1 Molekulaly 1179 biologia tirshilikti


1 Молекулалық биология тіршілікті, өмірдің негізгі қасиеттері мен көріністерін Молекулалық деңгейде зерттейді. Молекулалық биологияның негізгі бағыттарына клетканың генетикалық аппаратының құрылымдық-қызметтік ұйымдастырылуын зерттеу,тұқым қуалаушылық ақпараттың жүзеге асу механизмдерін зерттеу(молекулалық генетика) вирустардың клеткалармен қарым қатынасын әрекеттесуін зерттеу(молекулалық вирусология) организмнің иммундық реакцияларының заңдылықтарын зерттеу(молекулалық иммунология)организмнің жеке даму барысында клеткалардың әртүрлі сапалық өзгерістерге ұшырауы мен мамандану заңдылықтарын зерттеу(дамудың молекулалық биологиясы ) т.б. бағыттар жатады. Молекулалық биологияның негізгі зерттеу обектілеріне вирустар, (бактериофаг) клеткалар мен субклеткалық құрылымдар (ядро, митахондрия, рибосома,хромосома,клеткалық мембрана) және макромолекулалар белоктар мен нуклеин қышқылдары жатады.
Молекулалық биологияның қалыптасуына клаcсикалық генетиканың, микробиологияның,вирусологияның идеялары мен әдістері, нақты ғылымдар: физика, химия, математика, кристалография(әсіресе рентген құрылымдық анализ)жетістіктерін пайдалану үлкен роль атқарды
Молекулалық биологияның жетістіктеріне мыналар жатады.
А) кейбір белоктардың құрылымын анықтап, оны атқаратын қызметімен байланыстыру.(М.Перутц.Дж Кендрю, Ф.Сенгер,К.Анфинсен).
Б) Нуклеин қышқылдары мен рибосомалардың құрылымы мен биологиялық қызметін анықтау(Дж Уотсон.Ф.Крик,Р.Холли т.б.)
В) Генетикалық кодтың шифрын анықтау (М.Ниренберг,С. Очоа)
Г) Кері транскриптазаның ашылуы(Х.Темин, Д.Балтимор) .
Д) Белок және нуклеин қышқылы молекулаларының биосинтезі механизмдерінің негізгі кезеңдерін анықтау.( Ф.Жакоб,Ж.Моно, А.Корнберг).
Е) Вирустардың құрылымын және репликация механизмдерін анықтау, генетикалық инженерия әдістерін жасақтау ( П.Берг,В. Арбер,Г.О.Смит, Д. Натонс).
Ж) Ген синтезі (Х.Корона).
Кеңес одағы ғалымдары молекулалық биологияға сүбелі үлес қосты. Мысалы Н.К. Кольцов биополимерлердің матрицалық синтезі принциптерін негіздеді.
В.А.Энгельгард биоэнергетика мен механохимияның негіздерін қалады.
А.А Зильбер қатерлі ісіктің туындауын вирусогенетикалық теориясын тұжырымдады А.А Баев РНК дағы нуклеотидтер кезектілігін анықтады.А.С. Спирин информосомаларды ашып зерттесе оның шәкірті қазақ ғалымы Айтқожин өсімдіктердегі информосаларды ашты.
Молекулалық биологияның практикалық және теориялық маңызы өте үлкен .
Шырышты қабығы жоқ вирулентті емес бактериялар мутация арқылы пайда болады. Олар қоректік ортада кедір-бұдыр колонналар (к- штамм) түзеді. Тышқандарға осындай бактерияларды енгізсе, онда олар фагоцитоз нәтижесінде бактериялық клеткаларды жойып, тірі қалады.
Бірақ вирулентті s-бактерияларымен инъекцияланған тышқандар өкпесінің қабынуынан өледі, өйткені бұл бактериялардың сыртын өздері сиптездейтін шырышты қабық жабады. Ал, алдын ала қыздыру арқылы өлтірілген s-бактериясымен (шырышты қабығынан айырылған) инъекцияланғаи тышқандар да тірі қалады.
Ф. Гриффитс тышқандарға пневмококтың к-штамын және қыздыру арқылы капсуласынан айырылған s -штамын бірге инъекциялайды. Бұл арада, күткен нәтиженің— тышқандардың тірі қалуының орнына, олардың барлығы өліп қалды. Пневмониядан өлген тышқандардан шырышты қабығы бар s -вирулентті штамм бөлініп алынды. Демек, s -штамының вируленттік қасиетін анықтайтын зат к-штамына өтетіні анық болды. Осыдан келіп, Гриффитс вирулентті емес s –штамм, вирулентті штамға ауыса (тран-сформациялана) алады деген қорытынды жасады. Құбылыстың өзі трансформация деп, ал бактерияның қасиетін өзгертетін зат — трансформациялаушы фактор деп аталады.
Көп жылдар бойы трансформациялаушы фактор және оның субстанциясы жұмбақ болып келді. Тек 1944 ж. американ бактериологтары О. Эвери, К. Мак-Леод және М. Мак-Карти трансформациялаушы фактор яғни тұқым қуалау қасиетін өзгерте алатын зат — ДНҚ екендігін атап көрсетті. Олар өсіп жатқан к-бактериялар себіндісіне (культурасына) s--штамнан тазартылып алынған ДНҚ қосылса, кейбір к-бактериялар полисахаридті қабық түзетінін байқады Кейін Эвери және оның қызметкерлері трансформациялаушы фактор тек дезоксирибонуклеаза ферментінің әсерінен жойылатынын нақты деректерімен көрсетті, ал бұл ферменттің тек ДНҚ молекуласын ғана ажырататыны бұрыннан белгілі болатын.
Сонымен О. Эвери өз қызметкерлерімеи бірге бактериялардың жаңа қасиеті ДНҚ-ға байланысты, яғни, тірі организмде генетикалық информацияға ДНҚ жауапты деген қорытындыға келді. Бірақ олар ашқан жаңалықтың іргелі мән-мағынасы әр түрлі себептермен өз уакытында бағаланбады. Біріншіден, ДНҚ-ны химиялық құрылымы айқын емес еді: ДНҚ — химиялық тұрғыдан жеткілікті түрде күрделі ұйымдастырылмаған қосылыс, сондықтан да ол өсімдіктер мел жануарлардың өсуіне қажет орасан көп информацияны өзіне сақтай алмайды, екіншіден, белоктың құрылысы өте күрделі, сондықтан да болар, сол кезде гендер белоктан тұрады деген пікір қалыптасқан еді. Ақырында, бактерия мен жоғары сатыдағы организмдердіц генетикалық информациясының жалпы принциптері бірдей деп қаралмады. Осыған байланысты бактерияларда тұқым қуалайтып зат — ДНҚ, ал жануарлар мен өсімдіктерде басқа зат болар деген жорамал айтылды.
Тұқым қуалауда ДНҚ-ның басты роль атқаратынын 1952 ж. А. Херши мен М. Чейз бұлтартпай дәлелдеп берді. Олар тәжірибені Т2 бактериофагына жүргізді. Бұл вирус ДНҚ-дан және белок қабығынан тұрады. Фагтың белокты қабығы радиоактивті күкіртпен (S35), ал ДНҚ-сы радиоактивті фосформен (Р32) белгіленді. Бактерияны радиоактивті элементтермен белгіленген фагтармен жұқтырғанда фосфордың клеткаға енгені, ал күкірт оның сыртында қалғаны байқалды. Бактерия клеткаларыпда көптеген жаңа, пісіп жетілген фагтар пайда болды Бұдан бактерияға фаг ДНҚ-сы өтеді, жаңадан түзілгеп фагтардың барлық қасиеттері ДНҚ-ның бақылауында болады деген қорытынды жасауға болады.
Сол кездерде бұл құпияны — ДНҚ құрылымын шешу — ғалымдар арасында қызу бәсеке тудырды. Алайда ДНҚ құрылымының кеңістіктегі моделін бірінші болып 1953 ж. Дж. Уотсон мен Ф. Крик ұсынды.
1952 жылы Р. Франклин және М. Уилкинс ДНҚ-ның жоғарғы сапалы рентгенограммасын түсірді.
Осы рентгенструктуралық талдаудың және ДНҚ-ның химиялық құрамын біле отырып, 1953 жылы Д. Уотсон жөне Ф. Крик оның молекулалық моделін құрастырды. Бүл биология тарихындағы ең үлкен жаңалықтың бірі болып табылады. Ол аденин мен тиминнің, гуанин мен цитозиннің бір-бірімен байланысы химияның заңдылығына еш қайшы келмейтінін анықтады. Мұндай модель Чаргаффтың зандылығына сай келді.
Модель бойынша ДНҚ молекуласы қос тізбектерден құрылған. Оралмаға оралған екі тізбек бір-бірімен азотты негіздер арасында пайда болатын сутекті байланыстар арқылы жалғасады. Әдетте бір тізбектегі аденинге екі сутекті байланыс арқылы екінші тізбекте әрқашанда тимин, гуанинге цитозин сәйкес келеді (А-Т, Г-Ц). Осындай бір-бірін толықтыра алатын, яғни өзара сәйкес келетін тізбектер комплементарлы деп аталады. Оралмадағы әрбір пурин не пиримидин негізі дезоксирибозамен байланысып, нуклеозида құрайды. Нуклеозидалар бір-бірімен фосфодиэфир байланысы арқылы қосылады. Табиғи ДНҚ-да фосфодиэфир байланысы дезоксирибозаның үшінші және бесінші көміртектері арасында пайда болады, сол себептен ол 3'—5' байланысы деп аталады. ДНҚ тізбектері бір-бірімен антипараллелъді: қос спиральдің өсі б-йымен ойша бағыт алсақ, онда біз 3'—5' нуклеотидаралық байланыстан 5'—3' байланысына қарай өтеміз яғни тізбектіц бағыты қарама-қарсы
ДНҚ оралма өсінің айналасында әрбір негіз жұбы келесі негіздер жұбына 36°-қа айналған. Сонда негіздердің 10 жұбы 360°-қа толық айнальш жатады. Қос оралма диаметрі шамамен 20 нанометрге тең (1 нм-10~9 м). ДНҚ-ның оралмасында науашықтар бар: кіші (екі 12А°-ге жуық) және үлкен (екі 22 А°-ге жуық). ДНҚ-ның қос оралмасы оң жақты: оралма өсін бойлап қараса, оның айналымы сағат тілінің жолына сәйкес келеді. ДНҚ-ның осындай стандартты Уотсон-Крик моделі В — форма деп аталады. Полинуклеотидтің кристалдарын (олигопуклеотид деп аталынатын қысқа тізбектер рентгенограммалары) зерттеу нәтижесінде оң жақ ДНҚ-ның басқа түрлері (А және С — формалар) және сол жаққа айналған формаларының бар екендігі анықталды.
X. Резерфордтың атомның құрылысын ашуы адамзатқа шексіз энергия көзін берсе, Уотсон-Крик және Уилкинстердің ДНҚ-ның құрылысын ашуы организмге жаңа қасиет бере алатын ген инженериясының әдісін ашты.

