Genel Biyoloji Kromozomların Kimyası ( Kitap ) http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 1 İÇİNDEKİLER 1. KROMOZOMLARIN KİMYASI ........................................................................ 2 2. WATSON – CRICK MODELİ ........................................................................... 3 3. GENETİK KOD ................................................................................................ 5 3.1. DNA Sentezindeki Katalizörler ve Replikasyon Merkezleri ....................... 7 3.2. DNA Polimerazın Evrenselliği................................................................... 9 3.3. DNA Polimerazın Önemi.......................................................................... 9 3.4. DNA'nın Kalıp Özelliği............................................................................. 10 3.5. RNA Tipleri ........................................................................................... 12 3.5.1 Messenger (= Haberci) Ribonukleik Asit ( = mRNA)........................ 13 3.5.2 Ribozomal Ribonukleik Asitler (= rRNA) ve Ribozomlar .................. 16 ŞEKİLLER LİSTESİ Şekil 1: DNA'nın moleküler yapısı. Sitozinden ve guaninden oluşmuş bir nukleoîit çifti gösterilmiştir................................................................................................ 2 Şekil 2. DNA’nın heliksinden enine bir kesit ............................................................ 3 Şekil 3. Adenin – timin, sitopizin – guanin arasindeki H bağları .............................. 4 Şekil 4. Nukleotitlerin dizilişi ile aminoasitler arasındaki ilişki .................................. 5 Şekil 5. DNA’nın replikasyonu................................................................................. 6 Şekil 6. DNA’daki bazların şematik dizilimi ve DNA polimeraz enzimi ile replikasyonu...................................................................................................... 7 Şekil 7. Bir bakteriyofajın replikasyonu.................................................................. 12 Şekil 8. 85 S’lik ribozomların oluşumu (a) fal ve ayrışımı (b)................................. 17 Şekil 9. Bir 5 S rNA’nın hipotetik modeli (traeger’den)) ......................................... 18 Şekil 10. a) ½ polizomun, b) kısa bir mRNA parçası taşıyan 70 S’lik bir ribozomun ve c) Bir polizomun üçüncül yapısının şematik görünümü .............................. 22http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 2 1. KROMOZOMLARIN KİMYASI Kromozomların DNA, RNA, histon ve proteinden oluştuğu gösterilmiştir. Soma hücrelerinde 6 x 10~ 9 , sperma ve yumurta çekirdeklerinde ise 3x10~ 9 miligram DNA'nın olduğu saptanmıştır. Poliployit hücrelerde DNA miktarı poliployidinin derecesine uygun olarak daha fazla bulunur. Belirli bir organizmadaki DNA ve histon miktarı, kural olarak bütün hücrelerinde ayrıdır. Buna karşılık RNA miktarı ve bazı proteinler hücreden hücreye değişiklik gösterir. DNA'nın miktarı gen sayısına uygunluk gösterir; böylece bir hücredeki yada gametteki nukleotit sayısı ve dolayısıyla gen sayısı tahmin edilebilir. Kromozomlar, deoksiribonukleaz enzimjyle muamele edildiğinde, DNA'ları parçalanır ve ortadan kalkar; yalnız kromozomların taslakları kalır. Buna karşılık, kromozomlar proteolitik enzimlerle muamele edildiğinde, dıştaki matriks kısımları ortadan kalkar. Bu bize, kromozomların proteinlerden yapıldığını ve DNA'larının ise içlerindeki lokuslar da yer aldığını gösterir. DNA ile kromozom proteinleri, Ca ve Mg gibi iki değerlikli katyonlarla birbirlerine bağlanmıştır. Bu katyonlar EDTA ile kromozomlardan dışarıya alınırsa, çekirdek asitleriyle proteinler birbirlerinden ayrılır. Şekil 1: DNA'nın moleküler yapısı. Sitozinden ve guaninden oluşmuş bir nukleoîit çifti gösterilmiştir.http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 3 2. WATSON – CRICK MODELİ Bitkilerin ve hayvanların büyük kısmında DNA tam olarak izole edilmiş ve hepsinin, deoksiriboz (seker), fosforik asit ve azotlu bazlardan meydana geldiği bulunmuştur (Şekil 1). DNA'da 4 baz da bulunur.. Bunlardan ikisi 'Purin' yani 'Adenin ve Guanin', diğer ikisi de 'Pirimidin' yani 'Sitozin' ve 'Timin' dir. Pürin ve pirimidin oranları belirli bir türün tüm hücrelerindeki DNA'larda aynıdır; fakat farklı türlerden alınan DNA örneklerinde bu oran değişir. Tüm DNA örneklerinde toplam pürin miktarı toplam pirimidin miktarına (A -i- G = T + C); adenin miktarı timine (A = T), guanin miktarı ise sitozine (G = C) eşittir. Memelilerde adenin ve timin, bakterilerde ise guanin ve sitozin daha fazladır. Bu analizlere ve X ışınlarının kırılmasına dayanarak, 1953 yılında VVATSON ve^CfiiCK bir DNA modeli yapmayı başardılar. Bu modele göre, birçok