Нуклеин қышқылдары: ДНҚ ,ДНҚ-ның макромолекулалы құрылымы

Нуклеин қышқылдары: ДНҚ ,ДНҚ-ның макромолекулалы құрылымы

2.Нуклеин қышқылдарының құрылымы. Пуринді және пиримидинді негіздер. Көмірсулы компоненттер. Нуклеозидтер. Нуклеотидтер.

3. ДНҚ-ның бірінші реттік құрылымы. Әр түрлі организмдердегі ДНҚ-ның нуклеотидтік құрамы.

4.ДНҚ-ның макромолекулярлы құрылымы.

5.ДНҚ-ның қосспиралды құрылымының биологиялық маңызы.

6.ДНҚ-ның В-, А- және Z -формалары. ДНК денатурациясы

Эукариотты организмдерде ДНК негізінен клетка ядрларында локализацияланған; прокариоттарда ол бактериалық клетканың бүкіл хромосомасы болатын әжептеуір жинақталған нуклеоид құрайды.Митохондриялар және хлоропластар сияқты клетка органеллаларының өздерінің дербес ДНК-сы болады.Одан бөлек көптеген прокариот және төменгі эукариоттар цитоплазм асында хромосомадан тыс ДНК-лар — плазмидалар болады.

Рибосомалық, транспорттық және ақпараттық РНК-лар про- және эукариот кле­ткаларында цитоплазмада локализацияланған және сонда қызмет атқарады. Эукариоттарда олар клетка ядрасында синтезделеді,ядрода олардың бастамаларын табуға болады.Сонымен бірге клетка ядрасында және цитоплазмасында кіші ядролық РНК-лар болады. ДНК немесе РНК-ны құрылымдық зерттеу алдында оларды клеткадан бөліп алып, тазалап, одан соң фракциялау қажет. Нуклеин қышқылдары клеткада практика жүзінде әрқашанда белоктармен комплексте болатындықтан(яғни нуклеопротеидтер түрінде)оларды бөліп алу негізінен белоктардан тазартуға (депротеиндеуге) саяды.Көбінесе нуклеин қышқылдарын клетка гомогенаттарынан немесе тазартылған клетка органеллаларынан фенол —жүйесінде иондық детергенттер (мысалы натри й додецилсульфаты) қатысында экстракциялайды. Бұл кезде белоктар мен басқа да клеткалық компоненттер органикалық фазаға өтеді, ал нуклеин қышқылы су фазасында қалады.Сулы ерітіндіден нуклеин қышқылдарын спиотпен тұндырады.

Нуклеин қышқылдарын фракциялық бөлу әдістерінің ішінде ең кең таралғаны гельдегі электрофорез әдісі.Бұл әдісті қолданғанда кез келген ДНК немесе РНК-ны дербес күйінде алуға болады

Нуклеин қышқылдарының құрылымы.

Нуклеин қышқылдары биологиялық полиме­рлер класына жатады.Сондықтан ДНК және РНК –ның біріншілік құрылымы түсінігіне олардың мономерлік қалдықтарының құрылысы,мономераралық ковалентті байланыстардың химиялық табиғаты,полимер тізбектегі мономер звенолардың кезектесіп орналу тәртібі жатады.

Нуклеозидтер мен нуклеотидтер

ДНК мен РНК-ның мономер буындарына нуклеотид қалдықтары жатады. Нуклеотидтер — бұл нуклеозидтердің фосфорлы эфирлері, ал олар өз кезегінде көмірсу қалдығы — пентозадан және гете­роциклдік негізден тұоады.

РНК-ның қөмірсу қалдығына D-рибоза ,ал ДНК— ның қөмірсу қалдығына В-дезоксирибоза жатады.Нуклеозидте көмірсу қалдығы мен гете­роциклдік негіз арасындағы байланыс негіздегі азот атомы ,яғни N-гликозидтік байланыс арқылы жүзеге асады. Сонымен ДНК мен РНК-дағы нуклеозид қалдықтары N-гликозид класына жатады.

