Reja: Replikasiya haqida umumiy tushuncha

DNK NING REPLIKATSIYASI VA TRANSKRIPSIYASI

DNK biosintezi — genlar replikatsiyasi, ya'ni organizm belgilarini yuzaga

chikishidir. Geteropolimer bo‘lgan informatsion makromolekulalar genetik
informatsiyani o‘zlarining birlamchi strukturalarida saqlaydilar va tashiydi-
lar. DNK molekulasida nukleotidlarni birin-ketin kelishi matritsa funksiyasini bajaradi. DNK va RNK da mononukleotidlar tarkibida joylashgan bu informatsiya replikatsiya ham transkripsiyada amalga oshadi. Genetik informatsiyaning realizatsiya qilinishi DNK molekulasida nukleotidlar tartibi shaklida yozilgan buyruq (ko‘rsatma)ni oqsil molekulasi sintezida aminokislo-talar tartibiga aylantirishdan iborat. Informatsiya oqimi quyidagi yo‘nalishda kechadi:
Hozirgi zamon biologiyasining asosiy postulati DNK RNK ni yaratadi, RNK
oksilni, DNK ning o‘zi informatsiya xazinasi, u oqsil sintezida bevosita ishtirok
etmaydi. DNK faqat hujayra siklida, bola hujayralari paydo bo‘lishidagina ikki zanjirga ajraladi va bunda har bir zanjirga muvofiq yetishmagan komplementar zanjiri sintezlanib bir DNK molekulasidan ikkita molekula yaratiladi. Bu fundamental jarayon hujayralarning bo‘linishi, nasliy belgi-larni avlodlarga o‘zgarmay uzatilishini asosi bo‘lib, repl ikatsiya, nusxa olish deb ataladi. Nasliy informatsiyaning realizatsiya qilinishi ikkinchi bosqichi oqsil sintezini boshqaradigan uch xil RNK molekulalarini sintez qilinishidir. Bu jarayon transkripiiya (ko‘chirib yozish) deyiladi. Genetik informatsiyaning amalga oshishida uchinchi bosqich nuklein kislotalarda yozilgan informatsiyani oksillar sintezida aminokislotalar tartibiga o‘tkazishdir. Bu translyasiya deb ataladi. Molekulyar biologiyaning «markaziy dogma»siprinsipiga binoan informatsiya oksilga o‘tar ekan uning orqaga qaytmasligi qayd qilinadi.


D N K = D N K * = * R N K -----►Oqsil
Ko‘p asrlar davomida qorong‘u bo‘lib kelgan organizmning nasliy belgilarini avloddan-avlodga o‘tish muammosi DNK molekulasining ikki zanjirli tuzilishi va bu zanjirlarning bir-biriga komplementar ekanligi kashf etilgandan so‘ng, tez sur'atlar bilan ishlanib qisqa vaqt ichida hal bo‘ldi.
Uotson va Krik gipotezasiga binoan DNK ko‘sh spiralining har bitta zanjiri
komplementar bola zanjirlar replikatsiyasi uchun matritsa sifatida xizmat kiladi. Shuni eslatib o‘tish kerakki, makromolekulalarni qaytadan anik yaratilish va nasliy informatsiyani uzatilish g‘oyasi, birinchi bo‘lib rus oli-mi N. K. Kolsov tomonidan ishlab chiqilgan edi. 1927 yilda N. K. Kolsov hujayralar ko‘payishida xromosomalar («nasl molekulalari») matritsa asosida o‘z-o‘zidan ko‘payadi degan gipotezani e'lon qildi. Lekin u yillarda, hali oqsillarning funksional ahamiyati haqida ma'lumot yetarli bo‘lmagandan, bu xususiyat DNK ga emas, oqsil molekulasiga taalluqli deb faraz etilgan edi.
Shunday bo‘lsa ham makromolekulalarni avtokatalitik yo‘l bilan yangidan paydo
bo‘lishi hakidagi fikrni o‘zi shubhasiz bashoratdir.
So‘ngra eukariotik DNK replikatsiyasi bir vaqtda juda ko‘p (ularning soni
mingdan ham ortiq) nuqtalarda boshlanishi tasdiqlangan. Bunday nuqtalarning
har biridan bir vaqtda qarama-qarshi tomonlarga qarab ikkita replikativ ayri harakatda bo‘ladi. Natijada butun eukariotik xromosomaning.replikatsiyasi
juda tez o‘tadi.
