ГЕНЕТИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛДЫҢ ҚҰРЫЛЫМДЫҚ-ФУНКЦИЯЛЫҚ ҰЙЫМДАСТЫРЫЛУЫ

4.2 Тұқым қуалаушылық және өзгергіштік субстанциясы ретіндегі ДНҚ қасиеттері

4.2.3 ДНҚ нуклеотидтерінің тізбегіндегі өзгерістер.

4.2.4 Генетикалық материал өзгергіштігінің элементарлық бірліктері. Мутон. Рекон

4.2.6 Гендік мутацияның жағымсыз әсерін төмендететін механизмдер

4.3 Тіршілік процестерінде генетикалық ақпаратты пайдалану

4.3.2 Про- және эукариоттардағы генетикалық ақпаратты ұйымдастыру және экспрессиялау ерекшеліктері

1. Тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік – тірілердің негізгі қасиеттері

Тіршілік ерекше құбылыс ретінде уақыт бойынша тіршілік ету ұзақтығымен сипатталады (жерде ол 3,5 миллиард жылдан астам бұрын пайда болған), ол тірі жүйелер ұрпақтарының сабақтастығымен қамтамасыз етіледі. Ағзадағы жасушалардың ұрпақтарының өзгеруі, популяциялардағы организмдердің ұрпақтарының өзгеруі, биоценоз жүйесіндегі түрлердің өзгеруі, биосфераны құрайтын биоценоздардың өзгеруі байқалады. Тіршіліктің уақыт бойынша үздіксіз өмір сүруінің негізінде тірі жүйелердің өздігінен көбею қабілеті жатыр. Өзгермелі жағдайларда тіршіліктің сақталуы тірі формалардың эволюциясының арқасында мүмкін болады, оның барысында оларда жаңа ортаға бейімделуді қамтамасыз ететін өзгерістер болады. Тіршіліктің үздіксіздігі мен тірі табиғаттың тарихи дамуы тіршіліктің екі іргелі қасиетіне: тұқым қуалаушылық пен өзгергіштікке байланысты.

Оқу курстарында тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік қасиеттері дәстүрлі түрде жасуша мен ағзаға қатысты қарастырылады. Іс жүзінде олар ағзадан жоғары деңгейде де көрінеді. Тірі табиғатты ұйымдастырудың жасушалық және организмдік (онтогенетикалық) деңгейінде тұқым қуалаушылық деп жасушалардың немесе ағзалардың өздігінен көбею процесінде жаңа ұрпаққа зат алмасудың белгілі бір түріне және жеке дамуға қабілетін беру қасиеті, оның барысында олар белгілі бір жасуша түрі мен ағзалар типінің ортақ белгілері мен қасиеттерін, сондай-ақ ата-аналардың кейбір жеке сипаттамаларын құрайды. Тіршілікті ұйымдастырудың популяциялық-түрлік деңгейінде тұқым қуалаушылық белгілі бір популяцияның (түрдің) ағзаларының бірқатар ұрпақтарында әртүрлі генетикалық формалардың тұрақты арақатынасын сақтауда көрінеді. Биоценоздық деңгейде биоценоздың жалғасуы осы биоценозды құрайтын организмдер түрлерінің белгілі бір арақатынасының сақталуымен қамтамасыз етіледі.

Жер бетіндегі тіршіліктің пайда болуы мен дамуы барысында тұқым қуалаушылық шешуші рөл атқарды, өйткені ол тірі жүйелерді ұйымдастыруда белгілі бір консерватизмді қамтамасыз етіп, бірқатар ұрпақтарда биологиялық пайдалы эволюциялық иемденуді қамтамасыз етті. Тұқым қуалаушылық эволюцияның негізгі факторларының бірі болып табылады.

Егер тірі жүйелердің қоршаған ортаның жаңа жағдайында пайдалы белгілі бір өзгерістерді алу және сақтау мүмкіндігі болмаса, өзгермелі жағдайлар фонында тірі табиғаттың уақыт өте келе өмір сүруі мүмкін емес еді. Тірі жүйелердің өзгерістерге ие болу және әртүрлі нұсқаларда болу қасиеті өзгергіштік деп аталады.

Бір түрдің жеке жасушалары мен ағзаларында олардың жеке дамуына әсер ететін өзгергіштік олардың арасындағы айырмашылықтардың пайда болуымен көрінеді. Тіршілікті ұйымдастырудың популяциялық-түрлік деңгейінде бұл қасиет түрдің жеке популяциялары арасындағы генетикалық айырмашылықтардың болуымен көрінеді, бұл жаңа түрлердің қалыптасуының негізінде жатыр. Жаңа түрлердің пайда болуы биоценоздардағы түр аралық қатынастарға өзгерістер енгізеді. Белгілі бір мағынада өзгергіштік тірі жүйелерді ұйымдастыру динамизмін көрсетеді және тұқым қуалаушылықпен бірге эволюцияның жетекші факторы болып табылады. Нәтижелері бойынша тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік көп бағытты болғанына қарамастан, тірі табиғатта бұл екі іргелі қасиет ажырамас бірлікті құрайды, бұл бір мезгілде эволюция процесінде бар биологиялық мақсатқа сай қасиеттердің сақталуын және жаңадан пайда болуын қамтамасыз етеді. әртүрлі жағдайларда өмір сүруге мүмкіндік береді.

2. Тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалдық субстратын ұйымдастыру туралы түсініктердің қалыптасу тарихы

Тұқымқуалаушылық пен өзгергіштік кез келген тірі жүйенің ең маңызды қасиеттері ретінде арнайы материалдық субстраттың жұмыс істеуімен қамтамасыз етіледі. Биология ғылымының тарихи даму барысында оның қасиеттері, ұйымдастырылуы және химиялық табиғаты туралы түсініктер үнемі кеңейіп, күрделене түсуде.

60-жылдары. 19 ғасыр генетиканың (тұқым қуалаушылық және өзгергіштік туралы ғылым) негізін салушы Г.Мендель (1865) тұқым қуалаушылық материалды ұйымдастыру туралы алғашқы болжамдар жасады. Бұршаққа жасаған тәжірибелерінің нәтижелеріне сүйене отырып, ол тұқым қуалайтын материалдың дискретті екендігі туралы қорытындыға келді, яғни. организмдердің белгілі бір сипаттамаларының дамуына жауапты жеке тұқым қуалайтын бейімділіктермен ұсынылған. Мендельдің пікірінше, жыныстық жолмен көбейетін ағзалардың тұқым қуалаушылық материалында бір белгінің дамуы ата-анасының екеуінен де жыныс жасушаларымен бірге келген жұп аллельдік бейімділікпен қамтамасыз етіледі. Гаметалар түзілу кезінде олардың әрқайсысына жұп аллельдік бейімділіктердің біреуі ғана енеді, сондықтан гаметалар әрқашан «таза» болады. 1909 жылы В. Иогансен Мендельдің «тұқым қуалайтын бейімділік» гендерін атады.

80-ші жылдар 19 ғасыр цитология саласындағы маңызды жетістіктермен атап өтілді: митоз және мейоз – сәйкесінше соматикалық және жыныс жасушаларының бөлінуі сипатталды, оның барысында ядролық құрылымдар – хромосомалар еншілес жасушалар арасында табиғи түрде таралады (В. Волдейер, 1888).

Жасушаның бөліну процесінде хромосомалардың таралу сипаты туралы деректер 20 ғасырдың басында мүмкін болды. Бовери (1902-1907) және В.Сетгон (1902-1903) жасушалар мен ағзалардың бірқатар ұрпақтарындағы қасиеттердің үздіксіздігі олардың хромосомаларының үздіксіздігімен анықталады деген қорытындыға келеді. Хромосомалар тұқым қуалаушылық бағдарламаның материалдық тасымалдаушылары ретінде қарастырыла бастады.

Тұқым қуалайтын бейімділіктер мен хромосомалар туралы идеяларды біріктіретін тұқым қуалаушылықтың хромосомалық теориясын одан әрі дамыту 20 ғасырдың басында жүзеге асырылды. Т.Морган және оның әріптестері. Дрозофилаға жүргізілген тәжірибелерде тұқым қуалаушылықты қамтамасыз етудегі хромосомалардың рөлі туралы бұрын айтылған болжам расталды. Гендердің хромосомаларда орналасатыны, оларда сызықтық тәртіпте орналасқаны анықталды. Әрбір хромосоманың гендері байланыс тобын құрайды, олардың саны жыныс жасушаларындағы хромосомалардың санымен анықталады. Бір байланыс тобындағы гендер, әдетте, бірге тұқым қуалайды. Дегенмен, бірқатар жағдайларда олардың рекомбинациялануы кроссинг-оверге байланысты болады, олардың жиілігі гендер арасындағы қашықтыққа байланысты.

Сонымен, генетиканың маңызды принциптерінің бірі, тұқым қуалау материалының дискреттілігі мен үздіксіздігінің бірлігі хромосомалық теорияда көрініс тапты.

Айта кету керек, сонымен қатар ХХ ғасырдың басында. Жасушаларда әртүрлі цитоплазмалық құрылымдарда орналасқан және ерекше цитоплазмалық тұқым қуалаушылықты анықтайтын хромосомадан тыс тұқым қуалайтын материалдың болуын дәлелдейтін фактілер анықталды (К. Корренс, 1908).

Шамамен сол уақытта X. де Врис (1901) организмнің белгілі бір белгілерінің өзгеруіне әкелетін тұқым қуалайтын бейімділіктердің немесе хромосомалардың кенеттен өзгеруіне байланысты мутациялық өзгергіштік теориясының негізін қалады. Одан кейінгі жылдары хромосомалар мен гендерге рентген сәулелері, радиация, кейбір химиялық заттар мен биологиялық агенттер мутагендік әсер ететіні анықталды.

Осы зерттеулердің нәтижесінде тұқымқуалаушылық пен өзгергіштік бір заттық субстраттың қызмет етуінен болатыны белгілі болды.

ХХ ғасырдың алғашқы онжылдықтарында. Мендель сипаттаған доминанттылық пен рецессивтілік қатынастарының шегінен шыққан белгілер күйінің гендердің өзара әрекеттесу сипатына тәуелділігін растайтын деректер алынды. Осыдан генетикалық аппараттың өзара әрекеттесетін гендер жүйесі – хромосома жиынтығында шоғырланған генотип – кариотип туралы идеясы туындады.

Хромосомалардың химиялық құрамын зерттеу осы құрылымдарды құрайтын қосылыстардың екі негізгі түрін – белоктар мен нуклеин қышқылдарын анықтады. ХХ ғасырдың бірінші жартысында. зерттеушілер тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік субстратының химиялық табиғаты туралы мәселені шешті. Бастапқыда белоктардың пайдасына ұсыныстар жасалды. 1928 жылы Ф. Гриффит пневмококктарға эксперимент құрды, онда басқа штаммның өлтірілген жасушаларынан алынған материалдың әсерінен бір бактерия штаммының кейбір тұқым қуалайтын қасиеттерінің өзгеруі (трансформациясы) байқалды. Бактериялардың тұқым қуалаушылық қасиетін өзгертетін заттың химиялық табиғаты тек 1944 жылы ғана анықталды.О. Оның нуклеин қышқылдарына (ДНҚ) жататынын дәлелдеген Эвери.

Тұқымқуалаушылық пен өзгергіштікті қамтамасыз етуде ДНҚ қатысуының басқа дәлелдері:

1) дененің соматикалық жасушаларының барлық түрлеріндегі ДНҚ құрамының тұрақтылығы;

2) ДНҚ мазмұнының жасушалардың плоидтылығына сәйкестігі (соматикалық жасушаларда жыныс жасушаларына қарағанда екі есе көп, полиплоидты жасушаларда хромосомалар жиынтығының санына сәйкес келеді);

3) бактериялардың конъюгациясы кезіндегі генетикалық рекомбинация құбылысы, бұл кезде ДНҚ бөлігі бір жасушадан екіншісіне еніп, соңғысының қасиеттері өзгереді;

4) ДНҚ фагының көмегімен ДНҚ-ны бір штаммнан екінші штаммға көшіру арқылы бактерия жасушаларының тұқым қуалаушылық қасиетін өзгерту – трансдукция құбылысы;

5) вирустардың оқшауланған нуклеин қышқылының инфекциялық белсенділігі.

Нуклеин қышқылдарын мақсатты зерттеудің маңызды нәтижесі ДНҚ молекуласының кеңістіктік моделін Дж.Уотсон мен Ф.Криктің (1953) жасауы болды.

ХХ ғасырдың екінші жартысында. ғалымдардың күш-жігері олардың генетикалық функцияларының негізін құрайтын нуклеин қышқылдарының қасиеттерін, тұқым қуалайтын ақпаратты жазу және оқу тәсілдерін, генетикалық кодтың табиғаты мен құрылымын, гендік белсенділікті реттеу механизмдерін зерттеуге бағытталған. жеке белгілердің және тұтастай фенотиптің қалыптасуы. 60-жылдары. М.Ниренберг, С.Очоа, X. Корана және басқалардың еңбектері генетикалық кодтың толық декодтауын жасады, нуклеин қышқылы молекуласындағы нуклеотид триплеттерінің белгілі бір аминқышқылдарына сәйкестігін анықтады. 70-жылдары. Тірі организмдердің тұқым қуалаушылық қасиеттерін мақсатты түрде өзгертуге мүмкіндік беретін гендік инженерия әдістері белсенді түрде дами бастады.

20 ғасырдың аяғында жаңа молекулалық-генетикалық технологиялардың арқасында әртүрлі ағзалар геномдарының ДНҚ молекулаларындағы нуклеотидтер тізбегін анықтау мүмкін болды (ДНҚ мәтіндерін оқу). Жалпы 3 миллиард негіз жұптарымен ұсынылған адам геномының ДНҚ мәтіндері негізінен 2001 жылға қарай оқылды. ДНҚ молекулаларының нуклеотидтер тізбегін анықтауға бағытталған молекулалық биологияның ғылыми-практикалық бағыты геномика деп аталады.

3. Генетикалық материалдың жалпы қасиеттері және генетикалық аппараттың ұйымдастырылу деңгейлері

Тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің жоғарыдағы анықтамаларына сүйене отырып, тіршіліктің осы екі қасиетінің материалдық субстраты қандай талаптарға сай болуы керек деп болжауға болады.

Біріншіден, генетикалық материал өзін-өзі репликациялау үшін қабілетті болуы керек көбею процесінде тұқым қуалайтын ақпаратты береді, оның негізінде жаңа ұрпақты қалыптастыру жүзеге асырылады. Екіншіден, бірқатар ұрпақтардағы белгілердің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін тұқым қуалайтын материал өзінің ұйымдастырылуын тұрақты түрде сақтауы керек. Үшіншіден, тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік материалы өзгермелі жағдайларда тірі материяның тарихи дамуына мүмкіндік беретін өзгерістерді алуға және оларды жаңғыртуға қабілетті болуы керек. Ол көрсетілген талаптарға сай болған жағдайда ғана тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалдық субстраты тірі табиғат пен оның эволюциясының өмір сүру ұзақтығы мен үздіксіздігін қамтамасыз ете алады.

Генетикалық аппараттың табиғаты туралы қазіргі заманғы идеялар оны ұйымдастырудың үш деңгейін ажыратуға мүмкіндік береді: гендік, хромосомалық және геномдық. Олардың әрқайсысында тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік материалының негізгі қасиеттері және оның берілу мен қызмет етуінің белгілі заңдылықтары көрінеді.

4. Генетикалық аппаратты ұйымдастырудың гендік деңгейі

Белгілі бір түрдің жасушасының немесе организмінің белгілі бір белгісінің даму мүмкіндігін анықтайтын генетикалық аппараттың элементар функционалды бірлігі ген болып табылады (Г.Мендель бойынша тұқым қуалайтын депозит). Гендерді жасушалардың немесе ағзалардың ұрпақтарының тізбегінде тасымалдау арқылы материалдық сабақтастыққа қол жеткізіледі - ұрпақтардың ата-аналық белгілердің тұқым қуалауы.

Белгі деп организмдердің (жасушалардың) морфологиялық, физиологиялық, биохимиялық, иммунологиялық, клиникалық және кез келген басқа дискреттілігінің бірлігі ретінде түсініледі, яғни. олар бір-бірінен ерекшеленетін жеке сапа немесе қасиет.

Ағзалардың немесе жасушалардың жоғарыда аталған белгілерінің көпшілігі күрделі белгілер санатына жатады, олардың түзілуі көптеген заттардың, ең алдымен ерекше қасиеттері бар белоктардың - ферменттердің, иммунопротеидтердің, құрылымдық, жиырылғыш, көліктік және басқа ақуыздардың синтезін қажет етеді. Белок молекуласының қасиеттері оның полипептидтік тізбегінің аминқышқылдарының реттілігімен анықталады, ол сәйкес геннің ДНҚ-дағы нуклеотидтер тізбегі арқылы тікелей нақтыланады және элементар немесе қарапайым белгі болып табылады.

Генетикалық аппараттың функционалды бірлігі ретіндегі геннің негізгі қасиеттері оның химиялық ұйымдастырылуымен,

4.1 Геннің химиялық ұйымдастырылуы

Тұқым қуалайтын материалдың химиялық табиғатын түсіндіруге бағытталған зерттеулер тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің заттық субстраты нуклеин қышқылдары екенін бұлтартпас дәлелдеді, оларды Ф.Мишер (1868) ірің жасушаларының ядроларында ашқан. Нуклеин қышқылдары макромолекулалар, яғни. жоғары молекулалық салмаққа ие. Бұл мономерлерден тұратын полимерлер – нуклеотидтер, оның ішінде үш компонент: қант (пентоза), фосфат және азотты негіз (пурин немесе пиримидин). С-1 пентозаның молекуласындағы бірінші көміртегі атомына азотты негіз (аденин, гуанин, цитозин, тимин немесе урацил) қосылады, ал эфирлік байланыс арқылы бесінші көміртегі атомына С-5 фосфат қосылады; үшінші көміртегі атомы С-3 «әрқашан гидроксил тобына ие - OH (1-сурет).

Нуклеотидтердің нуклеин қышқылының макромолекуласына қосылуы бір нуклеотидтің фосфатының екіншісінің гидроксилімен әрекеттесуі нәтижесінде олардың арасында фосфодиэфирлік байланыс орнайды (2-сурет). Нәтижесінде полинуклеотидтік тізбек пайда болады. Тізбектің діңгегі кезектесіп тұрған фосфат пен қант молекулаларынан тұрады. Жоғарыда аталған азотты негіздердің бірі пентозаның молекулаларына С-1 «позициясында бекітілген (3-сурет).

1-сурет. Нуклеотидтер құрылымының диаграммасы

Түсіндіру үшін мәтінді қараңыз; осы суретте қолданылған нуклеотидті құрамдастардың белгілері барлық келесі нуклеин қышқылы схемаларында сақталады

Полинуклеотидтік тізбекті құрастыру келесі нуклеотидтің фосфат тобының алдыңғы нуклеотидтің 3 «позициясындағы гидроксил тобына қосылуын қамтамасыз ететін полимераза ферментінің қатысуымен жүзеге асырылады (3.3-сурет). аталған ферменттің әсер ету ерекшелігін атап өтті, полинуклеотидтік тізбектің өсуі тек бір ұшында жүреді: бос гидроксил 3-позицияда болатын жерде. Тізбектің басында әрқашан 5 «позицияда фосфат тобы болады. Бұл ондағы 5» және 3» ұштарын таңдауға мүмкіндік береді.

Нуклеин қышқылдарының ішінде қосылыстардың екі түрін ажыратады: дезоксирибонуклеин (ДНҚ) және рибонуклеин (РНҚ) қышқылдары. Тұқым қуалайтын материалдың негізгі тасымалдаушылары – хромосомалардың құрамын зерттеу олардың ең химиялық тұрақты құрамдас бөлігі тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік субстраты болып табылатын ДНҚ екенін анықтады.

4.1.1 ДНҚ құрылымы. Дж. Уотсон мен Ф. Криктің үлгісі

ДНҚ нуклеотидтерден тұрады, олардың құрамына қант – дезоксирибоза, фосфат және азотты негіздердің бірі – пурин (аденин немесе гуанин) немесе пиримидин (тимин немесе цитозин) кіреді. ДНҚ-ның құрылымдық ұйымдасуының ерекшелігі оның молекулаларына белгілі бір жолмен өзара байланысқан екі полинуклеотидтік тізбекті қамтиды. 1953 жылы американдық биофизигі Дж.Уотсон мен ағылшын биофизигі және генетикі Ф.Крик ұсынған үш өлшемді ДНҚ моделіне сәйкес бұл тізбектер комплементарлық принцип бойынша азотты негіздері арасындағы сутектік байланыс арқылы бір-бірімен байланысқан. Бір тізбектің аденині екінші тізбектің тиминімен екі сутектік байланыс арқылы байланысады және әртүрлі тізбектегі гуанин мен цитозин арасында үш сутектік байланыс түзіледі. Азотты негіздердің мұндай байланысы екі тізбектің берік байланысын қамтамасыз етеді және олардың арасында бірдей қашықтықты сақтайды.

4-сурет. ДНҚ молекуласының құрылымының диаграммасы. Көрсеткілер нысаналардың антипараллельділігін көрсетеді.

ДНҚ молекуласындағы екі полинуклеотидті тізбектің байланысуының тағы бір маңызды белгісі олардың антипараллельділігі болып табылады: бір тізбектің 5" ұшы екіншісінің 3" ұшымен жалғасады және керісінше (4-сурет).

Рентгендік дифракция деректері екі тізбектен тұратын ДНҚ молекуласы өз осінің айналасында бұралған спираль түзетінін көрсетті. Спираль диаметрі 2 нм, қадам ұзындығы 3,4 нм. Әрбір айналымда 10 жұп нуклеотидтер болады.

Көбінесе қос спиральдар оң жақты болады - спиралдың осі бойымен жоғары қозғалғанда, тізбектер оңға бұрылады. Ерітіндідегі ДНҚ молекулаларының көпшілігі оң жақ – В-формасында (В-ДНҚ). Дегенмен, солақай пішіндер де бар (Z-DNA). Бұл ДНҚ-ның қанша мөлшері жасушаларда бар және оның биологиялық маңызы қандай екені әлі анықталмаған (3.5-сурет).

5-сурет. ДНҚ-ның сол жақ Z-пішінді (I) және оң жақ В-пішінді (II) кеңістіктік модельдері

Сонымен, ДНҚ молекуласының құрылымдық ұйымдасуында біріншілік құрылымды – полинуклеотидтік тізбекті, екіншілік құрылымды – сутегі байланыстарымен байланысқан екі комплементарлы және параллельді полинуклеотидтік тізбекті, ал үшінші реттік құрылымды – жоғарыда айтылғандармен үш өлшемді спиральді ажыратуға болады. кеңістіктік сипаттамалар.

4.1.2 ДНҚ молекуласындағы генетикалық ақпаратты жазу әдісі. Биологиялық код және оның қасиеттері

Ең алдымен, тіршіліктің барлық алуан түрлілігі жасушаларда әртүрлі биологиялық қызметтерді атқаратын ақуыз молекулаларының әртүрлілігімен анықталады. Белоктардың құрылымы олардың пептидтік тізбектеріндегі аминқышқылдарының жиынтығы мен ретімен анықталады. Дәл осы пептидтердегі аминқышқылдарының тізбегі биологиялық (генетикалық) код арқылы ДНҚ молекулаларында шифрланады. Тек төрт түрлі нуклеотидтердің кезектесуін білдіретін ДНҚ құрылымының салыстырмалы қарабайырлығы ұзақ уақыт бойы зерттеушілерге бұл қосылысты тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалды субстраты ретінде қарастыруға кедергі келтірді, онда өте әртүрлі ақпарат шифрлануы керек.

1954 жылы Г. Гамов ДНҚ молекулаларындағы ақпаратты кодтауды бірнеше нуклеотидтердің комбинациясы арқылы жүзеге асыру керек деп ұсынды. Табиғатта бар белоктардың алуан түрінен 20-ға жуық әртүрлі аминқышқылдары табылған. Олардың мұндай санын шифрлау үшін тек триплеттік код нуклеотидтердің комбинацияларының жеткілікті санын қамтамасыз ете алады, онда әрбір амин қышқылы көршілес үш нуклеотидпен шифрланады. Бұл жағдайда төрт нуклеотидтен 4 3 = 64 триплет түзіледі. Екі нуклеотидтен тұратын код тек 4 2 = 16 түрлі аминқышқылдарын кодтауға мүмкіндік береді.

Генетикалық кодты толық декодтау 60-жылдары жүргізілді. біздің ғасыр. 64 ықтимал ДНҚ үштіктерінің 61-і әртүрлі аминқышқылдарын кодтайды; қалған 3-еуі мағынасыз, немесе «мәнсіз үштіктер» деп аталады. Олар аминқышқылдарын кодтамайды және тұқым қуалайтын ақпаратты оқығанда тыныс белгілері ретінде әрекет етеді. Оларға ATT, ACT, ATC жатады.

Кодтың айқын артықшылығына назар аударылады, ол көптеген аминқышқылдарының бірнеше триплеттермен шифрлануынан көрінеді (6-сурет). Триплет кодының дегенерация деп аталатын бұл қасиеті өте маңызды, өйткені полинуклеотидтік тізбектегі бір нуклеотидтің орын ауыстыру түрі бойынша ДНҚ молекуласының құрылымында өзгерістердің пайда болуы триплеттің мағынасын өзгертпеуі мүмкін. Алынған үш нуклеотидтің жаңа комбинациясы бірдей амин қышқылын кодтайды.

Генетикалық кодтың қасиеттерін зерттеу барысында оның ерекшелігі ашылды. Әрбір триплет тек бір ғана амин қышқылын кодтай алады. Қызықты факт - тірі организмдердің әртүрлі типтеріндегі кодтың толық сәйкестігі. Генетикалық кодтың мұндай әмбебаптығы биологиялық эволюция процесінде жер бетіндегі тірі формалардың барлық алуан түрлілігінің шығу тегі бірлігін айғақтайды. Генетикалық кодтағы шамалы айырмашылықтар кейбір түрлердің митохондрияларының ДНҚ-сында кездеседі. Бұл әдетте кодтың әмбебаптығы туралы мәлімдемеге қайшы келмейді, бірақ ол өмірдің алғашқы кезеңдерінде оның эволюциясында белгілі бір алшақтық пайдасына куәландырады. Әртүрлі түрдегі митохондриялардың ДНҚ-дағы кодты шешу барлық жағдайда митохондриялық ДНҚ-ның ортақ қасиетке ие екенін көрсетті: ACT триплеті ACC ретінде оқылады, сондықтан ол мағынасыз триплеттен триптофан аминқышқылдарының шифріне айналады.

