Gen faoliyatni boshqarish

2 - mavzu: Gen, genom va genetik tahlil
Reja:

1. Gen va genom haqida tushuncha.

   
   

2. DNK strukturasi va funktsiyasi.

   
   

3. Genetik xilma-xillik.

   
   

4. DNK replikatsiyasi va rekombinatsiyasining molekulyar biologiyasi.

   
   

5. Transmission genetika.

   
   

6. Segrigatsiya printsiplari.

   
   

7. Genetik tahlil qilishning xillari va tahlilning ahamiyati.

   
   

Tayanch so`z va iboralar: gen, genom, DNK strukturasi va funktsiyasi, genetik xilma-xillik, DNK replikatsiyasi va rekombinatsiyasi, transmission genetika, segrigatsiya printsiplari, genetik tahlil.

Organizmlardagi irsiyat va irsiylanish murakkab molekulyar-genetik jarayonlar majmuasi orqali amalga oshiriladi. Ularni funktsiyalariga binoan quyidagi bosqichlarga bo`lish mumkin.

1. Gen, genetik axborot va uning DNK molekulasida joylanishi.

   
   

2. Genetik axborotning kelgusi avlodlarga berilishi. DNKning replikatsiyasi va segregatsiyasi.

   
   

3. Genetik axborotning realizatsiyasi – oqsilning sintezlanishi. Transkripsiya, rekognitsiya va translyasiya.

   
   

4. Strukturaviy genlar faoliyatining boshqarilishi – regulyasiyasi.

   
   

5. Genotipning belgilar fenotipi tariqasida namoyon bo`lishi.

   
   

Endi bu bosqichlarda namoyon bo`ladigan molekulyar‑genetik jarayonlar bilan tanishamiz.

