BAKTERİ GENETİĞİ

Yaşamın temel maddeleri kabul edilen nükleik asitler (DNA=deoxyribonucleic acid, RNA=ribonucleic acid) dir. Çalışmalar ökaryotik ve prokaryotik yapıya sahip olan tüm hücrelerde, GENLERİN REPLİKASYONU VE FONKSİYONUNDAN SORUMLU olan yapının DNA olduğunu göstermiştir. RNA genomuna sahip genuslarda ise bu görev RNA’dadır.

NÜKLEİK ASİTLERİN YAPISI Deoksiribonükleik Asid (DNA) DNA molekülleri, nükleotid adı verilen yapıtaşlarından meydana gelen iki polinükleotid iplikçiğinin, sarmal biçimde birbirine bağlanması ile oluşan oldukça büyük moleküllerdir.

Nükleotidlerin yapısında, bir pürin veya pirimidin bazı, 2- 5 karbonlu bir şeker (pentoz) - ester bağı oluşturan fosfat molekülü üç temel eleman bulunur.         Pürin bazları Adenin (A) ve Guanin (G) pirimidin bazları ise Sitozin (S) ve Timin (T) den oluşmuştur.

Pentoz molekülü DNA’da deoksiriboz RNA’da ise riboz yapısındadır nükleik asitler şekerlerin yapılarına göre adlandırılır. Pürin veya pirimidin bazlarının pentoz molekülleri ile yaptıkları bileşiklere nükleosid adı verilir

Nükleosit organik baz + pentoz Nükleotit nükleosit + fosforik asit Nükleosidlerin pentoz molekülleri arasında fosforik asidin ester bağları oluşturmasıyla da nükleotidler meydana gelir. ÖZETLE Nükleosit organik baz + pentoz Nükleotit nükleosit + fosforik asit

Nükleotidlerin polimerizasyonu ile oluşan DNA iplikciği bir polinükleotid olup, DNA molekülü bu özelliğe sahip iki iplikciğin yan yana gelip, hidrojen bağları ile bağlanması sonucu meydana gelen sarmal bir yapıdır.

DNA molekülündeki Adenin miktarı Timin miktarına, Sitozin miktarı da Guanin miktarına eşit olmaktadır. Ancak bir DNA molekülünde bulunan A+T miktarı, C+G miktarı ile eşit değildir. (A+T)/(C+G) oranı, her canlı türü için özgül olup değişmez niteliktedir. Bu nedenle bu özellikten mikroorganizmaların sınıflandırılmasında yararlanılmakta, G+C’nin tüm DNA molekülüne oranı birbirine yakınlık gösterenler aynı cins ve türe dahil edilmektedir.

Bir canlının fenotipini belirleyen ve sayıları binlerce olabilen biyolojik özellik ve fonksiyonlarının her biri de spesifik genetik yapısının bir ürünüdür. Yani her bir biyolojik özellik ve fonksiyondan “gen” adı verilen genetik birimler sorumludur. Genler sorumlu oldukları fonksiyonları sentez ettirdikleri enzimlerle gerçekleştirmektedir.

DNA REPLİKASYONU    DNA molekülünü oluşturan iki polinükleotid iplikçiği birbirinden ayrılabilir ve herbir iplikçik, önceden karşısında bulunan ve kendisini tamamlayan diğer iplikçiği yeniden ve aynen oluşturabilme yeteneğindedir.

Adenin ile timin arasında2,guanin ile sitozin arasında 3 hidrojen bağı bulunur.

Başka hiçbir molekülde bulunmayan bu özellik sayesinde, üreme sırasında birbirinden ayrılan iki polinükleotid zinciri (iplikçik), karşıtı olan diğer zinciri sentezleyerek aynı yapı ve özellikte iki DNA molekülü meydana getirebilmektedir. Bu olaya REPLİKASYON yani DNA’nın kendi kendini eşletmesi adı verilir.

DNA molekülünün iki zincirinin arasındaki hidrojen bağlarını bir fermuara benzetelim.DNA'nın bir ucundan fermuarın açılması ile her iki zincirdeki…..

Bir DNA molekülündeki pürin ve pirimidin bazlarının (A, T, C, G)sayısı ve diziliş biçimi, her canlı varlık için değişmeyen ve özgüllük gösteren bir genetik yapı özelliğidir. Bunun doğal bir sonucu olarak doğada milyonlarca farklı canlı türü ve bu türlerin herbirinin birbirine benzemeyen bireyleri (fenotip) bulunmaktadır. Bir canlının fenotipini belirleyen ve sayıları binlerce olabilen biyolojik özellik ve fonksiyonlarının her biri de spesifik genetik yapısının bir ürünüdür.

Yani her bir biyolojik özellik ve fonksiyondan “gen” adı verilen genetik birimler sorumludur. Genler sorumlu oldukları fonksiyonları sentez ettirdikleri enzimlerle gerçekleştirmektedir.

