Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1327 вузов, 5487 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
asman00000@mail.ru Работаю на МРТ, учусь на стоматолога,делитесь со мной файлами в ТГ ozzii05 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Медицинский Университет "РЕАВИЗ"
Предмет:
Биология
Файл:
Тейлор, Грин, Стаут 3 том [2013].pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
05.09.2026
Размер:
19 Мб
Скачать
☆
►Содержание►
160 Глава 23
из одной ДНК.) Молекула ДНК несет отрица тельные заряды, распределенные по всей ее длине, а присоединенные к ней белковые мо лекулы — гистоны — заряжены положительно. Этот комплекс ДНК–белок называется хрома тином.
Большое количество ДНК, содержащейся в клетках, сопряжено с проблемой упаковки. Например, одна клетка человека содержит при мерно 2,2 м ДНК, распределенной между 46 хро мосомами. Каждая хромосома, таким образом, содержит около 4,8 см (48 000 мкм) ДНК. Длина хромосом человека составляет в среднем 6 мкм, коэффициент упаковки 8000:1. Чтобы поддер живать высокий уровень организации при сло женной ДНК, гистоновые белки образуют для ДНК очень точно спланированные «строитель ные леса».
Было показано, что спираль ДНК соединяет ся с группами из восьми гистоновых молекул с образованием нуклеосом — частиц, имеющих
А
вид бусинок, нанизанных на нитку. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК плотно упако ваны; они образуют спираль толщиной 30 нм, на каждый виток которой приходится примерно 6 нуклеосом. Эта структура известна под назва нием «волокна 30 нм», или соленоидного волок на. Ее коэффициент упаковки равен примерно 40, т. е. в участке соленоида длиной 1 мкм упако вано 40 мкм ДНК. Внешний вид соленоидных волокон и «неупакованного» соленоида («нитка бус») показан на рис. 23.17.
Поскольку ДНК должна быть упакована даже еще плотнее, сами соленоиды должны быть ка кимто образом сложены или скручены. Как это достигается, остается пока неизвестным. Един ственные сведения, которыми мы располагаем в настоящее время, это данные о нескольких клетках с необычными хромосомами. Одна такая клетка — ооцит (яйцеклетка) амфибий, содержа щая хромосомы типа «ламповых щеток», назван ных так за свое сходство со щетками, которыми
Рис. 23.18. А. Пара хромосом типа ламповых щеток из ооцита амфибии. Б и В. Хромосомы растянуты, чтобы показать центральную нить ДНК и петли ДНК, в которых происходит синтез мРНК. Уплотненные участки представляют собой хромомеры. Предполага ется, что каждая хромомера и связанная с ней пет ля соответствует определенному генному локусу. (H. G. Callan, Int. Rev. Cytology, 1963, 15, 1).
Б
В
Непрерывность жизни 161
в прежние времена чистили стекла керосиновых ламп. На электронных микрофотографиях этих хромосом во время метафазы видно, что каждая хроматида состоит из плотно скрученной осевой нити, от которой отходят несколько петель, состоящих из одной двойной спирали ДНК (рис. 23.18). Эти петли, возможно, представляют собой активную ДНК, т. е. ДНК, освобожден ную от белков для осуществления транскрипции (разд. 23.8.6).
Предполагаемая структура хромосом показа
на на рис. 23.17.

23.6. ДНК

23.6.1. Данные, указывающие на роль ДНК в наследственности
В начале XX в. Саттон и Бовери высказали мысль, что именно хромосомы передают гене тическую информацию от одного поколения другому. Однако прошло еще много лет, преж де чем было выяснено, чт'о именно служит ге нетическим материалом — ДНК или белок хромосом. Ученые были склонны считать, что белок — единственное вещество, молекулы ко торого обладают достаточным структурным разнообразием, чтобы служить генетическим материалом.
Данные по бактериям
В 1928 г. английский микробиолог Фредерик Гриффит сделал наблюдение, которое впослед ствии сыграло важную роль в решении этой про блемы. Во времена, когда еще не было антибио тиков, пневмония нередко приводила к смер тельному исходу. Гриффит пытался получить вакцину против пневмококка — возбудителя од ной из форм пневмонии. Были известны две формы этой бактерии, из которых одна покрыта студенистой капсулой и вирулентна (вызывает заболевание), а другая не имеет капсулы и неви рулентна. Повидимому, капсула какимто обра зом защищала бактерию от иммунной системы человека.
