AÖL Seçmeli Biyoloji 3 Özeti

1. ÜNİTE 1 GENDEN PROTEİNE

1.1. NÜKLEİK ASİTLERİN KEŞFİ VE ÖNEMİ

Genetik özelliklerin kuşaktan kuşağa aktarılmasını sağlayan organik moleküller nükleik asitlerdir. Bilim insanlarının hangi çalışmaları, son derece önemli olan bu moleküllerin keşif sürecinde kilit rollere sahiptir?

1.1.1. NÜKLEİK ASİTLERİN KEŞİF SÜRECİ

İsviçreli Biyokimyacı Friedrich Miescher, 1869 yılında ilk olarak akyuvarda daha sonra ise balık spermi ve yumurtalarının çekirdeğinde nükleik asitlerin varlığını gözlemlemiştir. Miescher, çekirdek içerisinde asit özelliği gösteren bu moleküllere nüklein adını vermiştir. Daha sonraları nüklein, nükleik asit olarak adlandırılmıştır.

Nükleik asitlerin başlangıçta sadece hücre çekirdeğinde bulunduğu kabul edilmiştir. Sonraki yıllarda ise yapılan bilimsel çalışmalarda nükleik asitlerin ökaryot hücrelerin mitokondri, kloroplast ve ribozom gibi organellerinde bulunduğu da tespit edilmiştir. Prokaryot canlılarda ise nükleik asitlerin hücre sitoplazmasında ve ribozomlarında yer aldığı görülmüştür.

  • I. Dünya Savaşı yıllarında Alman Kimyager Robert Feulgen, kendi geliştirdiği DNA boyama tekniği ile DNA’nın kromozomların içerisinde bulunduğunu gösterdi.
  • Phoebus Aaron Theodare Levene, nükleik asit moleküllerinin temel biriminin nükleotit olduğunu ispatladı.
  • Griffith’in yaptığı deneyler sonucu elde edilen bulgular, genetik bilgi taşıyıcısının protein değil de DNA olduğunu ispatlanmıştır.
  • Griffith’in deneylerinden yaklaşık 20 yıl sonra Oswald Avery, Maclyn McCarty ve Colin MacLeod dönüştürücü maddenin DNA olduğunu belirlediler.
  • Alfred Hershey ve Martha Chase faj proteini ve nükleik asidinin bakteri hücresinin üreme işlemindeki işlevini açıkça ortaya koydular. böylece DNA’nın genetik materyal olduğunu ispatladılar.
  • 1949 yılında Erwin Chargaff, farklı organizmalardan izole ettiği saf DNA’larının baz dizilimlerini incelediğinde türden türe baz dizilimlerinin değiştiğini keşfetmiştir.
  • 1950’li yıllarda Rosalind Franklin, DNA’nın zincirlerini X- ışınlarına maruz bırakarak molekülün saçtığı ışınları belirlemiş ve X- ışını kırınımı fotoğrafını çekmiştir. Fotoğraflama sonucunda DNA’nın belirli aralıklarla tekrarlayan sarmal bir yapıya sahip olduğunu göstermiştir.
  • 1953 yılında yayımladıkları makalede James Watson ve Francis Crick daha önce yapılan çalışmalardaki bulgulardan ve çekilen fotoğraflardan yararlanarak DNA’nın çift sarmal modelini ortaya koydular.
  • James Watson ve Francis Crick Azotlu bazların sarmalın iç kısmında, şeker ve fosfat gruplarının ise sarmalın dış kısmında bulunduğu DNA çift sarmal modelini tasarlayarak bu DNA modelini Nature Dergisinde bir makalede yayımladılar. Bu çalışmalarından dolayı Watson ve Crick, 1962 yılında Nobel Ödülü aldılar.

1.1.2. NÜKLEİK ASİTLERİN ÇEŞİTLERİ VE GÖREVLERİ

Canlılarda gerçekleşen tüm metabolik olayları denetleyen, genetik özelliklerin kuşaktan kuşağa aktarılmasını sağlayan ve canlıları birbirinden farklı kılan organik moleküllere nükleik asitler denir. Çift zincirli ve sarmal yapıda olan, kalıtımda görev alan nükleik asit çeşidine DNA (deoksiribonükleikasit) adı verilir. Tek zincirli olan ve protein sentezinde görev alan nükleik asit çeşidine de RNA (ribonükleikasit) adı verilir.

Nükleik asitler; C, H, O, N ve P atomlarından oluşan karmaşık yapılı büyük organik moleküllerdir. Nükleik asitler, birbirine fosfodiester bağları ile bağlanmış, dehidrasyon sentezi ile oluşan nükleotit zincirlerinin oluşturduğu polimerlerdir. Bu polimerler, tüm canlılarda hem genetik özelliklerin aktarımını hem de protein sentezi gibi karmaşık olayların yönetimini sağlar. Bu nedenle nükleik asitlere yönetici moleküller de denir. Yönetici moleküller, tüm canlılarda ve virüslerde bulunur.

Genel anlamda temel bilgileri taşıyan molekül DNA iken bazı virüslerde genel bilgileri taşıma rolünü RNA üstlenir. DNA, hücrenin temel mimarisini oluşturan ve metabolik faaliyetlerin gerçekleşmesini sağlayan proteinleri doğrudan üretmez. DNA molekülü, boyutları nedeniyle hücre çekirdeğinin dışına çıkamaz. Bu nedenle DNA proteinlerin üretimini RNA adı verilen mesaj taşıyıcıyı moleküller aracılığıyla kontrol eder. RNA, protein sentezlemek için sitoplazmadaki ribozomlar ve bazı yardımcı moleküllerle birleşir. Böylece DNA’daki genetik bilgi önce RNA’ya aktarılır. Daha sonra da protein sentezlenir. Her hücre bölünmesinde DNA, kendini eşleyerek bir kopyasını oluşturur. Böylece bir nesildeki genetik bilgi, bir sonraki nesle aktarılır.

