MBG 615 Bakteri Genetiği Ders-2

advertisement
SİTOPLAZMİK ZAR ve SİTOPLAZMA
Sitoplazmik Zarın İçeriği ve Fonksiyonu
•Hem
gram
negatif
hem
gram
pozitif
bakterilerde sitoplazmayı saran ve sitoplazma
ile hücre çeperi arasında yer alan bu zarın ayrı
bir yapı olduğu Knaysi (1938) tarafından
gösterilmiştir.
•İki
tabakalı
fosfolipit
yapıda
olan
zar
boyanarak yada hücreler lizozimle eritildikten
sonra santrifüj edilip ayırılarak gösterilebilir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Besin maddelerinin taşınması:
•En önemli özelliği “yarı-geçirgen” (semi-permeable)
olmasıdır.
• Bu özelliği ile hem ozmotik bir baraj hem bir köprü
olarak iş görür.
•Çevrede yer alan çoğu molekül sitoplazmik zarda
yer alan lipit tabakaları doğrudan geçemezler.
•Taşıma proteinleri denilen ve çift tabakalı fosfolipit
tabakayı boydan boya geçen proteinler yardımıyla
şeker
ve diğer
besin maddeleri sitoplazmaya
geçerler; besin ve enerji kaynağı olarak kullanılırlar.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Bakteriler
zaman
zararlı
zaman
maddelerinde geçişine izin verebilirler.
•Bunun sebebi taşıma proteinlerinin bir veya
birkaç bileşeni özellikle tanımasıdır.
•Genellikle
bakteri
içindeki
madde
yoğunluğu canlının bulunduğu çevredeki
madde yoğunluğundan fazladır bu nedenle
hücre
içine
madde
alınımında
enerji
harcanır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Enerji
mekanizması
ve
taşıma
elektron
sistemi:
•Bakterilerde
hücre
zarı,
hücrenin
enerji
mekanizmasında önemli bir role sahiptir.
•Sitoplazmik zarda yer alan enzimler ve diğer
moleküller proton pompaları yardımıyla çalışırlar.
•Bu proteinler ve bu sistemde yer alan diğer
moleküller elektron taşıma sistemi adını alır.
•Çünkü
elektronlar
protonlardan
ayrılır
ve
sitoplazmik zarın dış yüzeyinde birikirler.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
• Karmaşık protein yapılı terminal elektron
yakalayıcıları
ATP
sentaz’lar
bu
elektronları yakalar ve yeniden hücre
içine alır.
•
ATP hücrenin temel enerji kaynağıdır.
• Bu enerji kirpik motorlarının çalıştırılması
ve
dışarıdan
hücre
içine
madde
alınmasında kullanılır.
•Bu zar ökaryotlarda mitokondri zarlarına
benzer bir görev yapmaktadır ve suya ilgisi
azdır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Bakteri hücre çeperi ve hücre zarının kuru ağırlıktaki oranı
%20 kadardır.
• Bunun nedeni bakterilerin iç basınçlarının çok yüksek
olmasıdır.
•İç basınçları %10-20’lik sakaroz çözeltisine eşittir.
•Bu nedenle ancak sağlam bir hücre zarı ve hücre çeperi
yardımıyla kendilerini patlamaktan koruyabilirler.
•Hücre
çeperleri
oluşturması
engellenen
bakteriler
genellikle küre biçiminde hücrelere yani protoplastlara
dönüşürler.
•Eğer bakteri hücrelerinin etrafında hücre çeperi kalıntıları
bulunuyorsa bu durumda bakterilere sferoblast adı verilir.
•Bunların etraflarında hücre zarları vardır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Sitoplazmik zar ve peptidoglikan sentezi:
•Sitoplazmik zarda yer alan proteinler, peptidoglikan
sentezi ve devrinde de rol oynarlar.
•Bakterilere uzama ve bölünme emri geldiğinde,
peptidoglikanda kırılma meydana gelip yeniden
uzatılarak yapılandırılır.
•Sitoplazmik zar proteinleri bu kırılma ve yeniden
yapılanma aşamasında yardım ederler.
•Ayrıca antibiyotik bağlayan proteinlerde burada yer
alır.
