Ақуыздың биотүзілуі


Организм тiршiлiк ету үшiн әр уақытта қуат (қолдаушы, қызмет) қажет. Оны аса қуатты қоспа-аденозинтрифосфат (АТФ) жеткiзедi. Ол қуат қорын ассимиляцияда құралатын органикалық заттардың (көмiрсу, май, белок) ыдырауынан (диссимиляция) алады.

Ақуыздың түзілуі биологияның басты проблемасының бірі. Ақуыздың биосинтезі көп түрлі ферменттер жүйесімен әртүрлі РНҚ қатысатын көп сатылы күрделі процесс.

Жас, көбею жасушаларда, олармен бірге өсу дәуіріндегі жасушаларда, ақуыздың биосинтезі ерекше қарқынмен жүреді. Ақуыздарды биосинтездеуге мамандалған ересек организмнің жасушаларында да ақуыздың биосинтезі біршама жоғары дәрежеде жүретіні мәлім.

sintez_belka2

9- сүрет. Ақуыз биосинтезі: 1 — и-РНК; 2 – рибосоманың субъединицасы; 3 — т-РНК аминкышқылымен; 4 — т-РНК аминкышқылсыз; 5 — полипептид; 6 — кодон а-РНК; 7- антикодон т-РНК

Ақуыздарды синтездеу өсуші және мамандалған жасушаларға ғана тән процесс емес, кез келген тірі жасуша өз тіршілігінде ақуыздарды синтездеп отырады. Себебі тіршілік процесінде істен шыққан немесе зақымдалған бөліктерді, тұрақты қосындыларды, ферменттерді, жиырылғыш ақуыздарды жабайы бейорганикалық заттардан, ал гетеротрофты өсімдіктер мен жануарлар ақуыздардың ыдырауынан пайда болатын дайын амин қышқылдарынан синтездейді. Жасушалардың тұқымқуалау қасиеттері жасуша ядросының хроматинінің құрамына кіретіні, әрі оның ДНҚ – сында болатыны айтылған. Жасушаның синтездейтін барлық ақуыздарының құрылысы мен құрамын ДНҚ–ның құрылысы мен құрамы анықтайды. Жасушаның басқа заттарынан ДНҚ–ның өзгешелігі сол, ол тұрақты болады, яғни жасуша тіршілігінің барысында жаңармайды, жоғалып кетпейді. Жасушада ДНҚ–ның жаңа молекуласының синтезі жасушадағы ДНҚ молекуласының негізінде жүреді, тізбекшелердің әрқайсысына қосымша, жаңадан синтезделген екінші тізбекше қаланады. Осының нәтижесінде бастапқы молекулаға ұқсас екі бірдей қос тізбекті ДНҚ молекуласы пайда болады.

ДНҚ молекулаларының екі еселенуі (редупликациясы) ерекше фермент ДНҚ–полимеразасының көмегімен жүреді. ДНҚ–ның әрбір молекуласы әр түрлі ақуыздардың алуан санының синтезіне жауапты, ДНҚ–ның ұзын жіп тәрізді молекуласы көптеген учаскелерге бөлінеді. Әрбір учаске қандай да болмасын бір ақуызға сәйкес келеді. Бір ақуыздың құрылысы жөніндегі информация бар ДНҚ-ның бөлігін ген немесе цистрон деп атайды. ДНҚ – ның молекуласы көптеген гендерге бөлінеді.

ДНҚ молекуласының әрбір тізбекшесі нуклеотидтерден тұрады. ДНҚ құрамына нуклеотидтердің төрт түрі кіреді. Олар өздерінің құрамына кіретін төрт азоттық негіздермен: аденин (мұны А әрпімен белгілейді), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц) ажырайды. Бірнеше нуклеотидтер қосылып полинуклеотидтер тізбегін құрайды, оларды сәйкес негіздер аттарының бірінші әрпімен белгілейді.

