Дәріс құрылымы
Тақырыбы: ««Нуклеин қышқылдарының биосинтезі. ДНҚ репликациясы»
Мақсаты: ДНҚ синтезін, оның ерекшеліктерін және маңызын оқып білу.
Дәрістің жоспары:
1. Репликация механизмі.
2. Репликон, репликациялық вилка (аша) туралы түсінік.
3. Ферментті комплекстің компоненттері.
4. Жетекші тізбектің және Оказаки фрагменттерінің синтезі.
5. Теломерлер және теломердің қызметі.
6. Репарацияға түсінік.
Дәріс тезистері
Репликация – дегеніміз ядроішілік маңызды процесс. Бұл өзін-өзі көшіруге қабылетті, ДНҚ санының екі еселенуіне алып келеді. Репликация екі комплементарлық тізбектен тұратын, ДНҚ молекуласының химиялық ұйымы ерекшелігінің нәтижесінде болады.
Репликация процессінде аналық ДНҚ молекуласының әрбір полинуклеотидті тізбегінде оған комплементарлы тізбек синтезделінеді.
Нәтижесінде, екі спиральді ДНҚ-ң біреуінен, екі ұқсас қос спираль пайда болады. Бұндай екіеселену жолындағы әрбір – жаңа молекула бір аналық және бір жаңа синтезделген тізбектен тұрады және жартылай консервативті (сақтаушы, негізгі қалпын сақтау) деп аталады.
Репликация механизмі
Тізбекте репликация жүзеге асырылу үшін, бастапқы ДНҚ тізбектері бір-бірінен ажыратылады және матрицаға айналады. Әрбір матрицаға жаңа тізбектің комплементарлы синтезделінуі жүреді.
ДНҚ спиралінің тарқатылуы, жеке аймақтарда геликаза ферментінің көмегімен жүреді. Құрастырылған біртізбектік бөліктер арнайы тұрақтылықты бұзушы (дестабилизирлеуші) ақуыздармен байланысады. Бұл ақуыздар молекулалары, азотты негізді нуклеоплазмадағы орналасқан комплементарлы нуклеодиттермен байланысуына себебін тигізеді. Репликациядағы полипептидті тізбектің ажырау аймағы репликациялық вилка (аша) деп аталады. Синтезделу процессінде репликациялық вилка барлық жаңа аймақты қоршай, аналық тізбектің бойымен жылжиды. Нәтижесінде, репликация процессінің соңында, ДНҚ-ң екі молекуласы пайда болады. Оның нуклеотидті бір ізділігі бастапқы екі спиральмен бірдей.
Прокариот және әукариоттарда репликацияның бір ізділігінің болуы ұқсас, бірақ ДНҚ-ң синтезделу жылдамдылығы прокариоттарда жоғары (1000 нуклеотидтер /сек), ал эукариоттарда төмен (100 нуклеотидтер /сек).
Репликацияның жоғарғы жылдамдылығының болуы ферменттер жүйесінің қатысуымен жүреді: геликазалар, топоизомеразалар, тұрақтылықты бұзушы (дестабилизирлеуші) ақуыздар, ДНҚ-полимеразалар және т.с.с.
Репликацияның басталу нүктесінен оның біткенге дейінгі ДНҚ бөлігі – репликон деп аталады. Прокариоттағы сақиналы ДНҚ жеке репликоннан тұрады. Сондықтан ДНҚ-молекуласының екіеселенуі эукариоттарда бірнеше нуктелерден басталады. Әрбір репликондарда екіеселену әртүрлі уақытта немесе біруақытта болуы мүмкін.
ДНҚ тізбегінің ұзаруы — немесе оның жеке фрагменті (үзіндісі), әрқашан 5 / соңынан 3 / соңы бағытында жүреді, яғни нуклеотидтер өсуші тізбектің 3/ соңына қосылады. Өйткені ДНҚ молекуласындағы комплементарлық тізбектер антипараллельді, сосын өсуші тізбекте матрицалыққа антипараллельді, 3 / → 5 / соңына қарай оқылады. Фрагменттік комплекстердің функциялануы келесі түрде жүреді: екі синтезделетін тізбектің біреуі басқасымен салыстырғанда алдына оза шығып өседі, сондықтан алғашқы тізбек – жетекші деп, ал екіншісі кешеулдейтін тізбек деп аталады.
Жетекші тізбек ұзын үздіксіз фрагмент түрінде болады, (сперматогоний үшін – бұл 1млн. 600 мың нуклеотидтер).
Кешеулдейтін тізбек қысқа фрагмент түрінде болады (1500 мың нуклеотидтерге дейін). Бұл Оказаки фрагменттері.
Прокариот клеткасында Оказаки фрагменттері 1000-2000 нуклеотидтерден, ал эукариотта 100-200 нуклеотидтерден тұрады.
Әрбір осындай фрагменттің синтезделу кезінде ұзындығы шамамен 10 нуклеотидтен тұратын бастаушы РНҚ-пайда болады.