6-сурет. Аминқышқылдары және оларды кодтайтын ДНҚ триплеттері

Басқа белгілер организмдердің әртүрлі түрлеріне тән. Ашытқыда GAT триплеті және мүмкін бүкіл GA отбасы амин қышқылы лейциннің орнына треонинді кодтайды. Сүтқоректілерде TAG триплеті TAC сияқты мағынаға ие және изолейциннің орнына амин қышқылы метионинді кодтайды. Кейбір түрлердің митохондрияларының ДНҚ-дағы TCH және TCC триплеттері мағынасыз үштіктер бола отырып, аминқышқылдарын кодтамайды. Генетикалық кодтың үштік, азғындық, спецификалық және әмбебаптығымен қатар оның сабақтастығы және оқу кезінде кодондардың бір-біріне сәйкес келмеуі маңызды сипаттамалар болып табылады. Бұл нуклеотидтер тізбегі бос орындарсыз үш есе үш рет оқылады дегенді білдіреді, ал көрші үштіктер бір-бірімен қабаттаспайды, яғни. әрбір жеке нуклеотид берілген оқу кадры үшін тек бір триплеттің бөлігі болып табылады (3.7-сурет). Генетикалық кодтың қабаттаспауының дәлелі ДНҚ-дағы бір нуклеотидті алмастырған кезде пептидтегі бір ғана амин қышқылының ауыстырылуы болып табылады. Нуклеотидті бірнеше қабаттасатын триплеттерге қосқан жағдайда, оны ауыстыру пептидтік тізбектегі 2-3 аминқышқылдарының ауыстырылуына әкеледі.

7-сурет. Тұқым қуалайтын ақпаратты оқу кезіндегі генетикалық кодтың үздіксіздігі мен даусыздығы.

Нуклеотидтер - нуклеотидтер.

4.2 ДНҚ-ның тұқым қуалаушылық субстанциясы ретіндегі қасиеттері және өзгергіштік

4.2.1 Тұқым қуалайтын материалдың өздігінен көбеюі. ДНҚ репликациясы

Тұқым қуалаушылық материалының негізгі қасиеттерінің бірі оның өзін-өзі көшіру қабілеті – репликация. Бұл қасиет екі комплементарлы тізбектен тұратын ДНҚ молекуласының химиялық ұйымдасу ерекшеліктерімен қамтамасыз етіледі. Репликация процесінде аналық ДНҚ молекуласының әрбір полинуклеотидтік тізбегінде комплементарлы тізбек синтезделеді. Нәтижесінде бір ДНҚ қос спиралінен екі бірдей қос спираль түзіледі. Әрбір еншілес молекулада бір ата-ана және бір жаңадан синтезделген тізбек болатын молекулаларды екі еселеудің мұндай әдісі жартылай консервативті деп аталады.

Репликация орын алуы үшін аналық ДНҚ тізбектері еншілес молекулалардың комплементарлы тізбектері синтезделетін шаблонға айналу үшін бір-бірінен бөлінуі керек.

Репликацияның инициациясы ДНҚ-ның арнайы аймақтарында жүзеге асырылады, белгіленген ори (ағылшын тілінен - ​​бастау). Оларға арнайы ақуыздармен танылған 300 bp реттілігі кіреді. Бұл локустардағы ДНҚ қос спиралі екі жіпке бөлінеді және, әдетте, репликация бастауының екі жағында полинуклеотидтік тізбектердің дивергенция аймақтары – ори локусынан қарама-қарсы бағытта қозғалатын репликациялық айырлар түзіледі. Репликация шанышқыларының арасында репликациялық көз деп аталатын құрылым түзіледі, онда аналық ДНҚ-ның екі тізбегінде жаңа полинуклеотидтік тізбектер түзіледі (8-сурет, А).

Сутектік байланыстарды үзетін геликаза ферментінің көмегімен ДНҚ-ның қос спиралі репликацияның пайда болу нүктелерінде ашылады. Алынған жалғыз ДНҚ жіптері тізбектердің омыртқаларын созатын арнайы тұрақсыздандыратын ақуыздармен байланысады, олардың азотты негіздерін нуклеоплазмада орналасқан комплементарлы нуклеотидтермен байланысу үшін қолжетімді етеді. Репликация айырының аймағында түзілген тізбектердің әрқайсысында ДНҚ-полимераза ферментінің қатысуымен комплементарлы тізбектердің синтезі жүзеге асады (8, В-сурет).

8-сурет. Репликацияны бастау аймағы. репликация шанышқысы

A. Шағылыстыру көзінің қалыптасуы.

B. ДНҚ молекуласындағы репликациялық айырдың аймағы

Синтез кезінде репликация шанышқылары жаңа аймақтарды басып алып, ата-аналық спиралдың бойымен қарама-қарсы бағытта қозғалады.

Геликаза ферменті арқылы ата-аналық ДНҚ-ның спиральді жіптерін бөлу репликация айырының алдында суперкоирлердің пайда болуын тудырады. Бұл спиральдың бір айналымын құрайтын әрбір 10 жұп нуклеотид үшін ата-аналық ДНҚ өз осінің айналасында бір толық айналымды аяқтауы керек екендігімен түсіндіріледі. Сондықтан репликациялық шанышқыны ілгерілету үшін оның алдындағы бүкіл ДНҚ молекуласы жылдам айналуы керек, бұл үлкен энергия шығынын қажет етеді. Бұл іс жүзінде ДНҚ топоизомеразалары деп аталатын белоктардың арнайы класына байланысты байқалмайды. Топоизомераза ДНҚ тізбектерінің бірін үзіп, оның екінші тізбектің айналасында айналуына мүмкіндік береді. Бұл ДНҚ қос спиральында жинақталған кернеуді әлсіретеді (9-сурет).

Нуклеоплазмадағы бос нуклеотидтер, олар дезоксирибонуклеозид-грифосфаттар түрінде болады: dATP, dGTP, dCTP, dTTP, бөлінген ата-аналық тізбектердің нуклеотидтер тізбегінің босатылған сутектік байланыстарына қосылады. Комплементарлы нуклеозидтрифосфат негізгі ДНҚ тізбегінің белгілі бір негізімен сутектік байланыс түзеді. Содан кейін ДНҚ-полимераза ферментінің қатысуымен бейорганикалық пирофосфат бере отырып, жаңадан синтезделген тізбектің алдыңғы нуклеотидімен фосфодиэфирлік байланыс арқылы байланысады (10-сурет).

ДНҚ-полимераза келесі нуклеотидті алдыңғы нуклеотидтің 3' позициясындағы OH тобына қосқанда, тізбек оның 3' ұшында біртіндеп ұзарады.

ДНҚ полимеразасының ерекшелігі оның екі нуклеозидтрифосфатты жай ғана байланыстыру арқылы жаңа полинуклеотидтік тізбектің синтезін бастауға қабілетсіздігі болып табылады: шаблонды ДНҚ тізбегімен жұптастырылған кез келген полинуклеотидтік тізбектің 3"-OH-терминусы қажет, оған ДНҚ полимераза ғана мүмкін болады. жаңа нуклеотидтерді қосады.Мұндай полинуклеотид Леотидтік тізбек тұқым немесе праймер деп аталады.

Репликация кезінде ДНҚ полинуклеотидтік тізбектерін синтездеуге арналған праймер рөлін РНҚ-праймаза ферментінің қатысуымен түзілген қысқа РНҚ тізбегі орындайды (11-сурет). ДНҚ-полимеразаның бұл ерекшелігі репликация үшін шаблон ретінде бос 3'-OH-соңы бар жұпталған праймерді тасымалдайтын ДНҚ тізбегі ғана қызмет ете алатынын білдіреді.

9-сурет. ДНҚ топоизомераза ферментінің көмегімен ДНҚ тізбегінің бірін үзу: I - ДНҚ топоизомераза ДНҚ фосфаттық топтарының бірімен (жоғарғы тізбек) ковалентті байланыс түзеді; II - бір полинуклеотидтік тізбектегі фосфодиэфирлік байланыстың екінші тізбектің сәйкес байланысының айналасында үзілуі нәтижесінде репликация айырының аймағында екі ДНҚ тізбегінің алшақтауынан туындаған кернеуді жеңілдететін айналу пайда болады; III – ДНҚ спиральында кернеу босап шыққаннан кейін ДНҚ топоизомеразасының өздігінен бөлінуі және ДНҚ тізбегіндегі фосфодиэфирлік байланыстың қалпына келуі жүреді.

ДНҚ-полимеразаның екі ДНҚ тізбегі антипараллельді қосылған кезде полинуклеотидті 5"-ден 3" ұшына дейінгі бағытта құрастыру қабілеті оларда репликация процесі басқаша жүруі керек дегенді білдіреді. Шынында да, егер матрицалардың бірінде (3" → 5") жаңа тізбектің жиналуы 5" ұшынан 3" соңына дейін үздіксіз жүрсе және ол 3" ұшында біртіндеп ұзарып кетсе, онда матрицада синтезделген басқа тізбек (5" → 3 "), 3" ұшынан 5" ұшына дейін өсуі керек. Бұл ДНҚ-полимераза ферментінің әсер ету бағытына қайшы келеді.

10-сурет. ДНҚ-полимеразаның қатысуымен синтезделген ДНҚ-ның еншілес тізбегіне келесі нуклеотидтің қосылуы: ФФ-пирофосфат

Қазіргі уақытта ДНҚ-ның екінші тізбегінің синтезі қысқа фрагменттермен (Оказаки фрагменттері) 5" ұшынан 3" ұшына дейін («инемен артқа» тігу түрі бойынша) жүзеге асырылатыны анықталды. . Прокариоттарда Оказаки фрагменттері 1000-нан 2000-ға дейін нуклеотидтерден тұрады, эукариоттарда олар әлдеқайда қысқа (100-ден 200 нуклеотидке дейін). Әрбір осындай фрагменттің синтезі алдында ұзындығы шамамен 10 нуклеотидті құрайтын РНҚ праймерінің түзілуі жүреді. Жаңадан пайда болған фрагмент алдыңғы фрагментпен оның РНҚ праймерін алып тастағаннан кейін ДНҚ лигаза ферментінің көмегімен байланысады (12, А-сурет).

Осы мүмкіндіктерге байланысты репликация шанышқысы асимметриялық. Синтезделген екі еншілес тізбектің біреуі үздіксіз құрылады, оның синтезі жылдамырақ және бұл тізбек көшбасшы деп аталады. Басқа тізбектің синтезі баяу жүреді, өйткені ол РНҚ праймерінің түзілуін және одан кейін жойылуын қажет ететін бөлек фрагменттерден құрастырылған. Сондықтан мұндай тізбек артта қалу деп аталады. Жеке фрагменттер 5 «→ 3» бағытында түзілгенімен, жалпы алғанда бұл тізбек 3 «→ 5» бағытында өседі (3.12, А-сурет). Екі репликациялық айыр әдетте ори локусынан басталып, қарама-қарсы бағытта жүретінін ескере отырып, олардағы жетекші жіптердің синтезі аналық ДНҚ-ның әртүрлі тізбегінде жүреді (сурет 12, В). Репликация процесінің соңғы нәтижесі нуклеотидтер тізбегі негізгі ДНҚ қос спираліне ұқсас екі ДНҚ молекуласының түзілуі болып табылады.

11-сурет. РНҚ примазасымен катализделген қысқа РНҚ праймерінің синтезінің реакция схемасы

Репликативтік синтез барысында болатын оқиғалардың қарастырылған тізбегі репликациялық айыр аймағында бірге әрекет ететін ферменттердің тұтас жүйесінің қатысуын болжайды: геликаз, топоизомераза, тұрақсыздандыратын белоктар, ДНҚ полимераза және басқалары (13-сурет). ).

Про- және эукариоттарда ДНҚ репликациясы негізінен ұқсас, дегенмен эукариоттардағы синтез жылдамдығы (шамамен 100 нуклеотид/с) прокариоттарға қарағанда (1000 нуклеотид/с) төмен. Мұның себебі белоктармен жеткілікті күшті байланыстардың эукариоттық ДНҚ-ның түзілуі болуы мүмкін, бұл оның репликативті синтез үшін қажетті деспирализациясын тежейді.

ДНҚ фрагменті репликацияның басталу нүктесінен оның аяқталу нүктесіне дейін репликация бірлігін – репликонды құрайды. Бастапқы нүктеде (локус) басталғаннан кейін репликация бүкіл репликон қайталанғанша жалғасады. Прокариот жасушаларының дөңгелек ДНҚ молекулалары бір локуста болады және толығымен бөлек репликондар болып табылады. Эукариоттық хромосомаларда репликондар саны көп. Осыған байланысты эукариоттық хромосома бойында орналасқан ДНҚ молекуласының екі еселенуі бірнеше нүктеден басталады. Әртүрлі репликондарда екі еселену әртүрлі уақытта немесе бір уақытта болуы мүмкін.

Күріш. 12. ДНҚ-ның екі еншілес тізбегінің аналық молекуланың әртүрлі тізбегіндегі синтезі.

А.ДНҚ жіптерінің антипараллельділігіне байланысты еншілес жіптердің синтезі басқаша жүреді,жоғарғы ата-аналық жіпте үздіксіз жетекші жіпше синтезделеді,төменгі аталық жіпте аналық жіп Оказаки фрагменттерінен құрастырылады – артта қалған жіп.

B. Көп бағытты айырлардағы жетекші жіптердің синтезі аналық ДНҚ-ның әртүрлі жіптерінде жүреді.

4.2.2 Нуклеозидті ДНҚ тізбегін сақтау механизмдері. Химиялық тұрақтылық. Репликация. Жөндеу

Жасушаның немесе ағзаның негізгі сипаттамаларын өмір бойы, сондай-ақ бірқатар ұрпақтарда сақтау үшін тұқым қуалайтын материал сыртқы әсерлерге төзімді болуы керек немесе онда болатын өзгерістерді түзету механизмдері болуы керек. Табиғатта екі фактор да қолданылады. Үшінші фактор – репликация кезінде аналық ДНҚ-ның нуклеотидтер тізбегін көшіру дәлдігі.

13-сурет. ДНҚ репликация процесіне қатысатын белоктар

ДНҚ геликазасы ДНҚ қос спиралын босатып, оның полинуклеотидтік тізбектерін бөледі; тұрақсыздандыратын ақуыздар ДНҚ тізбегінің бір бөлігін түзетеді; ДНҚ топоизомеразасы поликарбонатты ДНҚ жіптерінің біріндегі фосфодиэфирлік байланысты үзіп, репликация айырындағы спиралдың ағытылуы мен жіптің бөлінуінен туындаған кернеуді жеңілдетеді; РНҚ примаза еншілес тізбек үшін және әрбір Оказаки фрагменті үшін РНҚ праймерлерін синтездейді; ДНҚ полимераза жетекші тізбектің үздіксіз синтезін және артта қалған тізбектің Оказаки фрагменттерінің синтезін орындайды; ДНҚ лигазасы РНҚ праймерін алып тастағаннан кейін Оказаки фрагменттерін байланыстырады

Реактивтілігі бойынша ДНҚ молекулалары химиялық инертті заттарға жатады. Тұқым қуалаушылық субстанциясының рөлін тек ДНҚ ғана емес, сонымен қатар РНҚ (кейбір вирустар) атқара алатыны белгілі. ДНҚ пайдасына таңдау оның РНҚ-мен салыстырғанда төмен реактивтілігіне байланысты деп саналады.

Жоғарыда қарастырылған репликация механизмі ДНҚ құрылымын көбейтудегі өте жоғары дәлдікпен сипатталады. ДНҚ-ны көбейту кезінде қателер орта есеппен 1·10 -6 комплементарлы негіз жұбының жиілігімен пайда болады.

Репликацияның жоғары дәлдігін сақтауда маңызды рөл ең алдымен ДНҚ-полимераза ферментіне тиесілі. Бұл фермент ядролық шырын құрамындағы нуклеозидтрифосфаттардың (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ) ішінен қажетті нуклеотидтерді таңдап, оларды ДНҚ шаблон тізбегіне дәл бекітіп, өсіп келе жатқан еншілес тізбекке қосады. Бұл кезеңде дұрыс емес нуклеотидтерді қосу жиілігі 1·10 -5 негіз жұптарын құрайды.

ДНҚ-полимераза жұмысындағы мұндай қателер азотты негіздердің өзгерген формаларының пайда болуымен байланысты, олар ата-аналық тізбектің негіздерімен «заңсыз» жұптар құрайды. Мысалы, гуаниннің орнына цитозиннің өзгерген түрі сутегі аденинмен байланысқан. Нәтижесінде өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегіне қате нуклеотид кіреді. Мұндай негіздің өзгерген түрінің әдеттегіге тез ауысуы оның шаблонмен байланысуын бұзады, өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің жұпталмаған 3 "-OH-соңы пайда болады. Бұл жағдайда өзін-өзі түзету механизмі іске қосылады, жүзеге асырылады. ДНҚ-полимераза (немесе онымен тығыз байланысты фермент - эндонуклеазаны редакциялау) арқылы шығарылады.Өзін-өзі түзету ДНҚ тізбегіне қате енгізілген, шаблонмен жұптаспаған нуклеотидтің үзілуінен тұрады (14-сурет).Өздігінен пайда болатын салдар. -түзету – қателік көрсеткішінің 10 есе төмендеуі (10 -5-тен 10 -6-ға дейін).

Өзін-өзі түзетудің тиімділігіне қарамастан, қателер ДНҚ репликациясынан кейін репликация кезінде анықталады. Бұл әсіресе қоршаған субстратта төрт нуклеозидтрифосфаттың концентрациясы бұзылған кезде байқалады. Өзгерістердің едәуір бөлігі ДНҚ молекулаларында да пурин негіздерінің – аденин мен гуаниннің (апуринизация) жоғалуымен немесе урацилге айналатын цитозиннің дезаминденуімен байланысты өздігінен жүретін процестердің нәтижесінде пайда болады. Соңғы өзгерістердің жиілігі 1 геномға/тәулігіне 100-ге жетеді.

ДНҚ құрамындағы негіздер олардың қалыпты жұптасуын бұзатын реактивті қосылыстардың әсерінен, сондай-ақ ультракүлгін сәулеленудің әсерінен өзгеруі мүмкін, бұл ДНҚ-дағы екі көрші тимин қалдықтары (тимин димерлері) арасында коваленттік байланыстың түзілуін тудыруы мүмкін. Репликацияның келесі цикліндегі бұл өзгерістер не аналық ДНҚ-дағы негізгі жұптардың жоғалуына, не кейбір жұптардың басқалармен ауыстырылуына әкелуі керек. Бұл өзгерістер ДНҚ репликациясының әрбір циклімен бірге жүреді, бірақ олардың жиілігі қажет болғаннан әлдеқайда аз. Бұл осындай түрдегі өзгерістердің көпшілігі бастапқы ДНҚ нуклеотидтер тізбегінің репарация (молекулярлық қалпына келтіру) механизмінің әрекетіне байланысты жойылатындығымен түсіндіріледі.

Репарация механизмі ДНҚ молекуласында екі комплементарлы тізбектің болуына негізделген. Олардың біріндегі нуклеотидтер тізбегінің бұрмалануы арнайы ферменттер арқылы анықталады. Содан кейін сәйкес сайт жойылады және екінші комплементарлы ДНҚ тізбегінде синтезделетін жаңасымен ауыстырылады. Мұндай жөндеу эксцизиялық деп аталады, яғни. «кесу» арқылы (Cурет 15). Ол келесі репликация цикліне дейін жүзеге асады, сондықтан оны репликация алды деп те атайды.

14-сурет. ДНҚ синтезі кезіндегі коррекциялық процестің схемасы:

I-аденинмен «заңсыз» жұптасатын цитоеиннің модификацияланған (таутомерлік) түрі бар нуклеотидтің ДНҚ тізбегіне қосылуы; II – цитозиннің қалыпты түріне тез ауысуы оның аденинмен жұптасуын бұзады; синтезделген тізбектің жұпталмаған 3"-ОН-ұшы ДНҚ-полимеразаның әсерінен оның әрі қарай ұзаруына жол бермейді;III - ДНҚ-полимераза заңсыз нуклеотидті жояды, нәтижесінде шаблонмен жұпталған 3"-ОН-ұшы қайтадан пайда болады; IV - ДНҚ полимераза 3'-OH-соңында тізбекті ұзартуды жалғастырады.

Бастапқы ДНҚ құрылымын қалпына келтіру бірқатар ферменттердің қатысуын талап етеді. Жөндеу механизмін іске қосудың маңызды сәті ДНҚ құрылымындағы қатені анықтау болып табылады. Көбінесе мұндай қателер репликация кезінде жаңадан синтезделген тізбекте пайда болады. Жөндеу ферменттері дәл осы тізбекті анықтауы керек. Тірі организмдердің көптеген түрлерінде жаңадан синтезделген ДНҚ тізбегі синтезден артта қалған оның азотты негіздерінің метилдену дәрежесінен аналық ерекшеленеді. Бұл жағдайда метилденбеген тізбек жөндеуден өтеді. Репарация ферменттерімен тану объектісі ДНҚ тізбегіндегі үзілістер де болуы мүмкін. ДНҚ синтезі үздіксіз емес, жеке репликондар арқылы жүретін жоғары сатыдағы организмдерде жаңадан синтезделген ДНҚ тізбегі оны тануға мүмкіндік беретін үзілістерге ие. Оның бір тізбегінің пурин негіздерін жоғалтқан жағдайда ДНҚ құрылымын қалпына келтіру тізбектің зақымдану орнындағы фосфоэфирлік байланысты үзетін эндонуклеаза ферментінің көмегімен ақауды анықтауды қамтиды. Содан кейін бірнеше нуклеотидтері бар өзгерген жерді экзонуклеаза ферменті алып тастайды және оның орнында комплементарлы тізбектің негіздерінің ретіне сәйкес нуклеотидтердің дұрыс тізбегі түзіледі (15-сурет).

15-сурет. Эксцизиялық, пререпликативті ДНҚ репарациясының схемасы.

ДНҚ тізбегіндегі негіздердің бірі өзгерген кезде бастапқы құрылымды қалпына келтіруге 20-ға жуық ДНҚ гликозилаза ферменттері қатысады.Олар негіздердің дезаминдену, алкилдену және басқа құрылымдық өзгерістерден туындаған зақымдануды ерекше таниды. Мұндай модификацияланған негіздер жойылады. Пуриндердің жоғалуы сияқты жөнделетін негіздер жоқ аймақтар бар. Егер қалыпты құрылымды қалпына келтіру жүргізілмесе, мысалы, азотты негіздердің дезаминденуі жағдайында комплементарлы негіздердің кейбір жұптары басқалармен ауыстырылады - C-G жұбы Т-А жұбымен ауыстырылуы мүмкін және т.б. .

Ультракүлгін сәулелердің әсерінен полинуклеотидтік тізбектерде тимин димерлерінің (Т-Т) түзілуі жеке өзгерген негіздерді емес, ДНҚ құрылымының неғұрлым ауқымды зақымдануын танитын ферменттердің қатысуын талап етеді. Бұл жағдайда репаративті процесс сонымен қатар димерді тасымалдайтын жерді жоюмен және комплементарлы ДНҚ тізбегінде синтездеу арқылы қалыпты нуклеотидтер тізбегін қалпына келтірумен байланысты.

Егер эксцизиялық жөндеу жүйесі бір ДНҚ тізбегінде пайда болған өзгерісті түзетпесе, бұл өзгеріс репликация кезінде бекітіледі және ол екі ДНҚ тізбегінің де меншігі болады. Бұл комплементарлы нуклеотидтердің бір жұбының екіншісімен ауыстырылуына немесе өзгерген аймақтарға қарсы жаңадан синтезделген тізбекте үзілістердің (саңылаулардың) пайда болуына әкеледі. Қалыпты ДНҚ құрылымын қалпына келтіру репликациядан кейін де болуы мүмкін.

Пострепликативті жөндеу жаңадан пайда болған екі ДНҚ қос спиральдары арасындағы рекомбинация (фрагменттердің алмасуы) арқылы жүзеге асады. Мұндай пострепликативті репликацияның мысалы ретінде тимин димерлері (Т-Т) пайда болған кезде, олар көрінетін жарық әсерінен (жарық жөндеу) өздігінен жойылмаған кезде немесе репликацияға дейінгі эксцизиялық жөндеу кезінде қалыпты ДНҚ құрылымын қалпына келтіру болып табылады.

Көршілес тимин қалдықтары арасында пайда болатын коваленттік байланыстар оларды комплементарлы нуклеотидтермен байланысуға қабілетсіз етеді. Нәтижесінде жаңадан синтезделген ДНҚ тізбегінде жөндеу ферменттерімен танылатын үзілістер (саңылаулар) пайда болады. Бір еншілес ДНҚ-ның жаңа полинуклеотидтік тізбегінің тұтастығын қалпына келтіру екінші енші ДНҚ-ның сәйкес қалыпты аналық тізбегімен рекомбинацияға байланысты жүзеге асырылады. Ата-аналық тізбекте пайда болған бос орын кейін комплементарлы полинуклеотидтік тізбектегі синтез арқылы толтырылады (16-сурет). Апалы хроматидтер арасындағы жиі байқалатын материал алмасуды (17-сурет) екі еншілес ДНҚ молекуласының тізбектері арасындағы рекомбинация арқылы жүзеге асырылатын осындай пострепликативті жөндеудің көрінісі ретінде қарастыруға болады.

