ДНҚ

Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) — тірі ағзалардағы генетикалық ақпараттың ұрпақтан-ұрпаққа берілуін, сақталуын, дамуы мен қызметін қамтамасыз етуіне жауапты нуклеин қышқылының екі түрінің бірі. ДНҚ-ның жасушадағы басты қызметі – ұзақ мерзімге РНҚ мен ақуызға қажетті ақпаратты сақтау. ДНҚ-ның ерекшелiгi Бiр организмнiң барлық жасушарындағы ДНҚ молекуласының құрамы, құрылымы бiрдей болады да, жасына, ортадағы жағдайына тәуелдi емес. ДНҚ молекуласының нуклеотидтiк құрамы, құрылымы, тiзбегiндегi нуклеотидтердiң реттелiп орналасуы организмнiң ерекше қасиетiн анықтайды. ДНҚ молекуласының полинуклеотид тiзбегiндегi нуклеотидтердiң ретi – ұрпақтан-ұрпаққа берiлетiн генетикалық мәлiмет. Полинуклеотид тiзбегiндегi нуклеотидтердiң реттелiп орналасуы ДНҚ молекуласының бiрiншi реттiк құрылымы деп аталады. ДНҚ молекуласының екiншi реттiк құрылымын 1953 жылы Уотсон мен Крик анықтады. ДНҚ құрылымының анықталуы ХХ ғасырдағы биологияның ең маңызды жаңалығы деп саналады. Уотсон мен Крик теориясы бойынша екi полинуклеотид тiзбегiнен құралған ДНҚ-ның молекуласы кеңiстiкте оң қос қабат спираль. Қос қабат спиральдағы екi тiзбектiң жолдамасы – антипараллель, бiр тiзбектегi нуклеотидтер арасындағы байланыс 3'→5'-бағыттағы қалдықтардан түзiледi, екiншi тiзбектегi нуклеотидтер арасындағы байланыс 5'→3' бағыттағы қалдықтардан түзiледi. Екi полинуклеотидтi тiзбек өзара бұранда сияқты жалғасып, азоттық негiз арқылы байланысады. Гидрофобты азоттық негiздер спиральдiң iшiне орналасқан, ал гидрофильдi пентозды-фосфорлы қалдықтар ДНҚ молекуласының сыртқы жағына қарай бағытталған. Спиральдiң бiр айналымына азоттық негiздiң 10 жұбы келедi. Спиральдiң диаметрi 2 нм болады. Қос қабат спиральдегі азоттық негiздердің қабысуы өте ерекше. Бiр тiзбектегi аденинге екiншi тiзбектегi тимин, ал гуанинге цитозин қарсы тұрады. Бұл – ДНҚ молекуласының құрылымының өте ерекше маңызды қасиетi. Спиральдағы азоттық негiздердiң осылай орналасуы ДНҚ тiзбегiндегi сәйкестiк-үйлесiмдiлiк (комплементарлық) деп аталады. Қос қабат спиральдi азоттық негiздердiң арасындағы сутектiк байланыс және гидрофобты әрекеттесулер бiрiктiрiп ұстап тұрады. Мұнда аденин мен тиминнiң арасында екi сутектiк байланыс түзiледi, ал гуанин мен цитозиннiң арасында үш сутектiк байланыс түзiледi. Қосақтың әрқайсысында азоттық негiздердiң пентозды-фосфорлы керегесiмен қосатын гликозидтік байланыстарының арасындағы қашықтығы бiрдей – 1,085 нм. ДНҚ-ның құрамы және құрылысы Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) – барлық тірі клеткалардың негізгі генетикалық материалы болып табылатын күрделі биополимер. ДНҚ-ның негізгі құрылымдық бірлігі – үш бөліктен құралған нуклеотид. Бірінші бөлігі – дезоксирибоза (бескөміртекті қант); екіншісі – пурин негіздері: аденин (А) мен гуанин (Г) және пиримидиндік негіздер: тимин (Т) мен цитозин (Ц); үшіншісі – фосфор қышқылының қалдығы. Нуклеин қышқылдарында мономерлік қалдықтар (нуклеотидтер) өзара фосфодиэфирлік байланыспен байланысқан. ДНҚ барлық тірі организмдердің болашақ ұрпағының құрылысы, дамуы және жеке белгілері туралы биол. мәліметті сақтап, оларды жаңадан пайда болатын жасушаларға бұлжытпай «жазу» жүйесінің негізі болып табылады. ‎ 1940 жылдың аяғында америкалық биохимик Э.Чаргафф (1905 ж.т.) әр түрлі организмдердің ДНҚ молекуласына талдау жасап, оның құрамындағы А мен Т, Г мен Ц негіздерінің молярлық мөлшері тең екенін көрсетті (бұны Чаргафф ережесі деп атайды). 1952 ж. ағылшын биофизигі М.Уилкинс (1916 ж.т.) және т.б. ғалымдар рентгендік талдау арқылы ДНҚ молекуласы құрылымының спираль бойынша оң жақ оралымын (В – ДНҚ), ал 1979 ж. америкалық ғалым А.Рич (1929 ж.т.) молекула құрылымының сол жақ оралымын (Z – ДНҚ) ашты. Азотты негіздер спираль осіне перпендикуляр түрінде орналасады. ДНҚ-ның үш сатылы құрылымының кеңістіктік моделін алғаш рет 1953 ж. америкалық ғалым Д.Уотсон (1928 ж.т.) мен ағылшын биологы Ф.Крик (1916 ж.