ders-49-52-kaltmn-molekler

Kalıtımın moleküler temeli
DNA kalıtsal maddedir
Birçok protein, DNA replikasyonunda ve DNA’nın tamirinde birlikte çalışır
Kromozom, proteinlerle birlikte paketlenmiş bir DNA molekülünden
oluşur
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1856-1865- Mendel: Kalıtılan faktörlerin varlığını bezelyede inceledi
1908- Morgan: Genlerin kromozomlar üzerinde olduğunu gösterdi
1868-Friedrich Meischer: Nükleustan nüklein materyali izole etti
1920-Levene: DNA bileşenlerini belirledi
1928- Griffith: Bakterilerde transformasyonun var olduğunu belirledi
1944-Avery, McCarty ve McLeod: DNA’nın transform faktörü, genetik
materyal olduğunu belirledi
1949-Chargaff: Çeşitli canlılarda DNA bazlarının oranlarının farklı (insanda
A :30, bakteride A: %26) ve bazların oranlarında düzenlilik (A, T: %30, G, C:
%19) olduğunu buldu
1950-Franklin: X ışını kristalografi metodu ile DNA şeklini ortaya çıkardı
1952- Hershey ve Chase: T2 fajının genetik materyalinin DNA olduğunu
gösterdiler
1953 Watson ve Crick: DNA’nın 3 boyutlu yapısını ortaya çıkardı (1962 yılı
Nobel ödülü)
1958: Meselson ve Stahl: DNA replikasyonun yarı saklı (semi-konservatif)
olduğunu ortaya çıkardı
Kalıtsal madde ile ilgili araştırmalar
• Aranılan molekül:
• Genetik bilgiyi bir jenerasyondan diğerine, bir
hücreden diğerine taşıyabilmeli
• Kendi kendini kopyalayabilmeli
• Değişebilir olmalı
• «Kod» bilgisi içermeli
• Protein?, DNA?, Yağ?, Karbohidrat?
Kalıtsal madde ile ilgili araştırmalar
• Morgan ve arkadaşları genlerin kromozomlar üzerinde
yer aldığını gösterince kromozomların iki kimyasal
bileşeni (DNA ve proteinler) kalıtsal madde için aday
oldular.
• 1940ʼlara kadar kalıtsal madde için en güçlü aday
olarak proteinler savunuluyordu.
• Bu evrede nükleik asitler hakkında çok az şey
biliniyordu.
• Bu görüş mikroorganizmalarla yapılan denemeler
sonucunda yavaş yavaş değişmeye başlamıştır.
• DNAʼnın kalıtımdaki rolü ilk defa bakteri ve virüsler ile
yapılan çalışmalar ile ortaya konulmuştur.
DNAʼnın bakterileri
değiştirebildiğine ilişkin kanıt
• Frederick Griffith, memeli hayvanlarda zatürre
etkeni olan Streptococcus pneumoniae üzerinde
çalışıyordu.
• Bu bakterinin patojenik (hastalık yapıcı) ve zararsız
olmak üzere iki suşu vardır.
• Griffith, ısıtılarak öldürülmüş patojenik bakterileri
zararsız canlı bakterilerle karıştırdığında canlı
bakterilerden bazılarının patojenik forma
dönüştüğünü saptadı.
Griffift Deneyi (1928)
Bir kalıtsal özellik,
farklı bakteri suşları
arasında transfer
edilir mi?
Patojenik olma özelliğini sağlayan
kapsül üretebilme yeteneğidir.
S suşu, kapsül ürettiği için hastalık
(zatürre) yapar
R suşu, kapsül üretemediği için
patojenik (hasta edici) değildir.
Sonuç: Canlı R tipi bakterilere S
tipi hücrelerden gelen kalıtılan bir
madde sayesinde R hücrelerinin S
hücrelere dönüşerek, kapsül
yapma yeteneği kazandığını
göstermektedir.
DNA’nın bakterileri
değiştirebildiğine ilişkin kanıt
• Bu maddenin kimliği bilinmiyor olmasına karşılık ölü
patojenik hücrelerdeki kimyasal maddenin açıkça
kalıtsal bir değişime yol açtığı görülebilir.
• Griffith bu olaya transformasyon adını vermiştir.
• Bu olay günümüzde, dış ortamda bulunan DNAʼnın
hücre içine alınması ile meydana gelen fenotipik ve
genotipik değişim olarak tanımlanmaktadır.
Avery ve arkadaşlarının çalışmaları
• Avery, ısıtılarak öldürülmüş patojenik bakterilerden değişik
kimyasal maddeler saflaştırmıştır.
