био вопросы 4 тема. Открытие днк и доказательства ее генетической роли
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Открытие ДНК и доказательства ее генетической роли Полный ответ на вопрос, кто открыл ДНК, сложен, потому что, по правде говоря, многие люди внесли свой вклад в то, что мы знаем об этом сейчас. 1866 — Грегор Мендель, известный как «Отец генетики», был фактически первым, кто предположил, что характеристики передаются из поколения в поколение. Мендель обосновал термины, которые мы все знаем сегодня: рецессивные и доминирующие признаки. 1869 — Фридрих Мишер идентифицировал «нуклеин», выделив молекулу из ядра клетки, которая впоследствии стала известна как ДНК. 1881 — лауреат Нобелевской премии немецкий биохимик Альбрехт Коссель, которому приписывают наименование ДНК, идентифицировал нуклеин как нуклеиновую кислоту. Он также выделил те пять азотистых оснований, которые в настоящее время считаются основными строительными блоками ДНК и РНК: аденин (A), цитозин ©, гуанин (G) и тимин (T) (который заменяется урацилом (U). ) в РНК). 1882 — Вскоре после открытия Косселя Вальтер Флемминг обнаружил митоз в 1882 году, став первым биологом, который выполнил полностью систематическое исследование деления хромосом. Его наблюдения, что хромосомы удваиваются, важны для позже обнаруженной теории наследования. Начало 1900-х годов — Теодор Бовери и Уолтер Саттон независимо работали над тем, что сейчас известно как теория хромосом Бовери-Саттона или хромосомная теория наследования. Их выводы являются основополагающими в нашем понимании того, как хромосомы переносят генетический материал и передают его из поколения в поколение. 1944 — Освальд Эвери обосновал, что ДНК, а не белки, трансформируют свойства клеток. 1944 — 1950 — Эрвин Чаргафф обнаружил, что ДНК отвечает за наследственность. Его открытия, известные как «Правила Чаргаффа», доказали, что единицы гуанина и цитозина, а также единицы аденина и тимина одинаковы в двухцепочечной ДНК, и он также обнаружил, что ДНК различается у разных видов. Конец 1940-х годов — Барбара Мак-Клинток обнаружила мобильность генов. Ее открытие «прыгающего гена» или идеи о том, что гены могут перемещаться по хромосоме, принесло ей Нобелевскую премию по физиологии. 1951 — работа Розалинд Франклин доказала спиральную форму ДНК, что было подтверждено Уотсоном и Криком почти два года спустя. Ее выводы были признаны только посмертно. 25 апреля 1953 — Уотсон и Крик, опираясь на достижения Чаргаффа и Франклин, опубликовали структуру двойной спирали ДНК. Этот день во всем мире отмечается как день ДНК. Эксперимент Гриффитса был выполнен в 1928 году с целью разработки вакцины от пневмонии. Гриффитс работал с двумя штаммами бактерии стрептококка. Штамм, колонии которого были гладкие (S штамм), имел полисахаридную капсулу и был вирулентным, вызывая у подопытных мышей пневмонию. Капсула предохраняла бактерии от воздействия иммунной системы больного. Колонии второго штамма имели неровную поверхность (R штамм) и не вызывали пневмонию, поскольку не имели капсулы, и после введении в кровоток мыши бактерии погибали. Бактерии S штамма, убитые нагреванием, также не вызывали заболевания. Но когда Гриффитс смешивал убитый S штамм с живым R штаммом и вводил смесь мышам, животные погибали. Когда Гриффитс выделил болезнетворные бактерии из погибших мышей, он обнаружил, что R штамм приобрел капсулу, то есть превратился в вирулентный S штамм и сохранял новоприобретенный фенотип во многих поколениях, то есть передавал его по наследству. Гриффитс предположил, что превращение осуществил некий «трансформирующий фактор», который R штамм получил от убитых бактерий S штамма. Эксперимент Эвери был выполнен в 1944 году и явился кульминацией исследований, начатых Гриффитсом. В ходе эксперимента пневмококки, образующие гладкие колонии, были убиты нагреванием, и из них был извлечён компонент, растворимый в водно-солевом растворе. Белки были осаждены хлороформом, а полисахаридные капсулы, обусловливающие антигенные свойства бактерий, гидролизованы специфичным ферментом. Химический анализ показал, что соотношение углерода, водорода, азота и фосфора в полученном осадке соответствует соотношению этих же элементов в молекуле ДНК. Для подтверждения того, что действующим началом трансформации является именно ДНК, но не РНК, белки или другие компоненты клетки, Эвери с сотрудниками обработали смесь трипсином, химотрипсином, рибонуклеазой, но эта обработка никак не влияла на трансформирующие свойства. Лишь обработка ДНКазой приводила к разрушению трансформирующего начала. Таким образом было установлено, что действующим началом бактериальной трансформации является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Природу трансформирующего вещества Гриффита установили в 1944 г. О.Эвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти. Они доказали, что трансформацию непатогенных пневмо- кокков в патогенные вызывют только экстракты ДНК. Этим была доказали роль ДНК в передаче наследственности. Хёрши и Чейз в 1952 г. в опытах с фагом Т-4 показали, что при инфицировании им кишечной палочки (Escherichia coli), в её клетку проникает не весь фаг, а только его ДНК. Следовательно ДНК является носителем наследственной информации. Химический анализ показал, что соотношение углерода, ф ф дезоксирибонуклеиновая дезоксирибонуклеиновая кислота кислота (ДНК). водорода, азота и фосфора в полученном осадке соответствует соотношению этих же элементов в молекуле ДНК. 2. По молекулярной массе молекулы трансформирующего вещества были больше, чем белков. 3. Максимум при спектрофотометрическом анализе соответствовал соответствовал 260 нм, что соответствовало соответствовало нуклеиновой нуклеиновой кислоте ( у белков – 280 нм). 4. ДНК, выделенная выделенная из клеточного клеточного экстракта экстракта, обладала обладала трансформирующей активностью. Таким образом образом, эксперимент эксперимент А. Херши и М. Чейз показал, что только ДНК бактериофага Т2 при инфицировании инфицировании бактерий попадает внутрь клеток, и именно она контролирует контролирует размножение размножение фагов внутри клеток (т.е. репликацию фаговых геномов, синтез фаговых фаговых оболочек оболочек, а также лизис бактериальных клеток и высвобождение фаговых частиц наружу). Химический состав: В 1869 г. швейцарский врач Ф. Мишер открыл в ядрах клеток гноя вещество, обладающее кислыми свойствами, которое назвал нуклеином. Позднее его назвали нуклеиновой кислотой. В конце XIX в. А.Кёссель установил, что в состав нуклеиновых кислот входят остатки сахара , фосфорной кислоты и четыре азотистых основания . В 20-х годах ХХ в. Левен и Джонсон установили, что существует два вида нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. В 1949 -53 годах Э. Чаргафф установил правила молярных соотношений оснований в ДНК : А / Т = 1, Г / Ц = 1; (А + Г) / (Т + Ц) = К К – коэффициент специфичности, постоянный для каждого вида 2 . Строение нуклеотида ДНК. Нуклеотид ДНК состоит из трёх основных частей: 1 Остатка фосфорной кислоты 2 Углевода - дезоксирибозы 3 Азотистого основания (аденин или тимин, цитозин, гуанин). Два азотистых основания цитозин и тимин - производные пиримидина. Аденин и гуанин - относят к производным пурина. Соединяются между собой они через остаток фосфорной кислоты на 5' конце и гидроксо-группу на 3' конце, поэтому говорят о 3'-5' строении. 3.Типы нуклеотидов. 1. ДЕЗОКСИАДЕНОЗИНМОНОФОСФАТ 2. ДЕЗОКСИГУНОЗИНМОНОФОСФАТ 3. ДЕЗОКСИТИМИДИНМОНОФОСФАТ 4. ДЕЗОКСИЦИТОЗИНМОНОФОСФАТ 4 Структурная организация молекулы ДНК (модель Дж. Уотсона и Ф.Крика). ДНК является материальным субстратом наследственности и изменчивости. Модель строения ДНК была предложена Уотсоном и Криком в1953 г. Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух антипараллельных цепочек соединенных между собой водородными связями по принципу комплементарности (т.е. аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин с цитозином). ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению(ауторепродукции или репликации) и к транскрипции. Кроме того, последовательность нуклеотидов в ДНК формирует генетический код, посредством которого записывается информация о видовых и индивидуальных особенностях признаков и свойств организма. Структура ДНК –полимер, структурной единицей которого является нуклеотид. Двойная спираль ДНК правосторонняя. Десять пар оснований (их протяжность равна 3,4 нм) составляют полный оборот 360º, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36º вокруг спирали относительно следующей пары. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри и их плоскости перпендикулярны оси спирали. Между основаниями образуются специфические водородные связи. Аденин всегда образует водородные связи с тимином, а гуанин с цитозином. Такая закономерность называется комплементарностью. Комплементарность – это определенная последовательностей оснований в противоположных цепях ДНК. Данная закономерность очень важна для репликации ДНК. Первичная структура: Полинуклеотидная цепь. Нуклеотиды связываются между собой в цепь посредством фосфодиэфи-рных связей между 3 и 5 углеродными атомами молекул дезокси-рибозы смежных нуклеотидов. Первичная структура ДНК – это последовательность дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в полинуклеотидной цепи. Вторичная структура: Две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи. Вторичная структура ДНК – это две полинуклеотидные цепи, связанные между собой водородными связями по принципу комплементарности , образующие спираль. Адениловый нуклеотид комплементарен тимидиловому, гуаниловый – цитидиловому. Комплементарная пара А-Т образуются две водородные связи, а пара Г-Ц – три. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны. Расстояние между ними 2 нм. Расстояние между смежными Парами нуклеотидов – 0.34 нм. Шаг спирали – 3.4нм Третичная структура: Трехмерная спираль с приведенными выше пространственными характеристиками. Вправо закрученная техмерная спираль,В-форма. 5 Свойства и функции ДНК. Перечисленные особенности химической структуры и свойств ДНК обусловливают выполняемые ею функции. ДНК хранит, передает и реализует наследственную информацию Функциональные возможности генетического материала обеспечиваются протеканием четырех генетических процессов– репликацией иобеспечиваются протеканием четырех генетических процессов– репликацией и репарацией ДНК, транскрипцией и генетической рекомбинацией.  6 Механизм репликации. Репликация ДНК – это молекулярный процесс точного копирования молекул ДНК (ее нуклеотидной последовательности). С помощью механизма репликации происходит точная передача генетической информации от клетки к клетке и, таким образом, все клетки многоклеточного организма являются носителями одной и той же наследственной информации. Процесс синтеза ДНК сопровождается множеством событий и является, как правило, точным. Из одной молекулы ДНК синтезируются две идентичные дочерние молекулы. Этот процесс становится возможным благодаря структурным особенностям молекулы ДНК: - двухцепочечная структура; - комплементарность и антипараллельность. Основными характеристиками репликации являются: синтез ДНК является полуконсервативным, так как каждая цепь служит матрицей для синтеза дочерней цепи; репликация носит двунаправленный характер; синтез новой цепи осуществляется только в направлении 5'→3'; в репликации участвует значительное количество белковых факторов. Аппарат репликации Аппарат репликации включает ДНК–матрицу с точкой инициации, нуклеозидтрифосфаты и белки, участвующие в деспирализации двухцепочечной молекулы ДНК, в инициации репликации, в полимеризации нуклеотидов и др. Точка начала репликации Точка начала репликации представлена специфичной последовательностью нуклеотидов, которая называется автономной последовательностью репликации, точкой ori. Участок ДНК который содержит точку ori который способен к независимой репликации называется репликон. У прокариот каждая молекула ДНК представляет один репликон, у эукариот ДНК содержит больше точек начала (οri), и соответственно больше репликонов. В таб.7.1 приведены данные, касающиеся числа репликонов на геном, среднюю длину одного репликона и скорость репликации у разных организмов. Белки аппарата репликации В репликации ДНК участвует большое количество белковых факторов и ферментов (рис.7.1). ДНК-геликазы осуществляют деспирализацию и денатурацию участка ДНК с использованием энергии гидролиза АТФ и образование репликационной вилки. В связи с наличием двух репликационных вилок, существуют две геликазы, которые передвигаются в разных направлениях от точки инициации репликации. Праймаза – фермент, который инициирует синтез ДНК за счет синтеза небольшого фрагмента, состоящего из 11-12 рибонуклеотидов, - праймера или затравки (РНКпраймер). Геликаза совместно с праймазой образует комплекс - праймосома. Топоизомераза I разрывает только одну из двух цепей двойной спирали ДНК, расщепляя фосфодиэфирные связи, что предупреждает суперспирализацию молекулы ДНК. Топоизомераза II ковалентно связывается с обеими цепями двойной спирали ДНК и вносит в нее на время двухцепочечный разрыв. Белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК (SSB – белки), это факторы, стабилизирующие одноцепочечную ДНК в области денатурации и препятствующие комплементарному спариванию двух цепей или различных участков одной и той же цепи, имеющих палиндромные последовательности (рис.7.2). ДНК-полимеразы - ферменты, способные синтезировать новые цепи ДНК с матричной цепи. Было обнаружено три класса полимераз у прокариот (I, II, III) и полимеразы α, β, γ, δ, ε у эукариот. Механизм репликации Синтез начинается с момента деспирализации цепей ДНК и образования репликационной вилки. Каждая цепь представляет матрицу для вновь синтезируемой цепи. Деспирализация двух цепей ДНК необходима для того, чтобы каждое основание обеих цепей оказалось доступным для узнавания новыми основаниями и комплементарного спаривания. Синтез осуществляется в двух направлениях; от каждой точки инициации образуются две репликационные вилки в противоположном направлении. Для инициации репликации необходим белковый комплекс, названный реплисомой, который узнает точку инициации и запускает механизм репликации. Белок / белРис. 