2
1953 жылы Д. Уотсон және Ф. Крик ДНҚ-ның молекулалық моделін құрастырды.
Моделді анализдеу нәтижесінде қос спиральды тарқату нәтижесінде түзілген екі әрбір полинуклеотидтік тізбекке комплементарлы жаңа тізбек түзілу нәтижесінде бастапқы ДНҚ-дан айнымайтын екі ДНҚ молекуласы түзіле алатындығы мәлім болды.5-жылдан кейін М. Мезельсон мен Ф. Сталь эксперимент жүзінде бұл механизмді дәлелдеді. Ал біршама ертерек (1956) А. Корнберг ДНК-полимераза ферментін ашты.Бұл фермент ажыраған ДНҚ тізбектерінде матрицадағыдай оларға комплементарлы жаңа тізбектер синтездейді , ДНК-ның генетикалық ролінің ашылуы екінші бір үлкен іргелі мәселе –нуклеотидтің мәтін белоктардың құрылымдық бірлігі амин қышқылдары тіліне аударылу ,яғни генетикалық кодтің тілін шешу мәселесін алға қойды Ең алғаш бұл мәселенің мәнін 1950 жылдары Г. Гамов қоя білді ,ол генетикалық код үш әріпті және жаба алмайтын болуы тиіс деп көрегендік жасады Экспериментальды түрде генетикалық кодтың жалпы қасиеттерін Ф. Криком, С. Бреннер әріптестерімен 1950 жылдар аяғында 1960жылдар басында анықтады. Бұл кезде жалпылама түрде РНК-лардың қызметтері мен құрылымдық ұйымдасуының принциптері анықталып,рибосомалар мен РНК.-лар: рибосомалық РНК (рРНК), транспортық РНК (тРНК) және де ,ақырында, информациалық (немесе «мессенджер», мРНК) ашылған болатын.Сонымен бірге бұл барлық РНК-лар генетикалық ақпараттың ДНК-дан белоктарға өткендегі аралық звено болып табылатындығы белгілі болды. Полипептид тізбектерінің биосинтезі рибосомаларда жүріп, ДНК-дан мРНК түрінде көшірілген генетикалық ақпарат тРНК көмегімен трансляцияланатыны белгілі болды.
1959—1961 жылдары. П. Доти, А. С. Спирин әріптестерімен барлық клеткалық РНК-лардың екінші реттік құрылымы болатын қысқа учаскелермен кезектесіп отыратын бірінші реттік құрылымды түзілімдер екендігін анықтады. Кейінірек Дж. Уотсон, А. С. Спирин және М. Номура лабораторияларында рибосомалардың құрылымдық ұйымдастырылу принципциптері анықталды.
1960 жылы бірден бірнеше лабораторияларда ДНК-матрицада РНК синтезін жүргізетін РНК-полимераза ферменті ашылды. Сөйтіп 1950 жылдардың ортасында айтылған Ф. Криктің ДНКдан белокқа генетикалық ақпараттың РНК арқылы берілетіндігі туралы идеясы (ДНК — РНК — белок) толығымен дәлелденді
1961 —1966 жылдары М. Ниренберг, С. Очоа және Г. Корана лабораторияларының біріктіре күш салуымен аминқышқылдық генетикалық код толығымен шешілді.
Транскрипция мен трансляция жүйелерінің негізгі компоненттерінің ашылуы осы процестердің реттелу механизмдерін зерттеуде маңызды стимул болды. 1961 жылы. Ф. Жакоб пен Ж. Моно белок синтезінің транскрипция деңгейінде реттеуші белоктар арқылы реттелуінің схемасын ұсынды, ал 1966 г. У. Гилберт пен Б. Мюллер-Хилл тұңғыш рет осындай белокты бөліп алды Сонымен қатар РНК-полимеразаның өзі гендік белсенділіктің реттеушісі екендігі анықталды (Р. Б. Хесин, 1962—1966). Бұл жұмыстар генетикалық элементтердің негізгі реттеушілері транскрипция промоторлары мен терминаторлары болатындығын дәлелдеді.
1960-шы жылдардың ортасында РНК-ның нуклеотидтік кезектілігін анықтау жұмыстары басталды.Бірінші болып т РНК-ның бірінші реттік құрылымы анықталды. (Р. Холли және әріптестері., 1965; А. А. Баев және әріптестері., 1967). Нуклеин қышқылдарының фрагменттерін фракциалау, бірінші кезекте гель-электрофорез (Ф. Сэнгер және әріптестері.) техникасының дамуы 1970- ші жылдардың ортасында жоғары молекулалы РНК-лардың бірінші реттік құрылымын анықтауға кірісуге мүмкіндік берді. 1976—1978 жылдары ДНК мен РНК-ны секвенирлеудің өте жылдам және эффективті әдістері ашылып (А. Максам и У. Гилберт, Ф. Сэнгер және әріптестері.), бұл әдістерді қолдану қысқа уақыт ішінде гендердің ,реттеуші элементтердің, вирустық және рибосомалық РНК т.б. бірінші реттік құрылымы жөнінде орасан мол ақпаратты алуға мүмкіндік берді.
Осы жылдары молекулалық биологияның орталық догмасы қалыптасты,яғни генетикалық ақпарат ДНК — РНК — белок бағытында жүзеге асады ,маңызды матрицалық процестер негізінен үш процесс репликация,транскрипция және трансляция болып табылады деген ғылыми көзқарас қалыптасты.
1973 жылы бір мезгілде А. Рич пен А. Клут лабораторияларында рентгенқұрылымдық анализ әдісін қолдану арқасында тРНК-ның кеңістіктік құрылымы ашылды. Осы жылдары эукариоттық хромосомалардың негізгі структуралық элементі— нуклеосома — ашылып оны зерттеу әдістері жасақталды.
1970 жылы. Г. Темин мен Д. Балтимор онкогенді вирустарда РНК-ға тәуелдіДНК-полимераза ферментін ашып , принципті түрде генетикалық ақпараттың РНК-дан ДНК-ға бағытталу мүмкіндігін көрсетті.Бұл молекулалық биологияның орталық догмасының канондарын бұзды.
Кейінгі жылдардағы молекулалық биологияның дамуына генетикалық инженерияның пайда болуы, (1972—1973 жж.; П. Берг, П. Лобан, С. Коэн және Г. Бойер) және де рекомбинанты ДНК- технологиясының дамуы , яғни химиялық әдістермен араласа ДНК-ның үлкен фрагменттерін синтездеу жетістіктері жатады.Нәтижесінде жеке гендерді, реттеуші генетикалық элементтерді зерттеуге мүмкіндік туып, нуклеин қышқылдарының биосинтезі және алмасу ферменттерін зерттеуге стимулдер пайда болды.Осының арқасында 1977 жылы геннің мозаикалық (экзон-интрондық ) құрылымы сплайсинг құбылысы және РНК-ның ферментативті белсенділігі болатыны ген экспрессиясының белсенділігін күшейткіштер («энхансерлер») реттеуші белоктар , онкогендер мен онкобелоктар, мобильді генетикалық элементтер ашылды. Табиғатта болмайтын белоктарды алуға мүмкіндік беретін белоктық инженерия дүниеге келді. Молекулалық биология биотехнологияның, медицинаның ауыл шаруашылығының дамуына сүбелі үлес қоса бастады.
ХХІ ғасырда молекулалық биологияның дамуы жаңа серпін алуда .Қазіргі уақытта әлемнің жетекші лабораториялапында клеткадағы зиянды гендерді залалсыздандыратын,нақты клеткалық нысанаға әсер ететін молекулалық роботтар жасалуда.” Адам геномы “ бағдарламасы бойынша адамнаң геномындағы барлыұ гендердің карталары жасалу үстінде .
3Эукариотты организмдерде ДНК негізінен клетка ядрларында локализацияланған; прокариоттарда ол бактериалық клетканың бүкіл хромосомасы болатын әжептеуір жинақталған нуклеоид құрайды.Митохондриялар және хлоропластар сияқты клетка органеллаларының өздерінің дербес ДНК-сы болады.Одан бөлек көптеген прокариот және төменгі эукариоттар цитоплазм асында хромосомадан тыс ДНК-лар — плазмидалар болады.
Рибосомалық, транспорттық және ақпараттық РНК-лар про- және эукариот клеткаларында цитоплазмада локализацияланған және сонда қызмет атқарады. Эукариоттарда олар клетка ядрасында синтезделеді,ядрода олардың бастамаларын табуға болады.Сонымен бірге клетка ядрасында және цитоплазмасында кіші ядролық РНК-лар болады. ДНК немесе РНК-ны құрылымдық зерттеу алдында оларды клеткадан бөліп алып, тазалап, одан соң фракциялау қажет. Нуклеин қышқылдары клеткада практика жүзінде әрқашанда белоктармен комплексте болатындықтан(яғни нуклеопротеидтер түрінде)оларды бөліп алу негізінен белоктардан тазартуға (депротеиндеуге) саяды.Көбінесе нуклеин қышқылдарын клетка гомогенаттарынан немесе тазартылған клетка органеллаларынан фенол —жүйесінде иондық детергенттер (мысалы натри й додецилсульфаты) қатысында экстракциялайды. Бұл кезде белоктар мен басқа да клеткалық компоненттер органикалық фазаға өтеді, ал нуклеин қышқылы су фазасында қалады.Сулы ерітіндіден нуклеин қышқылдарын спиотпен тұндырады.
Нуклеин қышқылдарын фракциялық бөлу әдістерінің ішінде ең кең таралғаны гельдегі электрофорез әдісі.Бұл әдісті қолданғанда кез келген ДНК немесе РНК-ны дербес күйінде алуға болады
Нуклеин қышқылдарының құрылымы.
Нуклеин қышқылдары биологиялық полимерлер класына жатады.Сондықтан ДНК және РНК –ның біріншілік құрылымы түсінігіне олардың мономерлік қалдықтарының құрылысы,мономераралық ковалентті байланыстардың химиялық табиғаты,полимер тізбектегі мономер звенолардың кезектесіп орналу тәртібі жатады.
Нуклеозидтер мен нуклеотидтер
ДНК мен РНК-ның мономер буындарына нуклеотид қалдықтары жатады. Нуклеотидтер — бұл нуклеозидтердің фосфорлы эфирлері, ал олар өз кезегінде көмірсу қалдығы — пентозадан және гетероциклдік негізден тұоады.
РНК-ның қөмірсу қалдығына D-рибоза ,ал ДНК— ның қөмірсу қалдығына В-дезоксирибоза жатады.Нуклеозидте көмірсу қалдығы мен гетероциклдік негіз арасындағы байланыс негіздегі азот атомы ,яғни N-гликозидтік байланыс арқылы жүзеге асады. Сонымен ДНК мен РНК-дағы нуклеозид қалдықтары N-гликозид класына жатады.
Гетероциклдік негіздерден ДНК-да екі пурин: аденин мен гуанин — және екі пиримидин: тимин мен цитозин болады. РНК-да тиминнің орнында урацил кездеседі.Сонымен қатар Кроме того, ДНК мен РНК-да минорлы деп аталатын нуклеотид қалдықтары кездеседі олар кәдімгі нуклеотидтердің негіздер немесе көмірсу қалдығы бойынша орынбасарлары болып табылады .Олардың үлесі нуклеин қышқылдарының түріне қарай проценттің оннан бірінен оншақты процентке дейін
Нуклеотидаралық байланыс . Нуклеазалар
Нуклеин қышқылдарында мономер қалдықтар бір бірімен "фосфодиэфирлі байланыстармен” байланысқан болып келеді. ДНК-да да, РНК-да да бұл байланыс бір нуклеозидтің З'-ОН тобы мен екінші нуклеозидтің 5'-ОН тобы арасында түзіледі.Сондықтан нуклеозидаралық байланысты 3'—5'-фосфодиэфирлі байланыс деп атайды. Бұдан келіп шығатыны ДНК мен РНК-ның, что полинуклеотидтік тізбектері полярлы және оның ұштары бірдей емес егер де ұшы фосфорилденбеген п-линуклеотидті қарастырсақ оның бір ұшында 5'-ОН, ал екінші ұшында — З'-ОН болады .Осы ұштарды тізбектің 5'- және 3'-ұштары деп атайды.
Нуклеотидаралық байланыстың салдарынан келіп, нуклеин қышқылдары тармақталмаған полимерлер екендігін көреміз.Тек өте сирек жағдайларда ғана (РНК биосинтезінің аралық өнімдеріне ғана қатысты) нуклеотид қалдықтарының 2'-гидроксил тобы қосымша фосфодиэфирлі байланыс түзуге қатысуы мүмкін .
Фосфодиэфир байланысының беріктігіне С2'-атоме рибозаның С2'-атомында ОН тобының болу болмауы қатты әсер етеді. Мысалы РНК-дағы нуклеотидаралық байланыстар ДНК-ғадағы қарағанда әжептеуір лабилді болады.
Клеткада ДНК мен РНК-дағы нуклеотидаралық байланыстар ерекше класс ферменттері нуклеазалар арқылы үзіледі. Бұл класс өкілдері бір бірінен әсер ету механизмі және арнайылығы бойынша ажыратылады.Нуклеазалар ішінен рестрикция эндонуклеазларын (рестриктазалар) ерекше атап өтсе болады.Бұл ферменттер ДНК молекулаларында жеке нуклеотидтық қалдықтарды емес, бес немесе алты нуклеотид қалдықтарынан тұратын тізбектерді таниды ,сондықтан кез келген ДНК-ны салыстырмалы түрде азғана фрагменттерге бөледі
ДНК мен РНК макромолекулаларының кеңістіктік ұйымдастырылуы олардың нуклеотидтік кезектілігімен анықталады ,және екінші , үшінші реттік құрылымдармен сипатталады..
Нуклеин қышқылдарының екінші реттік құрылымы нуклеотидтік тізбектердегі көрші мономер буындар арасындағы әрекеттесу арқылы түзіледі, ал екі жақты спираль молекулалар немесе молекулалар учаскелері болған жағдайда екі жақты спиральда бір біріне қарама қарсы тұрған нуклеотид қалдықтары арасындағы әрекеттесулер арқылы түзіледі.
Нуклеин қышқылдарының үшінші реттік құрылымы олардың екінші , реттік құрылымдарының әртүрлі элементтеріне жататын нуклеотид қалдықтарының арасындағы әрекеттесулер есебінен ұйымдастырылады.
ДНК-ның макромолекулалық құрылымы
1953 жылы Дж. Уотсон мен Ф. Крик, нуклеин қышқылдарының мономер қалдықтарының құрылымы туралы деректерге және Э. Чаргафф ашқан комплементарлық ережесіне, ( кез келген ДНК-дағы аденин мөлшері Тимин мөлшеріне ал, гуанин мөлшері — цитозин мөлшеріне тең А = Т, G=C), сүйене отырып ДНК –ның псевдокристаллды формасының рентгенограммасының шифрын шешті .Олардың моделі бойынша, ДНК молекуласы ортақ остен бір бірімен оралып жатқан екі полинуклеотид тізбегінен тұратын дұрыс спираль болып табылады. Спиральдің диаметрі оның ұзына бойына тұрақты және 1,80 нм-ға тең. Спиральдің сәйкестік периодына тең болатын айналым ұзындығы шамамен 3,40 нм құрайды. Спиральдің бір айналымына бір тізбектегі 10 нуклеотид қалдығы сәйкес келеді.Сонымен спираль осі бойындағы нуклеотид аралық қашықтық 0,34 нм-ге тең