DNK molekulasining sintezi boshqa organik polimerlar biosintezi kabi
energiyaga, monomer molekulalari dezoksiribozomononukleotidlar hamda mahsus
fermentlarga muhtoj, DNK replikatsiyasi, asosan A. Kornberg kashf etgan 1 DNK-polimeraza fermenti ta'sirida o‘tadi. U substrat sifatida faqat dezoksiribonukleogid
trifosfatlarni iste'mol1 qilib, dezoksiribonukleotid qoldiqlarini DNK
zanjirining uchiga ulanishini katalizlaydi:
Agar bu oldbirikmalarning to‘rt xilidan bittasi bo‘lmasa ham DNK sintezi
bormaydi. Dezoksiribonukleozid 5'-trifosfatlarnyng bittasi ham tegishli 5'-di-, yoki monofosAatlar bilan almashtirilishi mumkin emas. DNK-psmimyoraza ishlashi uchun Mgp+ ionlariga muhtoj.
DNK-polimeraza yangi dezoksiribonukleotidlarning a-fosfatini DNK.
ning tayyor zanjirini erkin 3'-gidroksil gruppasiga bog‘lanishini katalizlay-
di; binobarin DNK sintezi 5'-kZ' yo‘nalishida boradi. DNK tarkibida har bir
yangi fosfodiefir bog‘ining hosil bo‘lishi uchun zarur energiya oldmoddadan —
dezoksiribonukleozid 5'-trifosfatlarning a va r-fosfat gruppalari orasi-
dagi pirofosfat bog‘larning uzilishi bilan ta'minlanadi.
Keyingi kashfiyotlar ichak tayoqchasi DNKsining replikatsiyasi uchun bir nechta fermentlar lozim ekanligini ko‘rsatdi. 1958 yil A. Kornberg kashf etgan, DNK biosintezini ta'minlaydigan va DNK-polimeraza 1 nomini olgan ferment
DNK zanjirini yangidan (de nova) sintez kilish kobiliyatiga ega emasligi ma'-
lum bo‘ldi.
Kornberg va uning xodimlari DNK molekulasining tayyor namunasi DNK-
polimerazaga nima uchun lozim ekanligini tekshirib u DNK polimeraza reakiiyasida ikkita muhim vazifaning bajarishini belgiladilar: biri —namuna (zatravka— tomizg‘i), ikkinchisi — matritsa sifatida. DNK-polimerazaning o‘zi, namuna bo‘lmaganda, yangi DNK sintezini boshlay olmaydi.
DNK ning replikatsiyasi uchun fakat DNK-polimeraza fermentining o‘zi
yetarli emas. Bugungi kunda ham replikatsiya jarayonining to‘la va anik tasviri
yo‘k, bu jarayonda, ma'lum funksiyani bajaradigan yigirmadan ortik ferment va
oksillar ishtirok etsa kerak. DNK replikatsiyasining initsiatsiyasi (boshlanish)
boskichida ishtirok qiladigan fermentlardan biri maxsus hujayra — RNK-
polimerazasi bo‘lib u praymaza nomini olgan, chunki u praymer deb ataladigan
kalta (4 dan Yugacha nukleotiddan iborat) RNK ning sintezlanishini ta'minlay-
di. RNK-polimeraza (praymaza) DNK-polimerazadan farkli ravishda tomizg‘iga muhtoj emas. Hosil bo‘lgan RNK zanjiri (praymer) oxiridagi ribonukleotidning 3' uchi DNK sintezi uchun tomizg‘i vazifasini bajaradi. Endi mana shu gruppaga DNK-polimeraza III yordamida bittadan dezoksiribonukleo-tidlar ulanishi bilan DNK sintezi davom etadi (zanjir elongatsiyasi).
Boshlang‘ich davrda hosil bo‘lgan RNK-DNK gibridning RNK kismi, so‘ngra DNK-polimeraza 1 tomonidan gidrolizlanadi. RNK ajralib chiqqandan keyin fragmentlar orasida paydo bo‘lgan bo‘sh oraliq ham DNK ni bir zanjirli
matritsada sintez qilishga moslashgan DNK-polimeraza 1 tomonidan to‘latila-
di.
