Биоинформатика фанига кириш. Биоинформатика фанининг ривожланиш
Download 482.44 Kb. Pdf ko'rish
|
1Кириш
|
Кириш Биоинформатика фанига кириш. Биоинформатика фанининг ривожланиш тарихи ва биоинформатика фани истиқболлари. Асосий атамалар ва тушунчалар. 1.Bioinformatika fanining rivojlanish tarixi va bioinformatika fani istiqbollari. Bugungi kunga qadar bioinformatikaga turlicha ta'riflar beriladi, biroq asosan bioinformatika deganda turli biologik axborotlarni tahlil qilishda komp'yuterdan foydalanish tushuniladi. Shuningdek «bioinformatika» termini qo’llanilish maydoni ham kengaydi va biologik ob'ektlar bilan bog‘liq barcha matematik algoritmlardan hamda biologik tadqiqotlarda qo‘llaniladigan axborot-kommunikasiya texnologiyalaridan foydalanilmoqda. Bioinformatikada informatikadagi kabi amaliy matematika, statistika va boshqa aniq fanlar usullaridan foydalangan holda. Molekulyar biologiya, biokimyo, biofizika, ekologiya, genetika va qator tabiiy fanlar sohalariga kirib bordi. Bioinformatika - biologik ma'lumotlarni qayta ishlash uchun komp'yuter texnikasidan foydalanishdir. Bioinformatika asosan genomni tadqiq etish, oqsil strukturasi tahlili va taxmini, oqsillarning o‘zoro va boshqa molekulalar bilan o‘zoro ta'sirini tahlil etish, evolyusiya jarayonini modellashtirish bilan shug‘ullanadi. Bioinformatika va uning usullari hozirda barch tabiiy keng qo’llanilib kelinmoqda. Demak, bioinformatika biologiya va informatika fanlari chegarasida joylashgan fan bo‘lib, bunda biologiya deyilganda albatta uning genetika va molekulyar biologiya bilan bog‘liq bo‘lgan sohalari tushuniladi. Bioinformatikaning yaralish tarixi 13 asrlarga borib taqaladi. Matematika tarixiga Fibonachchi (Fibonacci) nomi bilan kirib kelgan yosh ital'yan Pizalik Leonardo (Leonardo of Pisa) biologik jarayonning birinchi matematik modelini tuzgan holda quyonlarnig ko‘payishi to‘g‘risidagi masalani tavsiflab bergan. XX asrning 20 yillariga kelib esa yana bir ital'yan olimi Vito Vol'terra (Vito Volterra) “yirtqich-o‘lja” ko‘rinishidagi ikki biologic turning o‘zaro harakati modelini yaratdi. 40 yillar oxirida biologiyaga fizik va matematiklar kirib kela boshladi. Biologiyaning zamonaviy tarixi 1953 yildan, amerika olimlari Jeyms Uotson (James Watson) hamda Frensis Krik (Francis Crick) tomonidan DNK ning qo‘sh spiralligi kashf qilingan davrdan boshlandi.(1-rasm) 1-rasm 1955 yilda F.Senger ilk bor insulin molekulasi aminokislotalar ketma – ketligini aniqlagandan so‘ng bu sohada juda katta yutuqlarga erishildi va ko‘pgina yirik laboratoriyalar bakteriya, achitqi, sichqon va odam organizmi genomini to‘laligicha aniqlash ustida izlanishlar olib bordilar. To‘plangan ma'lumotlar esa butunjahon ma'lumotlar bazalarida saqlanib kelinmoqda. To‘plangan ma'lumotlarni qayta tekshirish, ular orasidan keyingi tadqiqotlarda foydalanish mumkin, foydalilarini tanlab olish bioinformatika oldida turgan vazifalardan biridir. Bioinformatika - kirish va qo'llanmalar • Ko'p sonli prokariotik va eukariotik genomlar ketma-ketlikda va