DNA YAPISI
DNA’NIN FİZİKSEL YAPISIDNA’nın monomerik bileşenleri A, T, C, G bazlarını içeren dört tane deoksiribonükleotiddir. Bu 4 ana bazın dışında bazı DNA’larda değişikliğe uğramış birkaç farklı baz da bulunabilir. Bunlar; metillenmiş bazlar, sülfür içeren bazlar ve anormal bir baz – şeker bağı oluşturan bazlardır. Bunlar DNA’da kimyasal değişikliğe neden olabilir. DNA’da metil grubunun eklenmesi en yoğun şekilde sitozinlerde meydana gelir. Sitozinin 5´ numaralı karbonuna bir metil grubunun bağlanmasıyla 5 – metilsitozin meydana gelir. 5 – metilsitozin özellikle buğday tohumu DNA’sında bol miktarda bulunur (tablo – 1). Bununla birlikte T2, T4 ve T6 fajlarında 5 – hidroksi – metilsitozin tamamen sitozinin yerini almış durumdadır. Ayrıca ilginç bir örnekte PBS 1 bakteriyofajında görülür. Bilindiği gibi urasil bazı sadece RNA molekülünde bulunur. Fakat bu bakteriyofajda timin bazlarının yerini urasil bazları almıştır.
Adenin ve guanin bazları çift halkalı yapıdadır. Bu iki baza pürin bazları denir. Sitozin ve timin bazları ise tek halkalı yapıdadır. Bunlara ise pirimidin bazları denir. Dolayısıyla adenin ve guanin bazlarının moleküler ağırlıkları (A=135.13 dalton, G=151.13 dalton), sitozin ve timin bazlarının moleküler ağırlıklarından (C=111.10 dalton, T=126.12) daha fazladır. Eğer bir DNA molekülünde iki iplikçikten hangisi A ve G ce zengin ise bu zincire ağır zincir diğerine ise hafif zincir denir.
Gerek pürin gerekse pirimidin bazları birkaç tane çift bağ içerirler. Çift bağlar her zaman tek bağlara göre daha kararsız olduklarından, çifte bağ taşıyan moleküller, H atomlarının belli bir serbestliğe sahip olabilmesi için, farklı kimyasal biçimlerde bulunabilme özelliğine yeteneğine sahiptir. Bir H atomu bir N halkasından veya O atomundan bir diğerine hareket edebilir. Örneğin bir amino (NH2) grubundan ayrılarak bir imino (NH) grubu oluşumuna yol açabilir. Böyle kimyasal dalgalanmalara tautomerik değişim ve bu şekilde meydana gelen farklı moleküler yapılara da tautomer adı verilir. Fizyolojik koşullarda, pürin ve pirimidin halkalarına N atomları genellikle amino (NH2) biçiminde, guanin ve timinin C atomlarına bağlı O atomlarda genellikle keto (CO) biçimindedir. Bazların genelde belli taumerik biçimlerde bulunması genetik materyalin kararlılığı açısından önemlidir.
Bazların Molar Oranları:Bazların molar oranları hidroliziz ve kromatografi yöntemleri ile belirlenebilir. Farklı türler arasında baz oranları büyük değişiklikler göstermesine rağmen, aynı türün farklı organ ve dokuları arasında benzer oranlara rastlanmaktadır (tablo – 1).
DNA kaynağı A G C T 5-metil - C
Boğa timusu 28.2 21.5 21.2 27.8 1.3
Boğa dalağı 27.9 22.7 20.8 27.3 1.3
Boğa spermi 28.7 22.2 20.7 27.2 1.3
Sıçan kemik iliği 28.6 21.4 20.4 28.4 1.1
Buğday tohumu 27.3 22.7 16.8 27.1 6.0
Maya 31.3 18.7 17.1 32.9 -
E. coli 26.0 24.9 25.2 23.9 -
M. tuberculosis 15.1 34.9 35.4 14.6 -
ØX 174 24.3 24.5 18.2 32.3 -Tablo 1 : Çeşitli kaynaklardan elde edilen DNA’lardaki baz oranları.