Гете­роциклдік негіздерден ДНК-да екі пурин: аденин мен гуанин — және екі пиримидин: тимин мен цитозин болады. РНК-да тиминнің орнында урацил кездеседі.Сонымен қатар Кроме того, ДНК мен РНК-да минорлы деп аталатын нуклеотид қалдықтары кездеседі олар кәдімгі нуклеотидтердің негіздер немесе көмірсу қалдығы бойынша орынбасарлары болып табылады .Олардың үлесі нуклеин қышқылдарының түріне қарай проценттің оннан бірінен оншақты процентке дейін

Нуклеотидаралық байланыс . Нуклеазалар

Нуклеин қышқылдарында мономер қалдықтар бір бірімен "фосфодиэфирлі байланыстармен” байланысқан болып келеді. ДНК-да да, РНК-да да бұл байланыс бір нуклеозидтің З'-ОН тобы мен екінші нуклеозидтің 5'-ОН тобы арасында түзіледі.Сондықтан нуклеозидаралық байланысты 3'—5'-фосфодиэфирлі байланыс деп атайды. Бұдан келіп шығатыны ДНК мен РНК-ның, что полинуклеотидтік тізбектері полярлы және оның ұштары бірдей емес егер де ұшы фосфорилденбеген п-линуклеотидті қарастырсақ оның бір ұшында 5'-ОН, ал екінші ұшында — З'-ОН болады .Осы ұштарды тізбектің 5'- және 3'-ұштары деп атайды.

Нуклеотидаралық байланыстың салдарынан келіп, нук­леин қышқылдары тармақталмаған полимерлер екендігін көреміз.Тек өте сирек жағдайларда ғана (РНК биосинтезінің аралық өнімдеріне ғана қатысты) нуклеотид қалдықтарының 2'-гидроксил тобы қосымша фосфодиэфирлі байланыс түзуге қатысуы мүмкін .

Фосфодиэфир байланысының беріктігіне С2'-атоме рибозаның С2'-атомында ОН тобының болу болмауы қатты әсер етеді. Мысалы РНК-дағы нуклеотидаралық байланыстар ДНК-ғадағы қарағанда әжептеуір лабилді болады.

Клеткада ДНК мен РНК-дағы нуклеотидаралық байланыстар ерекше класс ферменттері нуклеазалар арқылы үзіледі. Бұл класс өкілдері бір бірінен әсер ету механизмі және арнайылығы бойынша ажыратылады.Нуклеазалар ішінен рестрикция эндонуклеазларын (рестриктазалар) ерекше атап өтсе болады.Бұл ферменттер ДНК молекулаларында жеке нук­леотидтық қалдықтарды емес, бес немесе алты нуклеотид қалдықтарынан тұратын тізбектерді таниды ,сондықтан кез келген ДНК-ны салыстырмалы түрде азғана фрагменттерге бөледі

ДНК мен РНК макромолекулаларының кеңістіктік ұйымдастырылуы олардың нуклеотидтік кезектілігімен анықталады ,және екінші , үшінші реттік құрылымдармен сипатталады..

Нуклеин қышқылдарының екінші реттік құрылымы нуклеотидтік тізбектердегі көрші мономер буындар арасындағы әрекеттесу арқылы түзіледі, ал екі жақты спираль молекулалар немесе молекулалар учаскелері болған жағдайда екі жақты спиральда бір біріне қарама қарсы тұрған нуклеотид қалдықтары арасындағы әрекеттесулер арқылы түзіледі.

Нуклеин қышқылдарының үшінші реттік құрылымы олардың екінші , реттік құрылымдарының әртүрлі элементтеріне жататын нуклеотид қалдықтарының арасындағы әрекеттесулер есебінен ұйымдастырылады.

