2 Дәріс Тақырыбы: Нуклеин қышқылдары. ДНҚ репликациясы

Жоспары: 1. Нуклеин қышқылдары, түрлері, қызметтері, химиялық құрамы. 2. Нуклеотид құрылысы. Полинулеотидтік тізбектің құрылуы. Нуклеотидтік тізбектердің бағыты. 3. ДНҚ-ның нуклеотидтік құрамы. Түрлік ерекшелігі. Чаргаффа ережесі. Биологиялық маңызы. 4. РНҚ. РНҚ түрлері. а) а-РНҚ. Нуклеотидтік ретінің және құрылысының ерекшелігі. Қызметтері. б) р-РНҚ. Қызметі мен құрылысы. в) т-РНҚ. Нуклеотидтік ретінің және құрылысының ерекшелігі. Қызметтері.

ІІ Нуклеин қышқылдары (НҚ) барлық тiрi ағзалардың жасушаларындағы генетикалық ақпараттың тасымалдаушысы болып саналады. Олар молекулалық салмағы жоғары, күрделi биополимерлер. НҚ мономерлерi - нуклеотидер, соған байланысты НҚ полинуклеотидтiк тiзбек деп атауға болады. Әр нуклеотид үш компоненттен тұрады: -бескөмiртектiк моносахарид (пентоза) ; - фосфор қышқылының қалдығы ; азоттық негiздер: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) немесе урацил (У). Азоттық негiздерi А және Г - пуриндер класына, Т,У және Ц - пиримидиндер класына жатады.

Нуклеотидтің құрылысы Фосфор қышқылы Қант Азоттық негіз Фосфор қышқылының қалдығы пентозамен 5- көміртегі арқылы, ал азоттық негіз 1-көміртегі арқылы байланысады.

Нуклеотидтер тізбегінің түзілуі Бiрiншi нуклеотидтiң фосфор тобы мен келесi нуклеотидтiң құрамындағы қанттың арасында пайда болатын коваленттiк байланыс арқылы нуклеотидтер бiрi бiрiне жалғасып тiзбек құрайды. Әр бір келесі нуклеотид алдынғы нуклеотидттің 3- бұрышына жалғасады. 3 Нуклеин қышқылдарының екi түрiн ажыратады - ДНҚ және РНҚ. Олардың құрылымдық және функциональдық сипаттамалары келесі кестеде көрсетiлген.

СипаттарыДНҚРНҚ 1. Молекулалық құрылымы Комплементарлық принцип бойынша А мен Т; Г мен Ц арасында пайда болатын сутектiк байланыстар арқылы қосылған екi қарама-қарсы бағыталған полинуклеотидтiк тiзбектен тұратын биспираль. (А=Т, Г=Ц; А+Г=Ц+Т ара- қатынасы тең - Чаргафф ережесi) Бiр полинуклеотидтiк тiзбек 2. Нуклеотидтер құрамы 1.азоттық негiздердiн түрлерi - А,Т,Г,Ц 2.моносахаридтiң түрi – дезоксирибоза 3.Фосфор қышқылының қалдығы 1.азоттық негiздердiн түрлерi - У, А, Г,Ц 2.моносахаридтiң түрi – рибоза 3.Фосфор қышқылының қалдығы 3. Қасиеттерi 1.Авторепродукцияға (екi еселену) қабілеттiлiгi бар. Ескi ДНҚ-ның әр тiзбегi жаңа тiзбектiң синтезделуiнде қалып (матрица) ретiнде қолданылады (репликация процессi) 2.ДНҚ-ның нуклеотидтiк құрамына түрлiк ерекшелiк тән, бiрақ әр ағзаның барлық жасушаларындағы ДНҚ бiрдей болады. 1.Авторепродукцияға қабілеттiлiгi жоқ. РНҚ- ның барлық түрлерi ДНҚ молекуласының бiр тiзбегiн қалып ретiнде колдана отырып синтезделедi (транскрипция процессi)* 2.РНҚ-ның нуклеотидтiк құрамында түрлiк ерекше-лiк жоқ, және бiр организмнiң әр жасуша-сында РНҚ түрлерi айрықша болуы мүмкiн (әсiресе ақпараттық РНҚ) 4. Қызметтерi1.ДНҚ - ақпараттық қалып - өйткенi оның бойында барлық тұқым қуалайтын ақпарат жазылған 2.ДНҚ тұқым қуалау ақпаратын жасушаның ұрпақ қатарында өзгермей берiлуiн қамтамасыз етедi - Тұқым қуалау ақпаратын жүзеге асыру қызметi. РНҚ қызметiне қарай үш түрге бөлiнедi 1.аРНҚ - ақпаратты ДНҚ молекуласынан көшiрiп алып цитоплазмаға белок синтезделетiн жерге жеткiзедi 2.тРНҚ - аминқышқылдардың арнайы тасымалдаушысы, трансляция кезiнде адаптор ретiнде кодондарды тану процессiн қамтамасыз етедi 3.рРНҚ - рибосоманың құрылымдық бөлiгi, рибосоманың аРНҚ-ны танып байланысуын қамтамасыз етедi

