DNA (Deoksiribo Nükleik Asit)

DNA NEDİR, NEREDE BULUNUR?

DNA, hücrenin ortasındaki, kromozom adı verilen 46 tane çok uzun ve çok ince iplikçiğin içinde. Bu iplikçiler o kadar incedir ki onları elektron mikroskobunun yardımı ile bile göremezsiniz. Ama bu tek hücrenin içindeki bütün DNA'yı söküp alabilseydiniz elde edeceğiniz DNA,bir buçuk metre uzunluğunda olurdu! DNA iplikçilerinin kalınlıklarını gözünüzde canlandırabilmemiz de aynı ölçüde zordur; bir fikir edinebilmemiz için şunu söyleyebiliriz: Bir dikiş iğnesinin deliğinden beş milyon tane iplikçiği aynı anda geçirebilirsiniz! Bir hücre bölünmek üzereyken DNA kıvrılarak sıkışır.Kromozomları görebilmenizin nedeni de budur. Benzersiz bir canlı yapılması için gerekli bilgilerin tümü bu kromozomların içinde bulunmaktadır.

Sponsorlu Bağlantılar

DNA tam olarak neye benzer?

Kromozomlardan birindeki bir DNA iplikçiğini alıp inceleyelim. Baktığınız şeyleri elli milyon kere büyüten sihirli bir gözlük taktığınızı düşünün. (Böyle bir gözlükle bir kum tanesini bir dağ kadar büyük görürdünüz.) Artık bir DNA iplikçiğini kolayca görebilir ve onun en önemli sırrını öğrenebilirsiniz.Aslında DNA iplikçiği bir değil iki diziden oluşur. Birbirinin etrafında dolanan bu diziler,DNA'nın bükülmüş bir merdiven gibi görünmesine neden olur. Bu şekil ikili sarmal olarak adlandırılır.
Hücreler vücudumuzun yapıtaşlarıdır. 23 kromozomlu bir sperma hücresi ile 23 kromozomlu bir yumurta hücresi birleşince,sizi oluşturan o ilk hücre ortaya çıkmış oldu.Bu ilk hücre,DNA'sını kopyalayarak bölündü ve aynı plana sahip iki ayrı hücre oluştu. Sonra bu iki hücre dört hücre oldu;dört hücre sekiz hücre oldu;bu süreç milyonlarca hücre ortaya çıkına,yani siz oluşana dek böyle devam etti.İlgi çekici nokta ise her bir hücrenin bölünüşü sırasında DNA planının da kopyalanmış olmasıydı. Her bir hücremiz 46 kromozom vardır.

Önce ikili sarmal açılıyor,böylece iki ayrı DNA dizisi ortaya çıkıyor. Sonra her dizi başka bir dizinin yapılması için model olarak kullanılıyor. DNA'yı oluşturan kimyasal maddeler hücrenin içinde serbest bir biçimde yüzer ve kusursuz bir düzende bir araya gelirler. Bu dört kimyasal madde şunlardır: Adenin,Timin,Sitozin ve Guanin. Sırasıyla A,T,C ve G harfleriyle gösterilen bu kimyasal maddeleri,çizimlerde dört farklı renkle gösterdik.Kimyasal maddelerin hangi kurala göre birleştiklerini bulabildiniz mi?

• A her zaman T ile birleşir.
• T her zaman A ile birleşir.
• C her zaman G ile birleşir.
• G her zaman C ile birleşir.

Kopyalanma işi sona erdiğinde 46 kromozomun her birinde tıpatıp aynı iki DNA iplikçiği oluşur.DNA planınız gizli bir şifre gibidir.Amao kadar karmaşıktır ki bilim adamları bu şifreyi ancak 1940'lı yıllardan sonra,biraz olsun çözmeyi başarmışlardır.

Peki ama bu gizemli,bükülmüş iplikçik nasıl oluyor da sizin oluşmanızı sağlıyor?

Vücudunuz hücrelerden oluşmaktadır. Hücreleriniz,su,proteinler,DNA,şekerl er ve yağlardan oluşmaktadır. DNA,proteinlerin yapımında kullanılan şifredir. Proteinler önemlidir,çünkü hücreye işini yapması için gerekli olan diğer kimyasal maddeleri üretmesinde yardımcı olur. Hücrelere şekillerini ve renklerini veren proteinlerdir.DNA planınızda,yaklaşık 50 bin farklı tipte protein yapılabilmesini sağlayan tarifler bulunur. Her bir protein tarifi,DNA iplikçilikleri içinde A,T,C,G kimyasal maddelerinden oluşan bir dizi biçiminde yer alır. Protein tariflerine gen adı verilir.
DNA “deoksi ribo nükleik asit”isimli molekül grubunun kısaltılmışıdır. Çift zincirli yapıya sahip olup çok uzun bir zincirdir.Vücudumuzdaki her hücrede DNA molekülü vardır. DNA uzun bir zincir olmasına rağmen üzerindeki baz sıraları bir düzen içindedir ve bu baz gruplarına “gen” denir. Bir canlının bütün karakterleri DNA daki genlerde saklıdır.4 farklı bazdan oluşur.Bunlar;a=adenin,g=guanin,c=sitozin ve t=timin dir. DNA daki şifrelerin deşifre olup organizmayı oluşturması aşama aşama gerçekleşir.

DNA’DAN RNA SENTEZİ (TRANSKRİPSİYON)

Erkekten gelen spermin ve dişiden gelen yumurtanın taşıdığı DNA birleşerek tam bir DNA yı verir. Bu DNA oluşacak yavrunun tüm özelliklerini taşır. İlk aşama RNA sentezidir. Bu işlem DNA nın açılmasıyla başlar. RNA polimeraz proteini DNA yı okuyup RNA yı sentezlemeye başlar. Timin yerine urasil bazı gelerek mRNA sentezlenir.

RNA’DAN PROTEİN SENTEZİ

MRNA çekirdekten çıkar ve ribozoma tutunur. Aminoasit taşıdığı için tRNA adı verilen başka bir RNA da ribozoma gelir. mRNA daki kodonlarla tRNA daki antikodonlar birbirine bağlanır. Busırada aminoasitlerde birbirine bağlanır. yüzlerce bağlanma gerçekleştikten sonra protein meydana gelir.

PROTEİNİ ÜRETİLEN HÜCRENİN FARKLILAŞMASI

Bir yumurta ile bir spermin birleşmesiyle oluşan zigot birtek hücreden ibarettir. Zigot içeriside DNA bölünmeler gerçekleştirir. Bu,ta ki anne karnında bir bebeğin meydana gelmesine kadar sürer. İnsan vücudunun her bölgesindeki hücrelerin içindeki DNA larda insanların bütün organlarını oluşturacak bilgiler saklıdır. Bu bilgilerden yalnızca ilgili organ için proteinlerin üretilmesi sağlanır. Bir organda,ilgili proteinler dışında DNA da saklanan diğer proteinlerin üretilmesi için DNA nın üzeri “histon” denilen özel bir proteinle örtülüdür. Hücrelerin farlı proteinler üretip farklı organlara dönüşmesi olayına “FARKLILAŞMA” (morfogenez) denir.

ABD'li bir grup araştırmacı, her canlının doğal kalıtım şifresi olan DNA'yı, yapay yeni eklerle "zenginleştirmeye" çalışıyor. Hedefleri, bu yolla şimdiye değin doğada hiç görülmemiş proteinler elde etmek. Yalnızca RNA (ribonükleik asit) taşıyan bazı virüsler dışında, tüm canlı organizmalar, genetik bilgilerini hep aynı dört bazdan oluşan, yangın merdiveni gibi sarmal biçimde birleşmiş DNA (deoksiribonükleik asit) dizelerinde taşırlar. Bu bazlar, adenin, timin, sitozin ve guaninden oluşuyor.

Bunlardan adenin, yalnızca timin; sitozin de yalnızca guaninle birleşiyor. Bazlar, kodon adı verilen üçlü dizeler oluşturuyor. Her kodon da doğada bulunan 20 amino asitten birini seçerek protein zincirlerine ekliyor.

La Jolla'da (California) bulunan Scripps Araştırma Enstitüsü moleküler biyologlarından Floyd Romesberg başkanlığındaki ekip, orijinal dört DNA bazına sentetik yeni bazlar ekleyerek kodon modeli sayısını arttırmayı denemiş.

Araştırmacılara göre bu yeni kodonların yapay amino asitler üretmeleri, bunların da yepyeni proteinler oluşturmaları gerekiyor.Gerçi doğal olmayan bazlarla yapılan deneyler, 1980'li yıllara değin gidiyor; ama şimdiye kadar bunların eklendiği DNA örnekleri hep kararsız duruma dönüşmüş.

Romesberg ve ekibiyse, bu engeli aşmış görünüyor. Araştırmacıların oluşturduğu 20 yapay baz, tıpkı doğalları gibi şekerlere bağlanıp nükleosid oluşturmuş. Ekip daha sonra bu yapay bazlardan birini, tek bir DNA şeridine eklemiş. DNA'nın kendini kopyalama sürecinde polimeraz denen enzimler, tek şerit halinde dizili kalıpları okuyup, gerekli bazları ekleyerek çiftler oluştururlar. Örneğin, adenini timine, sitozini guanine bağlarlar. Doğal olmayan bir bazsa, değişik biçimde olduğundan gene değişik bir bağ kurar.

Daha önceki araştırmalarda polimerazların bu yapay bazları da gene yapay çiftlere bağladığı görülmüş. Ancak karşılaşılan sorun, bu yapay çiftin, DNA'nın kopyalanma sürecini durdurması.Sorunu aşmak için ekip, değişik yapıdaki polimerazları, yapay bazlarla deneyerek sonunda sistemi durdurmadan işleyen bir model elde etmiş.

Deney sonunda kopyalama işleminin, yapay baz çiftinde kesilmeyerek sürdüğü görülmüş. Ancak, araştırmacılar sınama ve yanılma yöntemiyle çalıştıklarından süreç ağır işliyor.Ekibin en son amacı, yapay DNA'yı bakterilere aşılayarak, hücre etkinliklerini kesintiye uğratmadan yeni kodonların okunup kopyalanmasını sağlamak. Hedef gerçekleşirse, tıpta ve kimya sanayiinde kullanılabilecek yepyeni proteinler elde edilebilecek.

Nükleik asit (DNA)

tüm organizmalar ve bazı virüslerin canlılık işlevleri ve biyolojik gelişmeleri için gerekli olan genetik talimatları taşıyan bir nükleik asittir. DNA'nın başlıca rolü bilginin uzun süreli saklanmasıdır. Protein ve RNA gibi hücrenin diğer bileşenlerinin inşası için gerekli olan bilgileri içermesinden dolayı DNA bir kalıp, şablon veya reçeteye benzetilir. Bu genetik bilgileri içeren DNA parçaları gen olarak adlandırılır, ama başka DNA dizilerinin yapısal işlevleri vardır, diğerleri ise bu genetik bilginin kullanılmasının düzenlenmesine yararlar.
Kimyasal olarak DNA, nükleotit olarak adlandırılan basit birimlerden oluşan iki uzun polimerden oluşur. Bu polimerlerin omurgaları, ester bağları ile birbirine bağlanmış şeker ve fosfat gruplarından oluşur. Bu iki iplik birbirlerine ters yönde giderler. Her bir şeker grubuna baz olarak adlandırılan dört tip molekülden biri bağlıdır. DNA'nın omurgası boyunca bu bazların oluşturduğu dizi, genetik bilgiyi kodlar. Protein sentezi sırasında bu bilgi, genetik kod aracılığıyla okununca proteinlerin amino asit dizisini belirler. Bu süreç sırasında DNA'daki bilgi, DNA'ya benzer yapıya sahip başka bir nükleik asit olan RNA'ya kopyalanır, bu işleme transkripsiyon denir.
Hücrelerde DNA, kromozom olarak adlandırılan yapıların içinde yer alır. Hücre bölünmesinden evvel kromozomlar ikilenir, bu sırada DNA ikileşmesi gerçekleşir. Ökaryotlarda (yani hayvan, bitki, mantar ve protistalar) DNA'larını hücre çekirdeği içinde bulundururlar, buna karşın prokaryotlarda (yani bakteri ve arkelerde) DNA hücre sitoplazmasında yer alır. Kromozomlarda bulunan kromatin proteinleri (histonlar gibi) DNA'yı sıkıştırıp organize ederler. Bu sıkışık yapılar DNA ile diğer proteinler arasındaki etkileşimleri düzenleyerek DNA'nın hangi kısımlarının okunacağını kontrol ederler.