7.3. Функционирование ДНК-полимераз 116 ки, распознающие точку инициации (у дрожжей известно 5 белков), связываются с ori и инициируют деспирализацию ДНК в сайте DUE. Реплисома движется вдоль ДНК и осуществляет синтез обеих цепей репликационной вилки. Репликация представляет собой непрерывный рост обеих цепей спирали ДНК. Необходимо подчеркнуть что: - считывание информации с матрицы осуществляется только в направлении 3'→5'; - синтез новой цепи осуществляется только в направлении 5'→3'. - одна цепь синтезируется непрерывно в направлении 5'→3' и называется ведущей (лидирующей) цепью. Она считывается в направлении 3'→5' с матричной цепи 3'→5'; - другая цепь синтезируется с матричной цепи 5'→3'. Считывание происходит также в направлении 3'→5', а новую цепь называют отстающей цепью. Она синтезируется Рис. 7.4. Механизм репликации в репликационной вилке 117 прерывисто, с образованием фрагментов Оказаки. Длина фрагментов Оказаки у прокариот составляет - 1000-2000, а у эукариот – 100-200 нуклеотидов. Согласно гипотезе Артура Корнберга отстающая цепь развернута на 1800 . Таким образом, молекулы ДНКполимераз совместно с другими белками реплисомы обеспечивают одновременный синтез обеих цепей. При встрече двух репликационных вилок процесс репликации останавливается, фермент ДНК-лигаза связывает все фрагменты, предварительно удаляются праймеры и заполняются недостающие фрагменты. Этапы репликации 1. Инициация включает следующие процессы: присоединение реплисомы к точке инициации репликации и деспирализация участка двойной спирали ДНК геликазами; Рис. 7.5. Топография репликации согласно гипотезе А. Корнберга 118 синтез РНК-праймеров ферментом праймазой, выполняющей функции РНК-полимеразы; присоединение дезоксирибонуклеотидов, комплементарных матрице, к 3'-концу праймера ДНК-полимеразой. 2. Элонгация характеризуется удлинением вновь синтезируемых цепей, которое осуществляется ДНКполимеразой, входящей в состав реплисомы, во время ее продвижения по матрице: непрерывный рост лидирующей цепи; прерывистый синтез фрагментов Оказаки на отстающей цепи; контроль ошибок спаривания оснований во время репликации и их исправление при помощи 3'→5' экзонуклеазы из состава ДНК-полимеразы. 3. Терминация включает следующие процессы: удаление РНК-праймеров 5'→3' экзонуклеазой, представляющей собой субъединицу ДНК-полимеразы; заполнение недостающих участков ДНК-полимеразой; связывание фрагментов вновь синтезированной ДНК с помощью лигаз. 7. Видовая специфичность молекул ДНК Видовая специфичность молекулы ДНК, т.е. ее нуклеотидный состав значительно варьирует в зависимости от принадлежности организма к той или иной систематической группе. Видовая специфичность ДНК характеризуется: Числом нуклеотидов Порядком чередования нуклеотидов Коэффициентом видовой специфичности ДНК:  У человека КДНК=0,62, у крупного рогатого скота – 0,75, у курицы – 0,72, у пшеницы – 0,78, у водорослей – 1,42. 8. Уровни организации наследственного материала у эукариот: -генный уровень-представлен совокупность генов Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген. Ген – это часть молекулы ДНК, имеющая определенную последовательность нуклеотидов и представляющая собой единицу функционирования наследственного материала. Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма. У человека имеется около 30 тысяч генов. Изменение в структуре гена ведет к изменению соответствующего признака. Следовательно, на генном уровне обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальная изменчивость признаков. -хромосомный-характеризуется особенностями морфологии и функций хромосом. Все гены в клетке объединены в группы и располагаются в хромосомах в линейном порядке. Каждая хромосома уникальна по набору входящих в нее генов. В состав хромосом входят ДНК, белки (гистоновые и негистоновые), РНК, полисахариды, липиды и ионы металлов. Хромосомный уровень в эукариотических клетках обеспечивает характер функционирования отдельных генов, тип их наследования и регуляцию их активности. Он позволяет закономерно воспроизводить и передавать наследственную информацию в процессе деления клетки. -геномный-совокупность всей генетической информации данного организма. Геном– совокупность всех генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом. При оплодотворении два генома родительских гамет сливаются и образуют генотип. Генотип – совокупность всех генов, заключенных в диплоидном наборе хромосом, или кариотипе. Кариотип – полный набор хромосом, характеризующийся у каждого вида их строго определенным числом и строением. Геномный уровень отличается высокой стабильностью. Он обеспечивает сложную систему взаимодействия генов. Результатом взаимодействия генов друг с другом и с факторами внешней среды является фенотип. |