2. Белок синтезін генетикалық бақылау

Белок синтезінің механизмі. Код туралы мәліметтер алынған соң белок синтезінде ДНК қандай роль атқарады деген сүрақ туды.

■Ген — ДНК учаскесі — белгілі бір жүйелілікпен орналасқан

РЕПЛМКАЦИЯ ар

Актидтендіруші "(рермент

80-сурет. Клетка-дағы белок синте-зінің схемасы.

Амин қышқылдары бар полипептидтік тізбектерді синтездеуге арналған информация болады, алайда ген қалыпты қызмет атқару үшін оған жол ашатын және геннің бастамасын анықтай-тын нуклеотидтердің белгілі бір жүйелілігіне — промоторға жә-не одан кейін келетін, геннің аяқт.алуын білдіретін жүйелілік — терминаторға ие болуы тиіс. Гендер арасында, әдетте, әзірше ролі анықтала қоймаған жүйелілік бар. Ген ДНК-сы белок син-тезіне тікелей қатыспайды. ДНК геннің алғашқы өнімі — информациялық РНК (и-РНК) молекуласының синтезі үшін ма-трица болыи қана қызмет атқарады.і,

Қазіргі уақытта ДНК спиралінің тізбекшелері бір мағыналы емес таңбалы деп есептелінеді: олардың бір тізбекшесінде поли-пептид қүрылымы шифрланған — оның мағыналық мәні бар, ал оған комплементарлы — екіншісі мағынасы барға қарсы тізбек болып табылады. и-РНК-ның бір қабат тізбегінің синтезі (транскрипциясы) үшін мағыналық тізбекше ғана матрица бола алады (80-сурет),

ДНК-ның мағыналық тізбекшесінің кодын и-РНҚ-ға көші-ру РНК-полимераза (транскриптаза) ферментінің бақылауымен жүзеге асады, мұнда и-РНҚ ДНҚ-ның мағыналық тізбекшесі-не комплементарльиіБұл егер бір тізбектегі жүйелілік белгілі болса, екінші тізбектегі жүйелілікті автоматты түрде шығаруға болады деген сөз. Мәселен, ДНК-дағы валин синтезін бақылау-шы кодон — ЦАА болса, и-РНҚ-да ол ГУУ болады. Клеткада и-РНҚ молекуласыиың тіршілік ету уақыты әр түрлі. Мысалы, бактерияда ол бірнеше минут, бидайдың қүрғақ тұқымының клеткаларында — бірнеше ай, жануарлар ретикулоциттерінде и-РНҚ гемоглобиннің а және р-тізбекшелерін синтездеу үшін клетканың бүкіл әмірі бойында тіршілік етеді. Синтездеуден кейін и-РНК молекуласы ДНК-дан бәлінеді де, рибосомалар-мен жанасады. Оның үстіне жоғары сатыдағы организмдер мен кейбір вирустарда и-РНК молекуласының (5'-шеті деп аталатын) бір шетінде бір немесе екі метильденген негіз болады, көп ретте бұл жетінші жағдайда қүрамында СН₃ тобы бар гуанин болады. Рибосомалар белок синтезі үшін бастапқы ретінде осы үшін тандап алады.^и-РНК мен бірнеше рибосоманың (2-ден 15-ке дейін) комплексі полирибосома немесе полисома деп ата-лады. Белок синтезі (трансляция) осы полисомаларда өтеді. Ри-босомалар үлкен полимерлі рибосомалық РНК (р-РНҚ) мен белоктан түратын құрылым болып табылады. Соңғы уақытта көрсетілгеніндей, белок синтезінің инициациясына р-РНК-нын, тікелей қатысы бар. Рибосома клеткада әр түрлі күйде бола алады: екі суббірлік түрінде (седиментация цифры 30—405 кіші және седиментация цифры 50—605 үлкен суббірліктер) және аталған бөліктерден түратын бірыңғай қүрылым түрінде. Оның күйі атқаратын қызметіне байланысты. Егер рибосома дәл осы мезгілде белок синтезіне қатыспайтын болса, онда ол клеткада жеке суббірлік түрінде кездеседі. Синтез кезеңінде кіші суббір-лікке и-РНҚ молекуласы бекінеді. Бүдан соң оған ірі суббірлік қосылады да, рибосома әзіне тән пішінге ие болады (80-сурет).