Keyingi tekshirishlar DNK sintezining initsiatsiyasi yana ham murakkab
ekanligini ko‘rsatdi. Praymazaning ta'siri oldidan kamida beshta oqsildan iborat kompleks hosil bo‘lishi zarur ekanligi aniqlandi. Bu oqsillardan biri, p-oqsil ATF energiyasidan foydalanib DNK zanjiri bo‘ylab harakatda bo‘ladi, praymazaning faollanishi uchun zarur deb gumon qilinadi. Replikatsiyaning o‘zi birin-ketin kechadigan bir qancha boskichlardan iborat. Bu bosqichlarning hammasi juda katta tezlikda, oliy darajada aniq o‘tadi. DNK ning qo‘sh spirali zich o‘ralgan tuzilma va kodirlaydigan asoslar burama ichida bo‘lganlaridan replikatsiya qiladigan fermentlar matritsaning nukleotidlar qatorini «o‘qishi» uchun ona DNK sining zanjirlari hyech bo‘lmasa kalta bir bo‘limida yechilgan bo‘lishi lozim.
Qo‘sh zanjir o‘rimining yechilishi va ikkala zanjir yangidan qo‘shilib ketmasin uchun ularni bir-biridan ma'lum masofada tutib turish vazifasini bir nechta maxsus oqsillar bajaradilar. Xelikaza (helix — burama so‘zidan olingan)
nomli fermentlar DNK ning kalta uchastkalarini yozadilar; ajralgan zanjirlar
qaytadan qo‘shilib ketmasin uchun D N K — bog‘lovchi oqsillar, replika-siya jarayonida zanjirlarning juda tez yechilishida uzilib ketmasin uchun topo -izomeraza (prokariotlarda giraza, guration— aylanish so‘zidan) va yana bir qator ferment va oqsillar, matritsalar va initsiatorlar qatnashadi. Zanjirlar-ning yoyilishida har bir qo‘sh asosning ajratilishi uchun ikki molekula ATF ning
gidroliz energiyasi sarf bo‘ladi. Umuman, DNK ning yoyilishi DNK replikatsiyasi-
ning eng qiziqarli va eng murakkab muammolaridan biridir.
Yigirmadan ortiq replikativ fer-mentlar va faktorlardan iborat to‘la kompleks DNK — replikaza siste-masi yoki qisqacha replisoma deb darajada bir-birlaridan farqlanadigan uchta DNK — polimeraza mavjud. Ular I, II, III polimerazalar deb belgilanadi. I va III polimerazalar bola zanjirini uzayishini ta'min qilishdan tashqari ekzonukleazalik faolligiga ham egalar, ya'ni DNK molekulasining har ikki
uchidan ham oxirgi nukleotidlarni ajra-ta oladilar. ye. coli hujayrasida DNK
zanjiri elongatsiyasiga asosan III DNK —polimeraza javob beradi. II DNK —
polimerazaning funksiyasi hozircha aniq-langan emas.
DNK molekulasining har ikkala zan-jirni bir vaqtda replikatsiya qilinishi
bir qator yangi muammolarni ko‘tardi. Ulardan biri DNK — polimerazalar yan-
gi monomerlarni faqat DNK ning 3'-uchiga bog‘lashgagina qodir ekanligidan
kelib chiqadi. Unda DNK ning 5'-uchidan boshlanadigan uchidan sintez qanday o‘ta-di? Buning uchun alohida mexanizm va maxsus ferment bormi, yoki bitta fer-
mentning o‘zi zanjirni 3'-uchidan ham, 5'-uchidan ham uzaytira sxladimi? Bu 72- rasm. DNK replikatsiyasi asosiy etaplari- savollarga yapon olimi Reydji Oka- ning sxematik tasviri. 1969 yilda bu olim har ikkala zanjir bir vaqtda replikatsiya qilinganda, bir zanjir uzluksiz, ikkinchi yangi zanjir esa kalta fragmentlar shaklida sintezlanishini kashf etdi.