• Daha sonra bu maddelerin her biri ile patojen olmayan canlı
bakterileri değişikliğe uğratmaya çalışmıştır.
• Sonuçta yalnızca DNA ile başarılı olabilmiştir.
• 1944’de Avery ve arkadaşları, transformasyona neden olan
etkenin DNA olduğunu ilan etmişlerdir.
• Ancak o dönemde DNA hakkında çok az şey bilinmekte idi.
• Bu nedenle hiç kimse DNAʼnın kalıtsal bilgiyi
taşıyabileceğini hayal edemiyordu.
Hershey ve Chase deneyi
T2 ile enfeksiyonu sırasında E.coli’nin içine hangi yapı (DNA veya
protein) girer?
Sonuç: Viral DNA, hücreleri programlar
DNA (Deoxyribonucleic acid)
• DNA birbirine antiparalel iki polinükleotid
iplikçikten oluşur.
• Bu yapı ortak bir eksen etrafında sarmal formda
durur.
• Bu iplikçikler, oluşan baz çiftleri (A / T ve G / C)
arasındaki hidrojen bağları ile bir arada tutulur.
• Her bir iplikçik diğerinin tamamlayıcısıdır.
• Dolayısıyla bir iplikten yola çıkarak diğerinin baz
dizisini belirleyebilirsiniz.
10 baz var
Hidrofobik bazlar iç kısımda
yer alarak molekülü çevreleyen sulu
ortamdan korunmuş olurlar.
• Meselson ve Satahl Deneyi
• DNA replikasyonu hangi
modele uygun gerçekleşir?
Semi-konservatif
• Ağır ve hafif azot izotopu
kullanılmıştır 15N ve 14N).
• F1 kuşağında oluşan DNA
ipliklerinde bir eski, normal
N atomu içeren iplik ve bir
yeni, ağır azot atomu
içeren iplik belirlemişlerdir.
• İkinci replikasyonda ise
hem ağır hem hafif N
izotopu tespit etmişlerdir.
Mayoz bölünme
Mitoz bölünme
DNA REPLİKASYONU
(kromozom duplikasyonu)
Watson ve Crickʼin DNA eşlenmesine ilişkin
temel fikrini göstermektedir.
• E. coli, yaklaşık 5 milyon baz çiftlik halkasal tek bir
kromozoma sahiptir.
• Uygun koşullar altında 1 saatten daha kısa süre
içinde bu DNA’nın tamamını kopyalayabilir ve
bölünür.
• İnsan hücrelerinde bulunan DNA ise 46 adet
doğrusal kromozomdur yaklaşık 6 milyar baza
karşılık gelmekte ve bakteri hücresindeki DNAʼnın
1000 katından fazlasını ifade etmektedir.
• Bu şekilde bir büyüklüğe sahip kalıtsal bilginin
replikasyonu sadece birkaç hata ile gerçekleştirilir.
• DNA çoğaltılmasında (replikasyon) bir şablon
(kalıp), nükleotidler ve polimeraz enzimi gereklidir.
• Tüm yeni DNA molekülleri, bir DNA şablonundan
(kalıp), DNA polimeraz kullanılarak kopyalanması
yoluyla üretilmiştir.
• Bilinen tüm polimerazlar, DNA sentezinde sadece
5'-3' yönünde çalışırlar.
• Bu enzimler bir primer’e (öncüye) gerek duyarlar.
• Çoğaltma aşamasında deoksinükleotid birimler
sadece trifosfatların yüksek enerjili bağlarını
kullanırlar ve dışarıdan ek bir enerjiye ihtiyaç
duymazlar.
• DNA polimeraz enzimlerinin hiç birisi bir
polinükleotit sentezini başlatamaz.
• Yalnızca kalıp zincir ile baz eşleşmesi yapmış mevcut
bir zincirin sonuna nükleotitleri ekler.
• Replikasyon olayında yeni zincir sentezini başlatan
DNA değil, diğer bir nükleik asit olan kısa RNA
zinciri, yani primerʼdir.
• DNA polimeraz, uzayan DNA zincirinin sadece 3ʼserbest ucuna nükleotit eklerken, 5’- ucuna
kesinlikle ekleme yapamaz.
• Yani, yeni DNA zinciri sadece 5ʼ- 3’ yönünde
uzayabilir.
Prokaryotik Çoğalma
• Prokaryotik çoğaltma yalnız bir orjinden (ori) -noktadan
başlar.
• E. coli bakterisinde bu başlangıç nokta, kolayca açılan AT
zengin dizilerinden oluşur.
• Bu kromozom ve onun kökeni bir Replikonu oluştururlar.
