Молекулалық биология

   Молекулалық биологияның қарқынды  дамуының нәтижесінде ХХ ғасырдың 80 жылдарының басында жаңа ғылым  саласы биоинформатика (сандық биология, компьютерлік гентика) дүниеге келді.

ХХ ғасырдың молекулалық биология кеңейе түсті, біршама міндеттері: геном құрылымының құпиясын ашу, гендер банкін құру, геномдық дактилоскопия; клеткалардың жітклеуінің, биоалуантүрліліктің, дамудың және қартаюдың, канцерогенездің (қатерлі ісіктің пайда болуы), иммунитеттің молекулалық негіздерін зерттеу және т.б.; генетикалық, вирустық ауруларды анықтау және емдеудің әдістерін ашу; азық-түлік және әртүрлі азықтық биологиялық белсенді қосылыстар (гормондар, энергия сақтаушы заттар, релизинг-фатор) өндірісінің жаңа биотехнологиясын жасау.

Қазақстандағы молекулалық биология

Қазақстанда молекулалық биология саласындағы ғылыми зерттеулер XX ғасырдың 50-жылдарының аяғында Қазақстан Ғылым Академиясының Ботаника институтында басталды. Академик М.Айтхожинның басшылығымен рибосомалардың құрылымы зерттеліп, соның нәтижесінде рибосомалар мен рибонуклеопротеидтердің (мысалы, вирустар) құрылымында айтарлықтай айырмашылықтар бар екені анықталды. Бұл жаңалық – жануарлар клеткасының цитоплазмасында информосома түрінде болатын ақпараттық РНҚ (аРНҚ) бар екенін көрсетті. Молекулалық биология саласындағы зерттеулер, әсіресе, Қазақстан Ғылым Академиясының молекулалық биология және биохимия институты ашылғаннан кейін (1983) дами түсті.

Өсімдік клеткасындағы информосомалар, яғни, бос цитоплазмалық, полисомды-байланысқан және ядролы белоктардың (РНҚ-ны қоса) және төменгі молекулалы РНҚ-ның физика-химиялық қасиеттері зерттеліп, олардың өсімдік эмбриогенезі мен дамуы кезінде белок биосинтезі мен биогенезін реттеуге қатысатыны анықталды. Соның нәтижесінде функционалды белсенді әркелкі (гетерогалды) будан рибосомалары құрастырылды. Бұрын белгісіз болып келген өсімдік клеткаларындағы (қалыпты және стресс жағдайында) зат алмасу процесінің маңызды бөліктеріндегі (азотты, көмір сулы, фенолды) ферментті кешендердің реттелу механизмі ашылды. Бұл техникалық және астық дақылдарының бағалы шаруашылық белгілерін қалыптастыру бағытының ғылыми негізін салуға мүмкіндік берді. Азот алмасу кезіндегі маңызды ферменті – НАДФ-ГДГ-ны (никотинамидадениндинуклеотидфосфат-глютаматдегидрогенез) активациялаудың жаңа жолы анықталды. Қазақстан өсімдіктерінен жасалынған биологиялық активті заттардың биотехнологиясы жетілдірілді. Қазір республикада молекулалық биология саласы бойынша: геномды құрастыру, экспрессиясы және оның реттелуі, клетканың маңызды полимерлері белок пен нуклеин қышқылының құрылымы мен қызметі, өсімдіктердің гендік инженериясы, молекулалық иммунология мәселелері зерттелуде.

Өзін өзі тексерудің сұрақтары:

1 Молекулалық  биология пәні нені оқытады?

2 Молекулалық  биологияның міндеті зерттеу  әдстері

Әдебиеттер: 1-7( негізгі), 8- 16 (қосымша)     

№ 2 дәріс тақырыбы. Молекула аралық қарым-қатынас және олардың тірі жүйеде қызмет етудегі рөлі. Сигналдық қарым-қатынастардың жасуша аралық және жасуша ішілік механизмдері.

Жалпы сұрақтары: Молекулалық биологияда қолданылатын  әдістер. Ағзадағы химиялық сигнал беру. Ақуыз -ақуыздық қарым-қатынас және олардың  жасуша үстілік құрылымдардың және  ақуыз-мультимерлердің өзіндік жинақталуындағы мәні. Клетка аралық химиялық сигнал беру және оның типтері.