Гриффит надеялся, что если ввести больно му бескапсульную или убитую нагреванием ин капсулированую форму, то его организм начнет вырабатывать антитела, которые смогут предо хранить от заболевания пневмонией. В ряде
Таблица 23.3. Результаты экспериментов Гриф­фита
В какой форме Действие инъецирован на мышей пневмококк
Живой бескапсульный Выживают Живой инкапсулированный Гибнут
убитый нагреванием Инкапсулированный, Гибнут
убитый нагреванием + живой бескапсульный
экспериментов Гриффит вводил мышам обе формы бактерий и получил результаты, пред ставленные в табл. 23.3. При вскрытии погиб ших мышей в них были обнаружены живые ин капсулированные формы. На основе этих ре зультатов Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием инкапсулированных форм живым бескапсульным формам, очевидно, передается какойто фактор, заставляющий их вырабаты вать капсулы и становиться вирулентными. Од нако природа этого трансформирующего фактора оставалась неизвестной вплоть до 1944 г., когда его удалось выделить и идентифицировать.
На протяжении 10 лет Эвери, МакКарти и МакЛеод занимались выделением и очисткой молекул, входящих в состав убитых нагревани ем инкапсулированных клеток пневмококка и изучали их способность трансформировать бескапсульные клетки. Удаление полисахарид ной капсулы и белковой фракции из клеточных экстрактов не оказывало влияния на трансфор мацию, но добавление фермента дезоксирибо нуклеазы (ДНКазы), гидролизующей ДНК, препятствовало ей. Способность высокоочи щенных экстрактов ДНК из инкапсулирован ных клеток вызывать трансформацию показа ла, что трансформирующим фактором Гриф фита была ДНК. Несмотря на эти результаты многие ученые все еще отказывались признать, что генетическим материалом служит ДНК, а не белок. В начале пятидесятых годов множест во дополнительных данных, полученных при изучении вирусов, наконец, продемонстриро вали, что носителем генетической информации служит ДНК.
162 Глава 23
Данные по вирусам
В 40е годы XX века вирусы стали одним из главных объектов экспериментальных генети ческих исследований. Вирусные частицы име ют очень простое строение; они состоят из бел ковой оболочки и заключенной в ней молекулы нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК (разд.
2.4.2). Это делает их идеальным материалом для изучения вопроса о том, что служит генетиче ским материалом — белок или нуклеиновая кислота. В 1952 г. Херши и Чейз приступили к ряду экспериментов на вирусах особого типа, заражающих бактериальные клетки и называе мых бактериофагами. Бактериофаг Т в клетку кишечной палочки (Escherichia coli), обитающей в кишечнике человека, и заставляет ее за очень короткий срок образовать множест во частиц фага Т вали частицы фага Т
. Херши и Чейз культивиро
2
в клетках E. coli, которые
2
проникает
2
росли на среде с радиоактивными изотопами либо серы (
35
S), либо фосфора (32P).
Белки фага содержат серу, но не содер жат фосфора, а ДНК содержит фосфор, но не содержит серы. Поэтому фаговые частицы, образовавшиеся в E. coli, меченных радиоактив ной серой, включили ее в свои белковые обо лочки, тогда как частицы, образовавшиеся в E. coli, меченных радиоактивным фосфором,
32
содержали ДНК, меченную
Мечеными частицами фага Т
P.
заражали не
2
меченые клетки E. coli и спустя несколько минут встряхивали эти клетки в смесителе, чтобы отде лить фаговые частицы от стенок бактериальной клетки. Затем бактерии инкубировали и прове ряли на радиоактивность. Результаты представ лены на рис. 23.19.
На основе полученных данных Херши и Чейз сделали вывод, что в бактериальную клетку про никает не белок, а фаговая ДНК, которая и дает
Рис. 23.19. Схема экспериментов Алфреда Херши и Марты Чейз, проведенных на фаге Т2и E. coli.
