yavru hücrelere aktarılır (kalıtılır).  DNA’daki bilgi transkripsiyon (yazım) ile RNA’ya aktarıldıktan sonra, translasyon (dönüşüm) ile protein haline çevrilebilmektedir. DNA’nın yapı ve fonksiyonu ile moleküler düzeyde ilgilenen bilim dalına Moleküler Genetik denmektedir.  Moleküler genetiğin en heyecan verici hedeflerinden biri DNA hakkındaki bilgileri kullanarak bu molekülün Genetik Materyal olarak nasıl çalıştığını anlamaya çalışmaktır. Birtakım moleküler teknikler kullanılarak genlerin yapısı belirlenmekte ve bunların nasıl ifade edilerek canlının kalıtsal karakterlerini yönettiği anlaşılmaya çalışılmaktadır. Son yıllarda, DNA hakkındaki bilgiler kullanılarak geliştirilen bir çok moleküler teknolojiler; gen mühendisliği, biyoteknoloji, biyokimya, hücre biyolojisi ve mikrobiyoloji gibi bilim dallarının vazgeçilmezi haline gelmiştir. DNA, kimyasal olarak birbirine benzeyen yalnızca 4 tip (A, T, G, C) alt birimin oluşturduğu uzun bir polimerik moleküldür.  Genetik Materyal yapısına göre; üç değişik şekilde adlandırılır:  DNA: Kalıtım materyalinin moleküler formu olup, 4 farklı nükleotitden (A, T, G ve C) oluşan bir polimerdir.  Kromatin: DNA’nın bir takım özel proteinlerle birlikte kompleks oluşturarak hücre çekirdeği içinde bulunduğu formudur.  Kromozom: Kromatinin ileri düzeyde yoğunlaşıp katlandığı ve özel bir şekilde paketlendiği formu olup bölünme evrelerinde mikroskopla görülebilir. Hücrede anne ve baba kopyaları halinde her bir kromozomdan iki adettir. Kromozom sayıları türe özgü olmamakla birlikte her türün bireylerinde aynı sayıdadır.  İnsanda 23 çift (46 tanedir). DNA’NIN MOLEKÜLER YAPISI NASILDIR? DNA’nın moleküler yapısı üç düzeyde incelenebilir; 1. Nükleotitleri: Yapısal birimleri, 2. DNA İpliği: Nükleotilerin birbirlerine bağlanması ile oluşan lineer polimerik yapı, 3. Çifte Sarmal (double helix) Yapısı: İki DNA ipliğinin bir arada bulunduğu üç boyutlu form. 1. DNA’daki Nükleotidler Nükleotid: Bir nükleotid birimi şeker, fosfat ve baz olmak üzere üç grubun birbirlerine bağlanmasıyla meydana gelmektedir.  DNA’da nükleotidler (A, T, C, G) polinükleotid zincirini oluşturmak üzere birbirlerine bağlanırken, bir nükleotidin şekerinin 3. karbonuna bağlı OH grubu ile diğer nükleotiddeki şekerinin 5. karbonuna bağlı fosfat grubu arasında bir ester bağı kurulur (bu şekilde kurulan yeni bağ ile iki nükleotit arasında bir fosfat grubunun ortaklaşa kullanılmasıyla toplamda iki ester -fosfodiester- bağı kurulmuş olur). Çok sayıdaki nükleotid molekülleri bu şekilde polimerize olarak polinükleotid zincirini oluştururlar. Bir polinükleotid zincirindeki bazların dizilişi şifrelediği genetik bilgiye göredir ve çifte sarmallı yapıdan dolayı da iki iplik birbirinin tamamlayıcısıdır (komplementeridir).  DNA replikasyonu esnasında baz eşleşmesi yapılacağı zaman sarmaldaki zincirler açılır (iki ayrı kalıp oluşur) ve her birinde aynı prensiple tekrar baz eşleşmesi gerçekleşir (DNA replikasyonu konusunda detaylı olarak anlatılacaktır).  