т.) жасады. Модель бойынша ДНҚ молекуласы қос тізбектен құрылған. Қос тізбек бір-бірімен азотты негіздер арасында пайда болатын сутекті байланыстар арқылы жалғасады. ‎ Бұл қос тізбекті негіздерге комплементарлық (ұқсас) принцип тән, яғни аденинге әдетте тимин, ал гуанинге цитозин сәйкес келеді. ДНҚ-ның бір-біріне қарама-қарсы бағытталған екі спиральді полинуклеотидті тізбегі бір осьті айнала оралып жатады. Уотсон мен Крик моделінің көмегімен ДНҚ-ның өздігінен екі еселену (репликация) қасиеті ашылды. Осы жаңалықтары үшін Уотсонға, Крикке және Уилкинске Нобель сыйлығы берілді (1962). Екі еселену кезінде комплементарлы орналасқан азотты негіздердің сутекті байланысы үзіліп, ДНҚ жіпшелері екіге ажырайды да, екі ұқсас спиральді ДНҚ тізбегі пайда болады. ДНҚ-ның екі еселенуінің мұндай процесі жартылай консервативтік деп аталады, себебі жаңа түзілген ДНҚ молекуласында бір тізбек бұрынғы болады да, екінші тізбек жаңадан түзіледі. Осының нәтижесінде организмнің барлық клеткаларындағы генетик. материал өзгеріссіз қалады. Бұл ғыл. жетістіктер тірі организмнің тұқым қуалаушылығы мен өзгергіштігін молек. деңгейде түсіндіруге жол ашты. Нуклеотидтер ДНҚ-дағы негіздердің құрылымдары Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) – мономері нуклеотид болып табылатын биополимер (полианион). Әрбір нуклеотид дезоксирибоза моносахаридтер 5' позициясында бекітілген фосфор қышқылының қалдығынан тұрады, оған төрт азотты негіздердің біреуі де 1' позициясында гликозидтік байланыс (C—N) арқылы қосылады. Бұл нуклеин қышқылдарының атауларында жазылған ДНҚ мен РНҚ арасындағы негізгі айырмашылықтардың бірін құрайтын тән қанттың болуы (РНҚ құрамында рибоза қанты бар). Нуклеотидке мысал ретінде аденозинмонофосфатты келтіруге болады, онда фосфат пен рибозаға қосылған негіз аденин (А) болып табылады (суретте көрсетілген). Молекулалардың құрылысына қарай нуклеотидтерді құрайтын негіздер екі топқа бөлінеді: пуриндер (аденин [А] және гуанин [Г]) байланысқан бес және алты мүшелі гетероциклдер арқылы түзіледі; пиримидиндер (цитозин [С] және тимин [Т]) алты мүшелі гетероцикл болып табылады. Ерекшелік ретінде, мысалы, PBS1 бактериофагында негіздің бесінші түрі ДНҚ-да кездеседі – урацил ([U]), пиримидиндік негіз сақинада метил тобының болмауымен ерекшеленеді, әдетте тиминді ауыстырады. РНҚ-да. Тимин (Т) және урацил (U) сәйкесінше, бұрын ойлағандай, ДНҚ мен РНҚ-мен шектелмейді. Осылайша, кейбір РНҚ молекулалары синтезделгеннен кейін, бұл молекулалардағы урацилдердің айтарлықтай саны тиминге айнала отырып, арнайы ферменттердің көмегімен метилденеді. Бұл тасмалдаушы және рибосомалық РНҚ-да болады.. Қос шиыршық ДНҚ полимерінің құрылымы өте күрделі. Нуклеотидтер ұзын полинуклеотидтік тізбектерге ковалентті байланысқан. Бұл тізбектер басым көпшілігінде (бір тізбекті ДНҚ геномдары бар кейбір вирустарды қоспағанда) қос шиыршық деп аталатын екінші реттік құрылымға сутектік байланыстар арқылы жұппен біріктіріледі. Әрбір тізбектің арқауы кезектесіп тұратын фосфаттар мен қанттардан тұрады. Бір ДНҚ тізбегінде көрші нуклеотидтер бір нуклеотидтің дезоксирибоза молекуласының 3'-гидроксил (3'-ОН) тобы мен 5'-фосфат тобының өзара әрекеттесуінің нәтижесінде түзілетін фосфодиэфирлік байланыстармен байланысады. Бір ДНҚ тізбегінде көрші нуклеотидтер бір нуклеотидтің дезоксирибоза молекуласының 3'-гидроксил (3'-ОН) тобы мен 5'-фосфат тобының (5'-PO3) басқа өзара әрекеттесуінің нәтижесінде түзілетін фосфодиэфирлік байланыстармен байланысады. Тізбек полярлығы ДНҚ синтезінде маңызды рөл атқарады (тізбектің ұзаруы бос 3' ұшына жаңа нуклеотидтерді қосқанда ғана мүмкін болады). Жоғарыда айтылғандай, тірі ағзалардың басым көпшілігінде ДНҚ бір емес, екі полинуклеотидтік тізбектен тұрады. Бұл екі ұзын тізбек бір-біріне қосарланған шиыршық түрінде бұралған, тізбектердің бетпе-бет келетін азотты негіздері арасында пайда болған сутетік байланыстары арқылы тұрақтанған. Табиғатта бұл спираль көбінесе оң қолмен болады. ДНҚ молекуласын құрайтын екі жіптің 3' ұшынан 5' ұшына дейінгі бағыттар қарама-қарсы (жіптер бір-біріне «антипараллель»). Қос шиыршықтың диаметрі 22-ден 24 Å-ге дейін немесе 2,2-2,4 нм, әрбір нуклеотидтің ұзындығы 3,3 Å (0,33 нм). Спиральді баспалдақтың бүйірінен қадамдар көрінетіні сияқты, ДНҚ-ның қос спиралында, молекуланың фосфатты арқауы арасындағы кеңістіктерде сақиналары жазықтықта орналасқан негіздердің шеттері көрінеді. Қос спиральда кіші (12 Å) және үлкен (22 Å) ойық ажыратылады. Қос тізбекті ДНҚ-дағы белгілі бір реттілікпен байланысатын транскрипция факторлары сияқты белоктар, әдетте, қол жетімді болатын негізгі ойықтағы негіздердің шеттерімен әрекеттеседі. Негіздердің арасындағы байланыстың қалыптасуы Бір жіптегі әрбір негіз екінші жіптегі бір нақты негізбен