DNA ve Genetik Kod

Canlıların sahip olduğu tüm kalıtsal özellikler, hücrelerindeki genetik materyal olan DNA üzerinde şifrelenmiş halde bulunur. Saç rengimizden göz rengimize, kan grubumuzdan boy uzunluğumuza kadar bizi biz yapan bütün fiziksel ve biyolojik özellikler bu muazzam molekül tarafından belirlenir ve nesilden nesile aktarılır. Bu bölümde, hücrenin yönetim merkezi olan çekirdeğin içinde yer alan genetik materyallerin (kromozom, DNA, gen ve nükleotid) yapısını, birbirleriyle olan karmaşık ilişkilerini ve DNA'nın hücre bölünmesinden hemen önce kendini nasıl kusursuz bir şekilde eşlediğini (kopyaladığını) çok detaylı bir şekilde inceleyeceğiz.

Hücrenin Yönetim Merkezi ve Kalıtsal Yapılar

Gelişmiş yapılı canlılarda (örneğin bitki ve hayvan hücrelerinde) hücre üç temel kısımdan oluşur: hücre zarı, sitoplazma ve çekirdek. Hücrenin yaşam faaliyetlerini (solunum, beslenme, üreme, büyüme vb.) yöneten asıl merkez çekirdektir. (Ancak gelişmemiş canlılar olan bakterilerde çekirdek yoktur; bu canlılarda genetik materyal sitoplazma içinde dağınık halde bulunur.) Çekirdeğin içinde ise canlının genetik şifresini taşıyan, büyüklük ve karmaşıklık sırasına göre Kromozom, DNA, Gen ve Nükleotid olmak üzere dört temel yapı bulunur. Bu yapıları büyükten küçüğe doğru (karmaşıktan basite doğru) sıralayacak olursak, baş harflerinden oluşan "KeDiGeNi" şifresini (Kromozom > DNA > Gen > Nükleotid) kullanarak aklımızda kolayca tutabiliriz.

1. Kromozom

Hücre bölünmesi öncesinde çekirdek içinde ip yumağı şeklinde dağınık olarak bulunan ve kromatin iplik adı verilen yapı, hücre bölüneceği zaman kısalıp kalınlaşarak özel protein kılıflarla kaplanır. Bu yeni, belirgin ve X harfine benzeyen yapıya kromozom denir. Yani kromozom, DNA molekülünün özel proteinlerle birleşerek yoğunlaşmış ve paketlenmiş halidir.

Kromozomlar, canlıların kalıtsal özelliklerini nesilden nesile aktaran taşıyıcı kargo paketleri gibi düşünülebilir. Her türün kendine özgü, belirli bir kromozom sayısı vardır. Aynı türe ait sağlıklı bireylerin tamamında eşit sayıda kromozom bulunur. Örneğin; dünyadaki bütün sağlıklı insanların vücut hücrelerinde (saç, deri, karaciğer, yaprak, kök vb.) 46 adet kromozom (23 çift) vardır. Soğan hücresinde 16, güvercinde 16, köpekte 78, eğrelti otunda 500 ve moli balığında da 46 kromozom bulunur.

Önemli Bir Not: Farklı türden canlılar (örneğin insan ve moli balığı) tesadüfen aynı sayıda (46) kromozoma sahip olabilir. Bu durum, kromozom sayısının canlının türünü, hangi sınıfa ait olduğunu veya gelişmişlik düzeyini belirlemediğinin en büyük kanıtıdır. Ayrıca kromozom sayısının canlının vücut büyüklüğü veya zekasıyla da hiçbir bilimsel ilişkisi yoktur. Örneğin, 500 kromozomu olan eğrelti otu son derece basit bir bitkiyken, sadece 46 kromozomlu insan milyarlarca nöronlu beyniyle çok daha gelişmiş ve karmaşık bir canlıdır.

2. DNA (Deoksiribonükleik Asit)

Hücrenin yönetici molekülüdür. Yaşamsal faaliyetlerin (solunum, boşaltım, üreme, hücre bölünmesi ve protein sentezi) tümünü kontrol eder ve yönetir. DNA molekülü, birbirine sarmal (helezon) şeklinde dolanmış iki uzun iplikten (zincirden) oluşur. Bu yapıyı ilk defa doğru bir şekilde modelleyen bilim insanları James Watson ve Francis Crick'tir; bu nedenle bu sarmal yapı bilim dünyasında "Watson-Crick Modeli" olarak da bilinir.

