Moleküler Biyoloji

DNA, RNA, Protein Dizileri ve Biyolojik Sistemlerin Derinlemesine İncelenmesi

DNA - Deoksiribonükleik Asit

DNA Yapısı ve Kimyası

  • Nükleotid Bileşenleri:
    • Şeker: Deoksiriboz (5 karbonlu şeker, 2' pozisyonunda OH grubu yok)
    • Fosfat Grubu: DNA omurgasını oluşturur, negatif yüklü
    • Azotlu Bazlar: Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), Sitozin (C)
  • Pürin Bazlar (Çift Halkalı):
    • Adenin (A): 6 üyeli ve 5 üyeli halka, amino grubu içerir
    • Guanin (G): 6 üyeli ve 5 üyeli halka, keto ve amino grubu
  • Pirimidin Bazlar (Tek Halkalı):
    • Timin (T): 6 üyeli halka, metil grubu içerir
    • Sitozin (C): 6 üyeli halka, amino grubu içerir
  • Chargaff Kuralları:
    • A miktarı = T miktarı (A-T baz çifti, 2 hidrojen bağı)
    • G miktarı = C miktarı (G-C baz çifti, 3 hidrojen bağı)
    • Pürin miktarı = Pirimidin miktarı

DNA Çift Sarmal Yapısı (Watson-Crick Modeli)

  • Yapısal Özellikler:
    • İki antiparalel polinükleotid zinciri (5'→3' ve 3'→5')
    • Sağa dönük sarmal (B-DNA, en yaygın form)
    • Çap: ~2 nm (20 Å)
    • Bir tam tur: 10.5 baz çifti, 3.4 nm yükseklik
    • Baz çiftleri arası mesafe: 0.34 nm
  • DNA Formları:
    • B-DNA: Standart form, sağa sarmal, fizyolojik koşullarda
    • A-DNA: Daha kompakt, RNA-DNA hibridlerinde
    • Z-DNA: Sola sarmal, GC zengin bölgelerde, gen regülasyonu
  • Major ve Minor Groove:
    • Major Groove: Geniş oluk, protein-DNA etkileşimi için önemli
    • Minor Groove: Dar oluk, bazı düzenleyici proteinler bağlanır
  • DNA Stabilizasyonu:
    • Hidrojen Bağları: Baz çiftleri arasında (A-T: 2, G-C: 3)
    • Van der Waals Kuvvetleri: Üst üste binen bazlar arası
    • Hidrofobik Etkileşimler: Bazların iç kısmı hidrofobik
    • İyonik Etkileşimler: Fosfat grupları ve katyonlar

DNA Organizasyonu ve Paketleme

  • Prokaryotlarda DNA:
    • Sirküler kromozom (bakteriyel kromozom)
    • Nükleoid bölgesinde, membransız
    • Süpercoiling: Negatif süpercoiling, topoizomerazlar
    • Plazmidler: Küçük, sirküler, ekstra-kromozomal DNA
  • Ökaryotlarda DNA:
    • Lineer kromozomlar, çekirdek içinde
    • Histon Proteinleri: H1, H2A, H2B, H3, H4
    • Nükleozom: DNA'nın histon oktameri etrafında sarılması (147 baz çifti)
    • Kromatosom: Nükleozom + H1 histonu
    • 30 nm Fiber: Nükleozomların spiral yapısı
    • Kromatin: Gevşek (euchromatin) ve sıkı (heterochromatin)
  • Kromozom Yapısı:
    • Sentromer: Kinetokor bağlanma bölgesi, mitoz/meiozda önemli
    • Telomer: Kromozom uçları, TTAGGG tekrarları (insanda)
    • Telomeraz: Telomer uzatma enzimi, yaşlanma ile ilişkili