байланысады. Бұл ерекше байланыстыру комплементарлы деп аталады. Пуриндер пиримидиндерге комплементарлы (яғни олармен сутектік байланыс түзуге қабілетті): аденин тек тиминмен, цитозин гуанинмен байланыс түзеді. Қос спиральда жіптер сонымен қатар ДНҚ негізі тізбегінен тәуелсіз гидрофобты әрекеттесу және стектеу арқылы байланысқан. Қос шиыршықтың комплементарлылығы бір жіптегі ақпараттың екінші тізбекте де болатынын білдіреді. Комплементарлы негіз жұптары арасындағы өзара әрекеттесулердің қайтымдылығы мен ерекшелігі ДНҚ репликациясы және тірі ағзалардағы барлық басқа ДНҚ функциялары үшін маңызды. Сутегі байланыстары ковалентті емес болғандықтан, оңай бұзылады және түзіледі. Қос шиыршықты тізбектер ферменттердің (хеликаза) әсерінен немесе жоғары температурада найзағай тәрізді бөлінуі мүмкін. Әртүрлі негіздер жұптары әр түрлі сутегі байланыстарын құрайды. AT екі сутектік байланыспен, ГЦ үш байланыстырылған, сондықтан ГЦ үзу үшін көбірек энергия қажет. ГЦ жұптарының пайызы және ДНҚ молекуласының ұзындығы тізбектерді диссоциациялау үшін қажетті энергия мөлшерін анықтайды: жоғары ГЦ мазмұны бар ұзын ДНҚ молекулалары отқа төзімді. Нуклеин қышқылдарының балқу температурасы иондық ортаға байланысты иондық күштің жоғарылауы ДНҚ-ны денатурацияға қарсы тұрақтандырады; ДНҚ-ға натрий хлоридін қосқанда, балқу температурасы мен ерітіндінің иондық күші логарифмінің арасында сызықтық байланыс болады. Электролиттің қосылуы ДНҚ тізбегіндегі зарядтардың экрандауына әкеледі және сол арқылы зарядталған фосфат топтары арасындағы электростатикалық итеру күштерін азайтып, құрылымның қаттылығына ықпал етеді деп болжанады. Сол сияқты ДНҚ-ның балқу температурасын марганец, кобальт, мырыш және никель иондары жоғарылатса, мыс, кадмий және қорғасын иондары керісінше төмендетеді. Бактериялық промоторлардағы TATA тізбегі сияқты функциясына байланысты оңай бөлінуі керек ДНҚ молекулаларының бөліктері әдетте А және Т-ның көп мөлшерін қамтиды. Азотты негіздердің химиялық модификациялары Цитозин, 5-метилцитозин және тиминнің құрылысы. Тимин 5-метилцитозиннің дезаминденуі арқылы түзілуі мүмкін ДНҚ-дағы азотты негіздерді ковалентті түрлендіруге болады, ген экспрессиясын реттеу үшін қолданылады. Мысалы, омыртқалы жануарлардың жасушаларында 5-метилцитозин түзу үшін цитозиннің метилденуі соматикалық жасушаларда геннің экспрессиялық профилін еншілес жасушаларға беру үшін қолданылады. Цитозиннің метилденуі ДНҚ қос спиралындағы негіздердің жұптасуына әсер етпейді. Омыртқалы жануарларда соматикалық жасушалардағы ДНҚ метилденуі ЦГ тізбегіндегі цитозиннің метилденуімен шектеледі. Метилденудің орташа деңгейі әртүрлі организмдер арасында өзгереді, мысалы, Caenorhabditis elegans нематодында цитозиннің метилденуі байқалмайды, ал омыртқалы жануарларда метилденудің 1% дейін жоғары деңгейі анықталды. Басқа негіздік модификацияларға бактериялардағы адениннің метилденуі және кинетопластарда «J-негізін» қалыптастыру үшін урацилдің гликозилденуі жатады. Геннің промоторлық аймағында 5-метилцитозин түзу үшін цитозиннің метилденуі оның белсенді емес күйімен корреляцияланады. Сүтқоректілерде Х-хромосоманың инактивациясы үшін цитозиннің метилденуі де маңызды. ДНҚ метилденуі геномдық импринтингте қолданылады.. Метилирование ДНК используется в геномном импринтинге Канцерогенез кезінде ДНҚ метилдену профиліндегі елеулі бұзылулар орын алады. Биологиялық рөліне қарамастан, 5-метилцитозин өз амин тобын өздігінен жоғалтуы (дезаминденуі) мүмкін, тиминге айналады, сондықтан метилденген цитозиндер мутациялар санының көбеюінің көзі болып табылады. ДНҚ зақымдануы , темекі түтініндегі негізгі мутаген.]] ДНҚ әртүрлі мутагендермен, соның ішінде тотықтырғыш және алкилирлеуші ​​агенттермен, сондай-ақ ультракүлгін және рентген сәулелері сияқты жоғары энергиялы электромагниттік сәулеленумен зақымдалуы мүмкін. ДНҚ зақымдану түрі мутагеннің түріне байланысты. Мысалы, ультракүлгін сәуле тимин димерлерін түзу арқылы ДНҚ-ны зақымдайды, көрші негіздер арасында коваленттік байланыстар пайда болған кезде пайда болады. Бос радикалдар немесе сутегі асқын тотығы сияқты тотықтырғыштар ДНҚ зақымдануының бірнеше түрін, соның ішінде негіздердің модификациясын, әсіресе гуанозинді және ДНҚ-дағы қос тізбекті үзілістерді тудырады. Кейбір мәліметтер бойынша, күн сайын адам жасушасындағы 500-ге жуық негіз тотықтырғыш