Nükleik asitlerin altbirimleri (yapıtaşları) nükleotitlerdir. Herbir altbirim;azotlu bir baz, 5 karbonlu bir (pentoz) şeker ve fosfat grubun...
Nükleik asitlerin altbirimleri (yapıtaşları) nükleotitlerdir. Herbir altbirim;azotlu bir baz, 5 karbonlu bir (pentoz) şeker ve fosfat grubundan oluşur.Bazlar, iki halkalı purin ve tek halkalı pirimidin olmak suretiyle iki gruba ayrılır.Adenin (A) ve guanin(G), purin baz olarak hem DNA hem de RNA’nın yapısında yeralır.Sitozin © hem DNA hem de RNA’da, timin (T) ise yalnızca DNA’da bulunan pirimidin bazlardır.RNA’da timinin yerini öteki bir pirimidin-urasil(U) almıştır.Molekül olarak timin ve urasil,timinin 5.pozisyonunda (C5) metil grubu (CH3) içermesiyle farklılık gösterir . Purin (A,G) bazlarının N9’dan ve pirimidin (C,T ve U) bazlarının N1’den pentoz şekerin N1 pozisyonuna B-N glikozid bağ ile bağlanmasından nükleozidler oluşur.Nükleik asitlerin DNA (deoksiribonükleik asit) ve RNA (ribonükleik asit) olarak adlandırılması, nükleozidin yapısındaki şekerin 2’ pozisyonunda OH grubunun varlığı (bu durumda riboz) ya da yokluğundan (deoksiriboz) oluşur.Şžekerde (C2’ pozisyonunda) OH’ın olmaması sebebiyle DNA’daki nükleozidler deoksiadenozin, deoksiguanozin, deoksisitidin ve deoksitimidin olarak, RNA’dakiler ise adenozin,guanozin,sitidin ve uridin olarak adlandırılır.
Sadece bir RNA olan tRNA’nın yapısında timin bulunur.Bu farklılık ribotimidin olarak belirtilir. Nükleotitler, nükleozidlerin fosfat esterleridir. Nükleik asitlerdeki herbir nükleotit birimi, biri C5’-OH,diğeri C3’-OH gruplarıyla esterleşmiş fosfat grupları ihtiva eder.Deoksiribonükleotitler DNA’nın, ribonükleotitler RNA’nın yapıtaşlarıdır. Nükleozid yapısında yeralan şekerler birden fazla OH grubu içerdiğinden deoksiribonükleotitler 3’ ve 5’, ribonükleotitler ise 2’,3’ ve 5’ fosfat esterleri oluşturabilir.Bu kimyasal özelliğe uygun olarak adenozin 5’ fosfat, 5’-ribonükleotit (adenilik asit ya da özetlemek gerekirse AMP) olarak tanımlanırken, deoksisitidin 3’-fosfat ise, 3’-deoksi(ribo)nükleotit (sitidilik asit ya da özetlemek gerekirse dCMP) olarak tanımlanabilir. Eğer nükleotidin şeker birimi üstünde iki tane fosfat mono esteri var ise nükleozid bifosfat (mesela, guanozin 3’-5’ bifosfat), pirofosforik asitin nükleozid mono esteri (pirofosfat bağ ya da fosfoanhidrit bağ) şeklinde bulunuyorsa nükleozid difosfat (mesela ADP) denilir.Tripolifosforik asit nükleozid esterleri şeklinde uzatılırsa nükleozid trifosfatlar (mesela ATP) olarak isimlendirilir.Bir tek fosfat grubu hem C3’-OH hem de C5’-OH grubuyla esterleşerek halkasal nükleotit oluşur (3’-5’ halkasal nükleotit,özetlemek gerekirse cAMP ya da cGMP benzer biçimde).
