Chargaff kuralları, DNA’daki çeşitli azotlu bazların miktarları arasındaki ilişkileri ortaya koyan kurallardır. Ancak öncesinde DNA, nükleotit ve nükleik asit kavramlarını bir hatırlayalım. Deoksiribo Nükleik asit veya kısa adıyla DNA, canlıların kalıtım özelliklerini taşıyan ve canlının yaşaması için gerekli biyolojik bilginin tümünü içinde barındıran materyaldir. Yaşamın temelinin DNA olarak görülmesinin sebebi salt kalıtsal bilgiyi taşıması değil aynı zamanda bu bilgiyi kopyalayıp değiştirebilme gücünün de bulunmasıdır.
Nükleotitler, DNA’nın temel yapı birimleridir. Nükleoititin yapısında bulunan materyaller 5 karbonlu şeker (deoksiriboz) ile adenin (A), timin (T), sitozin (C) ve guanin (G) olmak üzere organik bazlardır. Nükleotidler hangi organik bazı içeriyorlarsa o bazın ismiyle adlandırılırlar.
Nükleik asitlerse kalıtsal bilgiyi taşıyan ve kullanılmasını sağlayan moleküllerdir. Protein sentezlenirken (yaşam için gerekli olan süreç) bu bilgiyi aktarır. Yapısında; pentoz şekerler (riboz ve deoksriboz şekerler olup hücre zarından geçerler), pürin (çift halkalı baz – adenin ve guanin bazları) ve pirimidin (tek halkalı baz – sitozin, timin ve urasil bazları), fosfat grubu, nükleozitler (baz + şeker), nükleotidler (nükleozid + fosfat) bulunur. 2 çeşit nükleik asit vardır: DNA ve RNA.
Nükleik asidin yapısında bulunan fosfat DNA’ya asitlik özelliği kazandırır. Organik bazların farklı sıra, miktar ve kullanımı sonucunda birbirinden farklı dizilimlere sahip nükleik asitler yani DNA’lar oluşur.
Tetranükleotit Teorisi
DNA hakkında bilgi 1800’lü yıllara kadar bulunmaz. İlk kez İsviçreli bilim insanı Friedrich Miescher tarafından saflaştırılır. Şöyle ki Miescher, 1869 yılında atık pansumanlarda kalan irin içinde mikroskobik bir madde keşfeder. Bu madde hücre çekirdeğinin (nükleus) içinde olduğundan ona “nüklein” adını verir. Nüklein yapısı gereği fosfat yoğunluklu bir maddedir. Miescher aslında bu maddenin kalıtımsal bir özellik olduğunu düşünür; fakat DNA’nın bu özelliğini ortaya çıkaramaz.
1919’da Phoebus Levene (Biyokimyacı, 1869-1940), nükleotit birimleri oluşturan baz, şeker ve fosfatı tanımlar. Levene DNA’nın, birbirine fosfat grupları ile bağlı nükleotit birimlerinden oluşan bir zincir olduğunu öne sürer. Levene, bu zincirin kısa olduğunu ve bazların (adenin, timin, sitozin ve guanin) kendini tekrar eden bir sıralamaya sahip olduğunu düşünür (Tetranükleotit Teorisi).
1937’de William Astbury (Fizikçi ve moleküler biyolog, 1898 – 1961), DNA’nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösteren ilk X ışını difraksiyon (kırınım) görüntülerini elde eder. DNA’nın günümüzdeki yapısı 1953 yılında James D. Watson (Moleküler Biyolog, 1928) ve Francis Crick (Fizikçi ve moleküler biyolog, 1898 – 1961) tarafından çözümlenir. Phoebus Levene tarafından öne sürülen ve Edwin Chargaff tarafından yanlışlanana kadar kabul gören bu toeriye göre; DNA’nın bileşenlerinden adenin, guanin, sitozin ve timin bazları, belli bir kimyasal formülle ve aynı tekrar sırasıyla DNA’nın yapısını oluşturur. Yani bu bazlar birbirleriyle farklı sırayla değil aynı tekrar sırasıyla eşleşir. Bu teori Chargaff kurallarına kadar geçerliliği korumuştur.
