ÜNİTE 1 - GENDEN PROTEİNE


1 KONU - GENDEN PROTEİNENÜKLEİK ASİTLERİN KEŞFİ VE ÖNEMİ
İnsanlar doğumlarından itibaren etrafındaki kişilerden hangi akrabasına ne ölçüde benzediği konusunda sözler duyarlar. Bunların sebebinin tamamen genetiğe bağlı olduğunu söyleyebiliriz. Peki bu genetiğin nükleik asitlerle ilgili olduğunu hiç düşündünüz mü?

1. NÜKLEİK ASİTLERİN KEŞİF SÜRECİ
   

Nükleik asitler 1869 yılında İsviçreli Biyokimyacı Friedrich Miescher tarafından keşfilmiştir. Çekirdek içerisinde asit özelliği gösteren moleküllere nüklein adı veren Miescher daha sonra bunlara nükleik asit adını vermiştir.
1884 yılında Oscar Hertwig, nükleik asitlerin kalıtımın aktarılmasından sorumlu kimyasallar olduğunu iddia etmiştir.

1. Dünya Savaşı zamanlarında Alman Kimyager Robert Feulgen, geliştirdiği DNA boyama tekniği sayeside DNA’nın kromozomlar içerinde bulunduğunu göstermiştir. Phoebus Aaron Theodare Levene de nükleik asit moleküllerinin temel biriminin nükleotit olduğunu ispatlamıştır.
   

1928’de Frederick Griffith, kalıtım materyalini aktaran molekülün varlığını tespit etmek amacıyla çeşitli deneyler yapmıştır.

1. NÜKLEİK ASİTLERİN ÇEŞİTLERİ VE GÖREVLERİ
   

İçerisinde O, C, H, N ve P elementleri bulunan karmaşık yapıya sahip büyük organik moleküllere nükleik asit adı verilir. Bu organik moleküllerin diğer adı ise yönetici moleküldür. Virüsler de dahil olmak üzere tüm canlı vücudunda bu moleküller kesin olarak yer alır.

– DNA
Canlı vücudunda gerçekleşen tüm olayları denetleyen ve genetik özelliklerin bir nesilden diğerine aktarılmasını sağlayan organik moleküllere nükleik asit verilirken, kalıtım görev alan ve çift sarmallı bir yapıya sahip olan nükleik asit çeşidine DNA adı verilir. Hücre bölünmesi sırasında interfaz adı verilen bir hazırlık evresi bulunur. Bu evrede genetik materyallerin bozulmadan bir sonraki hücrelere ulaşması için DNA kendini eşler. DNA molekülleri oldukça büyük yapıya sahip olduğundan hücre dışına çıkamazlar.





– RNA
. Protein sentezine görev alan ve yalnızca tek zincir yapısına sahip olan diğer nükleik asit çeşidine ise RNA adı verilir. Canlı vücutlarında gerçekleşen protein sentezi olayları mesaj taşıyıcı özelliğe de sahip olan bu moleküller sayesinde kontrol edilir. Ökaryot yapıya sahip olan hücrelerde sitoplazma, çekirdek, ribozom, kloroplast ve mitokondri gibi tüm organellerin yapısında RNA molekülleri bulunmaktadır.

-Mesajcı RNA (mRNA)
DNA molekülleri bazı hücre çeşitlerinde çekirdek içerisinde bulunur. Protein sentezinin sorunsuz bir şekilde gerçekleşebilmesi için DNA tarafından verilen mesajların ribozoma gönderilmesi gerekir. Bu görevi RNA içerisinde bulunan mesajcı RNA adındaki yapılar gerçekleştirir.

-Taşıyıcı RNA (tRNA)
Sitoplazma içerisinde proteinlerin yapısını oluşturan aminoasitler bulunmaktadır. Taşıyıcı RNA adı verilen moleküller ise bu yapıları ribozoma taşıyarak protein sentezinin gerçekleşmesini sağlar. Çekirdek tarafından tek sarmal bir yapı halinde üretilen bu hücreler sitoplazma içerisinde değişime uğrayarak çift katmanlı yapıya sahip olur.

