Днқ репликациялануы

   1953 жылы Дж. Уотсон және Ф. Крик ұсынған ДНҚ құрылымының үлгісі (моделі) генетикалық хабардың кодын (шартты қысқарту), мутациялық өзгергіштіктің және гендердің көшірмесінің (ДНҚ молекуласының бөліктері) алынуын түсінуге мүмкіншілік берді. 1957 жылы М. Мезельсон мен Ф. Сталь, Дж. Уотсон және Ф. Криктің бактериялық клеткадағы ДНҚ-ның жартылай консервативті түрде екі еселенуі (репликация) жөніндегі көзқарасын дәлелдеді.

  Ал Г. Стент ДНҚ-ның екі еселенуінің үш түрін ұсынды: 1) консервативтік (лат. "консервативус" - сақтаушы, негізгі қалпын сақтау) еселенуде ұрпақтың ДНҚ-ларда аналық ДНҚ-ның материалы болмайды; 2) жартылай консервативтік түрінде ДНҚ-ның жаңа молекуласының бір тізбегі аналық ДНҚ-дан болса, екіншісі - жаңадан құрылған тізбек; 3) дисперсиялық (лат. "дисперсис" - шашырау, бытыраңқы) түрінде аналық ДНҚ-ның материалы кездейсоқ шашырап жаңа ДНҚ молекуласында орын алады.

   М. Мезельсон мен Ф. Стальдың зерттеулері осы үшеуінің ішінен ДНҚ-ның жартылай консервативті екі еселену түрін таңдап алуға көмектесті. ДНҚ екі еселенуінің жартылай консервативті жолмен жүруін дәлелдеу Дж. Уотсон мен Ф. Криктің жасаған ДНҚ молекуласының үлгісінің дұрыстығының айғағы болды. Сонымен, ДНҚ-ның еселенуі оның тізбектерінің ажырауынан басталады дедік. Ол тізбектерді геликаза (хеликс - спираль) - дезоксирибонуклеаза ферменттері - ДНҚ молекуласының бойымен екі бағытта жоғары және төмен ажыратады. Нуклеотидтер жұптарымен ДНҚ-ның шиыршықты тізбегінің арасындағы сутегінің байланыстары молекуланың бір жақ шетінде бірте-бірте үзіле бастайды және (ДНҚ) тізбектердің екеуі де бірінен бірі босай отырып, жазылады. Осылайша жазылған тізбек, өзінің қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдықтары арасында байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаған ортадан клеткада жинақталған бос нуклеотидтер бар, олар ДНҚ-ның жазылған тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ әр қосылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклеотид қана жуықтап, жалғаса алады. Бұл жазылған тізбекке басқа, ДНҚ-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі молекуласы пайда болады. Олардың әрқайсысында қайтадан жинақталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен туынды молекулалар ДНҚ-ның аналық молекуласына мейлінше ұқсас келеді. Мұнда генетикалық материалдың құрамы да сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жасала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНҚ тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі жаңа тізбекті праймаза (РНҚ - полимераза) ферменті ғана бастай алады. Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ - полимераза-3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагменттерін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ - полимераза - 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНҚ тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНҚ - лигаза" деген ферментке келеді. Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп иуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНҚ полимераза-2" ферменті көптеген ферменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің нуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексерді. Егер кандай да бір нуклеотид өз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды.

   Осындай әр түрлі қызмет атқаратын ферменттердің үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық белгінің ДНҚ арқылы ұрпақтарға дұрыс өсірілуін қамтамасыз етеді. Міне, геннің еселенуі немесе репликация дегеніміз осы.[4]

3.1 ДНК репликациясы.