ДНҚ молекуласының құрылысы

ДНҚ-ның құрылысы ДНК - биополимер, оның мономері нуклеотидтер. Нуклеотидтердің 4 түpi болады: Аденин, Гуанин, Тимин, Цитозин. Әр нуклеотид үш компоненттен тұрады: 1. фосфор қышқылының қалдығы 2. моносахарид (дезоксирибоза C 5 H 10 O 4 ) 3. азоттық негіздер, пуриндік (А-Г), пиримидиндік (Ц-Т). ДНҚ-ның құрылым ерекшелігі: 1. ДНҚ екі полинуклеотидті тізбектен тұрады, оның моделін 1953 ж американ биофизигі Дж. Уотсон мен ағылшын биофизигі және генетигі Ф. Крик ұсынған. 2. Екі тізбек 6ip-6ipiнe антипараллелді, 6ip тізбектің 5 1 ұшы екінші тізбектің З 1 ұшымен байланысады. 3. ДНҚ-ның рентген құрылысын талдау барысында оның 2 спиральдан тұратыны, өз осьінің маңында оңға қарай оралып спираль түзетіні анықталды. Спиральдің диаметрі 2 нм, әр қадамы 3,4 нм, әр бұрылымына 10 жуп нуклеотид кіреді.

Бip тізбектің бойында орналасқан нуклеотидтер 6ip- 6ipiмен коваленттік (фосфо-диэфирлік) байланыспен байланысады, ол 6ip нуклеотидтің дезоксирибозасы мен екінші нуклеотидтің фосфор қышқылының қалдығы арасындағы қосылыс. Бip тізбек бойына кез-келген нуклеотидтер орналаса береді және ол ДНҚ- ның әртүрлілігін қамтамасыз етеді. Азоттық негіздер дезоксирибозамен байланысып, тізбектің бүйір жағында орналасады. ДНҚ-ның екі тізбегі 6ip-6ipiмен азоттық негіздер Аденин мен Тимин немесе Тимин мен Аденин екі, Цитозин мен Гуанин немесе Гуанин мен Цитозин үш сутек көпіршесімен байланысады. Нуклеотидтердің қос тізбекте бip-бipiнe қатаң түрде сәйкес келуін (толықтыруын) комплементарлық деп атайды. Сонымен, ДНҚ екі спиралді тізбектен тұрады, егер бip тізбекте орналасқан азоттық негіздер белгілі болса, екінші тізбектегі азоттық негіздерді комплементарлық принциппен анықтауға болады. ДНҚ-ның өзін-өзі екі еселеуі осы құрылысына негізделген.

ДНҚ-ның биологиялык функциясы: 1. Генетикалық информацияны сақтау 2. Өзін-өзі eкi еселеуі 3. Ұрпақтан-ұрпаққа генетикалық материалды беру. Әр түрге жататын ағзалардың ДНҚ молекуласы тұрақтылығымен және түрлік ерекшеліктерімен ажыратылады. Жоғарыда айтылғандай ДНҚ 6ip-6ipiнe комплементарлы eкi тізбектен тұрады. Сондықтан, ондағы А саны Т, Г саны Ц тең және А +Г ара қатынасы 1- ге тең, оны Чаргафф ережесі деп атайды Т+Ц (1949 ж). Ал, А +Т ара катынасы 1- ге тең емес, ce6e6i Г + Ц кейбір түрлерде А + Т жұптары көбірек болса Ц + Г азырақ болады, кейбіреуінде кepicінше. Мысалы; кейбір бактерияларда А + Т =0,42, ал Г+Ц адамда А + Т =1,53 болады. Г+Ц Совет биохимии А.Н.Белозерскидің анықтауы бойынша азоттық негіздер жұбының ара қатынасы түрлік белгіні анықтайды.

