Abiyogenez - 3: Nükleotitler, Genler, DNA, Kromozom ve Diğer Genetik Yapıların Özellikleri ve İşleyişi

Yazdır Abiyogenez - 3: Nükleotitler, Genler, DNA, Kromozom ve Diğer Genetik Yapıların Özellikleri ve İşleyişi

Son iki yazımızda sizlere "canlılık" ve "cansızlık" kavramları arasındaki farksızlıktan ve "Hayat Molekülleri" dediğimiz, kategorizasyon açısından kolaylık sağladığı için öyle isimlendirdiğimiz "canlı" yapılarda bulunan kimyasalların 3 büyük grubundan bahsettik. Bunların nasıl doğal yollarla oluşabildiğinden ve hangi doğal tepkimelerle, hiçbir dış müdahaleye gerek kalmaksızın, kendiliğinden (spontane olarak) var olabileceklerini izah ettik. Bu yazımızda ise, geçen yazımızda belirttiğimiz gibi, Hayat Molekülleri içerisinde bulunan ve ayrıca canlılığın cansızlıktan evrimi açısından çok büyük öneme sahip olan bir diğer yapı, nükleotitlerden ve bu nükleotitlerin oluşturduğu dev moleküller olan genetik materyalden bahsedeceğiz. Ayrıca bunu yaparken, birçok diğer konu ve kavrama değinecek, akıllardaki bilim dışı düşünceleri silmeye çalışacağız. 

 

Canlılık ile cansızlık arasında bir fark olmadığını anlayabilen biri, geri kalan pek çok şeyi kolaylıkla kavrayabilecektir. Bunların başında da, canlıları "canlı" yapan moleküller, bunların yapıları ve görevleri gelmektedir. Dediğimiz gibi canlıları ayırt eden en önemli özellik, hayatta kalmak ve üremek amacıyla organizasyonları dahilinde aktivite gerçekleştirebilmeleri ve bu aktivitenin artan entropiye karşı koymak için enerji sarf edebilir nitelikte olmasıdır. İşte tüm bu organizasyon içi aktiviteler ve üremenin aşamaları, genetik materyal olan nükleotitler ve bunların oluşturduğu daha büyük kimyasallarla düzenlenmekte ve kontrol edilmektedir.

 

Bu olay, insanı var olduğundan beri etkilemektedir ve birikerek günümüze gelen bu "büyüleyicilik", günümüz insanlarının genetik materyallere ve genel olarak hücreleri meydana getiren kimyasal moleküllere olduğundan fazla anlam yüklemesine sebep olmaktadır. Kişiler DNA'nın "mükemmel" bir molekül olduğunu sanmakta, DNA tarafından üretilen enzimlerin "ulaşılamaz" bir iş yaptıklarını düşünmekte, hücrenin içinin "gerçek olamayacak kadar karmaşık" olduğunu iddia etmektedirler. Bunlar, bir yere kadar doğru olsa da, bilimsel olarak açıklanamayacak kadar "mükemmel", "ulaşılamaz" ya da "karmaşık" olan hiçbir yapıya doğada rastlanmaz. Zaten bilim, doğayı anlama sanatıdır ve doğada doğayla (bilimle) izah edilemeyecek ve doğal süreçlerle oluşamayacak bir şey bulmayı beklemek anlamsızdır.

 

Şimdi, başlıkta da belirttiğimiz molekülleri tanıtmaya ve incelemeye başlayalım, böylece ne demek istediğimizi kolaylıkla anlayacaksınız. Madem DNA'ya değindik, öncelikle herkesin popüler olarak bildiği bu kimyasal madde ile tanışalım:

 

DNA dediğimiz moleküller zincirinin uzun adı; Deoksiribo Nükleik Asit’tir. Kimya konusunda bilgisiz olan biri ilk bakışta anlayamayabilecek olsa da ve bu ismin çok gizemli ve özel bir anlama geldiğini sanacak olsa da, DNA son derece sıradan, kimyasal bir moleküldür. Kimya bilimi dahilinde bütün moleküller bu şekilde uzun, tanımlayıcı ve dışarıdan duyanlar için bir miktar da "artistik" gelebilecek isimler alırlar. Örneğin sıradan bir kimyasal olan bir diğer maddenin adını verelim: Trifluoromethanesulfonate. Hele ki eğer DNA'nın adını karmaşık buluyorsanız, bir de her gün yudumladığınız kahvenizin içerisinde bulunan "kafein"in kimyasal adını deneyin: 3,7-dihidro-1,3,7-trimetil-1H-pürin-2,6-diyon!

 

Yani DNA, ne özel bir isimdir, ne de özel bir artısı vardır. DNA’yı belki de "özel" kılan tek şey, her kimyasal maddenin kendine ait bir özelliği olduğu gibi, DNA’nın da kendine ait bir özelliği olması ve bu özelliğin, bizim ilgimizi çeken bir şekilde, kalıtım alanında "görev alması"dır (bu noktalarda neden vurgular yaptığımızı bir sonraki yazımızda izah edeceğiz). Yani örneğin gözlerinizin ıslak kalmasını sağlayan gözyaşınızın da kimyasal bir formülü bulunur. Tek fark, gözyaşınızın gözlerinizi korumak ve duygularınızı belli etmek gibi görevleri varken, DNA’nın bir sonraki kuşağa aktaracağınız bilgileri taşıma görevi olmasıdır. DNA’yı spot ışıklarının karşısına koyan bu kalıtımsal özelliğidir; ne daha azı, ne daha fazlası. Aslında düşünüldüğünde, bunun da "özel" olmadığı görülecektir. Çünkü zaten "kalıtım" dediğimiz olay da, biyokimyasal bir tepkime sonucunda, bir molekülün kendisini eşlemesi ve çoğalması demektir. Bunun da herhangi bir özel yanı bulunmamaktadır.

