Тұқым қуалаушылықтың негізгі заңдылықтарын мен классикалық генетиканың принциптері

Стрептомицинге төзімді пневмококтардың  клеткаларын пробиркада езіп, одан ДНК бөлініп алынған. Осылайша тазартылып алынған ДНК –ны қоректік ортаға апарып қосқанда, онда өсіп жатқан стрептомицинге төзімсіз пневмококтардың кейбіреулері тұқым қуалайтын , осы антибиотикке төзімділік қасиетке ие болған. Сөйтіп бұл жағдайда да бактерия қасиетінің өзгеруі ДНК арқылы болып отырғанын көреміз. Эверидің осы ашқан жаңалығының генетиканың әрі қарай дамуында үлкен маңызы болды. ДНК – ның клеткадағы тұқым қуалаушылық қасиетке байланысы бар екендігін анықтау организмнің тұқым қуалаушылығы мен өзгергіштігін молекулалық деңгейде зерттеудің бастамасы болды.

ДНК ЖӘНЕ ВИРУСТАР. Вирустар өсімдік, жануар және бактерия клеткаларының ішінде болатын паразиттер. Бактерияны зақымдайтын вирусты бактериофаг немесе жәй фаг деп атайды. Вирустар сыртынан белокты қабықша қаптаған нуклеин қышқылы молекуласынан тұрады. Химиялық тұрғыдан алып қарағанда олар нуклеопротеидтер болып есептеледі. Бір вирустың құрамында ДНК болса, екіншілері тек РНК –дан тұрады. Соңғы кезде ДНК мен РНК –ның қосындысынан тұратын вирустар да табылды.

Нуклеин қышқылдарының қасиеттерін  және тұқым қуалаушылықтың заңдылықтарын  молекулалық деңгейде зерттеу үшін пішен таяқшасында болатын Т 2 фагы мен темекі мозайкасының вирусы (ТМВ) көп қолданылады. Өте үлкейтіп қарағанда алты қырлы бас бөлімі мен жіпше тәрізді құйрығы анық көрінеді. Бас бөлімнің ішінде тығыз спиральға оралған ДНК жіпшесі болады.

Бактерияға шабуыл жасағанда фаг  оған құйрығымен барып қонады. Содан  барып бактерия клеткасына өзінің ДНК  – сын бүркеді. . Фагтың ДНК – сы клетканың ішіне өткен соң оның қалыпты қызметін бұзады, содан соң клеткадағы ДНК ыдырап, соның салдарынан ондағы белоктың синтезі тоқтайды.. Ондай клеткадағы бүкіл биохимиялық аппараттың бақылануы вирустық ДНК – ға ауысады, ал ол жаңа вирустарды репродукциялау үшін қажетті белок молекулаларын өндіруге кіріседі. Вирус ДНК –сы өзі сияқты құрылымдарды өте жоғары жылдамдықпен жасап шығарады: шамамен 20 минутта жүздеген жаңа пісіп жетілген фагтер пайда болады. Олар клетканы әбден толтырғаннан кейін, оның қабығы жарылып ішіндегі фагтер сыртқа шығып, басқа бактерия клеткаларын зақымдауға әзірленеді.

ДНК – ның генетикалық ролін  америка оқымыстылары А.Херши мен  М.Чеиз Т 2 фагтың көбеюін зерттеу  барысында изотоппен таңбалау әдісін қолдану арқылы дәл анықтап берді. Фагтың белогы радиоактивті күкіртпен (35 S), ал ДНК радиоактивті фосформен (32 Р) таңбаланды.

Фагтың осындай препараты бактерия клеткасының суспензиясымен ауыстырылды. Содан соң фагтың ұрпағында арнаулы  есептегіштердің көмегімен таңбаның таралуы қадағаланды. Нәтижесінде, жаңа түзілген фаг бөлшектерінің құрамынан тек қана ДНК таңбаланған радиоактивті фосфор табылды. Сонда бастапқы ата-аналық фагтың таңбалы белогының ұрпағына берілмегендігі анықталды.

