RNA'da bir firkete yapısı. Azot atomları mavi, oksijenler kırmızıdır.Ribonükleik asit veya RNA bir nükleik asittir, nükleotitlerden oluşan bir polimerdir. Her nükleotit bir azotlu baz, bir riboz şeker ve bir fosfattan oluşur. RNA pekçok önemli biyolojik rol oynar, bunların arasında DNA'da taşınan genetik bilginin proteine çevirisi (translasyon) ile ilişkili çeşitli süreçlerde de yer alır. RNA tiplerinden olan mesajcı RNA, DNA'daki bilgiyi protein sentez yeri olan ribozomlara taşır, ribozomal RNA ribozomun en önemli kısımlarını oluşturur, taşıyıcı RNA ise protein sentezinde kullanılmak üzere kullanılacak aminoasitlerin taşınmasında gereklidir. Ayrıca çeşitli RNA tipleri genlerin ne derece aktif olduğunu düzenlemeye yarar.
RNA, DNA'ya çok benzer olmakla beraber ama bazı yapısal ayrıntılarında farklılık gösterir. Hücre içinde RNA genelde tek zincirli, DNA ise genelde çift zincirlidir. RNAnükleotitleri riboz içerirler, DNA ise deoksiriboz (bir oksijeni atomu eksik olan bir riboz türü) vardır. DNA'da bulunan timin bazı yerine RNA'da urasil vardır ve genelde RNA'daki bazlar ayrıca kimyasal modifikasyona uğrar. RNA, RNA polimeraz enziminin DNA'yı okuması (transkripsiyonu) ile sentezlenir ve ardından başka enzimler tarafından işlenerek değişime uğrar. Bu RNA işleyici enzimlerin bazıları kendi RNA'larını içerirler.
Konu başlıkları [gizle]
1 Yapısı
2 DNA ile kıyaslama
3 Sentez
4 RNA Tipleri
4.1 Genel bakış
4.2 Translasyonda
4.3 Gen düzenlemesinde
4.4 RNA işlenmesinde
4.5 RNA tipleri
5 Keşif
6 Kaynakça
7 Dış bağlantılar
Yapısı [değiştir]
siRNA'da Watson-Crick baz çiftleri (resmin sadeliği için hidrojen atomları gösterilmemektedir)RNA'daki her nükleotit bir riboz şekeri içerir, bunun karbonları 1' ila 5' olarak numaralandırılır. 1' konumuna bir baz bağlıdır, genelde adenin (A), sitozin (C), guanin (G) veya urasil (U). İki riboz arasında bir fosfat grubu vardır, bu fosfat bir ribozun 3' konumuna, öbür ribozun ise 5' konumuna bağlıdır. Fizyolojik pH'de fosfat grubu negatif bir yük taşıdığı için RNA yüklü bir moleküldür (polianyon). Bazı bazlar arasında hidrojen bağları oluşabilir: sitozin ve guanin, adenin ve urasil ve bazen guanin ve urasil arasında bu tür bağlar oluşur.[1] Ancak, RNA zinciri çeşitli şekiller alabildiği için bunlardan başka baz-baz etkileşimleri de mümkündür, örneğin bir grup adenin birbiriyle bağlanarak RNA zincirinde bir tümsek oluşturabilir,[2] veya GNRA dörtlüsü'nde bir guanin-adenin etkileşimi olur.[1]
RNA'nın kimyasal yapısıRNA'yı DNA'dan farklı kılan önemli bir fark, riboz şekerin 2' konumundaki hidroksil grubudur. Bu fonksiyonel grubun varlığı c3'-endo şeker konformasyonunu zorunlu kılar, buna karşın DNA'nın deoksiriboz şekerinin C2'-endo konformasyonu vardır. bunun sonucu olarak RNA'nin çifte sarmallı kısımları A-şekilli olur, DNA'da yaygın olarak görülen B şekilli sarmaldan farklı olarak.[3] A-şekilli sarmalın büyük oyuğu B şekilli sarmala kıyasla daha derin ve dardır, küçük oyuğu ise sığ ve geniştir.[4] 2' hidroksil grubunun ikinci bir etkisi ise, RNA'nın esnek olan bölgelerinde (yani çift sarmal oluşturmamış kısımlarında) bu hidroksil grubunun yanındaki fosfodiester bağa saldırıp şeker-fosfat zincirin kesilmesine neden olabilmesidir.[5]
RNA transkripsiyonu sırasında sadece dört baz kullanılır (adenin, sitozin, guanin ve urasil)[6] ama ergin RNA'larda pekçok değişime uğramış şeker ve baz vardır. Psödouridin (Ψ) adlı nükleozitte urasil ile riboz arasındaki bağ, bir C-N bağından C-C bağına değişmiştir. Psödouridin ve ribotimidin (T) beraberce çeşitli RNA'larda görülür, özellikle tRNA'ların TΨC ilmiğinde.[7] Değişime uğramış bazlardan bir diğeri olan hipoksantin, deamine olmuş bir guanin bazıdır, nükleozit hali inosin olarak adlandırılır. Genetik kodun değişkenliğinin açıklanmasında inosin anahtar bir rol oynar.[8] Değişime uğramış 100'e aykın nükleozit bilinmektedir,[9] bunların arasında psödouridin ve 2'-O-metilribozlu nükleozitler en yaygın olanlarıdır.[10] Bu modifikasyonların çoğunun işlevi bilinmemektedir. Ancak ribozomal RNA'da çoğu transkripsiyon sonrası modifikasyon, ribozomun en işlevsel bölgelerinde, örneğin peptidil transferaz merkezinde ve altbirim arayüzlerinde yer alması kayda değerdir, bu nedenle bu modifikasyonların normal fonksiyon için gerekli olduğu anlaşılmaktadır.[11]
telomeraz'daki RNA'nın ikincil yapısı.Tek iplikçikli bir RNA'nın işlevsel şekli, tıpkı proteinlerde olduğu gibi, çoğu zaman belli bir üçüncül yapı gerektirir. Bu yapının iskeleti, molekülün içindeki bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla ortaya çıkar. Bu şekilde firkete yapısı, tümsek ve ilmik gibi belli ikincil yapı elemanlarından oluşan bölgeler ortaya çıkar.[12] Bir RNA dizisinin nasıl bir üç boyutlu şekil alacağının tahmini halen aktif bir araştırma konusudur.
DNA ile kıyaslama [değiştir]RNA ve DNA, üç ana özellikleriyle birbirlerinden farklılık gösterirler. Birincisi, DNA çift iplikçikli olmasına karşın, coğu biyolojik fonksiyonunda RNA tek iplikçiklidir, ve DNA'dan çok daha kısadır. İkincisi, DNA'yı oluşturan şeker molekülleri deoksiriboz, RNA'yı oluşturanlar ise ribozdur, yani DNA'da pentoz halkasının 2' konumunda bir hidroksil grubu yoktur, RNA'da ise pentoz halkasının iki hidroksil grubu vardır. Rna'da fazladan bulunan hidroksil grupları, hidroliz nedeniyle onun DNA'dan daha az dayanıklı olmasına neden olur. Üçüncüsü, adenin bazını tümleyen baz DNA'daki gibi timin değil, urasildir.
50S ribozomal altbirim. RNA turuncu, protein mavidir. Aktif merkez ortadadır (kırmızı).RNA genelde tek iplikçikli olmasına rağmen, çoğu RNA molekülü katlanarak baz eşleşmesi ile çift sarmallı bölgeler oluşturur. DNA'dan farklı olarak RNA'lar uzun çift iplikçikli sarmallar değil, birbirine sıkıca sokulmuş kısa sarmallardan oluşur. Bu baz eşleşmeleri RNA molekülüne belli bir şekil verir ve bazların fonksiyonel grupların bir araya gelmesi sonucu reaktif özelliğe sahip olan yapılar ortaya çıkar. Bu sayede RNA, bir enzim gibi, kimyasal katalizör olarak işlev verebilir.[13] Örneğin, peptit bağını oluşturan bir enzim olan ribozomun aktif merkezi tamamen RNA'dan oluşmaktadır.[14]
Sentez [değiştir]RNA sentezi genelde DNA'yı bir şablon olarak kullanarak, RNA polimeraz enzimi tarafından katalizlenir. Sentezin başlaması DNA üzerinde, RNA'ya yazılacak bölgenin hemen "yukarı" tarafındaki bir diziye enzimin bağlanması ile olur. DNA çifte sarmalı, RNA polimerazın helikaz aktitivitesi ile açılır. Sonra, enzim DNA'nın şablon iplikçiği üzerinde 3'- 5' doğrultusunda ilerler ve bunun dizisini tümleyici bir diziye sahip bir RNA zincirini 5'-3' doğrultusunda sentezler. DNA üzerinde bulunan belli bir dizi, RNA sentezinin nerede sona ereceğini belirler.[15]
Yukarıda anlatılan DNA'ya bağımlı RNA polimeraz'dan farklı olarak bir de RNA'ya bağımlı RNA polimerazlar vardır, bunlar yeni bir RNA zincirini sentezlemek için şablon olarak bir RNA zinciri kullanırlar. Örneğin, bir grup RNA virüsleri (çiçek virüsü gibi) bu enzimi kullanarak genetik malzemelerini çoğaltırlar.[16] Ayrıca, RNA'ya bağımlı RNA polimeraz çoğu canlıda RNA enterferans yolunda görev alır.[17]
RNA Tipleri [değiştir]
Genel bakış [değiştir]
RNA kesen bir ribozim olan çekiçbaşı riboziminin şematik yapısıMesajci RNA (mRNA) DNA'daki bilgiyi protein sentezi (translasyon) için ribozomlara taşıyan RNA'dır. mRNA'daki kodlayıcı nükleotit dizisi ondan üretilen proteinin amino asit dizisini belirler.
RNA genleri proteine çevrilmeyen, RNA kodlayan genlerdir, bunlar kodlamayan RNA veya küçük RNA olarak adlandırılır. Kodlamayan RNA'lar intronlardan da ortaya çıkabilir.[18] Kodlamayan RNA'ların en belirgin örnekleri taşıyıcı RNA (tRNA) ve ribozomal RNA (rRNA)'dır, bunların ikisi de translasyon sürecinde rol oynarlar.[19] Gen düzenlemesi, RNA işlenmesi ve başka işleveleri olan RNA'lar da vardır. Bazı RNA'lar, başka RNA'ların kesilmesi ve birleştirilmesi (ligasyon)[20] ve ribozomda peptit bağı oluşumu[14] gibi kimyasal tepkimeleri katalizleme yeteneğine sahiptir; bu tip RNA'lar ribozim olarak adlandırılırlar.
Çift iplikçikli RNA (İng. double stranded RNA 'nın kısaltması olan dsRNA olarak değinilir), birbirini tümleyici iki iplikçikten oluşmuş RNA'dır, bu bakımdan şekli DNA'ya benzer. Çift iplikçikli RNA, bazı virüslerin (çift iplikçikli virüslerin) genetik malzemesini oluşturur. Ökaryotlarda, virüs RNA'sına benzeyen uzun çift iplikçikli RNA'lar RNA enterferansını harekete geçirir. RNA enterferansında, siRNA (İng. small interfering RNA, kısa enterfreanscı RNA) olarak adlandırılan kısa çift iplikçikli RNA'lar gen ifadesini susturur.[21]
Translasyonda [değiştir]Mesajcı RNA (mRNA) bir proteinin amino asit dizisi hakkında bilgiyi protein sentez yeri olan ribozomlara taşır. Bu bilgi, her üç nükleotit (bir kodon) bir amino asite karşılık gelecek şekilde şifrelenmiştir. Ökaryotlarda bir öncül (prekürsör) mRNA (pre-mRNA) DNA'dan yazıldıktan sonra ergin mRNA'ya dönüştürülür. Bu işlem sırasında pre-mRNA'nın protein kodlamayan kısımları (intronlar) çıkartılır, ayrıca mRNA'nın iki ucuna, onu nükleazlardan koruyucu eklemeler yapılır. Bunun ardından mRNA çekirdekten sitoplazmaya taşınır, orada ribozomlara bağlanır ve tRNA'nın yardımıyla çevirisi (translasyonu) yapılır. Prokaryotlarda, çekirdek olmadığından, RNA'nın transkripsiyonu sürerken ribozomlar tarafından çevirisi başlar. Bir süre sonra mesajcı RNA ribonükleazlar tarafından parçalanır.[22]
Taşıyıcı RNA (tRNA) yaklaşık 80 nükleotit uzunluğunda bir RNA zinciri olup, ribozomun protein sentez konumunda büyümekte olan polipeptide spesifik aminoasitler taşır. Yapısında, mRNA'daki kodonları tanımak için onlarla hidrojen bağı kuran bir antikodon bölgesi ve amino asidin ona bağlanması için gerekli bölgeler vardır.[23]
Ribozomal RNA (rRNA) ribozomların katalitik kısmıdır. Ökaryotik ribozomlar dört RNA içerirler: 18S, 5.8S, 28S and 5S rRNA. Bu rRNA'lardan üçü çekirdekçikte sentezlenir. Sitoplazmada ribozomal RNA ve proteinler bir araya gelip ribozomu oluştururlar. Ribozom mRNA'ya bağlanır ve protein sentezini gerçekleştirir. Bir mRNA'ya aynı andan birkaç yüz ribozom bağlanabilir.[22] Tipik bir ökaryotik hücre sitoplazmasındaki RNA konsantrasyonu 10 mg/ml'dir, bunun %80 rRNA'dan oluşur.[24]
Gen düzenlemesinde [değiştir]Bazı RNA tipleri genin belli bir kısmının dizisine tümleyici olarak gen ifadesinin aşağı ayarlayabilirler. Ökaryotlarda bulunan mikro RNA'lar (miRNA; 21-22 nt) RNA enterferans yoluyla etki eder. RNA enterferansında miRNA ve enzimlerden oluşan bir kompleks, miRNA'nın tümleyici olduğu bir mRNA'yı parçalayabilir, veya mRNA'nın translasyonunu bloke edebilirler, veya promotörün metilasyonuna neden olarak genelde geni aşağı ayarlarlar.[25] Bazı miRNA'lar ise genleri yukarı ayarlarlar (RNA aktivasyonu).[26] Küçük enterferansçı RNA (İng. small ınterfering RNA, siRNA)'lar 20-25 nt uzunlukta olurlar, genelde viral RNA'nın parçalanmasından meydana gelmelerine karşın, bu RNA tiplerinin endojen kaynakları da mevcuttur.[27] siRNA'lar, miRNA'ya benzer şekilde )RNA aktivasyonu da dahil olmak üzere) RNA enterferansı aracılığyla etki ederler.[28] Hayvanlarda bulunan Piwi etkileşimli RNA'lar (İngilizce Piwi-interacting RNAs, piRNA; 29-30 nt) eşey hücrelerinde etkindirler, transpozonlara karşı savunmaya yaradıkları ve gametogenezde rol oynadıkları düşünülmektedir.[29][30] Dişi hayvanlarda görülen X kromozom inaktivasyonu, X kromozomlarından birini kaplayarak onu inaktive eden Xist adlı bir RNA tarafından meydana gelir.[31] Ters anlamlı RNA bakterilerde yaygındır; çoğu genleri aşağı ayarlar ama bazıları da transkripsiyon aktivatörüdür.[32] Bir mRNA'nın kendisi de 5 üssü çevrilmeyen bölgesinde veya 3 üssü çevrilmeyen bölgesinde riboanahtar gibi düzenleyici elemanlar içerebilir. Bu beri-düzenleyici unsurlar (İng. cis-regulatory element) mRNA'nın etkinliğini düzenlerler.[33]
Uridinden psöduridin oluşumu yaygın bir RNA modifikasyonudur.
