Трансформация

Нуклеин қышқылдарының қасиеттерін және тұқым қуалаушылықтың заңдылықтарын молекулалық деңгейде зерттеу үшін пішін таяқшасында болатын Т₂ фагы мен темекі мозайкасының вирусы (ТМВ) көп қолданылады. Өте үлкейтіп қарағанда қырлы бас бөлімі мен жіпше тәрізді құйрығы анық көрінеді. Бас бөлімнің ішінде тығыз спиральға оралған ДНҚ жіпшесі болады.

Бактерияға шабуыл жасағанда фаг оған құйрығымен барып қонады. Содан барып бактерия клеткасында өзінің ДНҚ-сын бүркеді. Фагтың ДНҚ-сы клетканың ішіне өткен соң оның қалыпты қызетін бұзады, содан соң клеткадағы ДНҚ ыдырап, соның салдарынан ондағы белоктың синтезі тоқтайды. Ондай клеткадағы бүкіл биохимиялық аппараттың бақылануы вирустық ДНҚ-ға ауысады, ал ол жаңа вирустарды репродукциялау үшін қажетті белок молекулаларын өндіруге кіріседі. Вирус ДНҚ-сы өзі сияқты құрылымдарды өте жоғары жылдамдықпен жасап шығарады. Сөйтіп шамамен 20 минутта жүздеген жаңа пісіп-жетілген фагтар пайда болады. Олар клетканы әбден толтырғаннан кейін, оның қабығы жарылып, иендегі фагтар сыртқа шығады да, басқа бактерия клеткаларын зақымдауға әзірленеді.

ДНҚ-ның генетикалық рөлін америка оқымыстылары А.Херши мен М.Чейз Т₂ фагтың көбеюін зерттеу барысында зотоппен таңбалау әдісін қолдану арқылы анықтап береді. Фагтың белогы радиоактивті фосформен (³²Р) таңбаланады.

Фагтың осындай препартты бактерия клеткасының суспензиясымен ауыстырылады. Содан соң фагтың ұрпағында арнаулы есептегіштердің көмегімен таңбаның таралуы қолданылады. Нәтижесінде жаңа түзілген фаг бөлшектерінің құрамынан тек қана ДНҚ таңбаланған радиоактивті фосфор табылды. Сонда бастапқы ата-аналық фагтың таңбалы белогының ұрпағына берілмейтіндігі анықталды.

Темекі мозайкасы вирусының құрылысы қарапайым. Оның пішіні таяқша тәрізді, денесінің сыртқы белок молекулаларымен қапталған РНҚ-дан тұрады. Бұл вирустың РНҚ-сы басқа вирустар мен фагтардағы ДНҚ-ның рөлін атқарады. Егер осы вирустың РНҚ-сын белогты қапшығымен бөліп алып, өсімдік клеткасына жіберсе ол зақымданып, көптеген жаңа фагтар пайба болады. Мұны Г.Френкель-Конрат тәжірибе жүзінде дәлелдеп көрсетті. Фаг бөлшектерінің суспензиясын фенолдың судағы ерітіндісімен шайқау жолымен вирустың ДНҚ-сы оның белогының ажыратылып алынады. Содан соң әрқайсысымен жеке-жеке темекі жапырағына ісер етеді. Сонда белокты бөлігінің жапырақты зақымдай алмайтындығы, ал РНК жіберілген жапырақтың ауруға шалдығатындығы байқалады.

Сонымен Т₂ фагы мен темекі мозайкасы вирусымен жүргізілген тәжірибелердің нәтижесінде зақымдалған бөлшек пен оның ұрпағының арасындағы материалдық жалғастықтың тек қана бактерия не өсімдік клеткасына өтетін ДНҚ немесе РНҚ арқылы жүзеге асатындығы дәлелденеді.

