MOLEKLER BYOLOJ MOLEKLER BYOLOG OKAN BAYBAL MOLEKLER BYOLOJ

MOLEKÜLER BİYOLOJİ MOLEKÜLER BİYOLOG OKAN BAYBAL

MOLEKÜLER BİYOLOJİ Moleküler biyoloji, canlılardaki olayları moleküler seviyede tetkik eden biyoloji dalı. Moleküler biyoloji son yıllarda ehemmiyet kazanan genetik, biyokimya ve biyofizik gibi dalların gelişmesiyle ortaya çıktı. Canlı organizmada hayati ehemmiyetleri fevkalade çok olan nükleik asitler, proteinler ve enzimlerin yapılarının tamamen aydınlatılması moleküler biyolojinin ilgi alanıdır. Bu maksatla X ışınları difraksiyonu ve elektron mikroskobu gibi ileri tekniklerden faydalanılır. Moleküler biyoloji ayrıca genlerle ilgili hadiselerin moleküler seviyedeki incelemesini de yapar. Bu maksatla araştırmacılar genlerin kromozomlar üzerindeki yerini ve bu genlerin canlılardaki rolünü inceler.

Giriş: Son elli yılda, hücre ve hücrenin fonksiyonları üzerine yapılan çalışmalar büyük ilerlemeler kaydetmiştir. Hücredeki genetik bilginin kuşaklar boyunca taşınması ve genetik maddenin yapısının ne olduğu, bir çok bilim adamının ilgisini çekmiştir.

MENDEL: Bu konuda dikkati çeken ilk çalışmaların Mendel ile başladığını görmekteyiz. Avusturyalı botanikçi ve papaz Gregor MENDEL, günümüzün popüler bilimi olan genetik biliminin, babası olarak kabul edilir. 1856 yılından itibaren çeşitli bezelye (Pisum sativum) varyetelerine ait tohumları toplamaya ve onları manastır bahçesinde yetiştirerek aralarındaki farkları incelemeye başlamıştır. 10 yıllık çalışmasının önemli bulgularını Versuche Über Pflanzenhybriden (=Bitki melezleri ile çalışmalar) adlı ünlü inceleme yazısıyla yayımlamıştır. O tarihlerde DNA, kromozom, mayoz bölünme gibi kavramlar henüz gün ışığına çıkmadığı halde Mendel’in sadece Fenotipik (gözlenebilen) karakter ayrılıklarına göre değerlendirmeleri, son derece doğru biçimdedir.

Çalışmaları ve keşifleri yaşadığı dönem içinde hiçbir ilgi uyandırmamış ve kimse önemini fark etmemişti. Ölümünden 16 yıl sonra Hollanda’da H. De Vries, Almanya’da Correns ve Avusturya’da E. Von Tschermak adlı üç biyolog, çeşitli bitki türlerinde, birbirlerinden habersiz yaptıkları araştırmalarda, Mendel yasalarının geçerliliğini gösterdiler. Mendel yasaları adı altında tüm sonuçları toparladılar

Günümüzde artık genetik materyalin biyolojik, fiziksel ve kimyasal özellikleri ortaya çıkarılmıştır. Moleküler Biyolojinin Temel Amacı: Genetik bilimin birimleri gen olara isimlendirilir. Genler, gen ekpresyonu denilen olayla taşıdıkları bilgiyi RNA çeşitlerine ve protein molekülüne aktararak hücredeki hayatsal olayların düzenlenmesini sağlarlar. Moleküler biyolojinin temel amacı da burada ortaya çıkar. DNA’nın üzerindeki bilginin yeni kuşaklara aktarımı, genetik bilginin RNA ve protein moleküllerine aktarımı ve bu olaylar sırasında gerçekleşen hücresel reaksiyonların incelenmesi, moleküler biyolojinin Temel inceleme alanını oluşturur. Macro moleküllerin (Nükleik asitler ve proteinler gibi) moleküler biyolojinin inceleme kapsamındadır.

