DNA ve RNA
DNA nedir?
Genetik bilgi bir dil gibidir. Biz alfabemizdeki harfleri bir araya getirerek kelimeleri, sonra da kelimeleri birleştirerek cümleleri, sonra paragrafları ve kitapları yazarız. DNA’da ise:
§ Alfabe sadece 4 harften ibarettir
§ Her harf baz veya nükleotid denilen kimyasal bir molekülü temsil eder
§ Kodon adı verilen genetik kelimeler bu harflerden oluşmuştur
§ Diğer dillerden farklı olarak genetik dilde bütün kelimeler (kodonlar) sadece 3 harften müteşekkildir
§ Bu kelimeler bir araya gelerek genler adını verdiğimiz cümleleri oluştururlar
§ Bütün cümleler bir araya gelerek genetik bilginin tamamını içeren bir kitabı yani genomu meydana getirirler.
DNA (Deoksiribonükleik asit); karbon, hidrojen, oksijen, azot, fosfat atomlarından oluşan ve hücrenin bütün hayati fonksiyonlarında rol alan dev bir moleküldür. DNA’yı oluşturan nükleotidler üç bölümden meydana gelmişlerdir:
• Baz : Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), Sitozin (C)
• Şeker (5 karbonlu karbonhidrat)
• Fosfat grubu
Birbirlerine fosfat bağları ile bağlanmış şeker dizilerinde her bir şekere bir baz da bağlıdır. Bu DNA’nin bir zincirini oluşturur.
C T G A ...
şeker- fosfat- şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - ...
Yine aynı yapıya sahip olan ikinci DNA dizisi, iki dizi arasında belirli bazlar arasında bulunan hidrojen bağları ile birbirine bağlıdır. DNA bu iki zincirin birbirine sarılarak heliks oluşturması ile meydana gelmiştir.
şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - ...
G A C T ...
||| || ||| || ||
C T G A ...
şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - ...
DNA’nın vazifesi ve önemi nedir?
DNA molekülünün bir bölümü olan her bir ‘gen’ insan vücüdündaki belli bir özelliği kontrol eder. Canlının vücut şekli, her organına ait iş bölümü ve bu organların çalışma düzenleri, hücre içinde üretilmesi gereken proteinlerin genetik kodları, üretilecek proteinlerin miktar kontrolleri (gen regülasyonu) gibi canlının hayatını devam ettirmesi için gereken şeyler DNA üzerinde planlanmış, kodlanmıştır.
DNA’nın hücredeki yeri
İnsan hücrelerinde bulunan DNA yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşmuştur ve yaklaşık 1 metre uzunluğundadır. Bu 1 metre uzunluğundaki polimer, gözümüzle bile göremediğimiz küçüklükteki hücrenin çekirdeğinde saklanmaktadır. ‘Histon’ denilen proteinlere sarılarak paketlenip kromozomları oluşturan DNA bulunduğu küçücük yerde olduğu gibi durmamakta, gerekli olan gen bölgeleri enzimler vasıtası ile açılıp kodların mRNA (messenger ribonükleik asit) denilen bir başka molekül vasıtası ile kopyaları çıkartılıp, bu kopya vasıtası ile proteinler senaaalenmektedir . Gerekli bölge bu şekilde okunduktan sonra DNA zinciri yine eski paketli haline dönmektedir. Ancak bir düşünün aynı anda bir değil belki onlarca farklı bölgeden DNA açılıp, gen şifreleri okunup yine kapatılmaktadır. Bir iplik yumağı düşünün ki, bu yumağın ortasından, başından sonundan bir yerleri aynı anda açılsın, sonra yine intizam bozulmadan sarılsın bu mümkün mü? İşte bu imkansız gibi görünen olay her an, her canlının her hücresinde hatasız, kusursuz, mükemmel bir şekilde üstelik cansız atomlar, moleküller elleriyle yaptırılıyor.
İnsan Genom Projesiİnsan Genom Projesinin son hali, ‘İnsanlığın Kitabı’nın daha önce düşünülenden daha harika, muhteşem ve sırlarla dolu olduğunu göstermektedir. İnsanın DNA dizi analizini yapmak için yaklaşık 20 laboratuvarda yüzlerce bilim adamı 10 yıldan fazla çalışıyorlar. Bu proje için 16 kurumdan oluşan uluslararası bir konsorsiyum ile Dr. Craig Venter’in başkanlık ettiği Celera Genomics firması çalışıyor. Haziran 2000 yılında uluslararası İnsan Genome Projesinin liderleri bir yıl sonra insan genomunun ilk müsvedde halini tamamlayacaklarını açıkladılar. Şubat 2001’de ise Science ve Nature dergilerinin özel sayılarında projede ulaştıkları son durum ve analizleri yayınladılar.
İnsan Genom Projesinin amaçlarından bazıları şu şekilde özetlenebilir1:
§ İnsan genomunda bulunan genleri belirlemek
§ DNA’yı oluşturan yaklaşık 3 milyar baz çiftinin dizisini belirlemek
§ Elde edilen bilgiyi databanklarda saklamak
§ Data analizleri metod ve araçlarını geliştirmek
§ Genler ve fonksiyonları arasındaki bağlantıların bulunması
§ Genlerin kromozomlarda nasıl bir bütün halinde çalıştıklarının tesbiti
§ Genetik hastalıkların temeli ve sebeplerinin tesbiti
Dr. Venter’in takımının Science dergisinde yayınlanan yazısında, insanların düştüğü iki hatadan bahsediliyor. Birincisi determinizim, yani insandaki bütün özelliklerin genlerine bağlı olduğu fikri; diğeri ise indirgeme; yani şimdi bütün insan genlerinin bilindiği düşüncesi. Bilim adamları genlerin fonksiyonlarının ve aralarındaki ilişkilerin anlaşılması aşamasının daha başında olduklarını belirtiyorlar.
Değişik canlılarda DNA ve gen sayısı
Her organizmada belli sayıda kromozom ve belli uzunlukta DNA bulunur. Bazı organizmaların DNA büyüklükleri şöyle sıralanabilir:
Organizma Genom Büyüklüğü (Mb)
Esherichia coli (bir bakteri) 4.64
Saccharomyces cerevisiae (maya hücresi) 12.1
Drosophila melangoster (meyve sineği) 140
Triticum aestivum (buğday) 17 000
Pisum sativum (bezelye) 4800
Mus musculus (fare) 3300
Homo sapiens (İnsan) 3000
Tablo1. Değişik organizmalardaki DNA uzunluğu2 (Mb= mega (106) baz )
Bu tablodan da görülebileceği gibi bir farede veya buğday da bile insandan daha uzun DNA bulunuyor. Bu da DNA’nın uzun olması ile organizmanın kompleks olması arasında her zaman doğru orantı olmadığını gösteriyor. Organizmaların gen sayıları karşılaştırıldığında ise yine benzer bir manzara ile karşılaşıyoruz. Dr. Venter; insanda 50 000 ile 140 000 gen bulunacağını tahmin etmelerine karşın şimdiye kadarki çalışmalara göre sadece 26 000-40 000 civarında genin tesbit edilmesinin bilim adamlarını çok şaşırttığını belirtmiştir. (Gen sayısının tesbitinde kullanılan metodlara göre farklı sayıda gen tesbit edilmektedir. Şimdiki bilgi ve teknoloji ile ancak kesin olmayan yaklaşık sonuçlar elde edilebilmektedir.) Maya hücersinde 6000, meyve sineğinde 13 000, bir tür solucanda 18 000, bir tür bitkide 26 000 gen bulunmasına karşın insan hücresinde çok daha kompleks olması nedeniyle daha fazla sayıda gen olması bekleniyordu. Bu kadar az sayida gen ile insan bedenindeki kompleks yapı nasıl sağlanıyor, bu hala çözülmeyi bekleyen önemli bir sır. Bilim adamları insan bedenindeki karmaşıklığın sırrının DNA veya gen sayısında değil, DNA’daki kontrol genlerinin davranışlarında gizli olduğunu belirtiyorlar.
2.BU
DNA’NIN FİZİKSEL YAPISI
DNA’nın monomerik bileşenleri A, T, C, G bazlarını içeren dört tane deoksiribonükleotiddir. Bu 4 ana bazın dışında bazı DNA’larda değişikliğe uğramış birkaç farklı baz da bulunabilir. Bunlar; metillenmiş bazlar, sülfür içeren bazlar ve anormal bir baz – şeker bağı oluşturan bazlardır. Bunlar DNA’da kimyasal değişikliğe neden olabilir. DNA’da metil grubunun eklenmesi en yoğun şekilde sitozinlerde meydana gelir. Sitozinin 5´ numaralı karbonuna bir metil grubunun bağlanmasıyla 5 – metilsitozin meydana gelir. 5 – metilsitozin özellikle buğday tohumu DNA’sında bol miktarda bulunur (tablo – 1). Bununla birlikte T2, T4 ve T6 fajlarında 5 – hidroksi – metilsitozin tamamen sitozinin yerini almış durumdadır. Ayrıca ilginç bir örnekte PBS 1 bakteriyofajında görülür. Bilindiği gibi urasil bazı sadece RNA molekülünde bulunur. Fakat bu bakteriyofajda timin bazlarının yerini urasil bazları almıştır.
Adenin ve guanin bazları çift halkalı yapıdadır. Bu iki baza pürin bazları denir. Sitozin ve timin bazları ise tek halkalı yapıdadır. Bunlara ise pirimidin bazları denir. Dolayısıyla adenin ve guanin bazlarının moleküler ağırlıkları (A=135.13 dalton, G=151.13 dalton), sitozin ve timin bazlarının moleküler ağırlıklarından (C=111.10 dalton, T=126.12) daha fazladır. Eğer bir DNA molekülünde iki iplikçikten hangisi A ve G ce zengin ise bu zincire ağır zincir diğerine ise hafif zincir denir.
Gerek pürin gerekse pirimidin bazları birkaç tane çift bağ içerirler. Çift bağlar her zaman tek bağlara göre daha kararsız olduklarından, çifte bağ taşıyan moleküller, H atomlarının belli bir serbestliğe sahip olabilmesi için, farklı kimyasal biçimlerde bulunabilme özelliğine yeteneğine sahiptir. Bir H atomu bir N halkasından veya O atomundan bir diğerine hareket edebilir. Örneğin bir amino (NH2) grubundan ayrılarak bir imino (NH) grubu oluşumuna yol açabilir. Böyle kimyasal dalgalanmalara tautomerik değişim ve bu şekilde meydana gelen farklı moleküler yapılara da tautomer adı verilir. Fizyolojik koşullarda, pürin ve pirimidin halkalarına N atomları genellikle amino (NH2) biçiminde, guanin ve timinin C atomlarına bağlı O atomlarda genellikle keto (CO) biçimindedir. Bazların genelde belli taumerik biçimlerde bulunması genetik materyalin kararlılığı açısından önemlidir.
Bazların Molar Oranları:
Bazların molar oranları hidroliziz ve kromatografi yöntemleri ile belirlenebilir. Farklı türler arasında baz oranları büyük değişiklikler göstermesine rağmen, aynı türün farklı organ ve dokuları arasında benzer oranlara rastlanmaktadır (tablo – 1).
DNA kaynağı A G C T 5-metil - C
Boğa timusu 28.2 21.5 21.2 27.8 1.3
Boğa dalağı 27.9 22.7 20.8 27.3 1.3
Boğa spermi 28.7 22.2 20.7 27.2 1.3
Sıçan kemik iliği 28.6 21.4 20.4 28.4 1.1
Buğday tohumu 27.3 22.7 16.8 27.1 6.0
Maya 31.3 18.7 17.1 32.9 -
E. coli 26.0 24.9 25.2 23.9 -
M. tuberculosis 15.1 34.9 35.4 14.6 -
ØX 174 24.3 24.5 18.2 32.3 -
Tablo 1 : Çeşitli kaynaklardan elde edilen DNA’lardaki baz oranları.
Bir DNA molekülünde pürinlerin toplamı pirimidinlerin toplamına eşit olduğu gibi amino bazların toplamı da (A ve C) keto (okso) bazların (G ve T) toplamına eşittir. A ve T eşit molar miktarda bulunur. Dolayısıyla G ve C de eşit molar miktarda bulunur. Bu eşitlikler DNA heliksinin formasyonu hakkında en önemli verilerdendir ve bu Chargaff’ın kuralı olarak ifade edilir. Bu kanunu A + G / T +C = 1 şeklinde de ifade edilir. Bununla birlikte G + C / A + T 1’e eşit değildir. Bu oran çeşitli türlerde ölçülmüş ve değerlerin 0.45 ile 2.80 arasında değiştiği gösterilmiştir. Örneğin birçok bakteriyofajda bu oran 0.5 dir. Yüksek bitkilerde ve hayvanlarda bu oranın değişim sınırları daha dardır ve genel olarak 0.55 – 0.93 arasında bulunur.