Спиральдің тұрақтылығын сақтау( регулярность)үшін бір тізбектегі пуриндік негіздің қарсысында міндетті түрде екінші тізбекте пиримидинді негіз болуы шарт.спирали необходимо. Дж. Уотсон мен Ф. Крик бұл талап А негізі Т негізімен сутектік байланыспен байланысқан жұп , aл G болса С негізімен сутектік байланыспен байланысқан жұп құрғанда ғана орындалатынын тапты.
ДНК –қос спираліндегі комплементарлы негіздер основания бір жазықтықта жатады, және де бұл жазықтық спиральдің негізгі осіне әрқашан перпендикуляр жазықтықта жатады. ДНК-дағы көрші негіздер жұбы біріне қатысты бірі 360 бұрыш жасап жатады
Молекуланың көмірсуфосфатты қаңқасы сыртта жатады. Спираль айналу нәтижесінде оның беткейінде екі науашықтарлар түзіледі, үлкенінің ені 2,20 нм кішісінің ені 1,20 нм . Спираль — оң жақты бұрылған,ал ондағы полинук-леотид тізбектері антипараллель болады.Бұл ,егерде спиралы осі бойынша бір басынан екінші басына бағытталса онда бір тізбекте фосфодиэфир байланыстары 3'-*-5', ал екінші тізбекте фосфодиэфир байланыстары 5'—*-3' бағытында болатынын көрсетеді'. Басқа сөзбен айтқанда ДНК –ның сызықтық молекуласының бір ұшында 5'-ұш ал екінші ұшында З'-ұш болады.
Кейінірек Уотсон мен Крик моделі екі жақты спиральдің бірнеше формасының бірін ғана атап айтқанда в-форма деп аталатын формасын ғана сипаттайтана белгілі болды.Бұл екі жақты спиральдік ДНК-ның негізгі формасы,клеткадағы ДНК молекулаларының көпшілігі осындай түрде кездеседі.
ДНК-ның В-формасын және оның басқа формаларына өту заңдылықтарын сипаттау үшін нуклеин қышқылдарының мономер звеноларының құрылымын және екі жақты спиральдің түзілуіне алып келетін молекулааралық әрекеттесулерді қарастырайық
Нуклеин қышқылдарының құрамына кіретін барлық 5 гетероциклдік негіздердің жазық конформациясы болады. Ал рибоза мен дезоксирибоза үшін жазық конформация ( С1, С2, СЗ', С4' және оттегі гетероатомы бір жазықтықта жатқан жағдай) энергетитикалық тиімсіз. Теориялық мүмкін болатын конформациялардың ішінен бұл қалдықтарда тек екі түрлі конформация жүзеге асады: не С2''-эндо-, немесе СЗ'-эндо-конформациялар ( сәйкес S- немесе N-конформациялар деп те аталады).
Нуклеотид буынының кеңістіктік құрылымының маңызды параметрі –көмірсу мен негіз қалдықтарының өзара орналасуы. Нуклеозид және нуклеотид конформацияларының теориялық анализі және рентгенқұрылымдық зерттеулер көрсеткендей, бұл жерде рұқсат етілген конформациялардың ішінде син-және аняш-конформациялар деп аталатын екі облысы болады.
ДНК –ның кеңістіктік құрылымын зерттеудің бастапқы кезеңдерінде –ақ,сыртқы жағдайлар өзгергенде екі жақты уотсон-криктік ,яғни В-формадан өзгеше болатындығы анықталды. Рентгенқұрылымдық анализге даярланған препарат үлгілерінің ылғалдылылығы өзгергенде немесе ерітіндіде судың белсенділігі өзгергенде (мысалы спирт қосқанда) ДНК А-форма деп аталатын формаға ауысады.Бұл ауысу көмірсу қалдығының конформациясының өзгеруіне байланысты. Егер де ДНК-ның В-формасында дезоксирибоза қалдығы С2'-эндо-конформация күйінде болса, А-формаға өткенде ол СЗ'-эндо-конформация күйіне өтеді.Бұл фосфат топтарының арасындағы ара қашықтықтық азаюына,сондықтан да спираль осі бойындағы нуклеотид жұптарының арасындағы ара қашықтықтықтың азаюына алып келеді. ( шамамен бір спираль айналымына 11 нуклеотид қалдықтары 0,25нм).
Спиральдің диаметрі үлкейіп науашықтардың ені мен тереңдігі өзгереді негіздер жұптары спираль осімен 20°-тай бұрыш түзеді,ең бастысы спиралтдің шетіне ығысқан болады.Осының нәтижесінде спираль қалақшалы баспалдаққа ұқсас болып,оның ішінде диаметрі 0,40 нм қуыс түзіледі.
ДНК –ның А- және В-формаларының екеуінде де спираль оң жаққа оратылған.
Кейінірек сол жаққа оратылған спиральді ДНК-лар да табылған
Ең алғаш ретсол жаққа оратылған спиральді ДНК-лар d(GC)n полинуклеотидтерінде байқалған . Поли-(dG-dC) нуклеотидтер өзара комплементарлы және төмен иондық күші бар ерітінділерде оң екі жақты спиральдар түзеді. Тұздардың жоғары концентрациясында немесе спирт қосқанда бұл екі жақты спираль сол Z-формаға өтеді. ДНК-ның Z-формасының ДНК in vivo жағдайында болу –болмауы әлі.
ДНК денатурациясы мен ренатурациясы
ДНК макромолекулалық құрылымын стабилдейтін молекулаішілік әрекеттесулердің маңызды ерекшелігіне кооперативтілік қасиеті жатады.
Комплементарлы гомополинуклеотидтерден тұратын екі жақты спиральдар үшін бұл денатурация кезінде (мысалы жоғары температуралық) спираль құрылымдардың барлық звенолары бұзылады деген сөз. Мұндай процесті екі жақты спиральдің балқуы деп атайды.Оны балқу қисығы арқылы сипаттайды, балқу қисығы өз кезегінде балқу температурасымен Тт және екі жақты спиральдің бұзылуы жүретін интервалмен сипатталады. Тек қана AT- және тек қана G-C жұптардан тұратын екі жақты спиральдердің Тт арасында 40 0С айырмашылық болады.Сондықтан табиғи А-Т-және G-C жұптарына бай ДНК-лардың балқу қисығының сипаты молекуланың ұзына бойындағы учаскелердің таралуына байланысты болады. Мұндай ДНК денатурациясы кезінде жеке ұзын сегменттердің бірге (кооперативті) балқуы жүреді.
ДНК-ның молекулалық массасы ерітіндідегі фосфат топтарының теріс зарядтарын жауып қалатын (экрандайтын) катиондар концентрациясына байланысты болады сондықтан көптеген катиондар үшін олардың концентрациясы өскен сайын Тт де өседі.
4ДНҚ тәрізді РНҚ-ң да негізгі құрлымдық бірлігі нуклеотид болып табылады. РНҚ-ң ДНҚ-дан мынадай айырмашылықтары бар-
1. ДНҚ құрлымдағы көмірсу дезоксирибоза ал РНҚ-да рибоза. РНҚ-ң химиялық тұрақтылығы. ДНҚ-дан төмен РНҚ-ң судағы ерітінділері гидролизге ұшырайды. Осы қасиет РНҚ-ні зерттейтін қиындықтар туғызады.
2. ДНК РНК-нің арасындағы екінші химиялық айырмашылық РНК-ға 4 азотты негіздің біреуі өзгеше болады.
Атап айтқанда тиминнің орнында урацил болады. Тимин сияқты урацил тек аденинге ғана комплиментарлы болады.
3. ДНҚ мен РНҚ-ң арасындағы 3-ші айырмашылық егер де ДНҚ құрылымы жағынан қос тізбектен тұрса РНҚ негізінен жалғыз тізбектен тұрады.
4. ДНҚ эукариоттарда негізінен ядрода және аздаған мөлшерде митохондрияда пластидтерде кездеседі. Ал РНҚ ядрода оргоноидтарда және бос күйінде цитоплазмада кездеседі.
2) Клетка РНК-ң түрлерін 3-ке бөледі:
1. Ақпараттық РНК, и РНК.
2. Тасымалдаушы РНК т РНК.
3. Рибосомалық РНК и РНК.
Бұлардың барлығы тікелей ДНК – ы матрицада синтезделеді ақпараттық РНК клеткадағы барлық РНК-ң 3-5 пайызын құрайды. Кейде оны матрицалық РНК деп атайды. Өйткені ол ДНК-ң біршама бөлігінің көшірмесін өзінің бойында сақтайды. И РНК-ң ДНК тізбегінде синтезделу процесі транскрипция деп аталады. Информациялық ДНК-ң ең қысқа молекуласы шамамен 300 нуклеотидтен құралған. Олардың басым көпшілігі аз ғана уақыт өмір сүреді. Мысалы бактерияда бірнеше минут одан соң гидролизге ұшырап мононуклеотидке кетеді. Эукариоттарда олар бірнеше күн өмір сүруі мүмкін.
Рибосомалық РНК клеткадағы барлық РНК-ң 80% құрайды. Ең бірінші ашылған РНК-ң осы түрі рибосомалық РНК-ы кейбір хромосомалық ядролық ұйымдастырушы бөліктерде орындалуын ерекше гендер атқарады. рРНК цитоплазмада белоктармен байланысқан күйінде рибосома құрастыруға қатысады. Рибосома 60% р РНК-дан тұрады. Негізінің р РНК-да тізбектеле орналасу тәртібі барлық организмдерде бактериядан адамға дейін бірдей болады. Тасымалдаушы РНК – РНК-ң бұл түрінен бар екендігін Френсис Крик жормалдап, ал жорамалдың дұрыс екенін 1955 жылы Хогленд деген ғалым дәлелдеді. Тасымалдаушы РНК-ң молекуласы үлкен емес, ұзындығы 70-80 нуклеотид тізбегінен тұратын 2-лік құрылымды молекула. Бұлар и РНК-мен бірге белок синтезіне қатысады. Олардың қызметі рибосомаға амин қышқылын тасымалдау әрбір амин қышқылының өзіне тән тасмалдаушы РНК-сы болады. Кейбір амин қышқылын бірнеше түрлі тРНК тасмалдайды. Қазіргі уақытта 60 астам т РНК-ң түрлері белгілі. Тасмалдаушы РНК-ң 2-лік құрылымы беде жапырағына ұқсас болады. Бұл байланыстармен комплементарлы бөліктері сабақша түзеді. Ал бір тізбекті бөліктері тұзақ құрайды. РНК молекуласының 5 ұшында әр қашанда гуамин, ал 3 ұшында ЦЦА және 3І гидроксил тобы болады.
Фенилаланин т РНК-ң құрылысы.
Аминқышқылы тасмалдаушы РНК-ң 3І ұшында қосылады, басқа бөліктердегі нуклеатиттер тізбегі әр түрлі болуы мүмкін. Ортанғы тұзақтың басында т РНК-ң ерекше бөлігі ра 3 негізден құралған триплет орналасады. Әр түрлі аминқышқылының т РНК-ң осы бөлігі бойынша әр қашан айырмашылығы болады.
Тасымалдаушы РНК-да АЦГ негізінен басқа ерекше минорлы негіздер деп аталатын негіздер болады. Мысалы ашытқының фенилаланин т РНК-да псевдоуридин және дегидроуридин негіздері болады, сонымен қатар т РНК-ң кейбір негіздеріне метилрадикалы ра метилденеді әр бір тасмалдаушы РНК өздерінің антикадонына генетикалық код бойынша комплементарлы келетін аминқышқылын ғана байланыстра алады. Бұл процесі аминқышқыл т РНК синтетаза ферменті жүргізіледі. Бұл фермент АТФ-ң энергиясын пайдаланып аминқышқылын РНК-мен байланысады. Нәтижеде аминоцил т РНК комплексі түзіледі бұл комплекстегі акцепторлық ұшындағы А нуклеин пен аминқышқылының арасындағы байланыс энергиясы көрші аминқышқылдарының карбоксил тобымен пептидтік байланыс түзуге жеткілікті болады.
Молекулалық биологияда денатурацияланған ДНК-ның бастапқы екі жақты спираль құрылымын түзе отырып ренатурациялану қабілетін пайдаланады. Бұл құбылыс нуклеин қышқылдарының молекулалық гибридизация әдісінің негізінде жатады.Бұл әдіс әр түрлі ДНК-лардың ,сондай –ақ РНК-лардың сәйкестік дәрежесін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл үшін денатурацияланған ДНК-ны (егер де екі әр түрлі нуклеин қышқылдарының молекулалық гибридизациясы зерттелсе, онда оның біреуінің радиоактивті таңбасы болады) екі жақты спираль түзілуге оптимальді жағдайларға қояды.( ерітіндінің иондық күші 0,2 шамасында; температура нативті ДНК-ның Тт -нан— 10—20 0С төмен).Толық комплементарлы тізбек жағдайында олар толығымен екі жақты спиральді молекулаларға айналады.Ал егер де қоспада ДНК-ның комплементарлы және комплементарлы емес тізбектері болса онда ренатурациядан кейін екі жақты спиральді молекулалардың үлесін қандай да бір әдістермен анықтайды.
Қазіргі уақытта ДНК-ның белгілі бір типті молекулаларын нитроцеллюлозалық сүзгілерге бекітіп алып басқа типті ДНК немесе РНК-сы бар ерітінділерге батырады. Сүзгілерде екі жақты спиральды комплекстер түзгеннен кейін оларды байланыспаған ДНК-лардан бөліп алады.Бұлай жасауды гельдегі электрофорез арқылы ДНК немесе РНК-ның басқа тізбекпен комплементарлығын анықтау арқала бөлуде де қолданады.
ДНК ренатурациясы процесінің жылдамдығы мынадай теңдеумен өрнектеледі
С /Со═1/1+kCot '
мұндағы С — бір тізбекті ДНК концентрациясы ;
Со — ДНК-ның жинақ концентрациясы ;
t — время;
k — екінші ретті реакциялардың жылдамдық константасы
Бұл теңдеуден көрініп тұрғандай t уақыт мезетіне ассоцацияланып үлгермеген денатурацияланған ДНК үлесі С0t функциясы болып табылады.
Сондықтан ДНК ренатурациясы мына суретте көрсетілген координаталарда сипатталады. Ал оның маңызды сипаттамасына C0/t0,5 жатады, бұл кезде реассоциация 50%.-ке өтеді.
1960-шы жылдардың ортасында Д. Виноград және оның әріптестері кейбір бактериофагтар мен митохондриялардың ДНК-сы цикльді молекулалар түрінде болатынын ашты.Кейінірек көпшілік вирустық немесе клеткалық ДНК-лардың пішіні сақиналы болатыны анықталды. Егер де екі жақты спиральді ДНК-дан түзілген полинуклеотид тізбектері ковалентті тұйықталған болса олар екінші қайтара кеңістікте өздігінен қайта ашыла алмайды.
Сақиналы тізбектері ковалентті тұйықталған ДНК молекуласының маңызды параметрі екі біртізбекті сақиналалардың ондағы ілінісу реті. Ол Lk ретінде өрнектеледі және бірінші жуықтағанда екі спиралдік сақинада бір тізбектің екіншісін оратылу санына тең . Сонымен Lk, шамасының бүтін санды мәндері бар.Ең бастысы , Lk — берілген ковалентті байланысқан сақиналы ДНК тұрақты (инвариантты) шама .

Егер де осындай ДНК релаксацияланған күйде ,болса онда ешқандай кернеусіз бір жазықтықта орналасады,онда Lk=Tт, Тт -— берілген ковалентті байланысқан сақиналы ДНК-дағы оралым саны. Бірақ екі тізбектің ковалентті үздіксіздігін сақтап спиралдің айналым санын көбейтсек, Lk –ның инвариантылығы салдарынан мұндай өзгеріс асаоралымдар есебінен компенсациялады . Аса жоғары спиралденген ДНК-дағы аса оралым саны Wr белгіленеді ( ; оны жиі Раизинг деп атайды,англ . writhe -оралу ) және мына формуламен анықталады .
Wr = Lk—Tw.
Wr –оң немесе теріс мәнді болуы мүмкін. Коваленттік тұйықталған сақиналы ДНК-лар әрқашан теріс мәнді аса оралым мәнді болады
5
Осыдан алыс емес уақыттарда ,бар болғаны 70-жылдардың басында биохимиктер ДНК-ны клетканың ең зертелуі қиын компоненті деп есептеді.. Нуклеотидтардың төтенше ұзын , химиялық бір дауысты жүйелілігін тұқым қуалаушылық материалда тек жанама әдістердің - немесе құрылымды анықтай , немесе генетиқалық талдау арқасында мүмкін болды.
Осы шақта жағдай аса өзгерді.
Егер де ертеректе ДНК талдауы биологиялық молекулалардың құрылым зерттеушілеріне қиын мәселе болса, қазіргі уақытта , ДНК алғашқы құрылымдары талдаудың жаңа әдістері енгізілген кезде ерекше еңбекті талап етпейді.
Қазіргі уақытта ДНК-ның жеке учаскелерін қырқып алуға, оларды практика жүзінде шексіз мөлшерде алуға ,және нуклеотидтер кезектілігін күніне бірнеше жүз нуклеотид жылдамдықпен анықтауға болады..
Дәл осы әдістердің көмегімен экспериментатордың қалауы бойынша бөліп алынған генді өзгертуге және оны клетка дақылдарының геномына немесе жануар эмбрионына болады .Бұл жерде өзгерген ген қызмет ете бастайды.
Рекомбинанты ДНК технологиясы зерттеушілерге бұрын шешуге қиын мәселелерді шешу жолында бүкіл клеткалық биологияға әсер етті .Мысалы көптеген жаңадан ашылған белоктар мен жеке домендердің қызметін анықталды,эукариоттарда гендердің экспрессия механизмдерінің реттелу принциптері ашылды. Гендік инженерия әдістерінің көмегімен клетка пролиферациясы мен дамуды реттеуге қатысатын көптеген белоктарды үлкен мөлшерде алуға мүмкіндіктер ашылды.Осы әдістерді пайдалану бұрындары көп күш рен қаржы жұмсауды талап ететін белок табиғатты гормондар мен жасанды вакциналарды үлкен көлемде өндіруде табыстар әкелуі сөзсіз.. Т Рекомбинанты ДНК технологиясына көптеген әдістер :өзінің жаңа ,сонымен бірге басқа ғылымдардан да, мысалы микроорганизмдер генетикасынан алынған әдістер кіреді.
Олардың ішіндегі аса маңыздыларына мыналар жатады:
1) ДНК –ны арнайы рестрикциялаушы нуклеазалармен қырқу ,соның арқасында әртүрлі гендерді бөліп алу және олармен манипуляциялау жылдамдайды
2) ДНК –ның тазартылған фрагментінде нуклеотидтерді жылдам секвенирлеу ,соның арқасында әртүрлі гендердің нақты шекараларын анықтап олар коделейтін амин қышқылдық кезектілікті анықтауға болады.
3) Нуклеин қышқылдарын гибридтеу, соның арқасында РНК немесе ДНК-ның арнайы кезектілігін олардың комплементарлы кезектіліктермен байланысу қасиетіне сүйеніп үлкен дәлдікпен және сезімталдықпен анықтауға болады.
Рестрикциялы нуклеазалар ДНК-ны нуклеотид кезектілігінің арнайы учаскелерінде ғана қырқуға қабілетті болады.
Клеткаға еніп, одан соң трансформациялана алатын бөтен ДНК молекулаларынан қорғану үшін , көптеген бактериялар бөтен ДНК-ны жоя алатын рестрикциялы нуклеазалар ферменттерін жасап шығарады.Әрбір осындай фермент ДНК-дағы 4-6 нуклеотидтен тұратын арнайы кезектілікті таниды.Бактериялардың өздерінің геномындағы осындай кезектіліктер А мен С қалдықтарын метилдеу жолымен жасырылып қойылған болады,ал кез келген клеткаға енген бөтен ДНК молекулалары нуклеазамен дереу танылып оның екі тізбегі де нуклеазамен қырқылады.