kelajakda genomik ma'lumotlarga kirish va ularni yangi bilimlarni kashf qilish uchun sintez qilish zamonaviy biologik tadqiqotlarning asosiy mavzulariga aylandi. • Genomik ma'lumotni qazib olish murakkab hisoblash vositalaridan foydalanishni talab qiladi. • Shuning uchun biologlarning yangi avlodi uchun genomik davrdagi yangi muammolarni hal qilish uchun ma'lumotlarni ehtiyotkorlik bilan saqlash, tashkil etish va indeksatsiya qilish bilan bog'liq bo'lgan tadqiqot sohasini boshlash va tanishish juda muhimdir. • Axborot fanlari bioinformatika deb ataladigan sohani ishlab chiqarish uchun biologiyada qo'llanilgan. • Bu biologik tadqiqot muammolarini hal qilish uchun mavjud bo'lgan zamonaviy hisoblash vositalari bilan bog'liq. • Bioinformatika atamasi Paulien Xogeweg va Ben Xesper tomonidan "biotik tizimlarda informatsion jarayonlarni o'rganish" ni tavsiflash uchun kiritilgan va u birinchi biologik ketma-ketlik ma'lumotlari tarqatila boshlanganda erta foydalanishni topdi. • Bioinformatika - bu biologik ma'lumotlarni tushunish usullari va dasturiy vositalarini ishlab chiqadigan fanlararo sohadir. • Bioinformatikaning soha sifatida rivojlanishi so'nggi 30-40 yil ichida molekulyar biologiya va informatika yutuqlarining natijasidir. • Bioinformatika fanlarning fanlararo sohasi sifatida biologik ma'lumotlarni tahlil qilish va sharhlash uchun biologiya, informatika, axborot muhandisligi, matematika va statistikani birlashtiradi. • Bioinformatikaning asosiy yo'nalishlari qatoriga biologik ma'lumotlar bazalari, ketma-ketlikni moslashtirish, gen va promotorni bashorat qilish, molekulyar filogenetik, tarkibiy bioinformatika, genomika va proteomika kiradi. • Bioinformatika hisoblash biologiyasi deb nomlanuvchi tegishli sohadan farq qiladi. • Bioinformatika genlar va genomlarning ketma-ketligi, tarkibiy va funktsional tahlillari va ularga mos keladigan mahsulotlar bilan cheklanadi va ko'pincha hisoblash molekulyar biologiyasi hisoblanadi. • Biroq, hisoblash biologiyasi hisoblashni o'z ichiga olgan barcha biologik maydonlarni qamrab oladi. Bioinformatika barcha turdagi biologik ma'lumotlarni boshqarishda hisoblash vositalarini ishlab chiqish va qo'llash sifatida, hisoblash biologiyasi esa bioinformatika uchun ishlatiladigan algoritmlarni nazariy ishlab chiqish bilan cheklangan. Bioinformatika qo'llanmalari Ko'ra Science Daily , bioinformatika, shu jumladan, ko'p jihatdan ishlatiladi DNK-ketliklar , genlar , oqsillar va evolyutsiyasi modellashtirish . Biz bularning tafsilotlariga to'xtalmaymiz. Bioinformatikaning taniqli qo'llanilishi aniq tibbiyot va profilaktika tibbiyotida mavjud . Aniq tibbiyotda alohida bemorlar uchun sog'liqni saqlash texnikasi, shu jumladan davolash usullari va amaliyoti moslashtirilmoqda. Aniq tibbiyot kasalliklarni davolash yoki davolashdan ko'ra, kasalliklarning oldini olish choralarini ishlab chiqishdan iborat. Ushbu sohalarning ayrim yo'nalishlari gripp , saraton , yurak kasalliklari va diabetdir. Bemorlarda genetik o'zgarishlarni aniqlash bo'yicha tadqiqotlar