Тақырыбы: «МОЛЕКУЛАЛЫҚ БИОЛОГИЯ»

 

Мазмұны

 

1. Молекулалық биология. Молекулалық биологияның даму тарихы мен зерттеу әдістері.

2. Нуклеин қышқылдарының биологиялық мәні және генетикалық материалдың табиғаты. ДНҚ-ның генетикалық ақпаратты сақтаушы екендігі

3. ДНҚ-ның химиялық құрамы мен құрылысы. ДНҚ-ның нуклеотидтік құрамының түрлік ерекшелігі.

4.Репликацияның молекулалық механизмдері. Репликация қателіктерін түзу.

5. Рибонуклеин қышқылдарының құрылымы, қызметі, түрлері.

6. Транскрипцияның молекулалық механизмдері.  Процессинг және сплайсинг.

7.Генетикалық кодтың молекулалық негіздері.

8.  Белок биосинтезі (трансляция)

9. Ақуыздардың молекулалық құрылымы.

10. Ақуыз молекуласының фолдингі.

11.  Геннің нәзік құрылысы. Белок биосинтезінің реттелуі.

12. Эукариоттар геномы мен генінің молекулалық ерекшеліктері. Эукариоттар геномының тізбектер типі.

13. Мутацияның молекулалық  негіздері. ДНК репарациясы.

14. Геномның көшпелі (мобильді) элементтері. Плазмидтер. ДНК рекомбинациясы. Нуклеин қышқылдарының орын алмасуы мен ауысуының молекулалық механизмдері.

15. Ген инженериясының  мәселелері мен міндеттері. Хромосомалық және клеткалық инженерия

Пайдаланған әдебиет тізімі     

 

1. Молекулалық биология. Молекулалық биологияның даму тарихы мен зерттеу әдістері.

 

Молекулалық биология - тіршілікті молекулалық деңгейде зерттейтін кешенді биология ғылымының маңызды саласының бірі.

Молекулалық биология ғылымының негізгі зерттеу объекттері — жасушаның ақпараттық макромолекулалары-ақуыз және нуклеин қышқылдары болып саналады. Ол ақпараттық макромолекулалардың құрылысын, қызметтерін, таралуын зерттейді.

Қазіргі таңда молекулалық биология жедел дамып келе жатқан ғылым ретінде теориялық және қолданбалы биология, генетика, медицина, ауылшаруашылығы т.б. ғылымдардың дамуында маңызды рөл атқарады. XXI ғасырды молекулалық биология ғасыры деп атауда.

Молекулалық биология ғылымы бірнеше бөлімдерге бөлінеді: геномика — тұқым қуалаушылықтың материалдық негіздері-ДНҚ, РНҚ молекулаларының құрылыстарын, қызметтерін зерттейді; протеомика — жасуша ақуыздарьшың құрылысын, қызметгерін зертгейтін бөлім.

Геномика ғылымының негізгі міндеті мен мақсаты - адам және басқа да тірі ағзалардың геномдарының құрылысын, қызмет ету тетіктерін зерттеп, анықтап, анықталған деректерді, білімдерді адам өмірінің сапасын жақсартуға пайдалану болып табылады.

Молекулалық биология ғылымының дербес ғылым ретінде қалыптасуы 1953 жылдан кейін басталды, себебі осы жылы Ф.Крик және Дж. Уотсон дезоксирибонуклеотид қышқылының (ДНҚ) қос ширатпалы құрылысын анықтап, оның моделін құрастырған. Соңғы 50-55 жыл ішінде молекулалық биология ғылымы тіршіліктің сырларын зерттеуде көптеген маңызды жетістіктерге қол жеткізді.

XX ғасырдың 40-50 жылдары ғалымдардың зерттеулері нәтижесінде тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі нуклеин қышқылдары екендігі белгілі болды (О.Эйвери, К.Мак Леод, М.Мак Карти; Н.Циндер, Д.Ледерберг; Х.Френкель-Конрат т.б.)

1954 жылы американ ғалымы Г.Гамов тұқым қуалаушылық ақпарат ДНҚ молекуласында генетикалық код күйінде жазылған, генетикалық ход 3 нуклеотидтен түруы мүмкін деген болжам жасады. Ал, 1961-1964 жылдары Ф.Крик, Х.Корана, М.Ниренберг, С.Очао т.б. ғалымдардың еңбектері нәтижесінде генетикалық кодтың толық сөздігі анықталды.

1961 жылы француз ғалымдары Ф.Жакоб және Ж.Моно прокариотгар гендерінің экспрессиялануының оперондық гипотезасын үсынды. Кейінірек гендердің экспрессиялану тетіктері (механизмі) прокариоттарда да, эукариоттарда да бірдей жоба күйінде болатындығы белгілі болды (Г.П.Георгиев).

2001-2003 жылдары «Адам геномы» атты халықаралық ғылыми бағдарлама толық аяқталып, 2001 жылдан кейін адамзат постгеномдық дәуірге аяқ басты.

Молекулалық биологияның дамуына көптеген орыс және қазақ ғалымдары ат салысты, олардың арасынан ААБаев, А.Н.Белозерский, А.С.Спирин, ВАЭнгельгард, А.П.Георгаев, ТДарханбаев, МААйтхожин, Х.Жуматов т.б. есімдерді атауға болады.

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

Молекулалық биология тіршілікті молекулалық деңгейде зерттейтін биологияның ең маңызды салаларының бірі. Ол биологиялық макромолекулалар - нуклеин қышқылдары мен белоктардың құрылысын, қызметін зерттейді.

Цитогенетикалық әдіс - микроскоп арқылы хромосомаларды зерттеуден басталады. Бұл әдіс арқылы: 1) ағзалардың кариотипін анықтайды; 2) хромосома санын анықтайды; 3) хромосомалардың морфологиясын зерттеп, олардың кұрылысында өзгерістер бар-жоғын анықтайды, яғни хромосомалық ауруларды анықтайды; 4) хромосомалардың генетикалық карталарын жасау үшін пайдаланады-ол үшін хромосомаларды тандамалы бояйды; 5) геномдық не хромосомалық мутацияларды, олардың жиілігін, анықтау үщін пайдаланады.

4) Соматикалық жасушалар генетикасы әдісі. Жасушаларды ағзадан тыс, жасанды қоректік орталарда өсіреді. Оларды өсіру кезінде қажет болған, немесе зерттеушінің көзіне түскен ереюде жасушаны бөліп алып клондайды, яғни көбейтеді және сол жасушалар тобын алып зерттейді. Ол жасушаларды әрі қарай сұрыптап будандастырады.

Бұл әдіс нәтижесінде: 1) гендердің тіркесуін және олардың хромосома бойында орналасу орнын анықтайды; 2) кейбір гендердің активтігінің нәтижесі ретінде синтезделінетін олардың нақтылы өнімдерін зерттейді; 3) гендердің әрекеттесуін және олардың активтілігінің реттелу механизмдерін анықтайды; 4) гендік мутацияларды зерттеу үшін қолданады.

Осы әдісті пайдаланып медицина практикасында әлі туылмаған баланың жынысын, 60 жуықтұқым куалайтын ауруларын анықтауға болады. Ол үшін жатырдан сұйықтық алып ондағы ұрық жасушаларын өсіріп зерттейді (амниоцентез).6) Биохимиялық әдістер - ферменттік жүйелердің белсенділігін зерттеу арқылы жүргізіледі. Олар зат алмасу ауруларының себебі-гендік мутацияларды анықгауға, сол сияқгы биохимиялық тесттер арқылы патологиялық гендердің гетерозиготалы тасымалдаушыларын да анықтауға мүмкіндік береді. Ол үшін зерттелуші адамдардың қанына (венасына) белгілі бір аминқышқылының (мысалы фенилалениннің) бірідама мөлшерін енгізеді де мезгіл мезгіл оның кандағы концентрациясын анықтайды.

2. Нуклеин қышқылдарының биологиялық мәні және генетикалық материалдың табиғаты. ДНҚ-ның генетикалық ақпаратты сақтаушы екендігі

 

Нуклеин қышқылдары жасушаның ең маңызды макромолекулалары-ның бірі болып саналады. Нуклеин қышқылының (ДНҚ) молекуласын XIX ғасырдың аяғында-1868 жылы Швейцария ғалымы Ф. Мишер ашқан. Ал олардың қызметтері, молекуласының құрылысы, кейінірек белгілі болды (ХХ-ғ 50 жылдары).

Қазіргі кездері нуклеин қышқылдарының тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі екендігіне ешкім шүбә келтірмейді, бірақ бұл тек 1950 жылы X. Френкель-Конрат тәжірибелері нәтижесінде ғана үзілді-кесілді дәлелденген. Ал, XX ғасырдың 20 жылдарында (1928ж). тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі ретінде ақуыз молекуласы саналып келген (Н.Кольцов).

XX ғасырдың 20 жылдары Т.Морган т.б ғалымдардың еңбектері арқасында тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі хромосомалар екені белгілі болды (тұқым қуалаушылықтың хромосомалық теориясы). Сонымен бірге хромосомалар ақуыз және нуклеин қышқылынан  (ДНҚ) тұратындығы да анықталды. Ал, осы екі макромолекулалардың - ақуыз және нуклеин қышқылының (ДНҚ) қайсысы тұқым қуалаушылыққа жауапты деген мәселе ғалымдар арасында біршама пікір талас туғызды. 1928 ж. Н.К. Кольцов ген қызметін ақуыз молекуласы атқаруы мүмкін деген болжам жасады және 1940 жылға дейін ғалымдардың көпшілігі осы пікірді қуаттап келген.

1928 ж. Ф. Гриффитс бактериялардың трансформациялау қабілетіне тәжірибе жасап, тұқым қуалаушылыққа ақуыз емес ДНҚ молекуласы жауапты болуы мүмкін деген болжам жасады.

Трансформация — дегеніміз бактерияның бір штаммының екінші бір штаммның ДНҚ молекуласының бір бөлігін өзіне қосып алып, оның қасиетіне ие болуы.

Ф. Гриффитс тышқандарға вирулентті (патогенді) және вирулентті емес (патогенді емес) пневмококк штаммдарын енгізіп, пневмококк штаммдарының вируленттік қасиеті ДНҚ молекуласының фрагменттері арқылы беріледі деп болжамдаған. 1944 ж. О.Эйвери, К.Мак Леод және М. Мак Карти осы тәжірибені жаңа әдістемелік деңгейде қайталап Ф. Гриффитс болжамын растады. 1952 ж. Н.Циндер және Д. Ледерберг трансдукция құбылысын ашып (трансдукция бактериофагтардың бактерияның бір штаммының ДНҚ фрагментін екінші штаммына көшіре алу қасиеті) ДНҚ молекуласының тұқым қуалаушылықтағы рөлі туралы тағы бір дәлелдемеге қол жеткізді. 1950 жылы X. Френкель-Конрат темекі өсімдігіне темекі мозайкасы вирусының вируленті және вирулентті емес штаммдарының ақуыз және РНҚ молекулаларын жеке-жеке және бірге енгізіп, тәжірибе жасап, тұқым қуалаушылық ақпарат ақуыз молекуласында емес, нуклеин қышқылдарында болатындығын үзілді-кесілді дәлелдеді.

Х.Френкель-Конрат тәжірибесінің мәні мынада: егер вирулентті вирус штаммының тек ақуыз молекуласын өсімдікке енгізгенде ауру дамымаған, ал вирулентті вирус штаммының РНҚ молекуласын темекі өсімдігіне енгізгенде ауру дамыған. Сол сияқты, вирулентті вирус штаммының ақуыз молекуласын және вирулентті емес РНҚ молекуласын бірге енгізгенде ауру дамымайды, ал вирулентті емес вирус штаммының ақуыз молекуласын және вирулентті вирус штаммының РНҚ-сын бірге енгізгенде ауру дамыған.

 

3. ДНҚ-ның химиялық құрамы мен құрылысы. ДНҚ-ның нуклеотидтік құрамының түрлік ерекшелігі.

 

Нуклеин қышқылдарының екі түрі белгілі: ДНҚ, РНҚ.

Нуклеин қышқылдары—полимерлер, олардың мономерлері болып нуклеотидтер саналады. Нуклеотидтер өз кезегінде 3 бөліктен құралған.

Нуклеотидтер молекуласында азоттық негіздердің пуриндік -Аденин (А) не Гуанин (Г); немесе примидиндік - цитозин (Ц), Тимин (Т) не Урацил (У) деген түрлері, қант ретінде - дезоксирибоза не рибоза, 1 фосфор қышқылының қалдығы (монофосфат) кездеседі.

Дезоксирибонуклеин қышқылының (ДНҚ) кұрылысы.

ДНҚ (дезоксирибонуклеин қышқылы) нуклеотидттері-дезоксирибозадан, азоттық негіздерден, 1 фосфаттан (монофосфат) кұралған, олардың АМФ, д ГМФ, д ЦМФ, д ТМФ деп атайды.

ДНҚ молекуласы қосширатпалы болып келеді (Ф. Крик, Д.ж. Уотсон). Оның алғашқы, екінші реттік, үшінші реттік құрылыстары белгілі.

ДНҚмолекуласының алғашқы құрылысы-бір жіпшеде нуклеотидгердің (А, Г, Ц, Т) бірізділікпен тізбектеліп орналасуы болып табылады. ДНҚ алғашқы құрылысы фосфодиэфирлік байланыс арқылы тұрақтанады, яғни бір жіпшедегі нуклеотидтер бір-бірімен фосфаттық топ және қанттың гидроксил тобы арқылы байланысқан.

ДНҚ молекуласының екінші реттік кұрылысы оның екі жіпшесіндегі азоттық негіздердің бір-бірімен сутектік байланыс арқылы комплиментарлы байланысуы (А-Т; Г-Ц) болып табылады. ДНҚ жіпшелері полярлы болады, яғни оның 5' және З¹ ұштары белгілі. ДНҚ молекуласының қосширатпасы (тізбектері) бір-біріне антипараллель орналасқан;

(5¹) ...    АТТГАЦГГЦ ......(З¹)

(З¹) ...    ТААЦТГЦЦГ.......(5¹)

Қос ширатпаның бір оралымында 10 жұп нуклеотидтер кездеседі, ал оралымның ұзындығы 3,4 нм тең.

Сонымен қатар, А-Т арасында 2 сутектік байланыс болса, Г-Ц арасында 3 сутектік байланыс болады, сондықтан-да Г-Ц байланысы, А-Т байланысына қарағанда әлде қайда мықтылау болып келеді.

ДНҚ молекуласының 3 реттік құрылысы ретінде оның ақуыздармен (гистондық ақуыздармен) байланысын айтуға болады. Хромосома ақуыздарының 60-80 пайызын негіздік және гидрофобтық аминқышқылдар (аргинин, лизин, валин, т.б.) көптеп кездесетін гистондық ақуыздар құрайды. Гистондық ақуыздар ДНҚ-мен негіздік радикалдар көмегі-мен, ал өзара гидрофобтық радикалдар арқылы әрекеттеседі. Хромосомаларда ДНҚ молекуласы гистондық ақуыздармен байланысып нуклеогистон құрайды, ол хроматин жіпшесі ретінде белгілі. Хроматин жіпшесінің тірегін нуклеосома денешіктері құрайды. Ол 4 түрлі гистондық ақуыздардың-гистон Н_2А, гистон Н_2в, гистон 3, гистон 4-(Н_2а, Н,_в, Н,, Н₄) қос молекуласынан құрылған.