sorunun açıklanması yapılabildiğinden dolayı, 1962 yılında bu iki bilim adamına Nobel Ödülü verildi. Şekil 2. DNA’nın heliksinden enine bir kesit DNA'nın |bazları bir merdivenin basamakları şeklinde bağlanır, öyle ki, birinci nukleotitteki deoksiribozun 5'karbonu, ikinci nukleotitteki deoksiribozun 3' karbonuna bir fosfodiester bağı ile bağlanır. VVATSON VE CRICK, karşılıklı duran polinukleotit kollarının birbiri etrafında yelkovan yönünde kıvrılarak, bir büyük, bir http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 4 küçük oluk oluşturacak şekilde sarmal meydana getirdiğini ve sarmalın dış tarafında şeker-fosfat; iç tarafında ise kolları birbirine bağlayan, sarmal eksenine dik duran, pürin ve pirimidin bazlarının bulunduğunu saptadılar. Yandaki kollar, pürin ve pirimidin arasındaki özel hidrojen bağlarıyla, birbirlerine yaklaşarak, belirli bir açı altında döner merdiven gibi kıvrılırlar. On baz çifti, tam bir sarmal kıvrımı (=büklümü) meydana getirir. Pürin ve pirimidin arasındaki hidrojen bağları, yalnız edeninin timine, guaninin sitozine bağlanmasına olanak verir. Bu bazlar, bir düzlem içerisinde, fakat bir doğru şeklinde değil, bir açı altında birleşmiştir. Bu birleşme içerisinde dar ve geniş oluklar kolayca tanınabilir. Diğer bir kombinasyon olanaksızdır. Adenin ve guanin, aralarında hidrojen bağı oluşturamayacaklardır; çünkü her iki molekül de büyük olduğu için, zincir içerisinde yer bulamayacaktır. Timin, sitozinie birleşemeyecektir; çünkü her ikisi de küçük moleküldür ve biri zincirin bir tarafında, diğeri öbür tarafında olduğundan arada büyük açıklık kalacaktır. Adenin ile timin arasında 2, guanin ilesitozin arasında 3 hidrojen bağı meydana gelir. Hidrojen bağlarının özelleşmesi, bir kolda bulunan her adeninin karşı kolda bir timin ve keza sitozinin, karşı kolda bir guanin bulmasını sağlar. Böylece iki kol birbirini tamamlar. Böylece zincirin bir kolunda bulunan nukleotitlerin dizilisi, karşısındaki kolda bulunan nukleotitlerin dizilişini bir çeşit dikte ve kontrol eder. Kolların yönleri birbirine zıttır. Öyle ki bir kolda fosfat şeker bağlan 5'-3' yönünde olduğu halde, karşısındaki kolda 3' – 5' yönündedir. Şekil 3. Adenin – timin, sitopizin – guanin arasindeki H bağlarıhttp://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 5 3. GENETİK KOD WATSON - CRICK modeli, kalıtsal bilginin, nukleotitlerin, türe özgü bir şekilde, belirli bir düzen içerisinde sıralanmasıyla belirlendiğini ve-dölden döle bu şekilde kalıtıldığını ortaya koymuştur. Söz konusu türün, kendine özgü özellikleri (fenotipi), kalıtsal yapısı ile nitelikleri belirlenen protein vesazim moleküllerinin sentez edilmesiyle açığa çıkar. DNA üzerindeki genler, gerekli emri, ancak, bir aracı molekül aracılığıyla protein sentezleme düzeneğine iletir; Bu aracı molekül RNA'dır. Protein zincirinde ferine konacak her aminoasit, RNA üzerindeki 3'lü bir baz grubuyla şifrelenir. Bu 3'lü yapıya kodon diyoruz. Yalnız 4 çeşit nukleotit (A, C, G, T) olduğundan, 20 yada daha fazla aminoasidi düzenleyebilmek için, bir yada iki nukleotitten meydana gelmiş kodonlar (=kalıplar) yeterli olmayacaktır. Şekil 4. Nukleotitlerin dizilişi ile aminoasitler arasındaki ilişki Çünkü kodonlar iki nukleotitten meydana gelseydi, 4 çeşit nukleotit ancak 16 çeşit kombinasyon verebilirdi; bu da sadece 16 çeşit aminoasidi, protein zincirindeki yerine yöneltebilirdi. http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 6 Şekil 5. DNA’nın replikasyonu Reflikasyon (ikileşme) konusundaki çalışmalarda hala tam açıklanamayan bir nokta, sarmalın iki kolunun çözülme şeklidir. Koların ayrılması iki ipliğin birbirinden ayrılması biçiminde olsaydı, bir dönme olayı ortaya çıkardı. DNA gibi bir makromolekülün, mitozun oldukça kısa süresi içinde tamamen birbirinden ayrılması için, büyük bir devirle dönmesi gerekecektir. Yoğunluğu az olmayan bir ortamda, yeni plazmada, bu hızla bir dönme, proteinleri denatüre etmeye yetecek kadar sürtünme ısısının ortaya çıkmasına neden olacağından, bu açılmanın (dönmenin) nasıl yapılabildiği henüz bilinmemektedir. Bununla beraber, bazı proteinlerin, replikasyonu başlattığı, bazılarının DNA iplikçiklerinin çözülmesini ve dönmesini uyardığı ve hücrede DNA sentezinin tamamlanmasını takiben iki yavru DNA molekülünün birbirinden ayrılmasını kolaylaştırdığı bilinmektedir.http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 7 Şekil 6. DNA’daki bazların şematik dizilimi ve DNA polimeraz enzimi ile replikasyonu 3.1. DNA Sentezindeki Katalizörler ve Replikasyon Merkezleri KORNBERG ve arkadaşları tarafından, 1957 yılında, DNA'nın ilk defa Escherichia coli'den izole edilen 'DNA polimeraz' denen bir enzim sistemi tarafından katalizlendiği bulunmuştur. Bu