RNA işlenmesinde [değiştir]Çoğu RNA başka RNA'ların modifikasyonunda rol oynar. Örneğin uçbirleştirmede, pre-mRNA'daki intronların çıkartılmasını sağlayan splisozom, küçük nükleer RNA (snRNA)'lar içerir.[19]
RNA'yı oluşturan nükleotitlerler A, C, G ve U'dan farklı bazlara değişime uğrayabilir. Ökaryotlarda RNA nükleotitlerinin modifikasyonu genelde çekirdekçik ve Cajal cisimlerinde bulunan küçük nükleolar RNA (small nucleolar RNA, snoRNA; 60-300 nt) tarafından yönlendirilir.[23] SnoRNA'lar enzimlerle birleşip onları RNA üzerindeki belli bir noktaya yönlendiriler, bunu sağlamak için RNA ile baz eşleşmesi yaparlar. Bu enzimler sonra o noktadaki nükleotit modifikasyonunu gerçekleştirler. rRNA ve tRNA bu şekilde büyük oranda değişime uğrarlar, ama snRNA ve mRNA'ların da bu yolla modifiye oldukları görülmüştür.[34][35]
DNA çift sarmalının yapısı Deoksiribonükleik asit (DNA), tüm organizmalar ve bazı virüslerin canlılık işlevleri ve biyolojik gelişmeleri için gerekli olan genetik talimatları taşıyan bir nükleik asittir. DNA'nın başlıca rolü bilginin uzun süreli saklanmasıdır. Protein ve RNA gibi hücrenin diğer bileşenlerinin inşası için gerekli olan bilgileri içermesinden dolayı DNA bir kalıp, şablon veya reçeteye benzetilir. Bu genetik bilgileri içeren DNA parçaları gen olarak adlandırılır, ama başka DNA dizilerinin yapısal işlevleri vardır, diğerleri ise bu genetik bilginin kullanılmasının düzenlenmesine yararlar.
Kimyasal olarak DNA, nükleotit olarak adlandırılan basit birimlerden oluşan iki uzun polimerden oluşur. Bu polimerlerin omurgaları, ester bağları ile birbirine bağlanmış şeker ve fosfat gruplarından oluşur. Bu iki iplikçik birbirlerine ters yönde giderler. Her bir şeker grubuna baz olarak adlandırılan dört tip molekülden biri bağlıdır. DNA'nın omurgası boyunca bu bazların oluşturduğu dizi, genetik bilgiyi kodlar. Protein sentezi sırasında bu bilgi, genetik kod aracılığıyla okununca proteinlerin amino asit dizisini belirler. Bu süreç sırasında DNA'daki bilgi, DNA'ya benzer yapıya sahip başka bir nükleik asit olan RNA'ya kopyalanır, bu işleme transkripsiyon denir.
Hücrelerde DNA, kromozom olarak adlandırılan yapıların içinde yer alır. Hücre bölünmesinden evvel kromozomlar ikilenir, bu sırada DNA ikileşmesi gerçekleşir. Ökaryotlarda (yani hayvan, bitki, mantar ve protistalar) DNA'larını hücre çekirdeği içinde bulundurular, buna karşın prokaryotlarda (yani bakteri ve arkelerde) DNA hücre sitoplazmasında yer alır. Kromozomlarda bulunan kromatin proteinleri (histonlar gibi) DNA'yı sıkıştırıp organize ederler. Bu sıkışık yapılar DNA ile diğer proteinler arasındaki etkileşimleri düzenleyerek DNA'nın hangi kısımlarının okunacağını kontrol ederler.
Konu başlıkları [gizle]
1 Özellikler
2 Büyük ve Küçük Oyuklar
3 Baz eşleşmesi
4 Anlam ve ters anlam
5 Süper burulma
6 Alternatif çifte sarmal yapılar
7 Dörtlü yapılar
8 Kimyasal değişimler
8.1 Baz değişimleri
8.2 DNA hasarı
9 Biyolojik işlevleri
9.1 Genler ve genomlar
9.2 Transkripsiyon ve çevrim
9.3 İkileşme
10 Proteinler ile etkileşim
10.1 DNA'ya bağlanıcı proteinler
10.2 DNA değiştirici enzimler
10.2.1 Nükleaz ve ligazlar
10.2.2 Topoizomeraz ve helikazlar
10.2.3 Polimerazlar
11 Genetik Yeniden birleşim
12 DNA metabolizmasının evrimi
13 Teknolojide kullanım
13.1 Gen mühendisliği
14 Adli bilim
14.1 Biyoinformatik
14.2 DNA nanoteknolojisi
14.3 Tarih ve antropoloji
15 DNA araştırmasının tarihçesi
16 Ayrıca bakınız
17 Kaynaklar
18 Notlar
19 Bibliyografya
20 Dış bağlantılar
Özellikler [değiştir]
DNA'nın kimyasal yapısı. Hidrojen bağları noktalı çizgiler olarak gösterilmiştir.nükleotit olarak adlandırılan birimlerden oluşan bir polimerdir.[1][2] DNA zinciri 22 ila 26 Ångström arası (2,2-2,6 nanometre) genişliktedir bir nükleotit birim 3,3 Å (0.33 nm) uzunluğundadır.[3] Herbir birim çok küçük olmasına rağmen, DNA polimerleri milyonlarca nükleotitten oluşan muazzam moleküllerdir. Örneğin, en büyük insan kromozomu olan 1 numaralı kromozom yaklaşık 220 milyon baz çifti uzunluğundadır. [4]
Canlılarda DNA genelde tek bir molekül değil, birbirine sıkıca sarılı bir çift molekülden oluşur. [5][6] Bu iki uzun iplikçik sarmaşık gibi birbirine sarılarak bir çift sarmal oluşturur. Nükleotit birimler bir şeker, bir fosfat ve bir bazdan oluşurlar. Şeker ve fosfat DNA molekülünün omurgasını oluşturur, baz ise çifte sarmaldaki öbür DNA iplikçiği ile etkileşir. Genel olarak bir şekere bağlı baza nükleozit, bir şeker ve bir veya daha çok fosfata bağlı baza ise nükleotit denir. Birden çok nükleotidin birbirine bağlı haline polinükleotit denir.[7]
DNA iplikçiğinin omurgası almaşıklı şeker ve fosfat artıklarından oluşur.[8] DNA'da bulunan şeker 2-deoksiribozdur, bu bir pentozdur (beş karbonlu şekerdir). Bitişik iki şekerden birinin 3 numaralı karbonu ile öbürünün 5 numaralı karbon atomu arasındaki fosfat grubu, bir fosfodiester bağı oluşturarak şekerleri birbirine bağlar. Fosfodiester bağın asimetrik olması nedeniyle DNA iplikçiğinin bir yönü vardır. Çifte sarmalda bir iplikçikteki nükleotitlerin birbirine bağlanma yönü, öbür iplikçiktekilerin yönünün tersidir. DNA iplikçiklerinin bu düzenine antiparalel denir. DNA iplikçiklerin asimetrik olan uçları 5' (beş üssü) ve 3' (üç üssü) olarak adlandırılır, 5' uç bir fosfat grubu, 3' uç ise bir hidroksil grubu taşır. DNA ve RNA arasındaki başlıca farklardan biri, içerdikleri şekerdir, RNA'da 2-deoksiriboz yerine başka bir pentoz şeker olan riboz bulunur.[6]
Çift sarmalı iki iplikçiğe bağlı bazlar arasındaki hidrojen bağları DNA'yı stabilize eder. DNA'a bulunan dört baz, adenin (A olarak kısaltılır), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T) olarak adlandırılır. Bu dört baz şeker-fosfata bağlanarak bir nükleotit oluşturur, örneğin "adenozin monofosfat" bir nükleotittir.
Bazlar iki tip olarak sınıflandırılırlar: adenin ve guanin, pürin türevleridir, bunlar beş ve altı üyeli halkaların kaynaşmasından oluşmuş heterosiklik bileşiklerdir; sitozin ve timin ise pirimidin türevleridir, bunlar altı üyeli bir halkadan oluşur. Bir diğer baz olan urasil (U), sitozinin yıkımı sonucu seyrek olarak DNA'da bulunabilir. Kimyasal olarak DNA'ya benzeyen RNA'da timin yerine urasil bulunur.
Büyük ve Küçük Oyuklar [değiştir]
Bir DNA parçasının yapısının animasyonu. Bazlar birbirine sarılı iki iplikçik arasında yatay durumdadırlar. Büyük versiyonu[9] koordinatlarından elde edilmiştirÇifte sarmal sağ elli bir spiraldir. DNA iplikçiklerinin birbirine sarılı halinde şeker-fosfatlı omurgalar arasındaki aralıktan bazların kenarları görünür (animasyona bakınız). Sarmal etrafında dolanan bu oyuklardan iki tane vardır: bunlardan büyük oyuk (majör oyuk) olarak adlandırılanı 22 Å genişliğinde, küçük (minör) oyuk ise 12 Å genişliğindedir.[10] Küçük oyuğun darlığı nedeniyle bazların kenarlarına erişmek büyük oluktan daha kolaydır. Bu nedenle, DNA'daki belli baz dizilerine bağlanan, transkripsiyon faktörü gibi proteinler büyük oyuktan bazların kenarlarına temas ederler. [11]
Baz eşleşmesi [değiştir]DNA iplikçiğindeki her baz tipi öbür iplikçikten tek bir baz tipi ile bağ kurar. Buna tümleyici (komplemanter) baz eşleşmesi denir: pürinler pirimidinler ile hidrojen bağı kurar, A yalnızca T'ye bağlanır, C'de yalnızca G'ye bağlanır. Çift sarmalda karşıdan karşıya birine bağlı iki baza bir baz çifti denir. Çift sarmalı kararlı kılan ayrıca hidrofobik etki ve pi istiflenmesi vardır, bunlar DNA dizisisinden bağımsızdır.[12] Hidrojen bağları kovalent bağlardan daha zayıf olduklarından kolayca kopup tekrar oluşabilirler. Dolayısıyla DNA zincirinin iki iplikçiği bir fermuar gibi kolayca birbirinden ayrılabilir, ya mekanik güç ile veya yüksek sıcaklıkta.[13] Komplementerliğin bir sonucu olarak bir DNA sarmalındaki iki iplikçikli dizideki tüm bilgi iplikçiklerin her birinde kopyalanmış durumdadır, bu da DNA kopyalanması için esas bir özelliktir. Aslında komplementer baz çiftleri arasındaki spesifik ve tersinir etkileşimler DNA'nın canlılardaki işlevleri için şarttır.[1]
Üstte, üç hidrojen bağlı bir GC baz çifti. Altta, iki hidrojen bağlı bir AT baz çifti. Bazlar arasındaki hidrojen bağları kesik çizgiler olarak gösterilmiştir.İki tip baz çifti farklı sayıda hidrojen bağları oluşturur, AT'nin iki hidrojen bağı, GC'nin üç hidrojen bağı vardır (bakınız şekil). Dolayısıyla GC çiftleri AT baz çiftlerinden daha güçlüdür. Dolayısyla iki DNA iplikçiğinin birbirine bağlanma gücünü belirleyen, hem DNA çift sarmalının uzunluğu hem de onu oluşturan GC baz çiftlerinin yüzde oranıdır. Yüksek oranda GC'li uzun DNA'ların iplikçikleri birbirine daha sıkı bağlıdır, AT oranı yüksek kısa sarmalların iplikçikleri ise birbiriyle daha zayıf etkileşirler.[14] Biyolojide, DNA çifte sarmalının kolay ayrılması gereken bölgelerinde AT oranı yüksek olur, örneğin bazı promotörlerde bulunan TATAAT Pribnow kutusu.[15] Laboratuvarda bu etkileşimin gücünü ölçmek için hidrojen bağlarını koparmak için gerekli sıcaklık, ergime sıcaklığı belirlenir (bu, Tm sıcaklığı olarak da adlandırılır). DNA çifte sarmalındaki tüm baz çiftleri eridikten sonra ipliçikler ayrışır ve çözeltide iki bağımsız molekül olarak varlığını sürdürür. Bu iki tek iplikçikli DNA molekülün tek bir biçimi yoktur, ama bazı biçimler diğerlerinden daha kararlıdır.[16]
Anlam ve ters anlam [değiştir]Daha fazla bilgi: Anlam (moleküler biyoloji)
Bir DNA dizisi, eğer ondan protein sentezlemeye yarayan mesajcı RNA kopyası ile aynı diziye sahipse, "anlamlı" olduğu söylenir.[17] Öbür iplikçikteki diziye "ters anlamlı" dizi denir. Aynı DNA iplikçiğinin farklı bölgelerinde anlamlı ve ters anlamlı diziler bulunabilir, yani her iki iplikçikte hem anlamlı hem anlamsız diziler bulunur. Hem prokaryot ve ökaryotlarda ters anlamlı, yani protein üretimine yaramayan, RNA'nın üretildiği olur, bu RNA'ların işlevi halen tam bilinmemektedir.[18] Bir görüşe göre ters anlamlı RNA, RNA-RNA baz eşleşmesi yoluyla gen ifadesinin düzenlenmesine yaramaktadır.[19]
Bazı DNA dizilerinde anlam ve ters anlam kavramları birbirine karışır, çünkü bazen genler birbiriye örtüşebilir.[20] Böyle durumlarda bazı DNA dizileri çifte görev yapar, bir iplikçik boyunca okununca bir protein kodlar, öbür iplikçik boyunca okununca ikinci bir protein kodlar. Bakterilerde bu tür gen örtüşmeleri gen transkripsiyonunun düzenlenmesi ile ilişkili olduğuna dair bulgular vardır,[21] virüslerde ise, genlerin örtüşmesi küçük bir viral genoma daha çok bilginin sığmasını sağlar.[22]
Süper burulma [değiştir]Daha fazla bilgi: DNA süper sarmalı
Süper burulma (İngilizce supercoiling) tabir edilen bir süreç ile DNA bir halat gibi burulabilir. "Gevşek" halinde DNA'daki bir iplikçik, her 10,4 baz çiftinde bir, çift sarmalın ekseni etrafında bir tam dönüş yapar. Ama, eğer DNA burulursa iplikçikler daha sıkı veya daha gevşek sarılı olabilirler.[23] Eğer DNA sarmalı sarılma yönünde burulursa buna pozitif süperburulma denir ve bazlar birbirlerine daha sıkı şekilde tutunurlar. Eğer ters yönde burulursa DNA, buna negatif süperburulma denir ve bazlar birbirlerinden daha kolay ayrışırlar. Doğadaki çoğu DNA molekülü az derecede negatif süper burguludur, bundan topoizomeraz adlı enzimler sorumludur.[24] Bu enzimlerin bir işlevi transkripsiyon ve DNA ikileşmesi gibi süreçler sırasında DNA iplikçiklerine etki eden burulmayı bertaraf etmektir.[25]
Soldan sağa, A, B ve Z DNA'nın yapıları
Alternatif çifte sarmal yapılar [değiştir]Daha fazla bilgi: DNA'nın mekanik özellikleri
DNA'nın çeşitli biçimleri (konformasyonları) mevcuttur.[8] Ancak, canlılarda sadece A-DNA, B-DNA, ve Z-DNA gözlemlenmiştir. DNA'nın hangi biçimi aldığı DNA dizisine, süperburulmanın yönü ve miktarına, bazlardaki kimyasal değişimlere, ve çözeltinin özelliklerine (metal iyonu ve poliamin konsantrasyonu gibi) bağlıdır. [26] Bu üç biçimden yukarıda betimlenmiş olan "B" biçimi, hücrelerdebulunan şartlar altında en sık görülenidir.[27] DNA'nın diğer iki alternatif biçiminin geometri ve boyutları farklıdır.
A biçimi daha geniş bir spiraldir, B biçimine kıyasla küçük oluk daha geniş ve sığ, büyük oluk da daha dar ve derindir. A biçimli nükleik asitler, fizyolojik olmayan şartlarda, suyunu kaybetmiş DNA örneklerinde görülür, hücre içinde ise DNA ve RNA iplikçiklerinin birbirine sarılmasından oluşan karma (hibrit) eşleşmelerde, ayrıca bazı enzim-DNA komplekslerinde meydana gelebilir.[28][29] Metilasyonla kimyasal değişime uğrayan DNA parçaları daha büyük biçimsel değişiklik gösterip Z biçimini alabilirler. Bu durumda iplikçikler sarmal ekseni etrafında dönerek sol elli bir spiral oluşturur, bu daha yaygın olan B biçimimdekinin tersi yöndedir.[30] Bu sıra dışı yapılar Z-DNA bağlayıcı proteinler tarafından tanınır ve transkripsiyon kontrolü ile ilişkili olduğu sanılmaktadır.[31]
Telomer tekrarlarından oluşmuş bir DNA dörtlüsünün (quadruplex) yapısı. DNA omurgasının biçimi tipik sarmal yapıdan büyük farklılık gösterir[32]
Dörtlü yapılar [değiştir]Daha fazla bilgi: G-dörtlüsü
Doğrusal kromozomların uçlarında telomer olarak adlandırılan özelleşmiş bölgeler bulunur. Bu bölgelerin ana fonksiyonu kromozom uçlarının telomeraz adlı enzim aracılığıyla kopyalanmasını sağlamaktır. DNA'yı normalde kopyalayan enzimler kromozomların en uç kısımların kopyalayamadığı için bu kopyalama telomeraz aracılığıyla yapılır.[33] Bu özelleşmiş kromozom başlıkları ayrıca DNA'nın uçlarını korurlar ve hücredeki DNA tamir sistemlerinin bunları tamir edilmesi gereken hasar olarak algılanmasını engeller.[34] İnsan hücrelerinde telomerler genelde TTAGGG dizisinin birkaç bin kere tekrarından oluşan tek iplikçikli DNA uzantılarıdır.[35]
Bu guanin zengini diziler normal DNA'daki baz çiftleri yerine, dört bazlı birimlerden meydana gelmiş istiflenme kümeleri ile kromozom uçlarını stabilize ederler. Burada dört guanin baz yassı bir tabaka oluştururlar, bular da birbiri üzerine istiflenerek kararlı bir G-dörtlüsü (G-quadruplex) yapısı oluştururlar.[36] Bu yapıların stabilizasyonu, bazların kenarları arasındaki hidrojen bağları ve her dört bazlı birimin ortasında yer alan bir metal iyonun kelasyonu ile gerçekleşir.[37] Bu G-dörtlüleri başka yollardan da oluşabilir: tek bir iplikçiğin bir kaç kere katlanması ile bu dörtli birim oluşabilir, veya ikiden fazla farklı paralel iplikçiğin her birinin ortak yapıya bir baz temin etmesi ile de bu dört baz bir araya gelebilir.