Bir DNA molekülünde pürinlerin toplamı pirimidinlerin toplamına eşit olduğu gibi amino bazların toplamı da (A ve C) keto (okso) bazların (G ve T) toplamına eşittir. A ve T eşit molar miktarda bulunur. Dolayısıyla G ve C de eşit molar miktarda bulunur. Bu eşitlikler DNA heliksinin formasyonu hakkında en önemli verilerdendir ve bu Chargaff’ın kuralı olarak ifade edilir. Bu kanunu A + G / T +C = 1 şeklinde de ifade edilir. Bununla birlikte G + C / A + T 1’e eşit değildir. Bu oran çeşitli türlerde ölçülmüş ve değerlerin 0.45 ile 2.80 arasında değiştiği gösterilmiştir. Örneğin birçok bakteriyofajda bu oran 0.5 dir. Yüksek bitkilerde ve hayvanlarda bu oranın değişim sınırları daha dardır ve genel olarak 0.55 – 0.93 arasında bulunur.
Chargaff kuralının iki önemli istisnası vardır. Birincisi buğday tohumu DNA’sında G ve C eşit miktarda değildir. Çünkü buğday tohumunda bol miktarda bulunan 5 – metilsitozin birçok sitozinin yerini alır. İkinci istisna ØX 174 DNA’sındadır. Burada ne A T’ye ne de G C’ye eşittir. Çünkü ØX 174 DNA’sı tek iplikçiklidir.
DNA baz miktarları açısından iki gruba ayrılır. Bunlardan biri AT’ce zengin olanlar ve diğeri ise – ki bu daha az rastlanan tipidir – GC’ce zengin olanlardır.
DNA’nın Primer Yapısı:Bir baz ile deoksiribozun bağlanması ile oluşan kısma nükleozid denir. Baz ve pentoz molekülü glikozidik bağ ile birbirine bağlanır. Glikozidik bağ şekerin 1´ karbon atomuyla pürinin 9. pozisyonundaki (N9), pirimidinin ise 1. pozisyonundaki (N1) azot atomu arasında meydana gelir. Bu yapıya fosfat (PO4) grubunun katılmasıyla oluşan molekül nükleotid adını alır. Başka bir ifade ile bu nükleozid monofosfattır. Fosfat grubunun bağlanması pentozun 5´ karbonunun esterleşmesiyle meydana gelir. DNA’nın yapıtaşları için kullanılan terminoloji aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.
Baz Nükleozid Nükleotid Nükleik asitAdenin (A) Deoksiadenozin Deoksiadenilat (dAMP) DNA
Guanin (G) Deoksiguanozin Deoksiguanilat (dGMP) DNA
Sitozin (C) Deoksisitidin Deoksisitidilat (dCMP) DNA
Timin (T) Timidin Timidilat (dTMP) DNATablo 2 : Nükleik asit terminolojisi.
Bir DNA molekülünün tek iplikçiğinin oluşması deoksiribonükleotidlerin polimerizasyonu ile meydana gelir. RNA’da olduğu gibi DNA’da da nükleotidler arası bağlar fosfodiester bağlarıdır.
Bilindiği gibi deoksiribozda 5 karbon atomu vardır. Bu karbon atomlarının birincisine baz bağlanır. Üçüncü ve beşinci karbon atomları hidroksil grupları taşır. Bu hidroksil grupları sayesinde fosfat grubu bu karbon atomlarına bağlanır. Polimerizasyon reaksiyonunda kullanılan asıl yapıtaşları nükleozidtrifosfattır (NTP). Dört farklı bazdan dolayı 4 tip NTP (ATP, GTP, CTP, TTP) vardır. Şekil 4’de bir nükleotidin üç farklı yapısı (dAMP, dADP ve dATP) örnek olarak gösterilmiştir.
Adından da anlaşılacağı gibi NTP’ler üç fosfat grubu taşır. Bu fosfatlar içten dışa doğru α, β, γ olarak adlandırılır. Bu üç fosfat grubu deoksiribozun beşinci karbon atomuna bağlıdır. Bir NTP molekülü diğer bir NTP molekülü ile α pozisyonundaki fosfat grubu ile fosfodiester bağı kurar. Bu bağlanmada bir önceki nükleotidin 3´ ucu görev alır. Böylece zincir 5´ 3´ yönünde ilerler. Kovalent ester bağları olarak da bilinen bu bağlar son derece kuvvetlidir. Şeker fosfat omurgası 5´ – 3´ bağları ile oluştuğundan, bir polinükleotid zincirinin bir ucunda daima serbest 5´ – PO4 grubu taşıyan bir nükleotid diğer ucunda daima serbest 3´ – OH grubu taşıyan bir nükleotid bulunur. Bu nedenle polinükleotid zincirlerde bir polarite vardır. Birbirine zıt uçlar 5´ ve 3´ uçları olarak adlandırılır. İkinci ve dördüncü pozisyondaki karbon atomları hidroksil grubu taşımazlar ve herhangi bir molekül bağlamazlar. İkinci karbon pozisyonunda bir hidroksil grubunun varlığı siklik fosfat formasyonunu imkansız hale getirir.