А- түрі В- түрі Z- түрі

10- сүрет. ДНҚ- ның түрлері

4.gif

11-сүрет. Хромосомадағы ДНҚ молекуласының қалыптасуы

Осы төрт әріптен тұратын алфавиттің көмегімен шексіз санды ақуыздар молекулаларын синтездеуге қажет нұсқаулар жазылады. Олардың молекулаларын синтездеуге ДНҚ тікелей қатыспайды. ДНҚ жасуша ядросында орналасқан, ал ақуыздың синтезі цитоплазмадағы рибосомаларда жүреді. ДНҚ–да ақуыздың құрылымы жөніндегі информация болады. Ақуыздың синтезделуі үшін рибосомаларға осы инфомацияның дәл көшірмесі барады. Бұл ДНҚ–да синтезделетін, оның құрылысын дәл қайталайтын РНҚ–ның көмегімен қамтамасыз етіледі.

т- РНҚ р-РНҚ а- РНҚ

12-сүрет. РНҚ –ның түрлері

Гендегі ақуыздың құрылысы жөніндегі информация РНҚ–ға көшіріледі. Бұл процесті транскрипция (лат. Transcriptio–көшіру ) деп атайды. Әрбір геннен РНҚ–ның шексіз көшірмесін алуға болады. Ақуыздың құрылысы жөніндегі информацияны рибосоималарға жеткізетін РНҚ–ны информациялық РНҚ (иРНҚ) дейді. Информациялық РНҚ - ны фермент РНҚ – полимераза синтездейді. Ол геннің бойымен жылжып жүріп отырып артында РНҚ –ның дайын молекуласын қалдырады. Информациялық РНҚ – ның молекуласы ақуыздың синтезделетін орны – рибосомаға келеді. Осы жерге амин қыщқылдары да жиналады. Тамақ ақуыздарының ыдырауының нәтижесінде пайда болатын амин қышқылдары жасуша цитоплазмасында үнемі болады.

Ақуыздарды синтездеу барысында гендік информация информациялық РНҚ–ның төрт әріпті тілінен ақуыздардың 20 әріптік тіліне аударылады. Рибосомаларда қамтамасыз етілетін бұл процесті трансляция (лат. Translation – аудару ) деп атайды.

Ақуыз молекулаларын синтездеуге РНҚ–ның үш типі де: инфорамциялық, немесе матрицалық, РНҚ (иРНҚ), тасымалдаушы, немесе ерігіш, РНҚ (тРНҚ) және рибосомалық РНҚ (рРНҚ) қатысады.

Әрбір амин қышқылының арнаулы тРНҚ–сы бар, олардың бәрі цитоплазмадағы амин қышқылдарын рибосомаларға жеткізеді. Сонымен тРНҚ иРНҚ – дағы триплеттік (үш негізден тұратын) код пен полипептидтер тізбектің амин қышқылдарының кезектесуінің арасындағы байланыстырушы буынның міндетін атқарады.

Көптеген амин қышқылдарын бірнеше триплеттер кодтайтын болғандықтан белгілі амин қышқылдарын тасымалдаушы әртүрлі тРНҚ – ның саны 20 – дан неғұрлым көп (60 астамы белгілі) болады.

Амин қышқылымен тРНҚ молекуласы арасындағы реакцияны аминоацил тРНҚ–синтетаза деп аталатын фермент жүргізеді. Бұл ферменттердің саны 20–дан кем емес, әрқайсысы амин қышқылының бір түріне ғана тән болады. Информациялық, немесе матрицалық РНҚ ( иРНҚ) ақуыздың синтезінде матрицаның қызметін атқарады. Сондықтан жасушадағы рибосомалар саны жасушаның ақуызды синтездеу қабілетін көрсетіп, қалай синтезделу керек екенін анықтайды. Рибосомалардағы синтезделетін ақуыздардың түрі информациялық РНҚ–ға байланысты.

Информациялық РНҚ ДНҚ–ның молекулаларының тізбектерінде синтезделеді. Гендік информациясы бар синтезделген информациялық иРНҚ молекулалары ядро поралары арқылы ядродан шығып рибосомаға келіп, оны “бағдарлайды”.

Ақуыздың синтезіне рибосомалардың құрамына кіретін рибосомалық РНҚ (рРНҚ) деп аталатын РНҚ–ның үшінші типі қатысады. Ол процесс өте күрделі, көп сатылы болатындықтан оған әр түрлі ферменттер жүйесі мен түрлі РНҚ қатысады. Ақуыздың синтезделуі төрт негізгі кезеңнен тұрады. Бірінші кезеңінде өзімен өзі қосылып пептидтік тізбек құрауға тиісті амин қышқылдарының активтелуі амин – ацил – тРНҚ – синтетазалар ферменттің көмегімен жүреді.

Амин қышқылдарын активтендіру дегеніміз, олардың энергиясын жоғары деңгейге жеткізу. Амин қышқылдарының активтелуінің нәтижесінде олардың молекулаларының активтілігі анағұрлым артып, бір – бірімен өзара әрекеттесуі жеңілдейді. Ферменттердің әр қайсысы амин қышқылдарының белгілі бір түріне меншікті болады. Екінші сөзбен айтқанда әрбір жеке амин қышқылын активтендіру үшін өзінің ерекше арнаулы ферменті болады. Амин қышқылдарын активтендіретін мұндай ферменттер (синтетазалар) алғаш рет ашытқылар мен бактериялар препараттарынан байқалған, кейін өсімдіктер мен жануарлардың зерттелген ұлпаларының бәрінен табылған. Сонымен амин қышқылдарын активтендіру барлық органикалық әлемде бір әдіспен қамтамасыз етілетін болуы керек.

Амин қышқылдарын активтендіретін ферменттердің, тРНҚ–ның қатысында, екі сатылы реакцияны катализдейтіні анықталды: біріншіден АТФ–тің қатысында фермент амин қышқылын активтендіреді, содан кейін сол ферменттің өзі байланысқан амин қышқылын тасымалдаушы РНҚ–ға ауыстырады. Амин қышқылы активтендіруші ферменттен тасымалдаушы РНҚ–ға ауысқаннан кейін фермент пен АТФ босайды, осыдан соң амин қышқылын активтендіруге қайтадан қатыса алады.

Қорытып айтқанда, 20 амин қышқылы өзінің активтенуіне 20 фермент пен тРНҚ – ның 20 ерекше молекулаларын пайдаланады. Амин қышқылдары активтенгеннен кейін екінші кезең басталады. Бұл процестің барысында әдетте гиалоплазмадан алынатын тасымалдаушы РНҚ–ның (тРНҚ) функциясы кіреді.

Сонымен ақуыздың биосинтезіне РНҚ–ның үш типі және жасуша ядросының ДНҚ–сы қатысады.

Ақуыздың биосинтез процесі кезіндегі осы нуклеин қышқылдарының өзара әрекеттесуі негіздер жұптарының комплементарлық (толықтыру) принципі арқылы қамтамасыз етіледі. Синтезделген ақуыздың ерекшелігін анықтаудағы маңызды рөл атқаратын нуклеин қышқылдарының түрлі типтерінің өзара комплементарлық әрекеттесу принципін түсіну үшін гендік код (шифр, шартты белгі) теориясының негізгі қағидаларын қарастыру қажет. Синтезделетін ақуыздар тізбегіндегі амин қышқылдарының кезектесуін информациялық РНҚ–ның нуклеотидтік кезектілігін анықтайды (кодтайды). Екінші сөзбен айтқанда синтезделетін ақуыздар тізбегіндегі нуклеотидтердің төрт түрінің тарауына байланысты.

Крик өзінің жұмыстарымен ақуыздардағы амин қышқылдарының кезектесуін кодтау нуклеин қышқылының тізбегінде болатын нуклеотидтердің ерекше үшеуінің көмегімен қамтамасыз етілетінін көрсетті, яғни ақуыз молекуласындағы әрбір амин қышқылының құрылысын анықтайтын код триплетті болады. Сонымен код, немесе кодон, бір – бірімен белгілі түрде бірлескен үш нуклеотидтерден тұрады.