ДНК-ның макромолекулалық құрылымы

1953 жылы Дж. Уотсон мен Ф. Крик, нуклеин қышқылдарының мономер қалдықтарының құрылымы туралы деректерге және Э. Чаргафф ашқан комплементарлық ережесіне, ( кез келген ДНК-дағы аденин мөлшері Тимин мөлшеріне ал, гуанин мөлшері — цитозин мөлшеріне тең А = Т, G=C), сүйене отырып ДНК –ның псевдокристал­лды формасының рентгено­граммасының шифрын шешті .Олардың мо­делі бойынша, ДНК молекуласы ортақ остен бір бірімен оралып жатқан екі полинуклеотид тізбегінен тұратын дұрыс спираль болып табылады. Спиральдің диаметрі оның ұзына бойына тұрақты және 1,80 нм-ға тең. Спиральдің сәйкестік периодына тең болатын айналым ұзындығы шамамен 3,40 нм құрайды. Спиральдің бір айналымына бір тізбектегі 10 нуклеотид қалдығы сәйкес келеді.Сонымен спираль осі бойындағы нуклеотид аралық қашықтық 0,34 нм-ге тең

Спиральдің тұрақтылығын сақтау( регулярность)үшін бір тізбектегі пуриндік негіздің қарсысында міндетті түрде екінші тізбекте пиримидинді негіз болуы шарт.спирали необходимо. Дж. Уотсон мен Ф. Крик бұл талап А негізі Т негізімен сутектік байланыспен байланысқан жұп , aл G болса С негізімен сутектік байланыспен байланысқан жұп құрғанда ғана орындалатынын тапты.

ДНК –қос спираліндегі комплементарлы негіздер основания бір жазықтықта жатады, және де бұл жазықтық спиральдің негізгі осіне әрқашан перпендикуляр жазықтықта жатады. ДНК-дағы көрші негіздер жұбы біріне қатысты бірі 36⁰ бұрыш жасап жатады

Молекуланың көмірсуфосфатты қаңқасы сыртта жатады. Спираль айналу нәтижесінде оның беткейінде екі науашықтарлар түзіледі, үлкенінің ені 2,20 нм кішісінің ені 1,20 нм . Спираль — оң жақты бұрылған,ал ондағы полинук-леотид тізбектері антипараллель болады.Бұл ,егерде спиралы осі бойынша бір басынан екінші басына бағытталса онда бір тізбекте фосфодиэфир байланыстары 3'-*-5', ал екінші тізбекте фосфодиэфир байланыстары 5'—*-3' бағытында болатынын көрсетеді'. Басқа сөзбен айтқанда ДНК –ның сызықтық молекуласының бір ұшында 5'-ұш ал екінші ұшында З'-ұш болады.

Кейінірек Уотсон мен Крик моделі екі жақты спиральдің бірнеше формасының бірін ғана атап айтқанда в-форма деп аталатын формасын ғана сипаттайтана белгілі болды.Бұл екі жақты спиральдік ДНК-ның негізгі формасы,клеткадағы ДНК молекулаларының көпшілігі осындай түрде кездеседі.

ДНК-ның В-формасын және оның басқа формаларына өту заңдылықтарын сипаттау үшін нуклеин қышқылдарының мономер звеноларының құрылымын және екі жақты спиральдің түзілуіне алып келетін молекулааралық әрекеттесулерді қарастырайық

Нуклеин қышқылдарының құрамына кіретін барлық 5 гетероциклдік негіздердің жазық конформациясы болады. Ал рибоза мен дезоксирибоза үшін жазық конформация ( С1, С2, СЗ', С4' және оттегі гетероатомы бір жазықтықта жатқан жағдай) энергетитикалық тиімсіз. Теориялық мүмкін болатын конформациялардың ішінен бұл қалдықтарда тек екі түрлі конформация жүзеге асады: не С2''-эндо-, немесе СЗ'-эндо-конформациялар ( сәйкес S- немесе N-конформациялар деп те аталады).

Нуклеотид буынының кеңістіктік құрылымының маңызды параметрі –көмірсу мен негіз қалдықтарының өзара орналасуы. Нуклеозид және нуклеотид конформацияларының теориялық анализі және рентгенқұрылымдық зерттеулер көрсеткендей, бұл жерде рұқсат етілген конформациялардың ішінде син-және аняш-конформациялар деп аталатын екі облысы болады.

