DNA'nın yapısı

Konu başlıkları

* 1 Yapı belirlemesi
* 2 Baz çifti geometrisi
* 3 DNA sarmal geometrileri
* 4 Süpersarımlı DNA
* 5 DNA bükülmesi
* 6 DNA uzaması
* 7 DNA ergimesi
* 8 DNA topolojisi

DNA yapısı, hem tek iplikçikli hem çift iplikçikli DNA'da çeşitli biçimler gösterir. Hücreler için DNA'nın yapısıyla ilişkili olan DNA'nın mekanik yapısı hücreler için önemli bir sorun yaratır. DNA'nın okunması veya ona bağlanmasıyla ilgili her hücresel süreç, onun tanınması, paketlenmesi veya değişime uğratılmasına etki edecek çekilde onun mekanik yapılarını ya kullanır ya da değiştir. DNA 'nın aşırı uzunluğunun (bir kromozomdaki DNA'nın uzunluğu 10 cm'yi bulabilir), onun sertliğinin ve sarmal yapısının bir sonucu olarak, hücre DNA'sının düzenlenebilmesi için histon gibi yapısal proteinler ve topoizomeraz ve helikaz gibi enzimler evrimleşmiştir. DNA'nın özellikleri onun moleküler yapısı ve dizisi ile yakından ilişkilidir. Özellikle DNA iplikçiklerini birbirine bağlayan hidrojen bağları ve elektronik etkileşimlerin, her bir iplikçikteki bağların kuvvetine kıyasla olan zayıflığı, bu ilişkide önemli bir rol oynar.

DNA'nın mekanik yapısını doğrudan ölçebilen deneysel teknikler nispeten yenidir ve çözelti içinde yüksek çözünümlü görüntüleme genelde zordur. Buna rağmen, bilimciler bu polimerin mekanik özellikleri hakkında büyük miktarda veri üretmişlerdir ve DNA'nın mekanik özelliklerinin hücresel süreçlere olan etkileri halen aktif olarak araştırılmakta olan bir konudur.

Çoğu hücrede bulunan DNA'nın uzunluk bakımından makroskopik olduğunun belirtmek önemlidir -- her bir insan kromozomundaki DNA birkaç santimetre uzunluğundadır. Dolayısıyla, hücreler DNA'yı içlerinde taşıyabilmek için onu sıkıştırmak veya "paketlemek" zorundadırlar. Ökaryotlarda, histon olarak adalandırılan mkara gibi proteinler etrafından DNA'nın sarılması ile bu gerçekleşir. Bu DNA-protein kompleksinin daha da çok sıkıştırılması sonucu mitoz bölünme sırasında görülen kromozom yapıları meydana gelir.

Yapı belirlemesi

DNA yapılarının belirlenmesi nükleer manyetik rezonans veya X-ışını kristalogafisi teknikleri ile yapılır. A-DNA ve B-DNA'nın X-işini kırınım örüntülerinin ilk yayımlanan raporları Patterson transformlarına dayanan analizler kullanmış, bunlar buzağı timüs DNA'sının yönlendirilmiş lifleri için sınırlı miktarda yapısal bilgi sağlamışlardı. 1953'te Wilkins ve çalışma arkadaşları, bakteri ve alabalık sperm DNA'sının sulandırılmış (hidrate) ve yönlendirilmiş liflerindeki B-DNA'nın X-ışını kırınım ve saçılım örüntüleri için alternatif bir analiz yöntemini önerdiler, Bessel foksiyonlarının kareler toplamını kullanmak yoluyla. `B-DNA biçimi' hücre içindeki şartlarda en yaygın olmakla beraber, aslında bu iyi tanımlanmış bir üç boyutlu yapı (konformasyon) değil, canlı hücrelerin çoğunda bulunan sulanma seviyelerinde görülen bir DNA konformasyonlar ailesi veya konformasyonlar bulanık kümesidir (fuzzy set). Bunlara karşılık gelen X-ışını kırınım ve saçılım örüntüleri, önemli oranda (>%20) bir düzensizlik içeren moleküler parakristallere özgündür, ve bu yüzden standart analiz yöntemleri kullanılarak bunların yapıları çözülemez.

