Молекулалық биология

Канадалық ғалым Барр (1908 – 1995) және оның  студенті Бертрам  1949 жылы Барр денешігі деп аталатын құрылымды ашқан, немесе Х-жыныс хроматині.

Барр — денешігі әйелдердің жұмыртқаклеткаларында кездеседі. Жыныс хроматині — ұрықтың жынысын ерте анықтауға мүмкіндік береді. Кариотип (грекше karyon – жаңғақ, жаңғақ ядросы және typos – үлгі, пішін) – жануарлар мен өсімдіктердің жүйлік (систематикалық) тобының бір сипаттамасы, олардың дене клеткаларындағы  хромосомалардың диплоидты жиынтығы. Кариотиптер хромосомалардың саны,  центромераларының орналасуы, көлемі, пішіні, екінші реттік тартылулары және тағы басқа белгілерімен сипатталады.

Тұқым қуалаушылықтың хромосомалық теориясы. Гендер хромосомада бір сызықтың бойымен тізбектеле орналасқан. Әр геннің хромосомада нақтылы орны (локус) болады; бір хромосомада орналасқан гендер тіркесу топтарын құрайды. Тіркесу топтарының саны сол организмге тән хромосомалардың гаплоидты санына сәйкес келеді; Ұқсас хромосомалардың арасында аллельді гендердің алмасуы жүреді; хромосомадағы гендердің ара қашықтығы айқасу жиілігіне тура пропорционал.

  Томас Хант Морган (американдық биолог, генетиканың негізін салушылардың бірі,  « Тұқым қуалаушылықтың хромосомалық теориясының » негізін қалаған еңбегі үшін   Нобель сыйлығының Лауреаты атағына ие болды.

  Митоз хромосомаларының морфологиясы. 
          Хромосомалардың морфологиясын митоздың метафаза кезеңінде жақсы тексеруге болады. Өсімдіктер мен жануарлар клеткаларында хромосомалар таяқша тәрізді, ұзынша келеді. Хромосоманың ең жіңішкерген жері бірінші үзбесі оны екі иыққа бөледі. Осыған байланысты хромосомалар морфологиясына қарай 3 топқа бөлінеді:

Хромосоманың қызметтері. Ақпараттық және РНК белоктарының клеткадағы координациясы мен  регуляциясын белоктардың біріншілік құрылымының синтезі арқылы жүзеге асырады.

Хромосома ( грекше"хромо-бояу,"сома"-дене ) - клетка ядросының  құрамында нәсілдік информациясы ДНК бар ген орналасқан өздігінен екі еселене алатын, арнайы бояулармен боялатын негізгі құрылым бөлігі.

Хромосома алғаш рет 19 ғасырдың  70-ші жылдары белгілі болды және1883жылы  неміс ғалымы В.Вальдейер "хромосома" деген атауды ұсынды.

Хромосома өсімдік пен  жануарлар клеткасының даму процесін қамтамасыз етеді , тұқым қуатын белгі, қасиеттерді ұрпақтан ұрпақа өткізеді.Олардың хромосомында морфологиялық өзіндік ерекшеліктері бар. Хромосомалар клетка бөлінуі кезінде анық көрінеді. Оның морфологиясы митоздың метафаза және алғашқы анафаза сатысында жақсы байқалады. Орташа алғанда хромосоманың ұзындығы 0,2- 50мкм, диаметрі 0,2-3мкм.

    Әрбір организмге тән, ДНК-ның молекуласындағы нуклеотидтердің орналасу жүйелілігін (последовательность) генетикалық код деп атайды.

Өзін өзі тексеруге арналған сұрақтар:

1. Геном дегеніміз не?
2. Хромосоманың қандай түрлері болады?

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

 № 5 дәріс тақырыбы. Нуклеин қышқылдары. ДНҚ – ның құрылымы және қызметі, ДНҚ – ның тұқымқуалаушылық ақпараттарын тасымалдаудағы рөлі.

Жалпы сұрақтары: ДНҚ-ға жалпы мінездеме. Нуклеин қышқылдарының генетикалық рөлінің дәлелдері.  Орталық догма. Нуклеин қышқылдарының құрылысы. Уотсон-Крик моделі. ДНҚ-генетикалық ақпаратты хабарлаушы ретінде.