Şekil 5 : DNA’nın primer yapısı (polinükleotid zincir).
Omurgadaki PO4 grubunun varlığı polinükleotid zincirlerin asit özellikte olmalarına yol açar ve nükleik asit terimi de bu özellikten kaynaklanır. Bununla beraber, fizyolojik koşullarda nükleik asitler genellikle tuz halinde ve nötr durumda bulunurlar.
DNA polinükleotid zincirleri kimyasal veya enzimatik yolla hidrolitik olarak nükleotidlerine parçalandığında, kırılma fosfodiester bağlarının her iki tarafında da meydana gelebilir. Buna göre serbest kalan nükleotidler fosfat gruplarını pentozun 5´ ve 3´ pozisyonuna bağlı olarak taşırlar. Buna göre nükleik asit yapısından ayrılan nükleotidler nükleozid – 3´ – monofosfat veya nükleozid – 5´ – monofosfat olabilirler.
DNA’nın Sekonder ve Çift Sarmal Yapısı:1953’de Watson ve Crick, DNA’nın bilinen çift sarmal (double helix) modelini kurdular. Watson – Crick modeli, X – ışını ile çalışan kristallografların, organik kimyacıların ve biyologların düşünce ve çalışmalarına dayanır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA’nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, böyle bir molekül yapısının birden fazla polinükleotid zincirin birbiri etrafında dönümler yapmasıyla meydana gelebileceğine işaret etmekte ve molekülde tekrarlanmalar yapan kısımlar arasındaki uzaklıklar hakkında bilgi sağlamaktadır.
Watson – Crick probleme, “DNA yapısı, onun biyolojik görevi ile ilişkili olmalıdır” düşüncesiyle yaklaşmışlardır. Bu ilişki teorinin anahtarı durumundadır. Hücrenin makromoleküllerinin yapısının biyolojik görevle ilişkili olması, Watson – Crick teorisiyle önemli şekilde vurgulanır ve bu düşünce moleküler biyolojinin temelini oluşturur.
Watson ve Crick’in sunduğu modele göre DNA çift zicirli yapıdadır. Bu çift zincir iki tek zincirin bazları arasında hidrojen bağları oluşmasıyla meydana gelir. Bu iki polinükleotid zincir ortak bir eksen boyunca sağa dönümlü bir heliks oluşturur.
İki polinükleotid zincir birbirine H bağlarıyla tutunur. Bu bağlar, dönümler yapan DNA molekülünün stabilitesinin korunmasında büyük ölçüde yardımcı olurlar. Baz çiftleri çift sarmalın termodinamik stabilitesine iki yolla katılır. Bunlardan biri, bazlar arasında H bağı oluşurken enerji açığa çıkmasıdır. Diğeri ise, sarmal boyunca üst üste dizilmiş baz çiftlerinin elektron sistemleri arasındaki etkileşimler sonucu oluşan hidrofobik baz dizilişlerinden enerji açığa çıkmasıdır. Bu etkileşimler sarmal yapıyı negatif yüklü fosfat grupları arasındaki itici elektrostatik kuvvetler karşısında dengeler.
Guanin ile sitozin arasında üçlü H bağı oluşurken, adenin ile timin arasında ikili H bağı oluşur (şekil 7). Bu bağların bazların hangi atomları arasında oluştuğu tablo 3’de gösterilmiştir. G ile C arasında üçlü, A ile T arasında ise ikili H bağı oluşmasının sebebi bu bazların moleküler yapısından kaynaklanmaktadır. H bağı sayısındaki bu fark olası yanlış baz eşleşmelerinin yapılmasına engel olmaktadır.
