Nükleik asitler ve ATP

Bir insan hücresinin çekirdeğindeki kalıtım maddesi uç uca eklenip çekilebilseydi, yaklaşık iki metre uzunluğunda bir iplik ortaya çıkardı. Bu iplik, gözle görülemeyecek kadar küçük bir çekirdeğin içine katlanarak sığar ve vücudun bütün proteinlerinin tarifini taşır. Aynı hücre, saniyede çok sayıda küçük enerji paketini kurar ve harcar; kaslarınız şu anda bu paketlerle kasılıyor. Bir önceki derste vitaminleri ve hormonları gördük ve ikisinin de yapımının hücrenin kalıtım bilgisine bağlı olduğunu söyledik. Bu derste önce o bilgiyi taşıyan molekülleri, DNA'yı ve RNA'yı, ardından hücrenin enerji taşıyıcısı ATP'yi inceliyoruz.

• Nükleotidin parçalarını, pürin ve pirimidin bazlarını tanırsın.
• DNA'nın çift sarmal yapısını, baz eşleşmesini ve hidrojen bağlarını açıklarsın.
• Baz oranlarından ve çift sayılarından DNA hesapları yaparsın; DNA ile RNA'yı karşılaştırırsın.
• ATP'nin yapısını, ATP–ADP döngüsünü ve hücredeki kullanım alanlarını açıklarsın.

Nükleik asitler ve nükleotitler

Nükleik asitler, hücrenin kalıtım bilgisini saklayan ve bu bilginin kullanılmasını sağlayan büyük moleküllerdir. İki türü vardır: DNA (deoksiribonükleik asit) ve RNA (ribonükleik asit). İkisinin de yapı birimi nükleotittir. Her nükleotit üç parçadan oluşur: bir fosfat grubu, beş karbonlu bir şeker ve azot içeren bir organik baz. DNA nükleotitlerinde şeker deoksiriboz, RNA nükleotitlerinde ribozdur. Nükleotitler, bir nükleotidin şekeri ile sonrakinin fosfatı arasında kurulan bağlarla uzun zincirler oluşturur; bu bağ kurulurken su açığa çıkar.

Bazlar

Nükleik asitlerde beş organik baz bulunur. Adenin (A) ve guanin (G) çift halkalıdır ve pürin grubunu oluşturur. Sitozin (C), timin (T) ve urasil (U) tek halkalıdır ve pirimidin grubunu oluşturur. Adenin, guanin ve sitozin hem DNA'da hem RNA'da bulunur. Timin yalnız DNA'da, urasil yalnız RNA'da bulunur. Kalıtım bilgisini taşıyan, bu bazların zincir boyunca hangi sırayla dizildiğidir.

DNA'nın yapısı

DNA, birbirine sarılmış iki zincirden oluşan bir çift sarmaldır. Bu yapıyı 1953'te James Watson ve Francis Crick önerdi; Rosalind Franklin'in DNA'dan elde ettiği X-ışını kırınım görüntüleri, molekülün sarmal biçimini gösteren önemli kanıtlardan biriydi. Çift sarmalı bir merdivene benzetebiliriz: merdivenin iki yan direği şeker ve fosfatların sırayla dizildiği iskelettir, basamakları ise karşılıklı eşleşen baz çiftleridir. Eşleşme kurala bağlıdır: adenin her zaman timinle, guanin her zaman sitozinle eşleşir. A ile T arasında iki, G ile C arasında üç hidrojen bağı kurulur. Her çiftte bir pürin bir pirimidinle eşleştiği için merdivenin genişliği her yerde aynıdır.

Ökaryot hücrelerde DNA'nın büyük kısmı çekirdekte bulunur; mitokondri ve kloroplastın da kendilerine ait küçük DNA molekülleri vardır. Prokaryotlarda DNA sitoplazmada serbest halde durur. Ökaryot çekirdeğindeki uzun DNA molekülleri, proteinlerin çevresine sarılarak sıkıştırılır; DNA ile bu proteinlerin oluşturduğu yapıya kromatin denir ve hücre bölünürken kromatin daha da yoğunlaşarak kromozomları oluşturur.

DNA hesapları

Baz eşleşmesi kuralı, DNA ile ilgili birçok hesabın temelidir. Çift zincirli bir DNA'da adenin sayısı timin sayısına, guanin sayısı sitozin sayısına eşittir; bu yüzden pürinlerin toplamı da pirimidinlerin toplamına eşittir. Bu düzenlilik ilk kez Erwin Chargaff'ın ölçümlerinde fark edilmiştir. Bir DNA'daki bazların yüzde otuzu guaninse sitozin de yüzde otuzdur; geri kalan yüzde kırkı adenin ile timin eşit paylaşır, her biri yüzde yirmidir. Hidrojen bağı sayısı da çiftlerden bulunur: 40 A–T ve 60 G–C çifti içeren bir DNA'da 40 × 2 + 60 × 3 = 260 hidrojen bağı vardır. G–C çifti oranı yüksek olan bir DNA'nın iki zincirini ayırmak için daha çok enerji gerekir.