РНҚ-ның түрлері, оның құрылысы мен функциясы Нуклеин қышқылының екінші түpi РНҚ. РНҚ 6ip тізбектен тұрады, оның мономерлері де нуклеотидтер. Олар А, У, Г, Ц. Егер ДНҚ мөлшері жасуша құрамында тұрақты болса, ал РНҚ-ның мөлшері ауытқып отырады (лабилді). РНҚ ақуыз синтезі қарқынды жүретін жасушаларда көп. РНҚ-ның 3 түpi бар: 1. рибосомалді - РНҚ (р-РНҚ) 2. ақпаратты - РНҚ (а-РНҚ) 3. тасымалдаушы - РНҚ (т-РНҚ)

А- КЭП Б – 5 ТЖБ В – Иниц. кодон Г – Инфор. алынады Д – Тер. Кодон Е - 3 ТЖБ Ж – поли А -фрагмент 5 3 А – қалпақша (КЭП) модификацияланған 4 нуклетидтің біреуінен тұрады. Бірінші 7-метилгуанилат тұрады. Кейінгі бірнеше нуклеотидтер рибозаның 2 – бұрышында метилденген. Бұл ерекше құрылым мРНҚ 5 ұшын экзонуклеазадан қорғайды. Б – КЭП-тен кейін 5 транскрипция жүрмейтін бөлік (ТЖБ) орналасқан. Бұл бөлік оншақты нуклеотидтен тұрады, рибосоманың кіші бөлігінің құрамына кіретін р-РНҚ кодонына комплементарлы. М-РНҚ-ның рибосомамен алғашқы байланысын қамтамасыз етеді. В – м-РНҚ –дан трансляция инициациялық кодоннан басталады. Барлық м-РНҚ-да инициация АУГ (метионин) кодонынан басталады. Г – инициациялық кодоннан кейін белок құрамындағы амин қышқылдарының орналасуы жайлы информация жазылған. Эукариоттарда пісіп жетілген м-РНҚ моноцистронды, бір ғана белок жайлы информация бар. Бактерияларда м-РНҚ полицистронды. Д – информациялық бөліктен кейін терминациялық кодон орналасқан. Ол мағанасыз кодондардың біреуі (УАА, УГА, УАГ). Е – терминациялық кодоннан кейін 3 транкрипция жүрмейтін бөлік (ТЖБ) орналасады. Ж – эукариоттардың барлық м-РНҚ-ның (гистонды м-РНҚ басқалары) 3 – ұшында аденилді нуклеотидтен тұратын поли А -фрагменттері бар. Соңғы екеуі (е, ж) м-РНҚ-ның тіршілік ұзақтығын реттеуге қатысады. Себебі м-РНҚ-ның ыдырауы 3-ұшында экзонуклеазалардың әсерінен іс жүзіне асырылады.

П Д

Т-РНҚ-ның құрамындағы нуклетидтер саны жүзден аспайды. Бір ерекшелігі: оның ішінде минорлы немесе модификацияланған нуклетидтер саны жоғары мөлшерде кездеседі. Мысалы, аланиннің т-РНҚ-да ондай нуклеотидтер 13% (дигидроуридин, псевдоуридин, инозин, метилинозин, метилуридин). Екінші ерекшелігі: т-РНҚ-ның тізбегі бірнеше бұрылымдар жасап, пішіні жоңышқа жапырағына ұқсас болады. Бұл құрылымда 4 екі тізбекті, 5 бір тізбекті бөлік бар. Минорлы нуклетидтер комплементарлық қасиетке ие болмағандықтан, бір тізбекті бөліктің құрамында кездеседі. Сондықтан бір тізбекті бөліктердің арнайы аттары бар: Акцепторлық бұтақ – 3 – ұшында орналасқан, 4 нуклеотидтен тұрады, ең соңғысына (А) ковалентті байланыспен амин қышқылы байданысады. Антикодонды бұтақ - 7 нуклеотидтен тұратын тізбектің ортаңғы бөлігі. Оның 3 антикодонның рөлін атқарады. Ол м-РНҚ тізбегіндегі сәйкес кодондармен комплементарлы әсерлеседі. Дегидроуридилді, псевдоуридилді және қосымша бұтақтар берілген т-РНҚ-ның арнайы үшінші реттік құрылымын қалыптастырады. П Д

