DNA Replikasyonu ve Basamakları

İnsan vücudu bir milyar nükleotid kopyalarken bir hatadan daha az hata oranına sahiptir. Deoksiribonükleik asit veya DNA, gerekli tüm bilgileri bir nesilden diğerine depolayan ve geçiren büyüleyici bir moleküldür. DNA’nın kalıtsal materyal olduğunu keşfetmek için Frederick Griffith, Avery, MacLeod, McCarty, Alfred Hershey, Martha Chase vb. Bu temel ve Rosalind Franklin gibi birçok bilim adamının yaptığı araştırma ile bu molekülün yapısı James Watson ve Francis Crick tarafından çözüldü. (DNA Keşfi ve Tarihi adlı makaleyi okuyabilirsiniz.)

DNA molekülünün basit kimyasal kodu, tüm canlı organizmaların muazzam derecede karmaşık olmasının ana nedenidir. Fakat daha da ilginç olan yanı, kendi kendini kopyalayabilme ve kendisine benzer başka bir molekül üretebilme yeteneğidir.

Aşağıda, DNA yapısının kısa bir açıklaması ve DNA molekülünün kendisinin olağanüstü bir doğrulukla kendi kopyalarını oluşturduğu adımlar yer almaktadır.

DNA Yapısı Hakkında Kısa Bilgi

Bir DNA’nın yapı taşları, bir deoksiriboz şekeri (bir 5-karbonlu şeker), şekere bağlı bir azotlu baz ve bir fosfat grubundan oluşan nükleotitler olarak adlandırılan moleküllerdir. Eklenen azotlu bazın türüne bağlı olarak dört tip nükleotit molekülü vardır. Bu dört nükleotid (ve ilgili azotlu bazları):

  • A denosin (Adenine)
  • T hymidine (Timin)
  • G üosin (Guanin)
  • C- sitidin (Sitozin)

Sitozin ve timin, altı üyeli heterosiklik moleküllerin bir türü olan pirimidinlerdir. Diğer taraftan, adenin ve guanin, bir pirimidin halkası ve bir imidazol halkası içeren iki halkalı moleküller olan pürindir. Bu nükleotidler, DNA molekülünün tek bir dizisini oluşturmak için fosfat grupları ve şeker kısımları yoluyla bağlanır. 

Bir nükleotidin fosfat grubu ve bitişik nükleotitin hidroksil grubu bir fosfodiester bağı ile bağlanır. Şeker kısımları ve fosfat grupları, her DNA iplikçiğinin omurgasını oluşturur. Her iplikçiğin bir 5 ‘fosfat ucu ve bir 3’ hidroksil ucu vardır.

Bu iplikler, birbirine zıt ipliklerin pürinleri ve pirimidinleri arasında meydana gelen hidrojen bağı yoluyla birbirine bağlanır. Adenin çift bağı (A = T) ile timin çiftleri, guanin üçlü bağ (G ≡ C) ile sitosin çiftleri. DNA, DNA omurgası moleküllerinin bağlanma açıları nedeniyle belirli uzunluklarda bükülür. Bu düz bir merdiven yerine sarmal bir yapı oluşturur. A = T ve G ≡ C taban çiftleri, bu helezon merdiveninin basamaklarını oluşturur.

DNA Replikasyon Adımları

DNA replikasyonu süreci karmaşıktır ve önceden belirlenmiş sekansta nükleotidleri toplu olarak bir araya getiren bir dizi protein ve enzimi içerir. Hücre bölünmesi sırasında alınan moleküler işaretlere yanıt olarak, bu moleküller DNA replikasyonunu başlatır ve mevcut iplikleri şablon olarak kullanarak iki yeni ipliği sentezler. Ortaya çıkan iki özdeş DNA molekülünün her biri, bir eski ve bir yeni DNA dizisinden oluşur.

Prokaryotik DNA replikasyonu sırasında meydana gelen olaylar dizisi aşağıda açıklanmıştır.

