1. ДНҚ молекуласы бір-бірімен 3’- 5’ -фосфодиэфир байланыстарымен біріккен нуклеотидтерден құралған полимер.
2. ДНҚ нуклеотидтік құрамы Чаргафф ережесіне бағынады: кез-келген ДНҚ пуриндік нуклеотидтердің (А+G) мөлшері әрқашанда пиримидиндік нуклеотидтердің (Т+С); мөлшеріне тең болады; әрқашанда А- қалдықтарының саны Т- қалдықтарының санына, G -қалдықтарының саны С- қалдықтарының санына тең.
3. М. Уилкинс мен Р. Франклин алып зерттелген ДНҚ талшықтарының рентгнеграммалары молекуланың спиралды құрылымды болатындығын және кемінде бірден көп полинуклеотид тізбектерінен тұратындығын көрсетті.
4. ДНҚ қышқылды-сілтілік ертіндімен титрлегенде оның құрылымының сутектік байланыспен тұрақтандырылатындығын көрсетті.. Нативті ДНҚ титрлегенде және қыздырғанда оның физикалық қасиеттері байқалатындай түрде өзгереді, дәл айтқанда тұтқырлығы өзгеріп, ол денатурарацияланған күйге өтеді, бірақ бұл жерде оның коваленттік байланыстары бұзылмайды.
Осы ғылыми мағұлыматтар негізінде Дж. Уотсон және Ф. Крик ДНҚ үш өлшемдік моделін ұсынды, ол рентгенструктуралық анализ бен ДНҚ тән негіздердің жұптылығын түсіндіре алды. Олардың моделіне сәйкес ДНҚ ортақ остің бойымен бір-біріне салыстырмалы түрде оң бағытта оралған екі полинуклеотидтік тізбек. Молекуланың перифериалық аймағында орналасқан екі полинуклеотид тізбектері антипаралелді бағыт ұстайды. Бұл деген, егер спиралдің бойымен тізбектердің бір ұшынын екінші ұшына қозғалғанда фосфодиэфирлік байланыс біреуінде 3’— 5’ бағытта, ал екіншісінде 5’—3’ бағытта орналасқан, яғни сызықты ДНҚ молекуласының әрбір ұшында фосфодиэфирлік байланыстың бағыты бірінші тізбектің 5’-ұшынан басталса, екіншісінің 3’-ұшынын басталған. Спиралдың диаметрі оның ұзына бойына тұрақты және 2,0 нм тең болады.
Тізбектің гидрофилді пентозофосфаттық қаңқалары қос спиралдың қаңқасының сыртқы бетінде орналасқан. Екі тізбектің де гидрофобты пуриндік және пиримидиндік негіздері 0,34 нм интервалмен стопка түрінде бір-бірінің үстіне жинақталып спиралдың ішкі жағына орналасқан; гетероциклдік негіздердің сақиналар кеңістігі осы спиралдың бас осіне перпендикуляр түрде орын тебеді. Спираль орамының ұзындығы (спиралдың бір толық оралым жасауы), оның периодтық қайталануын құрайды, оның ұзындығы 3,40 нм Спиралдың толық бір оралымына әрбір тізбекте 10 нуклеотид қалдығынан келеді.
Қос спираль ДНҚ бір тізбегінің бойындағы пурин және екінші тізбегінің бойындағы пиримидиннің арасындағы сутектік байланыспен тұрақтандырылады, дәл айтқанда, А мен Т, және G мен С арасындағы. Белгілі жұп түзіп онда сутектік байланыстармен беркілетін нгіздерді комплементарлы жұптар деп атайды.
А-Т-жұбында негіздер екі сутектік байланыстар көмегімен біріккен: біреуі — амин- және кетотоптарының арасында, екіншісі — пуриннің екі азоты мен оған сәйкес келетін пиримидиннің екі азотының арасында. G-С-жұбында үш сутектік байланыстар болады: олардың екеуі өз-ара сәйкес негіздердің амин- және кетотоптары арасында болса, үшіншісі пурин мен пиримидиннің азот атомдарының арасында. Осыған байланысты бір тізбектегі негіздер қатары екіншісінің нуклеотидтер қатарын анықтайды. Екі полинуклеотид тізбегіндегі негіздер қатарының комплементарлығы ДНҚ ең маңызды қасиеттерінің бірі болып табылады.
