Пуринді негіздері пурин туындылары болып табылады. Оның ішінде аденин (6-аминопурин) және гуанин (2-амин-6-оксипурин) маңызды орын алады.
Пурин
аденин гуанин
Пуриндік негіздер
Өсімдік және жануарлар организмдегі зат алмасу процесінде пуринді негіздер бір қатар өнімдер түзеді, соның ішінде маңызды орын алатын зәр қышқылы.
Пиримидинді негіздері нуклеин қышқылдарының құрамындағы цитозин, урацил және тимин- пиримидин туындылары болып табылады.
Тимин
цитозин
урацил
Пурин және пиримидин негіздері өсімдік және микроорганизмдердің өсуін арттырады.
Нуклеин қышқылдарының екі түрі болады. Олар дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) және рибонуклеин қышқылы (РНҚ). ДНҚ мен РНҚ құрамында айырмашылықтар бар. ДНҚ – ядро құрамында болса, ал РНҚ цитоплазма құрамында болады. ДНҚ-де пурин негізінен –аденин мен гуанин, пиримидин негіздерінен тимин мен цитозин, пентозадан дезоксирибоза болады. РНҚ-де пурин негізінен –аденин мен гуанин, пиримидин негіздерінен урацил мен цитозин, пентозадан рибоза болады.
Нуклеозидтер. Нуклеозидтер негіздер мен пентозадан ғана тұрады. Осындай қосылыстар пайда болу үшін пентозаның С-1 атомы мен пиримидиннің 3-атомы немесе пуриннің 9-атомы арасында гликозидтік байланыс түзілу керек. Пуриндік нуклеозидтер пурин негізінің аты соңына «озин» деген жалғауды қосу арқылы аталады. Ал пиримидиндік нуклеозидтер «идин» деген жалғауды қосады.
цитидин уридин тимидин
аденозин гуанозин
Нуклеотидтер. Нуклеотидтер фосфор қышқылының нуклеозидтермен қосылу арқылы пайда болады.
Тірі организмде нуклеотидтердің ролі өте зор. Біріншіден, нуклеотидтер коферменттердің құрамында болады, сондықтан әр түрлі ферментативтік катализдерге қатысады. Екіншіден, нуклеотидтер тағы бір немесе екі фосфаттарды қосу арқылы ди және нуклеозидтрифосфаттарға айналады. Бұл молекулалар энергияның көзі болып саналады. Сондықтан организмде биохимиялық, физиологиялық процестер сол молекулалардың қатысуымен жүреді. Үшіншіден нуклеотидтердің бір-бірінен қосылуы арқасында поли- нуклеотидтер түзіледі. Егер екі нуклеотид қосылса ди нуклеотид, үш нуклеотид -три нуклеотид, бірнеше нуклеотид-поли нуклеотидтер деп аталады. Нуклеотидтер қосылғанда оттегі арқылы байланысады.
Аденозинтрифосфат
Аденозин фосфат қышқылы (АМФ), уридинмонофосфат қышқылы (УМФ).
Ол үшін рибозаның немесе дезоксирибозаның 5-тегі фосфор қышқылы мен 3-тегі ОН тобы арасында реакция жүріп су бөлініп шығады. Келесі нулеотид төменгі бос тұрған 3-ОН пен байланысады. Сондықтан полинуклеотидтер төмен қарай өседі.
3. ДНҚ –молекуласы. ДНҚ молекуласы тірі организмдегі ролі өте кеш анықталды. Бұл мәселені анықтауда 1928ж Гриффтің пневмококтармен жүргізген тәжірибесінің маңызы зор болды. Пневмококтар өкпе қабыну ауруын туғызады. Ол пневмококтың екі түрін алды, яғни біреуі ауру тудыратын S-штамм, екіншісі ауру тудырмайтын сау R- штамм. Егер S-штаммын қайнатып тышқандарға берсе, онда өкпе қабыну ауруы болмайды. Қайнатылған S-штаммын ауру қоздырмайтын R- штаммымен араластырып қосып бергенде олардың өкпе қабыну ауруын тудырғаны табылған. Зерттеу нәтижесінде сау штаммалар, ауру туғызатын штаммаларға айнала алады деген қорытындыға келді. Мұндай процесті трансформация деп атайды. Трансформацияның болу себебі организмде генетикалық өзгеріс болады деген сөз. Пневмококтардың трансформациясы неге байланысты екенін білу үшін 1944 Эвери және оның қызметтестері S-штаммынан әр түрл химиялық заттарды бөліп, оларды R-штаммдармен араластырып тышқандарға бергенде, R-штамм ауру S-штаммға айналып тышқандарда өкпе ауруы қоздырғаның байқаған. Зерттеу нәтижесінде Эври және оның қызметтестері ДНК трансформацияға себепті болады деген қорытындыға келді. Басқаша айтқанда ген химиялық құрылысы жағынан ДНК молекуласы табылады деген сөз. . Сондықтан олар ауру штаммалардан алынған ДНҚ-ның сау штаммаларға осы ауру туралы генетикалық информацияны жеткізеді, сөйтіп бұрынғы сау штаммалар, ауру туғызатын штаммаларға айнала алады деп қорытынды жасады.
