Лекция 3

Жоспары:

Нуклеин қ ышқ ылдары: ДНҚ, ДНҚ -ның макромолекулалы қ ұ рылымы

1.Нуклеин қ ышқ ылдары: ДНҚ, РНҚ. Олардың жалпы сипаттамасы.

2.Нуклеин қ ышқ ылдарының қ ұ рылымы. Пуринді жә не пиримидинді негіздер. Кө мірсулы компоненттер. Нуклеозидтер. Нуклеотидтер.

3. ДНҚ -ның бірінші реттік қ ұ рылымы. Ә р тү рлі организмдердегі ДНҚ -ның нуклеотидтік қ ұ рамы.

4.ДНҚ -ның макромолекулярлы қ ұ рылымы.

5.ДНҚ -ның қ осспиралды қ ұ рылымының биологиялық маң ызы.

6.ДНҚ -ның В-, А- жә не Z -формалары. ДНК денатурациясы

Лекция мә тіні:

Эукариотты организмдерде ДНК негізінен клетка ядрларында локализацияланғ ан; прокариоттарда ол бактериалық клетканың бү кіл хромосомасы болатын ә жептеуір жинақ талғ ан нуклеоид қ ұ райды.Митохондриялар жә не хлоропластар сияқ ты клетка органеллаларының ө здерінің дербес ДНК-сы болады.Одан бө лек кө птеген прокариот жә не тө менгі эукариоттар цитоплазм асында хромосомадан тыс ДНК-лар — плазмидалар болады.

Рибосомалық, транспорттық жә не ақ параттық РНК-лар про- жә не эукариот кле­ткаларында цитоплазмада локализацияланғ ан жә не сонда қ ызмет атқ арады. Эукариоттарда олар клетка ядрасында синтезделеді, ядрода олардың бастамаларын табуғ а болады.Сонымен бірге клетка ядрасында жә не цитоплазмасында кіші ядролық РНК-лар болады. ДНК немесе РНК-ны қ ұ рылымдық зерттеу алдында оларды клеткадан бө ліп алып, тазалап, одан соң фракциялау қ ажет. Нуклеин қ ышқ ылдары клеткада практика жү зінде ә рқ ашанда белоктармен комплексте болатындық тан(яғ ни нуклеопротеидтер тү рінде)оларды бө ліп алу негізінен белоктардан тазартуғ а (депротеиндеуге) саяды.Кө бінесе нуклеин қ ышқ ылдарын клетка гомогенаттарынан немесе тазартылғ ан клетка органеллаларынан фенол —жү йесінде иондық детергенттер (мысалы натри й додецилсульфаты) қ атысында экстракциялайды. Бұ л кезде белоктар мен басқ а да клеткалық компоненттер органикалық фазағ а ө теді, ал нуклеин қ ышқ ылы су фазасында қ алады.Сулы ерітіндіден нуклеин қ ышқ ылдарын спиртпен тұ ндырады.

Нуклеин қ ышқ ылдарын фракциялық бө лу ә дістерінің ішінде ең кең таралғ аны гельдегі электрофорез ә дісі.Бұ л ә дісті қ олданғ анда кез келген ДНК немесе РНК-ны дербес кү йінде алуғ а болады

Нуклеин қ ышқ ылдарының қ ұ рылымы.

Нуклеин қ ышқ ылдары биологиялық полиме­рлер класына жатады.Сондық тан ДНК жә не РНК –ның біріншілік қ ұ рылымы тү сінігіне олардың мономерлік қ алдық тарының қ ұ рылысы, мономераралық ковалентті байланыстардың химиялық табиғ аты, полимер тізбектегі мономер звенолардың кезектесіп орналу тә ртібі жатады.

Нуклеозидтер мен нуклеотидтер

ДНК мен РНК-ның мономер буындарына нуклеотид қ алдық тары жатады. Нуклеотидтер — бұ л нуклеозидтердің фосфорлы эфирлері, ал олар ө з кезегінде кө мірсу қ алдығ ы — пентозадан жә не гете­роциклдік негізден тұ оады.

РНК-ның қ ө мірсу қ алдығ ына D-рибоза, алДНК— ның қ ө мірсу қ алдығ ына В-дезоксирибоза жатады.Нуклеозидте кө мірсу қ алдығ ы мен гете­роциклдік негіз арасындағ ы байланыс негіздегі азот атомы, яғ ни N-гликозидтік байланыс арқ ылы жү зеге асады. Сонымен ДНК мен РНК-дағ ы нуклеозид қ алдық тары N-гликозид класына жатады.