   Кез келген клетка бөлінер алдында оның ДНҚ молекуласы екі еселенеді және соның нәтижесінде ұрпақ клеткалары алғашқы аналық  клеткадағыдай ДНҚ  молекуласына  ие  болады.   Олай  болса, бөлінетін клетканың ДНҚ-сы дәл өзіне ұқсас тағы бір ДНҚ молекуласын қалай жасайды? 1940 жылы Л. Полинг пен М. Дельбрюк ген (ДНҚ) өзінше бір бейненің қалыбы секілді, ол қалыпқа саз балшық құйып, оның формасын алуға, содан кейін осы формадан қалып етіп пайдаланған алғашқы форманы қайтадан жасауға болады деген пікір айтқан. Яғни, бұл геннің алғашқы құрылымына комплементарлы ДНҚ құрылымы жасалады, одан алғашқы құрылымға сәйкес ДНҚ пайда болады деген сөз.   Шынында да ДНҚ-ның бір тізбегін бір бейне десек, оған комплементарлы екінші тізбек оның кері бейнесі болып табылады. Демек, Уотсон мен Крик көрсеткен ДНҚ-ның еселенуінің немесе репликациясының жүру жолы шын мәнінде Полинг пен Дельбрюктің болжамын қайталау десе де болғандай.[1]

   Сонымен, ДНҚ мынадай жолмен екі еселенеді. Алғаш спиральдың екі тізбегі бір нүктеден бастап ажырай бастайды. Сонан кейін бір-бірінен алшақтап ажыраған әрбір тізбектердің бойына, оларға сәйкес жаңа тізбек синтезделіп, жаңа тізбек жасалу барысында ажыраған   екі тізбекпен өзінің азоттық негіздері арқылы байланысып, онымен өз алдына жаңа спираль құрай бастайды. Сөйтіп алғашқы ДНҚ-ның екі тізбегі толық ажырап болғанда, екі жаңа спираль да жасалып бітеді. Алғашқы ДНҚ тізбегі ажырамай тұрғанындағы екінші ескі тізбегіне толық ұқсас болады.

   Әрине, бұл процесті де клеткадағы ферменттер жүргізеді. ДНҚ тізбектерінің бағыттары қарама-қарсы екені белгілі. Жұмысына өте мұқият ферменттер жаңа тізбекті тек бір бағытта, яғни 5'—>3' бағытында ғана жасайды. Олай болса, ферменттер ажыраған тізбектердің біреуінің бойымен жаңа тізбекті жоғарыдан төмен қарай, ал екіншісінің бойымен төменнен  жоғары қарай синтездейді. Ең қызығы жаңа тізбектер үздіксіз жасалмайды, ескі тізбектің бойында бірінен кейін бірі шағын ДНҚ фрагменттері пайда болып отырады. Ондай фрагменттердің ұзындығы қарапайым бактерияларда 200  нуклеотидтен тұрса, күрделі  организмдерде ол 2000-ға жуық. Осындай фрагменттерді алғаш байқаған жапон ғалымы Р. Оказаки, сондықтан оларды оказаки фрагменттері деп атайды.[7]

   1953 жылы Дж. Уотсон және Ф. Крик ұсынған ДНҚ құрылымының үлгісі (моделі) генетикалық хабардың кодын (шартты қысқарту), мутациялық өзгергіштіктің және гендердің көшірмесінің (ДНҚ молекуласының бөліктері) алынуын түсінуге мүмкіншілік берді. 1957 жылы М. Мезельсон мен Ф. Сталь, Дж. Уотсон және Ф. Криктің бактериялық клеткадағы ДНҚ-ның жартылай консервативті түрде екі еселенуі (репликация) жөніндегі көзқарасын дәлелдеді.

  Ал Г. Стент ДНҚ-ның екі еселенуінің үш түрін ұсынды: 1) консервативтік (лат. "консервативус" - сақтаушы, негізгі қалпын сақтау) еселенуде ұрпақтың ДНҚ-ларда аналық ДНҚ-ның материалы болмайды; 2) жартылай консервативтік түрінде ДНҚ-ның жаңа молекуласының бір тізбегі аналық ДНҚ-дан болса, екіншісі - жаңадан құрылған тізбек; 3) дисперсиялық (лат. "дисперсис" - шашырау, бытыраңқы) түрінде аналық ДНҚ-ның материалы кездейсоқ шашырап жаңа ДНҚ молекуласында орын алады.