16-сурет. Пострепликативті ДНҚ репарациясының диаграммасы:

I – ДНҚ жіпшелерінің бірінде тимин димерінің пайда болуы;

II – репликациядан кейін ата-аналық молекуланың өзгерген аймағына қарсы жаңадан синтезделген тізбекте «саңылау» түзілуі (көрсеткі «саңылаудың» екінші еншілес ДНҚ молекуласының сәйкес тізбегінен алынған аймақпен кейінгі толтырылуын көрсетеді) ;

III – рекомбинация есебінен жоғарғы молекуланың еншілес тізбегінің тұтастығын қалпына келтіру және комплементарлы тізбектегі синтезге байланысты төменгі молекулада

17-сурет. Хроматидаралық алмасулар (көрсеткілермен көрсетілген)

Репликацияға дейінгі және кейінгі репликация кезінде ДНҚ құрылымының зақымдануының көпшілігі қалпына келеді. Бірақ жасушаның тұқым қуалайтын материалында тым көп зақымданулар орын алып, олардың кейбіреулері жойылмаса, индукциялық (қоздырғыш) қалпына келтіру ферменттерінің жүйесі (SOS-жүйесі) қосылады. Бұл ферменттер комплементарлылық принципін қатаң сақтамай синтезделген полинуклеотидтік тізбектердің тұтастығын қалпына келтіру арқылы бос орындарды толтырады. Сондықтан кейде репарация процестерінің өзі ДНҚ құрылымындағы тұрақты өзгерістердің (мутациялардың) көзі бола алады. Аталған реакция SOS жүйесіне де қатысты.

Егер жасушада жүргізіліп жатқан жөндеуге қарамастан, ДНҚ құрылымының зақымдану мөлшері жоғары болып қалатын болса, онда ДНҚ репликация процестері блокталады. Мұндай жасуша бөлінбейді, яғни ол пайда болған өзгерістерді ұрпаққа бермейді.

ДНҚ зақымдануынан туындаған жасушалық циклдің тоқтауы, өзгерген тұқым қуалайтын материалды молекулалық жөндеудің мүмкін еместігімен үйлеседі, синтезі p53 генімен бақыланатын ақуыздың қатысуымен өзін-өзі құру процесінің белсендірілуіне әкелуі мүмкін. -ақаулы жасушаны организмнен шығару мақсатында оның жойылуы (апоптоз).

Осылайша, әртүрлі жөндеу ферменттерінің кең жиынтығы ДНҚ-ны үздіксіз «тексеруді» жүзеге асырады, одан зақымдалған аймақтарды алып тастайды және тұқым қуалайтын материалдың тұрақтылығын сақтауға көмектеседі. Репликация ферменттерінің (ДНҚ-полимераза және редакциялаушы эндонуклеаза) және репарация ферменттерінің бірлескен әрекеті ДНҚ молекулаларындағы қателіктің айтарлықтай төмен деңгейін қамтамасыз етеді, ол бір геномға өзгерген нуклеотидтердің 1 × 10 -9 жұп деңгейінде сақталады. Адам геномының өлшемі 3 × 10 9 негізгі жұп болса, бұл репликацияланатын геномға шамамен 3 қатені білдіреді. Сонымен бірге, бұл деңгейдің өзі жер бетінде тіршілік болған кезде гендік мутация түріндегі маңызды генетикалық әртүрлілікті қалыптастыру үшін жеткілікті.

4.2.3 ДНҚ нуклеотидтерінің тізбегіндегі өзгерістер.

Репликацияның дәйекті циклдерінде көбейіп, ұрпақтарда белгілердің жаңа нұсқалары түрінде көрінетін гендердің химиялық құрылымының түзетілмеген өзгерістері гендік мутациялар деп аталады.

Генді құрайтын ДНҚ құрылымындағы өзгерістерді үш топқа бөлуге болады. Бірінші топтағы мутациялар кейбір негіздерді басқалармен ауыстырудан тұрады. Олар өздігінен пайда болатын гендік өзгерістердің шамамен 20% құрайды. Мутациялардың екінші тобы гендегі нуклеотидтер жұптарының саны өзгерген кезде пайда болатын кадрдың ығысуынан туындайды. Соңында, үшінші топ гендегі нуклеотидтер тізбегінің ретінің өзгеруімен байланысты мутациялармен ұсынылған (инверсия).

Азотты негіздердің орын ауыстыру түріне сәйкес мутациялар. Бұл мутациялар бірқатар нақты себептерге байланысты пайда болады. Олардың бірі кездейсоқ немесе белгілі бір химиялық агенттердің әсерінен пайда болатын ДНҚ спираліне енгізілген негіз құрылымының өзгеруі болуы мүмкін. Егер негіздің мұндай өзгерген түрін қалпына келтіру ферменттері байқамай қалса, онда келесі репликация циклі кезінде ол өзіне басқа нуклеотидті қоса алады. Мысал ретінде өздігінен немесе азот қышқылының әсерінен урацилге айналатын цитозиннің дезаминденуі жатады (18-сурет). ДНҚ гликозилаза ферменті байқамаған, нәтижесінде пайда болған урацил репликация кезінде аденинмен қосылып, кейін тимидил нуклеотидін бекітеді. Нәтижесінде C-G жұбы ДНҚ-да Т-А жұбымен ауыстырылады (19, I сурет). Метилденген цитозиннің дезаминденуі оны тиминге айналдырады (3.18 суретті қараңыз). Тимидил нуклеотиді ДНҚ-ның табиғи құрамдас бөлігі бола отырып, қалпына келтіру ферменттерінің өзгерісі ретінде анықталмайды және келесі репликация кезінде аденил нуклеотидін қосады. Нәтижесінде ДНҚ молекуласында C-G жұбының орнына Т-А жұбы да пайда болады (19, II сурет).

18-сурет. Цитозиннің өздігінен дезаминденуі

Негіздерді ауыстырудың тағы бір себебі негіздің немесе оның аналогының химиялық түрлендірілген түрін алып жүретін нуклеотидтің синтезделген ДНҚ тізбегіне қате қосылуы болуы мүмкін. Егер бұл қате репликация және жөндеу ферменттері тарапынан байқалмай қалса, өзгертілген негіз репликация процесіне кіреді, бұл көбінесе бір жұптың екіншісімен ауыстырылуына әкеледі. Бұған мысал ретінде репликация кезінде аналық тізбектің адениніне тимидил нуклеотидіне ұқсас 5-бромурацил (5-БУ) бар нуклеотидті қосуды келтіруге болады. Кейінгі репликация кезінде 5-BU өзіне аденинді емес, гуанинді оңайырақ бекітеді. Гуанин әрі қарай екі еселену барысында цитозинмен комплементарлы жұп түзеді. Нәтижесінде ДНҚ молекуласында АТ-Т жұбы G-C жұбымен ауыстырылады (20-сурет).

Күріш. 19. Негізді алмастыру типі бойынша мутациялар (ДНҚ тізбегіндегі азотты негіздердің дезаминденуі):

I – цитозиннің урацилге айналуы, C-G-жұбының Т-А-жұбымен ауыстырылуы;

II – метил-цитозиннің тиминге айналуы, C-G-жұбының Т-А-жұбымен ауыстырылуы

Жоғарыда келтірілген мысалдардан ДНҚ молекуласының құрылымындағы негізді алмастыру типі бойынша өзгерістер репликацияға дейін немесе репликация кезінде, бастапқыда бір полинуклеотидтік тізбекте болатынын көруге болады. Егер мұндай өзгерістер жөндеу кезінде түзетілмесе, онда кейінгі репликация кезінде олар екі ДНҚ тізбегінің де меншігіне айналады.

Күріш. 20. Негізді алмастыру типі бойынша мутациялар (ДНҚ репликациясына азотты негіздің аналогын қосу)

Бір жұп комплементарлы нуклеотидтерді екіншісімен ауыстырудың салдары пептидтік тізбектегі аминқышқылдарының тізбегін кодтайтын ДНҚ нуклеотидтер тізбегінде жаңа триплеттің пайда болуы болып табылады. Бұл пептидтің құрылымына әсер етпеуі мүмкін, егер жаңа триплет алдыңғысымен «синонимдік» болса, яғни. бірдей амин қышқылын кодтайды. Мысалы, амин қышқылы валин төрт үштікпен шифрланған: CAA, CAG, CAT, CAC. Осы үштіктердің кез келгенінде үшінші негізді ауыстыру оның мағынасын өзгертпейді (генетикалық кодтың деградациясы).

Жаңадан пайда болған триплет басқа амин қышқылын кодтаған жағдайда пептидтік тізбектің құрылымы мен сәйкес ақуыздың қасиеттері өзгереді. Ауыстыру сипаты мен орнына байланысты белоктың ерекше қасиеттері әртүрлі дәрежеде өзгереді. Пептидтегі бір ғана амин қышқылының ауыстырылуы ақуыздың қасиеттеріне айтарлықтай әсер ететін жағдайлар белгілі, ол күрделі белгілердің өзгеруімен көрінеді. Мысал ретінде орақ жасушалы анемияда адам гемоглобинінің қасиеттерінің өзгеруін келтіруге болады (21-сурет). Мұндай гемоглобин- (HbS) (қалыпты HbA айырмашылығы) - алтыншы позициядағы р-глобин тізбегінде глутамин қышқылы валинмен ауыстырылады. Бұл глутамин қышқылын (CTT немесе CTC) кодтайтын триплеттегі негіздердің біреуінің ауыстырылуының салдары. Нәтижесінде валинді шифрлайтын триплет (CAT немесе CAC) пайда болады. Бұл жағдайда пептидтегі бір амин қышқылының орнын ауыстыру гемоглобиннің құрамына кіретін глобиннің қасиеттерін айтарлықтай өзгертеді (оның 02-мен байланысу қабілеті төмендейді), адамда орақ жасушалы анемия белгілері пайда болады.

Кейбір жағдайларда бір негізді екіншісімен ауыстыру ешбір амин қышқылын кодтамайтын мағынасыз триплеттердің (ATT, ATC, ACT) біреуінің пайда болуына әкелуі мүмкін. Мұндай ауыстырудың салдары пептидтік тізбектің синтезінің үзілуі болады. Бір триплеттегі нуклеотидтерді алмастыру 25% жағдайда синонимдік триплеттердің пайда болуына әкеледі деп бағаланады; 2-3-те – мағынасыз үштіктер, 70-де – 75% – шынайы гендік мутацияның пайда болуына дейін.

Осылайша, негізді алмастыру мутациялары бұрыннан бар ДНҚ қос спиралының бір тізбегіндегі базалық құрылымның өздігінен өзгеруі нәтижесінде де, жаңадан синтезделген тізбектегі репликация кезінде де пайда болуы мүмкін. Егер бұл өзгерістер репарация кезінде түзетілмесе (немесе, керісінше, репарация кезінде орын алса), олар екі тізбекте де бекітіледі, содан кейін келесі репликация циклдарында қайта шығарылады. Сондықтан мұндай мутациялардың маңызды көзі репликация және жөндеу процестерінің бұзылуы болып табылады.

Оқу кадрының ығысуы бар мутациялар. Мутацияның бұл түрі спонтанды мутациялардың едәуір бөлігін құрайды. Олар ДНҚ нуклеотидтер тізбегіне комплементарлы нуклеотидтердің бір немесе бірнеше жұптарын жоғалту немесе енгізу нәтижесінде пайда болады. Зерттелген фрейм ауыстыру мутацияларының көпшілігі бірдей нуклеотидтерден тұратын тізбектерде табылды.

ДНҚ тізбегіндегі жұп нуклеотидтер санының өзгеруіне акридин қосылыстары сияқты кейбір химиялық заттардың генетикалық материалына әсер ету ықпал етеді. ДНҚ қос спиралының құрылымын деформациялау арқылы олар қосымша негіздердің енуіне немесе репликация кезінде олардың жоғалуына әкеледі. Мысал ретінде профлавинге әсер еткенде T4 фагында алынған мутацияларды келтіруге болады. Олар бір ғана нуклеотид жұбының қосылуынан немесе жойылуынан тұрады. Гендегі нуклеотидтер жұптарының санының үлкен бөлінулер түріне сәйкес өзгеруінің маңызды себебі рентгендік сәулелену болуы мүмкін. Мысалы, жеміс шыбынында көздің түсін басқаратын геннің мутациясы белгілі, ол сәулеленуден туындайды және 100-ге жуық нуклеотид жұбының бөлінуінен тұрады.

21-сурет. Адам гемоглобинінің β-тізбегіндегі бір амин қышқылын алмастырудың плейотропты әсері орақ жасушалы анемияның дамуына әкеледі.

Нуклеотидтер тізбегіне жылжымалы генетикалық элементтердің, транспозондардың қосылуына байланысты көптеген инсерциялық мутациялар пайда болады. Транспозондар эу- және прокариоттық жасушалардың геномдарына салынған, өз орнын өздігінен өзгерте алатын жеткілікті ұзын нуклеотидтер тізбегі. Белгілі бір ықтималдықпен енгізулер мен бөлулер біркелкі емес интрагендік кроссинг-овермен рекомбинация қателерінің нәтижесінде болуы мүмкін (22-сурет).

22-сурет. Frameshift мутациялары (интрагендік кроссинг-овермен тең емес алмасу):

I – әртүрлі аймақтардағы аллельпиялық гендердің үзілуі және олардың арасындағы фрагменттердің алмасуы;

II – нуклеотидтердің 3 және 4 жұптарының жоғалуы, оқу шеңберінің ығысуы;

III - нуклеотидтердің 3-ші және 4-ші жұптарын екі еселеу, оқу шеңберін ауыстыру

23-сурет. ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтер жұптарының санының өзгеруінің салдары

Кодогендік тізбекке бір нуклеотидті енгізу нәтижесінде оқу кадрының ығысуы онда шифрланған пептид құрамының өзгеруіне әкеледі.

Оқудың үздіксіздігімен және генетикалық кодтың бір-біріне сәйкес келмеуімен нуклеотидтер санының өзгеруі, әдетте, оқу шеңберінің ауысуына және берілген ДНҚ тізбегінде жазылған биологиялық ақпараттың мағынасының өзгеруіне әкеледі (Cурет 1). 23). Дегенмен, енгізілген немесе жоғалған нуклеотидтер саны үшке еселік болса, фрейм ауысуы мүмкін емес, бірақ бұл қосымша аминқышқылдарының қосылуына немесе олардың кейбіреулерінің полипептидтік тізбектен жоғалуына әкеледі. Фреймді ауыстырудың ықтимал салдары қысқартылған пептидтік тізбектердің синтезіне әкелетін мағынасыз стриплеттердің пайда болуы болып табылады.

Гендегі нуклеотидтер тізбегінің инверсия түріне сәйкес мутациялар. Мутацияның бұл түрі ДНҚ сегментінің 180° бұрылуына байланысты пайда болады. Әдетте, мұның алдында ДНҚ молекуласы ілмек пайда болады, оның ішінде репликация дұрыс жаққа қарама-қарсы бағытта жүреді.

Төңкерілген аймақта ақпаратты оқу бұзылады, нәтижесінде ақуыздың аминқышқылдарының тізбегі өзгереді.

4.2.4 Өзгергіштіктің элементар бірліктері генетикалық материал. Мутон. Рекон

Ген – тұқым қуалайтын материал қызметінің элементар бірлігі. Бұл жеке генге сәйкес келетін және ондағы биологиялық ақпараттың арқасында белгілі бір белгінің даму мүмкіндігін анықтайтын ДНҚ молекуласының фрагменті функционалдық мағынада одан әрі бөлінбейтіндігін білдіреді. Жоғарыда келтірілген гендік мутациялар туралы ақпарат бүкіл генге емес, оның жеке бөлімдеріне әсер ететін химиялық құрылымдағы өзгерістердің маңыздылығын көрсетеді, нәтижесінде белгінің жаңа нұсқалары пайда болады.

Өзгерген кезде белгінің нұсқаларының пайда болуына әкелетін тұқым қуалайтын материалдың ең аз мөлшері мутация процесінің элементар бірлігіне сәйкес келеді және мутон деп аталады. Жоғарыда қарастырылған гендік мутация мысалдары, ол кодтайтын ақуыздың қасиеттерін өзгерту үшін гендегі бір жұп комплементарлы негіздерді ауыстыру жеткілікті екенін көрсетеді. Осылайша, мутон комплементарлы нуклеотидтердің бір жұбына сәйкес келеді.

Нуклеотидтік жұптарды енгізу және жою түрі бойынша гендік мутациялардың бір бөлігі кроссинг-over кезінде ДНҚ молекулалары арасындағы тең емес алмасуға байланысты пайда болады, яғни. олардың арасындағы рекомбинацияның бұзылуында. Бұл оқу шеңберінің ығысуымен бірге жүреді және қажетті қасиеттері бар пептидтік тізбектің синтезінің бұзылуына әкеледі. Бақылаулар генде жазылған биологиялық ақпаратты бұрмалау үшін бір жұп нуклеотидтерді енгізу немесе жою жеткілікті екенін көрсетеді. Айтылғандардан рекомбинацияның элементар бірлігі рекон молекулалық деңгейде бір жұп нуклеотидтерге сәйкес келетіні шығады.

Өздігінен немесе әртүрлі сыртқы әсерлердің әсерінен пайда болатын нуклеотидтер тізбегіндегі өзгерістер бір геннің олардағы биологиялық ақпаратта ерекшеленетін бірнеше нұсқада болуы мүмкін екеніне әкеледі. Берілген белгінің белгілі бір нұсқасының даму мүмкіндігін анықтайтын геннің өмір сүруінің ерекше формасы аллель деп аталады. Геннің аллельдері белгілі бір хромосоманың бір аймағында – локусында орналасады, ол әдетте бір мезгілде аллельдер қатарының біреуін ғана қамтуы мүмкін. Бұл геннің бар болуы үшін аллельдерді альтернативті (өзара эксклюзивті) нұсқалар етеді.

Химиялық құрылымның өзгеруі геннің әртүрлі аймақтарында болуы мүмкін. Егер олар өмірмен үйлесімді болса, яғни. жасушалардың немесе ағзалардың өліміне әкелмейді - бұл мутациялардың тасымалдаушылары, олардың барлығы түрдің гендік қорында сақталады.

Түрдің генофондында бір мезгілде геннің әртүрлі аллельдерінің болуы көп аллельизм деп аталады. Бұған мысал ретінде жеміс шыбынындағы көз түсінің әртүрлі нұсқаларын келтіруге болады: ақ, шие, қызыл, өрік, эозин, сәйкес геннің әртүрлі аллельдеріне байланысты. Адамдарда, органикалық әлемнің басқа өкілдері сияқты, көптеген гендерге көп аллельизм тән. Сонымен, I генінің үш аллелі AB0 жүйесі бойынша қан тобын анықтайды (I A, I B, I 0). Rh-тиістілігін анықтайтын геннің екі аллелі бар. Жүзден астам аллельдерде гемоглобиннің α- және β-полипептидтеріне гендер бар.

Көптеген аллельизмнің себебі популяцияның генофондында табиғи сұрыпталу процесінде сақталатын ген құрылымындағы кездейсоқ өзгерістер (мутациялар) болып табылады. Жыныстық көбею кезінде рекомбинацияланатын аллельдердің әртүрлілігі белгілі бір түр өкілдерінің арасындағы генотиптік әртүрлілік дәрежесін анықтайды, оның эволюциялық маңызы зор, популяциялардың өмір сүруінің өзгеретін жағдайларында өмір сүру қабілетін арттырады. Генетикалық материалдың қызмет етуіне эволюциялық және экологиялық маңызынан басқа гендердің аллельдік күйі үлкен әсер етеді. Эукариоттық организмдердің диплоидты соматикалық жасушаларында гендердің көпшілігі белгілердің қалыптасуына бірге әсер ететін екі аллельмен ұсынылған.

4.2.5 Гендік мутациялардың функционалдық жіктелуі

Геннің құрылымындағы өзгерістер, әдетте, қолайсыз болып, жасушаның, ағзаның өмір сүру қабілетін төмендетеді (зиянды мутациялар), кейде олардың өліміне (өлімге әкелетін мутациялар) әкеледі. Сирек кездесетін мутациялар олардың тасымалдаушыларының өміршеңдігіне айтарлықтай әсер етпейді, сондықтан олар бейтарап болып саналады. Ақырында, пайдалы әсері бар аллельдер (пайдалы мутациялар) өте сирек пайда болады, олардың тасымалдаушыларына артықшылықты өмір сүруді қамтамасыз етеді. Көп жағдайда геннің жаңадан пайда болған аллелі табиғатта кең таралған «жабайы» типті аллельге қатысты рецессивті әрекет етеді, яғни. онымен қосылып көрінбейді. Бірақ кейде геннің мутантты түрі басым болуы мүмкін, яғни. популяцияның генофондында жиі кездесетін «жабайы» аллельдің көрінісін басу.

4.2.6 Жағымсыз әсерлерді төмендететін механизмдер гендік мутациялар

Гендік мутация нәтижесінде биологиялық ақпараттың мәні өзгереді. Мұның салдары екі жақты болуы мүмкін. Аз өзгеретін орталарда жаңа ақпарат әдетте өмір сүруді азайтады. Өмір сүру жағдайларының күрт өзгеруімен, жаңа экологиялық тауашаның дамуымен әртүрлі ақпараттың болуы пайдалы. Осыған байланысты табиғи жағдайларда мутация процесінің қарқындылығы түрдің өміршеңдігінің апатты төмендеуіне әкелмейтін деңгейде сақталады. Мутациялардың жағымсыз әсерлерін шектеуде маңызды рөл эволюцияда пайда болған мутацияға қарсы механизмдерге тиесілі.

Бұл механизмдердің кейбірі жоғарыда талқыланады. Әңгіме ДНҚ репликациясы процесінде қажетті нуклеотидтерді таңдайтын, сонымен қатар редакциялаушы эндонуклеазамен бірге жаңа ДНҚ тізбегінің түзілуі кезінде өзін-өзі түзетуді жүзеге асыратын ДНҚ-полимеразаның қызмет ету ерекшеліктері туралы болып отыр. ДНҚ құрылымын қалпына келтірудің әртүрлі механизмдері және генетикалық кодтың деградациясының рөлі егжей-тегжейлі талданған. Бұл мәселенің шешімі биологиялық кодтың үштік сипаты болып табылады, ол ақпараттың бұрмалануына әкелетін триплет ішінде алмастырулардың ең аз санын береді. Осылайша, триплеттерде үшінші нуклеотидтің орын ауыстыруларының 64% олардың семантикалық мағынасын өзгертпейді. Рас, екінші нуклеотидтің 100% алмастырылуы триплет мағынасының бұрмалануына әкеледі.

Эукариоттық соматикалық жасушалардың диплоидты кариотипіндегі хромосомалардың жұптасуы гендік мутацияның жағымсыз салдарынан қорғау факторы қызметін атқарады.

Гендердің аллельдерінің жұптасуы мутацияның фенотиптік көрінісін болдырмайды, егер олар рецессивті болса.

Гендік мутациялардың зиянды әсерін төмендетуге өмірлік маңызды макромолекулаларды кодтайтын гендердің экстракопиялану құбылысы белгілі үлес қосады. Ол генотипте мұндай гендердің бірнеше ондаған, кейде жүздеген бірдей көшірмелерінің болуынан тұрады. Мысал ретінде рРНҚ, тРНҚ, гистон белоктарының гендерін келтіруге болады, оларсыз кез келген жасушаның тіршілік әрекеті мүмкін емес.

Экстракопиялар болған жағдайда бір немесе тіпті бірнеше бірдей гендердің мутациялық өзгеруі жасуша үшін апатты салдарға әкелмейді. Қалыпты жұмыс істеу үшін өзгеріссіз қалған көшірмелер жеткілікті.

Полипептидтегі аминқышқылдарының алмастыруларының функционалдық теңсіздігі де маңызды. Жаңа және ауыстырылған аминқышқылдары физика-химиялық қасиеттері бойынша ұқсас болса, белоктың үшінші реттік құрылымы мен биологиялық қасиеттерінің өзгеруі шамалы.

Осылайша, мутантты адам HbS және HbC гемоглобиндері қалыпты HbA гемоглобинінен 6-шы позициядағы глутамин қышқылы р-тізбегін сәйкесінше валинмен немесе лизинмен алмастыру арқылы ерекшеленеді. Бірінші ауыстыру гемоглобиннің қасиеттерін күрт өзгертеді және ауыр аурудың - орақ жасушалы анемияның дамуына әкеледі.

Екінші ауыстыру кезінде гемоглобиннің қасиеттері әлдеқайда аз дәрежеде өзгереді.

Бұл айырмашылықтардың себебі глутамин қышқылы мен лизиннің ұқсас гидрофильдік қасиеттері бар, ал валин гидрофобты амин қышқылы болып табылады.

Осылайша, бұл механизмдер эволюция кезінде таңдалған гендердің сақталуына және сонымен бірге олардың әртүрлі аллельдерінің популяцияның гендік қорында жинақталуына, тұқым қуалайтын өзгергіштік резервін қалыптастыруға ықпал етеді. Соңғысы популяцияның жоғары эволюциялық пластикасын анықтайды, яғни. әртүрлі жағдайларда өмір сүру мүмкіндігі.

4.3 Генетикалық ақпаратты пайдалану өмірлік процестерде

4.3.1 Тұқым қуалайтын ақпаратты жүзеге асырудағы РНҚ рөлі

Генетикалық кодтың көмегімен жазылған тұқым қуалайтын ақпарат ДНҚ молекулаларында сақталады және жаңадан пайда болған жасушаларды олардың қалыпты дамуы мен жұмыс істеуіне қажетті «нұсқаулармен» қамтамасыз ету үшін көбейтіледі. Сонымен бірге ДНҚ жасушалардың тіршілік әрекетіне тікелей қатыспайды. Функциясы ДНҚ-да сақталған тұқым қуалайтын ақпаратты жұмыс формасына ауыстыру болып табылатын делдал рөлін рибонуклеин қышқылдары – РНҚ атқарады.

ДНҚ молекулаларынан айырмашылығы, рибонуклеин қышқылдары қант, рибоза, фосфат және төрт азотты негіздердің бірі - аденин, гуанин, урацил немесе цитозин бар нуклеотидтердің төрт түрінен тұратын бір полинуклеотидтік тізбекпен ұсынылған. РНҚ комплементарлық және антипараллелизм принципіне сәйкес РНҚ-полимераза ферменттерінің көмегімен ДНҚ молекулаларында синтезделеді, ал урацил РНҚ-дағы ДНҚ адениніне комплементарлы болып табылады. Жасушада әрекет ететін РНҚ-ның барлық алуан түрлілігін үш негізгі түрге бөлуге болады: мРНҚ, тРНҚ, рРНҚ.

Матрица немесе ақпарат, РНҚ (мРНҚ немесе мРНҚ). Транскрипция. Қажетті қасиеттері бар белоктарды синтездеу үшін олардың жасалу орнына аминқышқылдарының пептидтік тізбекке кіру реті туралы «нұсқау» келеді. Бұл нұсқаулық матрицаның нуклеотидтер тізбегінде немесе сәйкес ДНҚ аймақтарында синтезделген ақпараттық РНҚ (мРНҚ, мРНҚ) қамтылған. мРНҚ синтезінің процесі транскрипция деп аталады.

