DNA'nın yapısı

Biyoloji laboratuvarında Fügen Hanım bir gösteri yapıyor: ezilmiş çileklerden hazırlanan bulanık sıvının üst katmanında birkaç dakika içinde beyaz, pamuksu iplikler beliriyor. Fügen Hanım iplikleri cam bir çubuğa dolayıp kaldırıyor. Dalya sıra arkadaşına fısıldıyor: «Bu iplik tek bir DNA molekülü. Biraz büyütsek merdivenin basamaklarını tek tek sayardık.» Fügen Hanım ipliğin bir parçasını lama alıp ışık mikroskobunda gösteriyor. Mercekte ne sarmal var ne basamak; yalnız birbirine dolanmış, kalınlıkları tutmayan bulanık lifler. Ardından tahtaya iki ölçü yazıyor: bir saç telinin kalınlığı onlarca mikrometre, DNA çift sarmalının genişliği yaklaşık iki nanometre. Dalya aradaki farkı kafasından hesaplıyor: on binlerce kat. Çubuğa sarılan şey tek bir molekül olamıyorsa nedir? Hiçbir merceğin gösteremediği bir molekülün iki zincirli, sarmal bir merdiven olduğu nasıl anlaşıldı?

• DNA'nın kalıtım maddesi olduğunu gösteren deneylerin mantığını ve Watson-Crick modelinin dayandığı kanıtları açıklarsın.
• Bir zincirin baz dizisinden tamamlayıcı zinciri, uçlarının yönüyle birlikte yazarsın.
• Nükleotit, baz yüzdesi, hidrojen bağı ve fosfodiester bağı sayılarını çift zincirli ve halkasal DNA için hesaplarsın.
• Tek zincirdeki baz sayılarıyla bütün moleküldekileri ayırt eder, G–C oranı farklı iki DNA'nın kararlılığını karşılaştırırsın.

Çubuktaki ipliğin içinde ne var?

Dalya'nın gördüğü beyaz kütle, çok sayıda hücreden açığa çıkmış milyonlarca DNA molekülünün ve hücreden gelen başka maddelerin birbirine dolanmış yığınıdır. Tek bir çift sarmal yaklaşık iki nanometre genişliğindedir; ışık mikroskobunun ayırabildiği en küçük ayrıntı bundan yaklaşık yüz kat büyüktür. Yani merdivenin basamaklarını hiçbir öğrenci, hiçbir mercekle sayamaz. DNA'nın biçimi doğrudan bakılarak değil, dolaylı verilerin birleştirilmesiyle çıkarıldı. Bu modül, «Genden proteine» başlığı altında o molekülün yapısından başlayıp kendini nasıl kopyaladığına, bilgisini nasıl proteine çevirdiğine kadar ilerliyor.

TYT'deki «Nükleik asitler ve ATP» dersi nükleotidin üç parçasını, pürin ve pirimidin bazlarını, A–T ve G–C eşleşmesini ve DNA ile RNA arasındaki temel farkları vermişti. «Çekirdek» dersi de kromatin ile kromozomun aynı yapının iki görünüşü olduğunu göstermişti. Bu derste o bilgileri tekrarlamak yerine üstüne AYT'nin beklediği katmanları koyacağız: DNA'nın kalıtım maddesi olduğunun nasıl kanıtlandığı, iki zincirin birbirine göre yönü ve bu yapıdan doğan hesaplar.

Kalıtım maddesi neden protein değil de DNA?

«Mendel ilkeleri» dersindeki kalıtsal faktörler kuşaktan kuşağa geçiyordu, ama hücrenin hangi maddesinde taşındıkları uzun süre belirsiz kaldı. Yirminci yüzyılın ilk yarısında birçok bilim insanı bu bilginin proteinlerde saklandığını düşünüyordu. Gerekçe makuldü: proteinler yirmi çeşit amino asitten kurulur ve çok çeşitli dizilere izin verir; DNA ise yalnız dört çeşit nükleotitten oluşur ve fazla «tekdüze» görünüyordu. Bu görüşü üç deney dizisi değiştirdi.

