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 © 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 – HN1

O4H – N6 2835

2940

C – G O2H – N2

N3H – N1

N4 – HO6 286

295

291

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 1085 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 34 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 metal iyonlarıyla (örneğin Na ile) nötr duruma getirilir Fizyolojik koşullarda ise nötr hale getirilme pozitif iyonlarla (katyonlar veya bazik proteinlerle) yapılan etkileşimler sonucu sağlanmaktadır