Antiparalellik ve Baz Eşleşmesi

Karıştırılan tüpler

Cuma, şubatın son iş günü. Karabük'te gece yağan karla karışık yağmur sabaha doğru dinmiş, laboratuvarın pencere pervazında ince bir buz tabakası kalmış. Aybars'ın önünde üç küçük tüp duruyor; bir sentez firmasından gelen yirmi bazlık tek zincirli DNA parçaları, yani oligonükleotitler. Birinci tüpün etiketinde 5'-ATGGCACTACAAGACCCTAC-3' yazıyor.

İkinci ve üçüncü tüpü Ruhsar Hanım hazırlamış. İkisinde de birinci dizinin her harfinin karşılığı var, ama biri harfleri tersten sıralıyor, öbürü aynı sırada bırakıyor. Aybars birinci parçayı ayrı ayrı ikisiyle karıştırıp çarşamba kullandığı ısıtmalı küvet yuvasına koyuyor. İkinci karışımın eğrisi altmışın biraz üstünde tanıdık bir basamak çiziyor. Üçüncüsü baştan sona düz gidiyor.

"Harfler aynı," diyor Aybars. "Karşılıklar da doğru. Sırayı çevirmek neden bu kadar fark etsin?" Ruhsar Hanım cevap yerine eski bir uygulama föyünden çıkardığı tabloyu masaya bırakıyor: soğan, bakteri ve tek zincirli bir virüsün dört bazının yüzdeleri.

Masadaki iki soru

Zincirin iki ucunu ve yazım yönünü kurup bir dizinin karşısındakini kâğıt üstünde yazacağız. Sonra eşleşmenin neden yalnız iki çift kabul ettiğine, kuralın kenarındaki çiftlere ve tablodaki oranlara bakacak, en sonda yirmi harflik bir dizinin genomda ne kadar seyrek tekrarlandığını hesaplayacağız.

Metin

Zincirin başı ve sonu

Nükleotitleri dizerken fosfodiester köprüsünü bir şekerin 5' karbonundan sonrakinin 3' hidroksiline kurmuştuk. Köprüler hep aynı yönde atıldığı için zincirin iki ucu birbirine benzemez. OpenStax'e göre bir uçta serbest bir 5' fosfat, öbür uçta serbest bir 3' hidroksil kalır; Wikipedia'nın yönlülük maddesi de 5' ucunun çoğunlukla bir fosfat taşıdığını, 3' ucunun ise şekerin hidroksiliyle bittiğini yazar.

Okun hangi yöne çizileceği bir uzlaşmadır. Wikipedia'nın nükleik asit dizisi maddesi dizilerin geleneksel olarak 5' ucundan 3' ucuna yazıldığını söyler. Biyokimya adlandırmasının uluslararası kuralları da aynı varsayımı kurar: soldan sağa okunan bir dizide sol uç 5' ucudur, ters yön ancak bir okla ya da uç işaretiyle belirtilir. Kuralın pratik bir sonucu var: aynı harf sırası ters yönde okunursa başka bir dizidir.

İki zincir sarmalda yan yana durduğunda okları zıt yönü gösterir. OpenStax bunu bir zincirin 3' ucunun ötekinin 5' ucuna baktığı düzen diye tarif eder. Protein yapısını işlerken β-tabakada yan yana uzanan omurga parçalarının paralel ya da antiparalel dizilebildiğini görmüştük. DNA'nın çift sarmalında seçenek yoktur.

Karşılığı yazmak

Hidrojen Bağı dersinde adeninin timinle, guaninin sitozinle eşleştiğini ve bu seçimin verici–alıcı uyumuna dayandığını görmüştük. Kural, bir zincirin dizisini bilen kişinin öbürünü kâğıt üstünde yazabileceği anlamına gelir. Wikipedia'nın tamamlayıcılık maddesi bu ilişkiyi kilit ile anahtara benzetir ve şartını açıkça koyar: iki dizi antiparalel hizalandığında her konumdaki baz karşısındakini tamamlar.

