Тақырып: Тұқым қуалаушылықтың молекулалық негіздері.

Нуклеин қышқылдарының құрылымы мен қызметі.

Белок биосинтезі.

Молекулалық биология өз алдына дербес ғылым ретінде XX ғасырдың 40-50 жылдары бөлініп шықты. Ол әр түрлі ғылымдардың (биология, химия, физика т.с.с.) түйісуінің нәтижесінде пайда болды, сондықтан да молекулалық биология аталған және басқа да ғылымдардың жетістіктерін зерттеу әдістерін кеңінен пайдаланып талдау жасайды.

Молекулалық биология — тіршілікті молекулалық деңгейде зерттейтін биологияның ең маңызды салаларының бірі. Ол биологиялық макромолекулалардың нуклеин қышқылдары мен ақуыздардың кұрылысын, қызметін зерттейді.

Қазіргі кезде молекулалық биология идеялары биологияның барлық салаларында кеңінен таралған және ол теориялық, эксперименталдық биологияның дамуына елеулі ықпал етеді.

Молекулалық биология идеялары генетика саласында ХХ-ғасырдың басында колданыла бастады. 1908 жылы ағылшын емдеушісі А.Гэррод адамдардың алкаптонурия (адам несебінің түсінің ауада қараюы) ауруын зерттеп, ол ауру адам ағзасында гомогентезин қышқылы алмасуының бұзылуы салдарынан болатынын және бұл аурудың тұқым қуалайтындығын анықтаған.

1945 жылы Д.Бидл және Э.Татум зерттеулерінің, нәтижесінде бір ген - бір ақуыз (фермент) — бір белгі деген ұғым қалыптасып, генетиканың биохимиямен тікелей байланысы бар екендігі көрсетілді.

1950-1960 жылдары тұқым куалаушылықтың материалы нуклеин қышқылдарының құрылысы зерттелініп, 1953 жылы Ф.Крик және Дж. Уотсон ДНК, молекуласының құрылысының моделін анықтады; генетикалық акпарат ДНК молекуласындағы нуклеотидтер тізбегінде генетикалық код күйінде жазылатындығы анықталды; ДНҚ молекуласының өздігінен екі еселену (репликациялану) механизмі белгілі болды; жасушада акпараттың берілу жолдары айқындалды.

1954 жылға дейін ген тұқым қуалаушылықтың ең кіші, әрі қарай бөлінбейтін қызметтік, мутациялық және рекомбинациялық өлшем бірлігі деп келінген. Бірақ, кейінгі зерттеулер ген кұрылысының күрделі екенін, оның мутацияланып, рекомбинацияланатындығын көрсетті. Сондықтан да бүгінгі күні ген тұқым куалаушылықтың ең кіші қызметтік өлшем бірлігі деп карастырылуда. Ген дегеніміз бір полипептид молекуласын анықтауға арналған аппаратқа ие ДНҚ молекуласының бір бөлігі. Ген деген терминді 1909 жылы дания ғалымы В.Иогансен енгізген, Геннің бірнеше қасиеттері белгілі: 1) ген әрекетінің дискреттілігі - әр түрлі белгілердің қалыптасуын түрліше гендер айқындайды; 2) ген тұрақты болады - мутация болмаған жағдайда ол ұрпақтан ұрпаққа өзгеріссіз беріліп отырады; 3) гендердің әрекеті нақтылы болады, яғни олардың әрқайсысы нақтылы бір белгінің дамуын қамтамасыз етеді, бір ген — бір белгіні, немесе бір ген бірнеше белгілерді дамытуы мүмкін — плейотропия.

Гендердің бірнеше жіктелу жүйесі белгілі: аллельді, аллельді емес гендер; летальды, жартылай летальды гендер т.с.с. Сонымен қатар гендерді 3 топқа бөледі: 1) структуралық гендер (цис-трондар); 2) модуляторлық гендер; 3) реттеуші гендер.

Құрылымдық гендерге — құрылымдық және ферменттік ақуыздарды, рибосома ақуыздарын, гистонды ақуыздарды, р-РНК, т-РНҚ молекулаларын анықтайтын гендер жатады. Құрылымдық гендер нақтылы белгілерді қалыптастырады, оның қызметтік өнімі ретінде аРНҚ, полипептид немесе рРНҚ, тРНҚ синтезделінеді.

