Нуклейн хүчил

Нуклейн хүчил нь бүхий л амьд зүйлүүдэд байдаг биополимер буюу том биомолекул юм. Хоёр төрлийн нуклейн хүчил байгальд байдаг. ДНХ (дезоксирибонуклейны хүчил) ба РНХ (рибонуклейн хүчил) нь нуклеотидийн мономеруудаас тогтоно.

Нуклейн хүчлийн бүтэц

ДНХ нь полинуклеотид бөгөөд нуклеотид тус бүр нь азотлог суурь (пурины болон пиримидины), сахар болон фосфорын хүчлийн үлдэгдлээс тогтоно. Нэг нуклеотидын фосфорын хүчлийн үлдэгдэл өмнөх нуклеотидын декоксирибозын гурав дахь нүүрстөрөгчийн атомтай холбогдож хэлхээ гинж полинуклеотид үүсгэхийг ДНХ-ийн нуклеотидын дараалал гэх буюу энэ нь ДНХ-ийн анхдагч бүтэц болдог. Нуклейн хүчлийн хоёр полимер хамжаа зарчмын дагуу хоорондоо нийлж хоймсон мушгиа утаслаг үүсгэхийг хоёрдогч бүтэц гэж нэрлэнэ. Хоймсон мушгиа утсыг (спираль) эргүүлэг шаттай зүйрлэвэл бариул нь зэргэлдээ хоёр нуклеотидын 5’ ба 3’ нүүрстөрөгчийн атомтай фосфорын хүчлээр холбогдсон дезоксирибозууд, гишгүүр нь хос азотлог суурь байх жишээтэй. Азотлог суурийн хавтангуудын хоорондох холбоог стэкинг холбоо гэж нэрлэдэг ба аденин тимины дунд хоёр (A=T), гуанин цитозины дунд гурван (G ≡ C) устөрөгчийн холбоо үүсдэг.

ДНХ молекул оршин тогтнох А, В, С, Д, Е, Z хэлбэрүүд байдаг байна. 1953 онд Д.Уотсон, Ф.Крик нарын рентген бүтцийн шинжилгээгээр тогтоосон ДНХ молекулын бүтэц бол В мушгиа хэлбэр юм. Өргөнөөрөө 20 Ǻ хэмжээтэй ДНХ-молекул нар зөв эргэлдэхдээ бүрэн нэг эргэлтэнд 10 хос суурь агуулахаас гадна том бага алхам үүсгэж уртаараа 34 Ǻ хэмжээтэй болдог. Хос суурь хоорондын зай 3,4 Ǻ. Бага алхамын өргөн 12 Ǻ, том алхамын өргөн 22 Ǻ. А,С,Д,Е хэлбэрүд В мушгиа адил баруун гар зүг эргэлттэй бөгөөд эсийн чийгшилт багасч (А=75%, C=66%) натри кали, цезийн ион ихсэх, хэт ягаан туяаны үйлчилгээ, температур нэмэгдэх үед бий болдог байна.

А хэлбэрийн мушгианд нэг бүрэн эргэлтэнд ногдох хос суурийн тоо нэгээр нэмэгдэхэд (A=11х.с.) С, Д, Е хэлбэрт хос суурийн тоо (8х.с-7,5х.с.) цөөрдөг байна. Ургамал амьтдын спор буюу цистэд ДНХ молекул нь А мушгиа хэлбэрт байдгаас гадна РНХ молекулын хоёрдогч бүтэц болон эрлийз ДНХ-РНХ молекул мөн А мушгиа хэлбэрт байдаг байна. В мушгиа хэлбэрээс А мушгиа хэлбэрт шилжих нэг гол шалтгаан бол удмын мэдээлэл агуулсан ДНХ молекулыг хуурай ба чийгшэл багатай нөхцөлд хатахаас хамгаалахад оршино. Z хэлбэр нь нар буруу эргэлттэй, нэг бүрэн эргэлтэнд 12 хос суурь багтсан нарийн утаслаг гинж юм.