Bu istiflenmiş yapıların aynı sıra, telomerler ayrıca telomer ilmiği (T-ilmiği; ingilizce telomere loops veya T-loops) adlı yapılar oluştururlar. Bunlarda tek iplikçikli DNA, telomer bağlanıcı proteinler tarafından stabilize edilmiş bir halka olarak kıvrılır.[38] Bir T-ilmiğinin en ucundaki tek iplikçikli DNA, çift iplikçi bir DNA bölgesine bağlıdır. Bu birleşme noktasında tek iplikçikli telomer DNA'sı, çift iplikçikli DNA'nın çifte sarmalını bozup iki sarmaldan biri ile baz eşleşmesi yapar. Bu üç sarmallı yapıya yer değişim halkası (İngilizce displacement loop veya D-loop) denir.[36]
Kimyasal değişimler [değiştir]
sitozin 5-metilsitozin timin
Sitozinin 5-metil grubuyla ve onsuz yapısı. Deaminasyon sonrasında 5-metilsitozin, timine dönüşür
Baz değişimleri [değiştir]Daha fazla bilgi: DNA metilasyonu
Kromatin adı verilen bir yapı içinde DNA'nın paketlenmesi ile kromozomlar meydana gelir. Bu paketlenme gen ifadesine etki eder. Baz değişimi (modifikasyonu) bu paketlenmeyle ilişkilidir, öyle ki gen ifadesinin az olduğu veya hiç olmadığı yerlerde sitozin bazları yüksek derecede metilasyona uğramıştır. Örneğin, sitozin metilasyonu ile 5-metilsitozin meydana gelir, bu X kromozomu inaktivasyonu için önemlidir.[39] Ortalama metilasyon düzeyi canlıdan canlıya farkeder: solucan Caenorhabditis elegans'da sitozin metilasyonu olmaz, buna karşın omurgalı DNA'sının %1'e ulaşan kadarı 5-metilsitozin içerebilir.[40] 5-metilsitozinin önemli bir baz olmasına rağmen, onun deamidinasyonu sonucu bir timin bazı oluşur, bu yüzden metillenmiş sitozinler mutasyona eğilimlidirler.[41] Diğer baz modifikasyonarı arasında bakterilerde görülen adenin metilasyonu ve kinetoplastitlerde urasilin glikozilasyonu sonunda meydana gelen "J-bazı" sayılabilir.[42][43]
DNA hasarı [değiştir]Daha fazla bilgi: Mutasyon
Sigara dumanında bulunan başlıca mutagen olan benzopiren ile DNA arasında oluşmuş bir eklenti (adduct)[44]DNA çeşitli farklı mutagenler tarafından hasara uğrayabilir, bunun sonucunda DNA dizisi değişebilir. Mutagenler arasında başlıca, yükseltgen (oksitleyici) etmenler, alkilleyici etmenler ve yüksek enerjili elektomanyetik ışınlar (morötesi ışık ve X ışınları gibi) sayılabilir. DNA'da meydana gelen hasarın tipi mutagenin tipine bağlıdır. Örneğin, mor ötesi ışık timin ikilileri (timin dimerleri) oluşturarak DNA'ya hasar verir.[45] Buna karşın, serbest radikaller veya hidrojen peroksit gibi yükseltgen etmenler çeşitli farklı türden hasar oluşturabilirler, baz değişimi (özellikle guanozin) ve iki iplikçikli kırılmalar gibi.[46] Her bir insan hücresinde günde 500 baz yükseltgeyici zarar görür.[47][48] Bu yükseltgeyici hasarlardan en zararlısı çift zincirli kırılmalardır, çünkü bunların onarımı zordur, bunlar DNA dizilerinde noktasal mutasyonlara, insersiyonlara ve delesyonlara ayrıca kromozomal tranlokasyonlara yol açabilirler.[49]
Çoğu mutajen, iki baz çifti arasındaki boşluğa girer, buna enterkalasyon denir. Çoğu enterkalatörler aromatik ve düzlemsel moleküllerdir, bunlara örnek olarak etidyum bromür, daunomisin, doksorubisin ve talidomit sayılabilir. Bir enterkalatörün iki baz çifti arasına girebilmesi için bunların arasının açılması, bunun olabilesi için de DNA sarmalının normalin aksi yönde burularak gevşemesi gerekir. Bunlar olunca transkripsiyon ve DNA ikilenmesi engellenir, zehirlenme ve mutasyonlar meydana gelir. Bu yüzden DNA enterkalatörleri çoğunlukla kanserojendir, bunların iyi bilinen örnekleri olarak benzopiren diol epoksit, akridin türevleri aflatoksin ve etidyum bromür sayılabilir.[50][51][52] Tüm bunlara rağmen, DNA transkripsiyonuna engel olma özelliklerinden dolayı bu toksinler aynı zamanda hızla büyüyen kanser hücrelerini engellemek amacıyla kemoterapide kullanılırlar.[53]
Biyolojik işlevleri [değiştir]DNA, ökaryotlarda doğrusal kromozomlar, prokaryotlarda ise dairesel kromozomlar içinde bulunur. Bir hücredeki kromozomlar kümesine onun genomu denir; insan genomu 46 kromozom içinde yer alan yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşur.[54] Protein ve diğer işlevsel RNA molekülleri kodlayan bilgi, gen adı verilen DNA parçalarının dizisinde yer alır. Genlerdeki genetik bilginin aktarılması baz eşleşmesi ile gerçekleşir. Örneğin, transkripsiyon sırasında bir DNA dizisinin ona komplementer bir RNA dizisi olarak kopyalanması, DNA ile doğru RNA nükleotitler arasındaki çekim ile mümkün olur. Protein çevrimi (translasyon) denen süreç sırasında bu RNA dizisine kaşılık gelen bir protein sentezlenirken, RNA nükleotitleri arasında gene baz eşleşmesi olur. Bir diğer önemli biyolojik süreç, hücredeki genetik bilginin kopyalanması olan DNA ikilenmesidir. Bu işlevlerin ayrıntıları başka maddelerde işlenmiştir; burada DNA ile genomun fonksiyonlarını yerine getiren diğer moleküller arasındaki etkileşimler ele alınmıştır.
Genler ve genomlar [değiştir]Daha fazla bilgi: Hücre çekirdeği, Kromatin, Kromozom, Gen, kodlamayan DNA
Genomu oluşturan DNA ökaryotlarda hücre çekirdeğinde, ayrıca az miktarda mitokondrilerde bulunur. Prokaryotlardaki DNA, sitoplazma içinde yer alan, düzensiz şekilli nükleoid denen cismin içindedir.[55] Genom tarafından kodlanan bilgi genlerde yer alır, bir canlı birey tarafından taşınan bu bilginin tamamına onun genotipi denir. Gen kalıtımsal bir birimdir ve organizmanın belli bir özelliğini belirleyen bir DNA dizisi ile tanımlanır. Ayrıca, bu DNA bölgesinin transkripsiyonunu düzenleyen diziler (promotör ve hızlandırıcılar gibi) de vardır.
Çoğu biyolojik türde genomdaki dizilerin ancak ufak bir bölümü protein kodlar. Örneğin insan genomunun ancak %1'i protein eksonları kodlar, buna karşın insan DNA'sının %50'si protein kodlamayan, kendini tekrar eden dizilerden oluşur.[56] Ökaryot genomlarında bu kadar çok protein kodlamayan DNA'nın bulunması ve türlerin genom büyüklüğündeki ("C-değeri"ndeki) büyük farklılıkların nedeni henüz anlaşılamamıştır ve "C değeri muamması" olarak bilinir.[57] Ancak, protein kodlamayan (non-coding) DNA dizileri gene de işlevsel kodlamayan RNA molekülleri kodlamaktadır, bunlar da gen ifadesinin düzenlenmesinde rol oynarlar.[58]
T7 RNA polymeraz (mavi) DNA'dan (turuncu) bir mRNA üretirken.[59]Bazı kodlamayan DNA dizileri kromozomlar için yapısal rol oynarlar. Telomer ve sentromerler tipik olarak çok az sayıda gen içerir, ama kromozomların işlev ve stabilitesi için önemlidir.[34][60] İnsanlarda bulunan kodlamayan DNA'ların önemli bir türü psödogenlerdir, bunlar mutasyon sonucu çalışmaz hale gelmiş genlerin kopyalarıdır.[61] Bu DNA dizileri genelde birer moleküler fosilden ibarettir ama bazen yeni genlerin oluşumuna ham madde olabilirler, gen ikilenmesi ve ıraksak evrim süreçleri sonucu.[62]
Transkripsiyon ve çevrim [değiştir]Daha fazla bilgi: Genetik kod, Transkripsiyon (genetik), Protein biyosentezi
Genler, işlevsel moleküller kodlayan DNA dizileridir, bunlar canlının fenotipini belirler. Protein kodlayan genler durumunda DNA dizisi bir mesajcı RNA dizisini tanımlar, bu da bir veya birkaç proteinin dizisini belirler. Genlerdeki DNA dizisi ile proteinlerdeki amino asit dizisi arasındaki ilişki, biyolojik çevrim (translasyon) kuralları tarafından belirlenir, bunlar topluca genetik kod ile özetlenir. Genetik kod, üç nükleotitlik dizilere karşılık gelen, üç harfli 'kelimelerden' oluşur (örneğin, ACT, CAG, TTT), bu üçlüler kodon olarak adlandırılır.
Transkripsiyonda, protein kodlayan bir genin kodonları önce RNA polimeraz tarafından bir mesajcı RNA şeklinde kopyalanır. Bu RNA kopya, ardından bir ribozom tarafından deşifre edilir; ribozom, mesajcı RNA ile amino asit taşıyan taşıyıcı RNA'lar arasında baz eşlemesi yaparak onu okur. Dört bazın 3'lü kombinasyonları olabildiği için 64 olası kodon vardır (43 kombinasyon). Bunlar yirmi standart amino asidi kodlarlar, böylece çoğu amino asite birden çok kodon düşer. Ayrıca, protein kodlayıcı bölgenin sonuna işaret eden üç tane de 'stop' veya anlamsız (nonsense) kodon vardır, bunlar TAA, TGA ve TAG kodonlarıdır.
DNA ikileşmesi. DNA çift sarmalı bir helikaz ve topoizomeraz tarafından açılır. Ardından, bir DNA polimeraz, öncü iplikçiği üretir. Bir diğer DNA polimeraz ise gecikmeli iplikçiğe (kesintili zincire) bağlanır ve onu uzatarak kesintili parçalar sentezler (bunlar Okazaki parçası olarak adlandırılır), sonra bunlar DNA ligaz tarafından birleştirilir.
İkileşme [değiştir]Daha fazla bilgi: DNA ikileşmesi
Canlıların çoğalması ve (çok hücreli canlıların) büyümesi için hücre bölünmesi gereklidir. Ancak bir hücre bölünürken DNA'sını da kopyalamak zorundadır ki iki yavru hücre ana hücredeki genetik bilginin aynısına sahip olsunlar. DNA'nın iki iplikli yapısı DNA ikileşmesi için basit bir mekanizma sağlar. İki iplikçik ayrışırlar, sonra her bir iplikçikteki dizinin komplementer dizisi DNA polimeraz adlı bir enzim tarafından imal edilir. Bu enzim, tümleyici iplikçiği sentezlemek için gereken her bazın doğru olanını baz eşleşmesi yoluyla seçer ve onu uzamakta olan iplikçiğe ekler. DNA polimeraz bir DNA iplikçiğini ancak 5' - 3' yönünde uzatabildiği için, bir çifte sarmalın antiparalel iplikçiklerininin kopyalanması için farklı mekanizmalar mevcuttur.[63] Böylece, eski iplikçikteki baz, yeni iplikçiğe eklenen bazları belirler, sonunda hücre DNA'sının mükemmel bir kopyasını elde eder.
Proteinler ile etkileşim [değiştir]DNA'nın tüm işlevleri onun proteinlerle olan etkileşimine bağlıdır. Bu protein etkileşimlerinin bazıları özgül-dışıdır (non-spesifiktir), bazılarında ise protein ancak belli bir DNA dizisine bağlanabilir. Enzimler de DNA'ya bağlanabilir ve bunlar arasında DNA baz disini transkripsiyon ve DNA ikilemesi için kopyalayan polimerazlar özellikle çok önemlidir.
DNA'ya bağlanıcı proteinler [değiştir]
DNA'nın histonlarla (yukarıda, beyaz) etkileşimi. Bu proteinlerin bazik amino asitleri (altta solda, mavi) DNA'nın asidik fosfat gruplarına (altta sağda, kırmızı) bağlanırlar.DNA'ya bağlanan yapısal proteinler, non-spesifik DNA-protein etkileşimlerinin iyi anlaşılmış örneklerindendir. Kromozomlarda bulunan DNA, yapısal proteinlerle beraber kompleksler oluşturur. Bu proteinler DNA'yı kromatin adlı kompakt yapı içinde organize ederler. Ökaryotlarda kromatinin oluşmasında DNA'nın histon adlı küçük, bazik proteinlere bağlanması önemli bir rol oynar; prokaryotlarda ise çeşitli başka protein türleri DNA'ya bağlanır.[64][65] Histonlar, nükleozom adlı disk şeklinde bir kompleks oluştururlar, çift iplikçikli DNA buna sarılarak iki kere bunun etrafında döner. Histonların bazik kalıntıları ile DNA'nın şeker-fosfat omurgasındaki asidik fosfatlar arasındaki iyonik bağlar, non-spesifik bir etkileşim oluşturur, baz dizisinden büyük ölçüde bağımsızdırlar.[66] Bu bazik amino asitlerin kimyasal değişimleri arasında metilasyon, fosforilasyon, ve asetilasyon sayılabilir.[67] Bu kimyasal değişimler, DNA'nın histonlarla etkileşimini etkiler, bunun sonucunda DNA'ya transkripsyon faktörlerinin erişimi ve transkripsiyon hızı değişir.[68] Kromatinde bulunan diğer non-spesifik DNA'ya bağlanıcı proteinler arasında bulunan yüksek hareketli grup proteinleri (ing. high-mobility group proteins) bükülmüş veya distorte olmuş DNA'ya bağlanır.[69] Bu proteinler, bitişik nükleozom gruplarını bükerek daha büyük ölçekli yapılar oluşturarlar ve kromozomları meydana getirirler.[70]
DNA'ya bağlanıcı proteinler arasında bulunan başlıca bir protein grubu, tek iplikçikli DNA'ya bağlanıcı proteinlerdir. İnsanda replikasyon protein A bu protein ailesinin en iyi anlaşılmış üyesi sayılır, bu protein, cifte sarmalın ayrıştığı durumlarda, örneğin DNA ikileşmesi, rekombinasyon ve DNA tamirinde işlev görür.[71] Bu proteinler tek iplikçikli DNA'yı kararlı kılar, onun sap-ilmik (stem-loop) oluşturmasına veya nükleazlar tarafında yıkımına engel olurlar.
Lambda represörü DNA'daki hedef dizisine bağlanmış haliyle.[72]Yukarıda değinilen proteinlerden farklı olarak başka proteinler belli DNA dizilerine bağlanacak şekilde evrimleşmişlerdir. Bunların en iyi araştırılmış olanları transkripsiyon faktörleridir, bular transkripsiyonu düzenleyen proteinlerdir. Her transkripsiyon faktörü belli bir DNA diziler kümesine bağlanır ve bu dizilere yakın protörleri olan genlerin transkripsiyonu etkinleştirir veya engeller. Transkripsiyon faktörleri bunu iki farklı yoldan gerçekletirir. Birincisi, transkripsiyondan sorumlu olan RNA polimeraz bağlanırlar, bunu ya doğrudan ya da aracı proteinlerle yaparlar, bunun sonucunda polimeraz promotöre yakın bir konuma yerleştitilmiş olur ve transkripsiyona başlaması mümkün hale gelir.[73] Bir diğer yolda ise, transkripsiyon faktörleri promotörde yer alan histonları kimyasal değişime uğratan enzimlere bağlanırlar; bunun sonucunda polimerazın DNA'ya erişimi değişir.[74]
Bu DNA bağlanma dizileri bir canlının genomunun her tarafında bulunabileceği için, bir transkripsiyon faktörünün etkinliğinde meydan gelen degğişiklikler binlerce gene etki edebilir.[75] Dolayısıyla bu proteinler çoklukla, çevresel değişiklikler, hücresel başkalaşım ve gelişimi kontrol eden süreçlerle ilişkili olan sinyal iletim süreçlerinin hedefidirler. Bu transkripsiyon faktörlerinin DNA ile etkileşimindeki spesifisite, proteinin DNA bazlarının kenarları ile yaptığı temaslardan kaynaklanmaktadır, bu sayede bu proteinler DNA'nın dizisini "okurlar". Bazlarla olan bu etkileşimlerin çoğu, bu bazlara kolaylıkla erişilebilen büyük olukta meydan gelir. [76]
Restriksiyon enzimi EcoRV (yeşil), substrat DNA'sı ile birlikte[77]
DNA değiştirici enzimler [değiştir]
Nükleaz ve ligazlar [değiştir]Nükleazlar DNA iplikçikleri kesen enzimlerdir, fosfodiester bağlarının hidrolizini katalizlerler. DNA iplikçiklerinin uçlarındaki nükleotitleri hidrolizleyen nükleazlare eksonükleaz denir, iplikçiklerin iç kısımlarındaki bağları hidrolizleyenlere ise endonükleaz. Moleküler biyolojide en sık kullanılan endonükleazlar restriksiyon endonükleazlarıdır, bunlar DNA'yı belli dizilerde keserler. Örneğin soldaki resimde görülen EcoRV enzimi 6 bazlı 5'-GAT|ATC-3' dizisini tanır ve dik çizgi ile gösterilen noktada onu keser. Doğada bu enzimler, restriksiyon modifikasyon sisteminin bir parçası olarak, bakterileri fajlara karşı korumaya yararlar, hücrenin içine giren faj DNA'sını sindirerek.[78] Teknolojide bu enzimler moleküler klonlama ve DNA parmakizlemesi (DNA fingerprinting) için kullanılır.
DNA ligaz enzimleri kesilmiş veya kırık DNA iplikçiklerini birleştirir.[79] Ligazlar özellikle gecikmeli iplikçik DNA ikileşmesinde önemli bir rol oynarlar, çünkü replikasyon çatalında meydana gelen kısa DNA parçalarını birleştirirler. Ayrıca DNA tamiri ve genetik rekombinasyonda kullanılırlar.
Topoizomeraz ve helikazlar [değiştir]Topoizomerazlar hem nükleaz hem de ligaz etkinliğine sahiptir. Bu proteinler DNA'daki süperburulma derecesini değiştirirler. Bu enzimlerin bazıları DNA sarmalının bir iplikçiğini kesip bunun öbürü etrafında dönmesini sağlar, sonra da DNA'daki kesiği tekrar birleştirir.[24] Bu enzimlerin diğerleri ise DNA sarmalının bir iplikçiğini kesip öbür iplikçiğin bu kesiğin içinden kesmesini sağlarlar, sonra kesiği tekrar birleştirirler.[80] Topoizomerazlar DNA'yla ilgili pekçok süreçte yer alırlar, DNA ikileşmesi ve transkripsiyonu gibi.[25]
Helikazlar moleküler motor özellikli proteinlerdir. Nükleozit trifosfatlarda, özellikle ATP'de taşınan kimyasal enerjiyi kullanıp bazlar arasındaki hidrojen bağlarını kırarlar ve DNA çifte sarmalını ters yönde burarak onu tek iplikçikler halinde açarlar.[81] Bu enzimler DNA bazlarına erişmeye gerek duyan enzimlerin bulunduğu süreçlerde gereklidir.
Polimerazlar [değiştir]Nükleik asit polimerazları, nükleozit trifosfatlardan polinükleotit zincirler sentezleyen enzimlerdir. Ürettikleri ürünler var olan polinükleotit zincirlerinin (bunlara kalıp denir) kopyalarıdır. Bu enzimler, bir DNA zincirindeki en son nükleotitin 3' hidroksil grubuna yeni bir nükleotit ekleyerek çalışır. Dolayısıyla tüm polimerazlar 5' - 3' doğrultusunda ilerler.[82] Bu enzimlerin aktif bölgesinde, gelen nükleozit trifosfat kalıp ile baz eşleşmesi yapar; bu sayede polimeraz, kalıba komplementer bir iplikçiği doğru bir şekilde sentezleyebilir. Polimerazlar kullandıkları kalıbın tipine göre sınıflandırılır.
DNA ikileşmesinde, DNA-bağımlısı DNA polimeraz, bir DNA dizisinin kopyasını yapar. Bu süreçte hata olmaması hayatî önem taşıdığı için bu tip polimerazlarının çoğunda prova okuma aktivitesi bulunur. Bunlarda, sentez reaksiyonunda meydana gelen ender hatalar, baz eşleşmesinin doğru olmamasıyla anlaşılır. Eğer bir uyumsuzluk algılanırsa, 3'-5' yönünde çalışan bir eksonükleaz aktivitesi etkinleştirilir ve hatalı baz çıkartılır.[83] Çoğu canlıda DNA polimerazlar replizom olarak adlandırılan ve yardımcı altbirimler (DNA kıskacı ve helikazlar gibi) içeren büyük bir kompleks içinde yer alır.[84]
RNA-bağımlısı DNA polimerazlar RNA iplikçiğinde bulunan diziyi DNA olarak kopyalayan özel bir polimeraz sınıfıdır. Ters transkiptazlar bu sınıfa dahildir, bunlar viral enzimler olup hücrelerin retrovirüsler tarafından enfeksiyonunda yer alırlar. Telomerazlar da bu sınıfa dahildir, bunlar da telomerlerin ikilenmesi için gereklidir.[85][33] Telomerazı diğer bu tip enzimlerden farklı kılan bir özelliği, kullandığı RNA kalbın kendi yapısının bir parçası olmasıdır.[34]
Transkripsiyon, DNA-bağımlısı RNA polimeraz tarafından gerçekleştirilir, bu enzim DNA iplikçiğindeki diziyi RNA olarak kopyalar. Bir genin transkripsiyonu için RNA polimeraz, DNA üzerinde promotör adlı bir bölgeye bağlanır ve DNA iplikçiklerini ayrıştırır. Sonra genin dizisini bir RNA zinciri olarak kopyalar, ta ki terminatör (sonlayıcı, İng. 'terminator') adlı bir DNA bölgesine gelip orada durup DNA'dan kopana kadar. DNA bağımlı DNA polimeraz da olduğu gibi, RNA polimeraz II (ökaryotlardaki çoğu genin transkripsiyonun yapan enzim) de çeşitli düzenleyici ve yardımcı proteinlerden oluşmuş büyük bir protein kompleksinin parçası olarak çalışır.[86]
Genetik Yeniden birleşim [değiştir]
Genetik rekombinasyonda Holliday kavşağı ara ürününün yapısı. Dört farklı DNA iplikçiği kırmızı, mavi, yeşil ve sarı olarak renklendirilmiştir.[87]Daha fazla bilgi: Genetik rekombinasyon
Rekombinasyon iki kromozomun (M ve F) kesilip birleştirilmesi ile iki yeni kromozomun (C1 ve C2) meydana gelmesidir.Bir DNA sarmalı genelde başka DNA parçaları ile etkileşmez, ve hatta insan hücrelerinde farklı kromozomlar çekirdekte farklı bölgelerde yer alırlar.[88] Farklı kromozomların fiziksel olarak bu şekilde ayrı tutulması DNA'nın kararlı bir bilgi deposu olarak işlev görmesinde önemli bir rol oynar. Kromozomların birbiriyle etkileştiği zamanlar sadece rekombinasyona girdikleri krosover sırasındadır. Krosover sırasında iki DNA sarmalı kesilir, bir bölüm yer değiştirir ve kesik uçlar birleşir.
Rekombiansyon sayesinde kromozomlar arasında genetik bilgi takası olur ve yeni gen kombinasyonları meydan gelir, bunun doğal seleksiyonun verimini artırdığı ve yeni proteinlerin hızlı evrimleşmesinde önemli olduğu düşünülmektedir.[89] Genetik Yeniden Birleşim DNA tamiriyle de ilişkilidir, özellikle çift iplikli kırılmalara hücrenin tepkisinde.[90]
Kromozom sarılmasının en yaygın şekli homolog rekombinasyondur, bunda iki kromozom birbirine çok benzer dizilere sahiptir. Non-homolog rekombinasyon hücreye zarar verici olabilir çünkü kromozomal translokasyon ve genetik anormalliklere yol açabilir. Rekombinasyon tepkimesi rekombinaz olarak adlandırılan enzimler (örneğin RAD51) tarafından katalizlenir.[91] Rekombinasyonun ilk adımı çift iplikli bir kesik oluşturulmasıdır, bu ya bir endonükleaz ya da DNA hasarı sonucunda meydana gelir.[92] Rekombinaz tarafından kısmen katalizlenen bir dizi adım sonucunda iki sarmal en az bir Holliday kavşağı tarafından birleştirilir: her sarmalın bir iplikçiği, öbür sarmalda ona komplementer olan öbür iplikçik ile kaynaşır. Holliday kavşağı, tetrahedral bir yapıdır, bu şekilde birleşmiş iki kromozomda bir iplikçiğin bir diğeriyle yer değiştirmesiyle bu yapı kromozomlar boyunca ilerler. Rekombiansyon tepkimesi junction2ın kesilmesi ve serbest kalan DNA uçlarının tekrar birleşmesi ile son bulur.[93]
DNA metabolizmasının evrimi [değiştir]Daha fazla bilgi: RNA dünyası hipotezi
DNA'da bulunan genetik bilgi tüm modern canlıların işlev görmesine, yani büyümesi ve çoğalmasına olanak sağlar. Ancak, 4 milyar yıldır sürmekte olan yaşamın tarihçesi boyunca DNA'nın bu işlevi yerine getirdiği belli değildir, yaşamın en eski biçimlerinin kullanmış olduğu kalıtsal malzemenin RNA olduğu öne sürülmüştür.[82][94] RNA, hem genetik bilgi aktarma hem de ribozimlerin parçası olarak katalizör özelliğine sahip olmasından dolayı ilk hücrelerin metabolizmasında merkezî bir rol oynamış olabilir.[95] Nükleik asitlerin hem kalıtımda hem de katalizde rol oynadığı bu eski RNA dünyası, günümüz genetik kodunun dört nükleotit bazından oluşmuş şekilde evrimleşmesine etki etmiş olabilir. Bunun nedeni, bir canlıdaki bazların sayısının azlığının replikasyon verimini artıracağı ama bazların çokluğunun ise ribozimlerin katalitik verimini artıracağı, bu iki zıt etki ile kalıtsal bilgiyi kodlayan baz sayısının dört olarak dengelenmiş olabileceği öne sürülmüştür.[96]
Ne var ki, eski genetik sistemler hakkında doğrudan delil mevcut değildir, çünkü çoğu fosillerden DNA elde edilmesi mümkün değildir. Bunun nedeni, çevre etkilerine maruz kalan DNA'nın bir milyon yıldan az süre dayanması ve çözelti içinde zamanla küçük parçalara yıkımıdır.[97] Eski DNA'nın izole edilmiş olduğuna dair iddialar vardır, özellikle 250 milyon evvelden kalma bir tuz kristalı içinde canlı kalmış bir bakterinin izole edildiği iddia edilmiştir[98] ama bu iddialar tartışmalıdır.[99][100]
Teknolojide kullanım [değiştir]
Gen mühendisliği [değiştir]Daha fazla bilgi: Moleküler biyoloji ve gen mühendisliği
Modern biyoloji ve biyokimyada rekombinant DNA teknolojisi yoğun bir şekilde kullanılır. Rekombinant DNA başka DNA parçalarından bir araya getirilmiş yapay bir DNA'dır. DNA parçaları, plazmit veya viral vektörler aracılığıyla canlıların içine transformasyon yoluyla sokulabilir.[101] Bu yolla ortaya çıkan, genetik değişime uğramış canlılar kullanılarak rekombinant proteinler üretilebilir, bunlar tibbi araştırmalarda[102] veya tarımda[103][104] kullanılabilir.
Adli bilim [değiştir]Daha fazla bilgi: Genetic parmak izi
Adli bilimciler, bir suç mahalinde bulunmuş kan, meni, deri, tükürük veya saçta bulunan DNA'yı kullanarak bir failin kimliğini belirleyebilirler. Bu işleme genetik parmak izi çıkarma veya genetik profilleme denir. DNA profillemesinde, tekrarlı diziler (kısa tandem tekrar ve miniuydu) içeren DNA'nın değişken kısımlarının uzunlukları belirlenir, bunlar farklı insanlarda karşılaştırılır. Bu yöntem bir suçlunun tanınması için son derece güvenilir bir yöntemdir.[105] Ancak, eğer suç mahaline birde fazla kişinin DNA'sı bulaşmışsa bu kimlik belirleme karmaşıklaşabilir.[106] DNA profillemesi 1984'te Britanyalı genetikçi Sir Alec Jeffreys,[107] tarafından geliştirilmiş ve adli bilimde ilk defa 1988'de Enderby cinayetleri için Colin Pitchfork'un suçlu bulnmasında kullanılmasında kullanılmıştır.[108] Bazı tür suçları işlemiş kişiler bir veritabanında depolanmak amacıyla kendi DNA'larından bir örnek vermeye mecbur tutlabilirler. Bu sayede suç mahalinde bulunmuş DNA örneğinden başka elde hiç bir delil bulunmayan bazı eski vakalar çözülebilmiştir. DNA profillemesi katliam kurbanlarının kimliklerinin belirlenmesinde de kullanılmıştır.[109]
Biyoinformatik [değiştir]Daha fazla bilgi: Biyoinformatik
DNA dizilerinin bilgisayar aracılığıyla işlenmesi, aranması ve analizi, biyoinformatik bilminin konuları arasındadır. DNA dizilerinin depolanması ve aranması için yöntemlerin geliştirilmesi sayesinde bilgisayar bilimlerinde önemli ilerlemeler katedilmiştir, özelikle dizi arama algoritmaları, makina öğrenimi ve veritabanı teorisi konularında.[110] Dizi arama ve eşlendirme algoritmaları harflerden oluşan uzun diziler içinde daha kısa harf dizilerinin bulunmasıyla ilgilidir, bunlar belli nükleotit dizilerinin bulunması için geliştirilmiştir.[111] Yazı editörü programlarının kullandığı algoritmalar DNA dizileri durumunda son derece verimsiz çalışırlar, DNA dizilerini oluşturan farklı karakterlerin küçük sayısından dolayı. Bununla ilişkili olan dizi hizalama problemi ise benzer dizileri bulmayı ve bunları birbirinden faklı kılan mutasyonları tanımlamayı amaçlar. Bu teknikler, özellikle çoklu dizi hizalaması, filogenetik ilişki ve protein işlevi araştırmalarında kullanılır.[112] Bir genomun tamamına karşılık gelen DNA dizilerinin kullanılması için bu dizilerin üzerinde genlerin ve onların düzenleyici elemanlarının yerlerinin kaydedilmesi (ing. annotation) gerekmektedir. DNA dizilerinde protein veya RNA kodlayıcı genlerin özelliklerine sahip bölgelerin tanınması, gen bulma algoritmaları sayesinde mümkündür, bunlar sayesinde bilim adamları bir genin ürününü önceden tahmin edebilirler, bu ürün laboratuvarda daha saflaştırılmadan.[113]
DNA nanoteknolojisi [değiştir]
Solda şematik gösterilen DNA yapısı, atom güç mikroskobu ile sağda görüntülenen yapıyı kendi kendine oluşturacaktır. DNA naonteknolojisi, DNA'nın moleküler tanıma özelliklerini kullanarak nanometre boyutlarında yapılar tasarlamayı amaçlayan bilim dalıdır. Resim kaynağı: Strong, 2004. Şablon:Doi-inlineDaha fazla bilgi: DNA nanoteknolojisi
DNA nanoteknolojisi DNA'ya has moleküler tanıma özelliklerini kullanarak faydalı özelliklere sahip, kendi kendini oluşturan, dallı DNA komplksleri imal eder. DNA böylede biyolojik bilgi taşımak için değil, yapısal bir malzeme olarak kullanılır. Bu yolla iki boyutlu periyodik dizilimler ve polihedral şekilli üç boyutlu yapılar yaratılmıştır. Nanomekanik araçlar ve algoritmik olarak oluşan yapılar da gösterilmiş, bu DNA yapıları ile başka moleküllerin (altın nano tanecikleri ve streptavidin proteinlerinin) düzenlenmesi sağlanabilmiştir.
Tarih ve antropoloji [değiştir]Daha fazla bilgi: Filogenetik ve Genetik soybilim
Zaman içinde DNA'da biriken mutasyonlar sonra kalıtsal olarak aktarıldığı için, taşıdığı bilgi bir anlamda tarihseldir. Genetikçiler DNA dizlerini karşılaştırarak bir canlının evrimsel tarihi yani onun filogenetiği hakında çıkarımlar yapabilirler.[114] Filogenetik sahası evimsel biyolojide güçlü bir araçtır. Bir türün bireylerine ait DNA dizileri karşılaştırıldığında topluluk genetikçileri o topluluğun tarihine dair bilgiler edinebilirler. Ekoloji genetiğinden antropolojiye kadar uzanan çeşitli sahalarda bu bilgilerden yararlanılabilir. Örneğin, tevratta söz konusu olan İsrail'in on kayıp kavmi, DNA bulguları ile tanımlanmaktadır.[115][116]
DNA ayrıca aile ilişkilerini belirlemek için kullanılmıştır, örneğin Amerikan başkanlarından Thomas Jefferson'un kölesi Sally Hemings'in soyundan kişiler ile Jefferson arasında akrabalık olduğunun kanıtlanmasında. Bu amaçlı kullanım, yukarda değinilen suç tahkikatlarında DNA'nın kullanılmasına benzerdir. Nitekim, bazı tahkikatların çözümlenmesi, suç mahalinde bulunan DNA'nın suçlunun akrabalarının DNA'sıyla uyuşması sayesinde olmuştur.[117]
DNA araştırmasının tarihçesi [değiştir]
Rosalind Franklin
Francis Crick
James WatsonDaha fazla bilgi: Moleküler biyolojinin tarihçesi
DNA ilk İsviçreli hekim Friedrich Miescher tarafından saflaştırılmıştır, kendisi 1869'da atık cerrahi pansumanlardaki irin içinde mikroskopik bir madde keşfetmiştir. Hücre çekirdeklerinde (nükleus) bulunduğu için ona "nüklein" adını vermiştir. [118] 1919'da Phoebus Levene, nükleotit birimleri oluşturan baz, şeker ve fosfatı tanımlanmıştır.[119] Levene DNA'nın, birbirine fosfat grupları ile bağlı olan nükleotit birimlerden oluşan bir zincir olduğunu öne sürmüştür. Ancak, Levene, bu zincirin kısa olduğunu ve bazları kendini tekrar eden bir sıralamaya sahip olduğunu düşünmüştür. 1937'de William Astbury DNA'nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösteren ilk X ışını difraksiyon görüntülerini elde etti.[120]
1928'de Frederick Griffith Pnömokok bakterisinin "düz" şeklini belirleyen özelliğin "buruşuk" şekilli pnümokak bakterilere aktarılmasının mümkün olduğunu, bunun için ölü "düz" bakterilerin canlı "buruşuk" bakterilerle karıştırılmasının yettiğini gösterdi.[121] Bu deneysel sistem kullanarak Oswald Avery ve iş arkadaşları Colin MacLeod ve Maclyn McCarty 1943'de pnömokok değiştirici etmenin DNA olduğunu gösterdiler.[122] 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından Hershey-Chase deneyinde T2 fajının genetik malzemesinin DNA olduğunu göstererek DNA kalıtımdaki rolü teyid ettiler.[123]
1953'te Rosalind Franklin tarafından elde edilmiş X-ışını kırınım görüntülerine dayanarak ve bazların eşlendiği bilgisini kullanarak, James D. Watson ve Francis Crick DNA'nın bugün kabul görmüş yapısını ilk defa öne sürdüler.[124] Watson ve Crick'in modelini destekleyen deneysel veriler Nature dergisinin aynı sayısında 5 ek makale olarak yayımlandı. bunlardan Franklin ve Raymond Gosling'in makalesi, Watson ve Crick'in modelini destekleyen ilk X ışını kırınım verisi yayınıydı,[125][126] derginin bu sayısında ayrıca Maurice Wilkins ve çalışma arkadaşları tarafından DNA yapısı hakkında bir makale de vardı.[127] 1962'de Franklin'in ölümünün ardından, Watson, Crick ve Wilkins beraberce Nobel Tıp veya Fizyoloji ödülünü aldılar.[128] Ancak, bu keşfin kime ait olduğuna dair tartışma sürmektedir[129]
Crick, 1957'de yaptığı etkili bir sunumda, moleküler biyolojinin "Temel Dogması"nı ortaya koyarak DNA, RNA ve proteinler arasındaki ilişkiyi, bu konuda kanıtlar henüz tamamen toplanmadan, özetledi ayrıca "adaptör hipotezi"ni dile getirdi.[130] Çift sarmallı yapının ima ettiği kopyalama mekanizmasının teyidi, 1958'de yayımlanan Meselson-Stahl deneyi ile edildi.[131] Crick ve arkadaşları tarafından yapılan diğer çalışmalar genetik kodun, kodon olarak adlandırılan, örtüşmeyen baz üçlülerinden oluştuğunu gösterdi, bu sayede Har Gobind Khorana, Robert W. Holley ve Marshall Warren Nirenberg genetik kodu çözdüler.[132] Bu keşifler moleküler biyolojinin doğumuna karşılık gelir.
Bakteriler
Koleranın etkeni olan Vibrio cholerae bakterilerinin taramalı elektron mikroskopisi ile elde edilmiş bir görüntüsü.
Bilimsel sınıflandırma
Üst âlem: Bacteria - Bakteriler
Âlem ve şubeler
- Âlem: Bacteria - Bakteriler
- Şube: Acidobacteria
- Şube: Actinobacteria
- Şube: Aquificae
- Şube: Bacteroidetes
- Şube: Chlamydiae
- Şube: Chlorobi
- Şube: Chloroflexi
- Şube: Chrysiogenetes
- Şube: Cyanobacteria
- Şube: Deferribacteres
- Şube: Deinococcus-Thermus
- Şube: Dictyoglomi
- Şube: Fibrobacteres
- Şube: Firmicutes
- Şube: Fusobacteria
- Şube: Gemmatimonadetes
- Şube: Nitrospirae
- Şube: Planctomycetes
- Şube: Proteobacteria
- Şube: Spirochaetes
- Şube: Thermodesulfobacteria
- Şube: Thermotogae
- Şube: Verrucomicrobia
- Yeri belli olmayan cinsler
Bakteriler tek hücreli mikroorganizma grubudur. Tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda olan bakterilerin çeşitli şekilleri vardır, kimi küresel, kimi spiral şekilli, kimi çubuksu olabilir. Yeryüzündeki her ortamda bakteriler mevcuttur. Toprakta, deniz suyunda, okyanusun derinliklerinde, yer kabuğunda, deride, hayvanların bağırsaklarında, asitli sıcak su kaynaklarında, radyoaktif atıklarda[1] büyüyebilen tipleri vardır. Tipik olarak bir gram toprakta bulunan bakteri hücrelerinin sayısı 40 milyon, bir mililitre tatlı suda ise bir milyondur; toplu olarak dünyada beş nonilyon (5×1030) bakteri bulunmaktadır,[2] bunlar dünyadan biyokütlenin çoğunu oluşturur.[3] Bakteriler gıdaların geri dönüşümü için hayati bir öneme sahiptirler ve gıda döngülerindeki çoğu önemli adım, atmosferden azot fiksasyonu gibi, bakterilere bağlıdır. Ancak bu bakterilerin çoğu henüz tanımlanmamıştır ve bakteri şubelerinin sadece yaklaşık yarısı laboratuvarda kültürlenebilen türlere sahiptir.[4] Bakterilerin araştırıldığı bilim bakteriyolojidir, bu, mikrobiyolojinin bir dalıdır.
İnsan vücudunda bulunan bakteri sayısı, insan hücresi sayısının on katı kadardır, özellikle deride ve sindirim yolu içinde çok sayıda bakteri bulunur.[5] Bunların çok büyük bir çoğunluğu bağışıklık sisteminin koruyucu etkisisiyle zararsız kılınmış durumda olsalar, ayrıca bir kısmı da yararlı (probiyotik) olsalar da, bazıları patojen bakterilerdir ve enfeksiyöz hastlıklara neden olurlar; kolera, frengi, şarbon, cüzzam ve veba bu cins hastalıklara dahildir. En yaygın ölümcül bakteriyel hastalıklar solunum yolu enfeksiyonlarıdır, bunlardan verem tek başına yılda iki milyon kişi öldürür, bunların çoğu Sahra altı Afrika'da bulunur.[6] Kalkınmış ülkelerde bakteriyel enfeksiyonların tedavisinde ve çeşitli hayvancılık faaliyetlerinde antibiyotikler kullanılır, bundan dolayı antibiyotik direnci yaygınlaşmaktadır. Endüstride bakteriler, atık su arıtması, peynir ve yoğurt üretimi, biyoteknoloji, antibiyotik ve diğer kimyasalların imalatında önemli rol oynarlar.[7]
Bir zamanlar bitkilerin Schizomycetes sınıfına ait sayılan bakteriler artık prokaryot olarak sınıflandırılırlar. ökaryotlardan farklı olarak bakteri hücreleri hücre çekirdeği içermez, membran kaplı organeller de ender olarak görülür. Gelenekesel olarak bakteri terimi tüm prokaryotları içermiş ancak, 1990'lı yıllarda yapılan keşiflerle prokaryotların iki farklı gruptan oluştuğu, bunların ortak bir atadan ayrı ayrı evrimleşmiş oldukları bulununca bilimsel sınflandırma değişmiştir. Bu üst alemler Bacteria ve Archaea olarak adlandırılmıştır.[8]
Konu başlıkları [gizle]
1 Bakteriyolojinin tarihçesi
2 Köken ve erken evrim
3 Morfoloji
4 Hücresel yapı
4.1 Hücre içi yapılar
4.2 Hücre dışı yapılar
4.3 Endosporlar
5 Metabolizma
6 Büyüme ve üreme
7 Genetik
8 Hareket
9 Sınıflandırma ve kimlik tespiti
10 Diğer organizmalarla etkileşimler
10.1 Mutualistler
10.2 Patojenler
11 Teknoloji ve endüstride önemi
12 Ayrıca bakınız
13 Kaynakça
14 Notlar
15 Daha fazla okumak için
16 Dış kaynaklar
Bakteriyolojinin tarihçesi [değiştir]Bu konuda daha detaylı bilgi için, Mikrobiyoloji maddesine bakınız.
Antonie van Leeuwenhoek, ilk mikrobiyolog, ve mikroskop kullanarak bakterileri ilk gören kişi.Bakteriler ilk defa 1676'da Antonie van Leeuwenhoek tarafından, kendi tasarımı olan tek mercekli bir mikroskopla gözlemlenmiştir.[9] Onlara "animalcules" (hayvancık) adını takmış, gözlemlerini Kraliyet Derneği'ne (Royal Society'ye) yazılmış bir dizi mektupla yayımlamıştır.[10][11][12] Bacterium adı çok daha sonra, 1838'de Christian Gottfried Ehrenberg tarafından kullanıma sokulmuş, eski Yunanca "küçük asa" anlamına gelen βακτήριον -α (bacterion -a)'dan türetilmiştir.[13] Latince kullanımıyla Bacteria, bakteri sözcüğünün çoğulu, bacterium ise tekilidir.
Louis Pasteur 1859'da fermantasyonun mikroorganizmaların büyümesi sonucu meydana geldiğini ve bu büyümenin yoktan varoluş yoluyla olmadığını gösterdi. (Genelde fermantasyon kavramıyla ilişkilendirilen maya ve küfler, bakteri değil, mantardır.) Kendisiyle ayni dönemde yaşamış olan Robert Koch ile birlikte Pasteur, hastalık-mikrop teorisi'nin erken bir savunucusu olmuştur.[14] Robert Koch tıbbi mikrobiyolojide bir öncü olmuş, kolera, şarbon ve verem üzerinde çalışmıştır. Verem üzerindeki araştırmalarında Koch mikrop (germ) teorisini kanıtlamış, bundan dolayı da kendisine Nobel Ödülü verilmiştir.[15] Koch postülatları'nda bir canlının bir hastalığın nedeni olduğunu belirlemek için gereken testleri ortaya koymuştur; bu postülatlar günümüzde hâlâ kullanılmaktadır.[16]
On dokuzuncu yüzyılda bakterilerin çoğu hastalığın nedeni olduğu bilinmesine rağmen, antibakteriyel bir tedavi mevcut değildi.[17] 1910'da Paul Ehrlich Treponema palidum 'u (frengiye neden olan spiroket) seçici olarak boyamaya yarayan boyaları değiştirerek bu patojeni seçici olarak öldüren bileşikler elde etti, böylece ilk antibiyotiği geliştirmiş oldu.[18] Ehrlich, bağışıklık üzerine yaptığı çalışmasından dolayı 1908 Nobel ödülünü kazanmış, ayrıca bakterilerin kimliğini tespit etmek için boyaların kullanılmasına öncülük etmiştir; çalışmaları Gram boyası ve Ziehl-Neelsen boyasının temelini oluşturmuştur.[19]
Bakterilerin araştırılmasında büyük bir aşama, Arkelerin bakterilerden farklı bir evrimsel soya ait olduklarının 1977'de Carl Woese tarafından anlaşılmasıdır.[20] Bu yeni filogenetik taksonomi, 16S ribozomal RNA'nın dizilenmesine dayandırılmış ve üç alanlı sistem'in parçası olarak prokaryot alemini iki evrimsel alana (üst âleme) bölmüştür.[21]
Köken ve erken evrim [değiştir]Bu konuda daha detaylı bilgi için, Evrimin tarihçesi maddesine bakınız.
Modern bakterilerin ataları, yaklaşık 4 milyar yıl önce, dünyada gelişen ilk yaşam biçimi olan tek hücreli mikroorganizmalardı. Yaklaşık 3 milyar yıl boyunca tüm canlılar mikroskopiktiler, bakteri ve arkeler yaşamın başlıca biçimleriydi.[22][23] Bakteri fosilleri, örneğin stromolitler, mevcut olmakla beraber, bunların kendine has morfolojilerinin olmaması, bunlar kullanılarak bakteri evriminin anlaşılmasına veya belli bakteri türlerinini kökeninin belirlenmesini engellemektedir. Ancak gen dizileri bakteri filogenetiğinin inşası için kullanılabilir, bu çalışmalar bakterilerin arke/ökaryot soyundan ayrılmış evrimsel bir dal olduğunu göstermiştir.[24] Bakteri ve arkelerin en yakın zamanlı ortak atası muhtemelen yaklaşık 2,5-3,2 milyar yıl önce yaşamış bir hipertemofil'di.[25][26]
Bakteriler, evrimdeki ikinci büyük ayrışmada, ökaryotların arkelerden oluşmasında da yer almışlardır. Bunda, eski bakteriler, ökaryotların ataları ile endosimbiyotik bir ilişki kurmuşlardır.[27][28] Bu süreçte, proto-ökaryotik hücreler, alfa-proteobakteriyel hücreleri içlerine alıp mitokondri veya hidojenozomları oluşturdular. Bu organeller günümüz ökaryotlarının tümünde hala bulunmaktadır ("mitokondrisiz" protozoalarda dahi aslında son derece küçülmüş olarak mevcutturlar). Daha sonraki bir dönemde, farklı bir olay sonucu, bazı mitokondrili ökaryotların, siyanobakteri-benzeri canlıları içlerine alması sonucunda, bitki ve yosunlardaki kloroplastlar oluştu. Hatta bazı yosun gruplarında bu olayı izleyen başka içe almalar meydana gelmiş, bazı heterotrofik ökaryotik konak hücrelerin, ökaryotik bir alg hücresini içine alması sonucunda "ikinci kuşak" bir plastid oluşmuştur.[29][30]
Morfoloji [değiştir]
Bakterilerde hücre morfolojisi ve düzeni büyük bir çeşitlilik gösterirBakteriler, morfoloji olarak adlandırılan, şekil ve boyutları bakımından büyük bir çeşitlilik gösterir. Bakteriyel hücreler ökaryotik bir hücrenin yaklaşık onda biri boyundadır, tipik olarak 0,5-5,0 mikrometre uzunluktadırlar. Ancak, bir kaç tür, örneğin Thiomargarita namibiensis ve Epulopiscium fishelsoni yarı milimetre boyunda olabilir ve çıplak gözle görülebilir.[31] En küçük bakteriler arasında Mikoplazma cinsinin üyeleri bulunur, 0,3 mikrometre olan bu bakteriler en büyük virüsler kadar küçüktür.[32] Bazı bakteriler daha da küçük olabilirler ama bu ultramikrobakteriler henüz iyi tanımlanmamıştır.[33]
Çoğu bakteri türleri ya küresel ya da çubuksu şekilli olur. Küresel olanlar kokkus (veya coccus; Eski Yunanca tohum anlamında kókkos 'tan), çubuksu olanlar basil (Latince çubuk anlamlı baculus 'tan) olarak adlandırılır. Vibrio olarak adlandırılan bazı çubuksu bakteriler biraz eğri veya virgül şekillidir; diğerleri spiral şekillidir, spirillum olarak adlandırılır, veya sıkıca sarılı olur, spiroket olarak adlandırılırlar. Az sayıda bazı türler tetrahedron veya küp benzeri şekilde olabilirler.[34] Yakın zamanda keşfedilen bazı bakteriler uzun çubuk şeklinde büyür ve yıldız şekilli bir kesite sahiptir. Bu morfolojinin sağladığı yüksek yözölçümü-hacim oranı bu bakterilere az besinli ortamlarda bir avantaj sağladığı öne sürülmüştür.[35] Hücre şekillerindeki bu büyük çeşitlilik bakterinin hücre duvarı ve hücre iskeleti tarafından belirlenir. Hücre şekli, bakterinin gıda edinmesine, yüzeylere bağlanmasına, sıvı içinde yüzmesine ve doğal avcılarından kaçmasına etki eder.[36][37]
Çoğu bakteriyel tür tek hücre halinde varlığını sürdürür, diğerleri ise kendilerine özgü biçimlerle birbirlerine bağlanır: Neisseria diploitler (ikililer) oluşturur, Streptokok zincir, Stafilokok üzüm salkımı gibi kümeler oluşturur. Bazı bakteriler iplik (filament) oluşturacak şekilde uzayabilir Actinobacteria'da olduğu gibi. İpliksi bakterilerde çoğu zaman içinde pek çok hücre bulunan bir kın vardır. Bazı tipleri, örneğin Nocardia cinsine ait bazı türler, hatta karmaşık, dallı iplikçikler oluşturur, bunlar küflerdeki miselyuma benzer.[38]
Prokaryotlarda görülen büyüklükler, diğer canlılar ve bazı biyomoleküllere kıyasla.Bakteriler yüzeylere bağlanıp biyofilm denen yoğun kümeler oluştururlar. Bu filmler birkaç mikrometre kalınlıktan yarım metre derinliğe kadar değişebilir, ve birden çok bakteri, protista ve arke türü içerebilir. Biyofilmlererde yaşayan bakteriler, hücre ve hücre dışı bileşenler ile karmaşık bir düzen oluştururlar. Meydana gelen ikincil yapılar arasında mikrokoloniler de sayılabilir, bunların içinde bulunan kanal şebekleri gıdaların daha kolay difüzyonunu sağlar.[39][40] Doğal ortamlarda, örneğin toprak ve bitkilerin yüzeyinde, bakterilerin çoğunluğu biyofilim aracılığıyla yüzeye bağlanır.[41] Biyofimler tıpta da önemlidir, çünkü bu yapılar kronik bakteriyel enfeksiyonlarda ve vücut içine yerleştirilmiş tıbbi cihazlarda bulunurlar. Biyofilmler içinde kendini koruyan bakterilerin imhası, tek başına ve izole durumda olan bakterilerinkinden çok daha zordur.[42]
Daha karmaşık morfolojik değişiklikler de bazen mümkündür. Örenğin amino asitlerden yoksun kalınca Myxobacteria'lar civarlarındaki diğer hücreleri algılamak için yeter çoğunluk algılaması (İng. quorum sensing) denen bir süreç kullanırlar. Bu süreçte bakteriler birbirlerine doğru hareket eder ve yaklaşık 100.000 bakteri içeren 500 mikrometre büyüklüğünde tohum yapıları (İng. fruiting bodies) oluştururlar.[43] Tohum yapılarında bulunan bakteriler farklı görevler yerine getirir; böylesi bir kooperasyon, çok hücreli organizasyonun basit bir tipini meydana getirir. Örneğin, her on hücreden biri bu tohum yapılarının tepesine göç eder ve miksospor adında özelleşmiş uyuşuk (dormant) bir yapı oluştururlar. Miksosporlar normal hücrelere kıyasla kurumaya ve diğer olumsuz çevresel şartlara daha dayanıklıdır.[44]
Hücresel yapı [değiştir]Daha fazla bilgi: Bakteri hücre yapısı
Tipik bir bakteri hücresinin yapısı ve içindekiler
Hücre içi yapılar [değiştir]Bakteri hücresi hücre zarı olarak adlandırılan bir lipit zarla çevrilidir. Bu zar, hücrenin içindekiler içine alıp, besinler, protein ve sitoplazmanın diğer gerekli bileşenlerini hücrenin içinde tutar. Bakteriler prokaryot olduklarından dolayı sitoplazmalarında ender olarak zar kaplı organeller bulundururlar, içlerinde büyük boylu yapılardan az sayıda olur. Bakterilerde hücre çekirdeği, mitokondrisi, kloroplast ve ökaryotlarda bulunan, Golgi aygıtı ve endoplazmik retikulum gibi diğer organellerden yoktur.[45] Bir zamanlar bakterilerin sadece sitoplazmadan içeren basit torbalar olduğu düşünülürdü ama artık karmaşık bir yapıları olduğu bilinmektedir, örneğin prokaryotik hücre iskeleti,[46][47] ve bazı proteinlerin bakteriyel sitoplazmanın belli konumlarında stabil olarak konuşlanması[48] gibi. Hücre içi organizasyonun bir diğer seviyesi mikrokompartımanlaşma ile sağlanır[49]. Bunun bir örneği olan karboksizom, lipit membran yerine, polihedral bir protein kabukla çevrili olan bir bölmedir.[50] Bu polihedral organeller, ökaryotlardaki zar kaplı organellere benzer bir şekilde, bakteri metabolizmasının bölümlerinin hücre içinde konuşlanmasını ve birbirlerinden ayrı tutulmasını sağlar.[51]
Çoğu önemli biyokimyasal tepkime, örneğin enerji üretimi, membran aşırı bir konsantrasyon gradyanı ile, bir bataryadakine benzer şekilde, potansiyel fark oluşması sonucu meydana gelir. Bakterilerde genelde dahilî zarlı yapıların olmaması nedeniyle, elektron taşıma zinciri gibi bu tür tepkimeler, hücre zarının iki yanı arasında, yani sitoplazma ile periplazmik aralık veya hücre dışı arasında oluşur.[52] Ancak, çoğu fotosentetik bakteride plazma zarı çok kıvrımlıdır, hücrenin çoğunu ışık enerjisi toplayan membran tabakaları ile doldurur.[53] Yeşil kükürt bakterilerinde bu ışık toplayıcı komplekslerin kimisi klorozom adlı lipit örtülü yapılar oluşturur.[54] Başka proteinler hücre zarından içeri besin ithal eder, veya atık maddeleri sitoplazmadan dışarı atar.
Karboksizomlar protein kaplı bakteriyle organellerdir. Üstte solda Halothiobacillus neapolitanus 'da bir karboksizomun elektron mikroskop resmi, altta ise saflaştırılmış bir karboksizomun resmi. Sağda bunların yapısının bir modeli bulunmaktadır. Ölçek çubukları 100nbsp;nm uzunluğundadır.[55]Bakterilerin genetik malzemeleri tipik olarak tek bir dairesel kromozomdan oluşur. Bakterilerde zar kaplı bir çekirdek yoktur ve kromozom tipik olarak sitoplazmada yer alan, nükleoit olarak adlandırılan düzensiz şekilli bir cismin içinde yer alır.[56] Nükleoitte DNA, onunla ilişkili proteinler ve RNA bulunur. Planctomycetes ordosu, bakterilerde dahilî zarlı yapıların bulunmadığı kuralının bir istisnasını oluşturur, bunlarda bulunan nükloit zar çevrilidir, ayrıca bu bakteriler başka zar çevrili hücresel yapılara da sahiptirler.[57] Tüm canlılar gibi bakterilerde de protein üretimi için ribozomlar bulunur, ancak bakteriyel ribozomların yapısı arke ve ökaryot ribozomlarınınkinden farklıdır.[58]
Bazı bakteriler, hücre içinde glikojen[59], polifosfat,[60] kükürt[61] veya polihidroksialkanoat[62] gibi besinler için depo granülleri oluştururlar. Bu granüller bakterinin daha sonradan kullanması için bu bileşikleri depolamasını sağlar. Bazı bakteri türleri, fotosentetik siyanobakteriler gibi, dahilî gaz vezikülleri oluştururlar, bunlar aracılığıyla hafifliklerini ayarlarlar, farklı miktarda ışık ve besin bulunan su seviyeleri arasında alçalıp yükselebilirler. [63]
Hücre dışı yapılar [değiştir]Bu konuda daha detaylı bilgi için, Hücre örtüsü maddesine bakınız.
Hücre zarının dışında bakteriyel hücre duvarı bulunur. Bakteriyel hücre duvarları peptidoglikan (eski metinlerde mürein olarak adlandırılırdı)'dan oluşur. Peptidoglikan, peptit zincirlerle birbirine çapraz bağlanmış polisakkarit zincirlerden oluşur, bu peptitler, hücredeki diğer protein ve peptitlerden farklı olarak, D-amino asitler içerir.[64] Bakteri hücre duvarları bitki ve mantar hücre duvarlarından farklıdırlar; bitki hücre duvarları selülozdan, mantarlarınkiler ise kitinden oluşur.[65] Bakteri hücre duvarları arkelerinkinden de farklıdır, bunlarda peptidoglikan bulunmaz. Hücre duvarı çoğu bakterinin varlığını sürdürmesi için gereklidir, bu yüzden bir antibiyotik olan penisilin tarafından peptidoglikan sentezinin engellemesi bakterilerin ölümüne neden olur.[65]
Bakterilerde başlıca iki tip hücre duvarı olduğu söylenebilir, bunlar Gram-negatif ve Gram-pozitif olarak adlandırılır. Bu adlar, hücrelerin Gram boyasıyla tepkimesinden kaynaklanır. Bu, bakterilerin sınıflandırılmasında çok eskiden beri kullanılan bir testtir.[66]
Gram-pozitif hücreler, pek çok peptidoglikan ve teikoik asit tabakasından oluşan kalın bir hücre duvarına sahiptir. Buna karşın, Gram-negatif bakteriler birkaç peptidoglikan tabakası bulunur, bunun etrafını ikinci bir hücre zarı sarar, bu zarda lipopolisakkaritler ve lipoproteinler bulunur. Çoğu bakteri Gram-negatif bir hücre duvarına sahiptir, sadece Firmicutes ve Actinobacteria'lar (bunlar daha evvel düşük G+C ve yüksek G+C Gram pozitif bakteriler diye bilinirdi) Gram-pozitif, düzene sahiptirler.[67] Bu yapısal farklılık, antibiyotiklere duyarlılıkta farklılık yaratabilir; örneğin vankomisin Gram-pozitif bakterileri öldürmesine karşın, Haemophilus influenzae veya Pseudomonas aeruginosa gibi Gram-negatif patojenlere karşı etkisizdir.[68]
Çoğu bakteride hücrenin dışını proteinlerden oluşmuş sert bir bir S-tabakası kaplar.[69] Bu tabaka, hücre yüzeyine kimyasal ve fiziksel bir koruma sağlar ve makromoleküllerin difüzyonuna karşı bir engel oluşturur. S-tabakalarının çeşitli ama az anlaşılmış işlevleri vardır. Kampilobakter'lerde virülans faktörü olarak etki ettikleri ve Bacillus stearothermophilus 'ta yüzey enzimleri içerdikleri bilinmektedir.[70]
Helicobacter pylori elektron micrografı, hücre yüzeyinde çoklu kamçılar görülmektedirKamçılar (flagellum, çoğul hali flagella), sert protein yapılardır, çapları yaklaşık 20 nanometre olup uzunlukları 20 mikrometreyi bulabilir, hareket etmeye yararlar. Kamçının hareketi için gereken enerji, hücre zarının iki yanı arasındaki bir elektrokimyasal gradyan boyunca iyonların taşınması sonucu elde edilir.[71]
Fimbrialar ince protein iplikçiklerdir, sadece 2-10 nanometre çaplı olup uzunlukları birkaç mikrometreyi bulabilir. Hücrenin yüzeyine dağılıdırlar, elektron mikroskobunda ince saçlara benzerler. Fimbriaların, sert yüzeylere veya başka hücrelere bağlanmakla ilişkili oldukları sanılmaktadır, ve bazı bakterilerin virülansı için gereklidirler.[72] Piluslar fimbrialardan biraz daha büyük hücresel uzantılardır, konjügasyon denen bir süreç ile bakteri hücreleri arasında genetik malzeme aktarılmasını sağlarlar (aşağıda bakteri genetiği ile ilgili bölüme bakınız).[73]
Çoğu bakteri kapsül veya sümük tabakaları üreterek kendilerini bunlarla çevreler. Bu yapılar farklı derecede karmaşıklık gösterir: hücre dışı bir polimer olan sümük tabakası tamamen düzensizdir, kapsül veya glikokaliks ise çok düzenlidir. Bu yapılar, bakterileri makrofaj gibi ökaryotik hücreler tarafından yutulmaya karşı korur.[74] Bunlar ayrıca antijen olarak etki edip hücre tanınmasında rol oynayabilir, ayrıca yüzeylere bağlanmak ve biyofilm oluşmasına yardımcı olabilir.[75]
Bu hücre dışı yapıların biraraya gelmesi salgı sistemlerine dayalıdır. Bunlar proteinleri sitoplazmadan periplazmaya veya hücre dışı ortama aktarırlar. Çeşitli salgı sistemleri bilinmektedir ve bu yapılar virülans için gerekli olduğu için yoğun bir sekilde araştırılmaktdadır.[76]
Endosporlar [değiştir]Bu konuda daha detaylı bilgi için, Endospor maddesine bakınız.
Serebrospinal sıvıda büyümekte olan Bacillus anthracis (mor boyalı)Bazı Gram-pozitif bakteri cinsleri, örneğin Bacillus, Clostridium, Sporohalobacter, Anaerobacter and Heliobacterium, endospor adlı çok dayanıklı, uyuşuk ('dormant') yapılar oluşturabilir.[77] Hemen her örnekte üremeyle ilişkili olmayan bir süreç sonucunda bir hücreden bir endospor oluşur; ancak Anaerobacter durumunda bir hücrenin içinde oluşabilecek endospor sayısı yediyi bulabilir.[78] Endosporların merkezinde, içinde DNA ve ribozomlar olan bir sitoplazma, bunun etrafında ise korteks tabakası, en dışta ise su geçirmez ve sert bir örtü bulunur.
Endosporlar bir metabolizma belirtisi göstermezler, aşırı kimyasal ve fiziksel baskılara dayanıklıdırlar, örneğin, morötesi ışın, gama ışınları, deterjanlar, dezenfektanlar, ısı, basınç ve kurutulma.[79] Bu uyuşuk halde bu organizmalar milyonlarca yıl boyunca tekrar yaşama geri dönebilirler.[80][81] Endosporlar bakterilerin uzaydaki boşluk ve radyasyona dayanmalarını sağlar.[82] Endospor oluşturan bakterilerin bazıları hastalık da yapar: örneğin şarbon hastalığı Bacillus anthracis endosporlarının teneffüsüyle kapılabilir, derin saplanma yaralarının Clostridium tetani endosporları ile kontamine olması da tetanoza yol açar..[83]
Metabolizma [değiştir]Daha fazla bilgi: Mikrobiyal metabolizma
Üst organizmalardan farklı olarak bakterilerde görülen metabolik tipler büyük bir çeşitlilik sergiler.[84] Metabolik özelliklerin bir bakteri grubu içinde dağılımı geleneksel olarak onların taksonomisini tanımlamak için kullanılmıştır ama bu özellikler çoğu zaman modern genetik sınıflandırmaya karşılık gelmez.[85] Bakteriyel metabolizmayı besinsel gruplara göre ayırırken üç ana kıstas kullanılar: büyüme için kullanılan enerji türü, karbon türü ve elektron vericisi. Solunum yapan mikroorganizmalar için kullanılan bir diğer kıstas, aerobik veya anaerobik solunum için kullanılan elektron alıcılarıdır.[86]
Bakteri metabolizmasında beslenme tipleri Beslenme tipi Enterji kaynağı Karbon kaynağı Örnekler
Fototroflar Güneş ışığı Organik bileşikler (fotoheterotrofler) veya karbon fiksasyonu (fotoautotroflar) Siyanobakteriler, Yeşil kükürt bakterileri, Chloroflexi, veya Mor bakteriler
Litotroflar İnorganik bileşikler Organik bileşikler (litoheterotroflar) veya karbon fiksasyonu (litoautotroflar) Thermodesulfobacteria, Hydrogenophilaceae, veya Nitrospirae
Organotroflar Organik bileşikler Organik bileşikler (kemoheterotroflar) veya karbon fiksasyonu (kemoototroflar) Bacillus, Clostridium veya Enterobacteriaceae
Bakterilerde karbon metabolizması ya heterotrofiktir, organik bileşikler karbon kaynağı olarak kullanılır veya ototrofiktir, yani hücresel karbon, karbon dioksitin karbon fiksasyonu elde edilir. Tipik ototrofik bakteriler arasında fototrofik siyanobakteriler, yeşil kükürt bakterileri ve bazı mor bakteriler sayılabilir, ama pekçok kemolitrofik türler de, örneğin azotlayıcı ve kükürt yükseltgeyici bakteriler de bu grupta yer alır.[87] Bakterilerin enerji metabolizması ya fototrofiye, yani ışığın fotosentez yoluyla kullanımına, ya da kemotrofiye, yani enerji için kimyasal bileşiklerin kullanımıdır ki bu bileşiklerin çoğu oksijen veya ona alternatif başka elektron alıcıları yoluyla yükseltgenir (aerobik veya anaerobik solunum).
Fotosentetik siyanobakteri iplikçikleriNihayet, bakteriler ya inorganik ya da organik bileşikler elektron vericileri kullanmalarına göre, sırasıyla, litotrof veya organotrof olarak siniflanirlar. Kemotrofik organizmalar, hem enerji korunumu (solunum veya fermantasyon ile) hem de biosentetik tepkimeler için bu elektron vericilerini kullanır, buna karşın fototrofik organzmalar onları sadece biyosentetik amaçla kullanırlar.
Solunum yapan organizmalar enerji kayanğı olarak kimyasal bileşikler kullanırlar, bunun için elektronlar bir yükseltgenme-indirgenme (redoks) tepkimesi ile indirgenmiş bir substrattan bir son elektron alıcısına taşınır. Bu tepkimenin açığa çıkardığı enerji ile ATP sentezlenir ve metabolizma yürütülür. Aerobik organizmalarda oksijen elektron alıcısı olarak kullanılır. Anaerobik organizmalarda nitrat, sülfat veya karbon dioksit gibi başka inorganik bileşikler elektron alıcısı olarak kullanılır. Bunlar sonucunda ekolojide büyük önem taşıyan denitrifikasyon, sülfat indirgenmesi ve asetogenez süreçleri meydana gelir.
Kemotroflarda, bir elektron alıcısının yokluğu halinde, bir diğer olası yaşam yolu fermantasyondur, bunda indirgeniş substratlardan elde edilen elektronlar yükseltgenmiş ara ürünlere aktarılarak fermantasyon ürünleri meydana getirir, örneğin laktik asit, etanol, hidrojen, butirik asit gibi. Substratların enerji seviyesi ürünlerinkinden daha yüksek olması sayesinde fermantasyon mümkün olur, böylece organizmalar ATP sentezler ve metabolizmalarını çalıştırırlar.[88][89]
Bu süreçler, çevre kirlenmesine olan biyolojik tepkilerde de önemlidirler: örneğin sülfat indirgeyici bakteriler, cıvanın çok toksik şekillerinin (metil- ve dimetil-cıva) üretiminden büyük ölçüde sorumludur[90] Solunum yapmayan anaeroblar fermantasyon yoluyla enerji üretip indirgeyici güç elde ederler, bu sırada metabolik yan ürünleri (biracılıkta etanol gibi) atık olarak salgılarlar. Seçmeli anaeroblar (fakültatif anaeroblar), içinde bulundukları çevresel şartlara göre fermantasyon ile farklı elektron alıcıları arasında seçim yaparlar.
Litotrofik bakteriler enerji kaynağı olarak inorganik bileşikler kullanırlar. Yaygın kullanılan elektron vericileri hidrojen, karbon monoksit, amonyak (nitrifikasyona yol açar), feröz demir ve diğer indirgenmiş metal iyonları, ve bazı indirgenmiş kükürt bileşikleridir. Metan gazı metanotrofik bakteriler tarafından hem bir elektron kaynağı hem de karbon anabolizmasında bir substrat olarak kullanılması bakımından dikkat çekicidir.[91] Hem aerobik fototrofi hem de kemolitotrofide, oksijen nihai elektron alıcısı olarak kullanılır, anaerobik şarlarda ise inorganik bileşikler kullanılır. Çoğu litotrofik organizma otortorfiktir, buna karşın organotrofik organzmalar heterotrofiktir.
Karbon dioksitin fotosentezle fiksasyonuna ek olarak bazı bakteriler, nitrojenaz enzimini kullanarak azot gazını sabitlerler (azot fiksasyonu). Çevresel olarak önemli olan bu özellik, yukarıda sayılmış metabolik tiplerin herbirindeki bazı bakterilerde görülür ama evrensel değildir.[92]
Büyüme ve üreme [değiştir]Daha fazla bilgi: Bakteriyel büyüme
Çok hücreli organizmalardan farklı olarak, tek hücreli organizmalarda büyüme (hücre büyümesi) ve [hücre bölünmesi]] yoluyla üreme sıkı bir sekilde birbirine bağlıdır. Bakteriler belli bir boya kadar büyür ve sonra eşeysiz üreme şekli olan ikili bölünme ile ürerler.[93] En iyi şartlarda bakteriler büyük bir hızla büyür ve ürerler; bakteri topluluklarının sayısı her 9,8 dakikada ikiye katlanabilir.[94] Hücre bölünmesinde birbirinin aynı iki yavru hücre meydana gelir. Bazı bakteriler, eşeysiz üremelerine rağmen, daha karmaşık yapılar oluştur, bunlar yavru hücrelerin yayılmasını kolaylaştırır. Buna örnek myxobacteria'larda tohum yapıları ve Streptomyces'te hif oluşumudur. Bazı bakterilerde ise tomurcuklanma olur, hücre yüzeyindeki meydana gelen bir uzantı kopunca bir yavru hücre meydana gelir.
Büyüyen bir Escherichia coli kolonisi[95]Laboratuvarda bakteriler çoğu zaman katı veya sıvı ortamda büyütülürler. Katı büyüme ortamı olarak agar kapları kullanılır, bunlar aracılığıyla bir bakteri suşunun saf bir kültürü elde edilir. Ancak, büyümenin hızının ölçülmesi veya büyük miktarda hücrenin eldesi gerektiğinde sıvı büyüme ortamları kullanılır. Karıştırılan bir ortam içinde büyüyen bakteriler homojen bir hücre süspansiyonu olştururlar, böylece kültürün eşit olarak bölünmesi ve başka kaplara aktarımı kolay olur. Ancak sıvı ortamda tek bakteri hücrelerinini izole edilmesi zordur. Seçici ortam (belli besin maddeleri eklenmiş veya eksik bırakılmış, veya antibiyotik eklenmiş ortam) belli organizmaların kimliğinin tespitine yardımcı olur.[96]
Bakteri büyütmek için kullanılan çoğu laboratuvar tekniğinde, çok miktarda hücrenin hızlı ve ucuz olarak üretilmesi için bol miktarda besinler kullanılır. Ancak, doğal ortamlarda besinler sınırlı miktradadır, bu yüzden bakteriler ilelebet üremeye devam edemez. Besin sınırlaması farklı büyüme stratejilerinin evrimleşmesine yol açar (bakınız r/K seçilim teorisi. Bazı organizmalar besinler mevcut olunca son derece hızlı çoğalır, örneğin yaz aylarında bazı göllerde yosun ve siyanobakteriyel büyümelerinde olduğu gibi.[97] Başka bazı organizmalar sert çevresel şatlara adaptasyonları vardır, örneğin Streptomyces'in rakip organizmaları engellemek için çoklu antibiyotik salgılaması gibi.[98] Doğada çoğu organizma besin teminini kolaylaştıran ve çevresel streslere karşı koruyucu topluluklar halinde (biyofilm gibi) yaşar.[99] Bu ilişkiler belli canlı veya canlı gruplarının büyümesi için şart olabilir (sintrofi).
Bakteriyel büyüme üç evre izler. Bir bakteri topluluğu yüksek besin bulunduran bir ortama ilk girdiğinde hücrelerin yeni ortamlarına adapte olmaları gerekir. Büyümenin ilk evresi bekleme aşamasıdır (latent dönem veya lag fazı), bu yavaş büyüme döneminde hücreler yüksek besili ortama adapte olup hızlı büyümeye hazırlanırlar. Hızlı büyüme için gerekli olan proteinler üretilmekte olduğu için bekleme döneminde biyosentez hızı yüksektir.[100] Büyümenin ikinci evresi logaritmik faz (log fazı) veya üssel faz olarak adlandırılır. Bu evrede üssel büyüme olur. Bu evrede hücrelerin büyüme hızı (k), hücre sayısının iki katına çıkma süresi de jenerasyon zamanı (g) olarak adlandırılır. Besinlerden biri tükenip sınırlayıcı olana kadar süren log fazı sırasında besinler en yüksek hızla metabolize olur. Büyümenin son evresi durağan faz olarak adlandırılır, ve besinlerin tükenmiş olmasından kaynaklanır. Hücreler metabolik etkinliklerini azaltır ve gerekli olmayan hücresel proteinlerini harcarlar. Durağan faz, hızlı büyümeden bir strese tepki haline geçiş dönemidir, DNA tamiri, antioksidan metabolizması, ve besin taşıması ile ilişkili genlerin ifadesinde bir artış olur.[101]
Genetik [değiştir]Daha fazla bilgi: Plazmid, Genom
Çoğu bakteride tek bir dairesel kromozom bulunur, bunun büyüklüğü endosimbiyotik bir bakteri olan Candidatus Carsonella ruddii de 160.000 baz çiftinden,[102] bir toprak bakterisi olan Sorangium cellulosumda 12,200,000 baz çiftine kadar uzanır.[103] Borrelia cinsine ait spiroketler bu genel özelliğin bir istisnasıdır, Borrelia burgdorferi (Lyme hastalığı etmeni) gibi türlerde tek bir doğrusal kromozom bulunur.[104] Bakteriyel kromozomlardaki genler genelde tek bir sürekli DNA parçasından oluşur, bazı bakterilerde intronlar bulunmuşsa da bunlar ökaryotlarda olduğundan çok daha enderdir.[105]
Bakteriler aynı zamanda plazmidler de bulunabilir, bunlar kromozomdan ayrı DNA parçalarıdır, antibiyotik direnç genleri veya virülans faktörleri içerebilirler. Bir diğer tip bakteriyel DNA, kromozoma entegre olmuş virüslere (bakteriyofajlara) aittir. Çeşitli bakteriyofaj türleri vardır, bazıları sadece konak bakterilerini enfekte edip onu parçalar, diğerleri ise hücre içine girdikten sonra DNA'larını bakteriyel kromozoma dahil ederler. Bir bakteriyofaj konak hücresinini fenotipine katkıda bulunan genler taşıyabilir: örneğin Escherichia coli O157:H7'nin evrimi sırasında entegre olmuş bir fajın toksin genleri, zararsız bir atasal bakteriyi ölümcül bir patojene dönüştürmüştür.[106]
Bakteriler, eşeysiz organizmalar olarak, ana hücrelerinin genlerinin kopyalarını devralırlar. Ancak tüm bakteriler, DNA'larındaki değişikliklerin (mutasyon ve genetik rekombinasyonun) seçilimi ile evrimleşir. Mutasyonlar DNA ikileşmesi sırasında meydana gelen hatalar veya mutajenlerden kaynaklanır. Mutasyon hızları farklı bakteri türleri ve hatta aynı bakterinin farklı suşları arasında büyük farklılıklar gösterir.[107]
Bazı bakteriler ayrıca genetik malzemelerini hücreler arasında aktarabilirler. Bu üç yolla meydana gelebilir. Birincisi, bakteriler ortamlarıdaki yabancı DNA'yı içlerine alabilirler, buna transformasyon denir. Genler ayrıca transdüksiyon yoluyla, bir bakteriyofajın yabancı bir DNA parçasını kromozomun içine yerleştirmesiyle aktarılabilir. Gen aktarımını üçüncü yolu bakteriyel konjügasyondur, bunda DNA doğrudan hücresel temas yoluyla aktarılır. Başka bakteri veya ortamdan gen edinimine yatay gen transferi denir ve doğal şartlarda bu yaygın olabilir.[108] Gen transferi özellikle antibiyotik direncinin oluşmasında önemlidir, çünkü bu, farklı patojenler arasında direnç genlerinin transferini sağlar.[109]
Hareket [değiştir]Daha fazla bilgi: Kemotaksis, Flagella, Pilus
Hareketli (motil) bakteriler Kamçı (Biyoloji), bakteriyel kayma, seğirmeli hareket ve batmazlık (buoyuans) değişmesi yoluyla hareket ederler.[110] Seğirmeli hareketlilikte bakteriler tip IV piluslarını bir kanca olarak kullanır, tekrar tekrar onu uzatır, bir yere saplar ve büyük bir kuvvetle (>80 pN) geri çeker.[111]
Gram-negatif bakterin kamçıları. Taban, kanca iplikçiği döndürür.Bakteriyel türler kamçılarının sayı ve düzenine göre farklılık gösterirler; bazılarının tek bir kamçısı vardır (tek kamçılı veya monotrik), bazılarının iki uçta birer kamçısı (iki kamçılı veya amfitrik), bazılarının uçlarında kamçı kümeleri (iki demet kamçılı veya lofotrik), diğerlerinin ise tüm yüzeylerine yayılmış kamçıları vardır (çok kamçılı veya peritrik). Bakteri kamçısı yapısı en iyi anlaşılmış hareketlilik yapısıdır, 20 proteinden oluşur, ayrıca onun düzenlenmesi ve inşası için yaklaşık 30 diğer protein gereklidir.[110] Kamçının tabanında bulunan motor, membranın iki yanı arasındaki elektrokimyasal gradyanı güç için kullanır. Bu motor, bir pervane gibi çalışan iplikçiği döndürür.
Çoğu bakterinin (E. coli gibi) iki farklı hareket biçimi vardır: ileri hareket (yüzme) ve yuvarlanma (tumbling). Yuvarlanma sayesinde bakteri yönünü değiştirir ve izlediği yol üç boyutlu bir rassal yürüyüş şeklini alır[112] (Aşağıda verilen dış bağlantılarda ilgili videoya bakınız) Spiroketlerin kamçısı periplamik boşlukta iki zar arasında bulunur. Bu bakterilerin kendilerine has sarmal bir gövdeleri vardır ve hareket ederken kıvrılırlar.
