Dna'nın Yapısı - Biyofizik

DNA'nın Yapısı - Biyofizik
DNA'nın Yapısı Nedir - DNA'nın Yapısı Hakkında - DNA'nın Yapısı Konu Anlatım

DNA yapısı, hem tek iplikli hem çift iplikli DNA'da çeşitli biçimler gösterir Hücreler için DNA'nın yapısıyla ilişkili olan DNA'nın mekanik yapısı hücreler için önemli bir sorun yaratır DNA'nın okunması veya ona bağlanmasıyla ilgili her hücresel süreç, onun tanınması, paketlenmesi veya değişime uğratılmasına etki edecek şekilde onun mekanik yapılarını ya kullanır ya da değiştirir DNA 'nın aşırı uzunluğunun (bir kromozomdaki DNA'nın uzunluğu 10 cm'yi bulabilir), onun sertliğinin ve sarmal yapısının bir sonucu olarak, hücre DNA'sının düzenlenebilmesi için histon gibi yapısal proteinler ve topoizomeraz ve helikaz gibi enzimler evrimleşmiştir DNA'nın özellikleri onun moleküler yapısı ve dizisi ile yakından ilişkilidir Özellikle DNA ipliklerini birbirine bağlayan hidrojen bağları ve elektronik etkileşimlerin, her bir iplikteki bağların kuvvetine kıyasla olan zayıflığı, bu ilişkide önemli bir rol oynar

DNA'nın mekanik yapısını doğrudan ölçebilen deneysel teknikler nispeten yenidir ve çözelti içinde yüksek çözünümlü görüntüleme genelde zordur Buna rağmen, bilimciler bu polimerin mekanik özellikleri hakkında büyük miktarda veri üretmişlerdir ve DNA'nın mekanik özelliklerinin hücresel süreçlere olan etkileri halen aktif olarak araştırılmakta olan bir konudur

Çoğu hücrede bulunan DNA'nın uzunluk bakımından mikroskobik olduğunu belirtmek önemlidir -- her bir insan kromozomundaki DNA birkaç santimetre uzunluğundadır Dolayısıyla, hücreler DNA'yı içlerinde taşıyabilmek için onu sıkıştırmak veya "paketlemek" zorundadırlar Ökaryotlarda, histon olarak adlandırılan makara gibi proteinler etrafından DNA'nın sarılması ile bu gerçekleşir Bu DNA-protein kompleksinin daha da çok sıkıştırılması sonucu mitoz bölünme sırasında görülen kromozom yapıları meydana gelir

Yapı belirlemesi

DNA yapılarının belirlenmesi nükleer manyetik rezonans veya X-ışını kristalogafisi teknikleri ile yapılır A-DNA ve B-DNA'nın X-işini kırınım örüntülerinin ilk yayımlanan raporları Patterson transformlarına dayanan analizler kullanmış, bunlar buzağı timüs DNA'sının yönlendirilmiş lifleri için sınırlı miktarda yapısal bilgi sağlamışlardı[1][2] 1953'te Wilkins ve çalışma arkadaşları, bakteri ve alabalık sperm DNA'sının sulandırılmış (hidrate) ve yönlendirilmiş liflerindeki B-DNA'nın X-ışını kırınım ve saçılım örüntüleri için alternatif bir analiz yöntemini önerdiler, Bessel foksiyonlarının kareler toplamını kullanmak yoluyla[3] `B-DNA biçimi' hücre içindeki şartlarda en yaygın olmakla beraber,[4] aslında bu iyi tanımlanmış bir üç boyutlu yapı (konformasyon) değil, canlı hücrelerin çoğunda bulunan sulanma seviyelerinde görülen bir DNA konformasyonlar ailesi veya konformasyonlar bulanık kümesidir (fuzzy set)[5] Bunlara karşılık gelen X-ışını kırınım ve saçılım örüntüleri, önemli oranda (>%20) bir düzensizlik içeren moleküler parakristallere özgündür,[6][7] ve bu yüzden standart analiz yöntemleri kullanılarak bunların yapıları çözülemez

