-дәріс. Тұқым қуудын молекулалық негiздерi

1. 
   Нуклеин қышқылдарыының құрылымы және биологиялық ролі
   

4. ГЕНЕТИКАЛЫҚ КОДТЫҢ ҚҰПИЯСЫ

Генетика тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі ең алдымен хромосомалар болатынын сенімді түрде көрсетіп берді.Құрамында гендері бар хромосомалар өз көшірмесін қалдыратын қатар түзеді.Тіршілікке тән үздіксіз көбею,өсіп-өну қасиет осы хромосомаларға байланысты.

Хромосомалардың өз көшірмесін қалдыратыны жөніндегі үлгіні 1928 жылы Н.К.Кольцов ұсынған. Ол “Omnis molecula e molecula”-әрбір молекула молекуладан деген жорамал айтқан. Бұл постулат бойынша клеткадағы макромалекулалар:белоктар және нуклеин қышқылдары матрицалық(көшірмелік) принциппен көбеюге тиіс. Хромосоманың құрылысы күрделі. Оның құрамына белоктар (гистон тәрізді және гистон тәрізді емес), липидтер, екі валенті металдар катиондары т.с.с.кіреді. 1940 жылдың басына дейін хромасомалардың генетикалық қызметін көп зерттеушілер тек қана белокпен байланысты деп есептеген. Н.К.Кольцовтың айтуынша, “ДНҚ сияқты”қарапайым молекула“соншама күрделі қызмет атқарады” деп мойындау өте қиын еді. Бірақ кейініректе барл“ық өсімдіктерде, жануарларда, микроорганизмдерде, көпшілік вирустарда генетикалық материал – ДНҚ екені анықталды.
Нуклеин қышқылдарыының құрылымы және биологиялық ролі
Нуклеин қышқылдарының проблемасының 1868 жылы швейцарлық Ф.Мишер шұғылданған болатын. Ол ірің клеткаларын алынған ядро бөлшегін зерттеп, құрамына көміртегі, азот және фосфор кіретін бұрын белгісіз органикалық қосылыс түрін ашты. Ашқан қосылысын ядродан бөліп алғандықтан нуклеин деп атады(латынша“нуклеис”-ядро).

Ф.Мишердің ашқан қосылысы басқа да ғалымдардың назарынан тыс қалған жоқ. 1874 жылы Пиккард балық спермасынан бөлініп алынған нуклеин құрамынан жаңа азоттық негізді ашты. Ол-құрамындағы екі азот атомы бар гетероциклдік қосылыстардың ішіндегі пуриндер тобына жататын гуанин еді.

Түсінікті болуы үшін гетероциклдің не екеніне жіне оны не себептен негіз деп аталатына тоқтала кеткен жөн. Циклді қосылыс деп қанқасы сақина түрінде тұйықталған көмірсутектерін айтады. Ал оның құрамына көмірсутектерінен басқа да атом түрлері кірсе, оны гетероциклді дейді(гетеро-әр түрлі). Ал пуриндерді, пиримидиндерді негіз дейтіні – олардың құрамындағы азот қышқылды ордада өзіне протонды қосып алып оң зарядталады (циклдағы көмірсутектері ешұашан зарядталмайды).1880 жылы неіс химигі Г.Фишер әлгі нуклеиннің құрамына тек пуриндік емесғсонымен қатар пириминдік гетероциклдер кіретінің анықтады. Пуриндер алты және бес атомды гетероциклдерден біріккен болса, пиримидиндер тек алты атомнан тұратын гетероциклді қосылыс. Бірнеше жылдан кейін Ф.Мишердің шәкірті Коссель мен Асколи тағы төрт түрлі негіздерді- аденин, тимин, цитозин және урацилді ашты. Нуклеиннің ертіндісі қышқылдық қасиет көрсететін болқандықтан Ф.Альтман 1889 жылы оған нуклеин қышқылы деп ат берді.Осы 5асырдың басында жүгізген зерттеулерінің нәтижесінде П. Левен нуклеин қышқылының құрамына азоттық негіз бен фосфордан басқа шағын углеводтардың ерекше тобын кіретінін анықтады(сахар). Нуклеин қышқылының құрамына кіретін углевод бес көміртегінен тұрады. Левен нуклеин қышқылының бір тобына кіретін углеводтағы оттегінің саны бір атомда кем екенін анықтады. Оттегі атомдары толықтарын рибоза деп, бір оттегі атомы кемді – дезоксиробоза (“дезокси”- оттексіз) деп атады. Сонымен, оттегінің бір аттомының санындағы айырмашылық негізінде нуклеин қышқылының рибонуклеин қышқылы деп дезоксирибонуклеин қышқылы деп екі түрге бөлді. Оның біріншісі қысқартылып РНҚ деп, екіншісі ДНҚ деп айтылады. Сонымен қатар Левен негіз, углевод және фосфор бірігіп комплекс (жинақ) құрайтынын және олардың нуклен қышқылдарының “кірпіштері” болып табылатынын анықтады. Нуклеин қышқылдарын құрайтын бұл “кірпіштерді” нуклеотид деп атады.