Модуляторлык, гендерге ингибиторлар не супрессорлар, интеyсифакторлар және модификаторлар жатады. Модуляторлық гендер белгінің даму процесіне әсер етеді не структуралық гендердің мутациялану жиілігін күшейтеді.

Реттеуші гендерге құрылымдық гендердің активтігін реттейтін геңдер жатады. Мысалы регулятор, оператор гендері.

XX ғасырдың 20 жылдары хромосомалардың ақуыз және нуклеин қышқылдарынан тұратындығы белгілі болды: І928 жылы Н.К.Кольцов ген қызметін ақуыз молекуласы атқаруы мүмкін деген болжам жасады. Бірақ кейінірек тұқым куалаушылық ақпарат ақуыз молекуласында емес нуклеин кьішкылдарының (ДНҚ) молекуласында болатындығы дәлелденді. 1928 жылы Ф.Гриффитс бактериялардың трансформациялану қабілетіне тәжірибе жасап ДНҚ молекуласының тұкым қуалаушылықтың материалдық негізі екенін алғаш рет айтқан.

Трансформация дегеніміз бактерияның бір штаммының екінші бір штаммының ДНК, молекуласының бір бөлігін өзіне косып алып, оның қасиеттеріне ие болуы.

Ф.Гриффитс тышқандарға вирулентті және вирулентті емес пневмококк штаммдарын енгізіп, пневмококк штаммдарының вируленттік қасиеті ДНҚ молекуласының фрагменттері арқылы беріледі деп болжамдаған. 1944 жылы О.Эйвери, К.Мак Леод және М.Мак Карти осы тәжірибені жаңа әдістемелік деңгейде жүргізіп Ф.Граффитс болжамын растады.

1952 жылы Н.Циндер және Д. Ледерберг трансдукция кұбылысын ашып (трансдукция — бактериофагтардын бактерияның бір штаммының ДНҚ фрагментін екінші штаммына көшіре алу қасиеті) ДНҚ молекуласының тұқым қуалаушылықтың рөлі туралы тағы бір дәлелдемеге қол жеткізді.

1950 жылы Х.Френкель — Конрат темекі өсімдігіне темекі мозайкасы вирусының вирулентті және вирулентті емес штаммдарының белок және РНҚ молекулаларын жеке-жеке және бірге енгізіп, тәжірибе жасап, тұқым куалаушылық ақпарат ақуыз молекуласында емес нуклеин қышқылдарында болатындығын үзілді кесілді дәлелдеді.

Х.Френкель — Конрат тәжірибелерінің жобасы:

Сонымен тұқым куалаушылық акпарат ДНҚ молекуласының нуклеотидтер тізбегінде генетикалық код күйінде жазылған.

Генетикалық код - дегеніміз нуклеин қышқылдарының молекуласындағы тұқым қуалаушылық ақпараттың 4 нуклеотид арқылы қысқаша жазылу, сақталу және әрі қарай жүзеге асу жүйесі болып саналады.

Нуклеин қышқылдары - күрделі биологиялық полимер. Олардың мономерлері нуклеотидтер болып табылады. Әр нуклеотид үш компоненттен тұрады: азотты негіздерден, пентоза қантынан және фосфор қышқылынан. Азотты негіздердің бес түрі бар. Соның бірі урацил, ол тек РНҚ-ның құрамында кездеседі. Келесі тимин, бұл тек ДНҚ—да болады. Ал қалған үш азотты негіздер: цитозин, аденин және гуанин ДНҚ-ның да, РНҚ-ның да құрамына енеді. Екі циклді негіздер - аденинимен гуанин - пурин, ал моноциклді негіздер - цитозин, тимин және урацил пиримидин туындыларына жатады.

РНК - ның қүрамына енетін пентоза қанты - рибоза, ал ДНК -ның қүрамына енетін дезоксирибоза болып табылады. Осыған байланысты олар рибонуклеин және дезоксирибонуклеин қышқылдары деп аталады. Нуклеотидтің қант пен азотты негізден түратын бөлшегін нуклеозид деп атайды. Соған байланысты нуклеотидтерді кейде нуклеозидмонофосфаттар дейді.