DNA Replikasyonu

  • Replikasyon İlkeleri:
    • Yarı-Koruyucu (Semiconservative): Her yeni DNA bir eski, bir yeni zincir
    • Çift Yönlü (Bidirectional): Replikasyon başlangıcından iki yöne
    • Yarı-Süreksiz (Semidiscontinuous): Leading ve lagging strand
  • Replikasyon Mekanizması:
    • Origin of Replication (ori): Başlangıç noktası
    • Helikaz: DNA sarmalını açar, replikasyon çatalı oluşturur
    • SSB Proteinleri: Tek zinciri stabilize eder
    • Primazlar: RNA primer sentezler (8-12 nükleotid)
    • DNA Polimeraz III: Ana sentez enzimi (prokaryot)
    • DNA Polimeraz I: Primer kaldırma ve boşluk doldurma
    • Ligaz: Okazaki fragmentlerini birleştirir
    • Topoizomeraz: Süpercoiling'i çözer
  • Leading Strand (Öncü Zincir):
    • Sürekli sentez, 5'→3' yönünde
    • Tek primer yeterli
  • Lagging Strand (Geç Zincir):
    • Süreksiz sentez, Okazaki fragmentleri (100-200 nt prokaryot, 100-400 nt ökaryot)
    • Her fragment için yeni primer gerekli
  • Hata Düzeltme:
    • Proofreading: DNA polimeraz 3'→5' ekzonükleaz aktivitesi
    • Mismatch Repair: MutS, MutL, MutH proteinleri
    • Hata oranı: ~1/10^9 nükleotid

DNA Onarım Mekanizmaları

  • Base Excision Repair (BER):
    • Hasarlı bazın glikosilazlar tarafından çıkarılması
    • AP endonükleaz, DNA polimeraz, ligaz
  • Nucleotide Excision Repair (NER):
    • Büyük DNA lezyonları (UV hasarı, timin dimerleri)
    • 24-32 nükleotidlik segment çıkarılır
    • Xeroderma pigmentosum: NER defekti
  • Double-Strand Break Repair:
    • Homologous Recombination (HR): Kardeş kromatid kullanılır
    • Non-Homologous End Joining (NHEJ): Uçlar direkt birleştirilir

RNA - Ribonükleik Asit

RNA Yapısı ve DNA'dan Farkları

  • Kimyasal Farklar:
    • Şeker: Riboz (2' pozisyonunda OH grubu var)
    • Baz: Timin yerine Urasil (U)
    • Yapı: Genellikle tek zincirli
    • Stabilite: DNA'dan daha az stabil (2'-OH reaktif)
  • RNA Sekonder Yapıları:
    • Hairpin (Saç Tokası): Kısa palindromik diziler
    • Stem-Loop: Kök ve ilmik yapısı
    • Bulge: Tek taraflı çıkıntı
    • Internal Loop: İki taraflı çıkıntı
    • Pseudoknot: Kompleks katlama

mRNA - Mesajcı RNA

  • Yapı ve Fonksiyon:
    • Genetik bilgiyi DNA'dan ribozoma taşır
    • Kodon: 3 nükleotidlik amino asit şifresi
    • Prokaryot mRNA: Polisistronik (birden fazla gen)
    • Ökaryot mRNA: Monosistronik (tek gen)
  • Ökaryot mRNA İşlenmesi:
    • 5' Capping: 7-metilguanozin başlık, koruma ve translasyon başlatma
    • 3' Polyadenilasyon: Poly(A) kuyruğu (~200 A), stabilite
    • Splicing: İntronların çıkarılması, eksonların birleştirilişi
    • Alternative Splicing: Farklı protein izoformları
  • Splicing Mekanizması:
    • Spliceosome: snRNA ve proteinlerden oluşur
    • Splice Sites: 5' donor (GU), 3' acceptor (AG), branch point (A)
    • U1, U2, U4, U5, U6 snRNP'ler

