Лекция жинағы Шымкент 2019

Белоктарды синтездеу проблемасы осы кездегі биологияның басты проблемаларының бірі. Жас және көбеюші жасушаларда сонымен бірге өсу дәуіріндегі жасуша-ларда белоктың биосинтезі ерекше қарқынмен жүреді. Белоктарды биосин-тездеуге мамандалған ересек организмнің жасушаларында да белоктың биосинтезі біршама жоғары дәрежеде жүреді. Белоктарды снтездеу өсуші және мамандалған жасушаларға ғана тән процесс емес, кез келген тірі жасуша өз тіршілігінде белоктарды синтездеп отырады. Себебі тіршілік процесінде істен шыққан немесе зақымдалған бөліктерді, органоидтарды, ферменттерді, жиырылғыш белоктарды т.б. қалпына келтіру қажеті болады.

Автотрофты жасушалар белоктарды жабайы анорганикалық заттардан, ал гетеротрофты өсімдіктер мен жануарлар белоктардың ыдырауынан пайда болатын дайын амин қышқылдарынан синтездейді.

Жасушалардың тұқым қуалау қасиеттері жасуша ядросының хроматинінің кұрамына кіретін оның ДНК-сында болатыны мәлім. Жасушаның синтездей-тін барлық белоктарының құрылысы мен құраын ДНК-ның құрылысы мен құрамы анықтайды. Жасушаның басқа заттарынан ДНК-ның өзгешелігі ол тұрақты болады, яғни жасуша тіршілігінің барысында жаңармайды және жоғалып кетпейді. Жасушаның митоздық бөлінуінің алдында ДНК-ның әрбір молекуласы екі еселенеді, оның нәтижесінде ядродағы ДНК-ның мөлшері уақытша екі есе көбейеді. Осыдан кейін митоздық бөліну басталады, оның кезінде ДНК еісі жаңа жасушаларға тең бөлінеді. Митоз алдындагы ДНК-ның екі еселенуі төмендегіше жүреді: ДНК-ның әрбір молекуласы екі жеке тізбекшелерге жарылады, осыдан кейін тізбекшелердің әрқайсысына қосым-ша, жаңадан синтезделген екінші тізбекше қаланады. Осының нәтижесінде бастапқы молекулаға ұқсас екі бірдей қос тізбекті ДНК молекуласы пайда болады.

ДНК молекулаларының редупликациясы (екі еселенуі) ерекше фермент ДНК-полимеразаның көмегімен жүреді. ДНК-ның әрбір молекуласы әр түрлі белоктардың алуан санының синтезіне жауапты, ДНК-ның ұзын жігі тәрізді молекуласы көптеген участіктерге бөлінеді. Әрбір участік кандай да болма-сын бір белокқа сәйкес келеді. Бір белоктың құрылысы жөніндегі информа-ция бар ДНК-ның бөлігін ген немесе цистрон деп атайды. ДНК-ның молекуласы көптеген гендерге бөлінеді.

ДНК молекуласының әрбір тізбекшесі нуклеотидтерден тұрады. ДНК құрамына нуклеотидтердің төрт түрі кіреді. Олар өздерінің құрамына кіретін төрт азоттық негіздерімен ажырайды: аденин (мұны А әрпімен белгілейді), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц). Нуклеотидтер қосылып полинуклеотид-тер тізбегін құрайды, оларды сәйкес негіздер аттарының бірінші әрпімен белгілейді.

