DNA'nın yapısı

Bükülme tercihleri

DNA moleküllerinin bükülmesine tercihli yönler vardır, yani DNA anizotropik bükülme gösterir. Bunun nedeni DNA dizisini oluşturan bazların özellikleridir; rastgele bir dizinin tercihli bir bükülme yönü yoktur.

Tercihli DNA bükülmesi, her bazın komşusu üzerinde istiflenmesinin stabilitesi tarafından belirlenir. Eğer kararsız baz istiflenmesi DNA sarmalının hep aynı tarafında yer alırsa DNA o yöne doğru bükülür. Bükülme açısı artınca sterik engeller ve bazların birbirine göre yuvarlanması da bükülmede rol oynar, özellikle küçük olukta. A ve T bazları bükülmelerin iç tarafında küçük olukta tercihen bulunurlar. Bu etki özellikle DNA-protein bağlanması sonucu sıkı bükülmenin oluştuğu yerlerde görülür, nükleozom taneciklerinde olduğu gibi. Yukarıdaki tabloda baz çarpıtmalarına (distorsiyonlarına) bakınız.

İstisnai bükülme tercihi olan DNA molekülleri içsel olarak büküktürler. Bu olgu ilk defa tripanozomlardaki kinetoplast DNA'sında gözlemlenmiştir. Buna neden olan tipik DNA dizileri 4-6 T ve A bazından oluşan bölümler ve bu bölümleri DNA'nın hep aynı tarafındaki küçük oluğa rastlatacak şekilde aralarda G ve C-zengini bölümlerdir.



Örneğin:

| | | | | |
G A T T C C C A A A A A T G T C A A A A A A T A G G C A A A A A A T G C C A A A A A A T C C C A A A C

Bu içsel olarak bükük yapıda baz çiftlerindeki 'pervane burulması' meydan gelir, yani baz basamakları arasında anormal çatallaşmış Hidrojen bağları oluşabilir. Yüksek sıcaklıklarda bu yapı ve onun neden olduğu içsel büküklük kaybolur.

Anizotropik olarak bükülen her DNA'nın süreğenlik uzunluğu ortalamadan daha fazladır ve eksensel bükülmezliği daha çoktur, yani rastgele bükülme olasılığı daha düşüktür.

DNA halkalaşması

DNA halkalaşması molekülün hem eksensel (bükülme) sertliği hem de torsiyonal (dönel) sertliği ile ilişkilidir. Bir DNA molekülünün başarılı bir şekilde halkalaşabilmesi için tam halka olabilecek kadar uzun olması gerekir; buna ilaveten, kovalent bağların oluşabilmesi için uçtaki bazların doğru açıya sahip olması gerekir, bunun için de molekülde doğru sayıda baz bulunması gerekir. DNA halkalaşması için optimal uzunluk 400 baz çiftidir (136 nm uzunluk), DNA sarmalındaki dönmelerin sayısı tam sayı olmak zorundadır. Dönme sayısı tam sayı değilse halkalaşmak için hatırı sayılır bir enerji bariyeri yaratır; örneğin 10,4 x 30 = 312 baz çiftli bir molekül 10,4 x 30,5 ≈ 317 baz çiftli bir molekülde yüzlerce kere daha hızlı halkalaşır.

DNA uzaması

Uzun DNA parçaları gerilim altında entropik olarak elastiklik gösterirler. DNA çözeltideyken, solventte bulunan enerjiyle ilişkili olarak sürekli yapısal varyasyonlar geçirir. Bunun nedeni, moleküldeki ısıl (termal) titreşimler ve, buna ek olarak, su molekülleri ile olan sürekli çarpışmalardır. Entropik nedenlerden dolayı, sıkışık ama gevşek olan yapılar ısının bu etkilerine daha duyarlıdır, uzamış yapılara kıyasla, ve bu nedenle DNA molekülleri evrensel olarak karışık ve gevşek yapılara sahiptir. Bu nedenle tek bir DNA molekülü kuvvet etkisiyle uzayıp düzleşir. Optik cımbız kullanarak DNA'nın entropik uzama davranışı incelenmiş ve fizyolojik sıcaklıklarda Kratky-Porod solucan benzeri zincir modelindeki gibi davrandığı bulunmuştur.