H bağı oluşan atomlar Aradaki uzaklık (Å)
T – A N3 – H..............N1
O4..............H – N6 2.835
2.940
C – G O2..............H – N2
N3..............H – N1
N4 – H.............O6 2.86
2.95
2.91Tablo 3 : H bağlarının oluştuğu atomlar ve aradaki uzaklık
Bazlar arasında H bağları oluşumunun özgüllüğü, iki polinükleotid zincirdeki fosfodiester bağlarının birbirine göre ters yönde olmasına yol açar. Bu nedenle iki polinükleotid zincir birbirine ters yönde paraleldir. Yani iki zincir kimyasal yapı bakımından birbirine zıt durumdadır (şekil
.
İki polinükleotid zinciri birbirine bağlayan H bağları daima bir pirimidin bazı ile bir pürin bazı arasında meydana gelir. Baz eşleşmesi adı verilen bu bağların özgül bir biçimde meydana gelmesi pürin ve pirimidin bazlarının yapılarındaki bazı farklardan meydana gelir.
Bunlardan birisi sterik kısıtlama denilen olaydır. Yapılarından da anlaşılacağı gibi pürin ve pirimidin bazlarının uzayda kapladıkları yer farklıdır. Pirimidin bazları (C ve T) pürin bazlarından (A ve G) daha küçüktür. Buna karşılık iki polinükleotid zincirin şeker – fosfat omurgasının oluşturduğu sarmal yapıda eşleşme yapan baz çiftlerine bağlanan glikozidik bağlar arasındaki uzaklık DNA molekülünün her yerinde 10.85 Å dür. Bu mesafenin dolayısıyla da DNA’nın stabilitesinin korunması için daima bir pürin ile bir pirimidin bazının eşleşmesi gerekmektedir.
İkinci bir sebep ise H bağları oluşumu gereksiniminin kısıtlaması. Pürin ve pirimidin bazlarındaki H atomları iyice belirlenmiş pozisyonlarda bulunurlar. Bazlar arasında sıkı bir etkileşim sağlamak için, H bağlarının yönelimleri ve uzaklıkları ancak adenin ile timin ve guanin ile sitozin arasında olmaktadır. Buna göre, pürin ve pirimidinler arsındaki baz eşleşmesi; daha da özgül olarak sadece adeninle timin ve guaninle sitozin arasında meydana gelir. Bir DNA molekülünün açık yapısı şekil 9 da gösterilmiştir.
Yukarıda açıklanan nedenlerden dolayı bir DNA sarmalının çapı yaklaşık 2 nm (20 Å) olarak sabit kalmıştır. DNA molekülü sağa doğru dönümler yaparken dönümler sırasında zincirlerdeki bazları şeker halkalarına bağlayan glikozidik bağlar tam olarak karşı karşıya gelmezler. Bunun sonucu olarak, çift sarmalın şeker fosfat omurgaları eksen boyunca eşit aralıklı yer kaplamazlar ve omurgalar arasında oluşan olukların boyutları eşit değildir. Daha derin olana büyük oluk, diğerine ise küçük oluk denir (şekil 10).
Nükleotidlerin bazları molekülün omurgasının iç kısmında bulunur. Bazların konumları sarmalın eksenine dik durumdadır. Birbirine komşu baz çiftlerinin dönümleri arasındaki uzaklık 3.4 Å dür. Ayrıca her baz çifti komşusuna göre 36º’lik açı yapacak şekilde yerleşmiştir. Buna göre, yaklaşık 10 baz çifti 360º’lik tam bir dönümü tamamlayacağından, her dönümün boyu 34 Å dür (şekil 10).
DNA çift sarmalının genetik açıdan en önemli özelliklerinden birinin ortaya çıkmasını da baz eşleşmelerindeki özgüllük sağlar. Bu özellik DNA molekülündeki iki polinükleotid zincirin birbirinin tamamlayıcısı olmasıdır. Bu kavram bazlar arasındaki eşleşmenin daima A – T ve G – C arasında olmasından kaynaklanır. A ile T’nin ve G ile C’nin birbirini tamamlaması özelliğine göre, bu özgül bazları karşılıklı olarak taşıyan iki zincirin birbirinin tamamlayıcısı olduğu kabul edilir. Buna göre, bir zincirdeki baz dizisi diğerindeki diziyi belirler.