р-РНК - молекуласы өте улкен, оған дейін нуклеотидтер кіреді. Жасушадағы жалпы РНҚ-ның 90 % р-РНҚ, ол рибосоманың құрамына кіріп, қабырғасын құрайды және ақуыз синтезінің инициациясына, терминациясына, ақуыз молекуласының рибосомадан бөлініп кету процесін қамтамасыз етеді. а-РНК - белгілі 6ip ақуыздың ақпараты жазылған, сондықтан матрицалық РНҚ деп аталады. М-РНҚ-дағы информацияға сай, полипептидтік тізбек түзіледі. Ал, РНҚ молекуласында информация триплеттерден тұрады. Әр аминқышқылын өзіне тән триплет анықтайды. а-РНҚ молекуласында дейін нуклеотидтер болады, жалпы РНҚ-ның 0,5-1 % құрайды. А-РНҚ-ның 2 түpi болады: 1. nicin жетілген РНҚ; 2. nicin жетілмеген РНҚ немесе про-а-РНҚ. Т-РНҚ - басқаларына қарағанда кiшi, оның құрамына нуклеотид кіреді. Ол цитоплазмада болады. Жалпы РНҚ-ның олар 10% құрайды. Әр т-РНҚ - жоңышқа жапырағы тәрiздi иiлген полинуклеотидтiк тiзбек. Оның қызметі аминкышқылын рибосомаға тасымалдау, т-РНҚ-ның 6ip ұшында азоттық негіздер триплеті орналасады, оны антикодон деп атайды, екінші ұшында соған сәйкес аминкышқылы орналасады. Т-РНҚ- ның өзiне сай аминқышқылын танып байланыс түзу процесi – рекогниция деп аталады. Егер т-РНҚ-ның антикодоны а-РНҚ- ның триплетіне сейкес келсе, онда т-РНҚ-дағы аминкышқылы ақуыз молекуласында белгілі 6ip орынға орналасады. РНҚ-ның функциясы акуыздың синтезімен немесе тұқым қуалау информациясының ic жузіне асырылуымен байланысты.

Репликация - ДНҚ-ның екi еселену процессi - көбiнесе жасушаның бөлiну алдында жүрiп, жасушаның бірқатар ұрпақтарында хромосомалар санының тұрақтылығын қамтамасыз етедi. Репликация - көптеген ферментердiң қатысуымен жүзеге асырылатын күрделi процесс. Репликацияның негiзгi ферменттерi: 1. Геликаза - ДНҚ тiзбектерiн ажыратады 2. SSB-белоктар - ДНҚ-ның ажыраған тiзбектерiн тұрақтандырады 3. ДНҚ-полимераза - тiзбектi синтездейдi 4. топоизомераза – репликативтiк айырдың алдындағы ДНҚ-ның аса жоғары ширатылған жерлерiн босатады 5.РНҚ-праймаза - ДНҚ-полимеразаға керектi РНҚ-бастауыштарды (праймерлердi) синтездейдi 6. лигаза - ДНҚ фрагменттерiн жалғап қосады

Репликациялық айыр аймағындағы ДНҚ репликациясының схемасы.

