Тұқым қуалаушылықтың молекулалық негіздері
жүктеу/скачать 35,62 Kb.
|
Лекция по мол биологии
|
Молекулалық биология пәні бойнша дәріс №1 дәріс тұқым қуалаушылықтың молекулалық негіздеріДНҚ-ның тұқымқуалаушылықтағы маңызы 1950 жылдары ДНҚ-ның генетикалық ақпаратты алып жүретін зат екендігін дәлелдейтін көптеген ғылыми мәліметтер жинақталды, осы тұрғыда мынадай деректер анықталды: 1. ДНҚ барлық клеткалардың хромосомаларында болады; 2. Өсімдіктер мен жануарлардың дене клеткаларында, олардың гаметаларына қарағанда ДНҚ мөлшері екі есе көп болады; 3. Бір бактерия клеткасынан бөлініп алынған ДНҚ-ның көмегімен басқа бактерияның генетикалық белгілерін өзгертуге болады; 4. Бактерия клеткаларын бактериофагпен залалдандырғанда клеткаға тек ғана ДНҚ өтеді және ол жаңа вирустық бөлшектердің пайда болуын бақылайды. Тірі организмдердің екі негізгі тобы – прокариоттар мен эукариоттарда генетикалық материалдың біртектес болатындығы белгілі болды. ДНҚ-ның негізгі генетикалық материал екендігін дәлелдейтін мәліметтер ең алғаш бактериядағы трансформация құбылысын зерттеу барысында алынды. 1928 жылы Ф.Гриффит пневмококтың (Streptococcus pneumoniae) екі штаммында трансформацияны зерттеді. Бұл микроорганизмдерде әдетте екі түрлі колония болады: 1. Фагоцитоздан қорғайтын полисахаридті қабықшасы бар, соған байланысты вирулентті қасиеті бар ірі клеткалардан тұратын бір тегіс колония (қабықшалы S-штамм); 2. Қабықшасы жоқ клеткалардан тұратын, соған байланысты вирулентті қасиеті болмайтын пішіні кедір-бұдырлы (қабықшасы жоқ R-штамм) колония. Вирулентті бактериялар тышқандарды өлімге душар ететін аурулар тудырады. Ал бактериялардың қабықшасы жоқ авирулентті штаммдары жануарларда өлім тудырмайды. Егер вирулентті бактерияны қоздыру арқылы өлтіріп барып тышқанға жіберсе, олар тіршілігін жоймайды. Ал бір мезгілде авирулентті клеткалармен қоса қоздыру арқылы өлтірілген вирулентті клеткаларды жіберген тышқандар ауырып өліп қалады және ол тышқандар тірі вирулентті бактерияларды қабылдамаса да олардың өлекселерінен полисахаридті қабықшасы бар тірі вирулентті клеткалар табылған. Бұл деректер вирулентті бактериядан трансформацияланатын генетикалық материалдың бір бөлігі авируленттілеріне өтіп оларды вирулентті ететіндігін дәлелдейді. Трансформация кезінде клеткаларда пайда болатын мұндай қасиет ұрпақтан ұрпаққа беріліп отырады. О.Эвери, К.Мак-Леод және И.Мак-Картидің (1944) классикалық зерттеулерінде трансформацияны тудыратын заттың химиялық табиғатын анықтау пневмококтардағы трансформацияға ДНҚ-ның жауапты екендігін көрсетті. ДНҚ-ны ыдырататын дезоксирибонуклеаза ферментімен әсер еткенде трансформацияланушы фактордың қайтымсыз инактивацияланатындығы дәлелденді. Дәл сондай жағдайда әртүрлі протеазалар (белоктарды ыдырататын ферменттер) және рибонуклеазалар (РНҚ-ны ыдырататын ферменттер) трансформацияға ешқандай да әсер етпеген. Сөйтіп тұңғыш рет полисахаридті қабықшаның түзілуін анықтайтын гендері бар бактериядан бөлініп алынған ДНҚ-ның ондай гені жоқ басқа бактерияға оны алып бара алатындығы анықталды. Негізгі генетикалық материалдың ДНҚ екендігін дәлелдейтін жаңа мәліметтер белокты қабықшада орналасқан ДНҚ молекуласынан тұратын (немесе кейде РНҚ), бактериофагтарды зерттеу барысында алынды. 1952 жылы А.Херши мен М.