Ünitenin tamamını tek sayfada görPremium
Nükleik asitler, canlılardaki genetik bilgiyi taşıyan ve bu bilginin kuşaktan kuşağa aktarılmasını sağlayan en temel biyomoleküllerdir. İlk defa hücre çekirdeğinden 1869 yılında izole edilmişlerdir. Bu makromoleküllere 'nükleik asit' denilmesinin temel sebebi, yapılarında bulunan fosfat gruplarının güçlü bir şekilde asidik özellik göstermesidir. Canlı hücrelerin kuru ağırlığının yaklaşık %5 ile %15'lik kısmını nükleik asitler oluşturur.
Nükleik asitler temel olarak iki ana sınıfa ayrılır: Bunlar DNA (deoksiribonükleik asit) ve RNA (ribonükleik asit) olarak adlandırılır. Hücrelerin DNA içeriği her tür için son derece karakteristik ve sabittir. Belirli bir canlı türünün DNA yapısı ve kimyasal bileşimi; cinsiyet, yaş veya beslenme gibi çevresel ya da fizyolojik faktörlere bağlı olarak değişmez. Bütün prokaryotik ve ökaryotik canlılarda genler DNA yapısındadır, ancak bazı virüslerde genetik materyal DNA yerine RNA'dan oluşabilir.
Özellikle DNA, molekül kütlesi çok büyük, uzun ve çift sarmal yapıya sahip bir makromoleküldür. Bir canlı organizmanın yaşam boyu maruz kalacağı veya gerçekleştireceği tüm kimyasal ve biyolojik olaylar DNA tarafından belirlenir ve denetlenir. DNA, taşıdığı yaşamsal genetik bilgiyi doğrudan RNA aracılığıyla protein sentezine aktarır. Nükleik asitlerin yapısal birimi nükleotitlerdir ve bu nükleotidlerin fosfodiester köprüleri vasıtasıyla birbirine bağlanmasıyla nükleik asitler meydana gelir.
Nükleik asitlerin monomerik birimleri olan nükleotidler, DNA'nın yapısında deoksiribonükleotidler, RNA'nın yapısında ise ribonükleotidler olarak yer alır. Eksiksiz bir nükleotid temel olarak üç farklı molekülün birleşmesinden meydana gelir: Beş karbonlu bir şeker molekülü (riboz veya deoksiriboz), azotlu bir organik baz (pürin veya pirimidin türevleri) ve fosforik asittir. Şeker molekülünün riboz mu yoksa deoksiriboz mu olduğu, molekülün nükleotit ya da deoksinükleotit adını almasını belirler.
Nükleik asitlerin yapısında yer alan azotlu bazlardan pirimidinler düzlemsel moleküllerdir; pürinlerin yapısında ise hafif bir bükülme bulunur. Hem pürinler hem de pirimidinler 260 nm civarında UV ışığı absorpsiyonu verirler ve bu fiziksel özellik laboratuvarda miktar tayinlerinde yaygın olarak kullanılır. Sudaki çözünürlükleri oldukça az olan bu bazlar, fizyolojik koşullar altında genel olarak amino ve keto şekilleri halinde bulunmayı tercih ederler.
Nükleik asit bazları iki ana gruba ayrılır: Pirimidin bazları ve pürin bazları. Pirimidinler altıgen bir halkaya ve iki azot atomuna sahiptir; timin ve sitozin DNA'da, urasil ve sitozin ise RNA'da bulunur. Pürin bazları ise altıgen pirimidin halkasına bağlanmış beşli bir imidazol halkasından oluşur; adenin ve guanin nükleik asitlerde en çok rastlanan pürinlerdir. Ksantin, hipoksantin ve ürik asit ise daha az rastlanan diğer pürin türevleridir.
Azotlu bazlar, riboz veya deoksiriboz şekerinin 1 numaralı karbon atomuna (anomerik karbon) beta-glikozit bağı ile bağlanır. Pürin bazları şeker halkasına 9 numaralı azot atomundan bağlanırken, pirimidin bazları 1 numaralı azot atomundan bağlanır. Şeker halkası ile baz düzlemi birbirine hemen hemen dik konumdadır. Riboz ve azotlu bazın birleşmesiyle nükleozit, deoksiriboz ve bazın birleşmesiyle deoksinükleozit oluşur.
