Генетикалық ақпарат

§12. Генетикалық ақпарат

«Тұкымқуалау ақпараты» дегеніміз - бұл мелім ағзаның, барлық нәруыздарындағы  аминқышқылдардың ретін көрсету. Құрамында жүздеген аминкышкылдары бар нәруыздағы бір ғана аминқышқылдың өзгеруінен нәруыз қалыпты қызмет істей алмай қалады. Ем қонбайтын, тұқым қуалап өлтіретін «орақ тәрізді жасушалы анемия» ауруы бар. Науқас адамдардың эритроциттері дөңгелек болмай, орақ тәрізді, жіңішке ай түрінде болып келеді Бұл кезде ағза созылмалы оттектік тапшылыққа душар болады да өледі, өйткені орақ тәрізді эритроциттер гемоглобині оттегін жеткілікті мөлшерде қосып ала алмайды. Бұл ауру гемоглобиндегі бір ғана аминқышқылдың алмасуынан туындайды. Яғни орақ тәрізді жасушалы анемиядан азап шекпеген барлық қалыпты адамдардың гемоглобиніндегі аминқышқылдар қалыпты ретпен орналасады. Тек қана науқас адамдарда бар болғаны бір аминқышқылы басқа аминқышқылымен орын ауыстырады. Бұл тек қана бір нәруыздың - гемоглобиннің кызметші өзгертіп қоймайды, сонымен бірге жасушалардың - эритроциттердің құрылысын және мөлшерін өзгертеді.

Орақ тәрізді жасушалық анемия мысалынан кергеніміздей, өз кызметін атқара алатындай барлық нәруыздар  ағзаның тіршілік ете алуына өте  қажетті құрылысты болуы керек. Нәруыз молекуласының құрылысы және құрылымы аминкышкылдың құрылысына тәуелді. Тұқымқуалау ақпараты дегеніміз - бұл ДНҚ-дағы аминқышқылдар ретін  жазу. Бір нәруыз аминқышқылдарының  реті жазылған ДНҚ молекулаларының  үлескісі ген деп аталады. Генетикалық код дегеніміз - бұл ДНҚ нуклеотидтерінің көмегімен нәруыздар туралы тұқымқуалау ақпараттарын жазу амалы.

Генетикалық код. Белок мономерлерінің - аминкышкылдардың сан алуан 20 түрлері болатынын еске түсірейік. Ал ДНҚ-дағы нуклеотидтердің түрі 4-еу-ақ олар: аденин, гуанин, тимин және цитозин нуклеотидтері. Аминқышқылдардың 20 типінен тұратын нәруыздарды, бар-жоғы 4 типтен тұратын нуклеотидтерді сонда ДНҚ «жазып», «шифрлау» қалай іске асады? Бір нуклеотидтің бір аминкышқылын кодтай алмайтыны түсінікті. Ондай жағдайда олар бар болғаны аминкышкылдардың төрт типіне ғана жетеді ғой. Сонда калған 16 тип қалай кодталады? Ал егер бір аминқышкыл екі-екіден кодтайды десек, қалай болады? Онда біз он алты құрама аламыз: 4²=16.

Қажет етсеңдер, барлық нұсқаларды байқап көрейік: АА, ТГ, ГГ, ЦЦ, АТ, АГ, АЦ, ТА, ТГ, ТЦ, ЦА, ЦГ, ЦТ, ГА, ГТ. Демек, кем дегенде 3-үштен нуклеотид алу қажет. Сонда  кұрамалану саны алпыс төртті кұрайды: 4³=64. Біздің ғаламшарда генетикалық код «триплетті». Бұл ДНҚ-ның әрбір 3 нуклеотиді бір аминқышқылын кодтайды дегенді білдіре ме? Алайда олай деуге мүлде болмайды. Егер олар SТОР (тоқта) - кідіртпе белгісінде кодтамаса да, ДНҚ-ның әрбір үш нуклеотиді бір аминқышқылды кодтай алады.