Buna karşın, Bessel fonksiyonlarının Fourier transformu[8] ve DNA moleküler modelleri kullanılarak yapılan standart analizler, A-DNA ve Z-DNA'nın X-ışını kırınım örüntülerinin anlaizinde rutin olarak hâlâ kullanılmaktadır

Baz çifti geometrisi

Bir baz çiftinin geometrisi 6 koordinat ile tanımlanabilir: yükselti, burulma, kayma, ötelenme, yatıklık ve yalpa (İngilizce rise, twist, slide, shift, tilt, ve roll) Bu değerler DNA molekülündeki her bir baz çiftinin uzaydaki konum ve doğrultusunu, sarmalda kendisinden bir evvelkine göreli olarak tam olarak tanımlar Bunlar topluca molekülün sarmal yapısını tanımlarlar Bir DNA molekülünde normal yapının bozulmuş olduğu bölgelerde bu değerler bozulmayı betimlemek için kullanılır

Herbir baz çifti için aşağıdaki parametreler de tanımlanmıştır:

Pervane burulması(Propeller twist)
Aynı baz çiftindeki bir bazın düzleminin diğerinin düzlemine göre açısı
Öteleme (Shift)
Baz çifti düzleminde bir bazın ötekine göre kayma oranı, küçük oyuktan büyük oyuk doğrultusunda
Eğim(Tilt)
Bu eksen etrafındaki dönme
Kayma (Slide)
Baz çifti düzleminde bir iplikten ötekine doğru kayma
Baz çift düzlemini uzun ekseni etrafında dönmesi (Roll)
rotation around this axis
Yükselme (Rise)
sarmal ekseni boyunca ötelenme
Burulma (Twist)
sarmal ekseni etrafında dönme
Hatve (Pitch)
Sarmalda bir tam dönüşteki baz çifti sayısı

Yükselme ve burulma, sarmalın elliliğini ve hatvesini belirler Diğer parametreler sıfıra eşit olabilir Kayma ve ötelenme, B-DNA'da tipik olarak küçük değerlerdir ama A- ve Z-DNA'da büyük değerlere sahip olabilir Yatıklık ve yalpa, ardışık baz çiftlerinin daha az paralel olmasına neden olur ve bunlar tipik olarak küçük değerlerdir Bu parametreler hakkında bir şekil, 3DNA Web sitesinde görülebilir

Bilimsel literatürde yatıklık (İngilizce "tilt") başka bir anlamda da kullanılabilir; ilk baz çifti ekseninin, sarmal eksenine olan diklikten olan sapması için de bu terim kullanılabilir Bu anlam, ardışık iki baz çifti arasındaki kaymaya karşılık gelir ve sarmal-tabanlı koordinatlarda daha uygun[size="3"> olarak "]DNA sarmal geometrileri [/size]

Doğada üç DNA üç boyutlu yapısı (konformasyonu) olduğu düşünülmektedir, bunlar A-DNA, B-DNA, ve Z-DNA olarak adlandırılırlar James D Watson ve Francis Crick tarafından betimlenmiş olan "B" biçiminin hücrelerde hakim biçim olduğu görüşü yaygındır[13] 23,7 Å genişliğindedir ve 10 baz çifti için 34 Å uzanır Çifte sarmal her 10,4-10,5 baz çifti için bir tam dönüş yapar Bu burulma sıklığı (sarmal hatvesi), her bir bazın komşularına yaptığı istifleme (İng stacking) güçlerine bağlıdır

Başka konformasyonlar da olasıldır; A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA[14], E-DNA[15], L-DNA(D-DNA'nın enatiomerik yapısı)[14], P-DNA[16], S-DNA, Z-DNA, vs tanımlanmıştır[17] Gelecekte keşfedilebilecek DNA konformasyonları için F, Q, U, V, ve Y harfleri kalmıştır Ancak bu biçimlerin çoğu suni olarak yaratılmış ve doğal olarak, biyoloji sistemlerde gözlemlenmemiştir[18][19]