tRNA - Transfer RNA

  • Yapı:
    • Yonca yaprağı (cloverleaf) 2D yapısı
    • L-şeklinde 3D yapı
    • 76-90 nükleotid uzunluğunda
  • Fonksiyonel Bölgeler:
    • Acceptor Stem: 3' ucu CCA dizisi, amino asit bağlanır
    • Anticodon Loop: mRNA kodonunu tanır (3 nükleotid)
    • D Loop: Dihidrouridin içerir
    • TψC Loop: Pseudouridin içerir
    • Variable Loop: Uzunluk değişken
  • Modifiye Bazlar:
    • Pseudouridin (ψ), Dihidrouridin (D)
    • İnozin (I): Wobble pozisyonunda
    • 100'den fazla farklı modifikasyon
  • Aminoasil-tRNA Sentetazlar:
    • Her amino asit için spesifik enzim
    • İki aşamalı reaksiyon: Aktivasyon + Transfer
    • Proofreading mekanizması

rRNA - Ribozomal RNA

  • Prokaryot Ribozom (70S):
    • 50S Alt Birim: 23S rRNA (2904 nt), 5S rRNA (120 nt), 31 protein
    • 30S Alt Birim: 16S rRNA (1542 nt), 21 protein
  • Ökaryot Ribozom (80S):
    • 60S Alt Birim: 28S rRNA, 5.8S rRNA, 5S rRNA, 49 protein
    • 40S Alt Birim: 18S rRNA, 33 protein
  • Fonksiyonlar:
    • Peptidil transferaz aktivitesi (ribozim)
    • mRNA bağlanma ve pozisyonlama
    • tRNA bağlanma siteleri (A, P, E)

Diğer RNA Türleri

  • snRNA (Small Nuclear RNA):
    • Splicing'de görevli (U1, U2, U4, U5, U6)
    • 100-300 nükleotid
  • miRNA (microRNA):
    • Gen ekspresyonu regülasyonu
    • ~22 nükleotid, post-transkripsiyonel susturma
    • mRNA degradasyonu veya translasyon inhibisyonu
  • siRNA (Small Interfering RNA):
    • RNA interferans (RNAi)
    • 21-23 nükleotid, çift zincirli
    • Spesifik gen susturma
  • lncRNA (Long Non-coding RNA):
    • >200 nükleotid
    • Epigenetik regülasyon, kromatin modifikasyonu
  • Ribozimler:
    • Katalitik aktiviteye sahip RNA
    • Hammerhead, hairpin, ribonükleaz P

Proteinler

Protein Yapısı ve Amino Asitler

  • 20 Standart Amino Asit: Glisin, Alanin, Valin, Lösin, İzolösin, Metionin, Fenilalanin, Triptofan, Prolin, Serin, Treonin, Sistein, Tirozin, Asparagin, Glutamin, Aspartik asit, Glutamik asit, Lizin, Arginin, Histidin
  • Amino Asit Sınıflandırması:
    • Polar/Nonpolar: Hidrofobik (Ala, Val, Leu) vs Hidrofilik (Ser, Thr, Asn)
    • Yüklü: Pozitif (Lys, Arg, His), Negatif (Asp, Glu)
    • Aromatik: Phe, Tyr, Trp
    • Özel: Pro (kink oluşturur), Cys (disülfid köprüsü), Gly (en küçük)
  • Peptid Bağı: Karboksil (-COOH) ve amino (-NH2) grupları arası, planar yapı, kısmi çift bağ karakteri

Protein Yapı Seviyeleri

  • Primer Yapı: Amino asit dizisi, peptid bağları ile bağlı, genetik kod tarafından belirlenir
  • Sekonder Yapı:
    • α-Helix (Alfa Sarmal): Sağa sarmal, 3.6 amino asit/tur, hidrojen bağları
    • β-Sheet (Beta Tabaka): Paralel veya antiparalel zincirler, hidrojen bağları
    • β-Turn: Yön değiştirme bölgeleri
    • Random Coil: Düzensiz bölgeler
  • Tersiyer Yapı: 3D katlama, hidrofobik etkileşimler, disülfid köprüleri, iyonik bağlar, hidrojen bağları
  • Kuaterner Yapı: Birden fazla polipeptid zincirinin birleşmesi (örn: Hemoglobin - 4 alt birim)

