BİYOKİMYA 13. HAFTA Doç.Dr. Yıldız AKA KAÇAR Nükleik Asitler BİYOKİMYA 13. HAFTA Doç.Dr. Yıldız AKA KAÇAR

Nukleik Asitler İlk defa İsviçreli fizyolog Friedric Mischer tarafından 1869 yılında bildirilmiştir. Beyaz kan hücrelerinde proteinlerden ayrı olarak asit karakterde bazı maddelerin varlığını ortaya koymuş ve bunlara nuklein adını vermiştir.

Nukleik Asitler Richard Altman (1889) asit karakterleri nedeniyle nükleinleri “nukleik asit” olarak tanımlamıştır Robert Feulgen (1920) nukleik asitleri kendi adı ile anılan spesifik bir boyama yöntemi (Feulgen) ile boyamayı başarmış, Aynı tarihte Rockfeller Enstitüsünde Phoebus Levine nukleik asitlerin yapında pentoz şekerinin bulunduğunu açıklamıştır.

Nukleik Asitler Watson ve Crick (1953) DNA’nın çift iplikçikli bir sarmal yapıya sahip olduğunu ortaya koymuşlar, 1962 yılında bu bulguları kendilerine Nobel ödülü kazandırmıştır. Bundan sonra nukleik asitler üzerinde çok yoğun çalışmalar başlamıştır.

Nukleik Asitler Hücrelerdeki, bütün biyolojik olayları yöneten ve genetik bilgiler taşıyan nukleik asitler yapısal bakımdan başlıca 2 karakter göstermektedir. Deoksiribonukleik asit (DNA) Ribonukleik asit (RNA)

Nukleik Asitler DNA’nın yapısında 3 temel komponent bulunmaktadır. Pentoz şekeri Pürin ve pirimidin bazları Fosfat molekülü

Nukleik Asitler Şekerler Şekerler nukleik asitlerin ana omurgası boyunca yer alan ünitelerdir Deoksiriboz şekeri DNA’nın yapısında, Riboz şekeri ise RNA’nın yapısında bulunmaktadır

Nukleik Asitler Şekerler Her iki şeker arasındaki başlıca fark 2 nolu karbona bağlı olan –OH grubundaki oksijenin deoksiriboz şekerinde eksik olmasıdır.

Nukleik Asitler Şekerler Şekerin 5 karbon halkalı yapısında bazın bağlandığı karbon atomu sürekli olarak 1’ Karbon atomudur. Şekerin karbon halkasında bu bağlantı noktasından itibaren saat yönünde dönüldükçe 2’,3’,4’,5’ karbon atomları vardır. *Şekerin karbon atomuyla bazlara ait karbon atomunun halkasal yapılarının karıştırılmaması için üssü olarak (‘) gösterilmektedir

Nukleik Asitler Nukleik asitlerin yapısında bulunan bazlar başlıca 2 gruba ayrılmaktadır. Pirimidin Bazları:Timin, (Urasil), Sitozin Pürin Bazları :Adenin ve Guanin

Nukleik Asitler Timin, (Urasil), Sitozin Pirimidin Bazları Yapılarında iki azot ve 4 karbon bulunan ve altıgen bir halkaya sahip olan bileşiklerdir. Bu çatının serbest uçlarına bazı atom ve atom grupları bağlanarak primidinler meydana gelmektedir Timin, (Urasil), Sitozin

Timin, (Urasil), Sitozin H C 2, 4, 5 nolu H atomlarına -Hidroksil, -Amino, -Oksijen -metil gruplarının girmesiyle pirimidin bazları oluşur. CH N 4 5 3 2 6 CH HC 1 N Pirimidin Timin, (Urasil), Sitozin

Pirimidin Bazları Nukleik asitlerin yapısında yer alan başlıca primidinler, primidin halkasındaki 2,4,5. pozisyonlardaki H atomlarının yerine amino, hidroksil, oksijen, metil gruplarının girmesi ile oluşmaktadır.

Pürin Bazları Altıgen primidin halkasına beşli bir imidazol (3 karbon+2 nitrojen atomu) halkasının bağlanması ile pürin bazlarının ana halkasal yapısı oluşur. Nukleik asitlerin yapısında başlıca 2 adet pürin bazı bulunmaktadır. Adenin ve Guanin

H C N C N 4 7 5 3 CH 8 2 6 C HC 9 1 N N H Pürin

Nükleotidlerdeki bazlar

Nukleik Asitler Fosfat Grubu Nukleik asitlerin yapısında bulunan ve asit karaktere sahip olan 3. komponent fosfat molekülüdür (H3PO4). Bu komponent hem DNA hemde RNA da aynı yapıdadır.