Гуравдагч бүтэц нь нуклейн хүчлийн хоёрдогч бүтэц буюу мушгиа нь орон зайн байршилтай болж уургийн тусламжтай эвхэгдсэнийг хэлнэ. ДНХ молекулын эвхэгдэн эрчлэгдэх 5 түвшин байна. Эхний түвшинд гистон Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4 уургууд оролцоно. Н2А, Н2В, Н3, Н4-ын хос хоёр молекулаас бүрдсэн нуклеосомын цөмийг ДНХ-ийн молекул 2 орооход ДНХ молекулын урт 5-7 дахин багасч нуклеосомын түвшин бүрэлддэг. Дараагийн түвшинд нуклеосом бүрийг хооронд нь Н1 уураг холбон өгч ДНХ молекул нягтширсны улмаас ДНХ молекулын өргөн 30 нм болдог. Гогцоо утаслагийн түвшинд олон гогцоо дэгээ үүссэний улмаас ДНХ молекулын өргөн 300 нм болж уртын хэмжээ багасна. Гогцоо утаслаг нь гетерохроматины үе бүрэлдүүлж 700 нм өргөнтэй хроматид бий болгоно. Хроматидын эрчлэлт интерфазын үеийн эсийн бөөмд утаслаг байдлаар харагддаг. ДНХ-ийн эрчлэлтийн сүүлийн түвшин бол метафазын хромосом. Энэ үед ДНХ молекулын өргөн 1400 нм болно. Ингэхлээр амьтны эсийн бөөмд байгаа нэг хромосом бол тасралтгүй үргэлжилсэн нэг молекул ДНХ юм гэж ойлгож болно. ДНХ молекулын гол үүрэг удмын мэдээллийг хадгалахад оршино.

РНХ молекулын онцлог

РНХ молекулын гол онцлог бол дан гинжээс тогтсон байдаг. Тимины оронд урацил оролцсон, нийлэгжилт нь ямагт 5’-3’ чиглэл рүү явсан, рибонуклеотидын дарааллаас бүрдсэн анхдагч бүтэцтэй. Хэдийгээр дан гинж байсан ч зарим комлементар хэсгүүд хоорондоо хамжаа зарчмын дагуу холбогдож хоёрдогч бүтцийг бий болгодог. Хамжаагүй хэсгүүд гогцоо үүсгэнэ. Орон зайн хувьд алслагдсан хэсгүүд ойртон нийлж гуравдагч бүтцийг үүсгэхэд тухайн молекул үйл ажиллагааны хувьд идэвхжинэ. Эдгээр бүтцийн тод жишээг зөөврийн РНХ молекул дээр харж болно.

ДНХ-ийн нийлэгжил

ДНХ-ийн нийлэгжил хагас консерватив зарчмаар явагддаг. Өөрөөр хэлбэл ДНХ-ийн хос шинж салснаар шинэ гинж тус хоёр гинжин дээр суурилж нийлэгжинэ гэсэн үг. Репликацийн хурд бактерийн эсэд 500-1000 суурь/сек байхад сүүн тэжээлтний эукариот эсэд 50-100 суурь/сек байна.

ДНХ нийлэгжилтийн дараалал

ДНХ молекул эрчлэлттэй байдаг учир нийлэгжилтийн өмнө эрчлэлтийг тайлах шаардлага гарна. Энэ үүргийг гүйцэтгэдэг хоёр төрлийн ДНХ топоизомераз фермент байдаг ба ДНХ топоизомераз I нь хос гинжийн нэгийн салгаж эрчлээ гарсаны дараа эргэн холбодог. Харин ДНХ топоизомераз II хос гинжийг хоёулангийн салгаж дараан буцааж холбож өгдөг байна.
Эрчлэлт харьсан хэсэгт нийлэгжилтийн эхлэл болох тусгай оп (оп§т) дарааллыг өвөрмөц уургийн бүрдэл ОКС (Оп§т Кесо§шйоп Сотр1ех) таньж ДНХ молекулын хос гинж дээр сууна. Оп (оп§т) дараалал нь 100-150 нуклеотидын урттай, АТ- аденин тимины дарааллаар баялаг байдаг. Аденин-Тимин хоорондын устөрөгчийн хоёр холбоос О-С-ийн гурван устөрөгчийн холбоосыг бодвол энерги бага зарцууллалттай салдаг учраас магадгүй эхлэлийн дараалал АТ нуклеотидаар баялаг байж болно.
Эрчлэлт харьсан, уургийн ОКС бүрдэл суусан хэсэгт ДНХ хеликаза фермент ирж хос гинжийн дундуур цуулах хэлбэрээр салган өгч репликацийн сэрээг үүсгэж репликацийн эхлэлийг тавьж өгдөг.
ДНХ полимераза фермент репликацийг эхлүүлж чададгүй учраас эхэлж дан гинжин дээр өдөөгч нийлэгжинэ. Өдөөгчийг ДНХ праймаза фермент хамжаа зарчмын дагуу 10-15 рибонуклеотидын урттай нийлэгжүүлж өгнө. Үүнийг праймер гэж нэрлэнэ.
Нэгэнт праймер үүссэн бол ДНХ-полимераза фермент 3’-5’ гинж дээр 5’-3’ чиглэлтэй нийлэгжилтийг хөтлөн явуулж репликацийн сэрээ уртасч эхэлдэг. Зогсолтгүй үүсэх гинжийг хөтлөгч гинж гэнэ. Зарим цагираган хэлбэртэй ДНХ молекулын нийлэгжилт хоёр чиглэлд явагдаж эхэлсэн цэгтээ эргэн ирж дуусдаг.
Эукариот эсийн цагираган бус ДНХ молекулын нийлэгжил хоёр зүг явахдаа нэг гинж нь тасалдахгүй нөгөө гинж нь богино хэрчмээр нийлэгжиж хоорондоо холбогддог. Үүнийг Оказаки хэрчим буюу хоцрогч гинж гэж нэрлэнэ.
Хеликаза фермент ДНХ полимераза ферментийн урд хос молекул ДНХ-г цуулж явхад салсан гинжийг эргэн эрчлэгдэхээс хамгаалж SSB уургууд холбогддог. Хоцрогч гинжийн нийлэгжилт мөн өдөөгчөөс эхлэнэ. Праймаза фермент богино өдөөгч холбож өгсний дараа ДНХ полимераза фермент сууж 1000-2000 нуклеотидын урттай Оказаки хэрчмийг (прокариот эсэд) нийлэгжүүлдэг байна. Эукариот эсэд Оказаки хэрчмийн урт 10 дахин бага, 100-200 нуклеотид байдаг. ДНХ полимераза фермент Оказаки хэрчмийн төгсгөл хэсэгт очоод өмнөх хэрчмийн праймер хэсгийн рибонуклеотидыг нэг бүрчлэн салгаж оронд нь нуклеотид нийлэгжүүлдэг.
Төгсгөл нуклеотидыг өмнөх нуклеотидтэй нь өөрөөр хэлбэл Оказакийн хоёр хэрчмийг хооронд нь лигаза фермент залгаж оёж өгнө.