Трансдукция. Фаг бактерияны зақымдағанымен оны жоя бермейді. Кейде вирустық инфекция процесі басқаша жүреді. Фагтың ДНҚ-сы клеткаға өткен соң бактерия хромосомасына барып бекіп, профаг түзеді. Оның бактерия хромосомасымен қоса бөлінуі және белгілі бір тұрақты сыртқы орта жағдайларына ұзақ орта жағдайларына ұзақ уақыт бойы ұрпақтан ұрпаққа берілуі мүмкін. Бірақ қолайлы орта өзгерсе, фаг бөлшектері репродукцияланып, соның салдарынан клетка тіршілігін жояды. 1952 жылы К.Циндер мен Дж.Ледерберг фаг бөлшектері көбеюі кезінде бактерия клетка хромосомасының кішкентай бөлшегін бөліп алып, сол арқылы гендерді бір клеткадан екінші клеткаға тасымалдайтынын анықтады. Генетикалық материалдың осылайша фаг арқылы бір клеткалы бір клеткадан екінші клеткаға берілуін трансдукция деп атайды. Фаг басқа бір бактерия клеткасына бекіа алып, оған өзінің ДНҚ-сымен бірге алдында өзі қосып алған хромосома бөлшегін де бүркеді. Мұндай бөълшек клеткаға өткен соң кроссинговердің нәтижесінде бактерия хромосомасына барып қосылады. Егер бактерияның бір шатаммында өсіп-жетіліп, содан соң басқа штаммға трансдукцияланса, соңғысының генотипі өзгеруі мүмкін.

Бақылау сұрақтары:

1.Тұқым қуалаушылықты молекулалық деңгейде зерттеудің тарихы неден басталады?

2.Д.Бидл мен Э.Татумның зең саңырауқұлағы-нейроспорамен жүргізген зерттеулердің қорытындысы?

3.Трансформация құбылысын түсіндір?

4.О.Эвери тәжірибелерінің мәнісін түсіндір?

5.Трансфекция құбылысын түсіндір?

6.Трансдукция құбылысын түсіндір?

Пайдаланылған әдебиеттер:

1.С.Г.Генетика сосновами селекции, М.Высшая школа,1989.

2.Лобашев М.Е.,Ватти К.Е.,Тихомирова М.М., Генетика с основами селекция. М.Просвещение,1979

3.Ватти К.В., Тихомирова М.М., Рукаводства к пратическим занятиям по генетике. М.Просвещение.1979-1972

4.Лобашев М.Е. Генетика.Изд-во Генетические 1969

5.Медведов Н.Н.Пратическая генетика.М.Наука,1966

6.Мұхамбетжанов К.К.,Далабаев Б.А., Өтешов Г.А. Генетикадан практикалық сабақтар, Алматы.Ғылым 2004

7.Мұхамбетжанов К.Қ. Генетика. Алматы 2005

5 Дәріс

Дәрістің тақырыбы: Нуклеин қышқылдарының құрылымы мен репликациясы.

Транскрипциясы және трансляция құбылыстары.

Жоспар:

1.Нуклеин қышқылдарының құрылымы

2.ДНК репликациясы

3.ДНК транскрипциясы

4.Генетикалық код

5.Белог биосинтезі

Дәрістің мақсаты: Нуклеин қышқылдарының құрылымын, репликация, транскрипция, белог синтез құбылыстарын оқып үйрену.

Нуклеин қышқылдарының құрылымы. Бүкіл организмде болатын тұқым қуалаушылық қасиет нуклеин қышқылдарының қызметтеріне байланысты. Олардың барлығында дерлік құрамында ДНК табылған, тек кейбір вирустарда ғана оның орнына РНК болады.

Нуклеин қышқылдары күрделі биологиялық полимер. Олардың мономері- нуклеотидтер. Әр нуклеотид үш компоненттен: азоттық негіздерден, пентоза қантынан және фосфор қышқылынан тұрады. Азотты негіздрдің бес түрі бар. Соның бірі- урацил. Ол тек РНҚ- ның құрамында ғана кездеседі. Келесі тимин тек ДНҚ-да ғана болады. Ал қалған үш азотты негіздер: цитозин, аденин, гуанин ДНҚ-ның да, РНҚ-ның да құрамынна енеді. Екі циклді негіздер- аденин мен гуанин пурин туындыларына ал моноциклді негіздер- цитозин, тимин және урацил пиримидин туындыларына жатады.

РНҚ-ның құрамына енетін пентоза қанты-рибоза, ал ДНҚ-ның құрамына енетін дезоксирибоща болып табылады. Осыған байланысты олар рибонуклеин және дезоксирибонуклеин қышқылдары деп аталады. Нуклеотидтің қант пен азотты негізден тұратын бөлігін нуклеозид деп атайды. Нуклеотидтерді кейде нуклеозидмонофосфаттар дейді.

