DNA Replikasyonu (DNA'nın Kendini Eşlemesi)

Hücreler bölünmeden önce sahip oldukları genetik materyali kopyalayarak yavru hücrelere eksiksiz bir şekilde aktarmak zorundadır. DNA'nın hücre bölünmesi öncesinde (İnterfazın S evresinde) tüm yapısını kopyalayarak miktarını iki katına çıkarması olayına DNA Replikasyonu (DNA Eşlenmesi) adı verilir. Replikasyon sayesinde kalıtsal özellikler nesilden nesile değişmeden, aslına uygun olarak aktarılır.

Yarı Korunumlu (Semikonservatif) Eşlenme Mekanizması

1958 yılında Matthew Meselson ve Franklin Stahl tarafından yapılan izotop deneyleri, DNA'nın nasıl eşlendiğini tartışmasız bir biçimde ortaya koymuştur. Bu deneyde DNA'nın ağır azot ($^{15}N$) ve normal azot ($^{14}N$) içeren ortamda eşlenmesi santrifüj yöntemiyle takip edilmiştir.

Bulgulara göre DNA, yarı korunumlu (semikonservatif) olarak eşlenir. Bu şu anlama gelir: DNA kendini eşlerken çift sarmalını oluşturan iki iplik birbirinden ayrılır (fermuar gibi açılır). Ayrılan bu eski ipliklerin her biri kalıp (şablon) görevi görür. Ortamdaki serbest nükleotitler, baz eşleşmesi kuralına (A karşısına T, G karşısına C) göre kalıp ipliklerin karşısına dizilerek yeni iplikleri oluşturur. Sonuç olarak oluşan iki yeni DNA molekülünün her biri; bir adet "eski (ata)" iplik ve bir adet "yeni sentezlenmiş" iplik içerir. Yani ata DNA'nın yarısı korunmuş, diğer yarısı yeniden üretilmiştir.

Replikasyonun Başlangıç Noktaları (Replikasyon Orijini)

Replikasyonun başlayabilmesi için DNA sarmalının açılması gerekir. DNA'da eşlenmenin başladığı özel bölgelere replikasyon orijini denir. Bu bölgelerden sarmalın açılmasıyla replikasyon çatalı adı verilen Y harfi şeklinde yapılar oluşur. - Prokaryotlarda (Bakterilerde) Replikasyon: Prokaryotik hücrelerin DNA'sı halkasaldır ve nispeten küçüktür. Bu nedenle halkasal DNA üzerinde sadece bir tane replikasyon orijini bulunur. Eşlenme bir noktadan başlar ve iki yöne doğru devam ederek halka tamamen kopyalanana kadar sürer. - Ökaryotlarda Replikasyon: Ökaryotik hücrelerin DNA'sı doğrusal (çizgisel) olup prokaryotlarınkinden çok daha uzundur. Ökaryotik hücrelerdeki DNA polimeraz enziminin nükleotit ekleme hızı prokaryotlardakinden daha yavaştır. Uzun DNA'nın kısa sürede ve hatasız bir şekilde kopyalanabilmesi için ökaryotik DNA üzerinde yüzlerce hatta binlerce replikasyon orijini bulunur. Aynı anda yüzlerce noktadan fermuar açılır ve eşlenme gerçekleşir; sonunda bu parçalar birleşerek işlemi tamamlar.

DNA Replikasyonunda Görev Alan Enzimler

DNA replikasyonu kompleks bir süreçtir ve bir "enzim takımı" tarafından uyum içinde gerçekleştirilir. Eşlenmede görev alan 3 temel enzim vardır:

1. Helikaz (Sarmal Açıcı): Replikasyonun başlayabilmesi için çift zincirin ayrılması şarttır. Helikaz enzimi, replikasyon orijinlerine bağlanarak azotlu organik bazlar arasındaki zayıf hidrojen bağlarını koparır. Adeta bir fermuarı açan sürgü gibi ilerleyerek DNA sarmalını iki tekli iplik haline getirir. Bu işlem sırasında enerji (ATP) harcanır. Açılan zincirlerin tekrar birbirine yapışmasını ise özel tutucu proteinler engeller.

2. DNA Polimeraz (Yeni İplik Sentezleyici): DNA'nın eşlenmesini sağlayan ana yapıcı enzimdir. Açılan eski iplikleri kalıp olarak kullanır ve hücrenin nükleoplazmasında (çekirdek sıvısında) serbest halde bulunan deoksiribonükleotitleri uygun kalıbın karşısına getirip dizer. (Adeninin karşısına timini bağlamak gibi). DNA polimeraz enziminin çok önemli bir kuralı vardır: Sadece uzayan bir zincirin 3' ucuna nükleotit ekleyebilir. Yani yeni ipliği daima 5' ucundan 3' ucuna doğru sentezler. Bu özellik, replikasyonun iki zincirde farklı şekillerde (kesintisiz ve kesintili) ilerlemesine neden olur. Ayrıca DNA polimeraz "hata düzeltme (proofreading)" yeteneğine sahiptir. Yanlış bir nükleotit eşleştiğinde bunu fark edip çıkarır ve doğrusunu yerleştirerek mutasyon riskini minimuma indirir.

3. DNA Ligaz (Birleştirici): DNA polimerazın "kesintili" sentezlediği parçaları (Okazaki parçacıkları) birbirine yapıştırarak zinciri bütünleştiren enzimdir. DNA ligaz, iki komşu nükleotitin şeker ve fosfatları arasında fosfodiester bağları kurarak parçaları sağlam bir şekilde birleştirir ve kesintisiz, sağlam bir DNA ipliği oluşturur.

Kesintisiz ve Kesintili Sentez (Okazaki Parçacıkları)

DNA zincirlerinin antiparalel (biri 5' $ ightarrow$ 3', diğeri 3' $ ightarrow$ 5' yönünde) uzandığını biliyoruz. Replikasyon çatalı açıldığında, DNA polimeraz sadece 5' $ ightarrow$ 3' yönünde nükleotit ekleyebildiği için iki iplik aynı şekilde kopyalanamaz:

• Kesintisiz İplik (Lider İplik): Kalıp ipliğin 3' $ ightarrow$ 5' yönünde uzandığı taraftır. DNA polimeraz, replikasyon çatalı açıldıkça çatalın peşi sıra hiç durmadan, kesintisiz bir şekilde yeni ipliği 5' $ ightarrow$ 3' yönünde rahatça sentezleyerek ilerler.
• Kesintili İplik (Geciken İplik): Karşıdaki kalıp iplik 5' $ ightarrow$ 3' yönündedir. DNA polimeraz bu ipliğin karşısına çatalın açılma yönünde kesintisiz sentez yapamaz. Çünkü ters yönde ilerlemek zorundadır. Replikasyon çatalı biraz açıldıkça, enzim geriye dönüp küçük bir parça sentezler. Helikaz çatalı biraz daha açtığında, polimeraz yine ileri zıplayıp geriye doğru küçük bir parça daha sentezler. Sentezlenen bu kısa DNA parçalarına Japon bilim insanı Reiji Okazaki'nin anısına Okazaki Parçacıkları denir.
• Daha sonra DNA ligaz enzimi devreye girerek bu Okazaki parçacıklarını birbirine kaynaklar (birleştirir) ve yeni ipliği eksiksiz hale getirir.

Sonuç olarak, hata oranı milyarda bir olan, müthiş bir hız ve uyumla çalışan bu mekanizma sayesinde bir hücreden iki yeni ve genetik olarak tıpatıp aynı hücre oluşabilmesi için gereken DNA başarıyla kopyalanmış olur.