 

Aşağıda, en sık karşılaşabileceğiniz temsili bir DNA çizimini görüyoruz. Gördüğünüz gibi DNA, ikili bir sarmaldan oluşur. Yani iki farklı doğru, birbiri etrafında kıvrılarak heliks bir yapıya bürünür:

 

 

Bu yapı, tamamen fizik ve kimya yasaları etkisi altında bu şekilde olmaktadır. Nasıl ki, daha önce de kısaca değindiğimiz gibi yağlar, su içerisinde mecburen küresel bir yapı oluşturuyorlarsa, bu yapıdaki kimyasal da mecburen heliks (sarmal) yapısı oluşturmaktadır. Dolayısıyla şekil açısından da DNA'nın diğer moleküllerden bir farkı yoktur.

 

Bu çizim her ne kadar genel yapı hakkında bilgi verse de ve bu şekilde çizilmesi çizerler için oldukça kolay olsa da, molekülleri sanki özel ya da başka varlıklardan farklıymış gibi göstermesinden ötürü, biz bu "kapalı çizim" yöntemini tercih etmiyoruz. Bir aşağıdaki resmi incelerseniz, farkı anlayacaksınız. Aşağıdaki çizimde, DNA’nın gerçek yapısı görülmektedir. DNA da, Evren içerisindeki diğer bütün varlıklar gibi, yalnızca ve yalnızca sıradan atomlardan ve bunların farklı kombinasyonları olan moleküllerden oluşur. Bu atomlar temel olarak Karbon (C), Hidrojen (H), Azot (N), Fosfat (P), Oksijen (O) ve benzeridir ve her bir atom, aşağıda farklı renklerle gösterilmişlerdir:

 

 

Görüyorsunuz… DNA, sadece arka arkaya, birbirlerine zayıf veya kuvvetli kimyasal bağlar ile bağlanmış atomlardan ibarettir.

 

Peki DNA, genetik olarak en küçük kalıtsal yapıtaşımız mıdır? Elbette hayır, DNA zinciri de daha küçük parçalara bölünebilir. Bu daha küçük parçalara “nükleotit” denir (ki nükleotitler, daha önce de söylediğimiz gibi "Hayat Molekülleri" arasında yer alır) ve bu moleküller, DNA sarmalını bir merdivene benzetecek olursak, merdivenin basamaklarını oluşturur. Nükleotitler, kalıtım bilimi için oldukça önemlidirler. Çünkü temel olarak, bilgiyi "taşıyan" parçalar nükleotitler ve bunların dizilimleridir. Nükleotitlerin farklı dizilimi, farklı anlamlar ifade eder. Dolayısıyla nükleotitleri, eğitim hayatımızda da ezberlettikleri gibi "harfler" olarak düşünebiliriz. Bu harfler, farklı şekillerde dizilerek, farklı kelimeler, farklı anlamlar ifade ederler. 

 

Tıpkı bizim günümüzde kullandığımız son derece kompleks bilgisayar yazılım dilleri gibi, genetik olarak hücrelerimiz de bir şifreleme kullanırlar. Bu şifreleme dilindeki harf sayısı, günümüz modern dillerine göre çok çok az olmakla birlikte, bu az sayıda harfin kodlayabileceği komut sayısı sınırsızdır.

 

Bunu bilgisayar üzerinden örnek vererek anlatabiliriz: Bilgisayar programcıları, bilgisayarları programlamak için C, C++, Basic, vb. diller kullanırlar. Bu diller, İngilizce’ye oldukça benzerler, çünkü bu programlama dillerini yazan programcılar tarafından, günlük konuşma diline oldukça yakın olacak şekilde ayarlanmışlardır. İlk bilgisayar yazılımları, kesinlikle böyle basit bir dil kullanmamaktaydı ve mühendisler tek tek "1" ve "0"ları kullanarak programlama yapmaktaydılar. Sonrasında, "bilgisayarların evrimi" sırasında yeni programlar yazıldı. Bu programlar, "programı programlamaya" yarıyordu. Temel olarak yaptıkları şuydu: İngilizceye benzer kelimeleri kullanabileceğiniz bir arayüz sağlamak. Programcı, bu arayüze kolay kelimeleri yazmaktadır; arka planda ise program bunu yine "1"ler ve "0"lara çevirip işlemciye gönderir. Dolayısıyla yüklenen bilgi, makinelerin o dili anlamak amacıyla üretilmelerinden ötürü işlenmekte ve bilgi, işleve dönüşmektedir.

 

Örneğin klavyede yazdığınız bir kelimenin ekranda çıkabilmesinin tek nedeni, bastığınız her bir tuşun bilgisayara elektriksel sinyal olarak bir “komut” göndermesi ve bilgisayarın monitörde bulunan küçük, ışık saçan LED’lerden birini ya da birkaçını, uygun renkte yakmasından ibarettir. Bilgisayar ekranını güçlü bir büyüteçle incelerseniz, ne demek istediğimizi anlayabilirsiniz. Klavyenizden giden elektrik sinyalleri, öncelikle bilgisayarınızın işlemcisinde değerlendirilirler (içerisindeki kod dahilinde) ve işlemci, ekrana yapması gereken işi bildirir. Tüm bunlar, programcıların işlemciye bahsettiğimiz dilleri kullanarak yazdıkları programların, yani "bilgisayarların genetik materyali" dahilinde olmaktadır.

