Ақуыз синтезі және оның табиғаттағы маңызы

   1953 жылы Дж. Уотсон және Ф. Крик ұсынған ДНҚ құрылымының үлгісі (моделі) генетикалық хабардың кодын (шартты қысқарту), мутациялық өзгергіштіктің және гендердің көшірмесінің (ДНҚ молекуласының бөліктері) алынуын түсінуге мүмкіншілік берді. 1957 жылы М. Мезельсон мен Ф. Сталь, Дж. Уотсон және Ф. Криктің бактериялық клеткадағы ДНҚ-ның жартылай консервативті түрде екі еселенуі (репликация) жөніндегі көзқарасын дәлелдеді.

  Ал Г. Стент ДНҚ-ның екі еселенуінің үш түрін ұсынды: 1) консервативтік (лат. "консервативус" - сақтаушы, негізгі қалпын сақтау) еселенуде ұрпақтың ДНҚ-ларда аналық ДНҚ-ның материалы болмайды; 2) жартылай консервативтік түрінде ДНҚ-ның жаңа молекуласының бір тізбегі аналық ДНҚ-дан болса, екіншісі - жаңадан құрылған тізбек; 3) дисперсиялық (лат. "дисперсис" - шашырау, бытыраңқы) түрінде аналық ДНҚ-ның материалы кездейсоқ шашырап жаңа ДНҚ молекуласында орын алады.

   М. Мезельсон мен Ф. Стальдың зерттеулері осы үшеуінің ішінен ДНҚ-ның жартылай консервативті екі еселену түрін таңдап алуға көмектесті. ДНҚ екі еселенуінің жартылай консервативті жолмен жүруін дәлелдеу Дж. Уотсон мен Ф. Криктің жасаған ДНҚ молекуласының үлгісінің дұрыстығының айғағы болды. Сонымен, ДНҚ-ның еселенуі оның тізбектерінің ажырауынан басталады дедік. Ол тізбектерді геликаза (хеликс - спираль) - дезоксирибонуклеаза ферменттері - ДНҚ молекуласының бойымен екі бағытта жоғары және төмен ажыратады. Нуклеотидтер жұптарымен ДНҚ-ның шиыршықты тізбегінің арасындағы сутегінің байланыстары молекуланың бір жақ шетінде бірте-бірте үзіле бастайды және (ДНҚ) тізбектердің екеуі де бірінен бірі босай отырып, жазылады. Осылайша жазылған тізбек, өзінің қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдықтары арасында байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаған ортадан клеткада жинақталған бос нуклеотидтер бар, олар ДНҚ-ның жазылған тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ әр қосылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклеотид қана жуықтап, жалғаса алады. Бұл жазылған тізбекке басқа, ДНҚ-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі молекуласы пайда болады. Олардың әрқайсысында қайтадан жинақталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен туынды молекулалар ДНҚ-ның аналық молекуласына мейлінше ұқсас келеді. Мұнда генетикалық материалдың құрамы да сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жасала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНҚ тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі жаңа тізбекті праймаза (РНҚ - полимераза) ферменті ғана бастай алады. Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ - полимераза-3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагменттерін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ - полимераза - 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНҚ тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНҚ - лигаза" деген ферментке келеді. Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп иуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНҚ полимераза-2" ферменті көптеген ферменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің нуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексерді. Егер кандай да бір нуклеотид өз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды.

   Осындай әр түрлі қызмет атқаратын ферменттердің үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық белгінің ДНҚ арқылы ұрпақтарға дұрыс өсірілуін қамтамасыз етеді. Міне, геннің еселенуі немесе репликация дегеніміз осы.[4]

3.1.1 ДНҚ     репликациясының   барысындағы   қателерді  түзету (коррекциялау).  Тірі  организмдердің  генетикалық материалының көлемі     үлкен     және     жоғарғы     дәлдікпен     репликацияланады. Сүтқоректілердің геномы  еселенгенде 3  млрд.  жұп нуклеотидтен тұратын ДНҚ-да орташа үштен артық қате кетпейді. Сонымен қатар ДНҚ өте тез синтезделеді (оның полимерлену жылдамдығы бактерияларда секундына 500 нуклеотидтер, сүтқоректілерде 50 нуклеотидтерге дейін  болады).   Репликацияның  жоғарғы дәлдігін,  оның жылдамдығын, қатесін түзейтін арнаулы механизм қадағалайды.

  Коррекциялау механизмінің сыры - ДНҚ-полимеразаның әрбір нуклеотидтің матрицаға сәйкестігін екі мәрте тексеруінде: бірінші рет өсіп келе жатқан тізбектің құрамына кірмей тұрып, екінші рет келесі нуклеотидті қосардың алдында. Кезекті фосодиэфирлік байланыс өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің ақырғы нуклеотиді, матрицаның сәйкес нуклеотидімен дұрыс уотсон-криктік жұп түзгеннен кейін ғана синтезделеді.