Эукариоттардағы ДНҚ репликациясының ерекшелiктерi: 1.Репликация жартылай консервативтi әдiспен жүредi. Ескi ДНҚ-ның әр тiзбегiн қалып ретiнде пайдаланып, ДНҚ–полимераза ферментi комплементарлық принцип бойынша бос нуклеотидтерден екiншi тiзбектi түзедi. Ол үшін тiзбектер арасындағы сутектiк байланыстар үзіліп, ДНҚ-ның екi тiзбегі бiр бiрiнен ажырап, босаңсып, репликация айырын түзедi. 2. ДНҚ молекуласының аса ұзын болуына байланысты репликация бiрден бiрнеше жерден басталып (полирепликонды түрде), екi бағытта келесiрепликативтiк айырмен кездескенше жүредi. Репликацияның басталатын нүктелері нуклеотидердiң арнайы ретiмен анықталып инициация нүктесi деп аталады. Олардың саны әр хромосоманың ДНҚ-да нақты белгілі болады. Репликацияның басталу нүктесiнен келесi репликация айырымен кездесетiн жерге дейiнгi ДНҚ-ның бөлiгi репликон деп аталады - бұл репликация бiрлiгi. Прокариоттар мен органоидтардағы (митохондриялар мен пластидтер) ДНҚ молекуласының хромосомалық ДНҚ-нан айырмашылығы - оларда тек бiринициация нүктесi болады, сондықтан олар бiр репликон деп саналады.

3. Жасушадағы ДНҚ-ның репликациясы жасушалық циклдың S-кезеңiнде жүредi. Бiрақ, репликондардың репликациясы бiркелкi емес, асинхронды түрде жүредi. Мысалы, рРНҚ туралы ақпараты бар ДНҚ бөлiктерi S-кезеңiнiң басында екi еселенедi де, басқа бөлiктерi кейiн еселенедi. Митохондриялық ДНҚ-ның репликациясы көбiнесе жасушаның әрбір бөлiнуі алдында, G 2 -кезеңiнде, болып кетедi. Ал бөлiнбейтiн жасушаларда (мысалы бауыр жасушалары) митохондириялық ДНҚ-ның репликациясы физиологиялық ескіруге байланысты митоздық циклдың фазаларына тәуелсiз жүреді. 4. НҚ синтезі тек 5 -3 бағытта жүретiн, ал ДНҚ тiзбектерiнiң қарама қарсы (антипаралельді) болғандықтан, ДНҚ-ның бiр тiзбегi үздiксiз түзiлiп, лидерлiк деп, екiншiсi соңынан бiр тiзбекке жалғанатын кішірек үзінділер (Оказаки фрагменттерi) түрiнде синтезделіп, iлесушi тізбек деп аталады. Жалпы ДНК репликациясы про - және эукариоттарда ұксас, 6ipaK эукариоттарда синтез жылдамдыгы бірқатар төмен (1 сек нуклеотид шамасында) болады, прокариоттарда (1 сек нуклеотид шамасында) жылдамырак жүреді. Ce6e6i, эукариоттың ДНҚ-сы акуызбен бepiK байланысқан, ол оның деспиральдануын тежейді, репликациясын баяулатады.

Репликация, транскрипция және трансляция - прокариоттар мен эукариоттардың барлық жасушаларында жүретiн ақпарат ағымының негiзгi жолдары. Бұл процесстердiң негiзгi принциптерiн Ф.Крик ашып молекулалық биологияның орталық догмасы ретiнде келесi түрде ұсынған (1958 ж.). ДНҚ репликация ДНҚ транскрипция РНҚ трансляция белок Кейiнірек, тұқым қуалау ақпаратының басқа да (қосымша) жолдармен берiлетiні ашылған. Соған байланысты, қазіргi кезде бұл схема өзгерiп, мынадай түрде көрсетiледi. ДНҚ репликация ДНҚ а-РНҚ трансляция белок

1975 жылы РНҚ-лы вирустарда кері транскрипция процесi анықталған (Дульбеко Р., Тимин Г., Балтимор Д.). Алдымен арнайы фермент ревертаза арқылы РНҚ-да комплементарлы принцип бойынша ДНҚ-ның бiр тiзбегi синтезделедi, содан кейiн ДНҚ- полимераза ферментінің көмегімен әдеттегідей екі еселенедi. Эукариоттардың кейбiр жасушаларында да (әсiресе ұрықтық жасушаларда) ревертаза кездеседі, бұл - ақпараттың РНҚ-дан ДНҚ-ға берiлу мүмкiндiгiн көрсетедi. Ақпараттың ДНҚ молекуласынан белок молекуласына берілу (тiкелей трансляция) құбылысы тек тәжірбие барысында анықталып, тiрi жасушаларда әлi байқалмаған.