қосылыстармен зақымдалады. Зақымданудың әртүрлі түрлерінің ішінде ең қауіптісі қос жіпті үзілістер болып табылады, өйткені оларды жөндеу қиын және хромосома бөлімдерінің жоғалуына (делециялар) және транслокацияларға әкелуі мүмкін. Көптеген мутаген молекулалары көршілес екі негіз жұбының арасына енеді (интеркалацияланады). Бұл қосылыстардың көпшілігі, мысалы, этидий бромиді, даунорубицин, доксорубицин және талидомид, хош иісті құрылымға ие. Интеркалирлеуші ​​қосылыс негіздердің арасына түсуі үшін бір-бірінен жылжып, қос спираль құрылымын ажыратып, бұзуы керек. ДНҚ құрылымындағы бұл өзгерістер репликацияға кедергі келтіреді, мутациялар мен транскрипцияны тудырады. Сондықтан интеркалирлеуші ​​қосылыстар көбінесе канцерогендер болып табылады, олардың ішіндегі ең танымалдары бензопирен, акридиндер, афлатоксин және этидий бромиді. Жағымсыз қасиеттерге қарамастан, ДНҚ транскрипциясы мен репликациясын басу қабілетіне байланысты интеркалирлеуші ​​қосылыстар химиотерапияда тез өсіп келе жатқан рак клеткаларын басу үшін қолданылады. Кейбір заттар (цисплатин, митомицин С, псорален) ДНҚ тізбектері арасында айқаспалы байланыстар түзеді және ДНҚ синтезін басады, сондықтан олар ісіктің кейбір түрлеріне химиотерапияда қолданылады. Супер бұрылыс Егер сіз арқанның ұштарын алып, оларды әртүрлі бағытта бұра бастасаңыз, қысқарады және арқанда «супер катушкалар» пайда болады. ДНҚ аса ширатылуы мүмкін. Қалыпты күйінде ДНҚ тізбегі әрбір 10,4 негізгі жұп үшін бір бұрылыс жасайды, бірақ оның аса ширатылған күйінде спираль қаттырақ немесе орамсыз оралуы мүмкін. Супер бұралудың екі түрі бар: оң - негіздері бір-біріне жақын орналасқан қалыпты бұрылыстар бағытында; және теріс - қарама-қарсы бағытта. Табиғатта ДНҚ молекулалары, әдетте, топоизомеразалар деп аталатын ферменттермен енгізілген теріс суперкоирде болады. Бұл ферменттер ДНҚ-да транскрипция мен репликация нәтижесінде пайда болатын қосымша бұрылыстарды жояды. Хромосомалардың ұшындағы құрылымдар Сызықтық хромосомалардың ұштарында теломерлер деп аталатын арнайы ДНҚ құрылымдары болады. Бұл аймақтардың негізгі қызметі хромосома ұштарының тұтастығын сақтау болып табылады. Теломерлер сонымен қатар ДНҚ ұштарын экзонуклеазалардың деградациясынан қорғайды және жөндеу жүйесінің белсендірілуіне жол бермейді. Қалыпты ДНҚ-полимеразалар хромосомалардың 3' ұштарын репликациялай алмайтындықтан, мұны теломераза деп аталатын арнайы фермент жасайды. Адам жасушаларында теломерлер көбінесе бір тізбекті ДНҚ болып табылады және TTAГГГ тізбегінің бірнеше мың қайталанатын бірліктерінен тұрады. Бұл гуанинге бай тізбектер өзара әрекеттесетін екі негізден емес, төрттен тұратын G-квадруплексі деп аталатын өте ерекше құрылымдарды қалыптастыру арқылы хромосомалардың ұштарын тұрақтандырады. Атомдары бір жазықтықта орналасқан төрт гуанин негізі негіздер арасындағы сутектік байланыстар мен орталықта металл ионының (көбінесе калий) хелациясы арқылы тұрақтандырылған пластинаны құрайды. Бұл тақтайшалар бірінің үстіне бірі жиналады. Хромосомалардың ұштарында басқа құрылымдар да түзілуі мүмкін: негіздер бір тізбекте немесе әртүрлі параллель тізбектерде орналасуы мүмкін. «Стектік» құрылымдардан басқа, теломерлер Т-ілмектер немесе теломерлік ілмектер деп аталатын үлкен ілмек тәрізді құрылымдарды құрайды. Оларда бір тізбекті ДНҚ теломерлік белоктармен тұрақтанған кең сақина түрінде орналасады. Т-контурының соңында бір тізбекті теломерлі ДНҚ қос тізбекті ДНҚ-ға қосылып, осы молекуладағы жіптердің жұптасуын бұзады және жіптердің біреуімен байланыс түзеді. Бұл үш тізбекті түзіліс Д-ілмегі деп аталады. 1985—1986 жылдары Мәскеуде Максим Давидович Франк-Каменецкий қос тізбекті ДНҚ екі емес, үш ДНҚ тізбегінен тұратын Н-формасы деп аталатын пішінге қалай қатпарланатынын көрсетті. РНҚ-ның ДНҚ-дан айырмашылығы РНҚ-ның ДНҚ-дан айырмашылығы — мұның құрамында көмірсулы кұрамдас бөлік ретінде - рибоза, ал азотты негіздер ретінде аденин, гуанин, урацил, цитозин болады (тимин болмайды). РНҚ молекуласының ДНҚ молекуласынан айырмашылығы - оның әрбір молекуласы бір желілі болып келеді. РНҚ жасушалардың ядросында емес, жасуша цитоплазмасында болады. Әрбір жасушада РНҚ-ның үш түрі бар, олар: ақпараттық (аРНҚ), рибосомалық (рРНҚ) және тасымал (тРНҚ) болып келеді. Биологиялық функциялары ДНҚ – генетикалық код арқылы нуклеотидтер тізбегі ретінде жазылған