Özellikler

Nükleotit olarak adlandırılan birimlerden oluşan bir polimerdir. DNA zinciri 22 ila 26 Ångström arası (2,2-2,6 nanometre) genişliktedir bir nükleotit birim 3,3 Å (0.33 nm) uzunluğundadır. Herbir birim çok küçük olmasına rağmen, DNA polimerleri milyonlarca nükleotitten oluşan muazzam moleküllerdir. Örneğin, en büyük insan kromozomu olan 1 numaralı kromozom yaklaşık 220 milyon baz çifti uzunluğundadır.

Canlılarda DNA genelde tek bir molekül değil, birbirine sıkıca sarılı bir çift molekülden oluşur. Bu iki uzun iplik sarmaşık gibi birbirine sarılarak bir çift sarmal oluşturur. Nükleotit birimler bir şeker, bir fosfat ve bir bazdan oluşurlar. Şeker ve fosfat DNA molekülünün omurgasını oluşturur, baz ise çifte sarmaldaki öbür DNA ipliği ile etkileşir. Genel olarak bir şekere bağlı baza nükleozit, bir şeker ve bir veya daha çok fosfata bağlı baza ise nükleotit denir. Birden çok nükleotidin birbirine bağlı haline polinükleotit denir.

DNA ipliğinin omurgası almaşıklı şeker ve fosfat artıklarından oluşur. DNA'da bulunan şeker 2-deoksiribozdur, bu bir pentozdur (beş karbonlu şekerdir). Bitişik iki şekerden birinin 3 numaralı karbonu ile öbürünün 5 numaralı karbon atomu arasındaki fosfat grubu, bir fosfodiester bağı oluşturarak şekerleri birbirine bağlar. Fosfodiester bağın asimetrik olması nedeniyle DNA ipliğinin bir yönü vardır. Çifte sarmalda bir iplikteki nükleotitlerin birbirine bağlanma yönü, öbür ipliktekilerin yönünün tersidir. DNA ipliklerinin bu düzenine antiparalel denir. DNA ipliklerin asimetrik olan uçları 5' (beş üssü) ve 3' (üç üssü) olarak adlandırılır, 5' uç bir fosfat grubu, 3' uç ise bir hidroksil grubu taşır. DNA ve RNA arasındaki başlıca farklardan biri, içerdikleri şekerdir, RNA'da 2-deoksiriboz yerine başka bir pentoz şeker olan riboz bulunur.
Çift sarmalı iki ipliğe bağlı bazlar arasındaki hidrojen bağları DNA'yı stabilize eder. DNA'a bulunan dört baz, adenin (A olarak kısaltılır), sitozin C, guanin G ve timin T olarak adlandırılır. Bu dört baz şeker-fosfata bağlanarak bir nükleotit oluşturur, örneğin "adenozin monofosfat" bir nükleotittir.
Bazlar iki tip olarak sınıflandırılırlar: adenin ve guanin, pürin türevleridir, bunlar beş ve altı üyeli halkaların kaynaşmasından oluşmuş heterosiklik bileşiklerdir; sitozin ve timin ise pirimidin türevleridir, bunlar altı üyeli bir halkadan oluşur. Bir diğer baz olan urasil U, sitozinin yıkımı sonucu seyrek olarak DNA'da bulunabilir. Kimyasal olarak DNA'ya benzeyen RNA'da timin yerine urasil bulunur.

Büyük ve Küçük Oyuklar

Çifte sarmal sağ elli bir spiraldir(sarmal). DNA ipliklerinin birbirine sarılı halinde şeker-fosfatlı omurgalar arasındaki aralıktan bazların kenarları görünür (animasyona bakınız). Sarmal etrafında dolanan bu oyuklardan iki tane vardır: bunlardan büyük oyuk (majör oyuk) olarak adlandırılanı 22 Å genişliğinde, küçük (minör) oyuk ise 12 Å genişliğindedir. Küçük oyuğun darlığı nedeniyle bazların kenarlarına erişmek büyük oluktan daha kolaydır. Bu nedenle, DNA'daki belli baz dizilerine bağlanan, transkripsiyon faktörü gibi proteinler büyük oyuktan bazların kenarlarına temas ederler.

Baz Eşleşmesi

DNA'nın bir ipliğindeki bir baz tipi, öbür iplikten tek bir baz tipi ile bağ kurar. Buna tümleyici (komplemanter) baz eşleşmesi denir: pürinler pirimidinler ile hidrojen bağı kurar, A yalnızca T'ye bağlanır, C'de yalnızca G'ye bağlanır. Çift sarmalda karşıdan karşıya birine bağlı iki baza bir baz çifti denir. Çift sarmalı kararlı kılan ayrıca hidrofobik etki ve pi istiflenmesi vardır, bunlar DNA dizisisinden bağımsızdır. Hidrojen bağları kovalent bağlardan daha zayıf olduklarından kolayca kopup tekrar oluşabilirler. Dolayısıyla DNA zincirinin iki ipliği bir fermuar gibi kolayca birbirinden ayrılabilir, ya mekanik güç ile veya yüksek sıcaklıkta.Komplementerliğin bir sonucu olarak bir DNA sarmalındaki iki iplikli dizideki tüm bilgi ipliklerin her birinde kopyalanmış durumdadır, bu da DNA kopyalanması için esas bir özelliktir. Aslında komplementer baz çiftleri arasındaki spesifik ve tersinir etkileşimler DNA'nın canlılardaki işlevleri için şarttır.

İki tip baz çifti farklı sayıda hidrojen bağları oluşturur, AT'nin iki hidrojen bağı, GC'nin üç hidrojen bağı vardır. Dolayısıyla GC çiftleri AT baz çiftlerinden daha güçlüdür. Dolayısyla iki DNA ipliğinin birbirine bağlanma gücünü belirleyen, hem DNA çift sarmalının uzunluğu hem de onu oluşturan GC baz çiftlerinin yüzde oranıdır. Yüksek oranda GC'li uzun DNA'ların iplikleri birbirine daha sıkı bağlıdır, AT oranı yüksek kısa sarmalların iplikleri ise birbiriyle daha zayıf etkileşirler. Biyolojide, DNA çifte sarmalının kolay ayrılması gereken bölgelerinde AT oranı yüksek olur, örneğin bazı promotörlerde bulunan TATAAT Pribnow kutusu. Laboratuvarda bu etkileşimin gücünü ölçmek için hidrojen bağlarını koparmak için gerekli sıcaklık, ergime sıcaklığı belirlenir (bu, Tm sıcaklığı olarak da adlandırılır). DNA çifte sarmalındaki tüm baz çiftleri eridikten sonra ipliçikler ayrışır ve çözeltide iki bağımsız molekül olarak varlığını sürdürür. Bu iki tek iplikli DNA molekülün tek bir biçimi yoktur, ama bazı biçimler diğerlerinden daha kararlıdır.

Anlam ve ters anlam

Bir DNA dizisi, eğer ondan protein sentezlemeye yarayan mesajcı RNA kopyası ile aynı diziye sahipse, "anlamlı" olduğu söylenir. Öbür iplikteki diziye "ters anlamlı" dizi denir. Aynı DNA ipliğinin farklı bölgelerinde anlamlı ve ters anlamlı diziler bulunabilir, yani her iki iplikte hem anlamlı hem anlamsız diziler bulunur. Hem prokaryot ve ökaryotlarda ters anlamlı, yani protein üretimine yaramayan, RNA'nın üretildiği olur, bu RNA'ların işlevi halen tam bilinmemektedir. Bir görüşe göre ters anlamlı RNA, RNA-RNA baz eşleşmesi yoluyla gen ifadesinin düzenlenmesine yaramaktadır.
Bazı DNA dizilerinde anlam ve ters anlam kavramları birbirine karışır, çünkü bazen genler birbiriye örtüşebilir. Böyle durumlarda bazı DNA dizileri çifte görev yapar, bir iplik boyunca okununca bir protein kodlar, öbür iplik boyunca okununca ikinci bir protein kodlar. Bakterilerde bu tür gen örtüşmeleri gen transkripsiyonunun düzenlenmesi ile ilişkili olduğuna dair bulgular vardır, virüslerde ise, genlerin örtüşmesi küçük bir viral genoma daha çok bilginin sığmasını sağlar.

Süper burulma

Süper burulma (İngilizce supercoiling) tabir edilen bir süreç ile DNA bir halat gibi burulabilir. "Gevşek" halinde DNA'daki bir iplik, her 10,4 baz çiftinde bir, çift sarmalın ekseni etrafında bir tam dönüş yapar. Ama, eğer DNA burulursa iplikler daha sıkı veya daha gevşek sarılı olabilirler. Eğer DNA sarmalı sarılma yönünde burulursa buna pozitif süperburulma denir ve bazlar birbirlerine daha sıkı şekilde tutunurlar. Eğer ters yönde burulursa DNA, buna negatif süperburulma denir ve bazlar birbirlerinden daha kolay ayrışırlar. Doğadaki çoğu DNA molekülü az derecede negatif süper burguludur, bundan topoizomeraz adlı enzimler sorumludur. Bu enzimlerin bir işlevi transkripsiyon ve DNA ikileşmesi gibi süreçler sırasında DNA ipliklerine etki eden burulmayı bertaraf etmektir.

Alternatif çifte sarmal yapılar

DNA'nın çeşitli biçimleri (konformasyonları) mevcuttur. Ancak, canlılarda sadece A-DNA, B-DNA, ve Z-DNA gözlemlenmiştir. DNA'nın hangi biçimi aldığı DNA dizisine, süperburulmanın yönü ve miktarına, bazlardaki kimyasal değişimlere, ve çözeltinin özelliklerine (metal iyonu ve poliamin konsantrasyonu gibi) bağlıdır. Bu üç biçimden yukarıda betimlenmiş olan "B" biçimi, hücrelerdebulunan şartlar altında en sık görülenidir. DNA'nın diğer iki alternatif biçiminin geometri ve boyutları farklıdır.
A biçimi daha geniş bir sarmaldır, B biçimine kıyasla küçük oluk daha geniş ve sığ, büyük oluk da daha dar ve derindir. A biçimli nükleik asitler, fizyolojik olmayan şartlarda, suyunu kaybetmiş DNA örneklerinde görülür, hücre içinde ise DNA ve RNA ipliklerinin birbirine sarılmasından oluşan karma (hibrit) eşleşmelerde, ayrıca bazı enzim-DNA komplekslerinde meydana gelebilir. Metilasyonla kimyasal değişime uğrayan DNA parçaları daha büyük biçimsel değişiklik gösterip Z biçimini alabilirler. Bu durumda iplikler sarmal ekseni etrafında dönerek sol elli bir spiral oluşturur, bu daha yaygın olan B biçimimdekinin tersi yöndedir. Bu sıra dışı yapılar Z-DNA bağlayıcı proteinler tarafından tanınır ve transkripsiyon kontrolü ile ilişkili olduğu sanılmaktadır.

Dörtlü yapılar

Doğrusal kromozomların uçlarında telomer olarak adlandırılan özelleşmiş bölgeler bulunur. Bu bölgelerin ana fonksiyonu kromozom uçlarının telomeraz adlı enzim aracılığıyla kopyalanmasını sağlamaktır. DNA'yı normalde kopyalayan enzimler kromozomların en uç kısımların kopyalayamadığı için bu kopyalama telomeraz aracılığıyla yapılır. Bu özelleşmiş kromozom başlıkları ayrıca DNA'nın uçlarını korurlar ve hücredeki DNA tamir sistemlerinin bunları tamir edilmesi gereken hasar olarak algılanmasını engeller. İnsan hücrelerinde telomerler genelde TTAGGG dizisinin birkaç bin kere tekrarından oluşan tek iplikli DNA uzantılarıdır.