DNA : Watson ve Crick’in DNA modeline göre DNA molekülü, ip şeklinde bir merdivene benzetilebilir. Basamakları, organik bazlar oluşturur. Merdivenin yan tarafındaki ipler ise şeker ve fosfattan oluşmuştur. Merdivenin bir ucunun tutulup diğer ucunun döndürülmesi sonucu DNA çift sarmalı oluşur. DNA molekülü, sağa dönüşlü olarak sarmal yapar. DNA molekülünde bilginin esas olarak depolandığı yerler, merdivenin basamaklarıdır.

DNA sarmal zincirlerini oluşturan nükleotitlerde üç kısım bulunur. Bunlar; azotlu organik bir baz, beş karbonlu bir şeker (pentoz) ve bir fosfat grubudur. DNA’yı oluşturan nükleotitlerde bulunan azotlu organik bazlar; adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T) dir. Adenin ve guanin, çift halkalı pürin bazları grubunda yer alır. Sitozin ve timin ise tek halkalı pirimidin bazları grubundandır.

Nükleotitlerin yapısında beş karbonlu şekerler bulunur (Görsel 1.11). DNA yapısına katılan nükleotitlerdeki şeker çeşidi deoksiribozdur. Taşıdığı deoksiriboz şekerinden dolayı deoksiribonükleik asit (DNA) adını almıştır.

Baz ve şeker arasında glikozit bağı kurulur. Bağlanma sonrası nükleozit adı verilen moleküller oluşur.

Ribonükleik Asit (RNA) : Bu molekülün yapısında riboz şekeri bulunur. RNA tek iplikten meydana gelmiştir. Yani DNA gibi sarmal yapı göstermez. Hem çekirdek hem de sitoplazmada bulunur. Yapısında timin bazı bulunmaz. Onun yerine urasil bazı vardır. Tek iplikli olduğu için nokleotidler arasında herhangi bir eşleşme ve matematiksel bağıntı söz konusu değildir. RNA kendi kendini eşleyemez, ancak DNA tarafından RNA polimeraz enzimi yardımıyla sentezlenir. Aynı türe ait fertlerin hücrelerindeki RNA miktarı büyük farklılıklar gösterebilir. Hatta bu miktar aynı bireyin belirli bir dokusunda bile değişiklikler gösterir. Protein ve enzim sentezinin yüksek olduğu hücrelerdeki RNA miktarı yüksektir. 

Hücrelerde biyolojik fonksiyonlarına göre üç tür RNA vardır. 

1. Ribozomal RNA (rRNA):Ribozomların ana yapı maddesidir. Çekirdekçikte bol miktarda bulunur. Hücrelerde miktarı en yüksek olan RNA çeşididir. 

2. Mesajcı RNA (mRNA):Protein ve enzim sentezi için gerekli olan kalıtsal bilginin çekirdekteki DNA’dan sitoplazmadaki ribozomlar üzerine taşınmasında görev yaparlar. Belirli bir yapıya sahip her protein molekülünün sentezinde ancak o yapıya uygun bireyler taşıyan bir mRNA kullanılabilir. Miktarları oransal olarak düşüktür.

3. Taşıyıcı RNA (tRNA):Ribozomlar üzerinde sentezlenecek olan protein moleküllerinin yapısına iştirak edecek aminoasitleri yakalar ve ribozomlar üzerine taşırlar. Aminoasitleri yakalayıp getirebilmeleri için molekül yapıları küçüktür, difüzyon yetenekleri yüksektir. Her aminoasit için özelleşmiş en az bir çeşit tRNA molekülü vardır. 

DNA’nın Eşlenmesi (Replikasyon)

DNA molekülünün eşsiz özelliği kendi kendini eşleyebilmesidir. Kalıtsal özellikleri oluşturan genlerin nesilden nesile aktarılması bu sayede sağlanmış olur. Bir hücre kendisini oluşturan ata hücreyle aynı ya da benzer DNA molekülleri taşımak zorundadır. Nükleik asitlerden yoksun bir canlı veya hücre düşünülemez. DNA’nın bu özelliği hücre döngüsünün interfaz evresinde gerçekleşir. DNA eşlenmesi sırasında sırasıyla şu olaylar gerçekleşir;

  1. Öncelikle eşleşme sırasında kullanılacak adenin, timin, sitozin ve guanin nükleotidlerinin ortamda hazır olarak bulunması gerekir. Bunun için deoksiriboz şekeri, organiz baz ve fosforik asit birleştirilerek çok sayıda nükleotid sentezlenir. 
  2. Eşleşme sırasında sarmalın kollarını birbirine bağlayan zayıf hidrojen bağları kopar ve iki iplik fermuar gibi açılır. Bu şekilde ayrılan her iki koldaki bazların uçları açıkta kalır. 
  3. Sitoplazmada bulunan nükleotidler açıkta kalan bazların karşısında, uygun olacak şekilde yerlerini alırlar. 
  4. Bu şekilde her kol kalıp görevini görerek karşısına yeni bir kol alır. 
  5. Sarmalın sonuna geldiğinde DNA’nın iki kolunun karşılıkları tamamlanır ve bunlar birbirinden ayrılarak özdeş iki DNA sentezlemiş olurlar. 

DNA’nın eşlenmesi sırasında herhangi bir bilgi kaybı olmaz. Dolayısıyla oluşan iki DNA birbirinin aynısıdır. Eşleşme sırasında eğer bir hatalı kodlama olursa veya bir eksiklik ortaya çıkarsa buna mutasyon denir. 

