Nükleik asitler ve özellikle DNA, yaşamın devamlılığı için anahtar makromoleküllerdir. DNA, ebeveynlerden çocuklara aktarılan kalıtsal bilgileri taşır ve işleyen hücreleri, dokuları ve organizmaları inşa etmek ve sürdürmek için gereken birçok proteinin nasıl (ve ne zaman) yapılacağına dair talimatlar sağlar.
DNA’nın bu bilgiyi nasıl taşıdığı ve hücreler ve organizmalar tarafından nasıl eyleme geçirildiği karmaşık, büyüleyici ve oldukça akıllara durgunluk veren bir şeydir. DNA konusunu işlediğimiz makalemize göz atmayı unutmayın. Bu makalemizde, nükleik asitlere ve görevlerine makromolekül perspektifinden hızlıca bakacağız.
Hücrelerdeki DNA ve RNA’nın Rolleri
Nükleotid adı verilen birimlerden oluşan makromoleküller olan nükleik asitler çeşitleri, doğal olarak iki şekilde bulunur: deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA). DNA, tek hücreli bakterilerden sizin ve bizim gibi çok hücreli memelilere kadar canlı organizmalarda bulunan genetik materyaldir. Bazı virüsler, genetik materyalleri olarak DNA’yı değil, RNA’yı kullanır, ancak teknik olarak canlı oldukları düşünülmez (çünkü bir konakçının yardımı olmadan çoğalamazlar).
Hücrelerdeki DNA
Bitkiler ve hayvanlar gibi ökaryotlarda DNA, hücrede özel, bağları zara tutunmuş bir tonoz olan çekirdekte ve diğer bazı organellerde bulunur. Nükleik asitler bulunduran organeller arasında mitokondri ve bitkilerin kloroplastları yer alır. Bakteriler gibi prokaryotlarda DNA, nükleoid adı verilen özel bir hücre bölgesinde yer almasına rağmen membranöz bir zarf içine alınmaz. Ökaryotlarda DNA tipik olarak kromozom adı verilen bir dizi çok uzun, doğrusal parçaya bölünürken, bakteriler gibi prokaryotlarda kromozomlar çok daha küçük ve genellikle daireseldir (halka şeklinde). Bir kromozom, her biri hücrenin ihtiyaç duyduğu belirli bir ürünün nasıl yapılacağına dair talimatlar veren on binlerce gen içerebilir.
Nükleik Asitler, DNA’dan RNA’ya, Proteinlere
Pek çok gen, protein ürünlerini kodlar, yani belirli bir proteini oluşturmak için kullanılan amino asit dizisini belirtirler. Bu bilginin protein sentezi için kullanılabilmesi için önce genin bir RNA kopyası (transkripti) yapılmalıdır. Bu tip RNA’ya haberci RNA (mRNA) denir, çünkü DNA ve ribozomlar arasında haberci görevi görür, mRNA dizilerini okuyan ve bunları proteinler oluşturmak için kullanan moleküler makinelerdir. DNA’dan RNA’ya ve proteine olan bu ilerleme, moleküler biyolojinin “merkezi dogması” olarak adlandırılır. Daha da önemlisi, tüm genler protein ürünlerini kodlamaz. Örneğin, bazı genler, ribozomların yapısal bileşenleri olarak görev yapan ribozomal RNA’lar (rRNA’lar) veya protein sentezi için ribozoma amino asitler getiren yonca yaprağı şeklindeki RNA molekülleri olan transfer RNA’ları (tRNA’lar) belirtir. Yine de minik mikroRNA’lar (miRNA’lar) gibi diğer RNA molekülleri, diğer genlerin düzenleyicileri olarak görev yapar.
Nükleotidler
DNA ve RNA polimerlerdir (DNA söz konusu olduğunda, genellikle çok uzun polimerler) ve nükleotidler olarak bilinen monomerlerden oluşurlar. Bu monomerler birleştiğinde, ortaya çıkan zincire bir polinükleotid (poli- = “çok”) adı verilir. Her nükleotid üç parçadan oluşur: nitrojenli baz adı verilen nitrojen içeren halka yapısı, beş karbonlu şeker ve en az bir fosfat grubu. Şeker molekülü, bazın karbonlarından birine ve fosfat grubunun (veya gruplarının) diğerine bağlı olduğu nükleotidde merkezi bir konuma sahiptir. Gelin sırayla bir nükleotidin her bir parçasına bakalım.