Chargaff kuralının iki önemli istisnası vardır. Birincisi buğday tohumu DNA’sında G ve C eşit miktarda değildir. Çünkü buğday tohumunda bol miktarda bulunan 5 – metilsitozin birçok sitozinin yerini alır. İkinci istisna ØX 174 DNA’sındadır. Burada ne A T’ye ne de G C’ye eşittir. Çünkü ØX 174 DNA’sı tek iplikçiklidir.
DNA baz miktarları açısından iki gruba ayrılır. Bunlardan biri AT’ce zengin olanlar ve diğeri ise – ki bu daha az rastlanan tipidir – GC’ce zengin olanlardır.
DNA’nın Primer Yapısı:
Bir baz ile deoksiribozun bağlanması ile oluşan kısma nükleozid denir. Baz ve pentoz molekülü glikozidik bağ ile birbirine bağlanır. Glikozidik bağ şekerin 1´ karbon atomuyla pürinin 9. pozisyonundaki (N9), pirimidinin ise 1. pozisyonundaki (N1) azot atomu arasında meydana gelir. Bu yapıya fosfat (PO4) grubunun katılmasıyla oluşan molekül nükleotid adını alır. Başka bir ifade ile bu nükleozid monofosfattır. Fosfat grubunun bağlanması pentozun 5´ karbonunun esterleşmesiyle meydana gelir. DNA’nın yapıtaşları için kullanılan terminoloji aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.
Baz Nükleozid Nükleotid Nükleik asit
Adenin (A) Deoksiadenozin Deoksiadenilat (dAMP) DNA
Guanin (G) Deoksiguanozin Deoksiguanilat (dGMP) DNA
Sitozin (C) Deoksisitidin Deoksisitidilat (dCMP) DNA
Timin (T) Timidin Timidilat (dTMP) DNA
Tablo 2 : Nükleik asit terminolojisi.
Bir DNA molekülünün tek iplikçiğinin oluşması deoksiribonükleotidlerin polimerizasyonu ile meydana gelir. RNA’da olduğu gibi DNA’da da nükleotidler arası bağlar fosfodiester bağlarıdır.
Bilindiği gibi deoksiribozda 5 karbon atomu vardır. Bu karbon atomlarının birincisine baz bağlanır. Üçüncü ve beşinci karbon atomları hidroksil grupları taşır. Bu hidroksil grupları sayesinde fosfat grubu bu karbon atomlarına bağlanır. Polimerizasyon reaksiyonunda kullanılan asıl yapıtaşları nükleozidtrifosfattır (NTP). Dört farklı bazdan dolayı 4 tip NTP (ATP, GTP, CTP, TTP) vardır. Şekil 4’de bir nükleotidin üç farklı yapısı (dAMP, dADP ve dATP) örnek olarak gösterilmiştir.
Adından da anlaşılacağı gibi NTP’ler üç fosfat grubu taşır. Bu fosfatlar içten dışa doğru α, β, γ olarak adlandırılır. Bu üç fosfat grubu deoksiribozun beşinci karbon atomuna bağlıdır. Bir NTP molekülü diğer bir NTP molekülü ile α pozisyonundaki fosfat grubu ile fosfodiester bağı kurar. Bu bağlanmada bir önceki nükleotidin 3´ ucu görev alır. Böylece zincir 5´ 3´ yönünde ilerler. Kovalent ester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir. Şeker fosfat omurgası 5´ – 3´ bağları ile oluştuğundan, bir polinükleotid zincirinin bir ucunda daima serbest 5´ – PO4 grubu taşıyan bir nükleotid diğer ucunda daima serbest 3´ – OH grubu taşıyan bir nükleotid bulunur. Bu nedenle polinükleotid zincirlerde bir polarite vardır. Birbirine zıt uçlar 5´ ve 3´ uçları olarak adlandırılır. İkinci ve dördüncü pozisyondaki karbon atomları hidroksil grubu taşımazlar ve herhangi bir molekül bağlamazlar. İkinci karbon pozisyonunda bir hidroksil grubunun varlığı siklik fosfat formasyonunu imkansız hale getirir.
Şekil 5 : DNA’nın primer yapısı (polinükleotid zincir).
Omurgadaki PO4 grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır. Bununla beraber, fizyolojik koşullarda nükleik asitler genellikle tuz halinde ve nötr durumda bulunurlar.
DNA polinükleotid zincirleri kimyasal veya enzimatik yolla hidrolitik olarak nükleotidlerine parçalandığında, kırılma fosfodiester bağlarının her iki tarafında da meydana gelebilir. Buna göre serbest kalan nükleotidler fosfat gruplarını pentozun 5´ ve 3´ pozisyonuna bağlı olarak taşırlar. Buna göre nükleik asit yapısından ayrılan nükleotidler nükleozid – 3´ – monofosfat veya nükleozid – 5´ – monofosfat olabilirler.
DNA’nın Sekonder ve Çift Sarmal Yapısı:
1953’de Watson ve Crick, DNA’nın bilinen çift sarmal (double helix) modelini kurdular. Watson – Crick modeli, X – ışını ile çalışan kristallografların, organik kimyacıların ve biyologların düşünce ve çalışmalarına dayanır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA’nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, böyle bir molekül yapısının birden fazla polinükleotid zincirin birbiri etrafında dönümler yapmasıyla meydana gelebileceğine işaret etmekte ve molekülde tekrarlanmalar yapan kısımlar arasındaki uzaklıklar hakkında bilgi sağlamaktadır.
Watson – Crick probleme, “DNA yapısı, onun biyolojik görevi ile ilişkili olmalıdır” düşüncesiyle yaklaşmışlardır. Bu ilişki teorinin anahtarı durumundadır. Hücrenin makromoleküllerinin yapısının biyolojik görevle ilişkili olması, Watson – Crick teorisiyle önemli şekilde vurgulanır ve bu düşünce moleküler biyolojinin temelini oluşturur.
Watson ve Crick’in sunduğu modele göre DNA çift zicirli yapıdadır. Bu çift zincir iki tek zincirin bazları arasında hidrojen bağları oluşmasıyla meydana gelir. Bu iki polinükleotid zincir ortak bir eksen boyunca sağa dönümlü bir heliks oluşturur.
İki polinükleotid zincir birbirine H bağlarıyla tutunur. Bu bağlar, dönümler yapan DNA molekülünün stabilitesinin korunmasında büyük ölçüde yardımcı olurlar. Baz çiftleri çift sarmalın termodinamik stabilitesine iki yolla katılır. Bunlardan biri, bazlar arasında H bağı oluşurken enerji açığa çıkmasıdır. Diğeri ise, sarmal boyunca üst üste dizilmiş baz çiftlerinin elektron sistemleri arasındaki etkileşimler sonucu oluşan hidrofobik baz dizilişlerinden enerji açığa çıkmasıdır. Bu etkileşimler sarmal yapıyı negatif yüklü fosfat grupları arasındaki itici elektrostatik kuvvetler karşısında dengeler.
Guanin ile sitozin arasında üçlü H bağı oluşurken, adenin ile timin arasında ikili H bağı oluşur (şekil 7). Bu bağların bazların hangi atomları arasında oluştuğu tablo 3’de gösterilmiştir. G ile C arasında üçlü, A ile T arasında ise ikili H bağı oluşmasının sebebi bu bazların moleküler yapısından kaynaklanmaktadır. H bağı sayısındaki bu fark olası yanlış baz eşleşmelerinin yapılmasına engel olmaktadır.
H bağı oluşan atomlar Aradaki uzaklık (Å)
T – A N3 – H..............N1
O4..............H – N6 2.835
2.940
C – G O2..............H – N2
N3..............H – N1
N4 – H.............O6 2.86
2.95
2.91
Tablo 3 : H bağlarının oluştuğu atomlar ve aradaki uzaklık
Bazlar arasında H bağları oluşumunun özgüllüğü, iki polinükleotid zincirdeki fosfodiester bağlarının birbirine göre ters yönde olmasına yol açar. Bu nedenle iki polinükleotid zincir birbirine ters yönde paraleldir. Yani iki zincir kimyasal yapı bakımından birbirine zıt durumdadır (şekil 8).
İki polinükleotid zinciri birbirine bağlayan H bağları daima bir pirimidin bazı ile bir pürin bazı arasında meydana gelir. Baz eşleşmesi adı verilen bu bağların özgül bir biçimde meydana gelmesi pürin ve pirimidin bazlarının yapılarındaki bazı farklardan meydana gelir.
Bunlardan birisi sterik kısıtlama denilen olaydır. Yapılarından da anlaşılacağı gibi pürin ve pirimidin bazlarının uzayda kapladıkları yer farklıdır. Pirimidin bazları (C ve T) pürin bazlarından (A ve G) daha küçüktür. Buna karşılık iki polinükleotid zincirin şeker – fosfat omurgasının oluşturduğu sarmal yapıda eşleşme yapan baz çiftlerine bağlanan glikozidik bağlar arasındaki uzaklık DNA molekülünün her yerinde 10.85 Å dür. Bu mesafenin dolayısıyla da DNA’nın stabilitesinin korunması için daima bir pürin ile bir pirimidin bazının eşleşmesi gerekmektedir.
İkinci bir sebep ise H bağları oluşumu gereksiniminin kısıtlaması. Pürin ve pirimidin bazlarındaki H atomları iyice belirlenmiş pozisyonlarda bulunurlar. Bazlar arasında sıkı bir etkileşim sağlamak için, H bağlarının yönelimleri ve uzaklıkları ancak adenin ile timin ve guanin ile sitozin arasında olmaktadır. Buna göre, pürin ve pirimidinler arsındaki baz eşleşmesi; daha da özgül olarak sadece adeninle timin ve guaninle sitozin arasında meydana gelir. Bir DNA molekülünün açık yapısı şekil 9 da gösterilmiştir.
Yukarıda açıklanan nedenlerden dolayı bir DNA sarmalının çapı yaklaşık 2 nm (20 Å) olarak sabit kalmıştır. DNA molekülü sağa doğru dönümler yaparken dönümler sırasında zincirlerdeki bazları şeker halkalarına bağlayan glikozidik bağlar tam olarak karşı karşıya gelmezler. Bunun sonucu olarak, çift sarmalın şeker fosfat omurgaları eksen boyunca eşit aralıklı yer kaplamazlar ve omurgalar arasında oluşan olukların boyutları eşit değildir. Daha derin olana büyük oluk, diğerine ise küçük oluk denir (şekil 10).
Nükleotidlerin bazları molekülün omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine dik durumdadır. Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3.4 Å dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna göre 36º’lik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360º’lik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34 Å dür (şekil 10).
DNA çift sarmalının genetik açıdan en önemli özelliklerinden birinin ortaya çıkmasını da baz eşleşmelerindeki özgüllük sağlar. Bu özellik DNA molekülündeki iki polinükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Bu kavram bazlar arasındaki eşleşmenin daima A – T ve G – C arasında olmasından kaynaklanır. A ile T’nin ve G ile C’nin birbirini tamamlaması özelliğine göre, bu özgül bazları karşılıklı olarak taşıyan iki zincirin birbirinin tamamlayıcısı olduğu kabul edilir. Buna göre, bir zincirdeki baz dizisi diğerindeki diziyi belirler.
Tamamlayıcılık özelliği, genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklaması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinden biridir.
Çift sarmalın dışta bulunan şeker – fosfat omurgası yüksek derecede negatif yüklüdür. İn - vitro çözeltilerde bu yükler
l iyonlarıyla (örneğin Na ile) nötr duruma getirilir. Fizyolojik koşullarda ise nötr hale getirilme pozitif iyonlarla (katyonlar veya bazik proteinlerle) yapılan etkileşimler sonucu sağlanmaktadır.
DNA Yapısının Biyolojik Anlamı:
Hücrenin kalıtım materyalinin iki ayrı görevi olmalıdır. Birincisi, bu materyal kendi kendine çoğalabilmeli; ikincisi, herhangi bir hücrenin yapısı veya görevinde gereken işleri başarabilmelidir.
DNA ipliklerinin birbirini tamamlayıcı olması ve tamamlayıcı bazlar arasında çok özel bağların bulunması aradaki hidrojen bağlarının kendiliğinden meydana gelmesi, DNA’nın yalnız başına kendine benzer yeni bir molekülün oluşmasını sağlar. DNA molekülünün bir yarısı, yeni oluşan molekül için bir kalıp gibi rol oynar. Hidrojen bağlarının meydana gelişi, bir enzimle katalize edilmeksizin, kendi kendine olan bir olaydır. Özel tamamlayıcı bazların seçimi, bu yüzden katalize edilmeye gereksinim göstermez. Fakat nükleotidlerin fosfodiester bağlarla bağlanması bir kovalent reaksiyondur ve enzimatik katalizle gerçekleşir.