Адамда бар болғаны 46 хромосома (жалғыз жинақта 23), ал нәруыздар әлдеқайда  көп. Демек бір хромосомада - ДНҚ  молекуласында өте көп нәруыз шифрланған. Гендер хромосомада бірінен  соң, бірі орналасқан. Енді жасуша бір  нәруыз кодынын, қайда аяқталып, екінші кодтың, басталуын калай біледі? деген сұрақ туындайды. Бір геннен екінші генді не бөледі? Егер ДНҚ-дағы гендер бірінен соң бірі орналасады деп жорамалдасақ гемоглобиннің соңғы аминқышқылын инсулиннің бірінші аминқышқылына қосу үшін рибосома қалай саралап алады? Ол үшін арнайы триплеттері болады екен. Оларды «кідіртпе-кодондар» немесе «тыныс белгілері» деп атайды. Олар бір нәруыздың соңына сәйкес екіншісінің басын белгілейді. Мұндай триплеттердің үшеуі ғана: АТТ, АТЦ, АЦТ бар. Олар аминқышқылдарды кодталмайды. Қалған триплеттердің барлығы аминқышқылдарды кодпен жазады, сол үшін оларды маңызды триплеттер деп атайды. 64 генетикалық кодтың үшеуі кідіртпе-кодондар, ал қалған 61-і маңызды триплеттер.

Біздің ғаламшардың тірі жасушыларындағы  нәуыздар тек қана кідіртпе-кодондар арқылы кодпен жазылған. Бір нәруыздар коды екіншінің орталығынан басталып үшіншінің орталығында тоқтап қалуы жағдайы ешқашан болмайды. Генетикалық кодтың бұл қасиеті тоқталмайтын код деп аталады. Яғни гендер бірінен соң бірі өкшелей жүреді, олардың аралығында кідіртпе-кодондар болады, сөйтіп бірде-бір ген екіншісінен «жармаспайды». Дегенмен табиғатта мұндай құбылыстар кездеседі. Бірақ тек қана жасушаларда емес, вирустар да болады. Өйткені вирус – өте кішкене бөлшек, сондықтан оған «титтей» нуклейн қышқылы үнемі жеткілікті бола бермейді.

Сендер, сірә, маңызды типлеттер  санының 61 екенін 20 аминқышқылдар санынан үш еседен астам артық екенін байқаған боларсыңдар. Алайда мұнымен ештеңе істей алмайсыңдар. Егер гентикалық код триплетті болмаса, 20 аминқышқылдар құрамалауға (16) жетпеген болар еді. Шындығында аминқышқылдардың көпшілігі бір типлеттен гөрі артығырақ кодпен жазылады. Бар болғаны екі аминқышқыл – метеонин және триптофанда тек қана бір триплет бар. Гентикалық кодтың бұл қасиеті «азғындаушылық» деп аталады.

Генетикалық кодтың азғындаушылық ұғымына оны мағыналылығы қайшы келеді. Бұл қасиеттің мәні мынада: бір триплет бар, тек қана жалғыз аминқышқылдар кодпен жазылады. Егер мысалы, бұл триплет ААА болса, мұнда ол тек қана фенилаланин аминқышқылын кодпен жазады және ешқашан басқа ешқайсысын жазбайды. ААА бір рет бір аминқышқылын кодпен жазса, екіншіден басқасына және сол сияқтыларға кодпен жаза алмайды. Мұндай жағдайда шатасу пайда болады. Немесе жасушаға тағы да бір фенилаланинді емес, өзге кодпен жазатын басқа ААА-дан бір ААА фенилаланинді ажыратып алуға тура келер еді. Қателік жібермей және артық проблема туғызбау үшін жасушада бір мағыналы генетикалы код.

Генетикалық кодтың 1965 жылы (қ.§9) шифры толық ашылып оқылды. Біздің ғаламшардың барлық ағзаларында дәл сол бір триплеттер сол бір аминқышқылдарды кодпен жазады. Егер ААА триплеттер кездессе, ол кактустың да, бактерияларының да, пілдердің де, жасушаларында тек қана 1 аминқышқылы: фенилаланинде кодпен жазады. Генетикалық кодтың мұндай қасиеті «әмбебаптық» деп аталады.