Осы төрт әріптен тұратын алфавиттің көмегімен шексіз санды белоктар молекулаларын синтездеуге қажет нұсқаулар жазылған. Белок молекулала-рын синтездеуге ДНК тікелей қатыспайды. ДНК жасушаның ядросында орналасқан, ал белоктың синтезі цитоплазмадағы рибосомаларда жүреді. ДНК-да белоктың құрылымы жөніндегі информация болады. Белоктың синтезделуі үшін рибосомаларга осы информацияның дәл көшірмесі барады. Бұл ДНК-да синтезделетін және оның құрылысын дәл қайталайтын РНК-ның көмегімен қамтамасыз етіледі. Гендегі белоктің құрылысы жөніндегі информация РНК-ға көшіріледі. Бұл процесті транскрипция (лат.trancriptio – көшіру) деп атайды. Әрбір геннен РНК-ның шексіз көшірмесін алуға болады. Белоктың құрылысы жөніндегі информацияны рибосомаларға жеткізетін РНК-ны информациялық РНК (иРНК) дейді. Информациялық РНК-ны фермент РНК полимераза синтездейді. Ол геннің бойымен жылжып жүріп отырып артында РНК-ның дайын молекуласын қалдырады. Информациялық РНК-ның молекуласы белоктың синтезделетін орны рибосомаға келеді. Осы жерге амин қышқылдары да жиналады. Тамақ белоктарының ыдырауының нәтижесінде пайда болатын амин қышқылдары жасушаның цитоплазмасында үнемі болады.

Белоктарды синтездеу барысында гендік информация информациялық РНК-ның төрт әріпті тілінен белоктардың 20 әріптік тіліне аударылады. Рибосомаларда қамтамасыз етілетін бұл процесті трасляция (лат. Translation – аудару) деп атайды.

Бір тізбекгі молекулалар түрінде РНК тірі жасушалардың бәрінде кездеседі. Олардың ДНК-дан айырмасы дезоксирибозаның орнында рибоза, пиримидиндік негіздерден тиминнің орнында урацил болады.

Белок молекулаларын синтездеуге қатысатын РНК-ның үш типі бар: информациялық немесе матрицалық РНК (иРНК), тасымалдаушы немесе ерігіш РНК (тРНК) және рибосомалық РНК (рРНК). РНК-ның үш типі де тікелей ДНК-да синтезделеді. Әрбір жасушадағы РНК-ның мөлшері сол жасушадағы түзілетін белоктың мөлшеріне тәуелді.

Тасымалдаушы немесе тРНК-ның молекулалық массасы төмен (25-35 мың), молекуласы 60-90 ғана нуклеотидтік қалдықтардан тұратын РНК-ның түрі. Барлық жасушалық РНК-ның 15% жуығы тРНК-ның үлесіне тиеді.

Әрбір амин қышқылының арнаулы тРНК-сы бар, олардың бәрі цитоплазмадағы амин қышқылдарын рибосомаларға жеткізеді. Сонымен тРНК иРНК-дағы триплеттік (үш негізден тұратын) код пен полипептидтер тізбектің амин қышқылдарының кезектесуінің арасындағы байланыстырушы звенолардың міндетін атқарады.

Көптеген амин қышқылдарын бірнеше триплеттер кодтайтын болған-дықтан белгілі амин кышқылдарын тасымалдаушы әр түрлі тРНК-ның саны 20-дан анағұрлым көп (60 астамы белгілі).

Амин қышқылы мен тРНК молекуласының арасындағы реакцияны аминоацил тРНК синтетаза деп аталатын фермент жүргізеді. Бұл фермент-тердің саны 20-дан кем емес, әрқайсысы амин қышқылының бір түріне ғана тән болады. Информациялық немесе матрицалық РНК (иРНК) белоктың синтезінде матрицаның қызметін атқарады. Сондықтан жасушадағы рибосома-лардың саны жасушаның белоктарды синтездеу қабілетін көрсетеді. Қалай синтезделу керек, оны анықтайды. Рибосомалардағы синтезделетін белоктардың түрі информациялық РНК-ға байланысты.

Информациялық РНК ДНК-ның молекулаларының тізбектерінде синтезделеді. Гендік информациясы бар синтезделген информациялық иРНК молекулалары ядролық поралар арқылы ядродан шығып рибосомаларға келіп, оны «бағдарлайды». Барлық химиялық және физико-химиялық көрсеткіштері жағынан информациялық РНК тасымалдаушы РНК мен рибосомалық РНК-дан өзге. Информациялық РНК-ның молекулалық массасы 2 миллионға дейін жетуі мүмкін, жүздеген және мыңдаган нуклеотидтерден тұрады. Информациялық РНК белокты сиитездеуге бірнеше рет матрица болады да, кейін ыдырайды.

Белоктың синтезіне белокпен бірге рибосомалардың құрамына кіретін рибосомалық РНК (рРНК) деп аталатын РНК-ның үшінші типі қатысады.

Рибосомалық РНК жасушаның барлық РНК-ның 80% астамын құрайды, молекулалық массасы 1,5-2 миллион, ұрамындағы нуклеотидтердің саны 4000-6000. Рибосомалық РНК-да гендік информация болмайды. Рибосомалық РНК цитоплазмада болады. Белок молекулаларымен бірге қосылып рибосомаларды құрайды. Рибосомаларда белок синтезделеді. Белоктың бір молекуласының синтезделуі бірнеше секундқа созылады. Бірнеше рибосомалар қосылып, топталып полирибосомаларды немесе полисомаларды құрайды. Әрбір жасушада мыңдаған рибосомалар болады. Рибосомалардың саны жасушадағы белок синтезінің жалпы жеделдігін анықтайды.

Белоктың биосинтез процесі өте күрделі және көп сатылы процесс, оған әр түрлі ферменттер жүйесі мен түрлі РНК қатысады. Бірінші кезеңінде өз-өзді қосылып пептидтік тізбек құрауға тиісті амин қшқылдарының активтелуі жүреді. Биосинтездің бірінші кезеңіндегі амин қышқылдарының активтелуі-нің нәтижесінде олардың молекулаларының активтілігі анағұрлым артып, бір-бірімен өзара әрекеттесуі жеңілдейді. Белгілі ферменттер белгілі амнн кышқылдарын активтендіреді. Екінші сөзбен айтанда әрбір жеке амин қышқылын активтендіру үшін өзінің ерекше арнаулы ферменті қажет. Мұндай ферменттер (синтетазалар) амин қышқылын активтендіретін ашытқылар мен бактериялардың препараттарынан байқалған, кейін өсімдіктер мен жануарлардың зерттелген ұлпаларының бәрінен табылған. Сонымен амин қышқылдарын активтендіру барлық органикалық әлемде бір әдіспен қамтамасыз етілетін болуы керек.

Амин қышқылдарын активтендіретін ферменттердің тРНК-ның қаты-сында екі сатылы реакцияны катализдейтіні анықталды: біріншіден АТФ-тің қатысында фермент амин қышқылы активтендіреді, содан кейін сол ферменттің өзі байланысқан амин қышқылын тасымалдаушы РНК-ға ауыстырады. Амин қышқылы активтендіруші ферменттен тасымалдаушы РНК-ға ауысқаннан кейін фермент пен АТФ босайды, осыдан соң амин қышқылын активтендіруге қайтадан қатыса алады.

Сонымен 20 амин қышкылы өзінің активтенуіне 20 фермент пен тРНК-ның 20 ерекше молекулаларын пайдаланады. Амин қышқылдары активтенгеннен кейін екінші кезең басталады. Бұл процестің барысында әдетте гиалоплазмадан алынатын РНК-ның ерігіш немесе тасымалдаушы РНК (тРНК) деп белгіленетін оның фракциясы кіріседі.

Сонымен белоктың биосинтезіне РНК-ның үш типі мен жасуша ядросының ДНК-сы қатысады.

Белоктық биосинтез процесі кезіндегі осы нуклеии қышқылдарының өзара әрекеттесуі негіздер жұптарының комплементарлық (толықтыру) принципі арқылы қамтамасыз етіледі. Синтезделген белоктың ерекшелігін анықтаудағы маңызды рөл атқаратын нуклеин қышқылдарының түрлі типтерінің өзара комплементарлық әрекеттесу принципін түсіну үшін гендік код (шифр немесе шартты белгі) теориясының негізгі қағидаларын қарастыру қажет. Синтезделетін белоктар тізбегіндегі амин қышқылдарының кезекте-суін информациялық РНК-ның нуклеотидтік кезектілігін анықтайды (кодтайды). Екінші сөзбен айтқанда синтезделетін белоктар тізбегіндегі 20 амин қышқылының таралуы иРНК молекуласының тізбегіндегі нуклеотидтердің төрт түрінің таралуына байланысты.