РНК молекуласы төрт түрлі нуклеотидтің қатар тізбегінен қүралған жалғыз жішпеден түрады. ДНК молекуласының қүрылымы одан курделірек. Оны дүрыс түсіну ушін Э.Чаргафф қалыптастырған заңдылықтың ерекше маңызы бар. Ол бойынша кез-келген ДНК молекуласында:

1. Пуринді азотты негіздері бар нуклеотидтердің жиынтығы пиримидинді нуклеотидтердің жиынтығьша тең (А+Г=Т+Ц).

2. Адениннің мөлшері (А) тиминнің (Т) мөлшеріне, ал гуанин (Г) цитозинге (Ц) тең, яғни А-ның Т-ға және Г-ның Ц-ға қатынасы 1 -ге тең.

3. Кетотобы бар азотты негіздердің шамасы аминотобы бар
азотты негіздердің шамасына тең, яғни Г+Т = А+Ц немесе (Г+Т)
(А+Ц)=1.

Бұл ереже бір жағынан Т мен А - ның, екінші жағынан Ц мен Г - ның мөлшерінде түрақты ара қатынастың бар екендігін көрсетеді. Сонымен, 4 нуклеотид арқылы 20 амин қышқылдары анықталады, демек генетикалық код 1 нуклеотидтен көп болуы керек, себебі, код жалғыз нуклеотидтен тұрады десек, 4 нуклеотид не бары 4 амин қышқылын ғана анықтаған болар еді, амин қышқылдарының саны 20, демек ол жеткіліксіз. Ал, егер генетикалық код 2 (жұп) нуклеотидтен тұрады десек, 4 нуклеотидтен әр түрлі 16 жұп құрастыруға болар еді (4² =16), бұл да жеткіліксіз, себебі амин кышқылдарының саны - 20.

ДНҚ транскрипциясы. ДНҚ бүкіл белоктардың синтезіне қатысады және олардың құрылымы мен қызметін анықтайды. Бірақ бірқатар зерттеулердің нәтижесі белок синтезінде ДНҚ-ның өзі тікелей матрица бола алмайтынын көрсетті. Бактериялардан басқа организмдердің клеткаларында ДНҚ негізінен клетка ядросындағы хромосомаларда жинақталады, ал белоктың синтезі цитоплазмада жүретіндігі белгілі. Олай болса, ДНҚ ядрода болып, ал белок синтезінің цитоплазмада өтетіндігінің өзі генетикалық информацияны ядродан цитоплазмаға алып баратын қандай да болсын бір аралық матрицаның бар екендігін көрсетеді. Ол – информациялық, қысқаша иРНҚ. Сонда, ДНҚ молекуласындағы генетикалық информация РНҚ-ға көшіріледі, бұл процесті транскрипция деп атайды. Ол иРНҚ-ның ДНҚ матрицасы негізінде синтезделуі арқылы жүреді. Мұндай РНҚ-ның информациялық деп аталуы ядро қабықшасының саңылаулары арқылы өтіп, цитоплазмадағы белок синтезделетін жерге генетикалық информация алып барады. иРНқ молекуласы арнайы фермент-РНҚ полимеразаның қатысуымен ДНҚ матрицасының бір тізбегі негізінде синтезделеді. Нуклеотидтердің жұптасуы комплементарлы принципте жүреді: иРНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің орналасу реті ДНҚ молекуласына сәйкес келеді. Сонда Г-Ц, А-Т, ал РНҚ-да А-У орналасады. ДНҚ матрицасында иРНҚ-ның синтезделуі аяқталған соң, ол бірден цитопзазмаға өтіп, рибосомаға барып бекиді. Содан кейін белоктың синтезі басталады.

Генетикалық код. Барлық организмдердің құрылысы мен қызметі және олардың ерекшеліктері ДНҚ молекуласындағы төрт түрлі азотты негіздердің комбинациясы арқылы анықталады. Синтезделетін белоктың құрамындағы амин қышқылдарының орналасу ретін анықтайтын ДНҚ молекуласындағы азотты негіздердің тізбегін генетикалық код деп атайды.

Кез-келген организмдердің арасындағы айырмашылық олардың құрамындағы белоктардың құрылымы мен мөлшерінің өзгешелігіне байланысты, сондықтан тұқым қуалаушылықтағы басты бір мәселе генетикалық информацияны ДНҚ молекуласында қалай жазылатындығын және оның организмнің белгі-қасиеттерін қалайша анықтайтындығын білу.