Әрбір рибосома и-РНК молекуласын бойлай 5'-шетіңен 3'-шетіне қарай қозғалады, бұл уақытта полипептидтік тізбекше өсе береді. Тізбекшенің үзындығы рибосоманың и-РНК моле-куласының басынан бастап өткен қашықтығына пропорционал-ды болады. Мұндай белок фрагментіндегі амин қышқылдары-ның саны рибосома оқып үлгірген триплеттердің санына тең бо-лады.

и-РҢҚ триплеттеріне (кодондарына) сәйкес рибосомаларда амин қышқылдары қалдықтарының тізілуі РЬіК молекулалары-ның тағы бір түрінің, атап айтқанда транспорттық РНҚ (т-РНҚ)-ның .жәрдемімен жүзеге асады. т-РНК төмен полимерлі болады, оның жекелеген молекулалары 70—80 нуклеотидтерден түрады. Негіздердің өзара комплементарлы әсер етуінің арқасында бүл молекулада сутектік байланыстардың көпшілігі түй-ықталған. т-РНК қүрылысы модельдерініц біріне сәйкес оның молекуласының пішіні беде жапырағының пішініне ұқсайды және оған амин қышқылы қосылатын деп жорамалданады. т-РЫК молекулаларының қарама-қарсы бөлігінде антикодон деп атала-тын қосарланбаған 3 нуклеотид болады. т-РНК антикодоны-ның триплеті сутектік байланыс түзе отырып, рибосомадағы и-РНҚ кодонының триплетімен әрекеттесе алады. т-РНҚ молекулаларының әрбір класы бір ғана амин қышқылымен қо-сыла алады: демек, әр түрлі т-РНК. молекулаларының мөлшері жиырмадан кем болмауы тиіс. Биохимиктердің мәліметі бойын-ша олар — 60. Қазіргі кезде олардың кейбіреуінің химиялық құ-рылымы анықталған. Совет ғалымы академик А. А. Баев алғаш рет валинді т-РНК-ның құрылымын анықтады.

т-РНК-ның амин қышқылдарымен әрекеттесуі үшін амин қышқылдары АТФ-ның қатысуында амино-ацил-т-РНК ерекше ферменттерімен активтенуі қажет. Сонымен қатар, т-РНҚ мен активтелген амин қышқылдарының өзара әрекеттесуін активтен-діруші аса ерекше ферменттер т-РНК-лигазалар (немесе кодазалар) бақылап отырадьі^і-РНК-ның амин қышқылдарымен әрекеттесуін кейде белок синтезінде жүмыс істейтін клеткадағы екінші кодтық система деп атайды.

81-сурет. Трансляцияның жүйелі кезеңдерінің схемасы (түсінігі тексте берілген).

. т-РНК молекуласын рибосоманың ірі суббірлігі белгілей-ді, бір оның бүған арнаулы екі орнй болады. Белок синтезін инициациялаушы и-РНК кодоны — АУГ құрамында метионин бар т-РНК-ны ажырата біледі. Бүдан соң осы рибосомаға ке-лесі кодонға сәйкес екінші т-РНҚ бекінеді. Амин қышкылда-рының арасында пептидтік байланыстар пайда болады (бұл про-Цеске де ферменттер қатысады). Өзіне түскен салмақтан арыл-ған бірінші т-РНҚ рибосомадан шығады. Келесі амин қыш-қылына пептидтік тізбекті қосып алған соң екінші т-РНК да рибосомадан шығады. и-РНК триплеттерінің жүйелілігіне сәй-кес полипептидтік тізбектің есуі осылайша өтеді (81-сурет).