  Belli sayı ve sıra ile yan yana gelen aminoasidlerin polimerizasyonu sonucu oluşan herbir protein molekülünün, gen üzerinde spesifik bir kodlama düzeni vardır. Protein molekülü ile ilgili kodlama, pürin ve pirimidin bazları içeren nükleotidlerin üçlü gruplar halinde dizilmesi ile sağlanmaktadır. Her biri bir aminoasidi kodlayan bu üçlü gruplara (taban üçlüsü=triplet) genetik dilinde kodon adı verilmektedir.

  Proteinlerin yapıtaşı olan aminoasid türlerinin sayısı 20 olup, pürin ve pirimidin bazlarının üçlü gruplar halinde yan yana gelmeleri sonucu oluşacak olan kodon sayısı daha fazladır. Yapılan çalışmalar 64 değişik kodon oluşabileceğini göstermiştir.

BAKTERİLERDE DNA’NIN REPLİKASYONU E. coli ve S. typhimurium ile yapılan çalışmalar, bakteri kromozomlarının çember biçiminde olduğunu göstermiştir. Replikasyonda önce, mezozomdan itibaren iki DNA iplikçiği birbirinden ayrılmaya başlar ve ayrılan polinükleotid iplikçiklerinden mezozomun yanındaki ikinci noktaya bağlanır Çember biçimindeki DNA (bakteri kromozomu) saatin ters yönünde dönerken, polinükleotid iplikçikler de bir yandan birbirinden ayrılıp, diğer yandan da ayrılan her bir iplikçik hemen kendi karşılığını (tamamlayıcı iplikçik) sentezlenir. DNA’nın dönüşü tamamlanıp iki polinükleotid iplikçiğin ayrılması tümüyle gerçekleştiğinde, bakteri içinde birbirinin tıpatıp benzeri olan iki DNA sarmalı oluşmuştur.

RİBONÜKLEİK ASİD (RNA) Yapısı genel olarak DNA molekülüne benzer. DNA’dan farklı olarak yapısında deoksiriboz yerine riboz, Timin (T) yerine onun gibi bir pirimidin olan Urasil (U) bulunur. Ayrıca RNA molekülü çift iplikli bir sarmal olmayıp, tek iplikli bir polinükleotid zincirinden oluşmuştur. Bununla birlikte, bu iplikçiğin kendi üzerine katlanıp, karşılıklı gelen pürin ve pirimidin bazlarının (A-U ve C-G) birleşmesi sonucu, yer yer çift katlı RNA bölgeleri meydana gelir.

Hücre içinde üç tip RNA bulunur - Mesaj ileten RNA (mRNA) - Ribozomal RNA (rRNA) - Transfer RNA (tRNA)  

MESAJ İLETEN RNA (m-RNA) Her biri ayrı bir protein molekülünü yapımından sorumlu olan genlerdeki bilginin, proteinlerin yapım yeri olan RİBOZOMLARA ulaştırılması gerekir. DNA ‘da bulunan ve her biri ayrı bir amino asidin yapımından sorumlu olan  üçlü pürin ve pirimidin bazlarının karşısına , uygun bazların gelmesiyle (A-U, C-G, G-C v.s.) oluşan nükleotidler, mRNA’yi meydana getirirler

DNA’nın tek iplikçiğinin kalıp olarak kullanılıp, RNA polimeraz enzimi aracılığı ile mRNA’nın oluşması işlemine transkripsiyon (kopya çıkarma) adı verilir. Genler böylece, oluşturdukları mRNA’ya kendilerinde bulunan protein yapımı ile ilgili bilgiyi aktarmış, yani yapılması istenen proteinin kalıbını vermiş olur.

TRANSLASYON Translasyon, transkripsiyon sonucu oluşan mRNA'lardaki koda uygun olarak ribozomlarda gerçekleştirilen amino asit zinciri veya polipeptit sentezi sürecidir. Sonra üretilen amino asit zinciri veya polipeptit uygun bir şekilde katlanarak etkin bir protein haline gelir. Translasyon, (gen ekspresyonu sürecinin bir parçası olan) protein biyosentezinin ilk aşamasıdır. 4 harfli (A, C, G ve T) DNA dilindeki mesajın 20 harfli amino asid diline çevrilmesinden ötürü, İngilizce terminolojide "çeviri" anlamına gelen translation sözcüğü kullanılmaktadır.

RİBOZOMAL RNA (r-RNA) Hücredeki tüm RNA’nın yaklaşık %80’nini oluşturan rRNA, ribozomlardaki proteinlere bağlı olarak bulunur Yapılarında protein ve rRNA bulunan ribozomlar, biri büyük diğeri küçük iki alt birimden oluşmuşlardır. Bakterilerde büyük birim 50S, küçük birim 30S, total ribozom 70S büyüklüğünde olduğu halde, ökaryotik hücrelerde büyük birim 60S, küçük birim 40S ve total ribozom ise 80S büyüklüğündedir.

TRANSFER RNA (t-RNA) Bakterilerde genetik materyalin küçük veya büyük bir bölümü bir bakteriden diğerine çeşitli mekanizmalar aracılığı ile aktarılıp, sonunda önemli genetik değişiklikler oluşabilmektedir. Verici bakteriden alıcı bakteri hücresine, bakteri genomunun aktarılması sonucu her iki bakteri hücresinin genetik özelliklerini birlikte içeren melez bakteriler meydana gelirler.

Verici bakteriden aktarılan bir DNA segmentinin alıcının genomuna girip, alıcı bakteriye birtakım yeni özellikler kazandırması mümkündür. Böylece meydana gelen olaya rekombinasyon (yeni bileşim), oluşan melez bakteriye rekombinant (yeni bileşen) adı verilir.

       Bakteride rekombinasyon olayları üç ana mekanizma ile meydana gelmektedir: 1.    Transformasyon 2.    Transdüksiyon 3.    Konjugasyon

TRANSFORMASYON Herhangi bir aracı (ikinci bir canlı hücre veya bakteriyofaj) bulunmaksızın, verici bakteri tarafından ortama bırakılmış olan DNA’nın alıcı bakteri tarafından alınarak oluşan bir rekombinasyon türüdür.

TRANSFORMASYON    Bu konu ile ilgili çalışmaların çoğu pnömokoklar üzerinde yapılmış olmakla birlikte, Haemophilus influenzae, Bacillus subtilis, Neisseria gonorrhoeae, Escherichia coli gibi bakterilerde transformasyon gözlendiği bildirilmiştir. Transformasyon sonunda, alıcı bakterilerde kapsül, flajella oluşumu ile değişik enzimatik reaksiyonlar gözlenebilmektedir.  

        TRANSDÜKSİYON   Bir bakteriye ait DNA segmentlerinin, bir bakteriyofaj aracılığı ile diğer bir bakteriye aktarılması olayıdır.             Bakteriyofajlar, bakterilerin zorunlu parazitleri olup, ancak canlı bakteri hücreleri içinde replike olabilirler ve bu ilişki sonucu çoğunlukla içinde çoğaldıkları bakterinin parçalanıp erimesine yol açarak, bir başka bakteriyi enfekte etmek üzere serbest kalırlar.

          Özetle belirtmek gerekirse, transdüksiyonda bir bakteriyofaj aracılığı ile bakteriden bakteriye genetik materyal veya bir DNA segmenti aktarılmakta böylece alıcı bakteri, verici bakteriye ait bazı özellikleri kazanmaktadır.

      KONJUGASYON Genetik materyalin bir bakteriden diğerine bu iki bakterinin geçici teması sonucu aktarılmasıdır. Birçok enterik bakterinin konjugasyon yaptığı bilinmektedir. E. coli bakterisinin K12 suşunda yapılan ilk gözlemlerde, bu olayda bazı bakterilerin daima verici, diğerinin ise alıcı özellik gösterdiği saptanmıştır.

   PLAZMİDLER             Plazmidler, bakteri hücrelerinin sitoplazmasında, kromozomal DNA’dan bağımsız olarak bulunan ve replike olabilen ekstrakromozomal DNA segmentleridir. Bu genetik elemanlar, bulunudukları ve aktarıldıkları bakteriye birtakım değişik biyolojik yapı ve fonksiyon özellikleri kazandırır.

Şekil 1: Plazmidler içeren bir bakterinin şematik çizimi Şekil 1: Plazmidler içeren bir bakterinin şematik çizimi. 1Kromozomal DNA. 2 Plazmidler. Tipik olarak dairesel ve çift sarmallıdır.

Bakterilerin, plazmidler tarafından kodlandığı bilinen birtakım fenotipik özellikleri arasında antibiyotiklere ağır metal iyonlarına ultraviyole ışınlarına gösterdikleri direnç çeşitli enzim ve toksinler oluşturma konak hücreye adherans kolonize olma üreaz oluşturma çeşitli karbonhidratların fermentasyonu sayılabilir.

Plazmidler bakteride kendiliğinden oluşmazlar, başka bakterilerden aktarılırlar. Bulundukları bakterilerden, spontan olarak kaybolabilecekleri gibi, plazmid replikasyonunu inihbe eden bazı maddeler aracılığı ile, deneysel olarak da ortadan kaldırılabilirler. Plazmidler bakteriden bakteriye genellikle konjugasyonla aktarılırlar. Bilinen plazmidlerin belli başlı örnekleri, F faktörleri, direnç plazmidleri, stafilokok plazmidleri ve virulans plazmidleridir.

MUTASYON Bir canlının genomu içindeki DNA ya da RNA diziliminde meydana gelen kalıcı değişmelerdir. Mutasyona sahip bir organizma ise mutant olarak adlandırılır.

Bireyin,kalıtsal özelliklerinin ortaya çıkmasını sağlayan genetik şifre, herhangi bir nedenden dolayı DNA onarımı, mayoz bölünme veya DNA replikasyonu sırasında meydana gelen hatalar transpozonlar, virüsler, X ışını, radyasyon, ultraviyole bazı ilaç ve mutajen kimyasallar ani sıcaklık değişimleri vb. etkenlerle) bozulabilir Bu durumda DNA’nın sentezlediği protein veya enzim bozulur. Böylece canlının, proteinden dolayı yapısı, enzimlerinden dolayı metabolizması değişebilir. Mutasyon ters evrimin temelini oluşturur.