-Ribozomal RNA (rRNA)
Ribozomun yaklaşık olarak %75’i rRNA adı verilen maddelerden oluşmaktadır. Bu maddeler protein sentezi sırasında aminoasitlerle birlikte görev alırlar. Enzimlerin yaptığı görevleri yerine getirerek aminoasitler arasında bulunan peptit bağlarını meydana getirir.

1. HÜCREDEKİ GENETİK MATERYALİN ORGANİZASYONU
   

DNA molekülleri hücre içerisinde yer alan kromozomların yapısında bulunur. Bu kromozomlar metafaz evresi sırasında oldukça net şekilde gözlenebilmektedir. Prokaryot yapılı hücrelerde tek kromozom bulunur ve içerisinde bir adet DNA yer alır. Ökaryot yapılı hücrelerde ise birçok kromozom bulunur ve her kromozomun içerisinde kendine ait DNA molekülü vardır.

1. DNA REPLİKASYONU (DNA’NIN KENDİNİ EŞLEMESİ)
   

Hücre bölünmesinin sorunsuz bir şekilde gerçekleşebilmesi için kalıtsal yapıların bir sonraki nesillere değişmeden aktarılması gerekir. Bunun için hücre bölünmesinden önce DNA kendini eşleyerek bir sonraki kuşakların da aynı kromozom sayısına sahip olmasını sağlar.

1. GENETİK ŞİFRE VE PROTEİN SENTEZİ
   

Genlerde içerisinde yer alan bazı kodlar hücre içinde gerçekleşen yaşamsal faaliyetlerin sorunsuz bir şekilde gerçekleşmesini sağlar. Bu kodlara ise genetik şifre adı verilir. Bu şifreler sayesinde DNA ve mRNA içerisinde yer alan bazların dizilimi, protein sentezi sırasında kullanılan aminoasitlerin sırası kolayca ifade edilebilir.

1. PROTEİN SENTEZİ
   

Hücrenin kodlama merkezi olarak adlandırılan DNA molekülleri RNA moleküllerin şifrelenmesini sağlayarak protein sentezini gerçekleştirir. Çekirdek içerisinde üretilen mRNA’lar taşıyıcı maddeler tarafından ribozoma gönderilir. mRNA içerisinde bulunan kodlara göre tRNAlar gerekli aminoasitleri ribozoma getirir. Aminoasitler ve rRNA’lar proteinin yapısına katılarak sentez tamamlanır.
– Poliribozom (Polizom)
mRNA adı verilen yapıların üzerine birden fazla ribozomun bağlanması ile polizom adı verilen yapılar oluşturulur. Oluşan bu yapılar sayesinde aynı çeşit proteinlerden kısa süre içerisinde çok sayıda oluşturulur.

1. GENETİK MÜHENDİSLİĞİ VE BİYOTEKNOLOJİ
   

Canlı vücudu içerisinde bulunan kalıtsal özellikler üzerinde bazı değişiklikler yaparak yeni özellikler kazanmasını sağlayan bilim dalına genetik mühendisliği adı verilir. Bileşenler ve bazı organizmaların kullanılarak faydalı ürünler elde edilmesini sağlayan çalışmaların tümüne ise biyoteknoloji adı verilir.

1. GENETİK MÜHENDİSLİĞİ VE BİYOTEKNOLOJİ UYGULAMALARI
   

Bazı ham maddelerin biyolojik sistemler ya da bilimsel metotlar yardımıyla yeni ürünlere dönüşmesinden biyoteknoloji sorumludur. Sütten peynir elde edilmesi gibi basit yöntemlere klasik biyoteknoloji, yumurta ve meyve gibi ürünlerin teknolojik yöntemlerde büyütülmesine modern biyoteknoloji adı verilir.