Генетикалық информацияны оқудың дәлдігі рибосома арқы-лы қандай кодондар өтетіңдігіне ғана емес, сондай-ақ едәуір дә-режеде рибосоманың өзінің күйіне де байланысты. Стрептоми-цин антибиотигінің молекулаларын қосу арқылы рибосоманың құрылымын өзгертсе немесе қоршаған ортадағы М§⁺⁺ иондары-ның конценлрациясын арттырса болғаны, и-РНК-да жазылған генетикалық код бұрыс оқыла бастайды: рибосома қате «оқи» бастайды, полипептидтік тізбекке көп ретте «басқа» амин қыш-қылдарын енгізеді. Стрептомициннің бактериялық клеткаларға инактивациялаушы әсері, міне осы жағдайға байланысты. Қа-лыпты жағдайда белок синтезі қатесіз әрі үлкен жылдамдықпен өтеді: 1 секундта 2 амин қышқылы түзіледі. Белоктыц 150 амин қышқылынан түратын молекуласы бір полисомада шамамен 1,5 минутта синтезделеді.

Қатерлі ісік (тауықта Раус саркомасын, тышқанда лейкоза-ны) туғызатын вирустарды зерттеуде Г. Темин мен Д. Балткмор 1970 жылы жаңа фермент — РНҚ-ға тәуелді ДНҚ-полимераза, немесе «кері транскриптаза» иемесе ревертаза ферментін ашты. Бұл фермент генетикалық информацияны әдеттен тыс бағыт-та — РНК-дан ДНҚ-ға қарай тасымалдауды жүзеге асырады. Бүл процесс вирус РНҚ-ында матрицадағыдай ДНК синтезде-ліп, соңынан клетка-иесінің хромосомасына ене алатын жағдай-да жүзеге асады. Кері транскрипцияның болатындығын 1960 жылы СССР-де С. М. Гершензон тапқан болатыд/ Бірақ бұл жа-ңалық ферментті бөліп алған соң ғана тиісінше бағалана баста-ды. 1971 жылы тышқан мен адамның вирус жүқпаған клеткала-рынан осындай фермент табылды. Олардың шығу тегі және қа-лыпты клеткалардағы түзілуі мен атқаратын қызметі әзірше белгісіз, ол бүл жағдайда да онкогендік виру.стармен байланыс-ты болар деп жорамалданады. Бұл жаңалық тіршілік процесте-рін түсіну үшін, сондай-ақ рак проблемасын шешу үшін көпте-ген пайда келтіретін болады (29-тарауды қара).

Белок синтезін генетикалық бақылау. Белок синтезі механиз-мінің негізгі кезеңдерін түсіну осы процесті іп ^ііго модельдеуге мүмкіндік берді. Биохимиядағы екі жаңалық: белок синтезі жү-зеге аса алатын клеткасыз системаны алу және жасанды поли-рибонуклеотидтерді ферменттік синтездеу осылай етуге мүмкін-дік туғызды.

1961 жылы М. Ниренберг пен Г. Маттэй қүрамында рибосо-ма, амин қышқылдарының толық жиынтығы және кейбір фер-менттер бар клеткасыз системаға енгізілген, жасанды жолмен синтезделген, белгілі бір қүрамды полирибонуклеотидтер оған и-РНК ретінде әсер ете алатындығын кәрсетті. Жасанды жол-мен синтезделген, қүрамына тек қана урацил (полиуридил қыш-қылы, поли-У) енген информациялық РНК-ны Езсһегісһіа соіі-ден алынған клеткасыз системаға орналастыру арқылы белгілі бір қүрамды белокты синтездеуді қамтамасыз етуге мүмкіндік туды. Синтезделген полипептидті талдағанда ортада барлық амин қышқылдарының болуына қарамастан, оның құрамына бір ғана амин қышқылы, атап айтқанда, фенилаланин кіргені анық-талды, яғни полиуридил қышқылы полифенилаланин синтезде-луіне жағдай жасаған. Сонымен, генетикалық кодтың бірінші сөзі: амин қышқылыньщ полипептидтік тізбекшесіне фенилала-ниннің енуін бақылайтын триплет урацил — урацил — урацил (УУУ) оқылды.