Пайдаланатың құралдар: проектор, слайдтар

   Микроскопия  әдісінің тарихы XVII ғасырдан басталады. 1611 жылы Й.Кеплер жарық микроскопын жасау принципін ұсынды, ал алғаш рет 1638 жылы А.Левенгук жарық микроскопы көмегімен  бірклеткалы бактерияларды бақылады. Дәл осы шешуші қабілеті 0,4-0,7 мкм-ге дейін болатын жарық микрокопы М.Шлейден мен Т.Шваннға 1838 жылы жасуша теориясын ашуға мүмкіндік берді. Микроскопияның дамуында итерфернциялы, фазалы-контрастты, электронды микроскоптардың ашылуы маңызды кезеңдер болды.

   Электронды микроскоп шешуші  қабілеті 0,1 нм-ге дейін болады, осының  арқасында вирустардың, клеткаішілік  оганеллалардың, ақуыз-нуклеинді комплекстердің  құрылымын зерттеуге мүкіндік береді.

Рентгенқұрылымдық талдау әдісі– рентген сәулелерінің дифракциясына негізделген; цитоплазма мен ядроның құрамына кіретін ақуыздардың, нуклеин қышқылдарының және басқа заттар молекулаларының құрылысын зерттеу үшін қолданылады. Бұл тәсіл молекулалардың құрамындағы атомдардың кеңістіктегі орналасуын анықтауға, олардың ара қашықтықтарын өлшеуге мүмкіндік береді. Билоогиялық маңызды молекулаларды, әсіресе ақуыз немесе нуклеин қышқылдарының молекулаларына құрылымдық талдау жасау көптеген қиындықтармен жүреді, себебі олардың құрамындағы атомдардың саны өте көп. Аталған молекулалардың сырт пішінін анықтаудың биологиялық функцияларды білу үшін маңызы өте зор.

Рентгенқұрылымдық талдау әдісінде зерттелетін объектіге (гемоглобиннің, ДНҚ-ң кристалдары) рентген сәулелері бағытталып, пайда болған дифракциялық бейнесі фотоппленкаға тіркеледі. Бұл әдістің көмегімен ақуыз, ДНҚ, РНҚ молекулаларының құрылымы жөнінде мәліметтер алынды.

Радиоактивті изотоптар – тірі клеткадағы ақуыз, нукленин қышқылдары, көмірсу және т.б. молекулаларды зерттеу үшін қолданылады. Рабиоактивті молекулалар мынадай алуан түрлі клеткаішілік процестерді зерттеу кезінде қолданылады: молекулалардың өздерінің ізашарларынан синтезделуі, молекулалардың клеткаішілік локализациясын, олардың жұмыс істеу уақыттарын, макромолекулалардың жекелеген аймақтарындағы химимялық өзгерулерін анықтау.

Ультрацентрифугалау – 1926 жылы Т.Сведберг аналитикалық центрифуганы ашқан соң кең қолданысқа ие болды. Клетканың тығыздығы әртүрлі болып келетін компоненттерін центрифугалау тәсілі арқылы бір-бірімен қоспай белек зерттеуге болады. Аналитикалық центрифуга көмегімен Т.Сведберг гемоглобиннің молекулалық массасын анықтады. 40-50 жылдары А.Клоди мен Ж.Браше клетка органеллаларын бөліп алуға арналған диффернциалды центрифугалау әдісін жасады, бұл әдіс көмегімен Де Дюв алғаш рет 1953 жылы лизсосманы кейін пероксисоманы бөліп алды.

Храматография. Қазіргі уақытта храматографияның көптеген нұсқалалры бар, мысалы әртүрлі типтегі матрикстерді (тасымалдаушыларды) қолданатын, ақуызды зарядына байланысты (ионалмасу храматография), молекулалар мөлшеріне байланысты (гель-храматография) немесе матрикспен аздаған байланыстағы заттардың химимялық топтарымен ерекше өзара әрекеттістіктеріне ажыратуға мүмкіндік беретін және т.б.

Электрофорез – бұл әдістің негізінде белгілі бір оң немесе теріс зарядтар жиынтығына ие ақуыздардың молекулаларының пішіні мен көлемі, зарядының мөлшеріне сәйкес элетрлік жазықьықта қозғалу қабілеті жатыр. Электрофорезді сулы (буферлік) ерітіндіде, крахмалды, агарлы, полиакрилді-амидті гелде, целлюлозалы, нитроцеллюлозалы пластинкаада жүргізуге болады. Электрофорез әдісінде ДНҚ-ны гельмен беті жабылған пластинкаға орналастырады. Мұнда көлемі жағынан кішкене бөліктер ірі бөліктерге қарағанда жылдам ауысады. Он шақты нуклеотидтері бар мини-сателлиттер арнайы радиоактивті «зондтар» аркылы бөлініп алынады.