– Gen Klonlama
Herhangi bir genin tamamen kopyalanarak yenisinin oluşturulması için kullanılan yöntem ve tekniklerin tamamına gen klonlama adı verilir. Hücre içerisinden alınarak genetik yapı açısından tamamen kopyalanan hücrelere klon adı verilir.

– Canlı Klonlama
Üzerinde çalışılacak olan bir canlının genetik olarak ikizinin üretilmesine canlı klonlama adı verilir. Bu işlemlerde canlının vücut hücresinde yer alan çekirdeği çıkarılır. Alınan bu çekirdek dişi bir canlının çekirdeği çıkarılmış olan yumurta hücresine aktarılır. Bu yöntemle çekirdeği alınmış olan hücreden bir kopya oluşmuş olur.

1. GENETİK MÜHENDİSLİĞİ VE BİYOTEKNOLOJİ UYGULAMALARININ İNSAN HAYATINA ETKİSİ
   
   

Mikroorganizmalar kullanılarak aşı üretilmesi, genetik olarak aktarılan hastalıkların teşhis edilmesi ve çeşitli hormonların yapay yollarla üretilmesi genetik mühendisliği ile biyoteknoloji alanının görevidir. Elde edilen tüm bilgiler tıp, sağlık gibi alanlarda insan hayatını kolaylaştırmaktadır.

– Kök Hücre
Yenilenme gücü oldukça yüksek olan, insan vücudunda ya da uygun koşullarda laboratuvarda sürekli olarak bölünebilen hücrelere kök hücre adı verilir. Bu hücreler göbek kordonu, embriyo ve yetişkin hücrelerden elde edilebilir. Birçok hastalık ise bu hücreler sayesinde iyileştirilebilir.

– Gen Terapisi
Canlı vücudunda yer alan genlerden işlevini yitirmiş olan ya da bozulmuş olanların çıkarılarak onarılması işlemine gen terapisi adı verilir. Bu yöntem sayesinde embriyonik dönemde tespit edilen sorunlu genler çıkarılarak kalıtsal olarak aktarılan hastalıkların önüne geçilebilir.

– İnsan Genom Projesi
Canlı vücudunda yer alan tüm genlerin yeri tespit edilerek harita üzerine dökülmesine genom projesi adı verilir. Bu proje planlanan şekilde gerçekleştirilebilirse; kanser, şeker ve kalp damar hastalıkları daha kolay bir şekilde tespit edilebilecek.

– DNA Parmak İzi
Dünya üzerinde yer alan tek yumurta ikizleri hariç tüm canlıların DNA kod dizilimleri birbirinden farklıdır. Bu kodlar içerisinde anlamlı veya anlamsız adı verilen bölgeler bulunmaktadır. Anlamsız olan bölümlerin bir jel üzerinde oluşturduğu bantlı olan yapıya DNA parmak izi adı verilir.

– Biyogüvenlik
Bu bilim türü genetik olarak oluşturulan ürünlerin risk gruplarının değerlendirilerek kontrol altına alınması, biyoteknoloji alanında yapılan işlemlerin çevre ve insan sağlığına zarar vermeden gerçekleştirilmesi işlemlerinin tümüne verilen addır.

– Biyoetik
Tıp ve biyoloji alanında meydana gelen gelişmelerin tartışmalı ve etik olan kısımlarını incelemek amacıyla özel olarak kurulan disiplin grubudur. Bu kavram biyoloji alanında yapılan gelişmelerin ahlaki yönden uygun olup olmadığı tartışmasından ihtiyaç olarak doğmuştur.

ÜNİTE 2 - CANLILARDA ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ
2.1.1. ENERJİ VE YAŞAM
Canlıların yaşamsal faaliyetlerini gerçekleştirebilmeleri için enerjiye ihtiyaçları vardır. Enerjinin esas kaynağı Güneş’tir. Güneş’ten aldıkları ışıklar ile besin üreten ototrof canlılar sayesinde enerji akışı başlar ve besin döngüsü oluşur. Bu sayede bütün canlılar yaşamları ve yaşamlarını sürdürmek için gerçekleştirdikleri yapım ve yıkım olayları için enerji kazanmış olur.