   М. Мезельсон мен Ф. Стальдың зерттеулері осы үшеуінің ішінен ДНҚ-ның жартылай консервативті екі еселену түрін таңдап алуға көмектесті. ДНҚ екі еселенуінің жартылай консервативті жолмен жүруін дәлелдеу Дж. Уотсон мен Ф. Криктің жасаған ДНҚ молекуласының үлгісінің дұрыстығының айғағы болды. Сонымен, ДНҚ-ның еселенуі оның тізбектерінің ажырауынан басталады дедік. Ол тізбектерді геликаза (хеликс - спираль) - дезоксирибонуклеаза ферменттері - ДНҚ молекуласының бойымен екі бағытта жоғары және төмен ажыратады. Нуклеотидтер жұптарымен ДНҚ-ның шиыршықты тізбегінің арасындағы сутегінің байланыстары молекуланың бір жақ шетінде бірте-бірте үзіле бастайды және (ДНҚ) тізбектердің екеуі де бірінен бірі босай отырып, жазылады. Осылайша жазылған тізбек, өзінің қосылыстарын оське тік "қоя" отырып, дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдықтары арасында байланыстар арқылы ұсталып тұрады. Қоршаған ортадан клеткада жинақталған бос нуклеотидтер бар, олар ДНҚ-ның жазылған тізбегінің бос қосылыстарымен реакцияға түсе алады. Бірақ әр қосылысқа бір жұп, "толықтыра түсетін" нуклеотид қана жуықтап, жалғаса алады. Бұл жазылған тізбекке басқа, ДНҚ-ның жетіспейтін тізбегі жалғаса бастайды деген сөз. Осы процестердің нәтижесінде ДНҚ-ның екі молекуласы пайда болады. Олардың әрқайсысында қайтадан жинақталған молекуламен толықтырылған аналық молекуланың жартысы болады. Сонымен туынды молекулалар ДНҚ-ның аналық молекуласына мейлінше ұқсас келеді. Мұнда генетикалық материалдың құрамы да сақталады. Тізбектердің ажырауы мен қосылуы ферменттердің ықпалымен жүреді. Ажыраған тізбектерде оказаки фрагменттері жасала бастайды. Әр фрагмент он шақты нуклеотидтен тұратын РНҚ тізбегінен басталады. ДНҚ тізбегінің бойымен РНҚ түріндегі жаңа тізбекті праймаза (РНҚ - полимераза) ферменті ғана бастай алады. Тізбекті бастаған РНҚ бөлшегінен ары қарай "ДНҚ - полимераза-3" деген фермент ажыраған ДНҚ бөлігіне сәйкес етіп оказаки фрагменттерін синтездейді. Содан кейін басқа "ДНҚ - полимераза - 1" ферменті фрагменттердің бастаушысы болған әлгі РНҚ тізбегін ыдыратып жібереді. Енді кезек "ДНҚ - лигаза" деген ферментке келеді. Ол оказаки фрагменттерінің арасын ескі ажыраған тізбекке сәйкес етіп иуклеотидтермен толтырады. Ең соңында "ДНҚ полимераза-2" ферменті көптеген ферменттердің бірігуінен пайда болған жаңа тізбектің нуклеотидтерінің ескі тізбегімен сәйкес келетіндігін тексерді. Егер кандай да бір нуклеотид өз орнында тұрмаса соңғы аталған фермент оны кесіп алып тастап, оның орнына тиісті нуклеотидті қояды.