•LTA ve LPS sitoplazmik zara bağlıdır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Salınım sistemi:
•Sitoplazmik
zarda
yer
alan
proteinler
salgılanmış
proteinlerdir. Sitoplazmada yapılırlar ve periplazma içine
salınırlar.
•Bu karmaşık proteinlerden oluşan sisteme salgı sistemi adı
verilir.
•Bakteriler ürettikleri bütün proteinleri salgılamak istemezler.
•Bazılarını periplazma da tutarlar, bazılarını dış çevreye
salarlar.
•Bu tutulan proteinleri amino uçlarında yer alan kısa amino
asit sırasının varlığına bakarak belirleyebiliriz.
•Bu kısa parça kesilip uzaklaştırıldığında protein salınır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Düzenleyici proteinler:
•Bakterilerin sitoplazmik zarı kısmen beyin gibi de görev alır.
•Çünkü burada yer alan bazı duyusal proteinler hücrenin
dışındaki çevre şartları ile ilgili değişiklikleri hücre içine iletirler.
•Bu şekilde hücre dışarıda algıladığı durumlara bağlı olarak
hücre içinde ve dışında uygun düzenlemeler yapılır.
•Ör: insan sindirim sistemine giren bir bakteri ortama hemen
tutunması gerekir bu nedenle hemen pili üretir ve o bölgeye
tutunur.
•Bu düzenleyici proteinler yalnız sitoplazma zarında yer almaz
hücre içinde de yer alır.
•Bu düzenlemelerin tam anlamıyla yapılabilmesi için hem
sitoplazma zarı hem de hücre içinde yer alan düzenleyici
proteinlerin birlikte çalışması gerekir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
SİTOPLAZMA
•Bakteri hücrelerinin sitoplazmasında
enzimler
yardımıyla
glukoz
ve
yer
diğer
alan
karbon
kaynakları okside edilerek doğrudan ATP elde edilir.
•Bu enzimlerden bazıları sitoplazmik zarda yer alan
elektron taşıma sistemi yardımıyla dolaylı olarak
ATP elde edilmesinde görev alır.
•Buna ek olarak zaman zaman bakterilerde yer alan
hücre içinde zar katlanmaları şeklinde gözlenen ve
mezozom adını alan, hem enerji eldesin de hem de
gaz alış verişinde görev aldığı düşünülen yapılardır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
• Fotosentetik
bakterilerde
fotosentezden
sorumlu pigmentler vardır.
• Bunlarda yine mezozomların üzerinde yer
alırlar.
•Peptidoglikan
tabakanın
alt
birimleri
sitoplazmada hazırlanır ve son birleştirme
aşamasında periplazmik alana geçerler.
•Yine bazı yedek maddeler (Ör: poly- β
hidroksibütirik
asit
granülleri)
sitoplazma
içinde granüller halinde depo edilebilirler.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Ribozomlar:
•Sitoplazmada serbest halde yer alırlar.
•Mezozom benzeri zar katlanmalarına tutunmuş
olarak ta görülebilirler.
•Bakteri hücrelerinde yer alan RNA’nın %80’den
fazlası ribozomlarda yer alır.
•Prokaryotlardaki
ribozomlar
hemen
hemen
küresel yapıda görünürler.
•200Å çapında, 70S çökelme sabitine sahiptirler.
Alt birimleri 50S ve 30S’ten oluşur.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Bakteri genetik materyali:
•Hücrenin genetik bilgilerini içeren DNA (=Nukleoid)
ve onunla bağlantı halinde bulunan proteinlerde
sitoplazmada yer alır.
•E.coli bakterisi DNA’sı yaklaşık 1 mm boyunda
olduğu ve 3 m boyundaki bakterinin içine bu
DNA’nın
sığması
için
sıkıca
paketlendiği
belirlenmiştir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Bakteri DNA’sı nukleoid
bölgede
iki
şekilde,
katlanmış ve katlanmamış
(açık) olarak bulunurlar.
•DNA’nın
şekilde
çok
kendi
katlandığı
süpersarmal
sıkı
bir
üzerine
şekil
(supercoil)
adını alır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Bu tip katlanma bakteriler
adına
oldukça
önemlidir.
Bazen
bakterilerde histon
benzeri proteinler yer alır ve
DNA’ya
DNA’nın
tutunurlar
ve
yapıyı
bu
korumasına yardım ederler.