Yazarken iki adım vardır. Önce her harf karşılığıyla değiştirilir, sonra dizi ters çevrilir ki sonuç da 5'→3' okunabilsin. 5'-ATGCCG-3' dizisinin karşılıkları sırasıyla TACGGC olur; bu harfler kâğıtta ilk dizinin altına yazıldığında soldan sağa 3'→5' okunur. Tersten okununca 5'-CGGCAT-3' çıkar. Kâğıt üstünde kurallı yazılan bu ikinci dizi, ters tamamlayıcıdır.

Aybars'ın tüplerindeki fark buydu. Ruhsar Hanım'ın ikinci tüpü 5'-GTAGGGTCTTGTAGTGCCAT-3' taşıyordu: birinci dizinin ters tamamlayıcısı. Üçüncü tüpte yalnız harfler değiştirilmiş, sıra çevrilmemişti; karşılıklar doğruydu ama yönleri yanlıştı. Antiparalel hizalandığında bu dizinin bazları birinci dizinin karşısına yanlış sırayla düşer, yirmi konumun çoğunda eşleşme kurulamaz ve basamak çıkmaz.

Timinin RNA'da yerini urasile bıraktığını görmüştük; Wikipedia'nın tamamlayıcılık ve baz çifti maddelerine göre orada adeninin eşi urasildir.

İki halka karşısında bir halka

DNA Çift Sarmalı dersinde OpenStax'in iki nanometrelik çapın bütün sarmal boyunca sabit kaldığını vurguladığını ve bunu iki koşula bağladığını görmüştük. Koşulların ilki ters yöndü; ikincisi, her basamakta bir pürinin bir pirimidinle karşılaşması. Baz çifti üzerine Wikipedia maddesi nedenini mesafeyle açıklar: iki pirimidin karşı karşıya geldiğinde hidrojen bağı kuramayacak kadar uzak, iki pürin ise birbirini itecek kadar yakın kalır. Yalnız iki halkalı ile tek halkalı bazın toplamı omurgalar arasındaki boşluğu tam doldurur.

Aynı maddeye göre adenin–sitozin ve guanin–timin de birer pürin–pirimidin çiftidir; boyları uyar, ama verici ve alıcı grupları karşılıklı düşmez. Geriye A–T ve G–C kalır, ve ikisi de iki omurgayı aynı uzaklıkta tutar. Bu uzaklık iki şekerin bazı taşıyan C1' karbonları arasında ölçülür: 2024'te Nucleic Acids Research'te yayımlanan bir RNA çalışması kurallı çiftler için yaklaşık 10,7 ångström verir, Nature Communications'ta 2025'te çıkan bir polimeraz çalışması kurallı çifti 10 ile 12 ångström arasındaki uzaklıkla tanımlar. Sarmal hangi harfin geleceğini sormadan aynı genişlikte kalabilir; bilgi taşıyan bir molekül için bu, her diziyi kabul eden bir iskelet demektir.

Kuralın kenarı

Wikipedia'nın tautomer maddesine göre guanin, timin ve sitozin bir hidrojenin halka üzerinde yer değiştirdiği nadir biçimlere geçebilir. Mutasyon maddesi bu yer değiştirmenin bazın hidrojen bağı desenini değiştirip kopyalama sırasında yanlış eşleşmeye yol açabildiğini yazar. Kimsey ekibinin 2015'te Nature'da yayımladığı NMR ölçümleri böyle biçimlerin çift zincirde gerçekten, çok kısa süreler ve küçük oranlarda oluştuğunu ve kurallı çift gibi görünen yanlış eşleşmeler kurabildiğini gösterdi. Bu hataların nasıl ayıklandığı DNA Replikasyonu modülünde, hata düzeltmesi ve yanlış eşleşme onarımıyla birlikte işlenecek.