ДНХ полимераза ферментийн бүтэц

Бактерийн эсэд ДНХ молекулын нийлэгжилтийг хариуцсан гурван ДНХ полимераза фермент ( ДНХ полимераза I, ДНХ полимераза II, ДНХ полимераза III) байдаг. Тэд бүгд 3’ экзонуклеазын идэвхитэй учир ДНХ нийлэгжилтийн үед гарсан алдааг засах чадвар бүхий ферментүүд юм.

ДНХ полимераза I 911 аминхүчлээс бүрдсэн, 109000 D мол.жинтэй ферментийг хязгаартай задралын туршилтаар хоёр дэд бүтцээс тогтож байгааг илрүүлжээ. Том нь ДНХ полимеразын идэвхтэйгээс гадна 3’ экзонуклеазын идэвхи бүхий дэд бүтэц юм. Жижиг нь 5’ экзонуклеазын идэвхитэй байдаг учир 5’ төгсгөлд үйлчилж моно-, олигонуклеотидыг салгаж өгдөг байна. 5’ экзонуклеазын идэвхи нь ДНХ гинжийн уртасах чиглэлтэй ижил. Өөрөөр хэлбэл нийлэгжилтийн өмнө замаа шалгаж засч байдаг байна. Иймээс 5’ экзонуклеазын идэвхи нь праймаза ферментийн нийлэгжүүлсэн өдөөгчийг нэг нэгээр салгаж өгдөг. Үүнээс гадна алдааг засч репарацид оролцдог. Эсэд 400 зуу орчим байдаг.

ДНХ полимераза II 120000 D хэмжээтэй, полимеразын ба 3’ экзонуклеазын идэвхтэй, хэдэн арван нуклеотидын тасархайг нийлэгжүүлэх чадвартай тул репарацинд оролцдог фермент юм. Уг фермент эсэд ДНХ полимераза I ферментийг бодвол хэд дахин бага байдаг байна Иймээс 5’ экзонуклеазын идэвхи нь праймаза ферментийн нийлэгжүүлсэн өдөөгчийг нэг нэгээр салгаж өгдөг. Үүнээс гадна алдааг засч репарацид оролцдог. Эсэд 400 зуу орчим байдаг. ДНХ полимераза II 120000 D хэмжээтэй, полимеразын ба 3’ экзонуклеазын идэвхитэй, хэдэн арван нуклеотидын тасархайг нийлэгжүүлэх чадвартай тул репарацинд оролцдог фермент юм. Уг фермент эсэд ДНХ полимераза I ферментийг бодвол хэд дахин бага байдаг байна

ДНХ полимераза III E.coli-ийн эсэд ДНХ-ийн репликацийг хариуцсан гол фермент юм. Түүний тоо ширхэг репликацийн эхлэл хэсэг болох ori–оос шууд хамааралтай байна. Өөрөөр хэлбэл репликацийн сэрээ бүр дээр ДНХ полимераза фермент III суух тул үүссэн репликацийн сэрээний тоотой адил байдаг. ДНХ полимераза III нь 7 дэд бүтэцтэй, нийлбэр жингээрээ 500 kD тэнцэнэ.