1948 жылы Чаргафф нуклеин қышқыларының құрамын анықтайтын хроматографиялық әдісті қолданып, ДНК молекуласының гидролизінен кейін түзілетін нуклеотид негіздеріне толық анализ жасады. Аденин, гуанин, цитозин және тимин негіздерінің мольдік қатынасы әр түрлі организмдерде кеңінен өзгеретінің көрсете отырып, мынадай заңдылықтар ашты. Бұл заңдылықты автор эквивалентік деп атады. Яғни бұны Чаргаффтың ережесі деп атайды.
1.Зерттелген барлық ДНК-да пуриндер мен пиримидиндердің молярлық қатынастары 1-ге теңеледі.
2.Адениннің молярлық қатынасы тиминге тең, яғни А=Т.
3.Гуаниннің молярлық қатынасы цитозинге тең, яғни Г=Ц болады.
Бұл заңдылық вирус, бактерия, өсімдік, жануарларда және адамдарда осылардың бәрінде дәлелденеді. Чаргаффтың ашқан жаңалығы түсініксіз болды. Бұл ереже 1953ж. Уотсон мен Криктің еңбектері арқылы түсінікті болды. Днк молекуласының рентген құрылымдық анализ жасап Уотсон мен Крик мынадай қорытындыға келді:
1)ДНК-нің полинуклеотид тізбегі спиральдық формада болады.
2) Спиральдің диаметрі 20 Ả тең
3) Спираль өз осінің бойында әрбір 34 Ả де толық айналым жасайды. Нуклеотидтердің арасы 3,4 Ả тең сондықтан бір айналымда 10 нуклеотид болады.
4) Спиральды ДНК екі полинуклеотид тізбегінен тұруға тиіс. ДНҚ спиральдың диаметрі тұрақты 20 Ả болуына себепті полинуклеотид тізбегінің біреуінде пурин, қарама-қарсы 2-ші тізбекте пиримидин тұру керек. Спиральда екі полинуклеотидтер тізбегі бір-бірінен сутегі байланысы арқылы бірігуі керек. Сутегі байланысы теріс зарядты атомдар азот пен оттегінің негізінде болады. Осыған сүйеніп, Уотсон мен Крик ДНК молекуласының кеңістіктегі құрылыстық моделін жасады. Осы модель бойынша ДНК молекуласында негіздер спиральдық ішіне қарай бағытталады. ДНК-нің екі тізбегінде әр нуклеотид бір-бірімен сутегілік байланыспен жұптасқан, бір полинуклеотидте аденин болса, екінші де қарама-қарсы тимин тұрады. Бұл негіздердің жұптасу әдістері. Аденин мен тимин арасында сутегілік байланыс екі рет, ал гуанин мен цитозин арасында үш рет болады.
Дәріс №3
Репликацияның молекулалық механизмдері. Нуклеин қышқылдарының генетикалық информацияны алып жүру ролі. ДНК репликациясының схемалары: консервативті, жартылай консервативті дисперсионды. Жартылай коңсервативті репликация туралы Мезельсон мен Сатальдың дәлелдемелері. Репликацияның механизмі жайлы қазіргі көзқарастар. Репликация ферменттері.
ДНҚ репликациясы.
ДНҚ репликациясының схемалары: консервативті, жартылай консервативті дисперсионды.
Репликацияның механизмі жайлы қазіргі көзқарастар.
