Nükleik Asitlerin (DNA ve RNA)

Yapıları

Dr Lülüfer Tamer Gümüş

Sağlık Slaytları http://hastaneciyiz.blogspot.com

NÜKLEİK ASİTLER

İlk defa, İsviçreli bir biyokimyacı olan FRİEDRİCH MİESCHER, 1869 yılında akyuvarlar ve balıkların sperm hücrelerinden nükleik asitleri ayırmıştır.

Ayrılan bu maddelerin, o zamana kadar hücrelerde bulunduğu bilinen maddelerden çok farklı olduğunu görmüştür. Asit özelliği gösteren bu maddelerde çok miktarda fosfor bulunmaktadır.

Hücrenin çekirdeğinde bulundukları içinde bu maddelere nükleik asit (DNA ve RNA) adı verilmiştir

Nükleik asitler yüksek moleküler ağırlıklı polimerik bileşiklerdir.

Tam hidrolizleri ile baz (pirimidin-pürin), şeker ve fosforik asit oluşur.

Kısmi hidrolizle nükleozid ve nükleotidler oluşur.

NÜKLEİK ASİTLERİN YAPISI

Genetik bilgi akışı; Santral dogma hipotezi

DNA (Deoksiribonükleik Asit)

HücreHücreNNükleusükleus

KromozomKromozom

DeoDeoksiksiribriboozz nu nukkleileikk aassidid

GenGenlerler

DNA vücüttaki bütün proteinlerden sorumludur.

Her organizmada genetik bilgi kaynağı ve aktarıcısıdırlar. Türler arası benzerlik gösterir, Şempanzeler ile 98 % aynı genlere sahibiz

DNA bir organizmadaki her hücredeki genetik bilgiyi içerdiği için genetik materyal olarak kabul edilmektedir

Fosfodiester bağları ile bağlı deoksiribonükleotid polimeridir

Zincir iskeleti fosfat, şeker ve bazları içerir. Deoksiribonükleotid

yapısı

A

T

G C

A

T ÖZELLİKLERİ

1 . Çift iplikten oluşmuştur

2 . Nüklotid zincirleri birbir lerine zayıf Hidrojen bağları ile bağlanmıştır

3. Daima A karşısına T , G karşısına ise C gelir

A-T eşleşmesi iki hidrojen bağına sahiptir

G-C eşleşmesi üç hidrojen bağına sahiptir

Baz çiftleşmesi-Chargaff kuralı

Chargaff kuralı: çoğu organizmada DNA’daki G içeriği daima C’ye ve A içeriği de T’ye eşittir.Bu durum G’nin C ile ve A’nın T ile eşleştiğini gösterir.

DNA’NIN KENDİNİ EŞLEMESİ

DNA kendini eşlerken fermuar şeklinde açılır ve nükleotid parçaları YENİ ipliği oluştururlar. Böylece olay sonunda genetik şifrenin değiş mediği iki DNA oluşur bu olaya REPLİKASYON adı verilir. Bölünme öncesi bütün hücrelerde görülür

REPLİKASYON

RNA

RNA (Ribonükleik Asit) fosfodiester bağları yoluyla bağlı ribonükleotid polimeridir.

Ribonükleotid yapısı

RNA’nın YAPISI ve RNA ÇEŞİTLERİ

A

U

G

C

ÖZELLİKLERİ

1.Tek zincirlidir. Kendini eşleyemez, DNA tarafından üretilir.