Чейз Т2 бактериофагының генетикалық материалы ДНҚ болып табылатындығын анықтады материалдың таралуы тек осындай жолмен ғана жүруге тиісті. Клетка ядросында ДНҚ мөлшері плоидтылыққа (хромосомалар санының артуына) сәйкес өзгеріп отырады, бұл да ДНҚ-ның генетикалық ролі туралы ұғымға сәйкес келеді. ДНҚ молекуласының генетикалық материал екендігінің тағы бір дәлелі, ол бір биологиялық түрдің барлық өкілдері ДНҚ-ның химиялық құрамының ұқсас болатындығының анықталуы болып табылады. Алуан түрлердің ДНҚ-сының нуклеотидтік құрамы түрліше болатындығы белгілі болған, яғни, азоттық негіздер пуриндер мен пириминдердің арақатынасы бір түрден екінші түрге қарай өзгеріп отырады. ДНҚ-дағы гуаниннің мөлшері цитозиннің мөлшеріне, ал адениннің мөлшері – тиминге тең болып келеді. Э.Чаргафф ережесі ретінде әйгілі болған мұндай арақатынас тұқымқуалаушылықтың сырын ашуда маңызды роль атқарады және ДНҚ молекуласының құрылымын анықтауда шешуші орын алады. Осындай жетістіктердің негізінде генетикалық ақпарат ДНҚ құрамындағы азотты негіздердің тізбегінде сақталады және ол тізбек қайсыбір жолмен белок молекуласындағы амин қышқылдарының тізбегін анықтайды немесе кодтайды деген тұжырым жасалды. Өткен ғасырдың елуінші жылдарында осы генетикалық ақпарат тұжырымдамасы жалпыға танымал болып, кең қолдау тапты. Құрамында РНҚ болатын көптеген вирустарда генетикалық материалдың РНҚ екендігін атап өткен жөн. Тұңғыш рет Х.Френкель – Конрат және Б.Зингер (1954) вирус ұрпағына тән белгілер мен олардағы белоктың құрамын, темекі теңбілі вирусының ата-аналық штаммындағы белок емес РНҚ анықтайтындығын көрсетті, себебі ол осыған қатысты генетикалық ақпаратты алып жүреді. №2-3 дәріс ДНҚ құрылымы Нуклеин қышқылының молекуласы бір-бірімен тізбекті байланысқан мономерлерден (нуклеотидтерден) тұратын полимер молекуласы болып табылады. Әр бір нуклеотид үш компоненттен тұрады: азотты негіз, бескөміртекті қант (пентоза) және фосфатты топ. Азотты негіздер екі топқа бөлінеді: пиримидинді және пуринді. Пуриндерге аденин (А) және гуанин (G) жатады, ал пиримидиндер – цитозин (C) және тимин (Т) немесе урацил (U). ДНҚ мен РНҚ молекулаларының құрамына бірдей пуриндер кіреді. ДНҚ құрамына кіретін екі пиримидин, цитозин және тимин, ал РНҚ құрамында тимин орнында урацил болады. Тиминнің урацилден тек пиримидин сақинасының бесінші жағдайындағы метильді топтың бар болуымен айрықшаланады. Нуклеин қышқылдарында пентозаның екі түрі табылды. ДНҚ мен РНҚ молекулалары құрамындағы пентозаның түріне байланысты ажыратылады. ДНҚ-да дезоксирбоза пентозасы болса, РНҚ-да ол рибоза. Айырмашылығы қант сақинасының екінші жағдайында гидроксильді топтың бар немесе жоқ болуында. Азотты негіз бен қанттан тұратын молекуланы нуклеозид деп атаса, азот негізі, қанттан және фосфат қалдығынан тұратын молекуланы нуклеотид деп атайды. Нуклеотидтер бір-бірімен фосфодиэфирлі байланыс арқылы байланысады, бір нуклеотидтің 5΄-көміртегі атомының фосфатты тобы келесі нуклеотид дезоксирибозасының 3΄-ОН тобымен байланысады (10.4-сурет). Полинуклеотидті тізбектің бір соңында 3΄-ОН-тобы (3΄-соңы) орналасса, басқа соңында - 5΄-фосфатты тобы орналасады. ДНҚ молекуласының құрылымын түсінуде Э.Чаргафф анықтаған заңдылықтың маңызы өте зор. Осы заңдылыққа сәйкес: 1) пуриндік азот негіздері бар нуклеотидтердің қосындысы пиримидиндік азот негіздері бар нуклеотид қосындысына тең, яғни А+G═Т+C; 2) аденин мөлшері тимин мөлшеріне, ал гуанин мөлшері цитозин мөлшеріне тең болады; 3) 6-жағдайындағы кето тобы бар негіз мөлшері 6-жағдайындағы амин тобы бар негіз мөлшеріне тең, яғни G+Т═А+C. Берілген заңдылықтар Т мен А арасындағы және C мен G арасындағы өзара байланыстарды айқындады. ДНҚ құрылысын анықтауда М.Уилкинсон мен Р.Франклин (1953) жүргізген рентген құрылымдық зерттеулерде үлкен роль атқарды. Олар ДНҚ молекуласы бір-бірінен 0,34 нм қашықтықта молекула бойында орналасқан, қайталанып отыратын элементтерден тұратындығын көрсетті. Э.Чаргаффтың ережесіне және ДНҚ кристаллдарының рентген құрылымдық талдамасына сүйене отырып Дж. Уотсон мен Ф.Крик (1953) табиғи ДНҚ қос спираль түзетін екі полимерлі тізбектен тұрады деген қорытындыға келді. ДНҚ-ғы екі полинуклеотидті тізбектер ковалентті емес, азотты негіздердің арасында туындайтын сутекті байланыстар арқылы байланысады. Бұл жағдайда аденин тек тиминмен, ал гуанин цитозинмен ғана жұп құрайды. Мұндай қосылыстарды бір-біріне комплементарлы ( G-C және А-Т) негіздердің жұптасуы деп атайды. Уотсон мен Криктің қос спиральды үлгісіне сәйкес екі полинуклеотидті тізбектер антипараллельді болып келеді, яғни қарама-қарсы бағытта жүреді. Бір тізбек 5 3, ал екінші 3 5 бағытта. Нуклеотидтер жұп-жұбымен спираль осьіне перпендикуляр бағытта орналасады. Қос тізбекті ДНҚ-ның ұзындығы әдетте комплементарлы нуклеотидтер жұптарының (н.ж.) санымен өлшенеді. Мысалы, адам хромосомасының ДНҚ-ның ұзындығы 263 миллион жұп нуклеотидтерден тұратын бір қос спираль болып табылады. Азоттық негіздердің әрбір жұбы спираль осінің айналасында негіздердің келесі жұбына қарай 36-қа бұрылады. Сөйтіп, негіздердің он жұбы 360-қа тең толық айналымды құрайды. Екі тізбек бір-біріне сәйкес бұратылып екі иірімді (үлкен және кіші иірім) қос спираль түзеді. Егер спиральдің осі бойынша алғанда бұрылыстар сағат тілі бағытында болса қос спираль оң жақты болады. ДНҚ-ның мұндай құрылымы ДНҚ қос спиралінің В-формасы деп аталады. Қос спираль басқа да екі изомерлі түрде болатындығы белгілі. Олар негіздер мен қанттың арасындағы валентті бұрыштардың алмасуына байланысты пайда болады, ал дезоксирибозалы сақина мен қантфосфатты тірегі біршама иілгіш келеді. Сондықтан оған төзімді конфигурация қалыптаспайды. Сирек кездесетін А-формасы тек төменгі ылғалдылық жағдайында кездеседі және В-формасынан айырмашылығы табан жалпағы (плокости оснований) спираль осіне бұрышы 20 перпендикуляр құрайды, сондықтан негіздердің жұптары арасындағы ара-қашықтық тігінен алғанда 0.29 нм кемиді, ал бір оралымдағы негіздер жұбының саны 11-12 дейін артады. ДНҚ-ның А- формасының биологиялық қызметі әлі толық түсініксіз. ДНҚ-ның пуринді және пиримидинді нуклеотидтері кезектесіп келіп отыратын бөлімшелері белгілі бір жағдайларда спиральдің сол жақты пішініне көшеді. Бұл кезде негіздердің көршілес жұптарының ара-қашықтығы 0.77 нм, ал бір орамдағы жұптардың саны 12 дейін ұлғаяды. Мұндай молекуланың тірегі ирек түрінде болады, сондықтан ол Z – пішінді немесе Z – ДНҚ деп аталады. Z – ДНҚ бөлімшелері дрозофиланың политенді хромосомаларының дискілерінің аралығында болатындығы анықталған. Бұдан шығатын қорытынды Z – ДНҚ табиғи жағдайда кездеседі, бірақ оның ролі әлі толық анықталмаған. Z – ДНҚ клетканың қатерлі ісікке айналуында маңызды орын алады деген болжам бар. №4-5 дәріс ДНҚ репликациясы ДНҚ молекуласының құрылымын ашып көрсету оның клеткадағы репликациялану (екі еселену) принципін түсіндіруге мүмкіндік туғызды. Уотсон-Крик үлгісіне сәйкес ДНҚ-ның әр тізбегі жаңа комплементарлы тізбектің түзілуінде матрица қызметін атқарады, ал сол тізбектегі азотты негіздердің орналасу реті матрица тізбегіндегі комплементарлы негіздердің орналасу ретіне сай болады. Нәтижесінде бір қос тізбекті молекуланың негізінде бір-біріне ұқсас екі қос тізбекті молекулалар пайда болады және олардың әрқайсысының бір тізбегі бұрынғы ескі, ал екіншісі жаңадан түзілген болып табылады. ДНҚ репликациясының мұндай жолы жартылай консервативті деп аталады. Ескі тізбек Жаңа тізбек М.Мезельсон мен Ф.Стальдің (1958) тәжірибелері үлгі бойынша жасалған болжамдарға сәйкес ДНҚ репликациясы жартылай консервативті жолмен жүретіндігін көрсетті. ДНҚ-ның әрбір жаңа молекуласы ата-анасының қос тізбекті спиральінен берілген бір ескі (консервативті) тізбектен және бір жаңа түзілген тізбектен тұрады. Олар E.сoli клеткаларын азотты (15N) ортада өсірген. Азоттың бұл ауыр изотопы ДНҚ құрамына еніп таңба қызметін атқарған. Өсіру кезінде бактериялардың бірнеше ұрпақтары генерация алмасқан, соңында барлық клеткалардың ДНҚ-да 15N–азоттың ауыр изотопы болған. Содан соң бактериялар азоттың жеңіл изотопы 14N бар қоректік ортаға ауыстырылған. ДНҚ репликациясы мен клетканың бөлінуінен кейін бірнеше уақыт өткеннен соң клеткалардың жаңа генерацияларының үлгілері таңдалынып алынып олардағы 15N мен 14N изотоптарының таралу мөлшері анықталған. 15N изотопы бар молекулаларды жеңіл 14N изотопы бар молекулалардан тығыздығына қарап ажыратуға болады, себебі 15N бар ДНҚ-ғы бір нуклеотидтің салмағы кәдімгі ДНҚ-ға қарағанда артығырақ болады. Тығыздығы әртүрлі молекулаларды хлорлы цезий градиентінде центрифугалау арқылы бөліп алуға болады. Центрифугалау барысында ДНҚ молекулалары ерітіндінің тығыздығы олардың өз тығыздығына сай келетін қабатта жинақталады. 15N бар ортада өсірілген E.сoli клеткалары ДНҚ-ның тығыздығы 1,724 г/см3 болса, кәдімгі 14N ортада өсірілген клеткалар ДНҚ-ның тығыздығы 1,710 г/см3 болған. ДНҚ-ның осы екі түрінің қоспасын тығыздығына қарай центрифугалаған кезде тез ажыратылады. Нәтижелері 10.8-суретте берілген. 14N ортада өсірілген бірінші бөлінуден кейінгі культураның тығыздығы 15N-ДНҚ мен 14N-ДНҚ-ның аралығында болады. Екінші бөлінуден кейін 14N ортада өсірілген клеткалардың жартысы 14N-ДНҚ, ал екінші жартысы (14N-15N)-ДНҚ (аралық тығыздық) болады. Үшінші бөлінуден соң 14N ортада ДНҚ-ның ¾ бөлігі 14N ДНҚ-ның тығыздығына тең болады, ал ¼ бөлігі аралық тығыздықты сақтады. Генерациялар саны мен ДНҚ тығыздығының арақатынасы репликацияның жартылай консервативті типіне сәйкес келген. 1963 жылы Д.Кернс авторадиография әдісінің көмегімен тұғыш рет E.сoli ДНҚ-ның сақиналы молекуласының толық репликациясын анықтады. Ол бактерия клеткаларын жұмсартып ыдырату әдісін ойлап тапты. Нәтижесінде ол E.сoli-дің ескі ДНҚ-сын бөліп алып оны радиоактивті 3Н-тимидинмен таңбалады. Таңбаланған ДНҚ-ны фотопластинкаға орналастырып, соңынан эмульсиямен қаптап бірнеше аптаға сақтауға қойды. Тимидин ДНҚ-ға таңдап барып қосылады, сондықтан тритиймен таңбаланған тимидин бар ортада E.сoli клеткаларын өсіру таңбаның жаңадан синтезделген ДНҚ-ға таралуын қарауға мүмкіндік берді. Радиоактивті ДНҚ-дан шығатын электрондар сол ДНҚ молекуласы бойындағы фотоэмульсияда күміс түйіршіктерінің пайда болуына ықпал етті. Эмульсияны одан ары қарай өңдеу нәтижесінде күміс түйіршіктерінің тізбегі арқылы ДНҚ молекуласының конформациясын қадағалауға мүмкіндік беретін радиоавтограф алынды. Бұл E.сoli ДНҚ-ның сақина пішіндес екенін көрсетті. Бактерияларда ДНҚ-ның сақиналы молекулаларының репликациясы оның белгілі бір нүктеден басталады да, ол келіп репликация барысында хромосоманың бойында екі бағытта кеңейіп «үрлеменің» пайда болуына алып келеді. \ \ \ \ Репликация механизмдері ДНҚ репликациясы молекуланың кез-келген кездейсоқ нүктесінен емес, репликацияның басталу нүктелері деп аталатын арнайы орындардан басталады (ori, ағылшынша origin - бастама). Көшіріп алу процесі репликативті айырымлардың пайда болуы арқылы, бір немесе екі бағытта ДНҚ әбден екі еселеніп болғанша жалғаса береді. Шағын сақиналы ДНҚ молекуласы репликация басталатын бір ғана нүктесі бар репликацияның бір құрылымдық өлшем бірлігі (репликон) болып табылады. Эукариотты клеткалардың геномдары әдетте репликация басталатын көптеген нүктелердің және соған сәйкес репликациялардың болатындығымен сипатталады және олар хромосома бойында 20 м.ж.н. аралығында шашырап жатады. ДНҚ репликациясының механизмі туралы қазіргі көзқарастарды қарастырғанда репликонда жүретін бұл процестің бірқатар кезеңдерін бөліп айтуға болады. Бірінші кезең ДНҚ молекуласының екі полинуклеотидті жіпшелерінің жұмыс істеп тұрған репликонның шекарасында жылдам спиральдануына және олардың комплементарлы негіздер жұптарының арасындағы сутекті байланыстардың бұзылуы арқылы бөлініп кетуіне байланысты болады. Мұндай жағдайда ата-аналық молекуланың екі бір тізбекті фрагменті пайда болады. Ал олардың әрқайсысы комплементарлы (жаңа) жіпшенің түзілуі үшін матрица ролін атқаруы мүмкін. Репликацияның пайда болған қос айыры ДНҚ-ның ата-аналық молекуласының қос спиральі бойымен ДНҚ-хеликаза (helix - спираль) ферментінің белсенділігі арқасында және ДНҚ-ның бір тізбекті бөлімшелерімен байланысатын белоктардың (single strand DNA binding proteins, SSB – белоктар) қатысуымен жылдам жылжып отырады. Хеликаза қос спиральдің өзі тұрған жерінде тарқатылыуын тудырады, ал SSB – белоктары сол мезетте жаңадан түзілген тізбекті бөлімшелермен байланысады, сөйтіп ДНҚ полимеразаның қатысуымен нуклеотидтердің комплементарлы жолмен жұптасуына жағдай жасайды. ДНҚ-хеликазаның көмегімен жіпшелердің бір-біріне тиісті қосымша айналымынсыз-ақ тез тарқатылуы репликацияның жылжып келе жатқан айырымының алдындағы ата-аналық молекулалардың бөлімшелерінде жаңа түйнектердің пайда болуына әкеліп соғады, ал ол өз кезегінде бұл бөлімшелерде топологиялық (аймақтық) қиыншылықтардың және ДНҚ молекуласының аса жоғары спиральді жағдайда болуына мүмкіндік туғызады. Мұндай қиыншылық немесе супер спиральдану ДНҚ-топоизомеразалар деп аталатын тағы бір ферменттер тобы арқылы жойылады. Топоизомераза-I репликативті қос айырым аумағындағы ДНҚ жіпшелерінің біреуін уақытша үзеді, ол ДНҚ спиралінің өз осі (білік) бойынша айналуына мүмкіндік береді. Аса ауыр қиыншылықтар тоқтағаннан кейін үзілген тізбектер қайта қалпына келеді. Топоизмераза-II (бактериялық топоизмераза II гираза деп аталады) тізбектердің бір-бірінен ажырап кеткен ұштарын біріктіріп қос тізбекті уақытша үзеді. Бұл ферменттің қатысуы күрделі түйіндердің шешілуіне мүмкіндік береді. Репликацияның басталу нүктесінде А-Т жұптарына бай негіздердің арнайы тізбегі болады. Инициация кезінде бұл аймаққа инициаторлы белоктардың көптеген молекулалары келіп қосылады (DNA A, DNA B, DNA C, SSB, т.б.), содан соң барып жіпшелер бір-бірінен ажырайды. Бұл әрбір репликативті айырымда қызмет жасайтын тізбектердің екі бағытта да біртіндеп тарқатылуын қамтамасыз ететін фермент – хеликазаға көмектеседі. №6-7 дәріс Ген экспрессиясы: днқ транскрипциясы
жүктеу/скачать 35,62 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|