ДНҚ-ның функционалдық генетикалық ұйымы. Тұқым қуалайтын материалды ұйымдастырудың құрылымдық-функционалдық деңгейлері

Молекулалық негіз тұқым қуалаушылықБарлық прокариоттар мен эукариоттарда химиялық құрамы мен биологиялық рөліне қарай дезоксирибонуклеин қышқылдары (ДНҚ) және рибонуклеин қышқылдары (РНҚ) болып бөлінетін биоорганикалық заттардың ерекше класы – нуклеин қышқылдары болады.

Нуклеин қышқылының екі түрі де қышқылдаржеке құрылымдық бірліктерден – нуклеотидтерден тұратын, көп бірлік полинуклеотидтік тізбекке қосылған жіп тәрізді молекулалар. Әрбір нуклеотид келесі үш химиялық ажыратылатын бөліктен тұрады: I) 5-көміртекті қант қалдықтары, дезоксирибоза (ДНҚ-да) және рибоза (РНҚ-да), полинуклеотидтер тізбегінің «арқасын» құрайды; 2) төрт азотты негіз аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) және тимин (Т) (РНҚ молекуласында соңғы негіз урацил U-мен ауыстырылады) және әрбір азотты негіз бірінші көміртегімен ковалентті байланысқан. гликозидтік байланыс арқылы қант атомы; 3) бір қанттың 5" көміртегі атомы мен екіншісінің 3 көміртегі атомы арасында фосфодиэфирлік байланыстар түзу арқылы көрші нуклеотидтерді бір тізбекке қосатын фосфат тобы.

Генетикалық тіркеу ақпаратнуклеин қышқылы молекуласының 5" ұшынан 3" ұшына дейін сызықты түрде жүзеге асырылады. Осындай бір молекулада миллиондаған нуклеотидтерге дейін болуы мүмкін.

Жасушадағы молекулалар ДНҚбұрандалы қос тізбек (қос спираль) түрінде болады, оның жіптері параллельге қарсы, яғни. қарама-қарсы бағытқа ие болады. ДНҚ-ның қос тізбегі комплементарлы негіздер арасындағы әлсіз сутектік байланыстар есебінен түзіледі: аденин тиминге қатаң комплементарлы, ал цитозин гуанинге қатаң комплементарлы.

Белгілі түрде шарттарБұл сутегі байланыстары үзілуі мүмкін, бұл бір тізбекті молекулалардың пайда болуына (ДНҚ денатурациясы) әкеледі және кейіннен сол комплементарлы аймақтар арасында қайтадан түзіледі (ренатурация немесе ДНҚ гибридизациясы). Гибридизация процесі кезінде бастапқы ДНҚ қос спиралі дәл қалпына келтіріледі. Жасуша бөлінуінің әрбір циклінде (бұл процесс репликация деп аталады) ДНҚ-ның өздігінен көбеюінің дәлдігін де, ДНҚ молекуласының зақымдалған нуклеотидтік құрамының қалпына келуін де қамтамасыз ететін комплементарлылықтың болуы. Қосарланған спиральдағы нуклеотидтердің комплементарлы болуына байланысты ДНҚ молекуласының ұзындығы әдетте негізгі жұптармен (bp), сонымен қатар мыңдаған негіз жұптарымен (килобазалар, кб) және миллиондаған негіз жұптарымен (мегабазалар, мб) өрнектеледі. Биологиялық түр ретінде адамның ДНҚ-сы шамамен 3 млрд.б.б.

Режиссер ДНҚ молекуласының синтезіжасушада арнайы фермент – ДНҚ полимераза арқылы жүзеге асады. Бұл процесс қос спиралдың синтез орнында «ажыратылуын» және арнайы ақуыз-нуклеиндік құрылымның - репликациялық шанышқыны қалыптастыруды қамтиды; репликациялық шанышқыны қос спираль бойымен біртіндеп ілгерілету жаңадан пайда болған тізбекке бір тізбекті ДНҚ шаблонына қосымша негіздердің дәйекті қосылуымен бірге жүреді (өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің синтезі әрқашан 5-тен бастап қатаң түрде жүреді" 3" дейін).

Комплементарлы ДНҚ синтезіөсіп келе жатқан молекуланың ұзаруы үшін ортада жеке «құрылыс блоктарының» болуын талап етеді - төрт типті дезоксирибонуклеотидтрифосфат молекулаларының (dATP, dTTP, dCTP және dGTP). Бүкіл процесс ДНҚ үлгісінің белгілі бір бастапқы бөлімін толықтыратын қысқа олигонуклеотидті молекулалар болып табылатын арнайы тұқымдар – праймерлер арқылы басталады.

Тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің жоғарыдағы анықтамаларына сүйене отырып, тіршіліктің осы екі қасиетінің материалдық субстраты қандай талаптарға сай болуы керек деп болжауға болады.

Біріншіден, генетикалық материал болуы керек өзін-өзі көбейту қабілеті,кіру. көбею процесінде тұқым қуалайтын ақпаратты беру, оның негізінде жаңа ұрпақты қалыптастыру жүзеге асырылады. Екіншіден, бірқатар ұрпақтар бойына белгілердің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін тұқым қуалайтын материал болуы керек ұйымыңызды тұрақты ұстаңыз.Үшіншіден, тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік материалында қабілет болуы керек өзгерістерді алу және оларды жаңғырту,өзгермелі жағдайларда тірі материяның тарихи даму мүмкіндігін қамтамасыз ету. Көрсетілген талаптар орындалған жағдайда ғана тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалдық субстраты тірі табиғат пен оның эволюциясының өмір сүру ұзақтығы мен үздіксіздігін қамтамасыз ете алады.

Генетикалық аппараттың табиғаты туралы заманауи идеялар оны ұйымдастырудың үш деңгейін ажыратуға мүмкіндік береді: генетикалық, хромосомалықЖәне геномдық.Олардың әрқайсысы тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік материалының негізгі қасиеттерін және оның берілуі мен қызмет етуінің белгілі заңдылықтарын ашады.