Griffith, zatürreye yol açan bir bakteri türünün iki suşuyla çalıştı. Kapsüllü S suşu hastalık yapıyor, kapsülsüz R suşu yapmıyordu. Isıyla öldürülmüş S bakterileri canlı R bakterileriyle bir araya getirildiğinde, R bakterilerinin bir kısmının kapsüllü ve hastalık yapan bakterilere dönüştüğü görüldü. Ölü hücrelerden canlı hücrelere kalıtsal bir özelliği aktaran bir madde vardı; bu aktarıma transformasyon (dönüşüm) adı verildi. Griffith maddenin ne olduğunu bilmiyordu.

Avery ve çalışma arkadaşları bu maddeyi ayıkladı. Öldürülmüş S bakterilerinden elde edilen özüt; proteinleri parçalayan enzimle, RNA'yı parçalayan enzimle ve DNA'yı parçalayan enzimle ayrı ayrı işlendi. Protein ya da RNA yıkıldığında dönüşüm sürdü; DNA yıkıldığında durdu. Dönüştüren madde DNA'ydı.

Hershey ve Chase ise bakterileri enfekte eden bir virüsle, bir bakteriyofajla çalıştı. Fajın yalnız iki bileşeni vardır: protein kılıf ve içindeki DNA. Kükürt proteinlerde bulunur, DNA'da bulunmaz; fosfor ise DNA'nın omurgasında bol bulunur. Bir faj grubunun proteinleri radyoaktif kükürtle, ötekinin DNA'sı radyoaktif fosforla işaretlendi. Enfeksiyondan sonra radyoaktif fosforun bakterilerin içine girdiği, radyoaktif kükürdün ise büyük ölçüde dışarıda kaldığı görüldü. Bakterinin içinde yeni fajları yaptıran bilgi, içeri giren DNA'yla taşınmıştı.

Üç sonuç aynı yöne baktığında soru değişti: DNA kalıtım maddesiyse, dört harflik bir alfabeyle bu bilgiyi hangi yapı sayesinde saklıyor ve aktarıyor?

Modelin dayandığı kanıtlar

Rosalind Franklin, saflaştırılmış DNA lifleriyle X-ışını kırınımı çalıştı. X-ışınları düzenli dizilmiş moleküllerden geçerken belirli açılarla saparak bir desen oluşturur; desenin biçimi, molekülün düzenini dolaylı olarak ele verir. Franklin'in görüntüleri DNA'nın düzenli tekrarlanan ölçüleri olan bir sarmal olduğunu ve fosfat gruplarının molekülün dış yüzünde bulunduğunu düşündürüyordu. Chargaff'ın farklı canlılardan ölçtüğü baz oranları ise her türde adenin ile timin miktarlarının, guanin ile sitozin miktarlarının birbirine eşit denecek kadar yakın çıktığını gösteriyordu.

James Watson ve Francis Crick, 1953'te bu iki veri kümesini tek bir modelde birleştirdi. Yeni bir ölçüm yapmadılar; başkalarının ölçümlerine uyan bir molekül yapısı kurdular. Franklin'in kırınım verisi olmadan sarmalın ölçüleri, Chargaff'ın oranları olmadan eşleşme kuralı bulunamazdı.

İskelet dışarıda, bazlar içeride

Watson-Crick modelinde DNA, ortak bir eksen çevresinde birbirine sarılmış iki polinükleotit zincirinden oluşur. Her zincirde bir nükleotidin şekeri, sonraki nükleotidin fosfatına bağlanır; bu kovalent bağa fosfodiester bağı denir. Şeker ve fosfatların sırayla dizildiği bu şeker-fosfat omurgası sarmalın dış yüzünü oluşturur. Bazlar omurgadan içeri doğru uzanır ve karşı zincirdeki bazla eşleşir.

Omurganın bir yönü vardır. Deoksiriboz şekerinin karbonları 1'den 5'e kadar numaralanır ve DNA'da bu numaralar üs işaretiyle yazılır. Bir zincirin bir ucunda şekerin 5' karbonuna bağlı serbest bir fosfat grubu bulunur; bu uca 5' ucu denir. Öteki uçta şekerin 3' karbonundaki serbest OH grubu yer alır; bu da 3' ucudur. Çift sarmalın iki zinciri bu bakımdan ters yerleşmiştir: biri 5'→3' yönünde ilerlerken karşısındaki 3'→5' yönündedir. Bu düzene antiparalel (ters yönlü) yerleşim denir.

Bu yüzden karşı zincir yazılırken yalnız harfler değil uçlar da çevrilir. 5'-ATGCCA-3' zincirinin karşısı 3'-TACGGT-5' olur. Aynı karşı zincir kendi 5' ucundan okunursa 5'-TGGCAT-3' diye yazılır; ikisi de doğrudur, çünkü aynı molekülü farklı uçtan okurlar.

