Organik Moleküller: Nükleik Asitler (DNA ve RNA'nın Yapısı) ile Yağda Çözünen ve Suda Çözünen Vitaminler

Nükleik asitler, canlıların kalıtsal bilgisini depolayan, bu bilgiyi kuşaktan kuşağa aktaran ve hücredeki protein sentezini yöneten en büyük organik moleküllerdir. İlk kez 1869 yılında İsviçreli bilim insanı Friedrich Miescher tarafından ak kan hücrelerinin çekirdeğinden elde edilmiştir. Çekirdekte (nükleus) bulunduğu ve asidik özellik gösterdiği için bu moleküllere nükleik asit adı verilmiştir. İki çeşit nükleik asit vardır: DNA (deoksiribonükleik asit) ve RNA (ribonükleik asit). Bütün hücreli canlılarda her ikisi de bulunurken virüslerde bunlardan yalnızca biri bulunur.

Nükleik asitlerin monomeri nükleotit adı verilen birimlerdir. Her nükleotit üç bileşenden oluşur: bir fosfat grubu, beş karbonlu bir şeker (pentoz) ve azot içeren bir organik baz. DNA'daki şeker deoksiriboz (C₅H₁₀O₄), RNA'daki şeker ise riboz (C₅H₁₀O₅) adını alır; deoksiriboz, ribozdan bir oksijen atomu eksiktir. Organik bazlar iki gruba ayrılır: çift halkalı pürinler (adenin-A, guanin-G) ve tek halkalı pirimidinler (sitozin-C, timin-T, urasil-U). Nükleotitler içerdikleri baza göre adlandırılır; örneğin adenin bazı taşıyan nükleotit adenin nükleotittir.

Nükleotitler, 12. haftada öğrendiğimiz dehidrasyon sentezi ile birbirine bağlanır. Bir nükleotidin şekeri ile sonraki nükleotidin fosfatı arasında fosfodiester bağı kurulur ve her bağ oluşurken bir molekül su açığa çıkar. Bu bağlar sonucunda şeker ve fosfatların ardı ardına dizildiği sağlam bir şeker-fosfat omurgası oluşur; bazlar ise bu omurgadan dışarı doğru uzanır. Nükleik asitler hidroliz edildiğinde önce nükleotitlerine, nükleotitler de daha ileri hidrolizle fosfat, şeker ve bazlarına ayrışır. Bir hücrede DNA'ya ait 4 ve RNA'ya ait 4 olmak üzere toplam 8 çeşit nükleotit bulunur.

DNA'nın üç boyutlu yapısı 1953 yılında James Watson ve Francis Crick tarafından modellenmiştir. Bu model, Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins'in X ışını kırınımı çalışmalarından elde edilen verilere dayanır. Modele göre DNA, iki polinükleotit zincirinin birbiri etrafında sarılmasıyla oluşan bir çift sarmaldır (heliks). Yapıyı burgulu bir merdivene benzetebiliriz: merdivenin kenarlarını şeker-fosfat omurgası, basamaklarını ise karşılıklı eşleşmiş baz çiftleri oluşturur. İki zincir birbirine zıt yönlü (antiparalel) olarak uzanır.

Karşılıklı zincirlerdeki bazlar rastgele değil, belirli bir kurala göre eşleşir: adenin her zaman timinle, guanin her zaman sitozinle eşleşir. A ile T arasında 2, G ile C arasında 3 hidrojen bağı kurulur. Her eşleşmede çift halkalı bir pürin, tek halkalı bir pirimidinle karşılaştığı için DNA'nın çapı her noktada aynı kalır. Avusturya kökenli biyokimyacı Erwin Chargaff'ın farklı canlılar üzerinde yaptığı analizler de bu eşleşmeyi destekler: çift zincirli DNA'da A sayısı T'ye, G sayısı C'ye eşittir; dolayısıyla pürinlerin toplamı pirimidinlerin toplamına eşittir. (A + T) / (G + C) oranı ise türden türe değişir ve türe özgüdür.

Zincirleri bir arada tutan hidrojen bağları zayıf bağlardır; bu sayede DNA eşlenirken ve RNA sentezlenirken zincirler bir fermuar gibi kolayca açılıp tekrar kapanabilir. Omurgadaki fosfodiester bağları ise güçlü kovalent bağlar olduğundan nükleotit dizisi korunur. Ökaryot hücrelerde DNA'nın büyük kısmı çekirdekte proteinlerle birlikte kromatin ve kromozom yapısındadır; az miktarda DNA mitokondri ve kloroplastta bulunur. Prokaryotlarda ise DNA sitoplazmada serbest hâldedir. DNA'nın temel görevleri kalıtsal bilgiyi taşımak, hücre bölünmesinden önce kendini eşlemek ve RNA sentezini yöneterek dolaylı olarak protein sentezini kontrol etmektir. DNA'nın belirli bir özelliği şifreleyen bölümlerine gen denir.

