Atomlar Dünya’daki her şeyi oluşturur ve bu atomların çoğu yoğun bir şekilde bir araya getirilmiş minerallerde bulunur. Mineraller yaşam tarafından kullanılabilir -bir mercan kayalığında olduğu gibi- ancak yaşamın özü farklı moleküllerde gruplanmış atomlar arasındaki etkileşimlerde bulunur.
Farklı biyolojik moleküller farklı özelliklere sahiptir. Bu özelliklerinden biri çok büyük olabilmeleridir. Okyanusları ve havayı oluşturan basit inorganik moleküller bazen sadece iki ya da üç atoma sahiptir. Çok sayıda biyolojik bileşik binlerce atoma sahiptir. Birkaç tanesinde ise milyarlarca atom vardır. Bu moleküller sadece büyük değil, aynı zamanda ince yapılıdırlar. Dahası, bu yapıları yeniden üretmek için atom-atom doğruluk kullanılabilir.
Biyolojik moleküllere evrim tarafından amaçlar verildiğinden, bu moleküller belirgin bir şekilde hayata benzeyen özelliklere sahiptir. Örneğin yaşam, kimyasal reaksiyonları katalize edebilen moleküllerin yanı sıra bu katalizörleri oluşturmak için gereken genetik bilgiyi iletebilen ve depolayabilen moleküllere de ihtiyaç duyar. Kataliz ve diğer birçok görevin çoğunu yerine getiren proteinler ile esas olarak bilgi depolayan ve ileten nükleik asitler, bu ihtiyaçları karşılayabilen iki büyük molekül türüdür.
Proteinler ve nükleik asitlerin her ikisi de doğrusal polimerler olup, bir çocuğun partisindeki kağıt zincirleri veya bir kolyedeki boncuklar gibi birbirine benzeyen uzun, dallanmamış parçacık dizileridir. Her iki senaryoda da bileşen “monomerlerin” -kağıt zinciri bağlantıları veya boncuklar- aralığı kısıtlıdır.
Proteinler normalde 20 farklı amino asit türünden oluşur, ancak nükleik asitler sadece nükleotid olarak bilinen beş farklı monomerden yapılır. Her örnekte, zincirleri birer birer birleştirmek için belirli bir tür kimyasal reaksiyon kullanılır. Ester bağları nükleotidleri birbirine bağlamak için kullanılırken, peptid bağları proteinleri birbirine bağlamak için kullanılır.
Bu yöntemin doğrusallığı ve modülerliği nedeniyle, aynı aparat kullanılarak birçok farklı bileşik üretilebilir. Uzayan zincire yeni bir monomer eklenmesini katalize edebilecek bir sistem, bu sisteme bir sonraki monomer türünü ekleme talimatı veren bir yöntem ve belirli bir miktarda inatçı sebat gereklidir.
İnsan proteini uzunluğu
Ortalama bir insan proteini 400 amino asit uzunluğundadır, bazıları ise çok daha uzundur.
Yaşamda bulunan iki nükleik asit formundan biri olan dna molekülleri daha da uzundur. İnsan dna moleküllerinin uzunluğu, en kısası ve en uzunu için sırasıyla 17.000 ila 100 milyon nükleotid arasında değişir.
DNA’da hangi bilgilerin depolandığı, bu nükleotidlerin dizilişine bağlıdır. Farklı amino asitlerin sırası, zincirin nasıl katlandığını etkileyerek, bunlardan yapılan proteinin şeklini belirler. Süreç tarafından üretilebilecek tüm şekiller ve yetenekler yalnızca amino asit dizilimine bağlıdır.
DNA ve proteinlerin her ikisinin de modüler zincirler halinde düzenlenmiş olması, bu tür molekülleri oluşturmanın ne kadar basit olduğundan daha fazlasını yansıtmaktadır. Moleküler biyoloji hakkında herkesin bilmesi gereken tek şey de bu sayede mümkün olmaktadır. Belirli proteinlerdeki amino asitlerin sırası, belirli DNA dizilerindeki veya genlerdeki nükleotid sırasına göre belirlenir.
