Молекулалық биология

Осылайша жазылған тізбек, өзінің  қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдықтары арасында байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаған ортадан клеткада жинақталған бос нуклеотидтер бар, олар ДНҚ-ның жазылған тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ әр қосылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклеотид қана жуықтап, жалғаса алады. Бұл жазылған тізбекке басқа, ДНҚ-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі молекуласы пайда болады. Олардың әрқайсысында қайтадан жинақталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен туынды молекулалар ДНҚ-ның аналық молекуласына мейлінше ұқсас келеді. Мұнда генетикалық материалдың құрамы да сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жасала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНҚ тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі

Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ - полимераза-3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагменттерін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ - полимераза - 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНҚ тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНҚ - лигаза" деген ферментке келеді. Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп иуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНҚ полимераза-2" ферменті көптеген ферменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің нуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексерді. Егер кандай да бір нуклеотид өз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды. 
   Осындай әр түрлі қызмет атқаратын ферменттердің үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық белгінің ДНҚ арқылы ұрпақтарға дұрыс өсірілуін қамтамасыз етеді. Міне, геннің еселенуі немесе репликация дегеніміз осы.

ДНҚ     репликациясының   барысындағы   қателерді  түзету (коррекциялау).  Тірі  организмдердің  генетикалық материалының көлемі     үлкен     және     жоғарғы     дәлдікпен     репликацияланады. Сүтқоректілердің геномы  еселенгенде 3  млрд.  жұп нуклеотидтен тұратын ДНҚ-да орташа үштен артық қате кетпейді. Сонымен қатар ДНҚ өте тез синтезделеді (оның полимерлену жылдамдығы бактерияларда секундына 500 нуклеотидтер, сүтқоректілерде 50 нуклеотидтерге дейін  болады).   Репликацияның  жоғарғы дәлдігін,  оның жылдамдығын, қатесін түзейтін арнаулы механизм қадағалайды.

Коррекциялау механизмінің сыры - ДНҚ-полимеразаның әрбір нуклеотидтің матрицаға сәйкестігін екі мәрте тексеруінде: бірінші рет өсіп келе жатқан тізбектің құрамына кірмей тұрып, екінші рет келесі нуклеотидті қосардың алдында. Кезекті фосодиэфирлік байланыс өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің ақырғы нуклеотиді, матрицаның сәйкес нуклеотидімен дұрыс уотсон-криктік жұп түзгеннен кейін ғана синтезделеді. 
   Репликация дербес жүреді. Репликация жеке акт регінде жүретін ДНҚ-ның ұзындық бірлігін репликон деп атайды. Репликонда репликацияға қажетті реттеуші элементтер болады. Онда репликация басталатын ориджин болады және репликация терминаторы болуы мүмкін. Прокариоттық клетканың геномы бір репликонды құрайды, сондықтан бактериялық хромосома ең үлкен репликон болып табылады. Сондай-ақ плазмидада жеке репликон болады.

ДНҚ репликациясы кезіндегі молекулалық- биологиялық процестер эукариоттар мен прокариоттарда негізінен бірдей. Дегенмен өзгешеліктері де бар. Біріншіден, эукариоттарда ДНҚ репликациясы клетка циклының  белгілі бір кезеңінде өтеді. Екіншіден, егер бактериялық хромосома репликация бірлігі -репликон түрінде болса, эукариоттық хромосомадағы ДНҚ репликациясы көптеген жеке репликондармен жүзеге асады. Эукариоттық хромосоманың бойымен әр уақытта бір біріне тәуелсіз көптеген реп-ликациялық ашалар жүруі мүмкін. Ашаның жылжуы тек басқа ашамен қарама-қарсы соқтығысқанда, немесе хромосоманың ұшына жеткенде тоқтайды. Нәтижесінде хромосоманың түгел ДНҚ-сы қысқа уақыттың ішінде репликацияланады.

