NÜKLEİK ASİTLER

1868 yılında İsviçreli bilim adamı Friedrich MIESHER, balık spermlerinin çekirdeklerini ve akyuvar çekirdeklerini izole ederek yaptığı çalışmalarda, bu hücrelerin çekirdeklerinin asit özelliği gösterdiğini gözlemiştir. Bilim adamı, bu moleküllere çekirdekte bulunan asit anlamına gelen “nükleik asit” adını vermiştir. Bugünkü bilgilerimize göre, nükleik asitler bütün canlılarda bulunan organik moleküllerdir. Çünkü, organik moleküller canlı tarafından sentezlenebilen ve canlının yapısını oluşturan moleküllerdir. Her canlı organizmada veya hücrede iki çeşit nükleik asit vardır: ribonükleik asit (RNA) ve deoksiribonükleik asit (DNA). (Virüsler canlı değillerdir ve yalnızca DNA ya da RNA içerirler). DNA ve RNA fosforca zengin organik moleküller olup, organizmanın genetik bilgi deposudur. Nükleik asitlerin kimyasal yapısında C (karbon), H (hidrojen), O (oksijen), N (azot) ve P (fosfor) elementleri bulunur. Nükleik asitlerin biyolojik fonksiyonu genetik informasyonun saklanması, çoğaltılması, çeşitlendirilmesi ve nesilden nesile aktarılması şeklinde sıralanabilir. Tüm nükleik asitler polimerik yapılar olup birçok farklı büyüklüklerde bulunabilirler.

Nükleik Asitler (DNA ve RNA) Genetik Bilgiyi Üzerlerinde Taşıyan ve Nesilden Nesile Aktaran Biyomoleküllerdir.

A – NÜKLEİK ASİTLERİN BULUNUŞU VE ÖNEMİ

Bu moleküller ilk defa 1869 yılında Friedrich Miescher (Firedrik Mişer) tarafından balık spermi ve akyuvar çekirdeğinde tespit edilmiştir. İlk olarak çekirdekte bulundukları ve asidik özellik taşıdıkları için nükleik asitler (çekirdek asitleri) diye isimlendirilmiştir. Daha sonraki araştırmalarda virüsler ile prokaryot ve ökaryot canlıların tamamında nükleik asitlerin bulunduğu görülmüştür.

DNA’nın genetik bilgiyi aktardığına dair ilk kanıt, 1944 yılında Oswald T. Avery (Ozvıld Evıri) ve arkadaşlarının bakterilerle yaptıkları çalışmalardan elde edilmiştir.

Bu moleküller, protein sentezi ve hücre bölünmesi gibi hücrenin temel yaşamsal olaylarını da yönetir. Hücre yönetiminden sorumlu oldukları için nükleik asitlere, yönetici moleküller de denilir.

*      DNA, ökaryot hücrelerin çekirdek, mitokondri ve kloroplastlarında bulunur, prokaryotların ise sitoplazmalarında bulunur.

*      DNA, hücrede hangi proteinin ne zaman ve nasıl sentezleneceği ile ilgili bilgiyi taşır ve bu bilgiyi bölünme ile yeni hücreler aktarılmasını sağlar. RNA ise, DNA’dan aldığı genetik bilgiye göre protein sentezinin yürütülmesini sağlar.

*      DNA, hücredeki tüm metabolik olayların yönetimini proteinler ile gerçekleştirir. RNA’lar ise protein sentezini gerçekleştirir. Yani RNA’lar DNA’ya bağlı çalışan yönetici moleküldür.

B –  NÜKLEİK ASİTLERİN YAPISI

1-    Yapılarında C, H, O, N ve P bulunur.

2-    Nükleik asitlerin monomerleri nükleotitlerdir. Bir nükleotit üç farklı molekülden oluşur.

a)     Azotlu organik baz

b)    5 C’lu şeker (pentoz)

c)     Fosforik asit

 

Şekil: Pentozların (5C’lu) yapısı                                              Fosforikasit 

 

Şekil: Nükleotitlerin yapısı

 

Şekil: Nükleik asitlerin yapısındaki moleküller

3-    Nükleotitler yapısında bulunan organik baza ve şekere göre adlandırılır. Nükleik asitler ise sadece şekere göre adlandırılır.

4-    Nükleotitler yapılarındaki şekere göre ikiye ayrılır. Yapılarına deoksiriboz şekeri bulunanlara Deoksiribonükleotit, riboz bulunanlara ise Ribonükleotit denir. Riboz şekerinde deoksiriboz şekerine göre bir oksijen atomu fazladır.