Непрерывность жизни 163
начало многочисленному фаговому потомству. Эти эксперименты показали, что наследствен ным материалом служит ДНК. Результаты элек тронномикроскопических исследований и бо лее полные данные о жизненном цикле вирусов подтверждают, что в бактериальную клетку про никает только ДНК фага. Жизненный цикл ви русных и фаговых частиц описан в разд. 2.4.3 и 2.4.5.
23.6.2. Репликация ДНК
Модель структуры ДНК в виде двойной спира ли, предложенная Уотсоном и Криком, описана в разд. 3.6.3. Одна из самых привлекательных особенностей этой модели состоит в том, что она одновременно показывает, каким способом может происходить репликация ДНК. Уотсон и Крик высказали предположение, что две цепи, образующие спираль, могут раскручиваться и разделяться; при этом они служат матрицами, к которым путем спаривания оснований при страивается комплементарная цепочка нуклео тидов. Таким образом из каждой исходной мо лекулы ДНК возникают две копии с идентичной структурой.
В 1956 г. Корнбергу удалось продемонстри ровать in vitro синтез молекулы ДНК, используя в качестве матрицы одиночную цепь ДНК. Корнберг выделил из E. coli и очистил фермент, который способен связывать друг с другом сво бодные нуклеотиды в присутствии АТФ как источника энергии с образованием комплемен тарной цепи ДНК. Он назвал этот фермент ДНК полимеразой. Как показали дальнейшие экспери менты, нуклеотиды, используемые в клетке, со держат две дополнительные фосфатные группы. Это активирует нуклеотиды. По мере прикреп ления каждого нуклеотида к растущей цепи ДНК две дополнительные фосфатные группы отщеп ляются. Освобождающаяся при этом энергия ис пользуется оставшейся фосфатной группой нук леотида для образования связи с остатком сахара в молекуле соседнего нуклеотида. Процесс ре пликации показан на рис. 23.20. Он начинается с раскручивания двойной спирали ДНК, контро лируемого ферментом геликазой. Затем ДНКпо лимераза прикрепляется к одноцепочечной ДНК и начинает перемещаться вдоль цепи. Вся кий раз, когда она доходит до очередного осно вания в цепи ДНК, свободные нуклеотиды при ближаются к цепи, и тот из них, который содер
жит комплементарное основание, образует с ним водородные связи. Свободный нуклеотид удерживается ферментом на месте до тех пор, пока он не присоединится к предыдущему нук леотиду, наращивая таким образом новую цепь ДНК. Это наращивание может происходить только в направлении 5' o3'. Как можно видеть на рис. 23.20, это означает возможность непре рывного копирования только одной цепи ДНК (на рисунке верхняя), так как ДНКполимераза движется в том же направлении, что и раскручи вающий фермент. Этот процесс называют непре рывной репликацией. Копирование другой цепи (нижней на рис. 23.20) должно всякий раз начи наться вновь, потому что ДНКполимераза дол жна удаляться от раскручивающего фермента в направлении 5' o3'. В результате в цепи возни кают небольшие разрывы, потому что ДНКпо лимераза не может соединить 3'конец одного новосинтезируемого участка ДНК с 5'концом следующего. Для того чтобы ликвидировать этот разрыв, необходим другой фермент — ДНКлигаза. Такую репликацию называют прерывистой.
Данные в пользу механизма полуконсервативной репликации
Способ репликации ДНК, предложенный Уотсо ном и Криком и показанный на рис. 23.20, изве стен под названием полуконсервативной реплика ции, так как при этом каждая новая двойная спи раль сохраняет одну из двух цепей исходной двойной спирали ДНК. Этот механизм основан на данных, полученных Мезелсоном и Сталем в серии классических экспериментов в 1958 г. Клетки E. coli содержат одну кольцевую хромосо му; при культивировании этих клеток в течение многих поколений на среде, содержащей тяже лый изотоп азота ( меченной этим изотопом. Клетки с меченой ДНК переносили на среду, содержавшую обыч ный изотоп азота соответствующего времени генерации E. coli (50 мин при 36 °С) — времени, необходимого для одного клеточного деления и одной репликации ДНК, — отбирали пробы клеток, выделяли из них ДНК и центрифугировали в течение 20 ч при 40 000 g в растворе хлористого цезия (CsCl). При этом тяжелые молекулы CsCl начинали осаж даться, образуя градиент плотности, которая на растала от верхушки к дну пробирки. ДНК соби ралась на том уровне, на котором плотность рас
15
N), вся их ДНК оказывалась
14
N. По прошествии срока,
164 Глава 23
Рис. 23.20. Репликация ДНК. Упрощенная схема, на которой показаны главные принципы. В репликации участву ют также другие молекулы и ферменты, не показанные на схеме.
Непрерывность жизни 165
Рис. 23.21. Результаты экспериментов Мезелсона и Сталя и их интерпретация. Ширина полос ДНК в центри фужных пробирках отражает относительные количества молекул ДНК различных типов. В пробирке В отноше ние ширины полос 1:1, а в пробирке Г — 3:1.
твора CsCl была равна ее плотности. При иссле довании в ультрафиолете ДНК в центрифужной пробирке имела вид узкой полосы. Расположе
Рис. 23.22. Схема, поясняющая три теории репликации ДНК.
ние полос ДНК, выделенной из клеток, культивированных на средах с претация полученных данных представлены на рис. 23.21. Схема полуконсервативной реплика ции включена в рис. 23.22. Эти эксперименты убедительно показали, что репликация ДНК про исходит полуконсервативным способом.
15
N и 14N, и интер
23.2. Для объяснения процесса репликации ДНК были выдвинуты три гипотезы. Одна из них получила название полуконсервативной репликации и описана выше. Две другие известны как консервативная репликация и дисперсивная репликация. Все три гипотезы представлены на рис. 23.22.
Нарисуйте схемы распределения различных типов ДНК в градиенте плотности, которые обнаружили бы Мезелсон и Сталь для двух первых поколений клеток, если бы были верны гипотезы консервативной и дисперсивной репликации.
166 Глава 23

23.7. Природа генов

23.7.1. Что такое гены
В 1866 г. Мендель высказал предположение, что признаки организмов определяются наследуе мыми единицами, которые он назвал «элемента ми». Позднее их стали называть генами, и было показано, что они расположены в хромосомах, которые передают их из поколения в поколение. Поэтому Мендель, вероятно, определил бы ген, как единицу наследственности. Это вполне прием лемое определение, однако оно ничего не гово рит нам о физической природе гена.
Ниже мы попытаемся объяснить физи ческую природу гена, исходя из двух его опре делений.
ГЕН КАК ЕДИНИЦА РЕКОМБИНАЦИИ. Морган в своих
работах по построению хромосомных карт
Drosophila (разд. 24.2) постулировал, что ген — это самый короткий участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участ ков в результате кроссинговера. Согласно этому
определению, ген представляет собой некий конкретный отрезок хромосомы, детерминиру ющий тот или иной признак организма.
ГЕН КАК ЕДИНИЦА ФУНКЦИИ. Поскольку известно,
что гены определяют структурные, физиологи ческие и биохимические признаки организма, было предложено определять ген, как наимень
ший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта. Теперь мы знаем, что ге
ны кодируют синтез белков. Поэтому ген можно определить, как участок ДНК, кодирующий опреде ленный белок. Это определение можно еще боль ше уточнить, назвав ген участком ДНК, кодирую щим определенный полипептид, поскольку некото рые белки состоят не из одной, а из нескольких полипептидных цепей, а поэтому кодируются более, чем одним геном.
23.7.2. Генетический код —
это последовательность оснований
последовательности оснований. После того как было показано, что ДНК кодирует синтез белковых молекул, стало ясно, что последова тельность оснований в ДНК должна кодиро вать последовательность аминокислот в белко вых молекулах. Эта связь между основаниями и аминокислотами известна под названием генетического кода. В 1953 г. оставался ряд нере шенных проблем: необходимо было показать существование такого кода оснований, рас шифровать его и установить, каким образом последовательность оснований в ДНК пере водится в последовательность аминокислот в белковой молекуле.