2.% 10 Çekirdekte % 90 Stoplazmadadır

3. m-RNA ,t-RNA ve r-RNA olmak üzere 3tiptir

4. Hücredeki oranı r-RNA >t-RNA > m-RNA

5. Ömrü en kısa olan mRNA

mRNA

tRNA

13

Tip Kısalltma İşlev Dağılım

Mesajcı RNA mRNA Protein Kod. Tüm Canlılar

Ribozomal RNA rRNA Protein Sentezi Tüm Canlılar

Taşıyıcı RNA tRNA Protein Sentezi Tüm Canlılar

Ters Anlamlı RNA aRNA Gen Düzen. Tüm Canlılar

Küçük enterfarnscı RNA

siRNA Gen Düzen. Çoğu Ökaryot

Mikro RNA miRNA Gen Düzen. Çoğu Ökaryot

Küçük nükleer RNA snRNA Çeşitli Ökaryot

Küçük nükleolar RNA snoRNA RNA'nın çekirdekte mod Ökaryot

Ribonükleaz P RNaz P tRNA erginleşmesi Tüm Canlılar

Ribonükleaz MRP RNaz MRP rRNA erginleşmesi, DNA rep Ökaryotlar

Sinyal Tanıma Tanaciği RNası

SRP RNA Protein ihracı Tüm canlılar

BAZI RNA TİPLERİ

Nükleotid yapısıNükleotid yapısı

Bir nükleotid:

Bir azotlu baz . Adenin, guanin, sitozin ya da timin (RNA’da timin yerine urasil)

Bir beş karbonlu şeker (Pentoz)

Bir ya da daha çok fosfat grubu

Halkasal 5-karbonlu şeker

Pürinler

DNA ve RNA iki pürine sahiptir: adenin (A) ve guanin (G).

Pirimidinler

DNA’da iki pirimidin bulunur: sitozin (C), ve timin (T).

RNA’da da iki pirimidin bulunur, sitozin(C), ve urasil (U) (timin yerine).

-N-glikosidik

Karbohidrat

Baz

Nükleozid; Şeker ve Baz

Şekerin ilk karbonu ve baz nitrojeni arasındaki bağ glikozidik bağdır

Başlıca Nükleozidler:

Adenozin

NH

N N

N

NH2

O

OHOH

CH2

OH

NH

N N

N

O

O

OHOH

CH2

OH

NH2

Guanozin

N

NO

O

OHOH

CH2

OH

NH2

Sitidin

NH

NO

O

OHOH

CH2

OH

O

Üridin

-N-glikosidik Pürinlerde N-9Pirimidinlerde N-1

DNA; deoksiriboz

N9N1

N1

CH2 N

3

CH6 C5

C4 N

H7

CH8

N9

Pürin

N3

CH2 N

1

CH

CH5

CH6

Pirimidin

Karbohidrat

Baz

Fosfat

PürinPirimidin

RibozDeoksiriboz

Nükleotidler; nükleozidlerin mono, di veya trifosfat esterleridir ve negatif yük sağlarlar

Nükleotid; Baz + Karbohidrat + Fosfat

Karbohidrat

Baz

FosfatFosfat, pentozun5. Karbonuna ester bağı ile

Ester Bağı

Nükleozid ve Nükleotidlerin İsimlendirilmesi

BAZ RİBONÜKLEOSİD RİBONÜKLEOTİD (5’-MONOFOSFAT)Adenin (A) Adenosin Adenosin monofosfat (AMP) veya AdenilatGuanin (G) Guanosin Guanosin monofosfat (GMP) veya GuanilatSitozin (C) Sitidin Sitidin 5’-monofosfat (CMP) veya SitidilatUrasil (U) Üridin Üridin 5’-monofosfat (UMP) veya ÜridilatBAZ DEOKSİRİBONÜKLEOSİD DEOKSİRİBONÜKLEOTİD (5’-MONOFOSFAT)Adenin (A) Deoksiadenosin Deoksiadenosin 5’-monofosfat (dAMP) veya

DeoksiadenilatGuanin (G) Deoksiguanozin Deoksiguanozin 5’-monofosfat (dGMP) veya

DeoksiguanilatSitozin (C) Deoksisitidin Deoksisitidin 5’-monofosfat (dCMP) veya

DeoksisitidilatTimin (T) Deoksitimidin Deoksitimidin 5’-monofosfat (TMP) veya

Deoksitimidilat

Adenin — adenozin — adenozin monofosfat

Nitrojen 9

Karbon 1

Karbon 5

Karbon 3

Adenozin

AMP

Guanin — guanozin —guanozin monofosfat

Guanozin GMP

Guanin

1

3

Sitozin — sitidin — sitidin fosfat

1

3

Sitidin CMP

Timin —Timidin —Timidin monofosfat

Timidin TMP

Urasil — Uridin —Uridin mono fosfat

Üridin UMP

Mono, Di ve Tri Nükleotidler

mono Di Tri

Nükleotid bağlantısı; fosfodiester bağıdır.