 

İşte nükleotitlerin farklı dizilimleri sonucu oluşan "anlamlı bütünler" ise (bunlara "gen" diyeceğiz), farklı işlemleri yapmak için özelleşmiş kodlar gibidir. Buna az sonra geleceğiz, öncelikle bir noktayı aydınlatalım:

 

Tabii ki bilgisayarlar, insanlar tarafından "tasarlanan" makinalar olduğu için, canlılığı betimlemekte kullanmak çok da doğru değildir. Zira canlılık, insan zekası tarafından son 50-60 yılda var edilen bilgisayarın aksine, yaklaşık 600 milyon yıl boyunca, akıl almaz sayıda denemeler sonucunda, adım adım evrimleşerek, elenerek, seçilerek oluşmuştur. Bilgisayarın parçaları evrimleşemez, çünkü biyokimyasal bir alt yapısı bulunmayan malzemelerden üretilmektedir. Yani bilgisayarı üreten yapıtaşları canlılık kriterlerini sağlamaz. Bu yüzden etraftaki biyolojik olmayan teknoloji unsurlarının tasarımcılarının olması, doğadaki biyolojik yapıların da tasarımcılarının olması anlamına gelmemektedir. Bu, hatalı bir genellemedir. Yani karmaşık bir yapı evrimsel ve doğal süreçlerle pek tabii var olabilir. Doğada bir "bilgisayar" elbette ki evrimleşemeyecektir; çünkü bilgisayar ne biyolojik bir yapıya sahiptir, ne de böyle bir yapının evrimleşmesi için gerekli çevresel baskı bulunmaktadır. Ancak örneğin doğada, biyolojik yapıya sahip ve bulunduğu türlere avantaj sağlayan, çoğu zaman bilgisayarlardan bile başarılı bir yapı evrimleşmiştir: beyin. Dolayısıyla, insan üretimi olan bir yapının doğada olmamasıyla, evrimsel süreçlerin bu tip karmaşık yapıları yaratamayacağını ispatlamaya çalışmak akıl dışıdır. Bu konuda daha detaylı bilgi için şu yazımızı okuyabilirsiniz. Şimdi, devam edelim:

 

Bilgisayarda olduğuna benzer bir şekilde, canlılar da 4 harften oluşan bir dil kullanır ve her bir harf, bir nükleotit tipini temsil eder. Bu harfler, “A” (Adenin), “T” (Timin), “C” (Sitozin) ve “G” (Guanin)'dir. Elbette ki aslında gerçekte hiçbir kimyasal üzerinde böyle harfler bulunmamaktadır. Bu isimleri onlara biz, sonradan verdik. Zira bu bahsedilen harfler, yalnızca kimyasal bazı yapılardır ve bir sonraki yazıda daha detaylı açıklayacağımız gibi, aslında önceden belirlenmiş bir "görev"leri bulunmaz. 


Peki, DNA'daki bilgileri taşıyan yapıtaşları, daha doğrusu "harfler" dediğimiz yapı taşları nelerdir?

 

Bu harfler, nükleotit denen DNA’nın küçük parçalarının, bildiğimiz, kimyasal bir madde olan “baz” kısmında bulunan bir dizilimdir. Bu dizilimde karbon, hidrojen, vb. atomlar bulunur. Bu atomlar belirli bir şekilde dizilirse, ona Adenin (A) deriz. Başka bir şekilde dizilirse Timin (T) deriz. Başka bir şekilde dizilime Guanin (G), bir diğerine ise Sitozin (C, İng: Cytosine) deriz. Ancak biz onlara ne dersek diyelim, aslında bunlar sadece sıradan birer baz grubudur. Birer kimyasaldır. Ancak bu kimyasallar, bizim genetik yapımıza sahiptirler.

 

Aşağıda, bu kodlayıcı “harflerin” ya da kimyasal moleküllerin yapısını görebilirsiniz. Görebileceğiniz üzere sadece sıradan atomların farklı dizilimleri sonucu bu moleküller oluşmaktadır:

 

 

Ne kadar da birbirlerine benziyorlar değil mi? Tek değişen, atomlarının dizilimi. Ancak bu dizilimlerin farklı farklı olması, bu moleküllerin farklı kısımlarının aktif hale gelmesine ve farklı moleküllerle, farklı tepkimelere girebilmelerine sebep oluyor. bu farklı tepkimelerin toplamı da, bir varlığı "canlı" ya da "cansız" kılıyor. İşte fark burada! Ve anlaşılması gereken nokta da bu!

 

Devam edelim. Nükleotitler, taşıdıkları bu bazlara göre isimlendirilirler. Peki bir nükleotitin yapısı nedir? Elbette ki, tıpkı evrendeki diğer tüm maddeler ve varlıklar gibi; atomlardan oluşan sıradan dizilimler. İşte bir nükleotit dizilimi:

 

 

Gördüğünüz gibi, nükleotit denen ve örneğin çocuğunuzun neye benzeyeceğine karar veren moleküller, son derece sıradan atom dizilimlerinden fazlası değil! Bir fosfat (phosphate) grubu, bir şeker (sugar) grubu ve bir baz (base) grubu! Daha fazlası yok.