Гете­роциклдік негіздерден ДНК-да екі пурин: аденин мен гуанин — жә не екі пиримидин: тимин мен цитозин болады. РНК-да тиминнің орнында урацил кездеседі.Сонымен қ атар Кроме того, ДНК мен РНК-да минорлы деп аталатын нуклеотид қ алдық тары кездеседі олар кә дімгі нуклеотидтердің негіздер немесе кө мірсу қ алдығ ы бойынша орынбасарлары болып табылады.Олардың ү лесі нуклеин қ ышқ ылдарының тү ріне қ арай проценттің оннан бірінен оншақ ты процентке дейін

Нуклеотидаралық байланыс. Нуклеазалар

Нуклеин қ ышқ ылдарында мономер қ алдық тар бір бірімен " фосфодиэфирлі байланыстармен” байланысқ ан болып келеді. ДНК-да да, РНК-да да бұ л байланыс бір нуклеозидтің З'-ОН тобы мен екінші нуклеозидтің 5'-ОН тобы арасында тү зіледі.Сондық тан нуклеозидаралық байланысты 3'—5'-фосфодиэфирлі байланыс деп атайды. Бұ дан келіп шығ атыны ДНК мен РНК-ның, что полинуклеотидтік тізбектері полярлы жә не оның ұ штары бірдей емес егер де ұ шы фосфорилденбеген п-линуклеотидті қ арастырсақ оның бір ұ шында 5'-ОН, ал екінші ұ шында — З'-ОН болады.Осы ұ штарды тізбектің 5'- жә не 3'-ұ штары деп атайды.

Нуклеотидаралық байланыстың салдарынан келіп, нук­леин қ ышқ ылдары тармақ талмағ ан полимерлер екендігін кө реміз.Тек ө те сирек жағ дайларда ғ ана (РНК биосинтезінің аралық ө німдеріне ғ ана қ атысты) нуклеотид қ алдық тарының 2'-гидроксил тобы қ осымша фосфодиэфирлі байланыс тү зуге қ атысуы мү мкін.

Фосфодиэфир байланысының беріктігіне С2'-атоме рибозаның С2'-атомында ОН тобының болу болмауы қ атты ә сер етеді. Мысалы РНК-дағ ы нуклеотидаралық байланыстар ДНК-ғ адағ ы қ арағ анда ә жептеуір лабилді болады.

Клеткада ДНК мен РНК-дағ ы нуклеотидаралық байланыстар ерекше класс ферменттері нуклеазалар арқ ылы ү зіледі. Бұ л класс ө кілдері бір бірінен ә сер ету механизмі жә не арнайылығ ы бойынша ажыратылады.Нуклеазалар ішінен рестрикция эндонуклеазларын (рестриктазалар) ерекше атап ө тсе болады.Бұ л ферменттер ДНК молекулаларында жеке нук­леотидтық қ алдық тарды емес, бес немесе алты нуклеотид қ алдық тарынан тұ ратын тізбектерді таниды, сондық тан кез келген ДНК-ны салыстырмалы тү рде азғ ана фрагменттерге бө леді

ДНК мен РНК макромолекулаларының кең істіктік ұ йымдастырылуы олардың нуклеотидтік кезектілігімен анық талады, жә не екінші, ү шінші реттік қ ұ рылымдармен сипатталады..

Нуклеин қ ышқ ылдарының екінші реттік қ ұ рылымы нуклеотидтік тізбектердегі кө рші мономер буындар арасындағ ы ә рекеттесу арқ ылы тү зіледі, ал екі жақ ты спираль молекулалар немесе молекулалар учаскелері болғ ан жағ дайда екі жақ ты спиральда бір біріне қ арама қ арсы тұ рғ ан нуклеотид қ алдық тары арасындағ ы ә рекеттесулер арқ ылы тү зіледі.

Нуклеин қ ышқ ылдарының ү шінші реттік қ ұ рылымы олардың екінші, реттік қ ұ рылымдарының ә ртү рлі элементтеріне жататын нуклеотид қ алдық тарының арасындағ ы ә рекеттесулер есебінен ұ йымдастырылады.