Nükleik asitlerdeki monomerler arası bağlanma bir birimdeki 5’ karbonu üzerindeki hidroksil grubu ve diğerinin 3’ hidroksiline bağlı fosfat grubu yoluyla olmaktadır

Nükleotidlerin özellikleri

Pürin ve pirimidin bazları hidrofobiktir ve hücrede nötral pH civarında suda çözünmez Nükleotidler oldukça güçlü asitlerdir (fosfatın primer iyonizasyonu için pKa~1.0 ile).

Asidiktirler

Fosforik asit gruplarının protonları ayrışabilir, Oluşan fosfat anyonları Mg++ ve Ca ++ ile sıkı kompleksler oluşturur.

N

NN

N

NH2

O

OHOH

OPOPOP

O

O

O

O

O

OO

Mg2+

Bazlar tautomerik biçimleri (hidrojen atomları ve çift bağların yerlerinde değişim) arasında dönüşüm yeteneğine sahiptir.

Pürin ve pirimidin halkalarındaki konjuge çift bağ sistemi spektrumun ultraviyole bölgesine yakın alanda ışığı kuvvetle absorbe eder

Bu güçlü absorbans sıklıkla nükleik asitlerin kantitatif ölçümünde kullanılmaktadır.

DNA ve RNA 260nm’de ölçülebilmektedir

Ribonükleotidlerin ultraviyole spektrumu. pH7.6

Siklik Nükleotidler

Nükleotid monofosfatın iki serbest hidroksil grubunun esterleşmesi ile siklik yapı oluşur.

N

NN

N

NH2

O

OH

HH

HHO

P

O-

O

O

3', 5'-Cyclic AMP(cAMP)

Genel olarak nükleozidler “ Adenozin“ hariç – biyolojik işleve sahip değildir

Adenozin lokal hormon olarak etki eder:

•Kas hücreleri adenozin salgılar. Damarlar genişler ve kan akımı, O2 ve besin taşınımı artar.

•Kalp ritmini düzenler.

•Uyku düzenlenmesinde yer alır.

Nükleozidlerin biyolojik işlevi

Nükleotidlerin Fonksiyonları

Nükleik asitlerin (DNA ve RNA ) aktif öncülleridirler.

Metabolik düzenleyiciler olarak iş görürler (örneğin cAMP - hücre sinyal sisteminin aktivasyonu).

Tüm hücrelerde başlıca enerji kaynağı olarak işlevleri vardır (ATP , GTP).

Adenozin Türevleri

Adenin nükleotidleri başlıca üç koenzimin bileşenidir: NAD, FAD ve KoA.ADP ve ATP Oksidatif fosforilasyonda substrat ya da ürün Serbest enerjinin başlıca dönüştürücüsü

3’-5’-siklik adenozin monofosfat (cAMP) Hücre içi sinyal iletiminde ikincil mesajcı

cAMP bağımlı protein kinaz aktivitesi

S-adenozilmetiyonin (SAM) Metilasyon reaksiyonlarında metil donörü Poliamin sentezinde propilamin kaynağı

Guanozin Türevleri

GDP ve GTP Substrat düzeyinde fosforilasyon reaksiyonları Adenilil siklaz aktivasyonu Allosterik regülatör Protein sentezinde enerji kaynağı

Siklik GMP (cGMP) Hücre içi sinyal iletiminde ikincil mesajcı cAMP’ye antagonist NO ile artış