DNA'nın bir diğer yapı tipi, üç sarmallı DNA'dır

A- ve Z-DNA

A ve Z-DNA, geometrileri bakımından birbirlerinden önemli derecede farklılık gösterirler ama ikisi de sarmal yapılıdırlar A yapısı, sadece su kaybetmiş (dehidrate) DNA örneklerinde (kristalografik deneylerde olduğu gibi) ve belki DNA-RNA ipliklerinin hibrit eşleşmelerinde görülebildiği muhtemel sayılmaktadır Hücrelerde DNA'nın metilasyona uğramış kısımları Z-DNA geometrisini sahip olabilir Ayrıca bazı protein-DNA komplekslerinin Z-DNA yapıları oluşturduğuna dair deliller vardır

• A-, B-, ve Z-DNA'nın yapıları

• A-, B-, ve Z-DNA'ın sarmal eksenleri

DNA'nın üç ana biçiminin yapısal özellikleri Geometrik özellikleri A-DNA B-DNA Z-DNA
Sarmal yön sağ elli sağ elli sol elli
Tekrarlayan birim 1 bp 1 bp 2 bp
Dönme/bç 336° 359° 60°/2bp
Ortalama bç/dönme 107 100 12
Bç'nin eksene eğimi +19° -12° -9°
Eksen boyunca yükselme/bç 23 Å 332 Å 38 Å
Hatve/sarmal dönmesi 246 Å 332 Å 456 Å
Ortalama pervane burulması +18° +16° 0°
Glikosil açı anti anti C: anti,
G: syn
Şeker büzülmesi (İng pucker) C3'-endo C2'-endo C: C2'-endo,
G: C2'-exo
Çap 255 Å 237 Å 184 Å

Süpersarımlı DNA

DNA'nın B biçimi her 10,4-10,5 bç bir tam dönüş yapar, torsiyon gerilimi olmayınca Ancak, çeşitli biyolojik süreçler torsiyon gerilimi yaratır Aşırı veya eksik sarmal gerilimli bir DNA parçasına pozitif veya negatif "süpersarımlı" olarak değinilir Hücrelerdeki DNA tipik olarak negatif süpersarımlıdır, onun böyle olması ikili sarmalın çözülüp (eriyip) transkripsiyonun olmasını sağlar

Sarmal olmayan biçimler

DNA'nın sarmal olmayan biçimleri de betimlenmiştir, örneğin yanyana ve üçlü sarmal biçimleri Tek iplikli DNA, DNA ikilenmesi sırasında veya ısı ile DNA ipliklerinin ayrışması sonucu meydana gelir

DNA bükülmesi

DNA göreceli olarak rijit bir polimer sayılır, Solucanvari zincir olarak modellenir Üç önemli serbestlik derecesi vardır: bükülme, burulma ve sıkışma Bunların her biri DNA'nın hücre içindeki yetenkelrine belli sınırlamalar getirir Burulma/torsiyonal tutukluğu, DNA'nın halkasallaşmasına ve DNA'ya bağlanan proteinlerin birbirlerine göreceli doğrultusuna etki eder Bükülme/eksensel tutukluğu DNA'nın sarılmasına, onun halkasllaşmasına ve proteinlerle etkileşimine etki eder Sıkışma (kompresyon)/uzama ise yüksek gerilme hâli dışında nispeten önemsizdir

Süreğenlik uzunluğu/Eksensel katılık

Çözeltideki DNA'nın rijit bir yapısı yoktur, termal titreşimler ve su molekülleri ile çarpışmalar nedeniyle sürekli değişen bir konformasyona sahiptir ve bu yüzden rijitliğin klasik ölçümleri mümkün değildir Dolayısıyla DNA'nın bükülmezliği onun süreğenlik uzunluğu ile ölçülür, bunun tanımı şöyledir:

"polimerin zamana-bağllı ortalama doğrultusunun e faktörü ile bağıntısız (ilintisiz) olduğu DNA uzunluğu"