 

Nükleotit dediğimiz molekül tipleri, sadece genetik materyalimiz ile sınırlı değil. Örneğin size bir diğer nükleotit örneği verelim: ADP. Yani Adenozin Difosfat. Bu da bir nükleotittir; ancak kimyasal evrim sırasındaki ardı arkası kesilmeyen seçilim sırasında, genetik materyali kodlayacak şekilde özelleşmemiştir. Yani cansızlıktan, canlılığı evrimleştirecek olan yapılar içerisinde görevi bu olmamıştır. Dolayısıyla günümüzde de bu yapı, herhangi bir genetik bilgi kodlamaz, enerji ile ilgili işlerde görev alır. Ancak yapısal olarak oldukça benzerlerdir:

 

 

Buradan anlaşılması gereken şudur: Canlılık, bir "cansızlık çorbası" içerisinde, kimyasalların farklı şekillerde birbirlerine bağlanması, kırılması, birleşmesi, ayrılması sonucunda, 600 milyon yıl süren bir deneme-yanılma ve seçilim süreci sonucunda oluşmuştur. Bu süre zarfında pek çok çeşit "canlı-benzeri bileşim" oluşmuş olabilir. Üstelik her oluşan organik yapı, canlılığa katılmamıştır da. Bazıları yapılarından ötürü canlılığın dışarısında kalmış, bazıları kısmen kullanılmıştır. Bu yapılardan bazıları canlılığın evrimi için uyumlu olmalarından ötürü seçilmiştir. İşte günümüzdeki her canlının atası olan canlıların (koaservatların) yapısındaki kimyasallar, günümüzdeki her canlının hücrelerindeki kimyasal özellikleri kısmen ya da tamamen temsil etmektedir. Eğer onlar farklı şekilde hayatta kalabilseydi, günümüz canlı formlarının hücreleri de farklı yapıda olabilecekti. Bunlara gelecek yazılarımızda zaten döneceğiz.

 

Bir diğer görselle devam edelim. Nükleotitlerin kimyasal yapılarının basit çizimle gösterimi şu şekildedir:

 

 

İşte nükleotitler, kimyasal özelliklerinden dolayı bağ kurmak zorunda oldukları diğer nükleotitler ile birleşirler ve bu birleşimin tümü, DNA'yı oluşturur. DNA sarmal (heliks) yapısının, bu nükleotitlerin de gösterilerek çizilen hali şu şekildedir:

 

 


DNA, birçok farklı proteinle birlikte ökaryotlarda, yani çekirdeği ile zarlı organelleri bulunan canlılarda, çekirdeğin içerisinde yer almaktadır. Normalde bu yapının karmakarışık bir biçimde bulunduğu yağıya “kromatin ipliği” ya da “kromatin ağı” denir. Bunu da görelim:

 

 

Yukarıdaki görsel son derece faydalıdır. En solda görülen spagetti tabağına benzeyen yapı, elbette ki bir tabak değildir, içindeki sarı yapı da spagetti değildir. Bu sarı yapı, upuzun olan bir DNA ağıdır. Burada, bütün uzunluğuyla, DNA molekülü bulunmaktadır. Karmakarışık bir ağ şeklinde. Mor renkli kap da, hücre çekirdeğidir. Burada gösterilmemiş olsa da, hücre çekirdeği de, hücre sıvısının içerisinde bulunur.

 

Çıkarılan mavi oku takip ederseniz, DNA Heliks yapısına kadar geçişi görebilirsiniz. Aslında, bu karmaşık ağın içerisinde belirli bir düzen vardır. Bu düzen çok önemlidir, çünkü hücre bölünmesi sırasında genetik bilginin aktarımında bu özel birimler görev alırlar. Bu özel birimlerin adı “kromozom”dur. Kromozomlar, DNA’nın histon proteinleri tarafından sarılarak yoğunlaşması sonucu oluşan genetik birimlerdir. Kromozomlar da şu şekilde görülürler:

 

 

Bu görsel de son derece açıklayıcıdır. Görebileceğiniz üzere hücre çekirdeğinin içerisinde özelleşmiş olarak bulunan bu DNA yapıları, kromozomlardır. Kromozomlardan yola çıkarak bazlara kadar yapılan açılımı, yukarıdaki görseli takip ederek bulabilirsiniz.

 

Her canlıda, Evrimsel süreçleri sırasında edinilmiş farklı sayıda kromozom bulunmaktadır. Kromozomlar en büyük DNA gruplarıdır. Kromozomların toplamında bulunan, bir canlının tüm genetik bilgisine genom adı verilmektedir. 

 

Kısaca nükleotitlerin depolanması işlemi içerisindeki farklı genetik birimlere, farklı isimler verilmektedir. Bunlar, şimdilik bizim için çok da önem arz etmiyor; ancak Biyoloji'yi anlamak için elbette kritik öneme sahiptirler.

 

Peki, genler bu adım adım karmaşıklaşan yapının neresindedirler?