Пайдаланатың құралдар: проектор, слайдтар

Нуклеин қышқылдарының проблемасымен 1868 ж швейцарлық физик Ф. Мишер шұғылданған болатын. Ірің клеткаларынан алынған ядро бөлшегін зерттеп, құрамына көміртегі, азот және фосфор кіретін бұрын белгісіз органикалық қосылыс түрін ашты. Ашқан қосылысын ядродан бөліп алғандықтан нуклеин  деп атады. Нуклеин қышқылдары пуриндік және пиримидиндік гетероциклдер кіреді. Мишердің шәкірттері Коссель мен Асколи тағы төрт түрлі негіздерді – аденин, тимин, цитозин және урацилді ашты. Нуклеиннің ертіндісі қышқылдық қасиет көрсететін болғандықтан Ф. Альтман 1889 ж оған нуклеин қышқылы деген ат берді. Нуклеин қышқылының құрамына кіретін көмірсу бес көміртегінен тұрады. 

1940 жылдың  аяғында америкалық биохимик  Э.Чаргафф (1905 ж.т.) әр түрлі организмдердің  ДНҚ молекуласына талдау жасап, оның құрамындағы А мен Т, Г  мен Ц негіздерінің молярлық  мөлшері тең екенін көрсетті (бұны Чаргафф ережесі деп атайды). ‎ 1952 ж. ағылшын биофизигі М.Уилкинс (1916 ж.т.) және т.б. ғалымдар рентгендік талдау арқылы ДНҚ молекуласы құрылымының спираль бойынша оң жақ оралымын (В – ДНҚ), америкалық ғалым А.Рич (1929 ж.т.) молекула құрылымының сол жақ оралымын (Z – ДНҚ) ашты. Вилькенс және Р. Франклин тапқан ДНК молекуласының рент-генограммасы оның спиральды структурасын дәлелдеді,

ДНК қос тізбегінің бір бөлігі маңызын алғаш рет 1944 жылы Эвери, Мак-Карти және Мак-Леод ашып көрсетті.

ДНҚ молекуласының екiншi реттiк құрылымын 1953 ж. Уотсон мен Крик анықтады. ДНҚ құрылымының анықталуы ХХ ғасырдағы биологияның ең маңызды жаңалығы деп саналады. Уотсон мен Крик теориясы бойынша екi полинуклеотид тiзбегiнен құралған ДНҚ-ның молекуласы кеңiстiкте оң қос қабат спираль болып табылады.

1959 жылы  Северо Очоа  РНҚ синтезінің  механизмін ашқаны үшін медицинада  Нобель сыйлығын алды. S. Cerevisiae дрожжасындағы  тРНҚ- дағы 77 нуклеотидтің бірізділігі 1965 жылы Роберт Холлидің зертханасында  анықталып, оған 1968 жылы медицинада Нобель сыйлығы берілді.

1967 жылы Карл Вёзе РНҚ-ның катализдік  қасиеті бар деп болжады. Ол  әлем РНҚ-сы деген гипотезасын  ұсынды,онда протоорганиздер РНҚсы  ақпаратты сақтау молекуласы (қазіргі  кезде бұл рөлді көбіне ДНҚ  атқарады) және метаболизм реакциясында катализдік қызмет атқарушы молекула ретінде (қазіргі кезде бұны көбіне ферменттер атқарады)қызмет атқарады делінген.

1976 жылы Уолтер Фаэрс пен оның  тобы Гент Университінде (Голландия) бактериофаг MS2-ның бірінші РНҚ  геномының бірізділігін анықтады. 1990 жылдардың басында өсімдіктер геномына бөтен гендерді еңгізу өсімдіктердің аналогтық гендерінің айқын білінуін тежейтіні анықталды.

Нуклеин қышқылдарының құрамы мен құрылысы 
Нуклеин қышқылдарының толық емес гидролизі нәтижесінде нуклеотидтер түзіледі.Олар нуклеин қышқылдары полимер тізбегінде қайталанып отыратын күрделі құрылым буындары (монометрлері). Ал нуклеотидтерді одан әрі гидролиздесе, ортофосфор қышқылын және пентоза мен азотты негізге айырылатын нуклеозидтерді түзеді..  Яғни, нуклеин қышқылдарының құрамына азотты негіздер (пиримидинді, пуринді), фосфор қышқылы және моносахаридтер (рибоза мен дезоксирибоза) кіреді. Нуклеин қышқылдары құрамындағы моносахаридтердің қалдығына байланысты рибонуклеин қышқылы және дезоксирибонуклеин қышқылы болып екіге бөлінеді. ДНҚ молекулалық массалары бірнеше мыңнан ондаған миллионға жетеді.

Белоктар сияқты нуклеин қышқылдары әр түрлі болады. Олардың организмдегі функциясы да әр алуан. Нуклеин қышқылдарының да белоктар сияқты әр түрлі құрылымдары болады. 
Нуклеин қышқылының бірінші құрылымында мононуклеотидтер белгілі тәртіппен орналасады. 
Нуклеин қышқылының екінші құрылымы макромолекулалардың кеңістікте қос шиыршық болып орналасуын көрсетеді. Бұл кезде молекулалар арасында және молекула ішінде сутектік байланыс арқылы әрекеттесу болады. 
НҚ-ның макромолекуласы екі полинуклеотидті тізбектен құралады. Олар кеңістікте қос оралма түзеді. Оралманы фосфор қышқылының полиэфирі түзеді, пиримидин және пурин туындыларының жазық молекуласы оралманың ішінде болады. 
Нуклеин қышқылының макромолекуласындағы бірінің ішінде бірі жатқан ширатылған екі оралмада, пиримидин және пурин қалдықтары өзара сутектік байланыс арқылы байланыскан. 
Сутектік байланыс белгілі бір жұп пиримидин және пурин туындыларының арасында түзіледі. Оларды комплементарлы жұптар деп атайды. Ондай жұптар: тимин (Т) — аденин (А) және цитозин (С) — гуанин (G). 
ДНҚ-ның қос оралмалы сызбанұсқасында таспамен көрсетілгендері фосфор қышқылымен көмірсулардың полиэфирінің макромолекуласы. Бұларды қосып жатқан түзулер пиримидин және пурин туындылары, олар комплементарлы жұптар. 
Нуклеин қышқылының үшіншілік оралымы — ДНҚ мен РНҚ-ның кеңістікте шумақталып орналасуы

Нуклеин қышқылдарының биологиялық маңызы: Нуклеин қышқылдары қамтамасыз етеді: 1) тұқым қуалаушылық ақпараттарын генетикалық код ретінде сақтайды; 2) оның көбеюі кезіндегі аналық организммен берілуін; 3) оның, маңызды процесс – белок биосинтезіне қатысуы түрінде, ағзаның өсуі мен дамуы кезінде іске асуы. 

ДНҚ сипаттамасы: ДНК жануарлардың, өсімдіктер мен микро-организмдердің барлық клеткаларының ядросында болады. Гистон белогымен бірге ол нуклеогистон комплексін түзеді де, хроматиннің негізгі массасын құрайды. ДНК ядроларда кездесуімен қатар өсімдіктер митохондриясы мен пластидтерінен де табылған.

 

 ДНҚ-ның спиралінің диаметрі 20 ангстрем.  Бір – бірімен параллель

жатқан көрші жұп негіздердің ара қашықтығы 3,4 ангстрем. Спиральдің

бір айналымына жұптасқан 10 азоттық негіздер кіреді, яғни спиральдың

бір айналымы ұзын ДНҚ молекуласының бойындағы 34 ангстрем бөлікті

алып жатыр. ДНҚ молекулаларын созса, ұзындығы 2 метрге жетеді, яғни

диаметрі 20 ангстрем, ұзындығы 2 метр. ДНҚ молекуласын 100º с

температурада қайнатса оның тізбектері бір – бірінен ажырайды.

ДНҚ нуклеотидінің құрамы: Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) - тірі организмдердегі генетикалық ақпараттың ұрпақтан-ұрпаққа берілуін,сақталуын,дамуы мен қызметін қамтамасыз етуіне жауапты нуклеин қышқылының екі түрінің бірі. ДНҚ-ның негізгі құрылымдық бірлігі – үш бөліктен құралған нуклеотид. Бірінші бөлігі – дезоксирибоза (бескөміртекті қант); екіншісі – пуриндік негіздер: аденин (А) мен гуанин (Г) және пиримидиндік негіздер: тимин (Т) мен цитозин (Ц); үшіншісі – фосфор қышқылының қалдығы.