Biokimyo kursidan ma’lumki nuklein kislotalari o`zining strukturasi va funktsiyasiga qarab ikkita guruhga bo`linadi.
1) Dezoksiribonuklein kislotalari. Ularni qisqartirib DNK belgisi bilan ifodalanadi.
2) Ribonuklein kislotalari. Ularni qisqartirib RNK belgisi bilan ifodalanadi. RNK asosan uch xil ko`rinishda bo`ladi: a) informatsion RNK (iRNK) yoki matrichnaya (mRNK); b) transport RNK (tRNK); v) ribosomal RNK (rRNK).
Molekulyar genetika dalillariga binoan DNK molekulasi barcha eukariot va aksariyat prokariot organizmlarda ularning belgi va xususiyatlarining kelgusi avlodlarga irsiylanishi va rivojlanishini ta’min etuvchi genetik axborot nukleotid tripletlar - kodonlar joylashish tartibi orqali ifodalangan biopolimer hisoblanadi. Ribonuklein kislotalari kelgusi avlodlarga irsiylangan genetik axborotning fenotip tarzida namoyon bo`lishini ta’min etish funktsiyasini bajaradi. Informatsion iRNK DNK molekulasida joylashgan genlar kodining kopiyasini o`zida ifodalash, ularni ribosomalarga etkazish va ushbu gen (genlar) oqsilini biosintez qilinishini ta’min etish funktsiyasini bajaradi. Transport tRNK esa sitoplazmadagi aminokislotalarni ribosomalarga etkazish funktsiyasini bajaradi. Ribosomal rRNK ning ham oqsil biosintezida ishtirok etishi haqida ba’zi dalillar olingan.
Endi nuklein kislotalarining strukturasi va funktsiyasi haqida mukammal ma’lumot beramiz.
DNK molekulasining strukturasini aniqlash va uning molekulyar modelini 1953 - yilda amerikalik biolog olim Dj.Uotson va ingliz fizik olimi F.Kriklar M.Uilkinzning DNK ning rentgen strukturaviy tahlil dalillariga tayanib kashf etdilar. Ularning uchchalasi ham 1962 - yilda Nobel mukofotiga sazovor bo`ldilar. Molekulyar genetika dalillariga binoan DNK molekulasining tuzilishini quyidagicha tasvirlash mumkin:
1) DNK molekulasi polinukleotid biopolimer bo`lib uning tarkibida 4 xil nukleotidlar mavjud. Har qaysi nukleotid 3 xil kimyoviy birikmadan tashkil topgan bo`ladi: uglevod-monosaxarid-pentozalar jumlasiga kiruvchi a) dezoksiriboza; b) fosfor kislotasi; v) azotli asos. Azotli asoslar 4 xil bo`ladi. Ularning ikkitasi purin asoslariga kiradi: adenin - A(A), guanin-G(G), qolgan ikkitasi pirimidin asoslaridan hisoblanadi: timin - T(T), sitozin-S(C). Tarkibiga ushbu azotli asoslar kirgan nukleotidlar shu modda nomi bilan ataladi, ya’ni adenin nukleotidi, guanin nukleotidi, timin nukleotidi va sitozin nukleotidi tariqasida nomlanadi. Qayd etilgan nukleotidlar muayyan sonda va muayyan tartibda ketma-ket bir chiziq bo`ylab o`zaro tutashib ayrim polinukleotid zanjirlarini hosil qiladilar.
2) DNK molekulasi spiralsimon o`ralgan ikkita polinukleotid zanjiridan iborat biopolimerdir.
3) DNK dagi bu ikkita polinukleotid zanjiridagi nukleotidlar bir‑biri bilan vodorod bog`lari orqali tutashishi komplementarlik qoidasiga binoan amalga oshadi. Bunda adenin nukleotidi (A) timin nukleotidi (T) bilan, guanin nukleotidi (G) sitozin nukleotidi (S) bilan tutashadi. DNK molekulasining diametri 20 angstrem, A va T li nukleotidlar uzunligi 12 angstrem va nihoyat G va S li nukleotidlarniki esa 8 angstremga tengligi aniqlandi. Demak A bilan T hamda G bilan S nukleotidlarning jamlangan uzunligi 20 angstrem bo`lishligi isbotlandi.