b. NÜKLEOTİT POLİMERİZASYONU VE DNA’NIN BİRİNCİL YAPISI
Bir nükleotit 5’- pozisyonundaki fosfatı ile öteki bir nükleotidin 3’-OH grubu içinde fosfodiester bağ oluşturarak birleşirse dinükleotit oluşur.Bu ikili yapının özgür 3’-OH ucuna birkaç nükleotit ilave edilerek oligonükleotitler, daha çok sayıda nükleotit ilave edilerek polinükleotit zincirler oluşturulur.Bir polinükleotit zincir 5’ uçta fosfat, 3’ uçta OH ile sonlanarak DNA ve RNA’nın primer (birincil) yapısını belirler.DNA ve RNA’nın omurgasını şeker ve fosfatlar, genetik bilgi içeriğini ise örneksiz tip ve sayıdaki bazlar oluşturur
c.WATSON-CRICK BAZ EŞžLEŞžMESİ VE DNA’NIN İKİNCİL YAPISI
Moleküler biyoloji biliminin temeli 1953’de James Watson ve Francis Crick tarafınca ilk kez DNA’nın üç boyutlu yapısının bir model olarak açıklanmasıyla atılmıştır: DNA dışta şeker-fosfat omurgası,içte bazların yeraldığı çift sarmal iki polinükleotit zincirden oluşan bir moleküldür.Polinükleotid zincirler biri 3’-5’,diğeri 5’-3’ yönde antiparaleldir ve zincirler hidrojen bağlar ile birarada tutulurlar.Bir polinükleotit zincirin örneksiz nükleotit dizilimi ötekinin benzeri değil,tamamlayıcısıdır.Bundan dolayı herbir zincir kalıp olarak ötekinin örneksiz nükleotit diziliminin de belirleyicisidir.Bu özellik, nükleik asitlerin kalıtım molekülü olarak kopyasının çıkmasını ve aktarılmasını, genetik bilginin RNA’ya ve proteine dönüştürülmesini sağlar. Watson-Crick baz eşleşmesi olarak da tanımlanan bu purin-pirimidin ya da tersi baz eşleşmeleri DNA’nın ikincil yapısını oluşturur.İki polinükleotit zincir A ile T içinde iki, G ile C içinde üç hidrojen bağları oluşturarak birarada tutulur .Hidrojen bağ oluşumu azca da olsa enerji salınmasına niçin olur.Böylece baz eşleşmesiyle sağlanan minik enerjiler ve ek olarak hidrofobik etkileşimler, çift sarmalın termodinamik kararlılığını sağlar.Bundan dolayı polinükleotitlerin baz bileşimi ya da dizilim özelliği özgür enerji değişimini bu da sarmalın kararlılığını etkisinde bırakır.
Fizyolojik koşullarda çoğu zaman DNA’daki bir baz çifti diğerine ortalama 3.4 angström (A ) ve eksene ortalama 36o’lik bir açı yaparak -fosfodiester bağ ile birleşirler.Böylece DNA’da her 10 baz-çiftini içeren kısım ortalama 360o dönerek 34 Ao fizyolojik uzunlukta bir sarmal oluşturur.Sarmal çoğu zaman sağa dönümlüdür.DNA’da herbir baz çiftinin sarmalın dış yüzeyine yönelik kısımlarında,örneksiz hidrojen bağ verici ya da alıcı gruplardan ve hidrofobik ceplerden oluşan büyük ve minik oluk şeklinde yapılar bulunur.Bu yapılar ve örneksiz nükleotit dizilimi,tüm çift sarmal DNA’nın - baştan sona geometrik yapısını ve buradan işlevini etkileyebilir.Mesela, DNA’nın içinde bulunmuş olduğu fizyolojik koşullar değiştiğinde DNA’ya bağlanan düzenleyici proteinlerin bağlanma özelliği de değişerek bu bölgelerde gen etkinliğinin değişmesine niçin olurlar
d.RİBONÜKLEİK ASİTLER (RNA)
Birincil yapıları DNA’ya benzer.5’-3’ şeker fosfat bağlantılı doğrusal dizilmiş nükleotitlerden (A,G,C ve U) oluşur.Sadece DNA’dan, şeker-fosfat omurgasında deoksiriboz yerine riboz,nükleotitlerde timin yerine urasilin yeralmasıyla farklılaşır.