Hipoksantin Türevleri

Hipoksantin ribonükleotid (IMP) pürin ribonükleotidlerinin öncülüAMP deaminasyonu ile artarDefosforilasyonu ile inozine dönüşür

Urasil Türevleri

UDP-şeker türevleri; glukoz-1-fosfatın galaktoz-1-fosfata epimerizasyonuna katılır

UDP-glukoz; glikojen sentezinde glukoz vericisidir

UDP-şekerler; glikoprotein ve proteoglikanların sentezinde de şeker vericisidir

UDP-glukuronik asit; konjugasyon reaksiyonlarında glikozidik asit donörü (ör.bilirubin konjugasyonu).

Sitozin Türevleri

CTP fosfogliserit sentezinde gerekli Seramid ve CDP-kolinle oluşan sfingomiyelin

ve diğer sfingozin türevleri

Ribonukleotid ve deoksiribonükleotid fosfatlar (Nükleotidler) bütün hücreler için esansiyeldir

DNA ve RNA sentezlenemez

Protein sentezlenemez (CHO, Lipid, enzim, sinyal iletimi)

Hücreler prolifere olamaz

Çoğu metabolik hastalık etiyolojisinde nükleotid metabolizması sorumludur.

Doğal olarak oluşan pürin türevleri

HN

N NH

N

O

Hypoxanthine

HN

NH

NH

N

O

Xanthine

O

Uric Acid

HN

NH

NH

HN

O

O

O

Sentetik Nükleotid Analogları

İki mekanizma ile nükleotid metabolizmasına etki ederler.

1. Nükleik asit sentezi için gerekli özgül enzimlerin inhibisyonu

2. Metabolitlerinin nükleik asitlere katılması ile baz çiftlerini etkileyerek bilginin doğru aktarılması

Sentetik Nükleotid Analogları; Tedavi amacı ile kullanılırlar

5-fluoro ve 5-iodo urasil ya da deoksiuridin türevleri ->timin ya da timidin analogları6-thioguanin6-mercaptopurine5- veya 6-azauridin5- veya 6-azasitidin8-azaguanin

N

N NH

N

SH

6-Merkaptopürin

COO-NH3+

ONH2

COO-

O

NH3+

OCH

N+

N

COO-NH3+

OCH

N+

N

Glutamin Azaserin 6-Diazo-5-oksonorlösin

Adenilosüksinaz ve IMP Dehdrogenaz inhibitörüdür.

Azaserin; FGAM sentetaz Diazonolösin; A.Imidazol sentetaz

Nükleik asitlerinin yapıları

Primer

Sekonder

Tersiyer

Nükleik asitlerin primer yapısıNükleotidler nükleik asitleri oluşturmak üzere 5’ ve 3’ karbon atomları arasında fosfodiester bağları aracılığıyla bağlanırlar

P

5’

3’

OH

AC GT

P PP P

5’ 5’ 5’ 5’

T3’ 3’ 3’ 3’

Çok sayıda nükleotid birleştiğinde uzun tek zincirli polinükleotid ya da nükleik asit oluşur

5’

3’

RibozC-5

Nükleik asit primer yapısı

Nükleik asit primer yapısı nükleotidlerin dizisidir.

Tek zincirli DNA’nın nükleotid dizisi

5’ 3’

Nükleik asit sekonder yapısı

Baz çiftleri arasındaki aralık, iki baz arası 0.34 nm.dir. Her dönü 34 nm

DNA sağ el ya da sol el yönünde dönüşlerle şekil alabilir

Watson-Crick modeli

Watson-Crick modeli Her dönüde antiparallel çift sarmal baz

çiftleri. Çiftleşme A-T ve G-C.

DNA’nın Watson-Crick modeli B form sarmalıdır.