4) DNK molekulasi tarkibidagi dezoksiriboza va fosfatlar bir‑biri bilan ketma-ket tutashib aylanma (spiralsimon) narvonga o`xshash qurilmaning ikki tayanch ustunchasini hosil qiladi. A va T, G va S li nukleotidlar o`zaro tutashib DNK aylanma narvonning zinapoyalarini yaratadi.
5) DNK molekulasidagi ikkala spiralsimon polinukleotid zanjiri DNK molekulasining yagona umumiy o`qi atrofida spiralsimon aylanib joylashgan bo`ladi.
Ribonuklein kislotalari (RNK) strukturasi DNK ning strukturasidan quyidagi xususiyatlari bilan farq qiladi: 1) RNK molekulalari bitta polinukleotid zanjiridan iborat; 2) RNK molekulasida DNK dagi dezoksiribozaning o`rnida riboza joylashgan bo`ladi; 3) RNK molekulasida DNK molekulasidagi timin (T) o`rnida uratsil U(U) o`rnashgan bo`ladi.
Gen va genetik axborot. Gen organizmlar irsiyati va irsiylanishning molekulyar-genetik birligi - moddiy asosini tashkil etadi. Gen - DNK molekulasi polinuk--leotid zanjirining ma’lum bo`lagi bo`lib, u ma’lum sondagi, ma’lum tartibda ketma-ket joylashgan nukleotidlardan tashkil topgan bo`ladi.
DNK da joylashgan gen tarkibidagi nukleotidlar tripletlar tarzida bo`lib ularni kodogenlar deb ataladi. DNK molekulasi polinukleotid zanjirida joylashgan genetik axborotning ma’lum bir qismi transkripsiya jarayoni natijasida sintezlangan iRNK molekulasiga aynan ko`chirilgan bo`lib uning tarkibidagi tripletlar kodonlar deb yuritiladi. Kelgusi avlodga genetik axborot iRNK orqali beriladi va u oqsil sintezini boshqaradi. Molekulyar genetikaning so`nggi dalillarining ko`rsatishicha prokariot va eukariot organizmlar genlari o`zaro strukturaviy tuzilishi jihatidan keskin farqlanadilar.
Prokariot organizmlarda gen strukturaviy yaxlit, butun bo`ladi. Bunda genlar erkin yalang`och holatda bo`luvchi DNK molekulasining uzluksiz bo`lagini tashkil etadi. Ularning genlarida genetik axborot uzluksiz kodlangan bo`ladi. Ularni yaxlit genlar deb yuritiladi.
Eukariot organizm genlari esa ayrim strukturaviy qismlarga bo`lingan bo`ladi. Ularni bo`lingan genlar deyiladi. Eukariot genlari strukturaviy va funksional jihatidan ikkita guruhdan iborat: a) genetik kodga ega bo`lgan nukleotidlar ekzonlar deb ataladi; b) genetik kodga ega bo`lmagan nukleotidlar intronlar deyiladi. Ekzon va intron fragmentlari genda ketma-ket ma’lum tartibda joylashgan bo`ladi. Eukariot genlarining funksional holatga kelishi uchun ularning tarkibidagi barcha intronlar qirqib olib tashlanib, barcha ekzonlar esa bir-biri bilan bo`lingan genda joylashgan tartibda ulanib yaxlit gen holatiga keltiriladi. Pre-RNK tarkibidagi intronlarning qirqib olib tashlanishini splaysing deb nomlanadi. iRNK ning to`laqonli etishishini ta’min etuvchi molekulyar genetik jarayon protsessing deyiladi.
Organizmlar genotipini tashkil etgan genlar funktsiyasiga qarab quyidagi xillarga bo`linadi.