Әр түрлі бактерия түрлерінен көптеген рестрикциялы нуклеазалар бөлініп алынған.Қазіргі уақытта әр түрлі фирмалар 100-ден астам осындай ферменттер өндіреді, олар нуклеотидтердің әр түрлі кезектіліктерін таниды. Жеке рестрикциялы нуклеаза ДНК екі жақты спиралін кез келген ұзындықта әр түрлі фрагменттерге бөліп тастайды. Ол фрагментерді рестрикциялық фрагменттер немесе рестрикт деп атайды. Әр түрлі ДНК фрагменттерін анализдей отырып рестрикциялық карта құрастырады онда әрбір рестрикция сайтының басқа рестрикция учаскелеріне қатысты орны көрсетіледі

ДНК –ны клондау кез келген ДНК кезектілігін үлкен мөлшерде алуға мүмкіндік береді
Көптеген рестрикциялы нуклеазалар ДНК қос тізбегіне бірнеше нуклеотид айырмасымен кесінділер жасайды ,нәтижесінде фрагмент шеттерінде қысқа бір тізбекті учаскелер қалып қояды. Бұл қысқа бір тізбекті учаскелер басқа қысқа бір тізбекті учаскелердің негіздерімен комплементарлы жұптар түзуге қабілетті ,сондықтан олар жабысқақ ұштар деп аталады.

Рестрикциялы нуклеазалар арқылы түзілген жабысқақ ұштар ДНК кез келген екі фрагменттерін егер де олар дәл сол рестрикциялы нуклеазалар арқылы үзілген болса жамауға мүмкіндік береді. Демек кез келген ДНК фрагментін плазмида немесе бактеиофаг сияқты авторепликацияланатын генетикалық элемент құрамына енгізуге болады. Осындай фрагменті бар бактериалық клонды осы ДНК фрагментін өндіретін фабрикамен салыстыруға болады. Осындай жолдармен ДНК молекулаларын көбейтуді ДНК –ны клондау деп атайды.

ДНҚ-ның нуклеотидтік тізбегін анықтау
Қосспиралді ДНК өлшемдері бір макромолекулаға келетін нуклеотид жұбы (н.ж.) арқылы сипатталады. Клеткалық немесе вирустық ДНК үшін олар үлкен шамада айырмашылығы болады Мысалы,аса көп зерттелген бактериалық плазмидалар көптеген вирус және бактериофаг ДНК-лары бірнеше мың нуклеотид жұбынан (н.ж.) тұрады.Бактериялардың жыныс факторлары, митохондрилар және хлоропласт ДНК-сы бірнеше жүз нуклеотид жұбынан (н.ж.) тұрады . Бактериялардың хромосомдары —бірнеше миллион нуклеотид жұбы (н.ж.), ашытқылапр хромосомдары шамамен 107 нуклеотид жұбын (н.ж.) құрайды.Адам жиынтық хромосомаларының ДНК ұзындығы 3-109 нуклеотид жұбын (н.ж.) құрайды
ДНК-ның нуклеотид кезектілігін анықтайтын заманауи әдістер бір ғана экспериментте 150—300 нуклеотид қалдықтарынан тұратын фрагменттерді секвенирлеуге {ағылш. sequence — кезектілік) мүмкіндік береді.Сондықтан Поэтому ДНК-ның бастапқы молекуласы алдын ала фрагменттеледі.Олүшін көбінесе ДНК-ны рестриктазалармен гидролиздейді.

Бұл фрагменттердің нуклеотид кезектілігін анықтаған соң бүкіл ДНК-ның бірінші реттік құрылымын анықтауға мүмкіндік береді.
ДНҚ-ның нуклеотидтік тізбегін анықтаудың екі принципті айырмашылығы бар әдістері бар.Оның біріншісін А. Максам мен У. Гилберт ұсынған .Ол полинуклеотид тізбекті арнайы химиялық ыдыратуға негізделген. ДНК -ны Максама —Гилберт әдісі бойынша секвенирлегендегі операциялардың реті жалпы түрде мына суретте көрсетілген.

Бұл әдістің негізгі принциптері мынадай:
1. Радиоактивті таңба енгізілген ДНК фрагментінің ұшы гомогенді болуы керек.
2.Анализделетін ДНК тізбегінің үлгісі 4 бірдей порцияға бөлінеді,және химиялық модификация жағдайлары осы 4 порцияның әрқайсысында реакцияға бір немесе екі пурин немесе пиримидин негіздерінің біреуі ғана қатысатындай етіп таңдалады.; пуриндік негіздерді N7-aтом бойынша диметилсульфатпен метилдейді, пиримидинді негіздерді гидразинмен өңдеу арқылы ыдыратады; химиялық реагенттермен өңдеу екі жағдайда да модифицирленген мономерлі звеноның түзілуіне әкеледі,оны полинуклеотид тізбектен бөліп алуға болады.
3. Химиялық модификация шектелген жағдайларда жүргізіледі..
4. Негіздерді бір нуклеотид қалдығна дейін дәлдікпен анықтауға болады.
5 Фрагменттердің ұзындықтарын жоғары сезімтал полиакриламид гелінің жұқа қабатындағы электрофорез әдісі арқылы анықтайды. Электрофорез жоғары температурада 7 М мочевина бар буферлік жүйеде жүргізілгендіктен фрагментердің екінші реттік құрылымы бұзылады
Екінші әдісті Ф. Сэнгер әріптестерімен жасаған .Оның негізінде ДНК-полимеразалық реакция жатыр.Әдістің принципі суретте көрсетілген

Қазіргі уақытта Максам – Гилберт және Сэнгер әдісі сияқты әр түрлі әдістер бар және оларды толық автоматтандыруға сәті түсті . Дәл осылай , мысалы , ДНК секвенирлеу үшін праймердің 5'- ұшына соңына флоуресценциялық таңбаларды енгізеді , және де әрбір талданатын нуклеотидтардың төртеуінің әртүрлі спектрлік мінездемелерін анықтауда флоуресценциялаушы агенттерді қолданылады . Барлық биохимиялық операциялар роботпен өткізіледі .
ДНК толық нуклеотидті жүйелілігін анықтауда автоматтардың қолдануы принципті түрде кез келген организм геномын адамның геномын да анықтауға мүмкіндік береді .
6 Белок биосинтезінің және нуклейн қышқылдың синтездің басқа биохимиялық реациядан ерекшелігі процеске ферменттпен субстраттан басқа арнайы нуклейн қышқылының молекуласы матрица қатысады. Мұндай процестерді матрицалық процестер деп атайды. Оларға негізінен 3 процесс жатады.
Репликация (қайталау).
Транскрипция (ағыл: көшіру).
Трансляция (аударып көшіру).
Полимер тізбегінің синтезі 3 негізгі элменттен тұрады.
Инициация.
Элонгация.
Терминация.
Инициация деп – түзілетін полимер тізбегінің мономер буындары арасындағы алғашқы байланыстың түзілуін атайды.
Эломгация деп - өсіп бара жатқан полимердің тізбегіне кезекті мономердің қосылуын, яғни тізбектің ұзаруын айтады.
Терминация деп – арнайы сигнал әсерінен тізбектің өсуі мен тоқтауын айтады. Эломгация процестерінің әрбір актісі 3 негізгі элементтен тұрады.
Мономердің іріктелуі.
Химиялық түрленулер.
Транслокация.
Кез келген клетка бөлінер алдында оның ДНҚ молекуласы екі еселенеді және соның нәтижесінде ұрпақ клеткалары алғашқы аналық клеткадағыдай ДНҚ молекуласына ие бо-лады. Олай болса, бөлінетін клетканың ДНҚ-сы дәл өзіне ұқсас тағы бір ДНК молекуласын қалай жасайды?
1940 жылы Л. Полинг пен М. Дельбрюк ген (ДНҚ) өзінше бір бейненің қалыбы секілді, ол қалыпқа саз балшық құйып, оның формасын алуға, содан кейін осы формадан қалып етіп пайдаланған алғашқы форманы қайтадан жасауға болады деген пікір айтқан. Яғни, бұл геннің алғашқы құрылымына комплементарлы ДНҚ құрылымы жасалады, одан алғашқы құрылымға сәйкес ДНК пайда болады деген соз. Шынында да ДНҚ-ның бір тізбегін бір бейне десек, оған комплементарлы екінші тізбек оның кері бейнесі болып табылады. Демек, Уотсон мен Крик көрсеткен ДНК-ның еселенуінің немесе репликациясының жүру жолы шын мәнінде Полинг пен Дельбрюктің болжамын қайталау десе де болғандай.
Сонымен, ДНҚ мынадай жолмен екі еселенеді. Алғаш спиральдың екі тізбегі бір нүктеден бастап ажырай бастайды. Сонан кейін бір-бірінен алшақтап ажыраған әрбір тізбектердің бойына, оларға сәйкес жаңа тізбек синтезделіп, жана тізбек жасалу барысында ажыраған екі тізбекпен өзінің азоттық негіздері арқылы байланысып, онымен өз алдына жаңа спираль құрай бастайды. Сөйтіп алғашқы ДНҚ-ның екі тізбегі толық ажырап болғанда, екі жаңа спи-раль да жасалып бітеді. Алғашқы ДНҚ тізбегі ажырамай тұрғанындағы екінші ескі тізбегіне толық ұқсас боладыӘрине, бұл процесті де клеткадағы ферменттер жүргізедлі. ДНК тізбектерінің бағытгары қарама-қарсы екені белгілі. Жұмысына өте мұқият ферменттер жаңа тізбекті тек бір бағытта, яғни 5'— 3' бағытында ғана жасайды. Олай болса, ферменттер ажыраған тізбектердің біреуінің бойымен жаңа тізбекті жоғарыдан төмен қарай, ал екіншісінің бойымен төменнен жоғары қарай синтездейді. Ең қызығы жаңа тізбектер үздіксіз жасалмайды, ескі тізбектің бойында бірінен кейін бірі шағын ДНҚ фрагменттері пайда болып отырады. Ондай фрагменттердң ұзындығы қарапайым бактерияларда 200 нуклеотидтен тұрса, күрделі организмдерде ол 2000-ға жуык. Осындай фрагменттерді алғаш байқаған жапон ғалымы Р. Оказаки, сондықтан оларды оказаки фрагменттері деп атайды.
1953 жылы Дж. Уотсон жоне Ф. Крик ұсынган ДНК құрылымының „үлгісі (моделі) генетикалық хабардың кодын (шартты қысқарту). м у та ц и я л ы қ ө з г е ргіштіктің және гендердін көшірмесінің (ДНК молекуласының бөліктері) а л ы н у ы н т ү с і н у ге мүмкіншілік берді. 1957 жылы М. Мезельсон мен Ф. Сталь, Дж. Уотсоп және Ф. Криктің бактериялық клеткадағы ДНК-ның жартылай консервативті түрде екі еселенуі (репликация) жөніндегі көзқарасын дәлелдеді . Ал Г. Стент ДНҚ екі еселенуінің үш түрін ұсынды:
1) консервативтік (лат. "косервативус" — сақтаушы, негізгі пішіін сақтау) еселенуде ұрпақтық ДНҚ-ларда аналық ДНҚ-нын материалы болмайды;
2) жартылай консервативтілік түрінде ДНҚ-ның жаңа молекуласыиыц бір тізбегі аналық ДНҚ-дан болса, екіншісі — жаңадан құрылған тізбек;
3) дисперсиялык (лат. "дисперсис" — шашырау, бытыраңкы) түрінде аналық ДНҚ-нын материалы кездейсоқ, шашырап жана ДНҚ молекуласында орын алады.
М. Мезельсон мен Ф. Стальдың зерттеулері осы үшеуінің ішінен ДНҚ-ның жартылай консервативті екі еселену түрін таңдап алуға көмектесті. ДНҚ екі еселенуіпің жартылай консервативті жолмен жүруін дәлелдеу Дж. Уотсон мсн Ф. Криктің жасаған ДНҚ молекуласъшың үлгісінің дұрыстығының айғағы болды.
Сонымен ДНҚ еселенуі онын тізбектерінің ажырауынан басталады дедік. Ол тізбекгерді хеликаза (хеликс-спираль) — дезоксирибонуклеаза ферменттсрі — ДНК молекуласының бойымсн екі бағытта жоғары жәнс төмен ажыратады. Нуклеотидтср жұптары меи ДНҚ~ның шиыршықты тізбегінің арасындагы сутектік байланыстары молекуланың бір жақ шетінде бірте-бірте үзіле бастайды және (ДНҚ) тізбектердің екеуі де бірінен бірі босай отырып, жазылады. Осылайша жазылған тізбск, өзінің қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының калдықтары арасындағы байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаган ортадан клеткада жинақталған бос нуклеотидтер бар, олар ДНҚ~ ның жазылған тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ ол косылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклсотид қана жуықтап, жалғаса алады, Бұл жазылган тізбекке басқа, ДНК,-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі молекуласы найда болады, олардың әрқайсысында қайтадан жинакталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен түзілген молекулалар ДНК,-ның аналық, молекуласына мейлінше ұксас келсді. Мұнда генетикалык материалдың құрамы да сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жасала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНК, тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі жаңа тізбекті праймаза (РНК, — полимераза) ферменті ғана бастай алады. Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ — полимераза — 3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагментін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ полимераза — 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНК, тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНК-лигаза" деген ферментке келеді, Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп нуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНК полимераза - 2" ферменті көптегсн фрагменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің ңуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексереді. Егер қандай да бір нуклеотид өз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды.
Осындай әр түрлі қызмет аткаратын ферменттердін үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық, белгіні ДНК арқылы-синтездей алады, өиткені матрицалық тізбектің соңы бос 3'— ОН тобынан басталған, дәл осы соңғы бөлікке ғана өсетін ДНҚ тізбегінің келесі нуклеотиді комплементарлық ережеге сәйкес қосыла алады. Бұл тізбектің сннтезделуі, екінші тізбекке қараганда сәл ерте басталады, сол себепті ол «бастаушы» тізбек деп аталады.
ДНҚ-ның екінші 5'—►3' бағытындағы тізбектің («артта қалған») синтезделуі үзілмелі түрде жүреді, Бұл тізбекті ДНҚ-полимераза III ферменті бірден өздігінен синтездей алмайды. «Артта қалган» тізбек синтезін қоздыру үшін ен; алдымен РНҚ-ныц қысқа фрагменті (ұзыпдығы 50 нуклеотидке дейін) қажет. Бұл қысқа кесінді праймер (немесе қоздырыш) деп аталады, олардың синтезделуі праймаза ферменті (РНҚ-полимераза ферментшен өзгсшелігі — иолекулальиқ массасы әлдеқайда төмен және транскрипция процесіне тікелей қатынаспайды) қамтамасыз етеді. Праймердің 3'—• ОН — ұшы ДНҚ-полимераза III ферментіне ДНҚ-ның 5'—>3' бағытындағы тізбегінің синтезделуін бастау үшін қоздырушы болып табылады.

