Молекулалық биология

Фенилэтилді спирт мембрана жасушаларымен әрекеттесуін бұза отырып, ДНҚ хромосолмалардың бастапқы синтезін тұншықтырады.

 

 

 

 

 

 

 

№ 12 дәріс тақырыбы. Тұқым қуалаушылықтың зат алмасуының және тасымалдануының молекулярлық механизмі. Гендік инженерия

Жалпы сұрақтары: ДНҚ репарациясы. Репарация түрлері. Мутациялық зақымданудың тура коррекциясы. Алкирациялық зақымданудың репарациясы. Эксцизиондық репарация. Рекомбинациондық репарация. ДНҚ репарациясы- жасушаның генетикалық ақпаратының тұрақтылығын сақтайтын механизм ретінде. Генетикалық рекомбинация, трансдукция, трансформация. Гендік  инженерия әдістері.

Пайдаланатың құралдар: проектор, слайдтар

          Тұқым қуалаушылықтың хромосомалық теориясы ХІХ ғасырдың соңында клетка құрылысының зерттелуіне байланысты ядро мен оның құрамындағы хромосомалардың тұқым қуалаушылыққа қатысы бар екені анықталды. 1883 жылы бельгиялық зоолог Э.Бенеден мейоз процесіндегі редукциялық бөліну аталық және аналық хромосомалардың ажырауына байланысты деп жорамалдады. Мендель заңдарын кейін 1902—1903 жылдары В.Сэттон редукциялық бөліну және ұрықтану кезіндегі хромосомалардың тәртібі мен будан ұрпақтардағы белгілердің тәуелсіз ажырауының арасында байланыс бар екенін анықтады. Өзінің “Хромосомалар және тұқым қуалаушылық” деген еңбегінде хромосомаларды цитологиялық тұрғыдан алғанда Мендель анықтаған тұқым қуалау факторларының таралуына сәйкес келетіндігін көрсетті.

Моногибридті будандастырудағы тұқым қуалау  заңдылықтары:

Гибридологиялық әдіс. Тұқым қуалаушылықтың заңдылықтарын зерттеудің ғылыми негізін.  Мендель қалады. Ол өз тәжірибелеріне қолайлы объект ретінде асбұршақты (Pіsum satіvum) алды. Себебі, басқа өсімдіктермен салыстырғанда асбұршақтың мынадай айрықша қасиеттері бар:

1) бірнеше белгілері  бойынша бір-бірінен айқын ажыратылатын  көптеген сорттары бар;

2) өсіруге қолайлы;

3) гүліндегі жыныс  мүшелері күлтежапырақшаларымен  толық қалқаланып тұратындықтан, өсімдік өздігінен тозаңданады. Сондықтан, әр сорт өзінше таза дамып жетілетіндіктен, белгілері ұрпақтан-ұрпаққа өзгеріссіз беріледі;

4) бұл өсімдіктің сорттарын  қолдан тозаңдандыру арқылы өсімтал  будандар алуға болады.

Қазақстанда тұңғыш рет М.А.Айтхожиннің басқаруымен молекулалық биология және ген инженериясы саласында көптеген зерттеулер жүргізіліп, ғылымға айтарлықтай жаңалықтар қосылды.Соңғы жылдары елімізде генетиканың аса маңызды салалары: молекулалық генетика, экологиялық генетика және радиациялық генетика бойынша ғылыми-зерттеу жұмыстары жүргізілуде.

