DNA Replikasyonu: Yarı Korunumlu Eşleme Nasıl Gerçekleşir?

S fazında DNA miktarı artar, kromozom sayısı aynı kalır

DNA replikasyonunu hücre döngüsündeki yeriyle birlikte değerlendirmek gerekir. Ökaryot bir hücrede DNA sentezi, interfazın S fazında gerçekleşir. Bu sırada hücrenin DNA miktarı yaklaşık iki katına çıkar; fakat kromozom sayısı iki katına çıkmış sayılmaz.

Bunun nedeni kromozom sayısının sentromer sayısına göre değerlendirilmesidir. Replikasyondan önce tek kromozom tek kromatitlidir. Replikasyondan sonra aynı kromozomun birbirinin kopyası olan iki kardeş kromatidi bulunur ve bu kardeş kromatidler sentromer bölgesinde bağlıdır. Bu nedenle S fazından sonra kromozom sayısı değişmeden kalırken kromatit sayısı ve DNA miktarı artar.

Örneğin diploit bir insan hücresinde replikasyon öncesinde 46 kromozom ve 46 kromatit bulunur. Replikasyon tamamlandığında 46 kromozom ve 92 kardeş kromatit bulunur. Bu sayıların bölünme türüne ve hücrenin hangi evrede olduğuna göre yorumlanması gerekir. Replikasyonun kendisi kromozom sayısını artıran bir bölünme değildir; yalnızca mevcut genetik materyali kopyalar.

Helikazdan ligaza: eşleme çatalları boyunca görev paylaşımı

DNA'nın kopyalanması birden fazla enzimin birlikte çalışmasını gerektirir. Helikaz, DNA'nın iki ipliği arasındaki hidrojen bağlarının kopmasına yardımcı olarak çift sarmalın açılmasını sağlar. İplikler ayrıldığında her biri kalıp görevi görebilecek duruma gelir.

DNA polimeraz, kalıp iplikteki bazları okuyarak karşılarına tamamlayıcı nükleotitleri ekler. Bu enzimin kullandığı yapı taşları dört çeşit deoksiribonükleotittir. Kalıpta A varsa yeni ipliğe T, kalıpta T varsa A; kalıpta G varsa C, kalıpta C varsa G eklenir. Böylece yeni ipliğin dizisi, kalıp ipliğin tamamlayıcısı olur.

DNA'nın iki ipliği zıt yönlü olduğu için yeni ipliklerin sentezlenme biçimi aynı değildir. Bir iplik eşleme çatalı yönünde daha kesintisiz sentezlenebilirken karşı iplik kısa DNA parçaları hâlinde oluşturulur. Bu kısa parçaların birleştirilmesinde DNA ligaz görev yapar. Lise düzeyinde sorularda temel eşleştirme şu şekilde yapılabilir: helikaz açar, DNA polimeraz tamamlayıcı nükleotitleri ekler, ligaz kopuk parçaları birleştirir.

Burada enzimlerin görevleri birbirine karıştırılmamalıdır. Helikaz yeni DNA zincirini sentezlemez; DNA polimeraz DNA sarmalını açmaz; ligaz da baz eşleşmesini belirleyen enzim değildir. Her biri replikasyonun farklı bir basamağında işlev görür.

Tamamlayıcı baz eşleşmesi kalıptan yeni diziyi nasıl belirler?

DNA replikasyonunda kalıp iplikteki dizinin tamamlayıcısı sentezlenir. Örneğin kalıp iplik 3'-A-T-G-C-5' biçiminde verilmişse yeni iplik 5'-T-A-C-G-3' olur. DNA iplikleri antiparalel, yani zıt yönlü olduğu için 5' ve 3' uçlarının yönü göz ardı edilmemelidir.

Bir soruda yalnızca baz sayısı isteniyorsa tamamlayıcılık kuralı yeterlidir. Verilen tek iplikte 20 adenin varsa tamamlayıcı iplikte 20 timin bulunur. Çift iplikli DNA molekülünün tamamında 20 adenin varsa toplam timin sayısı 20'dir; bunun tamamının karşı iplikte bulunması gerekmez. Çift iplikli DNA'da toplam A sayısı toplam T sayısına, toplam G sayısı toplam C sayısına eşittir.

Yeni nükleotitler kalıp ipliğin birebir aynısı değil, tamamlayıcısıdır. Buna rağmen iki yeni DNA molekülü başlangıçtaki DNA ile aynı baz dizisi bilgisini taşır; çünkü başlangıçtaki ipliklerden her biri yeni ipliğin oluşması için kullanılmıştır. Bu ayrım, "kalıp iplik", "yeni iplik" ve "özdeş DNA" ifadelerini yorumlarken önemlidir.