Başka geometriler de vardır. Wikipedia'nın Hoogsteen maddesi, pürinin şekerle bağı çevresinde dönerek aynı eşine başka bir yüzünden bağlandığı ve C1' uzaklığının yaklaşık 8,6 ångströme kısaldığı çiftleri anlatır; Nikolova ekibinin 2011 çalışması bu çiftlerin sıradan bir çift sarmalın içinde bile kısa ömürlü ve seyrek olarak belirdiğini gösterdi. Wikipedia'nın yalpalama çifti maddesi ve baz çifti maddesi de RNA'da guanin ile urasilin sık eşleştiğini yazar; bu esneklik Genetik Kod modülünde, kodonla tRNA'nın buluştuğu yerde karşımıza çıkacak.

Föydeki tablo

Ruhsar Hanım'ın tablosunda soğan için A %31,4, T %31,6, G %18,6, C %18,4; bakteri için A %21,4–T %21,6 ile G %28,4–C %28,6 civarı yazıyor. Dört sayı birbirinden çok farklı, ama ikişer ikişer neredeyse eşit. Üçüncü sütun, tek zincirli virüs, bu düzeni bozuyor: A %24,0 iken T %31,3.

Bu eşitlikleri ilk kez Erwin Chargaff ölçtü. Wikipedia'nın Chargaff kuralları maddesi bulguları 1940'ların sonuna yerleştirir; Chargaff'ın DNA bileşimi üzerine 1950'de Experientia, Nature ve Journal of Biological Chemistry'de çıkan makaleleri de Europe PMC'de kayıtlıdır. Wikipedia'nın Chargaff maddesine göre o dönemde dört baz arasındaki farklar ölçüm hatası sayılıyordu; Chargaff farkların gerçek olduğunu belgeledi. Nükleotitler dersinde Levene'in dört bazı eşit miktarda yineleyen tetranükleotit hipotezini ve onun bir ölçümle yıkıldığını anmıştık. Yıkan ölçüm buydu: bazlar eşit değildi, yalnız ikişer ikişer eşitti.

Kural tek bir yüzdeden ötekilerini çıkarmaya yeter. Bir DNA'da adenin %30 ise timin de %30'dur. Kalan 100 − 60 = 40 puan guanin ile sitozin arasında eşit bölünür: her biri %20. Guanin–sitozin içeriği %40, pürinlerin toplamı 30 + 20 = 50 olur. Föydeki soğanın guanin–sitozin payı 18,6 + 18,4 = 37, bakterininki 28,4 + 28,6 = 57. Aradaki 20 puan, çarşamba iki erime eğrisinin farkından 0,41'lik eğimle çıkardığımız tahminle aynı yerde duruyor.

Kuralın kaynağı eşleşmenin kendisidir: her A'nın karşısında bir T durduğu sürece sayılar eşit kalır. Karşısında zincir olmayan bir genomun eşitliğe uyması gerekmez. NCBI'de yayımlanmış 5.386 nükleotitlik φX174 dizisinde harfler sayılınca A %24,0, T %31,3 çıkar; Wikipedia'nın Chargaff kuralları tablosu da bu tek zincirli bakteri virüsü için A/T oranını 0,77 verir. Föydeki üçüncü sütunun neden saptığı böylece açıklanıyor.

Chargaff ekibi 1968'de tek bir zincirde de A ile T'nin, G ile C'nin yaklaşık eşit olduğunu buldu; Mitchell ile Bridge bunun organel genomları dışındaki bütün çift zincirli DNA genomlarında geçerli olduğunu, tek zincirli genomlarda geçmediğini gösterdi, ama nedeni üzerinde yazarlar hâlâ anlaşamıyor.

Oranlardan modele

Wikipedia'nın Chargaff kuralları maddesi birinci kuralın Watson–Crick baz çiftlerinin temelini oluşturduğunu, OpenStax de A ile T'nin, G ile C'nin eşleştiğini Chargaff kurallarının düşündürdüğünü yazar. Wikipedia'nın Chargaff maddesi bir ayrıntı ekler: Chargaff bu eşitliklerin bir eşleşmeden doğduğunu kendisi söylememişti. Çarşamba 1953 modelinin King's College'ın kırınım verisine dayandığını görmüştük; sarmalın içindeki basamakların hangi harflerden kurulduğunu ise kimyasal oranlar söylüyordu.

