DNA Replikasyonu

DNA Replikasyonu (DNA'nın Kendini Eşlemesi)

• Canlıların bütün kalıtsal özelliklerinin DNA molekülünde bulunduğu daha önce belirtilmişti.
• Sağlıklı hücreler bölündüğü zaman kalıtsal özelliklerin hiçbir değişikliğe uğramadan yavru hücrelere eşit şekilde aktarılması gerekir.
• DNA molekülü, hücrelere eşit şekilde aktarılmasaydı ne gibi sonuçlar ortaya çıkardı?

Replikasyon Nedir?

• DNA’nın eşlenerek bir kopyasının oluşturulmasına replikasyon denir.
• Replikasyon sonucu oluşan DNA’lar, hücre bölünmesiyle kalıtsal özellikleri değişikliğe uğramadan eşit şekilde yavru hücrelere aktarır.
• Hücrede DNA replikasyonu, hücre bölünme evresi başlamadan interfazda gerçekleşir.

Semi Konservatif (Yarı Korunumlu) Model:

• DNA, kendisini yarı korunumlu olarak eşler.
• İki zincirli sarmal DNA’nın her bir ipliğinin kalıp görevi yaparak kendine eş yeni bir DNA ipliği oluşturmasına yarı korunumlu eşlenme denir.
• Bu durumda her ana DNA molekülünden yeni oluşan DNA molekülleri, ana DNA’nın bir zincirini taşır.

Matthew Meselson (Methiv Meselsın) ve Franklin Stahl (Franklin Sıtal)'ın Sürece Katkıları

• DNA’nın yarı korunumlu olarak eşlenmesini kanıtlayan deneyler, Matthew Meselson (Methiv Meselsın) ve Franklin Stahl (Franklin Sıtal) tarafından 1958 yılında yapılmıştır.
• Meselson ve Stahl, Escherichia coli (Eşherşiya koli) bakterileriyle yaptıkları deneyler sonucunda DNA molekülünün yarı korunumlu eşlendiğine dair kuvvetli kanıtlar ortaya koymuşlardır.

Meselson ve Stahl’ın yaptığı çalışmalar aşağıda özetlenmiştir.

• E.coli bakterilerinin azotun ağır izotopu olan 15N içeren kültür ortamında birçok nesil boyunca çoğalmaları sağlanmıştır.
• Kültürdeki bakterilerin DNA’ları ayrıştırılıp santrifüj edildiğinde DNA’ların tüpün dip kısmında bir bant oluşturacak şekilde toplandığı görülmüştür.
• DNA’larında 15N bulunan bakteriler, 14N içeren kültür ortamına bırakılmıştır.
• Birinci çoğalma sonucunda bakteri DNA’ları ayrıştırılıp santrifüj edildiğinde deney tüpünün orta kısmında bir bantlaşma olduğu gözlemlenmiştir.
• Orta kısımda bantlaşmanın nedeni, birinci bölünme sonucu meydana gelen bakteri DNA’larının %100 14N15N (melez DNA) taşımasıdır.
• Melez DNA’lı bakteriler, bir kez daha 14N içeren ortama bırakılmıştır.
• İkinci çoğalma sonucunda bakteri DNA’ları ayrıştırılıp santrifüj edildiğinde deney tüpünün hem orta hem de üst kısmında bantlaşma olduğu gözlemlenmiştir.
• Üst ve orta kısımda ortaya çıkan bantlaşmanın nedeni, ikinci çoğalma sonucu meydana gelen bakteri DNA’larının %50 14N14N (normal azotlu DNA) ve %50 14N15N (melez DNA) taşımasıdır.

DNA’nın Kendini Eşleyebilmesinin Özellikleri

• DNA’nın kendini eşleyebilmesi için dört çeşit deoksiribonükleotit, DNA polimeraz, DNA ligaz, helikaz enzimleri, kalıp görevi görecek DNA, DNA polimeraz aktivitesi için de Mg iyonları gereklidir.
• Hem prokaryot hem de ökaryot hücrelerde replikasyonun gerçekleşme şekli aynıdır.
• Replikasyon sürecini başlatan olay, replikasyon başlangıç noktalarının (replikasyon orjinlerinin) belirlenmesidir.
• Replikasyonun gerçekleştiği bölgelerde bir başlangıç bir de bitiş noktası vardır.

DNA Replikasyonu Nasıl Gerçekleşir?

DNA replikasyonu çok sayıda enzimin rol oynadığı bir olaydır. DNA’nın kendini eşleyebilmesi için ortamda adenin, guanin, sitozin ve timin deoksiribonükleotitlerinin; DNA polimeraz, DNA ligaz, helikaz enziminin; RNA primerlerinin ve DNA polimerazı aktifleştirmek için magnezyum (Mg) iyonlarının olması gerekir.

Replikasyon Orjini Nedir?

• Replikasyon orjini, replikasyonun başlangıç noktasıdır.
• Replikasyon orjini belirlendikten sonra replikasyonun başlayabilmesi için DNA çift zincirinin açılması gerekir.
• Başlangıç noktasından iki zincir ters yönde ayrılmaya başladığında kromozom üzerinde replikasyon çatalı adı verilen bir yapı ortaya çıkar.
• Replikasyon çatalı, önce orjin noktasında meydana gelir ve replikasyon devam ettikçe ilerler.
• Prokaryot hücrelerde yer alan halkasal DNA’da replikasyon için bir başlangıç bir de bitiş noktası bulunur.
• Prokaryotlarda replikasyon süreci iki yönlü devam eder.