1928 жылы Ф.Гриффит өкпе ауруларын қоздыратын пневмококк бактериясының өсуін зерттегенде, олардың колонияларды қоректік ортада агарда өзінің бейнесін өзгертетінін байқады. Алғашқыда тегіс,әрі жылтыр келген пневмококтардың “Ѕ” түрі (ағылшынша Smooth – тегіс), кейін бұдырмақтанып “R”(Rough-бұдырмақтау) түріне айналатыны байқалды. Бұл ауысу (S-R) диссоциация деп аталады. Келесі жаңалық бірнешеден жылдан кейін ашылды – пневкоктарды кері бағытта R- күйден S- күйіне өзгертуге мүмкіндік туды. Диссоциацияға қарағанда кері бағытта өттетін бұл өзгеріс трансформация деп аталды.

Міне, осы 1944 жылы молекулялық биологияның ашылған жылы деп есептелінді.

Э.Чаргафф өте таза ДНҚ молекуласын бөліп алып, мұқият түрде химиялық талдау жасап, кез келген организмнен бөлініп алынған ДНҚ- ның құрамындағы адениннің мөлшері тиминдікімен (А=Т), ал гуаниннің мөлшері цитозиндікімен (Г=Ц) бірдей болатынын анықтады.

_А+Г_ _ I

Г+Ц ¯
Осы ережеге сәйкес әр түрлі организмдердің нуклеотидтік құрамы тек қана олардың арақатынасының өзгеруіне, мөлшеріне байланысты.

Осы рентгенструктуралық талдаудың және ДНҚ- ның химиялық құрамын біле отырып, 1953 жылы Д.Уотсон және Ф.Крик оның молекулалық моделін құрастырды. Бұл биология тарихындағы ең үлкен жаңалықтың бірі болып табылады. Ол аденин мен тиминнің, гуанин мен цитозиннің бір-біріне байланысы химияның заңдылығына еш қайшы келмейтінін анықтады. Мұндай модель Чаргаффтың заңдылығына сай келді.

Х.Резерфордтың атомның құрылысын ашуы адамзатқы шексіз энергия көзін берсе, Уотсон-Крик және Уилкинстердің ДНҚ-ның құрылысын ашуы организмге жаңа қасиет Бере алатын ген инженериясының әдісін ашты.

Дезоксирибонуклеин қышқылы- ДНҚ организмдердің басым көпшілігінде (құрамына РНҚ кіретін вирустерден басқа) тұқым қуудың материалдық негізі болып табылады. Ол адамның және барлық организмнің клеткаларында болады. Сонымен бірге ДНҚ кейбір бактериофагтар мен вирустарда да болады. Организмдегі барлық клетка ядроларында ДНҚ саны әрдайым бірдей болады.