Meselson ve Stahl adlı araştırmacılar DNA’nın kendisini eşlediğini deneysel olarak kanıtlamışlardır. Araştırmacılar ağır azot (15N) izotopunu içeren besin ortamında bakteri kültürü yetiştirmişlerdir. Birbirini izleyen çok sayıda bölünme sonucunda ağır azotun bakteri DNA’sına yerleştiğini saptamışlardır. Elde edilen ağır azotlu bakterilerin normal azotlu (14N) besin ortamında yetiştirilmesiyle, ilk bölünmenin ardından yarı ağır DNA’ların oluştuğunu görmüşlerdir. Sonraki bölünmelerde ağır azotun takip edilmesiyle DNA’nın korunumlu eşlendiğini ispatlamışlardır. 

Eşlenme sonucunda 2n kadar DNA oluşur. Buradaki n eşlenme sayısıdır. Yani üç kere eşlenen bir DNA’nın sayısı 8’e çıkmış olur. 

1.2. GENETİK ŞİFRE VE PROTEİN SENTEZİ

Protein Sentezi

  • Proteinler gen ekspresyonunun son ürünüdür.
  • Tipik bir hücrede binlerce farklı protein vardır.
  • Bu proteinler hücrenin ihtiyaçlarına göre sentezlenir ve uygun hücresel hedeflere yönlendirilirler.
  • Protein sentezi en kompleks biyosentez işlemidir.
  • Ökaryotik protein sentezine 70’in üzerinde ribozomal protein, 20 veya daha fazla aktive olmuş amino asit öncülü, başlama, uzama ve polipeptid sonlanması için 10’dan fazla enzim ve faktör gereklidir. Protein Sentezi
  • Ayrıca, farklı proteinlerin translasyon sonrası işlenmesinde 100 kadar enzim gereklidir.
  • Sonuç olarak, 300’den fazla sayıda farklı makromolekül protein sentezinde görev alır.
  • Protein sentezi hücredeki tüm biyosentez reaksiyonlarında kullanılan enerjinin % 90’ını kullanır.
  • Olayın karmaşıklığına rağmen proteinler oldukça hızlı sentez edilirler.
  • Bir E. coli hücresinde 100 amino asitlik bir polipeptit yaklaşık 5 saniyede sentez edilir.

TRANSLASYON: m-RNA daki bilginin deşifre edilerek ribozomlarda protein sentezinin gerçekleşmesi işlemidir.

Genetik Şifre

  • Genetik şifre, harfler halinde gösterilen mRNA moleküllerini oluşturan 4 ribonükleotid bazı (A,U,C,G) kullanılarak, doğrusal olarak yazılır.
  • mRNA’daki her kelime 3 ribonükleotid harfinden oluşur. Kodon adı verilen 3 nükleotidlik grup, bir aminoasiti belirler. Bu nedenle şifre üçlüdür (triplet).
  • Şifre özgündür. Yani her üçlü (kodon) bir aminoasit belirler.
  • Bir aminoasit, birden fazla üçlü kodon tarafından belirlenir. – 64 kodon
  • Şifrede “başla” ve “dur” sinyalleri bulunur. – Başlatma kodonu; AUG Başlama kodonu, tüm hücrelerde bir polipeptidi başlatan sinyal kodonu (Bir polipeptidin içinde sinyal ayrıca Met’i kodlar) – Sonlanma kodonları; UAA, UGA, UAG Sonlanma-DUR (terminasyon) kodonları hiçbir amino asidi kodlamazlar. Bu kodonlar polipeptid sentezinin bittiğinin sinyalini verirler (Stop veya nonsense kodonlar).
  • Şifre hemen hemen evrenseldir. Birkaç küçük istisna dışında, bütün virüsler, prokaryotlar, arkealar ve ökaryotlar aynı şifre sözlüğünü kullanırlar.
  • mRNA keşfedilmeden önce, DNA’nın doğrudan kendisinin protein sentezini şifrelediği düşünülmekteydi.
  • 1961 yılında François Jacob ve Jacques Monad mRNA’yı bulmuştur.
  • 1960 yılında Sidney Brenner 20 aminoasiti kodlayacak şifrenin en az üçlü yapıda olması gerektiğini ileri sürmüştür. Çünkü 4 nükleotidin oluşturduğu şifrede nükleotidler, ikili şifre oluştursaydı, 16 (42 ) şifre kelimesi olacaktı. Bu 20 aminoasiti şifrelemek için yeterli değildir.
  • Üçlü şifre yapısı 64 (43 ) kelime belirleyebilir.

Aminoasitlere özgü üçlü dizilerin saptanması ile iki sonuç ortaya çıkmıştır:

  • Şifre dejeneredir. Bir aminoasit birden fazla üçlü kodon tarafından belirlenebilir.
  • Şifre çok kesindir. Bir üçlü kodon yanlız bir aminoasiti belirler. – Şifre sözlüğü 64 çeşit üçlüden oluşur; – 61 kodon aminoasit belirler. – 3 kodon dur sinyalidir ve hiçbir aminoasit belirlemez.

Aynı aminoasiti tanımlayan kodonların ilk iki harfi aynıdır, yalnız üçüncü harfi farklıdır. 1966 yılında Crick, üçüncü pozisyondaki dejenerasyonu gözlemlemiş ve wobble hipotezini önermiştir.

Wobble Hipotezi

  • Bir mRNA kodonundaki ilk iki baz daha kritiktir ve tRNA’daki antikodon ile her zaman güçlü Watson-Crick baz eşleşmesi yapar.
  • Antikodondaki ilk baz (5′  3′ yönünde okunur) kodondaki 3. bazın karşısındaki bazdır. tRNA tarafından tanınan kodonların sayısını belirler.
  • 3. pozisyondaki baz için kodon-antikodon arasında hidrojen bağının kurulmasında esneklik vardır ve baz eşleşmesi kuralına sıkıca uyma zorunluluğu yoktur.
  • Tüm 61 kodonun translasyonu için minumum 32 tRNA gereklidir.