Клетка өсінділері (культуралары) әдісі. Кейбір ұлпаларды жеке-жеке клеткаларға бөлгеннен кейін, жекеленген клеткалар өз тіршіліктерін жалғастырады, тіпті көбею қасиетін жоғалтпайды. Эмбрион немесе кейбір жеке клеткалар қолайлы ортада ағзадан тыс өсіп, көбейе алатындығын алғаш рет американ эмбрилогы Р. Гаррисон (1879-1959) дәлелдеген. Клетканы культуралау техникасын әрі қарай дамытқан француз биологы А. Каррель (1873-1959) болды.

Бұл әдістің ең қарапайым тәсілі келесідей: қоректік ортаға толы камераға тірі ұлпаның кесегі салынады. Біраз уақыт өткеннен кейін ұлпа кесегінің шетіндегі клеткалар бөлініп өсе бастайды. Өзге жағдайда ұлпаның кесілген кішкентай кесегі трипсин ферменті немесе хелатон версен ферменті ерітінділерімен сәл өңделеді, бұл клеткалардың толық бытырап кетуіне әкеп соғады. Содан соң клеткаларды шайып қоректік ортаға салады, онда клеткалар тұнбаға түседі де, шыныға жабысып көбейе бастайды, алдымен олар колониялар түзеді, соңынан клеткалық қабат түзеді.

Осылай тірі кезінде бақылауға ыңғайлы, бірқабатты клеткалар өсіндісі алынады. Өсінді өсіру кезінде қоректік ортадан басқа температура, стерильділік сияқты факторлар ескерілген жөн. Культурада өсімдік клеткаларын өсіруге болады.

Көп клеткалы организмдердің эволюциясы клеткалардың бір-бірімен байланыс ұстап тұру қабілеттеріне негізделген. Бұл қабілет клетка дамуын реттеу үшін және олардың ұлпаларда ұйымдасуы үшін, клетканың өсуі мен бөлінуін бақылау үшін және олардың әртүрлі белсенділіктерінің үйлесімділігі үшін қажетті. Клеткааралық іс-қимылдың негізгі маңызы мен күрделілігі жоғары сатыдағы жануарларда барлық гендердеің маңызды бөлігі осы процестермен байланысты деп болжауға мүмкіндік береді.

Клеткалара бір-бірімен үш түрлі жолмен байланысады: олар әртүрлі қашықтықта орналасқан клеткаларға сигналдар жеткізуші химиялық заттар бөліп шығарады; плазмалық мембранамен байланысқан, басқа клеткаларға әсер ететін, басқа клеткалармен тікелей жалғастыратын молекулалық сигналдар шығарады;екі клтеканың цитоплазмасын тікелей байланытыратын жалғамалар құрады.

Химиялық сигнализацияның үш типі белгілі:дене клеткаларының көпшілігі локальды (жергілікті) химиялық медиатор болып табылатын бір немесе бірнеше сигналды заттар бөліп шығарады, олар өте тез бұзылып, сіңіріліп кететіндіктен тек жақын орналасқан клеткаларға әсер етіп қана үлгереді; маманданған эндокринді клеткалар гормондар бөліп шығарады. Гормондар қанға аралысып, нысана клеткаларға әсер етеді. Нысана-клеткалар организмнің әртүрлі бөлімдерінде кездесуі мүмкін; жүйке клеткалары өздерінің нысана-клеткалары арқылы маманданған жалғамалар (химиялық синапстар) жасайды және тек өте жақын қашықтықтағы клеткалармен әрекеттесетін, тек бір ғана нысана-клеткаға әсер ететін химиялық заттар – нейромедиаторлар бөліп шығарады.

Эндокринді және жүйке клеткалары химиялық сиганлизацияға арналған, олар жоғары сатыдағы жануарлардың денесін құрайтын миллиардтаған клеткалар белсенділігінің әр алуан түрлерін бірлесіп үйлестіріп тұрады.

Нерв клеткалары ақпаратты эндокринді клеткаларға қарағанда жылдам жеткізеді, олар сиганлдарды алыс қашықтыққа жеткізу үшін диффузия мен қан ағысына мұқтаж емес, сигнал нерв талшықтары арқылы электрлік импульстер түрінде жылдам өткізіледі. Тек нейромедиаторлар бөлініп шығатын нерв түйіндерінде бұл импульстар химиялық синапстарға айналады. Нейромедиатор нысана-клеткаларды микроскопиялық қысқа қашықтыққа бірнеше миллисекунд ішінде диффузиялық жолмен жекізеді. Қан ағысында гормондар өте қатты сұйылғанда және әдеттен тыс төмен концентрацияда әрекет етуі тиіс болған кезде, нейромедиаторлардың сұйылуы маңызды емес және олардың концентрациясы нысана-клетканың белгілі бөлімдерінде жоғары болуы да мүмкін.