Осындай әр бір денешікті ДНҚ молекуласы екі рет ширатылып оралады және оның ұзындығы 140 н.ж. тең. Нуклеосома денешіктері бір-бірімен тығыз жабысып орналаспай біршама алшақтау орналасқан.

Нуклеосома денешіктерінің араларындағы ДНҚ учаскелерін линкерлік (жалғаушы) учаске деп атайды, ал әрбір линкерлік учаскемен гистондық ақуыздың 5-ші түрі - HI байланысқан. Хроматин жіпшесінде ДНҚ өте көп, 600.000-ға жуық, нуклеосома денешіктерін түзеді. Үзындығы 190 см жететін ДНҚ молекуласының өлшемі жағынан микроскопиялық, бірнеше микрометрге -180 мкм. тең, 46 хромосомаларда тығыздалып, ширатылып орналасуына нуклеосома денешіктері мүмкіндік береді.

Жасуша ядросынын барлық хромосомаларында орналасқан ДНҚ, ұзындығы 190 см. тең, ал нуклеосома жіпшенің ұзындығы ДНҚ ұзындығынан 6,2 есе кем.

Нуклеосома жіпшелері әрі қарай ширатылып хроматин жіпшелеріне айналады. Хроматин жіпшелерінін ұзындығы нуклеосома жіпшелерінің

ұзындығынан 18 есе кем, ал ДНҚ молекуласының ұзындығынан 6,2x18=100 есеге кем.

Хроматин жіпшелері митоз кезінде әрі карай ширатылып, қатпарланып, тығыздалып митоздық хромосомаларды туғызады. Митоздық хромосомаларда хроматин жіпшелері хромосоманын ұзына бойына көптеген рет қатпарлар пайда етеді (кейбір деректер бойынша 100 ретке дейін), осының нәтижесінде барлык хромосомалардың ұзындығы (180 мкм) ДНҚ молекуласының үзындығынан 100.000 есеге кем болады.

Сонымен қатар нуклеосомалар күрылымдық (хроматин тірегі), реттеуші қызметтерді де атқарады.

ДНҚ молекуласының бойында тұкым қуалаушылық ақпарат жазылған, ол негізінен (95%) ядрода, ал 5% цитоплазмада-митохондрияларда, хлоропласттарда шоғырланған.

 

4.Репликацияның молекулалық механизмдері. Репликация қателіктерін түзу.

 

ДНҚ молекуласының ең маңызды қасиеттерінін, бірі — оның өздігінен екі еселенуі (репликациялануы) болып саналады. ДНҚ репликациялануы салдарынан түкым қуалаушылық ақпарат ұрпақтан - ұрпаққа өзгеріссіз, тепе-тең мөлшерде беріліп, ұрпақтардың жалғасуы қамтамасыз етіледі. ДНҚ репликациясы жасуша циклының S — синтетикалық кезеңінде жүзеге асады.

ДНҚ молекуласының репликациялану қасиеті 1953ж. Дж. Уотсон және Ф.Криктің ДНҚ молекуласының құрылысының қос ширатпалы болатындығын анықтағаннан кейін белгілі болды.

Теория күйінде ДНҚ репликациясының 3 түрлі әдісі болжамдалған: 1) консервативті (тұрақгы); 2) жартылай консервативті; 3) дисперсті. Көптеген тәжірибелер нәтижесінде ДНҚ молекуласының репликациялануы жартылай консервативті жолмен жүретіндігі дәлелденді. Оны алғашқылардың бірі болып 1958ж. М.Мезельсон және Ф.Сталь Е.соіі жасушасында байқаған.

Қазіргі таңда ДНҚ молекуласының сырт пішінінің 3 түрі белгілі: тұракты сақиналы (бактериофакторда); құбылмалы сакиналы (бактериофактарда); сызықты (прокариоттар және эукариоттарда). Осыған сәйкес ДНҚ молекуласынын жартылай консервативті репликациялануының 3 түрі белгілі: 1) тета репликация; 2) сигма репликация; 3) У-тәрізді репликация.

Кейбір прокариоттардың және барлық эукариоттардын ДНҚ молекуласы сызықша тәрізді болып келеді және олардың репликациялануы белгілі бір нүктеден, репликативтік ісінудін пайда болуынан басталып, хромосоманың қарама-карсы жағына карай бағытталады. Эукариоттардың ірі хромосомаларында бір мезгілде жүздеген репликациялык ісінулер пайда болады және олар бір — бірімен қосылып У-торізді аралык құрылым пайда етеді. Мүны У-тәрізді жартылай консервативті репликациялану деп атайды.

ДНҚ молекуласының негізгі бөлімінің репликациялануы.

ДНҚ репликациясының бірнеше ерекшеліктері белгілі:

а) ДНҚ молекуласының жаңа тізбепнін синтезделуіне кажет

заттар - дезоксинуклеозидтрифосфаттар (дНТФ) болып табылады, ал ДНҚ құрамында дезоксинуклеозидмонофосфаттар (дНМФ) кездеседі. Сондықтанда ДНҚ тізбегіне жалғану алдында әрбір нуклеотидтен 2 фосфат қалдығы пирофосфат күйінде бөлініп шығады да тез арада фосфаттарға дейін гидролизденеді. Еркін дНТФ —> дНМФ қалдығы + пирофосфат дНТФ-ды құрылыс материалдары ретінде пайдаланудың энергетикалық себептері де бар. Нуклеотидтер арасындағы байланыстардың (фосфодиэфирлік) түзілуі үшін энергия қажет, ал энергия фосфаттараралық байланыстардың үзілуі нәтижесінде бөлінеді.

б)  ДНҚ репликациясы матрицалық (қалыптық) үдеріс яғни ДНҚ-ның жаңа тізбегі аналык. ДНҚ молекуласының бір жіпшесі негізінде (матрица) комплиментарлық үстаныммен (принциппен) синтезделінеді, яғни 4 нуклеотидтен (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ) жаңа тізбекке тек аналық жіпшедегі нуклеотидке комплиментарлы (А<->Т; Г<^Ц) нуклеотид қана қосылады.

в) ДНҚ синтезі (репликациясы) симметриялы болады, яғни матрица қызметін аналық ДНҚ молекуласының екі тізбегі де атқара береді. Сондықтан оны жартылай консервативті деп те атайды. Себебі, жанадан синтезделген ДНҚ молекуласы жартылай жаңарған болады, яғни оның бір тізбегі ескі -аналық молекуладан алынған болса (матрица), екіншісі жаңадан синтезделген болады.

г)  ДНҚ синтезі (жаңа тізбектің не оның бір бөлімінің синтезделуі) белгілі бір бағытта жүреді, яғни 5¹ үшынан З¹ үшына карай жүреді.

д)ДНҚ репликациясы басталу, жүруі үшін, міндетті түрде аналық ДНҚ молекуласының қос ширатпасы бір бірінен ажырасуы қажет, тек осы жағдайда, яғни бір бірінен ажырасқан   аналык. молекуланың жіпшелері матрица (кдлып) қызметін атқара алады.

Репликация тетіктері.

а)              Репликация үдерісі 15-20 ақуыздардан түратын күрделі ферменттік жүйенің қатынасуымен жүзеге асады.

Эукариоттар хромосомаларьшда жоғарыда айтқанымыздай, бір мезгілде көптеген ферменттік кешендер қызмет етеді, яғни хромосомада ДНҚ репликациясының көптеген басталу (инициация) нүктелері болады және ДНҚ синтезі хромосоманың бас жағынан ұшына қарай баяу жүрмей, көптеген жерлерінде бір мезгілде жүзеге асады. Бұл репликация үзақтығын едәуір қысқартады.

б)  репликацияның әр бір нүктесінде 2 ферменттік кешен жүмыс істейді: олар ДНҚ-ның инициация нүктесінен қарама-карсы бағыттарға қарай жүреді.

в)   ДНҚ молекуласының тізбектері бір-біріне антипаралель болғандықтан және ДНҚ синтезі тек 5¹—»3' бағытында жүретіндіктен, репликативтік ашада аналық ДНҚ-ның бір тізбегі негізінде жаңа ДНҚ тізбегі үзіліссіз синтезделсе, екіншісі негізінде үзіліп-үзіліп синтезделінеді. Біріншісін лвдерлік тізбек, ал екіншісін артта қалушы (кешігуші) жіпше деп атайды   .

Лидерлік тізбек негізінде синтезделген өте ұзын, ұзындығы көршілес екі инициация нүктелерінің ұзындығының жартысына, яғни 1.600.000 нуклеотидке тең, тізбек синтезделсе, артта кдпушы (кешігуші) тізбек негізінде қысқа 1500 нуклеотидтерден тұратын ДНҚ фрагменттері синтезделінеді. Оларды Оказаки фрагменттері деп атайды.

г) ДНҚ синтезі басталуы үшін міндетгі түрде 10-15 нуклеотидтерден тұратын «РНҚ-үйытем»-праймер қажет, себебі ДНҚ синтезін жүргізетін фермент ДНҚ - полимераза өз бетінше ДНҚ синтезін бастай алмайды.

ДНҚ репарациясы дегеніміз молекула құрамындағы қателіктердің, бұзылыстардың жөнделуі. Оның бірнеше түрлері белгілі:

а) фотореактивация немесе жарықгық репарация. Оны 1962 жылы К.Руперт ашқан. Ультракүлгін сәулелері ДНҚ молекуласына әсер етіп, овда тиминдік димерлер пайда етеді, яғни 2 көршілес тиминдер-адениндермен байланысын үзіп, өзара байланысады. Бұл кезде фотореактивтеуші ферменттер жарықтың (күн сәулесінің) әсерімен тиминдік димерлерді ыдыратып, ДНҚ молекуласын бүрынғы, қалыпты күйіне келтіреді .

Өсімдіктер мен бактерияларда тиминдік димерлер тікелей фоторепарация арқылы репарацияланады. Бұл жағдайда репарация ферменттері күн сәулесінің энергиясын пайдаланып, тиминдер арасындағы бүрыс байланысты үзеді. Сонымен қатар, бактерияларда тиминдік димерлер басқа да тетіктер (механизмдер) арқылы репарацияланады (жөнделеді):

-тиминдік димерлері бар бұзылған тізбектің фрагменті кесіледі және

-осы фрагмент жаңадан синтезделінеді.

Бұл кезде эксцинуклеаза ферменті (бактерияларда) бүзылған жерді танып, оның екі үшын (тиминдік димермен қоса) 12-13 нуклеотидтерге кеседі. Эукариотгарда тиминдік димер түзілген фрагмент репарациялық эндонуклеаза П-арқылы 5¹ үшынан кесіледі, содан кейін арнайы экзонуклеаза 100-ге жуық нуклеотидтерді бір-бірлеп алып тастайды. Содан кейін ресинтез жүзеге асады. Ресинтез, яғни жаңа синтез, ДНҚ-полимераза - арқылы жүзеге асады. Кейде осы репарациялық жүйенің кемістігі байқалады. Бұл кезде адамдардың тұқым қуалайтын ауруы—пигменттік ксеродерма дамиды, себебі терісі күн сәулесіне өте сезімтал адамдарда УК сәулелену (күнге күю; тиминдік димерлердің түзілуін арандатады. Сол сияқты, осы репарация жүйесінің қызметтік белсенділігінің азаюы - күні бұрын қартаю (синдром вялой кожи) синдромының дамуының да себебі болуы мүмкін. Бұл кезде ДНҚ-ның репарациялану жүйесінің қызметік белсенділігі айтарлықтай төмендейді, нәтижеде ДНҚ бұзылыстары баяу репарацияланады не мүлдем репарацияланады. Ал, бұл терінің босап, салбырап қалуына алып келеді.

б) эксцизиалық немесе қараңғылық репарацияны-ХХ ғасырдың 50 жылдары А.Геррен ашқан. Ол жарықтың қатынасынсыз жүреді және 4 сатыдан түрады:

1. Эндонуклеаза ферментері пайда болған димерлерді «тауып», оларды «танып» қияды;

2. Кесілген ДНҚ молекулаларының жіпшелерінің ұштарын экзонуклеаза ферменттері «танып» арасын алшақтатады да ығыстыр ып шығарады;

3. ДНҚ-полимераза ферменті кесіліп алынып тасталған нуклеотиттер орнына ДНҚ-ның үзілмеген екінші жіпшесі негізінде (матрица) комплиментарлық принциппен, қалыпты нуклеотидтерді синтездейді;

4. Лигаза ферменттері синтезделінген нуклеотидтер ji ДНҚ-ның кесілген жіпшесше жалғайды.

в) репликациядан кейінгі репарация. Егер де репарацияның бірінші не екінші жолдары    арқылы    ДНҚ молекуласындағы қателіктер репликация кезінде жөнделмесе, овда ол келесі репликациада матрица қызметін толық атқара алмайды. Сондықтан пайда болған қателіктер репликациядан кейін жөнделуі қажет. Мұны репликациядан кейінгі репарация деп атайды.

 

5. Рибонуклеин қышқылдарының құрылымы, қызметі, түрлері.

 

РНҚ-да ДНҚ сияқты полимер-сызықты полинуклеотид, ал мономерлері болып рибонуклеотидтер саналады. РНҚ нуклеотидтерінде рибоза, 4 азоттық негіздер - А, Г, Ц, У, бір фосфор қышқылының қалдығы кездеседі, оларды рАМФ, рГМФ, рЦМФ, рУМФ деп бейнелейді.

Нуклеотидтер 5\ З¹ - фосфодиэфирлік байланыс арқылы байланысқан.

РНҚ-ның, полинуклеотид тізбегі полярлы болып келеді, яғни оның 5¹ және З¹ ұштары болады.

Сол сияқты, РНҚ молекуласының ДНҚ молекуласынан айырмашылықтары да белгілі.

1) ең негізгі айырмашылығы РНҚ молекуласы қосширатпалы емес бір ширатпалы. Оның 3 себебі бар.

а)  біріншіден, РНҚ молекуласындағы пентоза (кант) дезоксирибоза емес, қосымша гидрокси тобы бар, рибоза болып табылады. Ал, қосымша гидрокси тобы қосширатпалы құрылымның түзілуін тежейді.

б) екіншіден, РНҚ молекуласында негізгі не мажорлық азоттық негіздерден тиминнің орнына урацил кездеседі (А, Г, Ц, У). Урацил тиминнен 5 метил тобының болмауымен ерекшеленеді. Осыған байланысты А-У арасында гиброфобтық әрекеттесу күші А-Т-га қарағанда әжептеуір өлсіз болады. Ал, бұл тұракты қосширатпалық құрылымның түзілу мүмкіндігін төмендетеді.