1. Strukturaviy genlar. Ularning strukturasida fermentativ va strukturaviy oqsillar tuzilishi haqidagi irsiy axborot kodlangan bo`ladi.

   
   

2. Transport RNK ning sintezlanishini ta’min etuvchi irsiy axborot kodlangan genlar.

   
   

3. Ribosom RNK sining sintezlanishini ta’min etuvchi irsiy axborot kodlangan genlar.

   
   

Regulyator genlar: gen-regulyator, promotor, gen-operator. Ular strukturaviy genlar faoliyatini boshqarish funktsiyasini bajaradi.

DNK molekulasida joylashgan barcha yuqorida sanab o`tilgan genlar strukturasining umumlashtirilgan yig`indisi organizmlarning genetik axborotini tashkil etadi. Ular organizm belgi va xususiyatlarining genetik nazorati, irsiylanishini belgilaydi. Eukariot organizmlarda genlarning aksariyat qismi (90% ga yaqin) xromosomalarda joylashgan. Ular organizmning genotipini tashkil etadi. Gaploid sondagi xromosomalarning genlari majmuasi genom yoki kariotip de- yiladi. Ular genlarining juda kam qismi sitoplazma va uning organoidlari (plastidalar, mitoxondriyalar va kinetoxorlar) da plazmida, episoma va endosimbiotik plazmogenlar tariqasida joylashgan bo`ladi. Ular plazmogenlar deb, ularning yig`indisi plazmon yoki plazmotip deb yuritiladi.
DNK molekulasining replikatsiyasi va segregatsiyasi. Genetik axborotning kelgusi hujayra va organizmlar avlodlariga berilishi DNK molekulasining replikatsiya (autoreproduksiya)si va xromosomalarning segregatsiyasi orqali amalga oshiriladi. DNK replikatsiyasi natijasida yangi hosil bo`lgan DNK larning keyingi avlod hujayra organizmlarga berilishi ushbu biopolimerning ikkinchi funktsiyasi hisoblanadi. DNK ning birinchi funktsiyasi, yuqorida bayon etilganidek o`z strukturasida genetik axborot – genlarning kodlanishini ta’min etishdir. Replikatsiya natijasida bitta DNK dan bir-biriga hamda boshlang`ich DNK ga aynan o`xshash ikkita DNK hosil bo`ladi. DNK ning replikatsiyasi hujayraning o`zida DNK tutuvchi barcha organoidlari (xromosoma, plastida va mitoxondriya) da kechadi. Eukariotlarda replikatsiya hujayraning har qaysi mitoz va meyoz bo`linishidan oldin, bakteriyalarda esa tanasi hujayraning har qaysi bo`linishi oldidan takrorlanadi. Bundan keyin yangi sintezlangan DNK molekulalari xromosomalar tarkibida ularning segregatsiya jarayoni orqali bo`linish natijasida yangi hosil bo`lgan hujayralar yadrosiga teng miqdorda taqsimlanadi.
Eukariot organizmlarda segregatsiya hujayraning ikki xil usulda bo`linib ko`payishi (mitoz va meyoz) orqali amalga oshadi. Bakteriyalarda segregatsiya ular hujayralarining bo`linishi jarayonida hosil bo`lgan yangi hujayralarga teng taqsimlanadi. Organizmlar jinsiy usulda ko`payganda irsiy axborot meyoz yo`li bilan hosil bo`lgan gaploid (n) sondagi kariotipga ega bo`lgan makro va mikrogametalar orqali beriladi. Ularning qo`shilishi (urug`lanishi)dan hosil bo`lgan zigotada ota‑ona genetik axboroti jamlanadi. Organizmlar jinssiz yo`l bilan ko`payganda irsiy axborot kelgusi avlodlarga mitoz yo`li bilan hosil bo`lgan diploid (2n) sondagi xromosomaga ega bo`lgan somatik hujayralar orqali beriladi. Ko`p hujayrali organizmlarning zigotadan boshlangan ontogenez davrida hosil bo`lgan barcha yangi hujayralarga zigotadagi genetik axborot mitoz jarayoni orqali odatda to`liq beriladi. Endi replikatsiya va segregatsiya jarayonlarining molekulyar asosi bilan tanishamiz.
DNK ning replikatsiyasi quyidagi molekulyar genetik jarayonlar orqali amalga oshadi:
1) Qurilish bloki – nukleotidlarning sintezlanishi. YAngi DNK molekulalarining sintezlanishi uchun zarur qurilish bloki funktsiyasini hujayrada sintezlanib yig`ilgan dezoksiribonukleozid trifosfatlar bajaradi. Ularni ixchamroq qilib d-nukleozidtrifosfat tarzida atalib, dNP belgisi bilan ifodalanadi. Bundagi lotincha d - harfi dezoksi-ribozani, N - harfi nukleozid va nihoyat P - harfi fosfatni bildiradi. Nukleotid deb atalgan bu moddaning sintezlanishi quyidagi jarayonlar orqali amalga oshadi:
a) d-nukleozid (dN) ning sintezlanishi azotli asoslar (A, T, G va S) ning bittasi dezoksiriboza bilan birikishi natijasida amalga oshadi. Bu sintez bitta molekula suv ajratish orqali kechadi.
b) d-nukleozid o`z navbatida energiya manbai bo`lmish ATF – adenozin trifosfor kislotasi bilan qo`shilib d-nukleozidtrifosfatni hosil qiladi. Bu jarayon ham kondensatsiya orqali amalga oshadi. Shunday holatda dNP ya’ni nukleotidlar DNK replikatsiyasining qurilish bloki funktsiyasini bajarishga tayyor bo`ladi.
2) Qo`sh spiral holatda buralgan DNK molekulasi buralishini yozilgan holatga keltirish va uni denaturatsiya qilish orqali ikkita polinukleotid zanjiriga ajratish replikatsiya namoyon bo`lishining ikkinchi bosqichidir. Bunda xelikaza fermenti yordamida DNK ning ikkita polinukleotid zanjiridagi nukleotidlarni bog`lab turgan vodorod bog`lari olib tashlanadi. Oqibatda DNK ikkita ayrim‑ayrim polinukleotid zanjiriga bir chetdan ajrala boshlaydi. Ikki polinukleotid zanjirlarining har qaysi birining yonida unga parallel komplementar holatda ikkita yangi polinukleotid zanjirlari sintezlanadi. DNK ning bunday holatdagi replikatsiyasini yarim konservativ usul deb ataladi.
Shunday qilib, ona DNK ning har ikkala polinukleotid zanjiri replikatsiya uchun andozalik (matritsalik) funktsiyasini bajaradi.
3) Yangi polinukleotid zanjirlarining sintezlanishi DNK – polimeraza I, DNK- polimeraza II va DNK- polimeraza III fermentlari ishtirokida amalga oshadi. Yuqorida qayd etilganidek DNK replikatsiyasi jarayonida yangi polinukleotid zanjirlarning sintezlanishi uchun qurilish bloki funktsiyasini dN trifosfat - nukleotidlar bajaradi. Ularning sintezlanayotgan polinukleotid zanjiriga joylashtirilishi quyidagi uchta jarayon orqali amalga oshadi:
1) Yangi polinukleotid zanjiriga ulanishdan oldin ulardan difosfat nukleaza ferment yordamida kesib tashlanadi. Oqibatda dN trifosfat dN monofosfatga aylanadi. Ularni odatda ixcham va qulay bo`lgan atama mononukleotid yoki ko`proq nukleotid deb yuritiladi. Trifosfatning monofosfatga parchalanishi natijasida ajralib chiqqan energiya hisobiga replikatsiya jarayoni namoyon bo`ladi.
2) Shunday qilib, tayyor nukleotidlar uch xil kimyoviy modda – azotli asos, dezoksiriboza va monofosfatlardan tashkil topgan bo`ladi. Tarkibida qaysi azotli asos mavjudligiga qarab ular 4 xil ya’ni adeninli – A (A), guaninli - G (G), timinli – T (T) va sitozinli S (C) nukleotidlar shaklida bo`ladilar. Ular DNK ning sintezlanayotgan polinukleotid zanjiriga muayyan tartibda, ketma-ket eski zanjirdagi nukleotidlarga komplementar holatda DNK polimeraza fermentlari yordamida ulanadi. Ulanayotgan ikkita nukleotid oralig`ida biri – biri bilan kondensatsiya jarayoni orqali murakkab efir bog`i hosil bo`ladi. Buning natijasida bitta nukleotidning fosfati bilan ikkinchi nukleotidning dezoksiribozasini bog`lab turuvchi fosfodiefir ko`prigi hosil bo`ladi. Ushbu ko`prik bitta nukleotid dezoksiribozasining 3 uglerod atomini ikkinchi nukleotiddagi 5 uglerod atomi bilan kislorod orqali ulanadi. Bayon etilgan jarayon orqali sintezlanayotgan polinukleotid zanjiriga navbatdagi nukleotid ulanadi.