РНҚ молекуласы төрт түрлі нуклеотидтің қатар тізбегінен құралған жіпшеден тұрады. ДНҚ молекуласының құрылымы күрделірек. Оны дұрыс түсіну үшін Э.Чаргафф қалыптастырған заңдылықтың ерекше маңызы бар. Ол бойынша кез-келген ДНҚ молекуласында:

1. Пуринді азотты негіздері бар нуклеотидтердің жиынтығы пиримидинді нуклеотидтердің жиынтығына тең (А+Г=Т+Ц)

2. Адениннің мөлшері (А) тиминнің (Т) мөлшеріне, ал гуанин (Г) цитозинге (Ц) тең, яғни А-ның Т-ға және Г-ның Ц-ға қатынасы 1-ге тең

3. Кетотобы бар азотты негіздердің шамасы аминтобы бар азотты негіздердің шамасына тең, яғни Г+Т=А+Ц немесе (Г+Т)/(А+Ц)=1

Бұл ереже бір жағынан Т мен А-ның, екінші жағынан Ц мен Г-ның мөлшерінде тұрақты ара қатынастың бар екендігін көрсетеді.

ДНҚ-ның құрылысын анықтауда 1953 жылы М.Уилкинс пен Р.Франклип жүргізген ретпен құрылымдық зерттеулердің ерекше маңызы болды.

Оның нәтижесі ДНҚ-ның кезектесіп келіп отыратын, солекула діңінің бойында бір-бірінен 0,34 нм қашықтықта орналасқан ретті құрылым екенін көрсетті.

Осы зерттеулерге сүйене отырып Дж.Уотсон мен Ф.Крик ДНК екі полинуклеотидті тізбектен тұратын молекула деп жорамалдады. Содан соң олар рентген құрылымдық, биохимиялық зерттеулерді және математикалық зерттеулерді салыстыра отырып, ДНҚ молекуласының құрылысын көрсететін модель жасады. Ол Уотсон-Крик моделі деп аталды. Бұл модель бойынша ДНҚ молекуласы спираль тәрізді болып бұралып орналасқан қос жіпшеден тұрады. Екі жіпшенің әрқайсысы полинуклеотидтер болып есептеледі. Мұндай нуклеотидті тізбектер бір-бірімен азотты негіздер арқылы байланысады. Аденин әрқашанда тиминге (А+Т) 6 ал гуанин цитозинге (Г+Ц) қарама-қарсы орналасады. Аденин әрқашанда тиминге (А+Т)6 ал гуанин цитозинге (Г+Ц) қарама-қарсы орналасады. Азотты негіздердің бұл жұптары бірінен-бірі толықтырып отырады (комплементарды).

ДНҚ репликациясы.

Екі еселену кезінде комплементарлы орналасқан азотты негіздердің (А+Т) (Г+Ц) арасындағы сутекті байланыстар үзіліп, ДНҚ жіпшелері екіге ажырайды. Осылайша ажырапкеткен әр жіпше жаңа молекулалардың түзілуі үшін матрица болып есептеледі де, оған комплементарлы негізде тиісті нуклеотидтер келіп тізбектеледі. Бұл процесс әрбір ажыраған жіпшелерде жеке-жеке жүретіндіктен, бастапқы аналық ДНҚ-ға ұқсас екі жіпшелі жаңа ДНҚ молекулалары түзіледі. Репликацияның немесе екі еселенуінің мұндай жолын жартылай консервативті деп атайды.

ДНҚ синтезі механизмінің консервативті жолының дұрыстығын тұңғыш рет 1957 жылы цитологиялық әдісті пайдаланып, атбұрщақ хромосомасының репликациясын зерттеу барысында Дж.Тейлор анықтады. Содан соң оны 1958 жылы физика-химиялық әдістердің көмегімен М.Мендельсон мен В.Сталь толық дәлелдеді. Олар E.Coli бактериясын азот изотопы (¹⁵N) бар ортада өсірді. Мұндай бактерияның ДНҚ-сының азотты негіздерінде біраз уақыттан соң кәдімгі азот (¹⁴N) түгелдей оның изотопымен (¹⁵N) алмастырылды. Содан кейін ДНҚ-сының құрамында изотопы бар бактерия қалыпты азотты (¹⁴N) ортаға апарылды. Бұл кезде олардың біршама өсетіндігі байқалады. Мұндай ортаға жаңадан синтезделген ДНҚ-ның құрамында кәдімгі азот болуға тиісті. Бұл бактерияның бірінші ұрпағының ДНҚ-сы орташа тығыздықта болуы керек. Себебі оның молекулалары «будан», яғни бір тізбегі аыр азотты (¹⁵N), екінші жеңіл азотты (¹⁴N) болып келеді. Бактерияның екінші ұрпағынан бөлініп алынған ДНҚ екі түрлі тығыздықтағы молекулалардың қоспасы болу керек. ДНҚ молекуласының екі жеңіл жіпшеден тұратын жағының тығыздығы қалыпты, ал құрамында бір ауыр және бір жеңіл тізбек енетін жағы жартылай тығыз келеді. ДНҚ екі еселену механизмінің Уотсон мен Криктің пайымдауына сәйкес келетіні дәлелденді.