•DNA sentezinde yer alan
enzimler
ve
RNA’da
sitoplazmada yer alır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Plazmitler:
•Birçok
bakteri türünde normal
bakteri genomundan farklı olarak
sitoplazmada yer alan dairesel
DNA yapılarına plazmit adı verilir.
•Bunlar
toksin
yapımı,
madde
aktarımı,
genetik
antibiyotiklere
direnç, farklı antijenik özellikleri ve
daha birçok özelliği taşıyan özel
yapılardır.
•Bakteri
genetiği çalışmalarında
sıklıkla
kullanılan
çok
önemli
yapılardır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
PROKARYOTLARDA DNA
DÜZENLENMESİ
•Bakterilerde DNA hücre kuru
ağırlığının
yaklaşık
%2-3’nü
oluşturmaktadır.
•DNA’nın
deoksiriboz
ikili
sarmal
fosfat
yapısı
iskeletten
oluşur.
•Her birimine nukleotid adı verilir.
•Bu birimler purin yada pirimidin
bazı, pentoz şeker ve fosfat
molekülü içerir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Bazlar ikili sarmal yapıyı oluşturmak için birbirlerine hidrojen
bağları (H) ile bağlanırlar.
•Adenin (A), timin (T) bazına 2H ve guanin (G) ise sitozin (C)
bazına 3H bağı ile bağlanır.
•Primidin ve purin bazları hidrofobik bir karaktere ve planer bir
yapıya sahiptirler.
•Bazı mikroorganizmalarda (fajlarda) nukleik asitlerin yapısında
belirtilen bu bazların yanı sıra minor bazlar olarak adlandırılan, 5’metil sitozin ve 5’-hidroksi metil urasil bulunmaktadır.
•Yan yana bulunan nukleotid’ler birbirleri ile fosfodiester bağları ile
bağlanarak polinukleotid zincirleri, polimerleri oluştururlar.
•Bu bağlantı fosfat grubu pentoz şekerin 5’ pozisyonundaki karbon
atomu ile komşu şekerin 3’pozisyonundaki karbon atomu arasında
fosfodiester bağı kurmasıyla oluşur.
•Bağlantı 5’-P ucundan 3’-OH ucuna bağlandığından 5’3’
fosfodiester bağı adını alır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Dört temel bazın (A, T, G, C) değişik sırada yan yana karşılıklı
birleşmesinden oluşan DNA iplikleri hücreler ve canlılar için çok
önemli olan genetik bilgileri (genomu) taşır.
•Bu bilgi baz dizilişi ile ilgilidir.
•Aynı türün DNA kompozisyonu (diziliş sırası ve sayısı) birbirinin
aynıdır, sabittir ve değişmez.
•Genetik düzeyde oluşan değişmeler (mutasyonlar) yeni nesillerde
farklı fenotipik karakterde bireylerin meydana gelmesine neden olur.
•Bu bireylere Mutant adı verilir.
•DNA’nın sarmal ve özellikle çift iplik olması çok önemlidir.
•Böylece genetik bilgileri güvence altına alır ve bir çoğalma
(replikasyon) mekanizması kurarak bir ipliği diğerinin sentezi için
kalıp olarak kullanır.
•Transkripsiyonda da sadece bir iplik kullanılır.
•Diğer iplik replikasyonun doğru yönde ilerlemesine yardımcı olur.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•Polinukleotid ipliklerde bulunan 4
bazın (A, T, G, C) 3 tanesi bir amino
asidi (aa) tanımlar.
•Buna üçlü kod sistemi yada Triplet
(= Kodon) adı verilir.
•Böylece 20 aa üçlü sistemle 64 farklı
kodon oluşturur.
•Böylece her aa en az bir kodonu
olması dışında bazı aa birden fazla
kod ile tanımlanır.
•Buna ek olarak UAA, UAG ve UGA
hiçbir
aa
tanımlamaz,
bunlar
translasyon da sentezlenen peptidin
bitişinin
sinyalini
veren
STOP
kodonlardır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Bakterilerde genetik kodlar ve özelliklerini özetlersek;
1.Kodlar triplet’dirler; genetik bilgiyi saklayan kodlar, 3 bazın
birleşmesinden meydana gelmişlerdir.
2.Kodlar değişkendir; her aa için birden fazla triplet bulunmaktadır.
