Temel Genetik Kavramlar: Nükleotit, DNA, Gen, Kromozom Nedir?

DNA, ya da uzun adıyla deoksiribonükleik asit, Dünya üzerinde var olan bütün canlılarda bulunan ve hepsinde kalıtsallığı sağlayan moleküldür. Yani canlılar, DNA isimli bu kimyasal maddeyi kullanarak, kendi biyolojik özelliklerinin bir kısmını veya tamamını yavrularına aktarırlar. Ancak biyolojik organizmalara genetik yapısını kazandıran bu molekül, tek bir yapıda bulunmaz. Genetik ile ilgilenen birisi gen, kromatit ve kromozom gibi birçok diğer terimle de karşılaşmış; hatta bunların sayılarıyla ilgili kafa karışıklığı yaşamıştır. Bu yazımızda, DNA ve genlerle ilişkili tüm kavramları açıklayacağız.

DNA: Deoksiribonükleik Asit Nedir?

Her kimyasal maddenin kendine özgü bir fiziksel yapısı vardır. Deoksiribonükleik Asit (DNA) isimli kimyasal yapının fiziksel şekline ise "ikili sarmal" adını vermekteyiz; çünkü birbiri etrafına örülmüş gibi gözüken iki şerit ve bu şeriti birbirine bağlayan moleküler köprülerden oluşmaktadır. Bu yapıyı oluşturan alt birimler, nükleobazlardır (kimi zaman sadece baz da denebilir; ancak "baz" sözcüğünün kimyada anlamı oldukça geniş olduğu için bu kısa kullanım kafa karıştırıcı olabilir).

Canlı genetiğinde 4 temel baz bulunmaktadır: Adenin (A), Timin (T), Sitozin (C), Guanin (G). İkili sarmal üzerinde bir hata (mutasyon) olmadığı sürece her zaman Adenin ile Timin, Sitozin ile Guanin karşılıklı olarak birbirine bağlanır. Böylece iki sarmal bir arada tutulur. Bu 4 bazın DNA dediğimiz sarmal yapı üzerindeki dizilişi, bir canlının genetik yapısının ve fiziksel özelliklerinin ne olacağını belirlemektedir. DNA'nın yapısını görelim:

Bilim ve Tekno

Burada şunu vurgulamakta fayda var: DNA'dan söz ederken ders kitaplarında ve popüler bilimde sık sık havalı ikili sarmal çizimleri görsek de, direkt görüntüleme teknikleriyle bugüne kadar en yüksek çözünürlükte elde ettiğimiz DNA fotoğrafları aşağıdaki gibidir:

Science

AzoNano

Nanoletters

Nükleobaz, Nükleosit, Nükleotit Nedir?

Bunlara "kimyasal baz" ya da nükleobaz denmesinin nedeni, bazik yapıda bir kimyasal madde olmalarıdır. Bu bazlar, azot yapılı moleküllerdir. Nükleobazlar (şekerlerle) bir araya gelerek nükleositleri, nükleositler de bir araya gelerek nükleotitleri oluşturur. Nükleotitler de nükleik asitlerin temel yapıtaşıdır. İşte DNA da, bu nükleik asitlerden sadece bir tanesidir.

Nükleobaz Nedir?

Aşağıdaki görselde en soldaki sütun, azotlu bazları göstermektedir. Bunlar, bir nükleik asidin en küçük yapıtaşıdır ve meşhur A, C, G, T harfleri ile temsil edilenler de bunlardır. Dikkat ederseniz bu listede beşinci bir nükleobaz bulunmaktadır: Urasil (U). Bu, RNA isimli bir diğer genetik materyalin yapısında Timin yerine geçen bir moleküldür. Bunun detaylarına az sonra döneceğiz; şimdilik aşağıdaki görsele odaklanalım:

Wikipedia

Fikir vermesi açısından adenin molekülüne biraz daha yakından bakalım:

Wikipedia

Nükleosit Nedir?