• E. coli bakterisi en az üç farklı DNA polimeraza sahiptir.
• Bazı DNA polimerazlar (Pol), ekzonukleaz aktivitesi ile
DNA sentezleyebilir.
• Pol I, bazları sadece 5’-3’ yönünde ekleyebilir. RNA
primeri, sentezi başlatıcı rol oynar.
• Ayrıca, Pol I, II ve III’ün herbiri -3'den -5’ ye ekzonukleaz
aktivitesi ile yanlış eşleşmiş bazları tarayabilir.
• DNA sarmalının açılması, enerji gerektiren bir
mekanizmaya ihtiyaç duyar.
• Katlanmış DNA’nın açılması ise DNA giraz yardımı
ile olur.
• DNA helikaz enzimi, DNA ipliğini açmak için ATP
enerjisi kullanır.
• Bu sırada açılan DNA ipliklerini, tek ipliğe bağlanan
proteinler ayrı tutarlar (single strand binding
protein).
Sentez replikasyon çatalı oluşması ile
gerçekleşir.
• DNA ipliğinde kısmi açılma oluşturan iki tek iplikli bölgeye
replikasyon-çoğalma çatalı adı verilir.
• 5’- 3’ yönündeki önde gelen DNA üzerinde sentez için tek bir öncü
RNA molekülüne ihtiyaç duyulur.
• Polimeraz III, buradan β alt birimi ile tutunur.
• Kayar kelepçe gibi bu kalıp iplik üzerinde hareket ederek sentezi
gerçekleştirir.
• Pol III ise adına Okazaki parçaları denen DNA parçalarını, her biri
için ayrı primer kullanarak; gecikmeli (kesintili), 3’ – 5’ iplik
üzerinde ama 5’- 3’ yönünde sentezler.
• RNA primerleri bu DNA parçalarından Pol I enzimi ile uzaklaştırılır.
• DNA parçaları arasında kalan boşluklar DNA ligaz enzimi ile
birleştirilir.
3I
5I
• Ökaryotik çoğalma birden fazla noktadan başlamaya ihtiyaç duyar.
• Bunun nedeni ökaryotik kromozomların büyüklüğü ve
organizasyonudur.
• DNA’nın birden fazla noktadan köken alarak çoğalmaya başlaması,
ökaryot DNA’sında birden fazla replikasyon çatalı -başlangıç
noktasının varlığını gösterir.
• Bu aynı zamanda S fazı içerisinde tüm ökaryot DNA’sının
çoğaltılmasını sağlamanın tek yoludur.
• Ökaryotik replikasyon enzimleri çok daha karmaşıktır.
• Ökaryotik primaz enzimi kısa RNA parçaları sentezler. DNA
çoğalmasında öncü moleküller olarak kullanılır.
• DNA polimeraz, bu öncül primerle senteze başlar.
• Hücre bölünmesi sırasında, bu proteinlere ait ve bunlara özel kayar
kelepçe yapısında alt birimler oluşturdukları saptanmıştır.
Doğrusal kromozomların özel son uçları
(Telomer) vardır.
• Ökaryotik doğrusal kromozomların son uçlarına telomer
denir.
• Bu bölge gen içermez ve kısa nükleotit dizi tekrarları içerir.
Ör: insan telomerleri TTAGGG dizisinin 100-1000
tekrarından oluşur.
• DNA’nın uçlarına yakın bulunan genlerin kaybını
önlemede rol oynarlar.
• Ancak her DNA replikasyonu sırasında telomerler kısalır.
• Ergin hücrelerde telomer kısalması, belirli dokuların hatta
organizmanın yaşlanmasıyla bağlantılıdır.
• Hücrelerdeki genomun organizmadan yavrusuna
hemen hemen hiç kayıp olmadan aktarılmasını ne
sağlar?
• Gamet (Germ) hücrelerinin kromozomlarını her
hücre döngüsünde bu tip kısalmadan koruyan
Telomeraz enzimidir ve telomerlerin uzamasını
katalizleyerek tekrar orijinal uzunluklarına gelmesini
ve DNA replikasyonunda meydana gelen kısalmanın
telafi edilmesini sağlar.
• Telomerazlar, insanın çoğu vücut hücresinde aktif
değildir.
Sentez sırasında DNA Onarımı
• Sentezi tamamlanmış DNA molekülündeki hata
oranı bir milyar nükleotitte birdir.
• Ancak replikasyon sırasında meydana gelen
başlangıç eşleşme hataları 10.000 baz çiftinde
birdir.
• Replikasyon sırasında DNA polimeraz enzimi,
eklenen her nükleotitin doğruluğunu kendi kendine
kontrol eder.
• Yanlış eşleşen nükleotitleri çıkarır ve sentezi
tekrarlar.
DNA Onarımı
• •Hücreler sürekli DNA'ya zarar veren ajanlara maruz kalmaktadır.
• Replikasyon süreci ve çevresel kaynaklı (UV gibi ajanlar ve kimyasal
mutajenlerden oluşan hatalar ve hasarlar) mutasyonlara yol
açabilir.
• DNA onarımı hasarlı DNA'yı yeniler.
• Tamir mekanizmaları olmadan, hücrelerde o kadar çok hatalar ve
mutasyonlar birikir ki bu canlının ölümüne yol açar.
• DNA onarımı; hasara özel (=specific) veya genel onarım biçiminde
(=nonspecific) olabilir.
• Fotoliyaz enzimi (Photolyase) görünür ışıktaki UV ışık nedeniyle
oluşan timin dimerlerini belirlemede ve kırmada rol oynar.
• Kesip-çıkarma (=Excision, Eksizyon) genel bir onarımdır.
• Prokaryotlarda bulunan UVR sistemi DNA hasarlı bölgesini tanır ve
o bölgeyi uzaklaştırır.
Hasar Tipleri
1-Tek baz değişimleri;
• Depurinasyon (Adenin ve Guanin bazları şekerle bağ yapamaz)
• Deaminasyon (sitozinin urasile, adeninin hipoksantine dönüşümü)
• Nukleotid kaybı veya kazanımı
• Baz analogları ile yer değişimi
2- İki baz değişimi;
• Timin-timin dimeri (U.V.etkisi ile)
3- Zincir kırıkları ( İyonizan ışınlar, X-ışını, etkisi ile)
4- Zıt bağlantılar kurulması;
• Aynı veya zıt ipliklerdeki bazlar arasında
• DNA ve protein molekülleri arasında (örn: histonlar)
DNA üzerindeki hasarlı bölgeler 3 mekanizma ile
düzeltilir;
1- Hatalı eşleşmenin tamiri ile
2- Baz çıkarımı ile
3- Nükleotid çıkarılması ile
• Mekanizma
• Hatalı eşleşmenin tamiri
Problem
*Kopyalama hatası
(1,2 veya 5 bazlık hatalı eşleşmeden
dolayı DNA’daki hasar)
• Baz çıkarımı
etkisi
*Kendiliğinden, kimyasal veya radyasyon
ile tek bazdaki hasar
• Nükleotid çıkarımı
etkisi
*Kendiliğinden, kimyasal veya radyasyon
ile bir DNA segmentindeki hasar
• DNA tamir mekanizmasındaki ( ör: deaminasyon
için) işlem dizisi sırası;
• Anormal bazın tanınması ; N-glikozilaz enzimi ile
• Apurinik veya aprimidinik endonukleaz ile kesim
(hatalı bölgenin kesilip atılması)
• DNA polimeraz beta ile DNA sentezi ( boşluğun
doldurulması)
• Ligaz ile iki DNA ucunun birleştirilmesi
Zincir üzerinde yan yana
bulunan timin bazları
birbirlerine kovalent
bağlanarak timin
dimerleri meydana
getirirler.
Timin dimerleri, DNA’da
toka oluşumuna yol açar
ve replikasyonu engeller.
Xseroderma pigmentosum
• Bu tip bir hasarı tamir etmenin önemi Xseroderma
pigmentosum adı verilen hastalıkta açıkça görülür.
• Bu hastalıkta, nükleotit kesip-çıkarma sisteminde
işlen gören bir tamir enziminde kalıtsal bir hasar
vardır.
• Bu bozukluğa sahip kişiler, güneş ışığına karşı
oldukça duyarlıdırlar.
• UV ışınlarının deri hücrelerinde neden olduğu
mutasyonlar, bu bireylerde tamir edilemez ve
deride kanserleşme meydana gelir.
Amino ucu (N-ucu)
• Heterokromatin:
İnterfaz kromatininin
ışık mikroskobunda
düzensiz kümeler
şeklinde yoğun görülen
bölümüdür.
• Ökromatin: Daha az
kompakt ve daha geniş
şekilde dağılmış çok
miktardaki kromatin
bölümüdür ve sıklıkla
anlatım yapan genleri
içeren DNA
bölümleridir.
İnterfaz çekirdeğinde her
kromozomun özel bir
alanı kapladığı
görülmektedir. Genellikle
bir çiftin iki homolog
kromozomu birlikte
konumlanmazlar.