Молекулалық биология

1 Молекулалық биология тіршілікті, өмірдің негізгі қасиеттері мен көріністерін Молекулалық деңгейде зерттейді. Молекулалық биологияның негізгі бағыттарына клетканың генетикалық аппаратының құрылымдық-қызметтік ұйымдастырылуын зерттеу,тұқым қуалаушылық ақпараттың жүзеге асу механизмдерін зерттеу(молекулалық генетика) вирустардың клеткалармен қарым қатынасын әрекеттесуін зерттеу(молекулалық вирусология) организмнің иммундық реакцияларының заңдылықтарын зерттеу(молекулалық иммунология)организмнің жеке даму барысында клеткалардың әртүрлі сапалық өзгерістерге ұшырауы мен мамандану заңдылықтарын зерттеу(дамудың молекулалық биологиясы ) т.б. бағыттар жатады. Молекулалық биологияның негізгі зерттеу обектілеріне вирустар, (бактериофаг) клеткалар мен субклеткалық құрылымдар (ядро, митахондрия, рибосома,хромосома,клеткалық мембрана) және макромолекулалар белоктар мен нуклеин қышқылдары жатады.

Молекулалық биологияның қалыптасуына клаcсикалық генетиканың, микробиологияның,вирусологияның идеялары мен әдістері, нақты ғылымдар: физика, химия, математика, кристалография(әсіресе рентген құрылымдық анализ)жетістіктерін пайдалану үлкен роль атқарды

Молекулалық биологияның    жетістіктеріне мыналар жатады.

А) кейбір белоктардың құрылымын анықтап, оны атқаратын қызметімен байланыстыру.(М.Перутц.Дж Кендрю, Ф.Сенгер,К.Анфинсен).

Б) Нуклеин қышқылдары мен рибосомалардың құрылымы мен биологиялық қызметін анықтау(Дж Уотсон.Ф.Крик,Р.Холли т.б.)

В) Генетикалық кодтың шифрын анықтау (М.Ниренберг,С. Очоа)

Г) Кері транскриптазаның ашылуы(Х.Темин, Д.Балтимор) .

Д) Белок және нуклеин қышқылы молекулаларының биосинтезі механизмдерінің негізгі кезеңдерін анықтау.( Ф.Жакоб,Ж.Моно, А.Корнберг).

Е) Вирустардың құрылымын және репликация механизмдерін анықтау, генетикалық инженерия әдістерін жасақтау ( П.Берг,В. Арбер,Г.О.Смит, Д. Натонс).

Ж) Ген синтезі (Х.Корона).

Кеңес одағы ғалымдары молекулалық биологияға сүбелі үлес қосты. Мысалы Н.К. Кольцов биополимерлердің матрицалық синтезі принциптерін негіздеді.

В.А.Энгельгард биоэнергетика мен механохимияның негіздерін қалады.

А.А Зильбер қатерлі ісіктің туындауын вирусогенетикалық теориясын тұжырымдады А.А Баев РНК дағы нуклеотидтер кезектілігін анықтады.А.С. Спирин информосомаларды ашып зерттесе оның шәкірті  қазақ ғалымы Айтқожин өсімдіктердегі информосаларды  ашты.

Молекулалық биологияның практикалық және теориялық маңызы өте үлкен .

Шырышты қабығы жоқ вирулентті емес бактериялар мутация арқылы пайда болады. Олар қоректік ортада кедір-бұдыр колонналар (к- штамм) түзеді. Тышқандарға осындай бактерияларды енгізсе, онда олар фагоцитоз нәтижесінде бактериялық клеткаларды жойып, тірі қалады.

Бірақ   вирулентті   s-бактерияларымен   инъекцияланған тышқандар өкпесінің қабынуынан өледі, өйткені бұл бактериялардың сыртын өздері сиптездейтін шырышты   қабық жабады. Ал, алдын ала қыздыру арқылы өлтірілген s-бактериясымен (шырышты қабығынан айырылған) инъекцияланғаи тышқандар да тірі қалады.

Ф. Гриффитс тышқандарға пневмококтың к-штамын және қыздыру арқылы капсуласынан айырылған s -штамын бірге инъекциялайды. Бұл арада, күткен нәтиженің— тышқандардың тірі қалуының орнына, олардың барлығы өліп қалды. Пневмониядан өлген тышқандардан шырышты қабығы бар  s -вирулентті штамм бөлініп алынды. Демек,  s -штамының вируленттік қасиетін анықтайтын зат к-штамына өтетіні анық болды. Осыдан келіп, Гриффитс вирулентті емес s –штамм, вирулентті штамға ауыса (тран-сформациялана) алады деген қорытынды жасады. Құбылыстың өзі трансформация деп, ал бактерияның қасиетін өзгертетін зат — трансформациялаушы фактор деп аталады.

Көп жылдар бойы трансформациялаушы фактор және оның субстанциясы жұмбақ болып келді. Тек 1944 ж. американ бактериологтары О. Эвери, К. Мак-Леод және М. Мак-Карти трансформациялаушы фактор яғни тұқым қуалау қасиетін өзгерте алатын зат — ДНҚ екендігін атап көрсетті. Олар өсіп жатқан к-бактериялар себіндісіне (культурасына) s--штамнан тазартылып алынған ДНҚ қосылса, кейбір к-бактериялар полисахаридті қабық түзетінін байқады  Кейін Эвери және оның қызметкерлері трансформациялаушы фактор тек дезоксирибонуклеаза ферментінің әсерінен жойылатынын нақты деректерімен көрсетті, ал бұл ферменттің тек ДНҚ молекуласын ғана ажырататыны бұрыннан белгілі болатын.

Сонымен О. Эвери өз қызметкерлерімеи бірге бактериялардың жаңа қасиеті ДНҚ-ға байланысты, яғни, тірі организмде генетикалық информацияға ДНҚ жауапты деген қорытындыға келді. Бірақ олар ашқан жаңалықтың іргелі мән-мағынасы әр түрлі себептермен өз уакытында бағаланбады. Біріншіден, ДНҚ-ны химиялық құрылымы айқын емес еді: ДНҚ — химиялық тұрғыдан   жеткілікті түрде күрделі   ұйымдастырылмаған  қосылыс, сондықтан да ол өсімдіктер мел жануарлардың өсуіне қажет орасан көп информацияны өзіне сақтай алмайды, екіншіден, белоктың құрылысы өте күрделі, сондықтан да   болар, сол кезде гендер белоктан   тұрады деген пікір қалыптасқан еді. Ақырында, бактерия мен жоғары сатыдағы организмдердіц генетикалық информациясының жалпы   принциптері бірдей деп қаралмады. Осыған байланысты бактерияларда тұқым қуалайтып зат — ДНҚ, ал жануарлар   мен  өсімдіктерде басқа зат болар деген жорамал айтылды.

Тұқым қуалауда ДНҚ-ның басты роль атқаратынын  1952 ж. А. Херши мен М. Чейз бұлтартпай дәлелдеп берді. Олар тәжірибені Т2 бактериофагына жүргізді. Бұл вирус ДНҚ-дан және белок қабығынан тұрады. Фагтың белокты қабығы радиоактивті күкіртпен (S35), ал ДНҚ-сы радиоактивті фосформен (Р32) белгіленді. Бактерияны радиоактивті элементтермен белгіленген фагтармен жұқтырғанда фосфордың клеткаға енгені, ал күкірт оның сыртында қалғаны байқалды. Бактерия клеткаларыпда көптеген жаңа, пісіп жетілген фагтар пайда болды  Бұдан бактерияға фаг ДНҚ-сы өтеді, жаңадан түзілгеп фагтардың барлық қасиеттері ДНҚ-ның бақылауында болады деген қорытынды жасауға болады.

Сол кездерде бұл құпияны — ДНҚ құрылымын шешу — ғалымдар арасында қызу бәсеке тудырды. Алайда ДНҚ құрылымының кеңістіктегі моделін бірінші болып 1953 ж. Дж. Уотсон мен Ф. Крик ұсынды.

1952 жылы Р. Франклин және М. Уилкинс  ДНҚ-ның жоғарғы сапалы рентгенограммасын  түсірді.

Осы рентгенструктуралық талдаудың және ДНҚ-ның химиялық құрамын біле отырып, 1953 жылы Д. Уотсон жөне Ф. Крик оның молекулалық моделін құрастырды. Бүл биология тарихындағы ең үлкен жаңалықтың бірі болып табылады. Ол аденин мен тиминнің, гуанин мен цитозиннің бір-бірімен байланысы химияның заңдылығына еш қайшы келмейтінін анықтады. Мұндай модель Чаргаффтың зандылығына сай келді.

  Модель бойынша ДНҚ молекуласы  қос тізбектерден құрылған. Оралмаға  оралған екі тізбек бір-бірімен  азотты негіздер арасында пайда  болатын сутекті байланыстар  арқылы жалғасады. Әдетте бір  тізбектегі аденинге екі сутекті  байланыс арқылы екінші тізбекте  әрқашанда тимин, гуанинге цитозин  сәйкес келеді (А-Т, Г-Ц). Осындай бір-бірін  толықтыра алатын, яғни өзара  сәйкес келетін тізбектер комплементарлы деп аталады.  Оралмадағы әрбір пурин не пиримидин негізі дезоксирибозамен байланысып, нуклеозида құрайды. Нуклеозидалар бір-бірімен фосфодиэфир байланысы арқылы қосылады. Табиғи ДНҚ-да фосфодиэфир байланысы дезоксирибозаның үшінші және бесінші көміртектері арасында пайда болады, сол себептен ол 3'—5' байланысы деп аталады. ДНҚ тізбектері бір-бірімен антипараллелъді: қос спиральдің өсі б-йымен ойша бағыт алсақ, онда біз 3'—5' нуклеотидаралық байланыстан 5'—3' байланысына қарай өтеміз яғни тізбектіц бағыты қарама-қарсы

ДНҚ оралма өсінің айналасында әрбір негіз жұбы келесі негіздер жұбына 36°-қа айналған. Сонда негіздердің 10 жұбы 360°-қа толық айнальш жатады. Қос оралма диаметрі шамамен 20 нанометрге тең (1 нм-10~9 м). ДНҚ-ның оралмасында науашықтар бар: кіші (екі 12А°-ге жуық) және үлкен (екі 22 А°-ге жуық). ДНҚ-ның қос оралмасы оң жақты: оралма өсін бойлап қараса, оның айналымы сағат тілінің жолына сәйкес келеді. ДНҚ-ның осындай стандартты Уотсон-Крик моделі В — форма деп аталады. Полинуклеотидтің кристалдарын (олигопуклеотид деп аталынатын қысқа тізбектер рентгенограммалары) зерттеу нәтижесінде оң жақ ДНҚ-ның басқа түрлері (А және С — формалар) және сол жаққа айналған формаларының бар екендігі анықталды.

X. Резерфордтың  атомның құрылысын ашуы адамзатқа  шексіз энергия көзін берсе, Уотсон-Крик  және Уилкинстердің ДНҚ-ның құрылысын  ашуы организмге жаңа қасиет  бере алатын ген инженериясының  әдісін ашты.

2

1953 жылы Д. Уотсон және Ф. Крик  ДНҚ-ның молекулалық моделін құрастырды.

Моделді анализдеу нәтижесінде қос спиральды тарқату нәтижесінде түзілген екі әрбір полинуклеотидтік тізбекке комплементарлы жаңа тізбек түзілу нәтижесінде бастапқы ДНҚ-дан айнымайтын екі ДНҚ молекуласы түзіле алатындығы мәлім  болды.5-жылдан кейін  М. Мезельсон мен Ф. Сталь эксперимент жүзінде бұл механизмді дәлелдеді. Ал біршама ертерек (1956) А. Корнберг  ДНК-полимераза ферментін ашты.Бұл фермент ажыраған ДНҚ тізбектерінде матрицадағыдай оларға комплементарлы жаңа тізбектер синтездейді ,  ДНК-ның генетикалық ролінің ашылуы екінші бір үлкен іргелі мәселе –нуклеотидтің мәтін белоктардың құрылымдық бірлігі амин қышқылдары тіліне аударылу ,яғни генетикалық кодтің тілін шешу мәселесін алға қойды  Ең алғаш бұл мәселенің мәнін 1950 жылдары Г. Гамов қоя білді ,ол генетикалық код үш әріпті және жаба алмайтын болуы тиіс деп көрегендік жасады  Экспериментальды түрде генетикалық кодтың жалпы қасиеттерін Ф. Криком, С. Бреннер әріптестерімен 1950 жылдар аяғында 1960жылдар басында анықтады. Бұл кезде жалпылама түрде РНК-лардың қызметтері мен құрылымдық ұйымдасуының принциптері анықталып,рибосомалар мен РНК.-лар: рибосомалық РНК (рРНК), транспортық РНК  (тРНК)  және де ,ақырында,  информациалық (немесе «мессенджер», мРНК) ашылған болатын.Сонымен бірге бұл барлық РНК-лар генетикалық ақпараттың ДНК-дан белоктарға өткендегі аралық звено болып табылатындығы белгілі болды.   Полипептид тізбектерінің  биосинтезі   рибосомаларда жүріп, ДНК-дан мРНК түрінде көшірілген генетикалық ақпарат тРНК көмегімен трансляцияланатыны белгілі болды.

1959—1961 жылдары. П. Доти, А. С. Спирин әріптестерімен  барлық клеткалық РНК-лардың екінші реттік құрылымы болатын қысқа учаскелермен кезектесіп отыратын бірінші реттік құрылымды түзілімдер екендігін анықтады. Кейінірек  Дж. Уотсон, А. С. Спирин және М. Номура лабораторияларында   рибосомалардың құрылымдық ұйымдастырылу принципциптері анықталды.

1960  жылы бірден бірнеше лабораторияларда  ДНК-матрицада РНК синтезін жүргізетін  РНК-полимераза ферменті ашылды. Сөйтіп 1950 жылдардың ортасында айтылған Ф. Криктің ДНКдан  белокқа генетикалық ақпараттың РНК арқылы берілетіндігі туралы идеясы (ДНК — РНК — белок) толығымен дәлелденді

1961 —1966 жылдары М. Ниренберг, С. Очоа және  Г.  Корана лабораторияларының біріктіре күш салуымен аминқышқылдық генетикалық код толығымен шешілді.

Транскрипция мен трансляция жүйелерінің негізгі компоненттерінің ашылуы осы процестердің реттелу механизмдерін зерттеуде маңызды стимул болды. 1961 жылы. Ф. Жакоб пен Ж. Моно белок синтезінің транскрипция деңгейінде реттеуші белоктар арқылы реттелуінің схемасын ұсынды, ал 1966 г. У. Гилберт пен Б. Мюллер-Хилл тұңғыш рет осындай белокты бөліп алды Сонымен қатар РНК-полимеразаның өзі гендік белсенділіктің реттеушісі екендігі анықталды  (Р. Б. Хесин, 1962—1966). Бұл жұмыстар генетикалық элементтердің негізгі реттеушілері  транскрипция промоторлары мен терминаторлары болатындығын дәлелдеді.

1960-шы жылдардың ортасында РНК-ның  нуклеотидтік кезектілігін анықтау  жұмыстары басталды.Бірінші болып  т РНК-ның бірінші реттік құрылымы  анықталды. (Р. Холли және әріптестері., 1965; А. А. Баев және әріптестері., 1967). Нуклеин қышқылдарының фрагменттерін  фракциалау, бірінші кезекте гель-электрофорез (Ф. Сэнгер және әріптестері.) техникасының  дамуы 1970- ші жылдардың ортасында  жоғары молекулалы РНК-лардың  бірінші реттік құрылымын анықтауға  кірісуге мүмкіндік берді.  1976—1978 жылдары ДНК мен РНК-ны секвенирлеудің  өте жылдам және  эффективті  әдістері ашылып (А. Максам и У. Гилберт, Ф. Сэнгер және әріптестері.), бұл әдістерді қолдану қысқа  уақыт ішінде гендердің ,реттеуші  элементтердің, вирустық және рибосомалық РНК т.б. бірінші реттік құрылымы жөнінде орасан мол ақпаратты алуға мүмкіндік берді.

  Осы жылдары молекулалық биологияның  орталық догмасы қалыптасты,яғни  генетикалық ақпарат ДНК —  РНК — белок бағытында жүзеге  асады ,маңызды матрицалық процестер  негізінен үш процесс репликация,транскрипция  және трансляция болып табылады  деген ғылыми көзқарас қалыптасты.

1973 жылы бір мезгілде   А. Рич  пен А. Клут лабораторияларында  рентгенқұрылымдық анализ әдісін  қолдану арқасында тРНК-ның кеңістіктік  құрылымы ашылды.  Осы жылдары  эукариоттық  хромосомалардың негізгі  структуралық  элементі— нуклеосома  — ашылып оны зерттеу әдістері  жасақталды.

1970 жылы. Г. Темин  мен Д. Балтимор  онкогенді вирустарда РНК-ға тәуелдіДНК-полимераза ферментін ашып , принципті түрде генетикалық ақпараттың РНК-дан  ДНК-ға бағытталу мүмкіндігін көрсетті.Бұл молекулалық биологияның орталық догмасының канондарын бұзды.