So‘ngra Okazaki fragmentlarining sintezi uchun tomizg‘i sifatida RNK ning kichik bo‘lakchalari kerak ekanligi ham ma'lum bo‘ldi, chunki DNK polimerazaning o‘zi zanjirni initsiirlay olmaydi. Ribonukleozid trifosfat-lardan 5'-kG yo‘nalishida bog‘lanish primaza deb ataladigan ferment yordamida tuziladi. RNK tomizg‘i kalta zanjirli RNK bo‘lib, uning 3' uchiga birin-ketin dezoksiribonukleotid koldiqlari birikadi. Keyingi vaqtda har ikkala zanjirning ham kalta fragmentlar shaklida sintezlanishi isbot qilindi
Replikatsiya bir nechta initsiatsiya nuqtalarida boshlanadi va har bir replikatsiya ayrisi ikkala tomonga harakat qiladi. Qo‘sh spiralning ayrilishi zanjirning bittasini tanlab unga ulanadigan «ayiruvchi oqsillar ta'siri» tufayli boradi. Hosil bo‘lgan 1000—2000 nukleotidlardan tuzilgan Okazaki fragmentlari, so‘ngra ligaza nomli ferment yordamida bir-biryga ulanadi. Replikatsiya halqali DNK molekulasida o‘ziga xos mexanizm bilan boradi, bunda boshqa fermentlar qatnashadi. Bakteriyalar va ko‘p DNK — saqlovchi bakteriyalar virus DNK si halqali qo‘sh spiral tuzilishiga ega. Bu kashfiyot darhol halqali DNK qanday replikatsiya qilinadi degan savolni tug‘dirdi. Djon Kernsning muhim ishlari ye. Coli hujayrasidagi halqali DNK buzilmagan halqa shaklida replik&siya qilinishini isbot qildi. Kerns ichak tayoqchasini vodo-rodning radioaktiv izotopi— tritiy bilan nishonlangan imidinli muhitda o‘stirdi. Bunday muhitda o‘stirilgan ye. Coli hujayralari radioaktiv bo‘ladilar.
Bu hujayradan ohistalik bilan ajratilgan DNK ni fotografiya plastinkasiga o‘tkazilsa plastinkada DNK ning radioaktiv tasviri paydo bo‘ladi. Olingan tasvir asosida Kerns bakterial hujayraning xromosomasi juda katta halqa ekanligini ko‘rsatdi. Bu halqa oldindan nishonlangan edi, ammo replikatsiya jarayonida ajratib olingan radioaktiv DNK da yana qo‘shimcha radioaktiv halqa paydo bo‘ladi. Kerns gumon qilganday DNK dagi halqa ikkita radioaktiv bola zanjirlarning hosil bo‘lishidan kelib chiqadi. Buni quyidagi rasmda ko‘rish mumkin (73- rasm).
Bu rasmda replikatsiyaning bir ayrili modeli keltirilgan. Ammo hozirgi kunda ma'lumki, odatda replikatsiya ikki yo‘nalishda o‘tadi, ya'ni ikkita replikativ ayri bo‘ladi. Har ikala ayri ham bir nuqtada paydobo‘lib, bir vaqtda har ikkala tomonga bir-birlari bilan uchrashmaguncha harakat qiladilar. Mana shu nuqtada to‘la sintezlangan ikkala ko‘sh zanjirli xalqalar ajraladilar; ularning har biri bitta eski va bitta yangi zanjirdan tashkil topadi (74- rasm).
Yangi DNK ning sintezi juda jadal o‘tadi. Uning tezligi 1 minutda 1 ayriga
45000 nukleotid koldig‘ini tashkil qiladi. Qo‘sh spiralning har bir aylanishiga
10 qo‘sh nukleotid to‘g‘ri kelganidan ye. Coli hujayrasida DNK sintezining tezligi
bir minutda 4500 aylanishga teng. DNK molekulasining bunday tez yechilishi,
tabiiy DNK molekulalari qo‘sh spiralli bo‘lganidan bir kator mexanik muammo-
larni tug‘diradi. Lekin jarayon shu qadar murakkab bo‘lishiga karamay juda tez
sur'atda o‘tishi ajablanarli voqyeadir. Uning barcha nozik detallari mukammal
o‘rganilganiga hayratda kolasiz. Quyidagi rasmda Okazaki fragmentlarini DNK ning kechikkan zanjiriga DNK — ligaza yordamida ulanishi ko‘rsatilgan. Difosfoefir bog‘ini hos.il bo‘lishi energiya sarf qilinishiga muhtoj. Bu ener-giya NAD"^ yoki pirofosfat bog‘ining bir vaqtda' uzilishi bilan ulangan (74-rasm).