Tamamlayıcılık özelliği, genetik materyalin işlevlerini doğru biçimde nasıl yapabildiğinin açıklaması açısından DNA’nın en önemli temel özelliklerinden biridir.
Çift sarmalın dışta bulunan şeker – fosfat omurgası yüksek derecede negatif yüklüdür. İn - vitro çözeltilerde bu yükler metal iyonlarıyla (örneğin Na ile) nötr duruma getirilir. Fizyolojik koşullarda ise nötr hale getirilme pozitif iyonlarla (katyonlar veya bazik proteinlerle) yapılan etkileşimler sonucu sağlanmaktadır.
DNA Yapısının Biyolojik Anlamı:Hücrenin kalıtım materyalinin iki ayrı görevi olmalıdır. Birincisi, bu materyal kendi kendine çoğalabilmeli; ikincisi, herhangi bir hücrenin yapısı veya görevinde gereken işleri başarabilmelidir.
DNA ipliklerinin birbirini tamamlayıcı olması ve tamamlayıcı bazlar arasında çok özel bağların bulunması aradaki hidrojen bağlarının kendiliğinden meydana gelmesi, DNA’nın yalnız başına kendine benzer yeni bir molekülün oluşmasını sağlar. DNA molekülünün bir yarısı, yeni oluşan molekül için bir kalıp gibi rol oynar. Hidrojen bağlarının meydana gelişi, bir enzimle katalize edilmeksizin, kendi kendine olan bir olaydır. Özel tamamlayıcı bazların seçimi, bu yüzden katalize edilmeye gereksinim göstermez. Fakat nükleotidlerin fosfodiester bağlarla bağlanması bir kovalent reaksiyondur ve enzimatik katalizle gerçekleşir.
DNA’nın ikinci biyolojik görevi, protein sentezinde kullanılmak üzere gerekli bilgiyi sağlamaktadır. Bu bilgi naklinden DNA yapısındaki bazlar sorumludur.
DNA’nın Moleküler Ağırlığı:Bir DNA molekülünün ağırlığı içerdiği baz çift sayısıyla doğru orantılıdır. Nükleik asitler uzun ve dallanmamış moleküllerdir. Çaplarının dar olmasına karşılık boyları çok uzundur. Örneğin 3000 baz çifti (3kb) taşıyan bir DNA parçasının boyu 1 µm dir. Bilindiği gibi DNA’nın çapı 2 nm dir.
Organizmaların yapısı karmaşıklaştıkça içerdikleri genetik materyalin kitlesi genellikle artış gösterir. Bunun temel nedeni, basitten gelişmiş canlılara doğru gidildikçe gen sayısının artmasıdır. Örneğin, SV40 virüsünün 5.2 x 103 baz çiftinden ibaret genomunda sadece 5 – 10 gen bulunur. E. coli genomunda ise yaklaşık 4 x 106 baz çifti vardır. Eğer E. coli’de bir genin ortalama 1000 baz çifti içerdiğini var sayarsak, bu bakteride yaklaşık 4000 gen bulunması gerekir.
DNA moleküllerinin moleküler ağırlıklarını klasik kimyasal metodlarla tam olarak belirlemek oldukça güçtür. DNA moleküllerinin ağırlıklarının ölçülmesinde en çok kullanılan yöntemler şunlardır;
• viskozitenin ölçümü,
• sedimantasyon oranı,
• elektron mikroskobu ile,
• otoradyografi,Genelde bu metodların iki veya daha fazlasının bir kombinasyonu kullanılabilir.
DNA moleküllerinin ağırlıkları 106 ile 109 dalton (1 dalton= 1.66 x 10-24 g dır.) değişir. Zaman zaman ağırlıklar 109 da geçebilir.
Değişik türlere ait DNA molekülleri ağırlıkları tablo 4 de verilmiştir.
Kaynak M. A. Uzunluk Nükleotid çifti sayısı
E. coli 2.2 x 109 1 mm 3 x 106
H. influenzae 8 x 108 300 µm 12 x 105
Bakteriyofaj T2-T4 1.3 x 108 50 µm 2 x 105
Bakteriyofaj λ 33 x 106 13 µm 0.5 x 105
Bakteriyofaj ØX174 1.6 x 106 0.6 µm -
Polioma virüsü 3 x 106 1.1 µm 4.6 x 103
Fare mitokondrisi 9.5 x 106 5 µm 14 x 103Tablo 4 : Çeşitli DNA moleküllerine ait veriler.