Azotlu Bazlar
Nükleotidlerin azotlu bazları, nitrojen içeren halka yapılarından oluşan organik (karbon bazlı) moleküllerdir. DNA’daki her nükleotid, dört olası azotlu bazdan birini içerir: adenin (A), guanin (G) sitozin (C) ve timin (T). Adenin ve guanin pürindir, yani yapılarının iki kaynaşık karbon-nitrojen halkası içerdiği anlamına gelir. Sitozin ve timin ise pirimidindir ve tek bir karbon-nitrojen halkasına sahiptir. RNA nükleotitleri ayrıca adenin, guanin ve sitozin bazları da taşıyabilir, ancak timin yerine urasil (U) adı verilen başka bir pirimidin bazına sahiptirler. Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, her bir tabanın kendine özgü bir yapısı vardır ve halka yapısına bağlı kendi işlevsel grupları grubu vardır. Moleküler biyoloji kısaltmasında, azotlu bazlar genellikle sadece tek harfli sembolleri olan A, T, G, C ve U ile anılır. DNA A, T, G ve C içerirken, RNA A, U, G içerir.
Şeker
Biraz farklı baz setlerine sahip olmanın yanı sıra, DNA ve RNA nükleotidleri de biraz farklı şekerlere sahiptir. DNA’daki beş karbonlu şeker deoksiriboz olarak adlandırılırken, RNA’da şeker ribozdur. Bu ikisi yapı olarak çok benzer, sadece bir fark var: ikinci riboz karbonu bir hidroksil grubu taşırken eşdeğer deoksiriboz karbonu bunun yerine bir hidrojene sahiptir. Bir nükleotidin şeker molekülünün karbon atomları, 1′, 2′, 3′, 4′ ve 5′ (1′, “tek üssü” olarak okunur) olarak numaralandırılır. Bir nükleotidde şeker, baz 1′ karbonuna ve fosfat grubu (veya grupları) 5′ karbonuna bağlı olarak merkezi bir pozisyonda bulunur.
Fosfat
Nükleotidler, şekerin 5′ karbonuna bağlı tek bir fosfat grubuna veya üç fosfat grubuna kadar bir zincire sahip olabilir. Bazı kimya kaynakları “nükleotid” terimini yalnızca tek fosfat durumu için kullanır, ancak moleküler biyolojide daha geniş tanım genellikle kabul edilir. Bir hücrede, bir polinükleotid zincirinin sonuna eklenecek olan bir nükleotid, bir dizi üç fosfat grubu taşıyacaktır. Nükleotid, büyüyen DNA veya RNA zincirine katıldığında, iki fosfat grubunu kaybeder. Yani, bir DNA veya RNA zincirinde, her nükleotid sadece bir fosfat grubuna sahiptir.
DNA’nın Özellikleri
Deoksiribonükleik asit veya DNA zincirleri tipik olarak, aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi iki eşleşen (tamamlayıcı) zincirin birbirine yapıştırıldığı bir yapı olan çift sarmalda bulunur. Şekerler ve fosfatlar sarmalın dışında yer alır ve DNA’nın omurgasını oluşturur; molekülün bu kısmı bazen şeker-fosfat omurgası olarak adlandırılır. Azotlu bazlar, bir merdiven basamakları gibi çiftler halinde iç kısma doğru uzanır; bir çiftin bazları birbirine hidrojen bağları ile bağlanır.
Helezonun iki ipliği zıt yönlerde uzanır, yani bir ipliğin 5′ ucu, eşleşen ipliğin 3′ ucu ile eşleşir. (Buna antiparalel yönelim denir ve DNA’nın kopyalanması için önemlidir.) Öyleyse, herhangi iki baz bir araya gelip ikili sarmalda bir çift oluşturmaya karar verebilir mi? Cevap kesin bir hayır. Bazların boyutları ve fonksiyonel grupları nedeniyle, baz eşleşmesi oldukça spesifiktir: Aşağıda gösterildiği gibi, A yalnızca T ile eşleşebilir ve G yalnızca C ile eşleşebilir. Bu, bir DNA çift sarmalının iki sarmalının birbiriyle çok öngörülebilir bir ilişkisi olduğu anlamına gelir. Örneğin, bir sarmalın dizisinin 5′-AATTGGCC-3′ olduğunu biliyorsanız, tamamlayıcı sarmalın 3′-TTAACCGG-5′ dizisine sahip olması gerekir. Bu, her bir üssün ortağıyla eşleşmesini sağlar:
İki DNA dizisi bu şekilde eşleştiğinde, paralel bir şekilde birbirlerine yapışabilecekleri ve bir sarmal oluşturabilecekleri şekilde eşleştiklerinde, bunların tamamlayıcı olduğu söylenir.