Eşleşmenin geometrisi

Bazlar rastgele eşleşmez. Çift halkalı bir pürin her zaman tek halkalı bir pirimidinle karşılaşır: adenin timinle, guanin sitozinle. İki pürin karşılaşsaydı basamak omurgalara sığmayacak kadar geniş, iki pirimidin karşılaşsaydı birbirine yetişemeyecek kadar dar kalırdı. Her basamağın bir pürin ve bir pirimidinden kurulması, sarmalın genişliğini boydan boya sabit tutar.

Eşleşen bazları hidrojen bağları bir arada tutar: A ile T arasında iki, G ile C arasında üç bağ kurulur. Tek bir hidrojen bağı omurgadaki kovalent bağlardan çok daha zayıftır. Bu fark yapının işleyişi için önemlidir: omurga sağlam kaldığı için bazların sırası korunur, basamaklar ise görece kolay çözülebildiği için iki zincir gerektiğinde birbirinden ayrılabilir.

Basamaklardaki bu kuralın bir sonucu daha vardır: iki zincir birbirinin aynısı değil, tamamlayıcısıdır. Bir zincirde A olan her yerin karşısında T, G olan her yerin karşısında C bulunur. Çifti oluşturan zincirleri birbirinin kopyası sanmak bu yüzden yanlıştır; her biri ötekinin kalıbı gibidir.

Chargaff eşitliği bütün molekülde geçerlidir, tek zincirde değil

Çift sarmalda her A bir T'yle, her G bir C'yle eşleştiği için bütün molekülde A = T ve G = C olur. Buradan iki sonuç daha çıkar: pürinlerin toplamı pirimidinlerin toplamına eşittir, yani (A + G) / (T + C) oranı her çift zincirli DNA'da 1'dir. (A + T) / (G + C) oranı ise türden türe değişir ve türler arasındaki farkın bir göstergesidir; kalıtım bilgisinin kendisi ise bazların zincir boyunca dizilme sırasındadır.

Tek bir zincire bakıldığında eşitlik geçerli değildir. Varsayımsal bir zincirde 120 A, 80 T, 150 G ve 50 C bulunsun. Karşı zincir bu sayıları takas eder: 80 A, 120 T, 50 G ve 150 C. İki zincirin A sayıları farklıdır (120 ve 80); birinci zincirdeki A sayısı ikinci zincirdeki T sayısına eşittir. Bütün molekülde ise A = 120 + 80 = 200 ve T = 80 + 120 = 200 olur; eşitlik ancak iki zincir toplandığında ortaya çıkar.

Bu takasın iki yararlı sonucu vardır. Bir zincirin (A + G) / (T + C) oranı x ise karşı zincirinki 1/x'tir. Buna karşılık bir zincirdeki A + T yüzdesi karşı zincirde de, bütün molekülde de aynıdır, çünkü A ile T yalnızca yer değiştirir.

Hesap tablosu

DNA hesaplarının çoğu birkaç eşitlikten türetilir. Tablo, N nükleotitli çift zincirli bir DNA için geçerlidir:

Bir örnekle sınayalım. 2400 nükleotitli doğrusal bir DNA'da bazların %18'i adenin olsun. A = T = 432, geriye kalan 1536 nükleotit G ile C arasında eşit bölünür: G = C = 768. Hidrojen bağı 2 × 432 + 3 × 768 = 3168, fosfodiester bağı 2400 − 2 = 2398'dir.

Hidrojen bağı sayısı verilip baz sayısı istenirse tablo tersten işler. N nükleotitli bir DNA'da A–T çifti sayısına a dersek G–C çifti N/2 − a olur ve toplam bağ 3 × N/2 − a'ya eşittir. Bağ sayısı her A–T çifti için bir azalır.

G–C oranı ve kararlılık

Aynı uzunluktaki iki DNA'dan G–C çifti oranı yüksek olanın basamakları toplamda daha çok hidrojen bağıyla tutulur. İki zincirini ayırmak için daha çok enerji gerekir; ısıtılarak ayrıldıklarında bu daha yüksek sıcaklıkta gerçekleşir. Karşılaştırma yaparken önce iki molekülün aynı uzunlukta olduğuna bakılmalıdır: çok uzun ama A–T yönünden zengin bir DNA, kısa ama G–C yönünden zengin bir DNA'dan toplamda daha çok bağ taşıyabilir.