4.Репликация ферменттері ДНҚ - полимераза, ДНҚ – топоизомераза
1. ДНҚ репликациясы. Репликация деп ДНК-нің екі еселенуін айтады. Репликацияның нәтижесінде бір ДНК-ден сондай екі ДНК пайда болады. Жаңадан пайда болған екі ДНК молекуласының әрқайсысы ескі ДНК молекуласы секілді қос спиральды болады. Оған себебі ескі ДНК-нің қос спиральнің екі тізбегі ажырағаннан кейін, әрбір тізбектердің бойына соларға сәйкес жаңа тізбек жасалады. Сонымен жаңа қос спиральді ДНК-нің бір тізбегі жаңадан болса, екіншісі тізбек ескі болады. Репликация механизмін түсінуде АҚШ-ғалымы Кернст тәжірибесінің маңызы өте зор. Репликация кезінде ДНК-де өсу нүктесі болатыны анықталды. Өсу нүктесі ішек таяқшасы хромосамның бір жерінде пайда болып, нүкте ДНК-нің бойымен жылдам қозғалады да ақырында екі қос спиральді ДНК пайда болады. Бактерия ДНК-нің екі тізбегі бірітіндеп ажырап, У - тәрізді конфигурация басқаша айтқанда репликациялық айрық пайда болады. Бірақ репликациялық айрықта бір тізбекте 3-ОН тобы болса, екінші тізбекте 5 жағы болады. 5 жағы өспейтіндіктін болғанғандықтан, қалай 2 тізбек бірдей репликация жасайды деген сұрақ дейін ғалымдарды ойландырды. Бұл мәселені 1963 жылы Жапон ғалымы Озаки шешкенді. Ол репликация кезінде жанадан пайда болған ДНК тібегінің бірталай бөлшектеніп келетінің тапты. Оны Озаки бөлшектері деп атайды.
Кез келген клетка бөлінер алдында оның ДНҚ молекуласы екі еселенеді және соның нәтижесінде ұрпақ клеткалары алғашқы аналық клеткадағыдай ДНҚ молекуласына ие болады. Олай болса, бөлінетін клетканың ДНҚ-сы дәл өзіне ұқсас тағы бір ДНҚ молекуласын қалай жасайды? 1940 жылы Л. Полинг пен М. Дельбрюк ген (ДНҚ) өзінше бір бейненің қалыбы секілді, ол қалыпқа саз балшық құйып, оның формасын алуға, содан кейін осы формадан қалып етіп пайдаланған алғашқы форманы қайтадан жасауға болады деген пікір айтқан.
Сурет -1. ДНҚ молекуласының жартылай консервативті репликациясы
Яғни, бұл геннің алғашқы құрылымына комплементарлы ДНҚ құрылымы жасалады, одан алғашқы құрылымға сәйкес ДНҚ пайда болады деген сөз. Шынында да ДНҚ-ның бір тізбегін бір бейне десек, оған комплементарлы екінші тізбек оның кері бейнесі болып табылады. Демек, Уотсон мен Крик көрсеткен ДНҚ-ның еселенуінің немесе репликациясының жүру жолы шын мәнінде Полинг пен Дельбрюктің болжамын қайталау десе де болғандай.
Сонымен, ДНҚ мынадай жолмен екі еселенеді. Алғаш спиральдың екі тізбегі бір нүктеден бастап ажырай бастайды. Сонан кейін бір-бірінен алшақтап ажыраған әрбір тізбектердің бойына, оларға сәйкес жаңа тізбек синтезделіп, жаңа тізбек жасалу барысында ажыраған екі тізбекпен өзінің азоттық негіздері арқылы байланысып, онымен өз алдына жаңа спираль құрай бастайды. Сөйтіп алғашқы ДНҚ-ның екі тізбегі толық ажырап болғанда, екі жаңа спираль да жасалып бітеді. Алғашқы ДНҚ тізбегі ажырамай тұрғанындағы екінші ескі тізбегіне толық ұқсас болады.
Әрине, бұл процесті де клеткадағы ферменттер жүргізеді. ДНҚ тізбектерінің бағыттары қарама-қарсы екені белгілі. Жұмысына өте мұқият ферменттер жаңа тізбекті тек бір бағытта, яғни 5'—>3' бағытында ғана жасайды. Олай болса, ферменттер ажыраған тізбектердің біреуінің бойымен жаңа тізбекті жоғарыдан төмен қарай, ал екіншісінің бойымен төменнен жоғары қарай синтездейді. Ең қызығы жаңа тізбектер үздіксіз жасалмайды, ескі тізбектің бойында бірінен кейін бірі шағын ДНҚ фрагменттері пайда болып отырады. Ондай фрагменттердің ұзындығы қарапайым бактерияларда 200 нуклеотидтен тұрса, күрделі организмдерде ол 2000-ға жуық. Осындай фрагменттерді алғаш байқаған жапон ғалымы Р. Оказаки, сондықтан оларды оказаки фрагменттері деп атайды.