   Репликация дербес жүреді. Репликация жеке акт регінде жүретін ДНҚ-ның ұзындық бірлігін репликон деп атайды. Репликонда репликацияға қажетті реттеуші элементтер болады. Онда репликация басталатын ориджин болады және репликация терминаторы болуы мүмкін. Прокариоттық клетканың геномы бір репликонды құрайды, сондықтан бактериялық хромосома ең үлкен репликон болып табылады. Сондай-ақ плазмидада жеке репликон болады.[1]

3.1.2 Репликация терминациясы (аяқталуы). Ішек таяқшасында (Е. соіі) терминацияны қамтамасыз ететін бір ізділіктер tег-сайттар (ағыл. "sites" - генетикалық суббірлік, физиологиялық бірлікке ұқсас) деп аталады. Олар қысқа (23-ке таяу) бір ізділіктерден тұрады. Терминация учаскесінде бірнеше tег-сайттар болады.

   Олар репликация ашалары кездесетін нүктеден 100 негіздер бір ізділігінен бұрын орналасқан. Терминация үшін tus генінің өнімі қажет, ол осы бір ізділікті таниды; онымен байланысқа кіреді және репликация ашасының әрі қарай жылжуын тоқтатады.

  ДНҚ репликациясы кезіндегі молекулалық-биологиялық процестер эукариоттар мен прокариоттарда негізінен бірдей. Дегенмен өзгешеліктері де бар. Біріншіден, эукариоттарда ДНҚ репликациясы клетка циклының  белгілі бір кезеңінде өтеді. Екіншіден, егер бактериялық хромосома репликация бірлігі -репликон түрінде болса, эукариоттық хромосомадағы ДНҚ репликациясы көптеген жеке репликондармен жүзеге асады. Эукариоттық хромосоманың бойымен әр уақытта бір біріне тәуелсіз көптеген реп-ликациялық ашалар жүруі мүмкін. Ашаның жылжуы тек басқа ашамен қарама-қарсы соқтығысқанда, немесе хромосоманың ұшына жеткенде тоқтайды. Нәтижесінде хромосоманың түгел ДНҚ-сы қысқа уақыттың ішінде репликацияланады.[5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 РНҚ құрылысы.

 

   Рибонуклеин қышкылдары (РНҚ) про- және эукариотты клеткалардың құрамына кіретін негізгі үш түрі бар: ақпараттық (информациялық, матрицалық) - оны қысқаша (м) иРНҚ деп белгілейді, тасымалдаушы (транспорттық) - тРНҚ және рибосомалық - рРНҚ. Эукариоттық клеткалардың ядроларында РНҚ-ның төртінші түрі - гетерогенді ядролық РНҚ болады (гяРНҚ).[1]

  РНҚ-да ДНҚ тәрізді нуклеотидтерден тұратын күрделі молекула ДНҚ-ның көлемі кішілеу, молекулалық массасы аздау және бір тізбектен тұрады. Нуклеотидтері де төрт (А, Г, Ц, У) түрлі болады. Бірақ азоттық негіздердегі айырмашылығы: тиминнің орнына урацил орналасады. РНҚ-ның тағы бір ерекшелігі олардың құрамында көмірсу (қант) - рибоза (оның барлық көміртегі атомдары гидроксилдік топтармен байланысқан) түрінде болады. Рибонуклеин қышқылы ядро және цитоплазмада кездеседі. Бұлар бір-бірінен құрамы, молекулалық массасы және атқаратын қызметі жағынан әр түрлі.

  ДНҚ-дағы хабар толықтырушы (комплементарлық) принципке сай (м)и-РНҚ-ға көшіріледі. Бұл процесс транскрипция деп аталады және көптеген ферменттердің қатысуымен жүреді. иРНҚ-ға көшірілген хабар белок заводы - рибосомаға жеткізіледі. Қазіргі кезде ғалымдарға қай амин қышқылы қандай үйлесіммен анықталатыны белгілі.

  иРНҚ жіпшесі цитоплазмадағы рибосомаларда орналасады. Тірі клеткада 200-300 амин қышқылынан құрылатын белоктың бір молекуласы 1-2 минутта-ақ синтезделінеді. Рибосомалар (полисомалар) иРНҚ-ның жіп тәрізді молекуласының сол жақ ұшынан кіріп, белок синтезіне кірісе бастайды. Рибосомалар иРНҚ-ны бойлай бір үштіктен (үйлесім) екінші үйлесімге үзіле-үзіле "қадамдап" жылжиды. иРНҚ-да жазылған белок құрылымы тұралы хабардың арқасында амин қышқылдарынан белок молекуласы синтезделінеді. Бұл процессті трансляция  деп атайды.