Bu değer atomik kuvvet mikroskobu ile farklı uzunlukta DNA moleküllerini görüntüleyerek doğrudan ölçülebilir Sulu çözeltilerde ortalama süreğenlik uzunluğu 46-50 nm veya 140-150 baz çiftidir (DNA'nın çapı 2 nm'dir), ama bu değer büyük çeşitlilik gösterebilir Bu tanıma göre DNA orta derecede rijit bir molekül sayılır

DNA'nın belli bir kısmının süreğenlik uzunluğu kısmen onun dizisine bağlı olduğu için büyük bir varyasyon gösterebilir Bu varyasyon büyük ölçüde baz istiflenme enerjisinde ve küçük ve büyük oluklara uzanan bazlardan kaynaklanır

Örnek diziler ve süreğenlik uzunlukları (B-DNA) Dizi Süreğenlik uzunluğu
/baz çifti
Rastegele 154±10
(CA)tekrarı 133±10
(CAG)tekrarı 124±10
(TATA)tekrarı 137±10

DNA bükülmesinin modelleri

DNA'nın entropik esnekliği standart polimer fiziği modelleri (Kratky-Porod solucan benzeri zincir modeli gibi) ile dikkate değer derecede uyumludur Solucan benzeri zincir modelinin öngördüğü gibi, küçük (picoNewton-altı) kuvvetlerde Hooke kanunu tarafından betimlenir Ancak, süreğenlik uzunluğunundan kısa uzunlukta DNA parçalarında bükülme kuvveti yaklaşık sabittir ve davranışı, solucan benzeri zincir öngörülerinden sapma gösterir Bunun sonucu olarak küçük DNA molekülleri kolay halkalaşır ve DNA'da çok bükük kısımların bulunma olasılığı daha yüksektir

Baz basamaklarının istiflenme stabilitesi (B DNA) Basamak İstiflenme ΔG
/kcal mol-1
T A -019
T G or C A -055
C G -091
A G or C T -106
A A or T T -111
A T -134
G A or T C -143
C C or G G -144
A C or G T -181
G C -217

Bükülme tercihleri

DNA moleküllerinin bükülmesine tercihli yönler vardır, yani DNA anizotropik bükülme gösterir Bunun nedeni DNA dizisini oluşturan bazların özellikleridir; rastgele bir dizinin tercihli bir bükülme yönü yoktur

Tercihli DNA bükülmesi, her bazın komşusu üzerinde istiflenmesinin stabilitesi tarafından belirlenir Eğer kararsız baz istiflenmesi DNA sarmalının hep aynı tarafında yer alırsa DNA o yöne doğru bükülür Bükülme açısı artınca sterik engeller ve bazların birbirine göre yuvarlanması da bükülmede rol oynar, özellikle küçük olukta A ve T bazları bükülmelerin iç tarafında küçük olukta tercihen bulunurlar Bu etki özellikle DNA-protein bağlanması sonucu sıkı bükülmenin oluştuğu yerlerde görülür, nükleozom taneciklerinde olduğu gibi Yukarıdaki tabloda baz çarpıtmalarına (distorsiyonlarına) bakınız

İstisnai bükülme tercihi olan DNA molekülleri içsel olarak büküktürler Bu olgu ilk defa tripanozomlardaki kinetoplast DNA'sında gözlemlenmiştir Buna neden olan tipik DNA dizileri 4-6 T ve A bazından oluşan bölümler ve bu bölümleri DNA'nın hep aynı tarafındaki küçük oluğa rastlatacak şekilde aralarda G ve C-zengini bölümlerdir Örneğin:

| | | | | |
G A T T C C C A A A A A T G T C A A A A A A T A G G C A A A A A A T G C C A A A A A A T C C C A A A C

Bu içsel olarak bükük yapıda baz çiftlerindeki 'pervane burulması' meydan gelir, yani baz basamakları arasında anormal çatallaşmış Hidrojen bağları oluşabilir Yüksek sıcaklıklarda bu yapı ve onun neden olduğu içsel büküklük kaybolur

Anizotropik olarak bükülen her DNA'nın süreğenlik uzunluğu ortalamadan daha fazladır ve eksensel bükülmezliği daha çoktur, yani rastgele bükülme olasılığı daha düşüktür