Жаңадан пайда болған фрагмент. ДНҚ-лигазалар ферменті көмегімен алдында болып өткен оның бастаушы-РНҚ-ны алып тастағаннан кейінгі (Бастаушы-РНҚ, ДНҚ-полимеразаның ДНҚ-ны синтездейтін негізгі ферменттерінің жұмысы үшін қажет).
Ферментті комплекстің компоненттері
Репликация процессіне 15-20 ақуыздар қатысады. Барлық бұл ақуыздарды 3 топқа бөлеміз:
1. Ата-аналық ДНҚ-ны репликацияға дайындайтын ақуыздар
Арнаулы танитын ақуыздар, негізде (жиі А-Т) ерекше бір ізділікпен байланысады (бұл ақуыздар модификация нәтижесінде пайда болады деп санайды). Бұл репликацияның басталу нүктесі. Бұндай ақуыздар, ДНҚ-репликациялаушы комплекс құрамында ДНҚ-мен көшіріледі. Бұл топтың алғашқы ферменті геликаза – ол репликативті вилка (аша) аумағында екі спиральді ДНҚ-ң тарқатылуын қамтамасыз етеді. Бірақ, спиральдің тарқатылуы бұл бөлік алдында супершиыршықтың пайда болуына алып келеді, яғни ДНҚ кейбір жерлерде ядролы матрикске жазылып қойылған және еркін айнала алмайды. Сондықтан, бұл бөліктерде супер орамдардың пайда болуын ескертетін топоизомераза ферменті жұмыс істейді.
2. Полимеризация ферменттері.
Арнайы ақуыз, праймазалар активаторы қызметін атқарады, содан соң праймаза ДНҚ- бөлігінде қысқа РНҚ –бастаушы немесе праймерді синтездейді.
ДНҚ – полимеразалар нуклеотидтердің жаңа ДНҚ тізбегінде қосылу бір ізділігін, ата-аналық тізбектегі нуклеотидтерге комплементарлы болуын жүзеге асырады.
3. ДНҚ – репликациясын аяқтайтын ферменттер.
Жоғарыда айтылған ферменттердің әсері нәтижесінде, әрбір жаңа синтезделінген тізбектер бір-біріне жанасатын бөліктерден тұрады. Көршілес бөліктерді тұтастырып тігуге лигаза (Л) қатысады, ол нуклеотидтер аралығында фосфодиэфирлі байланыстың пайда болуына қатысады.
Сонымен, ДНҚ репликациясы аяқталды (оның соңы немесе теломерлік бөліктер репликациясынан басқа).
ДНҚ репликациясы процессіне қатысушы, ақуыздар.
1. ДНҚ –геликаза- полинуклеотидтік тізбекті айырып, ДНҚ-ның екі спиральін тарқатады.
2. Дестабилизирлеуші (тұрақтылықты бұзушы) ақуыздар- ДНҚ тізбегіндегі бөлікті түзетеді (жазады).
3. ДНҚ-топоизомераза- ДНҚ — полинуклеотидті тізбектегі спиральдің тарқатылуынан болатын күшті алып тастай отырып, фосфодиэфирлі байланыстың біреуін үзеді.
4. РНҚ – праймаза – жаңадан пайда болған тізбек үшін немесе Оказаки фрагменттері үшін, бастаушы-РНҚ немесе праймерді синтездейді.
5. ДНҚ –полимераза – жетекші тізбектегі үздіксіз синтезді және кешеулдейтін тізбектегі Оказаки фрагменттерінің синтезделуін қамтамасыз етеді.
6. ДНҚ-лигаза –бастаушы-РНҚ-ны алып тастағаннан кейін, Оказаки фрагменттерін тігеді.
!!! ДНҚ –полимераза басынан «нольден» бастай алмайды (ол ДНҚ-синтезіне жауап береді), ал РНҚ – полимераза бұндай ерекшелікке ие, сондықтанда ол РНҚ-ң бір ізділігі бойынша ДНҚ – фрагменттерін жасай бастайды.
Теломердің қызметі.
1. Механикалық — Теломерлер хромосомалардың ядро матрицасына қосылуына қатысады, бұл ядрода хромосоманың дұрыс бағытта болуы үшін және мейоздық бөліну үшін өте маңызды, бірдей (сестринские) хроматидтердің соңдары бір-біріне жалғанады.
2. Стабилизаторлық (тұрақтандырушы) – Үзілген хромосомалар соңының тұрақтануы, хромосоманың жабысып қалуынан немесе қосылуынан, және деградациядан қорғайды.
3. Гендердің экспрессияға әсер етуі. Теломерлердің жанында орналасқан гендер белсенділігінің әсер ету жағдайы жазаланылған немесе төмендеген – сайленсинг деп аталады. Ол ядро мембранасына жақындауын немесе белгілі ақуыздардың әсерін қамтамасыз ететін – транспозондар үшін тән.
Транспозон – (геном немесе бөлшек ) – жылжымалы генетикалық элемент. Геномда өз орнын ауыстыра беретін ДНҚ фрагменті.
