Katalog

Nükleik asitlerin yapısındaki fosfor elementinin yerine arsenik alınırsa ne gibi değişiklikler gerçekleşebilir? Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Moleküler Genetik Dersi Öğrencileri. Derleyen; Yrd. Doç. Dr. Z. Neslihan Ergen Dr. Felisa WolfeSimon ve arkadaşları, dünyamızda hücre yapıtaşlarında arsenik kullanarak yaşamına devam edebilen bir bakterinin bulunduğunu iddia etmektedirler. Araştırmacılara göre, GFAJ1 bakterisi, büyüme ortamında fosfor bulunmadığı zaman, hücreyi oluşturan biyomoleküllerin yapısındaki fosfor elementi yerine arsenik elementini kullanarak, daha yavaş da olsa, yaşamına devam edebƒlmektedir. TC. stanbul Kültür Üniversitesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Moleküler Genetik I dersi öğrencileri, makalede iddia edildiği gibi nükleik asitlerin, özellikle de DNA’nın (Deoksiribonükleik asit), yapısındaki fosfor elementinin arsenik ile yer değiştirmesi sonucunda ne gibi değişiklikler olabileceğini hazırladıkları raporlarla tartışmışlardır. Bu çalışmalardan çıkartılan sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. Fosfor ve arsenik periyodik tabloda üst üste bulunurlar. Periyodik tabloda aynı sütunda bulunan diğer elementler gibi bu iki elementin de kimyasal yapıları, son yörüngedeki elektron dizilimleri ve dolayısıyla da bağ yapma yetenekleri birbirlerine benzemektedir. Her iki elementin bileşikleri 3, +3 ve +5 değerlikleri alabilirler. Arseniğin atom numarası 33, bağıl atom kütlesi 74,92 ve yoğunluğu 5,72 g/ml’dir. Fosfor elementinin ise atom numarası 15, bağıl atom kütlesi 30,97, yoğunluğu da 1,82 g/ml’dir. Oluşturdukları arsenat iyonu (AsO43), fosfat iyonu (PO43) gibi dört bağlanma bölgesine sahiptir (bkz. Şekil 1). Bu iki molekülün elektronegativiteleri de birbirlerine çok yakındır. Ancak fosfor ve arsenik elementlerinin hücre içi yapıtaşlarında birbirleri yerine bulunabilme özelliklerini etkileyebilecek farklılıkları da mevcuttur. Örneğin, son yörüngesinde daha fazla elektron olan arsenik, özellikle su içeren ortamlarda, daha kararsız bileşikler oluşturur. Atom yarıçaplarının farklılığından dolayı, arsenik elementinin yaptığı bağ uzunluğu fosfor elementinkinden yaklaşık olarak %10 daha fazladır. Ayrıca, arsenik elementi metallerle bileşiklerinde ametal, ametallerle bileşiklerinde ise metal özellik gösterebilmektedir; fosfor ise bir ametaldir. Peki, eğer makaleŞekil 1. Fosfat (solda) arsenat (sağ de iddia edildiği gibi da) aynı ahedra apıya ahiptirler. hücre yapıtaşlarını oluşturan biyomoleküllerin, özellikle de nükleik asitlerin, yapısında bulunan fosfor elementinin yerini arsenik almış olsaydı neler değişebilirdi? Fosfor elementini içeren fosfat grubu, hücrenin tüm genom bilgisinin saklandığı DNA molekülünün iskelet yapısını oluşturan moleküllerden birisidir (bkz. Şekil 2). Fosfat grubu yerini arsenat grubunun alması ile oluşan farklılık, DNA’nın iskelet yapısında değişiklikler olmasına ve doğru helikal formu oluşturamamasına yol açabilir (bkz. Şekil 3). Arseniğin atom çapının fosfordan büyük olması, oluşturacağı bağın uzunluğunu arttırmakta ve bağ kuvvetini azaltCBT 1249 / 14 25 Şubat 2011 Şekil 2. DNA molekülünün yapısı. 3 s) geç dellemesi. Ş d f f rumun ca a ları maktadır. Bu elementin fosforun yerini alması halinde, DNA’nın yapısı nispeten daha az kararlı hale gelebilecek, şekerfosfat omurgasındaki sağlamlık ve esneklik azalacak ve bu yüzden kopma ve kırılmalara karşı daha savunmasız hale gelebilecektir. Oysaki, organizmanın genom bilgisinin devam eden nesillere aktarımı i ç i n , DNA’nın kararlı bir yapıda olması çok önemlidir. Genomda saklı olan bilginin fenotipe aktarımı için gereken gen anlatımı, DNA’ya proteinlerin özgün bağlanması ile sağlanmaktadır. Bu bağlanma, şeker ile baz arasında oluşan glikozidik bağların oluşturduğu açılar sonucu oluşan büyük (major) ve küçük (minor) oluklar aracılığıyla gerçekleşmektedir (bkz. Şekil 4). DNA yapısındaki fosfor elementi yerine arseniğin geçmesi durumunda atom yarıçaplarındaki ve yaptıkları bağ uzunluklarındaki farklılıktan dolayı ya DNA’nın eni, helikal dönüş uzunluğu veya içerdiği baz çifti sayısı gibi özellikleri değişecektir. Her iki durumda da büyük ve küçük olukların boyutlarının değişmesi söz konusudur. Bu durumda, bu oluklar üzerinden özel bölgelerden bağlanarak gen anlatımını başlatan ve organizmanın yaşamında çok önemli görevleri olan proteinler, DNA’ya bağlanma özelliklerini kaybedebileceklerdir. Hücrenin bu şekilde yaşamına devam edebilmesi mümkün olmayacaktır. DNA’nın en önemli özelliklerinden biri de üzerinde taşıdığı negatif yüktür. Bu eksi yük sayesinde DNA’nın bulunduğu sulu ortamda parçalanma ihtimali engellenmiş olur. Bu yükün kaynağı olan fosfat grubunun yerini arsenat grubunun alması, negatif yük dağılımında herhangi bir değişikliğe yol açmadığı için bir farklılık yaratmayabilir. Ancak, arseniğin yarı metal özelliği, bu elementin elektron verme isteğinin fosfordan daha fazla olmasına yol açmaktadır. Bu durumda, DNA’nın iskeletinin organizma için çok değerli olan genomu korumak için yeterince kararlı olmayabilir. Fosfor elementinin yerini arsenik elementinin alması RNA (Ribonükleik asit) molekülünün yapısını da etkileyecektir. RNA molekülünü oluşturan şekerfosfat bağının yerini şekerarsenat aldığında, bağ uzunluklarındaki değişim nedeniyle bu tek zincirli molekül daha kolay kırılır bir hale geçecektir. Ayrıca, hücre protein üretim merkezi olan ribozom yapıları da RNA moleküllerinden oluşmaktadır. RNA’nın yapısındaki fosforun yerini arseniğin alması durumunda oluşan kütle değişimi ve yapı esnekliğindeki farklılık nedeniyle, ribozomların üçboyutlu yapısının doğru olarak oluşamama ihtimali mevcuttur. Bu durumda protein üretimi devam edemeyeceği için, hücrenin yaşamı son bulacaktır. Hücre enerjisinin en önemli kısmını fosfat bağının yıkımı sırasında elde edilen enerjiden elde eder. ATP (Adenozin trifosfat), GTP (guanin trifosfat) ve ADP (Adenozin difosfat) gibi hücrenin enerji saklama moleküllerinin yapısındaki fosfor elementi yerine arsenik geçtiğinde, oluşan kararsız yapı enerji metabolizmasını etkileyebilir. Ayrıca, fosfor elementinin yerini arseniğin alması sonrası oluşan bağın yıkımı daha az enerjinin ortaya çıkmasına neden olacaktır. Aslında arseniğin toksin olmasının nedeni, yapısal ve kimyasal olarak fosfata benzemesidir. Katalitik aktivitesinde substrat olarak fosfat iyonunu kullanan pek çok enzim, arsenat iyonu hücre içerisine alındığında, reaksiyonları bu molekülü kullanarak gerçekleştirebilmektedir. Arsenat iyonları çoğu durumda fosfat iyonlarını taklit ederek hücre içerisine girer. Hücre içerisindeki biyomoleküllerin yapısına katılabilir ancak daha az kararlı olduğu için bu moleküllerin yapısını bozarlar. Bu da hücre için öldürücü sonuçlara neden olabilir. Hücre yapıtaşlarındaki fosfor elementinin yerini arseniğin alması ve organizmanın buna uygun adaptasyonu gerçekleşmiş olması mümkünken bu iki elementin makalede belirtildiği kadar kolaylıkla birbirleri yerine geçebilmeleri söz konusu görülmemektedir. Kaynaklar: 1. WolfeSimon F., Blum J.S., Kulp T.R., Gordon G.W., Hoeft S.E., PettRidge J., Stolz J.F., Webb S.M., Weber P.K. Davies P.C.W., Anber A.D., Oremland R. (2010) “A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorus.” Sciencexpress, Doi:10.1126/science.1197258. Petrucci, Herring, Madura, Bisconnette, “General Chemistry: Principles and Modern Applications”, Tenth Edition, Prentice Hall, New Jersey, USA, 2010. Watson, Baker, Bell, Gann, Levine, Losick, “Molecular Biology of the Gene”, Sixth Edition, Pearson International Edition, Pearson Benjamin Cummings, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York, USA, 2008. Ş 4 h a ların gösterimi. sın b (ma ) ç ( ) uk