• Enerjinin Temel Molekülü ATP (Adenozin trifosfat)
  

Canlılar hücresel solunum yoluyla besinlerden kimyasal enerji elde ederek ATP üretirler. ATP, hücrenin yaşamsal faaliyetleri için gerekli enerji kaynağıdır. Her canlı kendi metabolizması için gerekli olan ATP’yi kendi sentezler. ATP anlık olarak üretilen ve depolanamayan bir enerjidir. ATP’nin yapısında adenin bazı, üç adet fosfat grubu ve 5 karbonlu riboz şekeri bulunmaktadır.

• Fosforilasyon Çeşitleri
  

Bir fosfat grubunun organik moleküller ile birleşmesine fosforilasyon denir. Enerji kaynağına göre 3 çeşit fosforilasyon vardır; oksidatif fosforilasyon, substrat düzeyinde fosforilasyon ve fotofosforilasyon. Substrat düzeyinde fosforilasyon; organik moleküllerden ayrılan fosfat grubunun ADP’ye eklenerek ATP oluşmasıdır. Oksidatif fosforilasyon; organik moleküllerin ETS aracılığıyla oksijene aktarılmasıdır. Fotofosforilasyon; fotosentez yapan canlıların ATP sentezlenmesidir.

2.2.1. FOTOSENTEZİN CANLILAR İÇİN ÖNEMİ
Yeryüzündeki tüm canlılar için fotosentez son derece önemli bir yere sahiptir. Yaşamın sürdürülebilmesi için fotosentez ile besin döngüsünün oluşması gerekmektedir. Organik madde sentezleyen canlılara ototrof, bu besinleri tüketen canlılara heterotrof canlılar denir. Bu organik maddeler fotosentez yolu ile üretilirse fotoototrof canlılar, kemosentez ile üretilirse kemoototrof canlılar adı verilir.

Fotosentez Sürecinin Anlaşılmasına Katkı Sağlayan Bilim İnsanları ve Çalışmaları Fotosentez ve Fotosentezin Gerçekleştiği Yapılar

1774 yılında Joseph Priestley oksijeni bularak fotosentez için en önemli elementi bulmuştur. 1820 yılında Theodore De Saussure, bitkilerin ışık olduğunda karbondioksit alarak oksijen verdiğini ölçmüştür. 1930 yılında C.B.Van Niel, fotosentezde hidrojen kaynağı olarak suyun kullanıldığını bulmuştur. 1937 yılında Robert Hill fotosentezin ışığa bağlı olduğunu bulmuştur.

2.2.2. FOTOSENTEZ REAKSİYONLARI
Fotosentezin reaksiyonları ışığa bağımlı ve ışığa bağımsız olarak gerçekleşmektedir.

1. Işığa Bağımlı Reaksiyonlar
   

Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonları, ökaryot hücrelerin kloroplast organelinin granalarında; prokaryot hücrelerin hücre zarı kıvrımında gerçekleşmektedir. Bu evrelerde ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve ATP geçici olarak depolanır. Ayrıca bu evrede fotoliz gerçekleşir.
 

1. Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar
   

Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonları, ökaryot hücrelerin kloroplast organelinin stromalarında; prokaryot hücrelerin sitoplazmasın gerçekleşmektedir. Bu reaksiyonlar Kalvin döngüsü olarak da bilinmektedir.
Organik Moleküllerin Sentezi
Glikoz, güneş enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesi sırasında oluşan organik moleküldür.

• FOTOSENTEZ HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER
  

Fotosentez hızını etkileye faktörler; klorofil miktarı, ışık şiddeti, ışığın dalga boyu, CO2 yoğunluğu ve sıcaklık gibidir. Bu faktörlerden hangisinin miktarı en az ise fotosentez hızını o belirler.