Ген инженериясының  әдістерінің ашылуы биотехнология деген ерекше өндіріс түрінің дүниеге келуіне ықпал жасап отыр. Биотехнология дегеніміз микроорганизмдердің және таза белоктардың ( ферменттердің) жүргізетін биологиялық процестерін халық шаруашылығында әртүрлі салаларында пайдалану. Ген инженериясы молекулалық биологияның жаңа саласы. Ол лабораториялық әдіс арқылы генетикалық жүйелер мен тұқымы өзгерген организмдерді алу жолын қарастырады. Ген инженериясының пайда болуы генетиканың, биохимияның, микробиологияның және молекулалық биологияның жетістіктерімен байланысты.  Бұл атаудың екі түрі қолданылады: «генетикалық инженерия» және « ген инженериясы». Соңғы кезде «генетикалық инженерия»  жалпылама түрде қолданылып жүр, ген инженериясы да осының ішіне кіреді.«Инженерия» деген   атау құрастыру деген , яғни ген   инженериясы дегенді тең құрастыру деген мағынаны білдіреді.  Ген инженериясының   дәуірі басталмай тұрып, 1969 жылы Г. Корана нуклеотидтерді белгілі бір жүйемен  оранласқан  ДНҚ синтезінің әдістемесін жасап берген. Ген инженериясы деп рекомбинатты ДНҚ-лар жасап, оларды басқа тірі клеткаларға енгізуді айтады. Ген инженериясы шешетін мәселелер: генді химиялық немесе ферментті қолдану жолымен синтездеу; әртүрлі организмнен алынған ДНҚ фрагменттерін бір-бірімен жалғастыру; бөтен генді жаңа клеткаға векторлық ДНҚ арқылы жеткізу және олардың қызмет жасауын қаматамасыз ету: клеткаларға гендерді немесе генетикалық жүйелерді енгізу және бөтен белокты синтездеу;  бөтен генге ие болған клеткаларды таңдап бөліп алу жолдарын ашу. Адамзаттың микроорганизмдер биотехнологиясымен шұғылданғаннан бері көп ғасыр өтті, қазіргі қуатты технология, гендерді тасымалдаумен байланысты, жақын мерзімде-мөлшермен 1970-шы жылдардың ортасында шықты. Өндірістік ген инженериясының басталуы 1980 жыл деп есептелінеді, АҚШ-та мұнайды ыдырата алатын ген-инженерлік микроорганизмдердің штаммына бірінші патент берілген. Ген-инженерлік әдістерді қолдану нәтижесінде қазіргі өндірістік микробиологияның мазмұны төмендегі аспектілерге өзгерді.

Микроорганиздердің өнімділігі, қосымша гендерді еңгізу, олардың санын немесе белсенділігін көбейту жолымен әжептәуір өсті.

Микроб клеткасына жаңа гендерді еңгізу нәтижесінде микроорганизмдердің қоректену талабын өзгертуге, яғни оларды басқа ортада өсіруге мүмкіндік туды. Микроорганизмдерде өздеріне тән емес заттарды синтездей бастады.      Микроорганизмдердің клеткасында синтезделген адамның кейбір белоктары, соның ішінде инсулин, интерферондар, интерлейкиндер терапевтік қолдануға жарады.

Биотехнология саласындағы жетістіктердің жемісін жеген ел негізінен АҚШ оның үлесіне барлық биотехнологиялық медициналық препараттардың-63% таяуы, Батыс Европа елдеріне-25%, Жапония-7% тиесілі.

Геннің белгілерді тежеуі. Организмдерде болатын тұқым қуалау белгілерінің барлығы геннің тежеуінде болады, бірақ геннің белгілерді тежеуі бір сыпыра алмасу барыстарын басып өтеді. Ал алмасу барысындағы әрбір басқыш химиялық реакция ферментінің катализдеуін қажет етеді. Сондықтан, кейбір гендер тежеу ферментін синтездеп, алмасу барысын тежеу арқылы организмнің белгілерін тежейді.  Организмдер денесінде геннің белгілерді тежеуі белок молекуласының құрылысын тежеу арқылы белгілерге тікелей әсер ету түрінде де болады.

        Генді алу жолдары: 1) клеткадағы ДНҚ-дн тікелей кесіп алу; 2) химиялық жолмен синтездеу; 3) иРНҚ-дан кері транскриптаза арқылы синтездеу.

Рестрикциялау – модификациялау құбылысы 50-ші жылдары байқаған болатын. Рестрикция тоқтату деген мағынаны білдіреді, ал модификация – молекуланың белгілі бір топтарын химиялық жолмен немесе оларға басқа топтарды жалғау арқылы өзгерту. Рестрикция мен модификациялау құпиясын 1962 жылы В. Арбер ашты.