DNA’nın ikinci biyolojik görevi, protein senaaainde kullanılmak üzere gerekli bilgiyi sağlamaktadır. Bu bilgi naklinden DNA yapısındaki bazlar sorumludur.
DNA’nın Moleküler Ağırlığı:
Bir DNA molekülünün ağırlığı içerdiği baz çift sayısıyla doğru orantılıdır. Nükleik asitler uzun ve dallanmamış moleküllerdir. Çaplarının dar olmasına karşılık boyları çok uzundur. Örneğin 3000 baz çifti (3kb) taşıyan bir DNA parçasının boyu 1 µm dir. Bilindiği gibi DNA’nın çapı 2 nm dir.
Organizmaların yapısı karmaşıklaştıkça içerdikleri genetik materyalin kitlesi genellikle artış gösterir. Bunun temel nedeni, basitten gelişmiş canlılara doğru gidildikçe gen sayısının artmasıdır. Örneğin, SV40 virüsünün 5.2 x 103 baz çiftinden ibaret genomunda sadece 5 – 10 gen bulunur. E. coli genomunda ise yaklaşık 4 x 106 baz çifti vardır. Eğer E. coli’de bir genin ortalama 1000 baz çifti içerdiğini var sayarsak, bu bakteride yaklaşık 4000 gen bulunması gerekir.
DNA moleküllerinin moleküler ağırlıklarını klasik kimyasal metodlarla tam olarak belirlemek oldukça güçtür. DNA moleküllerinin ağırlıklarının ölçülmesinde en çok kullanılan yöntemler şunlardır;
• viskozitenin ölçümü,
• sedimantasyon oranı,
• elektron mikroskobu ile,
• otoradyografi,
Genelde bu metodların iki veya daha fazlasının bir kombinasyonu kullanılabilir.
DNA moleküllerinin ağırlıkları 106 ile 109 dalton (1 dalton= 1.66 x 10-24 g dır.) değişir. Zaman zaman ağırlıklar 109 da geçebilir.
Değişik türlere ait DNA molekülleri ağırlıkları tablo 4 de verilmiştir.
Kaynak M. A. Uzunluk Nükleotid çifti sayısı
E. coli 2.2 x 109 1 mm 3 x 106
H. influenzae 8 x 108 300 µm 12 x 105
Bakteriyofaj T2-T4 1.3 x 108 50 µm 2 x 105
Bakteriyofaj λ 33 x 106 13 µm 0.5 x 105
Bakteriyofaj ØX174 1.6 x 106 0.6 µm -
Polioma virüsü 3 x 106 1.1 µm 4.6 x 103
Fare mitokondrisi 9.5 x 106 5 µm 14 x 103
Tablo 4 : Çeşitli DNA moleküllerine ait veriler.
DNA’nın Farklı Biçimleri:
Watson ve Crick’in buluşlarından sonra son yıllarda, DNA ipliklerinin X ışını kırılma özelliklerini çalışılmasıyla, DNA’nın hiç değilse 3 yapısal şekilde bulunduğu gösterilmektedir. Watson ve Crick’in yapısal özelliklerini belirlediği DNA, bu gün B – DNA diye isimlendirilir. Farklı yapısal şekildeki diğer DNA’lar ise A ve Z DNA’lardır. Bu farklı organizasyonlar, bazı özel nükleotid sıralarının çift helikse devamlı bir bükülme verebilmesiyle ortaya çıkar. Böylece her bir DNA şekli, hem çift heliksin dışından yalnızca bazlarını eşleştirerek ve hem de bazların iskeletin eksenine göre pozisyonlarındaki ayrıntılarını belirleyerek ayırt edilir. Bu üç tip DNA dışında da farklı özellikte DNA’lar vardır fakat bunlar çok az miktarda bulunduklarından burada incelenmeyecektir.
B – DNA : Hücresel DNA’nın büyük bir kısmı bu gruba dahildir. Şu ana kadar incelediğimiz DNA’da B – DNA’dır. Kısaca tekrar değinmek gerekirse çapı yaklaşık 2 nm olan bu DNA biçiminin her dönümünde yaklaşık 10 baz çifti bulunur. Bazı kaynaklarca bunu 10.5 olabileceği de belirtilmiştir. Sağa dönümler yapan DNA’da baz çiftlerinin düzlemleri sarmalın eksenine diaaadir ve sarmal küçük ve büyük oluklara sahiptir. Düşük iyon yoğunluklu çözeltilerde ve nem derecesi çok yüksek (%92) fibrillerde DNA B biçiminde bulunur. Canlı hücrelerin fizyolojik koşullarına uyum gösterecek DNA biçimi de B – DNA’dır.
A – DNA : Sağa dönümlü ve her dönümde 11 baz çifti bulunan DNA yapısıdır. Baz çiftlerinin düzlemleri eksene göre 20º’lik eğimlidir ve komşu baz çiftleri arasındaki uzaklık 2.7 Å dür. Bu nedenle A – DNA molekülleri B yapısındaki benzerlerinden daha kısa ve geniş çaplıdır (23Å). Küçük oluklarda daha belirgin ve derindir. Sodyum, potasyum veya sezyum iyonları varlığında ve %75 nem içeren fibrillerde DNA A biçiminde bulunur, yani B – DNA’nın dehidratasyonuyla meydana gelir.
Hücrede A – DNA biçiminde bölgelerin bulunup bulunmadığı ve eğer bulunuyorsa işlevi tam olarak bilinmemektedir. Bununla beraber, 2´ OH grubunun B biçiminin oluşmasını engellemesi nedeniyle, RNA’nın çift zincirli bölgelerinin A biçiminde olması gerekir.
Z – DNA : Bu biçimin en ayırt edici özelliği dönüm yönünün sola doğru olmasıdır. Z – DNA dönüm boyu 45.6 Å olan ve dönümlerinde en fazla 12 baz çifti içeren bir yapıya sahiptir; çapı da diğerlerine göre daha dardır (18Å). Şeker – fosfat omurgası sarmal boyunca zikzak bir hareket yaptığı için bu yapı Z – DNA olarak adlandırılır. Z – DNA da sadece tek çeşit oluk bulunur.
Pürin ve pirimidinlerin düzenli olarak birbirini izlediği dizilere sahip DNA’larda, uygun iyon koşullarında, Z biçimi oldukça kolay elde edilmektedir. Ayrıca tekrarlanan GC dizilerinin bulunduğu bölgelerde, özellikle sitozinlerin C5 atomlarına metil grubu eklenmesiyle oluşan 5 – metilsitozinler B – DNA’nın Z – DNA biçimine dönüşmesine yol açmaktadır. Hatta, metillenme pürin - pirimidin tekrarı olmaksızın da aynı sonucu yaratmaktadır.
Z biçimi in - vitro bazı olağan dışı koşullarda elde edilmektedir. Örneğin yüksek tuz yoğunluğu kullanılması nükleotidler arasındaki itme kuvvetini arttırmakta ve Z – DNA’nın dar çaplı yapısını ayarlamaktadır. Z – DNA’nın hücre içindeki oranı henüz bilinmemektedir.
Şekil 11 : (a – c) A, B ve Z – DNA’lar (M=büyük oluk, m=küçük oluk).
Bu üç tip DNA molekülüne ait bazı ölçüm değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
DNA biçimi Baz çifti sayısı/dönüm Dönüm/baz çifti Baz çiftleri arası uzaklık Sarmal çapı
B 10.4 +34.6º 3.38 Å 20 Å
A 11 +34.7º 2.56 Å 23 Å
Z 12 -30.0º 3.71 Å 18 Å
Tablo 5 : Çeşitli DNA biçimlerine ait bazı veriler (+ = sağa dönüm, - = sola dönüm).
Calladin Kuralları
Chris Calladin 1982’de yaptığı deneysel çalışmalar sonucunda DNA’nın yapısıyla ilgili çeşitli kurallar bulmuştur.Bu kurallar sonucunda Calladin bir DNA yapı modeli ortaya atmıştır.Bu model tamamlanamamıştır çünkü elektrostatik ilişkileri faktörleri ve hidrojen bağlarının hidrasyonunun faktörleri tam olarak bilinmez.
*B-DNA Sarmal ekseninin düz olmasına gerek yoktur.Ancak 112 Å’un yarıçapı ile kıvrılabilir.
*Kıvrılma açısı p 36 der.’de değişme gösterebilir. Fakat 28 der.’den 43 der. Kadar çeşitlilik gösterebilir.
*Pervane dönüşünün sınırları C-G çifti için +11 der. Ve A-T çifti için aaaa der.’dir.
*Baz çiftleri çarpışmaları azaltarak uzun eksenleri boyunca dönerler.
*Şeker kıvrılması C3’-exo’dan O 4’endo ve C2’endo’ya kadar değişiklik gösterir.
*Bazlar bölgesel olarak kayarlar ve bu şekilde üst üste çakışırlar. D(TCG) içinde ki burada C-2 , G-3 ile stoğu yükseltmek için sarmal ekseninin arasında hareket eder.
Ave B –DNA’nın polimorfları çift ipliğin yer yer açılmaları ile ve kristal yapıdaki yan çıkışlar açıklıklar ve nanomerik parçalar halinde gözlenir.
DNA EĞRİLMESİ (bending)
Ave B tipi birer sarmal arasındaki birleşme sonucu eğri DNA ortaya çıkar. Sarmal ekseninin içinde 26 der.’lik bir eğrilme ile oluşur.Birleşmeler her 5 baz’da bir ve karşılıklı oluşur. Bu eğrilme olayının bir sonucudur ki bu DNA’nın sürekli bir kıvrılmaya sahip olmasını sağlar. Uyumsuz baz çifti eşleşmeleri 2 şekilde olur.
1-Transition mismatch (geçişle yanlış eşleşme)
2-Transversion mismatch (çaprazlama ile yanlış eşleşme)
A,B ve Z formlarında G-T baz çiftlerinde gözlenir.Tipik “wobble”çiftleri oluşur. Bu çiftler anti-anti glikozilik bağlara sahiptir.D(CGCGAATTAGCG)dodecamerin kristalleri bir (anti) G-A (syn) yanlış eşleşmiş baz çiftine sahiptir. Bu eşleşme 2H bağı ile olur. Diziye bağımlı değişiklikler,DNA’nın proteinlerce tanınmasını sağlayan önemli bir faktördür. Buna göre şöyle bir sonuca varılabilir. DNA yapısal olarak diğer makromoleküllerle ilşki kuracak şekilde evrim geçirmiştir. Buna göre serbest doğrusal DNA sarmalı biyolojik olarak en uygun yapıdır.
Kaymış (Slipped) Yapılar: Doğrudan dizilerde oluşurlar ve önemli düzenleyici bölgelerin üst taraflarında yer alırlar.Tanımlanan yapılar tek iplikli nükleazların “cleaveage”dokuları ile uyumlu olmakla beraber iyi bilinmemektedir.
Pürin-pirimidin ekleri: Bunlar düşük sıcaklıklarda büyük girintiler de , baz çiftleşmesinde uzun aralıklı , dizilere bağımlı tekil baz kaymaları ile alışılmışın dışında yapılar oluşur.
Anizomorfik DNA: Bu doğrudan tamirle alışılmadık fiziksel ve kimyasal özellikleri olduğu bilinen viral DNA’nın eklem bölgelerindeki dizilerle ilgili DNA yapılarına verilen addır. İki birbirini tamamlayıcı iplik değişik yapılara sahiptir. Bu negatif süpercoillerde ortaya çıkan kıvrılmaların gerilimi altında görülen, dizi merkezlerinde meydana gelen ardışık yapısal kırıklara yol açar.
Saç tokası şeklindeki ilmekler(Hairpin loop): Bunlar ters dönmüş tamamlayıcı diziler sahip parçaları olan tekil oligonükleotid iplikleri tarafından oluşturulur.Örneğin 16-merd (CGCGCGTTTTCGCGCG)hekzamer tekrarına sahiptir ve onun kristal yapısı 4T’li ilmeği olan hairpin ve bir Z DNA hekzamer gövdesi gösterir. B u ters dönmüş diziler DNA dupleksinde yer aldıkları zaman haç formunun oluşumu için gerekli koşullar meydana gelmiş demektir.