Tüm RNA’lar RNA polimeraz enzimiyle DNA’nın kalıp sarmalının belirli bir bölgesinden kopya çıkartılarak sentezlenirler.Birincil yapıları -ribozdaki OH sebebiyle daha azca dayanıklıdır.Sadece Watson-Crick baz eşleşimiyle kendi üstüne katlanarak çift sarmal ve saç tokası görünümlü, eşleşmemiş kısımlarda ise tek sarmallı ilmik şeklinde ikincil yapılara dönüşebilirler.Mesela,tRNA’nın ikincil yapısı bu şekilde oluşur. İkincil yapılar da kendi üstünde katlanarak ya da öteki moleküllerle üç boyutlu yapılara dönüşmek suretiyle katlanırlar.RNA moleküllerinin işlevleri DNA’ya nazaran daha çok yönlü ve daha karmaşıktır. Mesela,bazı RNA molekülleri; a-proteinlerin amino asit birimlerinin şifrelerini taşıyarak genetik bilgi akışına aracılık ederler (mRNA) b- Protein sentezi için platform organeli olan ribozomların yapısına katılırlar (rRNA) c-mRNA’daki şifreyi (kodonları) okuyarak taşımış olduğu amino asitleri buna uygun şekilde dizilmesini elde eden adaptör moleküllerdir (tRNA). d- Ribonükleoprotein kompleksleri ya da minik RNA molekülleri şeklinde düzenleyici molekül olarak iş görürler.
Bunlara ek olarak,kodlayıcı özelliği olmayan ve bir başka RNA’ya komplementer (tamamlayıcı ya da antisens RNA olarak da adlandırılan) kısa RNA molekülleri de vardır.Bunlar RNA:RNA eşleşmeleri yaparak hedef RNA’nın düzgüsel işlevini baskılayan bir repressör olarak da iş görürler.Ek olarak sarmallardan biri RNA diğeri DNA olan RNA:DNA dubleksleri şeklinde çift sarmallar da oluşabilmektedir.Bunlar; 1.RNA polimerazın DNA’dan kopya çıkartması (transkripsiyon) esnasında,2.DNA sentezi öncesi Okazaki parçacıkları şeklinde kısa RNA primer (başlangıç) dizilerinin oluşumu esnasında, 3.Revers transkriptaz enziminin viral RNA’dan DNA sentezlemesi esnasında ortaya çıkmaktadır.Bu tip melez sarmallar in vitro koşullarda da oluşturulmuş ve ısıya bağlı denatürasyonlara karşı (DNA:DNA eşleşleşmelerine nazaran) daha dayanaklı oldukları gösterilmiştir. mRNA mRNA’lar DNA’daki genetik bilgiyi protein bireşim organeli olan ribozomlara aktaran aracı moleküllerdir. Uzunlukları taşımış olduğu genetik bilgiye nazaran ve kodlayıcı olmayan (intron) bölgelerine nazaran değişken olabilir.Prokaryotlarda daha kısa ömürlüdürler ve toplam hücre ağırlığının çok azca bir kısmını oluştururlar.Ökaryotik mRNA’lar daha dayanıklıdır.Saatlere varan ömürleri vardır ve toplam hücre ağırlığının %3 kadarını oluştururlar.
Prokaryotik hücrelerde DNA, sitoplazmada özgür olarak bulunduğundan (çekirdek zarı bulunmadığından) mRNA sentezi devam ederken mRNA 5’ uçtan ribozoma bağlanır ve aynı anda protein sentezi yapılabilir.Ökaryotik hücrelerde ise tüm RNA’lar çekirdekte sentezlenir Protein bireşim öncesi bazı değişimler geçirerek olgunlaşır ve sonrasında sitoplazmaya aktarılırlar. Etken bir genden binlerce RNA kopyası oluşturulabilir.