• Klorofil Miktarı: Optimum koşullar olduğunda klorofil miktarı arttıkça fotosentez hızı da artar.
  
  
• Işık Şiddeti: Işık olmadan fotosentez olması söz konusu değildir. Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızı da artar.
  
  
• Işığın Dalga Boyu: Fotosentez mor, mavi ve kırmızı ışık dalga boyunda daha hızlı; yeşil dalga boyunda en yavaştır.
  
  
• CO2 Yoğunluğu: Ortamda CO2 yoğunluğu arttıkça fotosentez hızı belirli bir yere kadar ancak bir noktadan sonra hız sabit kalır.
  
  
• Sıcaklık: Sıcaklık optimum seviyedeyken fotosentez en hızlı durumdadır.
  

Tarımsal Ürün Miktarını Artırmada Yapay Işıklandırma
Kış aylarında ışık seviyesinin azalması ve havaların soğumasından dolayı tarımda yapay ışıklandırma kullanılmaktadır. Yapay ışıklandırma, bitki geliştirme ve yetiştirmede kullanılır.

• KEMOSENTEZ
  

2.3.1. KEMOSENTEZ VE KEMOSENTEZİN CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

Ototrof canlılar grubunda yer alan canlılar inorganik maddeleri organik maddeye çevirirken kullandıkları enerji çeşidine göre iki farklı grupta incelenir. Fotosentetik ototrof grubunda yer alan canlılar gerekli enerjiyi ışıktan alırken, kemosentetik canlılar ise inorganik yapıda bulunan maddeleri oksitleyerek açığa çıkan enerjiyi kullanırlar. Bazı prokaryot canlılar tarafından gerçekleştirilen bu işleme kemosentez adı verilir.

2.3.2. KEMOSENTEZİN MADDE DÖNGÜLERİNE KATKISI VE ENDÜSTRİYEL ALANLARDA KULLANIMI
Kemosentez yapabilen canlılar grubunda yer alan nitrat ve nitrit bakterileri doğadaki azot döngüsünde önemli bir role sahiptir. Bitkilerin azotu topraktan alabilmesi için azot tuzu haline getirilmesi gerekir. Ölü canlı organizmalarında yer alan azotlu bileşikler bazı ayrıştırıcı canlılar tarafından NH3’e dönüştürülür. NH3 bileşiğinin nitrit ve nitrat tuzuna dönüştürülmesinde ise kemosentez yapabilen bakteriler görev alır.
2.4. HÜCRESEL SOLUNUM
Tüm canlı hücreleri çoğalmak ve canlılığını sürdürebilmek için enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Bitkiler tarafından fotosentez ile üretilen organik besinler oksijen ile parçalanarak solunum olayında enerji elde edilir. Hücrelerde bulunan yağ asidi, glikoz, gliserol ve aminoasit gibi moleküllerde bulunan kimyasal bağ enerji ise ATP üretilmesi olayına hücresel solunum adı verilir.
2.4.1. HÜCRESEL SOLUNUMUN ÖNEMİ
Canlı vücutlarında gerçekleştirilen tüm metabolik faaliyetler için enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır. Enerji ihtiyacında kullanılan ATP hücre dışından hazır olarak alınamadığından hücresel solunum ile elde edilir.

• Oksijenli Solunum: Gelişmiş canlılarda daha çok görülen hücresel solunum çeşidinde besinlerin yapı taşları, oksijen ve enzimler sayesinde su ve karbondioksite dönüştürülür. Oksijensiz solunuma göre daha fazla ATP sentezlendiğinden bu solunum çeşidini gerçekleştiren canlılarda metabolizma oldukça hızlıdır.
  
  
• Mitokondrinin Yapısı: Enerji üretimi ile görevli olan organel mitokondri, çift katlı zara sahiptir. Dış yüzeyinde bulunan zar düz bir yapıya sahipken, iç yüzeyinde bulunan zar girintili ve çıkıntılı bir yapıya sahiptir. Bu kıvrımlar sayesinde solunum sırasında yüzey alanını genişleterek daha fazla ATP sentezlenmesini sağlar.
  