Nukleik Asitler Nukleosidler Bir pürin veya pirimidin bazının riboz veya deoksiriboz şekerinin 1. karbonuna bağlanması ile nukleositler meydana gelmektedir. Bu durumda iki sınıf nukleozid bulunmakta, Ribonukleositler (Riboz şekerine bağlanmsı ile) Deoksiribonukleosidler (Deoksiriboz şekerine bağlanması ile)

Nukleosidler Adenin Nukleosid= Adenozin Guanin Nukleosid= Guanozin Timin Nukleosid= Timidin Sitozin Nukleosid= Sitidin Urasil Nukleosid= Üridin

Nukleik Asitler Nukleotidler Nukleosidler fosfat molekülü ile birleşerek nukleotidleri oluşturur. Nukleotidler içlerindeki bazlara göre primidin nükleotidler Pürin nükleotidler olarak iki ana gruba ayrılırlar

Nukleik Asitler Baz+Pentoz=Nukleosid Nükleosid+Fosfat= Nukleosid mono fosfat = (Mononukleotid)

Nukleosid Mono fosfat = Mononukleotid Fosfat pentozun 3’ yada 5’ ucunda Baz pentozun C1 atomuna bağlı Pentoz O Nukleosid Nukleosid Mono fosfat = Mononukleotid

Nükleotidler

Nukleik Asitler Polinükleotidler: Yanyana bulunan nukleotidler birbirlerine fosfodiester (O-P-O) bağları ile birleşerek polinükleotidleri (polimer) oluştururlar. Fosfat grubu bitişik nükleotidin pentoz şekerinin 5’ –pozisyonundaki karbon atomu ile diğer komşu şekerin 3’- pozisyonundaki karbon atomu arasında fosfodiester bağı kurar.

Nukleik Asitler Bağlantının yönü 5’ P ucundan 3’-OH ucuna doğru olduğunda böyle bağlantıya 5’ 3’ fosfodiester bağı adı verilir. DNA’nın sentezi sırasında nukleotidler pentoz şekerinin 3’ –OH ucuna bağlandığından polinükleotidin büyümesi bu uçtan başlayarak 5’ 3’ yönüne doğru devam eder.

Nukleik Asitler DNA zinciri böylece 3’-OH ucundan büyürken polimerin bir diğer ucunda 5’ –P terminus ve diğer ucunda 3’-OH serbest kalır. Bu iplikçiğin 5’-P ucu serbest ise diğer iplikçiğin –OH ucu serbest kalır. Bu durum aynı iplikçiğin iki ucu arasında vardır. Böylece iki iplikçik bir polariteye sahip olur ve iplikçikler birbirlerine anti paralel bir durum gösterir. Buna göre iplikçiklerin birinin yönü5’ 3’ ise, diğerinin yönü tersine 3’ 5’ olmaktadır.

**Şekerin karbon atomuyla bazlara ait karbon atomunun halkasal yapılarının karıştırılmaması için üssü olarak (‘) gösterilmektedir

5' 3' 3' 5'

Bu tarz yapı gösteren DNA’da bir iplikçiğinde bulunan primidin bazları (sitozin,timin) karşı iplikçikteki pürin bazları ile karşılıklı hidrojen (kovalent bağları) bağları ile birleşirler. Adenin timin ile 2 hidrojen bağı (A=T) ve Guanin Sitozinle 3 hidrojen bağı kurar. Böylece bazlar orta eksen üzerinde yer alırken şeker-fosfat omurgası da dış tarafta bulunur.

Karşılıklı birleşmiş olan nukleotidler baz çitlerini meydana getirirler ve böylece DNA çift iplikli bir yapı gösterir. A=T, G=C A+G=T+C A/T=1 G/C=1

Polinükleotid iplikçiklerinde bulunan 4 bazın diziliş sırası önemlidir Polinükleotid iplikçiklerinde bulunan 4 bazın diziliş sırası önemlidir. Genetik kodlar saklıdır. Bazlarda yanyana bulunan 3 tanesi bir amino asit kodunu oluşturur (kodon). Bu üçlü sistemde 64 kodon bulunur. Herbir aminoasit için bir veya daha fazla kodon bulunur.