3.4. ГЕНЕТИКАЛЫҚ АППАРАТТЫҢ ҰЙЫМДАСТЫРЫЛУЫНЫҢ ГЕНДІК ДЕҢГЕЙІ

Белгілі бір түрдің жасушасының немесе организмінің жеке сипаттамасының даму мүмкіндігін анықтайтын генетикалық аппараттың элементар функционалды бірлігі болып табылады. ген(Г.Мендель бойынша тұқым қуалайтын депозит). Гендерді жасушалардың немесе ағзалардың ұрпақтарының тізбегі бойынша тасымалдау арқылы материалдық сабақтастыққа қол жеткізіледі - олардың ата-анасының қасиеттерін ұрпақтарға мұра ету.

астында белгісіорганизмдердің (жасушалардың) морфологиялық, физиологиялық, биохимиялық, иммунологиялық, клиникалық және кез келген басқа дискреттілігінің бірлігін түсіну, яғни. олар бір-бірінен ерекшеленетін жеке сапа немесе қасиет.

Жоғарыда аталған организмдердің немесе жасушалардың ерекшеліктерінің көпшілігі санатқа жатады күрделі белгілер,оның түзілуі көптеген заттардың, ең алдымен спецификалық қасиеттері бар белоктардың – ферменттердің, иммунопротеидтердің, құрылымдық, жиырылғыш, көліктік және басқа белоктардың синтезін қажет етеді. Белок молекуласының қасиеттері оның полипептидтік тізбегінің аминқышқылдарының тізбегі арқылы анықталады, ол сәйкес геннің ДНҚ-дағы нуклеотидтер тізбегі арқылы тікелей анықталады және бастауыш,немесе қарапайым белгі.

Генетикалық аппараттың функционалды бірлігі ретіндегі геннің негізгі қасиеттері оның химиялық ұйымдастырылуымен,

3.4.1. Геннің химиялық ұйымдастырылуы

Тұқым қуалайтын материалдың химиялық табиғатын анықтауға бағытталған зерттеулер тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалдық субстраты болып табылатынын даусыз дәлелдеді. нуклеин қышқылдары,ірің жасушаларының ядроларында Ф.Мишер (1868) ашқан. Нуклеин қышқылдары макромолекулалар, яғни. жоғары молекулалық салмаққа ие. Бұл мономерлерден тұратын полимерлер - нуклеотидтер,оның ішінде үш компонент: қант(пентоз), фосфатЖәне азотты негіз(пурин немесе пиримидин). С-1 пентозаның молекуласындағы бірінші көміртегі атомына азотты негіз (аденин, гуанин, цитозин, тимин немесе урацил), ал эфир байланысының көмегімен бесінші көміртегі атомына С-5 фосфат қосылады; үшінші көміртегі атомы С-3» әрқашан гидроксил тобына ие - OH (3.1-сурет).

Нуклеотидтердің нуклеин қышқылының макромолекуласына қосылуы бір нуклеотидтің фосфатының екінші нуклеотидтің гидроксилімен әрекеттесуі арқылы жүзеге асады. фосфодиэфирлік байланыс(3.2-сурет). Нәтижесінде полинуклеотидтік тізбек түзіледі. Тізбектің діңгегі кезектесіп тұрған фосфат пен қант молекулаларынан тұрады. Жоғарыда аталған азотты негіздердің бірі пентозаның молекулаларына С-1 позициясында бекітілген (3.3-сурет).

Күріш. 3.1. Нуклеотидтер құрылымының диаграммасы

Түсіндіру үшін мәтінді қараңыз; Осы суретте қолданылған нуклеотидті құрамдас белгілер барлық келесі нуклеин қышқылы диаграммаларында сақталады

Полинуклеотидтік тізбекті құрастыру келесі нуклеотидтің фосфат тобының алдыңғы нуклеотидтің 3" позициясында орналасқан гидроксил тобына қосылуын қамтамасыз ететін полимераза ферментінің қатысуымен жүзеге асады (3.3-сурет). аталған ферменттің әсер ету ерекшелігіне қарай полинуклеотидтік тізбектің өсуі тек бір ұшында жүреді: бос гидроксил 3" позициясында орналасқан. Тізбектің басы әрқашан 5" позициясында фосфат тобын алып жүреді. Бұл бізге 5" және 3"-ті ажыратуға мүмкіндік береді - аяқталады.

Нуклеин қышқылдарының ішінде қосылыстардың екі түрін ажыратады: дезоксирибонуклеин қышқылы(ДНҚ) Және рибонуклеин қышқылы(РНҚ)қышқылдар.Тұқым қуалайтын материалдың негізгі тасымалдаушылары – хромосомалардың құрамын зерттеу олардың ең химиялық тұрақты компоненті тұқым қуалаушылық пен өзгергіштік субстраты болып табылатын ДНҚ екені анықталды.

3.4.1.1. ДНҚ құрылымы. Дж.Уотсон және Ф.Крик моделі

ДНҚ нуклеотидтерден тұрады, олардың құрамына қант – дезоксирибоза, фосфат және азотты негіздердің бірі – пурин (аденин немесе гуанин) немесе пиримидин (тимин немесе цитозин) кіреді.

ДНҚ-ның құрылымдық ұйымдасу ерекшелігі оның молекулалары бір-бірімен белгілі бір жолмен байланысқан екі полинуклеотидті тізбекті қамтиды. 1953 жылы американдық биофизигі Дж.Уотсон мен ағылшын биофизигі және генетикі Ф.Крик ұсынған ДНҚ-ның үш өлшемді моделіне сәйкес, бұл тізбектер бір-бірімен азотты негіздер арасындағы сутектік байланыс арқылы байланысқан принцип бойынша. толықтыру. Бір тізбектің аденині екінші тізбектің тиминімен екі сутектік байланыс арқылы байланысады, ал әртүрлі тізбектегі гуанин мен цитозин арасында үш сутектік байланыс түзіледі. Азотты негіздердің бұл байланысы екі тізбек арасындағы берік байланысты және олардың арасындағы бірдей қашықтықты сақтайды.

Күріш. 3.4. ДНҚ молекуласының құрылымының диаграммасы

Көрсеткілер нысаналардың параллельділігіне қарсы көрсетеді

ДНҚ молекуласындағы екі полинуклеотидті тізбектің қосылуының тағы бір маңызды ерекшелігі олардың антипараллельділігі болып табылады: бір тізбектің 5" ұшы екіншісінің 3" ұшымен жалғасады және керісінше (3.4-сурет).