7
Рибонуклеин қышқылының ДНК тізбегінде түзілу процесі транскрипция деп аталады. Транскрипцияның механизімін Вейс деген ғалым өзінің әріптестерімен бірге ашқан. Олар РНК полимераза ферментін бөліп алған. РНК синтезінің субстраТТАРЫ рибонуклеазиД 3 фосфаттар атап айтқанда АТФ, ЦТФ, ГТФ және УТФ. РНК тізбегінің ДНК-да өсуі 5 3І бағытында жүреді. ДНК-ң қос тізбегінің тек біреуі ғана транскрипцияланады. Бұл тізбекті матрицалық тізбек және (-) – тізбек деп аталады.
2-ші тізбекті матрицалық емес немесе (+) тізбек деп атайды. ДНК-ғы РНК-ң транскрипциясы комплементарлық принцип бойынша жүреді.
ДНК транскрипциясы ининциация, элонгация және терминация деп аталатын. 3-сатыдан тұрады. Бұл процесте ДНК-ға тәуелді РНК полимераза ферменті басты роль атқарады. Осы ферменттің көмегімен клеткалардың барлық РНК типтері (и РНК, т РНК, р РНК) синтезделеді. Прокариоттарда осы үш түрлі РНК-ң синтезіне жалғыз РНК полимераза қатысады. Ал эукариоттарда 3 түрлі РНК полимераза кездеседі. Ішек таяқшасы бактериясының РНК полимеразасы голофермент және фермент комплексі болып табылады. Молекулалық массасы 390 мың (килоДальтон) КДА келетін бұл фермент молекулалық салмақтары әртүрлі 6 субб бөліктен бөліктен тұрады. Атап айтқанда және (сигма) бөліктерден тұрады. Осындай комплекстен тұратын РНК полимеразаны толық фермент немесе голофермент деп атайды. Ал фактордан айырылған фермент минимальды фермент немесе кофермент деп аталады.
Инициация процессі өтуі үшін алдымен голофермент ДНК-ң промотор деп аталатын бөлігін тануы керек. Промотор инициация учаскесінің алдында орналасады және шамамен 40 жұп негізден тұрады. Голофермент инициация нүктесіне шамамен 6-10 азотты негіз қалғанда промотормен байланысады да ДНК-ң қос оралмасын тарқата бастайды. Сөйтіп промотор комплексі түзіледі. Барлық промотордың ферментпен байланысу бөлігі ТАТААТ негіздер қатарынан құрылған. Оны Прибнов тізбегі деп атайды. Промотордан кейін инициация бөлігі басталады. Оның бірінші бөлімі бастама алу нүктесі деп аталады. Ол 7 нуклеотид жұбынан тұрады. Бастама алу нүктесінің 1-ші азотты негізі әр уақытта аденин немесе гуанин болады. Осы негіздерден бастап терминациялық кодонға дейін комплементарлы ережеге сәйкес аденинге урацил тағы сол сияқты қосымша РНК-ң жаңа молекулалары ДНК тізбегінде синтезделеді. РНК-ң элонгациясы 8-ші рибонуклеотид қосылғаннан кейін басталады. Бұдан ары РНК полимераза құрылымдық өзгеріске ұшырайды. Яғни ол субб бөліктен айырылып коферменттке айналады. Бұдан соң элонгация процесі басталады. Фермент ДНК тізбегін түзеді. Бұл процесс секундына 50 нуклеотид тізбегіне дейінгі жылдамдықпен жүреді. РНК тізбегінің өсуінің тоқтауы яғни терминация ДНК-ң ерекше бөлігі терминаторларда жүреді. Терминация кезінде ДНК РНК гибридін біріктіруші сутектік байланыстар үзіліп ДНК-ң қостізбекті құрылымы қалпына келеді. Терминация сигналдары полиндромды тізбектер құрайды. 2 басынан оқығанда бірдей оқылатын тізбектерді осылай атайды. Ген соңының полиндромды болуы терминация рөлін ойнайды. РНК полимеразаның артынан ерекше р белок ілесіп отырады. Фермент палиндромға тоқтаған кезде р белок оған жетіп алып терминация процесін іске асырады. Эукариоттарда РНК полимеразасының құрылысы күрделірек және аз зерттелінген. Ядрода 3 түрлі РНК полимеразасы кездеседі.
1. РНК полимераза І ядрошықта орналасқан. Ол рибосомалық РНК-ң транскрипцияларына жауапты болады.
2. РНК полимераза ІІ бұл фермент нуклеоплазмада болады. Ол ақпараттық РНК-ң ата-тегі гетерогенді РНК синтезіне жауапты болады.
3. РНК полимераза ІІІ. Ол нуклеоплазмада болады. т РНК және кіші РНК синтезіне жауапты.
8
Эукариоттарда транскрипция нәтижесінде өзінің қызметтерін атқаруға дайын емес РНК-р түзіледі және олар ДНК-ға толық сәйкес синтезделеді. Мұндай РНК-лар әртүрлі (гетерогенді) тізбектерден эгзон және интрондан құралған. Осыған байланысты оны гетерогенді ядролық РНҚ га РНК деп аталады. Жаңадан түзілген я РНК-ң ұзын тізбегі белок синтезіне біден кіріспей алдымен ферменттік түрлерге ұшырайды. Бұл процесі процессинг деп аталады.
Процессингке мынадай реакциялар кіреді.
Ұғым тізбекті транскриптің фрагменттелуі.
РНК ұштарына кейбір нуклеотидтердің қосылуы.
Азотты негіздермен рибоза қалдықтарының модификациясы.
Мұндай реакциялар арқылы т РНК мен р РНК түрленеді. Ал и РНК-ң түрленуі күрделі жолмен жүреді. Олардың процессинге 3 кезеңнен тұрады –
Қалпақ кигізілуі (кэпирования).
3І ұшының полиаденилденуі.
Интронның кесіліп экзондардың бір-біріне тігілуі (сплайсинг).
КЭП (ағыл: қалпақ) деп – 7-ші көміртек атомына метил радикалы жалғасқан метилгуатозин КЭП и РНК-ны ыдрататын ферменттерден қорғайды және сплайсинг басталарда күрделі ферменттік жүйені таниды.
Полиаденилдену деп - РНК-ң 3 ұшына 150-200 дей тек аденин нуклеотидінен тұратын тізбектің жалғануы оны поли Ф-полимераза ферменті жасайды. Ол сплайсинг үшін белгі болып табылады. Сплайсинг нәтижеде интрондық бөліктер кесіліп экзондар бір-біріне тігіледі.
Прцессингтің негізгі кезеңі гя РНК-ң сплайсинг болып табылады. Бүгінгі күні көптеген ғылыми топтардың Б.Кэллер, Ф.Шорт, Т.Мантияс, К.Жак т.б. күш салуымен сплайсингтің негізгі кезеңдермен кейбір механизмдері ашылған.
Cплайсинг кезеңдері.
Сплайсинг процесі бойынша кезеңнен тұрады-
1. Кезеңде интронның 5І ұшындағы фосфодиэфир байланысы үзіледі. Ары қарай осы үзілген ұш 30 нуклеотид қашықтықта орналасқан учаскеге ауысып аденозиннің 2-ші гидроксил тобы мен қосылады. Осының нәтижесінде гетерогенді РНК-ң тармақталған құрылымы лассо тұзақ немесе құйрығы бар сақина түзіледі. Сплайсингтің 3-ші кезеңде интрон лассо түрінде үзіліп экзондардың арасында қалыпты фосфодиэфир байланыстары түзіледі. Сплайсинг процесін ферменттер кіші ядролық РНК-лар Кя РНК жүргізеді. Олардың құрамында уридин көп болғандықтан J РНК деп аталады. J РНК бойынша түрлері бар – J1 J2 J3 J4 J5.
J1 – сплайсингтің 1-ші кезеңінде қызмет атқарады.
J2 – лассоның түзілуі яғни 2-ші кезең үшін қажет.
J5 – сплайсингтің 3-ші кезеңінде қызмет атқарады.
J3 J4 – дің қызметтері әзірше белгісіз.
Сплайсингтің механизмі.
Барлық РНК-ға тән бірдей сплайсингтің жалпы механизмі жоқ. Бүгінгі күні эукариоттарда сплайсингнтің 4 түрлі механизмі белгілі:
1. Ашытқының т РНК-ң сплайсингі үзілу тігу ферменттері арқылы жүреді.
2. Инфурозияның р РНК-ң сплайсингі үшін РНК-ң өзі катализдік қызмет атқарады. Мұндай процесті аутосплайсинг деп атайды.
3. Ашытқы митохондриясының РНК-нан интронды бөліп тастауы интронның өзінің өнімі арқылы іске асады.
4. Жоғары сатыдағы эукариоттың гЯ РНК-ң түзілуі Экзон интрон шекараларында орналасқан қысқа кононды тізбектерде өтеді.
1980 жылдың басында АҚШ генетигі Д.Ж.Абелсон invitro жағдайында ашытқының т РНК-ң интрондарын кесуге қабілетті ферменттерді тапты. Бұл ферменттер нуклеоазалар деп аталады. Ол транспорттық РНК-ң 2-лік құрылымдағы конформациялық өзгерістерді ра осы өзгерістерді туғызатын интрон учаскесін қырқып тастайды.
1982 жылы АҚШ ғалымы Т.Чех инфузорияның гя РНК-ң таңқаларлық сплайсинг механизімін ашты. Invitro жағдайында 400 нуклеотидтен тұратын интронды РНК ешқандай ферменттің көмегінсіз өзін-өзі үзе алады. Ортада РНК-дан басқа тек магниионы және ГМФ гуанозинмонофосфат немесе ГДФ, ГТФ-ң молекулалары ғана болған. Осындай аутокатализатор сплайсинг бірқатар басқа жағдайларда табылды. Бұл революциялық жаңалық өйткені осы уақытқа дейін аутокатализдік активтік тек белоктарға ғана тән деп саналып келген еді. Осыған байланысты тірі материяның алғашқы формасы өзін-өзі өндіре алатын РНК молекуласы деген эволюциялық теориялар ғылыми деректерге ие болады.
Лекция 9.
Генетикалық код
Жоспары:
1.Митохондриядағы гендер транскрипциясы.
2. Жоғарғы сатылы организмдер транскрипциясы реттелуінін үлгісі.
3.Генетикалық код. Оның негізгі қасиеттері.
4.Кодон құрылымы.
Лекция мәтіні:
Ген ДНҚ-дан тұратыны ал ДНҚ қос тізбекті шиыршық екені белгілі. Егер ДНҚ шын мәнінде гснстикалық молскула болса, ол бслгілі бір ферменттің құрылымын да белгілсуі тиіс. Уотсон мен Криктің пікірі бойынша ДНҚ-ның нақ осы ролін молкуласындағы нуклеотидтсрдің жүйслілікпеи орналасуымсн түсіндіругс болады, мұнда ДНҚ тізбектеріндегі торт нуклеотид кезектесіп отырады. Бірақ, ферменттер химиялық жа-ғынан белоктардың молскулалары, ал соңғылардың күры-лымдық элементтері - амин кышқылдары болып табыла-ындықтан, ол қышқылдардың белок молекуласында (демек, ферменттердікі де) орналасу реті ДНҚ молекуласын-дағы нуклеотидтердің орналасуына, дәлірск айтқанда, нуклеотидтердің ДНҚ молекуласының тізбектерінде орналасуына қарай белгіленеді.
Тұқым қуалау информациясы ДНҚ-да калай жазылған? Бүл мәселені алғаш 1954 жылы көтерген физик Г. Гамов болатын. ДНҚ-ның құрылысы толық анықталғаннан кейін бір жылдан соң, белоктағы амин қышқылдарының орналасу тәртібі ДНҚ-ның бір тізбегіндегі төрт түрлі нуклеотидтердің белгілі тәртіппен тізбектелу жолы арқылы белгіленуі керек деген ой түйді. Г. Гамов клеткада ДНҚ-ның төрт әріпті (нуклеотидті) тілін жиырма әріпті (амин қышқылдары) белок тіліне аударатын "сөздік болуы керек деп санады.
ДНҚ-ның тізбегінде төрт түрлі нуклеотидтермен жазылған нақты бір белоктың аты сол белоктың гені болып табылады. Ал енді ДНҚ-дағы нуклеотидтік "өріпң қалай күрылған?
Генетиктердің, биохимиктердің, цитологтар мен басқа да мамандардың күш салуы арқасында қазіргі уақытта гене-тикалық кодтың негізгі белгілері айқын болды.
Ф. Крик бастаған ғалымдар 50-60-жылдары жүргізген зерттеулерінің нәтижесінде әр амин қышқылына ДНҚ-дағы үш негіз сәйкес кслетінін (сол үш нуклеотид амин к,ышқы-лының аты болып табылады) ашты. Оны кодон деп атады.
Бір объектіні басқа объектілердін жәрдемімсн бейнелеуді кибернетикада кодпен жазу деп атайды.
Белок құрамына 20 түрлі амин қышқылы кіреді. Сондықтан нуклеотидтік кұрылысы бір-біріне ұқсамайтын 64 кодон алуға болады (43 = 64). Артык, 44 кодонның не ксрегі бар? Біріншіден, амин қышқылдарының орқайсысына бірнеше кодон сойкес келеді, екіншіден, үш кодон ешбір амин кышкылына сойкес келмейді, олар мәнсіз (нонсенс)
кодондар - УАА, УАГ жәнс УГА ДНК-дағы АТТ, АТЦ және АЦТ сойкес. ДНҚ-дағы гендер осындай мопсіз кодоидармен бітсді жонс соның нотижесінде кодондармен жазылған бело-ктың "атың тиянақты болып шығады. Амин қышқылдары-ның кодондық белгілері тікелей ДНҚ-да анықталған жок.. Ол үшін геннің дол көшірмссі болып табылатын иРНҚ-ның қызметі пайдалаыады. ДНҚ-дағы геннің нуклеотидтік құра-мын сойксс нуклеотидтсрмен (Т-ның орнына ол урацилді (У) қолданады) өз бойына жазып алған соң иРНҚ сол хабармсн белок жасайтын рибосомаға келеді. Рибосома иРНҚ тізбегіндегі кодондарға қарап отырып сәйкес амин қышқыл-дарын бір-бірімен тізіп, жалғастыра береді.
1940-шы жылдарда американдық генетиктер — Дж. Бидл мен Э. Тейтум клеткада әр ферменттің пайда болуын және активтілі белгілі бір генмен бақыланатынын эксперимент ретінде көрсетті, олардың теориясы "бір ген - бір фермент деген дәлелмен сипатталады. Бұл ғендерді тануда чбір адым ілгері аттау еді, ол кезде гендердің өзі белоктар деп са-налған. 1961 жылы Пастер институтының қызметкерлері Ф. Жакоб пен Ж. Моно ДНҚ белоктар жинағын тікелей басқармайды деген ғылыми болжамды үсынды. Сарапшы ролін РНҚ-ның ерекше молекуласы орындайды, оның структурасы ДНҚ молекуласының қос спиралін жазған кезде пайда бола-ды, бүл жағдайда ДНҚ-ның жазылған тізбегінде РНҚ-нің тізбегі түзіледі, мүнда нуклеотидтердің орналасуы олардың ДНҚ тізбегінде орналасуына сәйкес келеді. Нуклеотидтерді олардың органикалық қосылыстары аттарының бас әріптерімен белгілейік. ДНҚ-ның жазылған спйралінде нуклеотидтердің төменде келтірілген реті бойынша тиісті "жұппен және нуклеотидтердің қосымша орналасуымен РНҚ тізбегі пайда болуға тиіс, атап айтқанда ДНҚ тізбектеріне РНҚ тізбегі жауап қайтарады.
Озі түзіліп болғаннан кейін РНҚ тізбегі ДНҚ тізбегінен ажырайды және клетканың ферменттер жинақталатын жеріне ауысады. Келтіріліп отырған схемадағы РНҚ-да нуклеотидтердің төрт үштігі бар және егер Жакоб пен Мононың гылыми болжамы түрғысынан алсақ белоктың келешектегі молекуласында төрт амин қышкылының ретін белгілейді. Белоктың макромолекуласы РНҚ молекуласын-Дағы информацияның неғүрлым сиымды болуын талап
етеді, мұнда белоктың макромолекуласыыа амин қышқыл-дарынын, қанша молекуласы жалғасатын болса, нуклеотидтердің соншалыкты үштігі болуға тиіс.
Генетикалық ақпарат химиялық тұрғыдан алғанда РНҚ молекуласы үшін ДНҚ-мсн "хабарласатын" болғандыктан, РНҚ "хатты", яғни белок молекуласын жинақтау жөніндегі ақпаратты иРНҚ одан әрі жөнелтеді. Әринс, мүндай үғым, олі де болса ғылыми болжам, экспериментті түрде долелдеуді талап еткен сді. Ол долслді 1961 жылы американдық биохимик М. Нирнберг экспсримснт арқылы дәлелдеді. Ол арнайы тәсілдерді қолданып бактериалардьщ (ішек таяқшасының) клеткаларын ыдыратты және бело-ктарды жинақтауға қабілетті келетін клеткасыз масса алды. Одан кейін Жакоб пен Моно шамалаған иРНҚ-ны жасанды иРНҚ-га алмастыруды, оны соңғы химиктердің тілінде по-лиуридил қышқылы (қысқартып жазғанда поли — У) деп атады және әдеттегі табиғи иРНҚ-ға (А, У, Ц, Г) қажетті нуклеотидтердің төрт типінін орнына тек қана біреуін -уридил қышқылын (У) қалдырды.
Поли - У РНҚ тізбегін мына күйде түзеді: ...У-У-У-У—У—У—... Поли-У-ды клеткасыз массаға еңгізу елеулі нә-тиже бере қойған жоқ: әртүрлі 20 амин қышқылдарынан белоктар құрамына бір ғана амин қышқылының — фенилаланиннің молекуласы енді. Одан тек қана белоктар-дың макромолекулалары, яғни полифенилаланин түзілді. "Нуклеотидтік үштіктерге" (триплеттерге) сөйкес поли - У-да триплеттер У-У—У тізбегін түзді. Бүлар фенилаланин молекулаларын белоктарға қосу үшін "кодон" болып табы-лады. Осы зерттеулер өткеннен кейін көп кешікпей Нирн-берг фенилаланиннің түзілуі үшін иРНҚ-ны ауыстыруға тиісті тағы бір клеткалы РНҚ қажет екенін хабарлады. Әрбір амин қышқылы үшін клеткада осындай транспорт-тық РНҚ-ның (тРНҚ) ерекше түрі болуға тиіс.
1957 жылдың өзінде Корнель университетінен Р. Хол-ли тРНҚ-ның бар екені жөнінде хабар жариялаған. Ал 1961 жылдың қарсаңында клеткаларда тРНҚ-ның ор түрлі типтерінің болатыны анықталды, олар тиісті ферменттер бо-лған кезде белгілі бір амин қышқылдарымен қосылады. тРНК-мен осылайша аралық күйде қосылғанда амин қыш-қылдары белоктардың жинакталу орнына ауысады дсп жо-рамалдаған еді. 1956 жылы Холли аланинді ауыстыруға бейімделген тРНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің орна-ласуын анықтады. Тағы бір үлкен жаңалық американдық үнді ғалымы X. Г. Корана болды. Ол РНҚ тізбегін химиялық жолмен қолдан жасап алу әдісін тапты. Соның нәтижесінде 2 жыл ішінде барлық амин кышқылына сәйкес келетін 61 кодон толық аныкталды. Төменде әртүрлі амин қышқылдарына сәйкес кодондардың кестесі берілген (жақша ішінде ДНҚ-дағы сойкес негіздер көрсетілген).
Сөйтіп амин қышқылдарына сәйкес келетін кодондар иРНҚ тізбегі үшін анықталды. Бүдан ДНҚ-дағы сөйкес кодондарды табу орине оте оңай. Амин кышқылдарының кодондармен осылай белгіленуі барлық организмдерге тән екенін кейінгі зерттеулер керсетті.
Генетикалық кодты зерттеу жалпы биологиялык зор маңызы бар жаңалық ашута мүмкіндік берді. Кодтың негізгі қасиеттері белгілі болды.
Код триплетті (үштік), яғни бір амин қышқылы кодон деп аталатын үш негізбен анықталады. ДНҚ-да негіз бар, белокта — 20 амиы қышқылдарының қалдықтары; синглетті (жалғызданған) код төрт амин қышқылын ашады, дублетті (қосарланған) код — 4-4=16 амин қышқылын, ал триплетті 4 х 4 х 4 = 64 ортүрлі кодон түзе алады. Код бірін-бірі жаба алмайды, яғни белгілі бір иуклеотид коршілес скі триплеттің құрамына бір мезгілде ене алмайды. Егср негіздер АВСДЕҒНІ ретінде орналасса, АВС бір амин кышқылын, ДЕҒ — екіншісін анықтайды т.с.с. Егер код бірін бірі жабатын болса АВС бір амин қышқылын, ал СДЕ екіпшісін анықтаған болар еді. Код молшылықтан "азғын" болуы мүмкін, яғни белгілі бір амин қышқылын бірнеше кодон анықтайды (20 амин қышқылына 64 кодон). Кодтың өзіне тон сипатты болады, яғни оны оку әрқашан да белгілі бір орыннан басталады. Кодта үтір болмайды, яғни бір ко-донды екіншісімен бөлетін белгі жоқ. Код әмбебап болады. Бірдсй триплеттер әр түрлі организмдерден (бактериялар, сүтқоректілер клеткасы) алынған клеткасыз жүйелердегі бірдей амин қышқылдарын кодпен анықтайтыны көрсетілді. Код вирустар, балдырлар және теңіз кірпісі ушін әмбебап болып шықты.
Генетикалық кодтың ашылуы және белоктың (іп ұііга) организмнен тыс синтезі ғылымдағы тірі табиғаттың бірлігі жөніндегі мәселені мүлде жаңаша қойды. Бүл жаңалық бе-локты қолдан синтездеу әдісін меңгеру және бүл арқылы тірі материяның мәнін неғүрльгм терең танып білу жолын-дағы маңызды қадам болып табылады.
Лекция 10
Жоспары:
Белок биосинтезі.
Трансляция аппараты.
Транспортгық РНҚ. тРНҚ-ның бірінші, екінші және үшінші реттік құрылымы.
Антикодон. Аминоацил тРНҚ-синтетаза құрылымы. Аминоацилдену механизмі. Аминоацилдену реакциясының арнайылығы.
Про- және эукариоттардағы рибосома құрылымы.
мРНҚ-ның прокариоттардағы трансляциясы, этаптары және оның механизмдері, реттелуі.
Бактериялардағы трансляция процесінің инициациясы және оның этаптары. Трансляция элонгациясы.
Элонгацияның белоктық факторлары. Трансляция процесінің терминациясы.
Лекция мәтіні:
Клетка белок синтезі өте күрделі және көпсатылы процесс. Бұл процеске 20 түрлі амин қышқылдары АТФ,ГТФ магнит ионы алуан түрлі ферменттер Т-РНК-ң барлық түрлері М – РНК , рибосома инициация , элонгация және терминация фак/ры қатысады. Белок синтезі процессін шамамен 4 негізгі кезеңге бөлуге болады.
Амин қышқылының белсенді және аминациаль Т-РНК –ң түзілуі.
Белок синтезіне комплек/ң түзілуі.
Полипеп/к тіз/ң синтезі.
Белоктың кеңістік құрыл/ң түз/уі.
1.Амин қышқылының белсенуі үшін 20 түрлі амин қышқылы 20 түрлі аминоация Т-РНК синтетаза ферменттері .20 түрлі т-РНК АТФ және Магний ионы к/к.
Амин қышқылдары 2 сатыдан тұратын реакция нәтижесінде белсенеді.
Реакцияның 1-ші сатысына амин қышқылы және АТФ қатысады.
M H O