DNA, kendi etrafında dönen, kıvrımlı bir yangın merdivenine benzetilebilir. Bu merdivenin kenar kısımları (korkulukları) şeker ve fosfat moleküllerinin ardı ardına dizilmesinden oluşurken, merdivenin basamakları ise organik bazlardan meydana gelir.

3. Gen

DNA molekülü üzerindeki anlamlı ve belirli bir uzunluktaki parçalara gen adı verilir. Genler, DNA'nın görev birimidir. Saç rengi, göz rengi, ten rengi, kan grubu, bitkilerde tohum şekli veya kalıtsal hastalıklar gibi özelliklerin (karakterlerin) şifrelendiği, belirlendiği ve nesilden nesile aktarıldığı kısımlar genlerdir. İnsan DNA'sında binlerce farklı gen bulunur. Her bir gen, belirli bir özelliğin ortaya çıkmasından veya belirli bir proteinin üretilmesinden sorumludur. Kalıtsal bilgiyi şifreleyerek görev üstlendikleri için DNA'nın anlamlı en küçük parçası kabul edilirler.

4. Nükleotid

DNA molekülünün en temel yapı taşlarına (yapı birimine) nükleotid denir. Uzun DNA zincirleri, milyonlarca nükleotidin uç uca eklenmesiyle oluşur. Bir nükleotidin yapısında üç alt parça bulunur: - Fosfat Grubu: Bütün nükleotid çeşitlerinde ortaktır ve "P" sembolü ile gösterilir. - Deoksiriboz Şekeri: DNA'ya "Deoksiribo" adını veren beş karbonlu özel bir şekerdir ve "D" sembolü ile gösterilir. Tüm nükleotidlerin yapısında bulunmak zorundadır. - Organik Baz: Nükleotide ismini veren, nükleotidleri birbirinden farklı kılan ve çeşitliliği sağlayan kısımdır.

DNA yapısında toplam dört farklı organik baz çeşidi bulunur: Adenin (A), Timin (T), Guanin (G) ve Sitozin (C veya S). Bir nükleotid adlandırılırken yapısındaki organik bazın ismini alır. Örneğin; yapısında Adenin bazı taşıyan nükleotide "Adenin Nükleotidi", Guanin taşıyan nükleotide ise "Guanin Nükleotidi" denir.

DNA Zincirinin Kurulumu ve Eşleşme Kuralı: DNA'nın karşılıklı iki zinciri rastgele ve dağınık şekilde dizilmez, kusursuz bir anahtar-kilit uyumu kuralına göre birbirine bağlanır. Çift zincirli yapıda her zaman; - Adenin (A) nükleotidinin karşısına Timin (T) nükleotidi (aralarında ikili zayıf hidrojen bağı bulunur), - Guanin (G) nükleotidinin karşısına Sitozin (C/S) nükleotidi gelir (aralarında üçlü zayıf hidrojen bağı bulunur).

Bu mükemmel eşleşme kuralı sayesinde, hatasız ve sağlıklı bir DNA molekülünde toplam Adenin sayısı her zaman Timin sayısına, toplam Guanin sayısı da her zaman Sitozin sayısına eşittir (A=T, G=C). Ayrıca her bir nükleotidin yapısında mutlaka bir fosfat ve bir deoksiriboz şekeri bulunduğu için, çok önemli bir sayısal eşitlik kuralı ortaya çıkar: Toplam Nükleotid Sayısı = Toplam Fosfat Sayısı = Toplam Şeker Sayısı = (A + T + G + C)

DNA'nın Kendini Eşlemesi (Replikasyon)

Canlı vücudundaki hücreler büyür, gelişir ve belirli bir olgunluğa ulaştıklarında bölünerek yeni yavru hücreler meydana getirirler (Mitoz ve Mayoz bölünmeler). Hücre bölünmesinin en kritik amacı, var olan genetik bilginin (DNA şifresinin) yeni oluşacak hücrelere hiçbir eksiği olmadan aktarılmasını sağlamaktır. Bu nedenle hücre bölünmeye başlamadan hemen önce, hazırlık evresinde, çekirdeğin içindeki DNA molekülü kendisinin birebir aynısı olan yeni bir kopyasını sentezler. Bu muazzam kopyalama ve iki katına çıkma işlemine DNA'nın kendini eşlemesi veya replikasyon denir.