генетикалық ақпараттың тасымалдаушысы. ДНҚ молекулалары тірі ағзалардың екі іргелі қасиетімен – тұқым қуалаушылықпен және өзгергіштікпен байланысты. ДНҚ репликациясы деп аталатын процесс кезінде бастапқы тізбектің екі данасы түзіледі, олар бөліну кезінде еншілес жасушалармен тұқым қуалайды, яғни алынған жасушалар генетикалық тұрғыдан бастапқымен бірдей болады. Генетикалық ақпарат транскрипция (ДНҚ шаблонында РНҚ молекулаларының синтезі) және трансляция (РНҚ шаблонындағы белоктардың синтезі) процестерінде ген экспрессиясы кезінде жүзеге асады. Нуклеотидтер тізбегі РНҚ-ның әртүрлі түрлері туралы ақпаратты «кодтайды»: хабаршы немесе шаблон (мРНҚ), рибосомалық (рРНҚ) және тасымалдау (тРНҚ). РНҚ-ның осы түрлерінің барлығы транскрипция процесінде ДНҚ-дан синтезделеді. Олардың ақуыз биосинтезіндегі рөлі (трансляциялық процесс) әртүрлі. Хабаршы РНҚ ақуыздағы амин қышқылдарының реттілігі туралы ақпаратты қамтиды, рибосомалық РНҚ рибосомаларға негіз болады (негізгі қызметі мРНҚ негізінде жеке амин қышқылдарынан белоктарды құрастыру болып табылатын күрделі нуклеопротеидтік кешендер), трансфер РНҚ аминді жеткізеді. қышқылдар белок жиналатын жерге – рибосоманың белсенді орталығына, мРНҚ-да «жорғалап» өтеді. Геном құрылымы Табиғи ДНҚ-ның көпшілігі екі тізбекті құрылымға ие, сызықты (эукариоттар, кейбір вирустар және бактериялардың белгілі бір тектері) немесе дөңгелек (прокариоттар, хлоропласттар және митохондриялар). Кейбір вирустар мен бактериофагтарда сызықты бір тізбекті ДНҚ болады. ДНҚ молекулалары in vivo тығыз орналасқан, конденсацияланған күйде болады. Эукариоттық жасушаларда ДНҚ негізінен ядрода және митоздың профаза, метафаза немесе анафаза кезеңдерінде орналасады, хромосомалар жиынтығы түріндегі жарық микроскопының көмегімен бақылауға болады. Бактериялық (прокариоттық) ДНҚ әдетте нуклеоид деп аталатын цитоплазмадағы дұрыс емес пішінді құрылымда орналасқан бір дөңгелек ДНҚ молекуласымен ұсынылған. Геномның генетикалық ақпараты гендерден тұрады. Ген – тұқым қуалайтын ақпаратты беру бірлігі және ағзаның белгілі бір сипаттамасына әсер ететін ДНҚ бөлімі. Ген транскрипцияланған ашық оқу шеңберін, сондай-ақ ашық оқу кадрларының экспрессиясын басқаратын промотор және күшейткіш сияқты реттеуші тізбектерді қамтиды. Көптеген түрлерде жалпы геномдық тізбектің аз ғана бөлігі белоктарды кодтайды. Осылайша, адам геномының шамамен 1,5%-ы ғана белокты кодтайтын экзондардан тұрады, адам ДНҚ-сының 50%-дан астамы кодталмаған қайталанатын ДНҚ тізбегінен тұрады. Эукариоттық геномдарда кодталмаған ДНҚ-ның соншалықты көп болуының және геном өлшемдерінің (С-мәні) үлкен айырмашылығының болуының себептері әлі шешілмеген ғылыми жұмбақтардың бірі болып табылады; Осы саладағы зерттеулер сонымен қатар ДНҚ-ның осы бөлігіндегі реликтік вирус фрагменттерінің көптігін көрсетеді. Ақуыздық емес кодталатын геномдық тізбектер Қазір «қоқыс ДНҚ» ретінде кодталмаған тізбектер идеясына қайшы келетін дәлелдер өсіп келеді. Теломерлер мен центромерлерде аздаған гендер бар, бірақ олар хромосоманың қызметі мен тұрақтылығы үшін маңызды. Адамдардағы кодталмаған тізбектердің кең таралған түрі - псевдогендер, мутация арқылы инактивацияланған гендердің көшірмелері. Бұл тізбектер молекулалық қазбалар сияқты нәрсе, дегенмен кейде гендердің қайталануы және кейінгі дивергенциясы үшін бастапқы материал ретінде қызмет ете алады. Ағзадағы белоктардың әртүрлілігінің тағы бір көзі - альтернативті сплайсингте интрондарды «кесу және қосу сызықтары» ретінде пайдалану. Ақырында, белокты кодтамайтын тізбектер мяРНҚ сияқты қосымша жасушалық РНҚ-ларды кодтай алады. Жақында адам геномының транскрипциясын зерттеу геномның 10% полиаденилденген РНҚ-ны беретінін көрсетті, ал тышқан геномын зерттеу оның 62% транскрипцияланатынын көрсетті. Транскрипция және трансляция ДНҚ-да кодталған генетикалық ақпарат оқылып, соңында жасушаларды құрайтын әртүрлі биополимерлердің синтезінде көрсетілуі керек. ДНҚ тізбегіндегі негіздердің тізбегі транскрипция деп аталатын процесте ол «транскрипцияланатын» РНҚ-дағы негіздердің тізбегін тікелей анықтайды. мРНҚ жағдайында бұл реттілік ақуыздың аминқышқылдарын анықтайды. мРНҚ-ның нуклеотидтер тізбегі мен аминқышқылдарының тізбегі арасындағы байланыс генетикалық код деп аталатын аударма ережелерімен анықталады. Генетикалық код үш нуклеотидтен (яғни, ACT, CAG, TTT және т.