   Осындай әр түрлі қызмет атқаратын ферменттердің үйлесімді жұмыс жасауы тұқымдық белгінің ДНҚ арқылы ұрпақтарға дұрыс өсірілуін қамтамасыз етеді. Міне, геннің еселенуі немесе репликация дегеніміз осы.[4]

3.1.1 ДНҚ     репликациясының   барысындағы   қателерді  түзету (коррекциялау).  Тірі  организмдердің  генетикалық материалының көлемі     үлкен     және     жоғарғы     дәлдікпен     репликацияланады. Сүтқоректілердің геномы  еселенгенде 3  млрд.  жұп нуклеотидтен тұратын ДНҚ-да орташа үштен артық қате кетпейді. Сонымен қатар ДНҚ өте тез синтезделеді (оның полимерлену жылдамдығы бактерияларда секундына 500 нуклеотидтер, сүтқоректілерде 50 нуклеотидтерге дейін  болады).   Репликацияның  жоғарғы дәлдігін,  оның жылдамдығын, қатесін түзейтін арнаулы механизм қадағалайды.

  Коррекциялау механизмінің сыры - ДНҚ-полимеразаның әрбір нуклеотидтің матрицаға сәйкестігін екі мәрте тексеруінде: бірінші рет өсіп келе жатқан тізбектің құрамына кірмей тұрып, екінші рет келесі нуклеотидті қосардың алдында. Кезекті фосодиэфирлік байланыс өсіп келе жатқан ДНҚ тізбегінің ақырғы нуклеотиді, матрицаның сәйкес нуклеотидімен дұрыс уотсон-криктік жұп түзгеннен кейін ғана синтезделеді.

   Репликация дербес жүреді. Репликация жеке акт регінде жүретін ДНҚ-ның ұзындық бірлігін репликон деп атайды. Репликонда репликацияға қажетті реттеуші элементтер болады. Онда репликация басталатын ориджин болады және репликация терминаторы болуы мүмкін. Прокариоттық клетканың геномы бір репликонды құрайды, сондықтан бактериялық хромосома ең үлкен репликон болып табылады. Сондай-ақ плазмидада жеке репликон болады.[1]

3.1.2 Репликация терминациясы (аяқталуы). Ішек таяқшасында (Е. соіі) терминацияны қамтамасыз ететін бір ізділіктер tег-сайттар (ағыл. "sites" - генетикалық суббірлік, физиологиялық бірлікке ұқсас) деп аталады. Олар қысқа (23-ке таяу) бір ізділіктерден тұрады. Терминация учаскесінде бірнеше tег-сайттар болады.

   Олар репликация ашалары кездесетін нүктеден 100 негіздер бір ізділігінен бұрын орналасқан. Терминация үшін tus генінің өнімі қажет, ол осы бір ізділікті таниды; онымен байланысқа кіреді және репликация ашасының әрі қарай жылжуын тоқтатады.

  ДНҚ репликациясы кезіндегі молекулалық-биологиялық процестер эукариоттар мен прокариоттарда негізінен бірдей. Дегенмен өзгешеліктері де бар. Біріншіден, эукариоттарда ДНҚ репликациясы клетка циклының  белгілі бір кезеңінде өтеді. Екіншіден, егер бактериялық хромосома репликация бірлігі -репликон түрінде болса, эукариоттық хромосомадағы ДНҚ репликациясы көптеген жеке репликондармен жүзеге асады. Эукариоттық хромосоманың бойымен әр уақытта бір біріне тәуелсіз көптеген реп-ликациялық ашалар жүруі мүмкін. Ашаның жылжуы тек басқа ашамен қарама-қарсы соқтығысқанда, немесе хромосоманың ұшына жеткенде тоқтайды. Нәтижесінде хромосоманың түгел ДНҚ-сы қысқа уақыттың ішінде репликацияланады.[5]

3.2 РНҚ құрылысы.