o'tkazildiolimlarga yaxshiroq davolash usullari va hatto mumkin bo'lgan profilaktika choralarini taklif qilishlariga imkon berish. Bioinformatikaning saraton kasalligini davolashdagi roli haqida ko'proq ma'lumotni Milliy saraton institutining ushbu maqolasidan o'qishingiz mumkin . Kasalliklarni aniqlash Bioinformatikaning yana bir muhim qo'llanilishi dori vositalarini yaratishdir. Biz simptomlarni davolash bilan emas, balki kasallikni hisoblash vositalari yordamida tushunishimiz, kasallik sababini aniqlashimiz va tegishli dorilar bilan davolashimiz mumkin. Bu bioinformatikaning bir nechta ilovalari. Bioinformatika, shu jumladan mikrobiologiya, gen texnologiyasi va qishloq xo'jaligi bilimlaridan foydalaniladigan ko'plab vaziyatlar mavjud. Bioinformatika izlanuvchilarni faqatgina DNK va oqsil tuzilishi haqida nazariy bilim va ularni tadqiq qilish uchun kerakli jihozlar bilan ta'minlab qolmasdan, aniqlangan ketma – ketliklarni solishtirish, ularni funksiyasini aniqlash va dori preparatlari ishlab chiqish imkonini beradi. (2-rasm) 2-rasm Gen - bu bir oqsil molekulasining birlamchi tuzilishi haqida ma'lumotni o'z ichiga olgan DNK molekulasining bo'limi. Shuningdek, barcha turdagi RNKlarning tuzilishi haqidagi ma'lumotlarni o'z ichiga olgan genlar va regulyator genlar mavjud. Gen irsiyat birligi deb hisoblanadi . Axborotni uzatish genetik kod yordamida amalga oshiriladi - nukleotidlar va aminokislotalarning uchliklari (uchliklari) o'rtasidagi yozishmalar. Ushbu yozishmalar Yerdagi barcha tirik mavjudotlar uchun universal bo'lgan genetik kod jadvallari shaklida ochilgan va nashr etilgan. DNKdagi nukleotidlarning uchlik ketma-ketligi (va mRNKdagi uchliklarning bir-birini to'ldiruvchi ketma-ketligi) oqsil tarkibidagi aminokislotalarning ketma-ketligini aniqlaydi. Masalan: Uzoq DNK molekulalarida genlar ketma-ket ishlaydi va bog'lanish guruhlarini hosil qiladi. Har bir bunday molekula xromosoma hosil bo'lishining asosidir. Xromosoma - bu DNK molekulasi va uning ixcham qadoqlanishiga hissa qo'shadigan oqsillar majmuasi. Eng uzun DNK interfeysda hujayra bo'linishidan oldin, ya'ni bo'linishlar orasidagi hujayra hayoti davrida paydo bo'ladigan ikki baravar ko'payish (replikatsiya) davrida. Birinchidan, DNK zanjirlari orasidagi vodorod aloqalari uziladi, so'ngra zanjirlar ajralib chiqadi va bir-birini to'ldiruvchi nukleotidlar har bir ipning nukleotidlariga eritmadan keladi, so'ngra yangi hizalanmış nukleotidlar DNK polimeraza fermenti yordamida zanjirlarga tikiladi va hosil bo'lgan ikkita ikki zanjirli molekulalar spirallarni hosil qiladi. Ushbu ikkita bir xil molekulalar - xromatidlar tsentromera deb nomlangan nuqtada bog'lanib qoladi. Ikki xromatid xromosoma shu tarzda hosil bo'ladi. Bo'linish boshida har bir bunday xromosoma spiral shaklida bo'ladi. Bunda DNK torlari maxsus oqsillarga o'raladi, qisqa va qalinroq tuzilmalar hosil bo'ladi - xromosomalar yorug'lik mikroskopi ostida ko'rinadigan bo'ladi. NUKLEOTIDLAR Nukleotidlar pentoza (riboza yoki dezoksiriboza), fosfor kislotasi qoldig'i va beshta azotli asoslardan iborat. Pentozlar - beshta uglerod atomiga ega monosaxaridlar. Azotli asoslar pirimidin hosilalari - sitozin, uratsil, timin yoki purin hosilalari - adenin va guanin. Nukleotidlar - nukleozidlarning fosforli efirlari. Nukleozidlar - azotli asoslarning riboza yoki dezoksiriboza bilan birikmalari. Tabiatda timin va ribozadan iborat nukleosid yo'q. Tabiatda pentozaning beshinchi uglerod atomida fosforillangan nukleotidlar keng tarqalgan. Ribonukleotidlar azotli asosga qarab nomlanadi: uridil (UMP), guanil (GMF), sitidil (CMP), adenil (dAMP) kislotalar. Deoksiribonukleotidlar - disoksyadenilik (dAMP), deoksiguanil (dGMP), deoksuridilik (dUMP), deoksitsitidiloid (dCMP), deoksitimidil (dTMP) kislotalar. Eng mashhur birikma AMP (adenozin monofosforik kislota) bo'lib, u yana ikkita fosforik kislota qoldig'ini qo'shishi va ATP-adenozin trifosforik kislota hosil qilishi mumkin. Bu energiyaga boy birikma. Fosforik kislota qoldiqlari o'rtasida bog'lanishlar hosil bo'lganda, nukleotidlarda ko'p energiya to'planadi. Ushbu bog'lanish uzilganda, an'anaviy kovalent bog'lanish buzilganidan ancha ko'p energiya ajralib chiqadi. Bunday bog'liqlik makroerjik (yunoncha makro - katta, ergon) deb nomlanadi- ish) va ~ bilan belgilanadi. Bu metabolizm jarayonida nukleotidlarda energiya to'plash uchun ishlatiladigan yuqori energiya aloqalari. ATP molekulasida ikkita yuqori energiyali bog'lanish mavjud. ATP energiya ajralib chiqishi bilan ADP (adenozin difosforik kislota) yoki AMP ga gidrolitik ravishda ajraladi. U ADP dan fosforik kislota qoldig'ini qo'shib olinadi va bu energiya to'planishi bilan birga keladi. 1 molekula fosforik kislota parchalanishi deyarli 42 kJ energiya chiqishi bilan birga keladi. Ribosomalarning faolligi uchun energiya manbai - oqsil sintezi ham guanozin trifosfatdir. Nukleotidlar polinukleotidlar - nuklein kislotalarga birlashishga qodir. NUKLEIN KISLOTALAR Ular birinchi marta 1869 yilda shveytsariyalik biokimyogar F. Mischer (1844- 1895) tomonidan tasvirlangan. Hujayralar yadrosida aniqlangan, bu nom qaerdan kelib chiqqan (lot. Nucleus - yadro ). Nuklein kislotalar ayniqsa meristem hujayralarida, tiklanadigan to'qimalarda, sekretsiya bezlarida va xavfli o'sma hujayralarida juda ko'p. Bu monomerlari nukleotidlar bo'lgan murakkab yuqori molekulyar moddalardir. Nukleotid azotli asos, uglevod (pentoza) va fosfor kislotasining qoldiqlaridan iborat. Pentozaga qarab nuklein kislotalarning ikki turi ajratiladi: ribonuklein kislota (RNK, riboza kiradi) va dezoksiribonuklein kislota (DNK, dezoksiriboza kiradi). Azotli asoslar pirimidin hosilalari - sitozin, uratsil, timin yoki purin hosilalari - adenin va guanin. RNK nukleotidlari tarkibida azotli asoslar mavjud: adenin (A), guanin (G), sitozin (C), uratsil (U). DNK nukleotidlari azotli asoslarni o'z ichiga oladi: adenin (A), guanin (G), sitozin (C), timin (T). Shunday qilib, DNK ham, RNK ham to'rt turdagi nukleotidlarni o'z ichiga oladi. Ularda azotli asoslarning uch turi keng tarqalgan va