Bu durum, genetik materyalin nesiller boyunca doğru ve tam olarak kopyalanmasına imkan sağlamaktadır. DNA NİÇİN URASİL YERİNE TİMİN BAZI TAŞIYOR? DNA niçin Timin içerir? Hücre canlı olduğu sürece DNA’sı stabil (kararlı) kalmalı! (bazı arkeler için yıllar boyu). Zamanla sitozin kendiliğinden (deaminasyonla) urasile dönüşür. Hücrede bulunan Onarım Enzimleri bu “mutasyonları” tanır ve bu U’ları tekrar C’lere dönüştürür. DNA’da T yerine U olsaydı, onarım enzimleri mutant U’ları doğal U’lardan ayıramazdı. Bunun sonucunda DNA ‘da rastgele dizi değişiklikleri olurdu. Doğa bunun üstesinden U’ların yerine T’leri koyarak gelmiştir. Üretimi enerjetik olarak daha ekonomik ! Üretimi için daha fazla enerji gerekir ! DAYANIKSIZ ! DAYANIKLI ! 2. DNA İpliği: Nükleotitler birbirlerine fosfodiester bağları ile kovalent olarak bağlanarak DNA ipliğini (polinükletid zincirini) oluştururlar.  Zincirin bir ucunda şekerin fosfat grubu bağlı 5. karbonu (5’) ve diğerinde ise yine şekerin OH grubu bağlı 3. karbonu (3’) açık kalır. Ayrıca zincirin uzaması da daima bu uca nükleotit ilavesiyle gerçekleştiğinden (bir kural olarak) polinükleotid zincirindeki nükleotidler 5’→3’ yönünde okunur. DNA’NIN ÇİFT ZİNCİR HELİKS YAPISININ ÖZELLİKLERİ NELERDİR? 3. Çift Sarmal (double helix) Yapısı: James Watson ve Francis Crick 1953 yılında, DNA molekülü üzerine yaptıkları ayrıntılı çalışmalar ve diğer bilim insanları tarafından da elde edilen bulguları birleştirerek hücredeki genetik bilgi taşıyıcısı olan DNA molekülünün çift sarmallı (double helix) yapıda olması gerektiğini ileri sürmüşler ve bunu tasarladıkları bir modelle de göstermişlerdir. James Watson ve Francis Crick DNA sarmalının Sağ-el ve el dönümlü yapısı Sol-  X-Işınları kırılımı (Kristallografisi): Watson-Crick, DNA çift sarmal yapısını tasarlarken, DNA molekülünün Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins tarafından elde edilen DNA’nın kristal yapısı Xışını kırınımı (difraksiyon) görüntüsünden de faydalanmıştır (1951). Bu araştırmacılar DNA’nın karakteristik bir X-ışınları kırılım görünümünü meydana getirdiğini gösterdiler.  Elde edilen görünüm molekülün bir çeşit sarmal yapıda ve 3.4 A0 uzaklığında tekrarlayan azotlu bazların varlığına sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır.  Erwin Chargaff kuralı (1950): 1. DNA’nın baz içeriği türler arasında farklılık gösterir. 2. Aynı türün değişik dokularından izole edilen DNA Erwin Chargaff molekülleri aynı baz kompozisyonuna sahiptir. 3. Bir canlının DNA molekülündeki baz kompozisyonu yaş, beslenme ve çevresel değişimlerden Pürin = Pirimidin etkilenmez. 4. Canlı türlerine bakılmaksızın, DNA’daki pürin bazlarının miktarı= Pirimidin bazların miktarına eşittir. Adenin miktarı = Timin miktarına Guanin miktarı = Sitozin miktarına. Yani A + G = C+ T A+G=C+T A+T≠C+G Chargaff’in sonuçları Daha sonra başka bilim insanları da Chargaff’in sonuçlarına yakın veriler elde etmiştir. James Watson ve Francis Crick’in modellemesini yaptığı DNA molekülünün çifte sarmallı (double helix) yapısının özelliklerini daha detaylı inceleyecek olursak; Çift Sarmal (double helix) Yapısı 1. Molekül 2 adet polinükleotid zincirinden oluşmaktadır. 