SİTOPLAZMİK ZAR ve SİTOPLAZMA
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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) Glycerol O H C O C H O C O C H H3C H 3C Fatty acids O H C O P O– H (a) UNIT 1 ctures occasionally observed look” like bacterial cells are , many very small prokaryeen grown in the laboratory. in 104–105 prokaryotic cells ry small cells, 0.2–0.4 !m in pathogenic bacteria are also ese pathogens are examined, ned and missing many genes m by their hosts. O Phosphate CH2 Ethanolamine CH2 +NH 3 ses as cells become Hydrophilic region enetics of prokaryotes Fatty acids Membrane embrane n barrier that surrounds the m the cell’s environment. If Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER y of the cell is destroyed, the nt, and the cell dies. We will Hydrophilic region (b) Fatty acids Glycerophosphates G. Wagner nd function of a critical cell membrane. The cytoplasmic among them as the “gateexit the cell. Hydrophobic region (c) Figure 3.4 Phospholipid bilayer membrane. (a) Structure of the phospholipid phosphatidylethanolamine. (b) General architecture of a bilayer membrane; the blue balls depict glycerol with phosphate and (or) other hydrophilic groups. (c) Transmission electron micrograph of a membrane. The light inner area is the hydrophobic region of the model membrane shown in part b. (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) 52 UNIT 1 • Basic Principles of Microbiology Out Phospholipids Hydrophilic groups 6–8 nm Hydrophobic groups In Integral membrane proteins Phospholipid molecule Figure 3.5 Structure of the cytoplasmic membrane. The inner surface (In) faces the cytoplasm and the outer surface (Out) faces the environment. Phospholipids compose the matrix of the cytoplasmic membrane with proteins embedded or surface associated. Although there are some chemical differences, the overall structure of the cytoplasmic membrane shown is similar in both prokaryotes and eukaryotes (but an exception to the bilayer design is shown in Figure 3.7e). other proteins, called peripheral membrane proteins, are not Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER membrane-embedded but nevertheless remain firmly associated with membrane surfaces. Some of these peripheral membrane point inward from eachBiology glycerol molecule are covalently (Brock of Microorganisms 13th Editionlinked. 2012) This forms a lipid monolayer instead of a lipid bilayer membrane (Figure 3.7d, e). In contrast to lipid bilayers, lipid monolayer 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. • Bakteriler zaman zaman zararlı maddelerinde geçişine izin verebilirler. Bunun sebebi taşıma proteinlerinin bir veya birkaç bileşeni özellikle tanımasıdır. • Genellikle bakteri içindeki madde yoğunlu canlının bulunduğu çevredeki madde yoğunluğundan fazladır bu nedenle hücre içine madde alınımında enerji harcanır. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) Enerji mekanizması ve elektron taşıma 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. 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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) Salınım sistemi: • S itoplazmik 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 periplazmada 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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) SİTOPLAZMA • Bakteri hücrelerinin sitoplazmasında yer alan enzimler yardımıyla glukoz ve diğer 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. 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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. 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 µm boyundaki bakterinin içine bu DNA’nın sığması için sıkıca paketlendiği belirlenmiştir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) 10 µm (b) Eukaryote tion and carry out respiration and photosynthesis, respectively. In contrast to eukaryotic cells, prokaryotic cells have a simpl internal structure in which organelles are absent (Figures 2.11 Figure 2.11 Internal structure of cells. Note differences in scale and internal structure between the prokaryotic and eukaryotic cells. Eukaryote (a) Bacteria R. Rachel and K.O. Stetter John Bozzola and M.T. Madigan Cytoplasmic membrane (b) Archaea Nucleus Cell wall Mitochondrion S.F. Conti and T.D. Brock Prokaryotes (c) Eukarya Figure 2.12 Electron micrographs of sectioned cells from each of the domains of living organisms. (a) Heliobacterium modesticaldum; the cell measures 1 * 3 !m. (b) Methanopyrus kandleri; the cell measures 0.5 * 4 !m. Reinhard Rachel and Karl O. Stetter, 1981. Archives of Microbiology 128:288–293. © SpringerVerlag GmbH & Co. KG. (c) Saccharomyces cerevisiae; the cell measures 8 !m in diameter. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) UNIT 3 • Molecular Biology and Gene Expression D C B A 158 M B E g ar I 100/0 HfrH P804 10 90 ar ori gX C 312 4333 4082 4046 4005 malS 80 gal 678 787 Not1 restriction sites, in kbp 3801 mal Escherichia coli K-12 pyrD 1157 1252 argD rpsL purB umuD 1350 trp 30 70 argR argG 1620 A B C D E KL14 2523 2782 C tol 60 sa d an A argW G D C B H A F I E gyrA hisS S his rec A arg V gA m 40 feo th y trp operon (tryptophan biosynthesis) arg ar 2050 50 argT The chromosome of 1875 Hfr44 A ar Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER 2011 2513 2309 gP Figure 6.10 20 T E 942 gor T P Q K HfrC 25 spoT ar gU lac C l ma B argF rA H A lex uv G argI A Y Z thr dnaK leu K E F Origin of replication lac operon (lactose degradation) his operon (histidine biosynthesis) (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) locus. Replication proceeds bidirectionally from would add an extra 48.5 kbp (slightly over 1 min) Single strands • B a k t e r i D N A ’ s ı nukleoid bölgede iki şekilde, katlanmış ve katlanmamış (açık) olarak bulunurlar. Melting 1.0 C A T A C G T G T A T G C A 1.2 G T A T G C A C A T A C G T Tm= 85.0° C G A T T A A T C G G C T A (a) Relaxed, covalently closed circular DNA Break one strand Seal Nick Double strand • DNA’nın çok sıkı bir şekilde °Ckendi üzerine e 6.7 Thermal denaturation of DNA. DNA absorbs more ultraviation at 260 knmaasttheldouble a nhelixdis ıdenatured. ğ ı Theştransition ekil abrupt, and the temperature of the midpoint, T , is proportional C content of the DNA. Although the denatured DNA can be ü thepprocess e does r notsfollowa a similar r m d by slow s cooling, curve.a l ation becomes progressively more complete at temperatures well e T and (=supercoil) then only after a considerable incubation time.alır. adını 0.8 72 76 80 84 88 92 96 m (b) Relaxed, nicked circular DNA Break one strand Rotate one end of broken strand around helix and seal m uiz Yrd.Doç.Dr.Yosun does antiparallel mean inMATER terms of the structure of doubleded DNA? (c) Supercoiled circular DNA (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) when used to refer to two eannealing, and hybridization as • Bu tip katlanma bakteriler NA adına melt at higher temperatures oldukça önemlidir. Bazen bakterilerde histon benzeri proteinler yer alır ve DNA’ya tutunurlar ve N A ’ n ı n would b u beyover apıyı coli D chromosome s longer coli k o rthan u mthe a sE.ı n a cellyitself. ardım uchederler. DNA into such a little space? of a “higher-order” structure on -stranded DNA is further twisted • DNA sentezinde yer alan Figure 6.8 shows how supercoile nIfzaicircular m l e r DNA v e molecule R N A’ d a uplex. is sitoplazmada lost and the DNA yerbecomes alır. A molecule has exactly the numed from the number of base pairs. molecule under torsion, much like and that occurs when it is twisted. her a positive or a negative manthe double helix is overwound, g the double helix is underwound. hen theYrd.Doç.Dr.Yosun DNA is twisted about its MATER Proteins Supercoiled domain (d) Chromosomal DNA with supercoiled domains Figure 6.8 Supercoiled DNA. (a–c) Relaxed, nicked, and supercoiled circular DNA. A nick is a break in a phosphodiester bond of one strand. (d) In fact, the double-stranded DNA in the bacterial chromosome is arranged not in one supercoil but in several supercoiled domains, as shown here. (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) 280 UNIT 4 • Virology, Genetics, and Genomics IS3 Tn1000 Plazmitler: 99.2kbp/0 tra region • Birçok bakteri türünde normal bakteri genomundan farklı olarak sitoplazmada yer alan dairesel DNA yapılarına plazmit adı verilir. • B unlar toksin yapımı, genetik madde aktarımı, antibiyotiklere direnç, farklı antijenik özellikleri ve daha birçok özelliği taşıyan özel yapılardır. • Bakteri genetiği çalışmalarında sıklıkla kullanılan çok önemli yapılardır. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER IS3 IS2 75 kbp F plasmid 25 kbp oriT 50 kbp oriV Figure 10.16 Genetic map of the F (fertility) plasmid of Escherichia coli. The numbers on the interior show the size in kilobase pairs (the exact size is 99,159 bp). The region in dark green at the bottom of the map contains genes primarily responsible for the replication and segregation of the F plasmid. The origin of vegetative replication is oriV. The light green tra region contains the genes needed for conjugative transfer. The origin of transfer during conjugation is oriT. The arrow indicates the direction of transfer (the tra region is transferred last). Insertion sequences are shown in yellow. These may recombine with identical elements on the bacterial chromosome, which leads to integration and the formation of different Hfr strains. (Section 10.13) that allow the plasmid to integrate into the host (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) chromosome. In addition, the F plasmid has a large region of by cell-to-cell are conjugative. of genes on the e genes encode cation and othlasmid possessromosome, the A, which may be 10.10). between closely gative plasmids his means that gram-negative tween distantly been shown to sitive Bacteria, n Bacteria and endently in the important evomid recombine Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER Table 6.2 Examples of phenotypes conferred by plasmids in prokaryotes Phenotype class Organismsa Antibiotic production Streptomyces Conjugation Wide range of bacteria Metabolic functions Degradation of octane, camphor, naphthalene Degradation of herbicides Formation of acetone and butanol Lactose, sucrose, citrate, or urea utilization Pigment production Gas vesicle production Resistance Antibiotic resistance Resistance to toxic metals Virulence Tumor production in plants Nodulation and symbiotic nitrogen fixation Bacteriocin production and resistance Animal cell invasion Coagulase, hemolysin, enterotoxin Toxins and capsule Enterotoxin, K antigen Pseudomonas Alcaligenes Clostridium Enteric bacteria Erwinia, Staphylococcus Halobacterium UNIT 3 on, a function lves cell-to-cell Wide range of bacteria Wide range of bacteria Agrobacterium Rhizobium Wide range of bacteria Salmonella, Shigella, Yersinia Staphylococcus Bacillus anthracis Escherichia coli (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) antibiotics. needed for sul immunity o IS1 str mids or tr species of o 94.3/0 kbp colicins; Yer cat The Col mids can IS1 released fro 75 kbp 25 kbp surface of s cally protei tors or mic 50 kbp tra Colicins kil colicins for IS10 sium ions a IS10 generate en and degrad Tn10 oriT tet endonuclea that cuts at Figure 6.12 Genetic map of the resistance plasmid R100. The inner ribosomes. circle shows the size in kilobase pairs. The outer circle shows the location of major antibiotic resistance genes and other key functions: mer, merThe bacte curic ion resistance; sul, sulfonamide resistance; str, streptomycin resisteria are qui tance; cat, chloramphenicol resistance; tet, tetracycline resistance; oriT, by plasmids origin of conjugative transfer; tra, transfer functions. The locations of acid bacter insertion sequences (IS) and the transposon Tn10 are also shown. Genes inhibits the for plasmid replication are found in the region from 88 to 92 kbp. (Brock Biology of Microorganisms 13th used Edition 2012) as a pr Replication functions Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER mer PROKARYOTLARDA e regarded as chemical machines and coding devices. DNA DÜZENLENMESİ l machines, cells transform their vast array of macro- nto new cells. As coding devices, they store, process, netic information. Genes and gene expression are the molecular biology. In particular, the review of molecuin this chapter covers the chemical nature of genes, e and function of DNA and RNA, and the replication e then consider the synthesis of proteins, macromoleplay important roles in both the structure and the of the cell. Our focus here is on these processes as n Bacteria. In particular, Escherichia coli, a member of a, is the model organism for molecular biology and is xample used. Although E. coli was not the first bachave its chromosome sequenced, this organism e best characterized of any organism, prokaryote or • Bakterilerde DNA hücre kuru