DNA Replikasyonunun Başlangıcı

DNA replikasyonu, DnaA adı verilen başlatıcı proteinler tarafından tanınabilen spesifik bir sekansa sahip replikasyonun kaynağı olarak adlandırılan spesifik bir bölgede başlar. Kök bölgelerindeki DNA molekülüne bağlanır, böylece DNA replikasyonu için gerekli olan diğer protein ve enzimlerin kenetlenmesi için işaretlenir. Helis asidi adı verilen bir enzim, sarmalların tek iplikçikler halinde çözülmesi için sahaya eklenir.

Helicases, baz çiftleri arasındaki hidrojen bağlarını enerji bağımlı bir şekilde kırar. DNA’nın bu noktası veya bölgesi artık çoğaltma çatalı olarak adlandırılır. Sarmallar açıldıktan sonra, tek iplikli bağlanma proteinleri (SSB) olarak adlandırılan proteinler çözülmemiş bölgelere bağlanır. Çoğaltma işlemi böylece başlatır ve çoğaltma çatalları DNA molekülü boyunca iki zıt yönde ilerler.

DNA Replikosyonu: Astar Sentezi

Bir şablon olarak mevcut ipliği kullanan yeni, tamamlayıcı DNA dizisinin sentezi, DNA polimerazları olarak bilinen enzimler tarafından ortaya çıkarılmaktadır. Replikasyona ek olarak, DNA onarımı ve rekombinasyonunda da önemli bir rol oynarlar.

Bununla birlikte, DNA polimerazlar DNA sentezini bağımsız olarak başlatamaz ve zorunlu tamamlayıcı nükleotidlerin eklenmesini başlatmak için 3 ‘hidroksil grubu gerektirir. Bu, DNA’ya bağımlı bir RNA polimerazı olan DNA primazı adı verilen bir enzim tarafından sağlanır. Mevcut DNA iplikçikleri üzerine kısa bir RNA sentezler. Bu kısa segment bir primer olarak adlandırılır ve 9-12 nükleotit içerir. Bu, DNA polimerazını bir DNA şeridini kopyalamaya başlamak için gereken platformu içerir. Her iki iplik üzerinde primerler oluşturulduktan sonra, DNA polimerazları bu primerleri yeni DNA ipliklerine uzatabilir.

DNA’nın çözülmesi, çatalları takip eden bölgelerde süper sargıya neden olabilir. Bu DNA süper bobinleri, replikasyon çatalı öncesinde DNA gerilmesine bağlanan topoizomeraz adı verilen özel enzim tarafından rahatlatılmaktadır. Süper bobini rahatlatmak için DNA zincirinde bir çentik oluşturur.

DNA Replikasyonu: Ön Strand Sentezi

DNA polimerazları yeni bir nükleotidi sadece mevcut bir telin 3 ‘ucuna ekleyebilir ve böylece DNA’yı sadece 5’ → 3 ‘yönünde sentezleyebilir. Ancak DNA iplikçikleri zıt yönlerde ilerler ve dolayısıyla bir iplikçiğin DNA sentezi sürekli olarak gerçekleşebilir. Bu lider iplikçik olarak bilinir.

Burada, DNA polimeraz III (DNA pol III), RNA primerinin 3 ‘OH ucunu tanır ve yeni tamamlayıcı nükleotidler ekler. Çoğaltma çatalı ilerledikçe, yeni nükleotidler sürekli bir şekilde eklenir, böylece yeni iplikçik oluşturulur.

DNA Replikasyonu: Bağlama Strand Sentezi

Karşı iplikte, DNA, 5 ‘→ 3’ yönünde bir dizi küçük DNA fragmanı üreterek süreksiz bir şekilde sentezlenir. Bu fragmanlar, daha sonra sürekli bir nükleotid zinciri oluşturmak için birleştirilen Okazaki fragmanları olarak adlandırılır. Bu iplikçikteki DNA sentezi işlemi daha düşük bir hızda ilerlediğinden, gecikme şeridi olarak bilinir.

Burada, primaz, açılmamış şerit boyunca çeşitli yerlerde primerler ekler. DNA pol III, yeni nükleotidler ekleyerek primer uzatır ve önceden oluşturulmuş fragmanla karşılaştığında düşer. Bu nedenle, DNA iplikçiğinin serbest bırakılması ve başka bir RNA primerinin uzamasına başlamak için daha fazla yukarıya akması gerekmektedir. Sürgülü bir kelepçe gibi, DNA’yı çoğaltma işleminde hareket ettiği yerde tutar.

DNA Replikasyonu: Astarın Sökülmesi

Yeni DNA şeritleri sentezlenmiş olmasına rağmen, yeni oluşturulmuş iplikçikler üzerinde bulunan RNA primerlerinin DNA ile yer değiştirmesi gerekmektedir. Bu aktivite, DNA polimeraz I enzimi (DNA pol I) ile gerçekleştirilir. Özellikle 5 ‘→ 3’ eksonükleaz aktivitesi aracılığıyla RNA primerlerini uzaklaştırır ve bunları 5 ‘→ 3’ DNA polimeraz aktivitesi ile yeni deoksiribonükleotitlerle değiştirir.

DNA Replikasyonu: Ligasyon

Astar çıkarma işlemi tamamlandıktan sonra, geciktirme ipliği hala bitişik Okazaki parçaları arasında boşluklar içerir. Enzim ligazı, bitişik fragmanların 5 ‘fosfat ve 3’ hidroksil grupları arasında bir fosfodiester bağı oluşturarak bu çentikleri tanımlar ve mühürler.

DNA Replikasyonu: Sonlandırma

Bu çoğaltma makineleri, benzersiz bir nükleotit sekansı içeren spesifik sonlandırma bölgelerinde durur. Bu dizi, bu bölgelere bağlanan tus adı verilen özel proteinler tarafından tanımlanır, böylece helikaz yolunu fiziksel olarak bloke eder. Helikaz tus proteini ile karşılaştığında, yakındaki tek iplikli bağlanma proteinleri ile birlikte düşer.

Prokaryotik ve Ökaryotik DNA Çoğaltma Arasındaki Fark

Temel mekanizma aynı kalsa da, ökaryotik DNA replikasyonu çok daha karmaşıktır ve daha fazla sayıda protein ve enzimi içerir. DNA replikasyonu için düzenleyici mekanizmalar da daha gelişmiştir ve karmaşıktır.

  • Prokaryotlarda, DNA replikasyonu hücre bölünmesinin ilk adımıdır. Öte yandan, ökaryotik DNA replikasyonu hücre döngüsü düzenleyicileri tarafından karmaşık bir şekilde kontrol edilir ve süreç, hücre döngüsünün ‘S’ veya sentez fazı sırasında gerçekleşir.
  • Prokaryotik DNA’dan farklı olarak, ökaryotik DNA her zaman gen ifadesinin düzenlenmesinde rol oynayan histon proteinleri ile birlikte bulunur. Çoğaltma sırasında, bu proteinlerin DNA’nın çözülmesinden hemen önce çıkarılması gerekir.
  • Ökaryotların daha yüksek genomik büyüklüğü ve karmaşıklığı nedeniyle, DNA boyunca çoğaltma için birkaç kökeni ve sonlandırma bölgesi mevcuttur. Bir grup menşe ve sonlandırma noktaları arasındaki bölge, bir çoğaltma olayının gerçekleştirildiği bir çoğaltma birimi veya replikon olarak adlandırılır. Bu, tek bir replikonun sahip olduğu prokaryotik sisteme kıyasla daha hızlı ve daha doğru DNA replikasyonuna olanak sağlar.
  • Prokaryotlarda oluşan Okazaki parçaları ökaryotlardakine göre daha uzundur. Escherichia coli (E. coli) de yaklaşık 1000 ila 2000 nükleotid uzunluğunda; ökaryotlarda ise uzunlukları 100 ile 200 nükleotid arasında değişir.
  • Prokaryotik ve ökaryotik DNA replikasyonunda bir başka ilginç fark, replikasyonun sonlanma aşamasındadır. Prokaryotlarda, iki kopya çatal, dairesel DNA molekülü boyunca zıt yönlerde hareket eder, sonlandırma yerinde toplanır ve çoğaltma durur. Bununla birlikte, ökaryotik DNA bir lineer moleküldür, gecikme ipi şablon iplikçiğinden daha kısadır. Böyle bir kısaltma yoluyla genetik bilgi kaybını önlemek için, kromozomal uçlar, kodlamayan DNA içeren telomer adı verilen bir dizi tekrarlı diziye sahiptir.

İlginizi Çekebilecek Benzer Yazılar

Related Posts