Нуклеин қышқылдарының гетероциклдік негіздері жеткілікті дәрежеде гидрофобты қасиет көрсетеді, су ертіндісінде оларға бір-бірінің үстіне жинақталып орналасу тиімді, бұл олардың су молекулаларымен түйісуін азайтады. Мұндай стопка түзілуде «вертикалдық» өз-ара әрекеттесу (стэкинг-әрекеттесу) басты роль атқарады, ол ван-дер-вааль күштерінің әрекетінен туындайды.
ДНҚ молекуласындағы түрлі қант, фосфат, пурин мен пиримин қалдықтарының өз-ара қарым-қатынасы арқасында ДНҚ кеңістіктегі бірнеше A, B, C, D и Z формаларының түзілуіне себеп болады. Клетканың тыныштық кезеңінде ДНҚ В-формада, транскрипция мен трансляция кезеңінде А-формада, ал Z-формада (зигзаг түріндегі теріс және оң бағыттағы спиралдан түзілген) болып гендердің экспрессиясын реттеуге қатысады.
3. Молекулалық биологияның зерттеу тәсілдері
Микроскопия – оның ерте тарихы бар, ол XVII ғасырдан басталады, 1611 жылы
Й. Кеплер жарық сәулесі микроскобын жасау үрдісін ұсынады, ал А. Левенгук соның көмегімен алғаш рет біржасушалық бактерияларды бақылайды (1638). 0,4-0,7 мкм аралығын қамтитын осы сәуле микроскопиясы М. Шлейден мен Т. Шванның 1838 жылы жасушалық теорияны жасауына мүмкіндік берді, бұл теорияға байланысты ядросы бар жасуша – барлық жануарлар мен өсімдіктер құрылысының құрылымдық және функционалдық бірлігі болып табылады. Сосын, 1857 жылы Р.А. Колликер алғаш рет митохондрияға, ал В. Флемминг – митоз кезіндегі хромосомдардың ерекшелігіне түсініктеме берді.
Интерференциондық (1930), фазалық-қарама-қарсылық (1932) және ақыр соңында, электрондық (1939) микроскоптарды жасау жетістіктері микроскопия дамуының ең маңызды деңгейі болып табылады
Әдетте, өлшемдері 20 Å (2 нм) объектілерді ажырата алатын және қазіргі замандағы үлгілерінде шегі 0,1 нм болатын электрондық микроскоптар вирустар, жасушааралық органеллдерді, белоктық-нуклеиндік комплекстер (хромотин, рибосомдар, информосомдар) құрылымын және кейбір белоктық молекулаларды зерттеуде кең қолданылыс тапты. Осы әдістің нұсқаларының бірі – криоэлектрондық микроскопия – қазіргі кезде рибосомдардың нәзік құрылымын зерттеуде басты рөл атқарады.
Рентгендік-құрылымдық талдау – рентген сәулелерінің дифракциясы негізінде құрылған (толқын ұзындықтары 10-10 м электромагниттік сәуле шашырату); ол молекулалардағы атомдардың үшөлшемдік орналасуын анықтауға мүмкіндік береді (0,1 нм-нен төмен аралықта). Бұл әдісті Англияда Г. Брэгг пен Л. Брэгг жасап шығарды және соның көмегімен белоктар, ДНҚ және РНҚ молекулаларының құрамы туралы іргелі мәліметтер алынды.
Қазіргі кезде бұл әдіс алынған мәліметтерді компьютерлік талдаумен қоса, биополимерлердің үшөлшемдік құрылымын зерттеуде басты әдіс болып табылады.
Радиоактивтік изотоптар – тірі жасушалардағы нуклеин қышқылдары, белоктар, углеводтар және басқа да молекулаларды зерттеуде кеңінен қолданылады. Радиоизотоптар тұрақты емес және зарядталған бөлшектер – электрондар бөліп шығаратын таралу әсерінде болады немесе гамма-шашырау пайда болады. Ал жартылай таралу периоды өте қысқа 14 тәуліктен (32Р изотобында) өте ұзақ (14С изотобында) 5570 жылға дейін созылады. Электрондарды сцинцилляциялық есептегіш не Гейгер есептегішіндегі газдардың иондануы бойынша, немесе радиавтография әдісімен (олардың сезімтал фотоэмульсия қабатындағы күміске әсері бойынша) анықтайды.