Рентгендік дифракция деректері екі тізбектен тұратын ДНҚ молекуласы өз осінің айналасында бұралған спираль түзетінін көрсетті. Спираль диаметрі 2 нм, қадам ұзындығы 3,4 нм. Әрбір айналымда 10 жұп нуклеотидтер болады.

Көбінесе қос спиральдар оң жақ болады - спираль осі бойымен жоғары қарай қозғалғанда, тізбектер оңға бұрылады. Ерітіндідегі ДНҚ молекулаларының көпшілігі оң жақ – В-формасында (В-ДНҚ). Дегенмен, солақай формалар (Z-DNA) да кездеседі. Бұл ДНҚ-ның қанша мөлшері жасушаларда бар және оның биологиялық маңызы қандай екені әлі анықталған жоқ (3.5-сурет).

Күріш. 3.5. Сол жақ Z пішінінің кеңістіктік үлгілері ( I)

Ал оң қол В-формасы ( II) ДНҚ

Осылайша, ДНҚ молекуласының құрылымдық ұйымында біз ажырата аламыз бастапқы құрылым - полинуклеотидтік тізбек, қосалқы құрылым- сутегі байланыстары арқылы қосылған екі комплементарлы және антипараллельді полинуклеотидтік тізбектер және үшінші құрылым - жоғарыда көрсетілген кеңістіктік сипаттамалары бар үш өлшемді спираль.

3.4.1.2. ДНҚ молекуласындағы генетикалық ақпаратты жазу әдісі. Биологиялық код және оның қасиеттері

Ең алдымен, тіршіліктің әртүрлілігі жасушаларда әртүрлі биологиялық қызметтерді атқаратын ақуыз молекулаларының әртүрлілігімен анықталады. Белоктардың құрылымы олардың пептидтік тізбектеріндегі аминқышқылдарының жиынтығы мен ретімен анықталады. Дәл осы пептидтердегі аминқышқылдарының тізбегі ДНҚ молекулаларында шифрланған. биологиялық(генетикалық)код.Тек төрт түрлі нуклеотидтердің кезектесуін білдіретін ДНҚ құрылымының салыстырмалы қарабайырлығы зерттеушілерге бұл қосылысты тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалды субстраты ретінде қарастыруға ұзақ уақыт кедергі келтірді, онда өте әртүрлі ақпарат шифрлануы керек.

1954 жылы Г.Гамов ДНҚ молекулаларындағы ақпаратты кодтауды бірнеше нуклеотидтердің комбинациясы арқылы жүзеге асыру керек деген ұсыныс жасады. Табиғатта бар белоктардың алуан түрлілігінде 20-ға жуық әртүрлі аминқышқылдары ашылды. Олардың мұндай санын шифрлау үшін нуклеотидтер комбинацияларының жеткілікті санын ғана қамтамасыз етуге болады үштік код,онда әрбір амин қышқылы көршілес үш нуклеотидпен шифрланған. Бұл жағдайда төрт нуклеотидтен 4 3 = 64 триплет түзіледі. Екі нуклеотидтен тұратын код тек 4 2 = 16 түрлі амин қышқылын шифрлауға мүмкіндік береді.

Генетикалық кодты толық ашу 60-жылдары жүргізілді. біздің ғасыр. 64 ықтимал ДНҚ үштіктерінің 61-і әртүрлі аминқышқылдарын кодтайды; Қалған 3-еуі мағынасыз немесе «бос үштік» деп аталды. Олар аминқышқылдарын шифрламайды және тұқым қуалайтын ақпаратты оқығанда тыныс белгілері ретінде әрекет етеді. Оларға ATT, ACT, ATC жатады.

Көптеген амин қышқылдарының бірнеше триплеттермен шифрлануынан көрінетін кодтың айқын артықтығы назар аударарлық (3.6-сурет). Бұл үштік кодтың қасиеті дегенерация,өте маңызды, өйткені полинуклеотидтік тізбектегі бір нуклеотидті ауыстыру сияқты ДНҚ молекуласының құрылымындағы өзгерістердің болуы триплеттің мағынасын өзгертпеуі мүмкін. Осылайша жасалған үш нуклеотидтің жаңа комбинациясы бірдей амин қышқылын кодтайды.

Генетикалық кодтың қасиеттерін зерттеу барысында ол ашылды ерекшелігі.Әрбір триплет тек бір ғана амин қышқылын кодтай алады. Қызықты факт - тірі организмдердің әртүрлі типтеріндегі кодтың толық сәйкестігі. Мұндай жан-жақтылықГенетикалық код биологиялық эволюция процесінде жер бетіндегі тірі формалардың барлық алуан түрлілігінің шығу бірлігін куәландырады.

Кейбір түрлердің митохондриялық ДНҚ-сында генетикалық кодтағы шамалы айырмашылықтар табылды. Бұл жалпы алғанда кодтың әмбебап екендігі туралы тұжырымға қайшы келмейді, бірақ ол өмірдің алғашқы кезеңдеріндегі эволюциясының белгілі бір алшақтығын куәландырады. Әртүрлі түрдегі митохондриялардың ДНҚ-дағы кодты ашу барлық жағдайда митохондриялық ДНҚ-ның ортақ қасиеті бар екенін көрсетті: триплет АКС АКС деп оқылады, сондықтан мағынасыз триплеттен триптофан амин қышқылының кодына айналады.

Күріш. 3.6. Аминқышқылдары және оларды кодтайтын ДНҚ триплеттері

Басқа белгілер организмдердің әртүрлі түрлеріне тән. Ашытқыда GAT триплеті және мүмкін бүкіл GA отбасы амин қышқылы лейциннің орнына треонинді кодтайды. Сүтқоректілерде TAG триплеті TAC сияқты мағынаға ие және изолейциннің орнына амин қышқылы метионинді кодтайды. Кейбір түрлердің митохондриялық ДНҚ-дағы TCG және TCC триплеттері мағынасыз үштіктер бола отырып, аминқышқылдарын кодтамайды.

