§5. Генетикалық код қасиеті
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: генетикалық кодтың қасиеттерін түсіндіру.
ДНҚ мономері деген не, ал нәруыз мономері ше? Осы заттардың қайсысында мономер типтерінің мөлшерінде көп алуантүрлілік бар? ДНҚ-да нуклеотидтердің неше типі бар? Нәруыз құрамында аминқышқылдарының әртүрлі неше типі кездеседі?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 9-сыныпқа арналған оқулықтың 41-параграфын қайталау керек.
Генетикалық код – ДНҚ нуклеотидтерінің көмегімен аминқышқылдарының ретін жазу жүйесі. Ғалымдар ұзақ уақытқа дейін тұқымқуалаушылықтың материалдық тасымалдаушысы нуклеин қышқылдары емес, нәруыз деп есептеді. Себебі олар едәуір алуан түрлі. Нәруыздар да, нуклеин қышқылдары да – полимерлер. Бірақ нәруыз мономерлері аминқышқылдарының 20 түрі, ал ДНҚ-да мономер-нуклеотидтің бар-жоғы 4 типі бар. Алдымен ұзындығы әртүрлі, түрлі төрт түсті моншақты, кейін 20 түрлі түстен құралған моншақты көз алдарыңа елестетіп көріңдер. 20 түрлі түстен (мономер түрлері) тұратын моншақ (полимер тізбектері) едәуір алуан түрлі болады. Бірақ тұқымқуалаушылық заты нәруыз емес, нуклеин қышқылдары.
Бұл кездейсоқтық емес. Біріншіден, нәруыз немесе РНҚ-ға қарағанда ДНҚ екі тізбекті молекула ретінде химиялық тұрақты. Оның құрылымын бұзу біршама қиын. Екіншіден, ол комплементарлық қағидасы бойынша жоғары дәлдікпен жүретін өзін-өзі көшіруге – репликацияға қабілетті. Сонымен қатар ДНҚ тұқымқуалаушылық ақпаратты сақтаудан басқа ешқандай қосымша қызмет атқармайды, ал нәруыздардың қызметі қасиеттері сияқты алуан түрлі.
Генетикалық кодтың қасиеті. Триплеттік – генетикалық кодтың маңызды қасиеті. Оның мәні: ДНҚ-ның үш нуклеотиді бір аминқышқылын кодтайды. Бұл қасиет ДНҚ нуклеотидтерінің бар-жоғы 4 типін пайдаланып, аминқышқылдарының 20 түрін кодтауға мүмкіндік береді. Неге генетикалық код триплетті? Егер ДНҚ-ның екі нуклеотиді бір аминқышқылын кодтаса, бұл аминқышқылдарының барлық 20 түрін жазу үшін жеткіліксіз болар еді. Диплетті генетикалық код аминқышқылының тек 16 түріне жетер еді, себебі: 4² = 16. Егер ДНҚ-ның үш нуклеотидімен кодтаса, бұл жеткілікті болар еді. Себебі: 4³ = 64.
Құлдырау. Сендер, сiрә, маңызды триплеттер санының 61 екенiн, 20 аминқышқылдар санынан үш еседен астам артық екенiн байқаған боларсыңдар. Алайда мұнымен ештеңе iстей алмайсың. Егер генетикалық код триплеттi болмаса, 20 аминқышқылдар құрамалауға (16) жетпеген болар едi. Шындығында, аминқышқылдардың көпшiлiгi 1 триплеттенгөрi артығырақ кодпен жазылады (1-кесте). Бар болғаны 2 аминқышқыл – метионин және триптофанда тек қана 1 триплет бар. Генетикалық кодтың бұл қасиетi «құлдырау» деп аталады.
Генетикалық кодтың құлдырау ұғымына оның бірмәнділігі қайшы келедi.
Математикалық логика бойынша әрбір аминқышқылын 3 триплет (64/20 = 3,2) кодтауы керек еді. Шындығында, олай емес. 1 аминқышқылын – изолейцинді – 3 триплет кодтайды. 2 аминқышқылын – метионин мен триптофанды – тек 1 триплет кодтайды. Көптеген аминқышқылын 4 триплет кодтайды. Бірде-бір аминқышқылын 5 триплет кодтамайды. Серин, лейцин және аргининді 6 триплет кодтайды.
