Лекция 1.

Молекулалық биология пә ні. Молекулалық биологияның қ ысқ аша тарихы жә не даму этаптары

Жоспары:

1. Биология ғ ылымы саласында молекулалық биология пә нінің ролі жә не оның алатын орны.

2. Белоктар жә не нуклеин қ ышқ ылдары - молекулалық биологияның зерттеу обьектісі ретінде.

3. Ө мір сү ру процестеріндегі тірі материя қ ұ рылымында нуклеин қ ышқ ылдарының жә не белоктың маң ызы.

4. ДНҚ молекуласының биспиральды ү лгісінің қ ұ рылуы жә не комплементарлық принциптің ашылуы - қ азіргі биологияның негізгі жетістігі.

Лекция мә тіні:

Молекулалық биология тіршілікті, ө мірдің негізгі қ асиеттері мен кө ріністерін молекулалық дең гейде зерттейді. Молекулалық биологияның негізгі бағ ыттарына клетканың генетикалық аппаратының қ ұ рылымдық -қ ызметтік ұ йымдастырылуын зерттеу, тұ қ ым қ уалаушылық ақ параттың жү зеге асу механизмдерін зерттеу(молекулалық генетика) вирустардың клеткалармен қ арым қ атынасын ә рекеттесуін зерттеу(молекулалық вирусология) организмнің иммундық реакцияларының заң дылық тарын зерттеу(молекулалық иммунология)организмнің жеке даму барысында клеткалардың ә ртү рлі сапалық ө згерістерге ұ шырауы мен мамандану заң дылық тарын зерттеу(дамудың молекулалық биологиясы) т.б. бағ ыттар жатады. Молекулалық биологияның негізгі зерттеу обектілеріне вирустар, (бактериофаг) клеткалар мен субклеткалық қ ұ рылымдар (ядро, митахондрия, рибосома, хромосома, клеткалық мембрана) жә не макромолекулалар белоктар мен нуклеин қ ышқ ылдары жатады.

Молекулалық биологияның қ алыптасуына клаcсикалық генетиканың, микробиологияның, вирусологияның идеялары мен ә дістері, нақ ты ғ ылымдар: физика, химия, математика, кристалография(ә сіресе рентген қ ұ рылымдық анализ)жетістіктерін пайдалану ү лкен роль атқ арды

Молекулалық биологияның жетістіктеріне мыналар жатады.

А) кейбір белоктардың қ ұ рылымын анық тап, оны атқ аратын қ ызметімен байланыстыру.(М.Перутц.Дж Кендрю, Ф.Сенгер, К.Анфинсен).

Б) Нуклеин қ ышқ ылдары мен рибосомалардың қ ұ рылымы мен биологиялық қ ызметін анық тау(Дж Уотсон.Ф.Крик, Р.Холли т.б.)

В) Генетикалық кодтың шифрын анық тау (М.Ниренберг, С. Очоа)

Г) Кері транскриптазаның ашылуы(Х.Темин, Д.Балтимор).

Д) Белок жә не нуклеин қ ышқ ылы молекулаларының биосинтезі механизмдерінің негізгі кезең дерін анық тау.(Ф.Жакоб, Ж.Моно, А.Корнберг).

Е) Вирустардың қ ұ рылымын жә не репликация механизмдерін анық тау, генетикалық инженерия ә дістерін жасақ тау (П.Берг, В. Арбер, Г.О.Смит, Д. Натонс).

Ж) Ген синтезі (Х.Корона).

Кең ес одағ ы ғ алымдары молекулалық биологияғ а сү белі ү лес қ осты. Мысалы Н.К. Кольцов биополимерлердің матрицалық синтезі принциптерін негіздеді.

В.А.Энгельгард биоэнергетика мен механохимияның негіздерін қ алады.

А.А Зильбер қ атерлі ісіктің туындауын вирусогенетикалық теориясын тұ жырымдады А.А Баев РНК дағ ы нуклеотидтер кезектілігін анық тады.А.С. Спирин информосомаларды ашып зерттесе оның шә кірті қ азақ ғ алымы Айтқ ожин ө сімдіктердегі информосаларды ашты.

Молекулалық биологияның практикалық жә не теориялық маң ызы ө те ү лкен.

