7. Организация наследственного материала в клетке.

В 1928 году Гриффит изучал безкапсульные неверулентные (т.е. не вызывающие заболевания) пневмококки и верулентные в полисахаридной капсуле, вызывающие воспаление лёгких. Опыты проводились для создания вакцины.

При инъекции мышам живых безкапсульных бактерий они выживали. А при введении живых капсульных – умирали.

При введении убитых при нагревании и живых безкапсульных пневмококков мыши погибали, а из них выделяли живых капсульных бактерий.

Таким образом, способность образовывать капсулу перешла от одних бактерий к другим. Фактором, превращающим некапсульные пневмококки в патогенные, является ДНК, а само явление называется трансформацией.

Химическая природа ДНК была установлена Эвери, Макмедом, Маккарти в 1944 году.

Впервые ДНК из гноя выделил биохимическим методом швейцарский учёный Ф. Мишер в 1869 году.

ДНК – это полимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из азотистого основания (пуринового А, Г или пиримидинового Т, Ц), дизоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Эдвин Чаргаф обнаружил, что количественное содержание гуанина равно содержанию цитозина, а содержание аденина равно содержанию тимина, и сформулировал правило Чаргафа:

Основную структуру ДНК установили Уотсон и Крик:

ДНК – это двойная спираль, 10 пар оснований составляет полный оборот (360⁰). Основание находится внутри спирали, а их фосфатная группа находится снаружи. Таким образом, первичная структура ДНК представляет собой цепочку нуклеотидов, в которой они связанны фосфодиэфирными связями.

Вторичная структура ДНК – представлена двойной цепочкой, в которой азотистые основания связанны водородными связями. Между А и Т двойная связь, а между Г и Ц – тройная.

Третичная структура ДНК – это лево- или правозакрученная спираль.

Репликация.

Основное свойство ДНК – способность к репликации.

Значение репликации – обеспечение потомков полной и точной генетической информацией. Этот процесс был изучен в лаборатории А. Корнберга.

Репликация основывается на 3х принципах:

1. Комплиментарность – азотистые основания своей пространственной структурой должны дополнять друг друга.

2. Полуконсервативность – каждая молекула состоит из 1 цепи исходной родительской информации, а вторую синтезирует заново.

3. Антиполярность.

Для того, чтобы начался процесс репликации суперспирализованная ДНК должна быть релаксированна и цепи выпрямлены. Участок расхождения цепи ДНК называют репликативной вилкой. Ферментативный комплекс, осуществляющий репликацию может работать только в одном направлении – от 5’ к 3’ концу. Поэтому только одна из новых цепей будет ситезироваться непрерывно и называется лидирующей. Вторая цепь будет синтезироваться в виде фрагментов – фрагменты Оказаки, которые затем сшиваются в единую цепь. Синтез таких фрагментов идёт на фрагменте РНК (РНК-затравка или праймер), который в последствии удаляется.

Единицей репликации является репликон.

Ферментативный комплекс, участвующий в репликации ДНК:

1. ДНК-геликаза – расплетает двойную спираль.

2. Белки-дестабилизаторы – расплетают участки ДНК, делая её доступной для других ферментов.

3. ДНК-топоизомераза – разрывает фосфодиэфирные связи.

4. РНК-проймаза – синтезирует РНК-затравку.

5. ДНК-полимераза – основной элемент репликации. Синтезирует лидирующую цепь и фрагменты Оказаки.

6. ДНК-липаза – сшивает фрагменты Оказаки в единую цепь.

Репликация у прокариот и эукариот протекает не одинарно. У прокариот имеется одна кольцевая ДНК и она имеет только 1^ну точку начала репликации, она же является точкой её окончания. Таким образом репликативная вилка проходит последовательно всю ДНК и функционирует как единственный репликон.

Высокая точность обеспечивается специальными механизмами, которые осуществляют коррекцию.

Механизмы коррекции:

1. Механизм самокоррекции – осуществляется ДНК-полимеразой. Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включённого в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей. Следствием самокоррекции снижается механизм ошибок в 10 раз.

2. Эксцизионная (дореплекативная) репарация – осуществляется специфическими ферментами. Искажение последовательностей нуклеотидов в одной из цепей обнаруживается ими, затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплиментарной цепи ДНК.

3. Пострепликативная репарация – осуществляется путём рекомбинации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Пример: возникновение тиминовых димеров, когда они не устраняются самопроизвольно под действием видимого света (световая репарация) или в ходе дорепликативной эксцизионной репарации. Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина делают их не способными к связыванию с комплиментарными нуклеотидами. В результате во вновь синтезируемой цепи возникают бреши (разрывы), узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел заполняется путём синтеза на комплиментарной ей полинуклеотидной цепи.

Если в наследственном материале слишком много повреждения и часть из них не ликвидируется, включается система индуцируемых (побуждаемых) ферментов репарации (SOS-система). Эти ферменты заполняют бреши, восстанавливая целостность синтезируемых полинуклеотидных цепей без точного соблюдения принципа комплиментарности. Поэтому иногда сами процессы репарации могут служить источником стойких изменений в структуре ДНК (мутаций).

У прокариот большая часть генома представлена кодирующими последовательностями генотипа, которые несут геномную информацию.

У большинства высших эукариот в организации материала наблюдается избыточность ДНК. Их геном представлен:

• Часто повторяющиеся последовательности – представлены в гаплоидном наборе 10⁶ и более копиями. Эти последовательности не участвуют в синтезе РНК и называются сателитными.

• Умеренно-повторяющиеся последовательности – представлены 10²-10⁵ копиями. В них входят гены, кодирующие структуру гистоновых белков тРНК и рРНК.

• Уникальные последовательности – существуют в единственном числе или в 2-3^х копиях. К ним относятся все гены, кодирующие структуры основных белков. С них копируются всё мРНК.