Генетикалық кодтың үштік, азғындық, спецификалық және әмбебаптығымен қатар маңызды сипаттамалары оның үздіксіздікЖәне оқу кезінде қабаттаспайтын кодондар.Бұл нуклеотидтер тізбегі бос орындарсыз үш рет оқылады, ал көршілес үштіктер бір-бірімен қабаттаспайды, яғни. әрбір жеке нуклеотид берілген оқу кадры үшін тек бір триплеттің бөлігі болып табылады (3.7-сурет). Бір-бірінің қайталанбайтын генетикалық кодының дәлелі ДНҚ-дағы бір нуклеотидті алмастырған кезде пептидтегі бір ғана амин қышқылының орнын ауыстыруы болып табылады. Егер нуклеотид бірнеше қабаттасатын триплеттерге қосылса, оның ауыстырылуы пептидтік тізбектегі 2-3 аминқышқылдарының ауыстырылуына әкеледі.

Күріш. 3.7. Генетикалық кодтың үздіксіздігі және даусыздығы

Тұқым қуалайтын ақпаратты оқығанда

Сандар нуклеотидтерді көрсетеді

ДНҚ – тұқым қуалайтын ақпараттың материалдық тасымалдаушысы болып табылатын күрделі органикалық қосылыс. Бұл қос тармақсыз сызықты полимер, оның мономерлері нуклеотидтер. ДНҚ нуклеотиді азотты негізден, фосфор қышқылының қалдығы мен дезоксирибоза көмірсуынан тұрады. Нуклеотидтердің 4 түрі бар, олар азотты негізде ерекшеленеді: аденин, оның құрамына аденин, цитозин – цитозин, гуанин – гуанин, тимин – тимин кіреді. Бір ДНҚ тізбегінің азотты негізі екінші тізбегінің негізімен сутегі көпірі арқылы жалғасады, осылайша А Т-ға, ал Г С-ға қосылады.Олар бір-бірін толықтырады. Дәл осыған негізделген ДНҚ қасиеті оның биологиялық рөлін түсіндіреді: өзін-өзі көбейту қабілеті, яғни. автокөбейтуге. ДНҚ молекулаларының автокөбеюі полимераза ферменттерінің әсерінен жүреді. Бұл жағдайда ДНҚ молекулаларының комплементарлы тізбегі босап, алшақтайды. Содан кейін олардың әрқайсысы жаңасын синтездей бастайды. Нуклеотидтердегі негіздердің әрқайсысы тек қатаң анықталған құрылымның басқа нуклеотидтерін қоса алатындықтан, ата-аналық молекуланың нақты көбеюі жүреді.
ДНҚ-ның негізгі биологиялық қызметі жасушадағы генетикалық ақпаратты сақтау, үнемі өзін-өзі жаңарту және беру болып табылады.
Генетикалық код – ДНҚ молекуласындағы аминқышқылдарының ретін бақылайтын ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің орналасуына арналған жүйе. Гендердің өзі белок синтезіне тікелей қатыспайды. Ген мен ақуыз арасындағы медиатор мРНҚ болып табылады. Ген мРНҚ молекуласын құруға арналған үлгі болып табылады. Ақпаратты кодтау бірнеше нуклеотидтердің комбинациясы арқылы жүзеге асырылуы керек. Белоктардың әртүрлілігінде 20 аминқышқылдары табылды. Олардың мұндай санын шифрлау үшін нуклеотидтердің комбинацияларының жеткілікті саны тек үштік кодпен қамтамасыз етілуі мүмкін, онда әрбір амин қышқылы көршілес үш нуклеотидпен шифрланады. Бұл жағдайда 4 нуклеотидтен 64 триплет түзіледі. 64 ДНҚ үштіктерінің 61-і әртүрлі аминқышқылдарын кодтайды, қалған 3-еуі мағынасыз немесе мағынасыз үштіктер деп аталады, олар тыныс белгілерінің қызметін атқарады. Триплеттердің реттілігі белок молекуласындағы аминқышқылдарының орналасу ретін анықтайды.
Генетикалық кодтың қасиеттері:
Дегенерация. Ол көптеген аминқышқылдарының бірнеше триплеттермен шифрлануынан көрінеді.
Ерекшелік. Әрбір триплет тек бір ғана амин қышқылын кодтай алады
Жан-жақтылық. Биологиялық эволюция процесінде жер бетіндегі тірі формалардың барлық алуан түрлілігінің шығу бірлігінің дәлелі.
Осы қасиеттермен қатар генетикалық кодтың маңызды сипаттамалары оқу кезінде кодондардың үздіксіздігі мен даусыздығы болып табылады. Бұл нуклеотидтер тізбегі бос орындарсыз үш рет оқылады, ал іргелес үштіктер бір-бірімен қабаттаспайды.

Тұқым қуалайтын материалдың химиялық табиғатын анықтауға бағытталған зерттеулер мұны даусыз дәлелдеді тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің материалдық субстраты болып табыладынуклеин қышқылдары, оларды Ф.Мишер (1868) ірің жасушаларының ядроларында ашқан. Нуклеин қышқылдары макромолекулалар, яғни. жоғары молекулалық салмаққа ие. Бұл мономерлерден тұратын полимерлер - нуклеотидтер,оның ішінде үш компонент: қант(пентоз), фосфатЖәне азотты негіз(пурин немесе пиримидин). С-1 пентозаның молекуласындағы бірінші көміртегі атомына азотты негіз (аденин, гуанин, цитозин, тимин немесе урацил), ал эфир байланысының көмегімен бесінші көміртегі атомына С-5 фосфат қосылады; үшінші көміртегі атомы С-3» әрқашан гидроксил тобына ие - OH ( диаграмманы қараңыз ).