Giriş: Canlı organizmalar yaşamları boyunca kendini idare edebilen ve kendini çoğaltabilen kimyasal sistemlerdir. Virüsler gibi bazı ayrıcalıklı gruplar dışında tüm canlılar kimyasal maddelerin yoğun solüsyonları ile dolu ve küçük birimler olan hücrelerden oluşur. Buna göre, canlılık olayları hücre içerisindeki biyolojik moleküllerin yapı ve işlevlerine bağlı olarak ortaya çıkar

İnorganik ve organik kimyasal bilşenlerden oluşan hücrelerde, C atomlarından türevlenen organik bileşikler yaşam molekülü olarak kabul edilirler. Bir hücrenin ağırlığının yaklaşık %99 u sadece 4 çeşit elementle sınırlıdır. (C, O, N ve O)

Hücreyi oluşturan temel organik moleküller başlıca iki grupta toplanabilir. Küçük moleküller hücrenin temel kimyasal yapı taşlarının sentezinde ve enerji elde edilmesinde kullanılırlar. Küçük moleküllerin polimeri olan büyük moleküller ise biyolojik süreçlerin özgüllüğünden ve biyolojik bilginin transferinde sorumludurlar.

Polimerik yapıda olan büyük moleküller monomerik yapıdaki küçük moleküllerin kovalent olarak birbirleriyle bağlanmasıyla oluşur. Küçük organik moleküller(Monomer yapıdaki moleküller) 30 yada daha fazla C atomu içerirler. Bunlar genellikle solüsyon içinde serbest durumda bulunurlar ve bunların bir kısmı daha sonra makromoleküllerin meydana geleceği bir ürün havuzu oluştururlar. Küçük moleküller aynı zamanda besin kaynaklarından türevlenen enerjiyi hücre tarafından kullanabilecek biçime dönüştüren kimyasal reaksiyonlarında temel aracıdırlar. Küçük moleküllerin miktarı hücredeki toplam organik maddelerin onda birini oluşturur.

Hücrelerde küçük organik moleküllere ait başlıca dört temel aile vardır. ØBasit Şekerler(Monosakkaritler) ØYağ asitleri ØAmino asitler ØNukleotidler Bu moleküller canlılarda biyosentez yada alınan maddelerin sindirimi ile ortaya çıkarlar.

Polimer yapıdaki büyük moleküller ise birim yapıdaki monomerlerim kimyasal bağlar ile birleşerek polimerleşmesi sonucunda oluşur. Monosakkaritlerden polisakkaritler, nükleotidlerden nükleik asitler, aminoasitlerden proteinler ve yağ asitlerinden yağlar oluşur. Büyük bir molekül olan polimerin her tipi genellikle uç uca bağlanmış monomerlerin bir serisini içerir. Monomerlerin birbirine başlanmasını sağlayan bağ kovalent bağdır. Örneğin amino asitler peptid bağları ile nükleotidler fosfodiester bağları ile bağlanırlar. Kovalent bağlar fiziksel etkilere karşı oldukça dirençlidir.

Her polimerizasyon reaksiyonu “kondensasyon reaksiyonu” (dehidrasyon) olarak isimlendirilir ve iki monomer arasında bir kovalent bağ oluşumu sırasında bir molekül su açığa çıkar Monomer maddelerden polimer maddenin sentezi sırasında rastlanılan bu olaya tersine “hidroliz” adı verilir. Hidroliz olayı polimer maddelerin monomer maddelere dönüşümünü sağlar. Kovalent bağların yıkımı genelde enzimatik olarak bu bağın kurulması sırasında açığa çıkan suyun tekrar kullanımı ile gerçekleşir.

Hücrede bulunan protein ve nükleik asitler genelde hayatsal reaksiyonlarda görev alırken, yağlar ve proteinler yapısal görevlerde bulunurlar. Nükleik asitler, proteinler, polisakkaritler ve lipidler molekül ağırlığı 1000 daltonun üstüne olan makromoleküllerdir. Dış ortamda hücre içine alınan ve molekül ağırlıkları 18 -44 Dalton arasında değişen küçük moleküller, 100 -350 dalton ağırlığındaki makromoleküllere dönüşür. Bunlarda birbirlerine eklenerek polimer veya zincir halindeki makromoleküllere dönüşür. Makromoleküllerde birbirleriyle birleşerek supramolekülleri yada organelleri meydana getirir. Örneğin protein ve lipidler membranları, DNA ve proteinler kromatini, RNA ve proteinler ribozomları oluşturur.

Makromoleküllerin hücrenin alt yapılarının oluşmasında oynadıkları yapı taşı rolünün yanında kendilerine özgü görevleride vardır. Örneğin ; nükleik asitler kalıtsal bilgiyi şifreli bir şekilde saklayıp iletmekle görevlidir. Enzimler, hücre metabolizmasını yürüten katalitik nitelikte moleküllerdir. Karbonhidratlar ve lipidler ise organizma için gerekli enerjiyi sağlamakla görevlidirler.

KİMYASAL BAĞLAR Kimyasal bağ çekici bir kuvvet olup, atomları bir arada tutar. Makro molekülleri bir arada tutmada ikincil bağ adıyla da anılan zayıf kimyasal bağların önemi çok fazladır. Zayıf bağlar yalnız moleküllerin birbirlerine göre durumlarını belirlemekte kalmaz, polipeptid ve polinikleotit gibi eğilip bükülebilen moleküllerin şekillenmelerinde de önemli rol oynarlar. Bunun için kuvvetli bağların yanında, hücre içi zayıf kimyasal bağlarında önemi çok fazladır.

BİR BAĞIN EN ÖNEMLİ ÖZELLİĞİ KUVVETİDİR. Kuvvetli bağlar fizyolojik ısılarda hiçbir zaman ayrışmazlar. Bu nedenle kovalent bağ ile bağlı atomlar bir moleküle ait sayılırlar. Tek başlarına bulunduklarında çok oynak olan zayıf bağlar kolaylıkla kopabilirler. Bunlar düzenli gruplar halinde iken çok dayanıklı olabilirler. İki atom arasındaki bağın kuvveti bağ uzunluğu ile orantılıdır. Dolayısıyla kuvvetli bir bağ ile bağlı iki atom, birbirlerine zayıf bağla olduklarına göre daha yakın bulunurlar.

Kimyasal bağla birleşen atomlar sürekli olarak bir arada kalamazlar. Bunları yıkan kuvvetlerde vardır, bunların en önemlisi ısı enerjisidir. Hızlı hareket eden moleküllerle çarpışmalar, kimyasal bağları koparabilir. Bir molekül ne kadar hızlı hareket ederse(ısı ne kadar yüklü olursa) çarpışma sonunda bir bağın kopma olasılığıda o kadar büyür. Bir bağın yapmak için kullanılan enerji, yıkmak için kullanılan enerji mikrtarının tamamen aynıdır. Bu eşdeğerlik, enerjinin korunumu ilkesini koyan birinci termodinamik kuralına uygundur.

Kimyasal bağ, moleküllerde atomları bir arada tutan kuvvettir. Atomlar daha düşük enerjili duruma erişmek için bir araya gelirler. Bir bağın oluşabilmesi için atomlar tek başına bulundukları zamankinden daha kararlı olmalıdırlar. Genelleme yapmak gerekirse bağlar oluşurken dışarıya enerji verirler. Atomlar bağ yaparken, elektron dizilişlerini soy gazlara benzetmeye çalışırlar. Bir atomun yapabileceği bağ sayısı, sahip olduğu veya az enerji ile sahip olabileceği yarı dolu orbital sayısına eşittir.

KOVALENT BAĞLAR Hidrojenin ametallerle ya da ametallerin kendi arlarında elektronlarını ortaklaşa kullanarak oluşturulan bağa kovalent bağ denir. Kovalent bağlar çok kuvvetli bağlardır. H 2 ‘ de olduğu gibi iki hidrojen atomundaki elektronlar iki atom tarafından eşit derecede çekiliyorsa bu bağa polar olmayan kovalent bağ denir. Su molekülünde olduğu gibi negatif yüklü olan elektronlar oksijene hidrojenden daha yakındır. Bu kovalent bağ çeşidine polar kovalent bağ denir. Polar kovalent bağlar biyolojik önemi olan hidrojen bağlarının oluşabilmesi için bir ön şarttır.

İYONİK BAĞLAR Kuvvetli bağlardır. Farklı yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik çekimden ortaya çıkan bağ türüdür. İyonik bağ zıt yükler arasındaki Coulomb tipi bir çekimdir. kayatuzu mineralinde; zıt yüklü Na+ ve Cl- iyonlarının elektrostatik olarak birbirlerini çekmeleri sonucu Na. Cl kayatuzu minerali oluşur. İyonik bağın kuvveti Coulomb yasasına tabidir.

HİDROJEN BAĞLARI: Hidrojen bağı, polar kovalent bağlı bir hidrojen atomu ile yine polar kovalent bağlı olan azot, oksijen, flor atomları arasında meydana gelen bir bağ şeklidir. İyi Hidrojen bağı yapabilen birçok grup taşıyan piruvat ve glikoz gibi moleküller suda oldukça kolay çözülürler.

HİDROFOBİK BAĞ Hidrojen bağı yapabilen organik moleküller suda erirler. Hidrojen bağı yapamayan bir organik bileşiğin (CH 4) su ile iyi bir şekilde karıştırabilmesi hemem hemen imkansızdır. Suda çözünemeyen(su ile bağ yapmayan) bu maddeler sudan kaçarak kümeleşirler ve aralarında böylece bir çekim oluşur. Oluşturdukları bu bağ hidrofobik bağ olarak adlandırılır.

LONDON-VAN DER WALLS BAĞLARI İyonik bağ çeşidinde farklı elektrik yüklerine sahip iki iyonun birbirini çektiği gibi, benzer bir elektromanyetik çekim gücü geçici karşıt yükler arasında görülür. Bu bağlar zayıf bağlardır. Bu bağlar özellikle hücre içinin yoğun ortamında, makromoleküllerin hücre alt yapılarıyla etkileşmesinde; örneğin ribozomlarda gerçekleşen protein sentezinde, DNA’nın RNA molekülüne çevrilmesinde ve enzimatik reaksiyonlar sırasındada görülür. DNA çift sarmal yapısının kalımlı kılmada büyük rol oynar

ZAYIF BAĞLAR ASLINDA BİR AVANTAJ Zayıf bir bağın ortalama yaşam süresi, saniye seviyesinin altında ifade edilir. Bu sebeble zayıf bağların yapım veya yıkım hızını arrtırmak için hücreler enzimeler gibi bazı özel mekanizmalara gerek duymazlar. Bundan dolayı enzimler, zayıf bağlarla ilgili reaksiyona hiç girmezler. Emzimler substratlarla zayıf bağlar kurarlar. Bu suretle enzimsubstrat kompleksinin ısısal hareketlerle yapılabilmeleri ve yıkımları imkan dahiline girer. Bu, enzimlerin neden o kadar hızlı görev yapabildiklerini açıklar. Enzimler bir dakikada 10 6 defa kullanılabilirler. Enzimler eğer kuvvetli bağlarla substrat a bağlanmış olsalardı yavaş hareket edeceklerdi.

NÜKLEİK ASİTLER Hücrede bulunan nükleik asitler temel olarak DNA ve RNA olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Bu iki nükleik asit kalıtsal bilginin kuşaktan kuşağa ve protein moleküllerine çevrilmesinde görev alırlar.

Nükleik Asit Çalışmalarının Tarihçesi: • 1930’larda DNA hala Timus Nükleik asiti olarak tanımlanıyordu. Ve DNA nın yanlızca hayvan hücrelerinde yeraldığına inanılırdı. RNA bitki hücrelerinden izole edilmiş ve maya nükleik asit olarak tanımlanmıştı. • 1944’den sonra DNA nın ilk kez genetik madde olduğu hakkındaki bilgiler ciddi olarak ele alınmıştır. • 1953 yılında Watson-Crick tarafından DNA nın fiziksel ve kimyasal yapısı açıklandı. İlk kez çift sarmal yapıya sahip iki uzun iplikten oluştuğu model olarak açıklandı. • 1973 ten günümüze kadar ise gen ekspresyonu, kromozom organizasyonu replikasyon hakkındaki bilgiler artmış, nükleotid sıralarının tayini yapılmıştır. Bu gelişmeler bağlı olarak gen mühendisliği ortaya çıkmıştır. Böylece genler izole edilip klonlanmış ve organizmalara aktarılmış, kalıcı hastalıklarla ilgili çalışmalar gen sıralarının çıkarılması ve PCR yöntemlerinin gelişmesi ile çok ileri boyutlar kazanmıştır. Doly ismi verilen kuzu, bir koyundan kopyalanmıştır.

DNA Deoksiribonükleik asit DNA, Dünya üzerindeki bütün canlı organizmaların özelliklerini belirleyen olağanüstü bir kimyasal maddedir. Bir ağacın yapraklarının rengini, bir kurdun azı dişlerininin büyüklüğünü, bir zürafanın boyunu veya ayak parmaklarımızın şeklini DNA belirler. DNA, hücre çekirdeklerinin hepsinde bulunan kromozomları oluşturur. Her bir kromozonda, tek, uzun bir DNA molekülü vardır.

GEN: Bir DNA molekülü insanın tek bir saç telinden binlerce kere daha ince olduğu halde yüzlerce ciltlik ansiklopedinin bilgilerini içermektedir. Bir DNA molekülünün belirli bir genetik özellik İçeren kesitine GEN adı verilir. DNA bir organzimanın oluşuma ilişkin bilgileri taşır. DNA molekülleri, hücre çekirdeğinde bulunurlar ve vücudumuzda 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.