ДНҚ транскрипциясы.

ДНҚ бүкіл белогтардың синтезіне қатысады және олардың құрылысы мен қызметін анықтайды. Бірақ бірқатар зерттеулердің нәтижесі белог синтезінде ДНҚ-ның өзі тікелей матрица бола алмайтынын көрсетті. Бактериялардан басқа организмдердің клеткаларында ДНҚ негізінен ядродағы хромосомаларда жинақталады, ал белог синтезінің цитоплазмада жүретіндігі белгілі. Олай болса, ДНҚ ядрода болып, ал белог синтезінің цитоплазмада өтетіндігінің өзі генетикалық информацияны ядродан цитоплазмаға алып баратын қандай болмасын бір аралыққ мтрицаның бар екендігін көрсетеді. Ол информациялық, қысқаша иРНҚ. Сонда, ДНҚ молекуласындағы генетикалық информация иРНҚ-ға көшіріледі, бұл процесті транкрипция деп атайды. Ол иРНҚ-ның ДНҚ матрицасы негізінде синтезделуі арқылы жүзеге асады. Мұндай РНҚ-ның информациялық деп аталу себебі ол ядро қабықшасының саңылаулары арқылы өтіп, цитоплазмадағы белог синтезделетін жерге генетикалық информация алып барады. иРНҚ молекуласы арнайы фермент-РНҚ полимеразаның қатысуымен ДНҚ матрицаның бір тізбегі негізінде синтезделеді.

Нуклеотидтің жұптасуы комплементарлы принципте жүреді. иРНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің орналасу реті ДНҚ молекуласына сәйкес келеді.

Генетикалық код.

Кез-келген организмнің араындағы айырмашылық олардың құрамындағы белогтардың құрылымы мен мөлшерінің өзгешелігіне байланысты, сондықтан тұқым қуалаушылықтағы басты бір мәселе – генетикалық информацияның ДНҚ молекуласында қалай жазылатындығын және оның организмінің белгі-қасиеттерін қалайша анықтайтындығын білу.

Белогтар биологиялық полимерлер болып есептеледі. Олардың макромолекулалары негізінен 20 мономерлерден, яғни амин қышқылдарынан тұрады. Әр түрлі белогтардың құрамындағы амин қышқылдарының саны да, орналасу реті де түрліше болып келеді.

Жиырма амин қышқылы 10²⁴ комбинация түзе алады. Ал кез-келген белгі қасиеттерді өзгешеліктер белогтардың айырмашылықтарына байланыты болғандықтан, мұншама мөлшердегі белогтар организм белгі қасиеттерінің алуан түрін қамтамасыз ете алады. Ол жер бетіндегі тіршіліктің эвалюциясының кемінде 10 миллиард жылға созып, жеткізе алады деген сөз. Небары бір ғана амин қышқылында болатын өзгешелік белог қасиетін, соған байланысты организм белгісін өзгертуге жеткілікті. Мысалы, шамамен 600 амин қышқылынан тұратын гемоглабин белогының молекуласындағы глутамин қышқылын валин амин қышқылдарымен ауыстырса, орақ тәрізді клеткалы анемия деп аталатын күрделі қан ауруына әкеп соғады. Мұндай ауру адам қанының қызыл түйіршіктерден (эритроциттер) пішіні жарты ай немесе орақ тәрізді болады, электр заряды болмайды, сондықтан өзіне оттегін қосып ала-алмайды.

ДНҚ жіпшесі кезектесіп келіп отыратын мономерлердің тізбегінен тұрады. Белогта олардың саны 20 болса, ДНҚ-да бар болғаны төртеу-ақ. Олар- аденин, гуанин, цитозин және тимин. Қант пен фосфор қышқылы барлық нуклеотидтерде бірдей болатындықтан олар тек азотты негіздер арқылы ажыратылады. Сондықтан ДНҚ молекулалар арасындағы айырмашылық азотты негіздердің орналасуына байланысты нәрсе. Олардың ДНҚ молекуласындағы орналасу реті белог молекуласындағы амин қышқылдарының орналасу ретін анықтайды.