DNA Tipleri Bakterilerde şimdiye dek yapısal özelliklerine göre başlıca 3 tip DNA belirlenmiştir. Bunlarda en fonksiyonel olanı B-DNA’dır. B-DNA Z-DNA A-DNA

DNA Tipleri B-DNA : Watson Crick modeli DNA, Bu DNA’nın şeker fosfatomurgası Düzgün ve sağa dönüşlüdür. Sarmal dublex’in çapı:2.0 nm Herbir 3.4 nm ‘de bir dönüş yapar Herbir dönüşe bir 10 nükleotid baz çifti isabet eder.

DNA Tipleri A-DNA: Bu tip DNA süspansiyon halinde iken dehidrasyon durumunda veya %70-75 etanol içinde olduğu belirtilmektedir. Böyle ortamlarda DNA’da büzülmeler meydana geldiğinden herbir dönüşe 10.7 baz çifti isabet eder. Kompakt bir yapısı vardır. Sağa dönüşlü bir omurgaya sahiptir.

DNA Tipleri Z-DNA: Bu DNA çift sarmal yapı göstermesine karşın omurgasının yönü sola dönüşlü ve zigzaglıdır. B-DNA’dan daha uzun bir dönüşe sahip olup herbir dönüşte 12 baz çifti bulunur. Bazların kalınlığı 0.37 nm Helixin çapı 1.8 nm dir. Bazlar arasında -30 0lik bir açı vardır.

DNA Tipleri Süper Sarmal DNA: Süper sarmal DNA’ya özellikle virüslerde, bakterilerde, plazmitlerde, fajlarda rastlanmaktadır. Bu yapı sirküler veya çift sarmal DNA’nın tekrar kendi üzerine helezoni olarak bükülmesi sonucu meydana gelmektedir.

DNA Tipleri Sarmalın bükülmesi sola dönüşlü olursa pozitif süper sarmal Sağa dönüşlü olursa negatif süper sarmal olarak adlandırılmaktadır. Negatif süper helix yapı replikasyon sırasında süper sarmalın kolayca açılmasına yardımcı olur. Bu durum pozitif süper sarmalda ise daha zordur.

DNA Tipleri DNA’nın süper sarmal oluşumunu sağlayan ve tekrar açılmasını sağlayan bazı spesifik proteinler bulunmaktadır. Bunlardan DNA gyrase enzimi DNA’yı süpersarmal forma dönüştürür. Topoizomerase ise sarmalı açar ve istirahat haline dönüştürür.

RİBONUKLEIK ASIT RNA’nın yapısı 3 temel komponentten meydana gelmiştir. Purin ve pirimidin bazları Pentoz şekeri Fosfat molekülü

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Pirimidin bazları Sitozin ve Urasil Purin bazları Adenin ve guanin Pentoz şeker D-Riboz Fosfat Molekülü H3PO4

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Çoğu hücrelerde DNA’dan 5-10 kat daha fazla RNA bulunur. Nukleosid Nukleotid Polinukleotid

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) DNA’nın aksine RNA tek iplikçikli yapıdadır. Bu nedenle DNA’ya oranla daha çabuk tahrip olur. Bazı bölgelerde molekül kendi üzerinde katlanarak sağlam bir yapı oluşturur. Bu birleşme adenin ile urasil, sitozin ile guanin arasında olur.

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) RNA tipleri 1. Messanger RNA (mRNA) 2. Transfer RNA (tRNA) 3. Ribozomal RNA (rRNA) 4. Primer RNA (pRNA) 5. RNAi (interferens RNA)

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Messanger RNA:DNA iplikçiklerinden birinden RNA polimeraz enziminin katalitik etkisi ile genetik bilgiler mRNA’ya aktarılır (transkripsiyon) Yeni oluşan mRNA, kendisinin sentezine kalıplık yapan DNA’ya antiparalel bir yapı gösterir. mRNA tek iplikçik düz ve iki ucu açık olup yapısında A,U,G,C bazları içerir.

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Hücre içerisinde RNase tarafından tahrip edilen mRNA’nın ömrü ancak 2-3 dk.dır. mRNA’nın 5’ ucunda translasyon başlama sinyali veren ve 30S lik ribozomal alt üniteye bağlanan AUG kodonu bulunur.