  иРНҚ-ның әрбір үш негізден құралған үйлесімі (кодон деп аталатын) бір амин қышқылы қалдығын анықтайды. тРНҚ молекуласы арнаулы амин қышқылы қалдықтарын иРНҚ-ның белгілі учаскесіне тасымалдайды. тРНҚ өте жақсы зерттелген.[1]

  рРНҚ молекулалары әр пішінде кездеседі және белоктармен бірігіп күрделі кешен - рибосоманы түзеді, ал рибосомаларда белок синтезі жүреді, сонымен қатар ол рибосома кұрамында иРНҚ-мен әрекеттеседі.      Бактериялар      рибосомалары      (және      олардың суббірліктері)   эукариоттардың   цитоплазмалық   рибосомаларының көлемі жағынан өзгеше. Бұл ең алғаш осы екі түрлі рибосомалардың седиментация (тұнбаға түсу) жылдамдығы бойынша анықталды.

   гяРНҚ-иың қызметі әлі толық анықтала қоймаған. Жоғарғы эукариоттардың        клеткаларында        белоктарды       құпиялайтын ядролық кұрылымдық  гендердің транскрипциясы нуклеоплазмада (нуклеус - ядро) жүреді. Бірақ нуклеоплазмалық РНҚ иРНҚ-дан өзгеше. Ол орташа көлемі жағынан әлде қайда үлкен, тұрақсыз және кұрамындағы нуклеотидтер бір ізділігі күрделіректігімен сипатталады. Ядролық РНҚ-ның көлемі өте кең шамада құбылғандықтан оны гетерогенді ядролық РНҚ (гяРНҚ немесе hnRNA) деп атайды.

  гяРНҚ-ның иРНҚ-ны  көлемін кішірейту арқылы тұдырама, әлде гяРНҚ мүлдем басқа қызмет атқарама деген сұрақ көпке дейін пікірталас туғызған. Қазіргі кезде гяРНҚ-мен иРНҚ-ның арасындағы кейбір айырмашылықтар РНҚ-ның көлемінің кішірейді және күрделілігі сплайсинг (негіздерді жою) кезінде болады деп ойлауға негіз бар. Белоктар кодтайтын көптеген құрылымдық гендер, сәйкес иРНҚ-мен салыстырғанда, әлдеқайда көп ұзын болады, ал алғашқы транскриптер ген тәрізді аз дегенде сондай ұзындықта болуы керек.

   гяРНҚ-ның негізгі екі қасиеті - оның көлемі және тұрақсыздығы. гяРНҚ-ға еңгізілген радиоактивті негізгі бөлшегінің өзгеруі іс жүзінде толығымен ядрода жүреді. Ол ешқашан циоплазмаға өтпейді. Әртүрлі клеткаларда гяРНҚ-ның өмірінің ұзақтығының айырмашылықтары бар. Радиоактивті РНҚ-ның ыдырау жылдамдығына сәйкес бір немесе екі сыңарын бөліп алуға болады: бірақ оның жарты өмірінің үзақтығы бірнеше минуттан 1 сағат мөлшеріне созылады.

  Ядродағы РНҚ-ның өзгеруі гяРНҚ-ның негізгі бөлігі ядрода синтезделіп және толығымен ыдырайтынын көрсетеді. Мұнда жеке молекулалардың немесе молекула бөлшектерінің тағдыры белгісіз болып қала береді, сондықтан мұндай мағлуматтарды негізге ала отырып, ядродағы ыдыраған материалдың тек интрондарға сәйкес екенін немесе оның құрамына гяРНҚ молекуласы тұтас енетінін айтуға болмайды. гяРНҚ-ның нақты көлемін анықтағанда туатын бір қиыншылық - оның агрегат түзуге икемділігінде. гяРНҚ-да екінші құрылымдық учаскелер болады. Сонымен қатар молекулааралық өзара қатынастардың барлығы өте жылдам седиментацияланатын материалдар түзуі мүмкін.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды:

 

   Белоктар - құрамында көп мелшерде амин қышқылдары бар, күрдәлі жоғары молекулалы органикалық қосылыстар. Белоктың молекулалық салмағы өте жоғары: альбуминнің молекулалық салмағы 17400, ал гемоглобиннің молекулалык салмағы -68000. Кей белоктардың молекулалық салмағы 15 000 000-ға жетеді. Организмдердегі зат алмасу,  көбею,  организмнің өсуі,  тітіркенгіштігі,  бұлшық еттің жиырылуы,  бездердің белоктармен тығыз байланысты.  Белок жоқ жерде тіршілік те жоқ.  Белоктар организмде мынадай функцияларды атқарады:

1.   Белоктар клеткалар мен тканнен құрылған пластикалық материал. Бұл жағынан белоктардың орнын майлар да, көмірсулар да  баса алмайды.