Шырышты қ абығ ы жоқ вирулентті емес бактериялар мутация арқ ылы пайда болады. Олар қ оректік ортада кедір-бұ дыр колонналар (R- штамм) тү зеді. Тышқ андарғ а осындай бактерияларды енгізсе, онда олар фагоцитоз нә тижесінде бактериялық клеткаларды жойып, тірі қ алады.

Бірақ вирулентті S-бактерияларымен инъекцияланғ ан тышқ андар ө кпесінің қ абынуынан ө леді, ө йткені бұ л бактериялардың сыртын ө здері сиптездейтін шырышты қ абық жабады. Ал, алдын ала қ ыздыру арқ ылы ө лтірілген S-бактериясымен (шырышты қ абығ ынан айырылғ ан) инъекцияланғ аи тышқ андар да тірі қ алады.

Ф. Гриффитс тышқ андарғ а пневмококтың R-штамын жә не қ ыздыру арқ ылы капсуласынан айырылғ ан S -штамын бірге инъекциялайды. Бұ л арада, кү ткен нә тиженің — тышқ андардың тірі қ алуының орнына, олардың барлығ ы ө ліп қ алды. Пневмониядан ө лген тышқ андардан шырышты қ абығ ы бар S -вирулентті штамм бө лініп алынды. Демек, S -штамының вируленттік қ асиетін анық тайтын зат R-штамына ө тетіні анық болды. Осыдан келіп, Гриффитс вирулентті емес S–штамм, вирулентті штамғ а ауыса (трансформациялана) алады деген қ орытынды жасады. Қ ұ былыстың ө зі трансформация деп, ал бактерияның қ асиетін ө згертетін зат — трансформациялаушы фактор деп аталады.

Кө п жылдар бойы трансформациялаушы фактор жә не оның субстанциясы жұ мбақ болып келді. Тек 1944 ж. американ бактериологтары О. Эвери, К. Мак-Леод жә не М. Мак-Карти трансформациялаушы фактор яғ ни тұ қ ым қ уалау қ асиетін ө згерте алатын зат — ДНҚ екендігін атап кө рсетті. Олар ө сіп жатқ ан R-бактериялар себіндісіне (культурасына) S--штамнан тазартылып алынғ ан ДНҚ қ осылса, кейбір к-бактериялар полисахаридті қ абық тү зетінін байқ ады Кейін Эвери жә не оның қ ызметкерлері трансформациялаушы фактор тек дезоксирибонуклеаза ферментінің ә серінен жойылатынын нақ ты деректерімен кө рсетті, ал бұ л ферменттің тек ДНҚ молекуласын ғ ана ажырататыны бұ рыннан белгілі болатын.

Сонымен О. Эвери ө з қ ызметкерлерімеи бірге бактериялардың жаң а қ асиеті ДНҚ -ғ а байланысты, яғ ни, тірі организмде генетикалық информацияғ а ДНҚ жауапты деген қ орытындығ а келді. Бірақ олар ашқ ан жаң алық тың іргелі мә н-мағ ынасы ә р тү рлі себептермен ө з уакытында бағ аланбады. Біріншіден, ДНҚ -ны химиялық қ ұ рылымы айқ ын емес еді: ДНҚ — химиялық тұ рғ ыдан жеткілікті тү рде кү рделі ұ йымдастырылмағ ан қ осылыс, сондық тан да ол ө сімдіктер мел жануарлардың ө суіне қ ажет орасан кө п информацияны ө зіне сақ тай алмайды, екіншіден, белоктың қ ұ рылысы ө те кү рделі, сондық тан да болар, сол кезде гендер белоктан тұ рады деген пікір қ алыптасқ ан еді. Ақ ырында, бактерия мен жоғ ары сатыдағ ы организмдердіц генетикалық информациясының жалпы принциптері бірдей деп қ аралмады. Осығ ан байланысты бактерияларда тұ қ ым қ уалайтып зат — ДНҚ, ал жануарлар мен ө сімдіктерде басқ а зат болар деген жорамал айтылды.

Тұ қ ым қ уалауда ДНҚ -ның басты роль атқ аратынын 1952 ж. А. Херши мен М. Чейз бұ лтартпай дә лелдеп берді. Олар тә жірибені Т2 бактериофагына жү ргізді. Бұ л вирус ДНҚ -дан жә не белок қ абығ ынан тұ рады. Фагтың белокты қ абығ ы радиоактивті кү кіртпен (S³⁵), ал ДНҚ -сы радиоактивті фосформен (Р³²) белгіленді. Бактерияны радиоактивті элементтермен белгіленген фагтармен жұ қ тырғ анда фосфордың клеткағ а енгені, ал кү кірт оның сыртында қ алғ аны байқ алды. Бактерия клеткаларыпда кө птеген жаң а, пісіп жетілген фагтар пайда болды Бұ дан бактерияғ а фаг ДНҚ -сы ө теді, жаң адан тү зілгеп фагтардың барлық қ асиеттері ДНҚ -ның бақ ылауында болады деген қ орытынды жасауғ а болады.

Сол кездерде бұ л қ ұ пияны — ДНҚ қ ұ рылымын шешу — ғ алымдар арасында қ ызу бә секе тудырды. Алайда ДНҚ қ ұ рылымының кең істіктегі моделін бірінші болып 1953 ж. Дж. Уотсон мен Ф. Крик ұ сынды.

1952 жылы Р. Франклин жә не М. Уилкинс ДНҚ -ның жоғ арғ ы сапалы рентгенограммасын тү сірді.

Осы рентгенструктуралық талдаудың жә не ДНҚ -ның химиялық қ ұ рамын біле отырып, 1953 жылы Д. Уотсон жө не Ф. Крик оның молекулалық моделін қ ұ растырды. Бү л биология тарихындағ ы ең ү лкен жаң алық тың бірі болып табылады. Ол аденин мен тиминнің, гуанин мен цитозиннің бір-бірімен байланысы химияның заң дылығ ына еш қ айшы келмейтінін анық тады. Мұ ндай модель Чаргаффтың зандылығ ына сай келді.

Модель бойынша ДНҚ молекуласы қ ос тізбектерден қ ұ рылғ ан. Оралмағ а оралғ ан екі тізбек бір-бірімен азотты негіздер арасында пайда болатын сутекті байланыстар арқ ылы жалғ асады. Ә детте бір тізбектегі аденинге екі сутекті байланыс арқ ылы екінші тізбекте ә рқ ашанда тимин, гуанинге цитозин сә йкес келеді (А-Т, Г-Ц). Осындай бір-бірін толық тыра алатын, яғ ни ө зара сә йкес келетін тізбектер комплементарлы деп аталады. Оралмадағ ы ә рбір пурин не пиримидин негізі дезоксирибозамен байланысып, нуклеозида қ ұ райды. Нуклеозидалар бір-бірімен фосфодиэфир байланысы арқ ылы қ осылады. Табиғ и ДНҚ -да фосфодиэфир байланысы дезоксирибозаның ү шінші жә не бесінші кө міртектері арасында пайда болады, сол себептен ол 3'—5' байланысы деп аталады. ДНҚ тізбектері бір-бірімен антипараллелъді: қ ос спиральдің ө сі б-йымен ойша бағ ыт алсақ, онда біз 3'—5' нуклеотидаралық байланыстан 5'—3' байланысына қ арай ө теміз яғ ни тізбектіц бағ ыты қ арама-қ арсы

ДНҚ оралма ө сінің айналасында ә рбір негіз жұ бы келесі негіздер жұ бына 36°-қ а айналғ ан. Сонда негіздердің 10 жұ бы 360°-қ а толық айнальш жатады. Қ ос оралма диаметрі шамамен 20 нанометрге тең (1 нм-10~⁹ м). ДНҚ -ның оралмасында науашық тар бар: кіші (екі 12А°-ге жуық) жә не ү лкен (екі 22 А°-ге жуық). ДНҚ -ның қ ос оралмасы оң жақ ты: оралма ө сін бойлап қ араса, оның айналымы сағ ат тілінің жолына сә йкес келеді. ДНҚ -ның осындай стандартты Уотсон-Крик моделі В — форма деп аталады. Полинуклеотидтің кристалдарын (олигопуклеотид деп аталынатын қ ысқ а тізбектер рентгенограммалары) зерттеу нә тижесінде оң жақ ДНҚ -ның басқ а тү рлері (А жә не С — формалар) жә не сол жақ қ а айналғ ан формаларының бар екендігі анық талды.

X. Резерфордтың атомның қ ұ рылысын ашуы адамзатқ а шексіз энергия кө зін берсе, Уотсон-Крик жә не Уилкинстердің ДНҚ -ның қ ұ рылысын ашуы организмге жаң а қ асиет бере алатын ген инженериясының ә дісін ашты.