Birkaç farklı protein alt biriminden oluşan dna polimeraz, DNA’da yeni bir polimer oluşumunu katalize eden süreçtir. Hangi tip nükleotidin ekleneceğini belirlemek için mevcut bir DNA segmentini şablon olarak kullanır.
DNA’yı oluşturan dört nükleotid adenin (a), sitozin (c), guanin (g) ve timindir (t) ve içerdikleri kimyasal “baz” bakımından birbirlerinden farklıdırlar. DNA’nın her zaman gs ve ts ile aynı miktarda cs içerdiği gerçeği, Francis Crick ve James Watson’a 1953 yılında dna’nın çift sarmal modelini geliştirmeleri için ilham veren keşiflerden biriydi.
Guanin içeren bir nükleotitin yanı sıra adenin ve timin taşıyan nükleotitler, sitozin taşıyan bir DNA ipliği üzerinde bir diğerine gevşek bir şekilde bağlanabilir. Birbiri etrafına sarılmış iki DNA molekülünden oluşan çift sarmal buna dayanır.
Bu eşleşmiş bazlar arasındaki çekim, birinde timin diğerinde adenin ve birinde guanin diğerinde sitozin bulunan iki ipliği bir arada tutar. Ayrıca, neden tam olarak cs ve ts kadar gs olduğunu da açıklar.
Bu yapıyı ortaya çıkaran çalışmanın sonunda, tarihteki en abartısız sözlerden biri bulunabilir: “Varsaydığımız özel eşleşmenin genetik materyal için olası bir kopyalama mekanizmasını hemen akla getirmesi dikkatimizden kaçmadı.” İki sarmaldan her biri, çift sarmal açıldıktan sonra diğerini yeniden oluşturmak için bir şablon olarak kullanılabilir.
Bir polimeraz, mevcut iplikte bir t ile karşılaştığında bir a ekler ve bunun tersi de geçerlidir; ayrıca benzer bir şekilde gs’yi cs ile değiştirir.
Bu DNA replikasyon yöntemi, her ikisi de aynı baz çifti dizisini ya da bilgiyi içeren iki çift sarmal ile sonuçlanır. Watson-and-Crick “genetik materyali”, yeni çift sarmallardan biri bir yumurta veya sperm hücresine yerleştirildiğinde bir sonraki nesle aktarılır.
Dahası, mesaj değişirse -belki de kozmik radyasyonun başıboş bir parçacığının bir a’yı bir g’ye dönüştürdüğü bir mutasyonun sonucu olarak- yeni dizi tipik olarak eskisi kadar iyi bir şekilde yeniden üretilebilir.
Mutasyonların evrimin fayda sağlayanları keşfetmesine yetecek kadar uzun süre devam edebilmesi, bir dna parçasının yeniden üretilebilirliğinin ne söylediğinden bağımsız olmasıyla mümkün olmaktadır. DNA’nın bu temel ve önemli özelliği en iyi şekilde biyokimyacı Steven Benner tarafından “Çoğalma için Gerekli Özelliklerin Kaybından Endişe Etmeksizin Mutasyon Alanını Arama Yeteneği” anlamına gelen kozmik loper kısaltması kullanılarak özetlenmiştir. Dünyadaki biçimine benzeyen herhangi bir yaşam, genomu depolamak için kozmik loper yöntemi olmadan var olamazdı.
Uzayan zincire bir sonraki monomerin eklenmesini katalize eden bir sistem ve hangi monomerin ekleneceğini belirleyen bir yöntem de proteinlerin üretimi için gereklidir.
Bu kez, ribozom olarak bilinen sofistike bir moleküler makine parçası katalizör görevi görür ve what-monomer-next hile sayfası, genomun nükleotidlerinde bulunan bazı dizi verilerinin değiştirilmiş bir versiyonudur.