ДНҚ құрылымы: ДНҚ – ұзын макромолекула, оның негізгі құрылыс мүшелері дезоксирибонуклеотидтер болып табылады. Нуклеотид үш құрылымды элементтен: органикалық қосылыстан, көмірсутегінен және фосфор қышқылынан құралған. ДНҚ – да дезоксирибоза деп аталатын көмірсутегімен  фосфор қышқылы барлық нуклеотидтерде бірдей. Нуклеотидтерде  органикалық қосылыстар бірнешеу: аденин, тимин, гуанин және цитозин. ДНҚ молекуласы ширатылған қос тізбекті спираль тәрізді иірілген. Әр тізбектің нуклеотидтерінің бір – бірімен кезектесіп жалғасқан көмірсутегімен фосфоттардың қатары осы  спиральдың қаңқасы болып табылады.

Шиыршықтың ішкі  кеңістігінде бір тізбектің азоттық негіздері екінші тізбекке сәйкес негіздермен сутегілік байланыстар құрап, бір – бірімен берік ұстасып тұрады. Азоттық негіздердің химиялық құрылыстарының ерекшеліктері бір тізбектің аденині екі сутегілік байланыс нәтижесінде екінші тізбектің тек цитозинмен ғана біріге алатынын көрсетеді. Яғни, бір тізбектің бойындағы азоттық негіздердің қандай кезекпен орналасқаны белгілі болса, онда ол тізбекпен бірігіп тұрған екінші тізбектің бойындағы азоттық негіздердің орналасу тәртібін де өте оңай анықтауға болады. Осындай бірімен – бірі сәйкес келетін тізбектерді бір – біріне комплементарлы деп атайды. ДНҚ тізбектерінің бағыты бір – біріне қарама – қарсы.

Көп уақытқа дейін ДНҚ-ның құрылымының үш түрлі қалыпы белгілі болған, олар қолайлы жағдайларда өзара өзгеру арқылы құбылып отырған. Осы үлгілердің жалпы қасиетттері төмендегі кестеде жинақталған.

ДНҚ құрылымдық топтар ретінде бірнеше типте кездеседі    1-кесте

 

Шиыршық типі	Бір орамдағы негіздер жұбының саны	Бір жұптық айналым бұрышы 1), градустар	Негіздік жұптардың ара қашық-тығы, °А	Шиыршық диа- метрі, °А
A	11	+32,7	2,56	23
В	10	+36,0	3,38	19
С	9 '/з	+38,6	3,32	19
Z	12	-30,0	3,71	18

 

1) Айналым бұрышы (+) белгісімен оң  шиыршықталған және (-) белгімен сол  шиыршықталған ДНҚ көрсетілген. Шиыршықтардың В-пішіні Уотсон  және Крик өз үлгісін құрған, типі ДНҚ талшықтарында өте  жоғары ылғалдылықта (92%) және төменгі иондық күші бар ерітінділерде кездеседі.

А-пішіні ДНҚ талшықтарында 75% ылғалдылықта және қарама-қарсы зарядталған натрий, калий немесе цезий иондарының ортасын қалайды.           В-формасындағы шиыршық осіне міндетті түрде перпендикуляр орналасқан, негіздер А-пішінде шиыршықтың осіне қарай көлбей орналасқан және бір орамдағы олардың саны көбірек. Биологиялық түрғыдан А-форма қызықтырады, себебі оның конформациясы, ДНҚ-РНҚ будандарының құрылымына және РНҚ-ның қос шиыршықты бөлшектеріне жақын болуы мүмкін. Оның себебі РНҚ-ның В-пішініне кіруге 2-гидроксильдік топ бөгет жасайды.

С-форма, ДНҚ 66% ылғалдылықта болғанда литий иондарынын қатысуымен түзіледі. Оның бір орамында Д-ДНҚ-мен салыстырғанда негіздер жұбы аз.

Бұл  үш формаларда нуклеотидтер бірізділігінен тәуелсіз барлық ДНҚ-лар бола алады. Келесі пішіндер негіздер жұптарының ерекшелігіне байланысты ғана ДНҚ-лары болады.

Д және Е-пішіндерде (мүмкін, бір пішіннің әртүрлі варианттары болуы ықтимал) бір орамда әлдеқайда аз жұптар (8 және 7,5) болады және тек ДНҚ құрамында гуанин жоқ молекулаларында табылған.

Z-пішін классикалық құрылымдағы топтардан мүлде өзгеше. Бұл  форма - сол шиыршықты, ал басқалары оңға қарай шиыршықталған. Оның орамында жұптар саны көбірек, яғни аз шиыршықталған және жіңішкелеу. Өзінің атын шиыршықтың бойында қант-фосфат желісінің зигзагты (zigzag - ирек) орналасу түріне байланысты алған. В-формадағы ДНҚ-ның иілімі жатық .