мРНҚ синтезі РНҚ-полимеразаның ДНҚ молекуласында транскрипцияның басталу орнын – промоторды көрсететін арнайы учаскені ашуынан басталады. Промоторға қосылғаннан кейін РНҚ полимераза ДНҚ спиралының іргелес бұрылысын босатады. Осы кезде ДНҚ-ның екі тізбегі алшақтайды және олардың біреуінде фермент мРНҚ синтездейді. Рибонуклеотидтердің тізбекке жиналуы олардың ДНҚ нуклеотидтерімен комплементарлылығына сәйкес, сонымен қатар үлгі ДНҚ тізбегіне антипараллельділікпен жүреді. РНҚ-полимераза полинуклеотидті тек 5' ұшынан 3' ұшына дейін жинай алатындықтан, екі ДНҚ тізбегінің тек біреуі ғана транскрипцияға үлгі бола алады, атап айтқанда 3-пен ферментке бетпе-бет келетіні. ' соңы ( 3 "→ 5").Мұндай тізбек кодогендік деп аталады (3.24-сурет).ДНҚ молекуласындағы екі полинуклеотидтік тізбектің қосылуының антипараллельдігі РНҚ-полимеразаға мРНҚ синтезі үшін шаблонды дұрыс таңдауға мүмкіндік береді.

Кодогендік ДНҚ тізбегі бойымен қозғала отырып, РНҚ полимераза белгілі бір нуклеотидтер тізбегі – транскрипция терминаторымен кездескенше ақпаратты бірте-бірте нақты қайта жазуды жүзеге асырады. Бұл аймақта РНҚ-полимераза ДНҚ шаблонынан да, жаңадан синтезделген мРНҚ-дан да бөлінеді (25-сурет). ДНҚ молекуласының фрагменті, оның ішінде промотор, транскрипцияланған тізбек және терминатор транскрипция бірлігін – транскриптонды құрайды.

Синтез кезінде РНҚ-полимераза ДНҚ молекуласы бойымен қозғалғанда, ол өткен ДНҚ-ның бір тізбекті бөлімдері қайтадан қос спиральға біріктіріледі. Транскрипция кезінде түзілген мРНҚ ДНҚ-ның сәйкес бөлімінде жазылған ақпараттың нақты көшірмесін қамтиды. Аминқышқылдарды кодтайтын үш көршілес мРНҚ нуклеотидтері кодондар деп аталады. mRNA кодон тізбегі пептидтік тізбектегі аминқышқылдарының ретін кодтайды. мРНҚ кодондары белгілі бір аминқышқылдарына сәйкес келеді (1-кесте).

Кесте 1. мРНҚ генетикалық коды (терминатор кодондарының асты сызылған). Екінші нуклеотид

Сағат		C		БІРАҚ		Г

24-сурет. мРНҚ синтезінің схемасы

мРНҚ транскрипциясының үлгісі оның 3 ұшы бар ферментке қараған кодогендік ДНҚ тізбегі болып табылады.

Күріш. 25. РНҚ-полимеразаның транскрипциядағы рөлі?

I – ДНҚ молекуласында промоторлық аймақты анықтау және ДНҚ спиралының ағытуы; II – алғашқы екі рибонуклеозид-грифосфатты байланыстыру арқылы РНҚ тізбегінің синтезін бастау; III – рибонуклеозид-грифосфаттарды қосу арқылы РНҚ тізбегінің 5 «→ 3» бағытында ұзаруы; IV - синтезделген РНҚ-ның 5" ұшының босатылуы және ДНҚ қос спиралының қалпына келуі; V - терминатор аймағында РНҚ синтезінің аяқталуы, аяқталған РНҚ тізбегінен полимеразаның бөлінуі.

Тасымалдау РНҚ (тРНҚ). Хабар тарату. Тасымалдау РНҚ (тРНҚ) жасушаның тұқым қуалайтын ақпаратты пайдалану процесінде маңызды рөл атқарады. Пептидтік тізбектердің жиналатын орнына қажетті аминқышқылдарын жеткізе отырып, тРНҚ трансляциялық медиатор қызметін атқарады.

тРНҚ молекулалары белгілі бір ДНҚ тізбегінде синтезделген полинуклеотидтік тізбектер болып табылады. Олар салыстырмалы түрде аз нуклеотидтерден тұрады - 75-95. тРНҚ полинуклеотидтік тізбегінің әртүрлі бөліктерінде орналасқан негіздердің комплементарлы қосылуы нәтижесінде пішіні бойынша беде жапырағына ұқсайтын құрылымға ие болады (26-сурет).

26-сурет. ТРНҚ типтік молекуласының құрылымы

Ол әртүрлі функцияларды орындайтын төрт негізгі бөліктен тұрады. Акцепторлық «сабақты» тРНҚ-ның екі комплементарлы жалғанған терминал бөлігі құрайды. Бұл жеті негіз жұбы.Осы тармақтардың ортасы – антикодон – бес жұп нуклеотидтерден тұрады және оның ілмегі ортасында антикодон бар.Антикодон – тасымалданатын амин қышқылын кодтайтын мРНҚ кодонына комплементарлы үш нуклеотид. бұл тРНҚ-ны пептидтер синтезінің орнына.

Акцептор мен антикодон тармақтарының арасында екі бүйір тармақтары болады. Олардың ілмектерінде олар өзгертілген негіздер – дигидроуридин (D-цикл) және TψC триплеті бар, мұндағы y псевдоуриан (T^C-цикл). Аитикодон мен T^C тармақтары арасында 3-5-тен 13-21-ге дейінгі нуклеотидтерді қамтитын қосымша ілмек болады.

Жалпы алғанда, тРНҚ-ның әртүрлі типтері көбінесе 76 нуклеотидтен тұратын нуклеотидтер тізбегінің белгілі бір тұрақтылығымен сипатталады. Олардың санының өзгеруі негізінен қосымша контурдағы нуклеотидтер санының өзгеруіне байланысты. Әдетте тРНҚ құрылымын қолдайтын комплементарлы аймақтар сақталады. Нуклеотидтер тізбегі бойынша анықталатын тРНҚ-ның бірінші реттік құрылымы беде жапырағы тәрізді тРНҚ-ның екінші реттік құрылымын құрайды. Өз кезегінде, қосалқы құрылым екі перпендикуляр қос спиральдың пайда болуымен сипатталатын үш өлшемді үшінші құрылымды анықтайды (27-сурет). Олардың бірі акцептор және TψC тармақтары, екіншісі антикодон және D тармақтары арқылы түзіледі.

Қос спиральдың біреуінің соңында тасымалданатын амин қышқылы, екіншісінің соңында антикодон орналасқан. Бұл аймақтар бір-бірінен ең шалғай орналасқан. тРНҚ-ның үшінші реттік құрылымының тұрақтылығы оның әртүрлі бөліктерінде орналасқан, бірақ үшінші реттік құрылымында кеңістікте жақын орналасқан полинуклеотидтік тізбектің негіздері арасында қосымша сутектік байланыстардың пайда болуына байланысты сақталады.

ТРНҚ-ның әртүрлі типтері кейбір өзгерістерімен бірдей үшінші реттік құрылымға ие.

27-сурет. тРНҚ-ның кеңістіктік ұйымдастырылуы:

I – оның бірінші реттік құрылымымен (тізбектегі нуклеотидтер тізбегі) анықталатын «беде жапырағы» түріндегі тРНҚ-ның қайталама құрылымы;

II – тРНҚ-ның үшінші реттік құрылымының екі өлшемді проекциясы;

III – тРНҚ молекуласының кеңістіктегі орналасуы

тРНҚ ерекшеліктерінің бірі - полинуклеотидтік тізбекке қалыпты негізді қосқаннан кейін химиялық модификация нәтижесінде пайда болатын әдеттен тыс негіздердің болуы. Бұл өзгертілген негіздер олардың құрылымының жалпы жоспарындағы тРНҚ-ның үлкен құрылымдық әртүрлілігін анықтайды. Кодонмен әрекеттесу ерекшелігіне әсер ететін антикодонды құрайтын негіздердің модификациялары үлкен қызығушылық тудырады. Мысалы, атиптік негіз инозин, кейде тРНҚ антикодонының 1-ші орнында, мРНҚ кодонының үш түрлі үшінші негіздерімен комплементарлы түрде қосылуға қабілетті - U, C және A (3.28-сурет). Генетикалық кодтың ерекшеліктерінің бірі оның азғындауы (3.4.1.2 бөлімін қараңыз) болғандықтан, көптеген аминқышқылдары, әдетте, үшінші негізі бойынша ерекшеленетін бірнеше кодондармен кодталады. Модификацияланған антикодондық негіздің спецификалық емес байланысуына байланысты бір тРНҚ бірнеше синонимдік кодондарды таниды.

28-сурет. Инозиннің үш түрлі азотты негіздермен сутектік байланысы Сутегі байланыстары нүктелермен белгіленеді.

Бір кодонмен байланысуға қабілетті тРНҚ-ның бірнеше түрлерінің болуы да анықталды. Нәтижесінде жасушалардың цитоплазмасында 61 емес (кодондар саны бойынша), 40-қа жуық әртүрлі тРНҚ молекулалары кездеседі. Бұл сома 20 түрлі аминқышқылдарын ақуыз жиналатын жерге тасымалдауға жеткілікті.

мРНҚ-дағы белгілі бір кодонды дәл тану қызметімен қатар тРНҚ молекуласы пептидтік тізбектің синтездеу орнына осы кодонмен шифрланған қатаң анықталған амин қышқылын жеткізеді. тРНҚ-ның «оның» амин қышқылымен спецификалық байланысы екі сатыда жүріп, аминоацил-тРНҚ деп аталатын қосылыстың түзілуіне әкеледі (29-сурет).

29-сурет. Амин қышқылының сәйкес тРНҚ-ға қосылуы:

I – 1-ші кезең, пирофосфаттың бөлінуімен аминқышқылдары мен АТФ әрекеттесуі;

II – 2-ші кезең, РНҚ-ның 3" ұшына адипацияланған амин қышқылының қосылуы

Бірінші кезеңде амин қышқылы оның карбоксил тобымен АТФ-мен әрекеттесу арқылы белсендіріледі. Нәтижесінде адипиляцияланған амин қышқылы түзіледі.

Екінші кезеңде бұл қосылыс сәйкес тРНҚ-ның 3 «соңында орналасқан ОН тобымен әрекеттеседі, ал амин қышқылы оған өзінің карбоксил тобын қосып, АМФ бөледі. Осылайша, бұл процесс кезінде алынған энергияның жұмсалуымен жүреді. АТФ-ның АМФ-ге гидролизі.

Сәйкес антикодонды тасымалдайтын амин қышқылы мен тРНҚ қосылысының ерекшелігі аминоацил-тРНҚ синтетаза ферментінің қасиеттерінің арқасында қол жеткізіледі. Цитоплазмада бір жағынан олардың амин қышқылын, екінші жағынан сәйкес тРНҚ антикодонын кеңістіктік тануға қабілетті осындай ферменттердің тұтас жиынтығы бар (3.30-сурет). ДНҚ молекулаларында «жазылған» және мРНҚ-да «қайта жазылған» тұқым қуалайтын ақпарат, молекулалық беттерді спецификалық танудың екі процесінің арқасында трансляция кезінде дешифрланады. Біріншіден, аминоацил-тРНҚ синтетаза ферменті тРНҚ-ның өзі тасымалдайтын амин қышқылымен байланысын қамтамасыз етеді. Содан кейін аминоацил-тРНҚ антикодон-кодон әрекеттесу арқылы мРНҚ-мен комплементарлы түрде жұптасады. тРНҚ жүйесінің көмегімен мРНҚ нуклеотидтік тізбегінің тілі. пептидтің аминқышқылдарының тізбегі тіліне аударылады (30-сурет).

Рибосомалық РНҚ (рРНҚ). Белок синтезінің рибосомалық циклі. Ақпараттың нуклеотидтер тілінен амин қышқылдары тіліне ауысуын қамтамасыз ететін мРНҚ мен тРНҚ арасындағы өзара әрекеттесу процесі рибосомаларда жүзеге асады. Соңғылары рРНҚ-ның және әртүрлі белоктардың күрделі кешендері болып табылады, оларда біріншілері тірек түзеді. Рибосомалық РНҚ рибосомалардың құрылымдық құрамдас бөлігі ғана емес, сонымен қатар олардың белгілі бір мРНҚ нуклеотидтер тізбегімен байланысуын қамтамасыз етеді. Бұл пептидтік тізбекті қалыптастыру үшін бастау және оқу шеңберін орнатады. Сонымен қатар, олар рибосома мен тРНҚ арасындағы өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді. Рибосомаларды құрайтын көптеген белоктар рРНҚ-мен бірге құрылымдық және ферментативті рөл атқарады.

30-сурет. Генетикалық кодты трансляциялау схемасы: I – амин қышқылының (триптофанның) сәйкес тРНҚ-ға аминоацил-тРНҚ синтетаза ферментінің көмегімен қосылуы; II – антикодонның мРНҚ кодонымен байланысуына байланысты амин қышқылын тасымалдайтын тРНҚ-ның мРНҚ-ға қосылуы.

Про- және эукариоттардың рибосомалары құрылысы мен қызметі жағынан өте ұқсас. Олар екі қосалқы бөлшектерден тұрады: үлкен және кіші. Эукариоттарда кіші суббірлікті бір рРНҚ молекуласы және 33 түрлі ақуыз молекуласы құрайды. Үлкен суббірлік үш рРНҚ молекуласын және 40-қа жуық ақуызды біріктіреді. Прокариоттық рибосомалар мен митохондриялық және пластидтік рибосомалардың құрамдас бөліктері аз.

Рибосомаларда екі ойық болады. Олардың біреуі өсіп келе жатқан полипептидтік тізбекті, екіншісі - мРНҚ-ны ұстайды. Сонымен қатар, рибосомаларда екі тРНҚ-байланыстыру орны оқшауланған. Аминоацил-тРНҚ белгілі бір амин қышқылын тасымалдайтын аминоацил, А-сайтында орналасқан. Пептидилде, Р-секциясында әдетте пептидтік байланыстармен байланысқан аминқышқылдарының тізбегімен жүктелген тРНҚ орналасады. А- және Р-сайттарының түзілуі рибосоманың екі суббірлігімен қамтамасыз етіледі.

Әр сәтте рибосома ұзындығы шамамен 30 нуклеотидті құрайтын мРНҚ сегментін қорғайды. Бұл тек екі тРНҚ-ның екі көршілес мРНҚ кодондарымен әрекеттесуін қамтамасыз етеді (31-сурет).

Ақпаратты аминқышқылдарының «тіліне» аудару мРНҚ-дағы нұсқауларға сәйкес пептидтік тізбектің біртіндеп түзілуімен көрінеді. Бұл процесс тРНҚ көмегімен ақпаратты ашу ретін қамтамасыз ететін рибосомаларда жүреді. Трансляция кезінде үш фазаны ажыратуға болады: пептидтік тізбек синтезінің инициациясы, ұзаруы және аяқталуы.

31-сурет. тРНҚ молекулалары мен рибосоманың байланысу орындары:

I – жүктелмеген рибосома, II – жүктелген рибосома; ак – амин қышқылы

Инициация фазасы немесе пептидтік синтездің басталуы цитоплазмада белгілі бір мРНҚ орнында бұрын бөлінген екі рибосома қосалқы бөлшектерін біріктіруден және оған бірінші аминоацил-тРНҚ-ны бекітуден тұрады. Бұл сонымен қатар мРНҚ-дағы ақпаратты оқуға арналған жақтауды орнатады (Cурет 32).

Кез келген мРНҚ молекуласында оның 5 «соңына жақын жерде рибосоманың кіші суббірлігінің рРНҚ-ға комплементарлы және онымен арнайы танылатын учаске бар. Оның жанында аминді кодтайтын инициаторлық старт кодоны AUT орналасқан. қышқыл метионин.Рибосоманың кіші суббірлігі мРНҚ-ға AUT бастапқы кодоны Р-сайтына сәйкес келетін аймақта орналасатындай байланысады.Сонымен бірге метионинді тасымалдаушы инициатор тРНҚ ғана қабылдай алады. кіші суббірліктің аяқталмаған Р-бөліміне орналастырыңыз және бастапқы кодонға комплементарлы қосылыңыз. Сипатталған оқиғадан кейін рибосоманың үлкен және кіші суббірліктері біріктіріліп, оның пептидил және аминоацил сызбаларын құрайды (3.32-сурет).

32-сурет. Ақуыз синтезінің басталуы:

I – рибосоманың шағын субчапщиясының мРНҚ-мен байланысы, аяқталмаған Р-бөлімінде орналасқан метионинді тасымалдайтын тРНҚ-ның старттық кодонына қосылуы; II - рибосоманың үлкен және кіші қосалқы бөлшектерінің Р - және А- учаскелерінің түзілуімен байланысуы; келесі кезең онда орналасқан мРНҚ кодонына сәйкес аминоацил-тРНҚ-ның А-сайтында орналасуымен, элонгацияның басталуымен байланысты; ак – амин қышқылы

Инициация фазасының соңында Р-сайтында метионинмен байланысқан аминоацил-тРНҚ орналасады, ал рибосоманың А-сайты бастапқы кодонның жанында орналасады.

Трансляция инициациясының сипатталған процестері рибосоманың шағын суббірлігімен қозғалмалы байланысқан инициация факторлары - арнайы ақуыздармен катализденеді. Инициация фазасы аяқталғаннан кейін және рибосома-мРНҚ-бастаушы аминоацил-тРНҚ кешені түзілгеннен кейін бұл факторлар рибосомадан бөлінеді.

Элонгация фазасы немесе пептидтердің ұзаруы бірінші пептидтік байланыстың түзілуінен соңғы амин қышқылының қосылуына дейінгі барлық реакцияларды қамтиды. Бұл циклдік қайталанатын оқиға, онда А-сайтында орналасқан келесі кодон аминоацил-тРНҚ-ны спецификалық тану, антикодон мен кодон арасындағы комплементарлы әрекеттесу.

Оның антикодоны мРНҚ кодонымен байланысқанда тРНҚ-ның үш өлшемді ұйымдасу ерекшеліктеріне байланысты. ол арқылы тасымалданатын аминқышқылы А-сайтында, Р-сайтында орналасқан бұрын енгізілген амин қышқылына жақын жерде орналасқан. Рибосоманы құрайтын арнайы белоктармен катализденетін екі амин қышқылының арасында пептидтік байланыс түзіледі. Нәтижесінде алдыңғы аминқышқылы өзінің тРНҚ-мен байланысын жоғалтып, А орнында орналасқан аминоацил-тРНҚ-ға қосылады. Осы сәтте Р орнында орналасқан тРНҚ бөлініп, цитоплазмаға түседі (33-сурет). Пептидтік тізбегімен жүктелген тРНҚ-ның А учаскесінен Р учаскесіне қозғалысы рибосоманың бір кодонға сәйкес қадаммен мРНҚ бойымен алға жылжуымен бірге жүреді. Енді келесі кодон А сайтымен байланысқа түседі, онда ол өзінің амин қышқылын сол жерге орналастыратын сәйкес аминоацил-тРНҚ арқылы арнайы «танылады». Оқиғалардың бұл тізбегі рибосоманың А-сайты сәйкес тРНҚ жоқ соңғы кодонды алғанша қайталанады.

33-сурет. Белок синтезіндегі элонгация фазасы:

1-кезең – аминоацил-тРНҚ А-те орналасқан кодонға қосылады;

2-кезең – А- және Р- орындарында орналасқан амин қышқылдары арасында пептидтік байланыс түзіледі: Р орнында орналасқан тРНҚ оның амин қышқылынан бөлініп, рибосомадан шығады;

3-кезең – рибосома иРНҚ бойымен бір кодонға жылжиды, осылайша пептидтік тізбекпен жүктелген тРНҚ А-тен Р-сайтқа ауысады; бос А-сайтты сәйкес аминоацил-тРНҚ алуы мүмкін

34-сурет. Пептидтік тізбек синтезінің тоқтатылуы:

1-кезең – тоқтату кодонына босату факторын бекіту;

2-ші кезең – аяқталған пептидтің аяқталуы, босатылуы;

3-ші кезең – рибосоманың екі қосалқы бөлшектерге диссоциациялануы

Пептидтік тізбекті құрастыру температураға байланысты айтарлықтай жоғары жылдамдықпен жүзеге асырылады. Бактерияларда 37 °C температурада ол субдипептидке 1 секундта 12-17 аминқышқылдарының қосылуы ретінде көрінеді. Эукариоттық жасушаларда бұл көрсеткіш төменірек және 1 с ішінде екі аминқышқылының қосылуы ретінде көрінеді.

Терминация фазасы немесе полипептид синтезінің аяқталуы рибосоманың А-сайт аймағына енген кезде терминациялық кодондардың біреуінің (UAA, UAG немесе UGA) спецификалық рибосомалық ақуыздың тануымен байланысты. Бұл жағдайда пептидтік тізбектегі соңғы амин қышқылына су қосылады да, оның карбоксил ұшы тРНҚ-дан бөлінеді. Нәтижесінде аяқталған пептидтік тізбек рибосомамен байланысын жоғалтады, ол екі қосалқы бөлшектерге бөлінеді (34-сурет).

4.3.2 Ұйымдастыру және білдіру ерекшеліктері про- және эукариоттардағы генетикалық ақпарат

Тұқым қуалаушылық және өзгергіштік материалының химиялық ұйымдасуы бойынша эукариоттық және прокариоттық жасушалар бір-бірінен түбегейлі айырмашылығы жоқ. Олардың генетикалық материалы ДНҚ арқылы ұсынылған. Оларға ортақ генетикалық ақпаратты тіркеу принципі, сонымен қатар генетикалық код. Бірдей аминқышқылдары бірдей кодондармен про- және эукариоттарда шифрланады. Негізінде, ДНҚ-да сақталған тұқым қуалайтын ақпаратты пайдалану жасушалардың бұл түрлерінде дәл осылай жүзеге асырылады. Алдымен ол мРНҚ молекуласының нуклеотидтік тізбегіне транскрипцияланады, содан кейін тРНҚ қатысуымен рибосомалардағы пептидтің аминқышқылдық тізбегіне ауысады. Алайда эукариоттық жасушаларды прокариоттық жасушалардан ажырататын тұқым қуалайтын материалды ұйымдастырудың кейбір ерекшеліктері олардың генетикалық ақпаратын пайдалануда айырмашылықтарды тудырады.

Прокариоттық жасушаның тұқым қуалайтын материалы негізінен бір дөңгелек ДНҚ молекуласында болады. Ол тікелей жасуша цитоплазмасында орналасады, мұнда да ген экспрессиясына қажетті тРНҚ және ферменттер бар, олардың кейбіреулері рибосомаларда болады. Прокариот гендер белоктардың, тРНҚ немесе рРНҚ синтезі кезінде жүзеге асырылатын нуклеотидтер тізбегін кодтаудан тұрады.

Эукариоттардың тұқым қуалайтын материалы прокариоттарға қарағанда көлемі жағынан үлкен. Ол негізінен цитоплазмадан ядролық қабықпен бөлінген арнайы ядролық құрылымдарда – хромосомаларда орналасады. Клетка цитоплазмасында рибосомалардан, тРНҚ-дан, аминқышқылдары мен ферменттер жиынтығынан тұратын белок синтезіне қажетті аппарат орналасқан.

Эукариоттық жасушалардағы гендердің молекулалық ұйымында айтарлықтай айырмашылықтар бар. Олардың көпшілігінде экзондық кодтау тізбегі тРНҚ, рРНҚ немесе пептидтердің синтезінде пайдаланылмайтын интрондық аймақтармен үзіледі. Мұндай аймақтардың саны әртүрлі гендерде өзгереді. Тауықтың овалбумин генінде 7 интрон, ал сүтқоректілердің проколлаген генінде 50 болатыны анықталды. Бұл аймақтар біріншілік транскрипцияланған РНҚ-дан жойылады, сондықтан эукариоттық жасушада генетикалық ақпаратты пайдалану біршама басқаша жүреді. Тұқым қуалайтын материал мен ақуыз биосинтезіне арналған аппарат кеңістікте бөлінбеген прокариоттық жасушада транскрипция мен трансляция бір уақытта дерлік жүреді. Эукариоттық жасушада бұл екі кезең тек кеңістікте ядролық қабықпен бөлініп қоймайды, сонымен қатар олар уақыт бойынша мРНҚ-ның жетілу процестерімен бөлінеді, олардан ақпаратсыз тізбектерді жою қажет (35-сурет).

Күріш. 35. Эукариоттық жасушадағы генетикалық ақпаратты экспрессиялау процесінің жалпылама схемасы

Генетикалық ақпараттың экспрессиясының әрбір кезеңіндегі осы айырмашылықтардан басқа, про- және эукариоттарда осы процестердің жүруінің кейбір ерекшеліктерін атап өтуге болады.

Про- және эукариоттардағы транскрипция. Транскрипция – бұл ДНҚ шаблонындағы РНҚ синтезі. Прокариоттарда РНҚ-ның барлық үш түрінің синтезі бір күрделі белок кешені – РНҚ полимеразасымен катализденеді.

Эукариоттық жасушалардың транскрипциялық аппаратына үш ядролық РНҚ-полимеразалар, сонымен қатар митохондриялық және пластидтік РНҚ-полимеразалар кіреді. РНҚ полимераза I жасушалардың ядроларында кездеседі және рРНҚ гендерінің транскрипциясына жауап береді. РНҚ полимераза II ядро ​​шырынында орналасады және мРНҚ прекурсорының синтезіне жауап береді. РНҚ-полимераза III – ядро ​​шырынында кездесетін шағын фракция және шағын рРНҚ және тРНҚ синтезіне қатысады. Бұл ферменттердің әрқайсысында екі үлкен және 10-ға дейін кіші суббірліктер бар. Митохондриялар мен пластидтердің РНҚ полимеразалары ядролық полимеразалардан ерекшеленеді.

РНҚ-полимераза ферменттік кешені транскрипцияның бастапқы нүктесінен белгілі бір қашықтықта орналасқан белгілі бір нуклеотидтер тізбегін (көбінесе біреуден көп) арнайы таниды - промотор. Бастапқы нүкте - РНҚ транскриптіндегі ферментке енетін бірінші нуклеотидке сәйкес келетін ДНҚ нуклеотиді.