б.) тұратын кодондар деп аталатын үш әріпті «сөздерден» тұрады. Транскрипция кезінде геннің нуклеотидтері РНҚ полимераза арқылы синтезделген РНҚ-ға көшіріледі. Бұл көшірме, мРНҚ жағдайында, рибосома арқылы декодталған, мРНҚ тізбегін аминқышқылдарымен байланысқан тасымалдаушы РНҚ-ларымен хабаршы РНҚ жұптастыру арқылы «оқады». Үш әріпті комбинациялар 4 негізді пайдаланатындықтан, барлығы 64 ықтимал кодон (4³ комбинация) бар. Кодондар 20 стандартты аминқышқылдарын кодтайды, олардың әрқайсысы көп жағдайда бірден көп кодонға сәйкес келеді. мРНҚ соңында орналасқан үш кодонның бірі амин қышқылын білдірмейді және белоктың соңын анықтайды бұл «тоқтату» немесе «нонсенс» кодондар – TAA, TGA, TAG; Репликация Жасушаның бөлінуі бір жасушалы организмнің көбеюі және көп жасушалы организмнің өсуі үшін қажет, бірақ бөліну алдында жасуша өзінің геномын көбейту керек, осылайша еншілес жасушалар бастапқы жасуша сияқты бірдей генетикалық ақпаратты қамтиды. ДНҚ-ның екі еселенуінің (репликациясының) бірнеше теориялық мүмкін механизмдерінің ішінен жартылай консервативтісі жүзеге асырылады. Екі тізбек бөлінеді, содан кейін әрбір жетіспейтін комплементарлы ДНҚ тізбегі ДНҚ полимераза ферментімен репликацияланады. Бұл фермент қосымша негізді жұптастыру арқылы дұрыс нуклеотидті тауып, оны өсіп келе жатқан тізбекке қосу арқылы полинуклеотидтік тізбекті синтездейді. ДНҚ-полимераза жаңа тізбекті бастай алмайды, бірақ барын ғана кеңейте алады, сондықтан оған примаза арқылы синтезделген нуклеотидтердің қысқа тізбегі (праймер) қажет. ДНҚ полимеразалары тек 5' --> 3' бағыттағы тізбекті синтездей алатындықтан, антипараллельді ДНҚ тізбектері басқаша көшіріледі: бір тізбек үздіксіз, екіншісі үзіліссіз синтезделеді. Ақуыздармен әрекеттесу ДНҚ-ның барлық функциялары оның ақуыздармен әрекеттесуіне байланысты. Өзара әрекеттесу спецификалық емес болуы мүмкін, ақуыздың кез келген ДНҚ молекуласымен байланысуы немесе белгілі бір реттілік болуына байланысты болуы мүмкін. Ферменттер ДНҚ-мен де әрекеттесе алады, олардың ең маңыздысы транскрипцияда немесе жаңа ДНҚ тізбегінің синтезінде – репликацияда ДНҚ негіздерінің тізбегін РНҚ-ға көшіретін РНҚ-полимеразалар. Құрылымдық және реттеуші ақуыздар ДНҚ нуклеотидтерінің тізбегінен тәуелсіз ақуыздар мен ДНҚ арасындағы өзара әрекеттесулердің жақсы зерттелген мысалдары құрылымдық ақуыздармен әрекеттесу болып табылады. Жасушада ДНҚ осы ақуыздармен байланысып, хроматин деп аталатын ықшам құрылымды құрайды. Эукариоттарда хроматин кіші сілтілі белоктардың – гистондардың ДНҚ-ға қосылуынан түзіледі, прокариоттардың аз реттелген хроматинінде гистон тәрізді ақуыздар болады; Гистондар диск тәрізді ақуыз құрылымын – нуклеосоманы құрайды, олардың әрқайсысының айналасында ДНҚ спиралының екі бұрылысы орналасады. Гистондар мен ДНҚ арасындағы бейспецификалық байланыстар гистондардың сілтілі аминқышқылдары мен ДНҚ-ның қант-фосфат магистралінің қышқылдық қалдықтары арасындағы иондық байланыстардың есебінен түзіледі. Бұл аминқышқылдарының химиялық модификацияларына метилдену, фосфорлану және ацетилдену жатады. Бұл химиялық модификациялар ДНҚ мен гистондар арасындағы өзара әрекеттесу күшін өзгертіп, транскрипция факторларына нақты тізбектердің қолжетімділігіне әсер етеді және транскрипция жылдамдығын өзгертеді. Хроматиндегі спецификалық емес тізбектермен байланысатын басқа белоктар көбінесе бүктелген ДНҚ-мен байланысатын гельдердегі жоғары қозғалғыштығы бар ақуыздар болып табылады. Бұл ақуыздар хроматиндегі жоғары ретті құрылымдардың қалыптасуы үшін маңызды. ДНҚ-байланыстырушы белоктардың ерекше тобы бір тізбекті ДНҚ-мен байланысатын белоктар. Адамдарда осы топтың ең жақсы сипатталған ақуызы репликациялық протеин А болып табылады, онсыз қос спиралдың босап шығатын процестерінің көпшілігі, соның ішінде репликация, рекомбинация және жөндеу болмайды. Бұл топтағы белоктар бір тізбекті ДНҚ-ны тұрақтандырады және діңгек-ілмектердің пайда болуына немесе нуклеазалардың деградациясына жол бермейді. Сонымен бірге басқа белоктар белгілі бір тізбектерді танып, оларға қосылады. Мұндай ақуыздардың ең көп зерттелген тобына транскрипция факторларының әртүрлі кластары, яғни транскрипцияны реттейтін белоктар жатады. Бұл белоктардың әрқайсысы көбінесе промотордағы әртүрлі тізбекті таниды және ген транскрипциясын белсендіреді немесе басады. Бұл транскрипция