4. Молекулярные механизмы генетических процессов
4.1 Генетическая роль днк и рнк план
1. Генетическая роль ДНК и РНК, ее доказательство.
2. Репликация.
3. Полуконсервативный способ репликации. Опыты Мезельсона и Сталя.
4. Ферменты репликации, схема репликационной вилки, особенности репликации ДНК у про- и эукариот.
1. Генетическая роль днк и рнк, ее доказательство
ДНК – это полимерная молекула, включающая пару пуриновых – аденин (А), гуанин (G) и пару пиримидиновых оснований – тимин (Т), цитозин (С). Каждое из них соединено с одной молекулой сахара – дезоксирибозой и с остатком фосфорной кислоты в виде дезоксирибонуклеотидов, представляющих собой мономеры, входящие в состав ДНК и образующие полидезоксирибонуклеотиды, или полинуклеотиды.
Американский биохимик Э. Чаргафф в 1949-1951 гг. установил следующую закономерность: количество А в любой молекуле ДНК равно количеству T, а количество G равно количеству С. Это явление было названо правилом Чаргаффа.
Опираясь на правило Чаргаффа, Дж. Уотсон и Ф. Крик построили в 1953 г. трехмерную модель ДНК из обычных кусков картона, пространственная организация которой и другие ее особенности остается актуальной до сих пор.
В структуре ДНК заложена возможность так называемой конвариантной редупликации. Этим термином Н.В. Тимофеев-Ресовский назвал способность живых организмов воспроизводить себе подобных, мутировать и вновь воспроизводить мутантные варианты. Иначе говоря, свойства наследственности и изменчивости оказались связанными со свойствами конкретного химического соединения – универсального носителя наследственной информации.
Долгое время считалось, что ДНК может быть только в виде правозакрученной спирали. Однако в 1979 г. американский ученый А. Рич доказал, что ДНК существует и в виде левозакрученной спирали (рисунок 1).
Эта форма – Z-ДНК встречается на участках, обогащенных парами G–С и, играет существенную роль в процессах рекомбинации и регуляции действия генов.
Рисунок 1 – пространственная организация ДНК
Дальнейший прогресс в понимании механизмов репликации генов, их функционирования и перекомбинации всецело связан с успехами молекулярной генетики. Родилась новая отрасль науки – генная инженерия, которая позволяет манипулировать индивидуальными генами, получать в пробирке их новые сочетания, получать мутации по желанию экспериментатора, переносить гены одних организмов в клетки других и таким образом конструировать биологические системы, которых никогда не было в природе.
Доказательство генетической роли ДНК. Первое прямое доказательство генетической роли ДНК принадлежит Ф. Гриффитсу, открывшему трансформацию пневмококков в 1928 г.
У пневмококков два типа штаммов, различающихся по характеру роста на плотных средах и одновременно по свойству патогенности по отношению к подопытным животным – мышам. S-форма микроорганизма образует на агаре гладкие блестящие колонии благодаря тому, что клетки заключены в полисахаридную капсулу. S-форма является патогенной для мышей, так как полисахаридная капсула предохраняет бактериальные клетки от иммунной системы зараженного животного. Мыши, которым вводили живые клетки S-формы пневмококка, погибали. По антигенным свойствам капсулы различают несколько типов S-форм: IS, IIS, IIIS и т.д. (рисунок 2).
Рисунок 2 – Открытие трансформации Ф. Гриффитсом
В ходе опыта было установлено, что после одновременного введения мышам убитых нагреванием до 65°С клеток формы IIIS и живых клеток формы IIR животные погибают. При этом из их трупов выделяются клетки формы IIIS. В контрольных экспериментах мыши, зараженные только убитой формой IIIS или только живой формой IIR, не заболевали. Наглядно этот эксперимент представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Эксперимент Ф. Гриффитса
Ученый предположил, что убитые вирулентные пневмококки S-типа нагреванием располагают неким фактором, который устойчив и способен трансформировать невирулентные клетки R-типа в вирулентные. В результате они становятся слизистыми и покрываются полисахаридной капсулой. Было выдвинуто предположение, что трансформирующий фактор – это белок. Общая схема эксперимента приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Эксперимент Ф. Гриффитса
Поворотом в генетике было открытие в 1944 г. трансформирующей функции ДНК. Группа американских бактериологов – О. Эвери, Ч. Мак-Леод и М. Мак-Карти – проводила исследования вирулентности возбудителя пневмонии бактерии Diplococcus pneumoniae. Их эксперимент доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК. Это явилось первым материальным доказательством роли ДНК в наследственности – кульминацией исследований, начатых Гриффитом в 1928 г.
Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). В опыте белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой S35 (сера), а ДНК – радиоактивным фосфором Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы потомства фага подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Бвло установлено, что новое поколение фаговых частиц содержало только Р32, а это послужило основанием для заключения, согласно которому, именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству. О роли ДНК в передаче наследственной информации свидетельствует также открытие в 1952 г. Зайндером и Ледербергом явления трансдукции, заключающейся в переносе генетического материала фагами от одних бактерий к другим.