Прокариоттарда, әдетте, транскрипция курсына қарсы бастапқы нүктеден алыс емес жерде алты нуклеотидтер тізбегі орналасады - TATAAT, Прибинов блогы деп аталады. Бұл 1-ші, 2-ші және 6-шы негіздердің ең консервативтілері ең жиі кездесетін негіздерден тұратын орташа тізбек. Негізінен басқа тізбектің комплементарлы негіздерімен қосарланған сутектік байланыстармен қосылған негіздердің осы тізбегінде болуы, ДНҚ қос спиралының жергілікті балқуын және РНҚ-полимеразамен жанасу кезінде оның екі бір тізбекті аймағының түзілуін жеңілдететіні анық. Прибнов блогы - 11-ден - 5-ке дейін немесе - 14-тен - 8-ге дейінгі позицияда орналасқан, яғни. транскрипцияның бастапқы нүктесіне дейін бірнеше нуклеотидтер (36-сурет). Бұл тізбекті анықтаған кезде РНҚ полимераза онымен қатты байланысып, РНҚ синтезін бастайды. РНҚ-полимераза мен ДНҚ арасындағы байланыс орнатуда бірдей маңызды рөл басқа нуклеотидтер тізбегіне жатады, оның орталығы - 35. Оны тану аймағы - TTGACA деп атайды. Көрсетілген екі аймақтың арасындағы қашықтық айтарлықтай тұрақты және 16-дан 19 негізгі жұпқа (bp) дейін ауытқиды.

Эукариоттық гендердің промоторлары сонымен қатар -25 bp және -75 bp орталықтары бар кем дегенде екі арнайы нуклеотидтер тізбегін қамтиды.

Көптеген эукариоттық гендердегі транскрипция курсына қарсы бастапқы нүктеден 19-27 нуклеотидтер қашықтықта TAT A T A A T (TATA блогы немесе Хогнесс блогы) орташа статистикалық реттілік табылды, онда прокариоттардағы Прибноу блогындағы сияқты, негіздер басым болып, әлсіз байланыстар түзеді. Көптеген эукариоттық промоторларда кездесетін және GG C T CAATCT-тен тұратын екінші реттілік CAAT блогы деп аталады. Ол -70 және -80 нуклеотидтер арасындағы позицияны алады және сонымен қатар полимеразамен танылған аймақ болып табылады. Кейбір гендерде көп компонентті промоторлар табылған.

Осылайша, герпес вирусының жеке гендерінде транскрипцияны тиімді бастау үшін үш ДНҚ тізбегі қажет, олар -19 және -27, -47 және -61, сондай-ақ -80 және -105 нуклеотидтер арасында орналасқан.

36-сурет. ДНҚ-ның жоғарғы тізбегінде орналасқан РНҚ-полимеразаның байланыс нүктелері (промотор)

Промотор аймақтарының ерекшеліктері транскрипцияны бастау үшін промотордың белгілі бір аймақтарындағы негіздердің комбинациясы ғана маңызды емес, сонымен қатар РНҚ-полимераза ферментінің кешені байланысатын осы аймақтардың ДНҚ молекуласындағы салыстырмалы орнының маңызды екенін көрсетеді.

РНҚ полимеразасы мен промотор орны арасында байланыс орнағаннан кейін РНҚ молекуласының жиналуы басталады, ол көбінесе пурин негізін (әдетте аденин) тасымалдайтын және құрамында үш 5'-фосфат қалдығы бар бірінші нуклеотидті қамтиды.

Әрі қарай РНҚ-полимераза ДНҚ молекуласы бойымен қозғалған кезде РНҚ тізбегінің біртіндеп ұзаруы жүреді, ол фермент терминатор аймағымен кездескенше жалғасады. Терминатор - бұл РНҚ тізбегінің одан әрі өсуі тоқтайтын және ол ДНҚ шаблонынан босатылатын жер. РНҚ-полимераза да ДНҚ-дан бөлініп, оның қос тізбекті құрылымын қалпына келтіреді.

37-сурет. Қос симметриялы ДНҚ аймағы – палиндром:

I – палиндром, онда қарама-қарсы бағытта оқу кезінде бірдей реттілік бар;

II - палиндром, онда көлеңкеленген инверттелген қайталау симметрия осінен қашықтықта орналасқан.

Прокариот жасушаларында терминаторлар міндетті түрде палиндромдардан тұрады - екі бағытта бірдей оқылатын ДНҚ нуклеотидтерінің қос тізбекті тізбегі (37-сурет). Осындай тізбектен транскрипцияланған РНҚ аймағы палиндромды нуклеотидтердің комплементарлы жұптасуының арқасында қос жіпті шаш қыстырғыштарын түзуге қабілетті. Мүмкін, бұл РНҚ-полимеразамен танылған транскрипцияның аяқталу сигналы (3.38-сурет). Алынған шаш қыстырғыштары терминатордағы полимеразаны тоқтатады. Шаш қыстырғышынан кейін РНҚ молекуласы құрамында урацил (полиУ) бар нуклеотидтер тізбегін қамтиды, ол ДНҚ үлгісінен РНҚ-ны шығаруға қатысады. Шынында да, полиаденил (полиА) ДНҚ тізбегімен байланысқан polyU РНҚ тізбегі әлсіз өзара әрекеттесумен сипатталады. Бір қызығы, A-T жұптарына бай ДНҚ аймағы тек транскрипция инициациясының (Прибнов блогы) орнында ғана емес, сонымен қатар терминатор аймағында да кездеседі.

Бактериялық терминаторлар тиімділігі жағынан айтарлықтай ерекшеленеді. Олардың кейбіреулерін РНҚ-полимераза байқамайды және ол транскрипцияны терминатордан тыс жалғастырады. Терминатордың бактериалды гендердің транскрипциясы кезінде мұндай оқылуы спецификалық белоктар – антитерминация факторлары арқылы терминацияның алдын алу нәтижесінде байқалады. Антитерминацияның салдары бірнеше дәйекті орналасқан құрылымдық гендерден жазылған ақпаратты қамтитын полицистрондық мРНҚ синтезі болып табылады.

Эукариоттық гендердің терминаторлары проскариоттарға қарағанда аз дәрежеде зерттелген, бірақ оларда сонымен қатар үштік сутегі байланыстарымен байланысқан G-C жұптарына бай аймақтар бар, оларда A-T жұптары бар учаске орналасқан. Бұл жерде транскрипт ДНҚ-ның полиА үлгісінің аймағымен әлсіз әрекеттесетін polyU тізбегін қамтиды.

Мүмкін, G-C жұптарына бай терминатор аймағы РНҚ-полимеразаны тоқтатуда белгілі бір рөл атқарады, ал құрамында UUUU бар РНҚ аймағы ДНҚ шаблонынан транскрипттің бөлінуін қамтамасыз етеді.

Эукариоттарда прокариоттық РНҚ-да шаш қыстырғыштарына ұқсас құрылымдардың түзілуі табылған жоқ. Сондықтан, оларда транскрипцияның аяқталуы қалай болатыны белгісіз.

Барлық мРНҚ-да пептидтегі аминқышқылдарының тізбегін кодтайтын кодондар жиынтығын білдіретін кодтау аймақтары бар. Әдетте, бұл аймақтар AUG старттық кодонынан басталады, бірақ кейде бактерияларда GUT кодоны қолданылады. Кодтау тізбегінің соңында терминациялық кодоны орналасады. mRNA-дағы кодтау аймақтарынан басқа, қосымша тізбектер екі шетінде де орналасуы мүмкін. 5" ұшында бұл бастау кодонының алдында орналасқан жетекші аймақ. 3" соңында терминатор кодонынан кейінгі тіркеме бар.

38-сурет. Прокариоттарда транскрипцияның аяқталуы кезінде РНҚ аймағының шаш қыстырғышының түзілуі

Палиндромды тасымалдайтын РНҚ аймағы қосымша жұптық құрылымды құрайды - шаш қыстырғышы (төңкерілген қайталаулар көлеңкеленген)

Прокариоттардың полицистрондық мРНҚ-да кодтау аймақтары арасында өлшемдері әр түрлі болатын интерцистрондық аймақтар болады (3.39-сурет).

39-сурет. Прокариоттардың полицистрондық хабаршы РНҚ:

1 - кодталмаған аймақтар, 2 - интерцистрондық аймақтар, 3 - кодтау аймақтары, 4 - терминалдық кодондар

Прокариоттық гендер толығымен ақпаратты кодтауға қатысатын нуклеотидтер тізбегінен тұратындықтан, олардың синтезінен кейін бірден транскрипцияланған РНҚ трансляцияға шаблон ретінде қызмет ете алады. Ерекше жағдайларда ғана олардың алдын ала пісіп-жетілуі - өңдеу қажет.

Прокариоттық гендерден айырмашылығы, эукариот жасушаларының гендерінің көпшілігі үзіліссіз, өйткені олардың құрамында ақпаратты кодтауға қатыспайтын интрондар – ақпараттық емес нуклеотидтер тізбегі болады. Осыған байланысты РНҚ-полимераза II арқылы синтезделген біріншілік транскрипттер трансляцияға қажеттіден үлкенірек және тұрақтылығы төмен. Олар бірігіп гетерогенді ядролық РНҚ (тРНҚ) деп аталатынды құрайды, ол ядродан шығып, цитоплазмада белсенді қызмет ете бастағанға дейін өңдеуден өтіп, жетілген мРНҚ-ға айналады.

эукариоттық мРНҚ өңдеу. мРНҚ-ның пісіп жетілуі немесе өңделуі бастапқы транскрипттің модификациясын және одан кодталмаған интрон аймақтарын алып тастауды, содан кейін кодтау тізбегі - экзондарды қосуды (сплайсинг) қамтиды. Эукариоттық мРНҚ-ның біріншілік транскриптінің модификациясы оның құрамында пурин негіздерінің бірі (аденин немесе гуанин) бар 5 "ұшы синтезделгеннен кейін көп ұзамай басталады. Осы ұшында мРНҚ-ның 5" ұшын бекіну арқылы блоктайтын қалпақ түзіледі. құрамында гуанин бар трифосфонуклеозид транскриптінің бірінші нуклеотиді, 5 «-5» байланысы.

Gfff + fffAfN… → GfffAfN. + ff + f Нәтижесінде GfffAfFM... тізбегі түзіледі, онда туанин қалдығы басқа мРНҚ нуклеотидтеріне қатысты кері бағытта болады. мРНҚ-ның 5 "соңының модификациясы сонымен қатар қосылған гуаниннің және біріншілік транскрипттің алғашқы екі немесе үш негізінің метилденуін қамтиды (3.40-сурет). mRNA-ның 5" ұштарында түзілген қалпақшалар мРНҚ молекулаларының танылуын қамтамасыз етеді. цитоплазмадағы рибосомалардың ұсақ суббөлшектері. Кэштеу бастапқы транскрипттің синтезі аяқталғанға дейін де жүзеге асырылады.

Күріш. 40. Өңдеу кезінде жетілген эукариоттық мРНҚ түзілуі?

1 - кодталмаған тізбектер, 2 - экзондар, 3 - интрондар, 4 - терминатор кодон

Транскрипция аяқталғаннан кейін біріншілік транскрипттің 3 "соңындағы нуклеотидтердің бір бөлігі жойылады және оған 100-200 аденил қышқылының (полиА) қалдықтарынан (3.40-сурет) тұратын тізбегі бекітіледі. Бұл деп саналады. реттілік ядродан піскен мРНҚ-ны одан әрі өңдеуге және тасымалдауға ықпал етеді. мРНҚ цитоплазмаға шығарылғаннан кейін оның полиА тізбегі 3' ұшында нуклеотидтерді ыдырататын ферменттердің әсерінен біртіндеп қысқарады. Осылайша, полиА тізбегінің ұзындығы мРНҚ-ның цитоплазмада тұру уақытын жанама түрде бағалай алады. Өңдеу кезінде полиА тізбегін қосу мРНҚ тұрақтылығын арттыруы мүмкін. Алайда мРНҚ-ның шамамен үштен бірінде полиА сайты мүлде жоқ. Оларға, мысалы, гистонды мРНҚ жатады.

5' ұшында қақпақтың және 3' ұшында полиА тізбегінің түзілуі тек РНҚ полимераза II арқылы синтезделген РНҚ өңдеуге тән. Жоғары эукариоттардың мРНҚ-да қақпақтардың түзілуі кезінде метилденуден басқа, ішкі нуклеотидтердің аз бөлігінің метилденуі мРНҚ-ның мың негізіне шамамен бір жиілікте жүреді.

Эукариоттық мРНҚ модификациясымен қатар өңдеу көлемі 100-ден 10 000 немесе одан да көп нуклеотидтерге дейін өзгеретін берілген белок үшін ақпараттық емес интрондық аймақтарды бастапқы транскрипттерден алып тастауды қамтиды. Интрондар барлық hnRNA-ның шамамен 80% құрайды. Экзоникалық аймақтардың қосылуынан кейін интрондардың жойылуы сплайсинг деп аталады (40-сурет).

Сплайсинг - бұл бастапқы транскрипттен нақты анықталған интрондық аймақтарды жоюды қамтамасыз ететін механизм. Бұл процестің бұзылуы аударма кезінде оқу кадрының ығысуына және қалыпты пептидті синтездеу мүмкін еместігіне әкелуі мүмкін. Интрондарды кесу заңдылығы олардың ұштарында сплайсинг үшін сигнал ретінде қызмет ететін арнайы нуклеотидтер тізбегінің болуымен қамтамасыз етіледі.

Бұл процестің дәлдігін қамтамасыз ету үшін қазір бірнеше ықтимал сплайсинг механизмдері сипатталған. Мүмкін оған интрондардың терминалдық бөлімдерін арнайы танитын және экзон-интрон шекарасындағы фосфодиэфирлік байланыстың үзілуін, содан кейін екі экзон арасындағы байланыстың түзілуін катализдейтін кейбір ферменттердің әрекеті арқылы қол жеткізілген болуы мүмкін.

Ақуыздармен (snRNPs) кешен құрайтын арнайы шағын, ядролық РНҚ (snRNAs) сплайсингіне белсенді қатысу анықталды. Әлбетте, snRNA-лар өздерінің нуклеотидтер тізбегімен тұйық контурларды құрайтын интрондардың терминалдық аймақтарымен өзара әрекеттеседі. РНҚ-ның интрон ілмегі аузында ыдырауы ақпаратсыз тізбектің жойылуына және іргелес экзон ұштарының қосылуына (сплайсингіне) әкеледі.

РНҚ транскриптінің сплайсинг үшін автокаталитикалық қабілеті де талқыланады. Сипатталған сплайсинг әдістері бұл процестің әмбебап механизмінің жоқтығын көрсетеді, алайда барлық жағдайларда интрондарды дәл жоюға жасушаға қажетті ақуыздың синтезін қамтамасыз ететін белгілі бір мРНҚ түзілуі арқылы қол жеткізіледі.

Қазіргі уақытта бір бастапқы транскрипттен әртүрлі нуклеотидтер тізбегін жоюға және әртүрлі жетілген мРНҚ түзуге болатын альтернативті (өзара эксклюзивті) сплайсинг мүмкіндігі дәлелденді. Нәтижесінде ДНҚ нуклеотидтерінің бірдей тізбегі әртүрлі пептидтердің синтезі үшін ақпарат ретінде қызмет ете алады. Баламалы сплайсинг сүтқоректілердің иммуноглобулиндік гендік жүйесіне өте тән, мұнда ол антиденелердің әртүрлі типтерін синтездеу үшін бір транскрипт негізінде мРНҚ түзілуіне мүмкіндік береді.

Өңдеу кезінде РНҚ транскриптімен болатын трансформацияларға байланысты жетілген эукариоттық мРНҚ прокариоттық мРНҚ-ға қарағанда тұрақтырақ.

Өңдеу аяқталғаннан кейін жетілген мРНҚ цитоплазмаға кірер алдында таңдалады, мұнда hnRNA-ның 5% ғана енеді. Қалғандары ядродан шықпай бөлінеді.

Сонымен, эукариоттық гендердің біріншілік транскрипттерінің трансформациялары, олардың экзонитрондық ұйымдасуына және мРНҚ-ның ядродан цитоплазмаға өту қажеттілігіне байланысты эукариоттық жасушада генетикалық ақпараттың жүзеге асу ерекшеліктерін анықтайды.

Про- және эукариоттардағы аудармасы. Прокариот жасушаларында трансляция процесі мРНҚ синтезімен байланысты: олар бір мезгілде дерлік жүреді. Көбінесе бұл тез ыдырайтын бактериялық мРНҚ-ның нәзіктігіне байланысты. Бактериялардағы транскрипция мен трансляция арасындағы байланыс осы процестердің жылдамдығының сәйкестігінде көрінеді. 37°C температурада транскрипция 2500 нуклеотид/мин (14 кодон/с) жылдамдықпен жүреді, ал трансляция 15 аминқышқыл/с жылдамдықпен жүреді.

Прокариоттарда трансляция мРНҚ-ның 5 "соңы түзілгеннен кейін көп ұзамай, оның синтезі аяқталмай тұрып басталады. Нәтижесінде РНҚ полимеразадан кейін рибосомалар мРНҚ бойымен қозғалады, пептидтік тізбектерді жинайды (41-сурет). Іске қосылғаннан кейін біраз уақыттан кейін. транскрипцияның (шамамен 1 мин) және шаблонның 3'-ұшының трансляциясы аяқталғанға дейін оның 5'-ұшының ыдырауы басталады.Әртүрлі мРНҚ-лардың өмір сүру ұзақтығы бірдей емес болғандықтан, олардың мөлшері әртүрлі шаблондарда синтезделген ақуыз әртүрлі.

Прокариоттарда трансляцияның ерекшеліктерінің бірі пептидтік тізбекке модификацияланған метионин – формилметиониннің бірінші амин қышқылы ретінде қосылуы болып табылады, одан барлық жаңадан синтезделген пептидтер басталады. Бастапқы кодон рөлін қалыпты жағдайда валинді кодтайтын GUG коды орындаған жағдайда да, формилметионин пептидтің бірінші позициясында пайда болады. AUG немесе GUG бастау кодоны көшіру инициациясында рибосомамен қорғалған жетекші орыннан кейін жүреді.

Рибосоманың мРНҚ-мен байланысы рРНҚ-ның бірінің нуклеотидтерінің мРНҚ көшбасшысының нуклеотидтік тізбегімен комплементарлы әрекеттесуіне байланысты.

Бұл тізбек (Shine-Dalgarno) AUG кодонына дейін 4-7 негізге дейін орналасқан және прокариоттардың жетекші аймақтарында барлық жерде кездеседі.

мРНҚ-ның 5'-соңы рибосоманың кіші суббірлігіне қосылғанда, бастапқы кодон әдетте рибосомамен қорғалған мРНҚ фрагментінің ортасында, оның Р-сайтына сәйкес аймақта дерлік пайда болады.

Эукариоттарда трансляция цитоплазмада жүреді, жетілген мРНҚ ядродан енеді. мРНҚ-ның көшірілген соңы рибосоманың кіші суббірлігімен танылады, содан кейін 100-ге дейін нуклеотидтерден тұратын жетекші тізбек рРНҚ-мен әрекеттеседі. Бұл жағдайда AUG старттық кодоны рибосоманың аяқталмаған Р учаскесінде болады. Метионинді тасымалдайтын аминоацил-тРНҚ старт кодонына қосылғаннан кейін рибосоманың екі суббірлігі қайта біріктіріліп, оның А- және Р-сайттары түзіледі. Монокистронды мРНҚ-да жүзеге асырылатын эукариоттық жасушадағы ақуыз синтезі рибосоманың бүкіл мРНҚ арқылы өткеннен кейін, пептидтік байланыстың түзілуін тоқтататын терминатор кодонын танығанға дейін аяқталады.

Белоктардың трансляциядан кейінгі трансформациялары. Трансляция кезінде синтезделген пептидтік тізбектер өздерінің біріншілік құрылымы негізінде екіншілік және үшіншілік, сонымен қатар көптеген пептидтік тізбектерден құралған төрттік ұйымға ие болады. Белоктардың атқаратын қызметтеріне байланысты олардың аминқышқылдарының реттілігі функционалдық белсенді белок молекулаларын құра отырып, әр түрлі өзгерістерге ұшырауы мүмкін.

Көптеген мембраналық ақуыздар N-терминуста жетекші тізбегі бар препротеиндер ретінде синтезделеді, бұл оны мембрананы тануды қамтамасыз етеді. Бұл реттілік ақуыздың жетілуі және мембранаға қосылуы кезінде үзіледі. Секреторлық белоктардың N-терминуста олардың мембрана арқылы тасымалдануын қамтамасыз ететін жетекші тізбегі де болады. Кейбір белоктар трансляциядан кейін бірден белсенді ақуыз прекурсорларының тұрақтылығын анықтайтын қосымша аминқышқылдарының тізбегін алып жүреді. Протеиннің жетілу кезеңінде олар белсенді емес протеиннің белсенді протеинге ауысуына мүмкіндік беретін жойылады. Мысалы, инсулин бастапқыда препроинсулин ретінде синтезделеді. Секреция кезінде алдын-ала тізбек үзіледі, содан кейін проинсулин модификацияға ұшырайды, одан тізбектің бір бөлігі жойылады және ол жетілген инсулинге айналады.

41-сурет. Прокариоттардағы мРНҚ-ның транскрипциясы, трансляциясы және ыдырауы:

I – РНҚ полимераза ДНҚ-мен байланысып, 5 «→ 3» бағытында мРНҚ синтездей бастайды;

II - РНҚ-полимераза ілгерілеген сайын рибосомалар мРНҚ-ның 5' ұшына бекітіліп, белок синтезін бастайды;

III - рибосомалар тобы РНҚ-полимеразадан кейін жүреді, оның ыдырауы мРНҚ-ның 5' ұшынан басталады;

IV – деградация процесі транскрипция мен трансляцияға қарағанда баяу жүреді;

V – транскрипция аяқталғаннан кейін мРНҚ ДНҚ-дан бөлініп шығады, оның 5 «соңында трансляция және деградация жалғасады.

Пост-трансляциялық трансформациялар барысында үшінші және төрттік ұйымды құра отырып, белоктар белгілі бір жасушалық құрылымдарға еніп, ферментативті және басқа қызметтерді атқара отырып, белсенді қызмет ету қабілетіне ие болады.

Про- және эукариоттық жасушаларда генетикалық ақпаратты жүзеге асырудың қарастырылған ерекшеліктері бұл процестердің түбегейлі ұқсастығын көрсетеді. Демек, биологиялық кодтың көмегімен шифрланған ақпаратты транскрипциялаумен және кейіннен аударумен байланысты ген экспрессиясының механизмі жасушалық ұйымның осы екі түрі қалыптасқанға дейін тұтастай дамыған. Про- және эукариоттардың геномдарының дивергентті эволюциясы олардың тұқым қуалайтын материалдарын ұйымдастырудағы айырмашылықтарға әкелді, бұл оның экспрессия механизмдеріне әсер етпей алмады.

Тұқым қуалаушылық және өзгергіштік материалының ұйымдастырылуы мен қызметі туралы білімімізді үнемі жетілдіріп отыру осы материалдың функционалды бірлігі ретінде ген туралы идеялардың эволюциясын анықтайды.

Блок 2. ДНҚ. 5,6,7 сұрақтар.

ДНҚ құрылымы. Дж.Уотсон мен Ф.Криктің үлгісі. Тұқым қуалайтын материалдың қасиеттері мен қызметі.

Генетикалық материалдың өздігінен көбеюі. ДНҚ репликациясы.

Про- және эукариоттардағы тұқым қуалайтын материалды ұйымдастыру. Эукариоттық геномдағы нуклеотидтер тізбегінің жіктелуі (бірегей, орташа қайталанатын, қайталанатындығы жоғары).

1868 жылы швейцар химигі Ф.Мишер іріңнен, кейін лосось сперматозоидтарынан бөлініп алынған жасуша ядроларынан «нуклеин» (латын тілінен nucleus — ядро) деп атаған затты тапты. Кейіннен Р.Альтман (1889) Ф.Мишер бөліп алған «нуклеин» екі фракциядан – белок пен нуклеин қышқылдарынан тұратынын хабарлады. Нуклеин қышқылдары, белоктар сияқты, біріншілік құрылымы (бұл олардың нуклеотидтер тізбегі) және үш өлшемді құрылымы бар. ДНҚ құрылымына қызығушылық 20 ғасырдың басында күшейді. деген болжам бар еді ДНҚ, мүмкін генетикалық материал. 1952 жылы Чаргафф толықтыру ережесін ашты, ол кейінірек жасаушының атымен аталды. Бұл мынада:

1. Аденин мөлшері тимин мөлшеріне, ал гуанин цитозинге тең: A=T, G=C.
2. Пуриндердің саны пиримидиндер санына тең: A + G = T + C.
3. 6-позицияда амин топтары бар негіздер саны 6-позицияда кето топтары бар негіздер санына тең: A+C=G+T.

Кейіннен Уилкинсон ДНҚ рентгенін алды. Біраз уақыттан кейін Уотсон мен Крик 1953 жылы ДНҚ-ның жеке үлгісін ұсынды, ол үшін Уилкинсонмен бірге 1962 жылы Нобель сыйлығы берілді.

ДНҚ құрылымының негізгі принциптері.

1. Азотты негізден, дезоксирибозадан және фосфор қышқылының қалдығынан тұратын ДНҚ нуклеотидті мономері. Азотты негіздер болуы мүмкін пурин A, G немесе пиримидинС, Т.

2. Пентозаның молекуласындағы С1 көміртегі атомына азотты негіздер, ал С5-ке фосфат қосылады. Үшінші атомның әрқашан тобы болады ОЛ.

3. Бір нуклеотидтің фосфаты екіншісінің дезоксирибоза гидроксилімен әрекеттескенде, фосфодиэфирлік байланыс.

4. Нуклеотидтердің қосылуы пентозаның ОН арқылы С3 жағдайына және кейінгі нуклеотидтің фосфаты арқылы жүреді.

5. ДНҚ – қос полинуклеотидті тізбек. Екі полинуклеотидтік тізбек сутектік байланыс арқылы байланысқан толықтыру принципі A-T және G-C. А мен Т арасында екі сутектік байланыс, Т мен С арасында үш сутектік байланыс бар.

6. Антипараллелизм.Бір тізбектің 5 ұшы екінші тізбектің 3 ұшымен жалғасады.

7. ДНҚ спиральының диаметрі 2 нм, ал қадамының ұзындығы 3,4 нм. Әр айналымда 10 негізгі жұп бар.

8. Бастапқы құрылым- полинуклеотидтік тізбек.

қосалқы құрылым- екі комплементарлы антипараллельді полинуклеотидтік тізбек.

Үшіншілік құрылым- үш өлшемді спираль.

9. ДНҚ репликациялану қабілетіне ие.

РЕПЛИКАЦИЯ.

1 - ДНҚ шаблон тізбектері; 2 – ДНҚ матрицалық тізбектерін бөлетін геликаз ферменті; 3 - ДНҚ тізбектерінің қайта қосылуын болдырмайтын DSB-белоктар; 4 - примаза; 5 - РНҚ праймері (РНҚ полимеразасымен синтезделген – примаза); 6 - ДНҚ-полимеразаны синтездейтін еншілес тізбектер; 7 - ДНҚ жетекші еншілес тізбегі; 8 - артта қалған ДНҚ тізбегінің Оказаки фрагменттерін байланыстыратын лигаза; 9 - Оказаки фрагменті (150-200 нуклеотидтер); 10 - топоизомераза

Жаңа ДНҚ молекуласының синтезі жартылай консервативті жолмен жүзеге асады. Бұл еншілес молекулада бір ата-ана және жаңадан синтезделген бір тізбек болады дегенді білдіреді. ДНҚ синтезі бір тізбекті шаблонда жүретіндіктен, оның алдында репликациялық шанышқы түзе отырып, екі жіптің міндетті түрде уақытша бөлінуі жүреді. Электрондық микроскоптың көмегімен репликация аймағы репликацияланбаған ДНҚ (шамамен 300 нуклеотидтен тұратын репликация көзі) ішіндегі көздің көрінісіне ие екендігі анықталды.

Репликон- ДНҚ фрагменті репликацияның басталу нүктесінен оның аяқталу нүктесіне дейін.

ДНҚ спиралін ашу үшін, арнайы ферменттер (белоктар).Репликацияға бірнеше ферменттер қатысады, олардың әрқайсысы өз қызметін атқарады.

ДНҚ спиральдары (спиральдар)негіздер арасындағы сутектік байланыстарды үзіңіз, жіптерді бөліңіз және репликациялық шанышқыны алға жылжытыңыз.

Тұрақсыздандыратын ақуыздаршынжырларды ұстаңыз.

ДНҚ – топоизомераза. Еске салайық, ДНҚ спираль болып табылады.Тиісінше, шанышқыны алға жылжыту үшін спираль тез босап шығуы керек. Бірақ бұл үлкен энергия шығынын қажет етеді. Шындығында, бұл әлі де болмайды. Бұған ДНҚ топоизомеразалары ықпал етеді. Олар тізбекке бір және екі жіпті үзілістерді енгізіп, тізбектерді бөлуге мүмкіндік береді, содан кейін бұл үзілістерді жояды. Бір ДНҚ тізбегінің арқасында екінші тізбектің айналасында айнала бастайды. Олар сонымен қатар дөңгелек ДНҚ репликациясы кезінде түзілген сақиналардың ажырауына қатысады.

көмегімен ДНҚ жіпшелерінің синтезі жүреді ДНҚ полимераза.Бірақ бұл ферменттің бір ерекшелігі бар. Ол бар тізбектің 3 ұшына нуклеотидтерді қосуға қабілетті. Мұндай алдын ала жасалған схема деп аталады тұқым,синтездейтін бастапқы.РНҚ праймері ДНҚ тізбегінің қалған бөлігінен ерекшеленеді, өйткені оның құрамында рибоза бар. Тұқым мөлшері кішкентай. Өз қызметін атқарған тұқым арнайы ферменттің көмегімен жойылады және бұл жағдайда пайда болған саңылау жойылады. ДНҚ полимераза(бұл жағдайда тұқымның орнына іргелес ДНҚ фрагментінің 3ОН ұшын пайдаланады).

ДНҚ репликациясы екі тізбектің синтезі бір уақытта жүреді деп болжайды. Бірақ іс жүзінде бәрі олай бола бермейді. Бұл тізбектерді есте сақтаңыз антипараллель болып табылады.Ал жаңа тізбектің синтезі тек бағытта болуы мүмкін 5-соңынан аяғына дейін 3. Сондықтан үздіксіз синтез тек бір тізбекте (жетекші) жүреді.Екіншісінде (артында) Оказаки фрагменттерінде кездеседі. Фрагменттердің әрқайсысының синтезі РНҚ праймерінің көмегімен жүзеге асырылады. Содан кейін праймерлер жойылады, бос орындар ДНҚ-полимеразамен толтырылады, ал фрагменттерді ферментпен байланыстырады. лигаза .

Про- және эукариоттардағы ДНҚ-ның құрылымдық және қызметтік ұйымдастырылуы

Кестелерді оқу, оларды жұмыс дәптеріне көшіру.

Нуклеин қышқылдары - мононуклеотидтерден тұратын, бір-бірімен 3",5" - фосфодиэфирлік байланыстар арқылы полимер тізбегінде байланысқан және белгілі бір жолмен жасушаларға оралған жоғары молекулалық заттар.

Нуклеин қышқылдары екі түрлі биополимерлер болып табылады: рибонуклеин қышқылы (РНҚ) және дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ). Әрбір биополимер көмірсулар қалдығы (рибоза, дезоксирибоза) және азотты негіздердің бірінен (урацил, тимин) ерекшеленетін нуклеотидтерден тұрады. Осыған сәйкес нуклеин қышқылдары өз атауын алды.

Дезоксирибонуклеин қышқылының құрылымы

Нуклеин қышқылдарының біріншілік, екіншілік және үшінші реттік құрылымдары болады.

ДНҚ-ның бастапқы құрылымы

ДНҚ-ның бастапқы құрылымы мононуклеотидтер 3", 5" фосфодиэфирлік байланыстармен байланысқан сызықты полинуклеотидтік тізбек болып табылады. Жасушадағы нуклеин қышқылы тізбегін құрастыру үшін бастапқы материал нуклеозид 5'-трифосфат болып табылады, ол фосфор қышқылының β және γ қалдықтарын жою нәтижесінде басқа нуклеозидтің 3'-көміртек атомын бекітуге қабілетті. . Осылайша, бір дезоксирибозаның 3" көміртегі атомы екінші дезоксирибозаның 5" көміртегі атомымен бір фосфор қышқылының қалдығы арқылы ковалентті байланысады және нуклеин қышқылының сызықты полинуклеотидтік тізбегін құрайды. Осыдан атауы: 3", 5"-фосфодиэфирлік байланыстар. Азотты негіздер бір тізбектің нуклеотидтерінің қосылуына қатыспайды (1. сурет).

Бір нуклеотидтің фосфор қышқылының қалдығы мен екіншісінің көмірсуы арасындағы мұндай байланыс полинуклеотид молекуласының пентозофосфатты діңгегінің түзілуіне әкеледі, оған бүйірден бірінен соң бірі азотты негіздер қосылады. Нуклеин қышқылы молекулаларының тізбегіндегі олардың реттілігі әртүрлі организмдердің жасушалары үшін қатаң түрде тән, яғни. белгілі бір сипатқа ие (Чаргафф ережесі).

Ұзындығы тізбекке кіретін нуклеотидтердің санына байланысты болатын сызықты ДНҚ тізбегінің екі ұшы бар: біреуі 3 «соңы» деп аталады және оның құрамында бос гидроксил бар, ал екіншісінде, 5» ұшында фосфор қышқылы бар. қалдық. Схема полярлы және 5"->3" және 3"->5" болуы мүмкін. Ерекшелік - дөңгелек ДНҚ.

ДНҚ-ның генетикалық «мәтіні» кодтық «сөздерден» – кодон деп аталатын нуклеотидтердің үштіктерінен тұрады. РНҚ-ның барлық түрлерінің бастапқы құрылымы туралы ақпаратты қамтитын ДНҚ сегменттері құрылымдық гендер деп аталады.

Полинуклеодиттік ДНҚ тізбегі үлкен мөлшерге жетеді, сондықтан олар жасушада белгілі бір түрде оралады.

ДНҚ құрамын зерттей отырып, Чаргафф (1949) жеке ДНҚ негіздерінің мазмұнына қатысты маңызды заңдылықтарды белгіледі. Олар ДНҚ-ның қайталама құрылымын ашуға көмектесті. Бұл үлгілер Чаргафф ережелері деп аталады. Чаргафф ережелері пурин нуклеотидтерінің қосындысы пиримидин нуклеотидтерінің қосындысына тең, яғни A + G / C + T \u003d 1 адениннің мазмұны тиминнің мазмұнына тең (A = T, немесе A / T = 1); гуаниннің мөлшері цитозиннің мазмұнына тең (G = C, немесе G/C = 1); 6-аминотоптардың саны ДНҚ құрамындағы негіздердің 6-кето топтарының санына тең: G + T = A + C; тек A + T және G + C қосындысы айнымалы.Егер A + T > G-C болса, онда бұл ДНҚ-ның AT-типі; егер G + C > A + T болса, онда бұл ДНҚ-ның GC түрі. Бұл ережелер ДНҚ құру кезінде пурин мен пиримидиндік негіздер үшін емес, әсіресе аденинмен тимин және гуанинмен цитозин үшін өте қатаң сәйкестікті (жұптастыру) сақтау керектігін айтады. Осы ережелерге сүйене отырып, басқа нәрселермен қатар, 1953 жылы Уотсон мен Крик қос спираль деп аталатын ДНҚ-ның қайталама құрылымының моделін ұсынды (сурет).

ДНҚ-ның екіншілік құрылымы

ДНҚ-ның екінші реттік құрылымы – қос спираль, оның моделін 1953 жылы Д.Уотсон мен Ф.Крик ұсынған.

ДНҚ моделін құрудың алғы шарттары

Бастапқы талдаулардың нәтижесінде кез келген шыққан ДНҚ-да барлық төрт нуклеотид бірдей молярлық мөлшерде болады деген идея болды. Алайда 1940 жылдары Э.Чаргафф және оның әріптестері әртүрлі организмдерден бөлініп алынған ДНҚ-ны талдау нәтижесінде олардың құрамында азотты негіздердің әртүрлі сандық қатынаста болатынын анық көрсетті. Чаргафф бір түрдегі организмдердің барлық жасушаларының ДНҚ-сы үшін бұл арақатынастар бірдей болғанымен, әртүрлі түрдегі ДНҚ белгілі бір нуклеотидтердің құрамында айтарлықтай ерекшеленуі мүмкін екенін анықтады. Бұл азотты негіздердің арақатынасындағы айырмашылықтар кейбір биологиялық кодпен байланысты болуы мүмкін деген болжам жасады. Әртүрлі ДНҚ үлгілеріндегі жеке пурин және пиримидин негіздерінің арақатынасы бірдей болмаса да, талдау нәтижелерін салыстыру кезінде белгілі бір заңдылық анықталды: барлық үлгілерде пуриндердің жалпы мөлшері пиримидиндердің жалпы санына тең болды ( A + G = T + C), аденин мөлшері тимин мөлшеріне (А = Т), ал гуаниннің мөлшері - цитозин мөлшеріне (G = C) тең болды. Сүтқоректілердің жасушаларынан бөлінген ДНҚ әдетте аденин мен тиминге бай және гуанин мен цитозинге салыстырмалы түрде кедей болды, ал бактериялардан алынған ДНҚ гуанин мен цитозинге бай және аденин мен тиминге салыстырмалы түрде кедей болды. Бұл деректер фактілік материалдың маңызды бөлігін құрады, оның негізінде кейінірек Уотсон-Крик ДНҚ құрылымының моделі құрастырылды.

ДНҚ-ның мүмкін болатын құрылымының тағы бір маңызды жанама көрсеткіші Л.Полингтің белок молекулаларының құрылымы туралы мәліметтері болды. Полинг ақуыз молекуласында аминқышқылдары тізбегінің бірнеше түрлі тұрақты конфигурацияларының болуы мүмкін екенін көрсетті. Пептидтік тізбектің жалпы конфигурацияларының бірі – α-спираль – дұрыс спиральдық құрылым. Мұндай құрылыммен тізбектің іргелес бұрылыстарында орналасқан аминқышқылдары арасында сутектік байланыстардың пайда болуы мүмкін. Полинг 1950 жылы полипептидтік тізбектің α-спиральдық конфигурациясын сипаттады және ДНҚ молекулаларының сутегі байланыстарымен бекітілген спиральдық құрылымы болуы мүмкін деген болжам жасады.

Дегенмен, ДНҚ молекуласының құрылымы туралы ең құнды ақпаратты рентгендік дифракциялық талдау нәтижелері берді. Рентген сәулелері ДНҚ кристалынан өтіп, дифракцияға ұшырайды, яғни белгілі бір бағытта ауытқиды. Сәулелердің ауытқу дәрежесі мен сипаты молекулалардың өздерінің құрылымына байланысты. Рентген сәулелерінің дифракциялық үлгісі (3-сурет) тәжірибелі көзге зерттелетін заттың молекулаларының құрылымына қатысты бірқатар жанама көрсеткіштерді береді. ДНҚ-ның рентгендік дифракция заңдылықтарын талдау азотты негіздер (жалпақ пішіні бар) пластиналар дестесі сияқты қабаттасады деген қорытындыға әкелді. Рентгендік үлгілер кристалдық ДНҚ құрылымындағы үш негізгі кезеңді анықтауға мүмкіндік берді: 0,34, 2 және 3,4 нм.

Уотсон-Крик ДНҚ моделі

Чаргаффтың аналитикалық деректерінен, Уилкинстің рентгендік сәулелерінен және молекуладағы атомдар арасындағы нақты қашықтық туралы, берілген атомның байланыстары арасындағы бұрыштар туралы және атомдардың өлшемдері туралы ақпарат беретін химиктер Уотсон мен Крик бастады. белгілі бір масштабта ДНҚ молекуласының жеке құрамдас бөліктерінің физикалық модельдерін құру және алынған жүйе әртүрлі эксперименттік деректерге сәйкес келетіндей етіп оларды бір-біріне «реттеу». [көрсету] .

ДНҚ тізбегіндегі көрші нуклеотидтер бір нуклеотидтің 5'-көміртекті дезоксирибоза атомын келесі нуклеотидтің дезоксирибозасының 3'-көміртекті атомымен байланыстыратын фосфодиэфирлі көпірлер арқылы жалғасатыны одан да бұрын белгілі болды. Уотсон мен Крик 0,34 нм период ДНҚ тізбегіндегі кезекті нуклеотидтер арасындағы қашықтыққа сәйкес келетініне күмәнданбады. Әрі қарай, 2 нм периоды тізбектің қалыңдығына сәйкес келеді деп болжауға болады. Ал 3,4 нм периоды қандай нақты құрылымға сәйкес келетінін түсіндіру үшін Уотсон мен Крик, сондай-ақ бұрын Полинг тізбектің спираль түрінде бұралғанын (немесе дәлірек айтқанда, спиральді құрайды, өйткені спираль бұл сөздің қатаң мағынасында бұрылыстар кеңістікте цилиндрлік бетті емес, конусты құраған кезде алынады). Сонда 3,4 нм периоды осы спиральдың кезекті бұрылыстары арасындағы қашықтыққа сәйкес келеді. Мұндай спираль өте тығыз немесе біршама созылған болуы мүмкін, яғни оның бұрылыстары тегіс немесе тік болуы мүмкін. 3,4 нм периоды дәйекті нуклеотидтер арасындағы қашықтықты (0,34 нм) дәл 10 есе көп болғандықтан, спиральдың әрбір толық айналымы 10 нуклеотидтен тұратыны анық. Осы деректерден Уотсон мен Крик диаметрі 2 нм, бұрылыстар арасындағы қашықтық 3,4 нм болатын спиральға бұралған полинуклеотидтік тізбектің тығыздығын есептей алды. Мұндай жіптің тығыздығы бұрыннан белгілі болған ДНҚ-ның нақты тығыздығының жартысы болатыны белгілі болды. Мен ДНҚ молекуласы екі тізбектен тұрады деп болжауға тура келді - бұл нуклеотидтердің қос спиралі.

Келесі міндет, әрине, қос спиралді құрайтын екі жіптің арасындағы кеңістіктік қатынасты түсіндіру болды. Уотсон мен Крик өздерінің физикалық моделінде бірнеше тізбекті орналастыруды сынап көріп, барлық қол жетімді деректер үшін ең жақсы сәйкестік екі полинуклеотидті спиралдың қарама-қарсы бағытта жүретінін анықтады; бұл жағдайда қант пен фосфат қалдықтарынан тұратын тізбектер қос спиралдың бетін құрайды, ал оның ішінде пуриндер мен пиримидиндер орналасады. Бір-біріне қарама-қарсы орналасқан, екі тізбекке жататын негіздер сутектік байланыс арқылы жұппен байланысқан; дәл осы сутектік байланыстар тізбектерді біріктіреді, осылайша молекуланың жалпы конфигурациясын бекітеді.

ДНҚ қос спиралын баспалдақтар көлденең қалатын бұрандалы арқан баспалдақтары ретінде қарастыруға болады. Содан кейін екі бойлық арқан қант пен фосфат қалдықтарының тізбегіне сәйкес келеді, ал көлденең жолақтар сутегі байланыстарымен қосылған азотты негіздердің жұптарына сәйкес болады.

Ықтимал модельдерді одан әрі зерттеу нәтижесінде Уотсон мен Крик әрбір «крест» бір пуриннен және бір пиримидиннен тұруы керек деген қорытындыға келді; 2 нм периодта (қос спиральдың диаметріне сәйкес) екі пуринге орын жеткіліксіз болады және екі пиримидин дұрыс сутектік байланыстарды құру үшін бір-біріне жақын бола алмайды. Егжей-тегжейлі модельді терең зерттеу дұрыс өлшемдегі комбинацияны құрайтын аденин мен цитозинді әлі де олардың арасында сутегі байланыстары пайда болатындай етіп орналастыру мүмкін емес екенін көрсетті. Осыған ұқсас есептер гуанин-тимин комбинациясын алып тастауға мәжбүр етті, ал аденин-тимин және гуанин-цитозин комбинациялары әбден қолайлы деп табылды. Сутектік байланыстардың табиғаты аденин тиминмен, гуанин цитозинмен жұптасады. Нақты негіздердің жұптасуының бұл тұжырымдамасы «Шаргафф ережесін» түсіндіруге мүмкіндік берді, оған сәйкес кез келген ДНҚ молекуласында аденин мөлшері әрқашан тиминнің мазмұнына, ал гуанин мөлшері әрқашан цитозин мөлшеріне тең болады. . Аденин мен тимин арасында екі, гуанин мен цитозин арасында үш сутектік байланыс түзіледі. Бір тізбектегі әрбір аденинге қарсы сутектік байланыстың түзілуіндегі осы ерекшелікке байланысты, екінші тізбекте тимин болады; дәл осылай әрбір гуанинге қарсы тек цитозинді қоюға болады. Осылайша, тізбектер бірін-бірі толықтырады, яғни бір тізбектегі нуклеотидтердің тізбегі олардың екінші тізбектегі реттілігін бірегей түрде анықтайды. Екі тізбек қарама-қарсы бағытта жүреді және олардың фосфаттық соңғы топтары қос спиралдың қарама-қарсы ұштарында болады.

Зерттеулерінің нәтижесінде 1953 жылы Уотсон мен Крик ДНҚ молекуласының құрылымының моделін ұсынды (3-сурет), ол қазіргі уақытқа дейін өзекті болып қала береді. Модельге сәйкес ДНҚ молекуласы екі комплементарлы полинуклеотидтік тізбектен тұрады. Әрбір ДНҚ тізбегі бірнеше ондаған мың нуклеотидтерден тұратын полинуклеотид болып табылады. Онда көрші нуклеотидтер күшті коваленттік байланыс арқылы фосфор қышқылының қалдығы мен дезоксирибозаның қосылуы есебінен тұрақты пентозофосфатты діңгек түзеді. Бір полинуклеотидтік тізбектің азотты негіздері екіншісінің азотты негіздеріне қарсы қатаң белгіленген тәртіпте орналасады. Полинуклеотидтік тізбектегі азотты негіздердің кезектесуі дұрыс емес.

ДНҚ тізбегіндегі азотты негіздердің орналасуы комплементарлы (грекше «комплемент» - қосу), яғни. аденинге (А) қарсы әрқашан тимин (Т), ал гуанинге (G) қарсы - тек цитозин (С). Бұл A және T, сондай-ақ G және C бір-біріне қатаң сәйкес келетіндігімен түсіндіріледі, яғни. бірін-бірі толықтырады. Бұл сәйкестік пурин мен пиримидин жұбында сутектік байланыстардың түзілуіне мүмкіндік беретін негіздердің химиялық құрылымымен берілген. А мен Т арасында екі байланыс, G мен С арасында үш байланыс бар. Бұл байланыстар ДНҚ молекуласының кеңістікте ішінара тұрақтануын қамтамасыз етеді. Қос спиральдың тұрақтылығы A=T байланыстарына қарағанда тұрақтырақ G≡C байланыстарының санына тура пропорционал.

ДНҚ-ның бір тізбегіндегі нуклеотидтердің белгілі тізбегі комплементарлық принцип бойынша басқа тізбектің нуклеотидтерін орнатуға мүмкіндік береді.

Сонымен қатар, хош иісті құрылымға ие азотты негіздер су ерітіндісінде бірінің үстіне бірі орналасып, тиындар дестесін құрайтыны анықталды. Органикалық молекулалардың стектерін қалыптастырудың бұл процесі қабаттасу деп аталады. Қарастырылып отырған Уотсон-Крик моделінің ДНҚ молекуласының полинуклеотидтік тізбектері ұқсас физика-химиялық күйге ие, олардың азотты негіздері тиындар дестелері түрінде орналасады, олардың жазықтықтары арасында ван-дер-Ваальс әрекеттесулері (стектік әрекеттесулер) жүреді.

Ван-дер-Ваальс күштерінің әсерінен (тігінен) полинуклеотидтік тізбектегі комплементарлы негіздер арасындағы сутектік байланыстар және базалық жазықтықтар арасындағы стекингтік өзара әрекеттесу ДНҚ молекуласын кеңістікте қосымша тұрақтандыруды қамтамасыз етеді.

Екі тізбектің қант-фосфатты омыртқалары сыртқа, ал негіздері ішке, бір-біріне қарай бұрылған. ДНҚ-дағы жіптердің бағыты антипараллельді (бірінің бағыты 5"->3", екіншісі - 3"->5", яғни бір жіптің 3"-ұшы 5"-ұшына қарама-қарсы орналасқан. екіншісінен.). Тізбектер ортақ осі бар оң жақ спиралдарды құрайды. Спиральдың бір айналымы 10 нуклеотид, бұрылыс өлшемі 3,4 нм, әрбір нуклеотидтің биіктігі 0,34 нм, спираль диаметрі 2,0 нм. Бір жіптің екіншісінің айналасында айналуы нәтижесінде ДНҚ қос спиралінде үлкен ойық (диаметрі шамамен 20 Å) және кіші ойық (шамамен 12 Å) пайда болады. Уотсон-Крик қос спиралының бұл формасы кейінірек В-формасы деп аталды. Жасушаларда ДНҚ әдетте В түрінде болады, ол ең тұрақты.

ДНҚ функциялары

Ұсынылған модель дезоксирибонуклеин қышқылының көптеген биологиялық қасиеттерін, соның ішінде генетикалық ақпаратты сақтауды және гендердің әртүрлілігін, 4 нуклеотидтің бірізді қосылыстарының алуан түрлілігімен қамтамасыз етілді және генетикалық кодтың болуы фактісін түсіндірді. репликация процесімен қамтамасыз етілген генетикалық ақпаратты өздігінен көбейту және беру және белоктар түрінде генетикалық ақпаратты жүзеге асыру, сонымен қатар ферменттік ақуыздардың көмегімен түзілген кез келген басқа қосылыстар.

ДНҚ-ның негізгі қызметтері.

1. ДНҚ генетикалық ақпараттың тасымалдаушысы болып табылады, ол генетикалық кодтың болуы фактісімен қамтамасыз етіледі.
2. Жасушалар мен ағзалардың ұрпақтарында көбею және берілетін генетикалық ақпарат. Бұл функция репликация процесі арқылы қамтамасыз етіледі.
3. Генетикалық ақпаратты белоктар түрінде жүзеге асыру, сонымен қатар ферменттік ақуыздардың көмегімен түзілетін кез келген басқа қосылыстар. Бұл функция транскрипция және аударма процестерімен қамтамасыз етіледі.

Қос тізбекті ДНҚ-ның ұйымдасу формалары

ДНҚ қос спиральдың бірнеше түрін құра алады (4-сурет). Қазіргі уақытта алты пішін белгілі (А-дан Е және Z-формаға дейін).

Розалинд Франклин белгілеген ДНҚ-ның құрылымдық формалары нуклеин қышқылы молекуласының сумен қанығуына байланысты. Рентгендік дифракциялық талдауды қолдану арқылы ДНҚ талшықтарын зерттеуде рентгендік дифракцияның заңдылығы қандай салыстырмалы ылғалдылыққа, осы талшықтың сумен қанығу дәрежесіне, тәжірибе жүргізілетініне түбегейлі тәуелді болатыны көрсетілді. Егер талшық сумен жеткілікті қаныққан болса, онда бір рентгенограмма алынды. Кептіру кезінде ылғалдылығы жоғары талшықтың рентгендік үлгісінен мүлде басқа рентгендік сурет пайда болды.

Ылғалдылығы жоғары ДНҚ молекуласы В-тәрізді деп аталады. Физиологиялық жағдайларда (тұздың төмен концентрациясы, жоғары гидратация дәрежесі) ДНҚ-ның құрылымдық түрі В-формасы (екі тізбекті ДНҚ-ның негізгі формасы Уотсон-Крик моделі). Мұндай молекуланың спираль қадамы 3,4 нм. Бір айналымда «тиындардың» бұралған дестелері – азотты негіздер түріндегі 10 толықтырушы жұп бар. Стектерді бір-біріне қарама-қарсы екі «тиын» арасындағы сутектік байланыстар арқылы ұстайды және оң жақ спиралға бұралған фосфодиэфирлік магистральдың екі таспасымен «орамалды». Азотты негіздердің жазықтықтары спираль осіне перпендикуляр. Көршілес толықтауыш жұптар бір-біріне қатысты 36°-қа бұрылады. Спиральдың диаметрі 20Å, пурин нуклеотиді 12Å, пиримидин нуклеотиді 8Å алады.

Ылғалдылығы төмен ДНҚ молекуласы А-формасы деп аталады. А-формасы аз жоғары гидратация жағдайында және Na+ немесе K+ иондарының көп мөлшерімен түзіледі. Бұл кеңірек оң жақ конформацияда бір айналымда 11 негізгі жұп бар. Азотты негіздердің жазықтықтары спираль осіне күштірек еңіске ие, олар спиралдың осіне нормальдан 20° ауытқиды. Бұл диаметрі 5 Å болатын ішкі қуыстың болуын білдіреді. Көршілес нуклеотидтер арасындағы қашықтық 0,23 нм, катушканың ұзындығы 2,5 нм, спираль диаметрі 2,3 нм.

Бастапқыда ДНҚ-ның А-формасы маңызды емес деп есептелді. Алайда кейінірек ДНҚ-ның А-формасы сияқты В-формасының биологиялық маңызы зор екені белгілі болды. Шаблон-тұқым кешеніндегі РНҚ-ДНҚ спиральында А-формасы бар, сонымен қатар РНҚ-РНҚ спираль және РНҚ шаш қыстырғыш құрылымдары бар (рибозаның 2'-гидроксил тобы РНҚ молекулаларының В-формасын құруына мүмкіндік бермейді) . ДНҚ-ның А-формасы спораларда кездеседі. ДНҚ-ның А-формасы В-формасынан УК сәулелеріне 10 есе төзімді екені анықталды.

А-формасы және В-формасы ДНҚ-ның канондық формалары деп аталады.

C-E пішіндерісонымен қатар оң қолдар, олардың түзілуін тек арнайы эксперименттерде байқауға болады, және, шамасы, олар in vivo жоқ. ДНҚ-ның С-формасы В-ДНҚ-ға ұқсас құрылымға ие. Бір айналымдағы негізгі жұптардың саны 9,33, ал спираль ұзындығы 3,1 нм. Негіз жұптары оське перпендикуляр жағдайға қатысты 8 градус бұрышта көлбеу. Ойықтар көлемі бойынша В-ДНҚ ойықтарына жақын. Бұл жағдайда негізгі ойық біршама кішірек, ал кіші ойық тереңірек болады. Табиғи және синтетикалық ДНҚ полинуклеотидтері С пішініне өте алады.

Кесте 1. ДНҚ құрылымдарының кейбір түрлерінің сипаттамасы
Спираль түрі	А	Б	З
Спиральды қадам	0,32 нм	3,38 нм	4,46 нм
Спиральды бұралу	Дұрыс	Дұрыс	Сол
Бір айналымдағы негізгі жұптардың саны	11	10	12
Негізгі жазықтықтар арасындағы қашықтық	0,256 нм	0,338 нм	0,371 нм
Гликозидтік байланыстың конформациясы	қарсы	қарсы	қарсы С син-Г
Фураноза сақинасының конформациясы	C3 "-endo	C2 "-endo	C3 "-endo-G C2 "-endo-C
Ойықтың ені, кіші/үлкен	1,11/0,22 нм	0,57/1,17 нм	0,2/0,88 нм
Ойық тереңдігі, шағын/үлкен	0,26/1,30 нм	0,82/0,85 нм	1,38/0,37 нм
Спираль диаметрі	2,3 нм	2,0 нм	1,8 нм

ДНҚ-ның құрылымдық элементтері
(канондық емес ДНҚ құрылымдары)

ДНҚ-ның құрылымдық элементтеріне кейбір арнайы тізбектермен шектелген әдеттен тыс құрылымдар жатады:

ДНҚ-ның Z-формасы - ДНҚ-ның В-формасының орындарында түзіледі, онда пуриндер пиримидиндермен алмасады немесе құрамында метилденген цитозин бар қайталануда. Палиндромдар - бұл екі ДНҚ тізбегіне қатысты екінші ретті симметрияға ие және «шаш түйреуіштер» мен «кресттер» түзетін флип тізбектері, негізгі тізбектердің инверттелген қайталануы. ДНҚ-ның Н-формасы және ДНҚ-ның үштік спиральдары қалыпты Уотсон-Крик дуплексінің бір тізбегінде тек пуриндер, ал екінші тізбекте сәйкесінше оларға комплементарлы пиримидиндер бар учаске болған кезде түзіледі. G-квадруплексі (G-4) төрт тізбекті ДНҚ спиралы болып табылады, мұнда әртүрлі жіптерден 4 гуанин негіздері G-квартеттерін (G-тетрадтарды) құрайды, олар G-төртбұрыштарын түзу үшін сутектік байланыстармен бірге ұсталады.

ДНҚ-ның Z-формасы 1979 жылы d(CG)3 - гексануклеотидін зерттеу барысында ашылды. Оны MIT профессоры Александр Рич және оның қызметкерлері ашты. Z-формасы ДНҚ-ның ең маңызды құрылымдық элементтерінің біріне айналды, себебі оның түзілуі пуриндер пиримидиндермен кезектесетін ДНҚ аймақтарында (мысалы, 5'-HCHCHC-3') немесе 5' қайталанатын жерлерде байқалды. Құрамында метилденген цитозин бар -CHCHCH-3'. Z-ДНҚ түзілуі мен тұрақтануының маңызды шарты ондағы пурин нуклеотидтерінің син-конформацияда, антиконформацияда пиримидиндік негіздермен алмасып тұруы болды.

Табиғи ДНҚ молекулалары, егер оларда (CG)n сияқты тізбектер болмаса, көбінесе дұрыс В түрінде болады. Алайда, егер мұндай тізбектер ДНҚ-ның бөлігі болса, онда бұл аймақтар ерітіндінің иондық күші немесе фосфодиэфирлік магистральдағы теріс зарядты бейтараптандыратын катиондар Z-формасына ауыса алады, ал тізбектегі басқа ДНҚ аймақтары қалады. классикалық В-пішінде. Мұндай ауысу мүмкіндігі ДНҚ қос спиралындағы екі жіптің динамикалық күйде болатынын және бір-біріне қатысты босап, оң жақтан солға және керісінше өтетінін көрсетеді. ДНҚ құрылымының конформациялық түрленуіне мүмкіндік беретін бұл лабильдіктің биологиялық салдары әлі толық зерттелмеген. Z-ДНҚ аймақтары белгілі бір гендердің экспрессиясын реттеуде рөл атқарады және генетикалық рекомбинацияға қатысады деп саналады.

ДНҚ-ның Z-формасы сол жақ қос спираль болып табылады, онда фосфодиэфирлік магистраль молекула осінің бойымен иректелген. Молекуланың (зигзаг)-ДНҚ атауы осыдан. Z-ДНҚ табиғатта белгілі ең аз бұралған (бір айналымда 12 негіз жұбы) және ең жұқа. Көршілес нуклеотидтер арасындағы қашықтық 0,38 нм, катушка ұзындығы 4,56 нм, Z-ДНҚ диаметрі 1,8 нм. Сонымен қатар, бұл ДНҚ молекуласының сыртқы түрі бір ойықтың болуымен ерекшеленеді.

ДНҚ-ның Z-формасы прокариоттық және эукариоттық жасушаларда табылған. Бүгінгі күні ДНҚ-ның Z-формасы мен В-формасын ажырата алатын антиденелер алынды. Бұл антиденелер Drosophila (Dr. melanogaster) сілекей безі жасушаларының алып хромосомаларының белгілі бір аймақтарымен байланысады. Бұл хромосомалардың әдеттен тыс құрылымына байланысты байланыстыру реакциясын орындау оңай, оларда тығыз аймақтар (дискілер) азырақ тығыз аймақтармен (дискілер) қарама-қайшы келеді. Z-ДНҚ аймақтары дискілерде орналасқан. Бұдан шығатыны, Z пішінінің жеке бөлімдерінің өлшемдері әлі белгісіз болса да, табиғи жағдайда Z-формасы шын мәнінде бар.

(жылжытқыштар) - ДНҚ-дағы ең танымал және жиі кездесетін базалық тізбектер. Палиндрома - солдан оңға қарай және керісінше бірдей оқылатын сөз немесе сөз тіркесі. Мұндай сөздердің немесе сөз тіркестерінің мысалдары: ХУТ, КАЗАК, СУ ТАСКЫН, АЗОРНЫҢ ТАБАҒЫНА ТҮСІП ЖАТҚАН РҰЗ. ДНҚ бөлімдеріне қолданылғанда бұл термин (палиндром) тізбек бойынша оңнан солға және солдан оңға қарай нуклеотидтердің бірдей кезектесуін білдіреді («сашық» сөзіндегі әріптер сияқты).

Палиндрома екі ДНҚ тізбегіне қатысты екінші ретті симметрияға ие негізгі тізбектердің инверттелген қайталануларының болуымен сипатталады. Мұндай тізбектер, белгілі себептермен, өзін-өзі толықтырады және шаш қыстырғыш немесе крест тәрізді құрылымдарды қалыптастыруға бейім (сурет). Шаш түйреуіштер реттеуші ақуыздарға хромосоманың ДНҚ-ның генетикалық мәтіні көшірілетін орынды тануға көмектеседі.

Бір ДНҚ тізбегінде инверттелген қайталану болған жағдайда, мұндай реттілік айна қайталануы деп аталады. Айна қайталануы өзін-өзі толықтыратын қасиеттерге ие емес, сондықтан шаш қыстырғыштарын немесе крест тәрізді құрылымдарды қалыптастыруға қабілетті емес. Бұл түрдегі тізбектер барлық дерлік үлкен ДНҚ молекулаларында кездеседі және бірнеше базалық жұптан бірнеше мың негіз жұбына дейін болуы мүмкін.

Эукариоттық жасушаларда крест тәрізді құрылымдар түріндегі палиндромдардың болуы дәлелденбеген, дегенмен E. coli жасушаларында крест тәрізді құрылымдардың бірқатары in vivo табылған. РНҚ немесе бір тізбекті ДНҚ-да өзін-өзі толықтыратын тізбектердің болуы ерітінділердегі нуклеин тізбегінің көптеген «шаш түйреуіштердің» пайда болуымен сипатталатын белгілі бір кеңістіктік құрылымға қатпарлануының негізгі себебі болып табылады.

ДНҚ-ның Н-формасы- бұл ДНҚ-ның үш тізбегінен түзілетін спираль - ДНҚ-ның үштік спиралі. Бұл Гугстин жұбы деп аталатын пайда болуымен оның үлкен ойығына сәйкес келетін үшінші бір тізбекті ДНҚ тізбегі бар Уотсон-Крик қос спиралының кешені.

Мұндай триплекстің түзілуі ДНҚ қос спиралының қосылуы нәтижесінде оның қимасының жартысы қос спираль түрінде қалатындай, ал екінші жартысы ажыратылатындай болады. Бұл жағдайда ажыратылған спиральдардың бірі қос спиральдың бірінші жартысы - үштік спиральмен жаңа құрылымды құрайды, ал екіншісі құрылымсыз, бір талшықты кесінді түрінде шығады. Бұл құрылымдық ауысудың ерекшелігі - протондары жаңа құрылымды тұрақтандыратын ортаның рН-ға күрт тәуелділігі. Осы ерекшелігіне байланысты жаңа құрылым ДНҚ-ның Н-формасы деп аталды, оның түзілуі айна қайталануы болып табылатын гомопурин-гомопиримидин аймақтары бар супер ширатылған плазмидаларда табылды.

Кейінгі зерттеулерде кейбір гомопуринді-гомопиримидинді қос тізбекті полинуклеотидтердің құрылымдық ауысу мүмкіндігі, құрамында үш тізбекті құрылымның пайда болуымен анықталды:

• бір гомопурин және екі гомопиримидин жіптері ( Py-Pu-Py триплексі) [Гугстиннің өзара әрекеттесуі].

  Py-Pu-Py триплексінің құрамдас блоктары канондық изоморфты CGC+ және TAT триадалары болып табылады. Триплексті тұрақтандыру үшін CGC+ триадасының протондануы қажет, сондықтан бұл триплекстер ерітіндінің рН-ына тәуелді.

• бір гомопиримидин және екі гомопурин тізбегі ( Py-Pu-Pu триплексі) [Гугстиннің кері әсерлесуі].

  Py-Pu-Pu триплексінің құрамдас блоктары канондық изоморфты CGG және TAA триадалары болып табылады. Py-Pu-Pu триплекстерінің маңызды қасиеті олардың тұрақтылығының қосарланған зарядталған иондардың болуына тәуелділігі болып табылады және әртүрлі тізбектегі триплекстерді тұрақтандыру үшін әртүрлі иондар қажет. Py-Pu-Pu триплекстерінің түзілуі олардың құрамдас нуклеотидтерінің протонациясын қажет етпейтіндіктен, мұндай триплекстер бейтарап рН кезінде болуы мүмкін.

  Ескерту: Гугстиннің тура және кері әрекеттесуі 1-метилтиминнің симметриясымен түсіндіріледі: 180 ° айналу O4 атомының орнын O2 атомы алып жатқандығына әкеледі, бұл ретте сутегі байланыстары жүйесі сақталады.

Үштік спиральдың екі түрі бар:

1. Үшінші жіптің полярлығы Уотсон-Крик дуплексінің гомопурин тізбегінің полярлығымен бірдей параллель үштік спиральдар
2. антипараллельді үштік спиральдар, оларда үшінші және гомопуриндік тізбектердің полярлықтары қарама-қарсы.

Py-Pu-Pu және Py-Pu-Py триплекстеріндегі химиялық гомологтық тізбектер антипараллельді бағытта болады. Бұл ЯМР спектроскопиялық деректермен қосымша расталды.

G-төрт жақты- 4 тізбекті ДНҚ. Мұндай құрылым, егер төрт гуанин болса, түзіледі, олар G-квадруплекс деп аталатын - төрт гуаниннің дөңгелек биін құрайды.

Мұндай құрылымдардың пайда болу мүмкіндігі туралы алғашқы кеңестер Уотсон мен Криктің серпінді жұмысынан көп бұрын - 1910 жылы алынған. Содан кейін неміс химигі Ивар Бэнг ДНҚ құрамдастарының бірі – гуаноз қышқылы жоғары концентрацияда гель түзетінін, ал ДНҚ-ның басқа компоненттерінде мұндай қасиет жоқ екенін анықтады.

1962 жылы рентгендік дифракция әдісін қолдана отырып, бұл гельдің жасушалық құрылымын орнату мүмкін болды. Ол бір-бірін шеңбер бойымен байланыстырып, өзіне тән квадратты құрайтын төрт гуанин қалдықтарынан тұратын болып шықты. Орталықта байланыс металл ионымен (Na, K, Mg) тіреледі. ДНҚ-да гуанин көп болса, дәл осындай құрылымдар түзілуі мүмкін. Бұл жалпақ квадраттар (G-квартеттері) жеткілікті тұрақты, тығыз құрылымдарды (G-төртбұрыштар) қалыптастыру үшін қабаттастырылған.

ДНҚ-ның төрт бөлек тізбегін төрт тізбекті кешендерге тоқуға болады, бірақ бұл ерекшелік. Көбінесе, нуклеин қышқылының бір тізбегі жай ғана түйінге байланып, өзіне тән қалыңдауды (мысалы, хромосомалардың ұштарында) құрайды немесе қос тізбекті ДНҚ гуанинге бай кейбір жерлерде жергілікті төртбұрышты құрайды.

Ең көп зерттелгені хромосомалардың ұштарында – теломерлерде және онкопромоторларда төртбұрыштардың болуы. Дегенмен, адам хромосомаларында мұндай ДНҚ-ның локализациясы туралы толық түсінік әлі белгісіз.

Сызықтық түрдегі ДНҚ-ның барлық осы ерекше құрылымдары ДНҚ-ның В-формасымен салыстырғанда тұрақсыз. Дегенмен, ДНҚ көбінесе топологиялық шиеленістің сақиналы түрінде болады, егер ол супер орам деп аталады. Бұл жағдайларда канондық емес ДНҚ құрылымдары оңай қалыптасады: Z-формалары, «кресттер» және «шаш түйреуіштер», Н-формалары, гуаниндік төрт плекстер және i-мотив.

• Асқын ширатылған пішін - пентоз-фосфатты омыртқаға зақым келтірмей, жасуша ядросынан босатылған кезде белгіленеді. Ол өте бұралған жабық сақиналар түрінде болады. Аса бұралған күйде ДНҚ-ның қос спиралі кем дегенде бір рет «өзіне бұрылады», яғни оның құрамында кем дегенде бір суперкоир болады (сегіздік фигура пішінін алады).
• ДНҚ-ның босаңсыған күйі – бір үзіліспен (бір тізбектің үзілуі) байқалады. Бұл жағдайда супер катушкалар жойылып, ДНҚ тұйық сақина пішінін алады.
• ДНҚ-ның сызықтық түрі қос спиралдың екі тізбегі үзілгенде байқалады.

ДНҚ-ның аталған үш түрі де гельдік электрофорез арқылы оңай бөлінеді.

ДНҚ-ның үшінші реттік құрылымы

ДНҚ-ның үшінші реттік құрылымықос тізбекті молекуланың кеңістігінде қосымша бұралуы – оның асқын ширатылуы нәтижесінде түзіледі. Эукариот жасушаларында ДНҚ молекуласының супер ширатылуы прокариоттардан айырмашылығы белоктармен комплекстер түрінде жүзеге асады.

Эукариоттық ДНҚ-ның барлығы дерлік ядролардың хромосомаларында орналасады, оның аз ғана бөлігі митохондрияларда, өсімдіктер мен пластидтерде кездеседі. Эукариоттық жасушалар хромосомаларының негізгі заты (оның ішінде адам хромосомалары) екі тізбекті ДНҚ, гистон және гистон емес ақуыздардан тұратын хроматин.

Хроматиннің гистондық белоктары

Гистондар хроматиннің 50%-ын құрайтын қарапайым белоктар. Жануарлар мен өсімдіктердің барлық зерттелген жасушаларында гистондардың бес негізгі класы табылды: H1, H2A, H2B, H3, H4, олардың мөлшері, аминқышқылдарының құрамы және зарядтары бойынша ерекшеленеді (әрдайым оң).

Сүтқоректілердің H1 гистоны құрамында шамамен 215 аминқышқылдары бар бір полипептидтік тізбектен тұрады; басқа гистондардың өлшемдері 100-ден 135 аминқышқылдарына дейін өзгереді. Олардың барлығы спиральданған және диаметрі шамамен 2,5 нм глобулға айналдырылған, лизин мен аргинин оң зарядталған аминқышқылдарының әдеттен тыс көп мөлшерін қамтиды. Гистондар ацетилденуі, метилденуі, фосфорлануы, поли(АДФ)-рибозилденуі мүмкін, ал Н2А және Н2В гистондары убиквитинмен ковалентті түрде байланысуы мүмкін. Гистондардың құрылымы мен қызметтерін орындауында мұндай модификациялардың рөлі қандай екендігі әлі толық анықталмаған. Бұл олардың ДНҚ-мен әрекеттесу және гендердің әрекетін реттеу механизмдерінің бірін қамтамасыз ету қабілеті деп болжанады.

Гистондар ДНҚ-мен негізінен ДНҚ-ның теріс зарядты фосфат топтары мен гистондардың оң зарядталған лизин және аргинин қалдықтары арасында түзілген иондық байланыстар (тұзды көпірлер) арқылы әрекеттеседі.

Хроматиннің гистонды емес ақуыздары

Гистон емес белоктар гистондардан айырмашылығы өте алуан түрлі. ДНҚ-байланыстырушы гистонды емес ақуыздардың 590-ға дейін әртүрлі фракциялары оқшауланған. Оларды қышқылдық белоктар деп те атайды, өйткені олардың құрылымында қышқыл аминқышқылдары басым болады (олар полианиондар). Хроматин белсенділігінің спецификалық реттелуі әртүрлі гистондық емес ақуыздармен байланысты. Мысалы, ДНҚ репликациясы мен экспрессиясы үшін маңызды ферменттер хроматинмен уақытша байланыса алады. Басқа белоктар, әртүрлі реттеу процестеріне қатысатындар, ДНҚ-мен тек белгілі бір тіндерде немесе дифференциацияның белгілі бір кезеңдерінде байланысады. Әрбір ақуыз ДНҚ нуклеотидтерінің белгілі бір тізбегіне комплементарлы (ДНҚ учаскесі). Бұл топқа мыналар кіреді:

• сайтқа тән мырыш саусақ ақуыздарының отбасы. Әрбір «мырыш саусақ» 5 нуклеотид жұбынан тұратын белгілі бір учаскені таниды.
• сайтқа тән белоктар тұқымдасы – гомодимерлер. Мұндай белоктың ДНҚ-мен жанасатын фрагменті «спираль-бұрылу-спираль» құрылымына ие.
• жоғары қозғалғыш ақуыздар (HMG ақуыздары – ағылшын тілінен, жоғары қозғалғыш гель ақуыздары) хроматинмен үнемі байланыста болатын құрылымдық және реттеуші белоктар тобы болып табылады. Олардың молекулалық массасы 30 кД-ден аз және зарядталған аминқышқылдарының жоғары мөлшерімен сипатталады. Төмен молекулалық салмағына байланысты HMG протеиндері полиакриламидті гельді электрофорез кезінде жоғары мобильді.
• репликация, транскрипция және жөндеу ферменттері.

ДНҚ мен РНҚ синтезіне қатысатын құрылымдық, реттеуші белоктар мен ферменттердің қатысуымен нуклеосома жіпі белоктар мен ДНҚ-ның жоғары конденсацияланған кешеніне айналады. Алынған құрылым бастапқы ДНҚ молекуласынан 10 000 есе қысқа.

Хроматин

Хроматин – ядролық ДНҚ және бейорганикалық заттары бар белоктар кешені. Хроматиннің көп бөлігі белсенді емес. Оның құрамында тығыз оралған, конденсацияланған ДНҚ бар. Бұл гетерохроматин. Экспрессияланбаған аймақтардан тұратын конститутивтік, генетикалық белсенді емес хроматин (спутниктік ДНҚ) және факультативті - бірқатар ұрпақтарда белсенді емес, бірақ белгілі бір жағдайларда экспрессиялауға қабілетті.

Белсенді хроматин (эвхроматин) конденсацияланбаған, яғни. тығыз емес оралған. Әртүрлі жасушаларда оның мөлшері 2-ден 11% -ға дейін болады. Ми жасушаларында ол ең көп - 10-11%, бауыр жасушаларында - 3-4 және бүйректер - 2-3%. Эухроматиннің белсенді транскрипциясы бар. Сонымен бірге оның құрылымдық ұйымдастырылуы белгілі бір ағза түріне тән бірдей ДНҚ генетикалық ақпаратты мамандандырылған жасушаларда әртүрлі тәсілдермен пайдалануға мүмкіндік береді.

Электрондық микроскопта хроматиннің кескіні моншақтарға ұқсайды: жіп тәрізді көпірлермен бөлінген өлшемі шамамен 10 нм сфералық қалыңдаулар. Бұл шар тәрізді қалыңдауды нуклеосомалар деп атайды. Нуклеосома хроматиннің құрылымдық бірлігі болып табылады. Әрбір нуклеосома нуклеосома өзегінде 1,75 солға айналу түзетін 146 бит ұзындықтағы аса ширатылған ДНҚ сегментін қамтиды. Нуклеосомалық өзек - бұл H2A, H2B, H3 және H4 гистондарынан тұратын, әр типтегі екі молекуладан (9-сурет), диаметрі 11 нм және қалыңдығы 5,7 нм дискіге ұқсайтын гистонды октамер. Бесінші гистон, Н1, нуклеосомалық ядроның бөлігі емес және гистон октамерінің айналасында ДНҚ-ның айналу процесіне қатыспайды. Ол қос спиралдың нуклеосомалық өзекке енетін және шығатын нүктелерінде ДНҚ-мен байланысады. Бұл ДНҚ-ның интеркоралық (байланыстырушы) бөлімдері, олардың ұзындығы жасуша түріне байланысты 40-тан 50 жұп нуклеотидке дейін өзгереді. Нәтижесінде нуклеосомалардың құрамына кіретін ДНҚ фрагментінің ұзындығы да өзгереді (186-дан 196 жұп нуклеотидке дейін).

Нуклеосоманың құрамында ДНҚ-ның 90%-ға жуығы болады, қалған бөлігі байланыстырушы болып табылады. Нуклеосомалар «тыныш» хроматиннің фрагменттері болып табылады, ал байланыстырушы белсенді болады деп есептеледі. Алайда нуклеосомалар жайылып, сызықты болуы мүмкін. Бүктелген нуклеосомалар қазірдің өзінде белсенді хроматин болып табылады. Бұл функцияның құрылымға тәуелділігін анық көрсетеді. Глобулярлы нуклеосомалардың құрамында хроматин неғұрлым көп болса, соғұрлым оның белсенділігі аз болады деп болжауға болады. Әлбетте, әртүрлі жасушаларда тыныштық хроматинінің тең емес үлесі осындай нуклеосомалардың санымен байланысты.

Электрондық микроскопиялық фотосуреттерде оқшаулану жағдайлары мен созылу дәрежесіне байланысты хроматин тек қалыңдауы бар ұзын жіп - нуклеосомалардың «моншақтары» ретінде ғана емес, сонымен қатар диаметрі қысқа және тығыз фибрил (талшық) ретінде де көрінуі мүмкін. 30 нм, оның түзілуі ДНҚ-ның линкер аймағымен және H3 гистонымен байланысты Н1 гистонының өзара әрекеттесу кезінде байқалады, бұл диаметрі 30 нм соленоидтың пайда болуымен бір айналымда алты нуклеосома спиралының қосымша бұралуына әкеледі. . Бұл жағдайда гистон ақуызы бірқатар гендердің транскрипциясына кедергі келтіріп, осылайша олардың белсенділігін реттей алады.

ДНҚ-ның жоғарыда сипатталған гистондармен әрекеттесуінің нәтижесінде орташа диаметрі 2 нм және ұзындығы 57 нм болатын 186 негіздік жұп ДНҚ қос спиралының сегменті диаметрі 10 нм және ұзындығы бар спиральға айналады. 5 нм. Бұл спиральды диаметрі 30 нм талшыққа кейіннен қысу кезінде конденсация дәрежесі тағы алты есе артады.