DNA halkalaşması

DNA halkalaşması molekülün hem eksensel (bükülme) sertliği hem de torsiyonal (dönel) sertliği ile ilişkilidir Bir DNA molekülünün başarılı bir şekilde halkalaşabilmesi için tam halka olabilecek kadar uzun olması gerekir; buna ilaveten, kovalent bağların oluşabilmesi için uçtaki bazların doğru açıya sahip olması gerekir, bunun için de molekülde doğru sayıda baz bulunması gerekir DNA halkalaşması için optimal uzunluk 400 baz çiftidir (136 nm uzunluk), DNA sarmalındaki dönmelerin sayısı tam sayı olmak zorundadır Dönme sayısı tam sayı değilse halkalaşmak için hatırı sayılır bir enerji bariyeri yaratır; örneğin 10,4 x 30 = 312 baz çiftli bir molekül 10,4 x 30,5 ≈ 317 baz çiftli bir molekülde yüzlerce kere daha hızlı halkalaşır

DNA uzaması

Uzun DNA parçaları gerilim altında entropik olarak elastiklik gösterirler DNA çözeltideyken, solventte bulunan enerjiyle ilişkili olarak sürekli yapısal varyasyonlar geçirir Bunun nedeni, moleküldeki ısıl (termal) titreşimler ve, buna ek olarak, su molekülleri ile olan sürekli çarpışmalardır Entropik nedenlerden dolayı, sıkışık ama gevşek olan yapılar ısının bu etkilerine daha duyarlıdır, uzamış yapılara kıyasla, ve bu nedenle DNA molekülleri evrensel olarak karışık ve gevşek yapılara sahiptir Bu nedenle tek bir DNA molekülü kuvvet etkisiyle uzayıp düzleşir Optik cımbız kullanarak DNA'nın entropik uzama davranışı incelenmiş ve fizyolojik sıcaklıklarda Kratky-Porod solucan benzeri zincir modelindeki gibi davrandığı bulunmuştur

Yeterli gerilim ve pozitif buru (tork) etkisi altında DNA bir faz değişmesi (evre geçişi) gösterir, bazlar dışarı, fosfatlar içeri döndüğü öne sürülmüştür Bu aşırı gerilmiş DNA için önerilen yapı "P-biçimli DNA" olarak adlandırılmıştır, DNA'nın yapısı daha bilinmezken bu yapıyı önermiş olan Linus Pauling'e atfen[16]

DNA'nın sıkıştırılıncaki mekanik yapısı betimlenmemiştir, polimerin sıkıştırıcı kuvvet altın bükülmesini engellemenin teknik zorluklarından dolayı

DNA ergimesi

DNA ergimesi, ikili sarmalın iplikleri arasındaki etkileşimlerin bozulup iki ipliğin ayrışması sürecidir Bu bağlar zayıftır, hafif ısıtma, enzimler veya fiziksel kuvvet ile kolayca kırılırlar DNA erigimesi tercihli olarak DNA üzerinde belli noktalarda meydana gelir[20] T ve A zengini diziler, C ve G zengini dizilere kıyasla daha kolay ergir Belli baz basamakları da DNA ergimesine daha müsaittir, özellikle TA basmaklar ve TG baz basamakları[21] Bu mekanik özellikler, çoğu genin baş tarafında bulunan TATAA dizisinin varlığını açıklar; bu dizinin kolay ergiyebilir olması, RNA polimerazın transkripsiyona başlamak için DNA ipliklerini ayırmasını sağlar

Hafif ısıtma ile ipliklerin ayrılması, polimeraz zincir tepkimesinde (PCR) olduğu gibi, eğer molekül 10000 baz çiftinden (10 kilobaz çifti veya 10 kbç) küçük ise basittir DNA ipliklerinin birbirine sarılmış olması uzun DNA ipliklerinin birbirnden ayrılmasını güç kılar Hücre bu sorunun üstesinden gelmek için topoizomerazlarla beraber çalışan DNA ergitme enzimleri (helikazlar) kullanır Topoizomerazlar iki iplikten birinin şeker-fosfat omurgasını kimyasal olarak keserek DNA'nın öbür ipliği etrafında dönmesini sağlar Helikazlar ipliklere çözerek DNA polimeraz gibi dizi okuyucu enzimlerin ilerlemesini sağlar