Erwin Chargaff (1905 – 2002)
Chargaff, Channovic (Avusturya)’da doğar. Babası özel bir bankanın sahibi Hermann Chargaff ve annesi Rosa Silberstein’dır. 1. Dünya Savaşının getirdikleri zorluklar yüzünden Erwin dokuz yaşındayken annesi, babası ve kız kardeşi Geta ile birlikte Viyana’ya göç eder.
18 yaşına gelen Erwin, akademik anlamda ne çalışacağı konusunda kararsız kalır; döneminde ağırlıklı olarak fizik, tıp ve hukuk bilim dalları popülerdir. Oysa kendisi ne öğretmen ne doktor ne de avukat olmayı ister; üstelik ticarete atılmak da onun için anlamsızdır. Sonunda kimya okumaya karar verir; çünkü kimya bölümünün belirsizliklerle dolu bir bilim dalı olduğunu düşünür.
23 yaşındayken Viyana Üniversitesi Kimya Bölümünden mezun olur. Viyana’da Karl Kraus’tan (Yazar, 1874 – 1936) edebiyat bilimleri dersini alır. 1928 – 1930 yılları arasında Yale Üniversitesinde çalışır ve iki dal zincirli yağ asidini keşfeder, tüberküloz üzerine çalışır ve yedi makale yayınlar. 1930 yılında Berlin’e geri döner ama burada uzun süre kalamaz. Nazi döneminden kaçmak için ilk önce 1933 yılında Paris’e gider ve burada bakteri pigmentleri ile polisakkaritler üzerinde çalışır. Daha sonra 1939 yılında ABD’ye göç eder ve New York Colombia Üniversitesine kabul edilir.
1952 yılında biyokimya profesörü olur. Chargaff’ın bilime katkıları Nobel Komitesi tarafından göz ardı edilmesine rağmen başka merkezlerde geniş çapta tanınır. 1965’te Ulusal Bilimler Akademisi’ne seçilir. Özellikle DNA’nın kimyasal yapısına ait çalışmaları ile 1949’da Pasteur Madalyası, 1958’de Carl Neuberg Madalyası, 1963’te Charles Leopold Mayer Ödülü, 1964’te Heineken Ödülü, 1974’te Gregor Mendel Madalyası ve 1975 yılında Bilim Madalyası alır.
Kariyeri boyunca akademik dergilerde 500’den fazla makale ve yayın hazırlar. 1974’te 69 yaşında Columbia Üniversitesi’nden emekli olur; fakat 1982 yılına kadar öğretim üyesi olarak kalmaya devam eder. Daha sonra laboratuvarını Roosevelt Hastanesi’ne taşır ve 1992’de yani 86 yaşındayken aktif araştırmadan tamamen emekli olmaya karar verene kadar orada çalışır. 2002 yılında New York’ta hayata gözlerini yumar.
Chargaff Kuralları
Bu kurallar, Chargaff tarafından 1949 – 1951 yılları arasındaki çalışmaları sayesinde yayınlanmıştır. Kurallar, DNA’daki çeşitli azotlu bazların miktarları arasındaki değişimine yönelik çalışmaları içerir. Chargaff ve arkadaşları DNA’nın çift sarmal yapısının keşfini sağlayan iki önemli kural keşfederler. İlk kural; DNA’nın yapısındaki guanin (G) bazlarının sayısı, sitozin (C) bazlarının sayısına ve adenin (A) bazlarının sayısının timin (T) bazlarının sayısına eşit olmasıdır. Yani aslında A – T ile G – C eşleşmesine işaret eder. %A = %T ve %G = %C
Aynı zamanda pürin bazlarının miktarı, pirimidin bazlarının miktarına eşittir. A + G = T + C. Ayrıca amino (A ve C) gruplu bazlar ile keto (T ve G) gruplu bazların toplamları da birbirine eşittir. A + C = T + G
Böylelikle DNA’nın sarmal yapısının “çift” olacağı yönündeki ilk keşfin oluşumunun temeli sağlanır. Bu kurala göre insan DNA’sı % 29,3 A ve % 30 T; % 20,7 G ve % 20 C’den oluşur. Kural, DNA çift sarmalındaki baz çiftlerinin temelini oluşturur: A her zaman T ile eşleşir ve G her zaman C ile eşleşir. Pürin sayısı (A + G) her zaman DNA çift sarmalının baz çiftlerinin doğasının açık bir sonucu olarak pirimidinlerin (T + C) sayısına yaklaşır. Akla şöyle bir soru gelebilir: Neden A, T ile bağ kurabilirken; C ve G ile bağ kuramıyor? Çünkü yapısal olarak daha kararlı hidrojen bağlarını A, T ile ve G, C ile kurabilmektedir.
İkinci kurala göre de nispi miktarlarda guanin, sitozin, adenin ve timin bazları bir türden diğer bir türe değişir. Yani farklı türlerde incelenen DNA’larda (A + T) : (G + C) oranları birbirinden farklıdır. Kimi türlerde (A + T) baskınken kimi türlerde ( G + C) daha baskındır.
İkinci kuralıyla Chargaff, DNA’nın genetik materyal olacağını keşfeden ilk bilim insanı olur. Çünkü bir DNA ipliğindeki nükleotit dizisi okunduğunda diğer dizideki tamamlayıcı dizinin ortaya çıkarılabileceğini söyler. Bazı canlılara ait adenin, timin, guanin ve sitozin yüzdelerini açıkladığı tablo aşağıda yer almaktadır.
Özetle;
Chargaff kuralı 1, guanin birimlerinin sayısının yaklaşık olarak sitozin birimlerinin sayısına ve adenin birimlerinin sayısının yaklaşık olarak timin birimlerinin sayısına eşit olmasıdır. Chargaff kuralı 2, DNA kompozisyonunun bir türden diğerine değişmesidir. Temel kuralları ile A’nın her zaman T ile ve G’nin her zaman C ile eşleştiğini belirtir.
Chargaff kuralları yardımı sayesinde James D. Watson ve Francis Crick DNA’nın çift sarmal yapıda olduğunu keşfederler. Bu ikili, aynı zamanda hidrojen bağlarının yapısını da keşfederek 1962 yılında Nobel Fizyoloji ve Tıp Ödülünü kazanırlar. Watson ve Crick ödüllerini alırken Erwin Chargaff’ı anmayı umarım unutmamışlardır.
NOT: DNA’nın görünmeyen kahramanı “Rosalind Elsie Franklin (Biyofizikçi ve Kimyager, 1920 – 1958 )” anmadan geçmek olmaz -ki bu güzel bilim insanını tanıtmayı sonraya bırakıyorum- dünya hala ataerkil düzen üzerinde dönmekte ve maalesef bilim dünyası da bu düzenden nasiplenmektedir…
Aşağıdaki videodan Chargaff kurallarının minik bir animasyonunu izleyebilirsiniz. https://www.youtube.com/watch?v=kVz84NOtMyg
Kaynakça:
- “Chargaff’s Base-Pairing Rules – Advanced”. (Erişim Tarihi: 03.01.2020)https://www.ck12.org
- “Erwin Chargaff”. (Erişim Tarihi: 03.01.2020) http://www.nasonline.org
- Chargaff, Erwin at all, (1951). “The Composıtıon Of The Desoxyrıbonucleıc Acıd Of Salmon Sperm”. (Erişim Tarihi: 03.01.2020) https://www.jbc.org/
Matematiksel