2.   Белоктар ферменттер мен гомондарды құруға қатысады.

3.   Белоктардан  неше түрлі ауру тудыратын  және "антидене" сол ауруларға қарсы тұратын вирустар пайда болады. Емдеуші сывороткаларды, вакциндер, қан алмастырушылар және басқа препараттар /медицинада қолданылатын/ күрделі  белок жүйесіне жатады.                                                                          .

4.   Ядро құрамындағы күрделі белоктар /нуклеопротеидтер көбею және өсуде үлкен роль атқарады.

5. Белоктар қышқыл-сілті тепе-теңдігін тұрақтауға қатысады.

6. Белоктар энергетикалық материал. Белоктардың ыдырауы кезінде организмге керекті 12 % энергия алынады.                

   Жануарлар клеткасында белок өсімдіктерге қарағанда көп болады. Ересек адам күніне 100-150 г белокты пайдалану керек. Белгілі бір белоктың синтезі басталу үшін ядрода сәйкес иРНҚ (ДНҚ-дан транскрипцияланған) түзілуі керек, ол кейін цитоплазмаға өтеді. Бұдан кейін күрделі механизм жұмысқа кіріседі. Процесс рибосоманың кіші суббөлігінің иРНҚ молекуласына  жалғасуынан басталады. Ерекше инициаторлық РНҚ рибосоманың кіші суббірлігін иРНҚ-дағы арнаулы старткодонмен байланыстырады. Үлкен суббірліктің жалғасуы рибосоманың жинақталуын аяқтайды. Одан кейін элонгация фазасы келеді. Әрбір кезекті амин қышқылы өсіп келе жатқан полипептидтің карбоксилдік ұшына циклдік процестің көмегімен жалғасады, ол үш бір ізді кезеңдерден: аминоацил-тРНҚ-ны   жалғау, пептидтік байланыс түзу және рибосоманың  транслокациясынан   тұрады. Рибосома  иРНҚ-молекуласының  бойымен 5'-3' бағытында бір кодоннан екінші кодонға, үш стопкодонның біріне тап болғанша жылжи береді. Осы стопкодонға кейін босату факторы жалғасады, ол трансляцияны тоқтадады және толған полипептидті рибосомадан бөледі. Аминоацил-тРНҚ молекуласы кодты шешуші құрылым ролін (декодирование) атқарады, оның көмегімен иРНҚ-дағы үш рибонуклеотидтерден тұратын бір ізділік бір мағанада трансляцияланады, яғни жаңадан түзілетін белоктың құрамына мұқиятты түрде тек белгілі бір амин қышқылы ғана кіреді. 20 амин қышқылдарының әрқайсысын сәйкес кодонға қиыстырып келтіру екі сатылық тану процесі арқылы өтеді: бірінші сатыда амин қышқылы ерекше аминоацил-тРНҚ-синтетаза арқылы танылады, ол оны арнаулы тРНҚ-ға жалғайды; екінші сатыда иРНҚ-да үш нуклеотидтен тұратын белгілі бір ізділік тРНҚ молекуласының антикодонымен танылады. Әрбір амин қышқылына кем дегенде бір арнаулы аминоацил-тРНҚ-синтетаза және бір ерекше тРНҚ бар.

   Белок синтезінің механизмін, шын түсінгенде, тіршіліктің пайда болуымен байланысты бұдан ертеректегі уақиғаларға да көз жүгірткен болар едік. Шешуші рольді мұнда РНҚ-ның химиялық құрылымы мен полипептидтер синтезінің арақатынасы жөніндегі мәселе атқарады. Неге полипептидтердегі амин қышқылдарының орналасу тәртібін бір кезде РНҚ-ның тізбегіндегі нуклеотидтердің бір ізділігі  анықтауы  керек?  Бізге  белгілі  болғандай,  РНҚ-ның амин қышқылдарымен әдеттен тыс арақатынастары болу үшін оның ерекше   химиялық   қасиеттері   жоқ,   яғни   ол   пептидтік   байланысты ұйымдастырмақ түгіл, қай амин қышқылы бір бірімен байланысу керектігін  анықтай  алмауы тиіс.  Әзірше  біз  бұл  туралы  еш нәрсе білмейміз,   оған   дейін   бізге   тек   қана   белок   синтезінің  егжей-тегжейінің және мәліметтерін жинай келе, кезінде тіршіліктің шығу құпиясына көз жеткіземіз деген ұғымға сенуге тура келеді.