Bu süreçteki aracı, dna ile yakından bağlantılı olan ancak çift sarmal oluşturmayan ve dna’daki timin yerine beşinci baz olarak urasil (u) içeren bir nükleik asit olan rna’dır. İlk olarak, tıpkı bir dna polimerazın replikasyon sırasında yeni bir iplikçik oluşturması gibi, bir rna polimeraz sistemi de bir rna parçası oluşturmak için şablon olarak bir DNA dizisi kullanır. Bundan sonra, transkript bir haberci rna (mrna) olarak düzenlenir.
Ribozom bu mesajı okuyarak takip eder. Çeviri süreci, mrna’daki her bir harf üçlüsü tarafından bir sonraki amino asit türünün eklenmesi için yönlendirilir. Bu farklı nükleotid üçlüleri ve karşılık geldikleri amino asitler arasındaki bağlantı nedeniyle üçlüler koin olarak bilinir.
Bir mrna’dan bir protein yapmak, dna ve rna polimerazların yaptığı gibi yeni bir nükleotidi mevcut olanla eşleştirmekten çok daha karmaşık bir kod çözme gerektirir. Sonuç olarak ribozom çok daha büyük ve karmaşık bir moleküler makine parçasıdır.
Ribozom hem rna hem de protein içerirken, DNA polimeraz sadece proteinlerden oluşur. Ribozom, kodonları tanımak ve uygun amino asitleri eklemek için bu materyalin trna adı verilen diğer küçük parçalarını kullanır. Şaperoninler olarak bilinen diğer proteinler zaman zaman yardımcı olsa da, zincir uzadıkça, onu oluşturan amino asitler arasındaki çekimler ve itmeler gerekli şekle katlanmasına neden olur.
İnsan hücreleri, bu dizilerin bazılarından oluşturulan rna’yı değiştirerek çeşitli başka mrna’lar üretme yeteneğine sahiptir ve bu da onların en az dört kat daha fazla ve muhtemelen on kat daha fazla protein üretmelerine olanak tanır. İnsan genomu, proteinleri tanımlayan 21.000’den fazla DNA dizisi içerir.
Laboratuvarlarda en çok araştırılan bakteri olan Escherichia coli’nin genomunda sadece 4.285 farklı protein tanımlanmıştır. Ancak bununla bile bakteri, ribozomlar ve farklı polimerazlar için gereken tüm proteinleri üretebilir, dış yüzeyini oluşturanlar da dahil olmak üzere ihtiyaç duyduğu diğer moleküllerin oluşumuyla sonuçlanan tüm reaksiyonları katalize edebilir ve diğer her şeye güç veren enerjiyi üretmek için tükettiği gıdayı parçalayabilir.
Sağlıklı, gelişen bir E. coli, organizmanın kuru kütlesinin %55’ini oluşturan yaklaşık 3 milyon benzersiz protein molekülüne sahiptir. Kuru kütlenin %20’si sadece 300.000 rna molekülünden oluşur, bunların çoğunluğu sayı olarak trna ve ağırlık olarak ribozomal rna’dır.
Kuru kütlenin %15’i, hücrenin dışını tanımlayan zarları ve hücre duvarını oluşturmak için gereken milyonlarca molekülden oluşur. Geri kalan %90’lık kısım ise yemeklerden enerji elde etmek ve depolamaktan sorumlu moleküller topluluğu, daha büyük moleküller için yapı taşları, sayısız diğer aygıtlar ve DNA’nın kendisi de dahil olmak üzere diğer her şeyden oluşur.
Bununla birlikte, bir temel molekül daha olduğunu ve bunun aynı zamanda en bol bulunan molekül olduğunu akılda tutmak önemlidir. Bir hücrenin laboratuvarda belirlenen kuru kütlesi, aktif haldeyken toplam kütlesinin sadece üçte biridir.
Diğer her şeyin içinde bulunduğu ve gerekli kimyanın çoğunun gerçekleşmesini sağlayan çözücü, geri kalan üçte ikisini oluşturan H2O’dur. Büyük, karmaşık moleküller yaşamı özel ve sevimli kılan şeylerdir. Ancak su yaşam için de gereklidir.
Kaynak: The Economist