Bu guanin zengini diziler normal DNA'daki baz çiftleri yerine, dört bazlı birimlerden meydana gelmiş istiflenme kümeleri ile kromozom uçlarını stabilize ederler. Burada dört guanin baz yassı bir tabaka oluştururlar, bular da birbiri üzerine istiflenerek kararlı bir G-dörtlüsü (G-quadruplex) yapısı oluştururlar. Bu yapıların stabilizasyonu, bazların kenarları arasındaki hidrojen bağları ve her dört bazlı birimin ortasında yer alan bir metal iyonun şelasyonu ile gerçekleşir. Bu G-dörtlüleri başka yollardan da oluşabilir: tek bir ipliğin bir kaç kere katlanması ile bu dörtli birim oluşabilir, veya ikiden fazla farklı paralel ipliğin her birinin ortak yapıya bir baz temin etmesi ile de bu dört baz bir araya gelebilir.
Bu istiflenmiş yapıların aynı sıra, telomerler ayrıca telomer ilmiği (T-ilmiği; ingilizce telomere loops veya T-loops) adlı yapılar oluştururlar. Bunlarda tek iplikli DNA, telomer bağlanıcı proteinler tarafından stabilize edilmiş bir halka olarak kıvrılır. Bir T-ilmiğinin en ucundaki tek iplikli DNA, çift iplikli bir DNA bölgesine bağlıdır. Bu birleşme noktasında tek iplikli telomer DNA'sı, çift iplikli DNA'nın çifte sarmalını bozup iki sarmaldan biri ile baz eşleşmesi yapar. Bu üç sarmallı yapıya yer değişim halkası (İngilizce displacement loop veya D-loop) denir.

Kimyasal değişimler

Baz değişimler

Kromatin adı verilen bir yapı içinde DNA'nın paketlenmesi ile kromozomlar meydana gelir. Bu paketlenme gen ifadesine etki eder. Baz değişimi (modifikasyonu) bu paketlenmeyle ilişkilidir, öyle ki gen ifadesinin az olduğu veya hiç olmadığı yerlerde sitozin bazları yüksek derecede metilasyona uğramıştır. Örneğin, sitozin metilasyonu ile 5-metilsitozin meydana gelir, bu X kromozomu inaktivasyonu için önemlidir. Ortalama metilasyon düzeyi canlıdan canlıya farkeder: solucan Caenorhabditis elegans'da sitozin metilasyonu olmaz, buna karşın omurgalı DNA'sının %1'e ulaşan kadarı 5-metilsitozin içerebilir. 5-metilsitozinin önemli bir baz olmasına rağmen, onun deamidinasyonu sonucu bir timin bazı oluşur, bu yüzden metillenmiş sitozinler mutasyona eğilimlidirler. Diğer baz modifikasyonarı arasında bakterilerde görülen adenin metilasyonu ve kinetoplastitlerde urasilin glikozilasyonu sonunda meydana gelen "J-bazı" sayılabilir.

DNA hasarı

DNA çeşitli farklı mutajenler tarafından hasara uğrayabilir, bunun sonucunda DNA dizisi değişebilir. Mutajenler arasında başlıca, yükseltgen (oksitleyici) etmenler, alkilleyici etmenler ve yüksek enerjili elektomanyetik ışınlar (morötesi ışık ve X ışınları gibi) sayılabilir. DNA'da meydana gelen hasarın tipi mutagenin tipine bağlıdır. Örneğin, mor ötesi ışık timin ikilileri (timin dimerleri) oluşturarak DNA'ya hasar verir. Buna karşın, serbest radikaller veya hidrojen peroksit gibi yükseltgen etmenler çeşitli farklı türden hasar oluşturabilirler, baz değişimi (özellikle guanozin) ve iki iplikli kırılmalar gibi. Her bir insan hücresinde günde 500 baz yükseltgeyici zarar görür. Bu yükseltgeyici hasarlardan en zararlısı çift zincirli kırılmalardır, çünkü bunların onarımı zordur, bunlar DNA dizilerinde noktasal mutasyonlara, insersiyonlara ve delesyonlara ayrıca kromozomal translokasyonlara yol açabilirler.

Çoğu mutajen, iki baz çifti arasındaki boşluğa girer, buna enterkalasyon denir. Çoğu enterkalatörler aromatik ve düzlemsel moleküllerdir, bunlara örnek olarak etidyum bromür, daunomisin, doksorubisin ve talidomit sayılabilir. Bir enterkalatörün iki baz çifti arasına girebilmesi için bunların arasının açılması, bunun olabilesi için de DNA sarmalının normalin aksi yönde burularak gevşemesi gerekir. Bunlar olunca transkripsiyon ve DNA ikilenmesi engellenir, zehirlenme ve mutasyonlar meydana gelir. Bu yüzden DNA enterkalatörleri çoğunlukla kanserojendir, bunların iyi bilinen örnekleri olarak benzopiren diol epoksit, akridin türevleri aflatoksin ve etidyum bromür sayılabilir. Tüm bunlara rağmen, DNA transkripsiyonuna engel olma özelliklerinden dolayı bu toksinler aynı zamanda hızla büyüyen kanser hücrelerini engellemek amacıyla kemoterapide kullanılırlar.

Biyolojik işlevleri

DNA, ökaryotlarda doğrusal kromozomlar, prokaryotlarda ise dairesel kromozomlar içinde bulunur. Bir hücredeki kromozomlar kümesine onun genomu denir; insan genomu 46 kromozom içinde yer alan yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşur. Protein ve diğer işlevsel RNA molekülleri kodlayan bilgi, gen adı verilen DNA parçalarının dizisinde yer alır. Genlerdeki genetik bilginin aktarılması baz eşleşmesi ile gerçekleşir. Örneğin, transkripsiyon sırasında bir DNA dizisinin ona komplementer bir RNA dizisi olarak kopyalanması, DNA ile doğru RNA nükleotitler arasındaki çekim ile mümkün olur. Protein çevrimi (translasyon) denen süreç sırasında bu RNA dizisine kaşılık gelen bir protein sentezlenirken, RNA nükleotitleri arasında gene baz eşleşmesi olur. Bir diğer önemli biyolojik süreç, hücredeki genetik bilginin kopyalanması olan DNA ikilenmesidir. Bu işlevlerin ayrıntıları başka maddelerde işlenmiştir; burada DNA ile genomun fonksiyonlarını yerine getiren diğer moleküller arasındaki etkileşimler ele alınmıştır.

Genler ve genomlar

Genomu oluşturan DNA ökaryotlarda hücre çekirdeğinde, ayrıca az miktarda mitokondrilerde bulunur. Prokaryotlardaki DNA, sitoplazma içinde yer alan, düzensiz şekilli nükleoit denen cismin içindedir. Genom tarafından kodlanan bilgi genlerde yer alır, bir canlı birey tarafından taşınan bu bilginin tamamına onun genotipi denir. Gen kalıtımsal bir birimdir ve organizmanın belli bir özelliğini belirleyen bir DNA dizisi ile tanımlanır. Ayrıca, bu DNA bölgesinin transkripsiyonunu düzenleyen diziler (promotör ve hızlandırıcılar gibi) de vardır.
Çoğu biyolojik türde genomdaki dizilerin ancak ufak bir bölümü protein kodlar. Örneğin insan genomunun ancak %1'i protein eksonları kodlar, buna karşın insan DNA'sının %50'si protein kodlamayan, kendini tekrar eden dizilerden oluşur. Ökaryot genomlarında bu kadar çok protein kodlamayan DNA'nın bulunması ve türlerin genom büyüklüğündeki ("C-değeri"ndeki) büyük farklılıkların nedeni henüz anlaşılamamıştır ve "C değeri muamması" olarak bilinir. Ancak, protein kodlamayan (non-coding) DNA dizileri gene de işlevsel kodlamayan RNA molekülleri kodlamaktadır, bunlar da gen ifadesinin düzenlenmesinde rol oynarlar.

Bazı kodlamayan DNA dizileri kromozomlar için yapısal rol oynarlar. Telomer ve sentromerler tipik olarak çok az sayıda gen içerir, ama kromozomların işlev ve stabilitesi için önemlidir. İnsanlarda bulunan kodlamayan DNA'ların önemli bir türü psödogenlerdir, bunlar mutasyon sonucu çalışmaz hale gelmiş genlerin kopyalarıdır. Bu DNA dizileri genelde birer moleküler fosilden ibarettir ama bazen yeni genlerin oluşumuna ham madde olabilirler, gen ikilenmesi ve ıraksak evrim süreçleri sonucu.

Transkripsiyon ve çevrim

Genler, işlevsel moleküller kodlayan DNA dizileridir, bunlar canlının fenotipini belirler. Protein kodlayan genler durumunda DNA dizisi bir mesajcı RNA dizisini tanımlar, bu da bir veya birkaç proteinin dizisini belirler. Genlerdeki DNA dizisi ile proteinlerdeki amino asit dizisi arasındaki ilişki, biyolojik çevrim (translasyon) kuralları tarafından belirlenir, bunlar topluca genetik kod ile özetlenir. Genetik kod, üç nükleotitlik dizilere karşılık gelen, üç harfli 'kelimelerden' oluşur (örneğin, ACT, CAG, TTT), bu üçlüler kodon olarak adlandırılır.
Transkripsiyonda, protein kodlayan bir genin kodonları önce RNA polimeraz tarafından bir mesajcı RNA şeklinde kopyalanır. Bu RNA kopya, ardından bir ribozom tarafından deşifre edilir; ribozom, mesajcı RNA ile amino asit taşıyan taşıyıcı RNA'lar arasında baz eşlemesi yaparak onu okur. Dört bazın 3'lü kombinasyonları olabildiği için 64 olası kodon vardır (43 kombinasyon). Bunlar yirmi standart amino asidi kodlarlar, böylece çoğu amino asite birden çok kodon düşer. Ayrıca, protein kodlayıcı bölgenin sonuna işaret eden üç tane de 'stop' veya anlamsız (nonsense) kodon vardır, bunlar TAA, TGA ve TAG kodonlarıdır.

DNA ikileşmesi. DNA çift sarmalı bir helikaz ve topoizomeraz tarafından açılır. Ardından, bir DNA polimeraz, öncü ipliği üretir. Bir diğer DNA polimeraz ise gecikmeli ipliğe (kesintili zincire) bağlanır ve onu uzatarak kesintili parçalar sentezler (bunlar Okazaki parçası olarak adlandırılır), sonra bunlar DNA ligaz tarafından birleştirilir.
Canlıların çoğalması ve (çok hücreli canlıların) büyümesi için hücre bölünmesi gereklidir. Ancak bir hücre bölünürken DNA'sını da kopyalamak zorundadır ki iki yavru hücre ana hücredeki genetik bilginin aynısına sahip olsunlar. DNA'nın iki iplikli yapısı DNA ikileşmesi için basit bir mekanizma sağlar. İki iplik ayrışırlar, sonra her bir iplikteki dizinin komplementer dizisi DNA polimeraz adlı bir enzim tarafından imal edilir. Bu enzim, tümleyici ipliği sentezlemek için gereken her bazın doğru olanını baz eşleşmesi yoluyla seçer ve onu uzamakta olan ipliğe ekler. DNA polimeraz bir DNA ipliğini ancak 5' - 3' yönünde uzatabildiği için, bir çifte sarmalın antiparalel ipliklerininin kopyalanması için farklı mekanizmalar mevcuttur. Böylece, eski iplikteki baz, yeni ipliğe eklenen bazları belirler, sonunda hücre DNA'sının mükemmel bir kopyasını elde eder.

Proteinler ile etkileşim

DNA'nın tüm işlevleri onun proteinlerle olan etkileşimine bağlıdır. Bu protein etkileşimlerinin bazıları özgül-dışıdır (non-spesifiktir), bazılarında ise protein ancak belli bir DNA dizisine bağlanabilir. Enzimler de DNA'ya bağlanabilir ve bunlar arasında DNA baz disini transkripsiyon ve DNA ikilemesi için kopyalayan polimerazlar özellikle çok önemlidir.