Oksijenli Solunum Evreleri

1. Glikoliz
   

Oksijenli solunum sırasında organik bileşik olarak glikoz kullanıldığında, ilk aşama olarak glikoliz evresinin gerçekleşmesi şarttır. Solunumda tüketilecek olan glikoz 6 karbonlu bir yapıya sahip olduğundan bazı enzimler yardımıyla pirüvat adı verilen 3 karbonlu bir yapıya dönüştürülür. Bu evrede ATP üretilirken, aynı zamanda ATP de harcanır.

1. Pirüvik Asitten Asetil – CoA Oluşumu
   

Oksijenli solunumun en önemli evresi olan krebs döngüsü başlamadan önce pirüvik asitler mitokondri içerisinde bulunan matriks adlı yapıya geçerek NADH oluşumu ve karbondioksit çıkışı ile asetil-CoA adındaki iki karbonlu bir yapıya dönüşür. Ortamda yeteri kadar oksijen bulunmadığında bu evre gerçekleşemez ve solunum oksijensiz olarak devam eder.

1. Krebs Döngüsü
   

Bu evre bir önceki aşamada oluşturulan iki karbonlu yapı ile matriks içerisinde hazır olarak yer alan 4 karbonlu yapının bir araya gelerek 6 karbona sahip sitrik asit oluşması ile başlar. Bu aşamadan sonra sürekli gerçekleşen reaksiyonlar ile dört karbonlu organik yapılı bir madde yeniden üretilir ve bu evre sona erer.

Oksijensiz Solunum
Glikozun oksijen kullanılmadan parçalanarak ETS yardımı ile ATP sentezlenmesi olayına oksijensiz solunum adı verilir. Bu solunum çeşidinde son elektron alan O2 molekülü haricinde bir inorganik bileşiktir. Son elektron alıcı inorganik bileşiklerin elektron çekme kuvveti az olduğundan oksijenli solunuma göre daha az ATP üretilir.

Fermantasyon
Oksijen kullanılmadan hücresel solunumun ilk aşaması olan glikoliz ile ATP üretilebilen sürece fermantasyon adı verilir. Bu aşamada oluşturulan pirüvik asit oksijensiz bir ortamda laktik asit veya etil alkol adı verilen son ürünlere dönüştürülebilir.

1. Etil Alkol Fermantasyonu
   

Glikoliz evresi sonucunda oluşan pirüvik asitler enzimler yardımı ile etil alkole dönüşebilir. Bir adet glikozdan 2 adet pirüvik asit oluştuktan sonra son ürünlerde ise iki adet karbondioksit çıkışı gerçekleşir. İlk evrede elden edilen NADH moleküllerinde bulunan hidrojenler son ürün evresinde bazı tepkimeler ile etil alkol oluşumunu sağlar.

1. Laktik Asit Fermantasyonu
   

Diğer bir fermantasyon çeşidi olan laktik asit fermantasyonunda diğeri gibi karbondioksit çıkışı olmaz. Geri kalan tüm aşamalar aynıdır. Glikoliz evresinde oluşan pirüvik asitler gerekli olan enzimler yardımı ile laktik asit adı verilen son ürünlere dönüşür.

2.4.2. FOTOSENTEZ VE SOLUNUM İLİŞKİSİ
Doğada üretici ve tüketici olmak üzere iki farklı canlı türü bulunmaktadır. Üretici olan canlılar yapısında bulunan klorofil sayesinde karbondioksit ve suyu kullanarak oksijen üretirler. Tüketici grubunda yer alan canlılar ise doğaya salınan bu oksijen yardımı ile hücre içi solunum yaparak enerji üretirler. Oksijenli solunumun gerçekleşebilmesi için fotosentez yapabilen canlıların doğada bulunması şarttır.