Kodon ve antikodon eşleşmesi

tRNA’da bulunan inosin (I), U, C ve A ile hidrojen bağı yapabilir

Antikodon: tRNA’da mRNA’ya karşılık gelen kodon.

Protein sentezi için gerekli bileşenler

  • mRNA
  • tRNA
  • Ribozomlar
  • Aminoasitler

Protein Sentezi

  1. Amino asidlerin aktivasyonu
  2. Başlama (İnitiasyon)
  3. Uzama (Elongasyon)
  4. Sonlanma (Terminasyon) ve salınım
  5. Katlanma ve transkripsiyon sonrası (posttranslasyonel) işlemler

Aminoasitlerin Aktivasyonu

  • 3’ ucuna aminoasit bağlanmış tRNA, aminoaçiltRNA olarak adlandırılır. Bu işlemi gerçekleştiren enzim aminoaçil-tRNA sentetaz enzimidir ve ATP’ye ihtiyaç duyar.
  • Bir amino asit tRNA nın antikodonu tarafından belirlenir. Her hücre 20 farklı a.asit için 20 farklı aminoaçil-tRNA sentetaz enzimi içerir.

tRNA doğru aminoasiti tanımalıdır.

  • Aminoaçil tRNA sentetaz tarafından katalizlenir.
  • amino asitler aktive edilir (aminoacyladenylic acid).
  • ATP gerekir.

Protein Sentezinin Basamakları

  1. Aminoasitlerin aktivasyonu ATP, t-RNA Aminoasit Aminoasit t-RNA sentetaz
  2. Protein sentezinin başlaması m-RNA (AUG kodonlu) Ribozom, GTP Başlatıcı t-RNA ( AUG antikodonlu) Başlatıcı Faktörler (IF1, IF2, IF3)
  3. Protein zincirinin uzaması Uzatma faktörü (EF1, EF2) GTP
  4. Protein sentezinin sonlandırılması m-RNA bitiş kodonu (UAA, UAG, UGA) Releasing Faktör

Ribozom

Başlama

  • Başlama kompleks oluşumu – 1 GTP – Prokaryot: 70S-fMet-tRNA-mRNA – Ökaryot: 80S-Met-tRNA-mRNA

Uzama

  • Metionin /Formil metionin t-RNA ; P bölgesine bağlanır.
  • A bölgesine kodona uygun amino açil t-RNA bağlanır.
  • P bölgesindeki amino asit ile A bölgesindeki amino asit, Peptidil transferaz aracılığıyla peptit bağı ile bağlanır.
  • Translokasyon; – A bölgesindeki tRNA, P bölgesine geçer (1 GTP)
  • A bölgesi yeni bir amino açil tRNA ‘yı bağlamak için hazırdır. – Bir sonraki kodona uygun aminoaçil-tRNA, A bölgesine yerleşir

Sonlanma

  • Protein sentezi, sonlanma kodonlarından (UAA, UAG ve UGA) birisine geldiğinde sonlanır. Bu kodonlar herhangi bir a.asiti kodlamaz. Sonlanma işlemi Sonlanma faktörleri (RF1, RF2, RF3) denilen özel proteinlerce sağlanır.
  • Bu aşamada polipeptidi taşıyan son tRNA’dan polipeptid ayrılırken, ribozomal alt birimlerde birbirinden ayrılır ve protein sentezi sonlanır.
  • Ribozomlar tekrar birleşerek yeni bir protein sentezine katılabilir.

Translasyon Sonrası Modifikasyonlar

  • N-ucu ve C-ucundaki aminoasitler çoğunlukla uzaklaştırılır yada değişime uğrar.
  • Bazen bir aminoasit tek başına değişime uğrar. Örn. Tirozin gibi aminoasitlerin hidroksil gruplarına fosfatlar takılabilir. Bazı aminoasitlere de metil grubu takılabilir.
  • Bazen karbohidrat yan zinciri takılabilir. Glikoproteinler bu şekilde oluşturulur.
  • Polipeptid zincirlerinde kırpılma olabilir. Örn uzun bir polipeptid zinciri olarak sentezlenen insülin kesilerek 51 aminoasitlik son şeklini alır.
  • Sinyal dizileri polipeptidden uzaklaştırılır. N-ucundaki proteinin işlev göreceği yere yönlendirilmesinde rol oynayan 30 aminoasite kadar olan bölge sinyal dizisi olarak adlandırılır ve protein hedeflemesinde (targeting) görevlidir. Protein hedefe ulaştıktan sonra sinyal dizi enzimatik olarak uzaklaştırılır.
  • Endoplazmik retikuluma yönlendirilecek proteinler sinyal peptidi dizileri taşır.
  • Polipeptid zincirleri çoğunlukla metallerle kompleks yapmış olarak bulunur. Hemoglobinde 4 demir atomu ve 4 polipeptit zinciri bulunur.
  • Proteinlerin katlanmalarını şaperonlar adı verilen bir protein ailesi yönlendirir. – Şaperonlar, proteinlerin katlanarak üç boyutlu hale gelmesi işleminde yer alan refakatçı proteinlerdir. Endoplazmik retukulumda bulunurlar.

Proteinler sentezlenirken katlanırlar

  • Katlanma sentez sırasında ve amino-terminal uçtan başlayarak olur.
  • Polipeptit zinciri sentezi bittiğinde spontan olarak gerçekleşen katlanma da hemen hemen bitmiştir.
  • Proteinin sekonder, tersiyer yapılarının oluşması spontan olmaktadır.

