Genlerin Yapısı Ve Ekspresyonu | 1

• Yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere tüm canlılarda ( prokaryotlarda ve ökaryotlarda) genetik bilginin akışı şu şekildedir : DNA - RNA- Protein. DNA kullanılarak RNA'nın sentezlenmesi olayına transkripsiyon denir ve bu olay nükleusta gerçekleşir. Transkripsiyon sonucu oluşan RNA tiplerinden ( Transkripsiyon sonucunda rRNA, tRNA, non-coding RNA, mRNA gibi RNA çeşitleri oluşabilir.)  biri olan mRNA'nın (mesajcı [messenger] RNA) kalıp olarak kullanılmasıyla protein sentezlenmesi olayına ise translasyon denir ve genellikle sitoplazmada ribozomlar tarafından gerçekleştirilir. ( Burada genellikle denilmesinin sebebi mitokondri ve kloroplast organellerinin kendi ribozomlarına sahip olması dolayısıyla bu organellerde de translasyonun gerçekleşmesidir.) 

• Fakat genetik akışın normalde DNA-RNA-Protein şeklinde olması onun her zaman öyle gerçekleşeceği anlamına gelmez. Yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere bu konudaki istisnalardan biri retrovirüslerdir. Retrovirüsler genomlarına göre tek zincirli (+) RNA virüsü konuk hücre tiplerine göre ise hayvan virüsü olarak sınıflandırılırlar. Genom olarak tek zincirli RNA'ya sahip olan retrovirüsler hücreyi enfekte ettiklerinde kendilerini replike edebilmek için öncelikle genomlarını çift zincirli DNA'ya çevirirler. ( Yani burada RNA-DNA şeklinde bir genetik akış olur ve akış reverse transcription yani transkripsiyon olayının tersi olarak adlandırılır.) 

• Genomunu replike edebilmek için önce onu DNA'ya çevirmek zorunda olan retrovirüsler RNA'dan DNA sentezleyecek enzim yani reverse transkriptaz normal hayvan hücrelerinde bulunmadığı için onu yanlarında taşımak zorundadırlar. 
• Buna ek olarak, reverse transkriptaz genel olarak 3 farklı domaine sahiptir. Birinci domain retrovirüsün genomu olan tek zincirli RNA'yı baz alarak tek zincirli DNA sentezler. Bu aşamada önemli olan noktalardan bazıları şunlardır ki reverse transkriptaz da normal DNA polimerazlar gibi sadece 5'-3' yönünde sentez yapabilir ve sentezi başlatamadığı için primere ihtiyaç duyar. İkinci domain oluşturulan DNA-RNA hibridindeki RNA zincirini yıkar. Son domain ise oluşturulan tek zincirli DNA'yı baz alarak çift zincirli DNA sentezler.

• Çift zincirli DNA sentezlendikten sonra ise bu fragment enfekte edilen hücrenin genomuna entegre edilir ve provirüs olarak adlandırılır. Örneğin, HIV virüsü bir retrovirüstür ve bağışıklık sistemi hücrelerinden olan CD4 hücrelerini enfekte ettikten sonra ilk olarak yanında taşıdığı reverse transkriptazı kullanarak genomunu çift zincirli DNA'ya çevirir ve onu çekirdeğe göndererek hücre genomuna entegre eder. Bu işlemden sonra CD4 hücreleri her bölündüğünde dolayısıyla DNA'sını replike ettiğinde virüs genomu da onunla birlikte replike olur ve yeni oluşturulan hücrelere aktarılır. 

Sonuç olarak:

Transkripsiyon: Başlama

Transkripsiyon DNA'dan RNA sentezlenmesi olayıdır. DNA nükleusta bulunduğundan dolayı transkripsiyon olayı da nükleusta gerçekleşir.

Transkripsiyonda görev yapan ana enzim RNA polimerazdır. RNA polimeraz ribonükleotit trifosfattaki fosfat bağının enerjisini kullanarak ribonükleotitlerin arasındaki bağın yani fosfodiester bağının oluşmasını sağlar. RNA polimeraz sayesinde ribonükleotitlerin polimerleşmesi sağlanır başka bir deyişle RNA oluşturulmuş olur.

Prokaryotlar tek tip RNA polimeraza sahiptir. Ökaryotlar ise 3 tip RNA polimeraza sahiptir. Bu 3 RNA polimerazın görevleri şu şekildedir:

• RNA polimeraz I rRNA'ların sentezlenmesinden sorumludur.
• RNA polimeraz II mRNA ve snRNA'ların sentezlenmesinden sorumludur.
• RNA polimeraz III 5S rRNA ve tRNA'ların sentezlenmesinden sorumludur.