Herbir mRNA molekülü de binlerce polipeptide dönüştürüldüğünden minik bir DNA bölgesinde bulunan genetik bilgi,böylece örneksiz bir proteinin milyonlarca kopyasının sentezini sağlayabilir.Mesela,ipek böceğinin herbir ipek salgı hücresi tarafınca ipeğin yapısında bulunan fibroin protein geninden 10 000 kadar mRNA kopyası çıkartılır.Herbir fibroin mRNA’sından 100 000 fibroin protein molekülü sentezlendiğinden 4 günlük sürede ortalama bir milyar fibroin proteini oluşturulur. Genetik kod kurallarına ökaryotik mRNA’sı,proteinin amino asit dizilimine uygun bir nükleotit dizilimi ya da ekson (kodlayıcı bölge) içermesine rağmen gen, daha uzun nükleotit bileşimi içermektedir.Kodlayıcı olmayan nükleotit dizileri (intronlar) ilk oluşturulan mRNA’da yer alırken, daha sonraki işleme esnasında kesilerek çıkartıldıklarından olgun mRNA’da bulunmazlar.tRNA (geçirme RNA) Proteinlerin yapısında bulunan amino asitleri ribozomlara taşıyan ve mRNA’daki üçlü şifreyi (kodonları) tanıyan adaptör moleküllerdir.Ökaryotik hücrelerin çoğunda 60-70 değişik tRNA bulunurken,prokaryotik hücrelerde, mesela E.coli’de 20 değişik amino için ~40 kadar değişik tRNA iş görmektedir.Tüm tRNA’ların 3’OH (akseptör) ucunda CCA evrensel ortak nükleotit dizisi bulunur.
Sadece CCA nükleotidleri tRNA genleri tarafınca kodlanmaz.Transkripsiyon sonrası tRNA nükleotidil transferaz enzimiyle tRNA’ya eklenmiş olur.Amino asitler,herbir amino asite örneksiz olan amino açil tRNA sentetaz enzimiyle CCA’nın adenozin biriminin riboz şekerine ester bağıyla kovalent olarak bağlanır.tRNA’nın öteki mühim bir bölgesi antikodon ucudur.Bu bölge,mRNA (üçlü) kodonlarıyla baz eşleşmesi yaparak şifrenin tanınmasını sağlar. Birincil yapıdaki tRNA, nonkovalent etkileşimlerle yonca yaprağını çağrıştıran ikincil yapıya dönüştürülür.tRNA’nın işlevi için kendi üstüne katlanarak hidrojen bağlarla oluşturduğu “L†harfi şeklindeki karakteristik üçüncül yapıya geçmesi gereklidir.tRNA molekülleri arasındaki büyüklük farklılıkları,â€Dâ€(dihidroksi uridin) kolu ve â€değişken “ kollardaki nükleotid farklılıklarından oluşur.tRNA’lar düzgüsel bazlara ek olarak değişime uğramış bazlar da ihtiva eder.Mesela ribotimidin (T,5-metiluridin) ve pseudouridin (U,uridinin C5’ -C2’glikozid bağla bağlanmış bir izomeridir),tüm tRNA’larda “TUC†kolunda yer lan değişik bazlardandır.TRNA antikodonu ile mRNA kodonlarının eşleşmesi A-U,G-C standart baz eşleşmesidir.Sadece “Wobbleâ€baz eşleşmesi olarak da tanımlanan G ile U’nun ve inozin (I) bazı ile kodonun 3.pozisyonundaki C,U ya da A ile eşleşmesi de oluşabilmektedir.Metionin ve triptofan haricinde öteki amino asitlerin herbiri birden fazla tRNA tarafınca (isoaccepting tRNA) protein sentezine sokulabilmektedirrRNA (ribozomal RNA)Hücrelerde en fazla bulunan RNA’dır.rRNA’lar örneksiz tip ve sayıda ribozomal proteinlerle (r-protein) birleşerek ribozomları oluştururlar.Ribozomlar,hem prokaryotik hem de ökaryotik hücrelerin protein bireşim organelleridir.
E.coli’de 20000 kadar ribozom,hücre kuru ağırlığının %25 kadarını oluşturur.Hızla büyüyen bir memeli hücresi ise ~10 milyon ribozom içerebilir.Tüm hücrelerdeki ribozom sayısı,hücrenin protein bireşim aktivitesine nazaran değişebilir. Ribozomlar biri ötekinin ortalama iki katı olan iki alt birimden oluşur.Alt birimler ve ihtiva ettiği rRNA tipleri,ultrasantrifüj çökme durağan(durgun) sayıları (S) ile tanımlanır.Bir tüm prokaryotik ribozomu 70S,ökaryotik ribozomu ise 80S büyüklüğe haizdir.Prokaryotik ribozomun minik altbirimi 30S büyüklükte ve 16S rRNA ve 21 proteinden oluşur.Büyük altbirim ise 50S büyüklüktedir;23S ve 5S rRNA’dan ve 34 ribozomal proteinden oluşur.Ribozomlar herbir rRNAdan ve proteinden birer kopya ihtiva eder (Yalnız 50S altbirimde bir proteinin 4 kopyası bulunur).Ökaryotik ribozomların minik alt birimi 40S büyüklüktedir ve 18S rRNA’dan ve ortalama 30 ribozomal proteinden oluşurken,büyük altbirim 60S büyüklükte ve 5S,5.8S ve 28S rRNA ve ortalama 45 ribozomal proteinden oluşmaktadır.
