DNA NEDEN HÜCRELERİMİZİN YÖNETİCİ MOLEKÜLÜDÜR?

Hücrelerimizi yöneten ve bizi biz yapan moleküler yapı deoksiribo nükleik asit adı verilen DNA’dır. DNA, ökaryot hücrelerde çekirdekte ve prokaryot hücrelerde sitoplazma (hücre zarı içinde bulunan hücresel yapıların içerisinde bulunduğu yumurta kıvamındaki madde) içerisinde genellikle dağınık halde bulunmaktadır. DNA’ya bu eşsiz özellikleri moleküler yapısı vermektedir. Öyle ki bir yönetici molekül basitçe kendini eşleyebilmeli (replike edebilmeli – kopyalayabilmeli), genetik bilgi depolayabilmeli ve içerdiği genetik bilgiyi işlevsel şekilde uygun yapılara iletebilmelidir. DNA molekülü de bu özelliklerin tamamına sahiptir.

Bir DNA molekülü incelendiğinde DNA’nın nükleotid adı verilen alt birimlerden meydana geldiği görülmektedir. Nükleotidler ise bir fosfat (PO4) grubu, bir adet deoksiriboz şekeri (bir oksijeni azaltılmış riboz şekeri - C5 H10 O4) ve dört çeşit organik bazdan (Adenin(A), Timin(T), Guanin(G), Sitozin(C)) birini içerir. Bireysel nükleotidlerde fosfat grupları deoksiriboz şekerinin 5’ numaralı karbonuna (deoksiriboz şekeri 5 adet karbon atomundan oluşur. Karbonlar yerleşim yerlerine göre 1'den 5'e numaralandırılmıştır.) bağlanmış durumda bulunur. Nükleotidler birbirleriyle birleşirken (bahsedilen bu birleşmede nükleotideler üst üste dizilir yani A/T gibi bir görünüm oluşur. Burada arada bulunan çizgi kimyasal bağı temsil etmektedir.) bireysel nükleotidin deoksiriboz şekerinin 5’ karbonuna bağlı fosfat grubu (bu bağı koparmadan) birleşilecek nükleotidin deoksiriboz şekerinin 3’ karbonuyla bağ yapar. Böylece nükleotidler üst üste birleşmiş olur. DNA oluşumu esnasında nükleotidler tıpkı anlatıldığı gibi üst üste birleştiğinden DNA oluşum yönü 5’→3’ şeklinde ifade edilir. Yani nükleotidler 5’ karbonlarından 3’ karbona doğru uzar. Bu uzanan nükleotidler DNA molekülünün birinci iplikçiğini oluşturmuş olur. Çünkü DNA molekülü çift iplikçikli (yan yana gelmiş iki uzun nükleotid sırası) bir yapıdadır. Diğer iplikçik de anlatıldığı gibi 5’→3’ şeklinde uzar. Ancak iplikler asimetriktir. Yani birinci iplikçikte 5’ karbonu yukarı doğru bakıyorsa ikinci iplikte bu aşağı doğrudur. Ancak büyüme yönleri aynıdır. ( (5'/3')/(1.iplik)-(3'/5')/(2.iplik)) gibi bir yapı oluşumu gözlenir. Aradaki “-“ işareti iki iplikçik arasındaki bağları temsil etmektedir. DNA molekülü çift iplikli olmasının yanında sarmal yapı da gösterir. Yani iki iplikçik bir sarmal şekli oluşturmuşlardır. Bu sarmalın dış tarafında (iki iplikçik için de) negatif yüklü fosfat grupları bulunur. Bu DNA molekülüne asidik özellik kazandıran sebeple yakından ilişkilidir. Ayrıca bu negativite sayesinde DNA’nın düzenlenmesinde ve paketlenmesinde (DNA uzun bir moleküldür ve paketlenmesi gerekir) görev alan bazik yapılı (yani pozitif yüklü) histon proteinleri negatif fosfat gruplarına bağlanarak görevlerini yapabilmektedir. Sarmalın iç tarafında karşılıklı olarak birbirlerine bakan nükleotidler bulunmaktadır. Kimyasal kurallar gereği nükleotidler birbirleriyle belirli şekillerde karşılıklı hale gelebilir. Adenin nükleotidi timin nükleotidiyle iki hidrojen bağı yaparak karşılıklı eşleşirken guanin nükleotidi sitozin nükleotidiyle üçlü hidrojen bağı yaparak karşılıklı eşleşir. Nükleotidler kendileriyle de eşleşmezler yalnızca karşıt çiftleriyle eşleşebilirler. Normal ve sağlıklı durumlarda bu sadece böyledir. Bu kural karşılıklı eşleşmelerde geçerlidir. Yani nükleotidler üst üste dizilirken bu oluşmaz (tabii olasılıksal olarak gerçekleşebilir ama sebebi bu kural değildir rastlantısaldır veya evrim kaynaklıdır.) ancak iki iplikçik arasındaki eşleşmelerde bu böyledir. Yani ilk iplikçik yukarıdan aşağıya A-T-T-G-C nükleotidlerini içeriyorsa ikinci iplikçik de yukarıdan aşağıya T-A-A-C-G nükleotidlerini içermelidir. Bu çok önemlidir ve özellikle genetik bilginin kopyalanmasında büyük önem taşımaktadır. DNA’nın içerdiği bilgi bahsedilen nükleotidlerle şifrelenmiş olarak depolanmıştır. Yani farklı canlıların DNA’ları farklı dizilişlere sahiptir ve dolayısıyla farklı genetik bilgileri taşırlar. Örneğin x canlısının DNA’sının bir bölümünün dizilimi A-T-C-C-G-T olabilirken y canlısının DNA’sının bir bölümü T-G-G-C-A-C şeklinde olabilir. DNA’da bilgi içeren kısımlar “gen” olarak adlandırılır. Yani DNA’nın tamamı işlevsel bilgi içermez. Bazı kısımlar düzenleme için bazı kısımlarsa yapısal desteklik için kullanılabilir. Hatta farklı hücrelerde bulunan aynı dizilişli DNA’daki farklı gen bölgeleri aktif durumda bulunabilir. DNA’da aktif olan gen bölgelerine eukromatin ve aktif olmayan gen bölgelerine heterokromatin denmektedir. Heterokromatinler histon proteinleriyle sıkıca sarılmış durumda bulunabilir.

DNA bir yönetici molekül olarak içerdiği genetik bilgiyi diğer hücrelere de aktarmak zorundadır. Bu söz konusu DNA’ya sahip türün devamlılığı veya sağlıklı yaşayışı için önemlidir. DNA diğer bir hücreye aktarılırken ana hücrenin ölmesi ve DNA miktarının sabit kalması tercih edilmez. Onun yerine DNA kopyalanarak (replike edilerek) sayısını iki katına çıkartır ve ana hücre genellikle ikiye bölünerek canlı (ve DNA) sayısını iki katına çıkarmış olur. Bu diğer yönteme göre daha verimlidir. Bu işleme replikasyon adı verilmektedir. Replikasyon esnasında Topoizomeraz adı verilen bir yapı DNA sarmalını düzleştirir ve DNA’yı replikasyona hazır hale getirir. Ardından Helikaz adı verilen başka bir yapı düzleşmiş DNA’daki iki iplikçik arasında kurulmuş hidrojen bağlarını kırarak DNA’yı tıpkı bir fermuar gibi açar ve iki iplikçiği birbirinden ayırır. Bu aşamada bazı protein ve enzim yapıları iplikçiklere ayrı ayrı bağlanarak iplikçiklerin yeniden birleşmesinin önüne geçmiş olur. Daha sonra DNA Polimeraz adı verilen bir enzim yardımıyla iplikçikler kopyalanmaya başlar. DNA Polimeraz yalnızca 5’→3’ yönünde çalışma gösterir. Bu yüzden bir iplikçikte kopyalama kolayken diğerinde biraz daha karmaşıktır. Çünkü ipliklerden biri bahsedildiği üzere diğerine asimetriktir ve 5’→3’ yönüne büyümüş olmasına rağmen DNA’nın açıldığı yerde 3’ ucu bulunur. Kopyalanmanın kolay olduğu iplikçikte çekirdekte serbest halde bulunan nükleotidler DNA Polimeraz yardımıyla kılavuz ipliğe yerleşir. Orijinal DNA molekülünden Helikaz enzimi yardımıyla elde edilmiş iplikçiklerden her bir kılavuz iplik olarak adlandırılır. Örneğin elimizde A-T-G-C-T dizilimine sahip bir kılavuz iplikçik varsa DNA Polimeraz enzimi yardımıyla bu iplikçiğin karşısına kimyasal kurallara uygun olarak yeni T-A-C-G-A nükleotidleri yerleştirilir. Mantıken orijinal DNA sarmalının bir orijinal iplikçiğinin dizilimi A-T-G-C-T ise ikinci orijinal ipliğinin dizilimi T-A-C-G-A şeklinde olmalıdır. Görüldüğü üzere sadece kılavuz A-T-G-C-T iplikçiği kullanılarak orijinal DNA’nın aynısı elde edilmiştir. Aynı işlem biraz daha karmaşık olarak ikinci orijinal iplikçik T-A-C-G-A’ya da uygulandığında yeni bir A-T-G-C-T dizilimi oluşur ve yine orijinal DNA’nın aynısı elde edilir. Süreç gerçekleşirken 3’ ucu başta olan DNA’ya bazı RNA (farklı bir genetik materyal) primerleri eklenir ve sonrasında replikasyon yapılır. DNA Ligaz adı verilen bir enzim bu yapıları birleştirir. Bu sayede DNA molekülü replike edilmiş ve birbirinin aynı iki molekül oluşturmuş olur. Tabii bu çok daha uzun diziler için gerçekleşir. DNA replikasyonu yarı korunumludur. Yani elde edilen yeni DNA’ların yarısı eski DNA’dan gelirken diğer yarısı yeniden oluşturulmuştur. Replikasyondan sonra hücreler bölünebilir ve birbirinin aynı DNA’ya sahip iki hücre meydana getirebilirler. Bu sayede genetik bilgiyi koruyarak aktarmış olurlar.

DNA bir yönetici molekül olarak replike edilebildiği kadar içerdiği genetik bilgiyi iletebilmeli ve kullanıma da sunabilmelidir. Bunun için DNA üzerindeki genler ekspirasyon işlemlerine (transkripsiyon ve translasyon) tabi tutulur. Transkripsiyon işlemi DNA’nın içerdiği genetik bilginin DNA’dan alınmasını ve uygun şekilde iletilmesini kapsar. Bu işlemin başlangıcında DNA tıpkı replikasyonda olduğu gibi açılır ve ikiye ayrılır. (Yalnız bu sefer bu durum eukromatin gen bölgesinde gerçekleşir). Ardından RNA Polimeraz adı verilen bir enzim kılavuz ipliğin üzerine gelerek bu iplikteki genetik şifreyi RNA formuna dönüştürür. Bu sefer kılavuz iplik DNA’nın iki iplikçiğinden biridir. Örneğin içinde işlevsel bilgi taşıyan DNA iplikçiğinin bir bölümünün dizilimi T-A-C-T-T-C şeklindeyse RNA Polimeraz enzimi yardımıyla çekirdekte serbest halde bulunan nükleotidler bu iplikçiğin karşısına A-U-G-A-A-G şeklinde yerleşir. Burada oluşan yeni molekül RNA olduğu için timin nükleotidi yerine urasil(U) nükleotidi kullanılır. Sonrasında bu molekül DNA’dan ayrılır ve çekirdek dışına olan yolculuğuna (ökaryotlarda) başlar. Bu halde moleküle mesajcı RNA yani mRNA adı verilir. mRNA dizisindeki her üç nükleotid bir kodonu meydana getirir. Örneğin A-U-G bir kodon ve A-A-G farklı bir kodondur. Kodonlarsa genetik bilginin şifreleridir. mRNA’nın görevi DNA’dan aldığı genetik bilgiyi protein üretim merkezi olan ribozomlara taşımaktır. Ribozomlar proteinlerin (hücreye yapısal özelliklerini kazandıran, çeşitli görevlerde kullanılan, sizin siz olmanızı sağlayan ve aminoasitlerden oluşan yapılar) üretildiği büyük ve küçük alt birimlerden meydana gelen hücresel yapılardır. mRNA ribozoma ulaştığında ribozom onu yakalar ve protein sentezini başlatır. Bu aşamada transfer RNA’lar yani (tRNA’lar) kullanılır. Bir tRNA molekülünün yapısına bakıldığında bir uca bağlı bir aminoasit ve diğer uca bağlı üç adet nükleotidden oluşan anti-kodon yapıları göze çarpar. tRNA’lar farklı anti-kodonlara sahiptir ve farklı anti-kodonlar farklı aminoasitlere işarettir. Örneğin U-A-C anti kodonu metil aminoasidini kodlar ve A-U-G kodonuna bağlanabilir. Eğer bir anti-kodon karşıt kodonuyla bağ kurarsa tRNA molekülünün yapısı değişir ve aminoasidini bırakır. Bu durumda ribozom içindeki mRNA molekülündeki kodonlara göre tRNA’lar uygun sırayla mRNA’ya bağlanarak aminoasitlerini serbest bırakır ve serbest bırakılan aminoasitler de ribozom yardımıyla birbirlerine peptit bağlarıyla bağlanarak primer protein yapısını meydana getirir. İşlem tamamlandığında serbest kalan protein içindeki aminoasit sayı ve dizilişine göre katlanarak işlevsel hale gelir. Proteinlerin canlıdan canlıya değişmesi de DNA’daki dizilişin farklılıklarından kaynaklanır. Diziliş farklı olursa mRNA farklı olacak ve bu da aminoasitlerin farklı sayı ve sırayla birleşmesine sebep olarak farklı proteinler ve farklı canlılar meydana getirecektir. Zaten akrabalık testlerinde genetik benzerlik ve protein benzerliği çalışmaları da bu yüzdendir. MRNA’daki bilgilerin proteinlere dönüşmesi süreci translasyondur.

DNA, bahsedilen özelliklerinin yanında bazı koruma mekanizmalarına da sahiptir. Sonuçta DNA bir bilgisayar değildir ve yapması gerekenleri bilemez. Meydana gelen tüm bu işlemler kimyasal ve termodinamik ilkelere göre gerçekleşir. Bazen replikasyon veya ekspirasyon sırasında hatalar meydana gelir ve mutasyonlar oluşur. DNA çoğunlukla özel protein yapılar kullanarak bunları düzeltebilir. Ancak düzeltemediği durumlar da mevcuttur ki bu evrimin, adaptasyonun hatta bazen ölümcül kanserlerin de sebebidir. Ayrıca DNA’da bir genin ne zaman açılıp kapanacağını kontrol eden mekanizmalar da tabii ki bulunmaktadır. Mesela bir bakteri türündeki lac operonu adı verilen bir sistem bağlı olduğu genleri yalnızca belli kimyasal maddelerin varlığı altında kullanıma uygun hale getirir. Bu kimyasal madde yokken RNA polimerazın bağlanacağı bölge özel bir yapıyla kapalı tutulur ve kimyasalı sindirecek proteinler üretilmez. Ancak kimyasal ortama girdiğinde kapalı tutulmayı sağlayan yapıya bağlanarak onu açar, protein üretilir, kimyasal sindirilir ve yapı tekrar kapanarak protein üretimini durdurur.

İşte burada basitçe açıklanan sebepler ve daha pek çok fazla faktör sebebiyle DNA, bir hücrede yönetici olmaya en uygun moleküldür. Öyle ki bu molekül; kendini kopyalayabilir, çok geniş ve çeşitli bir genetik bilgiyi bünyesinde şifreleyebilir, evrime ve adaptasyona izin verirken kendini koruyabilir, şifrelediği bilgileri taşınabilir forma geçirip iletebilir, iletilen bilgilerden canlıyı oluşturan proteinlerin yapılmasını sağlayabilir, farklı durumlara uygun tepki verebilir, aynı dizilişe sahip olmasına rağmen farklı koşullarda farklı proteinleri üreterek doku ve organ sistemlerini ve çok hücreli organizmaları oluşturabilir…