ДНҚ- ұзын макромолекула, оның негізгі құрылыс мүшелері дезоксирибонуклеотидтер болвп табылады. Нуклеотид үш құрылымды элементтен: органикалық қосылыстан, углеводтан және фосфор қышқылынан құралған. ДНҚ- да дезоксирибоза деп аталатын углевод пен фосфор қышқылы барлық нуклеотидтерде бірдей; нуклетидтерде органикалық қосылыстар бірнешеу: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) және цитозин (Ц). ДНҚ молекуласы ширатылған қос тізбекті спираль (латынша “спиралис”- шиыршықсым) тәрізді иірілген. Әр тізбектің нуклеотидтердің бір-бірімен кезектесіп жалғасқан углевод пен фосфаттардың қатары осы спиральдың қанқасы болып табылады. Шиыршықтың ішкі кеңістігіндн ьір тізбектің азоттық негіздері екінші тізбекке сәйкес негіздермен сутегілік байланыстар құрап, бір- бірімен берік ұстасып тұрады. Азоттық негіздердің химиялық құрылыстарының ерекшеліктерң бір тізбектің аденині (А) екі сутегілік байланыс нәтижесіеде екінші тізбектін тек тиминімен (Т) ғана, ал гуанин (Г) үш байланыс арқылы тек цитозинмен (Ц) ғана біріге алатынын көрсетеді. Яғни, бір тізбектің бойындағы азоттық негіздердің қандай кезекпен орналасқаны белгілі болса, онда ол тізбекпен бірігіп тұрған екінші тізбектің бойындағы азотық негіздердің орналасу тәртібінде өте оңай анықтауға болады. Осындай бірімен бірі сәйкес келетін тізбектерді бір- біріне комплементарлы (комплементарлы- сәйкес, толықтырушы) деп атайды. ДНҚ- ның шиыршық қаңқасы үнемі қайталанып отыратын углевол- фосфат тобы болса, оның ішкі кеңістігінде біріккен азоттық негіздердің жұбы бірінен кейін бірі спиральдың бойында әр түрлі кезекпен орналасады. ДНҚ тізбектерінің бағыты бір- біріне қарама- қарсы. Спиральдің бір ұшына бір тізбек углеводтың 3'- көміртегінің гидроксил тобымен бітсе, екінші тізбек 5'-көміртнгімен байланысқан фосфатпен аяқталады. Ал спиральдың ол тізбектерінің екінші ұштары керісіеше аяқталған, сондықтан ол тізбектердің ба,ытын былай өрнектейді:3'-5' және 5'-3',яғни олардың бағыты қарама-қарсы деген сөз. ДНҚ молекуласы шиыршығының формасы (сырт пішіні) сағат бағыты бойымен оңға қарай ширатылған, ол бұралған баспалдаққа ұқсайды. Екі жіпшенің арасындағы жұптасқан А-Т және Г-Ц топтары ол баспалдақтың басқыштары секілді. Шынында да ДНҚ молекуласында ол “басқыштар” бір- біріне параллель, ал спиральдың ұзына бойы осіне перпендикуляр орналасқан. ДНҚ молекуласы неліктен спираль формалы? Бір тізбектегі азоттық негіздердің барлығы дерлік екінші тізбектің барлық негіздерімен толық жақындасып байланысуы үшін ол тізбектер бір- біріне оралып спираль болып айналуы шарт екен. Сонымен қатар спираль ішіндегі параллель орналасқан жұп азоттық негіздердің арасында гидрофобтық (грекше “гидро”- су, “фобос”-қорқу), жіне дисперсиялық (латынша “дисперсус”-шашылу, ыдырау) күштердің әсерімен қосымша байланысты – стэкинг байланысы деп атайды. Мұндай байланыс пуринді азоттық негіздердің арасында күштірек. ДНҚ – молекуласын спираль күйінде ұстап тұратын осы байланыстар.

бірнеше миллион, ал жануарлардікі көптеген миллиард негіздерден тұрады. Адамның бір клеткасындағы барлық ДНҚ молекулаларын созса, ұзындықы 2 метрге жетеді, яғни диаметрі 20 ангстрем, ұзындығы 2 метр.