2. İki zincir birbirine sarılı vaziyettedir. 3. Zinciri oluşturan iplikler birbirine antiparalel olarak uzanmaktadır. Yani birinin yönü 5’3’, diğeri ise 3’5’ dür. 4. Her bir ipliğin fosfat ve şeker moleküllerinden oluşan omurgası dış taraflarda yer alır. 5. Orta tarafta yerleşen bazlar orta eksen çizgisine dikeydir. 6. İplikler karşılıklı bazlar arasında kurulan hidrojen bağları ile bir arada tutulur. 7. Omurgadaki fosfor grubundan orta eksen çizgisine olan mesafe 1 nm’dir. DNA Molekülü antiparalel bir yapıya sahiptir. 8. Zincirin bir ipliğindeki primidin bazı diğer ipliğindeki pürin bazı ile eşleşir (hidrojen bağı kurar). Bu şekildeki eşleşme moleküle 2 nm’lik (20A0) bir genişlik kazandırır. 9. Heliksin döngüleri sırasında iki oluk (yarık) oluşur; geniş olan büyük oluk (major groove), dar olan ise küçük oluk (minor groove) olarak adlandırılır. DNA ile etkileşim kuran proteinler buralara yerleşir. Oluğa yerleşen bir protein zinciri açmadan nükleotitleri okuyabilir. 8. Heliksin her döngüsü 3.4 nm (34A0) olup bu mesafeye 10 adet nükleotit yerleşir. 9. Baz eşleşmesi kuralından (A-T, G-C) dolayı zincirdeki ipliğin biri diğerinin eşleniğidir (komplementeri). Bu durum, başta kopyalanma olmak üzere DNA molekülünü ilgilendiren bir takım aktiviteler için çok önemlidir. WATSON-CRİCK’İN İLERİ SÜRDÜĞÜ DNA MODELİ HANGİ MOLEKÜLER MEKANİZMALARIN ANLAŞILMASINI MÜMKÜN KILMIŞTIR? Watson-Crick’in ileri sürdüğü DNA modeli 1. Genetik bilginin nasıl şifrelendiği, 2. DNA replikasyonu ve genetik bilginin nasıl kalıtıldığı (nesillere aktarımı), 3. Genetik bilginin nasıl ifade edildiği (ekspresyon). DNA’DA NEDEN PÜRİN-PİRİMİDİN BAZ EŞLEŞMESİ GÖRÜLÜR?  DNA molekülündeki çift iplikli yapı oluşurken baz eşleşmeleri standarttır: Adenin (A) daima Timin (T) ile 2 hidrojen bağı oluşturarak, Guanin (G) ise daima Sitozin (C) ile 3 hidrojen bağı oluşturarak eşleşir. 2 nm (20 Å)  Nükleotit eşleşmesi ancak Pürin-Primidin şeklinde olduğunda genişliği 2 nm olarak belirlenen DNA zincirine uymaktadır. KAÇ TİP DNA FORMU VARDIR? Heliks yapısına göre DNA molekülleri farklı formlarda bulunabilmektedir; B, A, Z sağ 11 baz sağ sol 10 baz 12 baz B-DNA DNA’nın standart formu olup WatsonCrick modeline uyan ve aşağıda özetlenen özelliklere sahip formudur: 1. DNA molekülü (normal fizyolojik koşullarda) hücre içinde en kararlı bu formda bulunur. 2.Sağ-el sarmalıdır. 3. Ardışık bazlar arasında 3.4 Å mesafe vardır. 4. Sarmalın her bir tam dönüşü 34 Å. 5. Sarmalın her dönüşünde 10 baz çifti yer alır. 6. Sarmalın çapı 20 Å (2nm)’dir. A-DNA 1. Yüksek tuz konsantrasyonunda ya da sudan yoksun çözeltilerde dehidrasyon koşullarında baskın olan yapıdır. 2. Biyolojik koşullarda bulunması şüpheli görülmektedir. 3. B-DNA’ya göre daha sıkı bir yapısı vardır. 