 

Genler, nükleotit dizilimlerinin (bilgisayar veya dil benzetimi dahilinde "harflerin") anlam kazandığı bölgelerdir. Burada anlam kazanmaktan kasıt, yine bilim-dışı ya da doğaüstü bir "anlam" değildir. Canlıların, "canlılık özelliklerini" sürdürebilmeleri için üretmek zorunda oldukları çeşitli kimyasallar vardır ve genler, bu kimyasalların salgılanma sırasını, biçimini, vb. özelliklerini etkiler ve bu bilgileri depolar. İşte protein sentezi yapan bu anlamlı nükleotit gruplarına gen demekteyiz. Genlerin de her bölgesi protein sentezine katılmak zorunda değildir. Gen dizilimlerinin içerisinde ekson olarak bilinen kısımlar protein yapısına katılırken, intron denen kısımlar kesilerek atılırlar. Bu ikinci kısımların her zaman işlevleri olmak zorunda değildir. Kimi zaman tamamen işlevsiz ("hurda DNA") olarak bulunurken, kimi zaman eksonların protein sentezine katılmalarını düzenleyen bir görev alırlar. Aşağıda bu yapılar görülmektedir:

 

 

Görebileceğiniz üzere genler, DNA sarmalının belirli kısımlarıdır. Bu kısımlar, anlamlı ifadeler halindedirler ve hücre tarafından gerektiğinde algılanır ve kullanılırlar.

 

Bilgisayar benzetimimize dönecek olursak, bilgisayarların da 1′ler ve 0′lar ile “konuştuğunu” söylemiştik. Ancak bu 1′ler ve 0′lar tek başlarına hiçbir anlam ifade etmezler. Hatta çoğu zaman, bunların uzun dizilimleri de anlam ifade etmeyebilir. Ancak bunların belirli uzunluktaki dizilimleri, anlamlı bir hal alırlar. Örnek verecek olursak, bir bilgisayar için 11101010 gibi bir dizilim anlam ifade etmeyebilir. Ancak aynı dizilimi içerisinde barındıran fakat biraz daha uzun bir hali, 101001101110101000011101 dizilimi, anlamlı olabilecektir, örneğin bu bilgi, klavyeden gelen bir komut sonucu ekranda “A” harfinin çıkmasını sağlayabilir. Bunu bilgisayalarda, 8-bitlik sistem (az önceki uzun sayıların her bir basamağı 1 bittir, dolayısıyla o kod 24 bitlik bir dizilime sahiptir), 16-bitlik sistem, 24-bitlik sistem, 32-bitlik sistem, 64-bitlik sistem, vs. şeklinde isimlendiririz. Yani anlam bütünleri, bilgisayarlar içerisinde 8'er, 16'şar, 24'er, 32'şer ya da 64'er kümeler halinde okunmaktadır. İşte bu yüzden 32 bitlik okuma sistemine sahip bir bilgisayara, 64 bitlik bir sistemle yazılmış bir programı yüklemeye çalışırsanız hata verecektir. Çünkü okuma ile yazma birbirine uymayacaktır (sadece Fransızca bilen birine Rusça derdinizi anlatmak gibi düşünebilirsiniz). 


Dolayısıyla bilgisayarlar ve yazılımlar, önceden belirlenen uluslararası protokollere uygun olarak üretilirler. Bu sayede ABD'den alacağınız bir bilgisayar, Çin'de yazılmış bir programı -eğer protokol bazında uyumlularsa- rahatlıkla okuyacaktır. Doğada bu evrensel protokolleri sağlayan şey, doğa yasalarıdır. Elbette doğa bilinçli bir yapıda değildir; ancak evrenimizin oluşum türünden ötürü genel geçer olarak etkili bazı doğa yasaları oluşmuştur. Bu yasalar dahilinde çalışan tüm kimyasallar, bu yasaların koyduğu dili kullanarak evrimleşmektedirler. Fiziksel, kimyasal ya da biyolojik olabilen bu evrim, bu süreçler sonucunda oluşan her yapının birbiriyle belli bir ilişki içerisinde olmasını ve belli sınırlarda uyumlu olmasını sağlamaktadır. Bunun en güzel ispatı, fiziksel evrim sonucu oluşan yıldızlar ve sistemlerin içerisinde, kimyasal evrim sonucunda oluşan canlılığın içerisinde, biyolojik evrim sonucunda oluşan varlıkların birbirleriyle ve evrenle fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak ilişkili olmalarıdır. Yani evrenin yapısal protokollerini doğa yasaları koymaktadır ve bu yasalar sonucunda evrimleşen yapılar, birbirleriyle belli sınırlar dahilinde uyumlu olabilmektedirler.

 

Bu protokoller dahilinde anlamlı gen bütünlerine baktığımızda, nükleotitler için de aynı durumun geçerli olduğunu görürüz. Ancak saydıklarımızın aksine, bildiğimiz bütün canlılarda, istisnasız olarak 3-bitlik okuma sistemi bulunmaktadır (bilgisayarlardaki gibi 8 bit, 16 bit, 32 bit gibi farklı tipleri yoktur).  Örneğin, tek başına AT şeklindekli bir kodun hiçbir anlamı yoktur. Ancak kod, ATG olduğunda bir anlam ifade edebilmektedir. Bu "anlam", "ATG" diziliminin karşılık geldiği bir aminoasidin üretilmesidir (tıpkı bilgisayarlarda, klavyeden gelen bilginin ekrana aktarılması gibi). Ancak yine de, üretilen bu tek aminoasidin hiçbir işlevi olmayabilir (benzer şekilde, 8-bit okuyan bilgisayarın yapabildiği iki işlemin teker teker bir anlam ifade etmeyip, ikisi bir arada olduğunda bir anlam ifade etmesi gibi). Benzer şekilde, ATGTTC şeklindeki bir dizilim de iki aminoasit üretmekle birlikte ("ATG" ve "TTC" kodlarına karşılık gelenler) halen anlamsız olabilir. Ancak ne zaman ki ATGTTCGTAACGTAC gibi bir dizilime ulaşılır, o zaman bu kodun ürettiği aminoasitlerin birleşiminden oluşan protein, belirli bir işleve sahip olabilir ve bu “kelime”, hücre için “bölünmeye başla” komutu anlamına gelebilecektir. Elbette bu kodları şu anda açıklamak amacıyla uydurmaktayız, ancak temel olarak konunun özünü vereceğini düşünüyoruz.