Күріш. 3.1. Нуклеотидтер құрылымының диаграммасы

ДНҚ құрылымы. Дж. Уотсон және т.б. Айқай

Күріш. 3.4. ДНҚ молекуласының құрылымының диаграммасы. Көрсеткілер тізбектердің антипараллельділігін көрсетеді

Күріш. 3.5. Сол жақ Z пішінінің кеңістіктік үлгілері ( I)

және оң қол В-формасы ( II) ДНҚ

Тұқым қуалаушылық материалының негізгі қасиеттерінің бірі - оның өздігінен көшіру қабілеті - репликация.Бұл қасиет екі комплементарлы тізбектен тұратын ДНҚ молекуласының химиялық ұйымдасу ерекшеліктерімен қамтамасыз етіледі. Репликация процесінде негізгі ДНҚ молекуласының әрбір полинуклеотидтік тізбегінде комплементарлы тізбек синтезделеді. Нәтижесінде бір ДНҚ қос спиралінен екі бірдей қос спираль түзіледі. Әрбір еншілес молекулада бір ата-ана және бір жаңадан синтезделген тізбек болатын молекулаларды екі еселеудің бұл әдісі деп аталады. жартылай консервативті(2.12-суретті қараңыз).

Репликация болуы үшін аналық ДНҚ тізбектері бір-бірінен аналық молекулалардың комплементарлы тізбектері синтезделетін шаблонға айналуы керек.

Репликацияның бастамасы ДНҚ деп аталатын арнайы аймақтарда жүреді ори (ағылшын тілінен – бастау). Оларға арнайы ақуыздармен танылатын 300 жұп нуклеотидтер тізбегі кіреді. Бұл локустардағы ДНҚ қос спиралі екі тізбекке бөлінеді және, әдетте, репликация бастауының екі жағында полинуклеотидтік тізбектердің дивергенция аймақтары түзіледі - репликация шанышқылары,локустан қарама-қарсы бағытта қозғалады орибағыттар. Репликация шанышқылары арасында құрылым деп аталады репликация көзі,Мұнда аналық ДНҚ-ның екі тізбегінде жаңа полинуклеотидтік тізбектер түзіледі (3.8-сурет, А).

Репликация процесінің соңғы нәтижесі екі ДНҚ молекуласының түзілуі болып табылады, олардың нуклеотидтер тізбегі негізгі ДНҚ қос спиралімен бірдей.

Прокариоттар мен эукариоттардағы ДНҚ репликациясы негізінен ұқсас, алайда эукариоттардағы синтез жылдамдығы (шамамен 100 нуклеотид/с) прокариоттарға қарағанда (1000 нуклеотид/с) төмен. Мұның себебі эукариоттық ДНҚ-ның ақуыздармен жеткілікті күшті қосылыстарда түзілуі болуы мүмкін (3.5.2 тарауды қараңыз), бұл оның репликативті синтез үшін қажетті деспирализациясын қиындатады.

1869 жылы швейцариялық биохимигі Фридрих Мишер қышқылдық қасиеттері бар және жасушалардың ядросындағы белоктардан да жоғары молекулалық салмағы бар қосылыстар ашты. Альтман оларды нуклеин қышқылдары деп атады, латын сөзінен «нуклеус» - ядро. Белоктар сияқты нуклеин қышқылдары да полимерлер болып табылады. Олардың мономерлері нуклеотидтер, сондықтан нуклеин қышқылдарын полинуклеотидтер деп те атауға болады.

Нуклеин қышқылдары қарапайымнан ең жоғарғысына дейін барлық организмдердің жасушаларында табылған. Ең таңғаларлығы, бұл заттардың химиялық құрамы, құрылымы және негізгі қасиеттері әртүрлі тірі ағзаларда ұқсас болып шықты. Бірақ белоктардың құрылысына аминқышқылдарының 20-ға жуық түрі қатысса, онда нуклеин қышқылдарын құрайтын тек төрт түрлі нуклеотид бар.

Нуклеин қышқылдары екі түрге бөлінеді - дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) және рибонуклеин қышқылы (РНҚ). ДНҚ құрамында азотты негіздер (аденин (А), гуанин (G), тимин (Т), цитозин (С)), дезоксирибоза C5H10O4 және фосфор қышқылының қалдығы бар. РНҚ-да тиминнің орнына урацил (U), дезоксирибозаның орнына рибоза (С5Н10О5) болады. ДНҚ мен РНҚ мономерлері нуклеотидтер болып табылады, олар азотты, пуринді (аденин және гуанин) және пиримидинді (урацил, тимин және цитозин) негіздерден, фосфор қышқылының қалдығы мен көмірсулардан (рибоза және дезоксирибоза) тұрады.

ДНҚ молекулалары тірі ағзалардың жасуша ядросының хромосомаларында, митохондриялардың эквивалентті құрылымдарында, хлоропластарда, прокариот жасушаларында және көптеген вирустарда кездеседі. ДНҚ молекуласының құрылымы қос спиральға ұқсас. ДНҚ-ның құрылымдық моделі
қос спираль формасын алғаш рет 1953 жылы американдық биохимигі Дж.Уотсон және ағылшын биофизигі және генетикі Ф.Крик ұсынды, олар ДНҚ-ның рентгендік дифракциялық үлгісін алған ағылшын биофизигі М.Уилкинсонмен бірге марапатталды. 1962 жылғы Нобель сыйлығы.Нуклеин қышқылдары биополимерлер, олардың макромолекулалары бірнеше рет қайталанатын бірліктерден – нуклеотидтерден тұрады. Сондықтан оларды полинуклеотидтер деп те атайды. Нуклеин қышқылдарының ең маңызды сипаттамасы олардың нуклеотидтік құрамы болып табылады. Нуклеотидтің құрамы – нуклеин қышқылдарының құрылымдық бірлігі – үш компоненттен тұрады:

азотты негіз – пиримидин немесе пурин. Нуклеин қышқылдарының құрамында негіздердің төрт түрі бар: олардың екеуі пуриндер класына және екеуі пиримидиндер класына жатады. Сақиналардың құрамындағы азот молекулаларға олардың негізгі қасиеттерін береді.

моносахарид – рибоза немесе 2-дезоксирибоза. Нуклеотидтің құрамына кіретін қант құрамында бес көміртегі атомы бар, яғни. пентоз болып табылады. Нуклеотидте болатын пентозаның түріне қарай нуклеин қышқылдарының екі түрі ажыратылады – құрамында рибоза бар рибонуклеин қышқылдары (РНҚ) және дезоксирибозасы бар дезоксирибонуклеин қышқылдары (ДНҚ).

фосфор қышқылының қалдығы. Нуклеин қышқылдары қышқылдар, өйткені олардың молекулаларында фосфор қышқылы бар.