enzim, deoksinukleotit yapı taşlarını 3'-5' yönünde okuyarak, 3'-5' fosfodiester bağlarıyla birbirine bağlar. Dolayısıyla yeni oluşan poli-deoksinukleotit dizisi 5'-3' yönünde gelişir. DNA polimeraz, kendi başına yalnız nukleotitlerin şeker ve fosfat gruplarını tanıyabilir. Bazların hangi sıraya göre dizilmeleri gerektiğini bilemez. DNA polimerazın, düzenli bir http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 8 sentezleme için, substrat olarak dört çeşit deoksinukleozidin trifosfatına (dATP, dGTP, dCTP ve dTTP), magnezyum iyonlarına, tepkimeler için kalıp ve alfabe görevi yapacak DNA polimerinin bir kısmına gereksinimi vardır. Tepkimenin sonunda DNA polimeri ve tepkimeye katılan her deoksiribonukleotit için bir molekül pirofosfat meydana gelir. Mitokondriyal DNA replikasyonunun, çekirdekteki DNA replikasyonundan farklar gösterdiği varsayılmaktadır. dATP DNA Dgtp Mg ++ N ? DNA + nPP dCTP DNA polimeraz dTTP Bakteriyofaj (T 2 ) DNA'sının replikasyonu, yaklaşık her üç dakikada bir olmaktadır. Yanı, faj DNA'sındaki 8 x 10 4 kıvrım, 3 dakika içerisinde çözülmektedir. Bu ise mekanik ilkeler ve enerji yönünden çok zor görülmektedir. Bu nedenle çeşitli modeller yada modellere ilave yeni görüşler ileri sürülmektedir. Büyük bir olasılıkla DNA'nın kolları bir fermuarın açılması gibi bir uçtan, yada reptikatör denen birkaç yerden birden birbirinden ayrılmakta ve ayrılan kollar kendini replike ederek statik durumlarını sürdürebilmektedir. iyon derişiminin değişimi ile DNA zincirinin belirli bölgelerinde açılım sağlanabilmektedir. Replikalûrler, DNA üzerinde, metillestirilmis dizilim ile işaretlenebilmekte ve bu replikatörlerden itibaren, DNA zinciri kollarının açıldığı görülmektedir. Bu noktalar, replikasyon merkezleri olarak bilinmektedir. Replikasyon merkezleri, bakterilerde, mesosom denen belirli bir zar bölgesiyle, memeli hayvanlarda ise çekirdekteki bir zar bölgesiyle temas halindedir. Yavaş çoğalan bakterilerde, DNA üzerinde kural olarak ancak bir replikasyon merkezi, hızlı çoğalanlarda ise hıza bağlı olarak daha fazla replikasyon merkezi bulunur (6 kadar olabilir). Bu ise, DNA replikasyon hızının değişmediğini, ancak çoğalan zincir sayısının değiştiğini gösterir. Eskiden DNA'nın http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 9 çoğalması ile hücre bölünmesinin aynı zamanda yürütüldüğüne inanılmaktaydı. Gerçekte DNA sentezinin zaman olarak hücre bölünme süresini aştığı gözlenmiştir. 3.2. DNA Polimerazın Evrenselliği Escherichia coli’den elde edilen DNA polimeraz, birçok canlıdan (bakterilerden, virüslerden, memelilerden ve bitkilerden) elde edilen DNA modelleri ile kullanılabilir. Sonuçta,hangi DNA modeli kullanılmışsa, o tipe uygun nukleotit sıralanması meydana gelir. Burada, meydana gelen son ürün içerisindeki nukleotitlerin sırasını, ne polimeraz enziminin özelliklen ne de ortamda bulunan substrat moleküllerinin oranı saptamıştır. Dikte ettiren faktör, kullanılan DNA modelinin alfabetik sırasıdır. KORNBERG. 1968 yılında alfabe olarak virüs DNA'sı kullanarak, biyolojik olarak aktif virüs DNA'sını sentezlemistir. Üretilmiş bu yeni DNA, bakterilerde, canlı virüs enfeksiyonlarının aynını meydana getirmiştir. 3.3. DNA Polimerazın Önemi KHORANA ve arkadaşları, bir tarafta bir ara bir sıra dizilmiş adenilik ve sitidilik asidi, diğer taraftan aynı şekilde dizilmiş timidilik ve guanilik asidi içeren, iki deoksiribonukleotit polimerini sentetik olarak yaptılar. Fakat bunlardan hiçbiri, yalnız başına (yani sadece adenilik-sitidilik yada sadece limidilik-guanilik dizisi) DNA için model olarak iş göremedi. Her iki polimer karıştırıldığında, çift kollu sarmal, yapay olarak (alışılagelmiş bazların birbirine bağlanmasıyla) meydana geliyor ve ancak bu yapı DNA polimeraza kalıplık yapabiliyordu. DNA-polimeraz enzimine, bulucusunun ismine adanarak KORNBERG Enzimi de denir. Bu enzim, birbirine benzer birçok alt birimden meydana gelmiştir. Moleküle/ ağırlığı 100.000 dalton kadardır. Kalıp olarak DNA'nın kullanıldığı tepkimelerde, doğru bazların seçilmesinde ve substratın polimerizasyonunda önemli rol oynar. Bu nedenle DNA'nın replikasyonunda biyolojik olarak çok büyük bir işleve sahiptir. Hatalı dizilimi meydana getirme olasılığı çok zayıftır. Bu enzim,http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 10 baz seçim özelliğinin dışında, tek kollu DNA ipliği üzerinde mevcut olan polariteyi, yani fosfat-diester-bağının yönünü tanıyacak ve yavru kolun üzerinde aynısını; fakat ters yönde paralel olarak dizebilecek durumdadır. Her iki özellik, bu enzimin allosterik yapısıyla sağlanır. DNA polimeraz, hayvansal ve bitkisel hücrelerde farklıdır. Hatta bağırsak bakterilerinden olan Escherichia coli'de bile iki-(yada üç) farklı DNA-polimeraz vardır. Bakteriyel DNA-polimeraz, in vitro (hüçrefiz ortamda) olarak hem tek kollu, hem iki kollu DNA'yı kalıp olarak kabul eder. Buna karşılık memeli hayvanlardan elde edilen DNA-polimeraz, tercihan, in vitro olarak denatüre edilmiş (tek kollu) DNA ile biyolojik aktivite gösterir. Eğer enzim, kalıp olacak kullanılacak DNA ile birlikte yalnız üç (gerekli olan dört bazdır) deoksinukleozittrifosfat ile inkübe edilirse, örneğin, dATP, dCTP ve dGTP ile, DNA sentezinin olmadığı gözlenecektir. Sentezlenme, ancak, eksik olan dördüncü nukleotidin eklenmesiyle baslar. 