5-    Deoksiribonükleotitler birleşerek DNA (deoksiribonükleik asit)’yı, ribonükleotitler birleşerek RNA (ribonükleik asit)’yı meydana getirir.

Baz ve şekerin glikozit bağı ile bağlanması sonucu nükleozit oluşur.

Nükleozitin fosforik asitle esterleşmesiyle nükleotit oluşur (Örnek; Adenin nükleotidin yapısı)

 

Binlerce nükleotit bir araya gelerek nükleik asiti meydana getirir.

6-    Nükleotidler alt alta bağlanarak nükleotid zincirlerini meydana getirirler. Nükleotitlerin alt alta bağlanmasını sağlayan bağlara “Şeker-fosfat bağı veya Fosfodiester bağı” denir. Her nükleotidin zincire eklenmesi ile bir su molekülü açığa çıkar. Bu nedenle zincirin oluşumu dehidrasyon sentezidir. Buna göre bir nükleotit zincirinin sentezi sonucunda (n-1) kadar H₂O açığa çıkmış olur.

7-    Nükleotidlerin farklı olmasını sağlayan yapısındaki organik baz ve şekerin farklı olmasıdır. Çünkü organik baz ve şekerin birden fazla çeşidi nükleotidlerin yapısına katılmaktadır.

8-    Nükleotitlerin sayısı ve dizilişleri farklıdır. Nükleotitlerin farklı dizilişleri yeryüzünde yaşayan canlıların çeşitliliğini açıklayan anahtardır.

C – DEOKSİRİBONÜKLEİK ASİT (DNA)

a-    DNA’nın Yapısı ve Özellikleri

1953 yılında James Watson ve Francis Crick DNA’nın üç boyutlu yapısını keşfettiler ve 1962 yılında bu başarılarından dolayı Nobel ödülü verildi. Bu keşiflerine Erwin Chargraff’in 1942 yılında yapmış olduğu çalışmalar önemli katkıda bulunmuştur.

Watson-Crick DNA Modelinin Özellikleri

1-    Ökaryot hücrelerde; nükleus (çekirdek), mitokondri, kloroplast, prokaryot hücrelerde ise nuclear alanda (sitoplâzmada) bulunur. Ancak kloroplast ve mitokondrideki DNA’lar kalıtım materyali sayılmazlar, bunlar eşlenirken çekirdek DNA’sına bağımlıdırlar.

2-    Suda çözünmezler.

3-    Yapısında C, H, O, N ve P atomları bulunur.

4-    Adenin, timin, guanin ve sitozin (A, T, G, C) bazları, deoksiriboz şekeri ve fosforik asitten meydana gelmiştir.

5-    İki nükleotit arasındaki mesafe 3.4A^o (Angstron) DNA tam bir dönüş yaptığında bu dönüşü tamamlayan 10,4 nükleotit çifti bulunur.

6-    1953 yılında James Watson ve Francis Crick tarafından ileri sürülen üç boyutlu yapısına göre; DNA aynı eksen üzerinde sağa dönen double heliks (çift sarmal) yapıdadır (Merdiven yapı).

7-    Merdivenin kolları fosfat ve şekerden, basamakları ise bazlar ve bunları birbirine bağlayan hidrojen bağlarından meydana gelmiştir.

8-    İki polinukleotid birbirine anti-paraleldir. Her bir zincir birbirine zıt yönde ilerler.  Bir zincirin 5՛ ucu ile karsı komplementer (tamamlayıcı) zincirin 3՛ ucu karşılıklı yer alırlar.

9-    DNA’ların farklılığının sebebi, DNA’yı oluşturan nükleotidlerin diziliş sırası, nükleotit sayısı ve herbir nükleotitin sayısıdır.

10-     DNA’nın baz sırası türler arası farklılıklar gösterir.

11-    A+T/G+C oranı her tür için karakteristik bir özelik olup sabittir. İnsanda bu oran 1,52 dir.

12-   Pürin ve pirimidin oranları belirli bir türün bütün hücrelerindeki DNA’larda aynıdır.

13-   Bir canlının farklı dokularından alınan hücrelerindeki DNA baz sırası tamamen birbirinin aynısıdır. Canlının DNA organik baz (Nükleotit) sıraları yaşa, beslenme durumuna göre değişmez tamamen genetik olarak anne ve babadan geçer.

14-  DNA’nın karşılıklı iki zincirini zayıf hidrojen bağları bir arada tutar. Adenin ile Timin eşleşirken aralarında 2 H bağı, Guaninle Sitozin eşleşirken aralarında 3 H bağı oluşur.