Радиоактивтік молекулалар әртүрлі жасуша аралық процесстерді зерттеу кезінде: молекулаларды синтездеген кезде, молекулалардың жасуша ішіндегі ықшам орналасуын, олардың жасушадағы және бөлек компартменттердегі жұмыс жасау уақытын, макромолекулалардың кейбір бөлшектеріндегі химиялық айналуын және т.б. анықтаған кезде қолданылады. Егер, мысалы, жасушаны РНҚ-ның радиоактивтік ізашарымен (3Н-уридинмен) инкубацияласақ, РНҚ-ның алдымен ядрода синтезделетінін, сосын жасушаның цитоплазмасына өтетіндігін анықтауға болады. Радиоактивтік белгіні зерттелетін молекулаларға ферменттер арқылы енгізуге болады. Осылайша фосфотрансфераза мен нуклеотидилтрансферазаны қолдана отырып, белоктар, углеводтар және нуклеин қышқылдарына, АТР әртүрлі радиоактивтік формалары арқылы белгі енгізуге болады (2-сурет).
Ультрацентрифугалау (седиментациялық талдау) – 1926 жылы Т. Сведбергтің аналитикалық ультрацентрифуганы жасап шығарып, соның көмегімен алғаш рет гемоглобиннің молекулярлық массасын (68 кДа) анықтауынан кейін өте кең таралды. Бұл әдісте седиментация (тұнбалау) жылдамдығы бөлінетін компоненттердің өлшемі мен түріне байланысты анықталады және S – седиментация коэффициентімен өрнектеледі. Седиментация коэффициенті секундпен өлшенеді және мына формуламен анықталады: (dx/dt)/ w 2 x, мұндағы, х – айналым центріне дейінгі қашықтық (айналу осінен центрифугалық пробирканың түбіне дейінгі қашықтықпен анықталатын центрифуга роторының радиусы, см -мен өлшенеді); dx/dt – седиментация жылдамдығы (см/с); w – ротор айналымының бұрыштық жылдамдығы (рад/с). Седиментация коэффициенті әдетте, өте аз мәнде болады, сондықтан Сведберг бірлігімен өлшенеді (S): 1 S = 1 · 10-13 с. Гемоглобин молекуласының седиментация коэффициенті – 4,5S, тРНҚ молекуласынікі – 70S, лизосоманікі – 9400S.
ХХ ғасырдың 40-50-жылдары А. Клод пен Ж. Барше жасуша органеллдерін бөлу үшін дифференциалдық центрифугациялау әдісін ойлап тапты, соның көмегімен де Дюв (de Duve) 1953 жылы алғаш рет лизосомаларды, содан кейін пероксисомаларды бөліп шығарды. 1957 жылы М. Месельсон, У. Сталь және Дж. Виноград нуклеин қышқылын хлорлы цезий тығыздығының градиентінде центрифуга тәсілімен бөлу әдісін ойлап тапты, соның көмегімен ДНҚ репликациясы жартылай консервативті жолмен жасалатыны белгілі болды. Ультрацентрифугалау әдістерінің әртүрлі нұсқалары жасуша-ішілік компоненттер мен макромолекулаларды (нуклеин қышқылдары мен белоктар) бөліп шығару үшін, сондай-ақ олардың молекулярлық массалары мен седиментация коэффициентін анықтау үшін кеңінен қолданылады.
Әртүрлі молекулаларды, ең алдымен, белоктарды, нәзік фракциялау мен тазарту үшін қазіргі кезде алуан түрлі физика-химиялық тәсілдердің көптеген топтары қолданылады. Белоктарды фракциялаудың кеңінен таралған: хроматография, электрофорез және изоэлектрлік фокустеу әдістерін қарастыралық.