Генетикалық негізгі қасиеттерін  жаттап алуға жәрдемдесетін көркемсөз  дерлік мынадай сөйлем бар: генетикалық код триплетті, әмбебапты және көлегейленбейді. 

Триплет, кодон, антикодон. Тұқымқуалау ақпаратын іске асыруда тек қана ДНҚ емес, сондай-ақ РНҚ да рөл атқаратыны естеріңде болар. ДНҚ-дан көшірмеленген тұқымқуалау ақпараты дәл а-РНҚ түрінде цитоплазмада рибосомаларға өтеді, ал ДНҚ ядрода қалады. Шын мәнінде а-РНҚ синтезі репликацияға ұқсас, айырмашылығы: барлық хромосома көшірмеленбейді, тек оның үлескісі көшірмеленеді және еншілес ДНҚ-мен бірге а-РНҚ-ның синтезі жүреді. Егер ДНҚ-да ГГГ триплеті тұрса, онда а-РНҚ-да үш нуклеотид ЦЦЦ тұрады. Кез келген РНҚ құрамында тимин жоқ екенін, оның орнында урацил болатынын ескеру қажет. Сондықтан, егер ДНҚ-да триплет ААА болса, онда а-РНҚ-да бірін-бірі толықтыратын триплет УУУ болады. ДНҚ-дағы үш нуклеотид триплет деп аталады; а-РНҚ-дағы солардың бірін-бірі толықтыратын үш нуклеотидті кодон дейді. Нәруыз синтезі кезінде амнқышқылдардың қажетті ретпен, тұқымқуалау ақпаратына сәйкес тұруының маңызы зор. Аминқышқылдарды нәруыз синтезінің орнына т-РНҚ жеткізеді. Аминқышқылдарға қосылған т-РНҚ молекулалары а-РНҚ-сы нуклеотидтерімен сутектік байланыстар пайда болатындай ретпен жайғасады. а-РНҚ кодонын толықтыратын т-РНҚ-дағы үш нуклеотид антикодон деп аталады. Яғни а-РНҚ-дағы кодон УУУ болса, онда т-РНҚ-дағы антикодон ААА болады. Шынында т-РНҚ-ның антикодондарының ДНҚ-дағы толықтыратын триплеттердегі сияқты азотты негіздері болады.

т-РНҚ-дағы және а-РНҚ-дағы бірін-бірі толықтыратын азотты негіздер арасында пайда болған сутекті байланыстар аминқышқылдардың қажетті тәртіпте жайғасуын қамтамассыз етеді. Сондықтан терминдер үйлесімділігін сызбанұсқа түрінде беру ойға қонымды:

ДНҚ=>а-РНҚ=>т-РНҚ=>нәруыз

Триплеттер=>кодон=>антикодон=>аминқышқыл

Сызбанұсқаны оңайлатып және аминқышқылды кодпен жазатын үш нуклеотидтің атуларын алып тастасақ, бұл сызбанұсқа молекулалық  биологияның орталық догма сызбанұсқасы сияқты болып көрінеді:

ДНҚ=>РНҚ=>нәруыз.

Нәруыз биосинтезі үдерістері туралы келесі параграфта егжей=>тегжейлі айтылады.

Н.К.Кольцов (1872-1940), биолог-ғалым цитогенетикалық зерттеулер жасап, биополимерлер синтезінің матрицалық ұстанымын қалыптастырды. Ол гендердің күрделі нәруыздық молекулалар болып табылатынын айтты.

§13. ДНҚ-ның екіеселену ерекшеліктері, оның тұқымқуалаушылықты сақтаудағы рөлі

Матрицалық үдерістер, олардың  жалпы сипаттамасы. Тірі жүйеде (жасушаларда және ағзаларда) заттардың түзілуі жалпы биозинтез деп аталады. Сендер ағзалық заттардың тым қарапайым құрамдас бөліктердерден: глицерин және карбон қышқылдарынан майлар, глюкозадан гликоген, аминқышқылдардан нәруыздар, нуклеотидтерден нуклейн қышқылдары түзілетінін бұрыннан білесіңдер. Бұл соңғы үшеуі үшін полимерлену реакциясы, яғни мономерлік буындарының нәтижесінде түзіледі. Нәуыздар аминқышқылдардың полимерлену нәтижесі, мұнда да су бөлінеді. Алайда нәруыздар және нуклейн қышқылдарының биосинтезі мамтрицалық қағида бойынша жүзеге асады. Жалпы матрица дегеніміз – кез келген мөлшерде көшірме алуға болатын зерзат.

Матрица сөзі (лат. matrix – жатын) бастапқыда полиграфияда қолданылды. Мәтіннің шығыңқы әріптері бар метал тақша матрица деп аталады. Оған баяу жағып, үстіне қағаз парағын жауып, біліктерге қысқанда көп мөлшерде көшірме беттер алында. Кітап басу ісінде мұндай амал бірнеше ғасырлар бо йы табысты қолданылды және кейбір түрлендірумен көптеген типографияларда қазірге дейін пайдалануда. Бәлкім, сендер құлыпқа арналған кілт көшірмесіне тапсырыс берген боларсыңдар. Көшірме істеген кілттің өзін де матрица деуге болады. Сондай-ақ үй-жайды безендіруге арналған арзанқолды ғаныштан жасалған оймабедерді көрген боларсындар. Олардың барлығы матрицалық амалмен дайындалады. Қатқыл негізге – метан немесе пластикалық тұғырға бейнесуретін дайындап, бұдан соң осы қалыпқа ғаныш құяды. Содан кейін ғаныштағы бейнесурет қалыпты, яғни матрицаны дәлме-дәл көшіреді, көшірмені бірнеше рет шексіз шығарып, пайдалануға болады. Сөйтіп, әрқашан ғаныштағы бейнесуреті металдағы бейнесуреттің дәлме-дәл көшірмесі болып шығады. Сайып келгенде, вафель пісіруге арналған металл қалып матрица қызметін атқаруға мысал бола алады, тек қана көшірме қамырдан алынатын болады. Қазір матрицаға синоним ретінде «ксерокс» сөзі алынуда. Ксерокөшірмелеу кезінде қағаз парағындағы бейне (мәтін) матрица болып есептеледі. Сонымен үдеріс матрица болып аталу үшін  матрица – көшіру үдерісін жүзеге асыратын негіз болуы қажет.

Репликация (көшірмелеу).

Матрицалық синтез реакциялары  мысалдарының бірі – репликация үдерісі – өздігінен көшірмелеу немесе ДНҚ-ның екіеселенуі. ДНҚ-ның жаңа молекулаларының синтезі кезінде ескі «аналық» молекулалар қызмет атқарады. Сендер жыныстық жасушалардан басқа адам жасушаларының барлығында 46 хромосома болатынын бұрыннан білесіндер. Жасушалардың барлығына дерлігі бөліну жолымен көбейе алады. Ми жасушалары – нейрондар, бұлшықет жасушалары – миоциттер және қан жасушалары адамдағы ерекшелік болып табылады. Түптеп келгенде кез келген көп жасушалы ағзаның өсуі оны құрайтын жасушаларының көбею арқылы қамтамасыз етіледі. Әрине, жасушасыз заттар да ағзада жиі болады, оған қан сарысуы мысал бола алады. Дегенмен біз негізінде жасушалардан тұрамыз және осы жасушалар санының артуы есебінде өсеміз. Жаңадан түзілетін жасушаларда – еншілес жасушаларда да 46 хромосомалар қатысады. Олар қайдан пайда болады? – деген сұрақ туындайды. Өйткені адам ағзасы хромосомаларды бір-ақ рет – аталықтың сперматозоиды аналықтың жұмыртқажасушасын ұрықтандырғанда алады. Сол кезде ұрықтың алғашқы жасушасы –зигота – 23 аталық хромосомалар және 23 аналық хромосомаларды алады. Ал бұдан кейін барлық келесі жасушалар құрамында аталық және аналық хромосомалардың көшірмесі болады. Бұл – репликация нәтижесі.

Хромосомалар жасушалары бөліне бастағаннан  көп бұрын өздігінен екі еселенеді. ДНҚ-ның екі еселену үдерісі молекулаларда химиялық байланыстың әр түрлі типтерінің болуына байланысты. Егер ДНҚ молекуласы қыздырса, онда ең алдымен сутектік байланыс бұзылады. Сөйтіп молекула екі жеке тізбекке бөлінеді, яғни бірін-бірі толықтыратын тізбектердің әр қайсысы екінші тізбекпен байланыспай, еркін болып шығады. Егер ДНҚ-ның 100°С-ге дейін қыздырса, бұл жағдайда оңай балқуға болады. Сонда сынауықтағы сұйықтықтың (ДНҚ) кисель тәріздес бола бастағаны (қойылануы) байқалады. Ғалымдар: «ДНҚ балқуда» дейді. Ал егер температураны жоғарлатпаса, онда ковалентті полярлық байланыс сақталып, осы сынауықтаға ДНҚ-ның барлығы жалғызданған тізбектерден тұратын болады. Сонымен бірге құрамында тимин және аденині көп ДНҚ тезірек балқиды, өйткені оларды қос сутектік байланыс байланыстырады. Ал олардың беріктігі үштік сутектік байланыстан кемірек. Егер бұдан соң температураны төмендетсе, онда ДНҚ-ның ренатурациясы жүреді. Сутектік байланыстар қалпына келеді де, молекула қайтадан екі тізбекті болады. Химиялық жолмен жалғыздаған нуклеотидтерді бұзуға қарағанда, уақытша бір желілі ДНҚ жасау әлдеқайда оңа й. Егер ДНҚ-ның химиялық байланыстары туралы естеріңде болса, реплиция үдерісінің тетігі де сендерге түсінікті болады.

Репликация үдеріс құрамында аденин және тимині көп. ДНҚ қосшиыршықты молекуласының  бір шағын үлескісіндегі өрінің тарқатылуынан басталады. Бірін-бірі толықтыратын нуклеотидтер арасындағы сутектік байланыстар ферменттер әсерінен үзіледі. Біртіндеп сутектік байланыстармен байланыспаған, ДНҚ-ның жалғызданған тізбектерінен тұратын шағын үлескі түзіледі. Осы кезде іле-шала екі «еркін» бір желімді тізбекке репликацияның негізгі ферменті – ДНҚ – полимераза қосылады. Бұл фермент нуклеотидтердің жаңа «еншілес» тізбек қосылсын өршіткілейді, яғни полимеризация реакциясын жүзеге асырады. Мономерлер құрылысы топтамаларында кемістік жоқ. Жасуша алдын ала ядролық шырында нуклеотидтерді жинақтайды, олардан ДНҚ-ның еншілес молекулалары құралады. Енді бірін-бірі толықтыру қағидасы туралы еске түсірейік. А қарсысында – тек қана Т, ал Г қарсысында тек қана С тұра алатыны айқын екенін ескерсек, еншілес тізбектің бірін-бірі толықтыратын аналық тізбектің дәлме-дәл көшірмелей алатын болады. Қосшиыршықты өрімді тарқата бастаған ферменттер ДНҚ молекуласын бойлай, одан әрі жылжиды да оның соңынан жаңа тізбек синтездеп ДНҚ – полимераза жылжиды. Бұл үдеріс шындығында өте күрделі және оған өте көп ферменттер қатысады, алайда мектептік оқыту жүйесінде ол егжей-тегжейлі талқыланбайды. Репликация соңына қарай барлық хромосомалар (ДНҚ молекулалары) бірін-бірі дәлме-дәл көшірмелеп, екі данада жасуша ядросында болады. Бұл үдерісте ДНҚ-ның «аналық» немесе «ескі» тізбегі матрица болып табылады. Ал оның көшірмесі «жаңа» немесе «еншілес» тізбек.