ДНК –ның кеңістіктік құрылымын зерттеудің бастапқы кезеңдерінде –ақ,сыртқы жағдайлар өзгергенде екі жақты уотсон-криктік ,яғни В-формадан өзгеше болатындығы анықталды. Рентгенқұрылымдық анализге даярланған препарат үлгілерінің ылғалдылылығы өзгергенде немесе ерітіндіде судың белсенділігі өзгергенде (мысалы спирт қосқанда) ДНК А-форма деп аталатын формаға ауысады.Бұл ауысу көмірсу қалдығының конформациясының өзгеруіне байланысты. Егер де ДНК-ның В-формасында дезоксирибоза қалдығы С2'-эндо-конформация күйінде болса, А-формаға өткенде ол СЗ'-эндо-конформация күйіне өтеді.Бұл фосфат топтарының арасындағы ара қашықтықтық азаюына,сондықтан да спираль осі бойындағы нуклеотид жұптарының арасындағы ара қашықтықтықтың азаюына алып келеді. ( шамамен бір спираль айналымына 11 нуклеотид қалдықтары 0,25нм).

Спиральдің диаметрі үлкейіп науашықтардың ені мен тереңдігі өзгереді негіздер жұптары спираль осімен 20°-тай бұрыш түзеді,ең бастысы спиралтдің шетіне ығысқан болады.Осының нәтижесінде спираль қалақшалы баспалдаққа ұқсас болып,оның ішінде диаметрі 0,40 нм қуыс түзіледі.

ДНК –ның А- және В-формаларының екеуінде де спираль оң жаққа оратылған.

Кейінірек сол жаққа оратылған спиральді ДНК-лар да табылған

Ең алғаш ретсол жаққа оратылған спиральді ДНК-лар d(GC)_n полинуклеотидтерінде байқалған . Поли-(dG-dC) нуклеотидтер өзара комплементарлы және төмен иондық күші бар ерітінділерде оң екі жақты спиральдар түзеді. Тұздардың жоғары концентрациясында немесе спирт қосқанда бұл екі жақты спираль сол Z-формаға өтеді. ДНК-ның Z-формасының ДНК in vivo жағдайында болу –болмауы әлі.

ДНК денатурациясы мен ренатурациясы

ДНК макромолекулалық құрылымын стабилдейтін молекулаішілік әрекеттесулердің маңызды ерекшелігіне кооперативтілік қасиеті жатады.

Ком­плементарлы гомополинуклеотидтерден тұратын екі жақты спиральдар үшін бұл денатурация кезінде (мысалы жоғары температуралық) спираль құрылымдардың барлық звенолары бұзылады деген сөз. Мұндай процесті екі жақты спиральдің балқуы деп атайды.Оны балқу қисығы арқылы сипаттайды, балқу қисығы өз кезегінде балқу температурасымен Т_т және екі жақты спиральдің бұзылуы жүретін интервалмен сипатталады. Тек қана AT- және тек қана G-C жұптардан тұратын екі жақты спиральдердің Т_т арасында 40 ⁰С айырмашылық болады.Сондықтан табиғи А-Т-және G-C жұптарына бай ДНК-лардың балқу қисығының сипаты молекуланың ұзына бойындағы учаскелердің таралуына байланысты болады. Мұндай ДНК денатурациясы кезінде жеке ұзын сегменттердің бірге (коопе­ративті) балқуы жүреді.

ДНК-ның молекулалық массасы ерітіндідегі фосфат топтарының теріс зарядтарын жауып қалатын (экрандайтын) катиондар концентрациясына байланысты болады сондықтан көптеген катиондар үшін олардың концентрациясы өскен сайын Т_т де өседі.

1.Рибонуклеин қышқылы (РНҚ).

2.РНҚ-ның құрылымы және қасиеттері: ақпараттық, рибосомдық және тасымалдаушы РНҚ.

3. Нуклеин қышқылдарының молекулалық гибридтелуі және ренатурациясы.

4.ДНҚ-РНҚ гибридтелу.

5.Молекулалық гибридизация негізінде ДНҚ-ның нуклеотидтік тізбегінің ұқсастығын анықтау

1. ДНҚ құрлымдағы көмірсу дезоксирибоза ал РНҚ-да рибоза. РНҚ-ң химиялық тұрақтылығы. ДНҚ-дан төмен РНҚ-ң судағы ерітінділері гидролизге ұшырайды. Осы қасиет РНҚ-ні зерттейтін қиындықтар туғызады.