ağırlığının yaklaşık %2-3’nü oluşturmaktadır. • DNA’nın ikili sarmal yapısı deoksiriboz fosfat iskeletten oluşur. Her birimine nukleotid adı A Structure and Genetic verilir. Pyrimidine bases O NH2 5 4 3N 6 2 1 N H N O NH2 N N O N H 8 O N H 7 9 N H 5 6 1N 2 4 3 N O N N N H N Cytosine (C) Thymine (T) Uracil (U) Adenine (A) Guanine (G) DNA DNA only RNA only DNA RNA DNA RNA RNA NH2 (a) O– Phosphate –O O P O 5′ CH2 O C 4′ H 3′ H C • B u birimler purin yada cromolecules and Genes pirimidin bazı, pentoz şeker ve fosfat molekülü içerir. Purine bases O H3C ormation onal unit of genetic information is the gene. All life uding microorganisms, contain genes. Physically, ocated on chromosomes or other large molecules ectively as genetic elements. Nowadays, in the Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER era,” biology tends to characterize cells in terms of ement of genes. Thus, if we wish to understand how 151 CHAPTER 6 • Molecular Biology of Bacteria Base 2′ OH H C 1′ C H OH Ribose H only in DNA (b) 5′ position H 2C 5′ 4′ O Biology of Microorganisms (Brock 13th Edition 2012) Nitrogen base attached Base 1′ to 1′′ position ontain genes. Physically, or other large molecules ments. Nowadays, in the racterize cells in terms of e wish to understand how derstand how genes encode arried by the nucleic acids onucleic acid, RNA. DNA ll and RNA is the intermeeprint into defined amino nformation consists of the acids. Thus, in contrast to acids are informational nce of monomers in proof the nucleic acids that ational macromolecules. called nucleotides, conseeotides. A nucleotide has either ribose (in RNA) or e, and a molecule of phosf nucleotides of both DNA ). The nitrogen bases are which contain two fused mine, cytosine, and uracil) heterocyclic ring (Figure are present in both DNA hymine is present only in A. o the pentose sugar by a om Yrd.Doç.Dr.Yosun 1 of the sugar and a MATER gen 1 (in pyrimidine bases) (b) 5′ position H 2C 4′ 3′ position O 5′ 1′ H H 3′ Deoxyribose H O O O H2C H Nitrogen base attached to 1′′ position H 2′ O –O P Phosphodiester bond Base Base H H O H –O P H O O (c) Figure 6.1 Components of the nucleic acids. (a) The nitrogen bases of DNA and RNA. Note the numbering system of the rings. In attaching itself to the 19 carbon of the sugar phosphate, a pyrimidine base bonds through N-1 and a purine base bonds at N-9. (b) Nucleotide structure. The numbers on the sugar contain a prime (9) after them because the rings of the nitrogen bases are also numbered. In DNA a hydrogen is present on the 29-carbon of the pentose sugar. In RNA, an OH group occupies this position. (c) Part of a DNA chain. The nucleotides are linked by a phosphodiester bond. In addition to the bases shown, transfer RNAs (tRNAs) contain unusual pyrimidines such as pseudouracil and dihydrouracil, and various modified purines not present in other RNAs (see Figure 6.33). (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) H N H DNA O N Cytosine H N N N Guanine N O Backbone N H N Backbone Hydrogen H bond 5 3 H CH3 H N O N Thymine N N Backbone Figure 6.2 O H N N Hydrogen bond Adenine N Backbone Specific pairing between guanine (G) and cytosine (C) and between adenine (A) and thymine (T) via hydrogen bonds. These are the typical base pairs found in double-stranded DNA. Atoms that are found in the major groove of the double helix and that interact with proteins are highlighted in pink. The deoxyribose phosphate backbones of the two strands of DNA are also indicated. Note the different shades of green for the two strands of DNA, a convention used throughout this book. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER RNA Protein Figure 6.3 ecules. Note t the DNA doub (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) P O H O H2C O P O O H 3′ –O P O –O 5′-Phosphate O 3′-Hydroxyl G H O OH 5′ H H H2C H H H H C H A O O H2C –O H H P O O H H H C O O H UNIT 3 H2C O –O H H T H H H O H H H H P O –O O H H 2C es are involved in genetic P O O –O H O condary structure O G H H O –O cleotide? Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER O H 2C 5′ H2C O otide? Hydrogen bonds H P O H H 3′ Phosphodiester bond olved in genetic H H O –O T A 1′ H H H O 5′ H2C H O 3 are used in all cells and lar biology (DNA S RNA RNA molecules are each on of the long DNA molenscribed to give a single yotes a single mRNA may genes, that is, for several violate the central dogma s the genetic material and sing RNA as template. In e agent of AIDS—an RNA sion by a process called 5′-Phosphate P O 3′-Hydroxyl 3′ H –O H O– OH ween the base sequence of a polypeptide. Each group e encodes a single amino lled a codon. This genetic bosomes (which consist of eins known as translation Figure 6.4 DNA structure. Complementary and antiparallel nature of DNA. Note that one chain ends in a 59-phosphate group, whereas the other ends in a 39-hydroxyl. The red bases represent the pyrimidines cytosine (C) and thymine (T), and the yellow bases represent the purines adenine (A) and guanine (G). (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) 3. Translation. Synthesis of a protein, using the information of DNA are complementary in base sequence; carried by mRNA, is known as translation. r a G is found in one strand, a C is found in the • P olinukleotid ipliklerde bulunan ever a T is present in one strand, its complemenn A. 4 bazın (A, T, G, C) 3 tanesi bir amino asidi (aa) tanımlar. H N H O N • Buna üçlü kod sistemi yada sine Guanine N adı verilir. N Triplet N (=H Kodon) N DNA 5′ T T T GT T A A T CA G CA T CT T 3′ 3′ A A A CA A T T A GT C GT A GA A 5′ 5′′ T T T GT T A A T CA G CA T CT T 3′ 3′ A A A CA A T T A GT C GT A GA A 5′ N O REPLICATION H N Backbone • Böylece 20 aa üçlü sistemle 64 Hydrogen H farklıbond kodon oluşturur. 5′ T T T GT T A A T CA G CA T CT T 3′ 3′ A A A CA A T T A GT C GT A GA A 5′ TRANSCRIPTION OF BOTTOM STRAND H H her N O • CH Böylece aaNen az bir kodonu 3 mine Adenine olması dışında bazı aa birden N N N H fazla kod ile tanımlanır. N N O Hydrogen bond RNA 5′ U U U G U U A A U C A G C A U C U U 3′ TRANSLATION Backbone • Buna ek olarak UAA, UAG ve UGA hiçbir aa tanımlamaz, bunlar translasyon da sentezlenen peptidin bitişinin sinyalini veren STOP kodonlardır. cific pairing between guanine (G) and cytosine (C) nine (A) and thymine (T) via hydrogen bonds. These e pairs found in double-stranded DNA. Atoms that are groove of the double helix and that interact with prod in pink. The deoxyribose phosphate backbones of the A are also indicated. Note the different shades of green of DNA, a convention used throughout this book. Protein H2N- Phe Val Asn Gln His Leu -COOH Figure 6.3 Synthesis of the three types of informational macromolecules. Note that for any particular gene only one of the two strands of the DNA double helix is transcribed. (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER 176 UNIT 3 • Molecular Biology and Gene Expression Table 6.5 The genetic code as expressed by triplet base sequences of mRNA Codon Amino acid Codon Amino acid Codon Amino acid Codon Amino acid UUU UUC UUA UUG Phenylalanine Phenylalanine Leucine Leucine UCU UCC UCA UCG Serine Serine Serine Serine UAU UAC UAA UAG Tyrosine Tyrosine None (stop signal) None (stop signal) UGU UGC UGA UGG Cysteine Cysteine None (stop signal) Tryptophan CUU CUC CUA CUG Leucine Leucine Leucine Leucine CCU CCC CCA CCG Proline Proline Proline Proline CAU CAC CAA CAG Histidine Histidine Glutamine Glutamine CGU CGC CGA CGG Arginine Arginine Arginine Arginine AUU AUC AUA AUG (start)a Isoleucine Isoleucine Isoleucine Methionine ACU ACC ACA ACG Threonine Threonine Threonine Threonine AAU AAC AAA AAG Asparagine Asparagine Lysine Lysine AGU AGC AGA AGG Serine Serine Arginine Arginine GUU GUC GUA GUG Valine Valine Valine Valine GCU GCC GCA GCG Alanine Alanine Alanine Alanine GAU GAC GAA GAG Aspartic acid Aspartic acid Glutamic acid Glutamic acid GGU GGC GGA GGG Glycine Glycine Glycine Glycine a AUG encodes N–formylmethionine at the beginning of polypeptide chains of Bacteria. as the genetic code. A triplet of three bases called a codon encodes each specific amino acid. The 64 possible codons (four bases taken three at a time = 43) of mRNA are shown in Table 6.5. The genetic code is written as RNA rather than as DNA because it is mRNA that is translated. Note that in addition to the codons for amino acids, there are also specific codons for starting Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER and stopping translation. AAG. In these special cases, tRNA molecules form standard base pairs at only the first two positions of the codon while tolerating irregular base pairing at the third position. This phenomenon is called wobble and is illustrated in Figure 6.31, where a pairing between G and U (rather than G with C) is illustrated at the wobble position. (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) Stop and Start Codons CHAPTER 6 • Molecular Biology of Bacteria α-Carbon H H 2N C Amino group O -O C CH 2 O O C OH R (a)—General structure of an amino acid HO CH2 CH3 CH O OH H2N C CH2 O H2N C CH2 CH2 HS CH2 HSe CH2 Ser Serine (S) +NH 3 Sec Selenocysteine(U) Lys Lysine (K) CH3 H H H3C C C C N (CH2)4 Pyl Pyrrolysine (O) H 2C +NH 2 CH3 N +HN CH2 CH2 Tyr Tyrosine (Y) (b)—Structure of the amino acid “R” groups Ala Alanine (A) CH Val Valine (V) CH CH2 Leu Leucine (L) CH3 CH Ile Isoleucine (I) Met Methionine(M) CH2 Phe Phenylalanine (F) His Histidine (H) CH2 Trp Tryptophan(W) N H Ionizable: acidic Ionizable: basic HO CH3 CH3 S CH2 CH2 H C N CH2 CH2 CH2 Arg Arginine (R) NH2 CH3 CH3 CH2 C H2 Gln Glutamine (Q) Cys Cysteine (C) CH3 O Thr Threonine (T) Asn Asparagine (N) CH2 CH2 CH2 CH2 Gly Glycine (G) Asp Aspartate (D) -O C CH CH Glu Glutamate (E) 2 2 Carboxylic acid group H 175 Nonionizable polar H2C N H CH2 H 2C CH COO– N H Pro Proline (P) (Note: Because proline lacks a free amino group, the entire structure of this amino acid is shown, not just the R group). Nonpolar (hydrophobic) Figure 6.29 Structure of the 22 genetically encoded amino acids. (a) General structure. (b) R group structure. The three-letter codes for the amino acids are to the left of the names, and the one-letter codes are in parentheses to the right of the names. Pyrrolysine has thus far been found only in certain methanogenic Archaea ( Section 19.3). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER acids contain hydrophobic side chains and are known as nonpolar amino acids. Cysteine contains a sulfhydryl group (–SH). (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) tide sequences that are theoretically possible. No cell has anywhere near this many different proteins. In practice, a cell of 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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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 uçu 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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) • İn vivo koşullarda genellikle negatif süpersarmala rastlanır. • Pozitif süpersarmal ise daha sağlam ve sıkı yapısal bir özellik taşımaktadır. • Süpersarmal bakteri DNA’sının santrifüj edildiğinde daha çabuk çökmesini sağlar. • Süpersarmalların varlığı birkaç yöntemle ortaya koyulabilir; 1.Elektron mikroskobunda doğrudan kontrolle fotoraflanarak belirlenmiş pek çok örnek vardır. 2.Sedimentasyon yöntemi ile süpersarmal DNA’ların daha hızlı çöktüğü belirlenmiştir. 3.Elektroforez yöntemi ile doğrusal DNA iplikleri süpersarmal DNA’lardan daha başlangıç noktasına yakın yer alır. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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; Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) 156 UNIT 3 • Molecular Biology and Gene Expression DNA gyrase makes double-strand break One part of circle is laid over the other Helix makes contact in two places Unbroken helix is passed through the break Double-strand break resealed Following DNA gyrase activity, two negative supercoils result Relaxed circle Supercoiled DNA Figure 6.9 DNA gyrase. Introduction of negative supercoiling into circular DNA by the activity of DNA gyrase (topoisomerase II), which makes double-strand breaks. axis in the opposite sense from the right-handed double helix. Negatively supercoiled DNA is the form predominantly found in nature. However, certain species of Archaea (Chapter 7) that grow at very high temperatures do contain positively supercoiled DNA. In Escherichia coli more than 100 supercoiled domains are thought to exist, each of which is stabilized by binding to specific proteins. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER the activity of DNA gyrase and topoisomerase I. Supercoiling also affects gene expression. Certain genes are more actively transcribed when DNA is supercoiled, whereas transcription of other genes is inhibited by supercoiling. Topoisomerases: DNA Gyrase • What mechanism is used by DNA gyrase? MiniQuiz Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) • Why is supercoiling (Brock important? 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) Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) some purine and pyrimidine bases that differ somewhat from the standard bases found in RNA because they are chemically modified. These modifications are made to the bases after transcription. These unusual bases include pseudouridine (!), inosine, essential for function. Curiously, in most organisms th nucleotides are not encoded by the tRNA genes on the some. Instead they are added, one after another, by an Acceptor stem 5′ 3′ phe 3′ A C C Acceptor A end G 5′ C Acceptor G C stem C G U G A U D loop A U U A U CC G ACAG mA U A D A mG C U C G D C T G U G U mC CG A G A G C Ψ G U GA mG G mG TΨC loop G C C G Anticodon A U mC G stem A Y mC A Y U A A mG Anticodon 5′ U U C Codon (a) Acceptor end TΨC loop D loop Anticodon stem 3′ Anticodon loop mRNA A A Anticodon mG (b) Figure 6.33 Structure of a transfer RNA. (a) The conventional cloverleaf structural drawing of yeast phenylalanine tRNA. The amino acid is attached to the ribose of the terminal A at the acceptor end. A, adenine; C, cytosine; U, uracil; G, guanine; T, thymine; !, pseudouracil; D, dihydrouracil; m, methyl; Y, a modified purine. (b) In fact, the tRNA molecule folds so that the D loop and T!C loops are close together and associate by hydrophobic interactions. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) involved in recognition. These other key recognition nucleotides 5′ 3′ H OH O P C C NH 2 CH O CH 3 Uncharged tRNA-specific for valine (tRNAVal ) tRNA acceptor stem AMP C A C Anticodon region Amino acid (valine) CH 3 Aminoacyl-tRNA synthetase for valine Linkage of valine to tRNAVal AMP Valine H O Charged valyl tRNA, ready for protein synthesis C O C NH 2 CH CH 3 CH 3 Dino Moras Anticodon loop C A C (a) (b) Figure 6.34 Aminoacyl-tRNA synthetase. (a) Mode of activity of an aminoacyl-tRNA synthetase. Recognition of the correct tRNA by a particular synthetase involves contacts between specific nucleic acid sequences in the D loop and acceptor stem of the tRNA and specific amino acids of the synthetase. In this diagram, valyl-tRNA synthetase is shown catalyzing the final step of the reaction, where the valine in valylAMP is transferred to tRNA. (b) A computer model showing the interaction of glutaminyl-tRNA synthetase (blue) with its tRNA (red). Reprinted with permission from M. Ruff et al. 1991. Science 252: 1682–1689. © 1991, AAAS. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (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 RNA (pRNA): DNA eşlenmesi sırasında iplikciğin 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 doldurulup, DNA ligaz ile birleştirilir. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER 174 UNIT 3 • Molecular Biology and Gene Expression ing od ing d co n nc er e e NA ne e t A o en rR Ge tRN om G 6S r P a 1 ing d co en A ne RN Ge S r 23 ng di o c n tio p n i e cr or ne NA ans inat e R r G r T rm 5S te DNA Spacers 3′ RNA 5′ Primary transcript Processing to remove spacers Mature transcript 16S rRNA tRNA 23S rRNA Degradation 5S rRNA Figure 6.28 A ribosomal rRNA transcription unit from Bacteria and its subsequent processing. In Bacteria all rRNA transcription units have the genes in the order 16S rRNA, 23S rRNA, and 5S rRNA (shown approximately to scale). Note that in this particular transcription unit the spacer between the 16S and 23S rRNA genes contains a tRNA gene. In other transcription units this region may contain more than one tRNA gene. Often one or more tRNA genes also follow the 5S rRNA gene and are cotranscribed. Escherichia coli contains seven rRNA transcription units. These cotranscribed transcripts must be processed by cutting into individual units to yield mature (functional) rRNAs or tRNAs. Overall, RNA processing is rare in prokaryotes but common in eukaryotes, as we will see later (Chapter 7). In prokaryotes, most messenger RNAs have a short half-life (on the order of a few minutes), after which they are degraded (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012) by cellular ribonucleases. This is in contrast to rRNA and 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 Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER (Brock Biology of Microorganisms 13th Edition 2012)