4. Sağ-el sarmalıdır. 5. Çapı 23-26 Å olan sarmalın tam bir dönüşünde 11 baz çifti yer alır. 6. Bazlar sarmalın eksenine göre eğik ya da yatay olarak yer değiştirmiştir. 7. Bu farklardan dolayı büyük ve küçük oluğun görünümü farklıdır. Z-DNA 1. Sadece G-C baz çiftleri içeren sentetik oligonükleotidler incelenirken bulunmuştur. 2. Sol-el sarmalıdır. 3. A ve B-DNA’da olduğu gibi baz eşleşmesi ile birbirini tutan iki antiparalel zincir bulunur. 4. Sol el sarmalın çapı 18 Å’dur. 5. Her dönüşte 12 baz çifti bulunur. 6. Zigzak konfügürasyonuna sahiptir. 7. B-DNA’da bulunan büyük oluk Z-DNA’da neredeyse kaybolmuştur. DNA’nın formları SÜPERSARMAL DNA YAPISI HANGİ ORGANİZMALARDA VEYA YAPILARDA VARDIR?  Süper sarmal DNA ise tersiyer bir yapı özelliği olup özellikle bakterilerde, virüs, plazmid ve fajlarda rastlanır.  Süper sarmal DNA: Sirküler ya da linear DNA’ nın tekrar kendi üzerinde helezonik olarak bükülmesi sonucu meydana gelir. Dönüş sağa doğru da sola doğru da olabilir. Laboratuvar koşullarında DNA’nın sağ el sarmalı gösteren dört formu daha bulunmuştur. Bunlar C-,-D-,E- ve PDNA’dır. C-DNA, A ve B-DNA’nın izolasyonunda bulunduğundan daha fazla dehidrate koşullarında oluşur. Her turda 9.3 nükleotit içerir. Çapı 19 A0’dur. D-DNA ve E-DNA’nın baz kompozisyonlarında Guanin ve Sitozin yoktur. Sadece A=T’den oluşmuştur. Her turda 7,5- 8 baz çifti bulunur. DNA yapay olarak çekilip uzatılırsa P-DNA denilen yeni bir formu oluşturur. B-DNA’ya göre daha dar ve daha uzundur. Her turda 2,62 baz bulunur. PALİNDROMİK DNA DİZİSİ NEDİR? Palindromik bir DNA dizisi 1881 DNA’DA FORM DEĞİŞİMİN NEDENLERİ NELERDİR? DNA’da form değişiminin nedenleri DNA formlarının, içinde bulundukları ortamın sıcaklığına ve tuz iyonu konsantrasyonuna bağlı olarak değişebildiği bilinmektedir. Örn; B-DNA formu, ortamın tuz konsantrasyonu arttırıldığında A-DNA formuna dönüşmektedir. DNA’NIN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ NELERDİR? DNA’nın kimyasal özellikleri   Çift sarmallı bir yapıya sahip olan DNA molekülü, ısı, pH veya bir takım kimyasal ajanlarla hidrojen bağlarının kırılması sonucu çift iplikli form tek iplikli hale getirilebilir. Bu durum denatürasyon (eritme, bozma) olarak adlandırılır. Denatüre edici şartlar ortamdan uzaklaştırıldığında ise denatüre olmuş olan DNA komplementerini (bir bir nükleotit eşleniğini) bularak (annealing) tekrar eski formuna (çift iplikli hale) gelir ki bu duruma renatürasyon denir. DNA’nın hibrit oluşturması  Farklı türlere ait DNA’lar denatüre edilip bir araya getirilerek renatüre edildiğinde; komplementer/kısmen komplementer olan bölgeler eşleşebilir, bu durumdaki DNA’lara hibrit DNA’lar denir.  DNA’nın hibrit oluşturma özelliği, DNA teknolojilerinden hibridizasyon yöntemlerinin geliştirilmesini sağlamıştır. HALKASAL DNA DENATÜRE OLUR MU? Halkasal DNA Bakteri, mitokondri ve kloroplast DNA’sı gibi DNA’lar kapalı halkasal yapıda olduklarından denatüre edilemezler.  