GENETİK MATERYAL Prof.Dr. Davut ALPTEKİN

Genetik Materyal  Kromozomlar hem nükleik asit hem protein içerdiklerinden 1944’lü yıllara kadar genetik bilgiyi hangi materyalin taşıdığı bilinmiyordu.  DNA çalışmaları 1868 yılında Meischer ile başlamıştır. Araştırıcı lökositlerin nükleusundaki proteinleri pepsin ile sindirmiş ve kükürt içermeyen asidik bir madde elde etmiştir. Bu maddeye Nüklein adını vermiştir. Aslında bu madde DNA’dır.

 1910 yılında PA Levene DNA’nın yapısında 4 azotlu bazın 1:1:1:1 oranında bulunduğunu ileri sürmüş ancak 1940 yılında Chargaff kuralı ile çürütülmüştür.  Feulgen 1914 yılında DNA’yı boyamış boyanın rengi ile miktarı arasında ilişki olduğunu, aynı türe ait DNA miktarının aynı olduğunu ancak eşey hücrelerinde miktarın yarıya indiğini belirlemiştir.  Griffith 1928 yılında Streptococcus pneumoniae’ye karşı aşı çalışması yapmış ancak çalışmaları moleküler genetiğin kapılarını açmıştır ve DNA’nın genetik materyal olduğunu ispatlamıştır.

Friedrich Griffith’in Deneyi

 Bu denemeler sonucunda sıcaklık hücreyi öldürmüş ancak genetik maddeye etkili olmamıştır. Bu genetik materyal yeni bir hücreye girerek onu zararlı hale getirmiştir. Yani transforme olmuştur.  Transforme olan genetik materyale Transforming principle adını vermiştir.  O yıllarda genetik maddenin protein olduğuna inanılıyordu. Bu deney ile 1944 yılında transforme principle’nin DNA olduğu belirlenmiştir.

 1952 yılında da Hershey ve Chase’nin radioaktif izotoplarla ( 32 P ve 35 S) yaptıkları çalışmalar ile de desteklenmiştir.  Bu çalışmalar doğrultusunda genetik materyalin 4 özelliğinin olması gerektiğini belirtmişlerdir. 1) Kendi kendini eşlemeli 2) Bilgiyi depo etmeli 3) Bilgiyi ifade etmeli 4) Mutasyonlarla değişiklikler oluşturmalıdır.

Hershey ve Chase’in Deneyi

NÜKLEİK ASİTLERİN YAPISI Yüksek yapılı canlıların kromozomları nükleik asitlerle histon tipi proteinlerin birleşmesinden oluşur. Bunlardan yalnızca nükleik asitler kalıtsal bilgiyi taşır. Histonların ise gen baskılama işinde görev aldığı zannedilmektedir. Nükleik asitler bilgi taşıyan makro moleküllerdir ve organizmanın kalıtsal materyalidir. Nükleotit adı verilen alt birimlerden oluşur. Yapılarında C, H, O, N, P bulunur, DNA ve RNA olmak üzere iki çifttir. Yapılarındaki şeker moleküllerine göre adlandırılırlar. Bir nükleotit de bulunan molekül grupları; 5 karbonlu bir şeker, fosforik asit ve azotlu bir baz’dan oluşur.

 Nükleik asitlerin yapısında bulunan şekerler nükleik asitlerin isimlerini oluşturur. Riboz da C 2 pozisyonundaki OH - yerine deoksiribozda H + bulunur.  Şekerler, 5 C'lu pentozlardır. Riboz (C 5 H 10 O 5 ) ve Deoksiriboz (C 5 H 10 O 4 ) olmak üzere iki çeşittir. Riboz RNA'nın yapısında, Deoksiriboz ise DNA yapısında bulunur. Farkı Deoksiribozda sadece bir oksijen molekülünün eksikliğidir.

 Azotlu bazlar iki gruptur. Karbon ve azot atomlarından oluşan büyük ve çift halkalılara Pürinler (Adenin, Guanin), küçük ve tek halkalılara Primidinler (Sitozin, Timin, Urasil) denir.  DNA’nın yapısında bulunan Timin RNA’da bulunmaz. Bunun yerine RNA’da Urasil vardır.

 Baz ile şekerin oluşturduğu moleküle Nükleozit, fosfat grubu eklendikten sonra oluşan moleküle ise Nükleotit adı verilir.

 Şekerin C 1 atomuna azotlu bazlar bağlanır. Ancak pürinler N 9 atomu ile primidinler N 1 atomu ile bağlanır.  Fosfat grubu (Fosforik asit) ise şekerin C 3 ve C 5 atomuna bağlanır.  Nükleotitler birbirlerine fosfodiester bağları ile bağlanır. Bağın yönü 5’→ 3’ şeklindedir.

 DNA’nın genetik materyal olarak belirlenmesinden sonra Chargaff ve arkadaşları yılları arasında değişik canlıların genetik materyalini incelemişler ve 4 bazın (A,T,G,C) miktarını belirlemeye çalışmışlardır.