DNA’nın Farklı Biçimleri:Watson ve Crick’in buluşlarından sonra son yıllarda, DNA ipliklerinin X ışını kırılma özelliklerini çalışılmasıyla, DNA’nın hiç değilse 3 yapısal şekilde bulunduğu gösterilmektedir. Watson ve Crick’in yapısal özelliklerini belirlediği DNA, bu gün B – DNA diye isimlendirilir. Farklı yapısal şekildeki diğer DNA’lar ise A ve Z DNA’lardır. Bu farklı organizasyonlar, bazı özel nükleotid sıralarının çift helikse devamlı bir bükülme verebilmesiyle ortaya çıkar. Böylece her bir DNA şekli, hem çift heliksin dışından yalnızca bazlarını eşleştirerek ve hem de bazların iskeletin eksenine göre pozisyonlarındaki ayrıntılarını belirleyerek ayırt edilir. Bu üç tip DNA dışında da farklı özellikte DNA’lar vardır fakat bunlar çok az miktarda bulunduklarından burada incelenmeyecektir.
B – DNA : Hücresel DNA’nın büyük bir kısmı bu gruba dahildir. Şu ana kadar incelediğimiz DNA’da B – DNA’dır. Kısaca tekrar değinmek gerekirse çapı yaklaşık 2 nm olan bu DNA biçiminin her dönümünde yaklaşık 10 baz çifti bulunur. Bazı kaynaklarca bunu 10.5 olabileceği de belirtilmiştir. Sağa dönümler yapan DNA’da baz çiftlerinin düzlemleri sarmalın eksenine dikeydir ve sarmal küçük ve büyük oluklara sahiptir. Düşük iyon yoğunluklu çözeltilerde ve nem derecesi çok yüksek (%92) fibrillerde DNA B biçiminde bulunur. Canlı hücrelerin fizyolojik koşullarına uyum gösterecek DNA biçimi de B – DNA’dır.
A – DNA : Sağa dönümlü ve her dönümde 11 baz çifti bulunan DNA yapısıdır. Baz çiftlerinin düzlemleri eksene göre 20º’lik eğimlidir ve komşu baz çiftleri arasındaki uzaklık 2.7 Å dür. Bu nedenle A – DNA molekülleri B yapısındaki benzerlerinden daha kısa ve geniş çaplıdır (23Å). Küçük oluklarda daha belirgin ve derindir. Sodyum, potasyum veya sezyum iyonları varlığında ve %75 nem içeren fibrillerde DNA A biçiminde bulunur, yani B – DNA’nın dehidratasyonuyla meydana gelir.
Hücrede A – DNA biçiminde bölgelerin bulunup bulunmadığı ve eğer bulunuyorsa işlevi tam olarak bilinmemektedir. Bununla beraber, 2´ OH grubunun B biçiminin oluşmasını engellemesi nedeniyle, RNA’nın çift zincirli bölgelerinin A biçiminde olması gerekir.
Z – DNA : Bu biçimin en ayırt edici özelliği dönüm yönünün sola doğru olmasıdır. Z – DNA dönüm boyu 45.6 Å olan ve dönümlerinde en fazla 12 baz çifti içeren bir yapıya sahiptir; çapı da diğerlerine göre daha dardır (18Å). Şeker – fosfat omurgası sarmal boyunca zikzak bir hareket yaptığı için bu yapı Z – DNA olarak adlandırılır. Z – DNA da sadece tek çeşit oluk bulunur.
Pürin ve pirimidinlerin düzenli olarak birbirini izlediği dizilere sahip DNA’larda, uygun iyon koşullarında, Z biçimi oldukça kolay elde edilmektedir. Ayrıca tekrarlanan GC dizilerinin bulunduğu bölgelerde, özellikle sitozinlerin C5 atomlarına metil grubu eklenmesiyle oluşan 5 – metilsitozinler B – DNA’nın Z – DNA biçimine dönüşmesine yol açmaktadır. Hatta, metillenme pürin - pirimidin tekrarı olmaksızın da aynı sonucu yaratmaktadır.