Buna karşın, Bessel fonksiyonlarının Fourier transformu ve DNA moleküler modelleri kullanılarak yapılan standart analizler, A-DNA ve Z-DNA'nın X-ışını kırınım örüntülerinin anlaizinde rutin olarak hâlâ kullanılmaktadır

Baz çifti geometrisi

Bir baz çiftinin geometrisi 6 koordinat ile tanımlanabilir: yükselti, burulma, kayma, ötelenme, yatıklık ve yalpa (İngilizce rise, twist, slide, shift, tilt, ve roll). Bu değerler DNA molekülündeki her bir baz çiftinin uzaydaki konum ve doğrultusunu, sarmalda kendisinden bir evvelkine göreli olarak tam olarak tanımlar. Bunlar topluca molekülün sarmal yapısını tanımlarlar. Bir DNA molekülünde normal yapının bozulmuş olduğu bölgelerde bu değerler bozulmayı betimlemek için kullanılır.

Herbir baz çifti için aşağıdaki parametreler de tanımlanmıştır:

Pervane burulması(Propeller twist)
Aynı baz çiftindeki bir bazın düzleminin diğerinin düzlemine göre açısı

Öteleme (Shift)
Baz çifti düzleminde bir bazın ötekine göre kayma oranı, küçük oyuktan büyük oyuk doğrultusunda.

Eğim(Tilt)
Bu eksen etrafındaki dönme.

Kayma (Slide)
Baz çifti düzleminde bir iplikçikten ötekine doğru kayma.

Baz çift düzlemini uzun ekseni etrafında dönmesi (Roll)
rotation around this axis.

Yükselme (Rise)
sarmal ekseni boyunca ötelenme.

Burulma (Twist)
sarmal ekseni etrafında dönme.

Hatve (Pitch)
Sarmalda bir tam dönüşteki baz çifti sayısı

Yükselme ve burulma, sarmalın elliliğini ve hatvesini belirler. Diğer parametreler sıfıra eşit olabilir. Kayma ve ötelenme, B-DNA'da tipik olarak küçük değerlerdir ama A- ve Z-DNA'da büyük değerlere sahip olabilir. Yatıklık ve yalpa, ardışık baz çiftlerinin daha az paralel olmasına neden olur ve bunlar tipik olarak küçük değerlerdir. Bu parametreler hakkında bir şekil, 3DNA Web sitesinde görülebilir.

Bilimsel literatürde yatıklık (İngilizce "tilt") başka bir anlamda da kullanılabilir; ilk baz çifti ekseninin, sarmal eksenine olan diklikten olan sapması için de bu terim kullanılabilir. Bu anlam, ardışık iki baz çifti arasındaki kaymaya karşılık gelir ve sarmal-tabanlı koordinatlarda daha uygun olarak "eğim" (İng. "inclination") olarak belirtilir.

A-, B-, ve Z-DNA'ın sarmal eksenleri.

DNA sarmal geometrileri

Doğada üç DNA üç boyutlu yapısı (konformasyonu) olduğu düşünülmektedir, bunlar A-DNA, B-DNA, ve Z-DNA olarak adlandırılırlar. James D. Watson ve Francis Crick tarafından betimlenmiş olan "B" biçiminin hücrelerde hakim biçim olduğu görüşü yaygındır. 23,7 Å genişliğindedir ve 10 baz çifti için 34 Å uzanır. Çifte sarmal her 10,4-10,5 baz çifti için bir tam dönüş yapar. Bu burulma sıklığı (sarmal hatvesi), her bir bazın komşularına yaptığı istifleme (İng. stacking) güçlerine bağlıdır.