2. 1953 жылы Дж. Уотсон және Ф. Крик ұсынған ДНҚ құрылымының үлгісі (моделі) генетикалық хабардың кодын (шартты қысқарту), мутациялық өзгергіштіктің және гендердің көшірмесінің (ДНҚ молекуласының бөліктері) алынуын түсінуге мүмкіншілік берді. 1957 жылы М. Мезельсон мен Ф. Сталь, Дж. Уотсон және Ф. Криктің бактериялық клеткадағы ДНҚ-ның жартылай консервативті түрде екі еселенуі (репликация) жөніндегі көзқарасын дәлелдеді.
Ал Г. Стент ДНҚ-ның екі еселенуінің үш түрін ұсынды: 1) консервативтік (лат. "консервативус" - сақтаушы, негізгі қалпын сақтау) еселенуде ұрпақтың ДНҚ-ларда аналық ДНҚ-ның материалы болмайды; 2) жартылай консервативтік түрінде ДНҚ-ның жаңа молекуласының бір тізбегі аналық ДНҚ-дан болса, екіншісі - жаңадан құрылған тізбек; 3) дисперсиялық (лат. "дисперсис" - шашырау, бытыраңқы) түрінде аналық ДНҚ-ның материалы кездейсоқ шашырап жаңа ДНҚ молекуласында орын алады. М. Мезельсон мен Ф. Сатальдың зерттеулері осы үшеуінің ішінен ДНҚ-ның жартылай консервативті екі еселену түрін таңдап алуға көмектесті. ДНҚ екі еселенуінің жартылай консервативті жолмен жүруін дәлелдеу Дж. Уотсон мен Ф. Криктің жасаған ДНҚ молекуласының үлгісінің дұрыстығының айғағы болды. Сонымен, ДНҚ-ның еселенуі оның тізбектерінің ажырауынан басталады дедік. Ол тізбектерді геликаза (хеликс - спираль) - дезоксирибонуклеаза ферменттері - ДНҚ молекуласының бойымен екі бағытта жоғары және төмен ажыратады. Нуклеотидтер жұптарымен ДНҚ-ның шиыршықты тізбегінің арасындағы сутегінің байланыстары молекуланың бір жақ шетінде бірте-бірте үзіле бастайды және (ДНҚ) тізбектердің екеуі де бірінен бірі босай отырып, жазылады. Осылайша жазылған тізбек, өзінің қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдықтары арасында байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаған ортадан клеткада жинақталған бос нуклеотидтер бар, олар ДНҚ-ның жазылған тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ әр қосылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклеотид қана жуықтап, жалғаса алады. Бұл жазылған тізбекке басқа, ДНҚ-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі молекуласы пайда болады. Олардың әрқайсысында қайтадан жинақталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен туынды молекулалар ДНҚ-ның аналық молекуласына мейлінше ұқсас келеді. Мұнда генетикалық материалдың құрамы да сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жасала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНҚ тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі жаңа тізбекті праймаза (РНҚ - полимераза) ферменті ғана бастай алады. Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ - полимераза-3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагменттерін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ - полимераза - 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНҚ тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНҚ - лигаза" деген ферментке келеді. Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп иуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНҚ полимераза-2" ферменті көптеген ферменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің нуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексерді. Егер кандай да бір нуклеотид өз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды.
Осындай әр түрлі қызмет атқаратын ферменттердің үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық белгінің ДНҚ арқылы ұрпақтарға дұрыс өсірілуін қамтамасыз етеді. Міне, геннің еселенуі немесе репликация дегеніміз осы.
3.ДНҚ репликациясының барысындағы қателерді түзету (коррекциялау). Тірі организмдердің генетикалық материалының көлемі үлкен және жоғарғы дәлдікпен репликацияланады. Сүтқоректілердің геномы еселенгенде 3 млрд. жұп нуклеотидтен тұратын ДНҚ-да орташа үштен артық қате кетпейді. Сонымен қатар ДНҚ өте тез синтезделеді (оның полимерлену жылдамдығы бактерияларда секундына 500 нуклеотидтер, сүтқоректілерде 50 нуклеотидтерге дейін болады). Репликацияның жоғарғы дәлдігін, оның жылдамдығын, қатесін түзейтін арнаулы механизм қадағалайды.
Коррекциялау механизмінің сыры - ДНҚ-полимеразаның әрбір нуклеотидтің матрицаға сәйкестігін екі мәрте тексеруінде: бірінші рет өсіп келе жатқан тізбектің құрамына кірмей тұрып, екінші рет келесі нуклеотидті қосардың алдында. Кезекті фосодиэфирлік байланыс өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің ақырғы нуклеотиді, матрицаның сәйкес нуклеотидімен дұрыс уотсон-криктік жұп түзгеннен кейін ғана синтезделеді.