Хроматография – орыс ғалымы М.С. Цвет алғаш рет ашқан әдіс, ол 1906 жылы өсімдік жапырақтарының боялған сығындыларын бор үгіндісі бар тізбекте фракциялады.
Қазіргі кезде хроматографияның алуан түрлері бар, онда белоктарды зарядтары бойынша (ион айырбастау хроматографиясы), молекулалардың өлшемі бойынша (жиі гель-фильтрация деп аталатын гель-хроматография) және матрикспен алдын ала біріктірілген заттардың белгілі бір химиялық группаларымен ерекше өзара әрекет жасау қабілеті бойынша (аффиндік хроматография) ажырататын әртүрлі типтегі матрикстер (тасымалдаушылар) қолданылады. Хроматографияның сан алуан түрлерінің ішіндегі ең тиімдісі аффиндік хроматография (тектілік хроматографиясы) болып табылады, оның негізінде өзара әрекеттесетін заттардың молекулаларының өзара ерекше қарым-қатынасы (бір-бірін тану) жатады. Мысалы, фермент субстраттарын алдын ала матрикспен біріктіріп, ферментті тізбекте ұстап тұруға, сосын, қалған белоктар («балластық») бөлініп шыққан соң, оған гомогендік жағдайында элюирация жасауға болады. Матриксты ерекше антителалармен («қарама-қарсы денелер») жабдықтап, бұл тасушыларды осы антителалар танып білетін белоктарды бөліп шығаруға пайдалануға болады. Ал матрикспен ДНҚ фрагменттерін біріктіріп, хромосомалардың белгілі бір бөліктерімен ерекше байланысатын белоктарды бөліп шығаруға болады.
Сонымен қатар, жоғары тиімділікті сұйықтық хроматография (HPLC) да кең таралды. Бұл әдісте диаметрі 3-10 мкм микросфера түрінде гомогендік ортаны құра алатын және жоғары қысымда діңгек арқылы ерітіндінің бірқалыпты ағуын жүзеге асыратын, әдейі жасалынған кремний-органикалық смола қолданылады, осының нәтижесінде, хроматография процессі аздаған минуттарда жүргізіледі және талдау жасалынатын молекулалар қоспасының сезімтал фракциялануын қамтамасыз етіледі.
Электрофорез – бұл әдістің негізінде, белгілі бір оң немесе теріс зарядтардың қосындысына ие белоктардың электр өрісінде зарядтар өлшеміне және молекулалардың формасына сәйкес орын ауыстыру қабілеті жатады. Электрофорезді су (буферлік) ерітіндісінде жүргізуге болады, бірақ, әдетте, оны әлдеқандай полимерлік тасушыларда: крахмалдық, агароздық немесе полиакриламидтік гельдерде, целлюлозалық немесе нитроцеллюлозалық пластиналарда және т.с.с. жүргізеді.
Электрофорездің ең қарапайым целлюлоза пластинкаларындағы тәсілі 1956 жылы В. Ингрэмнің белокты трипсинмен өңдеу нәтижесінде алынған адам гемоглобинінін, протеолиз ферменттерімен ыдыратылған фрагменттерін фракциялаған кезде қолданылды. Осы әдістің көмегімен пептидтік карталар – «фингерпринттер» (бармақ дақтары) алынды, нәтижесінде орақ түріндегі жасушалық анемияның β-тізбегіндегі гемоглобинде бір ғана амин қышқылы басқа амин қышқылымен ауыстырылғанда пайда болатыны анықталды.
Қазіргі кезде белоктарды бөлу үшін полиакриламидтік гелде (ПААГ) жүргізілетін электрофорез әдісі жиі қолданылады, ол көлденең тігістерінің саны жоғары және бақыланатын инерттік матрикс түрінде жүргізіледі. Гел ұңғыларының өлшемдерін өзгерте отырып, молекулярлық массалары бойынша бір-бірінен әлдеқайда өзгеше (бірнеше он мыңнан жүздеген мыңға дейінгі дальтон) белоктарды фракциялауға болады. Бұл әдісті 1959 жылы С. Раймонд ойлап тапты, ал соңынан Б.Дэвис пен Л. Орнстейн оны әрі қарай жетілдірді. Ол молекулярлық массалары мен зарядтары әртүрлі белоктар қоспасын нәзік фракциялауға мүмкіндік берді. 1966 жылы Дж. Майзель ұсынған ПААГ-тағы натрий додецильсульфатымен электрофорездеу осы әдістің одан әрі модификациялануы (жетілдірілуі) болып табылды.