Өзін өзі тексеруге арналған сұрақтар:

1. Репликация дегеніміз не?
2. ДНК- ның репликациясы қандай жолмен жүреді?
3. Репликацияның қандай түрлері болады?

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

№ 9 дәріс тақырыбы. ДНҚ транскрипциясының РНҚ түзілу процесі

Жалпы сұрақтары: ДНҚ транскрипциясының РНҚ түзілу процесі. РНҚ-дағы ДНҚ транскрипциясының ұстанымдары мен механизмі. Транскрипцияның инициация, элонгация және терминациясы. Транскрипция коды-ақпараттық РНҚ синтезі

Пайдаланатың құралдар: проектор, слайдтар

Транскрипция (лат. transcrіptіo – қайта көшіріп жазу) – тірі клеткалардағы рибонуклеин қышқылының биосинтез процесі. Ол дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) матрицасында жүреді. Транскрипция аденин, гуанин, тимин және цитозиннің қайталанбалы тізбегінен тұратын ДНҚ молекуласындағы генетикалық ақпараттың іске асуының бірінші кезеңі. Транскрипция арнайы ДНҚ және РНҚ полимераза ферменті арқылы жүреді. Транскрипция нәтижесінде РНҚ молекуласының полимерлі тізбегі түзіледі. Бұл тізбек ДНҚ молекуласының көшірілген бөлігіне комплементарлы болады.

    Транскрипция процесін үш этпқа бөлуге болады. Бірінші этап-транскрипцияның инициациясы – РНҚ жіптерінің синтезделу бастамасы, нуклеотидтер арасында бірінші байланыс түзіледі. Одан кейін жіптердің ұзаруы жүреді, оның ұзаруы – элонгация, синтез аяқталған соң - терминация, синтезделген РНҚ-ның босап шығуы жүреді. Ол бірнеше белокты субъбірліктерден тұрады: екі α-субъбірліктері (бұлар кішкентай субъбірліктер), β- және β΄-субъбірліктері (үлкен субъбірліктер) және ω-субъбірліктері. Бұлардың барлығы бірігіп минимальды фермент немесе кор-фермент түзеді. Бұл кор-ферментке σ-субъбірлігі қосылады. σ-субъбірлік РНҚ синтезінің басталуына, транскрипция инициациясына қажет.

Элонгационды комплекс тұрақты, себебі ол үлкен жұмыс атқаруы тиіс. Ол ДНҚ-да секундына 50 нуклеотид жылдамдығымен қозғала алады. Бұл процесс орын ауыстыру (немесе транслокация) деп аталады. ДНҚ-ның РНҚ-полимеразасымен (кор-ферментпен) қатынасы, σ-субъбірлігімен салыстырғанда, ДНҚ-ның кезектесіп келуіне қарамайды. Және кор-фермент терминацияның белгілі бір сигналдарынан өткен кезінде ДНҚ-ның синтезін аяқтайды.

Кор-ферменттің молекулярлық құрылысын толығырақ қарастырайық. Жоғарыда айтқандай кор-фермент α- және β-субъбірліктерінен тұрады. Олар бір-бірімен байланысып «шетіне» немесе «шымшуыр» түзеді. α-субъбірліктері осы «шымшуырдың» негізінде орналасып, құрылымдық функцияны орындайды. Олар ДНҚ, РНҚ-мен еш байланыспайды. ω-субъбірлік – құрылымдық функцияны орындайтын кішігірім белок. Жұмыстың негізгі бөлігі β- және β΄-субъбірліктері орындайды. Суретте  β΄-субъбірлігі жоғарыда, ал β-субъбірлігі – төменде орналасқан.