Chargaff ve arkadaşları sonuçta;  DNA’nın yapısındaki 4 bazın eşit oranda bulunmadığını, ancak A ile T’in, G ile C’in eşit oranda bulunduğunu bildirmişlerdir.  Yani A+T miktarı G+C miktarına eşit değildir.  DNA’da ancak Pürinlerin toplamı (A+G) primidinlerin (T+C) toplamına eşittir.  A+T miktarının G+C miktarına eşit olması gerekmez veya A+T/G+C=1 olması gerekmez. Bu kurala Chargaff kuralı denir.

 X-ray yöntemi ile yıllarında Franklin DNA’nın X-ray görüntülerini inceleyerek DNA’nın 3.4 A o ’luk tekrar ile heliks biçiminde olduğunu belirtmiştir.  1953 yılında bütün bilinenleri dikkate alan Watson ve Crick DNA’nın çift iplikli sarmallı olup yuvarlak bir merdiven biçiminde olduğunu açıkladılar.  Fosfat ve şeker merdivenin kollarını oluştururken, A=T ile iki H bağı ile G≡C ile üç H bağı ile bağlanarak 20 A o çapında merdiven basamaklarını oluşturur.

 DNA molekülü biri diğeri ile saat yönünde sarmal yapan ve her tam dönüş de 10 nükleotit içeren iki daldan oluşur. Bu iki dalın oluşturduğu sarmalın merdiven basamakları purin ve primidin çiftleri ile oluşur. Yani her basamakta bir purin birde primidin bazı vardır. Bu bazlar eşleşerek çift oluştururlar ve o nedenle de simetrik bir sarmal ortaya çıkar.  Eğer bir dalda 5’-ATGCAATC-3’ varsa karşı dalda 3’-TACGTTAG-5’ baz dizisi olacaktır.

Watson ve Crick Modeline Göre DNA’nın Özellikleri (B-DNA)  DNA çift iplikli, merkezi bir eksen etrafında sağa dönüşümlü heliks yapısındadır.  Heliksin çapı 20 A o ’dur.  İki ipliğin bazları merkez eksene dik ve birbirlerine 3.4 A o ’luk mesafe ile bağlanmışlardır.  İki iplik farklı yönde (Biri 5’→ 3’ yönündeyse diğeri 3’→ 5’) antiparalel olarak uzanır.  Bazlar birbirlerine A=T ikili, G≡C üçlü hidrojen bağı ile bağlanır.  Heliksin tam dönüşü 34 – 36 A o uzunluğunda olup 10 baz çifti içerir.

B-DNA

DNA’nın Diğer Formları  A-DNA; daha kompakt olup her turda 11 nükleotit içerir. 23 A o çapındadır ve sağa dönüşümlüdür.  Yüksek tuzlu ortamlarda, dehidratasyon koşullarında bulunur. Hücre içerisinde bulunup bulunmadığı bilinmemektedir.  Sağa dönüşümlü 3 DNA daha bulunur. Bunlar; C, D ve E-DNA’dır. Laboratuvar koşullarında keşfedilmişlerdir.

 C-DNA, A ve B-DNA’nın izolasyonunda bulunduğundan daha fazla dehidrate koşullarında oluşur. Her turda 9.3 nükleotit içerir. Çapı 19 A o ’dur.  D-DNA ve E-DNA’nın baz kompozisyonlarında Guanin ve Sitozin yoktur. Sadece A=T’den oluşmuştur. Her turda 7,5- 8 baz çifti bulunur.  Z-DNA 1979 yılında keşfedilmiştir. Sadece C≡G baz çiftleri içerir. Sola dönüşümlü sentetik DNA fragmanıdır. Her turda 12 baz çifti bulunur. Çapı 18 A o olup hücre içerisinde bulunup bulunmadığı belli değildir. Zigzag bir yapı oluşturur.  DNA yapay olarak çekilip uzatılırsa P-DNA denilen yeni bir formu oluşturur. B-DNA’ya göre daha dar ve daha uzundur. Her turda 2,62 baz bulunur.

DNA’nın Ultraviyole Işığı Absorbsiyonu  Nükleik asitler, UV ışığını pürin ve primidin bazları ile UV arasındaki etkileşime bağlı olarak en iyi nm’de absorbe ederler.  O halde azotlu baz içeren bu molekül UV ışıkta analiz edilebilir.  Bu teknik nükleik asitlerin karakterizasyonu, izolasyonunda ve lokalizasyonunda önemlidir.

Nükleik Asitlerin Denatürasyonu ve Renatürasyonu  Denatürasyon; DNA’nın iki ipliği arasındaki hidrojen bağlarının kırılması ile iplerin birbirinden ayrılmasıdır. Sıcaklık veya kimyasal uygulama ile oluşabilir.  Burada önce DNA’nın viskozitesi azalır ve UV absorbsiyonu artar. UV absorbsiyonundaki bu artışa Hiperkromik etki denir.  Denatürasyon ısı ile oluşursa Erime denir.

 DNA çift ipliğinin %50’sinin ayrılmasını sağlayan sıcaklığa Erime sıcaklığı denir. Tm ile gösterilir.  G≡C oranı yüksek olan DNA’lar için (üç H + bağı olduğu) daha fazla ısıya ihtiyaç vardır.  Denatürasyon ısı ile oluşmuşsa yavaş yavaş soğuma olduğunda komplementer iplikler arasında yeniden hidrojen bağları kurulur, buna Renatürasyon denir.  Moleküler hibridizasyon tekniklerinde bu durumdan faydalanılır.