RNA polimeraz DNA'ya promotor denilen bir bölgeden bağlanır. Promotorun diğer DNA bölgelerinden farkı daha fazla adenin ve timin içermesidir. Başka bir deyişle promotor diğer DNA bölgelerine oranla daha az hidrojen bağı içermektedir. Böylece gen transkripte olacağı zaman DNA sarmalı kolayca açılabilmektedir.

Bakteri ve ökaryotlar promotorlarında farklı bölgelere sahiptir. Bakterilerin promotorunda pribnow kutusu ökaryotların promotorlarında ise TATA kutusu bulunmaktadır.

Transkripsiyonun başlangıç aşamasında, bakterilerin RNA polimerazı sigma alt birimi sayesinde promotoru tanır ve promotora bağlanır. Sigma alt birimi promotora bağlanış gerçekleştikten sonra RNA polimerazdan ayrılır.

Ökaryotlarda ise durum daha karmaşıktır. Ökaryotlarda RNA polimeraz promotora bağlanmadan önce TFIID,TFIIA,TFIIB ve TFIIH gibi transkripsiyon faktörleri promotoru tanır ve bağlanır. Bu faktörler RNA polimerazın promotoru tanımasına ve bağlanmasına yardımcı olur. RNA polimeraz promotora bağlandıktan sonra TFIIH ATP enerjisi kullanarak RNA polimerazı fosforlar ve onun senteze başlamasını tetikler.

Prokaryotlar Ve Ökaryotlar

• Prokaryot denilen canlı grubu bakteri ve arkeleri kapsamaktadır. Ökaryot denilen canlı grubu ise bakteri ve arkeler dışında kalan maya,bitki,hayvan gibi canlı gruplarını kapsamaktadır.

• Prokaryot ve ökaryotlar arasındaki en büyük fark prokaryotların hücre içi zar sistemine sahip olmamasıdır. Başka bir deyişle prokaryotlar zarlı organellere sahip değilken ökaryotlar çekirdek, lizozom, endoplazmik retikulum gibi organellere sahiptir.
• Prokaryotlarda hücre genomunun etrafını saran herhangi bir zar yoktur. DNA sitoplazmada bir yerde yoğunlaşmaktadır ve bu kısım nükleoid olarak adlandırılmaktadır. Ökaryotlarda ise hücre genomu çekirdekte bulunmaktadır yani 2 adet zarla çevrilmiş durumdadır. Bu farklılık transkripsiyon ve translasyon esnasında çeşitli farklılıklara sebep olmaktadır. Örneğin, arada bir zar engeli olmadığından dolayı prokaryotlarda transkripsiyon gerçekleşirken aynı anda translasyon da gerçekleşmektedir.  Ökaryotlarda ise arada nüklear zar bulunduğundan dolayı transkripsiyon bittikten sonra mRNA sitoplazmaya taşınır ve translasyon gerçekleşir.

• Bakteri ve ökaryot genomunun yapısı da birbirinden oldukça farklıdır. Bakterilerin DNA'sı halkasal yapıda ve tek bir replikasyon orijini içerirken ökaryotların DNA'sı linear şekilde ve birden fazla replikasyon orijini içermektedir.

• Bakteri DNA'sı nükleoidde genellikle proteinle sarılmamış bir şekilde bulunur. Ökaryot DNA'sı ise büyüklük bakımından oldukça büyük olduğundan çekirdeğe sığabilmek için histon adlı proteinlerin oluşturduğu nükleozomlarla sarılmış ve paketlenmiş bir şekilde bulunur.

• Hücre duvarı bulundurup bulundurmama ve hücre duvarının içeriği de bir diğer farklılık sebebidir. Bakterilerin bazı istisnalar hariç hepsi hücre duvarı bulundurmaktadır ve hücre duvarları peptidoglikan yapıdadır. Ökaryotlarda hayvan hücreleri hücre duvarı bulundurmazken bitki hücreleri selüloz yapıda hücre duvarına sahiptir.

• Ökaryotlarda sitoplazmada mikrotübül, mikrofilament ve intermediate filamentler tarafından oluşturulan bir hücre içi  iskeleti vardır. Hücre içi iskeleti özellikle hücre duvarı bulundurmayan hayvan hücrelerine mekanik destek, hücreye hareket kabiliyeti ve hücre içi organel ve moleküllere hareket kabiliyeti verir. Prokaryotlarda ise hücre içi iskelet bulunmaz.

DNA Replikasyonunda Görev Alan Enzimler

DNA Polimeraz: 
DNA replikasyonunda görev alan temel enzim DNA polimerazdır. DNA polimeraz nükleotitlerin arasındaki fosfodiester bağının oluşmasını yani nükleotitlerin polimerleşmesini sağlar. DNA polimeraz enerjisini nükleotit trifosfattaki fosfat atomları arasında bulunan bağdan elde eder.

• Yapılan son araştırmalarla birlikte, ökaryot hücrelerde en az 15 tip DNA polimeraz olduğu kanıtlanmıştır. Aşağıdaki resim bu polimerazların görevlerini özetlemektedir.