DNA'ya bağlanıcı proteinler

DNA'ya bağlanan yapısal proteinler, non-spesifik DNA-protein etkileşimlerinin iyi anlaşılmış örneklerindendir. Kromozomlarda bulunan DNA, yapısal proteinlerle beraber kompleksler oluşturur. Bu proteinler DNA'yı kromatin adlı kompakt yapı içinde organize ederler. Ökaryotlarda kromatinin oluşmasında DNA'nın histon adlı küçük, bazik proteinlere bağlanması önemli bir rol oynar; prokaryotlarda ise çeşitli başka protein türleri DNA'ya bağlanır. Histonlar, nükleozom adlı disk şeklinde bir kompleks oluştururlar, çift iplikli DNA buna sarılarak iki kere bunun etrafında döner. Histonların bazik kalıntıları ile DNA'nın şeker-fosfat omurgasındaki asidik fosfatlar arasındaki iyonik bağlar, non-spesifik bir etkileşim oluşturur, baz dizisinden büyük ölçüde bağımsızdırlar. Bu bazik amino asitlerin kimyasal değişimleri arasında metilasyon, fosforilasyon, ve asetilasyon sayılabilir. Bu kimyasal değişimler, DNA'nın histonlarla etkileşimini etkiler, bunun sonucunda DNA'ya transkripsyon faktörlerinin erişimi ve transkripsiyon hızı değişir. Kromatinde bulunan diğer non-spesifik DNA'ya bağlanıcı proteinler arasında bulunan yüksek hareketli grup proteinleri (ing. high-mobility group proteins) bükülmüş veya distorte olmuş DNA'ya bağlanır. Bu proteinler, bitişik nükleozom gruplarını bükerek daha büyük ölçekli yapılar oluşturarlar ve kromozomları meydana getirirler.
DNA'ya bağlanıcı proteinler arasında bulunan başlıca bir protein grubu, tek iplikli DNA'ya bağlanıcı proteinlerdir. İnsanda replikasyon protein A bu protein ailesinin en iyi anlaşılmış üyesi sayılır, bu protein, cifte sarmalın ayrıştığı durumlarda, örneğin DNA ikileşmesi, rekombinasyon ve DNA tamirinde işlev görür. Bu proteinler tek iplikli DNA'yı kararlı kılar, onun sap-ilmik (stem-loop) oluşturmasına veya nükleazlar tarafında yıkımına engel olurlar.

Yukarıda değinilen proteinlerden farklı olarak başka proteinler belli DNA dizilerine bağlanacak şekilde evrimleşmişlerdir. Bunların en iyi araştırılmış olanları transkripsiyon faktörleridir, bular transkripsiyonu düzenleyen proteinlerdir. Her transkripsiyon faktörü belli bir DNA diziler kümesine bağlanır ve bu dizilere yakın protörleri olan genlerin transkripsiyonu etkinleştirir veya engeller. Transkripsiyon faktörleri bunu iki farklı yoldan gerçekletirir. Birincisi, transkripsiyondan sorumlu olan RNA polimeraz bağlanırlar, bunu ya doğrudan ya da aracı proteinlerle yaparlar, bunun sonucunda polimeraz promotöre yakın bir konuma yerleştitilmiş olur ve transkripsiyona başlaması mümkün hale gelir. Bir diğer yolda ise, transkripsiyon faktörleri promotörde yer alan histonları kimyasal değişime uğratan enzimlere bağlanırlar; bunun sonucunda polimerazın DNA'ya erişimi değişir.
Bu DNA bağlanma dizileri bir canlının genomunun her tarafında bulunabileceği için, bir transkripsiyon faktörünün etkinliğinde meydan gelen degğişiklikler binlerce gene etki edebilir. Dolayısıyla bu proteinler çoklukla, çevresel değişiklikler, hücresel başkalaşım ve gelişimi kontrol eden süreçlerle ilişkili olan sinyal iletim süreçlerinin hedefidirler. Bu transkripsiyon faktörlerinin DNA ile etkileşimindeki spesifisite, proteinin DNA bazlarının kenarları ile yaptığı temaslardan kaynaklanmaktadır, bu sayede bu proteinler DNA'nın dizisini "okurlar". Bazlarla olan bu etkileşimlerin çoğu, bu bazlara kolaylıkla erişilebilen büyük olukta meydan gelir.

DNA değiştirici enzimler

Nükleaz ve ligazlar

Nükleazlar DNA iplikleri kesen enzimlerdir, fosfodiester bağlarının hidrolizini katalizlerler. DNA ipliklerinin uçlarındaki nükleotitleri hidrolizleyen nükleazlare eksonükleaz denir, ipliklerin iç kısımlarındaki bağları hidrolizleyenlere ise endonükleaz. Moleküler biyolojide en sık kullanılan endonükleazlar restriksiyon endonükleazlarıdır, bunlar DNA'yı belli dizilerde keserler. Örneğin soldaki resimde görülen EcoRV enzimi 6 bazlı 5'-GAT|ATC-3' dizisini tanır ve dik çizgi ile gösterilen noktada onu keser. Doğada bu enzimler, restriksiyon modifikasyon sisteminin bir parçası olarak, bakterileri fajlara karşı korumaya yararlar, hücrenin içine giren faj DNA'sını sindirerek.Teknolojide bu enzimler moleküler klonlama ve DNA parmakizlemesi (DNA fingerprinting) için kullanılır.
DNA ligaz enzimleri kesilmiş veya kırık DNA ipliklerini birleştirir. Ligazlar özellikle gecikmeli iplik DNA ikileşmesinde önemli bir rol oynarlar, çünkü replikasyon çatalında meydana gelen kısa DNA parçalarını birleştirirler. Ayrıca DNA tamiri ve genetik rekombinasyonda kullanılırlar.

Topoizomeraz ve helikazlar

Topoizomerazlar hem nükleaz hem de ligaz etkinliğine sahiptir. Bu proteinler DNA'daki süperburulma derecesini değiştirirler. Bu enzimlerin bazıları DNA sarmalının bir ipliğini kesip bunun öbürü etrafında dönmesini sağlar, sonra da DNA'daki kesiği tekrar birleştirir. Bu enzimlerin diğerleri ise DNA sarmalının bir ipliğini kesip öbür ipliğin bu kesiğin içinden kesmesini sağlarlar, sonra kesiği tekrar birleştirirler. Topoizomerazlar DNA'yla ilgili pekçok süreçte yer alırlar, DNA ikileşmesi ve transkripsiyonu gibi.
Helikazlar moleküler motor özellikli proteinlerdir. Nükleozit trifosfatlarda, özellikle ATP'de taşınan kimyasal enerjiyi kullanıp bazlar arasındaki hidrojen bağlarını kırarlar ve DNA çifte sarmalını ters yönde burarak onu tek iplikler halinde açarlar. Bu enzimler DNA bazlarına erişmeye gerek duyan enzimlerin bulunduğu süreçlerde gereklidir.

Polimerazlar

Nükleik asit polimerazları, nükleozit trifosfatlardan polinükleotit zincirler sentezleyen enzimlerdir. Ürettikleri ürünler var olan polinükleotit zincirlerinin (bunlara kalıp denir) kopyalarıdır. Bu enzimler, bir DNA zincirindeki en son nükleotitin 3' hidroksil grubuna yeni bir nükleotit ekleyerek çalışır. Dolayısıyla tüm polimerazlar 5' - 3' doğrultusunda ilerler. Bu enzimlerin aktif bölgesinde, gelen nükleozit trifosfat kalıp ile baz eşleşmesi yapar; bu sayede polimeraz, kalıba komplementer bir ipliği doğru bir şekilde sentezleyebilir. Polimerazlar kullandıkları kalıbın tipine göre sınıflandırılır.
DNA ikileşmesinde, DNA-bağımlısı DNA polimeraz, bir DNA dizisinin kopyasını yapar. Bu süreçte hata olmaması hayatî önem taşıdığı için bu tip polimerazlarının çoğunda prova okuma aktivitesi bulunur. Bunlarda, sentez reaksiyonunda meydana gelen ender hatalar, baz eşleşmesinin doğru olmamasıyla anlaşılır. Eğer bir uyumsuzluk algılanırsa, 3'-5' yönünde çalışan bir eksonükleaz aktivitesi etkinleştirilir ve hatalı baz çıkartılır. Çoğu canlıda DNA polimerazlar replizom olarak adlandırılan ve yardımcı altbirimler (DNA kıskacı ve helikazlar gibi) içeren büyük bir kompleks içinde yer alır.
RNA-bağımlısı DNA polimerazlar RNA ipliğinde bulunan diziyi DNA olarak kopyalayan özel bir polimeraz sınıfıdır. Ters transkiptazlar bu sınıfa dahildir, bunlar viral enzimler olup hücrelerin retrovirüsler tarafından enfeksiyonunda yer alırlar. Telomerazlar da bu sınıfa dahildir, bunlar da telomerlerin ikilenmesi için gereklidir. Telomerazı diğer bu tip enzimlerden farklı kılan bir özelliği, kullandığı RNA kalbın kendi yapısının bir parçası olmasıdır.

Transkripsiyon, DNA-bağımlısı RNA polimeraz tarafından gerçekleştirilir, bu enzim DNA ipliğindeki diziyi RNA olarak kopyalar. Bir genin transkripsiyonu için RNA polimeraz, DNA üzerinde promotör adlı bir bölgeye bağlanır ve DNA ipliklerini ayrıştırır. Sonra genin dizisini bir RNA zinciri olarak kopyalar, ta ki terminatör (sonlayıcı, İng. 'terminator') adlı bir DNA bölgesine gelip orada durup DNA'dan kopana kadar. DNA bağımlı DNA polimeraz da olduğu gibi, RNA polimeraz II (ökaryotlardaki çoğu genin transkripsiyonun yapan enzim) de çeşitli düzenleyici ve yardımcı proteinlerden oluşmuş büyük bir protein kompleksinin parçası olarak çalışır.

Genetik Rekombinasyon

Genetik rekombinasyonda Holliday bağlantısı ara ürününün yapısı. Dört farklı DNA ipliği kırmızı, mavi, yeşil ve sarı olarak renklendirilmiştir.
Rekombinasyon iki kromozomun (M ve F) kesilip birleştirilmesi ile iki yeni kromozomun (C1 ve C2) meydana gelmesidir.
Bir DNA sarmalı genelde başka DNA parçaları ile etkileşmez, ve hatta insan hücrelerinde farklı kromozomlar çekirdekte farklı bölgelerde yer alırlar. Farklı kromozomların fiziksel olarak bu şekilde ayrı tutulması DNA'nın kararlı bir bilgi deposu olarak işlev görmesinde önemli bir rol oynar. Kromozomların birbiriyle etkileştiği zamanlar sadece rekombinasyona girdikleri krosover sırasındadır. Krosover sırasında iki DNA sarmalı kesilir, bir bölüm yer değiştirir ve kesik uçlar birleşir.
Rekombinasyon sayesinde kromozomlar arasında genetik bilgi takası olur ve yeni gen kombinasyonları meydan gelir, bunun doğal seleksiyonun verimini artırdığı ve yeni proteinlerin hızlı evrimleşmesinde önemli olduğu düşünülmektedir. Genetik rekombinasyon DNA tamiriyle de ilişkilidir, özellikle çift iplikli kırılmalara hücrenin tepkisinde.
Kromozom sarılmasının en yaygın şekli homolog rekombinasyondur, bunda iki kromozom birbirine çok benzer dizilere sahiptir. Non-homolog rekombinasyon hücreye zarar verici olabilir çünkü kromozomal translokasyon ve genetik anormalliklere yol açabilir. Rekombinasyon tepkimesi rekombinaz olarak adlandırılan enzimler (örneğin RAD51) tarafından katalizlenir. Rekombinasyonun ilk adımı çift iplikli bir kesik oluşturulmasıdır, bu ya bir endonükleaz ya da DNA hasarı sonucunda meydana gelir. Rekombinaz tarafından kısmen katalizlenen bir dizi adım sonucunda iki sarmal en az bir Holliday bağlantısı tarafından birleştirilir: her sarmalın bir ipliği, öbür sarmalda ona komplementer olan öbür iplik ile kaynaşır. Holliday kavşağı, tetrahedral bir yapıdır, bu şekilde birleşmiş iki kromozomda bir ipliğin bir diğeriyle yer değiştirmesiyle bu yapı kromozomlar boyunca ilerler. Rekombinasyon tepkimesi junction2ın kesilmesi ve serbest kalan DNA uçlarının tekrar birleşmesi ile son bulur.

DNA metabolizmasının evrimi

DNA'da bulunan genetik bilgi tüm modern canlıların işlev görmesine, yani büyümesi ve çoğalmasına olanak sağlar. Ancak, 4 milyar yıldır sürmekte olan yaşamın tarihçesi boyunca DNA'nın bu işlevi yerine getirdiği belli değildir, yaşamın en eski biçimlerinin kullanmış olduğu kalıtsal malzemenin RNA olduğu öne sürülmüştür. RNA, hem genetik bilgi aktarma hem de ribozimlerin parçası olarak katalizör özelliğine sahip olmasından dolayı ilk hücrelerin metabolizmasında merkezî bir rol oynamış olabilir. Nükleik asitlerin hem kalıtımda hem de katalizde rol oynadığı bu eski RNA dünyası, günümüz genetik kodunun dört nükleotit bazından oluşmuş şekilde evrimleşmesine etki etmiş olabilir. Bunun nedeni, bir canlıdaki bazların sayısının azlığının replikasyon verimini artıracağı ama bazların çokluğunun ise ribozimlerin katalitik verimini artıracağı, bu iki zıt etki ile kalıtsal bilgiyi kodlayan baz sayısının dört olarak dengelenmiş olabileceği öne sürülmüştür.
Ne var ki, eski genetik sistemler hakkında doğrudan delil mevcut değildir, çünkü çoğu fosillerden DNA elde edilmesi mümkün değildir. Bunun nedeni, çevre etkilerine maruz kalan DNA'nın bir milyon yıldan az süre dayanması ve çözelti içinde zamanla küçük parçalara yıkımıdır. Eski DNA'nın izole edilmiş olduğuna dair iddialar vardır, özellikle 250 milyon evvelden kalma bir tuz kristalı içinde canlı kalmış bir bakterinin izole edildiği iddia edilmiştir ama bu iddialar tartışmalıdır.