DNA'nın kendini eşlemesi son derece düzenli, hatasız ve sıralı aşamalarla gerçekleşen biyolojik bir süreçtir:

1. Zincirlerin Açılması (Fermuar Etkisi): İlk adımda, sarmal yapıdaki DNA'nın çift zincirini bir arada tutan karşılıklı organik bazlar arasındaki zayıf hidrojen bağları özel enzimler yardımıyla koparılmaya başlar. DNA molekülü bir uçtan diğer uca doğru adeta bir fermuar gibi açılarak iki ayrı zincir (iplik) halinde ayrılır.
2. Serbest Nükleotidlerin Çekirdeğe Girmesi: DNA zincirleri açılırken, hücrenin sitoplazmasında daha önceden sentezlenerek hazır bekleyen serbest nükleotidler (Adenin, Timin, Guanin ve Sitozin yapıtaşları) çekirdek zarındaki porlardan (deliklerden) geçerek çekirdeğin içine dolarlar. Eşleşme sırasında kullanılacakları için bu süreçte çekirdekteki serbest nükleotid, fosfat ve şeker sayısı hızla artarken, sitoplazmadakilerin sayısı azalır.
3. Yeni Zincirlerin Oluşumu (Eşleşme): Açılan ana zincirlerin boşta kalan uçlarının karşısına, çekirdek sıvısına giren bu uygun serbest nükleotidler sırayla yerleşir. Eşleşme, yine DNA'nın evrensel kuralına göre gerçekleşir: Açılan eski zincirdeki Adenin bazının karşısına sitoplazmadan gelen Timin nükleotidi; Guanin bazının karşısına ise Sitozin nükleotidi bağlanır. Bu kusursuz dizilim işlemi DNA polimeraz adlı enzimler sayesinde hızlıca organize edilir.
4. Sonuç - İki Yeni DNA Molekülünün Oluşumu: Bütün nükleotidler baştan sona eşleşmesini tamamladığında, başlangıçtaki ana DNA molekülünün tıpatıp aynısı olan, nükleotid dizilimleri ve şifreleri tamamen aynı iki yeni DNA molekülü elde edilmiş olur. Oluşan bu yeni DNA'ların her birinin bir zinciri eski (ana) DNA'ya aitken, diğer zinciri sitoplazmadan gelen yeni nükleotidlerle baştan sentezlenmiştir. Yarı yarıya eski ve yeni zincirlerden oluştuğu için bu kopyalama yöntemine bilimde "yarı korunumlu eşleşme" denir.

Eşleşme Sırasındaki Hatalar: DNA son derece güvenilir bir sistemle kendini eşlese de, bazen dış faktörlerin (radyasyon, x-ışınları, ultraviyole ışınlar, zehirli kimyasallar, aşırı radyasyon vb.) etkisiyle eşleşme hataları meydana gelebilir. Örneğin, eşleşme sırasında Adenin nükleotidinin karşısına yanlışlıkla Guanin gelmesi, karşılıklı zincirlerin bazı bölümlerinin boş kalması veya hatalı bir zincir kırılması durumlarında DNA dizilimi bozulur. DNA zincirinde tek taraflı bir hasar varsa (örneğin sadece bir zincirdeki nükleotid kaybolmuş veya yanlış bağlanmışsa), karşıdaki zincirdeki doğru şifreye bakılarak onarım enzimleriyle bu hata düzeltilebilir. Ancak karşılıklı iki zincirde de aynı hizada nükleotidler eksikse (karşılıklı boşluk oluşmuşsa), DNA oraya hangi bazın geleceğini kestiremez ve bu hata onarılamaz (düzeltilemez). Onarılamayan kalıcı hatalar canlının genetik kodunu sonsuza dek değiştirir. Meydana gelen bu ani genetik dizilim değişikliklerine bir sonraki konuda çok detaylı inceleyeceğimiz mutasyon adı verilir.

Tüm bu süreçler, canlılık olaylarının kusursuz işleyişi için temel bir gerekliliktir. Göz renginizden kan grubunuza kadar taşıdığınız genetik mirasın her hücrenizde eksiksiz bulunması, DNA'nın bu muhteşem yapısı ve hatasız kopyalama yeteneği sayesindedir.