• Bakteriler ise ökaryotlara kıyasla az sayıda, 3 tip DNA polimeraza sahiptir. Bu polimerazların görevleri aşağıdaki resimde özetlenmiştir.

Helikaz:

DNA çift sarmallı bir yapıya sahiptir. DNA replikasyonu sırasında her bir zincirin başka bir zincire şablon oluşturması gerektiğin dolayı, 2 zincirin bazları arasındaki hidrojen bağlarının kırılması gerekmektedir. Helikaz enzimi ATP enerjisini kullanarak bu hidrojen bağlarını kırar ve DNA'nın 2 zincirinin ayrılıp DNA replikasyonunun başlamasını sağlar.

Tek Zincire Bağlanan Protein:

Tek zincire bağlanan protein, DNA'nın 2 zincirine ayrı ayrı bağlanır. Bu proteinin görevi, helikaz DNA sarmalındaki hidrojen bağlarını yıkıp DNA zincirlerini ayırdıktan sonra, 2 adet zincirin bir araya gelmesini engellemektir.

Primaz:

DNA polimeraz sentez yapabilmek için 3'OH ucuna ihtiyaç duyduğundan, DNA replikasyonunu başlatamaz. DNA replikasyonunun başlaması için primaz enzimi ribonükleotitlerin polimerleşmesini sağlar ve özel bir RNA olan primerin sentezlenmesini sağlar. Primer DNA polimeraz için gerekli OH ucunu sağladığından, DNA polimeraz sentezini gerçekleştirebilir.

DNA Ligaz:

DNA replikasyonu sırasında, DNA polimeraz sadece 5'ucundan 3'ucuna sentez yapabildiği için( bu konuyla ilgili detayları 

https://aboutmolecularbiology.blogspot.com.tr/2017/06/dna-replikasyonu-bolum-2.html 'dan öğrenebilirsiniz) 2 zincirden bir tanesi kesikli olarak sentezlenir ve ortaya Okazaki fragmentleri ortaya çıkar. DNA replikasyonu sona erdikten sonra, DNA ligaz ATP enzimi kullanarak bu fragmentleri bir araya getirir.

DNA Topoizomeraz:

DNA sarmalı helikaz enzimi tarafından açılırken ( Bu olayı bir fermuarın açılmasına benzetebilirsiniz) DNA'nın açılmamış kısımlarında yani alt kısımlarında bir miktar gerilim oluşur. DNA topoizomeraz enzimi DNA'nın tek zinciri üzerinde düzenli kırıklar oluşturarak bu gerilimi azaltır ve DNA'nın bu gerilimden dolayı yapısının bozulmasını önler.

Ribozom

• Ribozom protein sentezinden sorumlu bir organeldir.

• Ribozom 2 adet altyapıdan oluşur. Bu yapılar büyüklüklerine göre büyük altyapı ve küçük altyapı diye adlandırılır. 
• Büyük ve küçük altyapı protein sentezlenmedikçe sitoplazmada ayrı ayrı bulunur. Protein sentezi başladığı zaman mRNA aracılığıyla bir araya gelirler.

• Ribozomlar hücrede 3 yerde bulunabilir ve bulundukları yere göre adlandırılırlar. Serbest ribozomlar sitoplazmada bulunur ve hücre içinde kullanılacak proteinlerin sentezinden sorumludur. Bağlı ribozomlar granüllü endoplazmik retikuluma bağlı bir şekilde bulunur ve hücre dışına salgılanacak proteinlerin sentezinden sorumludur. Mitokondriyel ribozomlar mitokondride bulunur ve mitokondride kullanılcak bazı protein, tRNA ve rRNA'ların sentezinden sorumludur.

• Ribozomlar nükleusun nükleolus denilen iç kısmında sentezlenir ve rRNA ve proteinlerden oluşurlar. Proteinler ribozoma yapısal destek sağlarken, rRNA'lar da ribozomun işlevlerini yerine getirmesini sağlar. Örneğin, büyük alt birimde bulunan 23S rRNA aminoasitler arasında peptit bağının oluşumunu sağlar.

• Prokaryot ve ökaryot ribozomları birbirinden oldukça farklıdır. Ökaryot ribozomu (80 S) prokaryot ribozomundan (70 S) bir miktar daha büyüktür. Mitokondriyel ribozom, boyut ve yapısal özellikleri bakımdan prokaryot ribozomuna daha çok benzemektedir. Bu açıdan da endosimbiyoz kuramını desteklemektedir.

• Bakteri ribozomu ökaryot ribozomundan farklı olduğundan dolayı, insan ya da hayvan vücudundaki bakterileri öldürmek için genelde bakteri ribozomu hedef alınmaktadır. Yukarıdaki resimde görüldüğü gibi, antibiyotiklerin büyük bir kısmı da ribozomu hedef almaktadır.