Teknolojide kullanım

Gen mühendisliği

Modern biyoloji ve biyokimyada rekombinant DNA teknolojisi yoğun bir şekilde kullanılır. Rekombinant DNA başka DNA parçalarından bir araya getirilmiş yapay bir DNA'dır. DNA parçaları, plazmit veya viral vektörler aracılığıyla canlıların içine transformasyon yoluyla sokulabilir. Bu yolla ortaya çıkan, genetik değişime uğramış canlılar kullanılarak rekombinant proteinler üretilebilir, bunlar tibbi araştırmalarda veya tarımda kullanılabilir.

Adli bilim

Adli bilimciler, bir suç mahalinde bulunmuş kan, meni, deri, tükürük veya saçta bulunan DNA'yı kullanarak bir failin kimliğini belirleyebilirler. Bu işleme genetik parmak izi çıkarma veya genetik profilleme denir. DNA profillemesinde, tekrarlı diziler (kısa tandem tekrar ve miniuydu) içeren DNA'nın değişken kısımlarının uzunlukları belirlenir, bunlar farklı insanlarda karşılaştırılır. Bu yöntem bir suçlunun tanınması için son derece güvenilir bir yöntemdir. Ancak, eğer suç mahaline birde fazla kişinin DNA'sı bulaşmışsa bu kimlik belirleme karmaşıklaşabilir. DNA profillemesi 1984'te Britanyalı genetikçi Sir Alec Jeffreys, tarafından geliştirilmiş ve adli bilimde ilk defa 1988'de Enderby cinayetleri için Colin Pitchfork'un suçlu bulnmasında kullanılmasında kullanılmıştır. Bazı tür suçları işlemiş kişiler bir veritabanında depolanmak amacıyla kendi DNA'larından bir örnek vermeye mecbur tutlabilirler. Bu sayede suç mahalinde bulunmuş DNA örneğinden başka elde hiçbir delil bulunmayan bazı eski vakalar çözülebilmiştir. DNA profillemesi katliam kurbanlarının kimliklerinin belirlenmesinde de kullanılmıştır.

Biyoenformatik

DNA dizilerinin bilgisayar aracılığıyla işlenmesi, aranması ve analizi, biyoenformatik bilminin konuları arasındadır. DNA dizilerinin depolanması ve aranması için yöntemlerin geliştirilmesi sayesinde bilgisayar bilimlerinde önemli ilerlemeler katedilmiştir, özelikle dizi arama algoritmaları, makine öğrenimi ve veritabanı teorisi konularında. Dizi arama ve eşlendirme algoritmaları harflerden oluşan uzun diziler içinde daha kısa harf dizilerinin bulunmasıyla ilgilidir, bunlar belli nükleotit dizilerinin bulunması için geliştirilmiştir. Yazı editörü programlarının kullandığı algoritmalar DNA dizileri durumunda son derece verimsiz çalışırlar, DNA dizilerini oluşturan farklı karakterlerin küçük sayısından dolayı. Bununla ilişkili olan dizi hizalama problemi ise benzer dizileri bulmayı ve bunları birbirinden faklı kılan mutasyonları tanımlamayı amaçlar. Bu teknikler, özellikle çoklu dizi hizalaması, filogenetik ilişki ve protein işlevi araştırmalarında kullanılır. Bir genomun tamamına karşılık gelen DNA dizilerinin kullanılması için bu dizilerin üzerinde genlerin ve onların düzenleyici elemanlarının yerlerinin kaydedilmesi (İng. annotation) gerekmektedir. DNA dizilerinde protein veya RNA kodlayıcı genlerin özelliklerine sahip bölgelerin tanınması, gen bulma algoritmaları sayesinde mümkündür, bunlar sayesinde bilim adamları bir genin ürününü önceden tahmin edebilirler, bu ürün laboratuvarda daha saflaştırılmadan.

DNA nanoteknolojisi

Solda şematik gösterilen DNA yapısı, atom güç mikroskobu ile sağda görüntülenen yapıyı kendi kendine oluşturacaktır. DNA naonteknolojisi, DNA'nın moleküler tanıma özelliklerini kullanarak nanometre boyutlarında yapılar tasarlamayı amaçlayan bilim dalıdır.
DNA nanoteknolojisi DNA'ya has moleküler tanıma özelliklerini kullanarak faydalı özelliklere sahip, kendi kendini oluşturan, dallı DNA komplksleri imal eder. DNA böylede biyolojik bilgi taşımak için değil, yapısal bir malzeme olarak kullanılır. Bu yolla iki boyutlu periyodik dizilimler ve polihedral şekilli üç boyutlu yapılar yaratılmıştır. Nanomekanik araçlar ve algoritmik olarak oluşan yapılar da gösterilmiş, bu DNA yapıları ile başka moleküllerin (altın nano tanecikleri ve streptavidin proteinlerinin) düzenlenmesi sağlanabilmiştir.

Tarih ve antropoloji

Zaman içinde DNA'da biriken mutasyonlar sonra kalıtsal olarak aktarıldığı için, taşıdığı bilgi bir anlamda tarihseldir. Genetikçiler DNA dizlerini karşılaştırarak bir canlının evrimsel tarihi yani onun filogenetiği hakında çıkarımlar yapabilirler. Filogenetik sahası evimsel biyolojide güçlü bir araçtır. Bir türün bireylerine ait DNA dizileri karşılaştırıldığında topluluk genetikçileri o topluluğun tarihine dair bilgiler edinebilirler. Ekoloji genetiğinden antropolojiye kadar uzanan çeşitli sahalarda bu bilgilerden yararlanılabilir. Örneğin, tevratta söz konusu olan İsrail'in on kayıp kavmi, DNA bulguları ile tanımlanmaktadır.
DNA ayrıca aile ilişkilerini belirlemek için kullanılmıştır, örneğin Amerikan başkanlarından Thomas Jefferson'un kölesi Sally Hemings'in soyundan kişiler ile Jefferson arasında akrabalık olduğunun kanıtlanmasında. Bu amaçlı kullanım, yukarda değinilen suç tahkikatlarında DNA'nın kullanılmasına benzerdir. Nitekim, bazı tahkikatların çözümlenmesi, suç mahalinde bulunan DNA'nın suçlunun akrabalarının DNA'sıyla uyuşması sayesinde olmuştur.

DNA araştırmasının tarihçesi

DNA ilk İsviçreli hekim Friedrich Miescher tarafından saflaştırılmıştır, kendisi 1869'da atık cerrahi pansumanlardaki irin içinde mikroskopik bir madde keşfetmiştir. Hücre çekirdeklerinde (nükleus) bulunduğu için ona "nüklein" adını vermiştir. 1919'da Phoebus Levene, nükleotit birimleri oluşturan baz, şeker ve fosfatı tanımlanmıştır. Levene DNA'nın, birbirine fosfat grupları ile bağlı olan nükleotit birimlerden oluşan bir zincir olduğunu öne sürmüştür. Ancak, Levene, bu zincirin kısa olduğunu ve bazları kendini tekrar eden bir sıralamaya sahip olduğunu düşünmüştür. 1937'de William Astbury DNA'nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösteren ilk X ışını difraksiyon görüntülerini elde etti.
1928'de Frederick Griffith, Pnömokok bakterisinin "düz" şeklini belirleyen özelliğin "buruşuk" şekilli Pnömokok bakterilere aktarılmasının mümkün olduğunu, bunun için ölü "düz" bakterilerin canlı "buruşuk" bakterilerle karıştırılmasının yettiğini gösterdi. Bu deneysel sistem kullanarak Oswald Avery ve arkadaşları Colin MacLeod ve Maclyn McCarty 1943'de değiştirici etmenin DNA olduğunu gösterdiler. 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından Hershey-Chase deneyinde T2 fajının genetik malzemesinin DNA olduğunu göstererek DNA kalıtımdaki rolü teyid ettiler.

1953'te Rosalind Franklin tarafından elde edilmiş X-ışını kırınım görüntülerine dayanarak ve bazların eşlendiği bilgisini kullanarak, James D. Watson ve Francis Crick DNA'nın bugün kabul görmüş yapısını ilk defa öne sürdüler. Watson ve Crick'in modelini destekleyen deneysel veriler Nature dergisinin aynı sayısında 5 ek makale olarak yayımlandı. Bunlardan Franklin ve Raymond Gosling'in makalesi, Watson ve Crick'in modelini destekleyen ilk X ışını kırınım verisi yayınıydı, derginin bu sayısında ayrıca Maurice Wilkins ve çalışma arkadaşları tarafından DNA yapısı hakkında bir makale de vardı. 1962'de Franklin'in ölümünün ardından, Watson, Crick ve Wilkins beraberce Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülünü aldılar. Ancak, bu keşfin kime ait olduğuna dair tartışma sürmektedir.
Crick, 1957'de yaptığı etkili bir sunumda, moleküler biyolojinin "Temel Dogması"nı ortaya koyarak DNA, RNA ve proteinler arasındaki ilişkiyi, bu konuda kanıtlar henüz tamamen toplanmadan, özetledi, ayrıca "adaptör hipotezi"ni dile getirdi. Çift sarmallı yapının ima ettiği kopyalama mekanizmasının teyidi, 1958'de yayımlanan Meselson-Stahl deneyi ile edildi.Crick ve arkadaşları tarafından yapılan diğer çalışmalar genetik kodun, kodon olarak adlandırılan, örtüşmeyen baz üçlülerinden oluştuğunu gösterdi, bu sayede Har Gobind Khorana, Robert W. Holley ve Marshall Warren Nirenberg genetik kodu çözdüler. Bu keşifler moleküler biyolojinin doğumuna karşılık gelir.

DNA Sarmalının Kimyasal Yapısı

DNA (Deoksiribo Nükleik Asit); karbon, hidrojen, oksijen, azot, fosfat atomlarından oluşan ve hücrenin bütün hayati fonksiyonlarında rol alan dev bir moleküldür. İnsana ait bir DNA molekülünde bu atomlardan milyarlarca bulunur (Walter L. Starkey, The Cambrian Explosion, WLS Publishing, Ohio, 1999, s. 155. ) ve her insanda kişinin kendisine özel bir biçimde düzenlenmiştir. DNA, bu molekülün kimyasal yapısını ifade eden deoksiribo ( D ), nükleik ( N ), asit ( A ) kelimelerinin kısa yazılımıdır.

Her insan hücresinin çekirdeğindeki DNA molekülü, 5 mikron (mikron: milimetrenin binde biri) çapında, minik bir top halinde sarılı duran "nükleik asit"ten oluşur. ( Michael J. Denton, Nature's Destiny, Free Press, New York, 1998, s. 149. ) Nükleik asitler, vücudumuzun sadece %2'sini oluşturan ancak son derece önemli bileşiklerdir. Nükleik asitlerin temel yapı birimi ise "nükleotid"lerdir. Nükleotidlerden 6.000.000.000 (milyar) kadarı kimyasal olarak çifte sarmal şeklinde birleşerek DNA'yı meydana getirirler. (Walter L. Starkey, The Cambrian Explosion, WLS Publishing, Ohio, 1999, s. 41.)

Sarmal şeklinde bir merdiven yapısına sahip olan DNA molekülü, bilim adamlarını şaşırtan bir mimari düzene sahiptir. Merdivenin yan tarafları, farklı türdeki "şeker" ve "fosfat"tan oluşan DNA molekülünün omurgasıdır. Basamaklar ise "baz" adı verilen ve birbirine bağlanan dört kimyasal madde çiftinden meydana gelmektedir: Adenin, timin, sitozin ve guanin. Bazlar karbon, oksijen, hidrojen ve nitrojen içeren 12 ila 16 atomdan meydana gelen moleküllerdir. (Lee M. Spetner, Not By Chance, Shattering The Modern Theory of Evolution, The Judaica Press Inc., 1997, s. 213. ) Bu kimyasallar da DNA sarmalı üzerinde özel bir dizilime sahiptir. Bunların dizilimi sadece iki türde eşleşme ile mümkündür: Adenin ( A ) daima timinle ( T ) ve sitozin ( C ) daima guaninle ( G ) bağlanmaktadır. (The Incredible Machine, National Geographic Society, Washington DC., 1986, s. 43.)