Çift Sarmal Biçimleri

0.26 nm

2.8 nmMinorgroove

Majorgroove

C GA T

T AG C

C G

G CT A

A T

G CT A

A TC G

A T

G C

1.2 nm

A DNA

1 nm

Majorgroove

Minorgroove

A T

T AG C

C G

C G

G CT A

A T

G CT A

A TC G

0.34 nm

3.9 nm

B DNA

+34.7o Rotasyon/Bp

11 Bp/dönüş-30.0o Rotasyon/Bp

12 Bp/dönüş+34.6o Rotasyon/Bp

10.4 Bp/dönüş

C GG C

G CC G

C G

G CG C

G CC G

G CC G

0.57 nm

6.8 nm

0.9 nm

Z DNA

B form sarmalı

Hücrelerde bulunan DNA en çok bu konformasyonu gösterir

Fizyolojik koşullar altında B form

Sarmalın dönüş yönü : sağ

Her dönüşteki rezidü sayısı : 10

Rezidü başına rotation : 36

Rezidü başına sarmalda artış : 0.34 nm

Sarmal adımı : 3.4 nm

A-form sarmalı

A form heliksi düşük nem koşullarında hazırlanmaktadır. Sarmal dönüş yönü : sağHer dönüdeki rezidü sayısı : 11Rezidü başına dönüş : 33°Rezidü başına sarmalda artış : 0.255 nmSarmal adımı : 2.8 nm

DNA A-type (140D)(low water content)

Z form sarmalı - B DNA alternatif sol-el

biçimini alabilir. Bu yapı - “ Z DNA “ olarak

adlandırılır.Sarmal dönüş yönü : solDönüş başına rezidü sayısı : 12 (6 dimer)Rezidü başına sarmalda artış : 0.37 nmSarmal adımı : 4.5 nm

DNA Z-type (2ZNA)(high salt concentration)

DNA’nın denatürasyonupH değiştirilirse; bazlar iyonize olurısı artırılırsa; H bağları etkilenir ve 2 DNA zinciri açılır.

59

Heliks yapısının yarısının açıldığı ısıya DNA nın erime derecesi ( melting tempature, Tm) denir. DNA çift zincirinin açılması DNA DENATÜRASYONU olarak adlandırılır, 260 nm de ölçüm yapılır

Fosfodiester bağları ısıya dayanıklıdır.

Melting Tempature:

60

Tek sarmallı DNA çift sarmala oranla 260 nm de dahafazla absorbans verir

A-T den zengin bölge G-C den zengin bölgeye göre daha düşük ısılarda denatüre olur.

PCR

62

Amplifikasyon

istenen gen

şablon DNA

1’nci döngü

2’nci döngü

4’üncü döngü

3’üncü döngü

35’inci döngü

21 =2 kopya

22 =4 kopya 8 kopya 16 kopya

235 = 34 milyar kopya

Leninger 112601

63

Klinikte Kullanım: Ör; Faktör V Leiden

DNA’nın tersiyer yapısı

DNA’nın iki ucu bağlanabilmekte ve halkalaşmaktadır.

Mitokondrial DNA

Mitokondriyal matriks proteinlerinin tümünün sentezi için gerekli bilgiyi kodlar. Mitokondrideki 2 adet rRNA ve 22 adet tRNA’yı kodlar. ETZ ve oksidatif fosforilasyon ile ilgili bazı proteinleri kodlar. Bakteri DNA’sına benzer, halkasaldır.

Mt.DNA'nın çekirdek DNA'sından bağımsız replikasyon ve transkripsiyon sistemi vardır.

İnsan mt-DNA’sı maternal kalıtımla geçer. Anne tüm çocuklarına mt DNA’sını aktarırken, sadece kız çocuklar bunu ikinci kuşağa aktarır.

Mitokondrial DNA çekirdek DNA’sına benzemekle birlikte belirgin farklılıklar da göstermektedir. a) 3.5 milyon kb'lik çekirdek DNA’sı yanında, 16.5

kb'lik mt-DNA çok küçük bir genoma sahiptir. b) mt.DNA kompakt bir yapıya sahip olup intron

içermez. Sağlık Slaytları http://hastaneciyiz.blogspot.com