Репликация дербес жүреді. Репликация жеке акт регінде жүретін ДНҚ-ның ұзындық бірлігін репликон деп атайды. Репликонда репликацияға қажетті реттеуші элементтер болады. Онда репликация басталатын ориджин болады және репликация терминаторы болуы мүмкін. Прокариоттық клетканың геномы бір репликонды құрайды, сондықтан бактериялық хромосома ең үлкен репликон болып табылады. Сондай-ақ плазмидада жеке репликон болады.
Репликация терминациясы (аяқталуы). Ішек таяқшасында (Е. соіі) терминацияны қамтамасыз ететін бір ізділіктер tег-сайттар (ағыл. "sites" - генетикалық суббірлік, физиологиялық бірлікке ұқсас) деп аталады. Олар қысқа (23-ке таяу) бір ізділіктерден тұрады. Терминация учаскесінде бірнеше tег-сайттар болады.
Олар репликация ашалары кездесетін нүктеден 100 негіздер бір ізділігінен бұрын орналасқан. Терминация үшін tus генінің өнімі қажет, ол осы бір ізділікті таниды; онымен байланысқа кіреді және репликация ашасының әрі қарай жылжуын тоқтатады.
ДНҚ репликациясы кезіндегі молекулалық-биологиялық процестер эукариоттар мен прокариоттарда негізінен бірдей. Дегенмен өзгешеліктері де бар. Біріншіден, эукариоттарда ДНҚ репликациясы клетка циклының белгілі бір кезеңінде өтеді. Екіншіден, егер бактериялық хромосома репликация бірлігі -репликон түрінде болса, эукариоттық хромосомадағы ДНҚ репликациясы көптеген жеке репликондармен жүзеге асады. Эукариоттық хромосоманың бойымен әр уақытта бір біріне тәуелсіз көптеген реп-ликациялық ашалар жүруі мүмкін. Ашаның жылжуы тек басқа ашамен қарама-қарсы соқтығысқанда, немесе хромосоманың ұшына жеткенде тоқтайды. Нәтижесінде хромосоманың түгел ДНҚ-сы қысқа уақыттың ішінде репликацияланады.
Кез келген клетка бөлінер алдында оның ДНҚ молекуласы екі еселенеді және соның нәтижесінде ұрпақ клеткалары алғашқы аналық клеткадағыдай ДНҚ молекуласына ие болады.
1940 жылы Л. Полинг пен М. Дельбрюк ген (ДНҚ) өзінше бір бейненің қалыбы секілді, ол қалыпқа саз балшық құйып, оның фор-масын алуга, содан кейін осы формадан калын етіп пайдаланған алғашқы форманы қайтадан жасауға болады деген пікір айтқан. Яғни, бұл геннің алғашқы құрылымына комплементарлы ДНҚ құрылымы жасалады, одан алғашқы құрылымға сәйкес ДНҚ пайда болады деген сөз. Шынында да ДНҚ-ның бір тізбегін бір бейне десек, оған компле-ментарлы екінші тізбек оның кері бейнесі болып табылады. Демек, Уотсон мен Крик көрсеткен ДНҚ-ның еселенуінің немесе реплика-циясының жүру жолы шын мәнінде Полинг пен Дельбрюктің болжа-мын қайталау десе де болғандай.
Сонымен, ДНҚ мынадай жолмен екі еселенеді. Алғаш спираль-дың екі тізбегі бір нүктеден бастап ажырай бастайды. Сонан кейін бір-бірінен алшақтап ажыраған әрбір тізбектердің бойына, оларға сәйкес жаңа тізбек синтезделіп, жаңа тізбек жасалу барысында ажыраған екі тізбекпен өзінің азоттық негіздері арқылы байланысып, онымен өз алдына жаңа спираль құрай бастайды. Сөйтіп алғашқы ДНҚ-ның екі тізбегі толық ажырап болғанда, екі жаңа спираль да жасалып бітеді. Алғашқы ДНҚ тізбегі ажырамай тұрғанындағы екінші ескі тізбегіне толық ұқсас болады.
1953 жылы Дж. Уотсон және Ф. Крик ұсынған ДНҚ құрылымының үлгісі (моделі) генетикалық хабардың кодын (шартты қысқарту), мутациялық өзгергіштіктің және гендердің көшірмесінің (ДНҚ молекуласының бөліктері) алынуын түсінуге мүмкіншілік берді. 1957 жылы М. Мезельсон мен Ф. Сталь, Дж. Уотсон және Ф. Криқгің бактериялық клеткадағы ДНҚ-ның жартылай консервативті түрде екі еселенуі (репликация) жөніндегі көзқарасын дәлелдеді (сурет).
