Yaşamın Tarihi

Deniz Şahin - 50 Soruda Yaşamın Tarihi

5. Hücrenin temel yapıtaşları nelerdir? Hücrede bilgi akışı nasıl olur?

Tüm canlılar hücrelerden oluşmuştur ve her hücre içinde de sayısız molekülün görev aldığı karmaşık bir sistem devam etmektedir. Bu karmaşık sistemin devam ettirilmesi, organizmanın varlığını sürdürmesini ve sahip olduğu genetik bilgiyi bir sonraki nesile aktarabilmesini sağlayacaktır. Bu kargaşa içerisinde DNA, RNA ve protein, görev yapan en temel biyomoleküllerdir ve bu moleküllerin yapılarının kavranması, organizmanın atalarından gelen bilgiyi nasıl işlediğini ve kendi devamını nasıl sağladığını anlamamızı kolaylaştıracaktır. En basit şekliyle söylemek gerekirse, atalarımızdan gelen genetik bilgi DNA’mızda yazılıdır ve bu bilgi RNA molekülü yardımı ile okunarak asıl işgücü olan proteinlerin üretilmesi için kullanılacaktır. Şimdi sırasıyla bu üç temel molekülün yapısından ve aralarındaki bilgi akışından bahsedelim.

Genetik malzemeler (nükleik asitler)

DNA (deoksi ribonükleik asit) hücre içindeki her türlü fonksiyon için gerekli bilginin depolandığı yerdir. 1953 yılında ünlü bilim insanları James Watson ve Francis Crick, İngiliz bilim kadını Rosalind Franklin’in verilerini yorumlayarak DNA’nın yapısını ortaya koymuşlardır. Bu yapı ikili sarmal olarak bilinir ve karşılıklı iki DNA zincirinin (ipliğinin) birbirine bağlanmasıyla oluşur.

Nükleik asitlerin (DNA ve RNA) en küçük yapı birimi nükleotit adını alır. Her bir nükleotit bir fosfat grubu, beş karbonlu pentoz şekeri ve azot içeren organik bir bazdan oluşur. DNA’yı oluşturan dört farklı nükleotit, içerdikleri farklı baz gruplarına göre adlandırılır. Bunlar adenin (A), guanin (G), timin (T) ve sitozindir (C). Bu temel yapıtaşlarının uç uca eklenmesi ile DNA ipliği oluşur. A ile T bağlanırken, G ile de C bağlanır ve bağlanma için kullanılan hidrojen bağları ikili sarmal yapıyı bir arada tutan temel kuvvettir.

Her farklı türün sahip olduğu DNA uzunluğu birbirinden farklıdır. Örneğin, Eschericia coli bakterisinin DNA’sında 4 milyon baz bulunur ve bunu düz bir çizgide ip gibi uzatacak olursak 1 mm uzunlukta olacaktır. İnsan DNA’sında ise bakteriden çok daha fazla sayıda, toplam 3 milyar adet baz bulunur. Tüm bu bilgiyi yazmak istesek, 500 sayfalık 4000 kitap doldurabiliriz. Tüm DNA’mız hücre içinde 23 kromozom halinde paketlenmiştir ve bir iplik gibi açacak olursak yaklaşık 1 metrelik bir uzunlukta olacaktır. Normal bir insan hücresi ortalama 10 mikrondur (1 mikron=l m/1.000.000) ve bu kadar küçük bir alana toplam 1 metrelik DNA paketlenerek sığmıştır. Doğal olarak, insanın tüm hücrelerinde bulunan toplam DNA uzunluğu ise çok çok daha fazladır. Bir insanda bulunan toplam hücre sayısını kesin olarak bilmesek de, 50-100 trilyon arasında olduğu tahmin edilmektedir. Her bir hücrede ortalama 1 m uzunluğunda DNA olduğundan, bir insan vücudunda bulunan toplam DNA uzunluğu 50-100 milyar km edecektir. Bu uzunluk Dünya ile Güneş arasındaki mesafenin 300 katından fazladır.

RNA (ribonükleik asit) molekülü de, benzer şekilde, nükleotitlerin uç uca eklenmesi ile oluşur. Her bir nükleotidin yapısında bir fosfat grubu, beş karbonlu bir riboz şekeri ve azot içeren organik bir baz bulunur. DNA’da olduğu gibi RNA’da da adenin (A), guanin (G), ve sitozin (C) bulunur. Ancak RNA’da timin (T) bazı yerine urasil (U) bulunur. RNA, DNA’dan farklı olarak, hücrede genellikle tek iplik (tek zincir) halinde bulunur.