Chargaff eşitlikleri, DNA ile ilgili sayısal soruların anahtarıdır. Çift zincirli bir DNA'daki toplam nükleotit sayısını N ile gösterelim. Her nükleotitte bir şeker, bir fosfat ve bir baz bulunduğundan deoksiriboz sayısı = fosfat sayısı = baz sayısı = N olur. Bazlar karşılıklı eşleştiği için A = T, G = C ve A + G = T + C = N2 eşitlikleri yazılır. Bu nedenle tek bir bazın sayısı ile toplam nükleotit sayısı biliniyorsa diğer bütün bazların sayısı bulunabilir. Ayrıca bir zincirdeki adenin sayısı karşı zincirdeki timin sayısına, bir zincirdeki guanin sayısı da karşı zincirdeki sitozin sayısına eşittir.

Hidrojen bağı sayısı, her A-T çiftinde 2 ve her G-C çiftinde 3 bağ bulunduğundan 2·A + 3·G formülüyle hesaplanır (burada A, A-T çifti sayısını; G, G-C çifti sayısını verir). Fosfodiester bağı sayısı için tek zinciri düşünelim: n nükleotitlik doğrusal bir zincirde ardışık nükleotitler arasında n − 1 bağ vardır. Çift zincirde her zincir N2 nükleotit içerdiğinden toplam bağ sayısı 2 · (N2 − 1) = N − 2 olur. Bakterilerdeki gibi halkasal DNA'da ise zincirlerin uçları birbirine bağlandığından fosfodiester bağı sayısı N'ye eşittir. Baz çifti sayısı ise N2 ile bulunur.

Bir örnekle adımları izleyelim: 1000 nükleotitlik doğrusal, çift zincirli bir DNA'da 200 adenin bulunsun. 1. adım: A = T olduğundan timin sayısı 200'dür. 2. adım: G + C = 1000 − (200 + 200) = 600 ve G = C olduğundan guanin ve sitozin 300'er tanedir. 3. adım: Hidrojen bağı = 2 · 200 + 3 · 300 = 400 + 900 = 1300. 4. adım: Fosfodiester bağı = 1000 − 2 = 998. 5. adım: Deoksiriboz ve fosfat sayısı 1000, baz çifti sayısı 500'dür. Soruda yalnız bir zincirin baz dizisi verilmişse önce karşı zincir eşleşme kuralına göre tamamlanır, sonra iki zincirdeki sayılar toplanarak aynı adımlar uygulanır.

RNA (ribonükleik asit), genellikle tek zincirli bir nükleik asittir. Nükleotitlerinde şeker olarak riboz bulunur; bazları ise adenin, guanin, sitozin ve urasildir. Yani DNA'daki timinin yerini RNA'da urasil alır ve gerektiğinde adenin ile urasil eşleşir. Tek zincirli olduğu için RNA'da A = U veya G = C eşitlikleri her zaman sağlanmaz; Chargaff kuralları RNA için geçerli değildir. Hücredeki bütün RNA çeşitleri, DNA'nın belirli bölgelerindeki şifre kalıp olarak kullanılarak sentezlenir. RNA çekirdekte, sitoplazmada, ribozomda, mitokondride ve kloroplastta bulunabilir; ancak DNA gibi kendini eşleyemez.

Hücrede görevlerine göre üç temel RNA çeşidi vardır ve üçü de protein sentezinde birlikte çalışır. Mesajcı RNA (mRNA), DNA'dan kopyaladığı şifreyi ribozoma taşır ve hangi amino asitlerin hangi sırayla dizileceğini belirler. Taşıyıcı RNA (tRNA), sitoplazmadaki amino asitleri tanıyıp ribozoma getirir; tek zincirli olmasına rağmen kendi üzerine katlanarak yonca yaprağına benzer bir şekil alır ve katlanan bölgelerde bazlar arasında hidrojen bağları kurulur. Ribozomal RNA (rRNA) ise proteinlerle birleşerek ribozomun yapısını oluşturur ve hücrede en bol bulunan RNA çeşididir.

DNA ile RNA'nın ortak özellikleri de vardır: Her ikisi de nükleotitlerden oluşur, fosfat grubu içerir, adenin, guanin ve sitozin bazlarını taşır, nükleotitleri fosfodiester bağlarıyla bağlanır ve hidrolizle monomerlerine ayrışır. Farklılıkları ise zincir sayısı, şeker çeşidi, timin ya da urasil bulundurması, kendini eşleyip eşleyememesi ve görevleridir. DNA bir hücrenin kalıcı bilgi arşivi gibi korunurken, RNA'lar ihtiyaç duyulduğunda üretilip görevlerini tamamladıktan sonra parçalanan geçici kopyalardır.