Генетикалық кодтың әмбебаптығы – барлық тірі ағзаларда бір аминқышқылын бір триплет кодтайды. Бүкіл тірі ағзалар үшін туған кезде қалыптасқан міндетті тіршілік үдерістері (гликолиз, репликация механизмдері, ферменттердің жұмысы және т.б.) шамалы өзгереді. Сондықтан генетикалық код – әмбебап.
1965 жылы оны ғалымдар толық шифрлады. Енді зерттеушілер бұрын белгісіз тірі ағзалардың жасушаларын алса да, генетикалық кодты пайдаланып, ДНҚ-ны шифрлап, осы ағза нәруыздарының аминқышқылдарының қандай реттен тұратынын анықтай алады.
Гендер хромосомада бірінен соң бірі ретпен орналасады және бірін-бірі жаппайды. Генетикалық кодтың бұл қасиеті көлегейленбейтін код деп аталады. Бір нәруыз аминқышқылдарының реті жазылған ДНҚ молекулаларының үлескісі ген деп аталады.
Ген аминқышқылдарды кодтамайтын, тек бір геннің аяқталуын және келесі геннің басталуын көрсететін кідіртпе-кодон – триплеттер арқылы бөлінеді. Жасуша бір нәруыздың соңғы аминқышқылы мен басқа нәруыздың бірінші аминқышқылын өзара байланыстырмау үшін кідіртпе-кодондар қажет. Генетикалық кодтың 64 комбинациясынан 61-і аминқышқылын кодтайды. Бұл триплеттер маңызды деп аталады. Ал 3 триплет нәруыздың аяқталуын кодтайды және «тыныс белгілері», «нүкте», «үтір» немесе жай кідіртпе-кодондар деп аталды. Бұл үш триплеттерді атайық: ДНҚ-дағы АТТ, АТЦ, АЦТ немесе аРНҚ-дағы УАА, УАГ, УГА (2-кесте).
Триплет, кодон, антикодон. Сонымен, ДНҚ-дағы 3 нуклеотид триплет, оларға комплементарлы аРНҚ-дағы 3 нуклеотид кодон, аРНҚ-ға комплементарлы тРНҚ-дағы 3 нуклеотид антикодон деп аталады (6-сурет). Сондықтан терминдердің сәйкестігін мынадай сызба түрінде беруге болады:
Сызбанұсқаны жеңілдетіп және аминқышқылды кодтайтын үш нуклеотид атауын алып тастасақ, бұл сызбанұсқа молекулалық биологияның орталық қағидасының сызбанұсқасы сияқты:
→ ДНҚ → РНҚ → нәруыз
Қызыл түспен ДНҚ-дағы нуклеотидтер, ал қара түспен аРНҚ-дағы нуклеотидтер берілген. Кестенің ішінде қызыл түспен кідіртпе-кодондар және инициатор метионин кодон берілді.
6-сурет. Нәруыз биосинтезі
Генетикалық код, кідіртпе-кодон, маңызды триплеттер, триплеттік, кодон, антикодон, құлдырау, әмбебаптық, генетикалық кодтың көлегейленбеуі.
Білу және түсіну:
1. Неліктен генетикалық код «диплетті немесе тетраплетті емес» триплетті екенін түсіндіріңдер.
2. Генетикалық кодтың «құлдырау» және «көлегейленбейтін» қасиеттерін сипаттаңдар.
Қолдану:
1. Кодон, триплет, антикодон ұғымдарын салыстырыңдар және оларды жасушадағы нуклеин қышқылдарының әртүрлі типтерімен сәйкестендіріңдер.
2. Егер 300 аминқышқылынан тұратын нәруыз синтезделсе ДНҚ-да неше нуклеотид бар екенін есептеңдер. Кідіртпе-кодонды ескердіңдер ме? Осыған байланысты жауаптарың қалай өзгерді?
Талдау:
1. 1-кестеде берілген генетикалық кодты шифрлау мәліметтерін талқылаңдар. Солардың негізінде анықтаңдар:
1) ДНҚ-дағы нуклеотидтер ретін, егер нәруыз мынадай кодондардан тұрса:
а) Гли + Асп + Цис;
ә) Иле + Фен + Лей;
б) Гли + Тре + Сер;
в) Вал + Глу + Тре;
г) Про + Фен + Арг.