Hareketli bakteriler belli uyaranlar tarafından çekim veya itime uğrarlar, bunun neden olduğu davranışlara taksis denir: bunların arasında kemotaksis, fototaksis ve manyetotaksis bulunur.[113][114] Myxobacterialerde, bireysel bakteriler beraber hareket ederek hücre dalgaları oluşturur, bunlar farklılaşıp içinde sporlar bulunduran tohum yapıları oluşturur.[115] myxobacteria'lar yalnızca katı ortam üzerindeyken hareket ederler, buna karşın E. coli hem sıvı hem katı ortamda hareketlidir.
Birkaç Listeria ve Şigella türü, konak hücreler içinde hareket ederken, normalde organellerin hücre içinde taşınmasını sağlayan hücre iskeletini kullanırlar. Kendi hücrelerinin bir kutbunda aktin polimerizasyonunu sağlayarak bir cins kuyruk oluştururlar, bu onları konak hücre sitoplazması içinde iter.[116]
Sınıflandırma ve kimlik tespiti [değiştir]
Streptococcus mutans, Gram boyası ile boyanmışDaha fazla bilgi: Bilimsel sınıflandırma, Systematik and Klinik patoloji
Sınıflandırma, bakterileri benzerliklerine göre gruplandırıp adlandırarak onlardaki çeşitliliği betimlemeye yarar. Bakteriler hücre yapısı, hücresel metabolizma veya hücresel bileşenlerindeki (DNA, yağ asitleri, pigment, antijen ve kinonlar gibi) farklılıklara göre sınıflandırılabilirler.[96] Bu yöntemler bakteri suşlarının kimliklerinin tespitini ve sınıflandırılmasına olanka sağlasa da, bu farklılıkların farklı türler arasındaki varyasyonları mı yoksa aynı tğr içindeki varyasyonları mı yansıttığı belli değildi. Bu belirsizliğin nedeni, çoğu bakteride ayırdedici yapıların olmaması, ayrıca birbiriyle ilişkisiz türler arasında yatay gen transferi olmasıydı.[117] Yatay gen trasnferi yüzünden birbirine akraba sayılabilecek bazı bakteri türleri çok farklı morfoloji ve metabolizmaya sahip olabilirler. Bu belirsizliğin üstesinden gelebilmek için modern bakteri sınıflandırması moleküler sistematiğe ağırlık verir, guanin sitozin oranının ölçümü, genom-genom hibridizasyonu, ayrıca yatay gen transferine uğramamış genlerin (ribozomal RNA gibi) dizilenmesi gibi genetik teknikler kullanır.[118] Bakteri sınıflandırması International Journal of Systematic Bacteriology[119] (Uluslarası Sistematik Biyoloji) dergisi ve Bergey's Manual of Systematic Bacteriology[120] kitapçığında yayımlanarak resmîleşir.
"Bakteri" terimi bir zamanlar tüm mikroskopik, tek hücreli prokaryotlar için kullanılırdı. Ancak moleküler sistematik sayesinde prokaryotik yaşamın iki ayrı sahadan oluştuğu gösterildi. Önceleri Eubacteria ve Archaebacteria diye adlandırılan, ama artık Bacteria and Archaea olarak adlandırılan bu iki canlı grubu, ortak bir atadan ayrı ayrı evrimleşmişlerdir.[121] Arkeler ve ökaryotlar arasındaki yakınlık, her birinin bakterilerle olan yakınlığından daha çoktur. Bu iki saha (üst alem), Eukarya ile birlikte, günümüzde mikrobiyolojide en yaygın kullanılan sınıflandırma sistemi olan üç saha sisteminin temelini oluşturur.[122] Ancak, moleküler sistematiğin yakın zamanda kullanıma girmesi ve genom dizileri elde edilmiş canlıların sayısındaki hızlı artış nedeniyle bakteri sınıflandırması halen hızle değişen ve gelişen bir bilim dalıdır.[4][123] Örneğin, bazı biyologlar arke ve ökaryotların Gram-pozitif bakterilerden evrimleştiğini iddia etmektedirler.[124]
Laboratuvarda bakteri kimlik tespiti özellikle tıpta çok önemlidir, çünkü doğru tedavi, enfeksiyona yol açan bakteri türüne bağlıdır. Dolayısıyla insan patojenlerinin kimliğinin tespiti, bakterilerin tanımlanma tekniklerinin gelişmesinin başlıca dürtüsü olmuştur.
Bakterilerdeki çeşitliliği, diğer canlılara kıyasla gösteren filogenetik ağaç.[125] Ökaryotlar kırmızı, arkeler yeşil, bakteriler mavi renklidir.1884'te Hans Christian Gram tarafından geliştirilmiş Gram boyası, bakterileri hücre duvarlarının yapısal özelliklerine göre tanımlamakta kullanılır. Bazı organizmalar Gram boyasından başka boyalarla en iyi tanınabilirler. Özellikle mikobakteriler ve Nocardia Ziehl–Neelsen ve benzeri boyalarla asit eşliğinde boyanır.[126] Başka organizmalar özel ortamlarda büyümeleriyle tanınırlar veya seroloji gib başka teknikleri gerektirirler.
kültür teknikleri, bakterilerin büyümesini sağlamak ve belli bakterilerin kimliğini tespit etmek, aynı zamanda da nümenede bulunan başka bakterilerin büyümesini sınırlamak için tasarlanmıştır. Çoğu zaman bu teknikler belli nümune türleri göz önüne alınarak geliştirilmiştir; örneğin bir tükürük örneği pnömoniye yol açan organizmaları ortaya çıkaracak şekilde işleden geçirilir, bir dışkı örneği ise ishale yol açan organizalar tanımak için seçici ortamda kültürlenir, bu ortamda patojen olmayan bakteriler büyümez. Normal olarak steril olan örnekler, örneğin kan, idrar veya omurilik sıvısı, tüm organizmaların büyümesini sağlayan şartlarda kültürlenir.[127][96] Patojen bir organizma izole edildikten sonra, morfolojisi, büyüme özellikleri (aerobik veya anaerobik büyüme, hemoliz şekilleri gibi) ve boyama ile daha ayrıntılı olarak karakterize edilebilir.
Bakteri sınıflandırmasında olduğu gibi, bakteri kimlik tespiti de gittikçe daha sık olarak moleküler yöntemlerle yapılmaktadır. DNA'ya dayalı yöntemler, örneğin polimeraz zincir reaksiyonu, özgüllükleri ve çabuklukları nedeniyle, kültür yapmaya dayalı tekniklere kıyasla artarak popülerleşmektedir.[128] Bu yöntemler sayesinde "yaşayan ama kültürlenemeyen", yani metabolik olarak aktif olan ama bölünmeyen hücrelerin kimliklerini tespit etmek mümkün olmaktadır.[129] Ancak bu gelişmiş yöntemlerle dahi, bakteri türlerinin toplam sayısı bilinmemektedir ve bu sayı belli güven sınırları içinde tamin dahi edilememektedir. Mevcut sınıflandırmaya göre bilinen bakteri türlerinin (siyanobakteriler dahil) sayısı 9000'inin altındadır[130], ama bakteriyel çeşitliliğin büyüklüğü hakkındaki tahminlerde toplam tür sayısı 107'den 109'a kadar uzanır ve hatta bu tahminlerinlerin dahi birkaç büyüklük mertebesi kadar hatalı olabileceği düşünülmektedir.[131][132]
Diğer organizmalarla etkileşimler [değiştir]Görünür basitliklerine rağmen, bakteriler diğer canlılarla karmaşık etkileşimler içindedir. Bu simbiyotik ilişkiler parazitizm, mutualizm ve komensalizm olarak üçe ayrılırlar. Komensal bakteriler her yerde bulunur, hayvan ve bitkiler üzerinde büyümeleri başka yüzeyler üzerinde büyümeleri ile aynıdır (ancak sıcaklık ve ter bunların büyümesini hızlandırabilir); insanlarda bu organizmalardan çok sayıda olması vücut kokusunun nedenidir.
Mutualistler [değiştir]Bazı bakteriler varlıklarının devamı için gerekli olan, mekânsal olarak yakın ilişkilere girerler. Bu tür mutualist ilişkilerden biri olan türler arası hidrojen transferi olarak adlandırılır, butirik asit veya propiyonik asit tüketip hidrojen tüketen anaerobik bakteriler ile, hidrojen tüketen metanojenik arkeler arasındadır.[133] Bu ilişkide yer alan bakteriler kendi başlarına bu organik asitleri kullanamazlar çünkü bu reaksiyon sonucu aşığa çıkan hidrojen çevrelerinde birikir. Hidrojen tüketici arkelerle yakın ilişkileri sayesinde hidrojen konsantrasyonu yeterince düşük kalır ve bakteriler büyüyebilir.
Toprakta, rizosferde (kökün yüzeyi ve kökü bağlı olan topraktan oluşan bölgede) mikroorganizmalar azot fiksasyonu yaparlar, yani azot gazını azotlu bileşiklere dönüştürürler.[134] Bu süreç sonucunda bitkilerin (ki onlar azot fiksasyonu yapamazlar) kolayca absorbe edebildiği bir azot kaynağı meydana gelir. Pekçok başka bakteri, insan ve başka canlılarda simbiont olarak bulunurlar. Örneğin normal insan bağırsağındaki bağırsak florasındaki 1000'den fazla bakteri, bağırsak bağışıklığına, bazı vitaminlerin (folik asit, K vitamini ve biyotin) sentezine, süt proteinlerinin laktik asite dönüştürülmesine (bkz. Laktobasiller) katkıda bulunur, ayrıca sindirilmemiş kompleks karbonhidratların fermantasyonunu sağlar.[135][136][137] Bu bağırsak floarası ayrıca potansiyle patojen bakterilerin büyümesini engellediği için (genelde yarışmalı dışlama ile) bu faydalı bakterilerin probiyotik besin katkısı olarak alınmasının olumlu etkileri bulunmuştur.[138]
Patojenler [değiştir]Ana madde: Patojen bakteriler
Salmonella typhimurium 'un (kırmızı) kültürlenmiş insan hücrelerini istila edişini gösteren renklendirilmiş elektron mikroskop resmiEğer bakteriler başka organizmalarla parazitik ilişkiler kurarlarsa patojen olarak sınıflandırılırlar. Patojen bakteriler insan larda ölüm ve hastalığın başlıca nedenidir; neden oldukları enfeksiyonlar arasında tetanoz, tifo, tifüs, difteri, frengi, kolera, besin kaynaklı hastalıklar, cüzzam ve verem sayılabilir. Bilinen bir hastalığın patojenik kaynağının keşfi yıllar sürebilir, örneğin mide ülseri hastalığı ve Helicobacter pylori durumunda olduğu gibi. Bakteryel hastalıklar tarımda da önemlidir, bakteriler bitkilerde yaprak beneği, ateş yanıklığı ve solmaya, çiftlik hayvanlarında da paratüberküloz, mastit, salmonella ve şarbona neden olur.
Her patojen türün insan konağı ile etkileşimlerinin karakteristik bir spektrum oluşturur. Bazı organizmalar, örneğin Stafilokok veya Streptokok, deri enfeksiyonu, pnömoni, menenjit ve hatta sistemik sepsis (şok, masif vazodilasyon ve ölümle sonuşlanan sistemik bir enflamasyon tepkisi) neden olur.[139] Lakin bu oganizmalar aynı zamanda normal insan florasına aittir, genelde insan derisi ve burununda bulur ve hiç bir hastalığa yol açmazlar. Buna karşın bazı başka organizmalar her durumda insanda hastalık yaparlar. Örneği Rickettsia, ancak başka canlıların hücrelerinin içinde büyüyüp çoğlabilen, zorunlu bir hücreiçi parazittir. Rickettsia'nin bir türü tifüse, bir diğeri ise Kayalık Dağlar benekli hummasına neden olur. Klamidya, zorunlu hücre içi paraziti bir diğer takımı içinde bulunan bazı türler pnömoni, veya idrar yolu enfeksiyonuna neden olabilir, ayrıca koroner kalp hastalığı ile de ilişkili olabilirler.[140] Nihayet, bazı bakteri türleri, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cenocepacia, ve Mycobacterium avium gibi, fırsatçı patojendirler ve sadece immün yetmezlik çeken veya kistik fibrozlu kişilerde hastalık yaparlar.[141][142]
Bakteriyel enfeksiyonlar antibiyotikle tedavi edilebilirler, bu antibiyotikler bakterileri öldürürse bakteriosidal, sadece onların çoğalmasını engelliyorsa bakteriostatik olarak sınıflandırılır. Pekçok antibiyotik vardır ve bunların her sınıfı patojende olup konağında olmayan bir süreci engeller. Antibiyotiklerin nasıl seçici toksiklik gösterdiğine bir örneği kloramfenikol ve puromisindir, bunlar bakteri ribozomlarını engellerler, ama yapısal olarak farklı olan ökaryotik ribozomlara etki etmezler.[143] İnsan hastalıklarını tedavide kullanılan antibiyotiklerin hayvancılıkta da hayvanlarının büyümesini hızlandırmak için kullanılması, bakterilerde antibiyotik direnci gelişmesine neden olabilir.[144]
Enfeksiyonları engellemek için antiseptik önlemler alınır, örneğin deri bir iğne ile delinmeden evvel sterilize edilir. Cerrahi ve dişçilik araçları da kontaminasyon ve bakteriyel enfeksiyonu önlemek için sterilize edilir. Çamaşır suyu gibi dezenfektanlar, eşya yüzeylerinde bulunan bakteri ve diğer patojenleri öldürüp kontaminasyonu önlemek ve enfeksiyon riskini daha da azaltmak amacıyla kullanılır.
Teknoloji ve endüstride önemi [değiştir]Daha fazla bilgi: Bakterilerin ekonomik önemi
Bakteriler, çoğu zaman laktobasil türleri, maya ve küflerle beraber, fermante edilmiş gıdaların (peynir, turşu, soya sosu, sauerkraut, sirke, şarap ve yoğurt gibi) hazırlanmasında binlerce yıldır kullanılmaktadır.[145][146]
Bakterilerin çeşitli organik bileşikleri parçalayabilme yetenekleri dikkate değerdir ve atıkların işlenmesi ve değerlendirilmesinde (bioremediation) kullanılmıştır. Petroldeki hidrokarbonları sindirebilen bakteriler çoğu zaman petrol saçılmalarının temizlenmesinde kullanılır.[147] 1989'da meydana gelen Exxon Valdez tanker kazasının ardından Prince William Sound kıyılarına gübre dökülerek bu doğal bakterilerin büyümesi teşvik edilmişti. Bu yöntem, çok fazla petrol kaplanmamış kıyılarda etkili olmuştu. Bakteriler ayrıca endüstriyel toksik atıkların değerlendirilmesinde de kullanılırlar.[148] Kimya endüstrisinde, enantiyomerik olarak saf kimyasalların üretilmesinde (bunlar ilaç ve tarımsal kimyasalların hammadesidir) bakteriler önemli rol oynarlar.[149]
Bakteriler ayrıca biyolojik haşare kontrolünde haşare ilaçlarının yerine kullanılabilirler. Bunun en yaygın örneği, Gram pozitif bir toprak bakterisi olan Bacillus thuringiensisdir (BT olarak da adlandırılır). Bu bakterinin alt-türleri kelebeklere (Lepidoptera türlerine) özgül bir böcek öldürücü olarak kullanılır.[150] Spesifik olmalarından dolayı bu böcek öldürücüler çevre dostu olarak kabul edilir; insanlara, yabani hayvanlara, polinasyon yapan ve diğer faydalı böceklere etkileri çok az veya hiçtir.[151][152]
Hızlı büyüme ve kolaylıkla manipüle edilebilmelerinden dolayı bakteriler moleküler biyoloji, genetik ve biyokimyada birer araç olarak kullanılırlar. Bakteri DNA'sında mutasyon yapıp bunun fenotipini inceleyerek bilimciler genlerin, enzimlerin ve metabolik patikaların işlevlerini belirleyebilmekte, sonra edindikleri bilgileri daha karmaşık canlılara uygulayabilmektedirler.[153] Muazzam miktarda enzim kinetiği ve gen ifadesi verileri, canlıların matematiksel modellerinde kullanılarak hücrenin biyokimyasının anlanması amaçlanmaktadır. Çok çalışılmış bazı bakterilerde bu mümkündür, Escherichia coli metabolizmasının modelleri üretilmekte ve denenmektedir.[154][155] Bakteri metabolizması ve genetiğinin bu seviyede anlaşılır olması sayesinde bakterilerin biyoteknoloji kullanılarak yeniden tasarımı mümkün olmakta, böylece onların tedavi amaçlı proteinleri (insülin, büyüme faktörleri veya antikorlar gibi) daha verimli sekilde üretmesi sağlanabilmektedir.[156][157]