в) РНҚ молекуласында (әсіресе т РНҚ-да) өзгерген, модификацияланған минорлық негіздердің және нуклеозидтердің мөлшері өте көп. Олардың ішінде – дигидроуридин (урацилде 1 сутектік байланыс болмайды, яғни 3 сутектік байланыстың орнына 2 болады); псевдоуридин (урацил рибозамен ерекше байланысқан); диметиладенин және диметилгуанин (азоттык негіздерде екі қосымша метил топтары болады). Бұл негіздер комплиментарлы әрекеттесуге қабілетсіз. Осының бәрі қосширатпалы құрылымның пайда болуына кедергі келтіреді.

Сонымен катар, РНҚ негізінен бір ширатпалы (тізбекті) болуымен бірге, кейде косширатпалы «ілмекшелер» де пайда етеді (т-РНҚ).

Құрылысы, қызметтері жағынан түрліше болып келетін 3 түрлі РНҚ белгілі: а-РНҚ, т-РНҚ, р-РНҚ.

Ақпараттық РНҚ (А-РНҚ) құрылысының ерекшеліктері.

А-РНҚ молекулаларында полипептид тізбегі туралы ақпарат болатындықтан, олардың жасушадағы жалпы саны өте көп болады. Осыған қарамастан:

1) а-РНҚ-лардың бәрі жасушадағы РНҚ молекулаларының жиынтығының небәрі 5%-пайызын ғана құрайды.

2) а-РНҚ-лар қаншалықты көп болғанымен бәрінің құрылысы бір-біріне ұқсас, яғни а-РНҚ-ның сызықтық тізбегі әртүрлі қызмет атқаратын бірнеше учаскелерден тұрады.

Эукариоттардың пісіп жетілген а-РНҚ-лары моноцистронды, ал прокариоттар (бактериялар) а-РНҚ-лары — полицистронды болып келеді.

д) а-РНҚ-ның-кодтаушы бөлімінен кейін кодон терминатор-3 мағынасыз кодонның -УАА, УАГ не УГА біреуі орналасқан.

е)  кодон терминатордан кейін З¹ - трансляцияланбайтын учаске орналасқан, оның ұзындығы 5'-трансляцияланбайтын учаскеден әлде қайда ұзын.

ж) барлық пісіп жетілген эукариоттар а-РНҚ-сының (гистондық а-РНҚ-лардан басқалары) З¹ ұшында 150-200 нуклеотидтерден тұратын поли-(А) — фрагмент орналасқан.

3'-трансляцияланбайтын учаске және поли-(А) фрагмент а-РНҚ молекулаларының тіршілік ұзақтығын реттеу қызметін атқарады, себебі а-РНҚ молекуласының бұзылуы З¹ ұшынан бір-бірлеп нуклеотидтердің үзіліп түсіп қалуы арқылы жүреді.

а-РНҚ нуклеотидтерінің жалпы саны бірнеше мыңға жуық, оның ішінде кодтаушы учаскесіне тек 60-70% нуклеотидтер ғана тиесілі болады. Жасушада а-РНҚ-лар барлық уақытта ақуыздармен байланысып, информосомалар деп аталатын кешен пайда етеді.

         Тасымалдаушы РНҚ-лардың (Т-РНҚ) құрылысының ерекшеліктері.

Т-РНҚ-лардың жалпы саны 40-50-ге жуық, яғни әр-бір аминқышқылына 1-ден 5-6 ға дейін Т-РНҚ —лар болады, оларды Т-РНҚ^ала; Т-РНҚ^фен; Т-РНҚ^лей; т.б деп бейнелейді, ал инициаторлық т-РНҚ -т-РНҚ_и^м".

Т-РНҚ молекуласы үлкен болмайды, онда жүз шақты нуклеотидтер кездеседі, олардың ішінде минорлық (модификацияланған) нуклеотидтер көптеп кездеседі-13-15 %, олар:

-гидроуридин (гУ) және псевдоуридин (пУ) ;

-инозин (И);

-метилинозин (мИ), метилгуанозин (мГ) және диметилгуанозин (мГ);

-диметилуридин (м₂У).

Бұдан басқа т-РНҚ молекуласы бірнеше «сақиналар»-«ілмекшелер» пайда етуі нәтижесінде оның конфигурациясы беде өсімдігінің үшқұлақты жапырағына ұқсас болады. Бұл құрылымда 4-қостізбекті және 5 дара тізбекті учаскелер кездеседі. Минорлық нуклеотидтер комплиментарлық байланысуға қабілетсіз болғандықтан, олар тек біртізбекті локустарда ғана кездеседі.

Т-РНҚ-лардың келесі ерекшелігі-3¹ үшында 4 нуклеотидтен тұратын акцепторлық бұтақтануының болуы. Оның ең соңғы нуклеотиді-аденинмен (А) тиесілі аминқышқылы ковалентті байланысады. Т-РНҚ-лардың тағы бір маңызды ерекшелігі акцепторлық бұтақшаның қарама-қарсы жағында 7 нуклеотидтен тұратын антикодондық имектің болуы. Олардың үшеуі антикодон кызметін атқарады.

Т-РНҚ-лардың үшінші реттік құрылымы тұрақлы болады. Олар ақуыз синтезделінетін кешенге аминқышкылдарды тасымалдап, жеткізіп отырады.

Рибосомалық РНҚ-лар рибосома субъединицаларының (үлкен және кіші) күрамына кіреді. Олардың 4 түрі белгілі: 5S-p РНҚ, 5,8S-p РНҚ, 18S-p РНҚ, 28S-p РНҚ.

Рибосоманың үлкен субъединицасы (бөлшегі)-З әртүрлі рРНҚ молекулаларынан-SS-p РНҚ, 5.8S-р РНҚ, 28S-p РНҚ және 45 ақуыз молекулаларынан түрады. Р-РНҚ молекуласының ерекшелігінің бірі-гуанин (Г) және цитозин (Ц) сияқты азоттық негіздерінің мөлшерінің басқаларына қарағанда әлде қайда көп болуы. Сонымен қатар минорлық нуклеотидтер де жиі кездеседі, мысалы рибоза бойынша метилденген нуклеозидтер.

Р-РНҚ-ның екінші реттік құрылымында қостізбекті учаскелер және ілмекшелер де көптеп кездеседі.

6. Транскрипцияның молекулалық механизмдері.  Процессинг және сплайсинг.

 

Транскрипция дегеніміз — ДНҚ молекуласындағы генетикалық ақпараттың РНҚ молекуласына көшіріліп жазылуы, яғни РНҚ синтезделуі болып табылады. Транскрипция өнімі болып жетілмеген РНҚ-лар:

пре-аРНҚ, пре-тРНҚ, пре-рРНҚ-лар саналады. Олар ядрода пісіп жетіледі (процессинг).

Транскрипция тетіктері (механизмдері).Транскрипцияның ең алғашқы және маңызды кезеңі-оның инициациясы: РНҚ-полимеразаның промотормен байланысуы және алғашқы нуклеотидтераралық (фосфодиэфирлік) байланыстың түзілуі.

РНҚ полимераза мен промотордың байланысуы қалайша жүзеге асады?

Бактерияларда РНҚ полимераза промотор құрамындағы белгілі бір нуклеотидтер жұптарының бірізділігін тікелей таниды, мыс: Прибнов боксы. Бактерияның РНҚ полимераза ферментінің кооферменті 3 түрлі субъединицадан - а, р, р\ құрылған тетрамер болып табылады. Ол өздігінен промотормен байланыса алмайды, ал егер оған ерекше ақуыз- а-фактор жалғанса онда ст-фактордың қатынасуымен РНҚ-полимераза ферменті промотордың Прибнов боксын танып, онымен байланысады да транскрипцияны бастайды.

Инициациядан кейінгі кезең - элонгация: синтезделуші пре-РНҚ тізбегінің жайлап үзаруы терминациялық учаскеге дейін жалғасады. РНҚ синтезінде 1 секундта шамамен 30 нуклеотид жалғанады. Жалпы алғанда транскрипция қателіксіз жүреді, себебі ол матрицалық (қалып), комплиментарлық принциптерге негізделінеді, бірақ кейде 2х10⁴ нуклеотидтен біреуі қате жүптасуы мүмкін. Бұл қателіктер мутацияға алып келеді, сондықтан олар дер кезінде эндонуклеазалар арқылы жөнделіп отырады.

Транскрипцияның соңғы кезеңі терминация, немесе транскрипцияның

аяқталуы. Терминацияға сигнал болып геннің аяқ жағындағы ГЦ-га бай учаскелері саналады. Г-Ц байланысы (3 сутектік байланыс) мықты, берік болғандықтан ДНҚ-ның осындай учаскесінің локальды денатурациялануы (екі жіпшесінің ажырасуы) қиындай түседі. Бұл РНҚ-полимераза ферментінің жылжуын баяулатады және транскрипцияның тоқталуына (аяқталуына) алып келеді.

Транскрипция нәтижесінде эукариоттарда жетілмеген пре-РНҚ (пре-аРНҚ, пре-тРНҚ, пре-рРНҚ) синтезделінеді, себебі эукариоттар генінің құрылысы бактерияларға қарағанда күрделірек, яғни ол экзон-интрондық құрылысқа ие болады және транскрипция кезінде пре-РНҚ-ларда экзондық-интрондық учаскелері түгел көшіріліп жазылады.

а)  пре-аРНҚ-жетілген а-РНҚ-ларға қарағанда әлде қайда үзын болады, себебі олардың құрамына спейсерлер (реттеуші, құрылымдық қызметтер атқаратын ДНҚ учаскелері), мағыналы ДНҚ учаскелері-экзондар, мағынасыз учаскелері-интрондар кіреді. Сондықтан да пре-РНҚ-ларды кейде гетерогендік ядролық РНҚ (гя-РНҚ) деп те атайды.

пре а-РНҚ-лардың келесі ерекшелігі оның 5¹ ұшында «қалпақшаның» (КЭП), З¹ ұшында-поли (А)-фрагаенттің болмауы.

б)рРНҚ-ның кластерлі 3 гені біртүтас транскрипцияланады және синтезделген пре-рРНҚ немесе 45S РНҚ-күрамында жетілген үш түрлі рРНҚ-ға 18S, 5.8S, 288-рРНҚ-сәйкес келетін бірізділіктер болады. Бұл бірізділіктер спейсерлермен бөлінген, бірақ онда интрондар болмайды. Сонымен қатар, бұл жерде жетілген рРНҚ-ларда кездесетін модификацияланған нуклеотидтер-де болмайды.

в) Барлық пре-РНҚ-лардан ерекше пре-тРНҚ-лар тек жетілген бірізділіктерді қамтиды. пре-тРНҚ молекуласының сырт пішіні «жөке ағашының жапырағына» («кленовый лист») үқсас үшқүлақты болады, бірақ оның жетілген тРНҚ молекуласынан төмендегідей ерекшеліктері белгілі.

пре-РНҚ молекуласының пісіп жетілуі (процессинг) 3 кезеңге бөлінеді:

·                   кейбір нуклеотидтердің алынып тасталуы;

·                   кейбір нуклеотидтердің жалғануы;

·                   олардың модификациялануы;

Сонымен, пре-РНҚ молекуласының пісіп жетілуі (процессинг) барысывда оларға көптеген нуклеотидтер транскрипциясыз байланысады (жалғанады). пре-аРНҚ-ның 5¹ үшына «қалпақшаның» (КЭП) 7-метилгуанин және басқа да 3-4 нуклеотидтері қосылып жалғанады, ал 3' үшына 200-дей нуклеотидтерден түратын поли (А)-фрагмент қосылады. Бұл үдерісті полиаденилатполимераза ферменті катализдейді.

пре-тРНҚ молекуласының 3' ұшына 3 нуклеотид (Ц, Ц, А) бірінен кейін бірі жалғанып, акцепторлық учаске пайда етеді. пре-РНҚ-ның пісіп жетілуінің (процессинг) маңызды қүбылысы олардың құрамында модификацияланған нуклеотидтердің пайда болуы.пре-а-РНҚ-да «қалпақша» нуклеотидтерінің рибоза қалдықтарының метилденуі байқалады. Пре-т-РНҚ-да модификациялану көптүрлі болып келеді, мысалы: уридин қалдығы тотықсызданады (дигидроуридин пайда болғанға дейін), басқалары-изомерленеді (псевдоуридин), үшінші біреулері -метилденеді (метилурвдин). Аденозиннің кейбір қаддықтары дезамиңденіп инозинге айналады, соңғыларының (инозин) кейбіреулері тағы да метилденеді (метилинозин).

Жоғарьща сипатгалған қүбылыстар ядрода бірнеше пісіп жетілген РНҚ молекулаларының пайда болуына алып келеді.

ГяРНҚ-дан интрон бөліктері алынып тасталғаннан кейін, тек экзондардан құралған және цитоплазмада (рибосомада) трансляция процесінде өз кызметін атқара алатын, жетілген иРНҚ пайда болады. Бірнеше ферменттік системалар арқылы гяРНҚ-ның жетілген иРНҚ-ға айналуын процессинг деп атайды. Ал ондағы интрон бөліктерінің арнайы ферменттік жүйелері арқылы алынып тасталынуы сплайсинг деп аталады.

Күрделі эукариоттық геннің экзон мен интрондарының транскрипциясы олардың бір-бірінің артынан орналасу тартібіне сәйкес өтеді (колинеарлық транскрипция), бұдан соң сплайсинг нәтижесінде интрондық бөліктер кесіліп, экзондар тігіледі. Түзілген иРНҚ-ның жетекші тізбегінен кейін «трансляцияның ашық жолы» деп аталатын аймаққа одан бастаушы АУГ кодонынан стоп кодонға дейін полипептид тізбегін коделейді. Сплайсинг дәл болуы керек, олай болмаған жағдайда бір нуклеотидтік қателік арқылы «трансляция жолы» бұзылуы мүмкін, мұның өзі терминациялаушы триплеттердің түзілуіне, яғни полипептид синтезінің ерте тоқталуына әкеледі. Интрондар тізбегі геномның 5'— ұш жағынан ГТ нуклеотидтерінен басталады және АГ нуклеотидтерімен аяқталады. Осыған сәйкес РНҚ-дағы интрон тізбегі 5'— ұшы жағындағы экзоннан АГ, ал 3'— ұшы жағындағы экзоннан ГУ динуклеотидтерімен бөлінген. Алайда, осыған қарап экзон мен интрон шекараларын толық сеніммен анықтау қиын, өйткені ондай динуклеотидтер комбинациясы гяРНҚ-ының кез келген жерінде қайталануы әбден мүмкін, олар сплайсинг үшін маңызды болып саңалады.

Сплайсинг механизмі. Шамасы барлық РНҚ-ларға бірдей сплайсингтің жалпы механизмі жоқ. Бүгінгі күні эукариоттарда сплайсингтің төрт түрлі механизмі белгілі және олардың әрқайсысы әр түрлі үзілмелі гендермен және интрондардың әр қилы кластарымен байланысқан: 1) ашытқының алғашқы транскрипті —тРНҚ-дан интрондардың алынып тасталынуы, үзілуі және тігу ферменттері арқылы жүреді; 2) инфузорияның алғашқы рРНҚ-сынан интронды үзу үшін РНҚ өзінің катализдік активтілігі (аутосплайсингі) керек; 3) ашытқы митохондриясының РНҚ-сынан интронды бөлу, интронның өзінің өнімі арқылы іске асады және 4) жоғарғы сатыдағы эукариоттар интрондарының гя РНҚ-дан үзілуі экзон-интрон шекараларында орналасқан қысқа канонды тізбектерде өтеді.

 

7.Генетикалық кодтың молекулалық негіздері.

 

Жоғарыда айтқанымыздай тұқым қуалаушылық ақпарат ДНҚ молекуласында генетикалық код күйінде жазылған.

ДНҚ молекуласының екі тізбегі бір-бірінен қызметтік ролі жағынан ерекшеленеді: олардың біреуі-кодтаушы немесе мағыналы, ал екіншісі -матрицалық (қалып) тізбектер болып табылады. ДНҚ мағыналы тізбегі:   (5¹) - ТТЦ-АГТ-ЦАГ-ГАЦ-ГАТ-АЦГ- (З¹) ДНҚ матрицалық тізбегі: (З¹) - ААГ-ТЦА-ГЩ-ЦТГ-ЦТА-ТГЦ- (5¹) Транскрипция   а-РНҚ                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       (5¹)- УУЦ-АГУ-ЦАГ-ГАЦ-ГАУ-АЦГ- (З¹) Трансляция 4 полипептид тізбегі: (Ш₂)-Фен -Сер -Глн -Асп -Асп -Тре -(СООН)

ДНҚ молекуласындағы ақпараттың өлшем бірлігі болып триплет саналады, яғни үш нуклеотид бір аминқышқылын анықтайды. Сонымен генетикалық код (кодон) 1 нуклеотидтен көп болуы тиіс, себебі егер кодон 1 нуклеотидтен тұрады десек, 4 нуклеотид 4-ақ кодонды қалыптастырар еді, ал аминқышқылдар саны 20, демек 4 кодон жеткіліксіз. Ал егер генетикалық код 2 (жуп) нуклеотидтен түрады десек, 4 нуклеотидтерден 16 әртүрлі жүптарды (42=16) жұптастыруға болар еді, бірақ 16 кодон да 20 аминқышқылдары үшін жеткіліксіз.

1954 жылы американ ғалымы Г.Гамов теория күйінде генетикалық код (кодон) 3 нуклеотидтерден (триплетті) тұруы мүмкін деген болжам айтқан. Шынында да 4 нуклеотидтерден (А,Г,Ц,Т) 64 әртүрлі үштіктерді (4³=64) құрастыруға бстады жөне 64 кодон 20 аминқышқыддары үшін әбден жеткілікті. Мүмкін кодон 4 нуклеотидтен тұратын шығар, бұл жағдайда 4 нуклеотидтен (А,Г,Ц,Т) 256 әртүрлі үштіктерді құрастыруға болар еді, бірақ 20 аминқышқылы үшін осыншама көп (256) кодон болады деп болжамдау ақылға қонбайды, себебі табиғат өзінің дамуында үнемі үнемді жолдарды таңдап отырған. 1961 жылы Ф.Крик генетикалық код триплетті (3 нуклеотидтен тұратындығын) болатынын тәжірибе жасап дәлелдеді, яғни лабораториялық жағдайда 3 Урацилдің (УУУ) фенилаланин аминқышқылын анықтайтынын көрсетті. Ал, 1964 ж. М. Ниренберг, С. Очао, Х.Хорана т.б. еңбектерінің нәтижесінде барлық 64 кодонның мағынасы анықталып, олардың негізгі қасиеттері белгілі болды.

64 кодонның 61- мағыналы кодондар, яғни 20 аминқышқылының біреуін анықтайды, ал 3-еуі (УАА, УАГ, УГА) мағынасыз кодондар, яғни ешқандай аминқышқылдарын анықтамайды, олар ақуыз синтезінің аяқталуын бақылайды, сондықтан оларды-«стоп кодондар», «кодон-терминаторлар» деп те атайды. ДНҚ молекуласының кодтарына сәйкес келетін а-РНҚ триплеттерін кодондар деп атайды.

Генетикалық кодтың негізгі қасиеттері

1. Генетикалық код әмбебапты болады, яғни кодондар барлық тірі ағзаларда бірдей аминқышқылдарын анықтайды;

2.Генетикалық код коллинеарлы (сәйкес) болады, яғни нуклеин қышқылдарындағы (ДНҚ, РНҚ) нуклеотидтер бірізділігі полипептид молекуласындағы аминқышқылдар бірізділігіне сәйкес болады;

3.Генетикалық код артық (вырожденный) болады, яғни әрбір аминқышқылы 2-6 кодон арқылы анықталады, тек метионин жоне триптофан аминқышқылдары бір ғана кодон арқылы анықталады.

Бір аминқышқылдарының кодондары бір-бірінен үшінші (соңғы) нуклеотидтері арқылы ерекшеленеді, мысалы: серин кодондары-УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ.

Құрылысы жағынан ұқсас аминқышқылдардың кодондары да ұқсас болады, яғни олардың екі нуклеотиді бірдей, мысалы: Аспараган, Глутамин сияқты ұқсас аминқышқылдардың кодондарының алғашқы нуклеотидтері бірдей (ГАУ, ГАЦ, Г, ГАГ).

4) кодондар а-РНҚ тізбегінде бірінен кейін бірі үзіліссіз -үтірсіз, нүктесіз, бірізділікпен орналасады;

5) кодондар а-РНҚ тізбегінде бірін-бірі бастырмаламай орналасады;

6) кодондар нақтылы болады, яғни әрбір мағыналы кодондарға 64 бір аминқышқылы сәйкес келеді;

7) Кодондар триплетті (үш өрімді) болады.

Ген  ДНҚ-дан тұратынын, ал ДНҚ қос тізбекті шиыршық екені белгілі. Егер ДНҚ  шын мәнінде генетикалық молекула болса, ол белгілі бір ферменттің  құрылымын  да белгілеуі тиіс. Уотсон мен Криктің  пікірі бойынша  ДНҚ-ның нақ осы рольін  молекуласындағы нуклеотидтердің  жүйелілікпен орналасуымен  түсіндіруге болады, мұнда ДНҚ тізбектеріндегі  4 нуклеотид  кезектесіп отырады. Бірақ ферменттер  химиялық жағынан  белоктардың молекулалары,  ал соңғылардың  құрылымдық  элементтері – амин қышқылдары болып табылатындықтан, ол қышқөылдардың  белок молекуласында орналасу реті  ДНҚ  молекуласындағы  нуклеотидтердің  орналасуына, дәлірек айтқанда  нуклеотидтердің  ДНҚ молекуласының   тізбектерінде  орналасуына қарай  белгіленеді.

ДНҚ ның тізбегінде  4 түрлі нуклеотидтермен  жазылған нақты  бір белоктың  аты сол белоктың  гені болып табылады. Генетиктердің, биохимиктердің,  цитологтар,  мен басқада  мамандардың  күш салуы  арқасында  қазіргі уақытта  генетикалық кодтың  негізгі белгілері  айқын болды.

Ф. Крик бастаған ғалымдар  50-60 жылдары жүргізген  зерттеулерінің  нәтижесінде  әр амин қышқылына  ДНҚ-дағы  3 негіз  сәйкес келетінің  ашты. Оны КОДОН деп атады.

Бір обьектіні басқа обьектілердің  жәрдемімен  бейнелеуді  кибернетикада КОДПЕН жазу деп атайды. 

ДНҚ – генетикалық  информацияны  сақтаушы.  Қазіргі  күндері  геннің  ДНҚ  қышқылының  бөлігі  екендігі  жапыға  мәлім  осы  бірегей  нуклейн  қышқылының  өзін  1868  жылы  швеицариялық  дәрігер  Ф. Мишер клетка  ядросынан бөліп  алу  арқылы  ашқан  еді.  Кейін  1924  жылы Р.Фельген  ДНҚ-ның  хромосома  құрамында  болатынын  көрсетті. Мұның  өзі  ДНҚ-ның  генетикалық  материал  екендігін  көрсеткендей  болады.  

Тұқымқуалаушылық  ақпарат ДНҚ  малекуласында  гентикалық   код  күйінде  жазылған.

Гентикалық  Код (кодтау)  дегеніміз-  тұқымқуалаушылық  ақпараттың  яғни  20  аминқышқылдар  туралы  ақпараттың,  ДНҚ  молекуласындағы  4  нуклеотиттер (АГЦД)  арқылы  қысқаша  жазылу  сақталу  және  жүзеге  асу  жүйесі  болып  табылады.

ДНҚ  молекуласының  кодтарына  сәйкес  келетін  А-РНҚ  триплеттерін  кодандар  деп  атайды.

 

8.  Белок биосинтезі (трансляция)

 

Белок биосинтезі немесе трансляция тетіктері. ДНҚ молекуласындағы тұқым қуалаушылық ақпараттың экспрессиялануының келесі кезеңі - ақуыз биосинтезі немесе трансляция. Ақуыз биосинтезі жасушаның тіршілігі үшін өте қажет, себебі жасушаның тіршілік үдерістерінде ақуыз молекуласы түрліше қызметтер атқарып, әртүрлі биохимиялық реакцияларға қатынасып, ыдырап жойылып отырады. Ал олардың орнын толтыру ақуыз молекуласының жаңадан синтезделуі арқасында жүзеге асады.

a — РНҚ молекуласындағы нуклеотидтер бірізділігінде жазылған ақпараттың коллинеарлы полипеядии молекуласының аминқышқылдары ретіне берілуін трансляция немесе ақуыз биосинтезі деп атаймыз.Трансляция немесе ақуыз биосинтезі полипептидтің N ұшынан басталып С ұшына қарай жүреді. Ақуыз биосинтезіне рибосоманың екі бөлшегі, а-РНҚ, т-РНҚ, 20 аминқышқылдар, аминоацил-т-РНҚ-синтетаза ферменттері және басқа да қосымша ақуыз факторлары қатынасады және олар түрліше қызметтер атқарады.

а-РНҚ ақуыз биосинтезі үшін матрица (қалып) болып табылады, р-РНҚ лар (5s рРНҚ, 5,8s рРНҚ, 18s рРНҚ, 28s рРНҚ) рибосома бөлшектерінің құрамына кіреді, ал рибосомалар болса цитоплазмада ақуыз биосинтезін жүргізуші органеллалар болып табылады. Рибосомалар гиалоплазмада еркін күйінде (полисомалар) кездесуі мүмкін, оларда ішкі ақуыздар синтезделінеді және мембраналармен байланысқан күйінде кездесуі мүмкін. Бұл жерде «экспорттық», мембраналық және лизосомалық ақуыз молекулалары синтезделінеді.

Трансляция немесе ақуыз биосинтезіне еркін аминқышқылдар (жалпы саны 20) қатынаспайды, т-РНҚ-лармен байланысқан аминоацил-т-РНҚ (аа-тРНҚ-Ала-тРНҚ; Мет-т-РНҚ т.б.) күйінде қатынасады. Әрбір аминқышқылдарына сәйкес келетін, оларды тасымадайтын т-РНҚ-лар болады. Гиалоплазмада кездесетін еркін аминқышқылдар (20) өздеріне сәйкес келетін т-РНҚ-ларға қалай болса солай емін-еркін байланыса алмайды. Ол үшін алғаш аминқышқылдардың активтенуі қажет және бұл үдеріс энергия жұмсауды қажет етеді. Энергия көзі болып АТФ гидролизі саналады. Аминқышқылдарының активтенуін және активтенген аминқышқылдардың өздеріне сәйкес т-РНҚ молекуласының акцепторлық ұшына қондырылуын қадағалайтын, басқаратын ерекше ферменттер-аминоацил—т-РНҚ-синтетаза ферменттері болады. Әрбір 20 аминқышқылдарына сәйкес келетін аминоацил-т-РНК,-синтетаза ферменттері белгілі, демек олардың да соңы - 20. Аминоацил-т-РНҚ-синтетаза ферменттерінде 2 танып білуші орталық болады: бірі-аминқыш-қылдарға, екіншісі т-РНҚ-ға арналған.

Инициациядан кейін трансляцияның негізгі кезеңі - элонгация (пептидтік тізбектің ұзаруы) басталады. Ол қайталанып отыратын циклдық сипатқа ие, яғни әрбір кезекті аминқышқылының полипептид тізбегіне қосылуы қайталанып отыратын ұқсас құбылыстардан тұрады.

Элонгация циклдары 3 сатыдан тұрады.

а) аа-т-РНҚ байланысуы. Циклдың алғашқы сатысында рибосоманың бос А-орталығы а-РНҚ кодонына комплиментарлы антикодоны бар кезекті аа-т-РНҚ-мен байланысады. Жалпы алғанда бұл инициаторлық аа-т-РНҚ-ның П-орталықпен байланысуы сияқты жүреді, яғни ГТФ молекуласы және 2 элонгация факторы (ақуыз) -ЕҒ-1_и, EF-1_S пайдаланылады. ЕҒ-1_И факторы ГТФ-пен және рибосомаға енген кезекті аа-т РНҚ-мен қосылып кешен пайда етеді. Егер осы аа-т-РНҚ-ның антикодоны А-орталықтағы а-РНҚ-ның кодонына комплиментарлы болмаса, кешен бұл жерде тұрақтамай, диффузия жолымен рибосоманы тастап шығады. Ал егер, антикодон а-РНҚ кодонымен комплиментарлы болатын болса кешен ыдырап, оның аа-т-РНҚ-сы А-орталықпен байланысады. ГТФ ГДФ-ке дейін гидролизденеді, ал соңғысы ЕҒ-1_И факторымен бірге босанып шығады да, әрі қарай рибосомадан тыс EF-l_s-neн бірге ГДФ-ның ГТФ-ға айналуына қатынасады және аа-т-РНҚ-ның кезекті молекуласымен байланысады.

б) Пептидтік байланыстың түзілуі. Циклдың алғашқы сатысынан кейін рибосоманың П-орталығында пептидил-т-РНҚ, А-орталығында аа-т-РНҚ орналасқан. Олардың акцепторлық ұштары және аминқышқылдар қалдықтары ПТФ-орталықта болады. Соңғысы, яғни ПТФ орталық пептидил-трансферазалық реакцияны қалыптастырады, яғни екі аминқышқылдар арасында пептидтік байланысты қалыптасты- УУА-терминациялык кодон; eRF-терминация факторы; ГА-гидролазалық белсенділік; И-инициаторлық аминқышқылы (метионин) Осыдан кейін пептидтік тізбек, т-РНҚ және а-РНҚ диссоциацияланып рибосоманы тастап шығады, ал рибосома екі бөлшекке ыдырайды да жаңа полипептидті синтездеуге дайындалады.