Başka konformasyonlar da olasıldır; A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA[14], E-DNA[15], L-DNA(D-DNA'nın enatiomerik yapısı), P-DNA[16], S-DNA, Z-DNA, v.s. tanımlanmıştır. Gelecekte keşfedilebilecek DNA konformasyonları için F, Q, U, V, ve Y harfleri kalmıştır. Ancak bu biçimlerin çoğu suni olarak yaratılmış ve doğal olarak, biyoloji sistemlerde gözlemlenmemiştir.

DNA'nın bir diğer yapı tipi, üç sarmallı DNA'dır.

A-, B-, ve Z-DNA'nın yapıları.

A- ve Z-DNA

A ve Z-DNA, geometrileri bakımından birbirlerinden önemli derecede farklılık gösterirler ama ikisi de sarmal yapılıdırlar. A yapısı, sadece su kaybetmiş (dehidrate) DNA örneklerinde (kristalografik deneylerde olduğu gibi) ve belki DNA-RNA iplikçiklerinin hibrit eşleşmelerinde görülebildiği muhtemel sayılmaktadır. Hücrelerde DNA'nın metilasyona uğramış kısımları Z-DNA geometrisini sahip olabilir. Ayrıca bazı protein-DNA komplekslerinin Z-DNA yapıları oluşturduğuna dair deliller vardır.

Bir baz ile pentoz

DNA'nın üç ana biçiminin yapısal özellikleri

Geometrik özellikleri A-DNA B-DNA Z-DNA

Sarmal yön sağ elli sağ elli sol elli

Tekrarlayan birim 1 bp 1 bp 2 bp

Dönme/bç 33.6° 35.9° 60°/2bp

Ortalama bç/dönme 10.7 10.0 12

Bç'nin eksene eğimi +19° -1.2° -9°

Eksen boyunca yükselme/bç 2.3 Å 3.32 Å 3.8 Å

Hatve/sarmal dönmesi 24.6 Å 33.2 Å 45.6 Å

Ortalama pervane burulması +18° +16° 0°

Glikosil açı anti anti C: anti,

G: syn

Şeker büzülmesi (İng. pucker) C3'-endo C2'-endo C: C2'-endo,

G: C2'-exo

Çap 25.5 Å 23.7 Å 18.4 Å

Süpersarımlı DNA

1. Sıkıştırılmış kromozom
2. Sıkıştırılmış kromatin
3. Kromatinler
4. Nükleozomlar
5. Histon makaraları
6. DNA sarmalı

Çekirdekteki DNA molekülü kromozom adlı özel kılıflarda paketlenir. Tek bir hücrede bulunan kromozomlarda paketlenen DNA molekülünün toplam uzunluğu 1 metreyi bulur. Kromozomun toplam kalınlığı ise 1 nanometre yani metrenin milyarda biri kadardır. Yaklaşık 1 metre uzunluğundaki DNA molekülü bu küçücük bölgeye nasıl paketlenebilir? DNA molekülü kromozom paketleri aslında çok daha küçük özel ambalaj sistemlerinden oluşur. DNA molekülü önce adeta bir ipin makaraya sarılması gibi sıkı sıkıya histon adlı özel proteinlere sarılır. Bu histon makaralarına sarılmış DNA bölümleri nükleozom olarak adlandırılır. Bu nükleozom bölümleri DNA'nın korunması ve zarar görmemesi için özel olarak dizayn edilmiştir. Nükleozomlar ucuca eklendiğinde kromatinleri oluştururlar. Kromatinde iyice birbirine sarılıp kıvrılarak yoğun yumaklar meydana getirirler. Ve böylece DNA molekü kendi uzunluğunun milyarda biri kadar küçük olan bir yere muhteşem bir yaratılışla sığdırılmış olur.