Haç benzeri (cruciform): Bu iplik içi baz çiftleşmesi içeren bir yapıdır. Tek bir açılmamış dupleks bölgeden iki hairpin ilmeği ile iki gövde meydana getirirler. Tersine dönmüş dizi tekrarlar palindromlar olarak bilinir. Bunlar kısa bir aradan sonra ters yöndeki aynı dupleks dizinin takip ettği DNA dupleks dizilerine sahiptir. Bu durum decamer olamayan iki dizinin palindromlarının yer aldığı Pbr322 bakteriyal plazmidinin içinde de gözlenir. Her ne kadar ilmeklerde bazlar kısmi olarak depolanıyor olsada tek bir haç şeklindeki yapının oluşumunu enerji miktarı 75 kjmol kapalı dairesel süper helikal DNA’ların kullanıldığı bu yapının deneylerinde , bu enerji negatif süpercoillerin formundaki gerilme enerjisinin serbest bırakılması ile elde edilir.Bu da haçın kollarının uzunluğu ile doğrudan ilişkilidir. 10,5bç’lik bi kolun oluşumu süpercoili bir dönüş kadar çözer.
Nadir Görülen DNA Yapıları:
1980’den beri alışılmışın dışında DNA yapıları olduğu bilinmekteydi. Bazıları DNA’ların süper coillerine bağlıdır.
Kıvrık DNA:
DNA duplexleri 150 baz çiftinden daha uzundur. Dairelerin kovalent kapanış tarafından açık DNA mini dairesini eğriliği diziye bağlıdır. DNA’nın bu eğriliği tripanozomatitlerden alınan kinetoplast DNA’sı içinde gözlemlenmiştir. Bu açık DNA mini dairelerinin kaynağını oluşturur. Kinetoplast DNA’sı kısa A eklere sahiptir. Bunlar genel dizi tarafından 10 baz çifti aralıklarla yerleştirilmiştir. Herbir tekrar için 20-25 eğrilik içerir.DNA eğrilmesi bu poli (DA eklerinin kalıtımsal özelliği olup çok sayıda oligonükleotitler içinde gözlenebilirler. Richard Dickerson poli (dA) ekleri doğrusaldır. B form kristal yapıda gözlenmiştir. Eğrilme ise sarmalın sınırları içinde meydana gelir. Herbir yarım dönme başına bu doğrusal dA eklerinin tekrarlı değişimi kıvrık DNA’yı oluşturur. (Şekil 16)
W-DNA:
Sol yönde dönen çift sarmal yapı için zikzak model önerilerek oluşturulmuştur. Daha az dönüme sahiptir. Genel olarak B DNA’ya benzer bir glikozil geometrisi bakımından Z DNA’ya çok benzer. Sitozin C endo şeker kıvrımlarına sahiptir. W’de de Z DNA daki gibi minor girintiler ve major girintiler yüzeyseldir. Z DNA W DNA’dan daha az enerjiye sahiptir
3.BU
DNA bir organzimanın oluşuma ilişkin bilgileri taşır.DNA molekülleri, hücre çekirdeğinde bulunurlar ve vucudumuzda bulunan tüm proteinleri oluşumu sırasındaki kodlamış bilgileri içerir.DNA’nın protein yapma işlemi ,inanılmayacak derecede kusursuzdur.
DNA molekülü bükülmüş bir merdivene benzer.Her bir hücrenin DNA merdiveni hem anneden hem babadan gelen genleri içerir.Merdivenin basamakları,timin (T), adenin (A), sitozin (C), ve guanin ( G),adı verilen bazların kusursuz düzenlenmesiyle oluşur.Her bir aşamanın tamamlanması için bir baz çifti, belirli bir kombinasyonla eşleşir. T her zaman A ile, A da her zaman G ile eşleşir. Buna karşılık, C herzaman G ile ve G de her zaman C ile eşleşir. BU eşleşme, DNA’nın kendini kopyala işleminde önemli rol oynar.
Kopyalama işlemi başladığında DNA dizeleri çözülür ve baz çiftleri birbirinden ayrılır. Bu aşamada molekül, açılmakta olan bir fermuara benzer.Daha sonra serbest halde bulunan timin (T), adenin ( A), guanin (G), ve sitozin ( C),içeren nükleotidler, dizideki eşeleşmemiş bazlara katılırlar. Serbest halde bulunan A’lar T’lerle, serbest halde bulunan T’lerle A’ lar eşleşir.Aynı şekilde serbast halde bulunan G’ler C’lerle,ve C’ler G’lerle eşleşir.
Dizideki eşleşmemiş moleküllerin her biri, yalnızca belirli bazlarla eşleşeceği için DNA kendisinin mükemmel bir kopyasını üretebilir.Böylece eskiden tek bir DNA molekülün bulunduğu yerde kısa bir süre içinde iki özdeş DNA molekülü ortaya çıkar.
DNA’nın içerdiği bilgiler bu şekilde kopya edilirken, bir hücre bölününebilir ve bir organizmanın nasıl oluşacağı hakkındaki bilgilerde nesilden nesile geçmiş olur.
Genetik olayların hücrede moleküler düzeydeki temeli genetik materyal görevini üstlenen nükleik asitlerin yapı ve özelliklerine dayanır. Nükleik asitlerin iki türü olan deoksiribonükleik asit DNA ve ribonükleik asit RNA temelde aynı yapısal özelliklere sahiptir.
Genler, DNA‘daki bazı kimyasal dizilimler olan nükleotidlerden meydana gelmiştir. Çoğunluk kromozomların içersinde bulunurlar. Ayrıca DNA molekülü prokaryotlarda (Bakteriler) kromozom dışı genetik sistem, olan plazmidlerde, Ökaryotik hücrelerde genetik materyalin kromozomlar (Nukleus) dışında temel olarak (hayvan ve bitkilerde) mitokondri ve (sadece bitkilerde ve alglerde) kloroplastlarda bulunduğu bilinmektedir.
1953 yılında Watson ve Crick DNA molekülünün kendine has özelliklere sahip bir çift sarmal yapı halinde bulunduğunu ileri sürdüler. Bu araştırıcıların önerdikleri DNA yapısı o tarihlerde başka araştırıcılar tarafından ortaya konulan DNA ya ilişkin önemli bulgulara dayanmaktadır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X-ray ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Ayrıca TMV (tütün Mozaik Virusu) üzerinde yapılan çalışmalar da DNA ile ilgili çalışmalarda ışık tutmuştur.
Bir başka önemli bulguda Chargaff tarafından saptanmıştır. Herhangi bir türe ait DNA nın nükleotidlerine parçalandığında serbest kalan nukleotidlerde adenin miktarının timine, guanin miktarının da sitozine daima eşit olduğunun saptanmasıdır.. Yani Chargaff kuralı‘na göre doğal DNA moleküllerinde adeninin timine veya guaninin sitozine oranı daima 1’e eşittir. (A/T=1 ve G/C=1).
İşte Watson ve Crick bu bulguları değerlendirerek böyle özelliklere sahip DNA makro molekülünün sekonder yapısına ait bir model geliştirdiler. Bu modele göre, bir çok sorunun açıklanması yapılabildiğinden dolayı 1962 yılında bu iki bilim adamına Nobel Ödülü verildi.
Bu modele göre;
DNA molekülü, heliks (=sarmal) şeklinde kıvrılmış, iki kollu merdiven şeklindedir. Kollarını, yani merdivenin kenarlarını, şeker (deoksiriboz) ve fosfat molekülleri meydana getirir. Deoksiriboz ile fosfat grupları ester bağlarıyla birbirlerine bağlanmıştır. İki kolun arasındaki merdiven basamaklarında gelişigüzel bir sıralanma yoktur; her zaman Guanin (G), Sitozin’in (C ya da S); Adenin (A), Timin’in (T) karşısına gelir. Hem pürin (yani adenin ve guanin) ile pirimidin (yani sitozin ile timin) arasındaki hidrojen bağları, hemde diğer bağlar, meydana gelen heliksin düzgün olmasını sağlar. Pürin ve pirimidin bazları, yandaki şekerlere (Riboz), glikozidik bağlarla bağlanmıştır. Baz, şeker ve fosfat kombinasyonu, çekirdek asitlerinin temel birimleri olan nükleotidleri meydana getirmiştir. Dört çeşit nükleotid vardır. Bunlar taşıdıkları bazlara göre isimlendirilirler (Adenin, Guanin, Sitozin,Timin).
DNA molekülü kendini oluşturan nukleotidlerin sayısına bağlı olarak, büyüklüğü türden türe değişen, uzun zincir şeklinde bir yapı gösterir. İnsanda bu zincirin uzunluğu açıldığında 2 metreye kadar varabilir. Bütün halinde eldesi zincirin hassas ve kırılgan yapısından ötürü çok güçtür.
İki polinükleotid zincirin şeker fosfat omurgaları, ortak bir eksen çevresinde eşit çaplı ve sağ yöne doğru dönümler meydana getirir. Nükleotidlerin bazları molekülün omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine 90 derece açı yapacak şekilde konumlanmıştır. Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3,4A dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna 36 derecelik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360 derecelik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34A dür.
İki polinükleotid zincirdeki nukleotidler karşılıklı olarak birbirlerine hidrojen bagları ile bağlanmıştır. Bu bağ fosfor bağları kadar kuvvetli olmadığı için pH değişikliği, sıcaklık basınç gibi faktörlerde kolaylıkla birbirlerinden ayrılabilmektedir. DNA nın kendi kopyasını yapması ve gen anlatımı, nukleotidler arasındaki hidrojen bağlarının ayrılması ile gerçekleşmektedir.
Nükleotidler birbirlerine fosfat bağlarıyla bağlanarak, şeker ve fosfat kısımlarının birbirlerini izlediği serilerden oluşan bir omurgaya sahip uzun ve dallanmış polinükleotid zincirlerini meydana getirmiştir. Kovalent ester bağları veya fosfodiester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir. Fosfodiester bağlarının varlığı DNA molekülünün tek zincirli yapı halinde iken bile dayanıklı ve stabil yapıda olmasını sağlar. Genetik mühendisliğinin hedeflerinden biri olan klonlama çalışmaları, doğal yolla gerçekleşmesi mümkün olmayan kovalent bağ kırılmalarını gerçekleştirerek yeni türler oluşturma çabalarını içerir.
Nukleotidlerin yapısı bazik olmasına karşın oımurgadaki PO4(fosforik asit) grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır.
Hidrojen bağları daima bir pürin(A,G) ile bir pirimidin (T,C) bazı arasından meydana gelir. A-T baz çiftinde 2 hidrojen bağı, G-C baz çiftleri arasında ise 3 hidrojen bağı bulunmaktadır. Hidrojen bağlarının özelleşmesi; anahtar kilit modelinini andıran, uygun nukleotid moleküllerinin karşılıklı gelerek birbirlerine yine uygun sayıda hidrojen bağları ile bağlanmasını sağlar. Böylece zincirin bir kolunda bulunan nukleotidlerin dizilişi,karşı kolda bulunan nukleotidlerin dizilişini bir çeşit dikte ve kontrol eder. Tesadüfe bırakmayan bir titizlikle molekül yapısı oluşturulur ve kontrol edilir.
DNA molekülünün en önemli özellik iki polinükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Pozitif (+) ve negatif (–) iki polinukleotid zincirlerinin tamamlayıcılık özelliği,genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklanması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinin başında gelir.
DNA çift sarmalının dikkate değer ve önemli bir özelliği, molekülü oluşturan zincirlerin birbirlerinden kolaylıkla ayrılabilmesi ve yeniden birleşebilmesidir. Protein senaaai ve Dna replikasyonu (kendi kopyasını oluşturması) bu özellik sayesinde meydana gelebilir. DNA’nın iki zinciri, birbirine sadece H bağları ve hidrofobik etkileşimlerle bağlı olmaları nedeni ile, nükleotidleri arasındaki kovalent bağlardaki herhangi bir kopma olmaksızın çözülebilir (denatürasyon). Aynı şekilde çözülmüş molekülün zincirleri tamamlayıcı bazları arasında H bağlarının oluşumu ile birleşip sarmal yapıyı yeniden oluşturabilir (renatürasyon).
Nükleotidler arasındaki fosfor bağlarının kopması nedeniyle nükleotidlerin yerine başka nukleotid veya nukleotid dizisinin geçmesi mutasyonlara yol açar.Bu mutasyonların tek zincirli RNA molekülünde oluşma olasılığı çift zincirli DNA molekülüne göre daha fazladır.Mutasyonların neticeleri ölümcül olabilir. Evrimsel gelişim içinde mutasyonların menfi yada müspet etkileri gözardı edilemeyecek noktadadır. Günümüzde viral hastalıkların başında gelen AIDS’in önüne geçilememesinin en geçerli nedeni genomu tek zincirli RNA olan virusun sürekli mutasyonlar geçirerek kendini sürekli yenilemesi gösterilebilir.