Эукариот эс таван төрлийн ДНХ полимераз фермент агуулж байдаг. Үүнд ДНХ полимераза α, β, γ, δ, ε орно. ДНХ полимераза α нь ДНХ-ийн нийлэгжилтийг харуцсан гол фермент бөгөөд 148,58,46,42 kD молекул жинтэй дэд бүтцээс тогтоно. Полимераз ферментийн идэвхи том молекул жинтэй дэд бүтцэд оршиж байдаг. ДНХ полимераза β -ийн молекул жин 40 kD бөгөөд ДНХ молекулын репарацид оролцдог байна. ДНХ полимераза γ нь 50 kD жинтэй хэдэн дэд бүтцээс тогтсон, митохондрийн ДНХ-ийн нийлэгжилтийг хариуцдаг гэж үздэг. ДНХ полимераза δ - нь том бага дэд бүтэцтэй, 3’ экзонуклеазын идэвхитэй, 150 kD жинтэй фермент юм. Дрожжийн эс хоёр төрлийн ДНХ полимераз I, II гэсэн ферменттэй байдаг байна. ДНХ-ийн нийлэгжилт хромосом дээр нэгэн зэрэг явагддаггүй. S үеийн эхэнд эухроматин, төгсгөл үед гетерохроматин бүсүүд репликацид ордог. Полимераз ферментийн идэвхи том молекул жинтэй дэд бүтцэд оршиж байдаг. ДНХ полимераза β -ийн молекул жин 40 kD бөгөөд ДНХ молекулын репарацид оролцдог байна. ДНХ полимераз γ нь 50 kD жинтэй хэдэн дэд бүтцээс тогтсон, митохондрийн ДНХ-ийн нийлэгжилтийг хариуцдаг гэж үздэг. ДНХ полимераза δ - нь том бага дэд бүтэцтэй, 3’ экзонуклеазын идэвхитэй, 150 kD жинтэй фермент юм. Дрожжийн эс хоёр төрлийн ДНХ полимераз I, II гэсэн ферменттэй байдаг байна. ДНХ-ийн нийлэгжилт хромосом дээр нэгэн зэрэг явагддаггүй. S үеийн эхэнд эухроматин, төгсгөл үед гетерохроматин бүсүүд репликацид ордог. Хромосом дээр репликацийн сэрээ олноор үүснэ. Нэг репликацийн сэрээг өөрөөр репликон гэж нэрлэдэг. Репликон хоорондын зай 30000-300000 х.с. байна. Эукариот эсийн том хромосом хэдэн зуун репликонтой байна. Нэг репликоны урт 50000-30000 х.с. байдаг. Репликаци хоёр зүгт нэгэн зэрэг эхэлж дараагийн репликоны сэрээтэй нийлж төгсгөл болдог. Репликацийн өмнө ДНХ молекулын нуклеосомын эрчлэлт тайлагдаж нийлэгжилтийн явцад гистон уургууд нуклеосомын түвшинг эргэн бүрдүүлж шинэ гинжний эрчлэлтийг хангаж өгдөг байна.

Хромосом дээр репликацийн сэрээ олноор үүснэ. Нэг репликацийн сэрээг өөрөөр репликон гэж нэрлэдэг. Репликон хоорондын зай 30000-300000 х.с. байна. Эукариот эсийн том хромосом хэдэн зуун репликонтой байна. Нэг репликоны урт 50000-30000 х.с. байдаг. Репликаци хоёр зүгт нэгэн зэрэг эхэлж дараагийн репликоны сэрээтэй нийлж төгсгөл болдог. Репликацийн өмнө ДНХ молекулын нуклеосомын эрчлэлт тайлагдаж нийлэгжилтийн явцад гистон уургууд нуклеосомын түвшинг эргэн бүрдүүлж шинэ гинжний эрчлэлтийг хангаж өгдөг байна.

Теломерын хэсгийн нийлэгжилт 1984 онд теломерийн хэсгийн ДНХ-ийн нийлэгжилтийг хариуцсан ферментийг нээж түүнийг теломераза фермент гэж нэрлэсэн. Энэ фермент урвуу транскриптазын үүрэгтэй, өөрөөр хэлбэл РНХ-ийн гинж дээр ДНХ-ийн гинж нийлэгжүүлэх чадвартай, уураг болоод матриц-эх гинжийн үүрэгтэй РНХ молекулын агуулсан фермент юм. Прокариот биеийн эсэд уг РНХ молекулын урт 150-200 рибонуклеотид байх ба хүний эсэд теломераза ферментийн РНХ молекулын урт 450 рибонуклеотид байдаг байна. Хромосомын теломер хэсгийн 3’ төгсгөлд ТТGGG гэсэн давтагдсан дарааллууд олон байдаг ба GGG дарааллыг теломераз ферментийн РНХ молекул праймер болгон ашиглаж РНХ молекул дээр суурилсан ДНХ-ийн нийлэгжилт транслокаци хэлбэрээр олон дахин давтагдан явагддаг.