3.4. DNA'nın Kalıp Özelliği DNA polimeraz enzimi ile çift kollu bir kalıbın bulunduğu yerde, DNA'ya benzer çift kollu bir yapı meydana getirilmiştir. Bu yapıdaki baz oranları aynen kalıp aldığı DNA'daki gibidir. Kalıbın olmadığı bir ortamda, belirli bir gecikmeden sonra (lag time), DNA'ya benzer çift kollu bir molekül sentezlenir. Bu molekülün bileşimi, sunulan deoksinuk- leozittrifosfatlara bağlıdır. Yalnız UTP yada CTP’nin bulunduğu ortamda, yine sırasıyla homopoliuridil asit ve homopohsitidil asit oluşur. Buna karşın poliguanı, asi, bu yolla elde edileme RNA'nın diğer bir hatalı tepkimesi, kalıp olarak DNA yerine bir polinukleotitle temasa geçmesi halinde ortaya çıkar. Örneğin kısa bir politimidil asit zinciri, uzun pohadenıl asit zincirinin elde edilmesini sağlayabilir.http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 11 100 50 lim 7 ? ? ? A eraz Po RNA PolidT Poli ATP Kalıp için polideoksinukleotit olması şart değildir, keza poliribonukleotitler de, örneğin polisitidil asit de kalıp olarak kullanılır. Bu durumda, poliguanil asit elde edilir. Kalıp olarak DNA'nın kullanılması halinde, oluşan polinukleotit, hiçbir zaman kullanılan DNA'dan uzun olmamasına karşın, kalıp olarak homopolinukleotitlerin kullanıldığı durumlarda, meydana gelen ürün kalıptan uzun olabilir. DNA-polimerazın yaptığı gibi, RNA-polimeraz da, bif-kalıbın yokluğunda, polinukleotit sentezleyebilir. Bununla beraber DNA-pplimerazın tam tersi bir davranış göstererek ATP ve UTP ile, monoton poli A ve poli U kollarını taşıyan bir zincir meydana getirir (yani ...AAA... ve UUU... kollu). U PoliA UTP ATP eraz po RNA s ıı DNA : lim ' 7 ? ? ? RNA-polimeraz RNA sentezinin basamaklarını aşağıdaki gibi Özetleyebiliriz 1. DNA'ya (primidince zengin kısımlarına) enzim bağlanır. 2. Pürintrifosfatlar ile RNA polimeraz aktifleştirilir. Aktifleştirme, RNA sentezinin hızlandırılmasını sağlayan ilk adımı oluşturur. 3. Polimerizasyonun ilk fosfor asidi diester bağının oluşmasıyla başlar. px ppp A G Tepkime ancak, 0,2 MK CI’lu bir ortamda, enziminin özgül yapısal değişikliğinin ortaya çıkmasıyla başlar. 4.Daha sonra bunu diğer nukleozittrifosfatların polimerizasvonu izler. 5.DNA-enzim kompleksinden meydana gelen ürün ayrılır. Bir hücrenin RNA- polimerazı homojen bir enzim midir? Yada farklı koşullarda RNA polimeraz aktivitesi gösteren değişik RNA polimerazların bir karışımı mıdır? Bu konuda bilgimiz yoktur. Özel bir durum, RNA taşıyan virüslerin ve bakteriyofajların replikasyonudur. Bunların RNA’sı özel bir “ Replikaz”ın etkisi altında replike olur. Replikaz RNA'ya bağlı RNA-polimeraz gibi davranır. Bu enzim kalıp olarak tam bir virüs genomunu kabul eder. Yani tam bir makro molekül ile RNA kırıntısını (parçasını) birbirinden http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 12 ayırabilecek durumdadır. Replikasyon, ilk olarak “Minus Zinciri”nin, daha sonra da bu zincir üzerinden yeniden enuekte olabilecek “plus zincir” in meydana getirilmesi şeklinde olur. Aynı replikazın hem minus hem de plus zinciri meydana getirip getirmediği bilinmemektedir. Şekil 7. Bir bakteriyofajın replikasyonu 3.5. RNA Tipleri Haberci (= Messenger) (= mRNA), Ribozomal (= rRNA) ve Transfer (=tRNA) Kimyasal analizler, DNA molekülünün aksine,RNA moleküllerinin komplomenter bazlar taşımadığını ve bunun sonucunda DNA gibi çift kollu olmadığını ortaya çıkarmıştır. RNA, uzun, dalsız ve 3'-5' fosfodiester bağları ile birbirine bağlanmış dört çeşit ribonukleotitten meydana gelmiştir. Bu bağlanma bir nukleribozun, RNA polimeraz ile diğer tıukleotitteki fosfata bağlanması şeklinde olur. Tepkimeye giren serbest nukleotitler; 3 fosfat grubu içerir. Bağlanma sırasında grubu ayrılarak enerji meydana gelir. Bu enerjiyle de zincirin oluşumu sağlanır. RNA deoksirobozun yerine riboz, timinin yerine urasil içerir. Sentezlenen rRNA, mRNA ve tRNA sitoplazmaya gönderilir. Ömürleri DNA gibi sınırsız değildir. Örneğin mRNA 240 dakikaya kadar işlev görecek durumdadır. tRNA’lar tekrar tekrar kullanıldıkları için, ancak zaman zaman yeniden üretilirler. RNA moleküllerinin üç çeşidi, protein sentezi için gereklidir; Messenger (haberci) RNA: Kalıtsal bilginin- DNA'dan, yani çekirdekten sitoplazmaya aktarılmasına yararlar. Ribozomal RNA: Çekirdekçikte bol bulunurlar; proteinlerlehttp://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 13 birlikte ribozomları yaparlar ve sitoplazmadaki partiküller ile, ribozomların arasındaki özgül olmayan bağlantıları sağlarlar. Transfer RNA: Bir adaptör gibi, aminoasitleri yakalayıp getirebilmeleri için, moleküleri küçüktür ve suda eriyebilir; buda onlara diffüzyon kolaylıkları sağlar. Hücre Hücre konusunda gördüğümüz gibi, sitopla zar ve tüplerden meydana gelmiş bir galeri sistemine, yani endoplazmik retikuluma sahiptir. Ribozomlar ya bu zar sistemine yapışıktır yada hücre sıvısı içerisinde yüzer. 