ular to'rtinchi DNK (timin) va RNK (uratsil) bilan ajralib turadi. Nuklein kislotalar pentozalar zanjirlariga asoslangan bo'lib, ular fosfatlar bilan almashinib turadi (har bir fosfor kislotasi qoldig'i fosfodiester bog'lanishi bilan bitta pentoza qoldig'ining beshinchi uglerod atomi va ikkinchi pentoza qoldig'ining uchinchi uglerod atomi bilan bog'lanadi). Nuklein kislotasini hosil qilish uchun bog'langan nukleotidlar zanjirlarining uchlari har xil. Bir uchida, beshinchi pentoza atomi bilan bog'langan fosfat mavjud. Ushbu uchi 5'-uchi (5-tub uchi) deb nomlanadi. Boshqa tomondan, fosfat bilan bog'lanmagan OH guruhi pentozaning uchinchi atomi - 3 'uchi yonida qoladi. Nuklein kislotalar fazoviy birlamchi tuzilishga (chiziqli), shuningdek, murakkab (ikkilamchi, uchlamchi) fazoviy tuzilishga ega bo'lib, u vodorod aloqalari tufayli hosil bo'ladi. Bu nukleotidlarning joylashishidagi o'ziga xos ketma-ketlik. Tanadagi DNK molekulalari barqaror (o’zgarmas), RNK molekulalari labil (o’zgaruvchan). DNK reparatsiyasi. DNK bitta zanjirining buzilgan qismini to’g’rilanishi yoki reparatsiyasini chegaralangan replikatsiya sifatida qarash mumkin. Hujayradagi hayotiy faoliyatning uzluksizligi va tartibini ta'minlaydigan kodlar genlarda uchraydi. Axborot dasturida 4 harfli alifbo ishlatiladi. Har bir harf nukleotid turiga ishora qiladi. Harflar bilan ifodalangan genetik kod (genetik kod) ; Bu DNK yoki mRNKdagi asosiy ketma-ketliklarni va ushbu ketma-ketliklar bo'yicha sintez qilingan oqsil tarkibidagi aminokislotalar ketma-ketligidagi uyg'unlikni anglatadi. Genetik kod er yuzidagi barcha tirik mavjudotlar uchun universal bo'lgan uch kodlar shaklida bo'ladi. DNK uchta nukleotiddan iborat kodlarni hosil qiladi. Parollar; U adenin, guanin, sitozin va timin nukleotidlaridan hosil bo'ladi. DNKdagi ushbu uchta nukleotid kodlari birlashib, genlarni hosil qiladi. Tirik tuzilmalarda joylashgan barcha oqsillarni sintezi uchun 20 xil aminokislotalar talab qilinadi. 20 xil aminokislotalarni shifrlash uchun kamida 20 xil kalit bo'lishi kerak. Agar har bir nukleotid kodni ifoda etgan bo'lsa, ko'pi bilan (4 1 ) 4 xil kod hosil bo'lgan bo'lar edi. Bu oqsil sintezi uchun zarur bo'lgan 20 turdagi aminokislotalarni kodlash uchun etarli emas edi. Agar kodlar ikkita nukleotiddan iborat bo'lsa, ko'pi bilan (4 2 ) 16 turdagi aminokislotalar uchun kodlar hosil bo'lishi mumkin edi. 20 turdagi aminokislotalarni ham shifrlash mumkin emas. Natijada, barcha 20 turdagi aminokislotalarni ikkitadan ortiq nukleotidni o'z ichiga olgan kodlash tizimi bilan kodlash mumkin. Shuning uchun genetik kod 3 ta nukleotiddan iborat bo'lishi kerak. Bu shuni anglatadiki, jami (4 3 ) 64 turdagi parollar yaratilgan. Ushbu tizim 20 xil aminokislotalarni osonlikcha kodlash imkonini beradi. Genetik kod DNK yoki mRNK tarkibidagi kodonlar deb nomlangan, ular uch karra nukleotid sekanslaridan tashkil topgan kodlarda ifodalanadi. Uchta nukleotidni o'z ichiga olgan 64 ta maxsus kodon aniqlandi. mRNK tarkibidagi 64 turdagi kodonlarning uch turi