Барлық организм құрылысы мен қызметі және олардың ерекшеліктері ДНҚ молекуласындағы төрт түрлі азотты негіздердің комбинациясы арқылы анықталады. Синтезделетін белог құрамындағы амин қышқылдардың орналасу ретін анықтайтын ДНҚ молекуласындағы азотты негіздердің тізбегін генетикалық код деп атайды. Генетикалық кодты альфовиттердегі әріптермен салыстыруға болады. Сонда әртүрлі әріптерден белгілі бір мағына беретін сөздің олардан сөйлемнің құралатындығы сияқты ДНҚ молекуласындағы төрт азотты негіздің орналасу реті белог молекуласының құрылымы мен қызметін анықтайды. Басқаша айтқанда белогтың биосинтезі туралы информация ДНҚ молекуласында жазылады.

Тұқым қуалайтын информация нуклеин қышқылдарында төрт азотты негіз, ал белокта жиырма амин қышқылы түрінде жазылғандықтан генетикалық код сол екеуінің қарым-қатынасына байланысты болууы керек.

Генетикалық кодты шешу алдымен бір амин қышқылын неше нуклеотид анықтайтындығын білу керек болды. Егер 20 амин қышқылының әрбіреуін бір нуклеотид анықтайтын болса ДНҚ құрамында 20 түрлі нуклеотид болуы керек, бірақ олардың саны төртеу-ақ. Егер екі нуклеотидтен біріксе, ол 20 амин қышқылын анықтауға жеткіліксіз. Онда тек 16 амин қышқылын кодтай алады (4²=16). Ал үш нуклеотидтен біріксе 64 комбинация түзе алады. (4³=64). Бұл жағдайда кез-келген белогты синтездеуге жарайтын амин қышқылдарының жеткілікті мөлшерін қолдануға болады. Осылайша үш нуклеотидтің бірігуін триплетті код деп атайды. Мұндай код бойынша бір бір аминқышқылын үш нуклеотид бірігіп анықтайды (УУУ,ЦГП,АЦА т.с.с.). Белок молекуласы құрамына нақты бір амин қышқылының енуін анықтайтын ДНҚ тізбегінің үш нуклеотидтен тұратын бөлімін кодон деп атайды.

Генетикалық кодтың принципін шешіп алғаннан кейін қай триплеттің нақты қандай амин қышқылын анықтайтындықтан табу керек болды. Бұл күрделі мәселені шешудің негізін салған американдық биохимиктер М.Ниренберг пен Дж.Маттеи 1961 жылы Мәскеуде өткен бесінші биохимиялық конгресте М.Ниренберг фенилаланин амин қышқылы синтезін анықтайтын триплеттің ашылғандығын баяндады. Ниренберг пен Маттей өз тәжірибелерінде қарапайым РНҚ- полиуридил қышқылын алды. Бұл синтетикалық РНҚ тек урацилды нуклеотидтен тұрады. Полиурацил қышқылын матрица ретінде құрамында рибосома бар клеткадан бөлініп алынған ерітіндіге апарып қосқан. Сонда түзілген тұнба полифинилаланин белогты болып шыққан. Жалпы ерітіндінің ішінде барлық 20 амин қышқылы да болған, бірақ полиурацилді РНҚ молекуласының шын мәнінде фенилаланин амин қышқылын кодтайтындығы тәжірибе жүзінде дәлелденді. Одан әрі қарай жүргізілген тәжірибелердің нәтижесінде басқа да амин қышқылдарының кодтары анықталды. 1962 жылы М.Ниренберг пен С.Очаоның лабораториясында белог молекуласының құрамына енетін барлық 20 амин қышқылының тринлеттері түгелімен анықталды (кесте 1). Амин қышқылдарының көпшілігі бір емес екі, үш немесе төрт түрлі триплеттер арқылы анықталды. Метионин жалғыз триплет (АЦТ) лизин екі (ААА,ААГ), изоленцин үш (АУУ,АУЦ:АУА), сирин төрт (УЦУ,УЦЦ,УЦА:УЦГ) триплет арқылы анықталады.

Генетикалық кодтың кестесі