Сайып келгенде, ДНҚ дуплексін бес гистонмен қаптау 50 еселік ДНҚ конденсациясына әкеледі. Дегенмен, конденсацияның мұндай жоғары дәрежесінің өзінде метафаза хромосомасындағы ДНҚ-ның 50 000-100 000 есе дерлік тығыздалуын түсіндіре алмайды. Өкінішке орай, хроматиннің метафаза хромосомасына дейін одан әрі оралуының егжей-тегжейлері әлі белгісіз, сондықтан бұл процестің жалпы ерекшеліктерін ғана қарастыруға болады.

Хромосомалардағы ДНҚ нығыздалу деңгейлері

Әрбір ДНҚ молекуласы бөлек хромосомаға оралған. Адамның диплоидты жасушаларында 46 хромосома бар, олар жасуша ядросында орналасқан. Жасушаның барлық хромосомаларының ДНҚ-ның жалпы ұзындығы 1,74 м, бірақ хромосомалары жинақталған ядроның диаметрі миллиондаған есе аз. ДНҚ-ның хромосомалардағы және жасуша ядросындағы хромосомалардың мұндай жинақы орамы ДНҚ-мен белгілі бір реттілікпен әрекеттесетін әртүрлі гистон және гистон емес ақуыздар арқылы қамтамасыз етіледі (жоғарыдан қараңыз). Хромосомаларда ДНҚ-ның тығыздалуы оның сызықтық өлшемдерін шамамен 10 000 есе – шартты түрде 5 см-ден 5 микронға дейін азайтуға мүмкіндік береді. Тығыздаудың бірнеше деңгейі бар (Cурет 10).

• ДНҚ қос спиралі диаметрі 2 нм және ұзындығы бірнеше см болатын теріс зарядты молекула.
• нуклеосомалық деңгей- хроматин электронды микроскопта «моншақтардың» - нуклеосомалардың - «жіптегі» тізбек ретінде көрінеді. Нуклеосома эухроматинде де, гетерохроматинде де, фазааралық ядрода және метафаза хромосомаларында болатын әмбебап құрылымдық бірлік.

  Тығыздаудың нуклеосомалық деңгейі арнайы белоктармен - гистондармен қамтамасыз етіледі. Сегіз оң зарядталған гистон домендері теріс зарядталған ДНҚ молекуласы айналатын нуклеосоманың өзегін (өзегін) құрайды. Бұл 7 есе қысқаруды береді, ал диаметрі 2-ден 11 нм-ге дейін артады.

• электромагниттік деңгей

  Хромосома ұйымының соленоидтық деңгейі нуклеосомалық жіпшенің бұралуымен және одан диаметрі 20-35 нм қалың фибрилдердің – соленоидтардың немесе супербидтердің түзілуімен сипатталады. Соленоидтық қадам 11 нм және бір айналымда шамамен 6-10 нуклеосома болады. Соленоидты қаптама супербидті қаптамаға қарағанда ықтималдырақ болып саналады, оған сәйкес диаметрі 20–35 нм хроматиндік фибрил әрқайсысы сегіз нуклеосомадан тұратын түйіршіктер тізбегі немесе супербидтер болып табылады. Соленоидтық деңгейде ДНҚ-ның сызықтық өлшемі 6-10 есе азаяды, диаметрі 30 нм-ге дейін артады.

• цикл деңгейі

  Цикл деңгейі шамамен 30-300 кб ілмектер құра отырып, белгілі бір ДНҚ тізбегін танитын және байланыстыратын гистондық емес аймаққа тән ДНҚ-байланыстырушы ақуыздармен қамтамасыз етіледі. Цикл геннің экспрессиясын қамтамасыз етеді, яғни. цикл тек құрылымдық емес, сонымен қатар функционалдық формация болып табылады. Бұл деңгейде қысқару 20-30 есе болады. Диаметрі 300 нм-ге дейін артады. Цитологиялық препараттарда амфибиялардың ооциттеріндегі ілмек тәрізді «шам қылшық» құрылымдарын көруге болады. Бұл ілмектер аса ширатылған болып көрінеді және хроматин транскрипциясы мен репликациясының бірліктеріне сәйкес келетін ДНҚ домендерін білдіреді. Арнайы белоктар ілмектердің негіздерін және, мүмкін, олардың кейбір ішкі аймақтарын бекітеді. Цикл тәрізді домендік ұйым метафазалық хромосомалардағы хроматиннің жоғары ретті спиральдық құрылымдарға қатпарлануын жеңілдетеді.

• домен деңгейі

  Хромосома ұйымының домендік деңгейі жеткілікті түрде зерттелмеген. Бұл деңгейде ілмектік домендердің түзілуі атап өтіледі - қалыңдығы 25-30 нм жіпшелердің (фибрилдердің) құрылымдары, құрамында 60% ақуыз, 35% ДНҚ және 5% РНҚ бар жасушалық циклдің барлық фазаларында іс жүзінде көрінбейді. митозды қоспағанда және жасуша ядросына біршама кездейсоқ бөлінеді. Цитологиялық препараттарда амфибиялардың ооциттеріндегі ілмек тәрізді «шам қылшық» құрылымдарын көруге болады.

  Циклдік домендер өздерінің негізімен бірге MAR/SAR реттілігі деп аталатын кірістірілген тіркеме тораптарындағы ядроішілік ақуыз матрицасына бекітіледі (MAR, ағылшын матрицасымен байланысты аймақтан; SAR, ағылшын тіліндегі тіреу аймақтарынан) - ДНҚ бірнеше жүздеген ұзын негіз жұптарын бөледі, олар А/Т негіз жұптарының жоғары құрамымен (>65%) сипатталады. Әрбір домен репликацияның бір бастауына ие болып көрінеді және автономды супер орамдық бірлік ретінде қызмет етеді. Кез келген циклдік домен жұмысы үйлестірілген болуы мүмкін көптеген транскрипция бірліктерін қамтиды - бүкіл домен белсенді немесе белсенді күйде.

  Домен деңгейінде хроматиннің дәйекті орау нәтижесінде ДНҚ-ның сызықтық өлшемдері шамамен 200 есе (700 нм) азаяды.

• хромосома деңгейі

  Хромосомалық деңгейде профазалық хромосома гистонды емес ақуыздардың осьтік шеңберінің айналасында ілмектік домендердің тығыздалуы арқылы метафазаға конденсацияланады. Бұл супер орамдық жасушадағы барлық H1 молекулаларының фосфорлануымен бірге жүреді. Нәтижесінде метафаза хромосомасын тығыз спиральға оралған тығыз оралған соленоидты ілмектер түрінде бейнелеуге болады. Адамның әдеттегі хромосомасында 2600-ге дейін ілмек болуы мүмкін. Мұндай құрылымның қалыңдығы 1400 нм (екі хроматид) жетеді, ал ДНҚ молекуласы 104 есе қысқарады, яғни. 5 см-ден 5 мкм-ге дейін созылған ДНҚ.

Хромосомалардың қызметтері

Экстрахромосомалық механизмдермен әрекеттесу кезінде хромосомалар қамтамасыз етеді

1. тұқым қуалайтын ақпаратты сақтау
2. осы ақпаратты ұялы ұйымды құру және қолдау үшін пайдалану
3. тұқым қуалайтын ақпаратты оқуды реттеу
4. генетикалық материалдың өздігінен қайталануы
5. генетикалық материалдың аналық жасушадан аналық жасушаларға ауысуы.

Хроматин аймағының активтенуі кезінде, яғни. транскрипция кезінде алдымен одан H1 гистоны, содан кейін гистон октеті қайтымды түрде жойылады. Бұл хроматиннің деконденсациясын, 30 нм хроматин фибрилінің 10 нм жіпке бірізді ауысуын және оның әрі қарай бос ДНҚ аймақтарына таралуын тудырады, яғни. нуклеосомалық құрылымның жоғалуы.

Мінез-құлық: эволюциялық көзқарас Курчанов Николай Анатольевич

1.2. Генетикалық материалды ұйымдастыру

Генетикалық аппараттың құрылымдық-қызметтік ұйымдастырылуы барлық тірі организмдердің прокариоттар мен эукариоттарға бөлінуін анықтайды. Прокариоттарда (оларға бактериялар мен архейлер кіреді) ДНҚ дөңгелек молекуламен ұсынылған және жасуша цитоплазмасында орналасады. Эукариоттарда (оларға барлық басқа организмдер кіреді) ДНҚ генетикалық ақпараттың құрылымдық тасымалдаушысы болып табылады. хромосомалар,ядросында орналасқан.

Хромосомалар – ДНҚ әртүрлі ақуыздармен әрекеттесетін күрделі көп деңгейлі құрылым. Бұл құрылымның базалық деңгейі нуклеосомаларсегіз белок молекуласының глобулдары болып табылады гистондар,біріктірілген ДНҚ. Нуклеогистон тізбегі одан әрі көп рет бүктеліп, жинақы хромосомалар түзеді. Бұл құрылым реттеуге кең мүмкіндіктер ашады.

Ағзадағы гендердің саны хромосомалардың санынан салыстыруға келмейтіндей көп болғандықтан, әрбір хромосома көптеген гендерді тасымалдайтыны анық. Әрбір ген хромосомада белгілі бір орынды алады. локус.Бір хромосомада орналасқан гендер деп аталады байланысты.

Ядродан басқа, эукариоттық жасушаның генетикалық ақпаратының аз бөлігі митохондриялар мен хлоропластар сияқты органоидтарда орналасады, олардың өздерінің генетикалық жүйесі бар: өзіндік ДНҚ, әртүрлі РНҚ (i-РНҚ, т-РНҚ, r. -РНҚ) және рибосомалар тәуелсіз синтездеуге мүмкіндік береді. Бұл органеллалардың дөңгелек ДНҚ өмірдің пайда болуының басында олардың бактериялық симбиотикалық шығу тегі пайдасына маңызды дәлел болды.

Эукариоттардың жасушалық ядросы транскрипция және трансляция процестерін ажыратады, бұл реттелуге кең мүмкіндіктер береді. Реттеу эукариоттық ген экспрессиясының барлық кезеңдерінде жүреді. Олардың қосымша қадамы өңдеу -транскрипция кезінде синтезделген РНҚ-ның күрделі түрлену процесі. мРНҚ өңдеудің ең маңызды құрамдас бөлігі болып табылады қосу,кесу орындалатын жерде интрондар(геннің кодталмаған аймақтары) және кросс-байланыс экзондар(кодтау аймақтары). Экзондар мен интрондар эукариоттық гендердің «мозаикалық» құрылымын анықтайды. Дәл өңдеудің нәтижесінде ядрода синтезделген РНҚ функционалдық белсенділікке ие болады.

Реттеудің алуан түрлі механизмдерін түсіну біздің қазіргі уақытта генетикалық аппараттың құрылымдық және функционалдық ұйымы туралы түсінігімізде түбегейлі өзгерістер туғызды.

Қазіргі генетиканың негізін салушылардың бірі, көрнекті дат ғалымы В.Иогансен (1857–1927) жеке адамның генетикалық ерекшеліктерін анықтайтын негізгі генетикалық терминдерді – ген, аллель, генотип, фенотипті ұсынды.

Олардың локустарында орналасқан гендердің − нұсқалары болуы мүмкін аллельдер.Популяцияда бір аллельден көп болатын локус полиморфты деп аталады. Әдетте, аллельдер латын немесе грек алфавитінің әріптерімен белгіленеді, ал егер олардың көпшілігі болса, онда үстіңгі жазумен белгіленеді. Ағзалардың популяцияларындағы әртүрлі гендердің аллельдерінің саны әртүрлі болуы мүмкін. Кейбір гендердің аллельдері көп, басқаларында аз. Қалай болғанда да, аллельдердің саны эволюциялық факторлармен шектеледі: түрдің бейімделу қасиеттерін нашарлататын немесе тіршілікпен үйлеспейтін аллельдер табиғи сұрыптау арқылы жойылады.

Белгілі бір эукариоттық организмде бір геннің тек екі аллелі болады: гомологиялық хромосомалардың гомологтық локустарының саны бойынша (әке және ана). Екі аллельдері де бірдей организм деп аталады гомозиготалы(осы ген үшін). Әртүрлі аллельдері бар ағзалар деп аталады гетерозиготалы(1.4-сурет). Гетерогаметикалық жыныстың жыныстық хромосомаларында локализацияланған аллельдер сингулярлы түрде болуы мүмкін.

Генотипорганизмнің аллельдерінің жиынтығы ретінде ұсынылуы мүмкін, және фенотип -оның сыртқы белгілерінің жиынтығы ретінде.

1920 жылы неміс ботанигі Г.Винклер (1877–1945) енгізген термин. геномбелгілі бір жеке адамға емес, тұтас бір организм түріне тән қасиет болды. Бұл тұжырымдама кейін ең маңыздыларының біріне айналды. 1980 жылдарға қарай 20 ғасыр генетиканың жаңа саласы геномика пайда болуда. Бастапқыда геном гаплоидты гендердің локустарының жиынтығы ретінде сипатталды. Дегенмен, гендердің өзі геномның негізін құраса да, салыстырмалы түрде аз бөлігін алып жатқаны белгілі болды. Олардың көпшілігін реттеу функциясы бар аймақтар, сондай-ақ баратын жері белгісіз аймақтар бар генаралық аймақтар алып жатыр. Реттеуші аймақтар гендермен тығыз байланысты, олар организм дамуының әртүрлі кезеңдеріндегі гендердің жұмысын анықтайтын өзіндік «нұсқаулар» болып табылады. Сондықтан геном қазіргі уақытта түрдің ДНҚ-сына тән жасушаның ДНҚ-ның бүкіл жиынтығы деп аталады.

Генетика дамуының қазіргі кезеңінде геномика оның негізгі бөлімдерінің біріне айналуда. Геномиканың жетістігі адам геномы бағдарламасының сәтті аяқталуы арқылы анық көрсетілді.

Күріш. 1.4. Екі гомологтық хромосоманың байланысқан гендерінің аллельдері

Микробиология кітабынан: дәріс конспектісі автор Ткаченко Ксения Викторовна

1. Бактериялардың тұқым қуалайтын материалының ұйымдастырылуы Бактериялардың тұқым қуалайтын аппараты ДНҚ молекуласы болып табылатын бір хромосомамен бейнеленген, ол спиральданған және сақинаға бүктелген. Бұл сақина бір нүктеде цитоплазмалық мембранаға бекітіледі. Үстінде

«Ауылшаруашылық өркениетінің дағдарысы және генетикалық түрлендірілген организмдер» кітабынан автор Глазко Валерий Иванович

Тамақ өнімдерінде бөгде генетикалық материалды анықтау тәсілдері

ЖАРАТУШЫНЫҢ МӘРБАСЫ кітабынан. Жердегі тіршіліктің пайда болуы туралы гипотеза. автор Филатов Феликс Петрович

Екінші бөлім? Генетикалық кодтау машинасы

«Психофизиология негіздері» кітабынан автор Александров Юрий

11-тарау. Генетикалық кодтау механикасы (XI) Бұл туралы кез келген оқулықтан оқуға болады. Дегенмен - келесі пайымдауды түсінуді жеңілдету үшін - кодтау машинасының жұмысына өте қысқаша тоқталайық. Барбиери мұндай машиналардың пайда болуына байланысты

Фенетика кітабынан [Эволюция, популяция, белгі] автор Яблоков Алексей Владимирович

Үшінші бөлім? Генетикалық кодтаудың арифметикасы

«Жаратушының бренді» кітабынан автор Филатов Феликс Петрович

А тарау. Генетикалық кодтың аналогтық кестелері (XIII) Генетикалық код кестесін ретке келтіруге және оны ұтымды негізде құруға бірінші әрекет жасаған біздің көрнекті ғалым Юрий Борисович Румер болды. Ол физик, Макс Борнның шәкірті, Альберт Эйнштейнді жақсы білетін,

Автордың кітабынан

B тарауы. Барион Генетикалық кодты цифрлау (XIV) ФОРМАТТАРЫ 1D және 2D Қатаң айтқанда, жүйенің сақталған кванттық саны барион саны деп аталады. Бұл тақырыпты тереңдетудің қажеті жоқ. Барионның элементар бөлшек екенін есте ұстаған жөн шығар,

Автордың кітабынан

8.6. Мінез-құлықтың жүйелі ұйымдастырылуын зерттеу үшін патология материалының маңызы

Автордың кітабынан

Мутация процесі – эволюциялық материалды бірінші жеткізуші Элементарлы эволюциялық факторлар популяцияларға әсер ету сипаты мен сипаты бойынша, сондай-ақ олардың популяцияларға көрсететін қысымының нәтижелері бойынша ажыратылады. Сонымен қатар қажетті және жеткілікті

Автордың кітабынан

Популяцияның ауытқуы – эволюцияның материалының екінші жеткізушісі Ең маңызды эволюциялық факторлардың бірі – особьтар санының мерзімдік өзгеруі, популяциялық толқындар. Бұл жағдайда біз бір-бірін алмастыратын оң және теріс бағыттағы ауытқулар туралы айтып отырмыз.

Автордың кітабынан

Популяцияның генетикалық құрамының динамикасын зерттеу Бұл кітаптың басында қазіргі популяциялық зерттеулердің маңызды міндеттерінің бірі табиғи популяциялардағы ең әртүрлі эволюциялық жағдайлар туралы материалдар алу, атап айтқанда,

Автордың кітабынан

А тарау. Генетикалық кодтың аналогтық кестелері (XIII) Генетикалық код кестесін ретке келтіруге және оны ұтымды негізде құруға алғаш әрекет еткен біздің көрнекті ғалым Юрий Борисович Румер болды. Ол физик, Макс Борнның шәкірті, Альберт Эйнштейнді жақсы білетін,

Автордың кітабынан

B тарауы. Барион Генетикалық кодты цифрландыру (xiv)

Тұқым қуалаушылық және өзгергіштік материалының химиялық ұйымдасуы бойынша эукариоттық және прокариоттық жасушалар бір-бірінен түбегейлі айырмашылығы жоқ. Олардың генетикалық материалы ДНҚ арқылы ұсынылған. Оларға ортақ генетикалық ақпаратты тіркеу принципі, сонымен қатар генетикалық код. Бірдей аминқышқылдары бірдей кодондармен про- және эукариоттарда шифрланады. Негізінде, ДНҚ-да сақталған тұқым қуалайтын ақпаратты пайдалану жасушалардың бұл түрлерінде дәл осылай жүзеге асырылады. Алайда эукариоттық жасушаларды прокариоттық жасушалардан ажырататын тұқым қуалайтын материалды ұйымдастырудың кейбір ерекшеліктері олардың генетикалық ақпаратын пайдалануда айырмашылықтарды тудырады.

Прокариоттық жасушаның тұқым қуалайтын материалы негізінен бір дөңгелек ДНҚ молекуласында болады.

Эукариоттардың тұқым қуалайтын материалы прокариоттарға қарағанда көлемі жағынан үлкен. Ол негізінен орналасқан хромосомаларцитоплазмадан ядролық қабықпен бөлінген.

Эукариоттық жасушалардағы гендердің молекулалық ұйымында айтарлықтай айырмашылықтар бар. Олардың көпшілігінде кодтау тізбегі бар экзондарүзілді интронтРНҚ, рРНҚ немесе пептидтердің синтезінде пайдаланылмайтын учаскелер. Бұл аймақтар бастапқы транскрипцияланған РНҚ-дан жойылады, сондықтан эукариоттық жасушада генетикалық ақпаратты пайдалану біршама басқаша жүреді. Тұқым қуалайтын материал мен ақуыз биосинтезіне арналған аппарат кеңістікте бөлінбеген прокариоттық жасушада транскрипция мен трансляция бір уақытта дерлік жүреді. Эукариоттық жасушада бұл екі кезең ядролық қабықпен кеңістікте ғана бөлініп қоймайды, сонымен қатар олар уақыт бойынша мРНҚ жетілу процестерімен бөлінеді, олардан ақпаратсыз тізбектерді жою керек.

Генетикалық материалдың химиялық ұйымдастырылуы.

гендік деңгей.

Белгілі бір түрдің жасушасының немесе ағзасының жеке белгісінің даму мүмкіндігін анықтайтын генетикалық аппараттың элементарлы функционалдық бірлігі болып табылады. ген(Г.Мендель бойынша тұқым қуалайтын депозит). Гендерді жасушалардың немесе ағзалардың ұрпақтарының тізбегінде тасымалдау арқылы материалдық сабақтастыққа қол жеткізіледі - ұрпақтардың ата-аналық белгілердің тұқым қуалауы.

астында белгісіорганизмдердің (жасушалардың) морфологиялық, физиологиялық, биохимиялық, иммунологиялық, клиникалық және кез келген басқа дискреттілігінің бірлігін түсіну, яғни. олар бір-бірінен ерекшеленетін жеке сапа немесе қасиет.

хромосома деңгейі.

Эукариоттық жасушалардың гендері хромосомаларға таралып, тұқым қуалайтын материалдың ХРОМОСОМАЛЫҚ ұйымдасу деңгейін құрайды. Ұйымдастырудың бұл деңгейі жыныстық көбею (кроссинг-over) кезінде гендердің байланысы мен ұрпақтардағы ата-аналық гендердің қайта бөлінуінің қажетті шарты ретінде қызмет етеді.

Хромосомалар- эукариот жасушасының ядросындағы тұқым қуалайтын ақпараттың көп бөлігі шоғырланған және оны сақтауға, жүзеге асыруға және тасымалдауға арналған нуклеопротеиндік құрылымдар.

геномдық деңгей.

Геном -организмнің белгілі бір түрінің жасушаларының хромосомаларының гаплоидты жиынтығындағы тұқым қуалайтын материалдың бүкіл жиынтығы. Геном түрге тән, өйткені бұл организмдердің қалыпты онтогенезі кезінде олардың түрлік белгілерінің қалыптасуын қамтамасыз ететін гендердің қажетті жиынтығы.

Геннің құрылымы.

Тұқым қуалайтын материалдың химиялық табиғатын анықтауға бағытталған зерттеулер тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің заттық субстраты болатынын даусыз дәлелдеді. нуклеин қышқылдары,ірің жасушаларының ядроларында Ф.Мишер (1868) ашқан. Нуклеин қышқылдары макромолекулалар, яғни. жоғары молекулалық салмаққа ие. Бұл мономерлерден тұратын полимерлер. нуклеотидтероның ішінде үш компонент: қант(пентоз), фосфатжәне азотты негіз(пурин немесе пиримидин). С-1′ пентозаның молекуласындағы бірінші көміртек атомына азотты негіз (аденин, гуанин, цитозин, тимин немесе урацил), ал эфирлік байланыс арқылы бесінші көміртегі атомына С-5′ фосфат қосылады; үшінші көміртегі атомы С-3' әрқашан гидроксил тобына ие - OH.

Нуклеотидтердің нуклеин қышқылының макромолекуласына қосылуы бір нуклеотидтің фосфатының басқа нуклеотидтің гидроксилімен өзара әрекеттесуі нәтижесінде олардың арасында орнатылады. фосфодиэфирлік байланыс. Нәтижесінде полинуклеотидтік тізбек пайда болады. Тізбектің діңгегі кезектесіп тұрған фосфат пен қант молекулаларынан тұрады. Жоғарыда аталған азотты негіздердің бірі пентозаның молекулаларына С-1' позициясында бекітілген.

ДНҚ құрылымы, қасиеттері және қызметі.

ДНҚ нуклеотидтерден тұрады, оның құрамына қант – дезоксирибоза, фосфат және азотты негіздердің бірі – аденин, гуанин, тимин, цитозин кіреді. ДНҚ молекулалары бір-бірімен белгілі бір жолмен байланысқан екі полинуклеотидті тізбекті қамтиды. Уотсон мен Крик бұл тізбектер комплементарлылық принципі бойынша олардың азотты негіздері арасындағы сутектік байланыстар арқылы бір-бірімен байланысады деп ұсынды. Бір тізбектің аденині екінші тізбектің тиминімен екі сутектік байланыс арқылы байланысады, ал әртүрлі тізбектегі гуанин мен цитозин арасында үш сутектік байланыс түзіледі. Азотты негіздердің мұндай байланысы екі тізбектің берік байланысын қамтамасыз етеді және олардың арасында бірдей қашықтықты сақтайды. ДНҚ молекуласындағы екі полинуклеотидті тізбектің тағы бір маңызды белгісі олардың антипараллельдігі болып табылады: бір тізбектің 5 ұшы екіншінің 3 ұшымен жалғасады және керісінше. Рентгендік дифракция деректері екі тізбектен тұратын ДНҚ молекуласы өз осінің айналасында бұралған спираль түзетінін көрсетті. Спираль диаметрі 2 нм, қадам ұзындығы 3,4 нм. Әрбір айналымда 10 жұп нуклеотидтер болады. Бұл. ДНҚ молекуласының құрылымдық ұйымында біріншілік құрылымды – полинуклеотидтік тізбекті, екіншілік – екі комплементарлы және антипараллельді тізбекті және үшіншілікті ажыратуға болады.

Құрылым үш өлшемді спираль болып табылады.

ДНҚ өздігінен көшіруге – репликацияға қабілетті. Репликация процесінде аналық ДНҚ молекуласының әрбір полинуклеотидтік тізбегінде комплементарлы тізбек синтезделеді. Нәтижесінде бір ДНҚ қос спиралінен екі бірдей қос спираль түзіледі. Әрбір еншілес молекуланың бір ата-анасы және бір жаңадан синтезделген тізбегі бар молекулаларды екі еселеу тәсілі жартылай консервативті деп аталады. Репликация болуы үшін аналық ДНҚ бір-бірінен аналық молекулалардың комплементарлы тізбектері синтезделетін шаблонға айналуы керек. Геликаза ферментінің көмегімен ДНҚ-ның бөлек аймақтардағы қос спиралі босап шығады. Алынған бір тізбекті аймақтар арнайы тұрақсыздандыратын ақуыздармен байланысады. Бұл белоктардың молекулалары полинуклеотидтік тізбектердің бойымен түзіліп, олардың омыртқасын созып, азотты негіздерді комплементарлы нуклеотидтермен байланысу үшін қолжетімді етеді. Репликация аймақтарындағы полинуклеотидтік тізбектердің дивергенция аймақтары репликациялық айырлар деп аталады. Әрбір осындай аймақта ДНҚ-полимераза ферментінің қатысуымен екі жаңа еншілес молекуланың ДНҚ-сы синтезделеді. Синтез процесінде репликациялық шанышқы барлық жаңа аймақтарды басып, ата-аналық спираль бойымен қозғалады. Репликацияның соңғы нәтижесі - нуклеотидтер тізбегі бастапқы ДНҚ қос спиральіне ұқсас екі ДНҚ молекуласының түзілуі,