Genetik bilgi bir dil gibidir. Biz alfabemizdeki harfleri bir araya getirerek kelimeleri, sonra da kelimeleri birleştirerek cümleleri, sonra paragrafları ve kitapları yazarız. DNA’da ise:
§ Alfabe sadece 4 harften ibarettir
§ Her harf baz veya nükleotid denilen kimyasal bir molekülü temsil eder
§ Kodon adı verilen genetik kelimeler bu harflerden oluşmuştur
§ Diğer dillerden farklı olarak genetik dilde bütün kelimeler (kodonlar) sadece 3 harften müteşekkildir
§ Bu kelimeler bir araya gelerek genler adını verdiğimiz cümleleri oluştururlar
§ Bütün cümleler bir araya gelerek genetik bilginin tamamını içeren bir kitabı yani genomu meydana getirirler.
DNA (Deoksiribonükleik asit); karbon, hidrojen, oksijen, azot, fosfat atomlarından oluşan ve hücrenin bütün hayati fonksiyonlarında rol alan dev bir moleküldür. DNA’yı oluşturan nükleotidler üç bölümden meydana gelmişlerdir:
• Baz : Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), Sitozin (C)
• Şeker (5 karbonlu karbonhidrat)
• Fosfat grubu
Birbirlerine fosfat bağları ile bağlanmış şeker dizilerinde her bir şekere bir baz da bağlıdır. Bu DNA’nin bir zincirini oluşturur.
C T G A ...
şeker- fosfat- şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - ...
Yine aynı yapıya sahip olan ikinci DNA dizisi, iki dizi arasında belirli bazlar arasında bulunan hidrojen bağları ile birbirine bağlıdır. DNA bu iki zincirin birbirine sarılarak heliks oluşturması ile meydana gelmiştir.
şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - ...
G A C T ...
||| || ||| || ||
C T G A ...
şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - şeker - fosfat - ...
DNA’nın vazifesi ve önemi nedir?
DNA molekülünün bir bölümü olan her bir ‘gen’ insan vücüdündaki belli bir özelliği kontrol eder. Canlının vücut şekli, her organına ait iş bölümü ve bu organların çalışma düzenleri, hücre içinde üretilmesi gereken proteinlerin genetik kodları, üretilecek proteinlerin miktar kontrolleri (gen regülasyonu) gibi canlının hayatını devam ettirmesi için gereken şeyler DNA üzerinde planlanmış, kodlanmıştır.
DNA’nın hücredeki yeri
İnsan hücrelerinde bulunan DNA yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşmuştur ve yaklaşık 1 metre uzunluğundadır. Bu 1 metre uzunluğundaki polimer, gözümüzle bile göremediğimiz küçüklükteki hücrenin çekirdeğinde saklanmaktadır. ‘Histon’ denilen proteinlere sarılarak paketlenip kromozomları oluşturan DNA bulunduğu küçücük yerde olduğu gibi durmamakta, gerekli olan gen bölgeleri enzimler vasıtası ile açılıp kodların mRNA (messenger ribonükleik asit) denilen bir başka molekül vasıtası ile kopyaları çıkartılıp, bu kopya vasıtası ile proteinler senaaalenmektedir . Gerekli bölge bu şekilde okunduktan sonra DNA zinciri yine eski paketli haline dönmektedir. Ancak bir düşünün aynı anda bir değil belki onlarca farklı bölgeden DNA açılıp, gen şifreleri okunup yine kapatılmaktadır. Bir iplik yumağı düşünün ki, bu yumağın ortasından, başından sonundan bir yerleri aynı anda açılsın, sonra yine intizam bozulmadan sarılsın bu mümkün mü? İşte bu imkansız gibi görünen olay her an, her canlının her hücresinde hatasız, kusursuz, mükemmel bir şekilde üstelik cansız atomlar, moleküller elleriyle yaptırılıyor.
İnsan Genom Projesiİnsan Genom Projesinin son hali, ‘İnsanlığın Kitabı’nın daha önce düşünülenden daha harika, muhteşem ve sırlarla dolu olduğunu göstermektedir. İnsanın DNA dizi analizini yapmak için yaklaşık 20 laboratuvarda yüzlerce bilim adamı 10 yıldan fazla çalışıyorlar. Bu proje için 16 kurumdan oluşan uluslararası bir konsorsiyum ile Dr. Craig Venter’in başkanlık ettiği Celera Genomics firması çalışıyor. Haziran 2000 yılında uluslararası İnsan Genome Projesinin liderleri bir yıl sonra insan genomunun ilk müsvedde halini tamamlayacaklarını açıkladılar. Şubat 2001’de ise Science ve Nature dergilerinin özel sayılarında projede ulaştıkları son durum ve analizleri yayınladılar.
İnsan Genom Projesinin amaçlarından bazıları şu şekilde özetlenebilir1:
§ İnsan genomunda bulunan genleri belirlemek
§ DNA’yı oluşturan yaklaşık 3 milyar baz çiftinin dizisini belirlemek
§ Elde edilen bilgiyi databanklarda saklamak
§ Data analizleri metod ve araçlarını geliştirmek
§ Genler ve fonksiyonları arasındaki bağlantıların bulunması
§ Genlerin kromozomlarda nasıl bir bütün halinde çalıştıklarının tesbiti
§ Genetik hastalıkların temeli ve sebeplerinin tesbiti
Dr. Venter’in takımının Science dergisinde yayınlanan yazısında, insanların düştüğü iki hatadan bahsediliyor. Birincisi determinizim, yani insandaki bütün özelliklerin genlerine bağlı olduğu fikri; diğeri ise indirgeme; yani şimdi bütün insan genlerinin bilindiği düşüncesi. Bilim adamları genlerin fonksiyonlarının ve aralarındaki ilişkilerin anlaşılması aşamasının daha başında olduklarını belirtiyorlar.
Değişik canlılarda DNA ve gen sayısı
Her organizmada belli sayıda kromozom ve belli uzunlukta DNA bulunur. Bazı organizmaların DNA büyüklükleri şöyle sıralanabilir:
Organizma Genom Büyüklüğü (Mb)
Esherichia coli (bir bakteri) 4.64
Saccharomyces cerevisiae (maya hücresi) 12.1
Drosophila melangoster (meyve sineği) 140
Triticum aestivum (buğday) 17 000
Pisum sativum (bezelye) 4800
Mus musculus (fare) 3300
Homo sapiens (İnsan) 3000
Tablo1. Değişik organizmalardaki DNA uzunluğu2 (Mb= mega (106) baz )
Bu tablodan da görülebileceği gibi bir farede veya buğday da bile insandan daha uzun DNA bulunuyor. Bu da DNA’nın uzun olması ile organizmanın kompleks olması arasında her zaman doğru orantı olmadığını gösteriyor. Organizmaların gen sayıları karşılaştırıldığında ise yine benzer bir manzara ile karşılaşıyoruz. Dr. Venter; insanda 50 000 ile 140 000 gen bulunacağını tahmin etmelerine karşın şimdiye kadarki çalışmalara göre sadece 26 000-40 000 civarında genin tesbit edilmesinin bilim adamlarını çok şaşırttığını belirtmiştir. (Gen sayısının tesbitinde kullanılan metodlara göre farklı sayıda gen tesbit edilmektedir. Şimdiki bilgi ve teknoloji ile ancak kesin olmayan yaklaşık sonuçlar elde edilebilmektedir.) Maya hücersinde 6000, meyve sineğinde 13 000, bir tür solucanda 18 000, bir tür bitkide 26 000 gen bulunmasına karşın insan hücresinde çok daha kompleks olması nedeniyle daha fazla sayıda gen olması bekleniyordu. Bu kadar az sayida gen ile insan bedenindeki kompleks yapı nasıl sağlanıyor, bu hala çözülmeyi bekleyen önemli bir sır. Bilim adamları insan bedenindeki karmaşıklığın sırrının DNA veya gen sayısında değil, DNA’daki kontrol genlerinin davranışlarında gizli olduğunu belirtiyorlar.
2.BU
DNA’NIN FİZİKSEL YAPISI
DNA’nın monomerik bileşenleri A, T, C, G bazlarını içeren dört tane deoksiribonükleotiddir. Bu 4 ana bazın dışında bazı DNA’larda değişikliğe uğramış birkaç farklı baz da bulunabilir. Bunlar; metillenmiş bazlar, sülfür içeren bazlar ve anormal bir baz – şeker bağı oluşturan bazlardır. Bunlar DNA’da kimyasal değişikliğe neden olabilir. DNA’da metil grubunun eklenmesi en yoğun şekilde sitozinlerde meydana gelir. Sitozinin 5´ numaralı karbonuna bir metil grubunun bağlanmasıyla 5 – metilsitozin meydana gelir. 5 – metilsitozin özellikle buğday tohumu DNA’sında bol miktarda bulunur (tablo – 1). Bununla birlikte T2, T4 ve T6 fajlarında 5 – hidroksi – metilsitozin tamamen sitozinin yerini almış durumdadır. Ayrıca ilginç bir örnekte PBS 1 bakteriyofajında görülür. Bilindiği gibi urasil bazı sadece RNA molekülünde bulunur. Fakat bu bakteriyofajda timin bazlarının yerini urasil bazları almıştır.
Adenin ve guanin bazları çift halkalı yapıdadır. Bu iki baza pürin bazları denir. Sitozin ve timin bazları ise tek halkalı yapıdadır. Bunlara ise pirimidin bazları denir. Dolayısıyla adenin ve guanin bazlarının moleküler ağırlıkları (A=135.13 dalton, G=151.13 dalton), sitozin ve timin bazlarının moleküler ağırlıklarından (C=111.10 dalton, T=126.12) daha fazladır. Eğer bir DNA molekülünde iki iplikçikten hangisi A ve G ce zengin ise bu zincire ağır zincir diğerine ise hafif zincir denir.
Gerek pürin gerekse pirimidin bazları birkaç tane çift bağ içerirler. Çift bağlar her zaman tek bağlara göre daha kararsız olduklarından, çifte bağ taşıyan moleküller, H atomlarının belli bir serbestliğe sahip olabilmesi için, farklı kimyasal biçimlerde bulunabilme özelliğine yeteneğine sahiptir. Bir H atomu bir N halkasından veya O atomundan bir diğerine hareket edebilir. Örneğin bir amino (NH2) grubundan ayrılarak bir imino (NH) grubu oluşumuna yol açabilir. Böyle kimyasal dalgalanmalara tautomerik değişim ve bu şekilde meydana gelen farklı moleküler yapılara da tautomer adı verilir. Fizyolojik koşullarda, pürin ve pirimidin halkalarına N atomları genellikle amino (NH2) biçiminde, guanin ve timinin C atomlarına bağlı O atomlarda genellikle keto (CO) biçimindedir. Bazların genelde belli taumerik biçimlerde bulunması genetik materyalin kararlılığı açısından önemlidir.
Bazların Molar Oranları:
Bazların molar oranları hidroliziz ve kromatografi yöntemleri ile belirlenebilir. Farklı türler arasında baz oranları büyük değişiklikler göstermesine rağmen, aynı türün farklı organ ve dokuları arasında benzer oranlara rastlanmaktadır (tablo – 1).
DNA kaynağı A G C T 5-metil - C
Boğa timusu 28.2 21.5 21.2 27.8 1.3
Boğa dalağı 27.9 22.7 20.8 27.3 1.3
Boğa spermi 28.7 22.2 20.7 27.2 1.3
Sıçan kemik iliği 28.6 21.4 20.4 28.4 1.1
Buğday tohumu 27.3 22.7 16.8 27.1 6.0
Maya 31.3 18.7 17.1 32.9 -
E. coli 26.0 24.9 25.2 23.9 -
M. tuberculosis 15.1 34.9 35.4 14.6 -
ØX 174 24.3 24.5 18.2 32.3 -
Tablo 1 : Çeşitli kaynaklardan elde edilen DNA’lardaki baz oranları.
Bir DNA molekülünde pürinlerin toplamı pirimidinlerin toplamına eşit olduğu gibi amino bazların toplamı da (A ve C) keto (okso) bazların (G ve T) toplamına eşittir. A ve T eşit molar miktarda bulunur. Dolayısıyla G ve C de eşit molar miktarda bulunur. Bu eşitlikler DNA heliksinin formasyonu hakkında en önemli verilerdendir ve bu Chargaff’ın kuralı olarak ifade edilir. Bu kanunu A + G / T +C = 1 şeklinde de ifade edilir. Bununla birlikte G + C / A + T 1’e eşit değildir. Bu oran çeşitli türlerde ölçülmüş ve değerlerin 0.45 ile 2.80 arasında değiştiği gösterilmiştir. Örneğin birçok bakteriyofajda bu oran 0.5 dir. Yüksek bitkilerde ve hayvanlarda bu oranın değişim sınırları daha dardır ve genel olarak 0.55 – 0.93 arasında bulunur.