RNA

RNA, genellikle tek zincirlidir, şekeri ribozdur ve timin yerine urasil içerir. Hücrede DNA'daki bilgiye göre sentezlenir ve bu bilginin proteine çevrilmesinde görev alır. Üç ana türü vardır: DNA'dan aldığı bilgiyi ribozoma taşıyan mRNA, amino asitleri ribozoma getiren tRNA ve proteinlerle birlikte ribozomun yapısını oluşturan rRNA. RNA'nın bu süreçteki ayrıntılı rolü AYT'de genden proteine modülünde işlenir.

DNA ve RNA yan yana

DNA çift zincirlidir, deoksiriboz ve timin içerir, kalıtım bilgisini uzun süre saklar. RNA tek zincirlidir, riboz ve urasil içerir, bilginin kullanılmasında görev alır ve DNA'ya göre daha kısa ömürlüdür. Fosfat, adenin, guanin ve sitozin iki molekülde de ortaktır.

ATP: hücrenin enerji taşıyıcısı

ATP (adenozin trifosfat), bir adenin bazı, bir riboz şekeri ve art arda bağlı üç fosfat grubundan oluşan bir nükleotittir. Uçtaki fosfat grubunun bağı koparıldığında enerji açığa çıkar ve ATP, ADP (adenozin difosfat) ile serbest bir fosfata dönüşür. Hücre bu enerjiyi işlerinde kullanır. ADP'ye yeniden bir fosfat eklenmesiyle ATP tekrar kurulur; bu yeniden kurulma için gereken enerji, hücresel solunumda besinlerin parçalanmasından, fotosentez yapan hücrelerde ayrıca ışıktan sağlanır. ATP ile ADP arasındaki bu sürekli gidiş geliş, hücrenin enerji ekonomisinin temelidir.

Nükleotitlerin başka görevleri

Nükleotitler yalnızca DNA ve RNA'nın yapı taşı değildir. ATP'nin kendisi bir nükleotittir. Enzimler dersinde koenzimlerin çoğunun vitaminlerden türediğini görmüştük; hücresel solunumda elektron taşıyan NAD ve FAD gibi önemli koenzimler de nükleotit yapısındadır ve B grubu vitaminlerinden elde edilir. Böylece bu modülde tanıdığımız moleküller birbirine bağlanır: vitaminler koenzimleri, koenzimler enzimleri, enzimler de ATP'yi üreten tepkimeleri destekler.

ATP neden depolanmaz

ATP uzun süreli bir enerji deposu değildir; bir pil gibi değil, sürekli el değiştiren bir para gibi çalışır. Hücre ATP'yi ihtiyaç anında üretir ve kısa sürede harcar. Uzun süreli depolama glikojen ve yağ gibi moleküllerle yapılır. Kas kasılması, maddelerin zardan enerji harcanarak geçirilmesi, protein ve öteki büyük moleküllerin sentezi ve sinir uyarılarının iletimi ATP harcayan işlerdendir. Suyun osmozla hücreye girmesi gibi kendiliğinden gerçekleşen olaylar ise ATP gerektirmez.

Bu dersle temel bileşenler modülünün konuları tamamlanıyor: su ve mineraller, karbonhidratlar, yağlar, proteinler, enzimler, vitaminler ve hormonlar, nükleik asitler ve ATP. Bütün bu moleküllerin bir araya gelerek çalıştığı yer hücredir.

Örnek 1 — Baz oranı

Soru: Çift zincirli bir DNA'da bazların yüzde 30'u guanindir. Adeninin oranı nedir?

• A) Yüzde 30
• B) Yüzde 40
• C) Yüzde 70
• D) Yüzde 20
• E) Yüzde 10

Çözüm: Sitozin de yüzde 30'dur; kalan yüzde 40'ı adenin ile timin eşit paylaşır. Cevap: D.

Örnek 2 — Hidrojen bağı

Soru: 40 A–T ve 60 G–C çifti içeren bir DNA molekülünde kaç hidrojen bağı vardır?

• A) 260 bağ
• B) 200 bağ
• C) 100 bağ
• D) 300 bağ
• E) 220 bağ

Çözüm: A–T çiftleri ikişer, G–C çiftleri üçer bağ kurar: 80 + 180 = 260. Cevap: A.

Örnek 3 — DNA ve RNA

Soru: Hangisi yalnız RNA'da bulunur?

• A) Adenin
• B) Fosfat
• C) Guanin
• D) Sitozin
• E) Urasil

Çözüm: DNA'daki timinin yerini RNA'da urasil alır. Cevap: E.

Örnek 4 — ATP

Soru: ATP'den uçtaki fosfat grubu koparıldığında ne olur?

• A) Enerji harcanır ve AMP oluşur.
• B) ADP ve serbest fosfat oluşur, enerji açığa çıkar.
• C) DNA oluşur.
• D) Glikoz oluşur.
• E) ATP kendiliğinden ikiye bölünür.

Çözüm: Uç fosfat bağının kopmasıyla açığa çıkan enerji hücrenin işlerine aktarılır. Cevap: B.

• Timin ile urasili karıştırmak. Timin DNA'ya, urasil RNA'ya özgüdür.
• Pürin ile pirimidini karıştırmak. A ve G pürin, C, T ve U pirimidindir.
• G–C çiftinde iki bağ saymak. A–T iki, G–C üç hidrojen bağı kurar.
• ATP'yi uzun süreli enerji deposu sanmak. ATP sürekli üretilir ve tüketilir.
• DNA'nın yalnız çekirdekte bulunduğunu sanmak. Mitokondri ve kloroplastta da DNA vardır.