Bilim adamları DNA'yı oluşturan atomların, nükleotidleri meydana getirmek üzere nasıl özel bir dizilimle birleştiklerini tespit etmişlerdir. Ancak canlılığın yapıtaşlarının yapısını bilmekle, bunları meydana getirmek bir değildir. Nitekim bilim adamları ellerinde doğru malzemeler -atomlar ve bunları biraraya getirecek teknoloji- olmasına karşın, hiçbir şekilde canlılığın DNA molekülünü oluşturamamaktadırlar.

Yukarıda da ifade ettiğimiz gibi atomların diziliminde özel bir yaratılış görülür. Her bir nükleotid içerisinde yaklaşık 34 atom bulunmaktadır. DNA'da toplam 6 milyar nükleotid olduğuna göre, (34 x 6.000.000.000) 204 milyar atomun DNA molekülünü oluşturmak için kimyasal olarak birleşmesi gereklidir. ( Walter L. Starkey, The Cambrian Explosion, WLS Publishing, Ohio, 1999, s. 41.)

Eğer bir saniyede bir atom üzerinde işlem yapabilseydiniz ve günde 8 saat, yılda 350 gün çalışabilseydiniz, sadece tek bir DNA molekülünü üretmeniz 20.000 yıldan daha fazla sürecekti. (Walter L. Starkey, The Cambrian Explosion, WLS Publishing, Ohio, 1999, s. 41. ) Akıl sahibi bir insan bile bunu yapamazken, DNA molekülünün, tesadüfler sonucu kendi kendine oluştuğu nasıl düşünülebilir? Elbette ki bu imkansız bir durumdur. Ayrıca kitap boyunca hatırda tutulması gereken bir nokta da, DNA molekülleri olmaksızın canlıların yaşamasının mümkün olmadığıdır. Hatta DNA'nın yapısında meydana gelen en ufak bir yanlış dahi ciddi sonuçlar doğurmaktadır. Tanınmış bilim yazarı Richard Milton durumu şöyle anlatmaktadır:

... her bir nükleozitin [nükleotidin fosfat bağlanmamış hali] doğru sırada "yazılması" ve DNA molekülü içinde tam olarak doğru yerde bulunması gerekir ve daha önce tanımlandığı gibi, insanlar, hayvanlar ve bitkilerdeki başlıca işlev bozukluklarına tek bir DNA molekülü, ya da o molekül içindeki tek bir nükleozitin yokluğu ya da yanlış yerleştirilmesi neden olmaktadır. (Richard Milton, Son Tartışmalar Işığında Darwinizm'in Mitleri, Gelenek Yayıncılık, Eylül 2003, çev: İbrahim Kapaklıkaya, s. 208.)

DNA şeridinde bulunan her baz dizilimi -adenin, timin, sitozin ve guanin nükleotidlerinin dizilimi- hücre çekirdeğindeki genetik metni oluşturur ve hayati öneme sahip proteinleri inşa etmek için ihtiyaç duyulan bilgiyi içerir. Bu bakımdan DNA'nın bir yandan düzenli yapısını korurken, bir yandan da bilgi çeşitliliğine izin verecek bir dizilime sahip olması, son derece dikkat çekici bir durumdur.

DNA Şeridi Bobinler Üzerine Sarılıdır

İnsan hücrelerinde bulunan tek bir DNA şeridi yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşmuştur ve yaklaşık iki metre uzunluğundadır. Bu büyüklükte iki zincirin küçültülüp, gözle görülemeyecek boyutlara indirilmesi gerekmektedir. Uzun bir ipin makara üzerine sarılmasına benzer şekilde, DNA da hücre içinde benzer bir mekanizma ile paketlenerek çekirdeğin içine yerleşmiştir. DNA şeridi, "nükleozom"lar halinde bobinlere sarılarak paketlenir ve kromozomları oluşturur. Burada bobin görevini ise "histon" denilen proteinler üstlenirler.

Spor Yapmak DNA’yı Etkiliyor / Egzersiz Yapmak Metabolik Genlerdeki Metil Gruplarında Değişikliğe Yol Açıyor

Cell Metabolism dergisinde yayınlanan çalışmada DNA`daki metil gruplarının değişiminin sadece egzersiz yapmakla değil gün içerisinde çeşitli aktivitelerle de değiştiği vurgulanıyor. Örneğin, yüksek dozdaki kafein`in egzersiz yaparken metabolik genlerde oluşan değişikliğe benzer değişikliklere yol açtığı gözlemlenmiş.

DNA`daki metil grubu değişiklikleri, protein sentezini önemli ölçüde etkilemekte. Stockhlom Karaloniska Enstitusunde Juleen Zierath ve çalışma arkadaşları egzersiz sonrası kaslardan alınan biyopsi örneklerini incelediklerinde, enerji metabolizmasından sorumlu olan genlerin( PGC-1α, PPAR-δ ve PDK4 )demetilasyona uğradıklarını, metabolizma ile alakalı olmayan genlerin ise metile halde kaldıklarını gözlemlediler. Ayrıca, gen demetilasyonlarının yapılan egzersizin yoğunluğuna göre arttığını da Juleen ve ekibi çalışmalarında rapor etmişler.

Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, California`da Moleküler biyolog olan Ronald Evans; Juleen ve ekibinin yapmış olduğu bu çalışmanın, kas hücreleri veya yağ hücreleri gibi yetişkin hücrelerle farklılaşmış hücrelerde genellikle metilasyonun sabit kaldığı kanısını da değiştirdiğini düşünüyor.

Zierath, DNA`nın özellikle promotor bölgesindeki yoğun metilasyonların gen ekspresyonlarında kontrol düğmesi gibi rol aldığını ve doğal olarak protein sentezini etkilediklerini ifade ediyor. Bu yaptıkları çalışmada da enerji metabolizmasından sorumlu genlerin ekspresyonlarının artığını ama halen bunların nasıl oluyor da demetilasyona uğradıklarını tam olarak aydınlatamadıklarını belirtiyor.Buna benzer şekilde gün içerisinde fazla alınan kafeinin de kas hücrelerinde bulunan sakroplazmik retikulumdan kalsiyum salınmasına neden olduğu ve muhtemelen bu kalsiyumunda hücredeki demetilasyon yollarını etkilediği düşünülüyor.

DNA İlk Kez Doğrudan Fotoğraflandı

DNA’nın iki zincirden oluşan modeli 1953 yılında kabul edilmişti. Bilim insanları James Watson ve Francis Crick’in sunduğu bu modelin kabul edilmesinnde 59 yıl sonra, 'yaşamın kendisi'ni oluşturan zincirlere ait ilk doğrudan fotoğraf çekildi. Bilinen tüm canlı organizmaların gelişim ve yaşamsal fonksiyonlarının temelinde yatan bilgileri içeren DNA zincirleri, ilk kez doğrudan fotoğraflandı. İtalya’nın Magna Graecia Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Enzo Di Fabrizio, elektron mikroskobu kullanarak DNA’yı fotoğrafladı.

Bilim insanları, Di Fabrizio’nun elde ettiği başarının öncesinde, DNA’nın yapısını dolaylı olarak gözlemlemişti. Çift sarmal şeklindeki DNA yapısı, ilk olarak X-ray kristallografisi adı verilen yöntemle tespit edilmişti. Bu yöntemde, X-ray ışınlarının çarpmasının ardından nasıl yansıdığına bakılarak materyalin şekli çıkarılıyor.

Doğal Yapısı da Görüntülenecek

NanoLetters dergisinde yayımlanan çalışmada, Di Fabrizio ve meslektaşları, DNA’nın saklı görüntüsünü ortaya çıkaracak yeni bir yönten geliştirerek, nano ölçekte su geçirmeyen silikon sütunlar inşa etti. Ardından silikona DNA zincirleri içeren bir solusyon döküldü. Su, hızla buharlaştı ve geride gerilmiş ip gibi duran DNA zincirleri kaldı.

İtalyan bilim insanı, daha sonra silikon yatağındaki deliklerden elektron ışınları gönderdi ve moleküllerin yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde etti. Görüntüleri elde edilen DNA zincirleri, bir çift sarmalın aksine, birbirine düğümlenmiş çok sayıda kordon gibi belirdi. Bunun nedeni olarak, elektron ışınlarının bir çift sarmalı veya tek bir sarmalı yok edebilecek güçte olması gösterildi.

New Scientist’e konuşan Di Fabrizio, daha hassas bir donanım kullanarak, düşük enerjili elektonlarlar aydınlatma sağlayabileceklerini, böylece DNA’nın doğal yapısını bozmadan görebileceklerini ifade etti.Elde edilen başarı, bir gün DNA’nın (Deoksiribo Nükleik Asit) RNA’lar gibi diğer önemli yaşam bloklarıyla olan etkileşimini çok daha iyi gözlemlemeyi sağlayabilir.

DNA HESAPLAMASI

Örnek: Bir DNA molekülünde 3000 nükleotid vardır. DNA’ daki Adenin = 400 ise;
a) Sitozin sayısı kaçtır?
b) Toplam Hidrojen bağ sayısı kaçtır?
Çözümü: DNA molekülü çizilir ve verilen değerler yerlerine yazılır.
a)
A = T = 400
Her zincirde 1500 nükleotid olduğundan; 1500 nükleotidten, Timin sayısını çıkardığımızda;
sitozin sayısı bulunur.
1500 – 400 = 1100 Sitozin


b) Adenin ile Timin arasında: 2, guanin ile Sitozin arasında: 3 Hidrojen bağı bulunduğundan;
400 x 2 + 1100 x 3 = 4100 Hidrojen bağı vardır.


Örnek: Bir DNA molekülünde 6800 Hidrojen bağı vardır. Sitozin = 1200 ise
a) Adenin sayısı kaçtır?
b) Toplam Deoksiriboz sayısı kaçtır?
Çözümü: DNA molekülü çizilir ve verilen değerlerden, sitozin nükleotidi sayısı yerine yazılır.
a)
Guanin ile sitozin arasında: 3 Hidrojen bağı bulunduğundan; Guanin ile Sitozin arasında toplam:
1200 x 3 = 3600 Hidrojen bağı vardır.

Toplam Hidrojen bağından, 3600’ ü çıkardığımızda;
Adenin ve Timin arasındaki toplam Hidrojen bağ sayısını: 3200 buluruz.
3200' ü, 2' ye böldüğümüzde; Adenin sayısını: 1600 buluruz.

b) Nükleotid sayıları, DNA molekülü üzerinde yazıldığında; toplam nükleotid sayısı: 5600 bulunur.

Nükleotit sayısı = Deoksiriboz sayısı = 5600

Örnek: Bir DNA molekülünde 4300 Hidrojen bağı vardır. Timin = 800 ise;
a) Sitozin sayısı kaçtır?
b) Toplam fosfat sayısı kaçtır?
Çözümü: DNA molekülü çizilir ve verilen değerlerden Timin nükleotidi sayısı yerine yazılır.
a)
Adenin ile Timin arasında: 2 hidrojen bağı bulunduğundan; Adenin ile Timin arasında toplam,
800 x 2 = 1600 Hidrojen bağı vardır.

Toplam hidrojen bağından, 1600’ ü çıkardığımızda;
Guanin ile Sitozin arasındaki toplam hidrojen bağ sayısını: 2700 buluruz.
2700' ü, 3' e böldüğümüzde; Sitozin sayısını: 900 buluruz.

b) Nükleotid sayıları DNA molekülü üzerinde yazıldığımızda; toplam nükleotid sayısı: 3400 bulunur.

Nükleotit sayısı = Fosfat sayısı = 3400

Örnek: Bir DNA molekülün birinci zincirinde; Adenin = 400, Guanin = 600’ dür. DNA molekülünün ikinci zincirinde ise Adenin = 500, Guanin = 100’ dür.
a) Toplam Sitozin kaçtır?
b) Toplam Hidrojen bağ sayısı kaçtır?
Çözümü: DNA molekülün birinci ve ikinci zincirindeki nükleotidler ayrı ayrı verildiğinden; her zincirdeki nükleotikler ayrı ayrı gösterilir ve verilen değerler yerine yazılır.
a)
Daha sonra, karşılıklı nükleotidler arasındaki eşitlikler yerlerine yazılır.

