Nükleik Asitlerin (DNA ve RNA) Yapıları Dr Lülüfer Tamer Gümüş

NÜKLEİK ASİTLER İlk defa, İsviçreli bir biyokimyacı olan FRİEDRİCH MİESCHER, 1869 yılında akyuvarlar ve balıkların sperm hücrelerinden nükleik asitleri ayırmıştır. Ayrılan bu maddelerin, o zamana kadar hücrelerde bulunduğu bilinen maddelerden çok farklı olduğunu görmüştür. Asit özelliği gösteren bu maddelerde çok miktarda fosfor bulunmaktadır. Hücrenin çekirdeğinde bulundukları içinde bu maddelere nükleik asit (DNA ve RNA) adı verilmiştir

NÜKLEİK ASİTLERİN YAPISI Nükleik asitler yüksek moleküler ağırlıklı polimerik bileşiklerdir. Tam hidrolizleri ile baz (pirimidin-pürin), şeker ve fosforik asit oluşur. Kısmi hidrolizle nükleozid ve nükleotidler oluşur.

Genetik bilgi akışı; Santral dogma hipotezi

DNA (Deoksiribonükleik Asit) Kromozom Hücre Nükleus Genler Deoksiriboz nukleik asid DNA vücüttaki bütün proteinlerden sorumludur. Her organizmada genetik bilgi kaynağı ve aktarıcısıdırlar. Türler arası benzerlik gösterir, Şempanzeler ile 98 % aynı genlere sahibiz

Fosfodiester bağları ile bağlı deoksiribonükleotid polimeridir DNA bir organizmadaki her hücredeki genetik bilgiyi içerdiği için genetik materyal olarak kabul edilmektedir Fosfodiester bağları ile bağlı deoksiribonükleotid polimeridir Zincir iskeleti fosfat, şeker ve bazları içerir. Deoksiribonükleotid yapısı

ÖZELLİKLERİ T G T A A-T eşleşmesi iki hidrojen bağına sahiptir 1 . Çift iplikten oluşmuştur 2 . Nüklotid zincirleri birbir lerine zayıf Hidrojen bağları ile bağlanmıştır 3. Daima A karşısına T , G karşısına ise C gelir G C T A A-T eşleşmesi iki hidrojen bağına sahiptir G-C eşleşmesi üç hidrojen bağına sahiptir

Baz çiftleşmesi-Chargaff kuralı Chargaff kuralı: çoğu organizmada DNA’daki G içeriği daima C’ye ve A içeriği de T’ye eşittir. Bu durum G’nin C ile ve A’nın T ile eşleştiğini gösterir.

DNA’NIN KENDİNİ EŞLEMESİ DNA kendini eşlerken fermuar şeklinde açılır ve nükleotid parçaları YENİ ipliği oluştururlar. Böylece olay sonunda genetik şifrenin değiş mediği iki DNA oluşur bu olaya REPLİKASYON adı verilir. Bölünme öncesi bütün hücrelerde görülür REPLİKASYON

RNA RNA (Ribonükleik Asit) fosfodiester bağları yoluyla bağlı ribonükleotid polimeridir. Ribonükleotid yapısı

RNA’nın YAPISI ve RNA ÇEŞİTLERİ ÖZELLİKLERİ 1.Tek zincirlidir. Kendini eşleyemez, DNA tarafından üretilir. 2.% 10 Çekirdekte % 90 Stoplazmadadır 3. m-RNA ,t-RNA ve r-RNA olmak üzere 3tiptir 4. Hücredeki oranı r-RNA >t-RNA > m-RNA 5. Ömrü en kısa olan mRNA A U C G

mRNA tRNA

BAZI RNA TİPLERİ Tip Kısalltma İşlev Dağılım Mesajcı RNA mRNA Protein Kod. Tüm Canlılar Ribozomal RNA rRNA Protein Sentezi Taşıyıcı RNA tRNA Ters Anlamlı RNA aRNA Gen Düzen. Küçük enterfarnscı RNA siRNA Çoğu Ökaryot Mikro RNA miRNA Küçük nükleer RNA snRNA Çeşitli Ökaryot Küçük nükleolar RNA snoRNA RNA'nın çekirdekte mod Ribonükleaz P RNaz P tRNA erginleşmesi Ribonükleaz MRP RNaz MRP rRNA erginleşmesi, DNA rep Ökaryotlar Sinyal Tanıma Tanaciği RNası SRP RNA Protein ihracı Tüm canlılar 13