Z biçimi in - vitro bazı olağan dışı koşullarda elde edilmektedir. Örneğin yüksek tuz yoğunluğu kullanılması nükleotidler arasındaki itme kuvvetini arttırmakta ve Z – DNA’nın dar çaplı yapısını ayarlamaktadır. Z – DNA’nın hücre içindeki oranı henüz bilinmemektedir.
Şekil 11 : (a – c) A, B ve Z – DNA’lar (M=büyük oluk, m=küçük oluk).
Bu üç tip DNA molekülüne ait bazı ölçüm değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
DNA biçimi Baz çifti sayısı/dönüm Dönüm/baz çifti Baz çiftleri arası uzaklık Sarmal çapı
B 10.4 +34.6º 3.38 Å 20 Å
A 11 +34.7º 2.56 Å 23 Å
Z 12 -30.0º 3.71 Å 18 ÅTablo 5 : Çeşitli DNA biçimlerine ait bazı veriler (+ = sağa dönüm, - = sola dönüm).
Calladin KurallarıChris Calladin 1982’de yaptığı deneysel çalışmalar sonucunda DNA’nın yapısıyla ilgili çeşitli kurallar bulmuştur.Bu kurallar sonucunda Calladin bir DNA yapı modeli ortaya atmıştır.Bu model tamamlanamamıştır çünkü elektrostatik ilişkileri faktörleri ve hidrojen bağlarının hidrasyonunun faktörleri tam olarak bilinmez.
*B-DNA Sarmal ekseninin düz olmasına gerek yoktur.Ancak 112 Å’un yarıçapı ile kıvrılabilir.
*Kıvrılma açısı p 36 der.’de değişme gösterebilir. Fakat 28 der.’den 43 der. Kadar çeşitlilik gösterebilir.
*Pervane dönüşünün sınırları C-G çifti için +11 der. Ve A-T çifti için +17 der.’dir.
*Baz çiftleri çarpışmaları azaltarak uzun eksenleri boyunca dönerler.
*Şeker kıvrılması C3’-exo’dan O 4’endo ve C2’endo’ya kadar değişiklik gösterir.
*Bazlar bölgesel olarak kayarlar ve bu şekilde üst üste çakışırlar. D(TCG) içinde ki burada C-2 , G-3 ile stoğu yükseltmek için sarmal ekseninin arasında hareket eder.
Ave B –DNA’nın polimorfları çift ipliğin yer yer açılmaları ile ve kristal yapıdaki yan çıkışlar açıklıklar ve nanomerik parçalar halinde gözlenir.
DNA EĞRİLMESİ (bending)
Ave B tipi birer sarmal arasındaki birleşme sonucu eğri DNA ortaya çıkar. Sarmal ekseninin içinde 26 der.’lik bir eğrilme ile oluşur.Birleşmeler her 5 baz’da bir ve karşılıklı oluşur. Bu eğrilme olayının bir sonucudur ki bu DNA’nın sürekli bir kıvrılmaya sahip olmasını sağlar. Uyumsuz baz çifti eşleşmeleri 2 şekilde olur.
1-Transition mismatch (geçişle yanlış eşleşme)
2-Transversion mismatch (çaprazlama ile yanlış eşleşme)
A,B ve Z formlarında G-T baz çiftlerinde gözlenir.Tipik “wobble”çiftleri oluşur. Bu çiftler anti-anti glikozilik bağlara sahiptir.D(CGCGAATTAGCG)dodecamerin kristalleri bir (anti) G-A (syn) yanlış eşleşmiş baz çiftine sahiptir. Bu eşleşme 2H bağı ile olur. Diziye bağımlı değişiklikler,DNA’nın proteinlerce tanınmasını sağlayan önemli bir faktördür. Buna göre şöyle bir sonuca varılabilir. DNA yapısal olarak diğer makromoleküllerle ilşki kuracak şekilde evrim geçirmiştir. Buna göre serbest doğrusal DNA sarmalı biyolojik olarak en uygun yapıdır.
Kaymış (Slipped) Yapılar: Doğrudan dizilerde oluşurlar ve önemli düzenleyici bölgelerin üst taraflarında yer alırlar.Tanımlanan yapılar tek iplikli nükleazların “cleaveage”dokuları ile uyumlu olmakla beraber iyi bilinmemektedir.