GENETİK MÜHENDİSLİĞİ ve BİYOTEKNOLOJİ

Genetik mühendisliği canlıların kalıtsal özelliklerinin değiştirilerek onlara yeni işlevler kazandırılmasına yönelik araştırmalar yapan bilim dalıdır. Genetik mühendisleri genlerin yalıtılması, çoğaltılması, farklı canlıların genlerinin birleştirilmesi ya da genlerin bir canlıdan başka bir canlıya aktarılması gibi çalışmalar yapar. Genetik mühendisliğinin gelişimine katkıda bulunan bilimler genetik, moleküler biyoloji ve mikrobiyolojidir.

Genetik Mühendisliğinin Uygulama Alanları

Klonlama: Bilim insanları bir genle ilgili çalışabilmek için o genin üzerinde bulunduğu DNA parçasını kopyalar. Genlerin kopyalarının elde edilmesine gen klonlaması denir. Bir canlıda bulunan bir gen bu canlıdan alınıp taşıyıcı bir canlının DNA’sıyla birleştirilip bir hücreye nakledilir ve bu hücrenin çoğaltılması işlemi yapılır.

Gen Tedavisi: Gen tedavisinde amaç hasta hücredeki veya organdaki bozukluğu hücrenin genetik yapısını değiştirerek düzeltmektir. Gen tedavisinde hastalığa neden olan gen etkisiz hale getirilir veya bireye tedavi edici gen aktarılır. Gen tedavisiyle hastalığa yol açan genlerin nesilden nesile aktarılması engellenmeye çalışılır.

Türlerin Islah Edilmesi: Bir türe istenilen özellikleri kazandırmak için yapılan çalışmalara ıslah denir. Islah çalışmalarında amaç, istenilen gen kombinasyonlarına sahip, yeni üstün özellikler içeren, olumsuz özelliklerden arındırılmış bireyler elde etmek ve bunları çoğaltmaktır. Geleneksel ıslah yöntemleriyle istenilen farklı özelliklere sahip canlılar seçilip bunlar birbirleriyle eşleştirilmiş ve böylece anne-babanın istenilen özelliklerini taşıyan yeni bireyler elde edilmiştir. Geleneksel ıslah yöntemlerinin yetersizlikleri bilim insanlarını modern ıslah yöntemlerini geliştirmeye yöneltmiştir. Modern ıslah yöntemlerinin gelişmesiyle yüksek kaliteli ve daha verimli ürün elde edilmeye başlanmıştır. Modern ıslah yöntemleri olarak tür içi ve türler arası melezleme, yapay döllenme, gen aktarımı ve klonlama kullanılmaktadır.

Genetiği Değiştirilmiş Organizma (GDO): Günümüzde istenilen özellikte bitki ve hayvan üretebilmek için genetik mühendisleri, insanlığa yarar sağlamak amacıyla organizmaların genetik yapılarını değiştirirler. Kendi türü dışında bir türden gen aktarılarak belirli özellikleri değiştirilmiş bitki, hayvan ya da mikroorganizmalara genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO) adı verilir. GDO üretilmesinin amacı dünya nüfusunun beslenmesine ve açlığın önlenmesine yardımcı olmaktadır. Doğal olmayan, yapay yöntemlerle elde edilen GDO’lu ürünlerin doğaya ve insan sağlığına etkilerinin neler olduğu hâlen araştırılmakta ve tartışılmaktadır.

Genom Projesi: Genetik mühendisliği uygulamalarının biri de genom projesidir. Genetik mühendisleri, bir organizmanın genomundaki tüm genleri sistematik olarak tanımlamak ve haritalamak için projeler geliştirmişlerdir. Genom projelerinin en iyi bilineni ve en büyüğü İnsan Genom Projesi (İGP)’dir. İGP çalışmaları, insan genomundaki tüm DNA baz dizilimini belirleyerek kalıtsal hastalıklardan sorumlu genlerin tanımlanması ve haritalanması amacıyla 1990 yılında başlatılmıştır.

DNA Parmak İzi: Canlılarda genetik bir bozukluğun olup olmadığı ve türler arasındaki farklılıklar DNA parmak izi yöntemiyle belirlenebilmektedir. DNA parmak izi yöntemi, bir insanın DNA’sını oluşturan baz sırasının diğer insanların DNA baz sıralarından farklı olmasına dayanır. DNA parmak izi suçluların tespitinde ve babalık testlerinde kullanılan bir yöntemdir.

Tarım Alanında Zararlı böceklere karşı dirençli bitkiler elde edilmesi sonucu tarımda kullanılan böcek öldürücü ilaçlara gerek kalmaması genetik mühendisliğinin tarım alanında bir uygulamasıdır.

Genetik mühendisliğindeki gelişmelerin olumlu sonuçları tüm dünyada takdirle karşılanmakta fakat bu uygulamalar ekolojik, sağlık, sosyal ve ahlaki yönden bazı olumsuzlukları da beraberinde getirebilmektedir.

Biyoteknoloji doğa bilimleri yanında çeşitli mühendislik alanlarını da kullanarak bitki, hayvan ve mikroorganizma yapılarını kültür ortamında değiştirip geliştirerek onlardan yeni veya az bulunan ürünler elde etmeyi amaçlayan bilim dalıdır. Biyoteknoloji ile sağlık, tarım, hayvancılık ve endüstri gibi alanlarda kullanılmak üzere çeşitli ürünlerin geliştirilmesi sağlanır. Genetik mühendisliği, biyoteknoloji tekniklerinin uygulanmasını içeren çalışmaları kapsar.