RNA’nın Özellikleri
Ribonükleik asit (RNA), DNA’nın aksine, genellikle tek sarmallıdır. Bir RNA zincirindeki bir nükleotid, riboz (beş karbonlu şeker), dört nitrojenli bazdan (A, U, G veya C) biri ve bir fosfat grubu içerecektir. Burada dört ana RNA türüne bakacağız: haberci RNA (mRNA), ribozomal RNA (rRNA), transfer RNA (tRNA) ve düzenleyici RNA’lar.
Mesajcı RNA (mRNA)
Mesajcı RNA (mRNA), bir protein kodlayan gen ile protein ürünü arasındaki bir ara maddedir. Bir hücrenin belirli bir proteini yapması gerekiyorsa, proteini kodlayan gen “açılacaktır”, yani RNA polimerleştirici bir enzim gelecek ve genin DNA dizisinin bir RNA kopyasını veya transkriptini yapacaktır. Transkript, geninin DNA dizisi ile aynı bilgiyi taşır. Bununla birlikte, RNA molekülünde, baz T, U ile değiştirilir. Örneğin, bir DNA kodlama zinciri 5′-AATTGCGC-3′ sekansına sahipse, ilgili RNA’nın sekansı 5′-AAUUGCGC-3′ olacaktır. Bir mRNA üretildikten sonra, proteinleri amino asitlerden birleştirmede uzmanlaşmış bir moleküler makine olan bir ribozomla birleşecektir. Ribozom, belirli bir diziye sahip bir protein yapmak için mRNA’daki bilgiyi kullanır, mRNA’nın nükleotitlerini üçlü gruplar halinde (kodonlar olarak adlandırılır) “okur” ve her kodon için belirli bir amino asit ekler.
Ribozomal RNA (rRNA) ve Taşıyıcı RNA (tRNA)
Ribozomal RNA (rRNA), ribozomların önemli bir bileşenidir ve mRNA’nın doğru noktada bağlanmasına yardımcı olur, böylece sekans bilgileri okunabilir. Bazı rRNA’lar aynı zamanda enzimler olarak da hareket ederler, yani kimyasal reaksiyonları hızlandırmaya (katalize etmeye) yardımcı olurlar. Enzim görevi gören RNA’lar ribozimler olarak bilinir. Taşıyıcı RNA’lar (tRNA’lar) da protein sentezinde yer alırlar, ancak görevleri taşıyıcı olarak hareket etmektir. Amino asitleri ribozoma getirmek ve zincire eklenen amino asidin mRNA tarafından belirtilen amino asit olmasını sağlamaktır. Taşıyıcı RNA’lar tek bir RNA ipliğinden oluşur, ancak bu iplikçik çift iplikli bölgeler oluşturmak için birbirine yapışan tamamlayıcı segmentlere sahiptir. Bu baz eşleşmesi, molekülün işlevi için önemli olan karmaşık bir 3 boyutlu yapı oluşturur.
Düzenleyici RNA (miRNA’lar ve siRNA’lar)
Bazı kodlamayan RNA türleri (proteinleri kodlamayan RNA’lar) diğer genlerin ifadesini düzenlemeye yardımcı olur. Bu tür RNA’lar, düzenleyici RNA’lar olarak adlandırılabilir. Örneğin, MikroRNA’lar (miRNA’lar) ve Susturucu RNA’lar (siRNA’lar), yaklaşık 22 nükleotid uzunluğunda küçük düzenleyici RNA molekülleridir. Spesifik mRNA moleküllerine (kısmen veya tamamen tamamlayıcı dizilerle) bağlanırlar ve stabilitelerini azaltırlar veya translasyonlarına müdahale ederek hücrenin bu mRNA’ların seviyelerini azaltması veya ince ayarlaması için bir yol sağlarlar. Bunlar, birçok kodlamayan ve düzenleyici RNA türünden sadece birkaç örnektir. Bilim insanları hala kodlamayan RNA’nın yeni çeşitlerini keşfediyorlar.
Özet: DNA ve RNA’nın özellikleri
DNA
RNA
Fonksiyon
Genetik bilgi deposu
Protein sentezi ve gen regülasyonunda yer alır; bazı virüslerde genetik bilgi taşıyıcısı