Birinci ve ikinci DNA zincirlerindeki sitozin toplamı: 100 + 600 = 700’ dür.

b) Toplam hidrojen bağ sayısını bulmak için, DNA molekülündeki toplam nükleotidler, yerlerine yazılarak
daha kolay hesaplanabilir.

Toplam nükleotidler, yerine yazıldıktan sonra; Adenin ile Timin arasında: 2 , Guanin ile Sitozin arasında;
3 Hidrojen bağı olduğundan;

900 x 2 + 700 x 3 = 3900 Hidrojen bağı vardır.


Örnek: Bir DNA molekülünde toplam 8000 nükleotid vardır. DNA’ daki
ise Sitozin sayısı kaçtır?

Çözümü: DNA molekülü çizilir ve nükleotidler yerlerine yazılır.


olduğundan; Adenin nükleotidine: X değerini verirsek; Guanin değeri: 4X olur.
Bu değerleri, DNA molekülü üzerine yazdığımızda; DNA’ nın bir zincirinde toplam: 5X nükleotid olduğunu görürüz.

Eşitlikleri yerine yazdığımızda X = 1000 buluruz. Sitozin sayısı: 4X olduğundan;
4 x 1000 = 4000 Sitozin nükleotidi vardır.

Örnek: Bir DNA molekülünde toplam 1000 Nükleotid vardır. DNA kendini 3 kez eşleyebilmesi için, ortamdan kaç nükleotid alması gerekir?

Çözümü:
formülü kullandığımızda;
eşleme sonunda ortamda bulunur.
Başlangıçta elimizde; 1 DNA molekülü vardı. 7 yeni DNA molekülü ürettik.
7 DNA x 1000 = 7000 Nükleotidin ortamdan alınması gerekir.

DNA, DEZOKSİRİBONÜKLEİK ASİTin kısaltması.

DNA’yı oluşturan her bir nükleotitte azotlu organik baz, beş karbonlu deoksiriboz şekeri ve fosfat grubu bulunur. Baz ile şeker arasında glikozit bağı, şekerle fosfat arasında ester bağı bulunur.

DNA'nın yapısı.

DNA’nın yapısı 1953’te F. Crick ve J. D. VVatson tarafından kesinlikle ortaya kondu. DNA, kuramsal olarak sonsuz uzunlukta ve sarmal olarak birbirine dolanmış yan yana iki molekül zinciridir. Bu zincir, hayali bir eksene sarılı bir ip merdivene benzetilebilir. Merdivenin kolları düzgün ardışık sırayla dizili bir şeker molekülü (dezoksiriboz) ile bir fosforlu molekülden oluşur. Merdivenin basamakları kollardaki şeker moleküllerine bağlıdır. Basamaklar tam ortada gevşek bir hidrojen bağıyla birbirine bağlanmış biri pürik, öteki pirimidik olan iki bazdanluğuna nükleotit denir. DNA molekülündeki sarmallık sağa doğrudur; her on çift nükleotitte tam bir t„ur tamamlanır; hepsinde tur aralığı 34 A , nükleotitler araosı uzaklık 3,4 Â , molekül genişliği 25 A 'dur.

DNA hücreyi yöneten moleküllerdir. Türe ve canlıya özgü olan bütün kalıtsal bilgiler DNA da gizlidir.
DNA’nın yapısında kalıtsal özellikleri taşıyan genler bulunur.
DNA’nın en küçük yapı birimine nükleotit denir.
Nükleotitler DNA`nın temel yapı birimleridir. Bir nükleotidin yapısında aşağıdaki gibi fosfat, seker ve organik baz bulunur.

Organik bazlar adenin (A), timin (T), sitozin (C) ve guanin (G)`dir. Nükleotidler hangi organik bazı içeriyorlarsa o bazın ismiyle adlandırılırlar.

• Nükleotitin yapısında bulunan şeker 5 karbonlu olup Deoksiriboz şekeridir.
• Fosfatlar DNA ya asitsi özelliği kazandırırlar.
• Nükleik asitler iki çeşittir. DNA ve RNA dır.
• Her bir Nükleik asidin (DNA) yapısındaki 4 çeşit nükleotidin farklı sıra , miktar ve farklı kullanımı sonucu farklı kalıtsal şifrelere sahip nükleik asitler (DNA) oluşur.

Nükleotit, gen, DNA, kromozom, çekirdek, hücre, doku, organ, sistem, canlı..... basitten karmaşığa doğru sıralanışı bu şekilde olmaktadır.
Nükleotitler (fosforik asit, deoksiriboz pürik ya da pirimidik bazlar) DNA'nın temel yapı taşlarıdır. Nükleotitlerin özelliklerini pentozlarının (d-2-deoksiriboz) ve azotlu pürik bazları (adenin ve guanin) ile azotlu pirimidik bazlarının (sitozin ve timin) cinsi belirler; bununla birlikte sitozin, faj'larda ve üstün yapılı bitkilerde 5 konumda metillenmiş olabilir. DNA’larda, komşu nükleotitlerin pentoz molekülleri, dezoksiribonükleaz denen özgül fosfodi- esterazlarla hidrolizlenmiş fosforlu diester bağlarıyla birleştirilmiştir; bu nedenle DNA’lar hidrojen köprüleriyle ikişer ikişer birleşmiş nükleotitlerden oluşan ve aynı eksen çevresinde helis biçiminde kıvrılan uzun polinükleotit zincirleri oluşturur. Birleşik iki zinciri heliste bir arada tutan hidrojen köprüleri, bir nükleotitteki oksijenli bazın, öbür nükleotitteki azotlu bazla eşleşmesinden ya da ona bağlanmasından doğar (adenin-timin ya da guanin-sitozin gibi). Hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanan iki polinükleotit zinciri, tıpkı basit organik cisimlerde olduğu gibi, belli bir çözülme sıcaklığında birbirinden ayrılabilir; erime sıcaklığı denen bu sıcaklık her DNA’da başkadır. Çok iyi belirlenmiş koşullarda, çözülerek ayrılmış iki DNA zinciri (ya da parçası) ya da bir DNA parçasıyla bir ribonükleik asit parçası ya da RNA yeniden birleştirilebilir; böylece örneğin, RNA-polimeraz enzimi aracılığıyla bireşimi sağlanan bir RNA ve DNA parça melezi elde edilir. Sarmal zincirlerin iki ucu genellikle açıktır ve bunlar bazen o kadar uzun bir iplik meydana getirirler ki, açıldıklarrnda uzunlukları iki santimetreyi bulur (insan kromozomu DNA’sı); ama DNA’lar özellikle fajlarda ve bakterilerde halka biçiminde kapalı da olabilirler.
DNA zincirleri, art arda yinelenen 4 nükleotitlik bölütler içerir; bunlardaki azotlu bazlar bir çeşit genetik alfabe oluşturur. Moleküllerinin boyu çok büyük olduğundan DNA’ların ince yapısı ancak kısmen bilinmektedir. DNA’ların çeşitliliği, özellikle içerdikleri tetranükleotit birimlerinin zincirler üzerindeki dağılımına dayanır ve kimi durumlarda (kanser) birimlere normal azotlu bazlardan değişik bazlar katılır (pürik ya da pirimidik halkanın H’si yerine -CH3 gibi organik bir kökün girmesi). Zincirlerin uzunluğu göz önüne alındığında bu düzendeki farklılıklar nedeniyle pek çok DNA çeşidi bulunabileceği kolayca anlaşılır Çoğunlukla DNA moleküllerinin boyu bugün bilinen biyolojik yüksek polimerlerin tümünün boyunu geçer. DNA'ların molekül ağırlığı bakterilerde genellikle 20 000 000’a yakındır; fazlarda 1 000 000 ile 350 000 000 arasında, memelilerin kromozomlarında 20 000 000 ile 2 000 000 000 arasındadır.
DNA'nın yeri. DNA'lar virüslerle fajların etkin bölümünü oluşturur; bunların en iyi bilinenlerinde bu cisimlerden bir tek molekül bulunur. Çekirdekli hücrelerde DNA' lar kromozomlarda ve mitokondrilerde yer alır. Kromozomlarda bunların birçoğu bir arada bulunur ve her biri bağımsız bir genom birimi oluşturur (her birim biyolojik açıdan bir gen anlamına gelir) Fajların ve virüslerin DNA'ları bunlara eşlik eden proteinlerden bağımsızdır; proteinler onların sadece kılıfını oluşturur; ayrıca bu prote inler bakterilere girmez ve fajların girdiği hücrelerin içinde de çoğalmaz. Kromozomların ve mitokondrilerin DNA’ları bazlı proteinlerle, genel olarak histonlarla birlikte bulunur, onlarla birlikte nükleoproteitleri oluşturur.

DNA’nın Özellikleri

• Çift zincirlidir.
• Spiral şeklindedir.
• Çekirdek, mitekondri ve kloroplastta bulunur.
• Adenin, guanin, sitozin ve timin bazlarını içerir.
• Deoksiriboz şekeri bulunur.
• Yöneticidir ve hücre bölünmesinden sorumludur.
• Kendini eşleyebilir.
• Üzerinde genetik kodların nesilden nesile geçmesini sağlar
• Hücrenin yönetim merkezi çekirdektir.
• Çekirdekte kromotin iplikler hücre bölünmesi sırasında kısalıp kalınlaşarak kromozomları oluşturur.
• Kromozomlar DNA moleküllerinin özel proteinlerle birleşmesiyle oluşur. (Kromozom : DNA +Özel proteinler)
• Hücrenin her türlü faaliyetleri DNA tarafından yapılır. Büyüme ,gelişme protein sentezi ve bölünmeyi yönetir.
• DNA üzerinde kalıtsal bilgileri taşır ve nesillere aktarılır.
• Gen, herhangi bir karakterin oluşumunda rol oynayan DNA parçasıdır. DNA'da kalıtsal bilgiler genler tarafından taşınır.
• DNA'nın yapı birimine nükleotit ; görev birimine ise gen denir.

DNA’nın Şekli

DNA çift zincirli spiral şeklindedir.

DNA`da, nükleotidler bir iplik oluşturacak şekilde bir araya gelirler. Bu iplikte her zaman adeninin karşısına timin, sitozinin karsısına guanin nükleotiti gelir.
DNA, iki iplikten veya zincirdenoluşur. Üstteki şekilde görüldüğü gibi birbirinin etrafında dolanan bu iplikler, DNA`nın bükülmüş bir merdiven gibi görünmesine sebep olur.

• DNA da Guanin nükleotit ile Sitozin nükleotit arasında 3 adet hidrojen bağı vardır.
• DNA da Adenin nükleotit ile Timin nükleotit arasında 2 adet hidrojen bağı vardır.

Bu Hidrojen bağları ile bağlanmış yapıya ikili sarmal olarak adlandırılır. Bu iki zincirin birleşmesi ile DNA oluşur.
Çevremize baktığımızda canlıların birbirlerinden ve diğer canlı türlerinden farklı olduğunu görüyoruz. Bir insanin, tırtılın, domatesin, hidranın; kısacası bütün canlıların her birinin hücrelerindeki yönetici molekül DNA`dır.

DNA’nın Kendini Eşlemesi

Hücrenin çoğalmasını çekirdekte bulunan DNA lar kontrol eder. Hücrenin bölünmesi öncesinde hücredeki DNA molekülü miktarı iki katına çıkar. Bu olaya DNA’nın kendini eşlemesi denir.

DNA`nin kendisini nasıl eslediği üstteki şekilde görülmektedir.

• İlk önce DNA’nın iki zinciri bir uçtan itibaren fermuar gibi açılıp birbirinden ayrılmaya başlar.
• Sitoplazmadaki serbest olan nükleotitler açıkta olan bazların uçlarına uygun olarak bağlanır.
• Eşleme sırasında Adeninin(A) karşısına her zaman Timin(T), guaninin(G) karşısına her zaman Sitozin(C) gelir.
• Nükleotit eşlemeleri bittiğinde birbirinin tıpatıp aynısı olan iki yeni DNA oluşmuş olur.
• DNA molekülünde her zaman Adenin sayısı Timin sayısına, Guanin sayısı Sitozin sayısına eşittir.
• A=T, G=S DNA= A+T+G+S
• DNA kendini eşlerken her zaman A karşısına T, G’nin karşısına C gelir. Bir DNA molekülündeki Nükleotit sayısı kadar şeker bulunur.
• Bir DNA molekülündeki nükleotit sayısı kadar fosfat bulunur.

