DNA Polimeraz neden 5' - 3' yönünde replikasyon yapar? Polimeraz enzimi 5' 3' ucunu nasıl tanıyor?

Hiçbir kimyasal hiçbir şey bilmiyor. Bilemez de zaten, "bilmek" denen şey sadece sinir sistemi olan canlıların bir kısmında anlamlı olan bir fiil.

Her element ve molekül, sahip olduğu atom ve elektron konfigürasyonu nedeniyle belirli tepkimelere girip, diğerlerine giremiyor. Hatta bu konformasyon çeşitli sebeplerle (örneğin mutasyonlar sonucunda aminoasit sırasının değişmesiyle) değişecek olursa, oluşan molekülün tepkime karakteristikleri de tamamen değişiyor. Dolayısıyla kimyasal moleküllerin tepkimeye girmek için "bilmesi" gerekenler, serbest bırakılan bir topun düşmek için "bilmesi" gerekenlerden tamamen farksız.

Spesifik soruya gelecek olursak... Öncelikle soruyu yanlış sormuşsunuz: Çünkü DNA polimeraz, kalıp DNA'nın 5' ucuna yapışmıyor, 3' ucuna yapışıyor ve 5' ucuna doğru okuyor. Bundan üretilen kardeş DNA şeridi de kalıbın zıttı olduğu için 5' ucundan 3' ucuna doğru üretilmiş oluyor.

Ama fark etmez tabii, sorunuzdaki rakamların yerini değiştirerek aynı şeyi sormak mümkün. Cevabı da basit: DNA polimerazın atomik konfigürasyonu, serbest hidroksil (OH) grubuna tutunabilecek yapıda.^[1] Bu serbest OH da sadece DNA'nın sadece 3' ucunda bulunuyor (ki bunun ortaya çıkmasını da önce DNA'yı yırtan helikaz, sonrasında 10-12 nükleotitlik diziyi oluşturan primaz enzimleri sağlıyor). 5' ucunda serbest OH bulunmuyor, dolayısıyla polimeraz da oraya herhangi bir ekleme yapamıyor. Bir nedenle oraya da OH tutunursa veya yapay olarak eklenirse, polimeraz ne yaptığını bilmediği için ona da tutunacak ve şuursuzca nükleotit eklemeye çalışacak.

Bu arada söylemeye gerek yok muhtemelen ama bu süreç kusursuz değil. Hem tutunma sırasında hem de replikasyon sırasında bol bol hata oluşuyor. Tutunmada oluşan hatalar hücrenin ölümüne kadar gidebilecek genetik bozulmalara neden olabiliyor. Replikasyon sırasındaki hatalarsa genelde yerinde düzeltiliyor; fakat bu düzeltme süreci de kusurlu olduğu için her 1000-10.000 nükletotit üretiminde 1 kez mutasyonlar oluşabiliyor.^[2]

Moleküler yapı ile alakalı bir durum. DNA'da bulunan şeker "deoksiriboz" isimli 5 karbonlu bir molekül. Bir nükleotit şeker halkasındaki karbon atomları 1', 2', 3', 4' ve 5' olarak ifade edilmektedir. Nükleik asitlerin sentezlenmeleri sırasında büyüyen zincirin bir ucundaki şeker grubunun serbest bir 3' hidroksil (-OH) grubu vardır, öbür ucundaki şekerin ise serbest bir 5'-OH grubu vardır ve zincir oluşması esnasında bu uçlar asimetriktir (bu iki uca, sırasıyla 3' ve 5' uçları da denir). Nükleik asit sentezi anında DNA polimeraz enzimi bu iki şeker moleküllerinin 3'-OH grubuna bir fosfodiester bağı ile yeni bir nükleotit bağlar bu bağlama esnasında yön 5. atomdan 3'e doğru olduğu için 5'-3' şeklinde ifade edilir. Yani şeker molekülünün 5. karbon atomundaki fosfat ile başka bir nükleotidin 3' hidroksil grubu arasında bir fosfodiester bağı oluşabilmektedir ve bu sayede iki nükleotit ligasyona uğrayıp replikasyon ilerleyebilir. (Detaylı bilgi için DNA replikasyonu ve moleküler doğrultu konularına bakabilirsiniz)