Nükleotid yapısı Bir nükleotid: Bir azotlu baz . Adenin, guanin, sitozin ya da timin (RNA’da timin yerine urasil) Bir beş karbonlu şeker (Pentoz) Bir ya da daha çok fosfat grubu

Halkasal 5-karbonlu şeker

Pürinler DNA ve RNA iki pürine sahiptir: adenin (A) ve guanin (G).

Pirimidinler DNA’da iki pirimidin bulunur: sitozin (C), ve timin (T).

RNA’da da iki pirimidin bulunur, sitozin(C), ve urasil (U) (timin yerine).

Nükleozid; Şeker ve Baz b-N-glikosidik Şekerin ilk karbonu ve baz nitrojeni arasındaki bağ glikozidik bağdır

Başlıca Nükleozidler: DNA; deoksiriboz -N-glikosidik Pürinlerde N-9 Pirimidinlerde N-1

Nükleotid; Baz + Karbohidrat + Fosfat Pürin Pirimidin Riboz Deoksiriboz Nükleotidler; nükleozidlerin mono, di veya trifosfat esterleridir ve negatif yük sağlarlar

Ester Bağı Fosfat, pentozun 5. Karbonuna ester bağı ile

Nükleozid ve Nükleotidlerin İsimlendirilmesi

Adenin — adenozin — adenozin monofosfat AMP Karbon 5 Adenozin Karbon 3 Nitrojen 9 Karbon 1

Guanin — guanozin —guanozin monofosfat 1 3 Guanozin GMP

Sitozin — sitidin — sitidin fosfat CMP Sitidin 3 1

Timin —Timidin —Timidin monofosfat TMP

Urasil — Uridin —Uridin mono fosfat UMP

Mono, Di ve Tri Nükleotidler

Nükleotid bağlantısı; fosfodiester bağıdır. Nükleik asitlerdeki monomerler arası bağlanma bir birimdeki 5’ karbonu üzerindeki hidroksil grubu ve diğerinin 3’ hidroksiline bağlı fosfat grubu yoluyla olmaktadır

Nükleotidlerin özellikleri Pürin ve pirimidin bazları hidrofobiktir ve hücrede nötral pH civarında suda çözünmez Nükleotidler oldukça güçlü asitlerdir (fosfatın primer iyonizasyonu için pKa~1.0 ile).

Asidiktirler Fosforik asit gruplarının protonları ayrışabilir, Oluşan fosfat anyonları Mg++ ve Ca ++ ile sıkı kompleksler oluşturur.

Bazlar tautomerik biçimleri (hidrojen atomları ve çift bağların yerlerinde değişim) arasında dönüşüm yeteneğine sahiptir.

DNA ve RNA 260nm’de ölçülebilmektedir Pürin ve pirimidin halkalarındaki konjuge çift bağ sistemi spektrumun ultraviyole bölgesine yakın alanda ışığı kuvvetle absorbe eder Bu güçlü absorbans sıklıkla nükleik asitlerin kantitatif ölçümünde kullanılmaktadır. DNA ve RNA 260nm’de ölçülebilmektedir Ribonükleotidlerin ultraviyole spektrumu. pH7.6

Siklik Nükleotidler Nükleotid monofosfatın iki serbest hidroksil grubunun esterleşmesi ile siklik yapı oluşur.

Nükleozidlerin biyolojik işlevi Genel olarak nükleozidler “ Adenozin“ hariç – biyolojik işleve sahip değildir Adenozin lokal hormon olarak etki eder: Kas hücreleri adenozin salgılar. Damarlar genişler ve kan akımı, O2 ve besin taşınımı artar. Kalp ritmini düzenler. Uyku düzenlenmesinde yer alır.

Nükleotidlerin Fonksiyonları Nükleik asitlerin (DNA ve RNA ) aktif öncülleridirler. Metabolik düzenleyiciler olarak iş görürler (örneğin cAMP - hücre sinyal sisteminin aktivasyonu). Tüm hücrelerde başlıca enerji kaynağı olarak işlevleri vardır (ATP , GTP).