4. «Есептеуші» қызметі. Теломерлер, клетка бөлінуінің санын санауға қабылетті, яғни әрбір бөлінуде теломерлер 50-65 жұп нуклеотидтерге қысқарады. Ұзындығы, өте қысқарған кезде теломерлер көптеген қызметтерін жоғалтады, клеткалық цикл бұзылады және клетка өледі.
Теломердің қартаю теориясын А.М.Оловников ұсынды.
Қаралған репликация механизмі ДНҚ құрылымының көшіруі жоғарғы дәлме-дәлділігімен өзгешеленеді. ДНҚ –екі еселенуі кезінде комлементарлық негіздер жұбында орташа 1∙106 жиілікті қателер пайда болады. Репликацияның жоғарғы дәлділігін ұстап тұрушы ролін ДНҚ –полимера атқарады, ол ядро шырынында (сок) болатын қажетті нуклеотидтерді сұрптайды, және де ДНҚ –матрицалық тізбегіне олардың дәл қослуын және жаңадан құрылған өсуші тізбекке қосуды қамтамасыз етеді.
Дұрыс емес нуклеоидтердің қосылу жиілігі, бұл кезең 1∙10-5 жұп негізді құрайды. ДНҚ полимеразалардың жұмысындағы бұндай қателер «заңсыз жұптың» — (А-Г, Т-Т) пайда болуымен байланысты.
Нәтижесінде, өсуші тізбекте өзін-өзі қалпына келтіру (самокоррекция) механизмі қосылады, оны ДНҚ-полимераза немесе хабарлаушы (редактирлеуші) эндонуклеаза жүзеге асырады. Өзін-өзі қалпына келтіру (самокоррекция), ДНҚ тізбегіне қате енгізілген, яғни матрицаға сай келмейтін нуклеотидті жұлып алып тастау.
Бірақ, коррекцияның эффективтілігіне қарамастан репликация барысында, ДНҚ екі еселенуінен кейін де, тізбекте қателер кездеседі. Ол репарация механизмінің арқасында бастапқы ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтік тізбектің қалпына келуі жүзеге асырылады (молекулярлық қайта қалпына келу).
Репарация механизмі ДНҚ молекуласындағы екі комплементарлық тізбектердің болуына негізделген. Нуклеотидтердің бір ізділігінің бұзылуы ферменттермен анықталынып, бұл бөлік қиылып алынады, ДНҚ-ң екінші комплементарлы тізбегіндегі жаңа синтезделген фрагментпен ауыстырылады. Бұндай репарация – эксцизиондық (немесе кесіп тастау) деп аталады. Ол репликацияның келесі цикліне дейін жүзеге асырылады және репликацияға дейінгі репарация деп аталады.
Егер эксцизионды репарация жүйесі, ДНҚ-ң бір тізбегінде пайда болған бұзылысты қалпына келтірмесе, репликация барысында бұл бұзылыстың фиксациясы жүзеге асады және ол ДНҚ-ң екі тізбегіне өтеді.
Нәтижесінде, комплементарлы нуклеотидтердің бір жұбын екіншіге алмастыру, немесе бұзылған бөліктерге қарсы жаңа тізбекте үзілістердің пайда болуына алып келеді. ДНҚ –қалыпты құрылымының қалпына келуі репликациядан кейін де жүзеге асырылады. Оны пострепликациялық репарация деп атаймыз.
Пострепликациялық репарация – жаңадан түзілген ДНҚ-ң екі бірдей спиралінде рекомбинация (фрагменттермен алмасу) процессі арқылы жүзеге асырылады.
Әдебиет:
Негізгі
1. Стамбеков С.Ж., Петухов В.Л. Молекулалық биология. Оқулық/ҚР. Новосибирск: Семей МУ, 2003. –216 бет.
2. Әбилаев С.А. Молекулалық биология және генетика. Шымкент.2008, 424 б
3. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Н. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов, Москва: Наука, 2003,544 с.
4. Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки, Руководство для врачей. Пер с англ. М.: БИНОМ – Пресс,2003- 272 с.
5. Гинтер Е.К. Медицинская генетика. М., Медицина,2003.
6. Генетика. Учебник для ВУЗов / Под ред. Академика РАМН В.И. Иванова. – М.: ИКЦ «Академкнига»,2006.-638 с.:ил.
Қосымша:
1. Уилсон Дж., Хант Т. Молекулярная биология клетки. Сборник задач. Пер. с англ. –М.,Мир, 1994 -520 с.
2. Казымет П.К., Мироедова Э.П. Биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов. – Астана,2006,2007.
3. Медицинская биология и генетика/ Под.редакцией Куандыкова Е.У., Алматы,2004
Бақылау сұрақтары:
1. Репликация процессінің маңызы.
2. Ата-аналық ДНҚ репликацияға дайындайтын ақуыздар.
3. Полимеризация ферменттері.
4. ДНҚ репликациясын аяқтайтын ферменттер.
5. Қартаюдың теломерлік теориясы.