Nükleik Asitler

Nükleik Asitler

Aşağıdaki ders notu ile dersteki sunular birbirinden görsel ve/veya konu başlıkları yönünden farklılıklar gösterebilir.

Nükleik asitler her hücrede bulunan genler ve kalıtsal faktörlerle ilgili protein sentezinin anahtar maddeleridir. İlk kez hücre çekirdeğinden izole edildiği için adına “nüklein” yada “nüklein maddesi” denmiştir. Bunlar sadece hücre çekirdeğinde değil hücrenin diğer kısımlarında özellikle ribozomlarda, mitokondrilerde ve stoplazmada da bulunurlar. Nükleik asitler kalıtsal bilgileri depolar ve aktarırlar.
Proteinlerdeki polipeptid zincirleri gibi nükleik asitler de nükleotidlerden kurulur. Nükleotidler, 1:1:1 oranında azotlu baz, pentoz ve fosfat olmak üzere üç karakteristik komponente sahiptirler. Azotlu baz ve pentozun birbirine β-N-glikozit bağıyla bağlanmasıyla nükleozid oluşur, nükleozide fosfatın bağlanmasıyla nükleotid (mononükleotid, nükleozid monofosfat) oluşur.

Azotlu Bazlar

Nukleik asitlerin yapısında yer alan bazlar primidin ve purin bazlar olarak başlıca iki gruba ayrılmaktadır. Primidinler yapılarında iki azot (N) bulunan ve altıgen bir halkaya sahip bileşiklerdir. Yapıdaki numaralama sistemi halkanın altında bulunan azottan başlar ve saatin işleyiş yönüne doğru devam eder. Nukleik asit yapısında yer alan diğer bütün pirimidinler bu ana yapının türevidirler. Hatta purinler bile bazı hallerde pirimidinlerin bir türevi olarak kabul edilmektedir. Çünkü purinler pirimidin halkasına bir imidazol halkasının bağlanması ile oluşmuşlardır. Nukleik asitlerin yapısında yer alan başlıca pirimidinler, pirimidin halkasındaki 2., 4. ve 5. pozisyonlardaki hidrojen atomlarının yerine amino, hidroksil, oksijen ve metil gruplarının girmesi ile oluşmaktadırlar. Bunlar pirimidin ana yapısından meydana gelmiş pirimidin türevidirler.

Serbest pirimidinler ve pürinler, zayıf olarak bazik bileşiklerdir; bu yüzden baz olarak tanımlanırlar. Serbest pirimidin ve pürin bazları, pH’a bağlı olarak iki veya daha fazla tautomerik formda bulunabilirler. Pirimidin ve pürinler, keto-enol tautomeri göstermektedirler.

Nukleik asit yapısında sıklıkla yer alan üç pirimidin bilinmektedir ve bunlar sitozin, urasil ve timindir.

Bunlardan timin ve sitozin nükleik asitlerden DNA yapısında, urasil ve sitozin ise RNA yapısında yer almaktadır.
Purinler altıgen pirimidin halkasına beşli bir imidazol halkasının bağlanması ile purin bazlarının ana halkasal yapısı oluşur. Purin ana halkasal yapısında numaralama pirimidin altıgen halkasında bulunan yukarıdaki azottan başlar ve saatin işleyiş yönünün aksine devam eder ve imidazol halkasında ise tekrar saatin işleyiş yönünde numaralama devam eder. Nukleik asitin yapısında başlıca iki purin bazı bulunmaktadır ve bunlar adenin ve guanindir.

Daha az sıklıkla rastlanan purin bazları ise ksantin, hipoksantin ve ürik asittir. Doğal olarak meydana gelen bu purin bazları daha çok purin metabolizmasında rol oynamaktadırlar.

Her ne kadar adenin, guanin, titmin, sitozin ve urasil gibi normal bazlar çoğunlukla DNA ve RNA yapısında yer alıyorlarsa da diğer bazı bazlar da nukleik asitlerin yapısında yer almaktadır. Bu bazlara Nadir Rastlanan Bazlar-Modifiye Bazlar denilmektedir. Nadir bazlar genellikle normal bazların değişik pozisyonlarına metil, hidroksimetil, asetil, izopentenil veya değişik bir grubun bağlanması ile meydana gelmektedirler. Nadir bazlar daha sıklıkla tRNA yapısında bulunmakta olup tRNA’larda 30 kadar nadir baza rastlanmaktadır.

Pentoz

Nükleotidlerdeki pentozlar, D-riboz ve 2i-deoksi-D-Ribozdur ki her iki pentoz tipi nükleotidlerde β-furanoz formunda bulunurlar. Bir purin veya pirimidin bazının riboz veya deoksiriboz şekerinin 1. karbonuna bağlanması ile nukleozitler meydana gelmektedir. O halde iki sınıf nukleozit bulunmaktadır. Bazların riboz şekerine bağlanması ile ribonukleozitler, deoksiriboz şekerine bağlanması ile de deoksiribonukleozitler ortaya çıkmaktadır. Ribonukleozitlerin yapısı aşağıda gösterilmiştir.