І кезеңде R C COO +АТР - R C C + РР

NH NH АМР
Аминоацил аденилат.
Реакцияның 2-ші сатысында аминоация Т-РНК түзіледі.
2) Аминоацияаденилат + тРНКсин/за.
Аминоация тРНК-Ң + АМФ.
Аминоация т РНК құрылысы мынадай болады.

Белок синтезі/ң 2-ші кезеңінде рибосома және МРНК-н белок синтездеуші комплекс түзіледі. Бұл процеске МРНК рибосоманың 30 S ,50S суббөліктері инициялаушы аминоация ТРНК және Рибосомалар қатысады. МРНК алдымен рибосоманың 30 S бөлігімен байланысады, сосын бұларға инициациялаушы аминоацил тРНК қосылады. Прокариоттарда инициациялаушы аминоацил тРНК-ға формилмитионин тРНК, ал эукариодтарда митионнин тРНК жатады. Сонымен пайда болған бастапқы комплементке рибасоманың 50S бөлігі байланысып белок синтездеуші комплекс түзіледі.
Белок биосинтезінің үшінші кезеңі ең маңызды процесс ол 3 сатыдан тұрады.
Инициация- полипептид тізбек синтезінің басталуы.
Полипептид тізбегінің ұзаруы.
Терминация полипептид тізбегінің аяқталуы.
Инициация процесі үшін белок синтездеуші комплекс инициация факторлары i F-1,i F-2, i F-3 ГТФ және магни йоны керек рибасоманың Р учаскесінде формил метионин тРНК орналасады.
Белок синтездеуші комплекс ары қарай элонгация процесін жүргізеді оған 20 түрлі аминоацил тРНК элонгагация факторлары ЕF-TЦ ЕҒ-ТЦ пептидил трансфираза ферменті ГТФ магни иондары қатысады. Элонгация процесі 3 кезеңне тұрады.
Аминоацил тРНК-ның рибасоманың А учаскесімен байланысуы.
Пептидік байланыстың түзілуі.
Рибасоманың жылжуы (транслакация)
Терминация процесі үшін терминациялаушы кодон, терминация факторлары RF-1,RF-2,RF-3 және АТФ керек. Терминациялаушы кадондарға УАФ; УАГ, УГА кадондары жатады. Одан соң полипептед тізбегі рибасоманы қалдырып кетеді ал рибасома 30S және 50S бөліктерге бөлініп жаңа тізбек синтездеуге дайын тұрады. Белок биосинтезінің төртінші кезеңінде белоктың конформациясы оның 2-3 –4-ші реттік құрылымдары қалыптасады. Формил митионин және митионин амин қышқылдары белоктың N ұшына аминопептитаза ферменті әсерінен қырқылып тасталады. Белок биосинтезінің реттелуі 2 деңгейде жүреді.
Транскрипция деңгейіндегі реттелу.
Трансляция деңгейіндегі реттелу.
Транскрипция деңгейіндегі реттелу гендердің белсенуі арқасында жүреді. ДНК өзі құлыптап тұрған белоктан босанады. Барлық гормондар транскрипция жылдамдығын арттырады. Трансляция деңгейіндегі реттілу инициация элонгация кезеңдерінде жүреді. Бұл реттелуде шектеуші фактор амин қышқылдары болып табылады.
БЕЛОК СИНТЕЗІНІҢ ГОРМОНДАРМЕН РЕТТЕЛУІ.
Әр түрлі жануарларда гормондар арқылы иРНҚсинтезінің реттелуі анықталған. Мысалы, қосқанаттылардадаму гормоны бөлініп алынды. Оны личинкаларға енгізсе олар қуыршақ кезеңіне жылдам көшеді. Сонымен қатар
олардың иРНҚ синтезделетін пуфтары (төмпешіктері)өзгерін, түзілуі жылдамдайды. Егер ортаға қалқанша бездің гормонын кіргізсе, метаморфоз жылдамдайды головастиктердің бақаларға, аксолотльдің амблистомаға айналуы тездейді, бұл метаморфоз процесіне әсер ететін
гендердің белсенділігін көрсетеді. Үйқы безінің гормоны қандағы глюкоза мөлшерін қалпына келтіреді. Глюкозаны пайдаланатын ферменттерді кодтайтын үш геннің белсенділігін инсулин қоздыратынын Вебер анықтады (гликолиз жөне гликоген синтезі). Сонымен қатар ол төрт генге репрессорлық әсер етеді, ол гендер глюконеогенезді (көмірсулы емес заттардан глюкозаның синтезделуі) кодтайтын ферменттерді анықтайтындар.
Соңғы жылдарда молекулалық биология әдістерімен гистондар және гистон емес хромосомалық белоктардың, гендердің реттелуіндегі маңызы зерттелуде. Зерттеулер нәтижесі гистондардың РНҚ синтезін тежейтінін көрсетті. Гистондарға жатпайтын хромосомалық белоктар гистондар тежейтін процесті жоқтатпайтынын көрсетті. Бірақ олардың реттеуші қызметі әлі толық анықталмаған.
Белок синтезінің механизмдеріне кейіннен цитоплазмаға түсетін қосымша ДНҚ молекуласының синтезделуі де жатады. Цитоплазмада ДНҚ молекуласында иРНҚ олардан клеткаға қажет белоктар синтезделеді. Жоғарғы организмдердегі гендер өрекетінің реттелуінің мал шаруашылығы мен меди-цина үшін үшін маңызы өте зор. ДНҚ құрылымы белоктың химиялық құрылысы мен қызметін анықтайды. Даму процесінде және организм өмірінде синтезделген белок мөлшерінің де маңызы зор, ал ол гендер белсенділігінің реттелуіне байланысты болады. Белок синтезін реттеуші факторларды білсе, онтогенезді басқаруда көп мүмкіншілік берер еді, мысалы өте жоғары өнімді және түрлі тұқым қуатын ауруларға төзімді малдарды шығару т.с.с.
Көп клеткалы организмдердің көпшілігінде, оның ішінде жоғары өсімдіктер, малда жөне адамда геннен белгіге дейінгі аралык өте күрделі өтеді жөне ол әлі зерттелмеген. Көптеген зерттеулерге қарағанда жоғары организмдердің жеке даму сипаттамасы көптеген гендердің өзара әсері, ядро мен цитоплазманың күрделі қарым-қатынасы мен әртүрлі клеткалық жүйелердің гендерінің белсенділігі арқылы жүреді.
Лекция 11
Геном туралы жалпы түсінік Бактериялар мен вирустардың генетикалық аппараты
Жоспары:
Геном туралы жалпы түсінік.
Хромосомалық карталар. Эукариоттар геномдарының көлемі.
Эукариоттардағы "артық" ДНҚ мәселесі. тізбектері. Сателитті ДНҚ, оның құрамының ерекшеліктері, хромосомаларда орналасуы және ролі.
Бактериялық плазмидтер және олардың типтері.
Вирустардың құрылысы. ДНК-қ және РНК-қ вирустар.
Вирустардың көбею механизмі. Кері транскрипция процесі.
Лекция мәтіні:
Бслгілі бір тіркссулср тобына кіретін гендердің салыстырмалы түрде орналасу схемасын хромосомалардың геиетикалық картасы деп атайды. Генетикалық көзқарас тұрғысынан алғанда әсіресе көбірек зерттслген кейбір дрозофила, жүгері, томат, тышқан, нсйроспора, ішек таякшасына ғана озірше ондай карта жасалды.
Генетикалық карталар гомологиялық хромосомалардың әр жүбы үшін жасалады. Тіркссулер тобын нөмірлейді. Картаны жасау үшін коптеген гендердің түқым қуалау заң-дылықтарын зерттеп білу қажет. Мысалы, дрозофиланың төрт тіркесулер тобына жинақталған 500-ден астам, жүгерінің он тіркесулер тобына жинақталған 500-ден астам, үй тышқанының 15 тіркесу тобынан 200-ге жуық гендері зерттелген. Жануарлардың жоғарғы кластарынан тауықтың 39 жүп хромосомаларынан сегіз тіркесу тобы, адамның 23-нен он тіркесу тобы негізінен көп гендердің X- және У-хро-мосомада орналасқаны анықталған. Генетикалық карталар жасағанда тіркесулер тобы, гендердің толық немесе қысқар-тылған аттары, хромосоманың ноль ретінде қабылданған бір шетінен бастап процентпен көрсетілген қашықтығы көрсетіледі, центромераның орны белгіленеді
Генетикалық картаның ұзындығы хромосоманың мөлшеріне байланысты. Генетикалық карталар жасау гендері картаға түсірілгсн белгілердің түқым қуалау сипатын болжап айтуға мүмкіндік береді, ал ол селекциялық жүмстарда будандас-тыру үшін аталық-аналық жүбын таңдап алуға жеңілдік келтіреді. Хромосомалардың генетикалық карталарын қараған кездс мынадай сұрақ тууы мүмкін: геннің алатын орны 62 немесе 107% болса, жүгерінің тіркесулер тобындағы геннің локусы (орны) қалай анықталады? Ал дигетерозигота түзетін кроссоверлі гаметалар тіпті 50%-ке тең бола алмайды, өйткені гаметалардың аталық-аналық гендерінің жаңа үйлесімдерінің мүндай қатынаста болуы тек тәуелсіз тұқым қуалау кезінде ғана байқалады. Демек, бір хромосома шегіндегі ең шеткі екі нүктенің ара қашықтығы 50% бола алмайды. Мүндай сәйкеспеушілікті гендер орналасуында қысқа және ретімен алынатын учаскелердің кроссинговерлерін есептеу арқылы түсіндіруге болады, ал барлық учаскелер үшін анықталған кроссинговер мөлшерінің жиынтығы картаға түсіріледі. Сондықтан генетикалық картаның жалпы ұзындығы эксперимент нәтижесінде алынған хромосоманың қарама-қарсы шеттерінде орналасқан гендер арасындағы кроссинговер шамасынан көп үлкен болуы мүмкін.
Бактериялар жасушалық құрылысы бар өте ұсақ организмдер. Олардың орташа диаметрі 1 мкм. Бактерия клетка қабығы мен қоршалған, оның ішінде цитоплазма, рибосомалар, ферменттер, плазмидалар, ядролық аппарат т.б. бактериялық элементтер бар. Эукариот клеткасынан айырмашылығы оларда митохондриялар, Гольджи комплексі және эндоплазмалық тор жоқ. Бактериялардың «ядролық аппараты» цитоплазмадан мембрана арқылы айқын оқшауланбаған. Сол себепті ол нуклеоид деп аталады. Нуклеоойд аймағында ядролық жоқ және нағыз хромосомада болмайды. Нуклеоойд бактерияларының генетикалық материалы – жалғыз молекулалы ұзындығы 1 мм шамасындағы сақина формалы ДНК молекуласы, оның молекулалық массасы 3*109 Дальтон және шамамен 5*106 жұп нуклеотидтерден тұрады. Бактериялардың геномы яғни ДНК молекуласы эукариоттармен салыстырғанды әлдеқайда кішкентай. Коделенген генетикалық ақпарат та аз болады. Мұндай ДНК-да бірнеше 1000 ған гендер ғана болады. Бактериялардың генетикалық жүйесі шартты түрде хромосома деп аталады. Бірақ эукариоттармен салыстырғана бактериялық хромосомаларда негізінен гистон белоктары болмайды. Олардың центроцералары да жоқ және митоз арқылы жаңа клеткаларға ажырамайды, мейоз кезеңдерінен өтпейді.
Кейбір бактериялардың цитоплазмасында нуклеотидтан бөлек қосымша ДНК-ң тұйық кішігірім молекулалары болады. Олар плазмида деп аталады. Плазмида деп автономды ауторепликацияға қажетті хромосомалармен байланыспаған сақина тәрізді ДНК молекулаларын айтады. Кейбір плазмидалар хромосомалармен бірге алады. Оларды эписома деп аталады. Мысалы: F фактор плазмида мөлшері 103 нуклеотид жұптарына тең ДНК молекуласы. Плазмиданың көбеюі автономды бірақ олардың репликациясы хромосомдық геном мен бақыланады. Плазмиданың кең таралған 3 типі бар:
F фактор немесе жыныстық фактор.
R фактор немесе резистенттілік факторы.
Col – фактор немесе коллициндік фактор.
F фактор – F филин белогын коделейді. Филин белогын жыныс қылшықтары қалыптасуы үшін қажет. Бактериялардағы жиынтық процесс оньюгация жүру үшін осындай белоктар қажет.
R фактор – ағыл: resistent «төзімділік» деген сөзден шыққан, ал бұлар ра кең жаралған плазмидалар. R плазмидада орналасқан гендер. Антибиотиктерге химиотерапевтік заттарға ауыр метал иондарына ультра күлгін сәулелерге төзімділік қасиеттерін коделейді.
Col фактор – коллицин белогын коделейді. Коллицин ішек таяқшасы шигелла салманелла бактерияларда түзілетін басқа белоктарда жоюға қажетті уытты белок. Жалпы бактериялық плазмидаларды хромосомадан тыс тұқым қуалаушылықтың элементтері ретінде қарау керек. Мұндай элементтер эукариоттарда кездеседі. Оларды цитоплазмалық тұқымқуалаушылық факторлар деп аталады. Оған митохондрия мен пластид/ң гендері кіреді. Бактериялық плазмидалар ген инжинериясының негізгі қаруларының бірі. Қарастырылған плазмалардың 3 типінің бірқатары биотехникалық мақсат пен бөлінген бөтен генді бактериялық клеткаларға таси алатыны таптырмайтын генетикалық элемент болып табылады.
1892 ж орыс ботанигі Д.И.Ивановский мозайкалық ауруға шалдыққан темекілерден инфекциялық экстаркті бөліп оларды бактериялар өтпейтін сүзгіден өткізгенде экстракт өзінің инфекциялық күшін сақтап қалатынын тапты. 1898 жылы голландия зерттеушісі Бейеринк сүзгіден өтіп кететін инфекциялық астамаға вирус (латынша у) деген жаңа атау ойлап шығарды. Барлық вирустар өзінің иелерінде тіршілік етеді. Осыған байланысты оларды 3 топқа бөлуге болады:
Вирустар клеткаға енуге қажетті және сонда ғана көбейетін ұйымдастыру деңгейі клеткаға дейінгі ірі элементтер ретінде қарастырылады. Олар өте ұсақ организмдер мөлшері 20-30 нм аралығында.Олар құрамындағы нуклеин қышқылдарының кездесуі бойынша ДНК-лық және РНК-лық вирустар болып бөлінеді.