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.

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).

RNA : Ribonükleik asit , nükleotidlerin arda yerleşmesiyle birleşmiş tek diziden oluşan (DNA nın tek sarmal zincirinden biri gibi) yüksek kaliteli moleküldür. Nükleotid dizisinde şeker ribozdur, azotlu bazlar ise adenin, sitozin, guanin ve urasildir. DNA molekülünden farkı Timin yerine Urasil olmasıdır. Yapı ve fonksiyon olarak birbirlerinden ayrılan 3 tür RNA molekülü vardır. RNA molekülleri 20 çeşit aminoasitin çeşitli sıra ve sayıda dizilimini oluşturarak protein dediğimiz yapıları oluşturma mekanizmasının yani protein sentezinin başrolünü oynar.

m-RNA DNA molekülünde lokalize çözülme ile kopyası çıkarılan moleküllerdir. RNA polimeraz adlı enzim ile DNA dizisindeki genlerin şifresi m. RNA şeklinde oluşturulur. DNA nın her bazına RNA zincirindeki tamamlayıcı baz karşılık gelir, böylece her Adenin’e bir Urasil, her Guanin e bir sitozin nükleotidleri ve bunun tam tersi kombinasyonda dizilimler oluşturulur. Mevcut bir genin bilgilerini ihtiva eden m. RNA molekülü hücre çekirdeğinden ayrılarak sitoplazmadaki ribozomlara varır ve bilgilerini işlemeye başlar. m. RNA lar DNA da yazılı genetik kodun karşı bir tipini oluşturur. Bu şekilde birleştirilmiş RNA molekülü, tıpkı bir fotoğrafın pozitifi ve negatifi gibi kalıtım mesajının karşı tip halindeki eşidir. Bu mesaj daha sonra sitoplazmada ribozomlar sayesinde çözülebilecek ve taşıyıcı RNA sayesinde amino asit birleşimi için kullanılacaktır. m. RNA nın keşfi Fransız ve Amerikan araştırmacıların çalışma ürünüdür. Fakat buna ait kavramı 1961’de kesinlikle belirleyenler, Fransız biyologları Jacob ve Monod’dur.

r-RNA Ribozomal RNA; ribozomlar sitoplazma içine dağılmış küresel yapılardır. Proteinler ve ribozomal RNA denen özel bir RNA çeşidinden oluşurlar. Türe göre ribozomun %40 ila %60ını bu moleküller meydana getirir. Ribozomların rolü haberci RNA da yazılı genetik kodu çözmektir.

t-RNA Taşıyıcı RNA; 70 ila 80 nükleotidli bir moleküldür. Zincirin bir ucu sitozin–adenin (CCA) ve diğer ucu guanin (G) ile son bulur. Ayrıca yapısında nadir bazlarda yer alır. Biçimi 3 yapraklı yonca yaprağı ve molekülün iki ucundan oluşan bir ‘’Sap’’ biçimidir. t. RNA nın rolü hücre ortamındaki amino asitleri , m. RNA tarafından kurulan protein montaj zincirine doğru taşımaktır. Şu halde her t. RNA belirli bir amino asit için özgüldür. Bu özgüllük molekülün, bütün t. RNA larda bulunan CCA bölümünün hemen önündeki ucunda yazılıdır. t. RNA ve onun amino asidi bir t. RNA–aminoasit bileşiği oluşturur. Her an sitoplazma her amino aside karşılık gelecek böyle bileşiklerden yedekler bulundurmaktadır.

t. RNA da yoncanın yapraklarından biri üzerinde bir baz üçlüsünden oluşan özgül bir başka bölge daha vardır. Bu üçlü amino aside özgüldür ve m. RNA üzerindeki ilgili kodunun bir ‘’antikodon’’unu oluşturur, Yani onun karşı-tipidir. Ribozom t. RNA üzerinde kayıtlı kodu işlerken , onun her kodunda ‘’durduğu’’ ve o belirli anda , bir t. RNA ya ilişkin antikodona takıldığı düşünülebilir. Böylece t. RNA lar, m. RNA tarafından şaşmaz bir düzene, yani genetik koda göre kurulmuş montaj zinciri üzerinde arkaya gelecek ve yeni koda göre amino asitlerin birbirlerine takılmalarını sağlayacaktır. Bir defa kullanıldıktan sonra her t. RNA yeni bir amino aside bağlanır ve onu polipeptid zincirinde dizmeye koyulur.