Bu temel azotlu bazlara oksijen ve hidroksil (OH) molekülleri bağlandığında ortaya çıkan moleküler nükleosit demekteyiz. Bir nükleosit içinde 1 adet nükleobaz (azotlu baz) ve 5 karbonlu bir şeker (riboz veya deoksiriboz) bulunmaktadır. Burada ilginç bir gerçekle karşılaşmaktayız: Besin maddelerimiz arasında da bulunan şekerler, genetik yapımızın yapıtaşlarından bazılarını oluşturmaktadır. Yani besin maddelerimiz ile yapı taşlarımız arasında doğrudan doğruya bir ilişki bulunmaktadır. Hem riboz şekeri, hem de deoksiriboz şekeri, karbonhidratlar sınıfından kimyasallardır.

Yukarıdaki görselde ortadaki sütundakiler, az sonra detaylarına gireceğimiz RNA molekülünün içindeki nükleositlerin kimyasal yapısını göstermektedir. Bunlara ribonükleosit denmektedir. En sağdaki ve son sütun ise, meşhur DNA molekülünün yapısına katılan nükleositlerdir. Bunlara deoksiribonükleosit denmektedir. Örneğin adenin temelli ribonükleosite adenozin adını vermekteyiz.

Wikipedia

Adenozin... Hmm... Biyolojideki bir başka kavramdan tanıdık geldi mi? Okumaya devam:

Nükleotit Nedir?

Nükleotitler ile nükleositler arasındaki tek fark, bir veya birden fazla fosfat molekülüdür. Nükleositlere bağlanan bir fosfat molekülü sonucunda elde ettiğimiz moleküle nükleotit demekteyiz. Yani bir nükleotitin yapıtaşında şu üçü bulunur: Bir nükleobaz, bir beş karbonlu şeker grubu ve bir fosfat grubu.

Tıpkı riboz ve deoksiriboz şekeri örneğinde olduğu gibi, nükleotitler de doğrudan doğruya metabolizmamız ve beslenmemiz ile ilişkilidir: Nükleotitler, kimyasal enerjiyi barındıran paketlerdir! Genetik yapımızdakinden birazcık farklı olarak nükleosit trifosfatlar halinde bunu yaparlar; ama gene de yaparlar!

ATP: Adenozin Trifosfat Nedir?

ATP molekülünü duymuş muydunuz? Açılımı, Adenozin Trifosfat, öyle değil mi? Adenozinin adenin temelli bir ribonükleosit olduğunu az önce öğrenmiştik. İşte buna 3 adet fosfat grubu bağlandığında, bütün hücrelerimizde "enerji paketleri" olarak kullanılan meşhur ATP molekülüne ulaşmaktayız!

Bu konuyu "nükleosit" başlığı altında anlatmak yerine "nükleotit" başlığı altında anlatma nedenimizi fark ettiniz mi? İpucu: Fosfat molekülü! ATP içindeki nükleositlerin üzerine 3 adet fosfat grubu bağlandığı için artık ona "nükleosit" diyemiyoruz. ATP bir nükleotittir!

ATP'nin hayati önemi bize enerji vermesinden de büyüktür! Diğer canlıları tüketerek vücudumuza ATP aldığımızda, bu molekülü parçalayarak önce deoksiribonükleotit trifosfat denen bir diğer moleküle çeviririz: dATP. Sonrasında bu molekülü kullanarak RNA ve DNA'yı inşa edebiliriz! İşte yaşam böyle zincirleme bir şekilde birbirine bağlıdır.

Sonuç olarak: Yani nükleosit ve nükleotit gibi kavramlar, aynı molekülün daha basit veya daha karmaşık yapılı hallerine verilen isimlerdir. Önemli olan ise şu: Bir kere nükleotitleri inşa ettiğinizde, bunları arka arkaya ekleyerek koca bir DNA molekülü elde edebilirsiniz! DNA molekülü, arka arkaya dizilmiş nükleotitlerden ibarettir. Ama her biyolojik kavramda olduğu gibi, bu konunun detaylarına indikçe daha fazla molekül ve kavram ortaya çıkmaktadır. Şimdi onlara bakacağız; ancak öncelikle muhtemelen aklınıza takılan bir soruya yanıt verelim:

Bir Kimyasal Fiziksel Özellikleri Nasıl Belirler?

Bir kimyasalın yapısını oluşturan parçaların sırası nasıl olur da bir canlının fiziksel özelliklerini belirleyebilir?