Günümüzde Bazı Biyoteknolojik Çalışmalar: Endoskopi, diyaliz ve solunum cihazı üretimi İdrar ve kan tahlilleri yapabilen cihazların üretimi Yapay kol, bacak, el, diz ve kalça eklemleri üretimi Kanser, AIDS, akdeniz anemisi, lösemi gibi hastalıkların tedavisinde kullanılacak genetik ürünlerin elde edilmesi. Büyüme geriliği, hasar görmüş beyin hücreleri ve omuriliğin onarımı gibi sorunlara yönelik proteinlerin üretilmesi İnsülin ve büyüme hormonunun gen aktarımı ile bakterilerden elde edilmesi Vitamin tabletlerin üretilmesi Meyveli yoğurt üretimi, Böcek ilacı, deterjan, parfüm gibi kimyasal maddeler üretilmesi Özel olarak çoğaltılmış bakteri, alg ve mantarların endüstriyel ve evsel atıklardaki bazı maddelerin kaldırılmasında kullanılması

Genetik mühendisliği canlıların kalıtsal özelliklerinin değiştirilerek onlara yeni işlevler kazandırılmasına yönelik araştırmalar yapan bilim dalıdır. Genetik mühendisliğinin uygulama alanlarına klonlama, gen tedavisi, türlerin ıslah edilmesi, genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO), Genom Projesi ve DNA parmak izi örnek olarak verilebilir. Biyoteknoloji doğa bilimleri yanında çeşitli mühendislik alanlarını da kullanarak bitki, hayvan ve mikroorganizma yapılarını kültür ortamında değiştirip geliştirerek onlardan yeni veya az bulunan ürünler elde etmeyi amaçlayan bilim dalıdır. Biyoteknoloji ile sağlık, tarım, hayvancılık ve endüstri gibi alanlarda kullanılmak üzere çeşitli ürünlerin geliştirilmesi sağlanır.

2. ÜNİTE CANLILARDA ENERJİ DÖNÜŞÜMLERİ

Canlılarda Solunum: Enerjinin Açığa Çıkışı: Canlı hücrede gerçekleşen tüm metabolik olaylar enerji gerektirir. Hayvanlar enerjilerini yedikleri besinlerden alır.Besinlerdeki bu enerji, fotosentez yoluyla güneşten alınan ışınım enerjisinin organik maddelerin kimyasal bağlarındaki potansiyel enerjiye çevirilmiş şeklidir.Hücresel solunumda enzimler aracılığıyla besinler karbondioksit ve suya parçalanırken kimyasal bağ enerjisi açığa çıkarak, ATP molekülünde depolanır.Hücreler ATP’nin yapısındaki yüksek enerji bağlarını yıkarak elde ettiği enerjiyi biyolojik işte kullanır.Özetle;Işık Enerjisi   —Fotosentez—>   Kimyasal Bağ Enerjisi   —Solunum—>  ATP —> Canlılık Olayları

A. Enerjinin Temel Molekülü ATP:Canlıların yaşamsal etkinliklerinde doğrudan kullanabildiği tek tek enerji molekülü ATP’dir. ATP yalnız hücre içinde sentezlenir. ATP depo edilmez. ATP hücreden hücreye transfer edilmez. ATP yapımı ve yıkımı birbirinin tersi olaylardır.

ATP harcanması

ATP oluşması ve harcanmasıATP’den fosfat ayrılması ya da ADP‘ye fosfat bağlanması enzimler kontrolünde gerçekleşir.ATP üretim reaksiyonlarına fosforilasyon adı verilir. Yaşamsal faaliyetler için gerekli olan ATP üretimi canlılarda substrat seviyesinde fosforilasyonoksidatif fosforilasyon ve fotofosforilasyon olmak üzere farklı şekillerde gerçekleşir.Metabolik faaliyetlerde enerji açığa çıkaran tepkimelere ekzergonik (enerji veren ) , enerji ihtiyacı olan tepkimelere endergonik tepkime denir.

B. Canlılarda Enerji İhtiyacı: Canlı yapısını oluşturan hücrelerin molekülleri sürekli bir kimyasal değişim içindedir. Bu değişme biyokimyasal tepkimelerle gerçekleşir. Canlılardaki bu biyokimyasal olaylara metebolizma denir.Metebolizma anabolizma (yapım) ve katabolizma (yıkım) olaylarının bütünüdür. Metebolizma faaliyetleri sırasında enerjiye ihtiyaç duyulur. Canlıların enerji gereksinimi fiziksel aktivitelere bağlı olarak değişir. Metabolizma hızı arttıkça ihtiyaç duyulan enerji miktarı da artar. İnsanlarda metabolizma yaş, cinsiyet hormonal etkiler ve vücut büyüklüğü gibi faktörlerden etkilenir.

C. Oksijenli Solunum:Enerji verici organik besinlerin oksijenli ortamda parçalanarak ATP üretilmesidir. Mezozomu olan prokaryotlarda solunum enzimleri yardımıyla, ökaryotlarda ise mitokondri yardımıyla gerçekleşir.Glikozun oksijen ile tepkimeye girmesi sonucu H2IO ve CO2 gibi inorganik maddelere kadar parçalandı için enerji verimide yüksektir. Açığa çıkan enerjinin bir bölümü ATP enerjisi olarak depolanırken, bir kısmı ise ısı enerjisi olarak açığa çıkar.

Genel olarak oksijenli solunum tepkimeleri

Oksijenli solunum tepkimeleriGlikoz molekülünün yapısına katılan atomların radyoaktif izotopları kullanılarak solunum son ürünleri izlenmiştir.İzotop atom izleme yöntemi ile;

  • Havadan alınan oksijenin suyun yapısına ,
  • Glikozun hidrojenlerinin suyun yapısına ,
  • Glikozun karbon ve oksijenlerinin karbon dioksitin yapısına katıldığı tespit edilmiştir.