Ancak halkasal DNA bir noktadan kesilip açılırsa denatürasyon işlemi gerçekleştirilebilir. PROKARYOT VE ÖKARYOTLARDA DNA’NIN ORGANİZASYONUNDAKİ FARKLILIKLAR NELERDİR?  Prokaryot ve ökaryotlarda DNA’nın organizasyonu farklıdır. Prokaryotlarda DNA; – Çembersel yapıdadır (açık uç yok) – Çıplaktır (Histon proteini yoktur). Ökaryotlarda DNA; – Doğrusaldır (lineer, iki ucu açık). – Kompleks yapılar olan kromozomlar halinde organizedir. – Histon ve nonhiston proteinleri ile etkileşim içindedir.  Kromozom harici (Ekstrakromozomal) DNA’lar: DNA molekülü hücrelerde kromozomlardan başka kaynaklarda da bulunabilmektedir; Bakterilerin birçok türünde Plazmid DNA olarak (halkasal yapıda). Mitokondriyal DNA (halkasal yapıda). Kloroplast DNA’sı (halkasal yapıda). mtDNA ‘NIN ÖZELLİKLERİ NELERDİR? mtDNA Her mit. de 2-10 kopya mit.DNA Her memeli hücrede 200-2000 mit.kopya Pol  ile nDNA’dan bağımsız replikasyon Maternal kalıtım (paternal?) Koruyucu histon proteinlerden yoksun Ekonomik organizasyon, intron yok DNA tamir mekanizmaları yeterli değil ROT’ne daha yoğun maruz kalma Sonuç: Yüksek mutasyon oranı (4-200 kat) Memelilerdeki nükleer ve mitokondrial DNA’nın kalıtımı DNA’nın Ultraviyole Işığı Absorbsiyonu Nükleik asitler, UV ışığını pürin ve pirimidin bazları ile UV arasındaki etkileşime bağlı olarak en iyi 254-260 nm’de absorbe ederler.  O halde azotlu baz içeren bu molekül UV ışıkta analiz edilebilir. Bu teknik nükleik asitlerin karakterizasyonu, izolasyonunda ve lokalizasyonunda önemlidir. Tm SICAKLIĞI NE ANLAMA GELİYOR? DNA’nın erime sıcaklığı (Melting temperature, Tm): Bir sarmalda iki zincirin yarısının açılmasına yol açan sıcaklık derecesi. Tm değeri, DNA’nın baz çifti kompozisyonuna bağlıdır. AT baz çiftlerinin çok olduğu bir DNA sarmalı, GC çiftlerinin çok olduğu bir DNA sarmalına göre daha düşük sıcaklık derecelerinde denatüre olur. DNA DIŞINDAKİ NÜKLEİK ASİT OLAN RNA’NIN GENEL ÖZELLİKLERİ NELERDİR? RNA Canlılardaki diğer nükleik asit türüdür. Hemen hemen her hücrede bulunur. Genel olarak 3 çeşit RNA vardır (mRNA, tRNA, rRNA), ökaryotlarda farklı görevleri olan birkaç RNA türü daha vardır (heterojen nüklear-hnRNA, küçük neklear-snRNA) mRNA tRNA RNA rRNA Diğer RNA’ lar RNA çeşitleri ve fonksiyonları Types of RNAs Primary Function(s) mRNA - messenger rRNA - ribosomal translation (protein synthesis) , Regulation translation (protein synthesis) (Enzymatic function) translation (protein synthesis) precursors & intermediates of mature mRNAs & other RNAs t-RNA - transfer hnRNA - heterogeneous nuclear scRNA - small cytoplasmic snRNA - small nuclear snoRNA - small nucleolar regulatory RNAs (siRNA, miRNA) signal recognition particle (SRP) tRNA processing (Enzymatic function) mRNA processing, poly A addition (Enzymatic function) rRNA processing/maturation/methylation regulation of transcription and translation, other?? DNA VE RNA ARASINDAKİ FARKLAR NELERDİR? DNA ve RNA arasındaki farklar DNA ve RNA arasındaki farklar DNA ve RNA arasındaki farklar