   Рибонуклеин қышкылдары (РНҚ) про- және эукариотты клеткалардың құрамына кіретін негізгі үш түрі бар: ақпараттық (информациялық, матрицалық) - оны қысқаша (м) иРНҚ деп белгілейді, тасымалдаушы (транспорттық) - тРНҚ және рибосомалық - рРНҚ. Эукариоттық клеткалардың ядроларында РНҚ-ның төртінші түрі - гетерогенді ядролық РНҚ болады (гяРНҚ).[1]

  РНҚ-да ДНҚ тәрізді нуклеотидтерден тұратын күрделі молекула ДНҚ-ның көлемі кішілеу, молекулалық массасы аздау және бір тізбектен тұрады. Нуклеотидтері де төрт (А, Г, Ц, У) түрлі болады. Бірақ азоттық негіздердегі айырмашылығы: тиминнің орнына урацил орналасады. РНҚ-ның тағы бір ерекшелігі олардың құрамында көмірсу (қант) - рибоза (оның барлық көміртегі атомдары гидроксилдік топтармен байланысқан) түрінде болады. Рибонуклеин қышқылы ядро және цитоплазмада кездеседі. Бұлар бір-бірінен құрамы, молекулалық массасы және атқаратын қызметі жағынан әр түрлі.

  ДНҚ-дағы хабар толықтырушы (комплементарлық) принципке сай (м)и-РНҚ-ға көшіріледі. Бұл процесс транскрипция деп аталады және көптеген ферменттердің қатысуымен жүреді. иРНҚ-ға көшірілген хабар белок заводы - рибосомаға жеткізіледі. Қазіргі кезде ғалымдарға қай амин қышқылы қандай үйлесіммен анықталатыны белгілі.

  иРНҚ жіпшесі цитоплазмадағы рибосомаларда орналасады. Тірі клеткада 200-300 амин қышқылынан құрылатын белоктың бір молекуласы 1-2 минутта-ақ синтезделінеді. Рибосомалар (полисомалар) иРНҚ-ның жіп тәрізді молекуласының сол жақ ұшынан кіріп, белок синтезіне кірісе бастайды. Рибосомалар иРНҚ-ны бойлай бір үштіктен (үйлесім) екінші үйлесімге үзіле-үзіле "қадамдап" жылжиды. иРНҚ-да жазылған белок құрылымы тұралы хабардың арқасында амин қышқылдарынан белок молекуласы синтезделінеді. Бұл процессті трансляция  деп атайды.

  иРНҚ-ның әрбір үш негізден құралған үйлесімі (кодон деп аталатын) бір амин қышқылы қалдығын анықтайды. тРНҚ молекуласы арнаулы амин қышқылы қалдықтарын иРНҚ-ның белгілі учаскесіне тасымалдайды. тРНҚ өте жақсы зерттелген.[1]

  рРНҚ молекулалары әр пішінде кездеседі және белоктармен бірігіп күрделі кешен - рибосоманы түзеді, ал рибосомаларда белок синтезі жүреді, сонымен қатар ол рибосома кұрамында иРНҚ-мен әрекеттеседі.      Бактериялар      рибосомалары      (және      олардың суббірліктері)   эукариоттардың   цитоплазмалық   рибосомаларының көлемі жағынан өзгеше. Бұл ең алғаш осы екі түрлі рибосомалардың седиментация (тұнбаға түсу) жылдамдығы бойынша анықталды.

   гяРНҚ-иың қызметі әлі толық анықтала қоймаған. Жоғарғы эукариоттардың        клеткаларында        белоктарды       құпиялайтын ядролық кұрылымдық  гендердің транскрипциясы нуклеоплазмада (нуклеус - ядро) жүреді. Бірақ нуклеоплазмалық РНҚ иРНҚ-дан өзгеше. Ол орташа көлемі жағынан әлде қайда үлкен, тұрақсыз және кұрамындағы нуклеотидтер бір ізділігі күрделіректігімен сипатталады. Ядролық РНҚ-ның көлемі өте кең шамада құбылғандықтан оны гетерогенді ядролық РНҚ (гяРНҚ немесе hnRNA) деп атайды.