DNA kendini eşlerken önce

• DNA`nın iki ipliği bir enzim yardımı ile birbirinden ayrılır. Aralardaki hidrojen bağları kopar.
• Daha sonra sitoplazmada serbest halde bulunan nükleotidler çekirdeğin içerisine girer ve DNA`nın açılan kısmındaki nükleotidlerle eşleşir.
• Bu esleşme sırasında, adenin nükleotitin karsısına timin nükleotit, sitozin nükleotitin karsısına da guanin nükleotit gelir.
• Sonuçta başlangıçtaki DNA molekülünün aynisi olan bir DNA molekülü daha oluşur.

DNA, hücre bölünmesi sırasında kendini eşleyerek yapısında bulunan bilgilerin yeni oluşacak yavru hücrelere geçmesini sağlar. Bütün canlılarda DNA molekülü adenin, timin, sitozin ve guanin bazlarından oluşmasına rağmen nükleotitlerin sayısında ve dizilisindeki farklılıklar canlıların birbirinden farklı olmasını sağlar.

Kromozomlar DNA`ları, DNAlar da genetik özellikleri belirleyen genleri taşır. Genler ise nükleotidlerden oluşur.
Tahtaya yazılan bilgileri defterimize geçirirken bazı hatalar yapabiliriz. Benzer şekilde DNA molekülü de kendisini eslerken hatalar oluşabilir.

DNA hesaplanması

• DNA molekülünde her zaman Adenin sayısı Timin sayısına, Guanin sayısı Sitozin sayısına eşittir.

A=T, G=S DNA = A+T+G+C
Soru: 1200 nükleotitli bir DNA molekülünde 400 tane Timin var ise kaç tane guanin vardır?
Çözüm:
DNA molekülü 1200 nükleotitli
T = 400 ise A = 400 dür (A = T)
DNA = A + T + G + C
1200 = 400 + 400 + G + C
G + C = 1200-800
G + C = 400
G = C olduğundan 400/2 = 200 Guanin nükleotidi vardır

• A ile T arasında 2’li zayıf hidrojen bağı (A=T), G ile C arasında ise 3’lü zayıf hidrojen bağı (G≡C) vardır.

Soru: Bir DNA molekülünde 200 A, 300 G vardır. Bu DNA molekülünde kaç tane zayıf hidrojen bağı vardır?
Çözüm:
A = T -----200x2 = 400 ( A ile T arasındaki Hidrojen bağı)
G = C------300x3 = 900 (G ile C arasındaki Hidrojen bağı)
400 + 900 = 1300 tane zayıf hidrojen bağı vardır.

Mutasyon

DNA dizilimindeki bu değişiklik, farklı genetik özelliklerin ortaya çıkmasına sebep olabilir. Bazen, hücre bölünmesi sırasında kromozomların sayısında artma ya da azalma şeklinde değişiklikler de olabilir. DNA dizilimindeki ve kromozomlardaki değişiklikler mutasyon olarak adlandırılır.
Radyasyon , bazı kimyasal maddeler , ilaçlar ve güneş ışığı mutasyona sebep olabilir: Örneğin, gebelik döneminin ilk aylarında röntgen filmi çektirmek bebekte mutasyona, dolayısıyla gelişim bozukluklarına sebep olabilir.
Mutasyonlar,

• Hem vücut hem de üreme hücrelerinde oluşabilir.
• Üreme hücrelerinde görülen mutasyonlar dölden döle geçme özelliğine sahiptir.
• Vücut hücrelerinde görülen mutasyonlar ise ancak eşeysiz üreme gösteren canlılarda dölden döle geçebilir.
• Mutasyonların etkileri olumlu veya olumsuz olabilir. Örneğin bitki üreme hücrelerinde görülen mutasyon sonucu bitkilerin büyüklüğü ya da tohumlarının sayısında değişiklik oluşabilir.
• Diğer taraftan zararlı mutasyonlar da vardır. insanların genlerinde meydana gelen bazı mutasyonlar farklı hastalıkların ve genetik bozuklukların ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Örneğin; hemofili, orak hücreli anemi, albinoluk, alti parmaklılık, Down sendromu gibi rahatsızlıklar, mutasyon sonucu ortaya çıkmıştır.
• Ayni şekilde, bazı mutasyonların kansere sebep olduğu da bilinmektedir.

Kromozom, gen, DNA gibi kalıtım molekülleri üzerinde meydana gelen değişikliklere mutasyon denir.
Bir DNA zinciri eşleme anında sorun olması( yanlış nükleotit gelmesi, nükleotit gelmemesi...vb) mutasyondur.
Şeklinde olması gerekirken,

Veya

Şeklinde olması mutasyona neden olur.

Mutasyona, kimyasal maddeler, ilaçlar, radyasyon, ani sıcaklık değişimleri neden olabilmektedir. Mutasyona neden olan maddeye mutajen, mutasyona uğrayarak eski özelliğini kaybeden gene mutant gen denir.
Eşeyli üreyen canlılarda mutasyon üreme hücrelerindemeydana gelirse yeni kazanılan özellik nesilden nesile aktarılır. Eşeysiz üreyen canlılarda mutasyon vücut
hücrelerinde olsa da nesilden nesile aktarılabilir.

Mutasyona Örnekler;

• Renk pigmentlerinin olmaması(albinizim), çok parmaklılık down sendromu, hemofili, orak hücre anemisi ve kanser insanlarda görülen mutasyonlara örnektir.
• Tavuk ve kuzularda görülen kısa bacaklılık, keçilerde dört boynuzlulukve albinizim hayvanlarda görülen mutasyonlara örnektir.
• Tohumu bol, daha iri ve lezzetli veya şekli değişmiş, meyve ve sebzeler bitkilerde mutasyona örnektir.
• Mutasyonlar nesilden nesile aktarılarak çok uzun sürenin sonunda yeni türlerin oluşmasına sebep olabilir.(Van kedisi)

Modifikasyon

Çevrenin etkisi ile canlılarda ortaya çıkan ve kalıtsal olmayan değişikliklere modifikasyon denir. Modifikasyon vücut hücrelerinde meydana gelir ve nesilden nesile aktarılmaz, sadece o canlıda görülür. Modifikasyona ışık, nem, sıcaklık veya beslenme neden olabilmektedir.

Modifikasyona Örnekler;

• Çuha çiçeği ortam sıcaklığı 15-25 oC arasındaki bir ortamda yetiştirilirse çiçeklerin rengi kırmızı, 25-35 oC arasındaki bir ortamda yetiştirilirse çiçeklerinin rengi beyaz olur. Kırmızı çiçekli çuha çiçeği 25-30 oC de tutulursa beyaz çiçek açar, 15-20 oC de tutulursa kırmızı çiçek açar.
• Ari ve karıncalarda larvaların beslenme koşulları değiştiğinde vücut şekilleri ve davranışları değişir. Ari larvaları çiçek tozuyla beslendiğinde isçi arılar, ari sütüyle beslendiğinde ise kraliçe ari oluşur.
• Spor yapan kişilerde kasların gelişmesi, yazın güneşli günlerde teninizin bronzlaşması da modifikasyona örnektir.
• Tek yumurta ikizlerinde genetik yapı aynidir. Bu ikizler farklı çevre şartlarında yetiştiklerinde farklı özellikler gösterirler.Bu modifikasyona örnektir.
• Sirke sineği yüksek sıcaklarda kıvrık kanatlı, düşük sıcaklıklarda düz kanatlı olur.
• Döllenmiş yumurtadan çıkan arı larvaları, arı sütü ile beslenirse iri kısır olmayan arılar, çiçek tozları ile beslenirse küçük kısır arılar oluşur.
• Yazın bronzlaşmış kişiler kışın güneş almayınca tekrar eski deri renklerine geri gelirler.

Genetik Mühendisliği ve Biyoteknoloji

Dış etkiler ile canlının kalıtsal özelliklerinin değiştirilerek, onlara yeni işlevler kazandırılmasıyla ilgili araştırmalar yapan bilim dalına genetik mühendisliği denir.
Genetik mühendisliği genlerin ayıklanması, çoğaltılması, değiştirilmesi başka bir canlınınkiyle birleştirilmesi ya da başka bir canlıya aktarılması gibi çalışmalarla uğraşır. Bilim insanları bu çalışmalarıyla hastalık ve böceklere dayanıklı yeni bitkiler ve hayvanlar oluşturulabiliyor.
Endüstriyel atıkları yiyebilen bakteriler üretilebiliyor. Canlıları klonlayabiliyor.

Genetik Mühendisliğinin Uygulamaları

Gen Haritasının Çıkarılması:
DNA’daki organik bazların dizilişlerinin çıkartılması anlamına gelir. İnsan DNA’sında 3.2 milyar baz olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmalarda hangi genin ne anlama geldiği bulunacak. Hastalıklara neden olan genlerin bulunup müdahale etme şansı doğacaktır.

DNA Testi:
Parmak izi gibi her canlının DNA sındaki baz dizilişi farklıdır. Bundan yola çıkarak suçluların tespit edilmesi kolaylaşmaktadır. Ayrıca genetik hastalıkların tespitinde de kullanılmaktadır.

Gen Tedavisi:
Başka bir canlıdan alınan DNA parçalarının canlıya aktarılmasıyla veya zararlı genlerin etkisiz hale getirilmesiyle gerçekleşiyor. Bu yöntemle bitki ve hayvanlara yeni özellikler kazandırılabiliyor.

Klonlama:
Bir canlının genetik kopyasının üretilmesidir. İlk hayvan klonlanması 1996 yılında Dolly adında koyunda olmuştur. Herhangi bir beden hücresine dönüşebilecek hücrelere kök hücre denir.Kök hücre klonlayıp organ geliştirmek artık mümkün fakat bu çalışmalarla ilgili tartışmalar devam etmektedir.

Tıptaki Yararları:
hastalıklara neden olan genlerin değiştirilmesi veya hastalığı engelleyecek genlerin insanlara verilmesi tıptaki kullanım alanlarından yalnızca
bir tanesidir. İlaç yapımında çeşitli bakteriler kullanılmaktadır.

Tarımda ve hayvanlarda uygulamalar:
Genetiği değiştirilmiş bir çok bitki ve hayvan ortam koşullarına dayanıklı hale getiriliyor. Besin değeri ve içeriği değiştirilen canlılar oluşturuluyor. İstenilen karakterielde etmek için istenilen özellikte canlılar çaprazlanır. Buna türlerin ıslahı denir.

Genetik Mühendisliğinin Tartışılan Yönleri
Çalışmalar doğal dengeyi bozup daha büyük sorunlara neden olabilir. Ekonomik açıdan bazı küçük kuruluşlara zarar verebilir. Sonsuz
yaşam insanların klonlanması nüfus artışı, kıtlık ve devamında savaşlar meydana getirebilir.

Biyoteknoloji:
Canlı doku ve organları kullanarak, uygun yöntem ve tekniklerle endüstri ve tıp alanında kullanılmak üzere istenilen ürünün eldesidir.
Biyoteknoloji;

• Protein üretilmesi
• Hormon, vitamin, antibiyotik elde edilmesi
• Yeni sebze ve meyve üretimi
• Hasar görmüş organların onarımı gibi alanlarda çalışmaktadır.

DNA 1953’te James Watson ve Francis Crick tarafından ileri sürülen üç boyutlu DNA yapısı modeline göre, DNA, sağa dönen çift helıks (ikili sarmal) oluşturmak
üzere aynı eksen etrafında ıkı helezon seklinde DNA zincirden (poliııükleotid zinciri) oluşmuştur.


DEVAMI Nükleik Asit (Genetik Malzeme)

DNA Bazları Hakkında Genel Bilgi
Nükleik asitler 5 majör heterosiklik bazdan meydana gelirler. Buradaki majör ve minör kavramları bazların fizyolojik önemlerine göre değil hücre içerisindeki kullanışlarına bağlıdır. RNA ve DNA polinükleotidleri için kullanılan majör heterosiklik bazlar pürinlerinden adenin ve guanin, pirimidinlerden ise sitozin, timin, urasil’dir.
Prokaryot ve ökaryotlarda bir de minör bazlar bulunur. 5-metilsitozin hem bakteriyel hem de insan DNA’sında bulunur. Bakteriyofaj DNA’sında yer alan hidroksimetilsitozin aynı zamanda bazı bakteri ve virüslerde bulunmaktadır.


DEVAMI Nükleobazlar (Nükleotit Bazları)