3.5.1 Messenger (= Haberci) Ribonukleik Asit ( = mRNA) mRNA'lar, RNA-pplimeraz aracılığıyla DNA'nın kalıp olarak alınan kolundaki nukleotit dizilerinin kopya edilmesiyle elde edilen, en azından dört nukleotitten oluşmuş, tek kollu dizilerdir. Hücrede, tekrar tekrar kullanıldıklarından dolayı miktarları oransal olarak daha azdır (hücredeki tüm RMA'nın % 5'i kadardır). Polinukleotit - fosforilaz ile serbest nukleoziddifosfatlara kadar yıkılırlar. PP DP RNA ? ? laz titfosfori Polinukleo Bu enzim, interfazda mRNA'ların tekrar tekrar kullanımlarını denetler. Ekso - nukleazlar, mRNA'ları genel olarak 3' ucundan itibaren yıkar. Hücre tek bir işlev için programlanmamış ise meydana gelecek mRNA'lar da değişik özelliklerde olacaktır. Çünkü her biri değişik bir protein sentezini yönelte- cektir. Doğal mRNA'nın moleküler ağırlığı 5 ve 50 x 10 5 dalton arasındadır. Bu ise her mRNA molekülünün 1.500- 15.000 nukleotitten meydana geldiğini gösterir. mRNA'ların kalıp aldığı DNA bir bireyin tüm hücrelerinde aynıdır. Bununla beraber farklı dokularda ve hatta aynı hücrenin içerisinde farklı mRNA'ların üretilmesi hücre farklılaşmasıyla ilgilidir. Yani DNA'ların açık bölgelerinden üretilen mRNA'lar, gerek bulunduğu hücrenin, gerekse bulunduğu dokunun özelleşmesine neden olarak hücre fenotipinin saptanmasını sağlar.http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 14 mRNA'lar, DNA'dan kalıp almasına karsın, baz dizilimi DNA'nın aynısı değil- dir. Çünkü DNA'nın tümü birden kalıp olarak kullanılmaz. Bununla beraber belirli bölgeleri transkript edildiği için yine de bölgesel bir benzettik, söz konusudur. Diğer RNA çeşitlerinde bu denli benzerlik gösterilememiştir. Belirli koşullar altında DNA'nın kolları ile böige bölge birçok birlik meydana getirme yeteneğinde olmaları, mRNA'ların en önemli özelliklerinden biridir. Hibritleşme yada hibridizasyon olarak tanımlanan bu tepkime, çift kollu eylemli zincirlerin oluşmasını sağlar. Bu hibritleşme, keza rRNA ve tRNA ile de mümkündür. Bir organizmadan, ısıtmak sureti ile tek kollu DNA'lar elde etmek mümkündür. Bu tek kol bir ağara yada diğer bir taşıyıcıya fikse (sabitleştirme) edilebilir. Aynı organizmadan yada diğer bir organizmadan elde edilen mRNA'lar, bu tek kollu DNA'lar ile, benzer komplementerleri taşımak koşuluyla eşleşebilir. Farklı yapıdaki mRNA populasyonları, bu fiksasyonu yapamazlar. Farklı organizmalar arasındaki bu DNA ve mRNA eşleşmesi, o iki organizmanın kalıtım materyalinde taşıdıkları benzer nukleotit dizilerini (bölgeleri) gösterir. Bu da evrimsel olarak benzerliklerin ortaya konması açısından önemlidir. mRNA'lar, polizomların oluştuğu ortamlarda, ribozomlara bağlanarak (yığıla- rak) protein sentezinin in vitro olarak meydana gelmesini sağlar. mRNA'ların Nakli: mRNA'lar.n/ana işlevleri olan protein sentezini yöneltmek üzere çekirdek dışındaki sitoplazmaya geçmeleri lazımdır. Polinukleotit zincirlerin yıkıcı etkilere karşı çok duyarlı olmaları nedeniyle, aktif olarak protein sentezlen- melerine katılmaları, kalıtsal materyalinibozulması açısından sakıncalı olabilirdi Bu nedenle, ara kalıplar, mRNA formunda', yani büyük bir molekülün küçük parçalan şeklinde sitoplazmaya taşınır. Hela hücrelerinde, mRNA'lar, çekirdeği, polizom yani mRNA-ribozom kompleksi şeklinde terk eder. Taşınma, endoplazmik retikulûmun üst yüzeyi boyunca olur ve bu arada zarsı yapı ola ki belirli hareketlerle yardımcı olur.http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 15 Daha sonra, mRNA'ların, hayvan hücrelerinde, çekirdeği, ribonukleoproteit şeklinde terk ettiği (polizom şeklinde .değil) saptandı. Bunlarda, mRNA'ların çok kesin olarak tanım[anamayan globüler proteinlerle maskelendiği bilinmektedir. Bu birlik " lnförmozom" olarak, globüler komponentler de "informomer" olarak adlandırılır, informomerler, sedimantasyon sabitesi 30 S olan ve RNA zinciri üzerinde yaklaşık 6OO nukleotitli bir uzunlukta fikse olmuş proteinlerdir, izole edilmiş en büyük informozomlar, moleküler ağırlıkları 4 x 10 6 dalton olan mRNA'lar