Adenozin Türevleri Adenin nükleotidleri başlıca üç koenzimin bileşenidir: NAD, FAD ve KoA. ADP ve ATP Oksidatif fosforilasyonda substrat ya da ürün Serbest enerjinin başlıca dönüştürücüsü 3’-5’-siklik adenozin monofosfat (cAMP) Hücre içi sinyal iletiminde ikincil mesajcı cAMP bağımlı protein kinaz aktivitesi S-adenozilmetiyonin (SAM) Metilasyon reaksiyonlarında metil donörü Poliamin sentezinde propilamin kaynağı

Guanozin Türevleri GDP ve GTP Siklik GMP (cGMP) Substrat düzeyinde fosforilasyon reaksiyonları Adenilil siklaz aktivasyonu Allosterik regülatör Protein sentezinde enerji kaynağı Siklik GMP (cGMP) Hücre içi sinyal iletiminde ikincil mesajcı cAMP’ye antagonist NO ile artış

Hipoksantin Türevleri Hipoksantin ribonükleotid (IMP) pürin ribonükleotidlerinin öncülü AMP deaminasyonu ile artar Defosforilasyonu ile inozine dönüşür

Urasil Türevleri UDP-şeker türevleri; glukoz-1-fosfatın galaktoz-1-fosfata epimerizasyonuna katılır UDP-glukoz; glikojen sentezinde glukoz vericisidir UDP-şekerler; glikoprotein ve proteoglikanların sentezinde de şeker vericisidir UDP-glukuronik asit; konjugasyon reaksiyonlarında glikozidik asit donörü (ör.bilirubin konjugasyonu).

Sitozin Türevleri CTP fosfogliserit sentezinde gerekli Seramid ve CDP-kolinle oluşan sfingomiyelin ve diğer sfingozin türevleri

DNA ve RNA sentezlenemez Ribonukleotid ve deoksiribonükleotid fosfatlar (Nükleotidler) bütün hücreler için esansiyeldir DNA ve RNA sentezlenemez Protein sentezlenemez (CHO, Lipid, enzim, sinyal iletimi) Hücreler prolifere olamaz Çoğu metabolik hastalık etiyolojisinde nükleotid metabolizması sorumludur.

Doğal olarak oluşan pürin türevleri

Sentetik Nükleotid Analogları İki mekanizma ile nükleotid metabolizmasına etki ederler. Nükleik asit sentezi için gerekli özgül enzimlerin inhibisyonu Metabolitlerinin nükleik asitlere katılması ile baz çiftlerini etkileyerek bilginin doğru aktarılması

Sentetik Nükleotid Analogları; Tedavi amacı ile kullanılırlar 5-fluoro ve 5-iodo urasil ya da deoksiuridin türevleri ->timin ya da timidin analogları 6-thioguanin 6-mercaptopurine 5- veya 6-azauridin 5- veya 6-azasitidin 8-azaguanin Adenilosüksinaz ve IMP Dehdrogenaz inhibitörüdür. Azaserin; FGAM sentetaz Diazonolösin; A.Imidazol sentetaz

Nükleik asitlerinin yapıları Primer Sekonder Tersiyer

Nükleik asitlerin primer yapısı Nükleotidler nükleik asitleri oluşturmak üzere 5’ ve 3’ karbon atomları arasında fosfodiester bağları aracılığıyla bağlanırlar C T A G T 3’ 3’ 3’ 3’ 3’ P P P P P OH 5’ 5’ 5’ 5’ 5’

Çok sayıda nükleotid birleştiğinde uzun tek zincirli polinükleotid ya da nükleik asit oluşur 5’ C-5 Riboz 3’

Nükleik asit primer yapısı Nükleik asit primer yapısı nükleotidlerin dizisidir. 3’ 5’ Tek zincirli DNA’nın nükleotid dizisi

Nükleik asit sekonder yapısı Baz çiftleri arasındaki aralık, iki baz arası 0.34 nm.dir. Her dönü 34 nm

DNA sağ el ya da sol el yönünde dönüşlerle şekil alabilir

Watson-Crick modeli Watson-Crick modeli Her dönüde antiparallel çift sarmal baz çiftleri. Çiftleşme A-T ve G-C. DNA’nın Watson-Crick modeli B form sarmalıdır.