Nükleozitler fosforik asitle esterleşerek nükleotidleri meydana getirir. Bu esterleşme riboz halkasındaki herhangi bir OH grubundan gerçekleşebilir, ancak nükleik asitlerin yapısındaki asıl esterler nükleozit-5'-fosfat esterleridir. Nükleozit di ve trifosfatlar oldukça kuvvetli asidik özellik gösterirler; hücrelerin fizyolojik pH değerinde protonlarını vererek anyon haline geçer ve ortamdaki Mg++ iyonları ile kompleks oluştururlar.
Nükleotidler ve türevleri sadece nükleik asit yapı taşları olmakla kalmaz, aynı zamanda çok kritik hücresel fonksiyonlar üstlenir. Nükleozit trifosfatlar (NTP) RNA sentezinde, deoksinükleozit trifosfatlar DNA sentezinde kullanılır. ADP, ATP, GDP ve GTP yüksek enerjili fosfat bileşikleri olarak biyosentezlerde rol oynarken, UDP karbonhidrat, CDP ise lipit sentezinde taşıyıcı olarak görev yapar. cAMP ise metabolizmanın düzenlenmesinde ikincil haberci olarak işlev görür.
Nükleik asitlerin primer yapısı, nükleotidlerin 3'-5' fosfodiester köprüleri ile uç uca gelmesinden oluşur. Canlı türlerine bağlı olarak binlerce hatta milyonlarca nükleotidin birbirine bağlanmasıyla çok uzun polinükleotid zincirleri meydana gelir. Bu zincirlerde fosfodiester köprüleriyle birbirine bağlanan şeker ve fosfat molekülleri nükleik asitlerin omurgasını (iskeletini) oluşturur. Bu iskelet yapıda sürekli aynı moleküller yinelendiği için genetik bilgiyi taşıma görevi omurgaya değil, yan kollardaki farklı baz dizilimlerine düşer.
DNA'nın yapısında dört farklı baz yer aldığından dört farklı deoksinükleotid oluşur. Tekli kodlamalar sadece 4 amino asidi belirleyebilirken, ikili kombinasyonlar 16 olasılık sunar ve 20 amino asit için yetersiz kalır. Bu nedenle nükleotidlerdeki bazların üçlü diziler (kodonlar) halinde bir araya gelmesi zorunludur; çünkü 4 üssü 3 eşittir 64 farklı olasılık sağlar ve bu sayı doğadaki 20 amino asidi kodlamak için fazlasıyla yeterlidir.
1953 yılında Watson ve Crick tarafından DNA'nın üç boyutlu yapısının açıklanması bilim tarihinin dönüm noktalarından biridir. 1950 yılında Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins x-ışınları kristalografisi yöntemini kullanarak DNA'nın heliks yapıda olduğunu ve sürekli tekrarlayan bir düzen gösterdiğini kanıtlamıştır. Bu bulgular, Chargaff'ın A=T ve G≡C baz eşitliği kurallarıyla birleştirilerek DNA'nın ikincil yapısı tam olarak aydınlatılmıştır.
Doğada bulunan birçok DNA molekülü serbest 3' veya 5' uçları olmayan dairesel şekildedir. Bakteriler, mitokondriler, kloroplastlar ve bazı virüsler dairesel DNA yapısına sahip canlılara ve organellere örnek olarak verilebilir. Lineer DNA'dan farklı olarak dairesel DNA molekülleri hücre içinde kompakt bir formda paketlenmelerini sağlayan süperkoil (süpersarmal) yapılarda bulunur.
Süperkoil oluşumu, lineer çift heliks yapıdaki DNA uçlarının birleşerek halka oluşturması ve ardından bu dairesel yapının çeşitli eksenel dönüşler yapmasıyla gerçekleşir. Dairesel DNA kendi eksenine göre sağa doğru çevrilirse negatif süperkoil, sola doğru çevrilirse pozitif süperkoil meydana gelir. Doğal DNA moleküllerinde yalnızca negatif süperkoillere rastlanır; pozitif süperkoillere doğada rastlanmaz.
Negatif süperkoil oluşumu sayesinde dairesel DNA'lar, etraflarında zarlı bir yapı olmaksızın son derece küçük hücresel hacimlerde kolayca paketlenebilir. Bu dönüşüm sırasında ATP harcanır ve DNA giraz enzimi rol oynar. Süperkoil haldeki sıkışık DNA, topoizomeraz adı verilen bir başka enzim yardımıyla tekrar standart dairesel durumuna geri dönebilmektedir.