Ribozomların mühim bir özelliği, birbirlerinden ayrılmış da olsa ribozomal proteinlerin ve rRNA’ların uygun (in vitro) koşullarda tekrardan işlevsel yapıya haiz olabilmeleridir.Ribozomlar protein sentezi için yalnızca esnek bir platform değil, protein-protein ya da protein-rRNA etkileşimleriyle kataliz vakalarına da karışan etken yapılardır.Mesela büyük ribozomal altbirim,peptidil transferaz reaksiyonuyla peptid bağ oluşumunu katalizlerken, RNAaz uygulanmasıyla peptid bağın oluşmamış olması bu reaksiyonun RNA katalizli bir tepki olduğu hipotezini desteklemektedir.Ek olarak bakteri 23S rRNA’sının tRNA molekülünün 3’CCA ucuyla etkileşerek peptidil transferaz aktivitesinde direkt rol oynadığı da gösterilmiştir.RNA’ların kendilerini replike eden,parçalayan makromoleküller (ribozimler) olduğu da göz önüne alınırsa bu moleküllerin protein bireşim reaksiyonlarını katalizlediğinin gösterilmesi hücrelerin evrimsel gelişmesinin anlaşılmasını kolaylaştırmıştır.Minik RNA molekülleri ve spliceosome: Ökaryotik hücrelerde transkripsiyonla ilk oluşturulan pre-mRNA’lar,hem ökaryotik hem prokaryotik pre-tRNA ve pre-rRNA molekülleri başlangıçta daha büyük ve işlevsizdirler.
Bu RNA’lar kendileri tarafınca (otokatalitik) ya da enzimatik olarak değişikliğe uğratılırlar ve işlev kazanırlar.Spliceosome’lar, RNA kopyalarının örneksiz bölgelerden tanınıp kesilmesinde görevi olan minik RNAmoleküllerinden ve proteinden oluşan (ribonükleoprotein) yapılardır. Bu yapıların RNA bileşenleri 50-200 nükleotid uzunlukta olup bazılarının (U1,U2 ,U4 ,U5 ve U6) işlevleri bilinmektedir.
KAYNAKLAR
Alberts,B.,Bray,D., Lewis,J.,Raf,M., Robert,K.,Watson,JD.,Garland
Molecular Biology of the Cell,3rd.ed.Publishing,New York and London,1994 Brown,TA,Genetics:a molecular approach,Chapman and Hall,London,1998 Cooper,GM., The Cell: A Molecular Approach ASM Press,Washington DC,1997
Griffiths,Antony J.F.;Gelbart,William M.;Miler,Jeffrey H.,Lewontin,Richard C.
An Introduction to Genetic Analysis New York;W H Freeman & Co;c2000
Hoffee PA,Medical Molecular Genetics ,Fence Creek Publishing,Madison Connecticut,1998
Klug,WS.;Cummings MC,Third Ed.,
Essentials of Genetics, Prentice-Hall Int.,London,1999
Lodish,H.,Berk,A.,Zipursky,SL.,Matsudaira,P., Baltimore,D.,Darnel,JE.,WH
Molecular Cell Biology.4th.ed.Freeman and Co.,New York,1999
Lewin B, Genes V, Oxford University Press,1994
Nickoloff JA and Hoekstra MF, DNA Damage and Repair
Vol.3,Humana Press,Totowa,New Jersey,2001
Passarge E.,Color Atlas of Genetics ? Thieme Medical Publishers,New York,1995
Watson,JD,İkili Sarmal:DNA yapı çözümünün öyküsü,TÜBİTAK,Ankara,1995
YORUMLAR