3) DNK molekulasining sintezlanishida kechadigan so`nggi jarayon uning eski va yangi sintezlanayotgan nukleotid zanjirlarida joylashgan nukleotidlarni bir-biri bilan vodorod bog`lari orqali ulashdan iborat. Bu jarayon renaturatsiya deb ataladi. Renaturatsiya orqali adeninli nukleotid timinli nukleotid bilan ikkita vodorod bog`lari orqali, guaninli nukleotid sitozinli nukleotid bilan uchta vodorod bog`lari orqali ulanadi. Oqibatda bitta qo`sh polinukleotid spiralga ega bo`lgan boshlang`ich DNK dan ikkita yangi qo`sh spiralli DNK molekulalari hosil bo`ladi. Ularning har ikkalasidagi polinukleotid zanjirlarining bittasi boshlang`ich DNK dan o`tgan, ikkinchisi yangi sintezlangan bo`ladi.
DNK replikatsiyasining yuqorida bayon etilgan asosiy prinsiplari prokariot va eukariot organizmlarda o`xshash kechadi. Lekin molekulyar biologiyada olingan oxirgi dalillar ular DNK si replikatsiyasida ba’zi tafovutlar mavjud ekanligini ko`rsatdi. Shuning uchun biz ulardagi replikatsiyani alohida, tafovutlarini ta’kidlagan holda bayon etamiz.
Prokariot organizmlar – bakteriyalar va DNK ga ega viruslarda eukariotlardan farqli o`laroq shakllangan xromosoma bo`lmaydi, uning o`rniga halqasimon ko`rinishga ega bo`lgan erkin holdagi DNK molekulasi mavjud. Bundan tashqari prokariotlarning DNK sida replikatsiya nuqtasi faqat bitta bo`ladi. Binobarin, replikatsiya halqasimon DNK ning faqat bir joyidan boshlanib yuqorida qayd etilgan uchta jarayon orqali bitta boshlang`ich halqasimon DNK dan ikkita yangi halkasimon DNK sintezlanishi bilan tugallanadi. Ular yangi hosil bo`lgan ikkita hujayraga bittadan bo`lib o`tadi. Shuni alohida ta’kidlash zarurki, DNK replikatsiyasining molekulyar mexanizmi dastlab mikroorganizmlarda kashf etilgan edi. 1956 - yilda amerikalik olim A.Kornberg E.coli bakteriyasi ishtirokida quyidagicha tajriba o`tkazdi. E.coli toza holda DNK polimeraza fermentini, dezoksiribonukleozidtrifosfatni (dN-trifosfatni) hamda andoza uchun uning halqasimon DNK sini ajratib olib ularni zarur sharoitlar sun’iy yaratilgan idishda aralashtirib kuzatildi. Oqibatda laboratoriya sharoitida DNK replikatsiyasi sodir bo`lishini namoyish qildi. Eukariot organizmlar replikatsiyasini o`rganish sohasidagi tadqiqotlarning rivojlanishida A.Kornbergning 1967 - yildagi kashfiyotining natijalari katta ahamiyatga ega bo`ldi. DNK molekulasida mavjud bo`lmish ikkita polinukleotid zanjirlari antiparallel ravishda bo`ladi. Nukleotidlar ularning bittasida 5¹→3¹ yo`nalishida, ikkinchisida esa 3<sup>1</sup>→5<sup>1</sup> yo`nalishida joylashgan bo`ladi. Boshqacha qilib aytganda ulardagi 5<sup>1</sup>→3<sup>1</sup> bir – biriga qarama-qarshi joylashgan bo`ladi. SHuning uchun ham ularda yangi polinukleotid zanjirlari sintezlanishining boshlanish nuqtasi va yo`nalishi qarama-qarshi bo`ladi. DNK ning yo`nalishi 5<sup>1</sup>→3<sup>1</sup> bo`lgan polinukleotid zanjiri yonida yangi zanjirning sintezlanishi uzluksiz, yaxlit holda kechadi. Chunki DNK polimeraza DNK ning faqat bitta 5¹→3¹ yo`nalishidagi polinukleotid zanjirinigina uzluksiz sintezlaydi.
Replikatsiya natijasida sintezlangan birinchi qo`sh spiralli yangi DNK shu tarzda sintezlanadi. DNK ning 3¹→5¹ yo`nalishga ega bo`lgan ikkinchi yangi polinukleotid zanjirining sintezlanishi esa: a) teskari yo`nalishda bo`ladi; b) replikatsiyaning boshlanish nuqtalari ko`p bo`ladi; v) bu yo`nalishdagi polinukleotid zanjirining sintezi uchun oldin uning ayrim qismlarini sintezlab olinadi. Bu qismlarni Okazaka fragmentlari deb ataladi. Bu jarayon DNK-polimeraza III fermenti ishtirokida amalga oshadi. Ushbu polinukleotid zanjiri sintezining keyingi bosqichida Okazaka fragmentlar DNK-ligaza fermenti yordamida bir-biriga ketma-ket muayyan tartibda ulana boriladi. Oqibatda ikkinchi yangi polinukleotid zanjiri sintezlanadi. U ikkinchi boshlang`ich polinukleotid zanjiri bilan vodorod bog`lari orqali ulanib ikkinchi yangi qo`sh spiralli DNK ni hosil qiladi. DNK ning replikatsiyasi hujayra bo`linishi mitotik siklining DNK sintezi fazasida amalga oshadi.