Жасушалар культурасы – бұл әдіс тауық эмбрионының өзінің өмірге бейімділігін тұзды ерітіндіде жақсы сақтайтындығы алғаш рет анықталған, 1885 жылдан басталады. 1907 жылдан бастап жіпшелер (ткань) фрагменттерінің дақылдары (эксплантанттары) қолданыла бастады. Қазіргі уақытта бір типті жасушалар алу үшін жасуша культурасын диссоциациялау қолданылады. Кейде жасуша дақылдарында, шексіз көбейе алатын және жасушалық сызықты құрайтын мутанттар пайда болады. Үзіліссіз бөліне алатын рак жасушаларынан олардың айырмашылығы, мутанттық жасушалар, кейбір затардың бетімен жанасқан кезде, жақсы өседі. Жасушалық линиялар көптеген бір типті жасушалардың негізі болып табылады және 70°С-да өзінің пролиферацияға қабілетін жоғалтпай ұзақ уақыт сақтала алады. Жасушалық линиялардың ең көп қолданылатындары тышқандар мен атжалмандардың фибробластарының, сонымен қатар, эпителиальдық адам жасушаларының сызықтары. 1952 жылы HeLa сызығы ретінде кеңінен мәлім, қазіргі кезге дейін қайтадан өріліп келген адам жатырының карцинома жасушалық линиялары алынды
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі:
Негізгі
1. Коничев А.С, Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. – М.: ACADEMA, 2005.
2. Аношкина Е.В., Кондратенко Е.И., Ломтева Н.А. Молекулярная биология. – Астраханский университет, 2007.
3. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978.
4. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот (под ред. Спирина А.С.-М.: Высшая школа, 1990.
5. Молекулярная биология: Структура рибосом и биосинтез белка (под ред. Спирина А.С.). –М.: Высшая школа, 1996.
Тақырып: Белоктар
1. Белок компоненттері және олардағы химиялық байланыстар
2. Белоктардың пішіні мен көлемі
3. Белок құрамындағы домендер және олардың қызметі
4. Глобулярлы және фибрилярлы белоктар
5. Белокты зерттеудің және бөліп алудың әдістері
1. Белок компоненттері және олардағы химиялық байланыстар
Белоктар пептидтік байланыстар арқылы біріктірілген аминқышқылдық қалдықтардан құрастырылған биополимерлер (полипептидтер) болып табылады.
Белоктар – биополимерлердің тірі табиғатта ең кең таралған түрі, ол жануарлардың құрғақ заттарының қомақты бөлігін құрайды (50-80%) және, ең маңыздысы, органикалық табиғаттың басқа заттарымен салыстырғанда, оның құрылымы мен функцияларының алуан түрлі болады. Атап айтқанда, белоктар, ақыр соңында, кез келген ағзаның фенотипін анықтайды, барлық тірі жүйелердің түр-түсін қалыптастырады. Олардың құрылымы гендердің нуклеидтік тізбегімен бағдарланған болса да, құрылымдық және функционалдық қатынаста, белоктар, оларды кодтайтын полинуклеотидтерге (ДНҚ және РНҚ) қарағанда, әлдеқайда түрлене алады. Белоктардың бұл ерекшелігі оларды құрайтын мономерлік топтары – аминқышқылдарының ішкі дүниесінің әртүрлілігінен болады. Тірі ағзаларда ұдайы кездесетін аминқышқылдарының (20 канондық немесе белоктық деп аталатын аминқышқылдарының) саны нуклеин қышқылының молекулаларын құрайтын канондық нуклеотидтердің (A, G, T, C, U) санына қарағанда 4 есе көп, сондықтан нуклеин қышқылдарының «тіліне» қарағанда белоктар «тілі» әлдеқайда бай.