Nükleozidler

Yukarıda verilen biligiler ışığında anlaşılacağı üzere iki seri nükleozid mevcuttur. Şeker olarak D-riboz ihtiva eden ribonükleozidler ve 2-deoksi D-riboz içeren dezoksiribonükleosidler. Serbest nükleozidler purin ve pirimidinler gibi hücrelerin çoğunda sadece iz halde rastlanırlar. Onlar nükleotidlerin kimyasal yada enzimatik hidrolizinin sonucunda meydana gelirler. Nükleozidler suda, karşılıkları serbest bazlardan daha çok eriyebilirler. Kromatografik metodlarla kolayca izole ve idantifiye edilirler. Nükleosidler glikozidler gibi alkali ortamda itiraz edilmez bir şekilde olarak dayanıklıdırlar. . Purin ve pirimidin bazları gibi nukleozitler de hücre içerisinde nukleotitlerin fosfat grubunun enzimatik olarak hidrolize edilmesi ile çok az miktarda üretilmektedirler. Nukleozitler suda ait oldukları bazlardan daha fazla çözünmektedirler. Purin nükleosidler asit ortamda rölatif olarak kolayca hidrolize olurlar ve serbest bir baz ve bir pentoz verirler. Pirimidin nukleozitler, purin nukleozitlere nazaran asit hidrolizine karşı daha fazla dayanıklıdırlar. Her iki tip nukleozitlerde spesifik nükleozidazlarla hidrolize edilerek serbest şeker ve baza ayrılmaktadır.
Pirimidin nukleozitlerde şeker, 1. Karbonundan sitozin, timin ve urasilin 1 no.lu azotuna bir glikozidik bağ ile bağlanmıştır. Purin nukleozitlerde ise şeker 1. Karbonu ile adenin ve guaninin 9 no.lu azotuna bağlanmıştır. Şeker molekülü ve bazlar arasındaki bu bağa Beta-N-glikozidik bağ adı verilmektedir.
Örneğin, adenin nukleozite kısaaca adenozin adı verilir. Eğer bazların nukleozit yapılarındaki şeker, riboz şeker ise nukleozitlerin isimleri aşağıdaki gibidir. Adenin nukleozit -> Adenozin, Guanin nukuleozit -> Guanozin, Timin Nukleozit -> Timidin, Sitozin Nukleozit -> Sitidin, Urasil Nukleozit -> Uridin, Hipoksantin Nukleozit -> İnozin. Formülleri aşağıda gösterilmiştir.

,,

 

 

Nükleotidler

Nukleotitleri, nukleozitlerin fosfat esterleri olarak tanımlayabiliriz. Nükleotidlerdeki fosfat, fosforik asittir (H3PO4).Fosfat grubu 5 karbonlu riboz şekerinin 2., 3. ve 5. karbonlarına bağlı hidroksil grupları ile ester bağı yaparak üç farklı nukleotid oluşturulabilir. Hatta bazen 3 ve 5 nolu karbonlara aynı anda bağlanarak halkasal fosfat veya siklik fosfat türevi meydana gelir. Örneğin, 3’, 5’-adenozin monofosfat (c-AMP) böyle halkasal fosfat grubu ihtiva eden bir yapıdadır. Buna kısaca siklik-AMP adı verilmektedir. Şayet şeker bir deoksiriboz şekeri ise 3 ve 5 nolu hidroksil gruplarına fosfat bağlandığından her nukleozit için nukleotidin meydana gelmesi söz konusudur.

Nukleotit trifosfatların hücre içinde önemli fonksiyonları vardır. Bunlar :

1. ATP, kimyasal enerjinin transferini sağlayan muhtelif enzimatik reaksiyonlarda fosfat ve pirofosfat taşıyıcısı olarak ödev yapmaktadır. ATP defosforile edildiği zaman ADP meydana gelmekte, ADP ise solunum esnasında üretilen enerji ile tekrar fosforile edilerek ATP haline dönüşmektedir. ATP diğer NTP’lara spesifik biyosentetik yollarda kimyasal enerjiyi sağlayan ana maddelerdir.
2. Nukleotit di- ve trifosfatlar bazı moleküllerin biyosentezinde koenzime benzer görev yapmaktadırlar. Örneğin, uridin difosfat (UDP) polisakkaritlerin sentezinde şeker taşıyan bir molekül olarak görev yapmaktadır. UDP-glukoz, glikojenin enzimatik biyosentezinde glukoz donoru olarak hareket etmektedir. Sitidin difosfat kolin ise kolin ihtiva eden, fosfogliseritlerin biyosentezinde fosfokolin donoru olarak hareket etmektedir.
3. NTP’ler ve dNTP’lar, mononukleotit üniteleri halinde DNA ve RNA’ların yapısında girerken enerjice zengin öncül madde olarak hareket etmektedirler. Nukuleotit trifosfatlar monofosfat haline gelirken beta ve Gamma-fosfat gruplarında depolanan enerji bu fosfat gruplarının hidrolize edilmesi ile açığa çıkmakta ve yeni kovalent bağların yapılması için harcanmaktadır. Uridin difosfat glukoz ve sitidin difosfat kolinin yapıları aşağıdaki gibidir.