3.Kodlar birbiri ile çakışmazlar; yani bir triplet sadece bir aa tanımlar.
 Yan yana bulunan bazlardan biri, bir önceki veya bir sonraki aa bir
parçası değildir.
 Dolayısıyla kodonlar birbirinden bağımsızdır.
4.Kodlar arasında boşluk yoktur. Yani bakterilerde kodonlar DNA
veya mRNA üzerinde yan yana aralıksız olarak devam ederler.
 Diğer bir değişle bakterilerde viruslarda ve ökaryotlarda olan iki gen
arasında 2000 yada daha fazla sayıda okunmayan baz sıraları
(=intron) yoktur.
5.Kodlar evrenseldir; Bakterilerde bir kodon hangi aa tanımlıyorsa
ökaryotlarda da aynı amino asidi tanımlar.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Bakterilerde DNA Formasyonları
Bakterilerde DNA başlıca üç yapısal (Topolojik) formda
bulunur.
1.Doğrusal (=Lineer) DNA formu bazı fajlarda (lambda, T2,
T4, T6, T1, T3 vs) ve viruslerde (adenovirididae vs) genetik
materyali oluşturan sarmal DNA iki ucu açık doğrusal formda
bulunur.
2.Dairesel DNA formu; bakteriler, bazı fajlar (PM2 vs),
viruslar (popavaviridae vs) ve plazmitlerde bulunur.
3.Süper sarmal (süperheliks) DNA formu; fajlarda, plazmit
ve virüslerde daha fazla rastlanan bu form çift sarmal
DNA’nın serbest ortamda kendi etrafında 360 dönmesiyle
oluşur.
•Süper sarmalın sola dönüşlü olanı pozitif süper sarmal veya
sağa dönüşlü negatif süper sarmal formunda bulunabilir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•İn
vivo
koşullarda genellikle negatif
süper-sarmala
rastlanır.
•Pozitif süper-sarmal ise daha sağlam ve sıkı yapısal bir
özellik taşımaktadır.
•Süper-sarmal bakteri DNA’sının santrifüj edildiğinde daha
çabuk çökmesini sağlar.
•Süper-sarmalların
varlığı
birkaç
yöntemle
ortaya
koyulabilir;
1.Elektron
mikroskobunda
doğrudan
kontrolle
fotoraflanarak belirlenmiş pek çok örnek vardır.
2.Sedimentasyon yöntemi ile süper-sarmal DNA’ların daha
hızlı çöktüğü belirlenmiştir.
3.Elektroforez yöntemi ile doğrusal DNA iplikleri süpersarmal DNA’lardan daha başlangıç noktasına yakın yer alır.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
•DNA’nın süpersarmal durumuna gelmesi ve açılmasında Topoizomeraz
enzimleri görevlidir.
•Bilinen iki tipi vardır.
• Topoizomeraz I: 100.000 molekül ağırlığında ve monomerik yapıda olan
bu enzim negatif süpersarmal DNA’nın tekbir ipliğinin açılmasında görev alır.
• Bu fonksiyonu için enerjiye gereksinim duymaz.
Topoizomeraz II: Bu enzim ATP’den enerji alarak süpersarmal DNA’nın her
iki iplikçiğinde açılmalara ve kopmalara yol açar.
•E. coli’de yer alan ve topoizomeraz II ailesinden sayılan DNA giraz
dinlenme halindeki DNA’da negatif süpersarmallar oluşmasına yol açar.
•DNA Giraz: 400.000 molekül ağırlığında tetramerik yapıdadır (A2B2).
•Hücrelerde A alt biriminin B’den 10 defa fazla bulunduğu gösterilmiştir.
•30C’ta her dakikada 100 süper sarmal oluşturabilir.
•Bu enzim aynı zamanda bakterilerde replikasyonun ilerlemesinde de önemli
rollere sahiptir.
•Bazı antibiyotiklerin bu enzimi inhibe ettiği bilinmektedir. Bunlar;
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Giraz A nalidixic asit, oxilinic asit ve Giraz B
coumermycin ve novobiocin tarafından inhibe edilir.
•Bakterilerdeki DNA’nın uzunluğu bakıldığında ise
son derece değişken olduğu bulunmuştur.
