Bu yazımızda DNA Eşlenmesi (DNA Replikasyonu) Nedir? Aşamaları Nelerdir? Sorularının yanıtları hakkında bilgi vereceğiz.
Hücrelerin bölünmesi rastgele gerçekleşen bir olay değildir. Bölünme özelliği bulunan hücre, var olan kalıtsal özelliklerini meydana getireceği iki yeni hücreye aktarmalıdır. Bu işlemi yapacak olan DNA dediğimiz yapıdır. DNA eşlenmesi veya DNA replikasyonu sonucu hücre kendi kalıtsal özelliklerini yeni hücrelere aktarır.
Canlıların kendi benzer bireylerini meydana getirmesi hayatın temel kuralları arasındadır. Canlıların genetik ve kalıtsal özelliklerini yeni nesillere aktarmasının ne denli önemli olduğu tüm biyoloji konularını işleyince daha net anlarsınız.
DNA molekülünün yapısını, özelliklerini ve önemini daha önceki yazılarımızda ele almıştık ancak DNA eşlenmesi (DNA replikasyonu) konusunu daha iyi anlamak için kısaca tekrar hatırlayalım.
DNA, hücrenin yaşamsal faliyetleri için önemli olan olaylarını yönetmektedir. DNA, hücrenin hayatsal olaylarını yönetir. Bir hücre bölüneceği zaman DNA molekülü hücre döngüsünde kendini eşler. DNA molekülünün kendini eşlemesine replikasyon adı verilir.
Kısaca sizlere DNA replikasyonu veya DNA eşlenmesi olayını kısaca ve maddeler halinde anlatalım daha sonra daha geniş ve detaylı bir şekilde ifade edeceğiz.
DNA Eşlenmesi (DNA Relikasyonu) sırasında gerçekleşen olaylar;
- DNA’nın 2 zincirini bir arada tutan zayıf hidrojen bağları DNA helikaz-enzimi ile koparılır.
- Eşlenmenin gerçekleşeceği bölgelerde DNA molekülü bir fermuar biçiminde şeklinde açılır. [DNA çift zinciri bir uçtan açılmaya başlamışsa replikasyon(eşlenme) olacağını, aralardan biryerden açılıyorsa protein-sentezi için şifre vereceğini (transkripsiyon-gerçekleşeceğini) gösterir.]
- Açılma sonucunda her-iki zincirde bulunan pürin-pirimidin bazlarının uçları açıkta-kalır.
- Açılan her-iki zincirin üzerine DNA polimeraz-enzimi gelir. Bu enzim hücrede daha-önceden sentezlenmiş olan serbest nükleotitleri açıkolan uçlara uygun biçimde ekler. (Adenin karşısınatimin, sitozin karşısına guaninnükleotidini). Böylece açılan zincirin her biri yeni oluşacak DNA molekülü için kalıp görevi görür.
- Bu nükleotitler, fosfodiester-bağı ile bağlanarak yeni-DNA zinciri-oluşmuş olur.
- Zayıf hidrojen-bağlarının yeniden kurulması ile iki-DNA molekülü oluşur.
- DNA iplikleri-heliks şeklinde kıvrılarak üç-boyutlu yapı kazanır ve işlevsel hale-gelir.
- Bütün nükleotitler eşlendiğinde nitelik-ve-nicelik bakımından birbirinin aynısı iki-DNA molekülü oluşur.
- Yeni DNA moleküllerinde biri eski diğeri yeni-olmak üzere-iki zincir-bulunur. DNA’nın bu şekilde eşlenmesine yarı-korunumlu-eşlenme denir.
NOT: Fosfodiester ve glikozit bağları kurulurken su açığa çıkar, yıkılırken su tüketilir. Hidrojen bağlarının yapım ve yıkımlarında ise su üretim ve tüketimi olmaz.
DNA, kendini eşleme yeteneğine sahiptir. Bu sayede genetik bilgiyi yeni hücrelere ve nesillere aktarır. Acaba DNA molekülü nasıl oluyor da kendini eşliyor? Aynı tip hücrelerde DNA’nın hem kimyasal özelliği hem de toplam miktarı nesilden nesile sabit kalır. Yani DNA’nın hem miktarı hem de özelliği ata hücreden meydana gelen yeni hücrelere aynı miktarda aktarılmak zorundadır.