15- Bir DNA molekülünde G+C oranı ne kadar fazla ise H bağları sayısı artacağından dolayı DNA’nın iki ipliğini birbirinde ayırmak o kadar zorlaşır.

16- Nükleotidleri oluşturan şeker ve bazlar birbirine glikozit bağı ile fosfat ve şeker birbirine ester bağı ile bağlanırlar. Aynı zincirdeki nükleotidler birbirine fosfodiester bağı ile birbirine bağlanırlar.

       

17- DNA’nın en önemli özelliği kendini eşlemesidir. DNA’nın kendini eşlemesine Replikasyon denir. Eşlenmeye DNA’nın iki ipliği de katılır. Ortamda bulunan uygun nükleotidleri kullanarak yeni DNA zinciri oluşturulur. DNA’nın eşlenmesinde DNA Polimeraz enzimi görev yapar. Hidrolizini sağlayan enzim Deoksiribonükleaz (DNAaz) enzimidir.

18-  Replikasyon sırasındaki hata DNA’nın tek ipliğinde ise bu hata onarılabilir, iki ipliğinde ve karşılıklı bölgelerinde ise onarılamaz. Bu durumda oluşan değişiklik kalıcı olur. Buna mutasyon denir. Mutasyon sonucu vücut hücrelerindeki DNA baz sırası değişmeleri hastalıklara neden olabilir. Üreme hücrelerindeki DNA baz sırası radyoaktif ışınlar sonucu bozulabilir. Böylece kalıtsal hastalıklar meydana gelir.

NOT:

1.  Canlılarda bugüne kadar tespit edilen DNA molekül tipleri

a – A-DNA

b – B-DNA (Doğada en çok buluna DNA tipidir).

c –  Z-DNA (Daha çok kanserli hücrelerde görülür).

d – C-DNA

e –  D-DNA

f –  E-DNA

 

NOT:

2.  Polinükleotit zincirindeki nükleotitleri birbirine bağlayan bağ, “Fosfodiester bağı veya fosfat-şeker bağı” denir. İki polinükleotit zincirini birbirine bağlayan bağlar ise zayıf  “H bağları”dır.

3.  DNA Molekül Yapısındaki Önemli Bazı Kurallar

1.      A = T ve G= C (S)

2.      A/T=G/S=1

3.      Purin sayısı = Primidin sayısı

4.      A+G / T+S = 1

5.      A–T arasında 2’li hidrojen bağı

6.      G–C 3’lü hidrojen bağı

7.      A+G = T+C

8.      Toplam nucleotit = A+T+G+C

9.      Nükleotit sayısı = Baz sayısı = Fosforik asit sayısı = Deoksiriboz sayısı

10.  Toplam nucleotit x ½ = Purin veya primidin

11.  Toplam H bağı sayısı = 2’li H bağı x 2 + 3’lü hidrojen bağı x 3 

12.  Toplam H bağı sayısı = Toplam nucleotit + Guanin 

13.  A+T / G+C oranı türe özgü bir orandır. Örneğin bu oran insanlar için 1,52’dir. Koyunda ise bu oran 1,36’dır. Bu oran küçüldükçe iki iplik birbirine daha sıkı bağlanır. Çünkü A–T arasında 2, G–C arasında 3 hidrojen bağı vardır. G–C oranın büyük olması daha fazla hidrojen bağı olduğu anlamına gelir.

14.  DNA replikasyonu sırasında dehidrasyonla açığa çıkan su sayısı (n = nükleotid sayısı olmak üzere) 3n-2 tanedir. 

b-   DNA’nın İşlevi:

1-    Kalıtsal bilgi taşımak: Kalıtsal karakterlerin oğul döllere aktarılmasını sağlar (replikasyon ile).

2-    Mutasyonlar ile kalıtsal değişikliklere imkan verir.

3-    Hücrelerde RNA, protein sentezi ve enzim sentezini gerçekleştirir. Protein sentezi ile hücredeki metabolik olayları yönetmek

c-    DNA’nın Kendini Eşlemesi (Replikasyon) ve Kalıtım İşlevi

1-    DNA’nın kendini eşlemesi ile ilgili üç farklı görüş vardır.

a)     Tam korunumlu eşleme hipotezi (konservatif)

b)    Dağınık eşleme hipotezi (dispersif)

c)     Yarı korunumlu eşleme hipotezi (Seminkonservatif eşleme) (geçerli görüş)

2-    Bir hücrenin bölünerek yeni hücreler meydana getirebilmesi için DNA’nın kendini eşlemesi gerekir. Hücrede DNA’nın eşlenmesi, genellikle hücrenin bölüneceği anlamına gelir. Replikasyon hücre döngüsünün interfaz safhasında meydana gelir.