 

9. Ақуыздардың молекулалық құрылымы.

 

Ақуыздар — жасушаның ең маңызды макромолекулаларының бірі. Оның элементтік құрамын, құрылысының теориясын алғашқылардың бірі болып зерттеген және «протеин» (protein-бірінші) деп атауды ұсынған Голландия химигі және дәрігері Г.Я Мульдер (1802-1880) болатын.

Ақуыздар маңызды қызметтерді атқарады:

-құрылымдық (биомембраналар құрамына кіреді);

-энергетикалық (қуат көзі болып табылады);

-катагиздеуші (ферменттер);

-сигналдық (гормондар, нейропептидтер);

-козғаушы (миозин);

-өткізгіштік (арналар, сорғыштар);

-реттеуші (репликация, транскрипция, трансляция факторлары);

-ДНҚ учаскелерімен байланысып гендердің экспрессиялануын реттейді;

-ақуыздардың фолдингін қадағалайды.

Ақуыздың бірінші реттік құрылымы

Ақуыз молекуласы — полимер, оның мономерлері болып аминқышқылдары саналады. Қазіргі кезде табиғатта анықталған аминқышқылдардың жалпы саны-300-дей, бірақ ақуыз молекулаларында олардың тек 20- а аминқышқылдары ғана кездеседі. Бұл аминкышкылдарды акуыздық, протеиндік аминқышқылдар деп атайды. a -Аминқышқылдарының барлығының құрылысы жалпы алғанда бір-біріне ұқсас, яғни олар амин тобынан (NH₂), көмірсутектен (СН), карбоксил топтарынан (СООН) құрылған қаңқадан (остав) және ортаңғы көміртек атомымен (Са) альфа орны бойынша байланысқан радикалдан тұрады.

R I H₂N-C_aH  -COOH

Жер бетіндегі барлық тірі ағзалар осы 20 a аминқышқылдарды пайдаланып сан алуан ақуыз молекулаларын құрастырады. Кейбір ақуыздарда басқа да сирек кездесетін аминқышқылдар болады. Мысалы, коллагенде-гидроксипролин, гидроксилизин; протромбинде-карбоксиглутамин қышқылы т.б. Ақуыз молекуласында аминқышқылдар бір-бірімен пептидтік байланыс арқылы байланысып, үлкенді-кішілі полипептид тізбегін пайда етеді. Мұны ақуыздың I реттік құрылымы деп атайды. Осы құрылым (полипептид) а-РНҚ кодондарының бірізділігі арқылы кодталып, трансляция кезінде синтезделінеді.

Әрбір жекелеген ақуыздардың поплипептид тізбегіндегі аминқышқылдар бірізділігі бірегей (уникальный) болады және ол генетикалық кодтау (тұқым қуалаушылық) арқылы айқындалады. Ал ол, өз кезегінде, осы ақуыздың ұйымдасуының жоғары құрылымдарын (ІІ-реттік, Ш-реттік) анықтайды. Жүздеген, мыңдаған аминқышқылдардан тұратын полипептид тізбегінің тек бір аминқышқылының алмасуының өзі ақуыз молекуласының қасиетін күрт өзгертіп, оны биологиялық белсенділіктен айыруы мүмкін.

Пептидтік байланыс өзінің химиялық табиғаты бойынша ковалентті болып табылады және ақуыз молекуласының І-реттік құрылымына өте жоғары дәрежелі беріктік береді.

Ақуыз молекуласының құрылысының полипептидтік теориясын 1902-1919 жылдары Э.Фишер тәжірибе жасап қалыптастырды.

Пептидтердің аталуы оның құрамына кіретін аминқышқылдар атауларына байланысты болады, мысалы: глицин және аланин аминқышқылдарынан құрылған дипептидті-глицил-аланин; глицин, аланин және лизин аминқышқылдарынан түратын трипептидті —глицил-аланил-лизин деп атайды.

Пептидтік теория ақуыздардың көптеген физикалық-химиялық және биологиялық қасиеттерін дұрыс түсіндіруге мүмкіндік берді. Сонымен қатар, ол қалайша физикалық-химиялық касиеттері, атқаратын қызметтері түрліше болып келетін ақуыздардың табиғатта сан алуан формаларының кездесетінін де дәлелдеді. Мысалы, 2 аминқышқыддар-глицин және аланин, екі түрлі дипептид пайда ете алады: глицил-аланин және аланил-глицин. Оларды изомерлер деп атайды. Аминқышқылдар бірізділігінің түрліше болуына байланысты изомерлердің физикалық-химиялық қасиеттері, қызметгері де әртүрлі болады.

Бірізділік тізбегінде түрліше комбинациялануы салдарынан 3 аминқышқылынан (глицин, аланин, лизин) 6 түрлі трипептид түзіледі:

1) глицил-аланил-лизин; 2) глицил-лизил-аланин; 3) аланил-глицил-лизин; 4) аланил-лизил-глицин; 5) лизил-аланил-глицин; 6) лизил-глицил-аланин.

Ақуыз молекуласында 20 аминқышқылдардың болатындығын ескерсек, онда орлардың түрліше комбинациялануы нәтижесінде, қасиеттері әртүрлі болып келетін қаншама изомерлердің түзілетінін есептеу қиын емес (20").

Тізбек ұзындығына қарай табиғаттағы барлық ақуыздық заттарды пептидтер (олигопептидтер) (2-10 аминқышқылдарынан құрылған), полипептидтер (10-40 аминқышқылдарынан түрады) және акуыздар (40 тан көп аминқышқылдардан түрады) деп бөледі. Мысалы, ішек бактериясында 3000 әртүрлі акуыздар кездессе, адам ағзасында 5 милиионға жуық ақуыздар табылған. Сонымен бірге, ішек бактериясының бірде-бір ақуызы адам ақуыздарына ұқсамайды.

Радикалдардың физикалық-химиялық қасиеттеріне қарай аминқышқылдарды полярлы (гидрофильді)-серин, треонин, цистидин, тирозин, гидроксипролин, аспарагин, глутамин, аспарагин қышқылы, глутамин қышқылы, аргинин, лизин, гидроксилизин, гистидин және полярлы емес (гвдрофобты)-глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин деп бөледі.

Сонымен қатар, адам ағзасында синтезделу мүмкіншіліктеріне қарай, аминқышқылдарды - алмастыруға болмайтын аминқышқылдар (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан) ағзада синтезделмейді, ағзаға тек ас күрамында енуі қажет. Жартылай алмастыруға болатын аминқышқылдар (аргинин, тирозин, гистидин) — ағзада синтезделінеді, бірақ олардың ағзадағы қоры жеткіліксіз болғандықтан әлсін-әлсін ас құамында енуі қажет. Алмастыруға болатын аминқышқылдар (глицин, аланин, серин, аспарапш қышқылы, глутамин қышқылы, аспарагин, глутамин, цистеин, пролин) —    ағзада синтезделінеді деп бөледі.

Пептидтік тізбектің көптеген фрагменттері алғашқа ширатпа не құрылым күйінде болады. Ақуыз молекуласының кеңістікте мұндай қарапайым жинақталуын II реттік құрылым деп атайды.

Глобулалы ақуыз молекуласында әртүрлі екінші реттік құрылымдар және құрылымсыз (яғни екінші реттік құрылымдары болмайтын) учаскелер кездесуі мүмкін. Мысалы, миозин, тропомиозин, а-керотин тек а-ширатпадан, фиброин, R -кератин-тек р кұрылымнан тұрады.

-a-Ширатпада-полипептид тізбегінің қаңкасы ширатылып, аминқышқылдардың радикалдары сыртқа қарай бағытталған болады Бұл құрылым аминқышқылдар арасындағы сутектік байланыс арқылы түрақтанады.

Аминқышқылдарының бүйір радикадары бұл құрылымдардың тұрақтануына тікелей қатынаспағанымен, олар полипептид тізбегінің қалайша оралуын және ол орала ала ма, жоқ па осы мәселелерді анықтайды.

Ақуыз молекуласының үшінші реттік (глобулалық) құрылымы дегеніміз-полипептид тізбегінің а-ширатпасының, құрылымының және құрылымсыз учаскелерінің кеңістікте глобула (шумақ) конформациясына жинақталып, табиғи (нативті) құрылымының түзілуі. Бұл үдерісті фолдинг деп атайды.

Ақуыздың екінші реттік құрылымынан ерекше, үшінші реттік құрылымы аминқышқылдардың радикалдары арасыңдағы байланыстар негізінде пайда болады және тұрақтанады. Бұл байланыстардың нақтылы түрлері радикалдар ерекшеліктеріне тікелей байланысты болады.

Үшінші реттік құрылымы қалыптасқаннан кейін ақуыз молекуласы өзіне тән қызметтік белсенділікке ие болады. Осы құрылымда ақуыз молекуласыңда белгілі бір лигандалармен әрекеттесуге қабілетгі, бірнеше радикалдар тобынан түратын, белсенді орталықтар пайда болады. Бүұ радикалдар полипептид тізбегінде (І-ретгік құрылымда) бір-бірінен қашық орналасады, ал олардың жақындасуы фолдинг үдерісінде жүзеге асады.

Кейбір ақуыздардың IV реттік құрылымы да белгілі, мысалы гемоглобин. Оның молекуласы 4 субъединицалардан (екі, 2 тізбектерден) құрылған.

 

10. Ақуыз молекуласының фолдингі.

 

Ақуыздың бірінші реттік құрылымының (полипептид тізбегі) оның әртүрлі фрагментгерінің екінші реттік құрылымын толықтай анықтайтынын жоғарыда айтқанбыз. Тап осы тұжырымды ақуыздың күрделі құрылымдары-үшінші, төртінші реттік құрылымдарына да жатқызуға әбден болады.

Мұны К.Анфинсен 1973 ж. рибонуклеазаға тәжірибелер жасап дәлелдеген.

Рибонуклеаза молекуласы 124 аминқышқылы болатын бір пептидтік тізбектен түрады. Аминқышқылдарының арасында, тізбектің әртүрлі жерлерінде орналасқан (26, 40, 58, 65, 72, 84, 95, 110), 8 цистеин қалдығы кездессді. Олар 4 жұп дисульфидтік байланыс пайда етеді. Теория күйінде 8 цистеин аминқышқылдары 105 түрлі өзара жұптасқан байланыстар туғыза алады, бірақ табиғи (нативтік) РНҚ-азада олардың тек біреуі ғана іске асады: 26-84; 40-95;

Ақуыз-лиганд әрекеттесулердің бірнеше түрлері белгілі:

1) Лиганд ақуызбен байланысып оның құрылымын тұрақтандырады, бірақ конформациясының өзгеруіне айтарлықтай әсер етпейді. Мысалы, лизоцимнің Са²⁺ ионымен байланысуы;

2) Лиганд ақуыздың III реттік құрылымын айтарлықтай өзгертеді және тек осы күйінде ол белсенді болады. Мысалы, кальмодулин Са²⁺ ионын байланыстырғаннан кейін белсенділік қасиетке ие болады.

3)  Лиганд болмаған жағдайда ақуыз еріген шумақ (глобула), яғни ешқандай үшінші құрылымы қалыптаспаған күйінде болады, мысалы лактальбуминнің Са²⁺ ионымен байланысуы.

Са²⁺ ионы болмаған жағдайда лактальбуминнің II ретік құрылымы бүзылады.

4) Лигандсыз ақуыздың II реттік құрылымы толық калыптаспаған, ал Ш-реттік құрылымы мүлдем болмайды. Пептидтік тізбек ішінара созылған күйде болады.

5) Лигандсыз ақуыз молекуласы түгелдей созылған, яғни кездейсоқ шумақ күйде болады.

6) Лигандпен байланысу ақуыз домендерінің не субъединицаларының өте үлкен және күрделі қайтақұрылуларына алып келеді. Мысалы, гемоглобиннің оттегімен әрекеттесуі.

Ақуыз фолдингі лезде, бір сәтте, жүзеге аспай, бірнеше сатыларға созылатынын 1972 ж. О.Т.Птицин айтқан болатын. Ол сатылар төмендегідей:

1) Глобулалы ақуыздың бастапқы формасы-трансляцияның тікелей өнімі - кездейсоқ шумақ болып саналады. Ол майысып, ирелеңдеп созылған тізбек күйінде болады.

2) Әрі қарай а-ширатпа, р-құрылым және құрылымсыз учаскелерден тұратын ақуыздың II ретік құрылымы қалыптасады. Бұл үдерістің аяғында шумақтың сығылып қысылуы нәтижесінде еріген глобула түзіледі. Бұл құрылымның табиғи, нативті құрылымнан ерекшелігі аминқышқылдар радикалдары өздерінің түпкілікті серіктерін «таба» алмай, кез-келгенімен байланысады. Бұл кезде аминқышқылдар арасындағы байланыстар және ақуыз конформациясы тұрақсыз болады.

3)Бірақ, ақуыз ерте ме, кеш пе термодинамикалық ең тиімді құрылымын тауып, көптеген радикалдараралық байланыстар түзеді, яғни табиғи, нативті, формасына фолдингталады. Протеиндисульфидизомераза (ПДИ)

Бұл фермент ақуыз молекуласындағы дисульфидтік байланыстардың түзілуін не үзілуін катализдейді.

К.Анфинсен тәжірибесінде РНҚ-азада 8 цистеин қалдығы бар дедік, бұл жүптасқан 4 дисульфидтік байланыстардың 105 нұсқасының қалыптасуына мүмкіндік береді, олардың тек біреуі ғана «дұрыс» байланыстар.

ПДИ болмаған жағдайда, кез-келген цистеиндар арасында кездейсоқ 4 дисульфидтік байланыстың түзілуі пептидтік тізбекті, табиғи және энергетикалық тиімді формаға сай келмесе де, белгілі бір конформацияда біржолата тұрақтандырған болар еді.

К.Анфинсен өз тәжірибелерінде «бұрыс» дисульфидтік байланыстар арқылы ақуыздың «бұрыс» конформациясының тұрақтану мүмкіндігін көрсетті. Ол ортаға екі агентті-зәр қышқылын (әлсіз байланыстарды үзетін) және R -меркаптоэтанолды (дисульфидтік байланыстарды үзетін) енгізіп РНҚ-азаның денатурациялануын, ал бір мезгілде екі агентті алып тастау арқылы ренатурациялануын, яғни рефолдингтенуін бакылаған.

Алғаш текр-меркаптоэтолды алып тастап, дисульфидтік байланыстардың баяу түзілуі нәтижесінде осы байланыстардың 105 нұсқалары кездесетін ақуыз молекулаларының пайда болғанын байқаған. Осыдан кейін ортадан зәр қышқылын шығару ақуыз молекуласының конформациясын айтарлықтай өзгертпеген, себебі ол дисульфидтік байланыстар арқылы тұрақтанған. Бұл өнімнің РНҚ-азалық белсеңділігі 1/105ке, яғни 1%-ға тең болған.

