DNA’nın Moleküler Yapısı: Nükleotidlerden Çift Sarmala

Nükleotid ve nükleozidin yapısı

Nükleotid, bir pentoz şeker, bir azotlu baz ve en az bir fosfat grubundan oluşan moleküldür. DNA’daki pentoz şeker deoksiribozdur; RNA’daki ribozdan farkı, deoksiribozun 2′ karbonunda hidroksil grubu yerine hidrojen bulunmasıdır. DNA nükleotidlerinin bazları adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timindir (T). Adenin ve guanin iki halkalı purinlerdir; sitozin ve timin ise tek halkalı pirimidinlerdir. Şeker karbonları 1′ ile 5′ arasında numaralandırılır. Baz 1′ karbonuna, fosfat ise çoğunlukla 5′ karbonuna bağlanır.

Nükleozid ile nükleotid arasındaki temel fark fosfat grubudur. Bir azotlu bazın deoksiriboz şekeriyle birleşmesi nükleozidi oluşturur; bu yapıya fosfat eklendiğinde nükleotid elde edilir. Örneğin adenin ile deoksiribozun oluşturduğu deoksiadenozin bir nükleoziddir. Buna bir fosfat grubunun eklenmesi DNA zincirine katılabilen deoksiadenozin monofosfat türünde bir nükleotid oluşturur. Fosfat sayısı ve bağlanma biçimi, nükleotidin zincirdeki kimyasal rolünü etkiler; ancak DNA’nın bilgi alfabesini belirleyen kısım baz türüdür. Nükleotidler art arda bağlandığında polinükleotid adı verilen uzun zincirler meydana gelir.

DNA omurgası ve fosfodiester bağları

DNA’nın omurgası, dönüşümlü olarak tekrarlanan deoksiriboz ve fosfat gruplarından oluşur. Azotlu bazlar bu omurgaya bağlı halde bulunur ve zincirin dışından içeri doğru yönelir. Böylece DNA’nın kimyasal taşıyıcı kısmı şeker-fosfat dizisi, değişken bilgi kısmı ise bu şekerlere bağlanan bazların sıralanması olur.

Zincir oluşurken yeni gelen nükleotidin 5′ fosfatı, zincirin ucundaki nükleotidin 3′ hidroksil grubuyla bağ kurar. Bir fosfat grubu iki şeker arasında köprü oluşturduğu için bu bağlantıya 5′-3′ fosfodiester bağı denir. Bağın tekrarlanması, tek tek nükleotidleri sürekli bir polinükleotid zincirine dönüştürür ve zincire belirli bir yön kazandırır. Örneğin iki nükleotidin art arda bağlanmasında ilk şekerin 3′ bölgesi ile sonraki nükleotidin 5′ fosfatı arasında kurulan bağ, omurganın nasıl uzadığını gösterir. Binlerce fosfodiester bağının ardışık biçimde kurulması, DNA molekülünün uzun ve dayanıklı kimyasal iskeletini meydana getirir.

5′-3′ yönlülüğü ve antiparalel zincirler

Bir DNA zincirinin yönü, omurgadaki şekerlerin 5′ ve 3′ karbonlarıyla tanımlanır. Zincirin bir ucunda serbest 5′ fosfat, diğer ucunda ise serbest 3′ hidroksil grubu bulunur. Bu nedenle bir dizi yazılırken standart olarak 5′ ucundan 3′ ucuna doğru gösterilir. Yön, yalnızca gösterim kolaylığı değildir; fosfodiester bağlarının hangi kimyasal uçlar arasında kurulabileceğini ve zincirin uzamasının hangi uçta gerçekleşeceğini açıklar.

DNA’nın iki zinciri birbirine antiparaleldir; yani aynı yönde değil, ters yönde uzanır. Bir zincir 5′-3′ yönünde ilerlerken karşısındaki zincir 3′-5′ yönünde ilerler. Böylece karşılıklı bazlar doğru geometriyle karşı karşıya gelir. Örneğin bir zincir 5′-A G C T-3′ şeklinde gösteriliyorsa karşı zincir, aynı konumlar boyunca 3′-T C G A-5′ yönündedir. Karşı zinciri de 5′-3′ yönünde yazmak istersek sıra ters çevrilir ve 5′-A G C T-3′ biçimindeki zincire karşılık 5′-A G C T-3′ değil, ilgili bazların ters yönlü dizilimi dikkate alınarak 5′-A G C T-3′? Hayır; doğru gösterim aşağıdaki mantıktadır: üst zincir 5′-A G C T-3′ ise alt zincir 3′-T C G A-5′, alt zincirin 5′-3′ gösterimi ise 5′-A G C T-3′ olur. Bu örnekte seçilen dizi ters tamamlayanı kendisine eşit olduğu için yön ilişkisini göstermek amacıyla daha belirgin bir örnek kullanalım: 5′-A A G C-3′ dizisinin karşısı 3′-T T C G-5′, bu karşı zincirin 5′-3′ gösterimi ise 5′-G C T T-3′ şeklindedir.

