Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) - тірі организмдердегігенетикалық 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 болып табылады. 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 .
ДНҚ кесіндісінің 3D моделі (анимацияны көру үшін суретке басыңыз)
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) менгуанин (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 клеткаларға 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.
[1]
Зерттелу тарихы
Френсис КрикДжеймс Уотсон
ДНҚ-ны 1868 жылы швейцар физиологы, гистологы және биологы Иоган Фридрих Мишер атты ғалым ашқан. Іріңдеген жасушалар қалдықтарынан ғалым құрамына азот пен фосфор кіретін бейтаныс затты тауып алады. Алғашында бұл жаңа зат нуклеин деген атқа ие болады. Кейіннен Мишер бұл заттың қышқылдық қасиет көрсететінің байқайды. Осыдан кейін бұл жаңа затты нуклеин қышқылы деп атайтын болған. Алғашында бұл бейтаныс заттың биологиялық қызметі белгісіз болды, көп уақытқа дейін ДНҚ ағзадағы фосфордың қоймасы болып есептелінді. Оған қоса, XX ғасырдың басында ғалымдар ДНҚ-ның ақпаратты тасымалдай алмайтындығын айтқан, себебі олар ДНҚ-ның ақпаратты тасымалдау үшін құрылысы біртүрлі деп есептеді.
Уақыт өте келе генетикалық ақпаратты наруыздар емес дәл осы ДНҚ тасымалдайтындығын дәлелдеді. Бұл ашылудың ең бірінші дәлелі О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Картидің бактериялардың трансформациясы (1944 жыл) тәжірбиесі болды.
Тіпті XX ғасырдың 50 жылдарына дейін ДНҚ-ның нақты құрылысы мен ақпаратты ұрпаққа белілуінің әдісі белгісіз болды.
ДНҚ-ның қос спиральінің құрылымын 1953 жылы Фрэнсис Крик пен Джеймс Уотсон ұсынды. Олар модельді Морис Уилкисон мен Розалинд Франклиннің рентген құрылымды деректеріне және Чаргаффа ережелеріне сүйене отырып құрап шығарған.
Генетикалық ақпаратты сақтап зат алмасу процестерін қадағалау
Қызметі
Генетикалық ақпаратты тасымалдау және нәруыз биосинтезі
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
[2]
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.[3][4][5] 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.[6]
Thermus thermophilus кіші рибосомалық суббірлігінің моделі. РНҚ қызғылт сары түспен, ақуыз күлгін түспен көрсетілген.
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[7] генінің тізбегін анықтау ғылыми қоғамдастықта қызу пікірталас тақырыбы болып табылады.[8][9] 2023 жылғы ең көне ДНҚ жасы 2 миллион жылдан асқан ДНҚ болып саналады.[10][11][12]
↑ Биология: Жалпы білім беретін мектептің, 9-сыныбына арналған оқулық, 2-басылымы, өңделген/ М. Гильманов, А. Соловьева, Л. Әбшенова. - Алматы: Атамұра, 2009. ISBN 9965-34-927-4
↑Joyce G. The antiquity of RNA-based evolution. — Nature. — Т. 418. — б. 214—21.
↑Vreeland R., Rosenzweig W., Powers D. Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal. — Nature. — Т. 407. — б. 897—900.
↑Hebsgaard M., Phillips M., Willerslev E. Geologically ancient DNA: fact or artefact?. — Trends (journals), 2005. — Т. 13. — б. 212—20.
↑Nickle D., Learn G., Rain M., Mullins J., Mittler J. Curiously modern DNA for a "250 million-year-old" bacterium. — Journal of Molecular Evolution, 2002. — Т. 54. — б. 134—7.
↑Kurt H. Kjær, Mikkel Winther Pedersen, Bianca De Sanctis, Binia De Cahsan, Thorfinn S. Korneliussen, Christian S. Michelsen, Karina K. Sand, Stanislav Jelavić, Anthony H. Ruter, Astrid M. A. Schmidt, Kristian K. Kjeldsen, Alexey S. Tesakov, Ian Snowball, John C. Gosse, Inger G. Alsos, Yucheng Wang, Christoph Dockter, Magnus Rasmussen, Morten E. Jørgensen, Birgitte Skadhauge, Ana Prohaska, Jeppe Å Kristensen, Morten Bjerager, Morten E. Allentoft, Eric Coissac, Alexandra Rouillard, Alexandra Simakova, Antonio Fernandez-Guerra, Chris Bowler, Marc Macias-Fauria, Lasse Vinner, John J. Welch, Alan J. Hidy, Martin Sikora, Matthew J. Collins, Richard Durbin, Nicolaj K. Larsen, Eske WillerslevA 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. — Nature, 2022-12. — Т. 612. — б. 283–291. — ISSN1476-4687. — doi:10.1038/s41586-022-05453-y