23.7.3. Триплетный код
Молекула ДНК построена из оснований четы рех типов: аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц) (разд. 3.6) Каждое основание со ставляет часть нуклеотида, а нуклеотиды соеди нены в полинуклеотидную цепь; они обознача ются начальными буквами своих названий. И четыре буквы «алфавита» позволяют записы вать инструкции для синтеза потенциально бес конечного числа различных белковых молекул. Существуют 20 аминокислот, из которых построены белки и которые должны кодиро ваться основаниями, входящими в состав ДНК. Если бы положение одной аминокислоты в первичной структуре какоголибо белка опре деляло одно основание, то этот белок мог бы содержать только четыре различные аминокис лоты. Если бы каждая аминокислота кодирова лась двумя основаниями, то с помощью такого кода можно было бы определить 16 аминокис лот.
23.3. Составьте список 16 возможных попарных сочетаний из оснований А, Г, Т и Ц.
Когда Уотсон и Крик в 1953 г. заявили о спи ральной структуре ДНК, они высказали также предположение, что генетическая информа ция, которая передается из поколения в поко ление и контролирует жизнедеятельность клетки, заключена в молекуле ДНК в форме
Включение в белковые молекулы всех 20 аминокислот может обеспечить только код, состоящий из трех оснований. Такой код может давать 64 сочетания оснований, что более чем достаточно. Поэтому Уотсон и Крик предсказа ли, что код должен быть триплетным.
23.4. Четыре основания, используемые по одному, позволяют закодировать четыре аминокислоты; используемые попарно — 16 аминокислот; используемые по три — 64 аминокислоты. Выведите математическое выражение, объясняющее это.
Позднее было доказано, что код действитель но триплетный, т. е. что каждая аминокислота кодируется тремя основаниями.
Данные, свидетельствующие о триплетности кода
Такие данные были предоставлены Фрэнсисом Криком в 1961 г. Он получил у фага Т вызванные добавлением или выпадением осно ваний. Добавление или выпадение (делеция) какоголибо основания изменяет «прочтение» кода после точки, в которой произошло изме нение (рис. 23.23). Возникшую в результате такого изменения мутацию называют мутацией со «сдвигом рамки считывания». Эта мутация
мутации,
4
Непрерывность жизни 167
не позволяет возникнуть таким последователь ностям триплетов оснований, которые могли обеспечить синтез белковых молекул с прежней последовательностью аминокислот. К восста новлению первоначальной последовательности оснований могло бы привести только добавле ние одного основания или удаление одного основания в определенных точках. Такое вос становление предотвращало бы появление мутантов среди экспериментальных фагов Т Добавление одного основания получило назва ние мутации типа (+), а удаление одного осно вания — мутации типа (–). Мутации типа (+) (–) восстанавливают правильное считывание. В двойных мутантах (++) или (– –) также про исходил сдвиг рамки считывания, что привело к появлению мутантов, синтезирующих дефек тные белки. Однако, у мутантов (+++) или (– ––) никакого изменения синтеза белка не наблюдалось. По мнению Крика, это объясня ется тем, что такие мутации не вызывают сдви гов рамки, а приводят лишь к добавлению или выпадению одной аминокислоты, что часто не оказывает воздействия на функции белка. Это означает, что код считывается сразу тремя ос нованиями, т. е. триплетами.
4
.
Рис. 23.23. Схема, поясняющая результаты удаления или добавления оснований в триплетном коде. Добавление основания Ц приводит к сдвигу рамки считывания, так что первоначальное сообщение ГAT, ГAT... превращается в TГA, TГA... Выпадение основания А вызывает сдвиг рамки, приводящий к замене первоначального сообщения ГAT, ГAT... на ATГ, ATГ... Добавление основания Ц и удаление основания А в точках, указанных на схеме, приводят к восстановлению первоначального сообщения ГAT, ГAT... (По F. H. C. Crick, The genetic code I, 1962, Scientific American Offprint, N 123, Wm. Saunders and Co.)
168 Глава 23
Рис. 23.24. Триплеты оснований в перекрывающемся и неперекрывающемся коде.
Эти эксперименты показали также, что триплеты не перекрываются, т. е. каждое основа ние принадлежит только одному триплету. Ни одно из оснований, входящих в данный триплет, не является частью соседнего триплета (рис. 23.24).
23.5. Используя повторяющиеся последовательности триплета ГТА и основание Ц, покажите, что исходную последовательность триплетов можно восстановить только путем добавления или удаления трех оснований. (Представьте свой ответ в такой форме, как показано на рис. 23.24.)
23.7.4. Расшифровка кода
После того как была установлена триплетность кода, оставалось выяснить, какие триплеты ко дируют каждую данную аминокислоту, иными словами — расшифровать код. Для того чтобы разобраться в использованных при этом экспе риментальных процедурах, необходимо пред ставлять себе в общих чертах механизм, с по мощью которого триплетный код транслируется в белковую молекулу.
В синтезе белка участвуют нуклеиновые кислоты двух типов — дезоксирибонуклеино вая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота
(РНК), взаимодействующие друг с другом. Су ществуют три главных типа РНК: информаци онная, или матричная, РНК (мРНК), рибосом ная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Последовательность оснований ДНК перепи сывается (транскрибируется) в цепи матричной РНК, которая затем поступает из ядра в цитоп лазму. Там эти цепи прикрепляются к рибосо мам, и последовательность мРНК транслируется в последовательность аминокислот. Каждая аминокислота связывается с соответствующей тРНК, которая прикрепляется к комплемен тарному триплету оснований мРНК. Амино кислоты, оказавшиеся в результате этого друг подле друга, соединяются, образуя полипеп тидную цепь. Таким образом, для белкового синтеза необходимы ДНК, мРНК, рибосомы, тРНК, аминокислоты, АТФ как источник энергии, а также различные ферменты и ко факторы, катализирующие каждую стадию это го процесса.
Ниренберг использовал эти данные и раз личные методы, созданные в конце 50х годов XX в., для разработки ряда экспериментов, поставленных с целью расшифровки кода. Суть его экспериментов сводилась к тому, что бы, используя мРНК с заранее известной по следовательностью оснований, выяснить по следовательность аминокислот в полипептид ной цепи, синтезируемой в присутствии этой мРНК. Ниренбергу удалось синтезировать мРНК, состоящую из многократно повторяю щихся триплетов УУУ. Это соединение, на званное полиуридиловой кислотой [поли(У)] было использовано в качестве кода. В каждую из 20 пробирок помещали бесклеточный экс тракт E. coli, содержавший рибосомы, тРНК, АТФ, ферменты и какуюлибо одну меченую аминокислоту. Затем в каждую пробирку до бавляли поли(У) и оставляли на некоторое время, чтобы произошел синтез полипепти дов. Анализ содержимого пробирок показал, что полипептид образовался только в той про бирке, которая содержала аминокислоту фенилаланин. Это было первым шагом к рас шифровке генетического кода. Ниренберг показал, что входящий в мРНК триплет осно ваний, или кодон, УУУ определяет положение в полипептидной цепи фенилаланина. Затем Ниренберг и его сотрудники занялись созда нием синтетических молекул полинуклеоти дов, соответствующих всем 64 возможным
Непрерывность жизни 169
кодонам и к 1964 г. расшифровали коды для всех 20 аминокислот (табл. 23.4).
23.7.5. Характеристики генетического кода
Триплетность
Как уже было показано, генетический код — это триплетный код: три основания в молекуле ДНК кодируют одну аминокислоту в молекуле любого белка. ДНКкод сначала транскрибиру ется в матричную РНК, комплементарную этой ДНК. Комплементарные триплеты мРНК на зывают кодонами. Каждый кодон равен в длину трем основаниям и кодирует одну аминокисло ту. ДНКкод для каждой аминокислоты можно
Таблица 23.5. Комплементарность между осно­ваниями ДНК и РНК
Основания ДНК Основания РНК
А (аденин) У (урацил) Г (гуанин) Ц (цитозин) Т (тимин) А (аденин)
Ц (цитозин) Г (гуанин)
23.6. Выпишите последовательность оснований в мРНК, образованной на цепи ДНК со следующей последовательностью:
АТГ ТТЦГАГТАЦЦГАТГТААЦГ
Соседние файлы в предмете Биология
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности