DNA

Deoksiribo Nükleik asit veya kısaca 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 (kromozomların şeklini belirlemek gibi), diğerleri ise bu genetik bilginin ne şekilde (hangi hücrelerde, hangi şartlarda) kullanılacağının 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 meydana gelir. Bu iki iplik birbirlerine ters yönde uzanırlar. 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 eşlenir, bu sırada DNA ikileşmesi gerçekleşir. Ökaryot canlılar (yani Hayvan, bitki, mantar ve Protistalar) DNA'larını hücre çekirdeği içinde bulundururken prokaryot canlılarda (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 eder.

Özellikler

Nükleotit olarak adlandırılan birimlerden oluşan bir polimerdir. DNA zinciri 22 ila 26  Ångström arası (2,2-2,6 nanometre) genişliktedir, bir nükleotit birim 3,3 Å (0.33 nm) uzunluğundadır. Her bir 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.
Dna'nın yarısı dişi bireyden yarısı da erkek bireyden gelir. Canlılarda DNA genelde tek bir molekül değil, birbirine sıkıca sarılı bir çift molekülden oluşur. Bu iki uzun iplik 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 ipliği 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.
DNA ipliğinin omurgası almaşıklı şeker ve fosfat artıklarından oluşur. 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 ipliğinin bir yönü vardır. Çifte sarmalda bir iplikteki nükleotitlerin birbirine bağlanma yönü, öbür ipliktekilerin yönünün tersidir. DNA ipliklerinin bu düzenine anti-paralel denir. DNA ipliklerin 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.
Çift sarmalı iki ipliğe 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.

Oyuklar

İki sarmal iplik DNA omurgasını oluşturur. Bu iplikler araındaki boşluklar takip edilerek iki tane hayali boşluk veya oyuk daha bulunabilir. Bu oyuklar baz çiftlerine bitişiktir ve onlara bağlanmak için bir yer oluşturabilirler. Bu oyuklar birbirlerinin tam karşısında olmadıkları için büyüklükleri aynı değildir. Bunlardan büyük oyuk (majör oyuk) olarak adlandırılanı 22 Å genişliğinde, küçük (minör) oyuk ise 12 Å genişliğindedir. Küçük oyuğun darlığı nedeniyle bazların kenarlarına erişmek büyük oyuktan daha kolaydır. Bu nedenle, DNA'daki belli baz dizilerine bağlanan, transkripsiyon faktörü gibi proteinler büyük oyuktan bazların kenarlarına temas ederler. Hücredeki DNA'nın bazı bölgelerinde bu durum farklı olabilir (aşağıda "Alternatif çifte sarmal yapılar" bölümüne bakınız) ama oralarda dahi, eğer DNA normal B biçimini alacak şekilde burulsaydı görülecek büyüklük farklılıklarına göre adlandırılır.

Anlam ve ters anlam

Bir DNA dizisi, eğer ondan protein sentezlemeye yarayan mesajcı RNA kopyası ile aynı diziye sahipse, "anlamlı" olduğu söylenir. Öbür iplikteki diziye "ters anlamlı" dizi denir. Aynı DNA ipliğinin farklı bölgelerinde anlamlı ve ters anlamlı diziler bulunabilir, yani her iki iplikte 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. Bir görüşe göre ters anlamlı RNA, RNA-RNA baz eşleşmesi yoluyla gen ifadesinin düzenlenmesine yaramaktadır.
Bazı DNA dizilerinde anlam ve ters anlam kavramları birbirine karışır, çünkü bazen genler birbiriye örtüşebilir. Böyle durumlarda bazı DNA dizileri çifte görev yapar, bir iplik boyunca okununca bir protein kodlar, öbür iplik boyunca okununca ikinci bir protein kodlar. Bakterilerde bu tür gen örtüşmeleri gen transkripsiyonunun düzenlenmesi ile ilişkili olduğuna dair bulgular vardır, virüslerde ise, genlerin örtüşmesi küçük bir viral genoma daha çok bilginin sığmasını sağlar.

Süper burulma

Süper burulma (İngilizce supercoiling) tabir edilen bir süreç ile DNA bir halat gibi burulabilir. "Gevşek" halinde DNA'daki bir iplik, her 10,4 baz çiftinde bir, çift sarmalın ekseni etrafında bir tam dönüş yapar. Ama, eğer DNA burulursa iplikler daha sıkı veya daha gevşek sarılı olabilirler. 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. Bu enzimlerin bir işlevi transkripsiyon ve DNA ikileşmesi gibi süreçler sırasında DNA ipliklerine etki eden burulmayı bertaraf etmektir.

Alternatif çifte sarmal yapılar

DNA'nın çeşitli biçimleri (konformasyonları) mevcuttur. 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. Bu üç biçimden yukarıda betimlenmiş olan "B" biçimi, hücrelerde bulunan şartlar altında en sık görülenidir.
B biçimine kıyasla DNA'nın A biçimi daha geniş bir sarmaldır, 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 ipliklerinin birbirine sarılmasından oluşan karma (hibrit) eşleşmelerde, ayrıca bazı enzim-DNA komplekslerinde meydana gelebilir. Metilasyonla kimyasal değişime uğrayan DNA parçaları daha büyük biçimsel değişiklik gösterip Z biçimini alabilirler. Bu durumda iplikler sarmal ekseni etrafında dönerek sol elli bir spiral oluşturur, bu daha yaygın olan B biçimimdekinin tersi yöndedir. Bu sıra dışı yapılar Z-DNA bağlayıcı proteinler tarafından tanınır ve transkripsiyon kontrolü ile ilişkili olduğu sanılmaktadır.

Dörtlü Sarmal yapılar

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. Bu özelleşmiş kromozom başlıkları ayrıca DNA'nın uçlarını korurlar ve hücredeki DNA tamir sistemlerinin bunları tamir edilmesi gereken hasar olarak algılanmasını engeller. İnsan hücrelerinde telomerler genelde TTAGGG dizisinin birkaç bin kere tekrarından oluşan tek iplikli DNA uzantılarıdır.
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 bazı yassı bir tabaka oluştururlar, bunlar da birbiri üzerine istiflenerek kararlı bir G-dörtlüsü (G-quadruplex) yapısı oluştururlar. Bu yapıların stabilizasyonu, bazların kenarları arasındaki hidrojen bağları ve her dört bazlı birimin ortasında yer alan bir metal iyonun şelasyonu ile gerçekleşir. Bu G-dörtlüleri başka yollardan da oluşabilir: tek bir ipliğin birkaç kere katlanması ile bu dörtlü birim oluşabilir, veya ikiden fazla farklı paralel ipliğin 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; İngilizce: telomere loops veya T-loops) adlı yapılar oluştururlar. Bunlarda tek iplikli DNA, telomer bağlanıcı proteinler tarafından stabilize edilmiş bir halka olarak kıvrılır. Bir T-ilmiğinin en ucundaki tek iplikli DNA, çift iplikli bir DNA bölgesine bağlıdır. Bu birleşme noktasında tek iplikli telomer DNA'sı, çift iplikli 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.

Baz değişimleri

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. Ortalama metilasyon düzeyi canlıdan canlıya fark eder: solucan Caenorhabditis elegans'da sitozin metilasyonu olmaz, buna karşın omurgalı DNA'sının %1'e ulaşan kadarı 5-metilsitozin içerebilir. 5-metilsitozinin önemli bir baz olmasına rağmen, onun deaminasyonu sonucu bir timin bazı oluşur, bu yüzden metillenmiş sitozinler mutasyona eğilimlidirler. Diğer baz modifikasyonarı arasında bakterilerde görülen adenin metilasyonu ve kinetoplastitlerde urasilin glikozilasyonu sonunda meydana gelen "J-bazı" sayılabilir.

DNA hasarı

DNA çeşitli farklı mutajenler tarafından hasara uğrayabilir, bunun sonucunda DNA dizisi değişebilir. Mutajenler arasında başlıca, yükseltgen (oksitleyici) etmenler, alkilleyici etmenler ve yüksek enerjili elektromanyetik 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. Buna karşın, serbest radikaller veya hidrojen peroksit gibi yükseltgen etmenler çeşitli farklı türden hasar oluşturabilirler, baz değişimi (özellikle guanozin) ve iki iplikli kırılmalar gibi. Her bir insan hücresinde günde 500 baz yükseltgeyici zarar görür. Bu yükseltgeyici hasarlardan en zararlısı çift zincirli kırılmalardır, çünkü bunların onarımı zordur, bunlar DNA dizilerinde noktasal mutasyonlara, insersiyonlara ve delesyonlara ayrıca kromozomal translokasyonlara yol açabilirler.
Çoğu mutajen, iki baz çifti arasındaki boşluğa girer, buna enterkalasyon denir. Çoğu enterkalatörler aromatik ve düzlemsel moleküllerdir, bunlara örnek olarak etidyum bromür, daunomisin  ve doksorubisin 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. Tüm bunlara rağmen, DNA transkripsiyonuna engel olma özelliklerinden dolayı bu toksinler aynı zamanda hızla büyüyen kanser hücrelerini engellemek amacıyla kemoterapide kullanılırlar.

Biyolojik işlevleri

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. 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

Genomu oluşturan DNA ökaryotlarda hücre çekirdeğinde, ayrıca az miktarda mitokondrilerde bulunur. Prokaryotlardaki DNA, sitoplazma içinde yer alan, düzensiz şekilli nükleoit denen cismin içindedir. 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. 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. Ancak, protein kodlamayan (non-coding) DNA dizileri gene de işlevsel kodlamayan RNA molekülleri kodlamaktadır, bunlar da gen ifadesinin düzenlenmesinde rol oynarlar.
 
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. İnsanlarda bulunan kodlamayan DNA'ların önemli bir türü psödogenlerdir, bunlar mutasyon sonucu çalışmaz hale gelmiş genlerin kopyalarıdır. Bu DNA dizileri genelde birer moleküler fosilden ibarettir ama bazen yeni genlerin oluşumuna ham madde olabilirler, gen ikilenmesi ve ıraksak evrim süreçleri sonucu.

Transkripsiyon ve çevrim

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 ( 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.

İkileşme

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 (DNA duplikasyonu) için basit bir mekanizma sağlar. İki iplik ayrışırlar, sonra her bir iplikteki dizinin komplementer dizisi DNA polimeraz adlı bir enzim tarafından imal edilir. Bu enzim, tümleyici ipliği sentezlemek için gereken her bazın doğru olanını baz eşleşmesi yoluyla seçer ve onu uzamakta olan ipliğe ekler. DNA polimeraz bir DNA ipliğini ancak 5' - 3' yönünde uzatabildiği için, bir çifte sarmalın antiparalel ipliklerininin kopyalanması için farklı mekanizmalar mevcuttur. Böylece, eski iplikteki baz, yeni ipliğe eklenen bazları belirler, sonunda hücre DNA'sının mükemmel bir kopyasını elde eder.

Proteinler ile etkileşim

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.

Nükleaz ve ligazlar

Nükleazlar DNA iplikleri kesen enzimlerdir, fosfodiester bağlarının hidrolizini katalizlerler. DNA ipliklerinin uçlarındaki nükleotitleri hidrolizleyen nükleazlare eksonükleaz denir, ipliklerin 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. Teknolojide bu enzimler moleküler klonlama ve DNA parmakizlemesi için kullanılır.
DNA ligaz enzimleri kesilmiş veya kırık DNA ipliklerini birleştirir. Ligazlar özellikle gecikmeli iplik 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

Topoizomerazlar hem nükleaz hem de ligaz etkinliğine sahiptir. Bu proteinler DNA'daki süperburulma derecesini değiştirirler. Bu enzimlerin bazıları DNA sarmalının bir ipliğini kesip bunun öbürü etrafında dönmesini sağlar, sonra da DNA'daki kesiği tekrar birleştirir. Bu enzimlerin diğerleri ise DNA sarmalının bir ipliğini kesip öbür ipliğin bu kesiğin içinden kesmesini sağlarlar, sonra kesiği tekrar birleştirirler. Topoizomerazlar DNA'yla ilgili pek çok süreçte yer alırlar, DNA ikileşmesi ve transkripsiyonu gibi.
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 iplikler halinde açarlar. Bu enzimler DNA bazlarına erişmeye gerek duyan enzimlerin bulunduğu süreçlerde gereklidir.

Polimerazlar

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. Bu enzimlerin aktif bölgesinde, gelen nükleozit trifosfat kalıp ile baz eşleşmesi yapar; bu sayede polimeraz, kalıba komplementer bir ipliği 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. Çoğu canlıda DNA polimerazlar replizom olarak adlandırılan ve yardımcı alt birimler (DNA kıskacı ve helikazlar gibi) içeren büyük bir kompleks içinde yer alır.
RNA-bağımlısı DNA polimerazlar RNA ipliğinde 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. Telomerazı diğer bu tip enzimlerden farklı kılan bir özelliği, kullandığı RNA kalbın kendi yapısının bir parçası olmasıdır.
Transkripsiyon, DNA-bağımlısı RNA polimeraz tarafından gerçekleştirilir, bu enzim DNA ipliğindeki diziyi RNA olarak kopyalar. Bir genin transkripsiyonu için RNA polimeraz, DNA üzerinde promotör adlı bir bölgeye bağlanır ve DNA ipliklerini 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.

DNA metabolizmasının evrimi

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. RNA, hem genetik bilgi aktarma hem de ribozimlerin parçası olarak katalizör özelliğine sahip olmasından dolayı ilk hücrelerin metabolizmasında merkezî bir rol oynamış olabilir. 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.
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. 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 ama bu iddialar tartışmalıdır.

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. Bu yolla ortaya çıkan, genetik değişime uğramış canlılar kullanılarak rekombinant proteinler üretilebilir, bunlar tibbi araştırmalarda veya tarımda
kullanılabilir.

Adlî bilim

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 (mikrosatelit ve minisatelit) içeren DNA'nın değişken kısımlarının uzunlukları belirlenir, bunlar farklı insanlarda karşılaştırılır. Bu yöntem bir suçlunun tanınması için son derece güvenilir bir yöntemdir. Ancak, eğer suç mahaline birde fazla kişinin DNA'sı bulaşmışsa bu kimlik belirleme karmaşıklaşabilir. DNA profillemesi 1984'te Britanyalı genetikçi Sir Alec Jeffreys, tarafından geliştirilmiş ve adli bilimde ilk defa 1988'de Enderby cinayetleri için Colin Pitchfork'un suçlu bulnmasında kullanılmıştır. Bazı tür suçları işlemiş kişiler bir veritabanında depolanmak amacıyla kendi DNA'larından bir örnek vermeye mecbur tutulabilirler. Bu sayede suç mahalinde bulunmuş DNA örneğinden başka elde hiçbir delil bulunmayan bazı eski vakalar çözülebilmiştir. DNA profillemesi katliam kurbanlarının kimliklerinin belirlenmesinde de kullanılmıştır.

Biyoenformatik

DNA dizilerinin bilgisayar aracılığıyla işlenmesi, aranması ve analizi, biyoenformatik bilminin konuları arasındadır. DNA dizilerinin depolanması ve aranması için yöntemlerin geliştirilmesi sayesinde bilgisayar bilimlerinde önemli ilerlemeler katedilmiştir, özelikle dizi arama algoritmaları, makine öğrenimi ve veritabanı teorisi konularında. Dizi arama ve eşlendirme algoritmaları harflerden oluşan uzun diziler içinde daha kısa harf dizilerinin bulunmasıyla ilgilidir, bunlar belli nükleotit dizilerinin bulunması için geliştirilmiştir. 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. Bir genomun tamamına karşılık gelen DNA dizilerinin kullanılması için bu dizilerin üzerinde genlerin ve onların düzenleyici elemanlarının yerlerinin kaydedilmesi (İng. annotation) gerekmektedir. DNA dizilerinde protein veya RNA kodlayıcı genlerin özelliklerine sahip bölgelerin tanınması, gen bulma algoritmaları sayesinde mümkündür, bunlar sayesinde bilim insanları bir genin ürününü önceden tahmin edebilirler, bu ürün laboratuvarda daha saflaştırılmadan.