Белоктар – биологиялық полимерлер болып есептеледі. Олардың макромолекулалары негізінен 20 мономерден, яғни амин қышқылдарынан тұрады. Әр түрлі белоктардың құрамындағы амин қышқылдарының саны да, орналасу реті де түрліше болып келеді. Сондықтан да белоктар алуан түрлі және олардың құрылымы бір-біріне ұқсамайды.

Генетикалық кодты немесе ДНҚ құрамына енетін азотты негіздерді алфавитті әріптермен орналастыруға болады. Код бойынша бір амин қышқылын үш нуклеотид бірігіп анықтайды (мысалы УУУ, ЦГЦ, АЦА т.с.с)

Белок молекуласы құрамына нақты бір амин қышқылының енуін анықтайтын ДНҚ тізбегінің үш нуклеотидтен тұратын бөлімін кодон деп атайды. 1962 жылы М.Ниренберг пен С.Очаоның лабораториясында белок молекуласының құрамына енетін барлық 20 амин қышқылының триплеттері түгелімен анықталды. Амин қышқылының көпшілігі бір емес екі, үш немесе төрт түрлі триплеттер арқылы анықталады. Мысалы метионин жалғыз триплет (АЦТ), лизин екі (ААА, ААГ), изолейцин үш (ААУ, АУЦ, АУА), сирин төрт (УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ) триплет арқылы анықталады.

1954 жылы американ ғалымы Г.Гамов теория күйінде генетикалық код 3 нуклеотидтен тұруы мүмкін деген болжам айтқан. Шынында да 4 нуклеотидтен 64 әр түрлі үштік құрастыруға болады (43-64), ал бұл амин қышқылдарының санынан (20) әлдеқайда көп, яғни жеткілікті.

1961 жылы Ф.Крик генетикалық код триплетті, яғни 3 нуклеотидтен, тұратындығын тәжірибе жасап дәлелдеді. Ал, 1964 жылы М.Ниренберг, С.Очао, Х.Корана еңбектерінің нәтижесінде барлық 64 кодонның мағынасы анықталды және оның негізгі қасиеттері белгілі болады. Генетикалық кодтың қасиеттері мынадай:

1) кодтың колинеаралылығы (сәйкестігі), яғни нуклеин кышқылындағы нуклеотидтердің бірізділікпен орналасуы полипептидтегі амин қышқылдарының орналасу ретіне сәйкес келеді;

2) генетикалық кодтың транскрипциялануы белгілі бір нүктеден басталып бір бағытта жүріп отырады;

3) генетикалық код үзіліссіз, үтірсіз болады;

4) генетикалық код артық болады, яғни 1 амин қышқылы 2 не одан да көп кодон арқылы анықталады;

5) код триплетті (үш өріңді) болады;

6) генетикалық код әмбебап - (универсал) болады, яғни генетикалық код барлық тірі ағзаларда бірдей амин қышқылын анықтайды.

Генетикалық кодтың толық сөздігі

61 кодон нақтылы амин қышқылдарды анықтайды, оларды мағынады кодондар, ал 3 кодон УАА, УАГ және УГА ешқандай амин кышқылдарды анықтамайды, оларды мағынасыз кодондар деп атайды; олар транскрипцияның не трансляцияның (ақуыз синтезінің) аяқталуын анықтайды (стоп кодондар). Сол сияқты, ақуыз синтезінің басталуын инициациялайтын кодон - инициаторлар белгілі, олар: АУГ, ГУГ және УУГ.

Инициаторлық кодондар и-РНҚ-ның бас жағында орналасып, синтезделінуші полипептидтің алғашқы амин қышқылы формилметионинді немесе валинді анықтап, белок биосинтезінің басталуын анықтайды.