Крик өзінің жұмыстарымен белоктардағы амин қышқылдарының кезектесуін кодтау нуклеин қышқылының тізбегінде болатын нуклеотидтер-дің ерекше үшеуінің көмегімен қамтамасыз етілетінін көрсетті, яғни белок молекуласындагы әрбір амин қышқылының құрылысын анықтайтын код триплетті болады. Сонымен код немесе кодон бір-бірімен белгілі түрде бірлескен үш нуклеотидтерден тұрады.

Кодтау үшін триплеттің құрамындағы нуклеотидтердің табиғаты ғана емес, сонымен бірге триплеттегі олардың өзара орналасуының маңызы да зор. Бір амин қышқылының кодталуын бірнеше триплеттер қамтамасыз етуі мүмкін. Бір триплет басқа триплеттердің құрамына кірмейді.

Криктің жұмыстарымен бір мезгілде (1961 жылдың екінші жартысында) Очоаның лабораториясында табиғи белоктардың құрамына кіретін барлық 20 амин қышылына керек нуклеотидтер триплеттерінің құрамы ажыратылған. Очоаның бұл еңбектері Ниренберг тәжірибелерінің жалғасы болып саналады.

Кейін Ниренберг пен Корана 64 триплеттің бәрін синтездеп, оларды кодондар ретінде сынақтан өткізген. Сонымен, гендік код толықтай анықталған. Барлық осы зерттеулердің нәтижесін Крик жинақтаған.

Рибосомалардағы белоктың синтезделуінің механизмі мына төмендегі-ше жүреді. Информациялық РНК-да болатын әрбір рибосомаларға амин қышқылдарымен жалғаскан тРНК молекулалар ағысы келеді. тРНК өзінің коды бар ұшымен осы кезде рибосомада болатын иРНК-ның участігін жанай өтеді. тРНК-ның екінші ұшы (амин қышқылы ілінген) рибосоманың белокты «құрастырып» жаткан жері арқылы өтеді. Егер де тРНК-ның кодты триплеті иРНК-ның триплетіне комплементарлы болса (осы кезде рибосомада болатын) онда амин қышқылы белокты кұрастыратын орынға дәл түседі. Амин қышқылы тРНК-дан босатып алынады да, белок молекуласының құрамына кіргізіледі. Рибосом, кідірместен иРНК бойымен бір триплет алға жылжиды, ал амин қышқылынан босаған тРНК рибосомадан цитоплазмаға шығарылып тасталынады. Осы жерде тРНК айтадан амин қышқылын ұстап алады да тағы да рибосомалардың біреуіне барады. Сөйтіл, триплеттер бірінен соң бірі бірте-бірте рибосоманың иРНК-ның бойымен алға жылжиды, ал амин қышқылдары да бірінен кейін бірі синтезделуші белок молекула-ларына барып қосылады. Бірінші рибосома иРНК-ның ұшына жеткеннен кейін, ол одан түседі, онымен бірге қоршаған ерітіндіге дайын молекуласы да ауысады. Қысқа уақыттан кейін екінші рибосома белокты құрауды аяқтайды, содан соң үшіншісі және т.б. да аяқтайды. Бір мезгілде иРНК-ның босаған участігіне жаңа рибосома орналасады, сөйтіп белоктың синтезделу процесі үздіксіз жүреді.

Транскрипция, трансляция және ДНК-ның репликацияы сияқты реакциялар анорганикалық немесе органикалық химияда кездеспейді. Реакциялардың мұндай типтері тірі жасушаларда ғана байқалған. Бұлар матрицалық реак-цияларға жатады. Матрицалық реакцияларда матрицаның рөлін ДНК немесе РНК атқарады.

№19.20 Лекция