•E.coli’de DNA’nın uzunluğu 1,1-1,5 mm kadardır.
•Bu bakterinin boyunun 400-500 katı kadardır.
 4106 nükleotid çiftinden oluşur ve molekül
ağırlığı 2109 Daltondur.
•E.coli’de yaklaşık 3000 gen yer alır.
•1000 tanesinden fazlasının yeri bilinmektedir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
PROKARYOTLARDA RNA DÜZENLENMESİ
•Mikroorganizmalarda
DNA
kadar
önemli
olan
bir
diğer
makromolekül de ribonükleik asittir.
•DNA gibi pirimidin veya pürin bazı, pentoz (D-riboz) şeker ve fosfat
molekülünden oluşur.
•RNA’nın yapısında yer alan pirimidin bazlarından Timin yerine
Urasil yer alır.
•Yapı olarak birbirine çok benzeyen bu iki azotlu baz arasında tek
fark timinde 5’pozisyonunda yer alan metil gurubu (CH3) yerine
hidrojen (H) yer almasıdır.
•RNA tiplerine baktığımızda, canlılarda 4 farklı şekilde bulunduğunu
görürüz. Bunlar;
1.Mesenger (Mesajcı) RNA (mRNA)
2.Transfer RNA (tRNA)
3.Ribozomal RNA (rRNA)
4.Primer RNA (pRNA)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
1.Mesenger (Mesajcı) RNA (mRNA): DNA ipliklerinden birinde yer
alan RNA polimeraz enziminin katalitik etkisi ile genetik bilgileri
mRNA’ya aktarılır (Transkripsiyon).
•Yeni oluşan mRNA kendisine kalıplık yapan DNA iplikçiğine
antiparalel bir durum gösterir.
•Hücrede mRNA’nın ömrü 2-3 dk kadardır, RNaze’lar ile hemen
sindirilir.
•Yapısına bakıldığında 5’ucunda translokasyonu başlatma sinyali
veren 30S’lik ribosomal alt üniteye bağlanan AUG kodonu bulunur.
•Bu başlama kodonundan sola doğru Shine Dalgarno (SD) dizisi
diye bilinen nükleotid sıraları bulunmaktadır.
•Bunlar mRNA’nın 30S ribozom alt birimine daha sıkı bağlanmasın
da görev alır.
•mRNA’nın iç kısmında yer alan AUG kodonu ise met tRNA’nın
özel bağlanma yeridir.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
2.Transfer RNA (tRNA): Protein sentezinde
amino açil sentetaz ile aktive olduktan sonra
mRNA’da ki üçlü kodona uygun amino
asitleri ribozomlara taşıyan moleküldür.
 Her aa uygun bir veya birden fazla tRNA
vardır.
 Morfolojisi 4 yapraklı yoncaya benzer
burada en önemli kol antikodon içeren
koldur.
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
3.Ribozomal RNA (rRNA): ribozomların aa
ile birleşmesinde ve proteine dönüşmesinde
rol alır.
•Ribozomların
%60
RNA ve
%40
özel
proteinlerdir.
•E.coli’de başlıca 3 tip rRNA bulunur.
•Bunlar 5S rRNA, 23S rRNA, 16S rRNA’dır.
4.Primer
sırasında
RNA (pRNA):
iplikciğin
DNA eşlenmesi
5’3’
yönünde
sentezlenmesini sağlar.
Ters iplikçikte yön 3’5’ ama ters olacağı için
burada kesintili sentez yapılır oluşan bu kısa
DNA parçalarına
Okozaki parçaları adı
verilir.
•Bu parçaların araları polimeraz I enzimi
yardımıyla
birleştirilir.
doldurulup,
DNA
ligaz
ile
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
DNA‘NIN FONKSİYONLARI
Hücre içinde DNA’nın 5 tür temel işlevi
bulunmaktadır. Bunlar;
1.DNA Replikasyonu
2.Transkripsiyon
3.Revers Transkripsiyon
4.DNA Tamir Mekanizması
5.DNA Rekombinasyonları
(Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
Kaynaklar

Brock Biology of Microorganisms, 13th Edition
2012; Madigan M.T., Martinko J.M, Dunlap P.V.,
Clark D.P.,Pearson Benjamin Cummings,1301
Sansome Street,San Francisco, CA 94111
Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER
Download