ДК құрамын анықтау әдісі олардың ферментативті немесе химиялық ыдырауы кезінде түзілетін гидролизаттарды талдауға негізделген. NC химиялық бөлінуінің үш әдісі кеңінен қолданылады. Қышқыл гидролизі ауыр жағдайларда (70% перхлор қышқылы, 100°C, 1сағ немесе 100% құмырсқа қышқылы, 175°C, 2сағ) ДНҚ мен РНҚ талдауы үшін қолданылады, барлық N-гликозидтік байланыстардың және пурин және пиримидин негіздері қоспасының түзілуі.

Нуклеотидтер коваленттік байланыс арқылы тізбекке қосылады. Осылай түзілген нуклеотидтік тізбектер бір ДНҚ молекуласына бүкіл ұзындығы бойынша сутектік байланыстар арқылы біріктіріледі: бір тізбектің аденин нуклеотиді екінші тізбектің тимин нуклеотидімен, ал гуанин нуклеотиді цитозинмен байланысады. Бұл жағдайда аденин әрқашан тек тиминді таниды және онымен байланысады және керісінше. Ұқсас жұп гуанин мен цитозин арқылы түзіледі. Мұндай негіз жұптары нуклеотидтер сияқты комплементарлы, ал қос тізбекті ДНҚ молекуласының түзілу принципі комплементарлық принцип деп аталады. Нуклеотидтік жұптардың саны, мысалы, адам ағзасында 3 – 3,5 млрд.

ДНҚ – нуклеотидтер тізбегі арқылы кодталған тұқым қуалайтын ақпараттың материалдық тасымалдаушысы. ДНҚ тізбегіндегі нуклеотидтердің төрт түрінің орналасуы белок молекулаларындағы амин қышқылдарының ретін анықтайды, яғни. олардың бастапқы құрылымы. Жасушалардың қасиеттері мен организмдердің жеке ерекшеліктері белоктар жиынтығына байланысты. Ақуыздың құрылымы және олардың ДНҚ молекуласында орналасу реті туралы ақпаратты тасымалдайтын нуклеотидтердің белгілі бір тіркесімі генетикалық кодты құрайды. Ген (грек тілінен аударғанда genos – тек, шығу тегі) – кез келген белгінің қалыптасуына жауапты тұқым қуалайтын материалдың бірлігі. Ол бір ақуыз молекуласының құрылымын анықтайтын ДНҚ молекуласының бөлігін алады. Белгілі бір организмнің хромосомаларының бір жиынтығында болатын гендер жиынтығы геном, ал организмнің генетикалық құрылымы (оның барлық гендерінің жиынтығы) генотип деп аталады. ДНҚ тізбегіндегі, демек генотиптегі нуклеотидтер тізбегінің бұзылуы ағзадағы тұқым қуалайтын өзгерістерге – мутацияларға әкеледі.

ДНҚ молекулалары дупликацияның маңызды қасиетімен сипатталады – әрқайсысы бастапқы молекуламен бірдей екі бірдей қос спиралдың түзілуі. Бұл ДНҚ молекуласының екі еселену процесі репликация деп аталады. Репликация ескінің үзілуін және нуклеотидтік тізбектерді біріктіретін жаңа сутектік байланыстардың түзілуін қамтиды. Репликацияның басында екі ескі жіп бір-бірінен босап, ажырай бастайды. Содан кейін толықтыру принципі бойынша екі ескі тізбекке жаңа тізбектер бекітіледі. Бұл екі бірдей қос спираль жасайды. Репликация ДНҚ молекулаларының құрамындағы генетикалық ақпараттың дәл көшірілуін қамтамасыз етеді және оны ұрпақтан ұрпаққа береді.

ДНҚ құрамы

ДНҚ (дезоксирибонуклеин қышқылы)- бір-бірімен байланысқан екі полинуклеотидтік тізбектен тұратын биологиялық полимер. Әрбір ДНҚ тізбегін құрайтын мономерлер құрамында төрт азотты негіздердің бірі бар күрделі органикалық қосылыстар: аденин (А) немесе тимин (Т), цитозин (С) немесе гуанин (G); пентаатомды қант пентозасы – дезоксирибоза, одан ДНҚ өзі аталған, сонымен қатар фосфор қышқылының қалдығы. Бұл қосылыстар нуклеотидтер деп аталады. Әрбір тізбекте нуклеотидтер бір нуклеотидтің дезоксирибозасы мен келесі нуклеотидтің фосфор қышқылының қалдығы арасында коваленттік байланыс түзу арқылы қосылады. Әртүрлі тізбектерді құрайтын нуклеотидтердің бөлігі болып табылатын азотты негіздер арасында пайда болатын сутегі байланыстары арқылы екі тізбек бір молекулаға біріктіріледі.

Әртүрлі текті ДНҚ-ның нуклеотидтік құрамын зерттей отырып, Чаргафф келесі заңдылықтарды ашты.

1. Барлық ДНҚ, шығу тегіне қарамастан, пурин және пиримидин негіздерінің бірдей санына ие. Демек, кез келген ДНҚ-да әрбір пуриндік нуклеотид үшін бір пиримидин нуклеотиді болады.

2. Кез келген ДНҚ-да әрқашан бірдей мөлшерде аденин мен тимин, гуанин және цитозин болады, олар әдетте A=T және G=C деп белгіленеді. Үшіншісі осы заңдылықтардан туындайды.

3. Пиримидин ядросының 4-ші және пурин ядросының 6-шы позициясындағы (цитозин мен аденин) құрамында амин топтары бар негіздер саны бірдей позициялардағы оксо тобы (гуанин және тимин) бар негіздердің санына тең, яғни А. +C=G+T . Бұл үлгілер Чаргафф ережелері деп аталады. Сонымен қатар, ДНҚ-ның әрбір түрі үшін гуанин мен цитозиннің жалпы мөлшері аденин мен тиминнің жалпы мазмұнына тең емес екені анықталды, яғни (G+C)/(A+T), әдетте, бірліктен ерекшеленеді (мүмкін оның көп және аз болуы мүмкін). Осы белгі негізінде ДНҚ-ның екі негізгі түрі бөлінеді: аденин мен тимин басым болатын Т-типі және гуанин мен цитозин басым болатын G С-типі.