Темекі мозайкасы вирусының  құрылысы қарапайым болып келеді. Оның пішіні таяқша тәрізді , денесінің сырты белок молекулаларымен қапталған РНК – дан тұрады. Бұл вирустың РНК – сы басқа вирустар мен фагтардағы ДНК – ның ролін атқарады. Егер осы вирустың РНК –сын белокты қапшығынан бөліп алып өсімдік клеткасына  жіберсе ол зақымдалып, көптеген жаңа фагтер пайда болады. Мұны Г.Френкель - Конрат тәжірибе жүзінде дәлелдеп көрсетті. Фаг бөлшектерінің суспензиясын фенолдың судағы ерітіндісімен шайқау арқылы вирустың ДНК – сы оның белогынан ажыратылып алынды. Содан соң әрқайсымен жеке - жеке темекі жапырағына әсер етілді. Сонда белокты бөлігінің жапырақты зақымдай алмайтындығы, ал РНК жіберілген жапырақтың ауруға шалдығатындығы байқалды.

Сонымен Т₂ фагы және темекі мозайкасы вирусымен жүргізілген тәжірибелердің нәтижелері зақымдалған бөлшек пен оның ұрпағының

арасындағы материалдық жалғастық  тек қана бактерия не өсімдік клеткасына өтетін ДНК немесе РНК арқылы жүзеге асатындығы дәлелденді.

ТРАНСДУКЦИЯ. Фаг бактерияны зақымдағанмен оны жоя бермейді. Кейде вирустық инфекция процесі басқаша жүреді. Фагтың ДНК –сы клеткаға өткен соң бактерия хромосомасына барып бекіп профаг түзеді. Оның бактерия хромосомасымен қоса бөлінуі және белгілі бір тұрақты сыртқы орта жағдайларында ұзақ уақыт бойы ұрпақтан – ұрпаққа берілуі мүмкін. Бірақ қолайлы орта өзгерсе фаг бөлшектері репродукцияланып соның салдарынан клетка тіршілігін жояды. 1952 ж. К.Циндер мен Дж.Ледерберг фаг бөлшектері көбеюі кезінде бактерия клеткасы хромосоманың кішкентай бөлшегін бөліп алып, сол арқылы гендерді бір клеткадан екінші клеткаға тасымалдайтынын анықтады. Генетикалық материалдың осылайша фаг арқылы бір клеткадан екінші клеткаға берілуін трансдукция деп атайды. Басқа бір бактерия клеткасына бекіп алып, фаг оған өзінің ДНК – сымен бірге алдында өзі қосып алған хромосома бөлшегін де де бүркеді. Клеткаға өткен соң мұндай бөлшек кроссинговердің нәтижесінде бактерия хромосомасына барып қосылады. Егер фаг бактерияның бір штаммында өсіп жетіліп, содан соң басқа штамға трансдукцияланса, соңғысының генотипі өзгеруі мүмкін. 

Сөйтіп, трансдукция жолымен жүргізілген  тәжірибелер арқылы ДНК –ның тұқым  қуалаушылықтағы атқаратын ролі анықтала түсті. Трансдукция хромосоманың құрылымын, геннің нәзік құрылысын  зерттеу үшін және гендік инженрия бойынша жүргізілетін тәжірибелерде кеңінен қолданылады.

Сонымен, жоғарыда келтірілген зерттеулердің  қорытындысы ДНК организмінің тұқым  қуалағыш қасиетін сақтайтын химиялық зат екендігін, яғни организмдегі тұқым  қуалайтын информация ДНК – молекуласында  жазылатындығын көрсетеді.

 

         

НУКЛЕИН ҚЫШҚЫЛДАРЫНЫҢ  ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН

РЕПЛИКАЦИЯЛАНУЫ

 

Бүкіл организмдерде болатын тұқым  қуалаушылық қасиет нуклеин қышқылдарының  қызметтеріне байланысты. Олардың барлығында дерлік құрамынан ДНК табылған, тек  кейбір вирустарда ғана оның орнына РНК  болады.

Нуклеин қышқылдры күрделі биологиялық  полимер. Олардың мономері – нуклеотидтер болып табылады. Әр нуклеотид үш компоненттен тұрады: азоттық негіздерден, пентоза қантынан және фосфор қышқылынан. Азотты негіздердің бес түрі бар. Соның бірі урацил ол тек РНК –ның құрамында кездеседі.

Келесі тимин бұл тек ДНК  – да болады. Ал қалған үш азотты негіздер: цитозин, аденин, және гуанин ДНК –  ның да, РНК –ның да құрамына енеді. Екі циклды негіздер  аденин мен  гуанин  - пурин, ал моноциклді негіздер–цитозин, тимин және урацил пиримидин туындыларына жатады.

РНК – ның құрамына енетін пентоза қанты – рибоза, ал ДНК – ның құрамындағы –  дезоксирибоза болып табылады. Осыған байланыты олар рибонуклеин және дезоксирибонуклеин қышқылдары деп аталады. Нуклеотидтің қант пен азотты негізден тұратын бөлшегін, нуклеозид деп атайды. Соған байланысты нуклеотидтерді кейде нуклеозидмонофосфаттар

дейді.