Генетикалық код тұжырымдамасына сәйкес жасушада ақпараттың үзіліссіз берілу жуйесі болуы қажет. Жасушада генетикалық ақпараттың берілуінің 3 жолы белгілі: 1) генетикалық ақпараттың жалпы тасымалдану жолы немесе биологияның (Криктің) негізгі постулаты. Оны Ф.Крик ашқан болатын. Оның негізгі мәні генетикалық ақпараттың ДНҚ-ДНҚ-РНҚ - ақуыз бағытында берілуі. ДНҚ молекуласындағы ақпарат ДНК молекуласына оның жартылай консервативтік репликациялануы негізінде беріледі. Ал, ДНҚ молекуласынан РНҚ молекуласына - транскрипция, РНК-дан ақуызға - трансляция процесі арқылы беріліп отырады; 2) генетикалық ақпараттың ерекше тасымалдану жолы. Ол 1970 жылы ашылған. Кейбір вирустарда - ретровирустарда, тұқым қуалаушылық ақпарат ДНК молекуласында емес, РНҚ молекуласында жазылған. Олардың кейбіреулері адамда рак (ісік) ауру-ын тудырады. Сонда қалайша, ненің көмегімен вирустың РНҚ-сындағы ақпарат адам ДНК-сына беріледі. 1970 жылы американ ғалымдары Х.Темин және Д.Бальтимор бір жіпшелі РНҚ молекуласы негізінде қос жіпшелі ДНҚ молекуласының синтезделуін катализдеуші фермент - кері транскриптаза (ревертаза) ферментін ашқан. Осы ферменттің қатысуымен генетикалық ақпарат РНК,-дан ДНҚ-га одан ДНҚ-РНҚ - ақуыз бағытында беріледі. Ақпараттың осындай ерекше тасымалдану жолы адамдар мен жануарлардың кейбір қалыпты жасушаларында да байқалған; 3) ақпарат тасымалдануында тыйым салынған жолы табиғатта кездеспейтін жолы - ақпараттың ақуыздан нуклеин кышқылдарына берілуі. Акпараттың тасымалдануының мұндай жолы Жер бетінде ешбір тірі ағзаларда кездеспейді.

Белоктың биосинтезі. Көптеген ғалымдардың жүргізген зерттеулері негізінде 50-жылдардың ортасында белок биосинтезінің матрицалық теориясы ұсынылды. Бұл теория бойынша белок өте күрделі көп сатылы процесс. Оған ДНҚ, РНҚ-ның әр түрлері және түрлі ферменттер қатысады. Белоктың синтезі төрт кезеңнен тұрады.

Бірінші кезең – амин қышқылдарының активтенуі, соның нәтижесінде олар бір-бірімен оңай әрекеттесіп, полипептидтік тізбек құруға бейімделеді.

Екінші кезең – активтенген амин қышқылдарының рибосомаларға тасымалдануына байланысты. Бұл қызметті атқаратын транспорттық РНҚ (тРНҚ). тРНҚ-ның молекуласы иРНҚ-ға қарағанда шағын келеді, 70-80 нуклеотидтен тұрады. Әрбір аминқышқылының өзіне тән тРНҚ-сы болады. Олар 20-шақты болады. Әрбір тРНҚ өзіне сәйке аминқышқылымен қосылады да тасымалдайды. Бұл процесті рекогниция деп атайды.

Үшінші кезең – амин қышқылдарының иРНҚ-дағы нуклеотидтердің орналасу ретіне сәйкес тізбектелуінен басталып, белок молекуласының түзілуімен аяқталады. Бұл процесті трансляция деп атайды. Ол пептидполимераза ферментінің қатысуымен рибосомаларда жүреді. Рибосома белок пен РНҚ-дан тұрады. Мұндай РНҚ рибосомалық деп аталады. Оның қызметі тРНҚ мен иРНҚ-ны байланыстыру. иРНҚ жіпшесінің бір ұшына бекіген рибосома тРНҚ тасымалдап әкелген активтенген амин қышқылдарынан полипептидті тізбек құрайды.

Төртінші кезең. Бұл кезде полипептидті тізбектің бір ізді молекуласы өзгеріп, қомақтылау болып көрінеді. Түзілетін сутекті байланыстардың әсерінен полипептидті тізбек шиыршықталады және белок молекуласы биологиялық тұрғыда активті конфигурация қалпына келеді.

Белок биосинтезінде басты рөлді ДНҚ атқарады. Оның тізбегіндегі кодтаушы триплеттердің орналасуына сәйкес информациялық РНҚ молекуласы синтезделеді. Соның негізінде барып белок молекуласы түзіледі.

Сөйтіп, тұқым қуатын информация немесе организмнің бойындағы барлық белгілер мен қасиеттердің дамып қалыптасуының жобасы ДНҚ молекуласында болады, ал тұқым қуалаушылық белок биосинтезі арқылы жүзеге асады.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: