Молекулалық биология

1892 ж орыс ботанигі Д.И.Ивановский мозайкалық ауруға шалдыққан темекілерден инфекциялық экстаркті бөліп оларды бактериялар өтпейтін сүзгіден өткізгенде экстракт өзінің инфекциялық күшін сақтап қалатынын тапты. 1898 жылы голландия  зерттеушісі Бейеринк сүзгіден өтіп кететін инфекциялық астамаға вирус (латынша у) деген жаңа атау ойлап шығарды. Барлық вирустар өзінің иелерінде тіршілік етеді. Осыған байланысты оларды 3 топқа бөлуге болады:

Вирустар клеткаға енуге қажетті және сонда ғана көбейетін ұйымдастыру деңгейі клеткаға дейінгі ірі элементтер ретінде қарастырылады. Олар өте ұсақ организмдер мөлшері 20-30 нм аралығында.Олар құрамындағы нуклеин қышқылдарының кездесуі бойынша ДНК-лық және РНК-лық вирустар болып бөлінеді.

Лекция 12

Хромосомалардағы ДНҚ-ның орамы және молекула аралық өзара әсерлер

Жоспары:

1.Ядро компоненттері.

2.Хроматин  құрылымы.Гетерохроматин және эухроматин 

3.Хроматин  құрылымындағы ДНҚ-ның ықшамдалуы.

4. Домендер ,молекулалардың өздігінен жинақталуы .

5.Белок-белоктық  өзара әрекеттестік. Олардың белок  мултимерлерінің өзіндік жиналу  үшін маңызы және молекулалық  құрылымы.

6.Геном белсенділігін  реттеу процесіндегі өзара әрекеттестік.

Лекция мәтіні:

Прокариоттың айырмашылығы эукариоттарда генетикалық материал толық қалыптасқан ядрода шоғырланған. Ядро 4 компоненттен тұрады.

1. Ядро қабықшасы және белоктың матрикс

2. Хромосомдар

3. Ядрошық

4. Ядрошырыны

Ядро қабықшасы екі мембранадан сыртқы және ішкі мембранадан және оның арасындағы 20-50 км келетін перинукляар кеңістігінен тұрады. Сыртқы ядролық мембрана цитоплазма жағынан көбінесе рибосомалармен қапталған немесе эндоплазмалық тор мембранасымен байланысты болып келеді. Ядролық мембрана ішкі жағынан жұқа белок табиғатты тақташалар мен байланысты. Ол тақташалар ядролық белоктың матрикстің құрамына кіреді. Ол матрикстің құрамына дро ішілік вмбриялық тор кіреді. Бұл құрылымдардың маңызы оларға хромосомдар бекініп тұрады. Үлкен макро молекулалары тасымалдау үшін ядро қабықшасында пора деп аталатын сыртқы және ішкі мембрана қабысып тұрған түзілімдер болады.

Хромосомдар клеткаларының генетикалық материалы болатын ДНК немесе белоктардан тұратын түзілімдер. Әрбір белоктардың түрдің белгілі бір хромосом жиынтығы болады. Мыс: адамның диплоидты  клеткасында 46 хромосомнан (22 аутосом немесе 2 жыныс) хромосомдары болады. Бөлінбей тұрған клетканың хромосомдарға тек бір молекула ДНК болады. ДНК молекуласы өте ұзын екі жақты спираль құрылысты. Комнуклатит жіпшесі. Хромосом белоктарының 60-80%-ті гистон деп аталатын белоктардан тұрады. Гистондар негіздік (аргенин валин және гидрофовты валин аланин амин қышқылы қалдықтарына бай белоктар. Осы амин қышқылы қалдықтары. ДНК-мен әрекеттеседі. Әрекеттесу нәтижесінде нуклеосомалар түзіледі. Нуклеосоманың негізі 8 белок молекуласынан тұратын октомер осы октомерді айнала ДНК молекуласы шамамен екі рет оралым жасайды, нәтижесінде нукласома түзіледі. Гистон октомеріне оратылған ДНК учаскесі 140 нуклеотид жұбынан тұрады. Оны кор ДНК деп аталады. Нуклеосомалар арасында 60 нукленотид жұбынан тұратын меккер учаскесі болады. ДНК молекуласы орташа есеппен 600 мың нуклеосома түзуге қатысады. Демек осындай ұйымдастыру деңгейінде хромосома моншақ тәрізді диаметрі 110 нмнуклясомалар жібі түрінде болады. ДНК молекуласымен салыстырғанда нуклясома жібі 6,2 есе қысқа болады. Интерфазалық ядромалар хромосома байқалмайды бұл кезде органйкалық хроматин түрінде болады Хроматиннің 2-түрі бар

1. Гетерохроматин күші кореденсоцияланған функцяналды белсенді емес храмасоманың кестелері.

2. Эухроматин функционалды белсенді, конденсацияланбаған хромасоманың ашық учаскелері. Гетерохроматин хромососма жинақталуының  2-ші деңгейі бұл кезде нулеосомадан  18 есе қысқа ал ДНК молекуласынан 6,2 ·18=100 яседей қысқа көлемде. хромасоманың ең шинақталған қилы митозды митапоза кезеңде баиқалады. мыс: бұл кезде адамның 46 хромосоманың шамалы ұзындығы 180 микрометр болады. Ал жайылғанда ДНК мололекуласының шамалы ұзындығы 190 см барлығы демек 100мың есе қысқа болып жинақталады. бірақ қандай қамыта жыйнақталды белгісіз.

Метафазалық хромосома  3 бөлімнен тұрады:

1.Центромера -орталық бөлігі.

2.Иықтары  центромераның 2 жағындағы бөлік.

3.Теломера иықтан шеткі учаскелер. Хромосомада қышқылдық емес белоктар  қышқылдық белоктарға қарағанда  аз мөлшерді кездеседі.бірақ олар  әрқилы алуан түрлі қызметтер  атқарады. атап айтқанда  органдар  құрылымдық қызмет немесе трансформация  репликация бір репарация ферменті  ретінде немесе реттеуші қызметтер  атқарады. Атап айтқанда олар:құрылымдық  қызмет немесе транскрипция, репликация  ферменттері ретінде  және реттеуші  қызметтер атқарады.

3.Ядрошық- Ядролардың ең тығыз  құрылымы. Көбінесе дөңгелек пішінді  келеді. Ядорда бір немесе бірнеше  ядрошық болуы мүмкін. Ядроның  хроматинін бөлек құрылым емес. Ол хроматиннің  туындысы. Ол  хромасомалардың бір – біріндегі  учаскесі ядрошықтың ұйымдастырушы  бөлігі деп аталады. Бұл бөлікте  РНК – ның гендерінің бірнеше  көшірмесі болады . Осы гендерде  р РНК бастамалыры синтезделеді. РРНК бастамаларынан рибасомалық  РНК – лар түзіліп, олар ядро  порасынан ішке кірген рибасомалық  белоктарды бойлап рибасомалық  бөліктер түзіледі. Сонымен ядрошықта  фибрилярлық компоненттер рРНК  бастамалары . р РНК  олардың ДНК  –ға гендері және рибасома  бөліктері болады. РРНК көп болғандықтан  ядрошық айқын базафильдлі болып  келеді . Ядрошықтардағы рибасома  бөліктері ядро қабықшаларындағы  органеллаларға жақындап олардан  өтіп тасымалданады.

4. Ядро шырыны – ядро ішіндегі  қоймалжың сұйық зат . Ол мұнда  өтетін көптеген процестерге  сұйық орта болып отырады. Ядро  шырынынң құрылымында мұнда көптеген  ферменттер болады.  

Полипептидтік тізбектердің оралуын бағыттайтын  негізгі  фактордың бірі- полярлық және полярлық емес бүйір топтардың орналасуы. Белок синтезі барысында оның көптеген  гидрофобты бүйір топтары белок глобуласының ішінде орналасуға тырысады. Олар сумен және басқа басқа полярлық топтардан әрекеттеседі. Полипептидтік тізбектегі амин қышқылдардың  кезектесу тәртібінде оның оралуына қажетті барлық ақпарат бар . Амин қышқылдардың барлық жеке өзара әсерлесуінің нәтижесінде белок молекуласы сломтомды түрде өзіне тән конформацияға әдетте жинақталған глобулярлы немесе ұзыннан созылған фибрилярлы құрылымға ие болады. Белоктардың өте кіші молекуланың өзі сансыз көп әдістермен орала алуға қабілетті болғанымен іс-жүзінде полипептидтік тізбектің оралуы бір-бірімен жүйемен жүреді. Алғашқы кезде бір-біріне жақын жатқан бөліктердің арасында сутектік байланыстар түзіледі. Бұл α спирал, немесе β қатпарлардың яғни белоктың 2-ші реттік құрылымның қалыптасуына әкеледі. Α спиралымен, β қатпарлардың кейбір комбинацияслары өте тұрақты болады. Мұндай құрылым ұйымдасудың жоғары деңгейіне жатады және олар олар белок домендері деп аталады.