Генетикалық рекомбинанттарының мәні – екі хромосоманың өзара гендерімен алмасуында. Екі немесе одан көп тұқым қуатын анықтауышы бар клетканың немесе организмнің пайда болуына әкеп соғатын кез келген процесті 1958 жылы Понтекров рекомбинация деп атады. Гендер алмасуын, сондай-ақ клеткаға “бөтен” генді енгізуді генетикалық рекомбинация арқылы in vitro организмнен тыс жасауға болады.

Молекулалық қлондуға арналған векторлар: Вектор – клондайтын ДНҚ-ның бөлшегін тасымалдайтын ДНҚ молекуласы( лат. “vector”- тасушы).

Вектор бұл жерде тек тасушы емес бағыттағыш деген де ұғымды білдіреді. Векторды да қолдан құрастырады және оған мынадай талаптар қойылады:

1. Вектор клетка ішіне бөтен генді алып кірген соң алып клеткамен бірге немесе өз алдына бөлініп көбейе алатын болуы керек, сонда ғана ұрпақ клеткаларға беріледі;
2. Генетикалық белгілері болуы керек, сол белгілер бойынша оның қайтадан клетка ішіне енгенін анықтайды;
3. Құрамында рестриктазалар тауып үзе алатын нуклеотидтер тізбегі болуы крек және рестриктазамен бір рет үзіліп жалғанғаннан кейін ол репликацияланатын қабілетін жоғалтпауы тиіс;
4. Құрамына кірген геннің клетка ішінде дұрыс реттеліп жұмыс істеуін қамтамасыз ететін болуы керек;
5. Оның клетка ішіндегі көшірмесі жетерліктей көп болуы керек.

Плазмалық векторлар: Вектор ретінде пайдаланатын плазмидалар, бактериялық клеткада клондағанда құрамында төмендегідей элементтері болу керек:

1. Ori сайты, ол берілген бактерияның түрінің клеткасында ДНҚ-ның репликациясы дұрыс болуы және плазмиданың өсуі үшін;
2. Доминанттық сұрыптаушы маркер, ол бөгде ДНҚ-ның үзіндісі отырғызылған плазмиданы таситын клетканы таңдап алады;

Бірегей рестрикция сайты, яғни векторда бір-ақ рет кездесетін сайт болуы керек.

Фагтық векторлар: Ең жиі қолданылатын фагтық векторлар ƛ-фагтың туындылары. Фагтың оң және сол иіндерінде литикалық циклге қажетті түгел гендер бар; керісінше, иіндер арасында және лизогенияны бақылайтын гендер алыс орналасқан. Мұндай модификацияланған фагтар литикалық циклді өтеді, бірақ лизогения болмайды.  

Космидтік векторлар: Космидтер табиғатта кездеспейді, олар плазмидамен ƛ-фагтың қисындасуының нәтижесінде жасанды түрде жасалған. Космидада ішек таяқшасында репликациялана алатын оri бір ізділігі, доминанттылық селекциялық маркер Арʳ, бірегей инсерцияға және ДНҚ-ның фрагменттерін өркендететін сайттар болады. ДНҚ фрагментінің космидтік векторда клонданатын көлемі 35-45 нб құрайды.

Гендермен монипулияция жасау биотехнологиялары: 1970 жалдардың басында рекомбинантты ДНҚ-ның in vitro алынғаны жөнінде алғашқы ақпараттан кейін, жаңа ғылым- ген инжденериясы пайда болды. Оның негізгі бағыттары – трансгендік жануарларды және өсімдіктерді жасау және гендік терапияның принциптерін жете зерттеу болды. Бөгде генетикалық материал енгізудің нәтижесінде жаралған организмдерді трансгенді деп атайды.

Гентикалық инженерияның мақсаты негізгі үш міндетті атқару:

1. Рекомбинантты ДНҚ түрінде атқаратын қызметі белсенді генетикалық құрылымдарыды жасап, оларды басқа клеткаларға тасымалдау; 2) рекомбинантты ДНҚ-ларды клеткаға енгізу әдісін жете зерттеу; 3) енгізілген клеткада гендердің қалыпты экспрессиялануына жағдай туғызу.