aminokislotalarni kodlamaydi, bu kodonlar to'xtash yoki terminator kodonlari deyiladi . Ushbu kodonlar oqsil sintezini tugatuvchi signallardir. Qolgan 61 turdagi kodonlar 20 xil aminokislotalarni kodlash uchun ishlatiladi. Aminokislotalarning ayrim turlari bir nechta kodonga ega. Masalan, serin aminokislota olti xil kodon bilan kodlanishi mumkin. Metionin va triptofan aminokislotalari bitta kodon bilan kodlangan. Aminokislotalarning bir nechta kodon tomonidan kodlanishi qobiliyati tirik mavjudotni mumkin bo'lgan mutatsiyalarga qarshi himoya qiluvchi muhim mexanizmdir. Masalan, serin aminokislotani kodlovchi kodonlar mRNKdagi UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC . DNKdagi AGA kodoni bilan gendan sintezlangan mRNK UCU kodonini olib yuradi. Serin aminokislota uchun ushbu kodon kodlari. Misol uchun, natijada bir gen mutatsiyasiga AGA kodon AGG gen kodondan sintez mRNA'sının kodon bu ishi evaziga bo'ladi UCC mos ravishda. Mutatsiya natijasida mRNA kodoni o'zgarganligi sababli serin aminokislotasi ham kodlanganligi sababli, oqsil sintezi paytida hech qanday nosozlik yuz bermagan, boshqacha aytganda, bu mutatsiya tirik mavjudotlarda o'z ta'sirini ko'rsatmagan. DNKdagi kod aminokislotani kodlaydi. Masalan , DNKdagi hamkori TAA bo'lgan kodon mRNKga AUU kodoni sifatida ko'chiriladi. Ushbu kodon aminokislota izolösinni kodlaydi. Kodonlarga mos keladigan tRNKdagi uch karra nukleotidlar ketma-ketligi antikodon deb ataladi. Aminokislota izolösiniga mos keladigan antikodon kodi UAA . Oqsil sintezi jarayonida to'xtaydigan kodonlarga biron bir aminokislotalar va tRNKlar tushmaydi. Oqsil sintezi metionin aminokislota ham kodlanadigan AUG kodonidan boshlanganligi sababli , bu kod boshlanish kodoni deb ataladi. UAA, UAG, UGA stop kodon sifatida ifodalanadi. MRNKdagi kodonlar va ular kodlagan aminokislotalar quyidagi jadvalda keltirilgan . Bioinformatika quyidagi masalalarni hal etishda qo‘llaniladi: 1. Oqsillarning birlamchi strukturasi xaqidagi ma'lumotlar asosida ikkilamchi va uchlamchi strukturasini aytib berish va modellashtirish 2. Oqsil va nuklein kislotalarni birlamchidan to uchlamchi strukturalarigacha bo‘lgan ma'lumotlarni saqlash va boshqarish; 3. Praymerlarni konstruksiyalarini yaratish; 4. Ma'lum bir gen maxsulotlarining vazifasini taxmin qilish; 5. Molekulyar tahlil natijasiga ko’ra genomni tahrir qilish. 6. filogenetik tahlillar olib borish. Hozirgi vaqtda bioinformatik mutahasislar uchun istiqbolli bo’lgan sohalar: 1. Bioinformatika fani bo‘yicha malakaga ega bo‘lgan mutaxassislarga ko‘plab ilmiy-tadqiqot va farmasevtik kompaniyalarida talabning yuqoriligi. 2. Foydali genlarni aniqlash va o‘zgartirilgan genomli mahsulot ishlab chiqaruvchi tashkilotlarning bioinformatik mutaxassislarni jalb etishi. 3. Bioinformatika sohasidagi mutaxassislarni genomika va proteomika yo’nalishi uchun zarurligi. 4. Biohavsizlik yo’nalishida turli tahlillarni yoritishda bioinformatik mutahassis zarurligi. Download 482.44 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|