Çok basit: DNA'nın ana görevi, bünyesinde bireye dair genetik bilgiyi saklamanın yanı sıra, RNA (ribonükleik asit) isimli bir diğer "yardımcı molekülü" üretmektir. Daha doğrusu bu yardımcı molekül, DNA'daki baz sıralamasından yola çıkarak inşa edilir. Bu RNA molekülünün görevi ise, DNA'daki bilgiyi proteinlere dönüştürmektir. Proteinler, yediğimiz besinlerde de bulunan kimyasal moleküllerdir. Yediğimiz et gibi besinlerde bulunmasının nedeni, o etin geldiği hayvanın vücut yapısını inşa etmekte kullanılıyor olmasıdır.

İşte aynı şekilde, benzer proteinler, bizlerin vücutlarını da inşa eder. DNA içindeki bilgi, ne tarz ve miktarda proteinler üretileceğini ve bunların nasıl dizileneceğini belirler. Buna bağlı olarak, aynı yapıdaki genetik koddan bir bakteri de inşa edilebilir, bir ağaç da, bir fil de, bir insan da... Tek değişen, bu bazların DNA üzerindeki dizilimidir, yani sırasıdır. Tabii bazı canlıların DNA'sı daha uzun, bazılarınınki daha kısa olabilir. Örneğin insan vücudundaki her bir hücrede 3.2 milyar, pirinç bitkisinde 420 milyon, Ambystoma mexicanum türü semenderlerde 32.3 milyar nükleobaz çifti bulunmaktadır. Ancak özünde hepsi birebir aynı kimyasal bazları kullanmaktadır.

RNA: Ribonükleik Asit Nedir?

Yazı boyunca ribonükleik asit olarak bilinen RNA molekülünden bahsettik; ancak bunun nereden geldiğinden bahsetmedik. Biraz buna bakalım:

İki molekül arasındaki isim benzerliği mutlaka dikkatinizi çekmiştir: Ribonükleik Asit ve Deoksiribonükleik Asit. Tek far, "deoksi" ön eki. Bu bir tesadüf değil: de- ön eki Latincede "bundan, ondan, hakkında" anlamına gelen bir ektir. Genellikle "ondan ayrılan", "bundan kopan" anlamı dolayısıyla "eksilen", "eksiltme" gibi anlamlara gelir. Oksi ise, tahmin edebileceğiniz gibi, oksijen molekülüne işaret etmek için kullanılmaktadır. Yani deoksiriboz şekeri, riboz şekerinden 1 adet oksijen molekülünün eksilmesi ile elde ettiğimiz bir kimyasal maddedir! Hepsi bu!

Yapılan araştırmalar, evrimsel süreçte ilk ortaya çıkan molekülün RNA olduğunu düşündürmektedir. Yani RNA, kendisinden bile önce gelen, daha basit yapılı ribozim isimli bir enzimden evrimleştikten sonra, kendi kendini kopyalama becerisi kazanması sonucu DNA'ya evrimleşmiş olduğu düşünülmektedir! Bu konuyla ilgili olarak şu yazımızı okuyabilirsiniz.

Ancak DNA'dan RNA üretimi, yani transkripsiyon ve RNA'dan protein üretimi, yani translasyon apayrı yazıların konusu. Şimdilik DNA'ya geri dönelim. Çünkü uzun bir DNA molekülünü incelediğinizde oldukça ilginç yapılarla karşılaşmaktasınız.

Gen Nedir?

Bu kadar DNA'dan söz ettik; ancak "genetik" sözcüğünün de temelinde yer alan "gen" kavramından hiç söz etmedik. Sahi, "gen" nedir?

Genler, DNA'nın belirli görevler yapan bölgelerine verilen isimdir. Aslında DNA içinde "gen" diye bir bölge yoktur. Genler, insanlar tarafından yapılan incelemeler sonucunda belirli fiziksel özellikleri tanımlayan, belirli genetik görevleri yerine getiren, belirli başlangıç ve sonlanma noktaları bulunan DNA bölgelerine atanmış isimlerdir. Örneğin türümüzün her bir hücresinde bulunan 3.2 milyar nükleobaz çifti, 20.000 ila 25.000 gen bölgesine bölünmüştür. Bunların her birinin farklı özellikleri vardır; ancak bunların çok büyük bir kısmı herhangi bir proteini kodlamamaktadır! Bu "hurda genlerin" bir kısmının düzenleyici rolü vardır, çoğu ise atalarımızdan kalma körelmiş genlerdir, yani işlevini yitirmiş genlerdir.