Yeterli gerilim ve pozitif buru (tork) etkisi altında DNA bir faz değişmesi (evre geçişi) gösterir, bazlar dışarı, fosfatlar içeri döndüğü öne sürülmüştür. Bu aşırı gerilmiş DNA için önerilen yapı "P-biçimli DNA" olarak adlandırılmıştır, DNA'nın yapısı daha bilinmezken bu yapıyı önermiş olan Linus Pauling'e atfen.

DNA'nın sıkıştırılıncaki mekanik yapısı betimlenmemiştir, polimerin sıkıştırıcı kuvvet altın bükülmesini engellemenin teknik zorluklarından dolayı.

Hibridizasyon yöntemini anlatan bir idiogram


DNA ergimesi -Hibridizasyon-

Baz basamaklarının ergime stabilitesi (B DNA)
Basamak Ergime ΔG
................../Kcal mol-1

T A -0.12

T G or C A -0.78

C G -1.44

A G or C T -1.29

A A or T T -1.04

A T -1.27

G A or T C -1.66

C C or G G -1.97

A C or G T -2.04

G C -2.70


DNA ergimesi, ikili sarmalın iplikçikleri arasındaki etkileşimlerin bozulup iki iplikçiğin ayrışması sürecidir. Bu bağlar zayıftır, hafif ısıtma, enzimler veya fiziksel kuvvet ile kolayca kırılırlar. DNA erigimesi tercihli olarak DNA üzerinde belli noktalarda meydana gelir.[20] T ve A zengini diziler, C ve G zengini dizilere kıyasla daha kolay ergir. Belli baz basamakları da DNA ergimesine daha müsaittir, özellikle TA basmaklar ve TG baz basamakları.[21] Bu mekanik özellikler, çoğu genin baş tarafında bulunan TATAA dizisinin varlığını açıklar; bu dizinin kolay ergiyebilir olması, RNA polimerazın transkripsiyona başlamak için DNA iplikçiklerini ayırmasını sağlar.

Hafif ısıtma ile iplikçiklerin ayrılması, polimeraz zincir tepkimesinde (PCR) olduğu gibi, eğer molekül 10.000 baz çiftinden (10 kilobaz çifti veya 10 kbç) küçük ise basittir. DNA iplikçiklerinin birbirine sarılmış olması uzun DNA iplikçiklerinin birbirnden ayrılmasını güç kılar. Hücre bu sorunun üstesinden gelmek için topoizomerazlarla beraber çalışan DNA ergitme enzimleri (helikazlar) kullanır. Topoizomerazlar iki iplikçikten birinin şeker-fosfat omurgasını kimyasal olarak keserek DNA'nın öbür iplikçiği etrafında dönmesini sağlar. Helikazlar iplikçiklere çözerek DNA polimeraz gibi dizi okuyucu enzimlerin ilerlemesini sağlar.

DNA topolojisi

Ana madde: DNA süpersarımı

Az bükülmeli DNA moleküllerinin süpersarımlı yapısı. DNA ikilisinin sarmal özelliği gösterilmemiştir, şekli basit tutmak için.

Hcredeki çoğu DNA topolojik olarak kısıtlanmıştır. DNA ya kapalı halka şeklindedir (prokaryotlardaki plazmitler gibi) ya da çok uzun moleküllerdir ki, bunlar, düşük difüzyon katsayısı yüzünden bunlar fiilen topolojik olarak kapalı bölgeler meydana getirir. DNA'nın lineer kısımları da çoğu zaman membranlara bağlı proteinler tarafından bağlıdır ve bunun sonucu topolojik anlamda kapalı halkalar oluşur.