Домен дегеніміз- бұл салыстырмалы түрде шағын глобулалық түзіліс оның ұзындығы 150 амин қышқылдарын немесе одан кем болатын полипептидтік тізбектің бөлігі болып табылдады. Глобулалық белоктар біо-бірімен полипептидтік тізбектердің салыстырмалы түрде әлсіз байланысқан бірнеше әртүрлі домендерден тұрады. Жеке глобулалық белактар әдетте белактық агрегаттар  түзеді. Клеткада эволюция процесінде гендердің дупликациясымен, модофикациясын қамтамасыз ететін генетикалық механизмдер болады. Егер қандайда бір 3 өлшемді конформациясы бар полипептидтік  тізбектерден тұратын және өзіне тән қасиеттері бар белок  пайда болса, онда оның негізгі құрылымы көптеген басқа белоктардың құрамына кіруі мүмкін. Қазіргі заманғы ағзаларда жақын қызметтерді атқаратын әртүрлі белоктардың амин қышқылдардың кезектесіп, орналасуына ұқсас болады. Мұндай белоктардың туыстары бастапқыдағы  жалғыз ата-тектік геннің дупликациялану  жолымен және эволюция процесінде атқаратын  қызметінің өзгеруіне  әкелетін мутациялардың жиналуынан түзіледі. Мысалы: протеолиттік ферменттер сериндік протеиназалардың туысы болып табылады. Бұл туысқа асқорыту ферменттері, химотрипсин, трипсин сондай-ақ қан ұюыту факторлары протеиназалар және тромбин жатады. Осы туысқа жататын кез-келген 2 ферментті салыстырғанда полипептидтік тізбектегі бірдей амин қышқылдардың орналасуы шамамен 40%жағдайда сәйкес келеді. Бірақ әртүрлі сериндік протеиназа атқаратын қызметтері әралуан түрлілігін осымен түсіндіруге болады. Сондықтан клеткаларда структуралық жағынан жақын ортақ ата- тектерден тараған бірақ атқаратын қызметтері әртүрлі ақуыздар көп.

Жаңа белоктар көбінесе әртүрлі полипептидтік домендердің бірігуінен түзіледі. Егерде клеткада бір қатар тұрақты белок беттері болса,и онда жаңа қасиеттер бар беттер 2 және одан жеке көп жеке белоктардың ковалентті  емес әрекеттесулері  нәтижесінде түзіле алады. . 1 белоктардың 2-ші белоктардан әрекеттесуі н,әтижесінде әртүрлі бірнеше әсерлесу беттері түзіледі. Клеткға глобуланың белоктардың ірі функционалдық белорктардың агрегатардың бірігуі тән көптеген белоктың агрегаттардың молекулаларын  массасы 1,0-50 мың Дальтон болды. Белок домендердің жаңа байланыстыру орталықтарын түзе отырып , ассоциациялау принспі клеткалардың структуралық түзілуіндеде де жұмыс істейді. Мысалы: молекула үстілік структуралар (ферменттік комплекстер, рибосомалар, ақуызды талшықтар, вирустар, мембраналар)тұтас ірі молекула күйінде синтезделмейді. Олар макромолекулалық суббектілердің ковалентті емес агрегациясы нәтижесінде түзіледі. Мұның өзіндік артықшылықтары бар:

1. Үлкен структураны түзетін бірнеше рет қайталанатын кішкене суббірлікке аз генетикалық информация қажет.

2. Суббірліктер бір-бірімен әлсіз байланыстар қосылғандықтан, олардың жиналуы мен диссосациациясын оңай бақылауға болады.

3. Суббірліктерден жиналу кеткен қателерді жинауға мүмкіндік береді.

Алғаш рет өздігінен жиналу темекі теңбілі вирусында анықталған.

  Екінші мысал макромолекулалық  агрегатқа – бактериялардың рибасомасы  жатады.

Бактериялардың рибосомасы 55 әртүрлі белок малекулаларынан және 3 әртүрлі рРНК –дан тұрады. Олар диссосациацияланады және қайтадан жинала алады. Жиналу белгілі бір ретпен жүреді. РНК-ға алдымен белгілі бір белоктар, кейін басқалары бірігеді. Содан соң басқа белок түзілген комплексті танып оған бірігеді.

Бірақ, қазірге дейін кейбір күрделі, өздігінен жиналатын агрегеаттардың түзілуінің реттелуі қалай жүретіні белгілі емес. Кейбір күрделі органнелалардың құралуына қажет информация оның өзінің структурасында болады.Мысалы,митохондрия мен Голджи аппаратының молекулалық компоненттері әдетте алдыңғы структураға сәйкес біртіндеп қалыптасады. Белгілі бір органеллаларға тән жаңадан синтезделген молекуланы арнайы тану механизмі болады, себебі бұл органеллалар өздігінен жигалып, өздігіне ыдырап кете алмайды.