факторлары РНҚ-полимеразамен тікелей немесе аралық ақуыздар арқылы байланысқанда орын алады. Полимераза алдымен белоктармен байланысады, содан кейін транскрипцияны бастайды. Басқа жағдайларда транскрипция факторлары промоторларда орналасқан гистондарды өзгертетін ферменттерге қосыла алады, бұл ДНҚ-ның полимеразаларға қолжетімділігін өзгертеді. Арнайы тізбектер геномның көптеген орындарында болатындықтан, транскрипция факторының бір түрінің белсенділігінің өзгеруі мыңдаған гендердің белсенділігін өзгертуі мүмкін. Тиісінше, бұл белоктар көбінесе қоршаған ортаның өзгеруіне, организмнің дамуына және жасушалардың дифференциациясына жауап ретінде реттеледі. Транскрипция факторларының ДНҚ-мен әрекеттесу ерекшелігі аминқышқылдары мен ДНҚ негіздері арасындағы көптеген байланыстармен қамтамасыз етіледі, бұл оларға ДНҚ тізбегін «оқуға» мүмкіндік береді. Негізгі контактілердің көпшілігі негізгі ойыққа орналасады, мұнда негіздерге қол жетімді. ДНҚ-ны өзгертетін ферменттер Жасушада ДНҚ ықшам, аса ширатылған күйде болады, әйтпесе ол оған сыймайды. Өмірлік маңызды процестердің орын алуы үшін ДНҚ ашылуы керек, оны ақуыздардың екі тобы – топоизомеразалар мен геликазалар шығарады. Топоизомеразалар — нуклеазалық және лигазалық белсенділікке ие ферменттер. ДНҚ-дағы супер орамның дәрежесін өзгертеді. Бұл ферменттердің кейбіреулері ДНҚ спиралын кесіп, жіптердің біреуін айналдыруға мүмкіндік береді, осылайша супер орамның деңгейін төмендетеді, содан кейін фермент үзілісті қалпына келтіреді. Басқа ферменттер жіптердің бірін кесіп, екінші жіпті үзіліс арқылы өткізе алады, содан кейін бірінші жіптегі үзіндіні байлап алады. Топоизомеразалар репликация және транскрипция сияқты ДНҚ-ға байланысты көптеген процестерде маңызды. Хеликаздар — молекулалық қозғалтқыштардың бірі болып табылатын ақуыздар. Нуклеозидтрифосфаттардың химиялық энергиясын, көбінесе АТФ-ны негіздер арасындағы сутектік байланыстарды үзу үшін пайдаланады, қос спиралды жеке тізбектерге айналдырады. Бұл ферменттер ақуыздар ДНҚ негіздеріне қол жеткізуді қажет ететін көптеген процестер үшін маңызды. Нуклеазалар және лигазалар Жасушадағы рекомбинация және репарация сияқты әртүрлі процестер ДНҚ жіптерінің тұтастығын кесіп, қалпына келтіре алатын ферменттерді қамтиды. ДНҚ-ны кесетін ферменттер нуклеазалар деп аталады. ДНҚ молекуласының ұштарындағы нуклеотидтерді гидролиздейтін нуклеазалар экзонуклеазалар деп аталады, эндонуклеазалар тізбектің ішінде ДНҚ-ны кесіп тастайды. Молекулалық биологияда және гендік инженерияда ең жиі қолданылатын нуклеазалар — рестрикциялық эндонуклеазалар (шектеу ферменттері), ДНҚ-ны белгілі бір тізбектерге жақын кесіп тастайды. Мысалы, EcoRV ферменті («E. coli' ден №5 шектеуші фермент) алты нуклеотидті 5'-GAT|ATC-3 тізбегін таниды және ДНҚ-ны тік сызықпен көрсетілген жерде кеседі. Табиғатта бұл ферменттер бактерия жасушасына енгізілген кезде фагтың ДНҚ-сын кесу арқылы бактерияларды бактериофагтармен инфекциядан қорғайды. Бұл жағдайда нуклеазалар модификация-шектеу жүйесінің бөлігі болып табылады. ДНҚ лигазалары ДНҚ фрагменттерінің ұштарын «байланыстырады», АТФ энергиясын пайдаланып фосфодиэфирлік байланыстың түзілуін катализдейді. Рестрикциялық нуклеазалар мен лигазалар клондау және саусақ іздерін алуда қолданылады. Полимеразалар Сонымен қатар нуклеозидтрифосфаттардан полинуклеотидтік тізбектерді синтездейтін ДНҚ метаболизмі үшін маңызды ферменттер тобы – ДНҚ полимеразалары бар. ДНҚ тізбегіндегі алдыңғы нуклеотидтің 3' гидроксил тобына нуклеотидтерді қосады, сондықтан барлық полимеразалар 5'-->3' бағытта жұмыс істейді. Бұл ферменттердің белсенді орталығында субстрат — нуклеозидтрифосфат — бір тізбекті полинуклеотидтік тізбектің бөлігі ретінде комплементарлы негіз — үлгісімен жұптасады. ДНҚ репликация процесі кезінде ДНҚ-ға тәуелді ДНҚ полимераза бастапқы ДНҚ тізбегінің көшірмесін синтездейді. Бұл процесте дәлдік өте маңызды, өйткені полимерлеудегі қателер мутацияға әкеледі, сондықтан көптеген полимеразалардың қателерді түзету мүмкіндігі бар. Полимераза дұрыс емес нуклеотидтер арасындағы жұптаудың болмауы арқылы синтездегі қателерді таниды. Жұптаудың жоқтығы анықталғаннан кейін полимеразаның 3'-->5' экзонуклеаза белсенділігі белсендіріледі және дұрыс емес негіз жойылады. Көптеген организмдерде ДНҚ полимеразалары реплисома деп аталатын үлкен кешен ретінде әрекет