ResearchGate

Genlerimize bakarak bireyler ve türler arasındaki benzerlikleri tespit edebiliriz. Buna karşılaştırmalı genomik adı verilir. Örneğin herhangi iki insan arasındaki gen benzerliği %99.92-99.98 arasıdır. İnsanlarla yaşamış en yakın kuzenleri Neandertaller arası gen benzerliği %99.88 dolaylarındadır. İnsanlarla günümüzde yaşayan en yakın kuzenleri şempanzeler arası gen benzerliği %98.77 dolaylarındadır. Ancak daha uzak akrabalara gittikçe bu benzerlikler de azalır: Kedi ve köpeklerle gen benzerliğimiz %90 dolaylarında, bir muz bitkisi ile gen benzerliğimiz %50 dolaylarındadır. Yine de bu kadar çok sayıda ortak genimizin olması, ortak bir evrimsel kökeni paylaştığımızın ispatıdır.

Az sonra kromozomlarla ilgili kısımda söz edeceğimiz gibi, biri anneden diğeri babadan gelen birer kromozom çiftlerimiz bulunmaktadır. Bu kromozomlar birbirine çok benzerdir; çünkü aynı türe ait bireylerden (anne ve babadan) gelmektedir. Dolayısıyla kromozom üzerindeki spesifik gen bölgeleri birbiriyle aynı düzendedir. Yani babadan gelen kromozomda "göz rengi" ile ilgili genler bir uçtayken, anneden gelen kromozomda "göz rengi" ile ilgili genler diğer uçta değildir. Yan yana koyacak olduğunuzda neredeyse birebir eşlendiklerini görebilirsiniz. İşte bu "gen bölgelerinin" kromozomlar üzerindeki fiziksel yerlerine lokus adını veriyoruz. Genlerin her bir olası versiyonuna alel adını vermekteyiz. Mesela anneden gelen göz rengi geni bir alel, babadan gelen göz rengi diğer bir alel olabilir. Kimi zaman bu alellerin farklı durumda olmasına varyant (çeşit) de denmektedir; çünkü bu gen çeşitleri türe çeşitlilik katar. Bu çeşitliliğin çevreyle en uyumlu olan kombinasyonlarının hayatta kalıp üremesiyle (yani "seçilimiyle") türler evrimleşir. Bu nedenle gen çeşitleri çok önemlidir.

ThoughtCo

Genlerin belirli görevlere karşılık gelen DNA bölgeleri olduğunu anladıysak, DNA gibi upuzun bir molekülün yapısal olarak hücreler içinde nasıl barındırıldığına göz atabiliriz.

Kromozom Nedir? DNA Paketleri...

Kromozomlar, DNA'nın hücre çekirdeği içerisindeki paketlenme biçiminin genel adıdır. Yani kromozomları "DNA paketleri" olarak düşünmek mümkündür. Bu açıdan bakıldığında kromozom da bir DNA molekülüdür! Ancak ufak bir farklılık mevcuttur: Her canlıda birden fazla kromozom bulunur; yani DNA ipliği tek bir şerit halinde değil, birden fazla noktada kırpılmış halde bulunur. İşte bu kırpılmış paketlere "kromozom" denir. Kromozomların tümü, doğal olarak bir canlının bütün genetik bilgisini barındırmaktadır. Bir canlının bütün genetik bilgisine genom adı verilir.

O zaman şöyle diyebiliriz: Bir canlının genomu, kromozom adı verilen paketlere bölünmüş DNA ipliğinden oluşur.

Kromozomlar çıplak gözle, hatta mikroskop ile bile gözükmeyecek kadar küçüklerdir. Mikroskop altında görebildiğimiz tek zaman, hücre bölünmesinin olduğu zamanlardır. 90 mikrometrelik kromatin ağı, hücre çoğalması sırasında "çözüldüğünde", ortaya yaklaşık 120 mikrometre uzunluğunda kromozomlar çıkmaktadır. Bu konuya az sonra "kromatin" konusunda döneceğiz.