Nükleik Asitler

Şimdiye kadar anlattığımız kısımlarda DNA’nın kaltıtımı taşıyan bir molekül olduğunu RNA’ların ise DNA’nın taşıdığı genetik bilgiyi proteinlere aktarmada aracılık görevi yaptığından bahsettik. DNA ve RNA’nın yapı taşlarını basitten komplekse doğru incelemeye çalıştık. Şimdi bu bölümde basit yapısal ünitelerin yan yana gelip polimer bir molekül olan nukleik asitleri nasıl oluşturduğuna bakalım.
Deoksiribonukleotitlerin polimerize olması ile DNA ve ribonukleotitlerin polimerize olması ile de RNA meydana gelmektedir. Bir nukleotitteki şekerin 5’-karbonuna bağlı fosfat grubunun hidroksili ile diğer nukleotitteki şekerin 3’-hidroksil grubu arasında bir fosfodiester bağı oluşur. Böylece bir şeker ile bir fosfatın münavebeli bir şekilde devam etmesi ve arada fosfodiester bağının bulunması ile nukleik asitlerin ana omurgası meydana gelmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi DNA ve RNA arasında bir şeker ve baz farklılığı bir yana bırakılacak olursa her iki molekülün pek çok özellikleri birbirine benzemektedir. Gerek DNA’da gerekse RNA’da nukleotitler fosfodiester bağı ile birbirine bağlanarak polinukleotitler meydana gelmektedir.
Her hücre içindeki DNA ve RNA’ların toplam miktarları değişiktir. Maya hücrelerinde %40, bakterilerde %15 memeli hayvanların nükleik asitlerden zengin thymus gibi dokularında %1 kadar (kuru ağırlık üzerinden) nükleik asit bulunur. DNA/RNA=20/1 ile 0,5/1 arasında değişir. Biyokimyasal yapılarından dolayı, makromolekül yapısı ile fonksiyonu nukleik asit tiplerini birbirinden farklı kılar. Bütün nükleik asitler fonksiyonel birimler teşkil ederler ve protein biyosentezinde özel bir şekilde ve belli bir sıra ile ortak hareket ederler.
DNA ve RNA molekülleri birçok bakımdan biribirlerine benzemektedir. Genel yapı bakımından biribirinin benzeridirler. Ancak bir takım farklılıklar vardır ve bunları şu şekilde sıralayabiliriz.

1. DNA’nın yapısında deoksiriboz şekeri, RNA’nın yapısında riboz şekeri bulunur.
2. DNA’nın yapısında adenin, timin, sitozin ve guanin bulunur. Yani DNA’daki timin yerine RNA’da urasil bazı girmektedir.
3. DNA hemen hemen her zaman çift sarmal yapıda bulunur. İstisna olarak bazı viruslardaki DNA tek sarmaldır. RNA’lar hemen hemen her zaman tek zincir halinde bulunurlar. Nadir hallerde örneğin, tRNA yapısında kısmi çift sarmal yapı meydana getirirler.
4. DNA her zaman kalıtsal özelliği taşıyan molekül olarak ödev yapmaktadır. RNA’lar çoğu zaman yapısal ödev yapmakta veya protein sentezinde genetik bilginin DNA’dan proteine aktarılmasında aracı rolü oynamakta ve ancak çok nadir hallerde bazı viruslarda kalıtsal bilgiyi taşıyan bir molekül olarak hareket etmektedirler.

DNA, çift sarmal yapıdan ibarettir. Hücre çekirdeğinde kromozomlarda ve mitokondrilerde yer alır. Genetik haber birimidir. DNA’nın makromolekül modeli Watson ve Crick tarafından geliştirilmiştir. Buna göre ;

1. DNA molekülü, biri müşterek bir eksen etrafında sarılmış nukleik asit zincirleri ve diğeri de sabit geometrik ölçülerle meydana gelmiş çift spiral olmak üzere iki kısımlıdır. Azotlu heterosiklik bazlar bu çift sarmal içerisinde yerlerini alırlar. Bir zincirin her bir bazı diğerinin uygun bir bazına karşı gelir. Karşı karşıya bulunan bazlar alt alta H-köprüleri ile birbirine bağlanır.
2. DNA’nın bazları, önce düzgün olmayan bir sıra ile dizilir. Ancak sonradan bir zincirin baz sırasından dolayı, diğer zincirin baz sırası saptanır. Daima Adenin-Timin, Guanin-Sitozin karşı karşıya bulunur. Bazların çiftleşmesi kuralı çeşitli organizmaların DNA’larında A ile T in ve G ile de C in daima ekimolar oranda bulunduğu, buna karşın, A + T in G + C e oranının değiştiği gerçeğini ortaya koyar.
3. DNA molekülünde birbirine uyan zincirler karşılıklı yer alırlar. Yani bir zincirdeki 5’-3’ fosfodiester bağı ikinci zincirdeki 3’-5’ fosfodiester bağının karşısında yer alır.