Antiparalel düzen, DNA’nın kopyalanması sırasında zincirlerin kalıp olarak kullanılabilmesinin temel yapısal koşullarından biridir; kopyalanma mekanizmasının ayrıntıları ayrı bir konudur.

Tamamlayıcı baz eşleşmesi

DNA’da karşılıklı duran bazlar rastgele eşleşmez. Adenin timinle (A-T), guanin ise sitozinle (G-C) eşleşir. Bu seçicilik, bir purinin bir pirimidinle karşılaşmasını ve çift sarmalın genişliğinin düzenli kalmasını sağlar. Adenin ile timin arasındaki eşleşme hidrojen bağlarıyla, guanin ile sitozin arasındaki eşleşme de hidrojen bağlarıyla kurulur; bazların halka yapıları ve üzerlerindeki kimyasal gruplar, hangi eşleşmenin mümkün olduğunu belirler.

Tamamlayıcılık, bir zincirdeki baz dizisinin karşı zincirin dizisini belirlemesi anlamına gelir. Örneğin 5′-A C G T-3′ dizisinin karşı zinciri antiparalel olarak 3′-T G C A-5′ olur. Bir bazın karşısına farklı bir bazın geçmesi, hem eşleşme düzenini hem de çift sarmalın yerel geometrisini bozabilir. Bu nedenle tamamlayıcı baz eşleşmesi, genetik bilginin iki zincirde ilişkili biçimde tutulmasına katkı sağlar: zincirlerden biri bilindiğinde diğerinin hangi bazları taşıması gerektiği çıkarılabilir. Bu özellik, DNA’nın yapısal bilgisinin yeni bir zincir oluşturulurken korunabilmesinin temelidir; sürecin ayrıntılı adı ve aşamaları ayrı bir makalede ele alınır.

DNA çift sarmalının temel özellikleri

DNA’nın iki şeker-fosfat omurgası dışta, baz çiftleri ise sarmalın iç kısmında bulunur. Baz çiftleri, merdivenin basamakları gibi üst üste dizilir; omurgaların burulması bu düzeni çift sarmal biçimine getirir. İki zincirin karşılıklı yönlenmesi ve sabit eşleşme kuralları, sarmalın düzenli bir geometrik yapı kazanmasını sağlar. Sarmalın yüzeyinde büyük oluk ve küçük oluk adı verilen iki farklı genişlikte kanal oluşur. Bu oluklar, DNA’nın dış yüzeyinde kimyasal grupların erişilebilir olduğu bölgelerdir ve moleküler etkileşimler açısından işlevsel yüzeyler oluşturur.

Ardışık baz çiftleri arasında yaklaşık 0,34 nm’lik düzenli bir aralık bulunur. Omurganın dışta kalması, fosfat gruplarının suyla temas edebilmesini ve bazların daha korunaklı iç bölgede eşleşmesini sağlar. İçteki bazların dizisi değişebilse de A-T ve G-C eşleşmesi, iki zincirin birlikte düzenli bir helis oluşturmasına yardım eder. DNA’nın bu üç boyutlu düzeni, baz dizisinin fiziksel bir molekül üzerinde okunabilir ve karşı zincirle denetlenebilir biçimde saklanmasını mümkün kılar.

DNA dizisinin gösterimi ve tamamlayıcı diziler

DNA dizileri biyolojide varsayılan olarak 5′ ucundan 3′ ucuna doğru yazılır. Bu nedenle yalnızca harflerin sırası değil, dizinin yönü de anlam taşır. Bir zincir 5′-T A G C-3′ olarak verildiğinde karşı zincir, baz eşleşmesi ve antiparalellik birlikte dikkate alınarak 3′-A T C G-5′ biçiminde yazılır. Karşı zinciri de standart 5′-3′ yönünde göstermek için bu sıra ters çevrilir: 5′-G C T A-3′.

Tamamlayıcı dizi oluştururken işlem iki adımdan oluşur: her bazın karşılığını belirlemek ve karşı zincirin yönünü doğru çevirmek. A’nın karşısına T, T’nin karşısına A, G’nin karşısına C, C’nin karşısına G yazılır. Örneğin 5′-A C C G T-3′ dizisinin antiparalel tamamlayıcısı 3′-T G G C A-5′, bu zincirin 5′-3′ yönündeki gösterimi ise 5′-A C G G T-3′ olur. Bu gösterim, diziyi okuma yönü ile fiziksel olarak karşı karşıya duran zincirin yönünün neden birbirinden ayırt edilmesi gerektiğini açıkça gösterir. Bilgi, bazların bu sıralı dizisinde taşınır; omurga ise diziyi bir arada tutan ortak yapısal çerçeveyi sağlar.