ДНҚ-ның берілген түрінің нуклеотидтік құрамын сипаттайтын гуанин мен цитозин қосындысының аденин мен тимин мөлшерінің қосындысына қатынасы әдетте деп аталады. ерекшелік коэффициенті. Әрбір ДНҚ 0,3-тен 2,8-ге дейін өзгеруі мүмкін тән спецификалық коэффициентке ие. Ерекшелік коэффициентін есептеу кезінде кіші негіздердің мазмұны, сонымен қатар негізгі негіздердің олардың туындыларымен ауыстырылуы ескеріледі. Мысалы, құрамында 6% 5-метилцитозин бар бидай тұқымы ЭДНҚ үшін спецификалық коэффициентті есептегенде, соңғысы гуанин (22,7%) мен цитозин (16,8%) құрамының қосындысына енгізіледі. Чаргаффтың ДНҚ-ға қатысты ережелерінің мәні оның кеңістіктік құрылымы анықталғаннан кейін анық болды.

ДНҚ-ның макромолекулалық құрылымы

1953 жылы Уотсон мен Крик нуклеозидтік қалдықтардың конформациясы, ДНҚ-дағы нуклеотидаралық байланыстардың табиғаты және ДНҚ-ның нуклеотидтік құрамының заңдылықтары (Чаргафф ережелері) туралы белгілі мәліметтерге сүйене отырып, паракристалды форманың рентгендік дифракция заңдылықтарын ашты. ДНҚ [80 % жоғары ылғалдылықта және үлгідегі қарсы иондардың (Li+) жоғары концентрациясында түзілетін В-формасы деп аталады]. Олардың моделі бойынша ДНҚ молекуласы бір-біріне қатысты және ортақ осьтің айналасында бұралған екі полидезоксирибонуклеотидтік тізбектен түзілген дұрыс спираль болып табылады. Спиральдың диаметрі оның бүкіл ұзындығы бойынша тұрақты дерлік және 1,8 нм (18 А) тең.

ДНҚ-ның макромолекулалық құрылымы.

(а)-Уотсон-Крик моделі;

(6) В-, С- және Т-пішінді ДНҚ спиральдарының параметрлері (спираль осіне перпендикуляр проекциялар);

(G)-А-формадағы ДНҚ спиралының параметрлері;

(е)- А-тәрізді ДНҚ спиральының көлденең қимасы.
Оның сәйкестендіру кезеңіне сәйкес келетін спиральдық бұрылыстың ұзындығы 3,37 нм (33,7 А). Спиральдың бір айналымы үшін бір тізбекте 10 негіз қалдығы болады. Осылайша, негізгі жазықтықтар арасындағы қашықтық шамамен 0,34 нм (3,4 А) құрайды. Негіз қалдықтарының жазықтықтары спиральдың ұзын осіне перпендикуляр. Көмірсулар қалдықтарының жазықтықтары осы осьтен біршама ауытқиды (бастапқыда Уотсон мен Крик олар оған параллель деп есептеді).

Суретте молекуланың көмірсу-фосфатты омыртқасының сыртқа қарайтыны көрсетілген. Спираль оның бетінде әртүрлі өлшемдегі екі ойықты ажырата алатындай етіп бұралған (оларды жиі ойықтар деп те атайды) - үлкен, ені шамамен 2,2 нм (22 А) және кішкентай, шамамен 1,2 нм. кең (12 A). Спираль декстророторлы. Ондағы полидезоксирибонуклеотидтік тізбектер антипараллельді: бұл дегеніміз, егер біз спиральдың ұзын осі бойымен бір шетінен екінші шетіне қарай жылжитын болсақ, онда бір тізбекте фосфодиэфирлік байланыстарды 3"à5" бағытта өткіземіз, ал екіншісінде - 5"à3" бағытында. Басқаша айтқанда, сызықты ДНҚ молекуласының әр ұшында бір тізбектің 5" ұшы және екінші тізбектің 3" ұшы болады.

Спиральдың заңдылығы бір тізбектегі пуриндік негіз қалдығы екінші тізбектегі пиримидиндік негіз қалдығымен қарама-қарсы болуын талап етеді. Жоғарыда атап өтілгендей, бұл талап комплементарлы негіз жұптарының түзілу принципі түрінде жүзеге асырылады, яғни бір тізбектегі аденин мен гуанин қалдықтары екінші тізбектегі тимин және цитозин қалдықтарына сәйкес келеді (және керісінше).

Осылайша, ДНҚ молекуласының бір тізбегіндегі нуклеотидтер тізбегі екінші тізбектің нуклеотидтер тізбегін анықтайды.

Бұл принцип Уотсон және Крик моделінің негізгі салдары болып табылады, өйткені ол таңқаларлық қарапайым химиялық терминдермен ДНҚ-ның негізгі функционалдық мақсатын - генетикалық ақпарат қоймасы болуды түсіндіреді.