ДНК-ның макромолекулалық қ ұ рылымы

1953 жылы Дж. Уотсон мен Ф. Крик, нуклеин қ ышқ ылдарының мономер қ алдық тарының қ ұ рылымы туралы деректерге жә не Э. Чаргафф ашқ ан комплементарлық ережесіне, (кез келген ДНК-дағ ы аденин мө лшері Тимин мө лшеріне ал, гуанин мө лшері — цитозин мө лшеріне тең А = Т, G=C), сү йене отырып ДНК –ның псевдокристал­лды формасының рентгено­граммасының шифрын шешті.Олардың мо­делі бойынша, ДНК молекуласы ортақ остен бір бірімен оралып жатқ ан екі полинуклеотид тізбегінен тұ ратын дұ рыс спираль болып табылады. Спиральдің диаметрі оның ұ зына бойына тұ рақ ты жә не 1, 80 нм-ғ а тең. Спиральдің сә йкестік периодына тең болатын айналым ұ зындығ ы шамамен 3, 40 нм қ ұ райды. Спиральдің бір айналымына бір тізбектегі 10 нуклеотид қ алдығ ы сә йкес келеді.Сонымен спираль осі бойындағ ы нуклеотид аралық қ ашық тық 0, 34 нм-ге тең

Спиральдің тұ рақ тылығ ын сақ тау(регулярность)ү шін бір тізбектегі пуриндік негіздің қ арсысында міндетті тү рде екінші тізбекте пиримидинді негіз болуы шарт.спирали необходимо. Дж. Уотсон мен Ф. Крик бұ л талап А негізі Т негізімен сутектік байланыспен байланысқ ан жұ п, aл G болса С негізімен сутектік байланыспен байланысқ ан жұ п қ ұ рғ анда ғ ана орындалатынын тапты.

ДНК –қ ос спираліндегі комплементарлы негіздер основания бір жазық тық та жатады, жә не де бұ л жазық тық спиральдің негізгі осіне ә рқ ашан перпендикуляр жазық тық та жатады. ДНК-дағ ы кө рші негіздер жұ бы біріне қ атысты бірі 36⁰ бұ рыш жасап жатады

Молекуланың кө мірсуфосфатты қ аң қ асы сыртта жатады. Спираль айналу нә тижесінде оның беткейінде екі науашық тарлар тү зіледі, ү лкенінің ені 2, 20 нм кішісінің ені 1, 20 нм. Спираль — оң жақ ты бұ рылғ ан, ал ондағ ы полинук-леотид тізбектері антипараллель болады.Бұ л, егерде спиралы осі бойынша бір басынан екінші басына бағ ытталса онда бір тізбекте фосфодиэфир байланыстары 3'-*-5', ал екінші тізбекте фосфодиэфир байланыстары 5'—*-3' бағ ытында болатынын кө рсетеді'. Басқ а сө збен айтқ анда ДНК –ның сызық тық молекуласының бір ұ шында 5'-ұ ш ал екінші ұ шында З'-ұ ш болады.

Кейінірек Уотсон мен Крик моделі екі жақ ты спиральдің бірнеше формасының бірін ғ ана атап айтқ анда в-форма деп аталатын формасын ғ ана сипаттайтана белгілі болды.Бұ л екі жақ ты спиральдік ДНК-ның негізгі формасы, клеткадағ ы ДНК молекулаларының кө пшілігі осындай тү рде кездеседі.

ДНК-ның В-формасын жә не оның басқ а формаларына ө ту заң дылық тарын сипаттау ү шін нуклеин қ ышқ ылдарының мономер звеноларының қ ұ рылымын жә не екі жақ ты спиральдің тү зілуіне алып келетін молекулааралық ә рекеттесулерді қ арастырайық

Нуклеин қ ышқ ылдарының қ ұ рамына кіретін барлық 5 гетероциклдік негіздердің жазық конформациясы болады. Ал рибоза мен дезоксирибоза ү шін жазық конформация (С1, С2, СЗ', С4' жә не оттегі гетероатомы бір жазық тық та жатқ ан жағ дай) энергетитикалық тиімсіз. Теориялық мү мкін болатын конформациялардың ішінен бұ л қ алдық тарда тек екі тү рлі конформация жү зеге асады: не С2''-эндо-, немесе СЗ'-эндо-конформациялар (сә йкес S- немесе N-конформациялар деп те аталады).

Нуклеотид буынының кең істіктік қ ұ рылымының маң ызды параметрі –кө мірсу мен негіз қ алдық тарының ө зара орналасуы. Нуклеозид жә не нуклеотид конформацияларының теориялық анализі жә не рентгенқ ұ рылымдық зерттеулер кө рсеткендей, бұ л жерде рұ қ сат етілген конформациялардың ішінде син-жә не аняш-конформациялар деп аталатын екі облысы болады.

ДНК –ның кең істіктік қ ұ рылымын зерттеудің бастапқ ы кезең дерінде –ақ, сыртқ ы жағ дайлар ө згергенде екі жақ ты уотсон-криктік, яғ ни В-формадан ө згеше болатындығ ы анық талды. Рентгенқ ұ рылымдық анализге даярланғ ан препарат ү лгілерінің ылғ алдылылығ ы ө згергенде немесе ерітіндіде судың белсенділігі ө згергенде (мысалы спирт қ осқ анда) ДНК А-форма деп аталатын формағ а ауысады.Бұ л ауысу кө мірсу қ алдығ ының конформациясының ө згеруіне байланысты. Егер де ДНК-ның В-формасында дезоксирибоза қ алдығ ы С2'-эндо-конформация кү йінде болса, А-формағ а ө ткенде ол СЗ'-эндо-конформация кү йіне ө теді.Бұ л фосфат топтарының арасындағ ы ара қ ашық тық тық азаюына, сондық тан да спираль осі бойындағ ы нуклеотид жұ птарының арасындағ ы ара қ ашық тық тық тың азаюына алып келеді. (шамамен бір спираль айналымына 11 нуклеотид қ алдық тары 0, 25нм).

Спиральдің диаметрі ү лкейіп науашық тардың ені мен терең дігі ө згереді негіздер жұ птары спираль осімен 20°-тай бұ рыш тү зеді, ең бастысы спиралтдің шетіне ығ ысқ ан болады.Осының нә тижесінде спираль қ алақ шалы баспалдақ қ а ұ қ сас болып, оның ішінде диаметрі 0, 40 нм қ уыс тү зіледі.

ДНК –ның А- жә не В-формаларының екеуінде де спираль оң жақ қ а оратылғ ан.

Кейінірек сол жақ қ а оратылғ ан спиральді ДНК-лар да табылғ ан

Ең алғ аш ретсол жақ қ а оратылғ ан спиральді ДНК-лар d(GC)_n полинуклеотидтерінде байқ алғ ан. Поли-(dG-dC) нуклеотидтер ө зара комплементарлы жә не тө мен иондық кү ші бар ерітінділерде оң екі жақ ты спиральдар тү зеді. Тұ здардың жоғ ары концентрациясында немесе спирт қ осқ анда бұ л екі жақ ты спираль сол Z-формағ а ө теді. ДНК-ның Z-формасының ДНК in vivo жағ дайында болу –болмауы ә лі.

ДНК денатурациясы мен ренатурациясы

ДНК макромолекулалық қ ұ рылымын стабилдейтін молекулаішілік ә рекеттесулердің маң ызды ерекшелігіне кооперативтілік қ асиеті жатады.

Ком­плементарлы гомополинуклеотидтерден тұ ратын екі жақ ты спиральдар ү шін бұ л денатурация кезінде (мысалы жоғ ары температуралық) спираль қ ұ рылымдардың барлық звенолары бұ зылады деген сө з. Мұ ндай процесті екі жақ ты спиральдің балқ уы деп атайды.Оны балқ у қ исығ ы арқ ылы сипаттайды, балқ у қ исығ ы ө з кезегінде балқ у температурасымен Т_т жә не екі жақ ты спиральдің бұ зылуы жү ретін интервалмен сипатталады. Тек қ ана AT- жә не тек қ ана G-C жұ птардан тұ ратын екі жақ ты спиральдердің Т_т арасында 40 ⁰С айырмашылық болады.Сондық тан табиғ и А-Т-жә не G-C жұ птарына бай ДНК-лардың балқ у қ исығ ының сипаты молекуланың ұ зына бойындағ ы учаскелердің таралуына байланысты болады. Мұ ндай ДНК денатурациясы кезінде жеке ұ зын сегменттердің бірге (коопе­ративті) балқ уы жү реді.

ДНК-ның молекулалық массасы ерітіндідегі фосфат топтарының теріс зарядтарын жауып қ алатын (экрандайтын) катиондар концентрациясына байланысты болады сондық тан кө птеген катиондар ү шін олардың концентрациясы ө скен сайын Т_т де ө седі.