DNA molekülünün ikili sarmal zincirlerini birbirinebağlayan zayıf hidrojen bağlarının bir fermuar gibi çalıştığını düşünebiliriz. Helikaz enzimi replikasyon çatalının ilerisinde DNA çift sarmalını, bazlar arasındaki hidrojen bağlarını kopararak açar. Replikasyonun ilerlemesini sağlar. Eğer molekülün bir ucundan başlarsak teker teker her pürini pirimidin eşinden, fermuarı açar gibi ayırabiliriz. Bu açılma, her iki zincirde eşlerinden ayrılan pürin ve pirimidinin uçlarını açıkta bırakır.
DNA polimeraz enzimi ilkkez 1956’da Escherichia coli bakterisinde tanımlanmıştır. Bu enzim, bir DNA ipliğinin karşısına doğru bazları getirerek yeni ipliği sentezleme yeteneğine sahiptir. Bir adenin nükleotidi, yalnız bir timin nükleotidi ile birleşir. Diğer zincirdeki eski timin nükleotidi, ikili sırayı tamamlamak için yeni bir adenin nükleotit ile birleşir. İkili sarmal, kendi boyunca bir uçtan diğer uca fermuar gibi azar azar açıldıkça uygun nükleotitler, zincirdeki yerlerini alır. İkili sarmal dizinin sonuna ulaşıldığında DNA’nın iki zinciri ayrılmış olur. Ayrılan zincirlerin her biri, kaybettiği nükleotit eşlerinin yerine tamamen aynı çeşitten eşler alıp yeni birer ikili zincir oluşturur.
DNA’nın kendini eşlemesi yarı korunumlu eşlenme hipoteziyle açıklanmaya çalışılmıştır. Bu hipoteze göre;
- N14 “Normal DNA, N15 “Ağır DNA’dır.
- Ağır DNA’ya sahip bakteriler 14 N’lü ortama konulur ve bu ortamda üremeleri sağlanır.
- Bu bakterilerden elde edilen DNA’lar %100 melezdir (20. dk.). Çünkü DNA molekülünün 15 N taşıyan iki zinciri açılır ve karşısına sentezlenen zincirlere ortamdaki 14 N’ü kullandıklarından DNA’nın bir zinciri 15 N’li, diğeri 14 N’lü olur.
- Melez DNA’lı bakteriler 14 N’lü ortamda bir kez daha bölündüklerinde, oluşan bakterilerin %50’si 14 N’lü, %50’si melez DNA’ya sahip olur (40.dk.)
DNA’nın eşlenme mekanizmasını açıklamaya çalışan farklı hipotezler arasında yarı korunumlu eşlenme modeli, Amerikalı bilim insanları Matthew Meselson (Metyu Meselsın) ve Franklin V. Stahl’ın (Fıranklin V. Sıtal) 1958’de açıklanan çalışmaları ile gösterildi. Bu iki araştırıcı, bakterilerin gelişme ortamlarına azotun izotopunu ekleyerek deneylerini yaptılar.
Bakteriler, gerek normal azot ^ h 14 N gerekse ağır azot ^ h 15 N kapsayan ortamlarda üretilebilir. Eğer bakterilerin azot kaynağı sadece nitrat iyonları ise bu nitratın azotu, yapısında azot bulunan moleküllere, özellikle de DNA bazlarına geçecektir. Ağır azotta üreyen bakterilerden elde edilen DNA’nın yoğunluğu, normal azotla üremiş bakterilerden elde edilen DNA’nın yoğunluğundan fazla olacaktır. Bu yoğunluk farkı, iki tip DNA’yı santrifüjde ayırmayı mümkün kılar. Ağır azotlu ( 15 N) DNA’nın çökelme (sedimantasyon) hızı normal azotlu DNA’nınkine göre daha fazla olacaktır. Bir dizisi 15 N, diğer dizisi 14 N bulunduran DNA moleküllerinin çökelme hızı ise aşağıdaki tüplerin çökelme durumları arasında olacaktır.