Mitokondri: Mitokondri çift zarla çevirili bir organeldir. Yapısal olarak dış zar düz ve esnektir. İçteki zar krista denilen kıvrımlardan oluşur. Kristada ETS elemanları bulunur. Mitokondirinin içini dolduran sıvıya matriks denir. Matrikste ve krista da solunum enzimleri bulunur. Görevi karbonlu moleküllerdeki enerjiyi ATP‘ye dönüştürmektir.

mitokondri yapısı

Mitokondrinin içyapısıOksijenli solunum reaksiyonları üç aşamada gerçekleşir;1) Glikoz evresi2) Krebs döngüsü3) ETS (elektron taşıma sistemi) evresi

1. Glikoz:Glikozun üç karbonlu piruvata çevrilmesi sırasında bir miktar ATP’nin üretildiği tepkime dizisine glikoliz denir.Oksijenli ve oksijensiz solunum tepkimelerinde glikoliz ortaktır. Bu da glikoliz olayını kontrol eden kalıtsal yapı ve enzimlerin tüm hücrelerde benzer olduğunu gösterir. Glikoliz bütün hücrelerde sitoplâzmada gerçekleşir.

Glikoz evresi tepkimeleri

Glikoz evresi tepkimeleri

Glikoz evresinde;

  • Glikoz ATP moleküllüleri bağlanarak aktif hale getirir.
  • Organik bileşik parçalanarak iki tane üç karbonlu fosfogliseraldehit (PGAL) oluşur.
  • PGAL ‘den ayrılan proton ve elektronlar NAD+ koenzimine aktarılır. 2 molekül NADH +H+ oluşur.
  • Her iki PGAL’e bir fosfat bağlanır, difosfogliserik asit (DPGA) oluşur.
  • Oluşan her iki DPGA’dan fosfatlar ayrılır ADP’lere bağlanarak subsrat seviyesinden 4 ATP sentezlenmesi sağlanır.
  • Glikoliz tepkimeleri sonucu iki pirüvat oluşur.

Glikolizde;

  • Oksijen kullanılmaz, karbondioksit açığa çıkmaz.
  • Elektron taşıma sistemi (ETS) kullanılmaz.
  • Enerji verimi düşüktür.

2. Krebs Döngüsü Tepkimeleri:Krebs döngüsü, krebse hazırlık ve krebs çemberinden oluşmaktadır.Krebse hazırlık evresinde; pirüvat oksijen varlığında mitokondriye girer, karbon ve hidrojen kaybetmesiyle asetil CoA ya dönüşür. 2 molekül NEADH + H+, 2 molekül CO2 meydana gelir.Krebs çemberinde; asetil CoA, 4C’lu okzaloasetik tarafından yakalanır ve altı karbonlu sitrik asit oluşur. Sitrik asit bir dizi tepkimeyle 5C ‘lu ve 4C’lu bileşiklere dönüşür. Son olarak tekrar okzaloasetik asit oluşur. Bir molekül glikozdan iki tane pirüvik asit olduğu için, iki tane krebs tepkimesi gerçekleşir.Krebs döngüsü sırasında 6CO2 6 NADH + H+ , 2FADH2 subsrat seviyesinde fosforilasyonla 2 ATP sentezlenir.

Krebs tepkimeleri

Krebs tepkimeleri

3. Elektron Taşıma Sistemi (ETS): Mitokondrinin krista zarında gerçekleşir. Bu zar elektron taşıma sistemi (ETS) ve ATP sentaz enzimi taşır. Bu sistem elektron alma ilgilerine göre sıralanmış çoğu protein yapıda olan moleküller den oluşur. Bunlar NADH-Q redüktaz, sitokrom redüktaz, sitokrom oksidaz ve sitokrom C ‘dir. Protein yapıda olmayan görevi olan molekül ise ubikinondur. Glikoliz ve krebs çemberinde üretilen NADH + H + ve FADH + H+’nın hidrojen ve elektronları ETS elemanlarından geçerken açığa çıkan enerji ATP şeklinde depolanır.Mitokondri ve kloroplastlarda ETS ‘de ATP sentezi kemiozmotik hipoteze dayandırılmaktadır. Bu hipoteze göre oksidatif fosforilasyonda zar yüzeyleri arasındaki proton derişimi farklı ATP sentezini sağlar.ETS doğrudan ATP üretmez. Bu zincirin amacı, besinden H2 halinde koparılan elektronların enerjisini düşürerek oksijene aktarılmasını sağlamaktır. Bu sırada açığa çıkan enerjinin bir kısmı ısı olarak ortama yayılırken geri kalanı mitokondri matriksindeki protonları, mitokondrinin iç ve dış zarı arasında bulunan boşluğa pompalamada kullanır. Protonlar, ETS molekülleri aracılığıyla pompalanır. Böylece zar arasındaki boşlukta yüksek proton derişimi ve elektriksel yük farkı oluşur. Bu durum potansiyel enerji oluşturur. Zarlar arası boşlukta biriken protonlar, ATP sentaz enziminden geçerek matrikse döner. ATP sentaz hidrojen iyonlarını akışıyla güç sağlayan bir değirmen gibi çalışır. Böylece ADP’ye bir fosfat eklenerek ATP sentezlenmesini sağlar. ETS’ler aracılığıyla elektronların oksijene taşınması ve ATP sentezlenmesine oksidatif fosforilasyon denir.

Proton ve elektronlar NAD tarafından ETS ‘ ye iletilirse 3 ATP, FAD tarafından alınıp ETS’ye iletilirse 2 ATP sentezlenir.

ATP üretimi:

1. Subsrat düzeyinde fosforilasyonla

a) Glikolizde… 4ATP

b) Krebs çemberinde… 2ATP

2. Oksidatif fosforilasyonla

a) Glikolizden gelen 2 NADH2’ den… 6 ATP

b) Pirüvat Asetil CoA’ya dönüşürken oluşan 2 NADH2’den… 18 ATP

c) Krebs çemberinde oluşan 6 NADH2… 6 ATP 2 FADH2 ‘ den… 4 ATP

Toplam üretilen… 40 ATPGlikolizde harcanan… 2 ATPNet kazanç… 38 ATP

Suyun Oluşumu: Oksijenli solunumda ETS ‘ye aktarılan bir çift hidrojen atomunun oksijen ile birleşmesi 1 molekül H2O oluşur. NAD ve FAD molekülleri aracılığıyla 24 hidrojen atomu oksijenle birleşerek 12 molekül H2O oluşturur.6 mol su ortama verilirken 6 mol su krebs çemberinde kullanılır.

Karbondioksitin Oluşumu: 2 pirüvattan asetil CoA oluşumu sırasında 2 CO2 ,Krebs çemberi reaksiyonları sırasında 4 CO2 olmak üzere toplam 6 CO2 çıkışı olur

D. Besinlerin Oksijenli Solunuma Katılım Yolları: Yağlar, karbonhidratlar ve proteinler monomerleri solunum olayında yıkılırken farklı kademelerden reaksiyona katılır.

Farklı organik bileşiklerin solunumda yakılması

Farklı organik bileşiklerin solunumda yakılması

Karbonhidratlar ve lipitler solunum tepkimelerinde kullanıldığında CO2,H2O ve HN3meydana gelir.

E.Oksijensiz Solunum (Fermantasyon): Organik besinlerin oksijen kullanımda enzimler parçalanarak ATP sentezlemesine fermantasyon denir. Besin CO2 ve H2O’ye kadar parçalandığından enerjinin büyük bir bölümü son ürünlerin kimyasal bağlarında gizli kalır.Fermantasyon tepkimeleri hücre sitoplazmasında gerçekleşir. Glikoz tepkimeleri oksijenli solunumdaki gibi aynı şekilde gerçekleşir. Glikoz evresinden sonraki tepkimelerden farlı enzimler kullanılmasıyla farklı fermantasyon reaksiyonları görülür.

1. Etil Alkol Fermantasyonu: Maya mantarı, bazı bakteriler ve çeşitli bitki tohumlarında görülür. Glikoz oksijensiz ortamda etil alkolle yıkılır.Glikoz önce glikoz tepkimeleriyle 2 molekül pirüvata kadar parçalanır. ATP sentezi glikoz safhasında olur. Pirüvat,2 karbon dioksit vererek 2 aset aldehite dönüşür. Aset aldehitte glikoz evresinde sentezlenen 2 NADH+H+ molekülünden hidrojen alarak 2 etil alkol’e dönüşür. Serbest kalan NAD+ molekülleri glikolizin devamı ve ATP üretimi için gereklidir.

etil alkol fermantasyonu

Bir molekül glikozdan fermantasyon sonrası 2 etil alkol, 2 CO2 ve net 2 ATP oluşurken bir miktarda ısı açığa çıkar.Alkol fermantasyonu yapan canlılarda açığa çıkan son ürün %18’ aşarsa hücrelerin ölümüne sebep olur. Etil alkol fermantasyonu ile alkollü içecekler ve hamur gibi ticari önemi olan ürünler elde edilir.

2.Laktik Asit Fermantasyonu: Bazı mantar, bakteri ve omurgalı hayvanları çizgili kas hücrelerinde görülür.Glikoliz tepkimeleri sonucu oluşan piruvat yine glikolizde oluşan 2NADH+H+moleküllerinden hidrojen alarak 2 laktik asite dönüşür. Böylece NADH+H+ molekülü yükseltgenerek glikolizin devamı için NAD+molekülü ortama kazandırılır

laktik asit fermantasyonu

Laktik asit fermantasyonu sonucunda bir molekül glikozdan 2 molekül laktik asit ve net 2 ATP oluşur.ATP sentezi glikoliz safhasında oluşur.Bir miktar ısı enerjisi açığa çıkar.Laktik asit çizgili kaslarda birikirse kas yorgunluğu görülür. Eğer daha sonra doku yeterince oksijen sağlarsa laktik asit H vererek tekrar piruvata döner.Bakteri ve mantarlar laktik asit fermantasyonu ile peynir yoğurt ve turşu gibi ürünlerin üretiminde ticari amaçla kullanılmaktadır.

Oksijensiz ve oksijenli solunum arasındaki farklar

Oksijensiz solunumOksijenli solunum
Oksijen kullanılmazOksijen kullanılır.
Sitoplazmada kullanılır.Sitoplazmada ve mitokondride gerçekleşir.
ETS görev yapmaz.ETS görev yapar.
Sadece substrat düzeyinde fosforilasyonla ATP üretilir.Hem substrat düzeyinde hem de fosforilasyonla ATP üretilir.
Enerji verimi %2-10 arasında.Enerji verimi %40’dır.
Koenzim olarak NAD kullanılır.Koenzim olarak NAD ve FAD kullanılır.
Son elektron alıcısı etil alkol fermantasyonunda asetaldehit, laktik asit fermantasyonunda pirüvattır.Son elektron alıcısı oksijendir.
1 molekül glikozdan 4 ATP üretilir. Net kazanç 2 ATP’dir.1 molekül glikozdan 40 ATP üretilir. Net kazanç 38 ATP’dir.
Glikoz, etil alkole ve laktik asite vb. parçalanır.Glikoz, su ve karbondioksite parçalanır.
Bazı bakterilerde, maya hücrelerinde ve oksijen yetersizliğinde çizgili kas hücrelerinde görülür.Bazı bakterilerde ve çok hücreli canlılarda görülür.

Laktik Asit ve Etil Alkol Fermantasyonlarının Ortak Özellikleri

  • Enzim kullanılması
  • Sitoplazmada meydana gelmesi
  • 4 ATP üretmesi,2 ATP harcaması, net ATP kazancının 2 olması
  • NAD’ın glikolizde indirgenip glikolizden sonra yükseltgenmesi
  • ATP sentezinin substrat düzeyinde fosforilasyonla olması
  • Glikolizden sonra ATP sentezinin olmaması

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

*
*