üzerinde, 20 protein partikülünden oluşmuş birliklerdir. Bu proteinlerin, protein Sentezi sırasında, mRNA'ların translasyonunda düzenleyici (regülatör) işlev gördüğü, yani mRNA'lar üzerine yığılmış bilginin, özgül olarak kapatılmasını yada açılmasını sağladığı varsayılmaktadır. Informozomun prötein-mRNA birliği, ribozomlarla temas sırasında da kalır. mRNA'ların işlevleri: mRNA'lar, DNA'nın bir kolu üzerindeki belirli bölgelerin taşıdığı bilgiyi, belirli proteinlerin aminoasiıt dizilimini saptamak amacıyla, sitoplazmaya iletmeye yarar. Bunun için aşağıdaki koşulların sağlanması gerekir. mRNA'ların üzerindeki nukleotit Dizisinin okunması için mRNA'ların uyarılması gerekir. Çünkü okunma kendiliğinden meydana gelemez. Okunma doğru yönde olmalıdır. Bunun için okunma yönleri (polarite=kutuplaşma) şu şekildedir: DNA'nın okunması 3'den 5'e: Transkripsiyon mRNA'nın sentezi 5'den 3'e: Transkripsiyon mRNA'nın okunması 5'den 3'e: Tranglasyon Protein sentezi NH 2 - COOH' ucuna doğru: Translasyon c) mRNA'lar, 5' ucu üzerinde translasyonun başlama noktası olarak belirli bir dizilimi taşıması gerekir. Eğer mRNA, polisijronik messenger ise, yani tek bir mRNA molekülü ayrı ayrı birçok protein molekülünü kodluyorsa, o zaman, mRNA nukleotit diziliminin içerisinde, başlama noktalarını belirleyen birçok noktanın olması zorunludur. Protein sentezleyen sistemin de bu başlama noktalarını http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 16 tanıyabilmesi gerekir. Translasyonun uygun yerde durdurulabilmesi için de, mRNA'lar üzerinde bazı işaretlerin olması gerekir. Ancak bu şekilde, uygun proteinlerin sentezlenmesi sağlanabilir. Bu dört koşul, mRNA'nın ribozomla temasa geçmesi ile gerçekleştirilir. 3.5.2 Ribozomal Ribonukleik Asitler (= rRNA) ve Ribozomlar Ribozomların Yapısı: Elektron mikroskobunda yoğun cisimler olarak görülürler. TISSIERES ve WATSON. 1959 yılında bakteri ribozomlarını Mg + + 'lu çözeltilerde çöktürdüklerinde, sedimantasyon sabitesi 70 S, 50 S ve 30 S olan parçacıklardan meydana geldiklerini gördüler. Ribozomlar, ribonukleik asit ve proteinden oluşmuştur. Bir bakteri hücresi yaklaşık 10.000 kadar ribozom içerdiği için, rRNA, tüm hücredeki RNA'nın yaklaşık % 75 - 85'ini oluşturur. Normal bir karaciğer hücresi yaklaşık 6 x 10 6 ribozom içerir. Bununla beraber toplam hücre proteininin en fazla % 10'u ribozomlarda bulunur. 30 S'li parçacık 16 S'li, 50 S'li parçacık ise 23 S'li rRNA içerir. Her iki alt birimin RNA'sı da yalnız tek bir RNA'dan oluşmuştur. 50 S'li parçacıktan elde edilen 23 S'li rRNA'nın yanı sıra 5 S'li küçük bir RNA molekülü daha izole edilmiştir. 23 S'li RNA, baz oranı bakımından 16 S'li RNA'dan önemli farklar göstermektedir. Bu durumda 23 S'li RNA, 16 S'li RNA'nın dimeri değildir. Her iki ribozomal alt birim, yani.30 S'li ve 50 S'li parçacıklar, sayısı tam olarak bilinmeyen, moleküler ağırlıkları en fazla 12.000 ve 30.000 dalton arasında bulunan proteinleri de içerir. Memeli hayvanlardan elde edilen, sedimantasyon sabitesi 80 S olan ribozomlar, düşük Mg ++ 'lu ortamlarda kural olarak ayrışmazlar. Ancak EDTA gibi kompleks yapıcılar aracılığıyla, tüm iyonları uzaklaştırıldıktan sonra, alt birimlerine ayrılırlar. S S S EDTA 60 40 80 ? ? Bakterilerden, mitokondrilerden yada kloroplastlardan alınan ribozomların http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 17 sedimantasyon sabitesi 70 S olmasına karşın, memeli hücrelerinin sitoplazmasında yada yüksek bitkilerde (bira mayası dahil) bulunan ribozomlar, belirli olarak daha yüksek parçacık ağırlığına sahiptir. Bu sonuncularda ribozom alt birimlerinin daha ağır olması, taşıdıkları proteinin fazla olmasından - yaklaşık toplam ağırlığının % 55'i (bakterilerde % 37) kadar- ve rRNA'larının moleküler ağırlığının yüksek olmasındandır. rRNA'lar yüksek .oranda sitozin ve guanin taşımasıyla, mRNA'dan ve DNA'dan baz bileşimi bakımından farklılık gösterir. Elektron mikroskobunda, ribozom, hafifçe üstten basılmış iki yarım kürenin birleşmesiyle meydana gelmiş bir yapı olarak görülür. En son tanımlanan ribozom komponenti 5 S rRNA'dır (Şekil 8.16). Bu parçacık, büyük ribozomal alt birimle birleşmiştir. Dört farklı 5 S rRNA tipi izole edilmiş ve polinukleotit dizilerinin yaklaşık 120 ve 121 nukleotitten meydana geldiği saptanmıştır. Şekil 8. 