Ал
Г. Стент ДНҚ-ның екі еселенуінің үш түрін
ұсынды: 1) консервативтік
(лат. "консервативус" - сақтаушы,
негізгі қалпын сақтау) еселенуде ұрпақтың
ДНҚ-ларда аналық ДНҚ-ның материалы
бол-майды; 2) жартылай консервативтік
түрінде ДНҚ-ның жаңа молекуласының
жартылай консервативтік дисперснялды
ДНҚ молекуласынын екі еселенуі
4.бір тізбегі аналық ДНҚ-дан болса, екіншісі - жаңадан құрылган тізбек; 3) дисперсиялық (лат. "дисперсис" - шашырау, бы-тыраңқы) түрінде аналық ДНҚ-ның материалы кездейсоқ шашырап жаңа ДНҚ молекуласында орын алады. М. Мезельсон мен Ф. Стальдын зерттеулері осы үшеуінің ішінен ДНҚ-ның жартылай консервативті екі еселену түрін таңдап алуға көмектесті. ДНҚ екі еселенуінің жартылай консервативті жолмен жүруін дәлелдеу Дж. Уотсон мен Ф. Криктің жасаган ДНҚ молекуласының үлгісінің дүрыстығының айғағы болды. Сонымен, ДНҚ-ның еселенуі оның тізбектерінің ажырауынан басталады дедік. Ол тізбектерді геликаза (хеликс - спираль) - дезоксирибонуклеаза ферменттері - ДНҚ молекуласының бойымен екі бағытта жоғары және
Төмен ажыратады. Нуклеотидтер жұптарымен ДНҚ-ның шиыршықты тізбегінің арасындағы сутегінің байланыстары молекуланың бір жақ шетінде бірте-бірте үзіле бастайды және (ДНҚ) тізбектердің екеуі де бірінен бірі босай отырып, жазылады. Осылайша жазылған тізбек, өзінің қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдықтары арасында байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаған ортадан клеткада жинақталған бос нук-леотидтер бар, олар ДНҚ-ның жазылган тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ әр қосылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклеотид қана жуықтап, жалғаса алады. Бұ жазылған тізбекке басқа, ДНҚ-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі моле-куласы пайда болады. Олардың әрқайсысында қайтадан жинақталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен туынды молекулалар ДНҚ-ның аналық молекуласына мейлінше ұсас келеді. Мұнда генетикалық материалдың құрамы сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жа-сала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНҚ тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі жаңа тізбекті праймаза (РНҚ - полимераза) ферменті ғана бастай алады. Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ - полимераза-3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагменттерін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ - полимераза - 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНҚ тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНҚ - лигаза" деген ферментке келеді. Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп нуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНҚ полимераза-2" фер-менті көптеген ферменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің нуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексерді. Егер қандай да бір нуклеотид оз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды.
Осындай әр түрлі қызмет атқаратын ферменттердің үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық белгінің ДНҚ арқылы ұрпақтарға дұрыс берілуін қамтамасыз етеді. Міне, геннің еселенуі немесе репликация дегеніміз осы.Кішкене вирустардың геномы шынында сақина түріндегі ДНҚ, мұнда қос шиыршықтың екі тізбегі үздіксіз шеңбер түзеді. Бак-териялық және эукариоттардың геномдарында ДНҚ үлкен тұзақ тәрізді болады. Мұнда ең бастысы мынада: әрбір тұзақтың түбі тұйықталған сондықтан бос ұштар қалмайды. Қос шиыршықтың бұл формасының маңызы оның құрылымға қосымша тұрақты тежеу салуында. Егер қос тізбекті ДНҚ-ны қос шиыршық өсімен айналдырса, онда суперорамдар пайда болады. Мысал ретінде резина таспасын келтіруге болады. Оны өз өсінде айналдырса тығыз кернеулі құрылым пайда болады (қос шиыршық) әр жерлерінде крест тәрізді құрылымдар түзіледі. Бұл кезде 2суретте көрсетілгендей кескін шығады.
Әрдайым супершиыршық ұйымдасқанда жіпшелер өз осінде ай-налады және супер орамдар көбейген сайын иірімдер күшейе береді. Супер орамдар жасау үшін қай бағытта бұрсақта резина таспаларына бәрі бір (резина таспасының екі шеті бірдей). Бірақ қос шиыршық -онсыз бұралған құрылым (қос тізбектің айналымынан көрініп тұр), сондықтан оның бұрауға әсері, қалай қарай бұралатынына байланысты.
2-сурет. Супершиыршық алі анда қосшиыршық ДНҚ молекуласы өз-өзіне
бұралады
Теріс супер орамдар ДНҚ-ның өз осінде сағат тіліне қарсы - қос шиыршықтың оң орамына кері бағытта оралады. бұл негізінен бұралу күшінің кернеуін біраз осалдатып, қос шиыршықтың құрылымын реттейді. Осыдан екі негізге бүрышы доғал орам немесе тіпті ДНҚ негіздерінің жұптасуы бұзылуыы мүмкін. Теріс орамды ДНҚ толық бұралынбаған деп аталынады.
Супершиыршықталған ДНҚ-ның релаксациясы
(лат. "геіахаііо" - кернеудің төмендеуі, осалдануы) Бұл процесс топоизомераза ферментімен катализденеді. Әрбір ДНҚ-ның қос тізбегінің жаңа тізбекке үлгі (матрица) болуы үшін ДНҚ-ның жіпшелері түзетіліп немесе релаксациялануы (осалдануы) қажет. ДНҚ-ның супершиыршықталған түрі әртүрлі себептерден пайда болуы мүмкін. Мысалы, ядродағы шиыршықтың немесе оның екі еселену барысында зақымдануынан. Тарқатылғанда кернеу тууы мүмкін, ал ол дұрыс супер орамға және ДНҚ молекуласының айна-лымына әкеледі. Осы супершиыршықты ферменттер тобы шешеді; олар топоизомеразалар деп аталады.
Топоизомераза ДНҚ тізбегінің біреуіндегі үзіліске, оның ішінде репликация ашасының алдындағы; оның өзі ДНҚ-ның шиыр-шығының өз осінен айналуына мүмкіндік береді. Үзілген тізбек кер-неу түскеннен кейін орнына келеді. Топоизомераза // уақытша қос тізбектік үзіліс жасайды, бірақ бір-бірінің үзілген үштарын берік ұстайды. Бұл ферменттің қатысуы көптеген мәселені шешеді. Осыдан кейін релаксация учаскесі ДНҚ-дан басталатын (ол огіс) инициация-лық белок болуы мүмкін. Ол ориджин деп аталады. ДНҚ-ның және қос шиыршығының түзелуі Бұл процестер ДНҚ геликаза ферментінің қатысуымен жүреді. ДНҚ молекуласының бір тізбекті үлгімен (матрицамен) жүргендігінен, оның алдында қос тізбекті ДНҚ-ның тарқатылуы керек. Тізбектің тарқатылу басы "репликациялық аша" деп аталады, себебі У тәріздес түрде (3- сурет). Сол репликативтік ашада ДНҚ по-лимеразалар өзінің балапан молекулаларын жасайды. Репликация аяқталған ДНҚ учаскесі екі еселенбеген ДНҚ-да көпіршік немесе "көз" тәрізді көрінеді. Репликациялық "көздер" репликация бастауында немесе ориджиндарда ұйымдасады.
Репликация ориджиндарын суреттейтін әртүрлі әдістер бар. Оның осы күнгі бірі, екі еселеніп келе жатқан ДНҚ-ны қос өлшемді электрофорез арқылы зерттеу әдісі. Ол ДНҚ молекуласының репли-кация барысында кеңістіктегі құрылымының өзгеруіне қарай элек-трофоретикалық қозғалысының өзгеруіне негізделген. ДНҚ тізбектерінің ажырасуы үшін ерекше фермент - ДНҚ-хеликаза қызмет жасайды, ол репликация процесін бастайтын белок-тармен байланысады да ДНҚ молекуласына ауысады. Бұл фермент ДНҚ-ның бір тізбегімен жылжи отыра кос тізбекті шиыршық кезіккенде негіздердің арасындағы сутектік байланысты үзеді, тізбекті ажыратады және репликациялық ашаны әрі жылжытады. ДНҚ-ның қос шиыршыкты құрылымының сутектік байланыста-рын қыздыру арқылы талқандауға болады. Жұптасқан тізбек өзара ковалентгі байланыста болмағандықтан түгел сутектік байланыс үзілгеннен кейін толық айырылысады. Тізбектердің ажырасуы дена-турация немесе еру деп аталады. Денатурация өте аз температуралық аралықта жүреді және ДНҚ-ның көптеген физикалық қасиетінің озгеруіне түбегейлі әсер етеді. ДНҚ тізбектері ажырасатын темпера-туралық диапазонның (мәлшердің) орташа нүктесін еру нүктесі деп атайды және оны "Тер." деп белгілейді.
ДНҚ қалыпты физиологиялық жағдайда ертіндіде болғанда, Тер 85-95" С аралыгында жатады. Дәл мәні негіздердің құрамына тәуелді. Үш сутектік байланысы бар С-С жұптарының бос ұйымдасу энегғия-сының көптігіне байланысты, екі сутекті байланысы бар А-Т жұбына қарағанда еру нүктесі жоғарырақ болады. С-С жұбы / есе көбейген сайын Тер мәні 0,4" С еседі. Мысалы, 40% С-С жұбынан тұратын ДНҚ-ның (сүтқоректілердің геномдарына тән) денатурациясы қалыпты жағдайда Тер 87° С, ал 60% С-С жұбы бар сол жағдайда Тер 95° С таяу болады.
ДНҚ денатурациясының ең басты қасиеті - бұл процестің қайтымдылығында. Белгілі жағдайларда бөлінген комплементарлық тізбек қос шиыршықты қайта түзеді. Бұл құбылыс ренатурацря деп аталады Ренатурация комплементарлық тізбектердегі негіздердің жұптасу ерекшелігіне байланысты. Алдымен қос тізбектің компле-ментарлық бірізділіктері бір бірімен кездейсоқ кездесуі және қос шиыршықты бөлшектер құрайды. Одан соң жұптасқан аймақ әрі
екі фрагментінің арасында бір тізбекті тесік қалады, оны ДНҚ-лигаза жамайды. Сонымен, прокариоттардың репликациясы өте күрделі. Қазір белгілі болғандай бұл процестің елеулі белоктары бір-бірімен тығыз байланыста және репликациялык машинаны немесе реплисо-маны түзеді. Мұнда тізбектері және ферменттер белгілі ретпен орналасқан (3-сурет).
Қалып қойған тізбектің иілуі соншалықты, оның ДНҚ-полимеразасы бастаушы тізбектің ДНҚ-полимераза ІІІ-мен бірігеді. Бұл иілім синтезделген дайын Оказаки фрагменттерінің 3' ұшын жаңадан синтезделіп жатқан Оказаки фрагменттеріне түйістіреді. Праймаза-геликаза комплексі жаңа РНҚ-праймерлерді синтездей отыра, репликативтік ашамен бірге жылжиды. Кейін қалған тізбектегі ДНҚ-полимераза III қайта-қайта қолданылып, ашамен бірге алға қарай жылжи береді.
ДНҚ репликациясының барысындағы қателерді түзету (коррекциялау). Тірі организмдердің генетикалық материалының көлемі үлкен және жоғарғы дәлдікпен репликацияланады. Сүтқоректілердің геномы еселенгенде 3 млрд. жұп нуклеотидтен түратын ДНҚ-да орташа үштен аргық қате кетпейді. Сонымен қатар ДНҚ өте тез синтезделеді (оның полимерлену жылдамдығы бакте-рияларда секундына 500 нуклеотидтер, сүтқоректілерде 50 нуклео-тидтерге дейін болады). Репликацияның жоғарғы дәлдігін, оның жылдамдығын, қатесін түзейтін арнаулы механизм қадағалайды.
Коррекциялау механизмінің сыры - ДНҚ-полимеразаның әрбір нуклеотидтің матрицаға сәйкестігін екі мәрте тексеруінде: бірінші рет өсіп келе жатқан тізбектің құрамына кірмей тұрып, екінші рет ке-лесі нуклеотидті қосардың алдында. Кезекті фосодиэфирлік байланыс өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің ақырғы нуклеотиді, матрицаның сәйкес нуклеотидімен дұрыс Уотсон-Криктік жұп түзгеннен кейін ғана синтезделеді.
Репликация дербес жүреді. Репликация жеке акт ретінде жүретін ДНҚ-ның ұзындық бірлігін репликон деп атайды. Репликонда репли-кацияға қажетті реттеуші элементтер болады. Онда репликация бас-талатын ориджин болады және репликация терминаторы болуы мүмкін. Прокариоттық клетканың геномы бір репликонды құрайды, сондықтан бактериялық хромосома ең үлкен репликон болып табы-лады. Сондай-ақ плазмидада жеке репликон болады.
Дәріс №4
Транскрипцияның молекулалық механизмдері. РНК –ның матрицалық түзілуі. РНК - ның матрицалық тузілуінің ерекшеліктері. Прокариоттардағы транскрипцияның реттелуі. Эукариоттар мен прокариоттардағы транскрипцияның реттелуі. РНК-ның экзон-интрондық кұрылымы. Транскрипция ингибриторлары. Эукариоттардағы транскрипция бірліктерінің моделі.