Chargaff kuralının iki önemli istisnası vardır. Birincisi buğday tohumu DNA’sında G ve C eşit miktarda değildir. Çünkü buğday tohumunda bol miktarda bulunan 5 – metilsitozin birçok sitozinin yerini alır. İkinci istisna ØX 174 DNA’sındadır. Burada ne A T’ye ne de G C’ye eşittir. Çünkü ØX 174 DNA’sı tek iplikçiklidir.
DNA baz miktarları açısından iki gruba ayrılır. Bunlardan biri AT’ce zengin olanlar ve diğeri ise – ki bu daha az rastlanan tipidir – GC’ce zengin olanlardır.
DNA’nın Primer Yapısı:
Bir baz ile deoksiribozun bağlanması ile oluşan kısma nükleozid denir. Baz ve pentoz molekülü glikozidik bağ ile birbirine bağlanır. Glikozidik bağ şekerin 1´ karbon atomuyla pürinin 9. pozisyonundaki (N9), pirimidinin ise 1. pozisyonundaki (N1) azot atomu arasında meydana gelir. Bu yapıya fosfat (PO4) grubunun katılmasıyla oluşan molekül nükleotid adını alır. Başka bir ifade ile bu nükleozid monofosfattır. Fosfat grubunun bağlanması pentozun 5´ karbonunun esterleşmesiyle meydana gelir. DNA’nın yapıtaşları için kullanılan terminoloji aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.
Baz Nükleozid Nükleotid Nükleik asit
Adenin (A) Deoksiadenozin Deoksiadenilat (dAMP) DNA
Guanin (G) Deoksiguanozin Deoksiguanilat (dGMP) DNA
Sitozin (C) Deoksisitidin Deoksisitidilat (dCMP) DNA
Timin (T) Timidin Timidilat (dTMP) DNA
Tablo 2 : Nükleik asit terminolojisi.
Bir DNA molekülünün tek iplikçiğinin oluşması deoksiribonükleotidlerin polimerizasyonu ile meydana gelir. RNA’da olduğu gibi DNA’da da nükleotidler arası bağlar fosfodiester bağlarıdır.
Bilindiği gibi deoksiribozda 5 karbon atomu vardır. Bu karbon atomlarının birincisine baz bağlanır. Üçüncü ve beşinci karbon atomları hidroksil grupları taşır. Bu hidroksil grupları sayesinde fosfat grubu bu karbon atomlarına bağlanır. Polimerizasyon reaksiyonunda kullanılan asıl yapıtaşları nükleozidtrifosfattır (NTP). Dört farklı bazdan dolayı 4 tip NTP (ATP, GTP, CTP, TTP) vardır. Şekil 4’de bir nükleotidin üç farklı yapısı (dAMP, dADP ve dATP) örnek olarak gösterilmiştir.
Adından da anlaşılacağı gibi NTP’ler üç fosfat grubu taşır. Bu fosfatlar içten dışa doğru α, β, γ olarak adlandırılır. Bu üç fosfat grubu deoksiribozun beşinci karbon atomuna bağlıdır. Bir NTP molekülü diğer bir NTP molekülü ile α pozisyonundaki fosfat grubu ile fosfodiester bağı kurar. Bu bağlanmada bir önceki nükleotidin 3´ ucu görev alır. Böylece zincir 5´ 3´ yönünde ilerler. Kovalent ester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir. Şeker fosfat omurgası 5´ – 3´ bağları ile oluştuğundan, bir polinükleotid zincirinin bir ucunda daima serbest 5´ – PO4 grubu taşıyan bir nükleotid diğer ucunda daima serbest 3´ – OH grubu taşıyan bir nükleotid bulunur. Bu nedenle polinükleotid zincirlerde bir polarite vardır. Birbirine zıt uçlar 5´ ve 3´ uçları olarak adlandırılır. İkinci ve dördüncü pozisyondaki karbon atomları hidroksil grubu taşımazlar ve herhangi bir molekül bağlamazlar. İkinci karbon pozisyonunda bir hidroksil grubunun varlığı siklik fosfat formasyonunu imkansız hale getirir.
Şekil 5 : DNA’nın primer yapısı (polinükleotid zincir).
Omurgadaki PO4 grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır. Bununla beraber, fizyolojik koşullarda nükleik asitler genellikle tuz halinde ve nötr durumda bulunurlar.
DNA polinükleotid zincirleri kimyasal veya enzimatik yolla hidrolitik olarak nükleotidlerine parçalandığında, kırılma fosfodiester bağlarının her iki tarafında da meydana gelebilir. Buna göre serbest kalan nükleotidler fosfat gruplarını pentozun 5´ ve 3´ pozisyonuna bağlı olarak taşırlar. Buna göre nükleik asit yapısından ayrılan nükleotidler nükleozid – 3´ – monofosfat veya nükleozid – 5´ – monofosfat olabilirler.
DNA’nın Sekonder ve Çift Sarmal Yapısı:
1953’de Watson ve Crick, DNA’nın bilinen çift sarmal (double helix) modelini kurdular. Watson – Crick modeli, X – ışını ile çalışan kristallografların, organik kimyacıların ve biyologların düşünce ve çalışmalarına dayanır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA’nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, böyle bir molekül yapısının birden fazla polinükleotid zincirin birbiri etrafında dönümler yapmasıyla meydana gelebileceğine işaret etmekte ve molekülde tekrarlanmalar yapan kısımlar arasındaki uzaklıklar hakkında bilgi sağlamaktadır.
Watson – Crick probleme, “DNA yapısı, onun biyolojik görevi ile ilişkili olmalıdır” düşüncesiyle yaklaşmışlardır. Bu ilişki teorinin anahtarı durumundadır. Hücrenin makromoleküllerinin yapısının biyolojik görevle ilişkili olması, Watson – Crick teorisiyle önemli şekilde vurgulanır ve bu düşünce moleküler biyolojinin temelini oluşturur.
Watson ve Crick’in sunduğu modele göre DNA çift zicirli yapıdadır. Bu çift zincir iki tek zincirin bazları arasında hidrojen bağları oluşmasıyla meydana gelir. Bu iki polinükleotid zincir ortak bir eksen boyunca sağa dönümlü bir heliks oluşturur.
İki polinükleotid zincir birbirine H bağlarıyla tutunur. Bu bağlar, dönümler yapan DNA molekülünün stabilitesinin korunmasında büyük ölçüde yardımcı olurlar. Baz çiftleri çift sarmalın termodinamik stabilitesine iki yolla katılır. Bunlardan biri, bazlar arasında H bağı oluşurken enerji açığa çıkmasıdır. Diğeri ise, sarmal boyunca üst üste dizilmiş baz çiftlerinin elektron sistemleri arasındaki etkileşimler sonucu oluşan hidrofobik baz dizilişlerinden enerji açığa çıkmasıdır. Bu etkileşimler sarmal yapıyı negatif yüklü fosfat grupları arasındaki itici elektrostatik kuvvetler karşısında dengeler.
Guanin ile sitozin arasında üçlü H bağı oluşurken, adenin ile timin arasında ikili H bağı oluşur (şekil 7). Bu bağların bazların hangi atomları arasında oluştuğu tablo 3’de gösterilmiştir. G ile C arasında üçlü, A ile T arasında ise ikili H bağı oluşmasının sebebi bu bazların moleküler yapısından kaynaklanmaktadır. H bağı sayısındaki bu fark olası yanlış baz eşleşmelerinin yapılmasına engel olmaktadır.
H bağı oluşan atomlar Aradaki uzaklık (Å)
T – A N3 – H..............N1
O4..............H – N6 2.835
2.940
C – G O2..............H – N2
N3..............H – N1
N4 – H.............O6 2.86
2.95
2.91
Tablo 3 : H bağlarının oluştuğu atomlar ve aradaki uzaklık
Bazlar arasında H bağları oluşumunun özgüllüğü, iki polinükleotid zincirdeki fosfodiester bağlarının birbirine göre ters yönde olmasına yol açar. Bu nedenle iki polinükleotid zincir birbirine ters yönde paraleldir. Yani iki zincir kimyasal yapı bakımından birbirine zıt durumdadır (şekil 8).
İki polinükleotid zinciri birbirine bağlayan H bağları daima bir pirimidin bazı ile bir pürin bazı arasında meydana gelir. Baz eşleşmesi adı verilen bu bağların özgül bir biçimde meydana gelmesi pürin ve pirimidin bazlarının yapılarındaki bazı farklardan meydana gelir.
Bunlardan birisi sterik kısıtlama denilen olaydır. Yapılarından da anlaşılacağı gibi pürin ve pirimidin bazlarının uzayda kapladıkları yer farklıdır. Pirimidin bazları (C ve T) pürin bazlarından (A ve G) daha küçüktür. Buna karşılık iki polinükleotid zincirin şeker – fosfat omurgasının oluşturduğu sarmal yapıda eşleşme yapan baz çiftlerine bağlanan glikozidik bağlar arasındaki uzaklık DNA molekülünün her yerinde 10.85 Å dür. Bu mesafenin dolayısıyla da DNA’nın stabilitesinin korunması için daima bir pürin ile bir pirimidin bazının eşleşmesi gerekmektedir.
İkinci bir sebep ise H bağları oluşumu gereksiniminin kısıtlaması. Pürin ve pirimidin bazlarındaki H atomları iyice belirlenmiş pozisyonlarda bulunurlar. Bazlar arasında sıkı bir etkileşim sağlamak için, H bağlarının yönelimleri ve uzaklıkları ancak adenin ile timin ve guanin ile sitozin arasında olmaktadır. Buna göre, pürin ve pirimidinler arsındaki baz eşleşmesi; daha da özgül olarak sadece adeninle timin ve guaninle sitozin arasında meydana gelir. Bir DNA molekülünün açık yapısı şekil 9 da gösterilmiştir.
Yukarıda açıklanan nedenlerden dolayı bir DNA sarmalının çapı yaklaşık 2 nm (20 Å) olarak sabit kalmıştır. DNA molekülü sağa doğru dönümler yaparken dönümler sırasında zincirlerdeki bazları şeker halkalarına bağlayan glikozidik bağlar tam olarak karşı karşıya gelmezler. Bunun sonucu olarak, çift sarmalın şeker fosfat omurgaları eksen boyunca eşit aralıklı yer kaplamazlar ve omurgalar arasında oluşan olukların boyutları eşit değildir. Daha derin olana büyük oluk, diğerine ise küçük oluk denir (şekil 10).
Nükleotidlerin bazları molekülün omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine dik durumdadır. Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3.4 Å dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna göre 36º’lik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360º’lik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34 Å dür (şekil 10).
DNA çift sarmalının genetik açıdan en önemli özelliklerinden birinin ortaya çıkmasını da baz eşleşmelerindeki özgüllük sağlar. Bu özellik DNA molekülündeki iki polinükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Bu kavram bazlar arasındaki eşleşmenin daima A – T ve G – C arasında olmasından kaynaklanır. A ile T’nin ve G ile C’nin birbirini tamamlaması özelliğine göre, bu özgül bazları karşılıklı olarak taşıyan iki zincirin birbirinin tamamlayıcısı olduğu kabul edilir. Buna göre, bir zincirdeki baz dizisi diğerindeki diziyi belirler.
Tamamlayıcılık özelliği, genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklaması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinden biridir.
Çift sarmalın dışta bulunan şeker – fosfat omurgası yüksek derecede negatif yüklüdür. İn - vitro çözeltilerde bu yükler
l iyonlarıyla (örneğin Na ile) nötr duruma getirilir. Fizyolojik koşullarda ise nötr hale getirilme pozitif iyonlarla (katyonlar veya bazik proteinlerle) yapılan etkileşimler sonucu sağlanmaktadır.DNA Yapısının Biyolojik Anlamı:
Hücrenin kalıtım materyalinin iki ayrı görevi olmalıdır. Birincisi, bu materyal kendi kendine çoğalabilmeli; ikincisi, herhangi bir hücrenin yapısı veya görevinde gereken işleri başarabilmelidir.
DNA ipliklerinin birbirini tamamlayıcı olması ve tamamlayıcı bazlar arasında çok özel bağların bulunması aradaki hidrojen bağlarının kendiliğinden meydana gelmesi, DNA’nın yalnız başına kendine benzer yeni bir molekülün oluşmasını sağlar. DNA molekülünün bir yarısı, yeni oluşan molekül için bir kalıp gibi rol oynar. Hidrojen bağlarının meydana gelişi, bir enzimle katalize edilmeksizin, kendi kendine olan bir olaydır. Özel tamamlayıcı bazların seçimi, bu yüzden katalize edilmeye gereksinim göstermez. Fakat nükleotidlerin fosfodiester bağlarla bağlanması bir kovalent reaksiyondur ve enzimatik katalizle gerçekleşir.
DNA’nın ikinci biyolojik görevi, protein senaaainde kullanılmak üzere gerekli bilgiyi sağlamaktadır. Bu bilgi naklinden DNA yapısındaki bazlar sorumludur.
DNA’nın Moleküler Ağırlığı:
Bir DNA molekülünün ağırlığı içerdiği baz çift sayısıyla doğru orantılıdır. Nükleik asitler uzun ve dallanmamış moleküllerdir. Çaplarının dar olmasına karşılık boyları çok uzundur. Örneğin 3000 baz çifti (3kb) taşıyan bir DNA parçasının boyu 1 µm dir. Bilindiği gibi DNA’nın çapı 2 nm dir.
Organizmaların yapısı karmaşıklaştıkça içerdikleri genetik materyalin kitlesi genellikle artış gösterir. Bunun temel nedeni, basitten gelişmiş canlılara doğru gidildikçe gen sayısının artmasıdır. Örneğin, SV40 virüsünün 5.2 x 103 baz çiftinden ibaret genomunda sadece 5 – 10 gen bulunur. E. coli genomunda ise yaklaşık 4 x 106 baz çifti vardır. Eğer E. coli’de bir genin ortalama 1000 baz çifti içerdiğini var sayarsak, bu bakteride yaklaşık 4000 gen bulunması gerekir.
DNA moleküllerinin moleküler ağırlıklarını klasik kimyasal metodlarla tam olarak belirlemek oldukça güçtür. DNA moleküllerinin ağırlıklarının ölçülmesinde en çok kullanılan yöntemler şunlardır;
• viskozitenin ölçümü,
• sedimantasyon oranı,
• elektron mikroskobu ile,
• otoradyografi,
Genelde bu metodların iki veya daha fazlasının bir kombinasyonu kullanılabilir.
DNA moleküllerinin ağırlıkları 106 ile 109 dalton (1 dalton= 1.66 x 10-24 g dır.) değişir. Zaman zaman ağırlıklar 109 da geçebilir.
Değişik türlere ait DNA molekülleri ağırlıkları tablo 4 de verilmiştir.
Kaynak M. A. Uzunluk Nükleotid çifti sayısı
E. coli 2.2 x 109 1 mm 3 x 106
H. influenzae 8 x 108 300 µm 12 x 105
Bakteriyofaj T2-T4 1.3 x 108 50 µm 2 x 105
Bakteriyofaj λ 33 x 106 13 µm 0.5 x 105
Bakteriyofaj ØX174 1.6 x 106 0.6 µm -
Polioma virüsü 3 x 106 1.1 µm 4.6 x 103
Fare mitokondrisi 9.5 x 106 5 µm 14 x 103
Tablo 4 : Çeşitli DNA moleküllerine ait veriler.
DNA’nın Farklı Biçimleri:
Watson ve Crick’in buluşlarından sonra son yıllarda, DNA ipliklerinin X ışını kırılma özelliklerini çalışılmasıyla, DNA’nın hiç değilse 3 yapısal şekilde bulunduğu gösterilmektedir. Watson ve Crick’in yapısal özelliklerini belirlediği DNA, bu gün B – DNA diye isimlendirilir. Farklı yapısal şekildeki diğer DNA’lar ise A ve Z DNA’lardır. Bu farklı organizasyonlar, bazı özel nükleotid sıralarının çift helikse devamlı bir bükülme verebilmesiyle ortaya çıkar. Böylece her bir DNA şekli, hem çift heliksin dışından yalnızca bazlarını eşleştirerek ve hem de bazların iskeletin eksenine göre pozisyonlarındaki ayrıntılarını belirleyerek ayırt edilir. Bu üç tip DNA dışında da farklı özellikte DNA’lar vardır fakat bunlar çok az miktarda bulunduklarından burada incelenmeyecektir.
B – DNA : Hücresel DNA’nın büyük bir kısmı bu gruba dahildir. Şu ana kadar incelediğimiz DNA’da B – DNA’dır. Kısaca tekrar değinmek gerekirse çapı yaklaşık 2 nm olan bu DNA biçiminin her dönümünde yaklaşık 10 baz çifti bulunur. Bazı kaynaklarca bunu 10.5 olabileceği de belirtilmiştir. Sağa dönümler yapan DNA’da baz çiftlerinin düzlemleri sarmalın eksenine diaaadir ve sarmal küçük ve büyük oluklara sahiptir. Düşük iyon yoğunluklu çözeltilerde ve nem derecesi çok yüksek (%92) fibrillerde DNA B biçiminde bulunur. Canlı hücrelerin fizyolojik koşullarına uyum gösterecek DNA biçimi de B – DNA’dır.
A – DNA : Sağa dönümlü ve her dönümde 11 baz çifti bulunan DNA yapısıdır. Baz çiftlerinin düzlemleri eksene göre 20º’lik eğimlidir ve komşu baz çiftleri arasındaki uzaklık 2.7 Å dür. Bu nedenle A – DNA molekülleri B yapısındaki benzerlerinden daha kısa ve geniş çaplıdır (23Å). Küçük oluklarda daha belirgin ve derindir. Sodyum, potasyum veya sezyum iyonları varlığında ve %75 nem içeren fibrillerde DNA A biçiminde bulunur, yani B – DNA’nın dehidratasyonuyla meydana gelir.
Hücrede A – DNA biçiminde bölgelerin bulunup bulunmadığı ve eğer bulunuyorsa işlevi tam olarak bilinmemektedir. Bununla beraber, 2´ OH grubunun B biçiminin oluşmasını engellemesi nedeniyle, RNA’nın çift zincirli bölgelerinin A biçiminde olması gerekir.
Z – DNA : Bu biçimin en ayırt edici özelliği dönüm yönünün sola doğru olmasıdır. Z – DNA dönüm boyu 45.6 Å olan ve dönümlerinde en fazla 12 baz çifti içeren bir yapıya sahiptir; çapı da diğerlerine göre daha dardır (18Å). Şeker – fosfat omurgası sarmal boyunca zikzak bir hareket yaptığı için bu yapı Z – DNA olarak adlandırılır. Z – DNA da sadece tek çeşit oluk bulunur.
Pürin ve pirimidinlerin düzenli olarak birbirini izlediği dizilere sahip DNA’larda, uygun iyon koşullarında, Z biçimi oldukça kolay elde edilmektedir. Ayrıca tekrarlanan GC dizilerinin bulunduğu bölgelerde, özellikle sitozinlerin C5 atomlarına metil grubu eklenmesiyle oluşan 5 – metilsitozinler B – DNA’nın Z – DNA biçimine dönüşmesine yol açmaktadır. Hatta, metillenme pürin - pirimidin tekrarı olmaksızın da aynı sonucu yaratmaktadır.
Z biçimi in - vitro bazı olağan dışı koşullarda elde edilmektedir. Örneğin yüksek tuz yoğunluğu kullanılması nükleotidler arasındaki itme kuvvetini arttırmakta ve Z – DNA’nın dar çaplı yapısını ayarlamaktadır. Z – DNA’nın hücre içindeki oranı henüz bilinmemektedir.
Şekil 11 : (a – c) A, B ve Z – DNA’lar (M=büyük oluk, m=küçük oluk).
Bu üç tip DNA molekülüne ait bazı ölçüm değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
DNA biçimi Baz çifti sayısı/dönüm Dönüm/baz çifti Baz çiftleri arası uzaklık Sarmal çapı
B 10.4 +34.6º 3.38 Å 20 Å
A 11 +34.7º 2.56 Å 23 Å
Z 12 -30.0º 3.71 Å 18 Å
Tablo 5 : Çeşitli DNA biçimlerine ait bazı veriler (+ = sağa dönüm, - = sola dönüm).
Calladin Kuralları
Chris Calladin 1982’de yaptığı deneysel çalışmalar sonucunda DNA’nın yapısıyla ilgili çeşitli kurallar bulmuştur.Bu kurallar sonucunda Calladin bir DNA yapı modeli ortaya atmıştır.Bu model tamamlanamamıştır çünkü elektrostatik ilişkileri faktörleri ve hidrojen bağlarının hidrasyonunun faktörleri tam olarak bilinmez.
*B-DNA Sarmal ekseninin düz olmasına gerek yoktur.Ancak 112 Å’un yarıçapı ile kıvrılabilir.
*Kıvrılma açısı p 36 der.’de değişme gösterebilir. Fakat 28 der.’den 43 der. Kadar çeşitlilik gösterebilir.
*Pervane dönüşünün sınırları C-G çifti için +11 der. Ve A-T çifti için aaaa der.’dir.
*Baz çiftleri çarpışmaları azaltarak uzun eksenleri boyunca dönerler.
*Şeker kıvrılması C3’-exo’dan O 4’endo ve C2’endo’ya kadar değişiklik gösterir.
*Bazlar bölgesel olarak kayarlar ve bu şekilde üst üste çakışırlar. D(TCG) içinde ki burada C-2 , G-3 ile stoğu yükseltmek için sarmal ekseninin arasında hareket eder.
Ave B –DNA’nın polimorfları çift ipliğin yer yer açılmaları ile ve kristal yapıdaki yan çıkışlar açıklıklar ve nanomerik parçalar halinde gözlenir.
DNA EĞRİLMESİ (bending)
Ave B tipi birer sarmal arasındaki birleşme sonucu eğri DNA ortaya çıkar. Sarmal ekseninin içinde 26 der.’lik bir eğrilme ile oluşur.Birleşmeler her 5 baz’da bir ve karşılıklı oluşur. Bu eğrilme olayının bir sonucudur ki bu DNA’nın sürekli bir kıvrılmaya sahip olmasını sağlar. Uyumsuz baz çifti eşleşmeleri 2 şekilde olur.
1-Transition mismatch (geçişle yanlış eşleşme)
2-Transversion mismatch (çaprazlama ile yanlış eşleşme)
A,B ve Z formlarında G-T baz çiftlerinde gözlenir.Tipik “wobble”çiftleri oluşur. Bu çiftler anti-anti glikozilik bağlara sahiptir.D(CGCGAATTAGCG)dodecamerin kristalleri bir (anti) G-A (syn) yanlış eşleşmiş baz çiftine sahiptir. Bu eşleşme 2H bağı ile olur. Diziye bağımlı değişiklikler,DNA’nın proteinlerce tanınmasını sağlayan önemli bir faktördür. Buna göre şöyle bir sonuca varılabilir. DNA yapısal olarak diğer makromoleküllerle ilşki kuracak şekilde evrim geçirmiştir. Buna göre serbest doğrusal DNA sarmalı biyolojik olarak en uygun yapıdır.
Kaymış (Slipped) Yapılar: Doğrudan dizilerde oluşurlar ve önemli düzenleyici bölgelerin üst taraflarında yer alırlar.Tanımlanan yapılar tek iplikli nükleazların “cleaveage”dokuları ile uyumlu olmakla beraber iyi bilinmemektedir.
Pürin-pirimidin ekleri: Bunlar düşük sıcaklıklarda büyük girintiler de , baz çiftleşmesinde uzun aralıklı , dizilere bağımlı tekil baz kaymaları ile alışılmışın dışında yapılar oluşur.
Anizomorfik DNA: Bu doğrudan tamirle alışılmadık fiziksel ve kimyasal özellikleri olduğu bilinen viral DNA’nın eklem bölgelerindeki dizilerle ilgili DNA yapılarına verilen addır. İki birbirini tamamlayıcı iplik değişik yapılara sahiptir. Bu negatif süpercoillerde ortaya çıkan kıvrılmaların gerilimi altında görülen, dizi merkezlerinde meydana gelen ardışık yapısal kırıklara yol açar.
Saç tokası şeklindeki ilmekler(Hairpin loop): Bunlar ters dönmüş tamamlayıcı diziler sahip parçaları olan tekil oligonükleotid iplikleri tarafından oluşturulur.Örneğin 16-merd (CGCGCGTTTTCGCGCG)hekzamer tekrarına sahiptir ve onun kristal yapısı 4T’li ilmeği olan hairpin ve bir Z DNA hekzamer gövdesi gösterir. B u ters dönmüş diziler DNA dupleksinde yer aldıkları zaman haç formunun oluşumu için gerekli koşullar meydana gelmiş demektir.