85 S’lik ribozomların oluşumu (a) fal ve ayrışımı (b) Baz dizilimine dayanarak, 5 S rRNA için, çift olmayan kıvrımlarının yanı sıra, çift yapan (ikili kol) bölgelerinin de olduğu kabul edilir. Mekân olarak dizilim http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 18 tRNA'nın varsayılan modeline benzeyebilir. Kıvrım-1. şimdiye kadar izole edilen tüm 5 S’li parçacıklarda aynı baz dizilimine sahiptir. Bu dizilimin (kıvrımın) 5 S’li komponentleri, 50 S’li alt birimlere bağlamakla sorumlu olduğu varsayılmaktadır. Kıvrım-2 50 S ve 30 S’li ait birimler arasında köprü ödevi görür. Kıvrım -3 de tRNA bağına katılır. tRNA’dan farkı, ancak, normal nükleik asit bazlarını taşımasıdır. Her iki ribozomal alt birimin birbirine bağlanması, üç kuvvetin etkisiyle olur. Böylece eylemli (stabil) komple bir ribozomun oluşması sağlanabilir Bu kuvvetler şunlardır. a) Büyük ve küçük ribozomal alt birimlerinde bulunan rRNA çeşitlerinin bazıları arasındaki su köprüleridir. Bu bağlar K + ve Mg + + ile kuvvetlendirilir. b) mRNA, ribozomun her iki alt birimi arasına girdikten (yığıldıktan) sonra, protein içeren f 1 ?f 3 faktörleri ve büyümekte olan peptit zincirleri bu bağlanmaya katılır. c) 5 S rRNA, doğrudan doğruya bir menteşe gibi her iki alt birimi birbirine bağlar Şekil 9. Bir 5 S rNA’nın hipotetik modeli (traeger’den))http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 19 Ribozomun biyolojik aktivitesi ve yapısı, RNA'nın ve proteinlerin bütünlüğüne bağlıdır. Eğer her ikisinden biri (protein yada RNA) yaralanırsa, tüm parça aktivite-sini yitirir. Proteinler, yapısal ribozomal proteinler olmakla beraber, keza ribozoma özgü enzim aktiviteli proteinler de olabilir. Her iki ribozom alt birimi, bugün kullanılan yöntemlerle yaklaşık 40 proteine parçalanır. Bunlar uygun koşullarda, rRNA ile biyolojik olarak aktif ribozom için tepkimeye girer. Her ne kadar ribozomun oluşması için birçok farklı protein molekülü ve rRNA karşılıklı olarak birbiriyle tepkime göstermek zorundaysa da, bu oluşma tek bir tepkime ile (1. düzende) ortaya çıkar. Proteinler ile rRNA'nın aggregat (yığışım) oluşturması fevkalâde hızlı ise de, biyolojik olarak aktif ribozom oluşturması için, özel proteinlerin aggregat üzerinde yer değiştirmesi ve yeniden düzenlenmesi adım adım ve çok daha yavaş olur. Ribozomların Biyosentezi: Tüm hücre komponentleri, ayrıcasız, biyosentez yoluyla, doğrudan yada dolaylı olarak DNA'dan köken alır. Ribozomların sentezi de DNA tarafından kodlanır. Ribozomların sentez yolu, çekirdekli hücrelerde (eukar-yotlarda) çekirdeksizlerden (prokaryotlardan) farklıdır. Bacillussubtilis'de DNA'nın % OJ3'ü 16 S rRNA'yı ve % 0.25'i 23 S rRNA'yı kodlar. Bundan ve diğer organizmalarda yapılan gözlemlerden anlaşıldığı kadarıyla DNA'nın belirli bir kısmı (cistron) rRNA sfentezi için sorumludur. Çekirdekli hücrelerde,ribozom sentezi, çekirdek içerisindeki çekirdekçiklerde yapılır. Çekirdekçikleri organize eden kfomozomal DNA bölgeleri, yani nukleolus- DNA'lar, rRNA kodlayan cistrona (operona) sahiptir. rRNA için nukleolar olmayan cistronların mevcut olup olmadığını bilemiyoruz. Eğer rRNA sentezinin zamansal süreci, örneğin sıçan beyninde incelenirce, aşağıdaki evreler görülür. Bu gözleme göre 18 rRNA (küçüğü), 28 S Rrna (büyüğü)'dan daha önce meydana gelmektedir. Sitoplazmada, tamamlanmış ribozomların meydana,gelmesi ise daha uzun bir zaman alır (genellikle 50 dakika civarında).http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 20 Bu 50 dakika içinde neler olduğunu kasaca görelim: rRNA'nın biyosentezi, bir seri öncül molekül dizisinden geçer, ilk oluşan 45 S'lik molekülden, farklı yol izlenerek, çıplak 18 S rRNA ve 28 S rRNA meydşr-,a gelir (Şekil 8.15/a). Tam bir ribozom ise daha sonra adım adım proteinlerle birleşmek suretiyle ortaya çıkar. Hayvansal rRNA'ların biyosentezinde 45 S rRNA'dan itibaren birçok değişik özellik görülür. tRNA'daki gibi, normal hazarın (A, G, U, C) yanı sıra, farklı nadir bazları (pseudouridin, inosin ve özellikle adeninin, guaninin ve diğer bazların metil türevleri) içeren bu 45 Ş'lik ön madde, biyosentez sırasında, nadir bazların miktarı bakımından özgül değişiklikler gösterir. rRNA'nın olgunlaşması sırasında her adımda zincir biraz küçülür. Böylece G ve C'ce zehgin, pseudouridin ve metil gruplarınca fakir diziler elemine edilir. 5 S rRNA'ların sentezi için bağımsız bir cistronun (operofiun) varlığı gösterilmiştir. Bu cistronun büyüklüğü (sayıca), diğer rRNA türlerininkinin yaklaşık yarısı kadardır. 5 S rRNA'ların, büyük ribozomal alt birimler üzerine yığılımları çok geç olur. Bakteriyel 50 Ş ribozomların öncüsü olan 43 S partikülleri, 5 S rRNA taşımaz. Ribozomal proteinlerin, rRNA'nın sentezini kodlayan cistronlar tarafından saptandığı savunulmaktadır. Bu durumda, 45 S rRNA ve bilinmeyen daha önceki moleküller, belirli bir zaman içerisinde mRNA işlevine sahiptir. 45 S'in öncü molekülünde bulunan kodonlar hesaplanırsa 46 x 10 5 dalton/1000dalton = 4600 kodon bulunur. Bu kodonların ise, tam bir ribozomda bulunan proteinlerin ancak %60’ını kodlamaya yeterli olacağı görülecektir. Buradan, rRNA’ların, ribozomal proteinlerin tümünü kodlayamamayacağı anlaşılır. Bunun ötesinde, çekirdekçilerde, ribozomal proteinlerin sentezi için herhangi bir bölgeye yada merkeze de rastlanmamıştır. Hem mikroorganizmalarda hem yüksek organizmaların hücrelerinde, ribozomların olgunlaşmasına bağımlı olmadan sentez edilen proteinlere de (kompertment http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 21 proteinler) rastlanılmıştır. Ribozomların biyosentezinde, birçok nokta açıklanamamıştır. Proteinlerin kökenleri, 45 S’lik öncül molekülden parçalanarak meydana gelen polinukleotitler ve 45 S rRNA’nın parçalanmasına katılan enzimler bilinmemektedir. rRNA’ların yapısına katılan nadir bazların işlevleri de tam olarak çözümlenememiştir. Ribozomların tekrar tekrar kullanılması (turnover) fazla değildir. Yarılanma süreleri, karaciğer ribozomlarında yaklaşık 5 gün yada her saat için %0.4 ‘tür. Ribozomların İşlevleri: mRNA’lar üzerinde bulunan bilgilerin, proteinlere aktarılmasını sağlarlar (translaşsyon) bunun için; a) mRNA’lar üzerine özgül yığılımların olması ve bağlayıcı faktörlerin de katılması ile polizom oluşturularak, mRNA’nın 5 ucunun tanınması b) Bilginin adım adım okunması, c) Membran oluşumu ile translasyonun özelleşmesi sağlanır Polizom Oluşumu: Yüz nukleotitten daha kısa olan polinukleotit dizileri, ribozomlara bağlanabildikleri halde, protein sentezi yapamazlar. En azından 150 nukleotitli diziler biyolojik olarak aktif birprotein sentezini gerçekleştirebilir. İnkubasyon ortamında, iyon değişiminin yükseltilmesi ile, kısa polinukleotit dizilerinin de protein sentezi yapması sağlanabilir. mRNA’ların ribozomlara bağlanması, bağlayıcı bir faktörün katılması ile olur. Bu faktör hem mRNA’ların ribozomlara bağlanmasını, hem de başlama noktalarını yığışımların olmasını sağlar. Bu faktörler, gruplara özgü özellikler taşır ve ribozomlar üzerine ancak homolog mRNA’ların yığışımların oluşmasını sağlar. Bu faktörler, gruplara özgü özellikler taşır ve ribozomlar üzerine ancak homolog mRNA’ların yığışımını katalizler. Heterojen kaynaklardan gelenler normal koşullarda fiske olamaz. Bununla beraber tek kollu DNA, dekstransülfat, polivvinilsülfat ve diğer mazı polianyonlar da ribozomlara bağlanabilir ve doğal polinukleotitlerle ribozomlar üzerinde rekabete girişirler. mRNA ve ribozom arasındaki bağlanmaya polinukleotidin bazları katılmaz. Bağlanma, bir tarafta mRNA’nın fosfat (anyonik), diğer taraftan rRNA’nın, A,C ve http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 22 G üzerindeki amino kökleri arasında olur. Bağlanma, ancak Ca, Mg yada Mn gibi iki değerli metal iyonlarının belirli bir derişiminde mümkündür. Derişimleri, 5 mM civarında olması gereken bu metaller, ribozomun arasında, mRNA’nın fiske edilmesine doğrudan doğruya katılmaz. Şekil 10. a) ½ polizomun, b) kısa bir mRNA parçası taşıyan 70 S’lik bir ribozomun ve c) Bir polizomun üçüncül yapısının şematik görünümü mRNA'ların bağlanması, Küçük ribozomal alt birimlerin aracılığıyla (30 S’lik veya 40 S'lik alt birimlerle) olur. Translasyon olayı ( ayrıntı proetin sentezinde) sırasında, küçük alt birimler ile büyük alt birimler karşı karsıya gelerek, ribozomları (70 S veya 80 S) meydana getirir. Öyleki, birçok ribozom, mRNA üzerinde tespit tanesi gibi dizilir. (Şekil 10). Öyleki, birçok ribozom, mRNA üzerinde tespit tanesi gibi dizilir. RICH, 1962 yılında, bu dizilmeye " Polizom " adını vermiştir. Daha önceki çalışmalarda tanımlanan serbest 70 S'li partüküller (tek tek ribozomlar) kısa mRNA parçası taşıyan yapısıdır. 70 S'li serbest ribozomların kökenleri ve işlevleri bilinmemektedir. mRNA'lar ne kadar uzunsa, o kadar fazla ribozom taşıyacakları için farklı büyüklükte polizomlar ortaya çıkacaktır, iki ribozom arasındaki mesafe, yani bir ribozom tarafından okunan mRNA uzunluğu yaklaşık 90 nukleotite ulaşır. Bu ise 30 aminoasitlik kuramsal bir peplit zincirine denktir. Özellikle büyük polizomlar, elektron mikroskobunda üç boyutlu tersiyer http://groups.google.com.tr/group/ogrenim ogrenim@googlegroups.com 23 (üçüncül bir yapı (genellikle heliks) gösterir. Küçük alt birimler heliksin merkezine yönelmiştir. Polizomların büyüklüğü, dağılımı ve keza üçüncül yapısı, gelişim evrelerine özgül bir yapı gösterir. Embriyonik dokularda vida yada spiral şeklindeki polizomların ortaya çıkması, özel bir proteinin hücrede sentezlenmesiyle ilgili olduğu varsayılmaktadır. Okumanın Yönü (= Polarite): Yapay olarak elde edilen blok polimerlerle yapılan denemelerde, okumanın 5'- ?3' ucuna doğru olduğu, örneğin Messenger RNA olarak kullanılan 5' AAAUUU 3'nin okunması ile sırayla AAA kodundan lisin, UDU kodundan fenilalanin meydana geidiği görülür Yani, NH 2 - ucu - lisilfenilalanin -COOH-ucu. Eğer okunma, 3' ucundan itibaren olsaydı, fenifalaninlisin meydana gelecekti