РНК молекуласы төрт түрлі нуклеидтің қатар тізбегінен құралған жалғыз жіпшеден тұрады. ДНК молекуласының құрылымы одан күрделірек. Оны дұрыс түсіну үшін Э.Чаргафф қалыптастырған заңдылықтың ерекше маңызы бар. Ол бойынша кез-келген ДНК молекуласында:

1. пуринді азотты негіздері бар нуклеотидтердің жиынтығы пиримидинді нуклеотидтердің жиынтығына тең (А+Г=Т+Ц).
2. адениннің мөлшері (А) тиминнің (Т) мөлшеріне, ал гуанин (Г) цитозинге (Ц) тең, яғни А – ның Т – ға және Г – ның Ц – ға қатынасы

  1 (бірге) тең. 

3.  кетотобы бар азотты негіздердің  шамасы аминотобы бар азотты  негіздердің шамасына тең, яғни  Г+Т= А+Ц немесе (Г+Т) (А+Ц) =1

Бұл ереже бір жағынан Т мен А –ның, екінші жағынан Ц мен Г –ның мөлшерінде тұрақты ара қатынастың бар екендігін көрсетеді. Сонымен қатар А.Н.Белозерский мен А.С.Спириннің жұмыстарында көрсетігендей (А+Т) (Г+Ц) арақатынастарының түрге тән ерекшеліктері бар , яғни әр түрге жататын организмнің ДНК – ларында олар түрліше болып келеді.

ДНК – ның құрылысын анықтауда 1953 ж. М.Уилкинс пен Р.Франклин жүргізген  рентген құрылымдық зерттеулердің  ерекше маңызы болды.

Оның нәтижесі ДНК – ның кезектесіп келіп отыратын, молекула діңінің бойында бір - бірінен 0,34 нм ара қашықтықта орналасқан ретті құрылым екенін көрсетті.

Осы зерттеулерге сүйене отырып Дж.Уотсон мен Ф.Крик ДНК екі полинуклеотидті  тізбектен тұратын молекула деп  жорамалдады. Содан соң олар рентген  құрылымдық, биохимияляқ зерттеулерді және математикалық есептеулерді салыстыра отырып ДНК молекуласының құрылысын көрсететін модель жасады. Ол Уотсон-Крик моделі деп аталды. Бұл модель бойынша ДНК молекуласы  спираль тәрізді болып бұралып орналасқан қос жіпшеден тұрады. Екі жіпшенің әрқайсысы полинуклеидтер болып есептеледі.

Мұндай нуклеотидті тізбектер  бір - бірмен азотты негіздер арқылы байланысады. Аденин әрқашанда тиминге (А+Т), ал гуанин цитозинге (Г+Ц) қарама – қарсы орналасады. Азотты негіздердің бұл жұптары  бірін - бірі толықтырып отырады (комплементарлы).  

Уотсон мен Криктің моделінің  көмегімен ДНК – ның  аса  маңызды биологиялық қасиеттері анықталды. Соның бірі ДНК – ның  өздігінен екі селену қабылеті (репликация). Екі еселену кезінде комплементарлы орналасқан азотты негіздердің (А+Т) (Г+Ц) арасындағы сутекті байланыстар үзіліп, ДНК жіпшелері екіге ажырайды. Осылайша ажырап кеткен әр жіпше жаңа молекулалардың түзілуі үшін матрица болып есептеледі де, оған комплементарлы негізде тиісті нуклеотидтер келіп тізбектеледі. Бұл процесс әрбір ажыраған жіпшелерде жеке – жеке жүретіндіктен бастапқы аналық ДНК – ға ұқсас екі жіпшелі жаңа ДНК молекулалары түзіледі. Репликацияның немесе екі еселенудің мұндай жолын жартылай консервативті деп атайды.