Yarı korunumlu modelin sonucu: iki DNA molekülünde eski ipliklerin dağılımı

Yarı korunumlu eşleme modelinde başlangıçtaki DNA'nın iki ipliği ayrılır. Eski ipliklerden biri birinci yeni DNA molekülünde, diğeri ikinci yeni DNA molekülünde kalır. Her eski ipliğin karşısına yeni ve tamamlayıcı bir iplik sentezlenir.

Başlangıçta tek bir çift iplikli DNA molekülü varsa replikasyon sonunda iki çift iplikli DNA molekülü oluşur. Her yeni molekülün bir ipliği eski, diğer ipliği yenidir. Bu nedenle "DNA'nın yarısı korunur" ifadesi, her yeni DNA'nın iki ipliğinden birinin başlangıçtaki DNA'dan gelmesi anlamındadır; DNA molekülünün fiziksel olarak ortadan ikiye bölünmesi anlamına gelmez.

Bir başka önemli nokta, replikasyon ile hücre bölünmesinin aynı olay olmamasıdır. Replikasyon DNA'nın kopyalanmasıdır; mitoz ve mayoz ise hücrenin bölünme süreçleridir. Replikasyon bölünmeden önce gerçekleştiği için kardeş kromatidlerin oluşmasını sağlar. Bölünme sırasında bu kopyalar farklı hücrelere dağıtılır.

Replikasyon hatası, mutasyon ve onarım arasındaki ilişki

DNA polimerazın nükleotitleri tamamlayıcı kurala göre eklemesi, kopyalama doğruluğunu artırır; ancak biyolojik sistemlerde kopyalama sırasında hata olasılığı tamamen yok sayılamaz. Hücrelerde bazı hataları tanıyan ve düzelten DNA onarım mekanizmaları bulunur.

Bir bazın yanlış eşleşmesi ve bu durumun onarılmadan kalması, sonraki kopyalamalarda kalıcı bir DNA dizisi değişikliğine dönüşebilir. Mutasyon, DNA dizisinde ya da kromozomların yapısı veya sayısında kalıcı değişikliktir. Bu değişikliklerin etkisi, gerçekleştiği bölgeye ve gen ifadesini etkileyip etkilememesine bağlıdır.

Ayrıca DNA hasarı ile mutasyon aynı kavram değildir. Hasar, DNA molekülünde oluşan yapısal bozulmayı ifade eder. Hasar onarım mekanizmalarıyla giderilebilir. Onarılamayan veya yanlış onarılan bazı değişiklikler mutasyona dönüşebilir.

Çözümlü örnekler

Örnek 1 — Baz dizisinden tamamlayıcı ipliği bulma

Verilenler: Bir DNA ipliğinin dizisi 3'-A-T-G-C-C-A-5' olsun.

1. Her bazın tamamlayıcısını yazın: A karşısına T, T karşısına A, G karşısına C, C karşısına G gelir.
2. Tamamlayıcı diziyi oluşturun: T-A-C-G-G-T.
3. İpliklerin yönünü kontrol edin: Kalıp iplik 3'ten 5'e verildiği için yeni iplik 5'ten 3'e yazılır.

Sonuç: Yeni iplik 5'-T-A-C-G-G-T-3' olur. Bu iki iplik birleştiğinde oluşan DNA molekülünde her baz çifti A-T veya G-C şeklindedir. Burada yeni iplik, kalıp ipliğin aynısı değildir; tamamlayıcısıdır.

Örnek 2 — Replikasyon sonrası kromozom ve kromatit sayısı

Verilenler: Replikasyon öncesinde bir hücrede 8 kromozom ve 8 kromatit vardır. Replikasyon S fazında tamamlanıyor.

1. DNA miktarının iki katına çıkacağını belirleyin.
2. Her kromozomun iki kardeş kromatide sahip olacağını düşünün.
3. Sentromer sayısı değişmediği için kromozom sayısını 8 olarak koruyun.
4. Kromatit sayısını 8 x 2 işlemiyle hesaplayın.

Sonuç: Replikasyon sonrasında hücrede 8 kromozom, 16 kromatit bulunur. Bu hücre henüz iki hücreye ayrılmamıştır. Eğer daha sonra mitoz gerçekleşir ve kardeş kromatidler iki yavru hücreye eşit dağılırsa, her yavru hücrede 8 kromozom bulunması beklenir. Sınavlarda en sık yapılan hata, replikasyonla kromozom sayısının da iki katına çıktığını düşünmektir.