Francis Crick DNA süpersarımlarında bağlantı sayısının önemini ilk öneren kişilerden olmuştur. 1976'da yayımlanan bir makalede, Crick problemi dile getirmiştir

DNA topolijisinin analizinde üç değer kullanılır:

L = Bağlantı sayısı (İng. linking number) Bir DNA iplikçiğinin öbürü etrafında kaç kere döndüğünün sayıs. Kapalı bir halka için bu bir tam sayıdır, kapalı bir topolojik bölge için de bu sabittır.
T = burulma (İng. twist) İki iplikçikli DNA sarmalındaki toplam dönüş sayısı. Normalde bu sayı DNA çözeltide serbest bulunduğu zamanki dönüş sayısına eşittir, yani, baz sayısı/10,4
W= burkulma

L = T + W ve ΔL = ΔT + ΔW

Kapalı bir topolojik bir bölgede T'deki bir değişme, W'deki bir değişme ile dengelenmek zorundadır ve bu ilişkinin tersi de doğrudur. Bunun sonucu DNA'nın üst düzey yapısı oluşur. Burkulma sayısı 0 olan halkasal bir DNA molekülü halkasaldır. Eğer molekülün burulması süpersarım yapılarak azaltılır veya artırılırsa, burkulma da uygun şekilde değişir, öyleki molekülde simitsi veya çubuksu süpersarmal bir sarım meydana gelir.

Eğer çift iplikçikli sarmal DNA'nın uçları birleştirilip bir alka oluşursa iplikçikler topolojik anlmada düğümlenmmiş olurlar. bu demektir ki, iplikçikler kesilmeden birbirlerinden ayrılamazlar; ısıtmak DNA'yı ergitse dahi, iplikçikler gene de birbirleri etrafında sarılı durumda kalırlar. Topolojik olarak bağlı iplikçiklerin düğümünün çözülmesi için topoziomeraz denen enzimler gerekldir. Bu enzimler halkasal DNA'nın düğümlü halini çözmek için iplikçiklerin ibri veya ikisini birden keseler, öyle ki başka bir tek veya iki iplikli DNA parçası onun içinden geçebilsin. Bu düğüm çözümü halkasal DNA'nın (veya topolojik olarak benzer şekilde kıstlanmış doğrusal DNA'nın) ikilenmesi ve çeşitli rekombinasyon tiplerinde gereklidir.


Bağlantı sayısı paradoksu

Yıllar boyunca ökaryotik genomlardaki süpersarılımın kaynağı gizemli kalmıştır. Bu topolojik bilmece bazılarınca "bağğlantı sayısı paradoksu" olarak adlandırılmıştı.[23] Ancak, nükleozomun yapısı çözülünce ve onun etrafında sol-elli aşırı burulmuş bir DNA olduğu görülünce bu "paradoks" çözülmüştür.

Beta-globin geninin DNA şifreleri.

Betaglobin geni kanda oksijen taşiyan hemoglobin geninin parçalarından birisini oluşturur. Şifreler tıpkı Türkçe yazılmış bir makale gibi soldan sağa okunmalıdır. Bu şifrelerden tek birinin bile hatalı olması üretilecek proteini tamamen işe yaramaz hale getirecektir. Yüzbinlerce proteinin tek birisini oluşturan parçalardan yalnızca birisinin genetik şifresi, yukarda görüldüğü gibi son derece karmasıktır. İnsan vücudunun tamamı için bu şifrelerden milyarlarcası gereklidir. Böylesine mükemmel bir bilgi, onu yaratan bir akıl olmadan asla var olamaz.

Yukarıdaki şemada anneye ait yumurta hücresi ile babadan gelen sperm hücrelerinin gelişim aşamaları görülmektedir. Ayrıca resimde sperm ve yumurtanın taşıdıkları, genetik bilgi paketleri olan kromozomların aktarımları da gösterilmektedir.

Anne ve babadan gelen kromozomlar, insanın ileride sahip olacağı bütün özellikleri belirler. Daha anne karnında yeni döllenmiş bir yumurta hücresi halinde iken, kişinin sahip olacağı göz rengi, kan grubu, yüz şekli, kemik yapısı gibi bütün özellikler belirlidir.