DNA hücrenin neresinde, nasıl duruyor?

Ökaryot hücrede DNA'nın büyük kısmı çekirdektedir; orada doğrusal moleküller hâlinde, histon proteinlerinin çevresine sarılarak paketlenir. «Çekirdek» dersindeki kromatin bu DNA-histon yapısıdır ve hücre bölünmeye girerken yoğunlaşarak kromozomları oluşturur. Mitokondri ve kloroplastta ise küçük, halkasal DNA molekülleri bulunur. Bakterilerde DNA çekirdek zarıyla çevrilmeden sitoplazmada durur ve genellikle halkasaldır; birçok bakteri ana DNA'sının yanında plazmit denen küçük halkasal DNA'lar da taşır. Tablodaki halkasal DNA satırı tam bu moleküller içindir.

DNA ile RNA'yı ayıran üç nokta

Ayrıntılar TYT dersinde kaldı; burada yalnız bir uyarı gerekir. Chargaff eşitliği çift zincir eşleşmesinin sonucudur; tek zincirli bir RNA'da A ile U sayısının eşit olması beklenmez.

Zincirler ayrılınca ne olur?

Dersin başından beri iki özelliği tekrar tekrar kullandık: zincirleri bir arada tutan hidrojen bağları zayıftır ve her zincir ötekinin baz dizisini eksiksiz belirler. Watson ve Crick de modellerini yayımlarken bu ikisinin birlikte bir kopyalama yolu düşündürdüğünü fark etmişti. «Hücre döngüsü ve interfaz» dersinde DNA miktarının S evresinde iki katına çıktığını görmüştük. Bu kopyalama sırasında zincirler ayrılıp her biri kendi karşısını mı kurar, yoksa eski molekül olduğu gibi kalıp yepyeni bir kopya mı yapılır? «DNA eşlenmesi» dersi, yeni moleküllerin her birinde bir eski bir yeni zincir bulunmasını, yani yarı korunumlu eşlenmeyi ve bu işi yürüten enzimleri ele alıyor.

Örnek 1 — Karşı zinciri uçlarıyla yazmak

Soru: Bir DNA zincirinin bir parçası 5'-ATTGCAC-3' dizisindedir. Bu parçanın karşısındaki zincir hangisidir?

• A) 3'-ATTGCAC-5'
• B) 3'-TAACGTG-5'
• C) 5'-TAACGTG-3'
• D) 3'-UAACGUG-5'
• E) 3'-CGGTACA-5'

Çözüm: Her bazın karşısına eşini yaz: A→T, T→A, G→C, C→G; dizi TAACGTG olur. Zincirler antiparalel olduğu için verilen zincirin 5' ucunun karşısı 3' ucudur. A iki zinciri özdeş sanıyor. C harfleri doğru buluyor ama uçları çevirmiyor; 5'→3' okunduğunda gerçek karşı zincir GTGCAAT'tir, TAACGTG değil. D, RNA'ya özgü urasili DNA'ya sokuyor. E her pürini öteki pürinle, her pirimidini öteki pirimidinle değiştiriyor. Cevap: B.

Örnek 2 — Yüzdeden sayıya

Soru: 2400 nükleotitli doğrusal, çift zincirli bir DNA'da bazların %18'i adenindir. Bu molekül için hangisi doğrudur?

• A) Guanin sayısı 432'dir.
• B) Hidrojen bağı = 3168, fosfodiester bağı = 2398
• C) Hidrojen bağı = 3168, fosfodiester bağı = 2400
• D) Hidrojen bağı = 2832, fosfodiester bağı = 2398
• E) Pürin sayısı 1536'dır.

Çözüm: A = T = 2400 × 0,18 = 432; G = C = (2400 − 864) / 2 = 768. Hidrojen bağı 2 × 432 + 3 × 768 = 3168'dir. Doğrusal çift zincirde fosfodiester bağı N − 2 = 2398'dir. A seçeneği adenin sayısını guanine yazıyor. C halkasal DNA'nın formülünü kullanıyor. D çarpanları ters koyuyor: 3 × 432 + 2 × 768 = 2832. E, G ile C'nin toplamını pürin sanıyor; pürin sayısı her zaman N / 2 = 1200'dür. Cevap: B.