(7Л. Ниренберг, Г. Корана. және басқалардың зерттеулері ар-қасында қазіргі уақытта барлық амин қышқылдарына арналған триплеттер анықталған (5-таблица). Әрбір амин қышқылына бірнеше триплеттер — кодондар сәйкес келетініне, яғни кодтың өзгергеніне назар аударыңдар.

5-та блица

Е с к е р т у: Амин қышқылдарының аттары жалпы қабылданған қысқар-тулармен берілген.

* Амин қышқылдарының бірде-бірін кодпен анықтамайтын, полипептид-тік тізбек синтезінің аяқталғакын білдіретін триплеттер.

Белгілі бір амин қышқылын кодпен анықтайтын бірнеше триплетте, әдетте, екі негІз ортақ болады да, үшіншісінде айыр-машылық болады, бірақ көбінесе сол (пуринді немесе пирими-динді) топқа жатады. Сонымен қатар, УАА, УАГ және УГА триплеттері нонсендер болып табылатыны — олар амин қыш-қылдарының бірде-бірін кодпен анықтамайтыны, бірақ термина-торлар қызметін атқаратыны, яғни полипептидтік тізбек синтезі-нің аяқталуын анықтайтыны көрсетілген. АУГ кодоны и-РНК молекуласының бас жағында болған кезде, эукариоттарда поли-пептидтік тізбекке метиониннің, ал прокариоттарда — формил-метиониннің қосылуыи бақылайтын жағдайларда (бактериялар мен фагтарда сондай-ақ ГУГ триплеті болуы да мүмкін) белок синтезін жүргізуші механизм ролін атқарады.

Генетикалық кодты зерттеу жалпы биологиялық зор маңызы бар жаңалык ашуға мүмкіндік берді: кодтын, белгілі универсал-дылыгы анықталды. Бірдей триплеттер әр түрлі организмдерден (бактериялар, сүт қоректілер клеткасы) алынған клеткасыз сис-темалардағы бірдей амин қышқылдарын кодпен анықтайтыны көрсетілген. Код вирустар, балдырлар және теңіз кірпісі үшін универсалды болып шықты. Код, сірә, ежелгі әрі консервативті филогенездік механизм болса кереку'

Генетикалық кодтың ашылуы және белоктың іп үііго синтезі ғылымдағы тірі табиғаттың бірлігі жөніндегі мәселені мүлде жаңаша қойды. Бүл жаңалық белокты қолдан синтездеу әдісін меңгеру және бүл арқылы тірі материяның мәиіи неғұрлым те-рең танып білу жолындағы маңызды қадам болып табылады.

ЦЗонымен, ДНК — клеткадағы түкым қуалау информациясын тасушы. Онтогенезде информацияның жүзеге асуы үнемі жүріп отырады, бірак и-РНК синтезі митоздық циклдегі белгілі бір кезеңге, яғни хромосомалар деспиральданған күйде болатын ин-терфазаға сәйкестендірілгещ Бүл процесті ооциттердің «лампа щеткалары» түріндегі хромосомаларынан деспиральданған учас-келер — пуфтер пайда болған кезде қос қанаттылардың алып хромосомаларынан бақылау ыңғайлы. Түқым қуалау информа-циясын бір үрпақтан екінші үрпақка тасымалдауды клеткалар-дын, бөлінуі процесінде ДНК жүзеге асырады. Бүл жағдайда хромосомалар тығыз спирализация күйінде болады (2-тарауды караңыз).

Алайда, ДНҚ бәрін де атқара а*лады деп есептеу дүрыс бол-мас еді. Ол ферменттер, нуклеотидтер және оған негіз қалайтын ДНК. міндетті түрде болатын жағдайларда ғана репликациялана (екі еселене) алады, өйткені оған көбеюдің матрицалы механиз-мі тән. Белоктар (ферменттер) мен бастапқы өнімдер болған кезде де ДНК қызмет атқара (и-РНК синтезі) алады.