Кодтау үшін триплеттің құрамындағы нуклеотидтердің табиғаты ғана емес, сонымен бірге триплеттегі олардың өзара орналасуының маңызы да зор. Бір амин қыщқылының кодталуын бірнеше триплеттер қамтамасыз етуі мүмкін. Бір триплет басқа триплеттердің құрамына кірмейді.

Криктің жұмыстарымен 1961 жылдың екінші жартысында бір мезгілде Очоаның лабораториясында табиғи ақуыздардың құрамына кіретін барлық 20 амин қышқылына керек нуклеотидтер триплеттерінің құрамы ажыратылған. Очоаның бұл еңбектері Ниренберг тәжірибелерінің жалғасы болып саналады.

Кейін Ниренберг пен Корана 64 триплеттің бәрін синтездеп, оларды кодондар ретінде сынақтан өткізген. Сонымен, гендік код толықтай анықталған. Барлық осы зерттеулердің нәтижесін Крик жинақтаған. Ақуыз синтезінің үшінші кезеңінде сәйкес амин – ацил – тРНҚ тасымалданатын жаңа амин қышқылдар қалдықтары жалғасып пептид тізбегі ұзарады (элонгация).

Рибосомалардағы ақуыз синтезделуінің механизмі мына төмендегіше жүреді. Информациялық РНҚ–да болатын әрбір рибосомаларға амин қышқылдарымен жалғасқан тРНҚ молекулалар ағысы келеді. тРНҚ өзінің коды бар ұшымен осы кезде рибосомада болатын иРНҚ–ның учаскесін жанай өтеді. тРНҚ–ның екінші ұшы (амин қышқылы ілінген) рибосоманың ақуызды «құрастырып» жатқан жері арқылы өтеді. Егер де тРНҚ–ның кодты триплеті иРНҚ–ның триплетіне комплементарлы болса (осы кезде рибосомада болатын) онда амин қышқылы ақуызды құрастыратын орынға дәл түседі. Амин қышқылы тРНҚ–дан босатып алынады да, ақуыз молекуласының құрамына кіргізіледі. Рибосома кідірместен тРНҚ бойымен бір триплет алға жылжиды, ал амин қышқылынан босаған тРНҚ рибосомадан цитоплазмаға шығарылып тасталынады. Осы жерде тРНҚ қайтадан амин қышқылын ұстап алады да, тағы да рибосомалардың біреуіне барады. Сөйтіп, триплеттер бірінен соң бірі бірте–бірте рибосоманың тРНҚ–ның бойымен алға жылжиды, ал амин қышқылдары да бірінен кейін бірі синтезделуші ақуыз молекулаларына барып қосылады. Бірінші рибосома тРНҚ–ның ұшына жеткеннен кейін, ол одан түседі, онымен бірге қоршаған ерітіндіге дайын молекуласы да ауысады. Қысқа уақыттан кейін екінші рибосома ақуыз құрауды аяқтайды, содан соң үшіншісі және тағы басқаларыда аяқталады.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/2/2b/Translation_overall_scheme.jpg/400px-Translation_overall_scheme.jpg

13-сүрет. Ақуыз синтезінін кезендері

Бір мезгілде иРНҚ–ның босаған учаскесіне жаңа рибосома орналасады, сөйтіп ақуыздың синтезделу процесі үздіксіз жүреді. Баяндалған өзгерістермен ақуыз синтезінің соңғы кезеңі (терминация) аяқталады.

Транскрипция, трансляция және ДНҚ–ның репликациясы сияқты реакциялар бейорганикалық немесе органикалық химияда кездеспейді. Реакциялардың мұндай типтері тірі жасушаларда ғана байқалған. Бұлар матрицалық реакцияларға жатады. Матрицалық реакцияларда матрицаның рөлін ДНҚ немесе РНҚ атқарады.