Yirmi harflik adres

Kısa bir dizi, uzun bir DNA'da yalnız kendi karşılığının bulunduğu yere sıkıca oturur. Dört harfli bir alfabede yirmi harflik dizi sayısı 4²⁰ ≈ 1,1 × 10¹²'dir. Diploit bir hücrenin 6,2 milyarlık baz çifti sayısının yarısı olan tek kopya genom, iki zinciriyle 6,2 × 10⁹ başlangıç noktası verir. Rastgele bir yirmi harflik dizinin birebir tekrarlanmasının beklenen sayısı 6,2 × 10⁹ ÷ 1,1 × 10¹² ≈ 0,0056 olur. On beş harfte 4¹⁵ ≈ 1,1 × 10⁹ ve beklenen sayı altıya yaklaşır. Tekrarlı bölgeler bu hesabı bozar, ama birkaç harf eklemek benzersizliği hızla artırır. Kopyalama makinesinin bir zinciri hangi yönde uzatabildiği ve bu yüzden iki zinciri neden farklı biçimde kopyaladığı DNA Replikasyonu modülünde açılacak.

Cuma akşamı

Aybars üçüncü tüpün etiketinin altına küçük bir ok çiziyor, yönünü ters çevirip yeniden yazıyor. Defterine üç satır ekliyor: "5'-ATGCCG-3' → 5'-CGGCAT-3'", "A = 30 → T = 30, G = C = 20", "4²⁰ ≈ 1,1 × 10¹²". Föydeki virüs sütununun yanına "karşısında zincir yok" yazıyor.

Ruhsar Hanım kalemin çevresindeki kâğıt şeritleri yeniden sarıyor, sonra kalemi bir makaraya sardığı ipliğin yanına koyuyor. "Pazartesi bu iki şeridin hücrede neye sarıldığına bakacağız," diyor. "Ama önce ipliği değil, makarayı tanıyacağız."

Kendini sına

1. 5'-GATTACA-3' dizisinin ters tamamlayıcısını 5'→3' yönünde yaz. Sırayı çevirmeden yazılan karşılık neden çift sarmal kurmazdı?
2. Bir DNA örneğinde guanin %26 ölçülüyor. Öbür üç bazın yüzdesini ve guanin–sitozin içeriğini bul. Aynı hesap tek zincirli bir virüs genomunda neden kurulamaz?
3. İki pirimidin ya da iki pürin karşı karşıya geldiğinde sarmalın genişliğine ne olur? Adenin–sitozin çifti boy bakımından uyduğu hâlde neden kurallı bir çift değildir?
4. Bir arkadaşın Chargaff'ın ölçümlerinin dört bazın eşit olduğunu gösterdiğini söylüyor. Ölçümler neyi gösterdi ve tetranükleotit hipotezine ne yaptı?
5. On sekiz harflik bir dizinin 6,2 × 10⁹ konumda rastgele birebir tekrarlanmasının beklenen sayısını hesapla. Gerçek bir genomda bu tahmin hangi bölgelerde yanılır?

Bir sonraki derse köprü

Zincirlerin yönü ve eşleşme kuralı yerine oturdu; ama kromatini işlerken DNA'nın sarıldığı protein çekirdeğine yalnız dışarıdan bakmıştık. Histonlar ve Nükleozom dersi o proteinlerin kendisini soracak: dört çekirdek histon hangi ortak katlanmayı, histon katlanmasını (histone fold) paylaşır ve neden ikişer ikişer eşleşir, H3–H4 dörtlüsü ile H2A–H2B ikilileri çekirdeği hangi sırayla kurar? Çekirdekten dışarı uzanan kuyrukların yapısı nedir; H3.3, H2A.Z ve CENP-A gibi histon çeşitleri sıradan histonların yerine nerede geçer ve bu proteinler canlılar arasında neden bu kadar az değişmiştir?