Лекция 12
Хромосомалардағы ДНҚ-ның орамы және молекула аралық өзара әсерлер
Жоспары:
1.Ядро компоненттері.
2.Хроматин құрылымы.Гетерохроматин және эухроматин
3.Хроматин құрылымындағы ДНҚ-ның ықшамдалуы.
4. Домендер ,молекулалардың өздігінен жинақталуы .
5.Белок-белоктық өзара әрекеттестік. Олардың белок мултимерлерінің өзіндік жиналу үшін маңызы және молекулалық құрылымы.
6.Геном белсенділігін реттеу процесіндегі өзара әрекеттестік.
Лекция мәтіні:
Прокариоттың айырмашылығы эукариоттарда генетикалық материал толық қалыптасқан ядрода шоғырланған. Ядро 4 компоненттен тұрады.
Ядро қабықшасы және белоктың матрикс
Хромосомдар
Ядрошық
Ядрошырыны
Ядро қабықшасы екі мембранадан сыртқы және ішкі мембранадан және оның арасындағы 20-50 км келетін перинукляар кеңістігінен тұрады. Сыртқы ядролық мембрана цитоплазма жағынан көбінесе рибосомалармен қапталған немесе эндоплазмалық тор мембранасымен байланысты болып келеді. Ядролық мембрана ішкі жағынан жұқа белок табиғатты тақташалар мен байланысты. Ол тақташалар ядролық белоктың матрикстің құрамына кіреді. Ол матрикстің құрамына дро ішілік вмбриялық тор кіреді. Бұл құрылымдардың маңызы оларға хромосомдар бекініп тұрады. Үлкен макро молекулалары тасымалдау үшін ядро қабықшасында пора деп аталатын сыртқы және ішкі мембрана қабысып тұрған түзілімдер болады.
Хромосомдар клеткаларының генетикалық материалы болатын ДНК немесе белоктардан тұратын түзілімдер. Әрбір белоктардың түрдің белгілі бір хромосом жиынтығы болады. Мыс: адамның диплоидты клеткасында 46 хромосомнан (22 аутосом немесе 2 жыныс) хромосомдары болады. Бөлінбей тұрған клетканың хромосомдарға тек бір молекула ДНК болады. ДНК молекуласы өте ұзын екі жақты спираль құрылысты. Комнуклатит жіпшесі. Хромосом белоктарының 60-80%-ті гистон деп аталатын белоктардан тұрады. Гистондар негіздік (аргенин валин және гидрофовты валин аланин амин қышқылы қалдықтарына бай белоктар. Осы амин қышқылы қалдықтары. ДНК-мен әрекеттеседі. Әрекеттесу нәтижесінде нуклеосомалар түзіледі. Нуклеосоманың негізі 8 белок молекуласынан тұратын октомер осы октомерді айнала ДНК молекуласы шамамен екі рет оралым жасайды, нәтижесінде нукласома түзіледі. Гистон октомеріне оратылған ДНК учаскесі 140 нуклеотид жұбынан тұрады. Оны кор ДНК деп аталады. Нуклеосомалар арасында 60 нукленотид жұбынан тұратын меккер учаскесі болады. ДНК молекуласы орташа есеппен 600 мың нуклеосома түзуге қатысады. Демек осындай ұйымдастыру деңгейінде хромосома моншақ тәрізді диаметрі 110 нмнуклясомалар жібі түрінде болады. ДНК молекуласымен салыстырғанда нуклясома жібі 6,2 есе қысқа болады. Интерфазалық ядромалар хромосома байқалмайды бұл кезде органйкалық хроматин түрінде болады Хроматиннің 2-түрі бар
Гетерохроматин күші кореденсоцияланған функцяналды белсенді емес храмасоманың кестелері.
Эухроматин функционалды белсенді, конденсацияланбаған хромасоманың ашық учаскелері. Гетерохроматин хромососма жинақталуының 2-ші деңгейі бұл кезде нулеосомадан 18 есе қысқа ал ДНК молекуласынан 6,2 ·18=100 яседей қысқа көлемде. хромасоманың ең шинақталған қилы митозды митапоза кезеңде баиқалады. мыс: бұл кезде адамның 46 хромосоманың шамалы ұзындығы 180 микрометр болады. Ал жайылғанда ДНК мололекуласының шамалы ұзындығы 190 см барлығы демек 100мың есе қысқа болып жинақталады. бірақ қандай қамыта жыйнақталды белгісіз.
Метафазалық хромосома 3 бөлімнен тұрады:
1.Центромера -орталық бөлігі.
2.Иықтары центромераның 2 жағындағы бөлік.
3.Теломера иықтан шеткі учаскелер. Хромосомада қышқылдық емес белоктар қышқылдық белоктарға қарағанда аз мөлшерді кездеседі.бірақ олар әрқилы алуан түрлі қызметтер атқарады. атап айтқанда органдар құрылымдық қызмет немесе трансформация репликация бір репарация ферменті ретінде немесе реттеуші қызметтер атқарады. Атап айтқанда олар:құрылымдық қызмет немесе транскрипция, репликация ферменттері ретінде және реттеуші қызметтер атқарады.
3.Ядрошық- Ядролардың ең тығыз құрылымы. Көбінесе дөңгелек пішінді келеді. Ядорда бір немесе бірнеше ядрошық болуы мүмкін. Ядроның хроматинін бөлек құрылым емес. Ол хроматиннің туындысы. Ол хромасомалардың бір – біріндегі учаскесі ядрошықтың ұйымдастырушы бөлігі деп аталады. Бұл бөлікте РНК – ның гендерінің бірнеше көшірмесі болады . Осы гендерде р РНК бастамалыры синтезделеді. РРНК бастамаларынан рибасомалық РНК – лар түзіліп, олар ядро порасынан ішке кірген рибасомалық белоктарды бойлап рибасомалық бөліктер түзіледі. Сонымен ядрошықта фибрилярлық компоненттер рРНК бастамалары . р РНК олардың ДНК –ға гендері және рибасома бөліктері болады. РРНК көп болғандықтан ядрошық айқын базафильдлі болып келеді . Ядрошықтардағы рибасома бөліктері ядро қабықшаларындағы органеллаларға жақындап олардан өтіп тасымалданады.
4. Ядро шырыны – ядро ішіндегі қоймалжың сұйық зат . Ол мұнда өтетін көптеген процестерге сұйық орта болып отырады. Ядро шырынынң құрылымында мұнда көптеген ферменттер болады.
Полипептидтік тізбектердің оралуын бағыттайтын негізгі фактордың бірі- полярлық және полярлық емес бүйір топтардың орналасуы. Белок синтезі барысында оның көптеген гидрофобты бүйір топтары белок глобуласының ішінде орналасуға тырысады. Олар сумен және басқа басқа полярлық топтардан әрекеттеседі. Полипептидтік тізбектегі амин қышқылдардың кезектесу тәртібінде оның оралуына қажетті барлық ақпарат бар . Амин қышқылдардың барлық жеке өзара әсерлесуінің нәтижесінде белок молекуласы сломтомды түрде өзіне тән конформацияға әдетте жинақталған глобулярлы немесе ұзыннан созылған фибрилярлы құрылымға ие болады. Белоктардың өте кіші молекуланың өзі сансыз көп әдістермен орала алуға қабілетті болғанымен іс-жүзінде полипептидтік тізбектің оралуы бір-бірімен жүйемен жүреді. Алғашқы кезде бір-біріне жақын жатқан бөліктердің арасында сутектік байланыстар түзіледі. Бұл α спирал, немесе β қатпарлардың яғни белоктың 2-ші реттік құрылымның қалыптасуына әкеледі. Α спиралымен, β қатпарлардың кейбір комбинацияслары өте тұрақты болады. Мұндай құрылым ұйымдасудың жоғары деңгейіне жатады және олар олар белок домендері деп аталады.
Домен дегеніміз- бұл салыстырмалы түрде шағын глобулалық түзіліс оның ұзындығы 150 амин қышқылдарын немесе одан кем болатын полипептидтік тізбектің бөлігі болып табылдады. Глобулалық белоктар біо-бірімен полипептидтік тізбектердің салыстырмалы түрде әлсіз байланысқан бірнеше әртүрлі домендерден тұрады. Жеке глобулалық белактар әдетте белактық агрегаттар түзеді. Клеткада эволюция процесінде гендердің дупликациясымен, модофикациясын қамтамасыз ететін генетикалық механизмдер болады. Егер қандайда бір 3 өлшемді конформациясы бар полипептидтік тізбектерден тұратын және өзіне тән қасиеттері бар белок пайда болса, онда оның негізгі құрылымы көптеген басқа белоктардың құрамына кіруі мүмкін. Қазіргі заманғы ағзаларда жақын қызметтерді атқаратын әртүрлі белоктардың амин қышқылдардың кезектесіп, орналасуына ұқсас болады. Мұндай белоктардың туыстары бастапқыдағы жалғыз ата-тектік геннің дупликациялану жолымен және эволюция процесінде атқаратын қызметінің өзгеруіне әкелетін мутациялардың жиналуынан түзіледі. Мысалы: протеолиттік ферменттер сериндік протеиназалардың туысы болып табылады. Бұл туысқа асқорыту ферменттері, химотрипсин, трипсин сондай-ақ қан ұюыту факторлары протеиназалар және тромбин жатады. Осы туысқа жататын кез-келген 2 ферментті салыстырғанда полипептидтік тізбектегі бірдей амин қышқылдардың орналасуы шамамен 40%жағдайда сәйкес келеді. Бірақ әртүрлі сериндік протеиназа атқаратын қызметтері әралуан түрлілігін осымен түсіндіруге болады. Сондықтан клеткаларда структуралық жағынан жақын ортақ ата- тектерден тараған бірақ атқаратын қызметтері әртүрлі ақуыздар көп.
Жаңа белоктар көбінесе әртүрлі полипептидтік домендердің бірігуінен түзіледі. Егерде клеткада бір қатар тұрақты белок беттері болса,и онда жаңа қасиеттер бар беттер 2 және одан жеке көп жеке белоктардың ковалентті емес әрекеттесулері нәтижесінде түзіле алады. . 1 белоктардың 2-ші белоктардан әрекеттесуі н,әтижесінде әртүрлі бірнеше әсерлесу беттері түзіледі. Клеткға глобуланың белоктардың ірі функционалдық белорктардың агрегатардың бірігуі тән көптеген белоктың агрегаттардың молекулаларын массасы 1,0-50 мың Дальтон болды. Белок домендердің жаңа байланыстыру орталықтарын түзе отырып , ассоциациялау принспі клеткалардың структуралық түзілуіндеде де жұмыс істейді. Мысалы: молекула үстілік структуралар (ферменттік комплекстер, рибосомалар, ақуызды талшықтар, вирустар, мембраналар)тұтас ірі молекула күйінде синтезделмейді. Олар макромолекулалық суббектілердің ковалентті емес агрегациясы нәтижесінде түзіледі. Мұның өзіндік артықшылықтары бар:
Үлкен структураны түзетін бірнеше рет қайталанатын кішкене суббірлікке аз генетикалық информация қажет.
Суббірліктер бір-бірімен әлсіз байланыстар қосылғандықтан, олардың жиналуы мен диссосациациясын оңай бақылауға болады.
Суббірліктерден жиналу кеткен қателерді жинауға мүмкіндік береді.
Алғаш рет өздігінен жиналу темекі теңбілі вирусында анықталған.
Екінші мысал макромолекулалық агрегатқа – бактериялардың рибасомасы жатады.
Бактериялардың рибосомасы 55 әртүрлі белок малекулаларынан және 3 әртүрлі рРНК –дан тұрады. Олар диссосациацияланады және қайтадан жинала алады. Жиналу белгілі бір ретпен жүреді. РНК-ға алдымен белгілі бір белоктар, кейін басқалары бірігеді. Содан соң басқа белок түзілген комплексті танып оған бірігеді.
Бірақ, қазірге дейін кейбір күрделі, өздігінен жиналатын агрегеаттардың түзілуінің реттелуі қалай жүретіні белгілі емес. Кейбір күрделі органнелалардың құралуына қажет информация оның өзінің структурасында болады.Мысалы,митохондрия мен Голджи аппаратының молекулалық компоненттері әдетте алдыңғы структураға сәйкес біртіндеп қалыптасады. Белгілі бір органеллаларға тән жаңадан синтезделген молекуланы арнайы тану механизмі болады, себебі бұл органеллалар өздігінен жигалып, өздігіне ыдырап кете алмайды.
Жоғары сатыдағы организмдердегі гендер белсенділігінің реттелу мәселесі мал-шаруашылығында да, медицина саласында да зор маңызы бар. Егер бұл мәселе игерілсе, онда жеке дамуды қолдан саналы түрде реттеп, керек бағытта жүргізуге болар еді. Эукариоттарда реттелу механизмдері өте күрделі және өте нашар зерттелген. Бүл олардың организмі мен тканьдер клеткаларының әр түрлі күрделі жіктелуімен байланысты. Организмнің барлық клеткаларында белсенділік көрсететін гендер анықталған. Олар жалпы барлық клеткалык жуйе үйымдастыруға жауапты. Кейбір гендердің жұмысы мамандандырылған тканьдерде ғана көрінеді, мысалы, бұлшық еттегі миозиннің синтезін бақылаушы гендер гемоглобин синтезі, шаш кератині т.с.с. Бұл, эукариоттарда генді реттеу механизмінің барлығын растайды. Мүмкін оларда прокариоттардағыдай белок синтезінің реттелуінің қолданылуы, онымен қоса осы организмдерге тән басқа реттеуші процестер болар.
Кейбір зерттеулердің нәтижесі эукариоттар опероны жүйелік гендер мен олардың белсенділігін басқаратын реттеуші гендерден тұрады деп жобалауға мүмкіншілік береді. Мысалы, дрозофиланың Х-хромосомасындағы уайт локусын зерттеу оның құрылымдық және реттеуші бөліктерден тұратынын көрсетті. Уайт генінің мутациясы көз пигментінің құрылуын зақымдайды. Сондықтан мутанттардың көзі қызыл-қоңыр емес ашық-сары немесе ақ болады, бүл мутация нәтижесінде осы локуста қандай аллель пайда болуына байланысты. Егер уайт локусының оң бөлігі мутацияланса, онда көз пигменттері біржола синтезделмейді. Егер хромосомалық қайта құрылу арқылы осы мутацияның кесірінен бүлінген оң бөлігін, сау сол бөлігінен бөліп алып, қалыпты қызмет атқаратын реттелуші басқа локусқа (Х-хромосомада немесе аутосомада) ауыстырса, кейде көз пигментінің синтезі орнына келеді. Бүл деректер уайт локусының оң бөлігінің реттеуші ролін орындайтынын корсетеді. Осы локустың сол бөлігінің мутациясы оны жиі тежеп көз пигментінің белгілі бір мөлшерінің пайда болуына әсер етеді. Уайт локусының мутациясы сол бөлігін геномның басқа жеріне орналастырса, мутантты фенотип қалпына келмейді. Осы зерттеуде алынған деректер уайт локусының сол бөлігі оперонның жүйелік қызметін атқарады деген болжам жасауға мүмкіндік береді. Басқа да жекелеген гендер белсенділігінің реттелу мысалдары бар, бірак, эукари-оттарда олардың механизмдері толық анықталмаған.
Эукариоттардың ядросында, бүтін хромосомада немесе оның басым бөлігінде бір мезгілде ген белсенділігін тобы-мен тежеу болуы мумкін. Болжам бойынша гендердің ондай репрессиясы көбінде эукариоттар хромосомаларының қура-мындағы гистондармен - негізгі белоктармен жасалуы мүмкін. Гендердің белсенділігінің топтық түрде реттелуіне жануарлардың спермиогенезі кезіндегі транскрипцияның толық тоқталуы мысал болады. Мұндай спермия түзілердегі барлық геннің тежелуі және эмбриогенездегі тоқырауы хромосомадағы белок құрамының өзгеруіне байланысты деп есептелінеді.
Гендер белсенділігінің топталып тежеліп қалуы сүтқоректілердің аналықтарының жеке дамуында бір А-хромосомасында байқалады. Ұрғашы малда екі хромосома, ал еркектерде біреу ғана болады. Демек, ұрғашылардың жыныс хромосомаларында гендер екі есе көп болады, олардың бақылауымен белоктар екі есе көп синтезделуі тиіс. Сондықтан әр түрлі өкілдердің тек қана жыныстык, жағынан емес, осы жыныс хромосомасындағы гендер анықтайтын белгілерден де айырмашылығы болар еді. Осы гендердің әрекетін реттеу, еркек пен ұрғашы жыныстардағы белоктар синтезін теңестіру хромосома деңгейінде жүреді. Олардың У-хромосомаларындағы гендер ерте эмбриондық кезеңінде ғана белсенділік көрсетеді. Ол кезде организмнің ұргашы жынысқа қарай жіктелу жолы ашылады. Кейін гомогаметалы жыныстьщ белгілі бір сатысынан бастап, олардың сома-ық клеткасында ЛГ-хромосоманың біреуі толык гетерохро-матизацияланып, оның гендері транскрипцияланбайды. Осының нәтижесінде гомогаметалык жыныстық фенотиптік
көріністе тек бір ЛГ-хромосомадағы гендер жиынтығы қатысып, белгілер екі жыныста да теңеседі.

Приложенные файлы

  • docx 24056644
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий