Genden Proteine

Nükleik asitlerin yapı birimi nükleotittir. Bir nükleotit üç bölümden oluşur: fosfat grubu, beş karbonlu şeker (pentoz) ve organik baz. DNA'nın şekeri deoksiriboz, RNA'nınki ribozdur.

Bazlar iki gruptur: çift halkalı pürinler (adenin A, guanin G) ve tek halkalı pirimidinler (sitozin C, timin T, urasil U). DNA'da A, G, C, T; RNA'da A, G, C, U bulunur.

Nükleotitler bir nükleotidin şekeri ile diğerinin fosfatı arasında kurulan bağlarla (fosfodiester bağı) art arda bağlanır ve şeker–fosfat omurgası oluşur; bazlar bu omurgadan dışarı uzanır. Bilgi, bazların sırasında saklıdır. Dört harfli bir alfabe gibi düşünebilirsin: Harf sayısı az olsa da diziliş farkları sınırsız sayıda farklı bilgi oluşturur.

Watson–Crick modeline göre DNA iki zincirin birbirine sarılmasıyla oluşan bir çift sarmaldır:

• İki zincir birbirine bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bağlanır. A ile T arasında iki, G ile C arasında üç hidrojen bağı vardır.

• Bir pürin her zaman bir pirimidinle eşleşir; böylece sarmalın çapı her yerde aynı kalır.

• İki zincir birbirine zıt yönlüdür (biri 5′→3′, diğeri 3′→5′).

Bu kurallardan çıkan sayım ilişkileri: Çift zincirli DNA'da A=T, G=C ve pürin sayısı = pirimidin sayısı. Nükleotit sayısı = fosfat sayısı = şeker sayısı = baz sayısı.

Örnek: 200 nükleotitli çift zincirli bir DNA'da 60 adenin varsa timin de 60'tır. Kalan 80 nükleotidin yarısı guanin, yarısı sitozindir: G=C=40. Hidrojen bağı sayısı 2×60 + 3×40 = 240 olur. G–C oranı yüksek DNA'nın iki zincirini ayırmak daha fazla enerji gerektirir.

DNA hücrenin kalıcı bilgi arşividir; RNA ise bu bilginin kullanılmasında görev alır. Hücrede üç temel RNA çeşidi bulunur ve hepsi DNA'daki bilgiden üretilir:

• mRNA (mesajcı RNA): DNA'daki bilgiyi ribozoma taşır; protein sentezinde kalıp olarak okunur.

• tRNA (taşıyıcı RNA): Amino asitleri ribozoma getirir; üzerindeki antikodon mRNA'daki kodonla eşleşir. Kendi üzerinde katlanarak yonca yaprağına benzeyen bir biçim alır.

• rRNA (ribozomal RNA): Proteinlerle birlikte ribozomun yapısına katılır; peptit bağı oluşumunda görev alır.

RNA tek zincirli olduğu için A=U ve G=C eşitliği bir RNA molekülünün tamamı için geçerli değildir; tRNA'nın kendi üzerine katlanan bölgelerinde baz eşleşmesi görülebilir.

Genetik materyalin organizasyonu küçükten büyüğe şöyle sıralanır: nükleotit → DNA zinciri → gen → kromozom → genom.

• Gen, DNA üzerinde belirli bir ürünün (bir protein veya bir RNA) bilgisini taşıyan bölgedir. Bir DNA molekülünde binlerce gen bulunabilir; genler arasında kodlama yapmayan bölgeler de vardır.

• Ökaryotlarda uzun DNA molekülü histon proteinlerinin etrafına sarılarak kromatini oluşturur. Bölünme öncesinde kromatin kısalıp kalınlaşarak (kıvrılarak) mikroskopta görülebilen kromozomlara dönüşür. Her kromozom bir DNA molekülü ve proteinlerden oluşur.

• Bir canlının bütün genetik bilgisine genom denir. Ökaryotlarda DNA'nın çoğu çekirdekte, bir kısmı mitokondri ve kloroplastta bulunur. Prokaryotlarda DNA sitoplazmada, genellikle halkasal tek bir moleküldür; ayrıca küçük halkasal plazmitler bulunabilir.

Gen, DNA ve kromozom sayısı aynı ölçüm değildir: 2n=4 hücre eşlenme sonrası hâlâ dört kromozom taşır, fakat her kromozom iki kardeş kromatitten oluşur ve DNA molekülü sayısı sekize çıkar. Kromozom sayımında sentromer sayısını kullanmak bu karışıklığı önler.

Eşlenmede çok sayıda enzim görev alır; program yalnız üç enzimi ister:

1. Helikaz iki zincir arasındaki hidrojen bağlarını kopararak sarmalı açar; çatal biçiminde bir eşlenme bölgesi oluşur.

2. DNA polimeraz kalıp zincirdeki bazlara uygun serbest nükleotitleri getirip yeni zincire ekler. DNA polimeraz yeni zinciri yalnız 5′→3′ yönünde uzatabilir. Bu nedenle çatalın açıldığı yöne doğru zincirlerden biri kesintisiz, diğeri kısa parçalar hâlinde sentezlenir.

3. DNA ligaz kısa parçaları ve kesintileri fosfodiester bağıyla birleştirir.

Kalıp zincirler zıt yönlüdür. Örneğin kalıp 3′–TACG–5′ ise karşılık 5′–ATGC–3′ olur.

Yeni zincire eklenecek nükleotitler hücrede serbest hâlde bulunur ve enerjilerini kendileri taşır: Fosfat grubu fazla olan nükleotitler bağlanırken fosfatlarının bir kısmını kaybeder ve bu enerji bağ oluşumunda kullanılır.

DNA eşlenmesi hücre bölünmesinden önce, interfazın DNA sentezi evresinde gerçekleşir. Böylece bölünme sonunda oluşan iki hücrenin her biri aynı genetik bilgiyi alır. Ökaryotlarda uzun DNA birçok noktadan aynı anda açılarak eşlenir; bu, işlemin kısa sürede tamamlanmasını sağlar.

DNA polimeraz eşlenme sırasında yanlış eklenen nükleotitlerin çoğunu fark edip çıkarabilir. Eşlenme dışında da DNA; UV ışınları, bazı kimyasallar ve hücredeki tepkimeler nedeniyle sürekli hasar görür. Hücrelerde bu hasarı tanıyıp onaran sistemler vardır. Onarılmayan hata mutasyona dönüşebilir.

Aziz Sancar, DNA onarım mekanizmaları üzerine yaptığı çalışmalarla 2015 Nobel Kimya Ödülü'nü paylaşmıştır. Özellikle UV ışınının DNA'da oluşturduğu hasarın kesilip çıkarılarak onarılması sürecini aydınlatmıştır. Mardin Savur'da doğan Sancar, Türkiye'de tıp eğitimi aldıktan sonra araştırmalarını sürdürmüş; Nobel madalyasını Anıtkabir'e bağışlamış ve öğrencilere destek amacıyla bir eğitim vakfı kurmuştur. Onun çalışmaları, bilimsel merak ile sabırlı ve uzun soluklu emeğin birleşimine örnektir. DNA onarımı ile DNA eşlenmesi aynı olay değildir.

DNA eşlenmesiyle ilgili sayısal ilişkiler, yarı korunumlu modelden çıkarılır:

• 1 DNA molekülü n kez art arda eşlenirse 2ⁿ DNA molekülü oluşur.

• Her eşlenmede yeni sentezlenen nükleotit sayısı, o anda var olan DNA'ların toplam nükleotit sayısı kadardır. Başlangıçtaki DNA N nükleotitli ise n eşlenme sonunda kullanılan yeni nükleotit sayısı N·(2ⁿ − 1) olur.

• Eski zincirler hiç yıkılmadığı için toplam eski nükleotit sayısı N'de kalır.

Örnek: 1000 nükleotitli çift zincirli bir DNA 3 kez eşlenirse 2³ = 8 DNA molekülü oluşur. Toplam nükleotit 8000'dir; bunun 1000'i eskidir, 7000'i yeni eklenmiştir. 8 molekülden 2'si bir eski zincir taşır, 6'sı tamamen yeni zincirlerden oluşur.

Eşlenme hem madde hem enerji gerektirir: Her yeni nükleotit hücredeki serbest nükleotit havuzundan alınır. Bu nedenle hızla bölünen hücrelerde nükleotit yapımı da hızlanır; nükleotit yapımını engelleyen bazı ilaçların hızla bölünen kanser hücrelerini hedeflemesi bu ilişkiye dayanır.