    Негізінен ген инженериясының классикалық селекциядан   айырмашылығы:

   Ген  инженериясымен салыстырғанда селокционерлер  өсімдіктердің жаңа сортын, жануарлардың  тұқымын немесе микроорганизмдердің  расаларын(нәсілдерін) шығарарда төмендегідей  тосқауылдарға кезігеді: 1) туыс емес түрлерді шағылыстыруға болмайды; 2) организмде рекомбинация процесін басқара алмайды; 3) қандай ұрпақ жаралатынын болжауға болмайды.

          Молекулалық биологияның ғылыми  жетістіктерінің нәтижесінде пайда  болған ген инженериясы организмнің  бағалы қасиетін сақтап, оған  жаңа әрі саналы қасиет те бере алады. “инженерия” деген атау құрастыру деген мағынаны білдіреді. Ген инженериясының дәуірі басталмай тұрып, 1969 жылы Г. Корана нуклеотидтерді белгілі бір жүйемен орналасқан ДНҚ синтезінің әдістемесімен жасап берген.

        ген инженериясының дүниеге келген уақыты 1972 жыл деп есептеледі. Сол жылы АҚШ-та П. Бергтің тобы алғаш рет пробиркада үш түрлі микроорганизмнің ДНҚ-ларының фрагменттерінен жаңа гибридтік ДНҚ құрастырды.

Клеткада жұмыс істей алатын гибридтік ДНҚ-ны 1973 жылы алғаш С. Коэн мен Г. Бойер құрастырды. Олар басқа организмнен бөліп алған ДНҚ фрагментін бактерия плазмидасының құрамына енгізген. Ол плазмидадағы бөтен гендердің алғаш рет жаңа организм ішінде жұмыс істей алатынын көрсетті.

Ген инженериясы деп жаңа комбинатнтты ДНҚ- лар жасап, оларды басқа тірі клеткаларға енгізуді айтады.

Ген инженериясы шешетін мәселелер: 1) генді химиялық немесе ферментті қолдану жолымен синтездеу; 2) клеткаға гендерді енгізу жіне бөтен белокты синтездеу; 3) бөтен генге ие болған клеткаларды таңдп бөліп алу жолдарын ашу; 4) әр түрлі организмне алынған ДНҚ фрагменттерін бір-бірімен жалғастыру; 5) бөтен генді жаңа клеткаға векторлық ДНҚ арқылы жеткізу және олаардың қызмет жасауын қамтамасыз ету;

Соңғы жылдары ғалымдар жоғары организмдердің гендерін бактериялар мен ашытқы саңырауқұлақтарының организміне енгізуді іске асырды. Соңынан оларды белок синтездеуге пайдаланды. Мысалы, инсулин генін осылайша "жұмыс істеткізді". Адам инсулині ең алғаш рет Е. соlі деген бактерияның көмегімен 1982 жылы алынды.

Осылайша бір типтегі организмнен алынған генді басқа типтегі организмге енгізуді гендік инженерия деп атайды. Жоғарыда айтылған ипсулин, өсу гормоны — соматотропин, сондай-ақ гемофилия ауруына қолданылатын VIII фактор — гендік инженерияның өнімдері. Қазіргі кезде гендік инженерияның көмегімен түрлі жұқпалы ауруларға қарсы вакциналар өндіріле бастады.

     Өзін өзі тексеруге арналған сұрақтар:

1. Гендік инженерия нені зерттейді?
2. Моногибридті будандастырудағы тұқым қуалау  заңдылықтары қандай ?
3. Генді алу жолдары қандай?

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

           № 13 дәріс тақырыбы. Мутагенез, ДНҚ репарациясы және кроссинговердің  молекулярлық механизмі.

    Жалпы сұрақтары: Нуклеин қышқылдарының мутациялық өзгергіштіктері.    Спонтанды жіне индуцирленген мутациялар. Мутагендер және олардың қызметінің механизмдері. Гендік мутациялар.