3-    DNA kendini yarı korunumlu olarak eşler. DNA’nın kendini yarı korunumlu olarak eşlemesine “Seminkonservatif eşleme” denir.

4-    DNA birden fazla noktadan açılmaya başlar. Açılan bölgede zincirlerin karşısına ortamdaki uygun nükleotidler karşılıklı olarak bağlanırlar. Replikasyon da görev alan enzim “DNA polimeraz” enzimidir

5-    Sonuçta; oluşan DNA’lar aynı genetik bilgiyi taşır, hücre sayısı artar, canlılarda büyüme veya üreme gerçekleşir. Üremeyle karakterler yavrulara aktarılır.

DENEY: DNA’nın yarı korunumlu eşlendiğinin ispatı:

Meselson ve Stahl DNA’nın yarı korunumlu eşlendiğini ispatlamışlardır. Ağır azot (N¹⁵) içeren DNA’lar, normal azot (N¹⁴) içeren ortamda iki kere eşlenmeye bırakılıp DNA’ları santrifüjle incelendiğinde ağırlık dizilimleri aşağıdaki gibi gerçekleşir.

*      Birinci nesil %100 Melez olur. DNA’nın bir zinciri ağır bir zinciri ise normal azota sahiptir.

*      İkinci neslin ise %50’si melez, %50’si ise normal DNA’lara sahiptir.

*      Bu sonuçlar eşlenme sırasında her bir zincirin kalıp görevi görerek karşısına ortamdan alınan nükleotidlerin getirildiği görüşünü ispatlamıştır.

D – RİBONÜKLEİK ASİT (RNA)

a-    Yapısı ve Özellikleri

1-         Ökaryotlarda mitokondri, kloroplast, çekirdek, ribozom ve sitoplâzmada, prokaryotlarda sitoplazmada bulunur.

2-         Tek nükleotid dizisinden oluşmuştur yani tek zincirlidir.

3-         Adenin, guanin, sitozin ve urasil bazları bulunur. (A,U,G,S)

4-         Kendini eşleyemez, DNA tarafından sentezlenir

       

5-         Hidrolizini sağlayan enzim ise ribonükleaz (RNAaz)dır.

6-         Riboz şekeri bulunur.

7-         RNA’nın yapısında protein yoktur.

8-         RNA’ların DNA tarafından verilen emire göre sentezine transkripsiyon (yazılma) denir. Transkripsiyon, DNA’nın tek zincirinden olur. Transkripsiyonda görevli enzim RNA polimeraz enzimidir.

9-         RNA’lar 3 çeşittir ve hepsi de protein sentezinde görevlidir. mRNA ve tRNA çekirdekte, rRNA çekirdekçikte sentezlenir ve hepsi de tekrar tekrar kullanılabilir.

10-     Protein sentezinin translasyon kısmında görev alır.

11-     Riboz şekeri bulunduran Adenin nükleotidi RNA’dan başka ATP, NAD, NADP ve FAD gibi moleküllerde bulunur.

12-     Bazı virüslerde sadece RNA bulunduğu için bunlarda RNA kalıtsal görevi üstlenmiştir.

13-     RNA moleküllerindeki nükleotitler birbirine fosfodiester bağları ile bağlanırlar.

14-     Bir canlıdaki RNA miktarları değişkendir. Hatta aynı canlının farklı dokularındaki RNA miktarları farklıdır.

b-   RNA’LARIN ÇEŞİTLERİ

1-    mRNA (Elçi RNA =Mesajcı RNA =Messenger RNA)

*       DNA’dan aldığı bilgiyi ribozoma taşır.

*       Ribozom birimlerini aktifleştirir ve protein sentezine kalıplık yapar.

*       Her protein çeşidi için ayrı bir mRNA sentezlenir.

*       Bir mRNA aynı proteinin sentezinde çok defa kullanılabilir.

*       Yeterli protein sentezlendikten sonra mRNA yıkılır.

*       mRNA hücredeki RNA’ların en az oranda bulunanıdır.

*       mRNA’daki üçlü nükleotid grubuna KODON denir. 4 nükleotid 3’lü kombinasyon yapar ve 4³=64 kodon eder. Bu kodonlardan bir tanesi protein sentezini başlatan başlangıç kodonudur. Başlangıç kodonu (AUG) metionin aminoasidinin şifresidir. Üç tanesi de (UAG–UGA–UAA) bitiş kodonudur. Bitiş kodonlarının aminoasiti yoktur.

 

NOT:

4.  mRNA’nın okunması evrenseldir. Hayvansal protein sentezinde görev alan bir m-RNA bitki hücresine konursa yine hayvansal protein sentezler.

2-    tRNA (Taşıyıcı RNA)

*       Diğer nükleik asitlerin en küçüğüdür. Tek zincirden meydana gelmiştir. Zincirin belirli bölgelerindeki nükleotitler H bağları ile birbirine bağlanırlar. Ancak DNA’daki gibi pürin pirimidin eşitliği yoktur. tRNA, 78-80 nükleotidden meydana gelmektedir.

*       Sitoplazmadaki aminoasitleri mRNA’daki şifreye göre ribozoma götürür.

*       tRNA’ daki üçlü nükleotid grubuna antikodon denir. Maksimum 64 çeşit antikodon olması gerekirken 46 çeşit antikodon vardır. Bunun sebebi ise bitiş kodonlarının amino asitlerinin olmaması ve bir tRNA’nın birden fazla aa. taşıyabilmesinden kaynaklanır.

*       Sitoplâzmadaki aminoasitlerden kendisine uygun olanını alan tRNA, bu aminoasidi ribozomlara taşır. Eğer kodon-antikodon karşılaşması uygun ise, tRNA ribozoma getirdiği aminoasidi bırakır ve ribozom dışına çıkar.

3-     rRNA (Ribozomal RNA)

*       Proteinlerle birlikte ribozomun yapısını oluşturur.

*       Kendi üzerinde katlanmalar yapar. Katlanmalar, H bağları ile sağlanır.

*       Ribozomal RNA, kodon-antikodon karşılaşmasını sağlar.

*       Hücrede en çok rRNA bulunur.

*       Ökaryot hücrelerde, çekirdekçik bölgesini oluşturan DNA kısmından oluşur.

Kodon                        : Bir amino asit için mRNA da yan yana gelen üç nükleotidin meydana getirdiği şifredir.

Antikodon     : tRNA nın  mRNA kodonlarına uygun gelen her biri bir amino asit taşıyan üçlü nükleotid grubudur.

1 aminoasit şifresi = 1 kodon = 3 nükleotit

NOT:

5.  RNA’ların hücrede bulunma oranları; rRNA %80> mRNA %5> tRNA %15

6.  Bütün RNA’larda Hidrojen bağı bulunur.

Tablo: Amino asitlerin Ad, sembol ve mRNA kodonları

Nükleik asitlere sahip birimlerin küçükten büyüğe doğru sıralanışı

*      Baz

*      Nükleozit

*      Nükleotit

*      Kodon (3 nükleotit)

*      Gen (DNA moleküllündeki kalıtsal karakterleri kontrol eden bir enzim sentezinden sorumlu yaklaşık 1500 nükleotitten oluşan yapıdır)

*      DNA

*      Kromozom

*      İnterfazda eşlenmiş iki kromatitli kromozom

*      Tetrat (Yan yana gelmiş iki homolog kromozom)

F.      DNA VE RNA’NIN KARŞILAŞTIRILMASI

ÖZELLİK	DNA	RNA
GÖREVİ	Genetik bilgi taşır. Hücredeki tüm metabolizma olaylarından sorumludur.	Protein sentezinde görev yapar.
BULUNDUĞU YER	Prokaryotlarda: Sitoplazmada       Ökaryotlarda: Çekirdek                         Kloroplast                         Mitokondri	Prokaryotlarda: Sitoplazmada                           Ribozom     Ökaryotlarda:  Çekirdek                         Kloroplast                         Mitokondri                         Sitoplazmada                         Ribozom
BAZLARI	Pürin: A – G Pirimidin: T – C	Pürin: A – G Pirimidin: U – C
ŞEKERİ	Deoksiriboz	Riboz
EŞLENEBİLMESİ	Var  (Kendini eşler)	Yok  (DNA tarafından eşlenir)
SENTEZİNİ SAĞLAYAN ENZİM	DNA polimeraz	RNA polimeraz
HİDROLİZİNİ SAĞLAYAN ENZİM	DNAaz (Deoksiribonükleaz)	RNAaz (Ribonükleaz)
MOLEKÜL YAPISI	Çift sarmal	Tek sarmal
ÇEŞİT	Tek çeşittir DNA	3 çeşittir. mRNA, tRNA, rRNA
MUTASYON	Mutasyon yavru bireylere aktarılır	Mutasyon yavru bireylere aktarılmaz
NÜKLEOTİT EŞİTLİĞİ	Nükleotit eşitlikleri vardır	Nükleotit eşitlikleri yoktur