2. ДНК РНК-нің арасындағы екінші химиялық айырмашылық РНК-ға 4 азотты негіздің біреуі өзгеше болады.

Атап айтқанда тиминнің орнында урацил болады. Тимин сияқты урацил тек аденинге ғана комплиментарлы болады.

3. ДНҚ мен РНҚ-ң арасындағы 3-ші айырмашылық егер де ДНҚ құрылымы жағынан қос тізбектен тұрса РНҚ негізінен жалғыз тізбектен тұрады.

4. ДНҚ эукариоттарда негізінен ядрода және аздаған мөлшерде митохондрияда пластидтерде кездеседі. Ал РНҚ ядрода оргоноидтарда және бос күйінде цитоплазмада кездеседі.

2) Клетка РНК-ң түрлерін 3-ке бөледі:

1. Ақпараттық РНК, и РНК.

2. Тасымалдаушы РНК т РНК.

3. Рибосомалық РНК и РНК.

Бұлардың барлығы тікелей ДНК – ы матрицада синтезделеді ақпараттық РНК клеткадағы барлық РНК-ң 3-5 пайызын құрайды. Кейде оны матрицалық РНК деп атайды. Өйткені ол ДНК-ң біршама бөлігінің көшірмесін өзінің бойында сақтайды. И РНК-ң ДНК тізбегінде синтезделу процесі транскрипция деп аталады. Информациялық ДНК-ң ең қысқа молекуласы шамамен 300 нуклеотидтен құралған. Олардың басым көпшілігі аз ғана уақыт өмір сүреді. Мысалы бактерияда бірнеше минут одан соң гидролизге ұшырап мононуклеотидке кетеді. Эукариоттарда олар бірнеше күн өмір сүруі мүмкін.

Рибосомалық РНК клеткадағы барлық РНК-ң 80% құрайды. Ең бірінші ашылған РНК-ң осы түрі рибосомалық РНК-ы кейбір хромосомалық ядролық ұйымдастырушы бөліктерде орындалуын ерекше гендер атқарады. рРНК цитоплазмада белоктармен байланысқан күйінде рибосома құрастыруға қатысады. Рибосома 60% р РНК-дан тұрады. Негізінің р РНК-да тізбектеле орналасу тәртібі барлық организмдерде бактериядан адамға дейін бірдей болады. Тасымалдаушы РНК – РНК-ң бұл түрінен бар екендігін Френсис Крик жормалдап, ал жорамалдың дұрыс екенін 1955 жылы Хогленд деген ғалым дәлелдеді. Тасымалдаушы РНК-ң молекуласы үлкен емес, ұзындығы 70-80 нуклеотид тізбегінен тұратын 2-лік құрылымды молекула. Бұлар и РНК-мен бірге белок синтезіне қатысады. Олардың қызметі рибосомаға амин қышқылын тасымалдау әрбір амин қышқылының өзіне тән тасмалдаушы РНК-сы болады. Кейбір амин қышқылын бірнеше түрлі тРНК тасмалдайды. Қазіргі уақытта 60 астам т РНК-ң түрлері белгілі. Тасмалдаушы РНК-ң 2-лік құрылымы беде жапырағына ұқсас болады. Бұл байланыстармен комплементарлы бөліктері сабақша түзеді. Ал бір тізбекті бөліктері тұзақ құрайды. РНК молекуласының 5 ұшында әр қашанда гуамин, ал 3 ұшында ЦЦА және 3^І гидроксил тобы болады.

Фенилаланин т РНК-ң құрылысы.

Аминқышқылы тасмалдаушы РНК-ң 3^І ұшында қосылады, басқа бөліктердегі нуклеатиттер тізбегі әр түрлі болуы мүмкін. Ортанғы тұзақтың басында т РНК-ң ерекше бөлігі ра 3 негізден құралған триплет орналасады. Әр түрлі аминқышқылының т РНК-ң осы бөлігі бойынша әр қашан айырмашылығы болады.