    Пайдаланатың құралдар: проектор, слайдтар

Тірі организмердің маңызды қасиеттерінің бірі ұрпақтан ұрпаққа таралатын өзгергіштіктің пайда болуы. Мутациялық өзгергіштік көп өзгергіштіктің бір түрі болып табылады. Мутация деген атауды ғылымға Гуго де Фриз енгізген.  Мутация-әртүрлі физикалық және химиялық факторлардың әсерінен организмде тұқым қуатын өзгерістің пайда болу процесі. Мутация клеткадағы геннің табиғи не жасанды жолмен өзгеруі. Организмнің табиғи не жасанды факторлар әсерінен тұқым қуатын өзгеріске бейімділігі мутабильдік деп аталады.

     Мутагенез –  күрделі процесс . Оның соңында не полипептидтің алғашқы құрылымында  тұқым қуалаушылық өзгереді, не тұқымқуалаушылықтағы ақпарат толықғымен жетпей  қалады. Мутагенез негізінде генетикалық нуклеин қышқылдарының өзгеруі жатыр. Бұл кезде ДНҚ-ның өзгерген аумағында транскрипцияның үзілуі болуы мүмкін. Ол ДНҚ байламының үзілуіне де, ДНҚ фрагментінің түсіп қалуына да, негізінің әр түрлі өзгерістеріне де қалыптасқан.

      Мутацияның түрлерін топтастырудың бірнеше негізі бар.

Генотиптік  өзгерістер 
     Адам генетикасы тұқымқуалаушылық пен қалыпты және потологиялық жағдайдағы адам организміндегі өзгерістер заңдылықтарын қарастырады. Генотиптік өзгеріс дегеніміз – генотип құрамында болып жатқан тұқым қуалайтын өзгерістерді айтамыз. Өзгерістің бұл типіне комбинативті және мутационды өзгерістерді жатқызады. Олар табиғаттағы түрішілік  өзгешеліктердің үлкеюіне әкеледі. Әлемдік эволююцияда дәл осы типтегі мутациялық өзгерістер маңызды рөл ойнаған деген болжамдар да бар.

Комбинативті өзгерістер  
    Комбинативтік өзгеріс жыныстық жетілу пайда болған соң шықты. Ол  ата-ана қайтарымдарының әр түрлі перекомбинацияларымен байланысты және осы сияқты  белгілердің шексіз өзгешеліктерінің негізгі көзі болып табылады. Дәл осылай бір ата-анадан әр түрлі уақытта туған балалар ұқсас болғанымен, оларды ажыратуға болатын көптеген белгілері болады. Комбинативті өзгеріс ұрықтандыруға ата-анасының хромосомасының әр түрлі  перекомбинациясы бар гаметалардың қатысуымен жүреді. Бұл кездегі еркек пен әйелдің  гаметаларының минимальды сорты жоғары, ол 223-ке тең (кроссинговерді санамағанда).

Сондықтан жер бетінде  бір-біріне  екі  ұқсас адамның дүниеге келуі  өте сирек кездеседі. Комбинативті өзгеріске кроссинговер көп үлесін қосады. Соның әсерінен аллельдер рекомбинациясы арқасында жаңа  топтар пайда болады.  Мүмкін болатын генотиптер саны (g) тең: 
  
           g=[r(r+1)]n     r –аллельдер саны 
                --------             n – гендер саны 
 
 Бұл заңды 1908 жылы ағылшын математигі Харди және неміс биолог-дәрігері Венберг соңына дейін зерттеп, ашқан. Сондықтан бұл заң Харди-Венберг заңы дер аталад

Мутационды өзгеріс  
     Мутационды өзгеріс мутациялық процестер түзумен байланысты. Мутациялар - бұл генотип құрылысындағы аяқ астынан болатын тұрақты өзгерістер. Мутацияға ұшыраған организмдер мутанттар деп аталады. Мутациялық теория, жоғарыда айтылғандай, 1901-1903 жж. Гуго де Фризбен  ашылған. Соның  негізінде  жаңа генетика жатыр: мутациялар, тұқым қуалаушылықтың дискретті өзгерістері. Мутациялар тұқым қуалаушылық арқылы беріледі. Сирек болғанымен, әр түрлі типтері кездеседі. Ол негізінде қандай белгі жатқанына  байланысты. Бүгінгі таңда мутацияның классификациясының бірнеше жүйесі бар