Pürin-pirimidin ekleri: Bunlar düşük sıcaklıklarda büyük girintiler de , baz çiftleşmesinde uzun aralıklı , dizilere bağımlı tekil baz kaymaları ile alışılmışın dışında yapılar oluşur.
Anizomorfik DNA: Bu doğrudan tamirle alışılmadık fiziksel ve kimyasal özellikleri olduğu bilinen viral DNA’nın eklem bölgelerindeki dizilerle ilgili DNA yapılarına verilen addır. İki birbirini tamamlayıcı iplik değişik yapılara sahiptir. Bu negatif süpercoillerde ortaya çıkan kıvrılmaların gerilimi altında görülen, dizi merkezlerinde meydana gelen ardışık yapısal kırıklara yol açar.
Saç tokası şeklindeki ilmekler(Hairpin loop): Bunlar ters dönmüş tamamlayıcı diziler sahip parçaları olan tekil oligonükleotid iplikleri tarafından oluşturulur.Örneğin 16-merd (CGCGCGTTTTCGCGCG)hekzamer tekrarına sahiptir ve onun kristal yapısı 4T’li ilmeği olan hairpin ve bir Z DNA hekzamer gövdesi gösterir. B u ters dönmüş diziler DNA dupleksinde yer aldıkları zaman haç formunun oluşumu için gerekli koşullar meydana gelmiş demektir.
Haç benzeri (cruciform): Bu iplik içi baz çiftleşmesi içeren bir yapıdır. Tek bir açılmamış dupleks bölgeden iki hairpin ilmeği ile iki gövde meydana getirirler. Tersine dönmüş dizi tekrarlar palindromlar olarak bilinir. Bunlar kısa bir aradan sonra ters yöndeki aynı dupleks dizinin takip ettği DNA dupleks dizilerine sahiptir. Bu durum decamer olamayan iki dizinin palindromlarının yer aldığı Pbr322 bakteriyal plazmidinin içinde de gözlenir. Her ne kadar ilmeklerde bazlar kısmi olarak depolanıyor olsada tek bir haç şeklindeki yapının oluşumunu enerji miktarı 75 kjmol kapalı dairesel süper helikal DNA’ların kullanıldığı bu yapının deneylerinde , bu enerji negatif süpercoillerin formundaki gerilme enerjisinin serbest bırakılması ile elde edilir.Bu da haçın kollarının uzunluğu ile doğrudan ilişkilidir. 10,5bç’lik bi kolun oluşumu süpercoili bir dönüş kadar çözer.
Nadir Görülen DNA Yapıları:1980’den beri alışılmışın dışında DNA yapıları olduğu bilinmekteydi. Bazıları DNA’ların süper coillerine bağlıdır.
Kıvrık DNA:DNA duplexleri 150 baz çiftinden daha uzundur. Dairelerin kovalent kapanış tarafından açık DNA mini dairesini eğriliği diziye bağlıdır. DNA’nın bu eğriliği tripanozomatitlerden alınan kinetoplast DNA’sı içinde gözlemlenmiştir. Bu açık DNA mini dairelerinin kaynağını oluşturur. Kinetoplast DNA’sı kısa A eklere sahiptir. Bunlar genel dizi tarafından 10 baz çifti aralıklarla yerleştirilmiştir. Herbir tekrar için 20-25 eğrilik içerir.DNA eğrilmesi bu poli (DA eklerinin kalıtımsal özelliği olup çok sayıda oligonükleotitler içinde gözlenebilirler. Richard Dickerson poli (dA) ekleri doğrusaldır. B form kristal yapıda gözlenmiştir. Eğrilme ise sarmalın sınırları içinde meydana gelir. Herbir yarım dönme başına bu doğrusal dA eklerinin tekrarlı değişimi kıvrık DNA’yı oluşturur. (Şekil 16)
W-DNA:
Sol yönde dönen çift sarmal yapı için zikzak model önerilerek oluşturulmuştur. Daha az dönüme sahiptir. Genel olarak B DNA’ya benzer bir glikozil geometrisi bakımından Z DNA’ya çok benzer. Sitozin C endo şeker kıvrımlarına sahiptir. W’de de Z DNA daki gibi minor girintiler ve major girintiler yüzeyseldir. Z DNA W DNA’dan daha az enerjiye sahiptir.