Hücrede bulunan farklı RNA molekülleri farklı görevler için kullanılır. Mesajcı RNA (mRNA) adı verilen molekül, hücrede protein sentezlenmesi sırasında DNA’dan kopyalanan bilgilerin ribozoma taşınmasında görev yapar. Taşıyıcı RNA (tRNA), ribozomda protein sentezlenmesi aşamasında amino asitleri getirerek uç uca ekleyecektir. Ribozomal RNA (rRNA) ise, protein üretiminin yapıldığı organeller olan ribozomların yapılarında bulunur ve katalitik görevleri vardır. Bu temel RNA tipleri dışında özellikle gen regülasyonunda (düzenlenmesinde), DNA replikasyonunda (kopyalanmasında), mRNA modifikasyonunda (işlenmesinde ya da değiştirilmesinde) görevli birçok farklı RNA tipi de vardır. Örneğin, siRNA, snRNA, snoRNA gibi. Hem DNA hem de RNA tüm canlılarda bulunur; canlıların ortak bir atadan türediğinin önemli bir göstergesidirler.

Virüs dışındaki tüm organizmalarda her iki molekül de bulunur, ancak virüslerde genel olarak bu moleküllerden bir tanesi bulunur. Virüs sadece DNA ya da RNA içerir. Örneğin, HIV gibi bazı virüslerde genetik malzeme olarak sadece RNA vardır.

Proteinler

Şimdi, hücrenin en temel moleküllerinden birisi olan proteinlerle devam edelim. Proteinler hücrenin yapıtaşıdır, hücrede sayısız görevi yerine getirirler. Proteinlerin en küçük yapı birimi olan amino asitler birbirine peptit bağları ile bağlanarak uzun zincirler meydana getirir. Bu yapıya proteinin birincil yapısı adı verilir. Amino asit dizisinin sırası, hücrenin genlerinde yazılı olan şifreye göre belirlenir. Amino asitlerin kendi aralarında yaptıkları hidrojen bağları sayesinde proteinin ikincil yapısı ortaya çıkar. Beta düzlemsel tabaka ve alfa heliks yapıları örnek verilebilir. Bir sonraki organizasyon ise proteinin fonksiyonel olması için gerekli olan üç boyutlu şekli aldığı yapıdır ve üçüncül yapı adını alır. Alfa heliksler ve beta düzlemsel tabakaların da birbirleriyle bağlanmaları sonucu oluşur. Son olarak da dördüncül yapı gelir. Bazı proteinler birden fazla alt birimden oluşur. Her bir alt birim üçüncül yapıya sahip bir polipeptidtir.

İnsanlarda 20 değişik amino asit bulunur. Bu amino asitlerin protein içinde farklı dizilişleriyle her bir protein farklı üç boyutlu şekillere girer ve bu şekilde de hücre içinde sayısız görev alabilir. Hücre içinde üretilen proteinlerin yürüttükleri görevlerin bir kısmını şöyle özetleyebiliriz:

a) Hücre ve dokularda “yapıtaşı” olarak kullanılırlar. Örneğin, alfa-keratin saçların yapısında bulunan bir proteindir.

b) “Enzim” olarak görev yaparak hücrede gerçekleşen biyokimyasal reaksiyonları katalizlerler. Örneğin, yediğimiz proteinler midede bulunan pepsin enzimi ile parçalanır.

c) “Taşıyıcı” olarak görev yaparlar. Hücredeki birçok küçük molekül ya da iyonun taşınmasından sorumludurlar. Örneğin, kanda bulunan hemoglobin proteini oksijen taşınmasında görevlidir.

d) Özellikle hücre zarlarında bulunan proteinler “reseptör” görevi yapar ve dışarıdan gelen uyarıları algılayarak hücrenin uyarıya vereceği tepkinin gelişmesini başlatır. Göz retinasında bulunan rodopsin, gelen ışığı algılayabilen bir proteindir.

d) Hücre içinde ya da hücreler arasında “sinyal aktarımını” sağlarlar. Birçok hormon protein yapıdadır. Örneğin insülin hormonu kandaki şeker seviyesini kontrol eden küçük bir proteindir.

f) “Gen regülasyonu” da proteinlerin görevleri arasındadır. DNA üzerine bağlanarak belirli bir genin çalışmasını engelleyebilir ya da geni aktif hale getirebilirler. Örneğin, MetJ proteini DNA üzerine bağlanarak metionin amino asitinin sentezlenmesini engeller.

Hücrede bilgi akışı - “santral dogma”

Bu üç temel molekül, yani DNA, RNA ve proteinler dışında, hücrede karbonhidrat, yağ, iyonlar gibi sayısız molekül birlikte çalışarak hücre içi düzenin devamını sağlar. Ancak yukarıda sıraladığımız üç temel biyomolekül, atalarımızdan aldığımız bilginin akışında temel basamakları oluşturur. Şimdi bu bilgi akışından bahsedelim.