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Transfer RNA (tRNA): Protein sentezinde önemli bir fonksiyonu olan ribozom üzerinde sıraya giren kodonların amino asitlerine, amino acil sentetaze ile aktive olduktan sonra, bağlanarak onları ribozomlardaki kodonuna taşıyan ve sıraya koyan küçük moleküldür.

tRNA: Her amino asit için özgün veya birden fazla tRNA vardır. Amino acil sentetaze ile aktive edilen amino asitler yüksek enerji ile tRNA’nın 3’ –OH ucuna bağlanırlar.

Bir antikodondaki bazlar, protein sentezi için kalıp görevi gören mRNA’nın üzerinde bulunan, tRNA ile taşınan amino aside uyan kodondaki bazların tamamlayıcısıdırlar Ile taşır AUC Ile’ne uyar

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) tRNA hücre içerisinde fonksiyonuna göre 4 kollu bir yapısı, morfolojisi bulunmaktadır. Bu kolların hepsinin ayrı bir işlevi bulunmaktadır. En önemlisi antikodon işlevi olandır. Bu bölge ribozom üzerinde sırada bulunan kodonu tanıyarak bağlanır ve amino asidi de birlikte taşır.

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Ribozomal RNA: Üremekte olan hücrelerde sayıları yaklaşık 15.000-30.000 kadar bulunan ribozomlar amino asitlerin birbiriyle birleşmesinde ve protein haline dönüşmesinde rolü çok büyüktür. mRNA, 30S alt ünitenin oluğuna yerleşir ve ribozom, mRNA üzerinde kayarak her bir kayışta bir kodonu sıraya sokarak ilerler.

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) Primer RNA (pRNA): DNA’nın replikasyonu sırasında paralel iplikçiğin 5’…..3’ yönünde olanına yeni iplikçik sentezlenirken sentez yönü tersine 3’….5’ olacağından DNA polimeraz enzimi ters yönde olan bu yönde sentezi kesintili olarak sürdürür. Önce primase enzimi tarafından 1000-2000 nukleotid den oluşan primer RNA’lar sentezlenir. Bunlar basamak olarak kullanılarak kısa DNA sekansları oluşturulur.

RİBONUKLEIK ASIT (RNA) RNA interferans (RNAi) RNA interferans, çift iplikçikli RNA'nın hücreye girdiğinde homoloğu olan mesajcı RNA'nın yıkılması ile sonuçlanan transkripsiyon sonrası gen susturma mekanizmasıdır. Daha sonra RNAi memeliler de dahil olmak üzere pek çok organizmada gösterilmiştir. Keşfinden bu yana RNAi alanındaki gelişmeler baş döndürücü bir hızla ilerlemekte ve RNAi biyoteknolojinin farklı disiplinlerinde yaygın bir şekilde kullanılan bir araç haline gelmektedir.

RNAi olarak adlandırılan gen baskılama mekanizmasının ortaya çıkması ile ilgili ilk işaretler 1980’li yılların sonlarında bitkilerin genetik modifikasyonu üzerine yapılan çalışmalarda ortaya çıkmıştır

Jorgensen ve arkadaşları genetik transformasyon çalışmaları ile petunyada pigmentasyonu katalizleyen bir enzim olan chalcone syntase (chs)’ın ekspresyonundan sorumlu olan bir genin aktivitesini düzenleyerek daha mor petunyalar elde etmeye çalışmışlardır. Ancak petunya bitkisine ekzojenik transgenin aktarılması, beklenildiği gibi çiçek rengini daha koyulaştırmak yerine alacalı pigmentasyon ile daha beyaz petunyaların elde edilmesine neden olmuştur.

RNAi, Science dergisi tarafından 2001’de “yılın molekülü” ve “2002 yılının en önemli bilimsel hamlesi” seçilmiştir.

RNA interferans (RNAi) RNA interferans, çift zincirli RNA’nın (dsRNA) hücreye girdiği zaman komplementer mRNA dizisinin parçalanmasına yol açması ile sonuçlanan transkripsiyon sonrası gen susturma mekanizmasıdır. Yine 2006 yılında Andrew Z. Fire ve Craig C. Mello adlı araştırıcılar RNA interferans ile ilgili yaptıkları çalışmalarla Fizyoloji/ Tıp alanında Nobel ödülü almışlardır. Ayrıca bilim insanları RNA interferansı son yılların en heyecan verici keşfi olarak tanımlamışlardır.