    РНҚ-полимераза молекулярлық машина тәрізді жұмыс жасайды, онда әрқайсысы өз қызметін атқаратын әр түрлі детальдар бар. Мысалы, «шымшуырдың» үстіндегі β΄- субъбірліктерінің бөлігі алдыңғы ДНҚ-дуплексті ұстап тұрады. Бұл бөлік «қалқалағыш» деп аталады. ДНҚ-мен байланысқан соң қалқалағыш  30 ангстрем жол жүріп, төмен түседі де, транскрипция процесі кезінде түсіп қалмас үшін ДНҚ-ны қысып ұстайды. РНҚ-полимеразадан шыққан ДНҚ-РНҚ гибрид өрі  
ліп, байланысып қалады. Бұнда «тікен» атаулы құрылым әрекеттеседі.

   Эукариоттарда РНҚ синтезін  үш түрлі РНҚ-полимеразалар іске  асырады. Эукариоттардағы РНҚ-полимеразалардың тек біреуі ғана, атап айтқанда РНҚ-полимераза ІІ, белокқа трансляцияланатын гендерді транскрипциялайды. Қалған екі полимераза РНҚ-ның әр түрлі типтерінің ұйымдасуын катализдейді. Олар белок синтездеуші аппараттың бөлшегін құрайды: РНҚ-полимераза І жоғарғы молекуланың РНҚ-ны синтездейді, ал РНҚ-полимераза ІІІ- әртүрлі төменгі молекулалы тұрақты РНҚ-ларды, оның ішінде тРНҚ және рибосомалық 5S РНҚ-да бар. ДНҚ-дағы ақпаратты РНҚ түрінде РНҚ-ролимераза жазып алады. ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің бірізділігін РНҚ-көшірмесінің синтезделуі РНҚ-полимераза ферментімен катализденеді.

РНК-полимераза молекулярлық машиналардың таныстырушысы болып табылады. Сонымен қатар, ДНҚ синтезінің басында қалқалағыш төмен түсіп, РНК-синтазының басқа бөліктерінің конформациясы ауысады, РНҚ байламының өсуі кезінде циклдық өзгерістер болады. Басында қалқалағыш 30 Ǻ төмен түседі, ал ДНҚ-ферментінің әр қадамынан кейін бір нуклеотидке созылады. ДНҚ-да қозғалысы кезінде РНҚ-полимеразасының элементі  Ғ-спиралі қатысады. Бөл кезде F-спираль иіліп, РНҚ-ДНҚ комплексімен бірге қозғалады, олардан босап шығып қайта қалпына келеді. F-спираль 3,4 Ǻ-ға бір қадам ауысады. РНҚ-полимеразада да дәл осындай қадаммен жүреді.

Инициация - σ-субъбірліктерінің қатысуымен жүзеге асады. Ол ДНҚ құрылымымен әрекеттеседі. Бұл құрылым промотор деп аталады. Инициация нүктесіне дейінгі он нуклеотидте ТАТА-бокс орналасқан. Дәл бұндай кезектесу міндетті емес, алайда, ол  σ-субъбірлігімен қатынасу үшін таптырмас жол. Осы кезектегі жекеленген нуклеотидтердің ауысуы транскрипция инициациясының күшін төмендетеді.

Келесі суреттегі:инициация, элонгация және терминацияның жүру жолы

 Инициация. 1. Стартты кадонды тануы (AUG),тРНҚ-ның аминоацильденген метионинмен (М) жалғасуымен және рибосоманың үлкен және кіші субъбірліктерден жиналуымен жүреді.

Элонгация. 2. Ағымдағы кадонның өзіне сай аминоацил-тРНҚ-ны тануы. 3. Өсіп келе жатқан полипептидті байламның соңында тРНҚ әкелген аминқышқылдарының байланысуы. 4. Рибосоманың матрица маңайында қозғалуы тРНҚ-ның жасушаларының босап шығуымен жүреді. 5. Босап шыққан тРНҚ жасушаларының өзіне сай аминоацил тРНҚ-синтетазасымен аминоацилденуі. 6.Аминоацил тРНҚ-ның басқа да аналогиялық стадияда байланысуы (2). 7.Рибосоманың аРНҚ жасушаларында стоп-кадонға дейін қозғалысы. 
     Терминация. Рибосоманың стоп-кадонды тануы (8) синтезделмеген белоктардың бөлінуі және кей жағдайда (9) рибосома диссоциациясы арқылы жүзеге асады.

