DNA'nın Yapısı Nasıldır? "Çift Sarmal" Ne Demek?

Francis Crick ve James Watson, 1950'lerde Cambridge Üniversitesinde DNA'nın yapısını araştırıyordu. Bu sırada Linus Pauling ve Maurice Wilkins gibi başka bilim insanları da bu konuda araştırmalar yürütmekteydi. Pauling, maddenin kristalinden geçirilen ışınlarının oluşturduğu desenlerle moleküler yapının incelendiği bir metot olan X ışını kristalografisi kullanarak proteinlerin ikincil (sekonder) yapısını keşfetmişti. X ışınlarının oluşturduğu desenler, araştırmacılara incelenen molekülün yapısı hakkında birçok bilgi veriyordu. Wilkins'in laboratuvarında çalışan Rosalind Franklin de DNA'nın yapısını anlamak için X ışını kristalografisinden yararlanıyordu. Watson ve Crick, Franklin'in elde ettiği verilerden yararlanarak DNA molekülünün yapısını çözmeyi başardı. Bu çalışmalarında Chargaff Kuralı gibi başka araştırmacılardan aldıkları başka bilgileri de kullandılar. Chargaff, DNA molekülünde dört farklı tür monomer (veya nükleotit) gözlendiğini ve ilk iki türün diğer iki türle her zaman aynı miktarda bulunduğunu kanıtlamıştı. Bu da monomer türleri arasında bir eşleşme olduğu anlamına geliyordu. 1962'de James Watson, Francis Crick ve Maurice Wilkins DNA'nın yapısını açıklayan çalışmalarından ötürü Nobel Tıp Ödülü'ne layık görüldüler.

Nükleik asitler, Deoksiribonükleik Asitler (DNA) ve Ribonükleik Asitler (RNA) olmak üzere ikiye ayrılır. DNA'nın temel yapı taşı; deoksiriboz (5 karbonlu şeker), fosfat grubu ve azotlu bazdan oluşan nükleotitlerdir. DNA'da 4 farklı azotlu organik baz bulunur. Bunlardan Adenin ve Guanin çift halkalı pürinlerken Timin ve Sitozin tek halkalı pirimidin bazlarıdır. Nükleotitler bulundurdukları organik baza göre isimlendirilir.

Medium

Her nükleotidin fosfat grubu başka bir nükleotidin şekeriyle kovalent bağ kurarak uzun bir nükleotit zinciri oluşturur. DNA'nın her nükleotit zincirinde fosfat grupları ile şekerler bir tür omurga oluşturur ve organik bazlar bu omurgaya bağlı bulunur. Beş karbonlu şekerin karbon atomları oksijene bağlı karbondan başlanarak saat yönünde 1'den 5'e kadar numaralandırılır. Fosfat grubu nükleotit içinde şekerin 5. karbonuna bağlanırken diğer nükleotidin şekerinin 3. karbonuna bağlanır. Bu doğal halinde DNA, organik bazlar arasındaki hidrojen bağlarının birbirine bağladığı iki nükleotit zincirinden oluşur.

Watson ve Crick DNA'nın çift sarmal yapıda olduğunu öne sürmüştür. Bu teoriye göre bir pürin ile bir pirimidin arasında oluşan hidrojen bağları organik bazları birbirine bağlar. Yani Adeninler timinlere ve guaninler sitozinlere bağlanır. Bu da adenin ve timinin birbirinin tamamlayıcı bazı olduğunu gösterir. Chargaff Kuralının temeli de budur; birbirlerini tamamladıklarından ötürü moleküldeki Adenin sayısı timin sayısına, guanin sayısı da sitozin sayısına her zaman eşit olacaktır. Adenin ve timin arasında iki hidrojen bağı bulunurken guanin ve sitozinler 3 hidrojen bağıyla bağlanır.

DNA iplikçikleri antiparalel yapıdadır. Yani iplikçiklerden birinin son şekerinde 3. karbon yukarı bakarken diğerinde 5. karbon yukarıda olacaktır. Pürinler her zaman pirimidinlere bağlandığı ve bunların uzunlukları toplamı hep aynı olduğundan DNA sarmalının çapı molekülün her yerinde aynıdır.