Baz basamaklarının ergime stabilitesi (B DNA) Basamak Ergime ΔG
/Kcal mol-1
T A -012
T G or C A -078
C G -144
A G or C T -129
A A or T T -104
A T -127
G A or T C -166
C C or G G -197
A C or G T -204
G C -270

DNA topolojisi

Hcredeki çoğu DNA topolojik olarak kısıtlanmıştır DNA ya kapalı halka şeklindedir (prokaryotlardaki plazmitler gibi) ya da çok uzun moleküllerdir ki, bunlar, düşük difüzyon katsayısı yüzünden bunlar fiilen topolojik olarak kapalı bölgeler meydana getirir DNA'nın lineer kısımları da çoğu zaman membranlara bağlı proteinler tarafından bağlıdır ve bunun sonucu topolojik anlamda kapalı halkalar oluşur

Francis Crick DNA süpersarımlarında bağlantı sayısının önemini ilk öneren kişilerden olmuştur 1976'da yayımlanan bir makalede, Crick problemi dile getirmiştir[22]

DNA topolijisinin analizinde üç değer kullanılır:

L = Bağlantı sayısı (İng linking number) Bir DNA ipliğinin öbürü etrafında kaç kere döndüğünün sayıs Kapalı bir halka için bu bir tam sayıdır, kapalı bir topolojik bölge için de bu sabittır
T = burulma (İng twist) İki iplikli DNA sarmalındaki toplam dönüş sayısı Normalde bu sayı DNA çözeltide serbest bulunduğu zamanki dönüş sayısına eşittir, yani, baz sayısı/10,4
W= burkulma

L = T + W ve ΔL = ΔT + ΔW

Kapalı bir topolojik bir bölgede T'deki bir değişme, W'deki bir değişme ile dengelenmek zorundadır ve bu ilişkinin tersi de doğrudur Bunun sonucu DNA'nın üst düzey yapısı oluşur Burkulma sayısı 0 olan halkasal bir DNA molekülü halkasaldır Eğer molekülün burulması süpersarım yapılarak azaltılır veya artırılırsa, burkulma da uygun şekilde değişir, öyleki molekülde simitsi veya çubuksu süpersarmal bir sarım meydana gelir

Eğer çift iplikli sarmal DNA'nın uçları birleştirilip bir alka oluşursa iplikler topolojik anlmada düğümlenmmiş olurlar bu demektir ki, iplikler kesilmeden birbirlerinden ayrılamazlar; ısıtmak DNA'yı ergitse dahi, iplikler gene de birbirleri etrafında sarılı durumda kalırlar Topolojik olarak bağlı ipliklerin düğümünün çözülmesi için topoziomeraz denen enzimler gerekldir Bu enzimler halkasal DNA'nın düğümlü halini çözmek için ipliklerin ibri veya ikisini birden keseler, öyle ki başka bir tek veya iki iplikli DNA parçası onun içinden geçebilsin Bu düğüm çözümü halkasal DNA'nın (veya topolojik olarak benzer şekilde kıstlanmış doğrusal DNA'nın) ikilenmesi ve çeşitli rekombinasyon tiplerinde gereklidir

• Az bükülmeli DNA moleküllerinin süpersarımlı yapısı DNA ikilisinin sarmal özelliği gösterilmemiştir, şekli basit tutmak için

Bağlantı sayısı paradoksu

Yıllar boyunca ökaryotik genomlardaki süpersarılımın kaynağı gizemli kalmıştır Bu topolojik bilmece bazılarınca "bağğlantı sayısı paradoksu" olarak adlandırılmıştı[23] Ancak, nükleozomun yapısı çözülünce ve onun etrafında sol-elli aşırı burulmuş bir DNA olduğu görülünce bu "paradoks" çözülmüştür