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

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. Filogenetik sahası evimsel biyolojide güçlü bir araçtır. Bir türün bireylerine ait DNA dizileri karşılaştırıldığında topluluk genetikçileri o topluluğun tarihine dair bilgiler edinebilirler. Ekolojik genetikten antropolojiye kadar uzanan çeşitli sahalarda bu bilgilerden yararlanılabilir. Örneğin, Tevrat'ta söz konusu olan İsrail'in on kayıp kavmi, DNA bulguları ile tanımlanmaktadır.
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.

DNA araştırmasının 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. 1919'da Phoebus Levene, nükleotit birimleri oluşturan baz, şeker ve fosfatı tanımlanmıştır. 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.
1928'de Frederick Griffith, Pnömokok bakterisinin "düz" şeklini belirleyen özelliğin "buruşuk" şekilli Pnömokok bakterilere aktarılmasının mümkün olduğunu, bunun için ölü "düz" bakterilerin canlı "buruşuk" bakterilerle karıştırılmasının yettiğini gösterdi. Bu deneysel sistem kullanarak Oswald Avery ve arkadaşları Colin MacLeod ve Maclyn McCarty 1943'te değiştirici etmenin DNA olduğunu gösterdiler. 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından Hershey-Chase deneyinde T2 fajının genetik malzemesinin DNA olduğunu göstererek DNA kalıtımdaki rolü teyid ettiler.
1953'te James D. Watson ve Francis Crick DNA'nın bugün kabul görmüş yapısını Nature dergisinde öne sürdüler. Çift sarmallı moleküler modelleri tek bir X-ışını kırınım resmine dayanmaktaydı, bu resim Rosalind Franklin ve Raymond Gosling tarafından Mayıs 1952'de elde edilmişti. Modellerini dayandırdıkları bir diğer  bilgi Erwin Chargaff'ın evvelki yıllarda kendilerine özel olarak iletmiş olduğu, DNA bazlarını birbiriyle eşleştiğiydi. Chargaff kuralları hem B-DNA'nın hem de A-DNA'nın çifte sarmallı biçimini tespit etmekte önemli bir rol oynamıştır.
Watson ve Crick modelinin destekleyen deneysel kanıtlar Nature dergisinin aynı sayısında yayımlanan beş makalede yer aldı. Bunlardan Franklin ve Gosling'in makalesi, Watson ve Crick modelini kısmen destekleyen, kendi X-ışını kırınım verileri ve analiz yönteminin ilk yayımlanmasıydı. Dergini aynı sayısında DNA yapısı hakkında Maurice Wilkins ve iki arkadaşının bir makalesi vardı, onların in vivo B-DNA X-ışını kırınım örüntüleri üzerinde yaptıkları analizler, iki sayfa geride Crick ve Watson tarafından önerilen çifte sarmal modelini destekliyordu. 1962'de Franklin'in ölümünden sonra Watson, Crick ve Wilkins birlikte Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü kazandılar.  O zamanki Nobel ödülleri ancak hayatta olan kişilere ödülün vermesine izin veriyordu. Keşif için kimlerin kredi alması gerektiği hakkında tartışma devam etmektedir.
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. Çift sarmallı yapının ima ettiği kopyalama mekanizmasının teyidi, 1958'de yayımlanan Meselson-Stahl deneyi ile edildi. 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. Bu keşifler moleküler biyolojinin doğumuna karşılık gelir.