Protein Fonksiyonları

  • Enzimler: Biyokimyasal reaksiyonları katalize eder (DNA polimeraz, tripsin)
  • Yapısal Proteinler: Hücre iskeleti (aktin, miyozin, keratin, kolajen)
  • Taşıyıcı Proteinler: Molekül transportu (hemoglobin - O2, transferrin - Fe)
  • Sinyal Proteinleri: Hormonlar (insülin, büyüme hormonu)
  • Savunma Proteinleri: Antikorlar (immünoglobulinler)
  • Düzenleyici Proteinler: Transkripsiyon faktörleri, gen ekspresyon kontrolü

Protein Katlanması ve Modifikasyonlar

  • Chaperon Proteinler: Doğru katlanmaya yardım eder (HSP70, HSP90, GroEL/GroES)
  • Post-Translasyonel Modifikasyonlar:
    • Fosforilasyon: Serin, treonin, tirozin üzerinde, sinyal iletimi
    • Glikosilasyon: Şeker eklenmesi, protein stabilitesi
    • Asetilasyon: Histon modifikasyonu, gen regülasyonu
    • Ubiquitinasyon: Protein degradasyonu için işaretleme
    • Metilasyon: Histon ve DNA modifikasyonu
  • Protein Yanlış Katlanması: Alzheimer (amiloid), Parkinson (α-synuclein), Prion hastalıkları

Merkezi Dogma

Bilgi Akışı: DNA → RNA → Protein

  • Temel Prensip: Genetik bilgi DNA'da depolanır, RNA'ya kopyalanır (transkripsiyon), proteine çevrilir (translasyon)
  • İstisnalar: Ters transkripsiyon (retrovirusler), RNA replikasyonu (RNA virusları), RNA düzenleme

Transkripsiyon (DNA → RNA)

  • RNA Polimeraz:
    • Prokaryot: Tek RNA polimeraz, sigma faktörü ile promoter tanıma
    • Ökaryot: RNA Pol I (rRNA), RNA Pol II (mRNA), RNA Pol III (tRNA, 5S rRNA)
  • Transkripsiyon Aşamaları:
    • İnisiasyon: Promoter tanıma (TATA box, CAAT box), transkripsiyon faktörleri
    • Elongasyon: RNA zinciri uzaması, 5'→3' yönünde sentez
    • Terminasyon: Rho-bağımlı veya Rho-bağımsız (prokaryot), poliadenilasyon sinyali (ökaryot)
  • Ökaryot mRNA İşlenmesi:
    • 5' Capping: 7-metilguanozin başlık, koruma ve ribozom tanıma
    • Splicing: İntronların çıkarılması, eksonların birleştirilmesi, spliceosome
    • 3' Polyadenilasyon: Poly(A) kuyruğu eklenmesi (~200 A), mRNA stabilitesi
    • Alternatif Splicing: Bir genden farklı protein izoformları

Translasyon (RNA → Protein)

  • Genetik Kod:
    • Triplet Kod: 3 nükleotid = 1 amino asit
    • 64 Kodon: 61 amino asit kodlayan + 3 stop kodon (UAA, UAG, UGA)
    • Start Kodon: AUG (Metionin)
    • Dejenere: Bir amino asit birden fazla kodon ile kodlanabilir
    • Evrensel: Tüm organizmalarda aynı (küçük istisnalar var)
  • Translasyon Mekanizması:
    • İnisiasyon: Ribozom alt birimleri, mRNA, başlatıcı tRNA (Met-tRNA), başlatma faktörleri
    • Elongasyon: Aminoasil-tRNA bağlanması, peptid bağı oluşumu, translokasyon
    • Terminasyon: Stop kodon tanıma, salıverme faktörleri, ribozom ayrılması
  • Ribozom Siteleri:
    • A Site (Aminoacyl): Yeni aminoasil-tRNA gelir
    • P Site (Peptidyl): Büyüyen peptid zinciri
    • E Site (Exit): Boş tRNA çıkar
  • Wobble Hipotezi: Anticodon'un 3. pozisyonu (5' ucu) esnek eşleşme, bir tRNA birden fazla kodonu tanıyabilir