DNA'nın B biçimi her 10,4-10,5 bç bir tam dönüş yapar, torsiyon gerilimi olmayınca. Ancak, çeşitli biyolojik süreçler torsiyon gerilimi yaratır. Aşırı veya eksik sarmal gerilimli bir DNA parçasına pozitif veya negatif "süpersarımlı" olarak değinilir. Hücrelerdeki DNA tipik olarak negatif süpersarımlıdır, onun böyle olması ikili sarmalın çözülüp (eriyip) transkripsiyonun olmasını sağlar.


Sarmal olmayan biçimler

DNA'nın sarmal olmayan biçimleri de betimlenmiştir, örneğin yanyana ve üçlü sarmal biçimleri. Tek iplikçikli DNA, DNA ikilenmesi sırasında veya ısı ile DNA iplikçiklerinin ayrışması sonucu meydana gelir.

DNA sarmalını oluşturan atomların dizilişi.Bu sarmalın çapı 1mm'nin milyonda biridir.



DNA göreceli olarak rijit bir polimer sayılır, Solucanvari zincir olarak modellenir. Üç önemli serbestlik derecesi vardır: bükülme, burulma ve sıkışma. Bunların her biri DNA'nın hücre içindeki yetenkelrine belli sınırlamalar getirir. Burulma/torsiyonal tutukluğu, DNA'nın halkasallaşmasına ve DNA'ya bağlanan proteinlerin birbirlerine göreceli doğrultusuna etki eder. Bükülme/eksensel tutukluğu DNA'nın sarılmasına, onun halkasllaşmasına ve proteinlerle etkileşimine etki eder. Sıkışma (kompresyon)/uzama ise yüksek gerilme hâli dışında nispeten önemsizdir.

Süreğenlik uzunluğu/Eksensel katılık

Ana madde: Süreğenlik uzunluğu


Örnek diziler ve süreğenlik uzunlukları

(B-DNA)
Dizi Süreğenlik uzunluğu
............... /baz çifti

Rastegele 154±10

(CA)tekrarı 133±10

(CAG)tekrarı 124±10

(TATA)tekrarı 137±10



Çözeltideki DNA'nın rijit bir yapısı yoktur, termal titreşimler ve su molekülleri ile çarpışmalar nedeniyle sürekli değişen bir konformasyona sahiptir ve bu yüzden rijitliğin klasik ölçümleri mümkün değildir. Dolayısıyla DNA'nın bükülmezliği onun süreğenlik uzunluğu ile ölçülür, bunun tanımı şöyledir:

"polimerin zamana-bağllı ortalama doğrultusunun e faktörü ile bağıntısız (ilintisiz) olduğu DNA uzunluğu"

Bu değer atomik kuvvet mikroskobu ile farklı uzunlukta DNA moleküllerini görüntüleyerek doğrudan ölçülebilir. Sulu çözeltilerde ortalama süreğenlik uzunluğu 46-50 nm veya 140-150 baz çiftidir (DNA'nın çapı 2 nm'dir), ama bu değer büyük çeşitlilik gösterebilir. Bu tanıma göre DNA orta derecede rijit bir molekül sayılır.

DNA'nın belli bir kısmının süreğenlik uzunluğu kısmen onun dizisine bağlı olduğu için büyük bir varyasyon gösterebilir. Bu varyasyon büyük ölçüde baz istiflenme enerjisinde ve küçük ve büyük oluklara uzanan bazlardan kaynaklanır.

DNA bükülmesinin modelleri

DNA'nın entropik esnekliği standart polimer fiziği modelleri (Kratky-Porod solucan benzeri zincir modeli gibi) ile dikkate değer derecede uyumludur. Solucan benzeri zincir modelinin öngördüğü gibi, küçük (picoNewton-altı) kuvvetlerde Hooke kanunu tarafından betimlenir. Ancak, süreğenlik uzunluğunundan kısa uzunlukta DNA parçalarında bükülme kuvveti yaklaşık sabittir ve davranışı, solucan benzeri zincir öngörülerinden sapma gösterir. Bunun sonucu olarak küçük DNA molekülleri kolay halkalaşır ve DNA'da çok bükük kısımların bulunma olasılığı daha yüksektir.