Vitaminler, vücudun çok az miktarda ihtiyaç duyduğu ancak normal büyüme, gelişme ve metabolizma için vazgeçilmez olan düzenleyici organik moleküllerdir. Enerji vermezler ve yapı maddesi olarak kullanılmazlar. Küçük moleküller oldukları için sindirime uğramadan doğrudan emilirler. Pek çoğu, geçen hafta öğrendiğimiz bileşik enzimlerde koenzim olarak görev yapar. Vitaminlerin çoğu bitkiler ve mikroorganizmalar tarafından sentezlenir; hayvanlar ise bunları büyük ölçüde besinlerle alır. Bazı vitaminler vücuda öncül madde (provitamin) olarak girer ve vücutta aktif hâle dönüşür; örneğin havuçtaki beta karoten A vitaminine dönüştürülür. Isı, ışık ve oksijen bazı vitaminlerin yapısını kolayca bozabilir.

Vitaminler çözündükleri ortama göre iki gruba ayrılır. A, D, E ve K vitaminleri yağda çözünen vitaminlerdir. Bu vitaminler besinlerdeki yağlarla birlikte emilir, ince bağırsaktan önce lenf yoluna geçer ve karaciğer ile yağ dokusunda depolanabilir. Depolanabildikleri için her gün alınmaları zorunlu değildir; ancak gereğinden fazla alındıklarında vücutta birikerek zehirlenme etkisi (hipervitaminoz) oluşturabilirler. Çok düşük yağlı beslenmede veya yağların emilimini kolaylaştıran safranın yetersiz olduğu durumlarda bu vitaminlerin emilimi azalır. Bir vitaminin yetersizliğine hipovitaminoz, hiç alınamamasına ise avitaminoz denir.

A vitamini gözdeki görme pigmentinin yapısına katılır, deri ve epitel dokularının sağlığını korur; eksikliğinde loş ışıkta görememe yani gece körlüğü görülür. D vitamini ince bağırsaktan kalsiyum ve fosfor emilimini artırarak kemik ve diş gelişimini sağlar; deride kolesterolden türeyen bir öncül maddenin güneşin morötesi ışınlarıyla etkileşmesi sonucu vücutta da üretilebilir. Eksikliği çocuklarda raşitizme, yetişkinlerde kemik yumuşamasına (osteomalazi) yol açar. E vitamini güçlü bir antioksidandır; hücre zarlarındaki lipitleri oksidasyondan korur. K vitamini kanın pıhtılaşmasında görev alan proteinlerin yapımı için gereklidir; yeşil yapraklı sebzelerle alınmasının yanında kalın bağırsaktaki bakteriler tarafından da sentezlenir. Eksikliğinde kan geç pıhtılaşır.

B grubu vitaminleri ile C vitamini suda çözünen vitaminlerdir. Bu vitaminler ince bağırsaktan emildikten sonra doğrudan kana geçer. Vücutta önemli miktarda depolanamazlar ve ihtiyaç fazlası idrarla atılır; bu nedenle besinlerle düzenli olarak alınmaları gerekir. Bu grubun istisnası B12 vitaminidir; B12 karaciğerde uzun süre depolanabilir. Suda çözündükleri için sebzeler bol suda uzun süre haşlanıp suyu döküldüğünde bu vitaminlerin önemli bir kısmı kaybolur. Özellikle C vitamini ısıya, ışığa ve havaya karşı çok duyarlıdır.

B grubu vitaminlerin çoğu enerji metabolizmasında görev yapan enzimlerin koenzimi olarak çalışır. B1 (tiamin) karbohidrat metabolizması ve sinir sistemi için gereklidir; eksikliğinde beriberi hastalığı görülür. B2 (riboflavin) FAD'nin yapısına katılır; eksikliğinde dudak kenarlarında çatlaklar oluşabilir. B3 (niasin) NAD'nin yapısına katılır; eksikliği pellagra hastalığına yol açar. B9 (folik asit) DNA sentezi ve alyuvar yapımı için gereklidir; eksikliğinde kansızlık görülür ve gebelikte bebeğin sinir sistemi gelişimi olumsuz etkilenebilir. B12 (kobalamin) yapısında kobalt minerali taşır, alyuvar yapımı ve sinir sağlığında görev alır; doğal olarak büyük ölçüde hayvansal besinlerde bulunduğundan yalnız bitkisel beslenen kişilerde eksiklik riski yüksektir.

C vitamini (askorbik asit) bağ dokusunun temel proteini olan kolajenin yapımında, bağışıklık sisteminin güçlenmesinde ve bitkisel besinlerdeki demirin emiliminde görev alır; aynı zamanda güçlü bir antioksidandır. Eksikliğinde diş eti kanamaları, diş dökülmesi ve yaraların geç iyileşmesiyle seyreden skorbüt hastalığı görülür. Geçmişte uzun deniz yolculuklarında taze meyve ve sebze tüketemeyen denizcilerde sık görülen bu hastalık, turunçgil tüketimiyle önlenebilmiştir. Kuşburnu, biber, maydanoz, portakal ve limon zengin C vitamini kaynaklarıdır. Ayrıca kalın bağırsakta yaşayan yararlı bakteriler K vitamininin yanında bazı B vitaminlerini de üretir; uzun süreli ve bilinçsiz antibiyotik kullanımı bu bakterileri azaltarak vitamin eksikliğine zemin hazırlayabilir.