Белоктар барлық молекулярлық-биологиялық процесстерге қатынасады. Өте айқын катализдік қабілетінің арқасында олар, ферменттер ретінде, жасушадағы және ағзалардағы барлық метаболизм процесстерінің қарқынын детерминациялайды. Әртүрлі регуляторлық белоктар молекулярлы-генетикалық процесстердің (репликацияның, транскрипцияның және трансляцияның регуляторлық белоктары) уақытылы және нақты болуын қадағалайды. Өздерінің каталитикалық қабілетінің арқасында, олар ферменттер ретінде, жасушадағы және ағзадағы барлық метаболистік процесстердің қарқынына детерминация жасайды. Әртүрлі регуляторлық белоктар негізгі молекулярлы-генетикалық процесстердің уақытылы және нақты жүруін қадағалайды (репликацияның, транскрипцияның және трансляцияның регуляторлық белоктары). Белоктар барлық биологиялық мембраналардың міндетті компоненттері болып табылады, цитоскелеттің негізін құрайды, дәнекер ұлпасының,, түк жамылғысының құрамына кіреді, яғни, «құрылыстық» функцияны қамтамасыз етеді (құрылымдық белоктар). Сондай-ақ, олар бөгде текті қоспалар мен патогендік микроағзалардан иммунологиялық қорғанысты жүзеге асырады (қорғаушы белок-иммуноглобулиндер), ағзаны оттегімен және әртүрлі нәрлі заттармен қамтамасыз етеді (транспорттық белоктар). Полипептидтің төтенше топтары (белок-гормондар) тканьдер мен ағзалардың физиологиялық белсенділігін бақылайды. Белоктар иондық каналдарды қалыптастырады және алуан түрлі сыртқы сигналдардың қабылдануын, өзгеруін және берілуін жүзеге асырады (белок-рецепторлар). Қозғалыстың барлық түрлері, бактериялық жгуттардан бастап пианистің саусақтарының қимылдарына дейін «белоктық моторлардың» (қысқарту белоктары) жұмысымен жүзеге асырылады. Белоктардың функцияларының онша толық емес тізімі осындай. Белоктардың тамаша қасиеттері, олардың молекулаларының кеңістіктік құрылымының алуан түрлілігіне байланысты. Әрі қарай, белоктардың құрылымдық ұйымдастырылуының деңгейлерін қарастыру барысында, олардың құрылымы мен функцияларының өзара байланысының нақтылы мысалдары келтіріледі.
Белоктарды жасауға қатысатын аминқышқылдар мынадай жалпы формула түрінде болады:
H2N—CH—COOH
|
R
мұнда, R –жанама тізбек (радикал).
20 каноникалық аминқышқылдарының (18 аминқышқылы және екі амид – аспарагин мен глутамин) радикалдарының формулалары 1-кестеде көрсетілген, мұнда олардың әдетте қолданылатын үшәріптік және қысқартылған бірәріптік белгіленуі келтірілген (бұдан былай оңай есте қалатын 3-әріптік символдар қолданылады).
1-кесте
Протеиногендік аминқышқылдары мен амидтер
| Аминқыш-қылдары | Жанама тізбектерінің құрылымы (радикал) | Қысқартылған белгісі | |||||||||||||||||||
| Алифатикалық | |||||||||||||||||||||
| Глицин Аланин Валин Лейцин Изолейцин | — H
— CH3
 CH3
 —CH
CH3
 CH3
 —CH2—CH
CH3
CH3
|
—CH—CH2—CH3
| Gly, G Ala, A Val, V Leu, L Ile, I | |||||||||||||||||||
| Ароматикалық | |||||||||||||||||||||
| Фенилалалин Тирозин Триптофан |  
  —H2C—
H | Phe, F Tyr, Y Trp, W | |||||||||||||||||||
| Негізгілер(оң заряд тасушылар) | |||||||||||||||||||||
| Лизин Аргинин Гистидин |
—CH2—CH2—CH2—CH2—NH3+
—CH2—CH2—CH2—NH—C—NH2
║
NH2+
    —H2C—
   HN NH+
(рН 6,0 болғанда)
| Lys, K Arg, R His, H |
—H2C— —OH
—H2C—
N