Тасымалдаушы РНК-да АЦГ негізінен басқа ерекше минорлы негіздер деп аталатын негіздер болады. Мысалы ашытқының фенилаланин т РНК-да псевдоуридин және дегидроуридин негіздері болады, сонымен қатар т РНК-ң кейбір негіздеріне метилрадикалы ра метилденеді әр бір тасмалдаушы РНК өздерінің антикадонына генетикалық код бойынша комплементарлы келетін аминқышқылын ғана байланыстра алады. Бұл процесі аминқышқыл т РНК синтетаза ферменті жүргізіледі. Бұл фермент АТФ-ң энергиясын пайдаланып аминқышқылын РНК-мен байланысады. Нәтижеде аминоцил т РНК комплексі түзіледі бұл комплекстегі акцепторлық ұшындағы А нуклеин пен аминқышқылының арасындағы байланыс энергиясы көрші аминқышқылдарының карбоксил тобымен пептидтік байланыс түзуге жеткілікті болады.

Молекулалық биологияда де­натурацияланған ДНК-ның бастапқы екі жақты спираль құрылымын түзе отырып ренатурациялану қабілетін пайдаланады. Бұл құбылыс нуклеин қышқылдарының молекулалық гибридизация әдісінің негізінде жатады.Бұл әдіс әр түрлі ДНК-лардың ,сондай –ақ РНК-лардың сәйкестік дәрежесін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл үшін де­натурацияланған ДНК-ны (егер де екі әр түрлі нуклеин қышқылдарының молекулалық гибридизациясы зерттелсе, онда оның біреуінің радиоактивті таңбасы болады) екі жақты спираль түзілуге оптимальді жағдайларға қояды.( ерітіндінің иондық күші 0,2 шамасында; температура нативті ДНК-ның Т_{т -}нан— 10—20 ⁰С төмен).Толық ком­плементарлы тізбек жағдайында олар толығымен екі жақты спиральді молекулаларға айналады.Ал егер де қоспада ДНК-ның ком­плементарлы және ком­плементарлы емес тізбектері болса онда ренатурациядан кейін екі жақты спиральді молекулалардың үлесін қандай да бір әдістермен анықтайды.

Қазіргі уақытта ДНК-ның белгілі бір типті молекулаларын нитроцеллюлозалық сүзгілерге бекітіп алып басқа типті ДНК немесе РНК-сы бар ерітінділерге батырады. Сүзгілерде екі жақты спиральды комплекстер түзгеннен кейін оларды байланыспаған ДНК-лардан бөліп алады.Бұлай жасауды гельдегі электрофорез арқылы ДНК немесе РНК-ның басқа тізбекпен комплементарлығын анықтау арқала бөлуде де қолданады.

ДНК ренатурациясы процесінің жылдамдығы мынадай теңдеумен өрнектеледі

С_о — ДНК-ның жинақ кон­центрациясы ;

t — время;

k — екінші ретті реакциялардың жылдамдық константасы

1960-шы жылдардың ортасында Д. Виноград және оның әріптестері кейбір бактериофагтар мен митохондриялардың ДНК-сы цикльді молекулалар түрінде болатынын ашты.Кейінірек көпшілік вирустық немесе клеткалық ДНК-лардың пішіні сақиналы болатыны анықталды. Егер де екі жақты спиральді ДНК-дан түзілген полинуклеотид тізбектері ковалентті тұйықталған болса олар екінші қайтара кеңістікте өздігінен қайта ашыла алмайды.

Егер де осындай ДНК релаксацияланған күйде ,болса онда ешқандай кернеусіз бір жазықтықта орналасады,онда Lk=Tт, Тт -— берілген ковалентті байланысқан сақиналы ДНК-дағы оралым саны. Бірақ екі тізбектің ковалентті үздіксіздігін сақтап спиралдің айналым санын көбейтсек, Lk –ның инвариантылығы салдарынан мұндай өзгеріс асаоралымдар есебінен компенсациялады . Аса жоғары спиралденген ДНК-дағы аса оралым саны Wr белгіленеді ( ; оны жиі Раизинг деп атайды,англ . writhe -оралу ) және мына формуламен анықталады .

Wr –оң немесе теріс мәнді болуы мүмкін. Коваленттік тұйықталған сақиналы ДНК-лар әрқашан теріс мәнді аса оралым мәнді болады