 

Dediğimiz gibi canlılar genetiğinde istisnasız her canlıda "3-bitlik sistem" vardır (ve bu da ortak bir atadan geldiğimize işaret eder) ve her 3 nükleotit (örneğin GCA) bir aminoasidi kodlar. Bu 3'lü kod sonucunda bir aminoasit üretilir ve bunların birleşimi proteinleri, bunlar enzimleri, enzimler de bizi "canlı" yapan reaksiyonları üretirler veya üretilmesini sağlarlar. Tek bir aminosit, yukarıda izah ettiğimiz gibi tek başına belli bir anlam taşımayabilir. Ancak aminoasitlerin farklı bileşimleri sayesinde, pek çok işi yapan, sonsuz sayıda protein üretilebilir. İşte bu işi sağlayan, genetik açıdan anlamlı ifadelere de “gen” diyoruz.

 

Genler, sizin boyunuzdan saç renginize, vücudunuzun kıllılığından göz renginize, vücudunuzdaki organların bulunmaları gereken yerlerden kalıtsal olarak taşıyacağınız hastalıklara kadar birçok farklı fiziksel özelliği kodlamaktadırlar. Bu kodlar, anlattığımız gibi A, T, C ve G harflerinin belirli dizilimleriyle saklanırlar. Bu dizilimlerin "nasıl" olacakları ise, milyarlarca yıldır süren evrimle belirlenmekte ve değişmektedir. Yani canlılık, bir başlangıçtan başladıktan sonra, farklı yönlere doğru bizim Evrim Ağacı olarak isimlendirdiğimiz yapıda türleşirken, her canlının barındırdığı genetik dizilim, çevre şartlarının etkisi altında adım adım değişmiştir. Bu değişimler, hücreler içerisinde salgılanan kimyasalların yapısında, miktarında ve çeşidinde farklılıklara sebep olmuştur. Bu farklılıklar da, hücrelerin kendilerinin farklı özellikler edinmesine sebep olmaktadır. İşte bu farklı özelliklere sahip olanlar arasında, çevreye en uygun olanlar varlıklarını sürdürmeye devam edebilirler; böylece kendilerine bu farklı özellikleri veren genleri ürerken yavrularına aktarabilirler. İşte bu şekilde, adım adım bir genetik birikimle türler farklılaşır ve değişirler. Ki biz de buna Evrim diyoruz.


Umuyoruz bu kısma kadar genetikle ilgili temel bilgileri verebilmişizdir. Şimdi, bu karmaşık görünen genetik yapıların, tamamen doğal süreçlerle nasıl var olabileceklerine göz atıp bu yazımızı bitirelim:




Nükleotitler, RNA ve DNA Kendiliğinden Nasıl Oluşur?


Burada pek fazla değinmemiş olsak da, esasında canlılığın genetik materyalinin temelini muhtemelen RNA oluşturmaktadır. Burada değinmiyor olmamızın sebebi ise, yaşamın başlangıcına daha detaylı gireceğimiz sonraki yazılarımızda zaten bu yapıları daha detaylı açıklayacak olmamızdır.


Bu yapıların doğal süreçlerle nasıl oluştuğunu anlamak için, Dünya'nın ilkel koşullarını hatırlamak gerekmektedir. Günümüzdeki 14 derecelik ortalama sıcaklığın aksine, günümüzden 4.4 milyar yıl kadar önce Dünya'nın ortalama sıcaklığı 80 derece dolaylarındaydı. Atmosferde doğal süreçlerle, mor ötesi ışınların etkisi altında katalizlenen ve hızlı bir şekilde oluşan hidrojen siyanit, üre, formaldehit, siyanoasetilen ve formamit gibi kimyasallar, ilk yağmurlarla birlikte yeryüzüne düşmekte ve dolayısıyla yeni oluşan okyanuslar içerisinde birikmekteydi. Bunun haricinde atmosferde oluşan sülfürik asit ve hidroklorik asit de Dünya'ya yağan zehirli kimyasallar arasındaydı. Günümüz canlılığı için bu kimyasallar zehirli olsalar da, ilkin Dünya koşullarında oluşacak kimyasallar için önemli yapıtaşları olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Örneğin canlılığın temelinde görev alacak olan sodyum klorür veya kalsiyum karbonat gibi kimyasallar, bu zehirli kimyasalların yüzeyde bulunan metallerle tepkimeye girmesi sonucunda oluşmuşturlar.


İşte bu ilkel koşulları araştıran ve nükleotitlerin doğal süreçlerle nasıl var olduğunu aydınlatmaya çalışan bilim insanlarından olan Joan Oro, 1961 yılında yaptığı deneylerle 150 derecelik bir sıcaklıkta 1 saatten az bir sürede, sadece doğal yollarla oluşmuş hidrojen siyanit ve amonyak kullanarak adenin ve guanini üretmeyi başardı. Hatta burada detayına inmediğimiz ve canlılığın yapısında görülmeyen bazı diğer nükleotitleri de doğal süreçlerle yaratmayı başardı (unutmayınız ki bir kimyasal grubunun her formu canlılık içerisinde bulunmak zorunda değildir). Aşağıda Oro ve Orgel tarafından üretilen bu nükleotitlere ait kimyasal tepkime zincirleri verilmektedir:



Daha sonradan 1966 yılında yapılan deneylerde aynı sıcaklıkta siyanoasetilen ve üre kullanılarak sitozin ve urasil de üretilebilmiştir. Yine, bu deneylerde de, sadece doğal ve ilkel Dünya koşulları taklit edilmiştir. Hatta 21. yüzyılda yapılan yeni deneylerle, sadece formamid kullanılarak 2 gün içerisinde tüm nükleotitleri üretmek mümkün olmuştur. Doğal ortamda bulunan ve önceki araştırmalarda kullanılmayan borat kimyasalının bu konuda çok etkili bir katalizör olduğunu Raffaele Saladino ve arkadaşları keşfetmiştir. 


Daha sonradan bu ekiplerin yaptıkları çalışmalarla, sadece doğal kimyasal tepkimeler taklit edilerek RNA'nın bile üretilmesi mümkün olmuştur. RNA üretiminde gerekli olan unsurların mor ötesi ışınlar ile hidroksibakır fosfat olduğu tespit edilmiştir. Kısaca, yapılan deneylerde nükleotitler ve genetik materyale dair gereken tüm bileşenler üretilebilmiştir. Bu da, doğada bunların kendiliğinden var olmaması için tek bir nedenin dahi bulunmadığını bizlere göstermektedir.


Bu yazımızda elimizden geldiğince genetik materyalin ne kadar sıradan olduğundan ve nasıl bilindik bir şekilde çalıştığından bahsetmeye uğraştık. Ancak halen DNA'nın nasıl kendiliğinden var olmuş olabileceğine değinmedik. Dolayısıyla bir sonraki yazımızda buna gireceğiz ve dizimize devam edeceğiz.


Umarız faydalı olmuştur.

 

Saygılarımızla.

 

Yazan: ÇMB (Evrim Ağacı)


---


Abiyogenez Yazı Dizisinin Diğer Yazıları:

Abiyogenez - 1: Kimyasal Evrim, Canlılık ve Cansızlık Tanımları
Abiyogenez - 2: Canlılığın Temelindeki Moleküllere Giriş: 'Hayat Molekülleri'
Abiyogenez - 3: Nükleotitler, Genler, DNA, Kromozom ve Diğer Genetik Yapıların Özellikleri ve İşleyişi
Abiyogenez - 4: İlk DNA Nasıl Oluştu? - Retrovirüsler, "Önce-RNA Hipotezi" ve "RNA Dünyası Kuramı"
Abiyogenez - 5: Ribozim, RNA ve DNA'nın Evrimi
Abiyogenez - 6: İlkin Dünya Koşullarında Koaservatların Cansızlıktan Evrimi ve Yağların Önemi
Abiyogenez - 7: Büyük Hayat Moleküllerinin Oluşumu ve Canlılığın Cansız Temeli
Abiyogenez - 8: Koaservatların Evriminin Kısa ve Dar Bir Özeti
Abiyogenez - 9: Proteinler Kendi Kendilerine Nasıl Oluştular? Proteinin Oluşma Hesapları Üzerine...
Abiyogenez - 10: Bütün Canlıların Ortak Amacı Neden "Hayatta Kalmak" ve "Üremek"tir?

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1. Biogenesis, abiogenesis, biopoesis and all that, Carl Sagan, Origins of Life and Evolution of Biospheres, Volume 6, Number 4 (1975), 577, DOI: 10.1007/BF00928906
  2. Conversion of light energy into chemical one in abiogenesis as a precondition of the origin of life, T.E. Pavloyskaya, T.A. Telegina, Origins of Life and Evolution of Biospheres, Volume 19, Numbers 3-5 (1989), 227-28, DOI: 10.1007/BF02388822
  3. Abiogenesis and photostimulated heterogeneous reactions in the interstellar medium and on primitive earth: Relevance to the genesis of life, A.V. Emeline et al., Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, Volume 3, Issue 3, 31 January 2003, Pages 203–224
  4. The possibility of nucleotide abiogenic synthesis in conditions of “KOSMOS-2044” satellite space flight, E.A. Kuzicheva, Advances in Space Research, Volume 23, Issue 2, 1999, Pages 393–396
  5. The emergence of the non-cellular phase of life on the fine-grained clayish particles of the early Earth's regolith, Mark D. Nussinov, et al., Biosystems, Volume 42, Issues 2–3, 1997, Pages 111–118
  6. Models for protocellular photophosphorylation, Peter R. Bahn, et al., Biosystems, Volume 14, Issue 1, 1981, Pages 3–14
  7. Evolution and self-assembly of protocells, Richard V. Sole, The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, Volume 41, Issue 2, February 2009, Pages 274–284
  8. Sufficient conditions for emergent synchronization in protocellmodels, Journal of Theoretical Biology, Volume 254, Issue 4, 21 October 2008, Pages 741–751
  9. The emergence of ribozymes synthesizing membrane components in RNA-based protocells, Wentao Ma, et al., Biosystems, Volume 99, Issue 3, March 2010, Pages 201–209
  10. The “protocell”: A mathematical model of self-maintenance, Helmut Schwegler, et al., Biosystems, Volume 19, Issue 4, 1986, Pages 307–315
  11. Computational studies on conditions of the emergence of autopoietic protocells, Naoaki Ono, Biosystems, Volume 81, Issue 3, September 2005, Pages 223–233
  12. Bifurcation for a free boundary problem modeling a protocell, Hua Zhang, et al., Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, Volume 70, Issue 7, 1 April 2009, Pages 2779–2795
  13. Protocell self-reproduction in a spatially extended metabolism–vesicle system, Javier Macia, et al., Journal of Theoretical Biology, Volume 245, Issue 3, 7 April 2007, Pages 400–410
  14. A nonlinear treatment of the protocell model by a boundary layer approximation, Kazuaki Tarumi, et al., Bulletin of Mathematical Biology, Volume 49, Issue 3, 1987, Pages 307–320
  15. A model for the origin of stable protocells in a primitive alkaline ocean, W.D. Snyder, et al., Biosystems, Volume 7, Issue 2, October 1975, Pages 222–229
  16. Facilitated diffusion of amino acids across bimolecular lipid membranes as a model for selective accumulation of amino acids in a primordial protocell, William Stillwell, Biosystems, Volume 8, Issue 3, December 1976, Pages 111–117
  17. The origins of behavior in macromolecules and protocells, Sidney W. Fox, Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Comparative Biochemistry, Volume 67, Issue 3, 1980, Pages 423–436
  18. Self-organization of the protocell was a forward process, Sidney W. Fox, Journal of Theoretical Biology, Volume 101, Issue 2, 21 March 1983, Pages 321–323
  19. From prebiotic chemistry to cellular metabolism—Thechemicalevolution of metabolism before Darwinian natural selection,Enrique Melendez-Hevia, et al., Journal of Theoretical Biology, Volume 252, Issue 3, 7 June 2008, Pages 505–519
  20. Natural selection in chemical evolution, Chrisantha Fernando, et al., Journal of Theoretical Biology, Volume 247, Issue 1, 7 July 2007, Pages 152–167
  21. Chemical evolution of amino acid induced by soft X-ray with synchrotron radiation, F. Kaneko, et al., Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, Volumes 144–147, June 2005, Pages 291–294
  22. Radiation-induced chemicalevolution of biomolecules, Kazumichi Nakagawa, Radiation Physics and Chemistry, Volume 78, Issue 12, December 2009, Pages 1198–1201
  23. Evolution of DNA and RNA as catalysts for chemical reactions, Andres Jaschke, et al., Current Opinion in Chemical Biology, Volume 4, Issue 3, 1 June 2000, Pages 257–262
  24. Anatomical correlates for category-specific naming of living andnon-living things, Carlo Giussani, et al., NeuroImage, Volume 56, Issue 1, 1 May 2011, Pages 323–329
  25. Formamide in non-life/lifetransition, Raffaele Saladino, et al., Physics of Life Reviews, Volume 9, Issue 1, March 2012, Pages 121–123
  26. Major life-history transitions by deterministic directional natural selection, Lars Witting, Journal of Theoretical Biology, Volume 225, Issue 3, 7 December 2003, Pages 389–406
  27. From the primordial soup to the latest universal common ancestor, Mario Vaneechoutte, et al., Research in Microbiology, Volume 160, Issue 7, September 2009, Pages 437–440
  28. How life evolved: Forget the primordial soup, Nick Lane, The New Scientist, Volume 204, Issue 2730, 14 October 2009, Pages 38–42
  29. Modelling the early events of primordial life, Yu. N. Zhuravlev, et al., Ecological Modelling, Volume 212, Issues 3–4, 10 April 2008, Pages 536–544
  30. From a soup or a seed? Pyritic metabolic complexes in the origin of life, Matthew R. Edwards, Trends in Ecology & Evolution, Volume 13, Issue 5, May 1998, Pages 178–181
  31. Self-organization vs. self-ordering events in life-origin models, David L. Abel, Physics of Life Reviews, Volume 3, Issue 4, December 2006, Pages 211–228
  32. The steroid receptor RNA activator is the first functional RNA encoding a protein, S. Chooniedass-Kothari, et al., FEBS Letters, Volume 566, Issues 1–3, 21 May 2004, Pages 43–47
  33. RNA, the first macromolecular catalyst: the ribosome is a ribozyme, Thomas A. Steitz, et al., Trends in Ecology & Evolution, Volume 28, Issue 8, August 2003, Pages 411–418
  34. Did the first virus self-assemble from self-replicating prion proteins and RNA?, Omar Lupi, Medical Hypotheses, Volume 69, Issue 4, 2007, Pages 724–730
  35. Characters of very ancient proteins, Bin Guang-Ma, et al., Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 366, Issue 3, 15 February 2008, Pages 607–611
  36. Simple coacervate of pullulan formed by the addition of poly(ethylene oxide) in an aqueous solution, Hiroyuki Ohno, et al., Polymer, Volume 32, Issue 16, 1991, Pages 3062–3066
  37. Preparation of polyacrylamide derivatives showing thermo-reversible coacervate formation and their potential application to two-phase separation processes, Hiroaki Miyazaki, et al., Polymer, Volume 37, Issue 4, 1996, Pages 681–685
  38. Coacervate complex formation between cationic polyacrylamide and anionic sulfonated kraft lignin, Alois Vanerek, et al., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 273, Issues 1–3, 1 February 2006, Pages 55–62
  39. Complex coacervates as a foundation for synthetic underwater adhesives, Russell J. Stewart, et al., Advances in Colloid and Interface Science, Volume 167, Issues 1–2, 14 September 2011, Pages 85–93

6 Yorum