2) аминқышқылдарының реті, егер ДНҚ-да нуклеотидтер орналасса:
а) ГАА ТТТ;
ә) ААГ ТЦТ;
б) ЦЦЦ ГТА;
в) ГГТ АГА;
г) ТГТ ААГ.
Синтез:
1. Жағдайды модельдеңдер: Х ғаламшарда нуклеин қышқылдарының құрамына нуклеотидтердің 5 типі кіреді. Олардың нәруыздарының құрамы да аминқышқылдарының 20 типінен тұрады. Бұл ғаламшардың генетикалық коды қалай болады?
2. Талқылаңдар. Егер құрамында 144 нуклеотиді бар нәруыз биосинтезі мРНҚ (аРНҚ) бойынша жүрсе, дұрыс нұсқасы қандай болады? Кідіртпе-кодондар ескерілген бе?
Бағалау:
Мынадай деректерді талқылаңдар:
1. «Генетикалық код пілден және баобабтан бастап вирусқа дейін барлық ағзаларда әмбебап».
2. «Кейбір вирустарда генетикалық кодтың бірін-бірі көлегейлемеудің бұзылуы байқалады. Яғни белгілі бір геннің көшірілуі біреуінің ортасынан басқасының ортасына дейін жүруі мүмкін».
«Молекулярлық биология және биохимия» бөлімі бойынша қорытынды
Антигендер – бөгде ағзаларда синтезделген заттар (нәруыздар, нуклеин қышқылдары), тұтас жасушалар немесе олардың бөліктері, ұлпалар немесе тіпті мүшелер (донор). Қорғану үшін ағза арнайы иммундық нәруыздар – антиденелер өндіреді. Антиденелер қатаң ерекше және жиі белгілі бір антигенге қарсы әрекет етеді. «Иммундық жад жасушалары» деп те аталатын қанның ерекше жасушалары – В-лимфоциттер өндіретін антиденелер антигендерді биохимиялық тұрғыда «тануға» қабілетті. Антиденелер мен антигендердің ерекше биохимиялық «жабысу» реакциясы нәтижесінде соңғысының зарарсыздануы немесе бұзылуы антиген-антидене реакциясы деп аталады. Антиген мен антидене бір-біріне «құлыптың кілтіндей» сәйкес келеді, антиденелердің көпшілігі өздерінің антигендерінен басқа бөгде агенттермен әрекеттеспейді. Олардың әрекеттесуі «кілт-құлып» сияқты сәйкес келу қағидасы бойынша жүреді.
Антигенсіз антидене белсенді өндірілмейтінін түсіну маңызды. Ағзаның антиденелер өндіріп, антигендерге әсер көрсету қабілеті ұлпалық иммунитет, аллергиялық реакциялар, донор ұлпалар мен мүшелерді қабылдамау негізін құрайды.
Тірі жүйелерде ферменттер де «кілт-құлып» биохимиялық әрекеттесу қағидасы бойынша жұмыс істейді. Яғни ферменттер – антидене өз антигенін «танитыны» сияқты өз субстратын «танитын» биологиялық катализаторлар. Жасушалар мен ағзадағы барлық дерлік химиялық реакциялар ферменттер қатысында жүреді. Яғни катализаторсыз олар не мүлде жүрмейді, не баяу жүретіні соншалықты тіршілік үдеріс ретінде мүмкін емес болады.
Ферменттер – аминқышқылдарынан ғана емес, басқа да құрамбөліктерден тұратын күрделі нәруыздар. Фермент молекуласының қызметтік бөлігі – «белсенді орталығына» дәрумендер, металдар немесе басқа заттар кіруі мүмкін. Ферменттің «белсенді орталығы» субстратпен әрекеттеседі, оны «таниды» және реакцияның жүруіне мүмкіндік жасайды.
Ферменттік реакция механизмі: ферментті алдымен екі заттың – химиялық әрекеттесуге қатысушылардың біреуімен байланыстыру, кейін түзілген «фермент-субстрат кешені» басқа затпен реакцияға түседі, содан кейін фермент өзінің бір молекуласын да жоғалтпай реакциядан «шығады». Ал ол үдеріске қатыстырған заттар енді өзара әрекеттеседі. Өзгермеген түрде сақталған, жұмсалмаған фермент, түзілген реакция өнімі, субстрат (бастапқы заттар) молекулаларының толық жойылуы мынадай анықтаманы толығымен дәлелдейді: «Катализаторлар – реакция барысында жұмсалмайтын, бірақ оны едәуір тездететін заттар».
