E.coli’deki replikasyon işlemi, oransal olarak, basit bir organizmanın bir kromozomunun kopyasını çıkarmak için gerekli olan bir dizi karmaşık basamaklar için güzel bir örnektir. Sentezin her bir basamağında çok yüksek özgüllükteki enzimler görev alır. Diğer pek çok enzimde olduğu gibi replikasyon enzimleri de DNA daki tanıma bölgelerinin üç boyutlu şekline ve polar yüklerine göre hareket etmektedirler. DNA daki bağları ve uygun molekülleri yeniden düzenleyip, sonuçta bir ürün elde etmeye çalışırlar. Bu durumda, ürün dairesel bakteri kromozomunun tam bir kopyasıdır. Karmaşık metabolik yollardaki enzimler hemen hemen eş zamanlı çalışırlar; fakat daha açık olması açısından bu sentez sürecindeki olayları ardarda işleyeceğiz.
1. E. coli’deki replikasyon işlemi DNA B adlı özgül bir proteinin kromozomun üzerinde yer alan ve kendine özgü baz dizilimi ile karakterize olan özel bir başlangıç noktasını tanıyıp, ona bağlanması ile başlar.
2. Daha sonra, DNA giraz (DNA Gyrase) olarak bilinen bir enzim grubu ya da topoizomerazlar (bunlar DNA moleküllerinin şeklini değiştirip, kimyasal yapılarını bozmayan enzimlerdir) DNA B proteinin her iki yanında hareket ederek kromozomun yoğun sarmal yapısını (super coil) gevşetir.
3. İki DNA giraz molekülü başlangıç bölgesinden uzaklaştıkça iki molekül rep enzimi DNA’nın çift sarmal yapısını açar. Bu işlemde bazları bir arada tutan hidrojen bağlarının koparılmasında ATP’yi kullanır.
4. Daha sonra DNA daki tek zincirlere bağlanabilen proteinler (Single Strand Binding=SSB) iki zinciri birbirinden ayrı tutup, hemen tekrar birleşmesini engelleyecek bir yapı iskeleti kurar.
5. DNA replikasyonunun, başlamasından önce oluşması gerekli olan beş basamaktan sonuncusu ise primer sentezinden sorumlu olan primaz adı verilen bir enzimin sisteme katılması ile başlar. Çünkü replikasyonu gerçekleştiren polimeraz enzimleri sadece çift zincirli; fakat sentezi tamamlanmamış bir zincirin ucuna kalıp zinciri okuyarak bazları ekleyebilir. Bu durumda DNA da açılan tek zincirlerin en azından küçük bir bölgesinin çift zincirli olması gerekmektedir. Primaz başlangıç bölgesine bağlanıp primer denilen yaklaşık on baz uzunlukta komplementer bir dizi ekler.
İşin garibi, bu primer RNA’dan yapılmıştır ve daha sonra DNA’ya dönüştürülmesi gerekir. Bu yer değiştirmenin nasıl gerçekleştiğini ileride göreceğiz.
6. Daha sonra birkaç proteinden oluşmuş bir kompleks olan DNA polimeraz III enzimi, zincire bağlanıp onu komplementer bazlarla replike etmeye başlar. Adından da anlaşıldığı gibi DNA nükleotitlerinden bir polimer meydana getirir. DNA polimeraz III enziminin kompleks bir yapıda olması gereklidir; çünkü bu enzim birçok değişik tepkime basamağını katalizlemek zorundadır ve kopya ettiği zincire bağlı olarak dört farklı nükleotiti substrat olarak kullanabilmelidir. Enzim yapısında, tahminen her biri adenin, guanin, sitozin ve timin için olmak üzere 4 aktif bölge vardır. Enzim kompleksi, kalıp zinciri okuyup komplementer nükleotiti yerine getirdiği anda, uzayan zincire nükleotitlerin bağlanmasınıda katalizler. Eklenen nükleotitler bu basamak için enerji sağlayan ATP’den gelen yüksek enerjili bir fosfat grubunun eklenmesi ile aktive olurlar. DNA polimeraz III, enzimatik özgüllüğü yüzünden nükleotitleri sadece nükleotit zincirinin fosfat içermeyen 3’ucuna ekleyebilir. Bu ciddi bir soruna neden olur. DNA çifte sarmalını n iki zinciri zıt polaritelere sahip olduğundan biri 5′-3’doğrultusundayken, diğeri 3′-5’doğrultusunda zıt yönlerde kopya edilmeleri gerekmektedir.
Rep enziminin DNA’yı açmasını takiben sadece bir zincir DNA polimeraz III ile kopya edilebilir. Öteki zincir bir şekilde ters yönde kopya edilir. Rep enzimini takiben DNA polimerazla oluşturulan DNA zinciri kesintisiz zincir (leading strand), ters yönde sentezlenmekte olan DNA zinciri ise kesintili zincir “lagging strand” olarak bilinir. İlmeklerin geriye yavaş yavaş dikilmesiyle merdiven oluşturulur.
7. Geri dikiş, primaz enzimin tek zincirli DNA boyunca kısa komplementer RNA nükleotitleri sentezlemesi ile başlar.
8. 5. basamakta oluşturulan kısa segmentler DNA polimeraz III için 3’serbest hidroksil uçlara sahiptir. Polimeraz buradan geriye doğru çalışır ve RNA primer segmentine ulaşana dek zinciri kopya eder. Bu durumda bir zincir kesintisiz kopya edilirken, diğeri bölümler halinde kopyalanır ve bu bölümlere Okazaki fragmanları denir. Bunlar, 1000-2000 baz uzunluğundadır ve RNA primerleriyle birlikte bulunurlar.
9. Şimdi sıra bir seri enzimin Okazaki fragmanlarını devamlı bir zincir oluşturacak şekilde birleştirmesine gelmiştir. Onarım kompleksinin asıl enzimi olan DNA polimeraz I, 10 bazlık RNA primer segmentlerini uzaklaştırıp, yerine DNA’yı getirir.
10. Son olarak fragmanlar DNA ligaz ile birleştirilir ve yeni zincir tamamlanır.
Kaynakça:
Khan Academy
Yazar: Taner Tunç