Егер осы ортаға қайтадан р-меркаптоэтанолдың шамалы мөлшерін енгізсе фермент белсенділігі 100%-ға жеткен, яғни ол ақуыз молекуласының «бұрыс» дисульфидтік байланыстарының үзілуіне ықпал етіп, «дұрыс» байланыстардың түзілуіне кедергі келтірмеген. Бұл кездер-меркаптоэтанол ПДИ қызметін атқарған.

Сонымен, ПДИ қатынасуымен қалыптасып келе жатқан ақуыз молекуласында дисульфидтік байланыстардың құбылып өзгеруі (түзілуі не үзілуі) нәтижесінде, байланыстардың кездейсоқ сапырылысуы арқасында, ақуыздың ең тиімді энергетикалық және табиғи, нативті кұрылымы қалыптасады.

Ірі молекулалы ақуыздардың қалыпты фолдингі не рефолдингі үшін лигандтармен қатар кейбір фолдингтің қосымша ақуыздарының қажеттілігі анықталады. Оларды 2 топқа бөлуге болады:

а)  фолдинг ферменттері (фолдазалар);

б)  молекулалық шаперондар.

Жасушада ПДИ эндоплазмалық тор арнашықтарында кездеседі және ол мембранамен байланысқан рибосомаларда синтезделген «экспорттық», мембраналық және лизосомалық ақуыздардың қалыптасуына қатынасады.

көтерілгенде кездейсоқ анықтап тапқан. Олар жасушада барлық уақытта синтезделінеді, бірақ стресс жағдайларында дене температурасы көтерілген кезде, оның синтезделу қарқыны өсе түседі. Шаперондар көптеген маңызды қызметтер атқарады:

1) Жаңадан синтезделген ақуыздардың фолдингін қамтамасыз ету; -фолдинг үдерісінде «бұрыс» сыртқы әрекеттесулерді болдырмай, жаңадан синтезделген ақуыздарды агрегациялаудан сақтандыру; -«бұрыс» ішкі әрекеттесулерден сақтандыру; -«бұрыс» әлсіз байланыстарды құбылмалы (өзгермелі) ету;

2) Ақуыз рефолдингін бақылау, яғни бұрын синтезделінген және осыған дейін қалыпты қызмет атқарған ақуыздардың табиғи, нативті құрылымы бұзылған (сәулелену, оксвданттар және жоғары температура әсерлерінен) немесе толық, не ішінара денатурацияланған жағдайында, олардың қайтадан фолдингтануын қамтамасыз ету.

Приондар.

Жоғарыда келтірілген мәліметтер фолдазалардың және шапероңдардың қатынасуымен жүретін фоддинг-барлық уақытга полипептид тізбегінің энергетикалық және қызметтік тұрғыдан ең оптимальді құрылымының түзілуіне алып келеді деген ойды қалыптастыратыны сөзсіз. Бірақ, бұл барлық уақытта осылай бола бермейді. Белгілі бір ақуыздың занды түрде қайталанатын «бұрыс» фолдингі нәтижесінде дамитын өте зілді, бір топ неврологиялық аурулар белгілі. Осы ақуызды, егер ол қалыпты конформацияда болатын болса, приондық ақуыз Pr Р⁰ (prion protein constitutive) деп атайды. Ол мида табылған, оның қызметі белгісіз.

Кейбір ауру адамдарда осы полипептид басқа конформацияда, яғни құрамында табиғи құрылымында болмайтын р - учаскелері көптеп кездесетін және агрегациялануға ынталы формада болады. Мұндай, өзгерген ақуызды прион (proteinaceous infection particle) деп атайды және ол Рг Р* деп бейнеленеді.

 

11.  Геннің нәзік құрылысы. Белок биосинтезінің реттелуі.

 

Эукариоттар гендерінің бір ерекшелігі, ол экзон-интрондық құрылысы. Екінші ерекшелігі-көптеген рет қайталануы, яғни олар бірінен кейін бірі қайталанып жүптасып (тандемді) не біртүтас кластерге топтасып орналасады. Мысалы, гистондар, рибосомалық РНҚ, гемоглобин т.б. гендері.

Гистондар гендері-ұзындығы 6900 н.ж. болатын 5 ген бірегей бір кластерге топтасқан. Адам геномында олардың жалпы саны 35-ке дейін жетеді. Кластерлерде гендер бір-бірінен спейсерлер (кластердің 70% алып жатады) арқылы бөлініп түрады. Гистондық гендерде интрондар болмайды, олардың бәрі бірге транскрипцияланып бірегей пре-а-РНҚ түзеді де, 5 а-РНҚ-ға кесіледі.

Рибосомалық РНҚ гендерінің 4 түрлі белгілі - 5s р-РНҚ, 5,8 sp РНҚ, 18s-p-PHK,, 28s р-РНҚ. Олардың бәрі хромосомалардың ядрошық үйымдастырушы бөлімінде орналасқан. 5s р-РНҚ гені қалғандарынан бөлек орналасса-5,8 s-p-РНҚ, 18 s-p-РНҚ, 28 s-p-РНҚ-гендері кластер пайда етіп көптеген көшірме күйінде кездеседі-адамдардың бір геномында-100 көшірме, бакалар ооциттерінде-2млн. көшірмеге дейін кездеседі .

р-РНҚ гендерінде де интрондар болмайды. р-РНҚ кластерінің ұзындығы 8000 н.ж., ондағы гендер 2 спейсерлер арқылы бөлінген. Ал кластерлер бір-бірінен ұзындығы 5000 н.ж. болатын спейсерлер арқылы ажыратылған. Кластер бірегей құрылым ретінде транскрипцияланады.

Глобин кластерінде 3 спейсерлік учаске болады, олардың жалпы ұзындығы 4000-14000-ға н.ж дейін жетеді және кластер массасының көпшілік бөлігін алып жатады. Бұл гендерде интрондар болады, мыс. -генінің ұзындығы 120-155 н.ж. тең және онда 2 интрон кездеседі.

Глобин гендері бір-бірінен бөлек транскрипцияланады және олар онтогенездің әртүрлі кезеңцерінде экспрессияланады, мыс. құрсақтағы бала (плод) сатысында а₂у₂ (HbF), ал ересек адамдарда a₂ Q₂(HbA), a ₂ 5 ₂ (НЬА2) гендері экспрессияланады.

ДНҚ молекуласының бойында орналасқан гендердің бәрі бірдей бір мезгілде экспрессияланбайды. Ол, біріншіден — жасуша тіршілігінің белсенділігіне және даму кезеңіне, екіншіден - гендердің экспрессия-лануының реттелу механизмдеріне байланысты болады. Сондықтан да, бір мезгілде әр түрлі жасушаларда түрліше геңдер экспрессияланады және ағза дамуының әр түрлі кезеңдерінде бір жасушаның түрліше гендері экспрессияланады.

Әдетте , бір ген- бір ақуыз (фермент) деген үғымға (Э.Тейтум, Д.Бвдл 1945ж.) сәйкес әрбір ген өз алдына жеке транскрипцияланады деп ойлаймыз. Ал шын мәнінде, бір белгіні дамытуға қажет ақуыздарды анықтайтын бірнеше гендер ДНҚ бойына қатар орналасып, бірге транскрипцияланады. Мұндай гендерді кластерлі гендер деп атайды. Кластерлі гендердің бәрі бірдей транскрипцияланып ортақ полицистронды а-РНҚ түзіледі. Осының негізінде бір белгінің дамуына қажет барлық ақуыздар (фементтер) бір мезгілде синтезделінеді. Кластерлі гендердің экспрессиялануын ерекше реттеуші гендер реттеп отырады.

Аттенюатор — кейбір оперондарда оператор мен гендер арасында болатын ДНҚ-ның ерекше учаскесі. Бұл жерде, кейбір жағдайларда, опеоон тоанскрипциясы аяқталады.

Аттенюаторлары бар оперондар негізінен репрессияланатын оперондар қатарына жагады және кейбір сирек кездесетін аминқышқылдардың (триптофан, гистидин, фенилаланин) синтезделуі үшін қажет компоненттердің син-тезделуін (анаболизм) қадағалайды.

Ьұл оперондарда промотор мен оператор-дан кейін лидерлік бөлім деп аталатын ерекше бөлім болады, ол аттенюатормен аяқталады.

ДНҚ молекуласы гендер және ген аралық учаскелерден түрады. Ген аралық учаскелерді - спейсерлер деп атайды. Гендер үлесіне ДНҚ молекуласының небәрі 2,5-3,5% келемі тиесілі болса, спейсерлерге-98% тиесілі. Спейсерлер қызметтері түрліше болады.

1) Құрылымдық рөлі: а) нуклеосома тізбегінің ширатылып, одан

жоғары құрыльщдарды қалыптастыруьша қатьшасады; б) хромосомаларды центриоля аппаратына бекіндіреді.

2)  Белгілі бір ақуыздар байланысатын арнайы локустар болып табылады;

3) ДНҚ не РНҚ молекулаларының синтезделуі басталатын және ДНҚ-полимераза, РНҚ-полимераза ферментгері байланысатын учаске-промоторлар болып табылады. Промоторлар транскрипцияланатын гевдермен қатар орналасады не гендерден алшақтау орналасуы мүмкін. Бактериялар промоторларьщда Прибнев боксы болады, ол транскрипция басталатын нүктеден 15 н.ж,-тей қашыктықта орналасқан.

(5¹) - ТАТААТ - (З¹)

(З¹) - АТАТТА - (5⁽)

Промоторлардың жалпы ұзындығы бірнеше ондаған н.ж. тең. Эукариоттар промоторларының құрылысы күрделірек, онда ТАТА-бокс, ГЦ-бокс, ЦТ-бокстар болады. РНҚ-полимераза олармен транскрипцияның жалпы факторымен (TFIID) бір кешен түзіп барып байланысады.

4)  Операторлар, энхансерлер рөлін атқарады.

Оператор промотордан кейін, құрылымдық гендерге дейін орналасады, онымен арнайы ақуыз-репрессор байланысып транскрипцияны болдырмайды (бастырмалайды).

Энхансерлер- реттеуші гендерден біршама алшақ (бірнеше ондаған мың нуклеотидтердей) орналасады. Олар транскрипция факторларымен (ТФ), мысалы ақуыз р-53, байланысып, TFIID белсенділігіне әсер ету арқылы гендердің экспрессиялануын ретгейді.

5) ДНҚ молекуласында транскрипцияның аяқталуына (терминациялауына) сигнал болатын локустар қызметін атқарады. Бактерияларда бұл реттеуші гендер алдында орналасқан аттенюаторлар және гендерден кейін орналасқан-терминаторлар.

 

12. Эукариоттар геномы мен генінің молекулалық ерекшеліктері. Эукариоттар геномының тізбектер типі.

 

Геном — жасушаның, ағзаның тіршілігі және дамуы үшін қажет барлық генетикалық ақпарат жазылған ДНҚ молекулаларының толық жиынтығы болып табылады, яғни жасушаның ядролық және цитоплазмалық ДНҚ-сының барлық гендері мен ген аралық учаскелерінің жиынтығы.

Геном құрылысының жалпы принциптерін және оның құрылымдық -қызметтік ұйымдастырылуын зерттейтін ғылымды геномика деп атайды.

Адам геномикасы — молекулалық медицинаның негізі болып, тұқым қуалайтын және тұқым қуаламайтын ауруларды анықтау, емдеу және алдын-алу, болдырмау әдістерін қалыптастыру үшін маңызды рөл атқарады. Геномиканың негізгі бөлімдері: кұрылымдық, қызметтік, салыстырмалы, эволюциялық және медициналық геномика.

Эукариоттар геномына қозғалғыш генетикалық элементтер — транспозондар да тән, олар гендер белсенділігін реттеуге қатынасады, яғни бұрын пассив күйде болып келген гендерді активтендіреді немесе керісінше.

Адам геномы.

Адамның сома жасушасындағы (2п) ДНҚ-ның жалпы мөлшері 6,4.10⁹ н.ж. тең, яғни гаплоидтық хромосома жиынтығында (п)-3,2.10' н.ж. ДНҚ молекуласының 99,5 хромосомаларда кездеседі және бұл ядро ДНҚ-сы болып табылады. Ядродан тыс ДНҚ молекуласы митохондрияларда, цитоплазмада (0,5 )-сақиналы ДНҚ күйінде кездеседі.

ХХ-ғасырдың 60-жылдары Р.Бриттен және ЭДэвидсон эукариоттар геномының молекулалық құрылысының ерекшеліктерін, яғни геномның әртүрлі учаскелерінің түрліше рет қайталанатынын ашты. ДНҚ молекуласының қайталанбайтын, орташа қайталанатын, өте жиі қайталанатын учаскелері белгілі.

Кайталанбайтын учаске ДНҚ молекуласының бойында бір дана күйінде кездеседі және бұл жерлерде барлық структуралық гендер орналасқан. Оның үлесіне ДНҚ молекуласының 75 көлемі тиесілі. Геномның қалған 25% - қайталанатын нуклеотидтер бірізділігі болып табылады. Олар жүзден мыңдаған ретке дейін қайталануы мүмкін. Оларды дисперсияланған (біркелкі таралған) және сателиттік ДНҚ бірізділіктері деп бөледі.

 «Адам геномы» атты ғылыми бағдарлама ХХ-ғасырдың 90-жылдары басталып 2001-2003-жылдары толық аяқталды. Бұл бағдарламаны орындауға Қытай, Жапония, Франция, АҚШ, Үлыбритания елдерінен 20-ға жуық ғылыми зерттеу мекемелері ат салысты. Бұл бағдарламаның негізгі мақсаты адам геномын зерттеп секвендеу (секвендеу-барлық хромосомалардағы ДНҚ молекуласының нуклеотидтер бірізділігін анықтау) және адам хромосомаларының физикалық және генетикалық картасын құрастыру болып табылады. Адам геномын секвендеу, адам геномының табиғи нұсқаларын талдау, ең жиі кездесетін полиморфизм - жекелеген нуклеотидтер полиморфизімін, (SNP-Single Nukleotide Polymorphism) ашуға, полиморфизм картасын құрастыруға мүмкіндік берді.

Адам геномының ұзындығы 3,2 млрд н.ж, тең десек, онда геномда кездесетін ЖНП жалпы саны 1,6-3,2 миллиондай болады. Олардың 2,5 миллионға жуығы анықталды. Әрбір адам бір-бірінен ген құрамында кездесетін бір нуклеотидтер жұбының өзгеше болуы арқылы ерекшелінеді және бұл адамдар фенотипінің сан алуан түрлі болуына алып келеді. ЖНП қартасын құрастыру мультифакторлы полигенді патологиялардың, мыс. рак, диабет, психикалық аурулар т.б. дамуына жауапты гендерді идентификациялауға мүмкіндік берді.

Қазіргі таңда адамның 3000-нан астам тұқым қуалайтын ауруларының нақтылы гендерінің орналасқан жерлері анықталды, 20 мындай гендердің хромосомаларда орналасу орны белгілі болды, көптеген хромосомалық делециялық синдромдардың себептері анықталды. ЖНП-нің көпшілігі гендер экзондарында кездеседі.