    Праймаздар  құрылымдары бойынша және әсерлерге  сезімталдығымен ерекшеленеді. Праймасома 7 ерекшеленген субъбірліктер ансамблінен құралған. Олар жалпы молекулярлық  массасы 70000 болатын, 20-ға жуық полипептидтерден тұрады. n‘ белогының көмегімен праймасома ілесе алмай қалған ДНҚ байламына бірден тікелей ауыса алады. Праймасома құрамына dna В және dna С белоктарының комплексі де кіреді.

Өзін өзі тексеруге арналған сұрақтар:

1. Инициация дегеніміз не?
2. Элонгация дегеніміз не?
3. Терминация дегеніміз не?

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

№ 10 дәріс тақырыбы Нуклеин қышқылдарының денатурациясы мен ренатурациясы.

Жалпы сұрақтары: Гиперхромдық эффект. Денатурация процесінің кооперативтілігі. Балқу температурасы. Денатурацияны бағалау әдісі. Ренатурация және молекулярлық гибридизация.

Пайдаланатың құралдар: проектор, слайдтар

Нуклеин қышқылдарының денатурациясы – бұл жекеленген негіздер және полинуклеотидті байламдардың целомға вандервальстық байланысының бұзылуы. Нуклеин қышқылының денатурациясы  көптеген әсерлермен байланысты: қыздыру, рН өзгерістері, басқа да күштердің төмендеп кетуі және т.б. Ең маңыздысы термикалық денатурация.  
Оның маңызы мен жоғарғы деңгейі ,тіпті байламдардың бөлінуі қыздырудан емес басқа да факторлар әсерінен болғанның өзінде, оның «балқыма» терминімен аталуы «денатурация» терминінен сирек қолданылмайтынына әкелді.

Денатурация кезінде ДНҚ-ның екі спиральді молекуласы жеке-жеке байламдарға бөлінеді. ДНҚ-ның 50 %-ы денатурацияланатын температура – балқу температурасы деп аталады. Ол ДНҚ-ның бағалы құрамбөліктерімен байланысты. Г—Ц жұбы үш түрлі сулы орта байланыстарымен стабилденген болса, ал  А – Т жұбы тек екеуімен ғана стабильденген,  Г – Ц бөлігі жоғары болған сайын, жасуша да стабильді болады. ДНҚ денатурациясы кезінде жарықтың жұтылуы 260 нм толқын ұзындығында жоғарылайды (гиперхромды эффект). Бұл ДНҚ-ның қайталама құрылымының жағдайын бақылап отыруға мүмкіндік береді.

       Денатурацияланған  ДНҚ ерітіндісін үнемі салқындатып  немесе оны балқу температурасынан 200 төмен температурада ұстайтын болса, ол жасушаның қайта қалпына келуіне жағдай жасайды. Керісінше, оны ең төмен температураға дейін салқындатса (0 -200С және одан төмен) денатурацияланған жағдайын  ұзағ уақытқа бекітіп тастайды. ДНҚ жасушаларының гомогендігі, концентрациясы, біртектілігі жоғарылаған сайын ренатурацияның жылдамдығы да жоғарылайды. Абсолютті гомогенді ДНҚ-ның денатурацияланған ерітіндісінде соқтығысқан полинуклеотидті байламдар комплементарлығы 0,5-ке тең болуы мүмкін. Бөгде, негіздері басқа кезектестіктегі жасушалардың болмауы ренатурациямен аяқталатын кездесулерді азайтады.