Жоғары сатыдағы организмдердегі гендер белсенділігінің реттелу мәселесі мал-шаруашылығында да, медицина саласында да зор маңызы бар. Егер бұл мәселе игерілсе, онда жеке дамуды қолдан саналы түрде реттеп, керек бағытта жүргізуге болар еді. Эукариоттарда реттелу механизмдері өте күрделі және өте нашар зерттелген. Бүл олардың организмі мен тканьдер клеткаларының әр түрлі күрделі жіктелуімен байланысты. Организмнің барлық клеткаларында белсенділік көрсететін гендер анықталған. Олар жалпы барлық клеткалык жуйе үйымдастыруға жауапты. Кейбір гендердің жұмысы мамандандырылған тканьдерде ғана көрінеді, мысалы, бұлшық еттегі миозиннің синтезін бақылаушы гендер гемоглобин синтезі, шаш кератині т.с.с. Бұл, эукариоттарда генді реттеу механизмінің барлығын растайды. Мүмкін оларда прокариоттардағыдай белок синтезінің реттелуінің қолданылуы, онымен қоса осы организмдерге тән басқа реттеуші процестер болар.

Кейбір зерттеулердің нәтижесі эукариоттар опероны жүйелік гендер мен олардың белсенділігін басқаратын реттеуші гендерден тұрады деп жобалауға мүмкіншілік береді. Мысалы, дрозофиланың Х-хромосомасындағы уайт локусын зерттеу оның құрылымдық және реттеуші бөліктерден тұратынын көрсетті. Уайт генінің мутациясы көз пигментінің құрылуын зақымдайды. Сондықтан мутанттардың көзі қызыл-қоңыр емес ашық-сары немесе ақ болады, бүл мутация нәтижесінде осы локуста қандай аллель пайда болуына байланысты. Егер уайт локусының оң бөлігі мутацияланса,       онда       көз       пигменттері       біржола синтезделмейді. Егер хромосомалық қайта құрылу арқылы осы мутацияның кесірінен бүлінген оң бөлігін, сау сол бөлігінен бөліп алып, қалыпты қызмет атқаратын реттелуші басқа локусқа (Х-хромосомада немесе аутосомада) ауыстырса, кейде көз пигментінің синтезі орнына келеді. Бүл деректер уайт локусының оң бөлігінің реттеуші ролін орындайтынын корсетеді. Осы локустың сол бөлігінің мутациясы оны жиі тежеп көз пигментінің белгілі бір мөлшерінің пайда болуына әсер етеді. Уайт локусының мутациясы сол бөлігін геномның басқа жеріне орналастырса, мутантты фенотип қалпына келмейді. Осы зерттеуде алынған деректер уайт локусының сол бөлігі оперонның жүйелік қызметін атқарады деген болжам жасауға мүмкіндік береді. Басқа да жекелеген гендер белсенділігінің реттелу мысалдары бар, бірак, эукари-оттарда олардың механизмдері толық анықталмаған.

Эукариоттардың ядросында, бүтін хромосомада немесе оның басым бөлігінде бір мезгілде ген белсенділігін тобы-мен тежеу болуы мумкін. Болжам бойынша гендердің ондай репрессиясы көбінде эукариоттар хромосомаларының қура-мындағы  гистондармен  -  негізгі  белоктармен жасалуы мүмкін. Гендердің белсенділігінің топтық түрде реттелуіне жануарлардың спермиогенезі кезіндегі транскрипцияның толық тоқталуы мысал болады. Мұндай спермия түзілердегі барлық геннің тежелуі және эмбриогенездегі тоқырауы хромосомадағы белок құрамының өзгеруіне байланысты деп есептелінеді.

Гендер    белсенділігінің    топталып    тежеліп    қалуы сүтқоректілердің аналықтарының жеке дамуында бір А-хромосомасында байқалады. Ұрғашы малда екі  хромосома, ал еркектерде біреу ғана болады. Демек, ұрғашылардың жыныс хромосомаларында гендер екі есе көп болады, олардың бақылауымен белоктар екі есе көп синтезделуі тиіс. Сондықтан әр түрлі өкілдердің тек қана жыныстык, жағынан емес, осы жыныс хромосомасындағы гендер анықтайтын белгілерден де айырмашылығы болар еді. Осы гендердің әрекетін реттеу, еркек пен ұрғашы жыныстардағы белоктар синтезін теңестіру хромосома деңгейінде жүреді. Олардың У-хромосомаларындағы гендер ерте эмбриондық кезеңінде ғана белсенділік көрсетеді. Ол кезде организмнің ұргашы жынысқа қарай жіктелу жолы ашылады. Кейін гомогаметалы жыныстьщ белгілі бір сатысынан бастап, олардың сома-ық клеткасында ЛГ-хромосоманың біреуі толык гетерохро-матизацияланып,  оның  гендері транскрипцияланбайды. Осының нәтижесінде гомогаметалык жыныстық фенотиптік