Meselson ve Stahl, Escherichia coli bakterilerini ağır nitratlı bir ortamda, bütün DNA’ları 15 N kapsayıncaya kadar birçok nesil boyunca ürettiler. Bundan sonra bu bakterilerin bir kısmını alarak yalnız normal nitrat bulunan bir ortamda, her bakteri bir defa bölününceye kadar bıraktılar. Çoğalma sonunda bakteri sayısı ve dolayısıyla toplam DNA miktarı iki katına çıktı. Eğer DNA’lar gerçekten yarı korunumlu eşlenmekteyse bu bakteriler %100 melez DNA’lı yani eşit oranda N14 ve N15 içeren DNA’lara sahip olmalıdır. Bu bilim insanları duruma açıklık getirebilmek için santrifüjleme işleminden faydalanmışlardır. Santrifüjleme sonucunda ayrıştırılan DNA’ların Şekil ‘de olduğu gibi deney tüpünün ortasında bantlaşma yaptığını görmüşlerdir. Aynı ortamda bakteriler iki kez bölünecek şekilde bırakıldığında ise santrifüjleme işlemi sonunda DNA’ların yukarıdaki Şekil’de olduğu gibi %50’si deney tüpünün ortasında bantlaşma yaparken
%50’si de deney tüpünün üstünde yapmıştır. Böylece bu iki bilim insanı, DNA eşlenirken bir zincirin kalıp olarak kaldığını, diğer zincirin ise ortamdaki nükleotitlerden yeniden yapıldığını göstermiş oldu.
DNA REPLİKASYONU (DNA EŞLEMESİ) – Kısa Özeti
DNA replikasyonu, hücre bölünmesinin ve organizmaların büyümesinin vazgeçilmez bir parçasıdır. DNA replikasyonu süreci, yeni DNA zincirleri oluşturmak için DNA şeritlerini şablon olarak kullanır .
DNA replikasyonu son derece hızlı ve doğru bir işlemdir. Ortalama olarak, çoğaltılan her 10 milyar nükleotid için yaklaşık bir hata yapılır. Süreç düzgün çalışması için bir düzineden fazla farklı enzim ve diğer proteinleri içerir .
DNA’NIN YAPISI
Bir DNA molekülü ‘nükleotitler’ denilen daha küçük moleküllerden oluşur. Nükleotidler, doğrusal bir DNA zinciri oluşturmak üzere birbirine bağlanır. Her bir nükleotid bir şeker, bir baz ve bir fosfat grubundan oluşur.
Bir nükleotid, dört farklı azotlu bazdan (adenin, timin, guanin veya sitozin) birini içerir. DNA’nın bir ipliğinden her bir nükleotidin bazları, DNA’nın çift sarmalını oluşturmak için bir başka DNA ipliğinin bazlarına bağlanır.
Dört farklı bazın her biri birbirine bağladıkları tamamlayıcı bir tabana sahiptir. Guanin ve sitozin sadece birbirleriyle bağlarken adenin ve timin birbirine bağlanır. Bu nedenle, bir çift sarmalın iki ipliği, bazların sırası açısından birbirlerinin tam tersidir.
DNA REPLIKASYONU NASIL ve NEREDE GERÇEKLEŞİR?
DNA replikasyonu süreci, ‘kopyalama kökeni’ olarak adlandırılan bir DNA zinciri boyunca belirli bir yerde başlar. Çoğaltmanın kökeni, belirli bir dizi nükleotid içeren bir DNA molekülü üzerindeki kısa kesitlerdir.
Prokaryotik hücreler genellikle DNA halkaları için tek bir kopyalama kökenli olacaktır. Ökaryotik hücreler diğer taraftan yüzlerce ila binlerce kökene sahip olabilirler.
Süreç, replikasyonun kökenindeki nükleotit kümesini tanıyan bir dizi protein tarafından başlatılır. Bu proteinler, DNA çift sarmalının iki iplikçiklerini ayırır ve iki iplik arasında bir ‘kabarcık yaratırlar.
DNA replikasyonu iki DNA dizilişi boyunca her iki yönde hareket eder. Kabarcık boyutu artarken, diğer birkaç protein DNA’nın iki ipini çözmeye, düzleştirmeye ve ayırmaya devam ediyor.