Örnek 3 — İki zincirin A sayısı

Soru: Çift zincirli bir DNA parçasının birinci zincirinde 120 A, 80 T, 150 G ve 50 C bulunuyor. Bu parça için hangisi kesinlikle doğrudur?

• A) İkinci zincirde de 120 A vardır.
• B) İkinci zincirde A sayısı T sayısına eşittir.
• C) Parçada toplam 1000 hidrojen bağı vardır.
• D) Parçada toplam 270 guanin vardır.
• E) Birinci zincirde pürin sayısı pirimidin sayısına eşittir.

Çözüm: İkinci zincirdeki sayılar birinci zincirin eşleri kadardır: A₂ = T₁ = 80, T₂ = A₁ = 120, G₂ = C₁ = 50, C₂ = G₁ = 150. Parçada 200 A–T ve 200 G–C çifti vardır; 2 × 200 + 3 × 200 = 1000 hidrojen bağı eder. A, «iki zincirde A sayıları eşittir» yanılgısı. B, Chargaff eşitliğini tek zincire uyguluyor; ikinci zincirde 80 A ve 120 T var. D, birinci zincirin G'sine ikinci zincirin T'sini eklemiş gibi; toplam G = 150 + 50 = 200'dür. E'de birinci zincirdeki pürin 270, pirimidin 130'dur. Cevap: C.

Örnek 4 — Hangi DNA daha kararlı?

Soru: Varsayımsal X ve Y DNA'larının her biri 1000 baz çiftinden oluşuyor. X'te bazların %30'u, Y'de %15'i adenindir. İki DNA ısıtılarak zincirlerine ayrılmak isteniyor. Hangi yorum doğrudur?

• A) Uzunlukları eşit olduğu için iki DNA aynı sıcaklıkta ayrılır.
• B) X daha çok adenin taşıdığı için daha çok hidrojen bağına sahiptir.
• C) Y'nin zincirleri, fosfodiester bağı daha az olduğu için daha kolay ayrılır.
• D) X'te 2400, Y'de 2700 hidrojen bağı vardır; zincirlerini ayırmak Y'de daha çok enerji ister.
• E) X'te 2700, Y'de 2400 hidrojen bağı vardır; X daha kararlıdır.

Çözüm: Her DNA'da 2000 nükleotit var. X'te A = 600, yani 600 A–T ve 400 G–C çifti: 1200 + 1200 = 2400 bağ. Y'de A = 300, yani 300 A–T ve 700 G–C çifti: 600 + 2100 = 2700 bağ. G–C oranı yüksek olan Y daha kararlıdır. A uzunluğun yetmediğini, bileşimin de belirleyici olduğunu atlıyor. B ilişkiyi ters kuruyor. C'de iki doğrusal DNA'nın fosfodiester bağı aynıdır (1998) ve basamakları ayırmak omurgayı koparmayı gerektirmez. E sayıları yer değiştirmiş. Cevap: D.

• Karşı zinciri özdeş zincir sanmak. İki zincir birbirinin tamamlayıcısıdır; bir zincirdeki A'nın karşısında T durur. Özdeşlik, eşlenmeden sonra iki ayrı DNA molekülü arasında aranır, aynı molekülün iki zinciri arasında değil.
• Chargaff eşitliğini tek zincire uygulamak. A = T ve G = C bütün çift zincirli molekül için geçerlidir. Tek zincirde A ile T farklı olabilir; birinci zincirin A'sı ikinci zincirin T'sine eşittir.
• Karşı zinciri yazarken uçları çevirmemek. 5'-ATG-3'ün karşısı 3'-TAC-5'tir. Harfleri doğru yazıp 5' ve 3' işaretlerini aynı bırakmak, molekülü yanlış yönden okumak demektir.
• Fosfodiester bağı için tek formül ezberlemek. Doğrusal çift zincirde N − 2, halkasal çift zincirde N'dir. Bakterilerin ana DNA'sı genellikle, plazmitler ile mitokondri ve kloroplast DNA'sı da halkasaldır.
• Hidrojen bağında çarpanları ters koymak. A–T iki, G–C üç bağ kurar; bağ sayısı adenin arttıkça azalır, guanin arttıkça artar.
• Kararlılığı yalnız uzunluktan okumak. Eşit uzunluktaki iki DNA'dan G–C oranı yüksek olan daha çok hidrojen bağı taşır ve zincirleri daha zor ayrılır.