етеді, оның құрамында көптеген қосымша суббірліктер бар, мысалы, спиральдар. РНҚ-ға тәуелді ДНҚ-полимеразалар – РНҚ тізбегін ДНҚ-ға көшіретін полимеразаның мамандандырылған түрі. Бұл түрге ретровирустарда болатын және жасуша инфекциясында қолданылатын кері транскриптаза, сондай-ақ теломерлердің репликациясына қажетті теломераза жатады. Теломераза ерекше фермент, өйткені оның құрамында өзінің хабаршы РНҚ бар. Транскрипция бір тізбектің ДНҚ тізбегін мРНҚ-ға көшіретін ДНҚ-ға тәуелді РНҚ-полимераза арқылы жүзеге асады. Ген транскрипциясының басында РНҚ полимераза промотор деп аталатын геннің басындағы тізбегіне қосылып, ДНҚ спиралын босатады. Содан кейін ол ген тізбегін хабаршы РНҚ-ға көшіреді, геннің соңындағы ДНҚ бөліміне – терминаторға – жеткенше тоқтайды және ДНҚ-дан ажыратады. ДНҚ-тәуелді адам ДНҚ-полимеразасы сияқты, адам геномындағы гендердің көпшілігін транскрипциялайтын РНҚ-полимераза II реттеуші және қосымша бірліктерді қамтитын үлкен ақуыз кешенінің бөлігі ретінде әрекет етеді. Генетикалық рекомбинация ДНҚ қос спиралі әдетте ДНҚ-ның басқа сегменттерімен әрекеттеспейді, ал адам жасушаларында әртүрлі хромосомалар ядрода кеңістікте бөлінеді. Әртүрлі хромосомалар арасындағы бұл қашықтық ДНҚ-ның ақпараттың тұрақты тасымалдаушысы ретінде әрекет ету қабілеті үшін маңызды. Ферменттердің көмегімен рекомбинация процесінде екі ДНҚ спиралі бұзылады, секциялар алмасады, содан кейін спиральдардың сабақтастығы қалпына келеді, сондықтан гомологты емес хромосомалардың бөлімдерінің алмасуы генетикалық материалдың тұтастығын бұзуы мүмкін. Рекомбинация хромосомаларға генетикалық ақпарат алмасуға мүмкіндік береді, нәтижесінде гендердің жаңа комбинациялары пайда болады, бұл табиғи сұрыпталудың тиімділігін арттырады және жаңа белоктардың жылдам эволюциясы үшін маңызды. Генетикалық рекомбинация да қалпына келтіруде, әсіресе ДНҚ тізбегінің екі тізбегіндегі үзілістерге жасушаның жауап беруінде де маңызды рөл атқарады. Кроссинговердің ең көп тараған түрі гомологиялық рекомбинация болып табылады, рекомбинацияға қатысатын хромосомалардың реті өте ұқсас болған кезде. Кейде транспозондар гомология аймақтары ретінде әрекет етеді. Гомологиялық емес рекомбинация жасушаның зақымдалуын тудыруы мүмкін, себебі мұндай рекомбинация транслокацияға әкеледі. Рекомбинация реакциясы Кре сияқты рекомбиназалар деп аталатын ферменттермен катализденеді. Рекомбиназа реакцияның бірінші сатысында ДНҚ тізбектерінің бірінде үзіліс жасап, бұл тізбектің комплементарлы тізбектен бөлініп, екінші хроматидтің жіптерінің біріне қосылуына мүмкіндік береді. Екінші хроматидтің тізбегіндегі екінші үзіліс оның да бірінші хроматидтен қалған жұпталмаған жіпті бөліп алып қосылуына мүмкіндік береді, бұл Холлидей құрылымын құрайды. Холлидей құрылымы бір-бірімен байланысқан жұп хромосомалар бойымен қозғала алады, тізбектерді ауыстырады. Рекомбинация реакциясы фермент қосылысты кесіп, екі жіпті байлағанда аяқталады. ДНҚ негізіндегі метаболизмнің эволюциясы ДНҚ-да барлық заманауи организмдер үшін өмірді, өсуді, дамуды және көбеюді мүмкін ететін генетикалық ақпарат бар. Дегенмен, Жердегі тіршіліктің төрт миллиард жылдық тарихында қанша уақыт бойы ДНҚ генетикалық ақпараттың негізгі тасымалдаушысы болғаны белгісіз. РНҚ метаболизмде орталық рөл атқарды деген гипотезалар бар, өйткені генетикалық ақпаратты тасымалдай алады және рибозимдердің көмегімен катализді жүргізе алады. Сонымен қатар, РНҚ «ақуыз фабрикаларының» — рибосомалардың негізгі компоненттерінің бірі болып табылады. Нуклеин қышқылы катализ бен ақпаратты тасымалдау үшін пайдаланылған ежелгі РНҚ әлемі қазіргі төрт негізді генетикалық кодтың көзі болған болуы мүмкін. Бұл организмдегі негіздердің саны репликацияның сенімділігін арттыратын негіздердің аз саны мен рибозимдердің каталитикалық белсенділігін арттыратын негіздердің көп саны арасындағы ымыраға байланысты болуы мүмкін. Ежелгі генетикалық жүйелер бүгінгі күнге дейін сақталмаған. Қоршаған ортадағы ДНҚ орта есеппен 1 ​​миллион жыл сақталады, бірте-бірте қысқа фрагменттерге айналады. 250 миллион жыл бұрын тұз кристалдарына енген бактериялық споралардан ДНҚ алу және 16S рРНҚ генінің тізбегін анықтау ғылыми қоғамдастықта қызу пікірталас тақырыбы болып табылады. 2023 жылғы ең көне ДНҚ жасы 2 миллион жылдан асқан ДНҚ болып саналады. Тағы қараңыз * Информосомалар Дереккөздер