Әдетте, бір фермент тек бір реакцияны катализдейді – бақылайды. Бірақ басқаша жағдай да болады (кейде эволюция¹ үдерісінде қоршаған орта жағдайының өзгеру барысында пайда болатын).
Ферменттер – жасушадағы барлық биохимиялық үдерістердің бағытын бақылайтын нәруыздар. Нәруыздар синтезі арқылы хромосомалар тұратын ДНҚ молекуласы тұқымқуалаушылық ақпаратын жүзеге асырады.
Ағза нәруызындағы аминқышқылдарының реті туралы тұқымқуалаушылық ақпарат хромосома ДНҚ-сында сақталады. Генетикалық код – ДНҚ нуклеотидтері көмегімен нәруыз аминқышқылдарының ретін жазу тәсілі.
ДНҚ-ның төрт нуклеотид типі аминқышқылдарының 20 типінің ретін кодтайды. Әрбір аминқышқылын 3 нуклеотид кодтайды. Бір кодталған нәруызы бар ДНҚ – ген. Ген кідіртпе-кодон арқылы бөлінеді.
Генетикалық кодтың қасиеттері:
– триплеттілік (3 нуклеотид бір аминқышқылын кодтайды);
– көлегейленбейтіндік (гендегі нуклеотидтер хромосомадағы гендер сияқты кезекпен орналасады және бір-бірін жаппайды);
– құлдырау (1 аминқышқылы біреуден артық триплет кодтай алуы мүмкін);
– бірмәнділік (бір триплет тек қана жалғыз аминқышқылды кодпен жазады);
– әмбебаптық (белгілі бір триплет нақты аминқышқылын кез келген ағзада белгілеуі мүмкін).
ДНҚ-ға жазылған тұқымқуалаушылық ақпаратын РНҚ-ның алуан түрі жүзеге асырады.
Ақпараттық немесе матрицалық РНҚ ДНҚ-дан ақпаратты көшіріп алады (көшіреді) да, цитоплазмадағы рибосомаларға тасымалдайды. ДНҚ триплетіне аРНҚ кодоны комплементарлы.
Тасымалдаушы РНҚ аминқышқылдарын аРНҚ-ға апарады да, оларды дұрыс ретпен орналастырады. аРНҚ кодонына тРНҚ антикодоны комплементарлы. Рибосома құрамындағы рибосомалық РНҚ (рРНҚ) аминқышқылдарын нәруызға біріктіреді.
Нәруыз биосинтезі үдерісі 2 кезеңмен жүреді:
1. Транскрипция – ДНҚ-дан тұқымқуалаушылық ақпаратын аРНҚ-ға көшіріп жазу, яғни аРНҚ синтезін ядрода ДНҚ матрицасы бойынша синтездеу үдерісі.
2. Трансляция – рибосомадағы полипептидті тізбек синтезі, яғни әртүрлі аминқышқылдарын ДНҚ-да жазылған және цитоплазмада аРНҚ түрінде көшірілген ретпен қосу.
¹ Маңызды фермент – Кальвин циклінің бірінші реакциясы барысында атмосферадағы СО2 қосылуын катализдейтін (фотосинтездің қараңғы фазасы) рибулоза 1,5 бифосфаткарбоксилаза, СО2-мен ғана емес, О2-мен де әрекеттеседі екен. Себебі фотосинтез үдерісі мен оның ферменттері эволюция барысында қалыптасқан кезде, атмосферада мүлде дерлік оттек болмаған. Ал қазір атмосфера құрамында 21% мөлшерінде болатын оттек ферменттің белсенді орталығынан СО2-ні ығыстырып шығара алады. Бұл энергетикалық шығымы зор және зиянды «фототыныс алу» үдерісін туғызады. Бірақ кейбір өсімдіктер осы жағдаймен күресуге бейімделді. Олар – САМ-метаболиттер және С4-фотосинтетиктер тобы.