Hücre içindeki tüm faaliyetler, hücrenin sahip olduğu genetik malzemede yazılı olan bilgi tarafından belirlenir. Bu bilginin etkili bir şekilde okunması ve yorumlanması organizmanın devamlılığını sağlayacaktır. Santral dogma (central dogma) adı verilen ve hücrede bilginin akış yolunu gösteren bu sisteme göre DNA’dan RNA’ya ve oradan da proteine doğru bir gidiş vardır.

1) Hücre bölünmesi için, var olan DNA’nın çoğaltılması gerekir, bu şekilde bilgi kopyalanarak yeni hücreye aktarılacaktır. DNA’nın çoğaltılmasına “replikasyon” adı verilir.

2) DNA’da bulunan ve gen adı verilen bölgeler kopyalanarak RNA’ya aktarılır. Farklı RNA’lar farklı görevler için kullanılır. Bu işleme “transkripsiyon” adı verilir.

3) Hücresel reaksiyonlarda kullanılmak üzere gereken proteinlerin sentezlenmesi için mRNA üzerine yazılan bilgi kullanılır. mRNA ribozoma giderek protein sentezlenmesi için kullanılır. Bu işleme de “translasyon” adı verilir.

4) Bazı virüslerde ise genetik malzeme RNA’dır ve bilgi RNA’dan DNA’ya aktarılır. (Ters yönde; örneğin, AIDS hastalığına yol açan HIV virüsü gibi.)

5) Birçok virüs “RNA replikasyonu” yoluyla RNA moleküllerini çoğaltmaktadır. RNA’dan RNA sentezini sağlayan RNA-bağımlı RNA polimeraz enzimi birçok ökaryot hücrede de bulunur.

Buradaki önemli noktalardan birisi, bilgi akışının belirli bir yönde oluşudur. Genel olarak DNA’dan proteine doğru bir gidiş vardır ancak, proteinden proteine ya da proteinden nükleik asitlere doğru bir gidiş yoktur.

Bu üç temel molekül, yani DNA, RNA ve proteinler üzerine yapılan çalışmalar, bilim dünyasını da derinden etkilemiş ve birçok bilim insanının Nobel kazandığı sonuçlar elde edilmiştir.

1962 yılında James Watson, Francis Crick ve Maurice Wilkins, Fizyoloji veya Tıp Nobel’ini DNA’nm keşfi üzerine daha önceki çalışmalarıyla alırken, 1968 yılında da aynı ödül Robert W. Holley, Har Gobind Khorana ve Marshall W. Nirenberg’e genetik kodun yorumlanması ve protein sentezindeki fonksiyonu üzerine yaptıkları çalışmalar nedeniyle verildi. RNA üzerine yapılan çalışmalar da birçok bilim insanına Nobel Ödülü getirdi. İspanyol bilim adamı Severo Ochoa 1959 yılında Fizyoloji veya Tıp Nobel Ödülü’nü RNA sentezleyen polinükleotit fosforilaz enzimini bulduğu çalışmasıyla kazandı (ödülü Arthur Kornberg ile paylaşmıştı). Enzimin aslında RNA sentezinde değil, parçalanmasında görevli olduğu ortaya çıkarılacaktı. Fizyoloji veya Tıp Alanı Nobel Ödülü’nü 1968’de Robert Holley (Har Gobind Khorana ve Marshall Nirenberg ile paylaştı) maya tRNA’sının nükleotit bazlarını dizilediği çalışmasıyla, 1975 yılında David Baltimore, Renato Dulbecco ve Hovvard Temin RNA’dan DNA’ya bilgi akışını sağlayan ters transkriptaz (reverse transcriptase) enzimini keşfettikleri çalışmalarıyla, 1989 yılında Thomas Cech ve Sidney Akman katalitik RNA’yı keşfettikleri daha önceki çalışmalarıyla, 1993 yılında Philip Sharp ve Richard Roberts intron ve “RNA işlenmesi” buluşlarıyla, kazandılar. 2006 yılında Andrew Fire ve Craig Mello RNA interference (engelleme) üzerine çalışmalarıyla Tıp veya Fizyoloji Nobel Ödülü’nü alırken, Roger Kornberg ise aynı yılın Kimya Nobel Ödülü’nü RNA transkripsiyonu üzerine çalışmasıyla aldı.

Frederick Sanger ilk defa bir proteinin (insülinin) amino asit dizisini ortaya çıkardığı çalışması nedeniyle 1958 yılında Kimya Nobel Ödülü’nü alırken, Max Perutz ve John Covvdery Kendrew hemoglobin ve miyoglobin proteinlerinin üç boyutlu yapılarını ortaya çıkardıkları için 1962 yılında aynı ödülü paylaştılar.

Deniz Şahin - 50 Soruda Yaşamın Tarihi


Bir sonraki bölüm hazırlandığında linki burada olacaktır.












Share this article :

Yorum Gönder

Not: Yalnızca bu blogun üyesi yorum gönderebilir.

 
SUPPORT / DESTEK : ATLAS
Copyright © 2014 ATLASİZM