Kromozomlar X şeklinde midir?

Kromozomlar genellikle X şeklinde gösterilirler; ancak bu yanıltıcıdır! Çünkü eğer bir kromozom X şeklinde gösteriliyorsa, o hücre bölünme sürecinde demektir. Ve az sonra göreceğimiz gibi, o X şeklinin her bir yarısını oluşturan yapılara kromozom değil, kromatit adı verilir.

Ama şu anda bununla kafanızı karıştırmayın. Şunu anlayın: Kromozomlar tekil zincirlerdir; normalde bölünme zamanı haricinde X şeklinde bulunmazlar! Şöyle bulunurlar:

Semantic Scholar

"E ama insanda 23 çiftten 46 kromozom var!" dediğinizi duyar gibiyiz. Haklısınız da; ancak orada "çift" denmesinin bir nedeni var. O neden, kromozomların en iyi bölünme sırasında çalışılabilmesidir. Çoğu kromozomal araştırma hücre bölünmesi sırasında yapıldığı için, kromozomlar da iki kopyaya sahip olduğu evrede analiz edilir. Bu nedenle genellikle kromozomlardan çiftler halinde bahsederiz.

Bu konuya kromatitlerde tekrar döneceğiz; şimdilik zihninizin bir köşesinde demlensin. Biz de bu sırada devam edelim:

Her Kromozomdan İki Kopya...

Muhtemelen bildiğiniz üzere, eşeyli üreyen türlerin her bir bireyinde kromozomlardan iki kopya bulunur. Bu kopyalardan birisi anneden gelir, diğeri ise babadan gelir. Böylece yavru, anne ve babanın bir karışımı gibidir; ancak bu karışım her zaman homojen (eşit dağılmış) halde değildir. Bu yavruların homojen olmama nedeni, genlerin birbirine baskınlıkları olmasındandır. Bazı gen kopyaları (aleller), diğerlerinden daha çok üretilmektedir ve kişilerin ebeveynlerinden birinden aldıkları özelliklerin daha çok belirgin olmasına neden olmaktadır. Bu nedenle koyu saçlı biriyle açık renk saçlı biri çiftleştiğinde, yavrular genellikle koyu renk saça sahip olur; çünkü bu özellik diğerine baskındır.

Kromatin Nedir? DNA ve Histon Proteinleri...

Öncelikle şunu anlamamız gerekiyor: Her bir hücremizdeki DNA'nın toplam uzunluğu 2 metre civarındadır. Ancak bu DNA'nın hücre içinde aslen bulunduğu çekirdek sadece 6 mikrometre kadardır. 1 mikrometre, 1 metrenin 1 milyonda biri kadardır! Yani bize en az 333 bin kat paketleme gerekmektedir!

2 metrelik bir yapıyı 6 mikrometrelik çapa sahip bir küre içine sığdırmak için çok sıkı bir şekilde katlamak gerekmektedir. İşte kromatin yapısı tam da burada devreye girer!

2 metrelik bir ipi ufaltmanın en kolay yolu, örgü yapan kişilerden de bileceğiniz gibi yumaklar haline getirmektir. İşte hücrelerimiz içinde olan da budur: Upuzun DNA ipliği, histon adı verilen küresel proteinlerin etrafına sarılır. Bunlar, alkalin yapılı proteinlerdir ve sadece bir DNA yumağı oluşturmanın ötesinde, genlerin düzenlenmesini de sağlarlar. Histonlar DNA'yı sarıp sarmalamak konusunda öyle başarılıdır ki, DNA'nın normal uzunluğunu 10 milyonda 1 kat küçültebilir. Bu, DNA'nın hücre çekirdeği içine sığması için gerekenden 30 kat daha fazla sıkıştırma demektir. Ancak hücre çekirdeği içinde DNA haricinde de moleküller olması gerektiği düşünülecek olursa, bu sıkıştırma oranı oldukça anlaşılırdır.

ThoughtCo

Örneğin bir insan hücresinde yaklaşık 90 mikrometre uzunluğunda kromatin ipliği bulunur; ancak bu da kendi üzerine katlandığı için 6 mikrometreden çok daha ufak bir alanda öbeklenmesi mümkün olmaktadır.