Уотсон мен Крик моделін қарастыруды аяқтай отырып, В-пішінді ДНҚ-дағы негіз қалдықтарының көршілес жұптары бір-біріне қатысты 36°-қа (С-ті қосатын түзулер арасындағы бұрышқа) бұрылатынын қосу керек. 1 атомдар көршілес комплементарлы жұптар).
4.1 Дезоксирибонуклеин қышқылдарының оқшаулануы
Тірі жасушалар, сперматозоидтарды қоспағанда, әдетте дезоксирибонуклеин қышқылына қарағанда рибонуклеин қышқылын едәуір көп қамтиды. Дезоксирибонуклеин қышқылдарын бөліп алу әдістеріне рибонуклеопротеидтер мен рибонуклеин қышқылдары натрий хлоридінің сұйылтылған (0,15 М) ерітіндісінде еритін болса, дезоксирибонуклеопротеиндік кешендердің онда ерімейтіндігі үлкен әсер етті. Сондықтан гомогенизацияланған орган немесе организм сұйылтылған тұз ерітіндісімен мұқият жуылады, ал қалдықтан күшті тұз ерітіндісінің көмегімен дезоксирибонуклеин қышқылы алынады, содан кейін этанол қосу арқылы тұнбаға түседі. Екінші жағынан, сол қалдықты сумен элюциялау тұзды қосқанда дезоксирибонуклеопротеин тұнбаға түсетін ерітінді береді. Негізінен көп негізді және полиқышқылды электролиттер арасындағы тұз тәрізді кешен болып табылатын нуклеопротеиннің ыдырауы күшті тұз ерітіндісінде еріту немесе калий тиоцианатымен өңдеу арқылы оңай жүзеге асырылады. Көптеген ақуызды этанол қосу арқылы немесе хлороформ және амил спиртімен эмульгациялау арқылы жоюға болады (ақуыз хлороформмен гель құрайды). Жуғыш заттарды өңдеу де кеңінен қолданылды. Кейінірек дезоксирибонуклеин қышқылдары сулы n-аминосалицилат-фенол ерітінділерімен экстракциялау арқылы бөлініп алынды. Бұл әдісті қолдану арқылы дезоксирибонуклеин қышқылының препараттары алынды, олардың кейбіреулерінде қалдық ақуыз болса, басқаларында іс жүзінде белок жоқ, бұл белок-нуклеин қышқылы ассоциациясының табиғаты әртүрлі ұлпаларда әр түрлі болатынын көрсетеді. Ыңғайлы модификация жануардың тінін 0,15 М фенолфталеиндифосфат ерітіндісінде гомогенизациялау болып табылады, содан кейін жақсы шығымдылықпен ДНҚ (РНҚ жоқ) тұнбаға түсіру үшін фенолды қосу.

Дезоксирибонуклеин қышқылдары, қалай оқшауланғанына қарамастан, бактериофагтардың белгілі бір түрінен алынған үлгілерді қоспағанда, әртүрлі молекулалық массадағы полимерлердің қоспалары болып табылады.
4.2 Бөлшектеу
Ерте бөлу әдісі дезоксирибонуклеопротеинді (мысалы, нуклеогистон) гельдердің молярлығы жоғары натрий хлоридінің сулы ерітінділерімен экстракциялау арқылы фракциялық диссоциациясын қамтыды. Осылайша, дезоксирибонуклеин қышқылының препараттары гуанин мен цитозиннің қосындысына аденин мен тиминнің әртүрлі қатынасымен сипатталатын бірқатар фракцияларға бөлінді, гуанин мен цитозинмен байытылған фракциялар оңайырақ бөлінеді. Ұқсас нәтижелер натрий хлоридінің ерітінділерімен градиентті элюция көмегімен кизельгурда адсорбцияланған гистоннан дезоксирибонуклеин қышқылын хроматографиялық бөлу арқылы алынды. Бұл әдістің жетілдірілген нұсқасында тазартылған гистон фракциялары n-аминобензилцеллюлозамен біріктіріліп, ақуыздың тирозин және гистидин топтарынан диазокөпірлер түзілді. Сондай-ақ нуклеин қышқылдарының метилденген сарысу альбуминіне (тасымалдаушы ретінде диатомды жермен) фракциялануы сипатталған. Концентрациясы жоғарылайтын тұзды ерітінділермен колоннадан элюция жылдамдығы молекулалық массасына, құрамына (цитозинмен жоғары гуанинді нуклеин қышқылдары оңай элюцияланады) және қайталама құрылымға (денатуратталған ДНҚ нативті ДНҚ-ға қарағанда колоннада берік ұсталады) байланысты. ). Осылайша теңіз крабының Cancer borealis ДНҚ-сынан табиғи компонент, полидеоксиаденил-тимидил қышқылы бөлініп алынды. Дезоксирибонуклеин қышқылдарының фракциялануы да кальций фосфатымен толтырылған колоннадан градиенттік элюция арқылы жүзеге асырылды.

ДНҚ функциялары

ДНҚ молекуласында пептидтердегі аминқышқылдарының тізбегі биологиялық код арқылы шифрланады. Әрбір амин қышқылы үш нуклеотидтің қосындысымен кодталған, бұл жағдайда 64 триплет түзіледі, оның 61-і аминқышқылдарын кодтайды, ал 3-і мағынасыз және тыныс белгілері (ATT, ACT, ATC) қызметін атқарады. Бір амин қышқылының бірнеше триплет арқылы шифрлануы деп аталады триплет кодының деградациясы. Генетикалық кодтың маңызды қасиеттері оның ерекшелігі (әр триплет тек бір ғана амин қышқылын кодтауға қабілетті), әмбебаптығы (жердегі барлық тіршіліктің шығу бірлігін көрсетеді) және оқу кезінде бір-бірін қайталамайтын кодондар болып табылады.

ДНҚ келесі функцияларды орындайды:

тұқым қуалайтын ақпаратты сақтау гистондардың көмегімен жүреді. ДНҚ молекуласы қатпарланып, алдымен нуклеосома түзеді, содан кейін хромосомаларды құрайтын гетерохроматин;

тұқым қуалайтын материалдың берілуі ДНҚ репликациясы арқылы жүреді;

ақуыз синтезі процесінде тұқым қуалайтын ақпаратты жүзеге асыру.

Жоғарыда аталғандардың қайсысы құрылымдық және функционалды ДНҚ молекуласының ерекшеліктеріоның тұқым қуалайтын ақпаратты жасушадан жасушаға, ұрпақтан-ұрпаққа сақтауға және беруге, ұрпақтағы белгілердің жаңа комбинацияларын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді?

1. Тұрақтылық. Ол сутегі, гликозидтік және фосфодиэфирлік байланыстармен, сондай-ақ өздігінен және индукциялық зақымдануды қалпына келтіру механизмімен қамтамасыз етіледі;

2. Репликация қабілеті. Осы механизмнің арқасында соматикалық жасушаларда хромосомалардың диплоидты саны сақталады. Генетикалық молекула ретіндегі ДНҚ-ның аталған барлық белгілері суретте схемалық түрде көрсетілген.

3. Генетикалық кодтың болуы. ДНҚ-дағы негіздердің тізбегі транскрипция және трансляция процестері арқылы полипептидтік тізбектегі аминқышқылдарының тізбегіне айналады;
4. Генетикалық рекомбинацияға қабілеттілік. Осы механизмнің арқасында байланысқан гендердің жаңа комбинациялары қалыптасады.