• Ökaryot hücrelerde ise DNA üzerinde çok sayıda başlangıç noktası vardır.
• Ökaryotlardaki DNA moleküllerinin çok uzun olması ve DNA polimerazlarının nükleotit ekleme hızının prokaryot hücrelerdekinden daha düşük olması fazla sayıda replikasyon orjininin oluşturulmasına neden olur.
• Bu farklılık, DNA’nın kısa zamanda replikasyonunu sağlar.

• DNA replikasyonunda görev alan enzimler, DNA’nın çift sarmalını birbirinden ayırmak ve aynı anda kopyalamak için gereklidir.
• DNA replikasyonu sırasında DNA’nın her bir zinciri, yeni oluşturulacak zincirler için kalıp görevi yapar.

Helikaz Enzimi Ne İşe Yarar?

• DNA’nın kendini eşlemesi için çift sarmal zincirlerin açılması gerekir.
• Helikaz, azotlu organik bazlar arasındaki zayıf hidrojen bağlarını kopararak sarmal zincirleri birbirinden ayırır.
• Ayrılan zincirleri replikasyon sırasında kalıp zincir hâline getirir.
• Helikaz enziminin DNA zincirlerini açması sırasında ATP harcanır.
• Replikasyon olayı, helikaz aktivitesiyle oluşan replikasyon çatalının ana DNA molekülü boyunca replikasyon orjininden başlayarak ilerlemesiyle gerçekleşir.

Polimeraz Enzimi Ne İşe Yarar?

• DNA sentezi sırasında yeni sentezlenecek zincirin ucuna nükleotit eklemesi yapar.
• DNA polimeraz, açıkta kalan baz uçlarına ortamda bulunan ve daha önce sentezlenmiş olan serbest nükleotitlerden uygun olanları eşleştirir.
• Eşleşme sırasında DNA polimeraz; adeninin karşısına timin, guaninin karşısına sitozin nükleotitini ekler.
• DNA polimeraz aktivitesi sonucunda iki tane çift zincirli DNA sentezlenmiş olur.
• DNA polimeraz, replikasyonda görevli olmasının dışında DNA ipliğinde meydana gelen hataların onarılmasında da rol oynar.
• DNA polimerazın varlığı, DNA ipliklerinde meydana gelen hataların yavru hücrelere aktarılma ihtimalini de azaltır.

DNA Ligaz Enzimi Ne İşe Yarar?

• DNA replikasyonu sırasında oluşturulan yeni polinükleotit parçacıkları arasındaki boşlukları kapatır.
• Bu DNA parçacıkları fosfodiester bağıyla birleşir.
• Böylece bir tam zincir oluşur.

Okazaki Parçaları

     Özel enzimler replikasyon orijinini tanır. DNA replikasyonu, replikasyon orijininde iki yöne doğru ilerler. Böylece bir replikasyon kabarcığı oluşur. Replikasyon kabarcığının her bir ucunda replikasyon çatalı yer alır. Bu noktalarda atasal DNA zincirleri çözülmüş durumdadır. Çözülme işleminde DNA helikaz enzimi görev yapar. Atasal DNA’nın zincirlerine bağlanan bazı proteinler, atasal DNA zincirlerinin birleşmesini engeller. Bu DNA zincirleri yeni DNA zincirleri için kalıp olarak görev yapar. Kısa bir RNA primeri, yeni DNA zincirinin sentezini başlatır. RNA primerinin 3’ ucuna DNA polimeraz enzimi kalıp DNA zincirine uygun nükleotitleri ekler. Böylece zincirlerden biri, 5’ ucundan 3’ ucuna doğru kesintisiz olarak sentezlenir.

     Diğer yeni zincir 5' → 3' yönünde sentezleneceği için replikasyonun yönü replikasyon çatalından uzaklaşacak şekilde olur. Bu yönde sentezlenecek zincir kesintili olarak sentezlenir. Kesintili sentezlenen zincirin bu parçalarına Japon bilim insanı Reiji Okazaki’ye (Reyci Okazaki) atfen Okazaki parçaları denir. Kesintili zincirdeki her bir Okazaki parçası için ayrı RNA primeri görev alır. Her yeni RNA primerin 3’ ucuna DNA polimeraz III bir nükleotit ekler. RNA primerleri DNA polimeraz I enzimi ile çıkarılır. DNA polimeraz I, eksik nükleotitlerin yerine yenisini koyarken DNA ligaz ise yeni sentezlenen DNA ipliğindeki parçaları birbirine bağlar. Böylece her iki zincir de eksiksiz sentezlenmiş olur.

Apoptoza

     Hücreler bölünmeden önce, DNA kendini replikasyonla iki katına çıkarmaktadır. Replikasyon olayı her zaman kusursuz olmamaktadır. Bazen mutasyonlar olabilmektedir. Mutasyonlar çoğu zaman etkisiz olsa da bir kısmı faydalı, bir kısmı zararlıdır. İşte bu zararlı mutasyonlar vaktinde düzeltilemezse hücre ya apoptoza (programlı hücre ölümü) girer ya da kanser hücresine dönüşür.