Адам геномын зерттеулер нәтижесінде қазіргі таңда біз өз гендеріміздің 50% -ының құрылысын, қызметтерін жақсы білеміз, қалғандары белсенді түрде зерттелуде және жақын арада анықталады деп күтілуде. Бүгінгі күні кез-келген адам өзінің генетикалық төлқұжатын жасатып, соған сәйкес салауатты өмір сүру бағдарламасын құрастыруға мүмкіндік алып отыр. 2000-2003 жылдан бері қарай адамзат постгеномдық дәуірде тіршілік етуде, себебі осы жылы «адам геномы» атты халықаралық ғылыми бағдарлама табысты аяқталды (Ф.Коллинз, 2000). Бұл бағдарламаның аяқталуы генетиканың әрі қарай дамуының 3 жаңа стратегиясын қалыптастырды: 1) генетика - медицина үшін (пренаталадық диагностика, тұқым қуалайтын аурулар);

2)  генетика —денсаулық үшін (аурулардың алдын алу -болдырмау);

3) генетика қоғам үшін (дәрігерлерге, көпшілікке генетиканы үйрету). Жоғарыда айтылғандардың бәрі ядро хромосомаларындағы геномға жатады. Сонымен қатар, адам геномы митохондрия геномын және цитоплазмада, ядрода кездесетін сақиналы ДНҚ молекулаларын да қамтиды. Митохондрия ДНҚ-сының (мтДНҚ) геномы 16569 н.ж. тұратын қос тізбекті сақиналы молекула болып табылады. Әрбір митохондрияда  10 шақты ДНҚ молекуласы кездеседі. мт-ДНҚ-сында интрондар болмайды, оның құрамында 2р-РНҚ, 22-т-РНҚ және 13 фосфорлау полипептидтерінің гендері кездеседі. Митохондрий геномы 1981 ж. толық анықталған.

Адамның сақиналы ДНҚ-сы толық зерттелмеген оның өлшемі 150 н.ж.-тан -20000 н.ж. дейін болады. Ядроның сақиналы ДНҚ-сы онкогендермен уларға төзімділік гендерінің амплификацияланған (көшірмеленген) учаскелері болып табылады.

Сателиттік кайталанулар хромосомалардың әр түрлі учаскелерінде бумаланып жинақталған және көптеген рет қайталанатын тандемді бірізділіктерден тұрады. Сателиттік ДНҚ геномның шамамен 10% қамтиды және а-сателиттік, минисателиттік және микросателиттік ДНҚ-лар деп бөлінеді.

а -Сателиттік ДНҚ, әдетте, барлық хромосомалардың центромераларының айналасында орналасқан. Олардың негізі 171 нуклеотидтер жұптарынан тұрады және жұптасып (тандемді) мындаған рет қайталанады.

Минисателлиттік ДНҚ - 20-70 нж. тұратын және ондаған рет жұптасып (тандемді) қайталанатын бірізділіктер.

Микросателликтік ДНҚ - 2-4 нж. тұратын, жалпы ұзындығы жүздеген нуклеотидтер жұптарынан аспайтын, жұптасып (тандемді) байланысқан қайталанулар типі болып табылады.

 

13. Мутацияның молекулалық  негіздері. ДНК репарациясы.

 

Мутациялардың жіктелуі: -гендік мутациялар - ДНҚ молекуласының бір учаскесінде (ген) нуклеотидтер бірізділігінің өзгеруі (делеция, дупликация, миссенс, нонсенс, транскрипциялану рамкасының жылжуы, генетикалық импринганг);

-хромосомалық мутациялар - хромосомалардың құрылымының өзгерулері (делециялар, дупликациялар, инверсиялар, транслокациялар, робертсондық қайта құрылымдар, бір ата-аналық дисомиялар, изохромосомалар);

-геномдық мутациялар - хромосома санының өзгеруі (анеуплоидия, полиплоидия);

Гендік мутациялар деп —жай көзге көрінбейтін, тіпті микроскоп арқылы да көруге болмайтын ДНҚ молекуласының бір учаскесінде (ген) болатын өзгерістерді айтамыз. Адамдарда гендік мутациялардың бірнеше түрлері сипатталған:

-динамикалық мутациялар-қайталанатын үш нуклеотидтер экспансиясы;

-мажорлық мутациялар-кейбір популяцияларда жиі кездесетін мутациялар;

-миссенс мутациялар-кодонның өзгеруіне алып келетін мутациялар;

-бейтарап (үнсіз) мутациялар-фенотипті өзгертпейтін мутациялар;

-нонсенс мутациялар-мағыналы кодонның мағынасыз - стоп кодонға (кодон терминаторға) өзгеруіне алып келетін мутациялар;

-нолвдік мутациялар-қызметтік маңызы бар ақуыздың синтезделуін болдырмайтын мутациялар;

-реттеуші мутациялар-геннің реттеуші бірізділіктерінің (промотор, оператор, энхансерлер т.б.) өзгеруіне, тиесілі геннің экспрессиясының бүзылуына алып келетін мутациялар;

-транскрипциялану рамкасының жылжуы типті мутациялар-ген транскрипциясының рамкасының жылжуына, яғни кодтаушы триплеттердің қалыпты оқылуының бүзылуына алып келетін мутациялар;

-нүктелі мутациялар-бір немесе екі көршілес нуклеотидтердің өзгеруі;

-сплайсингтің бүзылуы-интрондардың дәл кесілмеуі нәтижесінде пайда болатын мутация. Интрондардың бас жағында ГУ нуклеотидтері, ал аяқ жағында АГ нуклеотидтері орналасқан. Осы бірізділіктерді танып дәл кесетін ерекше РНҚ-лар-кіші (шағын] ядролық РНҚ-лардың болмауы не мутациялануы нәтижесінде ген ақпараты өзгереді.

Фенилкетонурия ауруы кезінде фенилаланин аминқышқылының тирозинге айналуын катализдейтін фенилаланинподроксилаза ферменті болмағандықтан қанда фенилаланин және оның аралық өнімі-фенилпирожүзім қышқылы (улы зат) көптеп жинақталады. Ал, тирозин аминқышқылының алмасуының бүзылуы мелониннің (альбинизм) және тироксиннің түзілуін бұзады (болдырмайды).

Хромосомалық мутацияларға олардың құрамында пайда болатын өзгерістерді жатқызады. Хромосомалық мутацияларды-хромосомаішілік және хромосомааралық деп 2 топқа бөледі.

Хромосомаішілік мутацияларға-делеция, дупликация, инверсиялар жатады, ал хромосомааралық мутацияларға-транслокация, робертсовдық қайта құрылымдарды жатқызады.

Делеция-дегеніміз хромосоманың бір учаскесінің түсіп қалуы.

Дупликациялар-хромосоманың бір учаскесінің екі рет қайталануы (екі еселенуі) болып табылады.

Делекциялар хромосомадағы гендер санының азаюына алып келсе, дупликациялар-керісінше гендер санының көбеюіне алып келеді. Қалай болғанда да бұл өзгерістердің екеуі де ағзаның тарихы қалыптасқан гендер балансын бұзады, ал бұл кей жағдайларда, тіршілікті болдырмайды (өлуге алып келеді), не түрліше патологияларға алып келеді.

Транслокациялар-гомологтық емес хромосомалардың учаскелерімен алмасуы, оның екі түрі белгілі: 1) реципрокты транслокация және реципрокты емес транслокация.

Реципрокты транслокация-гомологтық емес хромосомалар-дың өзара учаскелерімен алмасуы, ал реципрокты емес транслокация — хромосомалар-дың бір жақты учаскелерімен алмасуы, яғни бір хромосоманың учаскесінің екінші хромосомаға жалғануы. Егер реципрокты транслокация кезінде алмасатын учаскелер жойылмаса онда оны балансты транслокация деп атайды. Балансты транслокация, инверсия сияқты, патологиялық әсер етпеуі мүмкін, бірак күрделі кроссинговер және гаметогенез кезіндегі хромосома санының редукциялануы нәтижесінде балансты транслокацияға ие ағзаларда балансты емес гаметалар, яғни нуллисомиялы не дисомиялы гаметалар түзілуі мүмкін.

Инверсиялар-хромосоманың бір учаскесінің 180°-айналып қайта орналасуы. Оның екі түрі белгілі: перицентрикалық инверсия және парацентрикалық инверсия.

Перицентрикалық инверсия—хромосоманың екі иінін қамтып, центромера арқылы жүреді. Парацентрикалық инверсия-центромераға тиіспей, хромосоманың бір иінівде жүреді. Робертсондық қайта құрылымдар-екі акроцентрикалық хромосомалардың үзын иіндерінің транслокациясы (өзара қосылуы) нәтижесіңде бір метацентрикалық не субметацентрикалық хромосоманың түзілуі-центрикалық қосылу.

Геномдық мутациялар деп хромосома санының өзгеруін не еселеп эсуін айтамыз. Мутацияның бірінші түрі-анеуплоидия (2 пА1,2,3), ал екіншісі- полиплоидия (3 п, 4 п, 5 п т.с.с.) деп аталады.

 

14. Геномның көшпелі (мобильді) элементтері. Плазмидтер. ДНК рекомбинациясы. Нуклеин қышқылдарының орын алмасуы мен ауысуының молекулалық механизмдері.

 

Қозғалғыш генетикалық элементтер—автономдық генетикалық бірліктер, олардың нуклеотидтер бірізділігінде осы элементтерді ДНҚ-ның бір жерінен екінші жеріне ауысуын, орын алмастыруын, қамтамасыз ететін акуыздар туралы ақпарат болады. Геннің мұндай орын алмастыруын транспозиция деп атайды (оларды кейде секіруші гевдер деп те атайды). Транспозиция—орын алмастырушы (көшетін, секіретін) элементтің (ген) аяқ жағында орналасқан нуклеотидтер бірізділігімен арнайы ақуыз молекуласының әрекеттесуі нәтижесінде жүзеге асады. Ол екі кезең арқылы жүреді: 1) қозғалғыш элементтер (гендер) молекуласының аяқ жағындағы нуклеотидтер бірізділігі тізбектері ажырасқан ДНҚ-нысанамен қосылады; 2)қозғалғыш элемент (ген) репликацияланады, ал ДНҚ-нысана репликацияланбайды. Осылайша қозғалғыш элементтердің бір көшірмесі ДНҚ-нысана молекуласына жалғанады, ал екіншісі өз орнында қалып қояды.

Қозғалғыш элементтердің 2 түрі белгілі: 1) кішкентай инсерциялық бірізділіктер (iS) жөне 2) үлкен, ірі (мың нуклеотидтерден де көп) транспозондар (Тп).

Транспозондарда (Тп) транспозицияны қаматамасыз ететін гендермен қатар жасушаның маңызды қасиеттерін қалыптастыратын гендер де болады, мыс. Тп-3, оның өлшемі 4957 н.ж. және онда ампицилинге төзімділікті қалыптастыратын -лактамаза ферментін кодтайтын ген болады. Тп және iS-лардың негізгі қызметтері - өздерінің қыстырылып орналасқан жерлеріне жақын орналасқан гендердің экспрессиялануын реттеу, яғни кейбір гендердің экспрессиялануын активтендірсе, кейбіреулерін керісінше- активсіздендіреді. Сонымен қатар, олар ДНҚ-нысана молекуласын бірнеше бөлшектерге нақтылы, дәл кесу немесе қалпына келтіру қабілеттеріне де ие. Тп-дар инверсия немесе делеция типті мутациялардың пайда болуының себебі де болуы бактериологы Ф. Гриффитстің 1928 ж. пнев-мококк бактерияларында ашқан трансформация құбылысының маңызы зор. Пневмококк бактериялары сүтқоректілер өкпесінің қабынуын (пневмонияны) қоздырып өліміне себепші болады. Сондыктан, мұндай бактериялар патогенді немесе вирулентті болып есептелінеді. Себебі, олардың полисахаридті қабығының шырышты бөлігі даралардың иммундық жүйесінің фагоциттеріне қарсы антизаттар (у) бөліп шығарады. Вирулентті бактериялар қоректік ортада тегіс шоғыр (S = штамм) түзеді.

Шырышты қабығы жоқ вирулентті емес бактериялар мутация арқылы пайда болады. Олар қоректік ортада кедір-бұдыр колониялар (R = штамм) түзеді. Тыщқандарға осындай бактерияларды енгізсе, онда олар фагоцитоз нәтижесінде бактериялық клеткаларды жойып, тірі қалады. Бірақ вирулентті S-бактериялармен инъекцияланған тышқандар өкпесінің қабынуынан өледі, өйткені бұл бактериялардың сыртын өздері синтездейтін шырышты қабық жабады. Ал, алдын ала қыздыру арқылы өлтірілген  S-бактериясымен (шырышты қабығынан айырылған) инъекцияланған тышқандар да тірі қалады.

Ф. Гриффитс тышқандарға пневмококтың R-штаммын және қыздыру арқылы капсуласынан айырылған S-штаммын бірге инъекциялады. Бұл арада, күткен нәтиженің— тышқандардың тірі қалуының орнына, олардың барлығы өліп қалды. Пневмониядан өлген тышқандардан шырыщты қабығы бар S-вирүлентті штамм бөлініп алынды. Демек,  S-штамының вируленттік қасиетін анықтайтын зат R-штамына өтетіні анық болды. Осыдан келіп, Гриффитс вирулентті емес R-штамм вирулентті штамға ауыса (трансформациялана) 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. аме-рикан бактериологтары 0. Эвери, К. Мак-Леод және М. Мак-Карти трансформациялаушы фактор яғни тұқым қуалау қасиетін өзгерте алатын зат — ДНҚ екендігін атап көрсетті. Олар өсіп жатқан R-бактериялар себіндісіне  (культурасына) S-штаммнан тазартылып алынған ДНҚ қо-сылса, кейбір R-бактериялар полисахаридті қабык, түзетінін байқады. Кейін Эвери және оның әріптестері трансформациялаушы фактор тек дезоксирибонуклеаза ферментінің әсерінен жойылатынын нақты деректе-рімен көрсетті, ал бұл ферменттің тек ДНҚ молекуласын ғана ажырататыны бұрыннан белгілі болатын.

Сонымен  0. Эвери өз қызметкерлерімен бірге  бактериялардың жаңа қасиеті ДНҚ-ға байланысты, яғни, тірі организмде генетикалық информацияға ДНҚ жауапты деген қорытындыға келді. Бірақ олар ашқан жаңалықтың іргелі мән-мағынасы әртүрлі себептермен өз уакытында бағаланбады. Біріншіден, ДНҚ-ның химиялык, құрылымы айқын емес еді: ДНҚ — химиялық тұрғыдан жеткілікті түрде күрделі ұйымдастырылмаған қосылыс, сондықтан да ол өсімдіктер мен жануарлардың өсуіне қажет орасан көп информацияны өзіне сақтай алмайды, екіншіден, белоктың құрылысы өте күрделі, сондықтан да болар сол кезде гендер белоктан түрады деген пікір қалыптасқан еді. Ақырында, бактерия мен жоғары сатыдағы организмдердің генетикалық информациясының жалпы принциптері бірдей деп қаралмады. Осыған байланысты бактерияларда тұқым қуалайтын зат — ДНҚ, ал жануарлар мен өсімдіктерде басқа зат  болар деген жорамал айтылды.  Тұқым қуалауда ДНҚ-ның басты рөл 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 клеткаларында көпте-ген жаңа, пісіп жетілген фагтар пайда болды. Бұдан бактерияға фаг ДНҚ-сы өтеді, жаңадан түзілген фагтардың барлық қасиеттері  ДНҚ-ның бақылауында бо-лады деген қорытынды жасауға болады.

Химиялық құрылысы жағынан РНҚ-ның  ДНҚ-дан аздаған айырмашылығы болғанымен, мұндай вирустарда ол генетикалық материал ретінде пайдаланылады. Мұны 1955—1960 жылдары  Г. Френкель Конрат және Г. Шрам темекі мозаикасы вирусында дәлелдеді.

Сонымен прокариоттардың басым көпшілігінде және барлық эукариоттарда генетикалық информацияның іске асуын ДНҚ, ал кейбір вирустарда РНҚ бақылайды деп қорытынды жасауға болады.

 

15. Ген инженериясының  мәселелері мен міндеттері. Хромосомалық және клеткалық инженерия

 

Генетикалық инженерия деп in vitro жағдайында функциялық пәрменді генетикалық құрылымдарды (рекомбинантты ДНҚ-ны) құрастыруды және оларды тірі клетқаларға енгізуді айтады. «Генетикалық инженерия» және «ген инженериясы» терминдері синоним ретінде қаралғанмен, олардың мағынасы бірдей емес: генетикалық инженерия — генетикамен байланысқан, ал ген инженериясы — тек генге ғана қатысы бар.

Рекомбинантты ДНҚ (рДНҚ) дегеніміз әр текті ДНҚ-лардан құралған (табиғи немесе синтетикалық ДНҚ фрагменттерін жалғастыру арқылы) және клеткаларда репликациялана алатын генетикалық құрылымды түсінеді.

Ген инженериясы мынадай кезеңдерден тұрады: 1) генді (ДНҚ фрагментін) алу; 2) рекомбинантты ДНҚ молекуласын құрастыру; 3) реципиент клеткасына рекомбинантты ДНҚ молекуласын енгізу; 4) қажет рекомбинантты ДНҚ молекулалары бар клондарды (бактериялық клеткаларды) ортадан табу.

Генді алудың үш әдісі бар: табиғи генді тікелей бөлу (сирек мумкіндік), химиялық және ферменттік синтез. Табиғи генетикалық материалдан — ДНҚ-дан арнайы ферменттердің (рестрикциялық эндонуклеазалардың) көмегімен қажет ген «кесіліп» алынады. Бұл әдістің елеулі кемшіліктері бар. Біріншіден, ДНҚ-дан қажет генді танып, кесе алатын ферментті таңдап алу қиын. Фермент генді әрқашанда нақты шекарасында емес әр қилы үзеді: не гөннің екі жағынан артық нуклеотидтерді үзуі, не түгел үзбеуі мүмкін, мұндай ДНҚ фрагменттерінің қызметі жеткіліксіз, сондықтан оларды пайдалану мүмкін болмайды. Екіншіден, эукариоттық организм геномының экзон-интрондық құрылысы, олардың гендерін бактерияларға енгізгенде функциялық тұрғыдан қиындық туғызады, өйткені бактериялың клеткада сплайсинг процесі (интрондардың кесілуі) өтпейді. Үшіншіден, егер ген барлық ДНҚ-ның аз ғана бөлігін құраса, онда оны бөлу мен анықтауда елеулі қиындықтар пайда болады. Сондықтан бұл  әдіс негізінен генетикалық эксперименттер талабына сәйкес вирус пен бактериялардың генін бөлуде қолданылады.

Генді синтездеудің химиялық әдісі. Бұл әдістер белоктың немесе полипептидтің бірінші құрылымы (амин қышқылдар қатары) белгілі болса, оның генінің нуклеотидтер қатары химиялық жолмен синтезделеді.

Берілген нуклеотидтер тізбегі бойынша ДНҚ синтездеу әдісін 1969 жылы, ген инженериясының дәуірі басталмаған кезде-ақ, Г. Корана ұсынған болатын. Ашытқы тРНҚ-ның гені осылай синтезделді. Бұл ген 77 н. ж. құралған. Алдымен, ұзындығы 5—12 нуклеотидтерден тұратын ДНҚ-ның қысқа фрагменттері синтезделді, онан соң олар арнайы ферменттің (лигаза) әсерімен бір-бірімен қосылды. Алайда, алғаш синтезделген бұл генді ішек таяқшасының клеткасына енгізген кезде жұмыс істей алмады, өйткені онда реттеуші элементтер — промотор және терминация бөліктері жоқ болатын. Кейін, 1976 ж. Г. Корана қызметкерлерімен тирозиннің тРНҚ-сының генін синтездей алды. Геннің ұзындығы 126 н. ж. тең болды, оған 52 н. ж. құралған промотор, 21 н. ж.— терминатор және ұштарына тетрануклеотидтер (ААТТ және ТТАА) жалғанды. Нәтижесінде, осы генді бактериофаг арқылы Е. Со1і клеткасына енгізгенде олар өз функциясын керсете алды.

Генді синтездеудің ферменттік (энзимдік) әдісі. Генді синтездеудің үшінші әдісі кеңінен таралған және кейін  рекомбинантты ДНҚ күйінде бір, кейде көп клеткалы организмдердө көбейетін гендердің негізгі шығу көзі болып саналады. Оның мәні ферменттік синтез арқылы генді алудан тұрады және төмендегіге саяды. Ең алдымен, клеткалардан (мұнда, қажет геннің активтілігі жоғары болуы керек) информациялық (матрицалық) РНҚ (иРҢҚ) молекулаларын бөліп алады, олардың арасында ген коделейтін иРНҚ бар, міне осы иРНҚ-ны бөлу қажет. Бұдан кейін кері транскриптаза (ревертаза) ферментінің көмегімен бөлінген иРНҚ-да комплементарлы ДНҚ (кДНҚ) синтезделеді. Кері транскрипция процесінде матрицалық иРНҚ-да кДНҚ-ның синтезі басталуы үшін иРНҚ-ның 3'— ұшына комплементарлы «ашытқы» - олигонуклеотид (қысқа тізбек) қажет. Жаңа кДНҚ тізбегі синтезделуі үшін тағы Mg2+ иондары мен дезоксинуклеозидтрифосфаттар керек.

Жаңа кДНҚ синтезделіп біткеннен кейін, оны тазалап, ДНҚ-ның екінші тізбегін синтездеу үшін матрица ретінде пайдаланады. Ол үшін ортаға ревертазаны немесе ДНҚ-полимеразаны (бактериялардан алынған) қосады. ДНҚ-ның екінші тізбегінің синтезі басталуы үшін олигонуклеотид (ДНҚ-ның 3'—ұшына комплементарлы) керек, әйтпесе кДНҚ-ның 3'— ұшы белгісіз себептермен шпилькалы құрылым түзеді, осы құрылым екінші ДНҚ-ның синтезін инициациялай алады. ДНҚ-ның екінші тізбегі синтезделіп болғаннан кейін, оның алғашқы кДНҚ-мен қосылған бөлігі (шпилькалы) нуклеаза  Sl ферментінің әсері арқылы ажырайды, нәтижесінде қос тізбекті ген алынады, оны қос тізбекті комплементарлы ДНҚ (қт-кДНҚ) деп атайды. РНҚ жіпшелері сілтінің әсерімен гидролизденеді, ал олигонуклеотидтер аталған нуклеазаның әсерімен ыдырайды.

Кері транскриптаза ферменті арқылы синтезделген гендерді бактерия клеткасына енгізбестен бұрын, оларға реттеуші элементтер жалғайды. Прокариоттарда сплайсинг өтпейтінін ескерсек, онда генді ферменттік жолмен синтездеу үшін матрица ретінде гяРНҚ-ны емес, жетілген иРНҚ пайдалану керек.

Хромосомалық инженерияны эукариоттық организмде қарастыруға болады, өйткені прокриоттарда "хромосома" жөне "геном" түсініктемелері біртекті қаралады. Жалпы хромосомаларды жөне олардың фрагменттерін биологиялық объектілерді өзгерту әдісі ретінде тасымалдау әзірше болмашы рөль атқарады. Дегенмен мұндай әдістің іргелі мағынасы зор және болашақта елеулі рөль атқаруы мүмкін. Хромосомаларды басқа клеткаға (реципиенттік) трансформациялау үшін алдымен оларды клеткадан (донорлык) бөліп алу қажет. Ол үшін клетка бөлінуін колхициннің көмегімен метафаза стадиясында тоқтатады. Онан соң клеткаларды гипотонизациялайды. Хромосомалардың таза бөлігін дифференциальды центрифугалау арқылы бөледі. Бүтін хромосома немесе оның бөліктері реципиенттік клеткаға пиноцитоз жолымен енеді. Клеткаға енген интактлі хромосомалар өздерінің құрылымын бірнеше ұрпақ деңгейінде сақтап тіпті репликациялана алады. Нәтижесінде мұндай хромосомалардың гендері полипептид синтезін іске асыра алады. Жалпы клеткаға енген хромосомалар ақырында /лизосомалық ферменттердің әсерінен жеке бөліктерге ыдырайды.

Хромосомалық инженерияның әдістері жануарлар хромосомаларының генетикалық картасын құрастыруға үлкен мүмкіндіктер береді. Геном дейгейіндегі генетикалық инженерияның ең соңғы жетістігі - мал клонын алу.

Клетка инженериясының негізін сома клеткалардың гибридизациясы - қосылуы кұрайды. Мұндай қосылудың нәтижесінде гибридті клеткалар типі түзіледі, олардың ядросында бастапқы клеткалар хромосомаларының қосындысына тең хромосомалар саны болады. Егер культураға кейбір заттарды, мысалы полиэтиленгликь. немесе инактивацияланған вирустарды қосса, онда гибрида клеткалардың тузілуі  өте жоғары жиілікпен  өтеді.  Осындай мақсатпен Сендай вирусы өте жиі қолданылады. Олардың клетка рецепторларымен байланыса алатын бірнеше ерекше бөліктер бар, сондықтан бір мезгілде екі клеткамен байланыса алады. Вирустың мөлшері өте ұсақ болғандықтан клеткалар өте тығыз жаншылады да, бір-бірімен қосылып, жаңа гибридтік клетка бірігіп кетеді. Мұндай қосылуда дикарион - екі ядролы клетка түзіледі. Онан соң екі ядроның хромосомалары бірігіп, синкарж түзілуі мүмкін. Бастапқы клеткалар тек синкарион түзеп қан қоймай, бірнеше ұрпақ көлемінде митоздық бөлінуге қабілеті болуы керек.

Қазіргі кезде әр түрлі сүтқоректілердің, тіпті систематикалық тұрғыдан бір-бірінен өте алыс түрлердің клеткаларын гибридазациялау  әдістері  тәжірибелерде  ойдағыдай  қолдану  алл: Мысалы, адам х тышқан, адам х ірі қара, қоян х тауық, ірі кара кара күзен, адам х тауық, ірі кдра х атжалман және т.с гибридтік клеткаларды in vitro жағдайында өсіруте болады. Жаңадан тузілген гибридтік клеткаларда белгісіз себептер митоздық бөлінудің алғашқы кезендерінде бір түрдің хромосомаларының жоғалуы байқалады. Әдетте, 30 бөлінуден кейін мұнда клеткаларда тышқанның барлық хромосомалары және адамның орта есеппен жеті хромосомасы сақталады. Ірі қара х атжалман шошқада х тышқанн гибридтік клеткаларында алғашқы керсетііге түрлердің хромосомаларының жоғалуы жиі байқалады. Бір түрдік хромосомаларының   гибридтік   клеткадан   жоғалу   өзгергіштігі хромосомалардың генетикалық картасын құрастыруға мүмкіндік береді. Егер гибридтік клетка өсетін ортаға енгізген өнімге байланысты гибридтік клеткада қайсыбір хромосома сақталса, онда өшмнің гені осы хромосомада орналасқан деп есептелінеді. Казіргі ксзде сома клеткаларды гибридизациялау әдісінің көмегімен адамның 2000-дай генінің хромосомалардағы орны табыдды.

Клетка инженериясынын ең перспективалы багыты гибридомалар алу. Гибридома дегеніміз лимфоцит және миелома (рак) клеткаларының қосылуы нәтижесінде түзілген гибридтік клетка. Организмнің иммундық жүйесінің негізін кұрайтын лимфоциттер (Т және В) арнайы қоректік орталарда көбейіп, өздері организмде синтездейтін иммуноглобулиндерді түзей алады. Дегенмен, олардың өсу уаідатысы тым жетімсіз. Осы мәселені 1976 ж. Д. Келлер және Ц.Милстейн (ГФР) гибридомалық клетка алу әдісі арқылы шеше алды. Олар миеломаны алдын  ала антизатпен егілген көкбауыр клеткаларымен  (лимфоциттермен) қосып, габридтік Сома клеткаларын гибридазациялау әдісі арқылы моноклонды антизаттар алу мынадай этаптардан тұрады: иммунизациялау, клеткаларды біріктіруге дайындау және оларды біріктіру, кажет антизатты синтездейтін клондарды сұрыптау, гибридомалық клеткалардың жеткілікті мөлшерін көбейту, антизаттар бар культура сұйықтығын алу және антизаттарды бөлу.

Моноклонды антизаттар әр түрлі ауруларға (рак, гепатит, оба, иммунотапшылық синдромы т.б.) диагноз қоюда кең практикалық қолдану алды. Мысалы, ірі қараның р24 лейкемия вирусы белогына қарсы моноклонды антизаттар синтездейтін клеткалар алынды. Организмнің иммундық жүйесі Т-лимфоциттерге де байланысты. Мысалы, олардың цитотоксинді (цтТ-лимфоцит) популяциясы вирус және рак клеткаларын жойып жіберуге қабілетті. Осындай лимфоцитті миелома клеткасымен біріктіру арқылы алынған гибридомаларды рак ауруына қарсы қолданудың маңызы зор.

  

                             Пайдаланған әдебиет тізімі:      

1. С.Ж. Стамбеков, В.Л. Петухов Молекулалық биология. Новосибирск 2003ж
2. Ашмарин А.Н. Молекулярная биология. Л., 1977ж
3. Спарин А.С. Молекулярная биология. М., 1980ж Структура рибосом и биосинтез белка.
4. Стент Г. Молекулярная генетика. М., 1982ж
5. Бозшатаева Г.Т Молекулалық биология: Оқу құралы Бозшатаева Г.Т-Шымкент, 2001ж
6. Бреслер С.Е введение в молекулярную биологию. Л., 1966ж
7. Ичас М. Биологический код. М., 1971.