Гипоталамус – эндокринді жүйенің негізгі реттеушісі. Мидың белгілі бөлімінде – гипоталамуста нерв жүйесі және эндокриндік жүйе физикалық және функционалдық жағынан бір-бірімен байланысады. Гипоталамус гипофиздің тура артында орналасқан және онымен гипофиз сабақшасы арқылы байланысқан. Гипоталамус өзінің негізгі қызметін нейрондар мен эндокринді клеткалардың ерекшеліктеріне бірдей ие клеткалар (олардың бір мезетте электрлік импульстерді өткізетін және қанға сигналдық молекулаларды бөліп шығаруға қабілетті өсінділері бар) көмегімен жүзеге асырады. Мұндай клеткаларды нейросекреторлы клеткалар деп атайды. Гипоталамустың нейросекреторлы клеткалары мидың жоғарғы бөлігінің нейрондарының қолдауы нәтижесінде гипофиз сабақшасының қан тамырларына белгілі пептидті гормон бөліп шығарады, ол гипофизбен басқа бір гормонның секрециясын ынталандырады немесе тежейді.

Гипоталамустың бақылауында болатын гипофиздің көпшілік гормондары қандай да бір басқа эндокринді безді ынталандырып (қолдап) қанға үшінші бір горсонның бөдініп шығыуына себеп болады. Олай болса, гипоталамус эндокринді жүйенің негізгі реттеушісі болып табылады.

   Әртүрлі клеткалар бірдей химиялық  сигналдарға әртүрлі жауап қайтарады. Клеткалардың белгілі клеткаішілік  сиганлдық молекулаларға жауап  қайтару қабілеті оларды молекулалармен  байланыстыратын белок-рецепторлардың болуымен байланысты. Ересек жануарлардың көпшілік клеткалары қандай да бір қызмет атқаруға маманданған және олар барлық химиялық сигналдарға жауап беруге мүмкіндік беретін, осы қызметті іске асыратын және өңдейтін өзіндік рецепторлар жиынтығына ие.

Көпшілік химиялық сигналдардың нысана-клеткаларға әсер етуі ең ақырында онда жүріп жатқан белок синтезінің жылдамдығының немесе қасиетінің өзеруіне, не болмаса жаңа белоктардың синтезінің басталуыныа әкеледі. Әртүрлі нысана-клеткаларда сигналдық молекулалар жиі-жиі әртүрлі белоктармен жанасып, әртүрлі әсерлер көрсетеді. Ацетихолил қаңқа бұлшықеттері клеткаларының жиырылуын жылдамдатады, бірақ жүрек бұлшықеті клеткаларының жиырылу күші мен жиілігін баяулатады.

Клетканың өмірі физикалық әсерлер (температура, электромагниттік сәулелену) немесе химиялық қосылыстар сияқты сыртқы реттеуші сигналдарға немесе клеткалық сигналдарға тәуелді. Организм клетканың тіршілік әрекетін реттеу үшін қолданатын, жақсы зерттелген заттарға, мысалы, стероидты гармондар, цитокиндер немесе өсу факторлары жатады. Олар нысана-клеткаларға жетісімен гендер тобының дәлдігінің өзгеруімен байланысты зат алмасу өзгерістерін туғызады. Шығу тегі экзогенді болып табылатын феромондер немесе токсиндер  біршама күшті және ерекше жауап туғызады. Қоршаған ортадағы, соның ішінде, организмдегі басқа клеткалар келген сигналдарға сәйкес жауап қайтару үшін клетка оларды қабылдап, осы сигналдар арқылы алынған нұсқауларға сәйкес өз жағдайын өзгертуі тиіс.

Алынған сигналдарға байланысты клетка бірнеше міндеттері орындауы тиіс: 1) сигналды басқа сигналдардан ажырата білу; 2) оны нұқауға сай жеткізу; 3) Қабылданған сигналға сәйкес жауап қайтару; 4)Сигнал клетканы қоршаған ортадан жоғалған соң бірден жауап қайтару жүйесінің жұмысын тоқтату.

Сигналды нұсқауға сай жеткізу қиындықтарға байланысты. Келген сигнал әлсіз болса оны клетка ішіндегі клеткаішілік қабылдағыштар қабылдауы үшін клтка оны күшейтуі тиіс. Клетка бұл мәселені сигналды күшейтудің каскадты (сарқылмайтын) механизмі арқылы шешеді. Сигналды молекулалар арқылы тасымалданатын сигналдар ларға жауап ретінде клеткада жүретін биохимиялық реакциялардың каскадтарына қатысты бірінші реттік болып табылады.