Libre Texts

RNA'nın Yapısı

Hücrede DNA dışında RNA adı verilen bir nükleik asit daha bulunur. DNA gibi RNA da bir nükleotit polimeridir. RNA'nın her nükleotidi bir azotlu baz, fosfat grubu ve bir beş karbonlu şekerden oluşur. DNA'daki beş karbonlu şeker deoksiribozken RNA'daki şeker ribozdur. Deoksiribozun aksine ribozun 2. karbonunda tek bir hidrojen atomu yerine bir hidroksil grup bulunur.

Libre Texts

RNA nükleotitlerinde adenin, guanin, sitozin ve urasil(U) bazları bulunur. Görüldüğü üzere DNA'daki timin bazının yerini RNA'da urasil almıştır. DNA'daki çift sarmal yapı RNA'da görülmez, RNA tek zincirli bir moleküldür. Moleküler biyologlar birkaç RNA türünü işlevlerine göre isimlendirmiştir. Bunlar mesajcı RNA'lar (mRNA), taşıyıcı RNA'lar (tRNA) ve ribozomal RNA'lardır (rRNA). Bu moleküller DNA'dan protein üretilmesinde görev alırlar.

Hücrede DNA'nın Düzenlenmesi

DNA'lar hücre bölünmesi öncesinde eşlenmeli ve hücrenin işlevini devam ettirebilmesi adına proteinler gibi moleküllerin sentezlenmesi için deşifre edilmelidir. Bu nedenle DNA belirli yöntemlerle paketlenir ve korunur. Dahası, bir DNA molekülü oldukça uzun olabilir. Tek bir insan hücresindeki DNA'lar iki ucundan tutulup esnetilirse uzunlukları 2 metreyi bulabilir. DNA'nın bu uzunluğuna rağmen hücre gibi gözle görünmeyen bir yapının içine sığması ve orada işlev gösterebilmesi için belirli bir şekilde sıkıştırılması gerekir. Prokaryotların kromozomları ökaryotlarınkine göre birçok açıdan daha basit yapılıdır. Çoğu prokaryotta sitoplazmanın nükleoid adı verilen bölgesinde halkasal yapılı tek bir kromozom bulunur.

Üzerinde en çok çalışma yürütülen prokaryotlardan biri olan E. Coli'nin genomunda 4.6 milyon baz çifti bulunur. Bu bazlar yan yana koyulsa kalınlıkları yaklaşık 1.6 mm olacaktır. Böyle bir hacim bir bakteri hücresinin içine nasıl sığar? DNA, çift sarmal yapısının yanı sıra kendi üstünde de kıvrılır. Bu süreçte görev alan bazı proteinler olduğu gibi oluşan yapının korunmasında da bazı enzim ve proteinler görev alır.

Kromozomları birer çizgisel DNA molekülünden oluşan ökaryotlarda ise DNA çekirdekte daha farklı bir şekilde saklanır. İlk aşamada DNA'nın histon proteinleri etrafına sıkıca sarılmasıyla nükleozom adı verilen yapılar oluşur. Bu nükleozom, histonsuz bir DNA zinciri tarafından başka bir nükleozoma bağlanır. Bu yapı iplerle birbirine bağlanmış boncuklara benzetilebilir. Böyle bir benzetmede boncuklar nükleozomları, iplerse histonsuz DNA parçacıklarını temsil eder. Nükleozomlar, birbirleri üstüne istiflenerek 30 nanometre kalınlığında bir lif oluştururlar. Bu lif de kıvrılarak daha kalın ve yoğun bir yapı ortaya çıkarır. Mitozun metafaz evresinde, yani kromozomlar bölünme eksenine dizildiği sırada kromozomlar en yoğun hallerindedir. Genişlikleri yaklaşık 700 nanometreyi bulmuştur ve iğ ipliklerine bağlıdırlar.

Kromozomların yoğunlaştığı evre olan interfaz evresindeki ökaryot hücrelerde her kromozom boyama yoluyla birbirinden ayırt edilebilecek farklı bölgelerden meydana gelir. Boyamada daha koyu renk veren ve daha az yoğunluğa sahip noktalar göze çarpar. Bu noktalarda genelde aktif olmayıp sentromer ve telomer bölgelerinde bulunan genler vardır. Buna karşın boyamada az renk veren bölgelerde genelde aktif genleri oluşturan, nükleozom seviyesine kadar sıkıştırılmış DNA'lar bulunur.