Gen Ekspresyon Regülasyonu

  • Transkripsiyon Seviyesi:
    • Prokaryot: Operon sistemi (lac operon, trp operon), pozitif/negatif regülasyon
    • Ökaryot: Transkripsiyon faktörleri, enhancer/silencer, kromatin yeniden yapılandırma
  • Post-Transkripsiyon: Alternatif splicing, mRNA stabilitesi, miRNA regülasyonu
  • Translasyon Seviyesi: Ribozom bağlanma, translasyon faktörleri, uORF
  • Post-Translasyon: Protein modifikasyonları, degradasyon, lokalizasyon

Genler ve Genom Organizasyonu

Gen Yapısı

  • Prokaryot Gen:
    • Promoter: -10 box (Pribnow box), -35 box, RNA polimeraz bağlanma
    • Kodlayan Bölge: Sürekli, intron yok
    • Terminator: Rho-bağımlı veya Rho-bağımsız
    • Operon: Birden fazla gen birlikte düzenlenir (polisistronik mRNA)
  • Ökaryot Gen:
    • Promoter: TATA box (-25), CAAT box (-75), GC box
    • Enhancer: Uzak mesafeden gen aktivasyonu, doku-spesifik
    • Silencer: Gen susturma
    • Ekson: Kodlayan diziler, proteine çevrilir
    • İntron: Kodlamayan diziler, splicing ile çıkarılır
    • 5' UTR: Translasyon regülasyonu
    • 3' UTR: mRNA stabilitesi, poliadenilasyon sinyali (AAUAAA)

Genom Organizasyonu

  • İnsan Genomu:
    • ~3.2 milyar baz çifti
    • ~20,000-25,000 protein kodlayan gen
    • Kodlayan bölge: ~1.5% (geri kalanı non-coding)
    • 23 çift kromozom (22 otozomal + XX veya XY)
  • Tekrarlayan Diziler:
    • Tandem Tekrarlar: Satellit DNA, mikrosatellit (STR), minisatellit (VNTR)
    • İnterspersed Tekrarlar: SINE (Alu, ~1.1 milyon kopya), LINE (L1)
    • Transpozonlar: DNA transpozonlar, retrotranspozonlar
  • Non-coding RNA Genleri: rRNA, tRNA, snRNA, miRNA, lncRNA genleri
  • Pseudogenler: İşlevsiz gen kopyaları, evrimsel kalıntılar

Epigenetik

  • DNA Metilasyonu:
    • CpG adaları: Sitozin metilasyonu (5-metilsitozin)
    • Gen susturma: Promoter metilasyonu → transkripsiyon inhibisyonu
    • Genomik imprinting: Ebeveyn-spesifik gen ekspresyonu
    • X-inaktivasyon: Kadınlarda bir X kromozomu susturulur
  • Histon Modifikasyonları:
    • Asetilasyon: Genellikle gen aktivasyonu (gevşek kromatin)
    • Metilasyon: H3K4me3 (aktivasyon), H3K9me3, H3K27me3 (susturma)
    • Fosforilasyon: Mitoz sırasında kromozom kondensasyonu
    • Ubiquitinasyon: Transkripsiyon regülasyonu
  • Kromatin Yeniden Yapılandırma: SWI/SNF kompleksleri, nükleozom pozisyonlama
  • Epigenetik Kalıtım: Mitoz ve meioz boyunca aktarılabilir, çevresel faktörlerden etkilenir

Genetik Varyasyon

  • SNP (Single Nucleotide Polymorphism): Tek nükleotid değişimi, en yaygın varyasyon (~10 milyon insanda)
  • Indel: Küçük insersiyon/delesyon (<50 bp)
  • CNV (Copy Number Variation): Büyük segmentlerin duplikasyon/delesyon (>1 kb)
  • Yapısal Varyantlar: İnversiyon, translokasyon, duplikasyon, delesyon
  • Mutasyon Tipleri:
    • Sessiz (Silent): Amino asit değişmez
    • Missense: Farklı amino asit
    • Nonsense: Stop kodon oluşur
    • Frameshift: Okuma çerçevesi kayması (insersiyon/delesyon)