Çift Sarmal Biçimleri B DNA Z DNA A DNA 10.4 Bp/dönüş 11 Bp/dönüş 1 nm Major groove Minor A T T A G C C G G C T A 0.34 nm 3.9 nm B DNA C G G C G C G C G C C G 0.57 nm 6.8 nm 0.9 nm Z DNA 0.26 nm 2.8 nm Minor groove Major C G A T T A G C C G T A A T G C T A G C 1.2 nm A DNA +34.6o Rotasyon/Bp 10.4 Bp/dönüş +34.7o Rotasyon/Bp 11 Bp/dönüş -30.0o Rotasyon/Bp 12 Bp/dönüş

B form sarmalı Hücrelerde bulunan DNA en çok bu konformasyonu gösterir Fizyolojik koşullar altında B form Sarmalın dönüş yönü : sağ Her dönüşteki rezidü sayısı : 10 Rezidü başına rotation : 36 Rezidü başına sarmalda artış : 0.34 nm Sarmal adımı : 3.4 nm

A-form sarmalı A form heliksi düşük nem koşullarında hazırlanmaktadır. Sarmal dönüş yönü : sağ Her dönüdeki rezidü sayısı : 11 Rezidü başına dönüş : 33° Rezidü başına sarmalda artış : 0.255 nm Sarmal adımı : 2.8 nm DNA A-type (140D) (low water content)

Z form sarmalı B-DNA alternatif sol-el biçimini alabilir. Bu yapı “ Z-DNA “ olarak adlandırılır. Sarmal dönüş yönü : sol Dönüş başına rezidü sayısı : 12 (6 dimer) Rezidü başına sarmalda artış : 0.37 nm Sarmal adımı : 4.5 nm DNA Z-type (2ZNA) (high salt concentration)

DNA’nın denatürasyonu pH değiştirilirse; bazlar iyonize olur ısı artırılırsa; H bağları etkilenir ve 2 DNA zinciri açılır.

Melting Tempature: Heliks yapısının yarısının açıldığı ısıya DNA nın erime derecesi ( melting tempature, Tm) denir. DNA çift zincirinin açılması DNA DENATÜRASYONU olarak adlandırılır, 260 nm de ölçüm yapılır Fosfodiester bağları ısıya dayanıklıdır. 59

Tek sarmallı DNA çift sarmala oranla 260 nm de daha fazla absorbans verir A-T den zengin bölge G-C den zengin bölgeye göre daha düşük ısılarda denatüre olur. 60

PCR

Amplifikasyon Leninger 112601 235 = 34 milyar kopya 62 istenen gen 4’üncü döngü Amplifikasyon istenen gen 3’üncü döngü 2’nci döngü 1’nci döngü 35’inci döngü şablon DNA 235 = 34 milyar kopya 21 = 2 kopya 22 = 4 kopya 8 kopya 16 kopya Leninger 112601 62

Klinikte Kullanım: Ör; Faktör V Leiden 63 63

DNA’nın tersiyer yapısı DNA’nın iki ucu bağlanabilmekte ve halkalaşmaktadır.

Mitokondrial DNA Mitokondriyal matriks proteinlerinin tümünün sentezi için gerekli bilgiyi kodlar. Mitokondrideki 2 adet rRNA ve 22 adet tRNA’yı kodlar. ETZ ve oksidatif fosforilasyon ile ilgili bazı proteinleri kodlar. Bakteri DNA’sına benzer, halkasaldır.

Mt.DNA'nın çekirdek DNA'sından bağımsız replikasyon ve transkripsiyon sistemi vardır. İnsan mt-DNA’sı maternal kalıtımla geçer. Anne tüm çocuklarına mt DNA’sını aktarırken, sadece kız çocuklar bunu ikinci kuşağa aktarır. Mitokondrial DNA çekirdek DNA’sına benzemekle birlikte belirgin farklılıklar da göstermektedir. a) 3.5 milyon kb'lik çekirdek DNA’sı yanında, 16.5 kb'lik mt-DNA çok küçük bir genoma sahiptir. b) mt.DNA kompakt bir yapıya sahip olup intron içermez.