Aslında kromatinleri bir "kompleks" olarak düşünmek de mümkündür: İçinde DNA, RNA ve proteinler olan karmakarışık bir yapı... Ancak nasıl hayal ederseniz edin, ana görevi olan uzun DNA'yı kısaltmak olduğunu anladığınız müddetçe konuyu kavramışsınız demektir.

Kromatit Nedir? Genomik Kardeşlik!

DNA'nın en önemli görevinin genetik kalıtsallık olduğundan söz etmiştik. Bu durumda hücre bölünmesi olayı hücre için en önemli olaylardan birisidir. Gerçekten de hücre bölünmesi sırasında işler oldukça değişir.

Hücre bölünmesi birçok fazdan oluşur; ancak bunlar bu yazı için çok önemli değil. Bilmeniz gereken, bölünmenin S fazı denen fazında, DNA yavrulara aktarılmak üzere kopyalanır. Bu kopyalanma sırasında DNA'nın kromatin ipliğinden ikinci bir iplik üretilir. Bu ikinci iplik, birincisine yapışıktır ve bu iki iplik kabaca X şeklinde bir formasyona sahiptir. Bu noktada, bu iki iplikten her birine kromatit denmektedir. Birbirine bağlı olan kromatitlere ise kardeş kromatitler adı verilir.

Yani kromatit, yeni kopyalanmış ve halen birbirine yapışık kromozom demektir.

BiologyWise

Kromozomlar ve Kromatitler Arasındaki Farklar

Kromatitlerin nerede bitip, kromozomların nerede başladığı konusu oldukça kafa karıştırıcı olabilmektedir. Bunun nedeni, kromozomların normal yapısal özellikleri ile en iyi incelenebildikleri zamanki yapısal özelliklerinin birbirinden farklı olmasıdır. İzah edelim:

Kromozomlar genellikle bölünme sırasında incelenebilirler; çünkü en yoğun oldukları an bu andır (spesifik olarak bölünmenin S fazı). Bu sırada kromozomlar artık kopyalanmışlardır ve her birinden iki çift vardır. Bu çiftler birbirine genellikle ortaya yakın bir yerden bağlıdır. Bu bağlantı noktasına sentromer denir. Sentromerler her zaman kromozom merkezine yakın olmak zorunda değildir; kimi zaman en uçlarda da bulunabilirler. Ancak sentromerler geleneksel olarak kromozom merkezinde görülürler.

İşte sentromerden birbirine bağlı iki kromatitin bulunduğu an, kromatit ile kromozom kavramlarının birbirine karışmasına neden olur. Aslında bölünme öncesinde, kromatitlerin bir tanesi kromozom idi! Bölünme sırasında o kromozom baz alınarak bir kopya üretildi. O kopya, orijinal kromozoma sentromerden bağlandı. Bu noktada onların her birine kromozom demek yerine "kromatit" diyoruz. Ama aslında her ikisi de birer kromozom! İşte karmaşa buradan kaynaklanmaktadır.

Bunu çözmek için bilim insanları kimi zaman mitoz bölünme öncesi kromozomları tanımlamak için "kromozom başına tek kromatit" demektedirler. Bölünme sırasında ise "kromozom başına iki kromatit" oluşur. Yani bu isimlendirmeye göre her an kromozomlar vardır. Ancak bölünme öncesinde kromozomlarda tek kromatit bulunur. Bölünme sırasında ise kromozomlarda iki adet kromatit bulunur. Bölünme sonrası tekrardan kromozom başına tek kromatite dönülür.

Life Sciences Cyberbridge

İşte kromozomların bölünme sırasında çiftlenmesi sırasında meşhur X formasyonu karşımıza çıkar. Bu durumda kromozomlar mikroskop altında şöyle gözükür:

Khan Academy

Sonuç

Sonuç olarak genetikte çok sayıda ve kimi zaman birbirine karışabilen kavramlar vardır; ancak bunları yakından ve dikkatlice incelediğinizde işlevsellikleri oldukça anlaşılır hale gelmektedir. Bu temel kavramlara karşılık gelen yapılar, canlılığın gezegenimiz üzerinde sürerliğini sağlamaktadır! Yaşamın böylesine zorlu bir işi başarabiliyor olması, onun detayları üzerine birazcık dikkati hak etmektedir.