 ДНК синтезі механизмінің жартылай консервативті жолының дұрыстығын тұңғыш рет 1957 ж. Цитологиялық әдісті пайдаланып, ат бұршақ хромосомасының репликациясын зерттеу барысында Дж. Тейлор анықтады. Содан соң 1958 ж.оОны физико - хмимиялық әдістердің көмегімен М.Мендельсон мен Ф.Сталь толық дәлелдеді. Олар Е.Соti бактериясын азот изотопы (15 N) бар ортада өсірді. Мқндай бактерияның ДНК – сының азотты негіздерінде біраз уақыттан соң кәдімгі азот (14 N) толығымен оның изотобынан (15 N) алмастырылды. Содан кейін ДНК – сының құрамында изотобы бар бактерия қалыпты азотты (14 N) бар ортаға апарылды. Бұл кезде олардың олардың біршама өсетіндігі байқалды. Мұндай ортада жаңадан синтезделген ДНК – ның құрамында кәдімгі азот болуға тиісті. Бұл бактерияның бірінші ұрпағының ДНК – сы орташа тығыздықта болуы керек себебі оның молекулалары «будан» болып келеді, яғни бір тізбегі ауыр азотты  (15 N), екіншісі жеңіл азотты (14 N). Бактерияның екінші ұрпағынан бөлініп алынған ДНК екі түрлі тығыздықатғы молекулалардың қоспасы болу керек. ДНК молекуласының екі жеңіл жіпшеден тұратын жағының тығыздығы қалыпты, ал құрамына бір ауыр және бір жеңіл тізбек енетін жағы жартылай тығыз болып келеді.

Сөйтіп, ДНК – ның екі еселену  механизмінің Уотсон мен Криктің  пайымдауына сәйкес келетіндігі  дәлелденді.

ДНК ТРАНСКРИПЦИЯСЫ

 

ДНК бүкіл бактериялардың синтезіне  қатысады және олардың құрылысы мен  қызметін анықтайды.

Бірақ бірқатар зерттеулердің нәтижесі белок синтезінде ДНК – ның  өзі тікелей матрица бола алмайтынын көрсетті. Бактериялардан басқа организмдердің клеткаларында ДНК негізінен   ядродағы хромосомаларда жинақталады., ал белоктың синтезі цитоплазмада жүретіндігі белгілі. Олай болса, ДНК ядрода болып, ал белок синтезінің цитоплазмада өтетіндігінің өзі генетикалық информацияны ядродан цитоплазмаға алып баратын қандай болмасын бір аралық матрицаның бар екендігін көрсетеді. Ол информациялық, кысқаша иРНК. Сонда, ДНК молекуласындағы генетикалық информаця иРНК ға көшіріледі, бұл процесті транскрипция деп атайды. Ол  иРНК – ның ДНК матрицасы негізінде синтезделуі арқылы жүзеге асады. Мұндай РНК – ның информациялық деп аталу себебі, ол ядро қабықшасының саңыраулары рақылы өтіп, цитоплазмадағы белок синтезделетін жерге генетикалық информация алып барады. _иРНК молекуласы арнайы фермент – РНК – полимеразаның қатысуымен ДНК матрицаның бір тізбегі негізінде синтезделеді.

Нуклеотидтің жұптасуы комплементарлы принципте жүреді : иРНК молекуласындағы  нуклеотидтердің орналасу реті ДНК  молекуласына сәйкес келеді  Сонда  гуанинге-цитозин,  тиминге-аденин, ал аденинге қарсы тиминнің орнына урацил орналасады.ДНК матрицасында иРНК –ның синтезделуі аяқталған соң, ол бірден цитоплазмаға өтіп рибосомаға барып бекиді. Содан кейін белоктың  синтезі бсталады. Бірақ алдымен генетикалық кодпен танысып алған жөн.

  

Транскриптің қурылымы: геннің структуралық жәнереттейтің бөліктері.

      

 

                                              

                    Промотор          Транскрипции              Терминатор

                                               басталуы нүктесі

 

ГЕНЕТИКАЛЫҚ КОД

 

Кез - келген организмдердің арасындағы айырмашылық олардың құрамындағы  белоктардың құрылымы мен мөлшерінің өзгешелігіне байланысты, сондықтан  тұқым қуалаушылықтағы басты  бір мәселе генетикалық информацияның  ДНК молекуласында қалай жазылатындығын және  оның организмнің белгі - қасиеттерін қалайша анықтайтындығын білу болып табылады. Белок пен нуклеин қышқылдарының арақатынасы жәйлі проблема – бұл тұқым қуалаушылық туралы ілімнің өзекті бір мәселесі.

Белоктар – биологиялық полимерлер болып есептеледі. Олардың макромолекулалары негізінен 20 мономерлерден, яғни аминқышқылдарынан тұрады. Әр түрлі белоктардың құрамындағы аминқышқылдарының саны да, орналасу реті де түрліше болып келеді. Сондықтан да белоктар алуан түрлі және орардың құрылымы бір – біріне ұқсамайды.