İki iplikçik ayrıldığında, bağlayıcı proteinler tekli DNA zincirlerine takılır ve birbirlerine yapışmalarını önler. Her iki iplikçik de iki yeni DNA zinciri inşa etmek için şablon olarak kullanılabilir.
Yeni DNA dizisi RNA adlı bir molekülün kısa bir bölümüyle başlar. Kısa segment RNA primer olarak bilinir ve genellikle 5-10 nükleotid uzunluğundadır. Yeni DNA ipliği RNA primerine bir DNA nükleotidi ekleyerek başlar.
BIR DNA MOLEKÜLÜ OLUŞTURMA
‘DNA polimeraz’ adı verilen bir enzim, yeni bir DNA sarmalının inşası sürecini yönlendirir. DNA polimeraz DNA nükleotidlerinin yeni DNA zincirine eklenmesini kontrol eder. Polimeraz, şablon DNA zincirine tamamlayıcı bazlarla doğru nükleotidlerin eklenmesinden sorumludur. Örneğin, timin bazlı bir nükleotid, tamamlayıcı bir adenin bazlı bir nükleotide eklenmelidir.
Ökaryotik hücrelerin çeşitli DNA polimeraz enzimleri vardır. Şu anda 10’dan fazla farklı DNA polimeraz keşfedilmiştir. Bununla birlikte, prokaryotik hücrelerde sadece bir tane bilinen DNA polimeraz vardır.
DNA polimerazlar çok etkileyici oranlarda nükleotidler ekleyebilirler. E. coli bakterilerinde , saniyede yaklaşık 500 yeni nükleotid oranında bir yeni DNA dizisi oluşturulur. İnsan hücreleri o kadar hızlı değildir, ancak büyüyen bir DNA ipliğine saniyede yaklaşık 50 nükleotid ekleyebilirler.
ÖNDE GELEN TEL VE GECİKMELİ TEL
RNA primerinin iki ucu farklıdır ve nükleotidler sadece bir uca eklenebilir. Bu nedenle yeni bir DNA dizisi yalnızca bir yönde yetiştirilebilir.
Çift sarmaldaki kabarcık büyüdükçe, iki yeni DNA dizisi zıt yönde inşa edilir. Her yeni tel, kabarcık kenarındaki iki çatallardan birine doğru inşa edilmiştir.
RNA primerinden, DNA polimeraz enzimi çatalı doğru sürekli yeni DNA zincirini inşa edebilir. Çatala doğru sürekli büyüyen çoğaltılmış DNA’nın bu ipliği “lider iplikçik” olarak bilinir.
Kabarcık büyüdükçe, yeni nükleotidler RNA primerinin arkasında, çoğaltılması gereken replikasyonun orijinalinde maruz kalır. Nükleotidler yalnızca bir RNA primerinin bir ucuna eklenebilirken, yeni nükleotidler replikasyonun başlangıç noktasından zıt yönde eklenemez.
DNA polimeraz replikasyonun orijininin arkasındaki şablon iplikçiklerini çoğaltmalıdır. Bu, çataldan replikasyonun orijine doğru yeni açığa çıkarılmış kesimlere nükleotidlerin kısa kesitlerinin eklenmesiyle sağlanır. DNA zincirinin replikasyonun orijininin arkasındaki kısmı “gecikmeli zincir” olarak bilinir.
Çakma telleri birden çok kısa parçaya bölünür. Bu kısa kesimler onları keşfeden bilim adamlarından birinin adını taşıyan Okazaki parçaları olarak bilinir. Geri kalan iplikçikler Okazaki parçalarına bölünürler, çünkü çoğaltma kökeni veya önceki Okazaki parçasının başlangıcına ulaştıklarında büyümeye devam edemezler.
Her Okazaki fragmanı kendi RNA primeriyle başlatılır. Her iki Okazaki fragmanının başında RNA primerinin yerine iki enzim olan bir polimeraz ve bir DNA ligazı yer alır. Bu, gecikmeli zinciri sürekli bir DNA zincirine dönüştürür.
DNA REPLİKASYONU HATALARI
Şablon DNA şeridine sahip bazların ilk eşleştirilmesinde, eşlenen her 100.000 nükleotid için yaklaşık bir hata vardır. Polimeraz enzimleri şablon şeridine karşı yeni DNA zincirini düzeltir ve hataları düzeltir. Bu düzeltme, her 10 milyar nükleotid için hataları yaklaşık bir hataya düşürür. Son derece hassas bir süreç.
Bir polimeraz yanlışlıkla başka bir yanlış nükleotid ile yer değiştirdiğinde 10 milyar hataya düşen kişi var. Bu nadir hatalar, genetik mutasyonların ve kanserin nedenidir.
TELOMER
Telomerler, bir DNA ipliğinin her replikasyonu ile daha kısa ve kısa süren DNA iplikçiklerinin sonunda kısa kesitlerdir. Telomerler spesifik genler için bilgi içermez, ökaryotik hücrelerdeki DNA replikasyonu ile ilgili hafif bir problem için bir güvenlik ağıdır.
DNA replikasyonunun bir RNA primerinin eklenmesiyle başladığını ve DNA polimerazın RNA primerinin bir ucuna sadece nükleotidler ekleyebileceğini unutmayın. Her ne zaman bir DNA dizisi çoğaltılır RNA primerinin arkasındaki DNA bölümü tekrar edilemez.
Bu, yalnızca doğrusal DNA zincirlerine sahip ökaryotik hücreler için bir sorundur. Prokaryotik hücreler tek bir DNA halkasına sahiptir, bu nedenle tüm DNA’ları çoğaltılabilmektedir.
Telomerler bu soruna bir çözüm getirmektedir. Genellikle tek bir tekrarlanan sıra bazları içeren bir DNA ipliğinin sonunda kısa kesitlerdir. Dizilim, 100-1000 kez tekrarlanır ve genetik bilgi içermez. DNA tellerinin sonunda telomerlerin olması, DNA’nın eksik kopyalanması yoluyla genetik bilginin kaybedilmesini önler.
Bir telomer DNA koparılınca her kısalır. Telomerlerin kısaltılmasının hem hücreler hem de tüm organizmalar için yaşlanma sürecine dahil olduğu düşünülmektedir. Bir birey büyüdükçe, tüm hücrelerinin DNA’sı birçok replikasyona tabi tutulur. Bir hücre çok fazla replikasyona maruz kalırsa telomerin tamamının kaybolması ve hücrenin öldürülmesi olasıdır.
MUTASYONLAR
DNA replikasyonunda bir hata mutasyon olarak bilinir. Bir hata düzeltilmemiş ve yeni DNA ipliğinde kalmaya devam ederse, DNA dizisi her çoğaltıldığında hata tekrarlanacaktır. Sperm veya yumurta hücrelerinde bir hata oluşursa, mutasyon bir sonraki kuşağa geçebilir.
Çoğu mutasyon zararlıdır, ancak bazıları yararlı olabilir. Birçok mutasyon, bir hücrenin nasıl performans gösterdiğini etkileyebilir ve genellikle mutant hücreler tekrar çoğalmadan önce ölecektir.
Mutasyonlar, yeni genetik materyalin üretildiği tek yoldur. Milyarlarca yılda nadir bulunan faydalı mutasyonlar, basit, tek hücreli organizmalardan, çeşitli karmaşık ve muhteşem türlere kadar yaşam sürdü. Mutasyonlar evrimin önemli bir parçasıdır.
İNSANLARDA MUTASYON ORANI
İnsanların DNA’sı toplam altı milyar baz çiftine sahiptir. Her 10 milyar baz için bir hata etrafında bir hata oranıyla, bir hücrenin DNA’sının her replikasyonu için yaklaşık 0.6 hatalar oluşacaktır.
Tamamen yetişen bir insanın vücudu 37 trilyon civarında hücreye sahiptir. Bir insan tamamen büyüdükçe, hücreleri 37 trilyon kez çoğaltır.
Her replikasyonda yaklaşık 0.6 hata ile, tamamen yetişmiş bir insanın DNA’sında yaklaşık 22 trilyon mutasyona sahip olacak. Neyse ki, bunların büyük bir çoğunluğu kaybedilir ve hayatımıza hiçbir etkisi olmaz. Çok nadiren mutasyonlar bir problem haline gelirler. Söylemeye gerek yok, ancak bizler mutantız!