ДНҚ- ның екі тізбегін бір- бірімен ажыратуға болады. Ерітіндідегі ДНҚ молекуласын 100°С температурада қайнатса оның тізбектері бір- бірінен ажырайды, яғни олардың арасындағы сутегілік байланыстар үзіледі. Мұны денатурация деп атайды (денатурацияның- табиғи формасын жоғалту). Құрамында ДНҚ бар ерітінді қайнатып, кейін тез суытса,ажырасқан екі тізбектер жеке-жеке күиінде қалып қояды. Ал оны өте баяу суытса, ол тізбектер қайтадан бір- бірімен жұптасып, бастапқы қос тізбекті спираль түріне келеді. Жайлап суытқан кезде тізбектерге сәйкес негіздер бірін-бірі біртіндеп тауып, қайтадан сутегілік байланыс құрай бастайды, ал тез суытқанда олар байланысып үргере алмай қалады. Әр түрлі ДНҚ молекулаларының тізбектерінің қаншалықты оңай денатурацияланатыны құрамындағы А-Т мен Г-Ц жұптарының мөлшеріне байланысты. Жоғарыда айтып кеткендей бір тізбектегі гуанин екінші тізбектегі цитозинмен үш сутегілік байланыс, ал аденин мен тимин екі сутегілік байланыс құрайды. Яғни, Г мен Ц- нің арасындағы байланыс А мен Т-еың арасындағы байланысқа қарағанла әлде қайда берік. Егер ДНҚ тізбектерінде Г мен Ц- нің мөлшері көп болса,ондай молекуланың тізбектері тез ажырамай қоймайды, ол үшін температураны неғұрлым жоғарлату керек, ал А мен Т жұбы көп болса, оның тізбектері төмеңгі температурада –ақ ажырай бастайды. Мысалы, өте ыстық ортада өмір сүре алатын термофильдік микроорганизмдердің ДНҚ молекуласында Г- Ц жұбының мөлшері өте жоғары болады.

Әр түрлі организмдерден алынған ДНҚ-лардың бір-бірімен қаншалықты ұқсас екенін, немесе бір организмнен бөлініп алынған ДНҚ фрагментіне (мысалы, геннің ) ұқсас ДНҚ бөлігі басқа организмде бар-жоғын молекулалық гибридация әдісі арқылы зерттеуге болады. Ол жаңағы айтылған ДНҚ-ның денатурациялануына негізделген. Мысалы, өсімдіктен аса маңызды ДНҚ фрагментін (айталық генді) бөліп алып делік. Енді сондай фрагменттің (үзіндінің) жануар ДНҚ-сында бар-жоғын тексеруге болады. Ол үшін өсімдікке құрамында родиактивті атомы бар қоректік зат береді. Содан соң ол өсімдіктің ДНҚ-сынан қажетті фрагментті бөліп алады. Ал жануардан кәдімгі түрдегі ( радиактивті емес) ДНҚ-сын бөліп алып, оны шағынфрагментерге дейін арнаулы ферментермен үзіп, жеке тізбектерге бөледі. Осындай жануар ДНҚ-сының фрагментерін түгелдей арнайы матрицаларға(қалыптарға) жалғастырады. Содан соң матрица түйіршіктері арқылы өсімдіктің радиоактивті фрагметін өткізеді. Егер жануардың матрицаға біріккен фрагменттерінің ішінде құрамы өсімдіктікімен толық ұқсас болса онда ол өсімдік ДНҚ-сының фрагметімен қоса тізбек құрып бірігеді. Яғни, радиоактивті фрагмент матрицада қалып қояды, ал сәйкес келетін фрагмент жануар ДНҚ-сында болмағаны. Осылай әр түрлі организмнен алынған ұқсас ДНҚ бөлшектерінің бір-бірімен қос тізбек құруын молекулалық гидризация деп атайды. Осы жолмен ДНҚ мен РНҚ тізбектеріндегі ұқсас бөліктерінде анықтауға болады.