Haç benzeri (cruciform): Bu iplik içi baz çiftleşmesi içeren bir yapıdır. Tek bir açılmamış dupleks bölgeden iki hairpin ilmeği ile iki gövde meydana getirirler. Tersine dönmüş dizi tekrarlar palindromlar olarak bilinir. Bunlar kısa bir aradan sonra ters yöndeki aynı dupleks dizinin takip ettği DNA dupleks dizilerine sahiptir. Bu durum decamer olamayan iki dizinin palindromlarının yer aldığı Pbr322 bakteriyal plazmidinin içinde de gözlenir. Her ne kadar ilmeklerde bazlar kısmi olarak depolanıyor olsada tek bir haç şeklindeki yapının oluşumunu enerji miktarı 75 kjmol kapalı dairesel süper helikal DNA’ların kullanıldığı bu yapının deneylerinde , bu enerji negatif süpercoillerin formundaki gerilme enerjisinin serbest bırakılması ile elde edilir.Bu da haçın kollarının uzunluğu ile doğrudan ilişkilidir. 10,5bç’lik bi kolun oluşumu süpercoili bir dönüş kadar çözer.
Nadir Görülen DNA Yapıları:
1980’den beri alışılmışın dışında DNA yapıları olduğu bilinmekteydi. Bazıları DNA’ların süper coillerine bağlıdır.
Kıvrık DNA:
DNA duplexleri 150 baz çiftinden daha uzundur. Dairelerin kovalent kapanış tarafından açık DNA mini dairesini eğriliği diziye bağlıdır. DNA’nın bu eğriliği tripanozomatitlerden alınan kinetoplast DNA’sı içinde gözlemlenmiştir. Bu açık DNA mini dairelerinin kaynağını oluşturur. Kinetoplast DNA’sı kısa A eklere sahiptir. Bunlar genel dizi tarafından 10 baz çifti aralıklarla yerleştirilmiştir. Herbir tekrar için 20-25 eğrilik içerir.DNA eğrilmesi bu poli (DA eklerinin kalıtımsal özelliği olup çok sayıda oligonükleotitler içinde gözlenebilirler. Richard Dickerson poli (dA) ekleri doğrusaldır. B form kristal yapıda gözlenmiştir. Eğrilme ise sarmalın sınırları içinde meydana gelir. Herbir yarım dönme başına bu doğrusal dA eklerinin tekrarlı değişimi kıvrık DNA’yı oluşturur. (Şekil 16)
W-DNA:
Sol yönde dönen çift sarmal yapı için zikzak model önerilerek oluşturulmuştur. Daha az dönüme sahiptir. Genel olarak B DNA’ya benzer bir glikozil geometrisi bakımından Z DNA’ya çok benzer. Sitozin C endo şeker kıvrımlarına sahiptir. W’de de Z DNA daki gibi minor girintiler ve major girintiler yüzeyseldir. Z DNA W DNA’dan daha az enerjiye sahiptir
3.BU
DNA bir organzimanın oluşuma ilişkin bilgileri taşır.DNA molekülleri, hücre çekirdeğinde bulunurlar ve vucudumuzda bulunan tüm proteinleri oluşumu sırasındaki kodlamış bilgileri içerir.DNA’nın protein yapma işlemi ,inanılmayacak derecede kusursuzdur.
DNA molekülü bükülmüş bir merdivene benzer.Her bir hücrenin DNA merdiveni hem anneden hem babadan gelen genleri içerir.Merdivenin basamakları,timin (T), adenin (A), sitozin (C), ve guanin ( G),adı verilen bazların kusursuz düzenlenmesiyle oluşur.Her bir aşamanın tamamlanması için bir baz çifti, belirli bir kombinasyonla eşleşir. T her zaman A ile, A da her zaman G ile eşleşir. Buna karşılık, C herzaman G ile ve G de her zaman C ile eşleşir. BU eşleşme, DNA’nın kendini kopyala işleminde önemli rol oynar.
Kopyalama işlemi başladığında DNA dizeleri çözülür ve baz çiftleri birbirinden ayrılır. Bu aşamada molekül, açılmakta olan bir fermuara benzer.Daha sonra serbest halde bulunan timin (T), adenin ( A), guanin (G), ve sitozin ( C),içeren nükleotidler, dizideki eşeleşmemiş bazlara katılırlar. Serbest halde bulunan A’lar T’lerle, serbest halde bulunan T’lerle A’ lar eşleşir.Aynı şekilde serbast halde bulunan G’ler C’lerle,ve C’ler G’lerle eşleşir.
Dizideki eşleşmemiş moleküllerin her biri, yalnızca belirli bazlarla eşleşeceği için DNA kendisinin mükemmel bir kopyasını üretebilir.Böylece eskiden tek bir DNA molekülün bulunduğu yerde kısa bir süre içinde iki özdeş DNA molekülü ortaya çıkar.
DNA’nın içerdiği bilgiler bu şekilde kopya edilirken, bir hücre bölününebilir ve bir organizmanın nasıl oluşacağı hakkındaki bilgilerde nesilden nesile geçmiş olur.
Genetik olayların hücrede moleküler düzeydeki temeli genetik materyal görevini üstlenen nükleik asitlerin yapı ve özelliklerine dayanır. Nükleik asitlerin iki türü olan deoksiribonükleik asit DNA ve ribonükleik asit RNA temelde aynı yapısal özelliklere sahiptir.
Genler, DNA‘daki bazı kimyasal dizilimler olan nükleotidlerden meydana gelmiştir. Çoğunluk kromozomların içersinde bulunurlar. Ayrıca DNA molekülü prokaryotlarda (Bakteriler) kromozom dışı genetik sistem, olan plazmidlerde, Ökaryotik hücrelerde genetik materyalin kromozomlar (Nukleus) dışında temel olarak (hayvan ve bitkilerde) mitokondri ve (sadece bitkilerde ve alglerde) kloroplastlarda bulunduğu bilinmektedir.
1953 yılında Watson ve Crick DNA molekülünün kendine has özelliklere sahip bir çift sarmal yapı halinde bulunduğunu ileri sürdüler. Bu araştırıcıların önerdikleri DNA yapısı o tarihlerde başka araştırıcılar tarafından ortaya konulan DNA ya ilişkin önemli bulgulara dayanmaktadır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X-ray ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Ayrıca TMV (tütün Mozaik Virusu) üzerinde yapılan çalışmalar da DNA ile ilgili çalışmalarda ışık tutmuştur.
Bir başka önemli bulguda Chargaff tarafından saptanmıştır. Herhangi bir türe ait DNA nın nükleotidlerine parçalandığında serbest kalan nukleotidlerde adenin miktarının timine, guanin miktarının da sitozine daima eşit olduğunun saptanmasıdır.. Yani Chargaff kuralı‘na göre doğal DNA moleküllerinde adeninin timine veya guaninin sitozine oranı daima 1’e eşittir. (A/T=1 ve G/C=1).
İşte Watson ve Crick bu bulguları değerlendirerek böyle özelliklere sahip DNA makro molekülünün sekonder yapısına ait bir model geliştirdiler. Bu modele göre, bir çok sorunun açıklanması yapılabildiğinden dolayı 1962 yılında bu iki bilim adamına Nobel Ödülü verildi.
Bu modele göre;
DNA molekülü, heliks (=sarmal) şeklinde kıvrılmış, iki kollu merdiven şeklindedir. Kollarını, yani merdivenin kenarlarını, şeker (deoksiriboz) ve fosfat molekülleri meydana getirir. Deoksiriboz ile fosfat grupları ester bağlarıyla birbirlerine bağlanmıştır. İki kolun arasındaki merdiven basamaklarında gelişigüzel bir sıralanma yoktur; her zaman Guanin (G), Sitozin’in (C ya da S); Adenin (A), Timin’in (T) karşısına gelir. Hem pürin (yani adenin ve guanin) ile pirimidin (yani sitozin ile timin) arasındaki hidrojen bağları, hemde diğer bağlar, meydana gelen heliksin düzgün olmasını sağlar. Pürin ve pirimidin bazları, yandaki şekerlere (Riboz), glikozidik bağlarla bağlanmıştır. Baz, şeker ve fosfat kombinasyonu, çekirdek asitlerinin temel birimleri olan nükleotidleri meydana getirmiştir. Dört çeşit nükleotid vardır. Bunlar taşıdıkları bazlara göre isimlendirilirler (Adenin, Guanin, Sitozin,Timin).
DNA molekülü kendini oluşturan nukleotidlerin sayısına bağlı olarak, büyüklüğü türden türe değişen, uzun zincir şeklinde bir yapı gösterir. İnsanda bu zincirin uzunluğu açıldığında 2 metreye kadar varabilir. Bütün halinde eldesi zincirin hassas ve kırılgan yapısından ötürü çok güçtür.
İki polinükleotid zincirin şeker fosfat omurgaları, ortak bir eksen çevresinde eşit çaplı ve sağ yöne doğru dönümler meydana getirir. Nükleotidlerin bazları molekülün omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine 90 derece açı yapacak şekilde konumlanmıştır. Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3,4A dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna 36 derecelik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360 derecelik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34A dür.
İki polinükleotid zincirdeki nukleotidler karşılıklı olarak birbirlerine hidrojen bagları ile bağlanmıştır. Bu bağ fosfor bağları kadar kuvvetli olmadığı için pH değişikliği, sıcaklık basınç gibi faktörlerde kolaylıkla birbirlerinden ayrılabilmektedir. DNA nın kendi kopyasını yapması ve gen anlatımı, nukleotidler arasındaki hidrojen bağlarının ayrılması ile gerçekleşmektedir.
Nükleotidler birbirlerine fosfat bağlarıyla bağlanarak, şeker ve fosfat kısımlarının birbirlerini izlediği serilerden oluşan bir omurgaya sahip uzun ve dallanmış polinükleotid zincirlerini meydana getirmiştir. Kovalent ester bağları veya fosfodiester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir. Fosfodiester bağlarının varlığı DNA molekülünün tek zincirli yapı halinde iken bile dayanıklı ve stabil yapıda olmasını sağlar. Genetik mühendisliğinin hedeflerinden biri olan klonlama çalışmaları, doğal yolla gerçekleşmesi mümkün olmayan kovalent bağ kırılmalarını gerçekleştirerek yeni türler oluşturma çabalarını içerir.
Nukleotidlerin yapısı bazik olmasına karşın oımurgadaki PO4(fosforik asit) grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır.
Hidrojen bağları daima bir pürin(A,G) ile bir pirimidin (T,C) bazı arasından meydana gelir. A-T baz çiftinde 2 hidrojen bağı, G-C baz çiftleri arasında ise 3 hidrojen bağı bulunmaktadır. Hidrojen bağlarının özelleşmesi; anahtar kilit modelinini andıran, uygun nukleotid moleküllerinin karşılıklı gelerek birbirlerine yine uygun sayıda hidrojen bağları ile bağlanmasını sağlar. Böylece zincirin bir kolunda bulunan nukleotidlerin dizilişi,karşı kolda bulunan nukleotidlerin dizilişini bir çeşit dikte ve kontrol eder. Tesadüfe bırakmayan bir titizlikle molekül yapısı oluşturulur ve kontrol edilir.
DNA molekülünün en önemli özellik iki polinükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Pozitif (+) ve negatif (–) iki polinukleotid zincirlerinin tamamlayıcılık özelliği,genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklanması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinin başında gelir.
DNA çift sarmalının dikkate değer ve önemli bir özelliği, molekülü oluşturan zincirlerin birbirlerinden kolaylıkla ayrılabilmesi ve yeniden birleşebilmesidir. Protein senaaai ve Dna replikasyonu (kendi kopyasını oluşturması) bu özellik sayesinde meydana gelebilir. DNA’nın iki zinciri, birbirine sadece H bağları ve hidrofobik etkileşimlerle bağlı olmaları nedeni ile, nükleotidleri arasındaki kovalent bağlardaki herhangi bir kopma olmaksızın çözülebilir (denatürasyon). Aynı şekilde çözülmüş molekülün zincirleri tamamlayıcı bazları arasında H bağlarının oluşumu ile birleşip sarmal yapıyı yeniden oluşturabilir (renatürasyon).
Nükleotidler arasındaki fosfor bağlarının kopması nedeniyle nükleotidlerin yerine başka nukleotid veya nukleotid dizisinin geçmesi mutasyonlara yol açar.Bu mutasyonların tek zincirli RNA molekülünde oluşma olasılığı çift zincirli DNA molekülüne göre daha fazladır.Mutasyonların neticeleri ölümcül olabilir. Evrimsel gelişim içinde mutasyonların menfi yada müspet etkileri gözardı edilemeyecek noktadadır. Günümüzde viral hastalıkların başında gelen AIDS’in önüne geçilememesinin en geçerli nedeni genomu tek zincirli RNA olan virusun sürekli mutasyonlar geçirerek kendini sürekli yenilemesi gösterilebilir.