 ДНҚ-ның қайталама құрылымы тек әлсіз сулы және гидрофобты байланыстармен стабильденеді. ДНҚ 80—90о жоғары температурада денатурацияланып (балқу), келесі салқындатуда ренатурацияланады.

Ренатурация — табиғи қасиетін жойған биополимердің (мысалы белок немесе нуклеид кышкылдарының) қайта қалпына келуі. Денутурацияда белок молекулалары тығыз ретті жинағынан ретсіз қалыпқа айналады. Ал ренатурацияда ол реттілік пен жинақылық орнына келеді, өйткені аминқышқыл қалдықтары арасында бұрынғыдай байланыстар пайда болады. Сондай-ақ осыған ұқсас нуклеотидтер арасындағы сутектік байланыстардың үзілуінен табиғи қасиеттерін жойған ДНҚ, температураны біртіндеп өзгерту әдісімен (ДНҚ-ын «ендеу») қалпына келтіріледі. Бұл жағдайда сутектік байланыстар қайта құрылады. Ренатурация кезінде биополимерлердің екінші және үшінші сатылы құрамдары қайтадан орнына келеді, ал ренатурацияның дұрыс жүруі молекуланың бірінші сатылы құрамына байланысты.

Өзін өзі тексеруге арналған сұрақтар:

1. Денатурация дегеніміз не?
2. Ренатурация дегеніміз не?
3. Молекулярлық гибридизация дегеніміз не?

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

№ 11 дәріс тақырыбы. Нуклеин қышқылдарының биосинтезі және деградациясы.

Тақырбы: : нуклеин қышқылдарының деградациясы мен биосинтезі

Жалпы  сұрағы: матрицалық және матрицалық емес синтез. Матрицалық синтездің ингибиторы.

Жабдықталуы: слайдтар, проектор

Кез келген тірі жасуша нәруыз синтездеуге қабілетті, бұл қабілет олардың маңызды да  және өздеріне ғана тән қасиеттердің бірі болып табылады. Жасушаның өсуі мен дамуы кезінде нәруыз синтезі ерекше энергиямен өтеді.Бұл кезде жасушалық органоидтардың құрылысына қажетті нәруыз белсенді түрде синтезделеді. Ферменттер синтезделеді. Нәруыз биосинтезі көптеген ірі жасушаларда да, сонымен қатар өсуі мен дамуы тоқтап, әбден қалыптасқан жасушаларда да қарқынды жүреді. Мысалы нәруыз ферменттерін синтездейтін(пепсин, трипсин) асқорыту бездерінің жасушаларында немесе нәруыз –гормондарды (инсулин, тироксин) синтездейтін ішкі секреция бездерінің жасушаларында . Нәруызды синтездеу қабілеттілігі тек өсіп келе жатқан немесе сұйықтық(секрет) бөлетін жасушаларға ғана тән емес. Кез келген жасуша өзініңбарлық тіршілік еткен уақыт аралығында нәруыз синтездейді. Себебі, наруыз молекулаларының қалыпты тіршілігінде құрылымы денатурацияға ұшырап, олардың қызметі бұзылады. Осындай іске жарамай қалған нәруыз молекулалары жасушадан шығарылады. Оның орнына толыққанды, молекулалар синтезделеді, нәтижесінде жасушалардың құрамы, іс-әрекеті бүлінбейді. Нәруызды синтездеу қабілеті жасушадан жасушаға тұқым қуалай беріледі және ол барлық тіршілік кезеңінде сақталады. Нәруыздар мен нуклейн қышқылдарының  жаңа молекулаларының биосинтезі кезінде нуклейн қышқылдары мұндай программаларды тасымалдаушы  болып табылады, бұл рольде оларды матрица деп атайды. Матрица матрицалық синтез кезінде шығынға ұшырамайды және де оларды бірнеше қайтара пайдалануға болады. Бұл жағынан ол өршіткіге ұқсас. Матрицалық биосинтездің негізгі  үш типін ажыратады: