Доказательства роли ДНК в наследственности

 

доказательства роли ДНК в наследственности

 

После того как было установлено, что гены находятся в хромосомах и расположены  там в определенном порядке, возник вопрос об их химический природе. Ученым было известно, что в состав хромосом высших организмов входят ДНК и несколько типов гистоновых и негистоновых белков. До 40-х годов нашего столетия большинство ученых считали, что гены имеют белковую природу. Русский ученый Н. К. Кольцов высказал мысль, что хромосома это гигантская биологическая молекула, обладающая свойством самоудвоения, и что все свойства и признаки организма обусловлены строением, белка и взаимодействием его молекул. Казалось вероятным, что именно в 6елках заключена наследственная информация о развитии всех признаков и свойств организма. Однако проведенные в последующем эксперименты на микроорганизмах с применением новейших методов исследований позволили установить, что генетическая информация сосредоточена в нуклеиновых кислотах.

Роль  ДНК в трансформации бактерий

В 1928 г  впервые получили доказательство возможности передачи наследственных задатков от одной бактерии к другой. Вводили мышам вирулентный капсульный и авирулентный бескапсульный штаммы пневмококков. При введении вирулентного штамма мыши заболели пневмонией и погибли. При введении авирулентного штамма – живые. При введении вирулентного капсульного штамма, убитого нагреванием, мыши также не погибали. Ввели смесь живой культуры авирулентного бескапсульного штамма со штаммом убитого нагреванием вирулентного капсульного – мыши заболели пневмонией и погибли. Из крови погибших животных были выделены бактерии, кот обладали вирулентностью и были способны образовать капсулу. Живые бактерии авирулентного бескапсульного штамма трансформировались – приобрели свойства убитых болезнетворных бактерий. Трансформирующий фактор – ДНК.

ДНК и размножение вирусов

Вирусы  репродуцируются только внутри клетки, какого – то организма и используют для этого её ферментные системы  и другие необходимые компоненты. Круг хозяев для определённого вируса может быть ограничен. Вирусы могут инфицировать одноклеточные микроорганизмы – микоплазмы, бактерии и водоросли, а также клетки высших растений и животных.

Эксперименты, доказывающие большую роль ДНК в  наследственности

Решающим  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 (Гуляев Г. В., 1971). Их опыты повторил английский бактериолог Ф. Гриффитс. В его опытах использовались два штамма пневмококков с противоположными признаками: с наличием и отсутствием капсул. Клетки капсульного штамма S были вирулентными, а бескапсульного - R - безвредными.  
 
Ф. Гриффитс вводил суспензию данных микроорганизмов белым мышам в различных комбинациях. Животные, зараженные вирулентным штаммом S, погибали. При введении бескапсульных бактерий (R) и клеток S-штамма, убитых нагреванием, мыши выживали. Казалось бы, полученные результаты были закономерны, а их причины - очевидны. Но совершенно обескураживающие результаты были получены у последней группы белых мышей. Этим животным вводили суспензию, содержащую живые клетки бескапсульного штамма и убитые вирулентные бактерии. Через некоторое время у мышей обнаруживались клинические признаки пневмококковой инфекции и животные погибали. Проведенный бактериологический анализ показал, что в тканях погибших мышей содержатся клетки пневмококка, окруженные капсулой. Следовательно, невирулентный бескапсульный штамм пневмококков под воздействием убитых бактерий S-штамма получал новый признак - капсулу - и приобретал вирулентные свойства. Такое явление Гриффитс назвал трансформацией.  
Однако природу трансформирующего агента в то время установить не удалось. Было известно, что это вещество небелкового происхождения, т. к. все белки при нагревании подвергались денатурации.  
 
Явление трансформации наблюдалось также и в пробирке (in vitro), где смешивали живые клетки бескапсульного и мертвые бактерии вирулентного штаммов Diplococcus pneumoniаe. Через определенное время часть бескапсульных бактерий приобрели капсулу и вирулентность. Эксперименты in vitro полностью исключали участие в феномене трансформации каких-либо систем макроорганизмов.  
Задача О. Эвери с сотрудниками состояла в том, чтобы выяснить, какое именно вещество способствует трансформации. Методика определения была выбрана относительно простая. Лизированные клетки капсульного штамма разделялись на различные химические составляющие. Каждый компонент испытывался на наличие трансформирующих свойств. Путем такого отбора удалось получить вещество, обладающее высокой трансформирующей активностью. Это была дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК.  
Однако выводы группы О. Эвери о том, что посредством ДНК клетки-реципиенты получали от клеток-доноров новый генетический признак, долгое время многие ученые-генетики подвергали сомнению. 
 
Например, существенные сомнения вызывал уровень очистки ДНК в экспериментах О. Эвери. Предполагалось, что присутствующие в препаратах нуклеиновых кислот белковые примеси и были причиной передачи нового генетического признака, что абсолютно не противоречило нуклеопротеидной теории. Стремясь проверить правильность выводов О. Эвери, Хочкисс добился такой степени очистки ДНК, что доля балластных веществ, в т. ч. и белков, в препарате составляла всего 0,02 %. Полученная таким образом чистая ДНК, тем не менее, обладала трансформирующими свойствами. 
 
 
Открытия, сделанные в конце 40 - начале 50 гг. ХХ в. в области молекулярной генетики, предопределили современное направление исследований не только в изучении наследственности, но и биологии в целом. Важнейшее значение открытия явлений трансформации и трансдукции, а также расшифровки действия мутационных факторов заключается прежде всего в доказательстве генетической роли ДНК. Теперь генетики могли с уверенностью констатировать: ДНК является материальным носителем наследственности. Именно эта молекула ответственна за передачу важнейших признаков от родительских особей потомству.

Процесс образования геномов, содержащих генетический материал от двух родительских форм. У бактерий осуществляется в результате конъюгации,  трансформации, трансдукции.

Рекомбинации  подразделяют на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия  протяженных, комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов.

Незаконная  рекомбинация не требует наличия  протяженных комплементарных участков ДНК.

Трансформация — процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК.  Клетки, способные воспринимать донор 
ную ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры.В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК. По-видимому, это связано с тем, что трансформируемый фрагмент ДНК связывается с белком, образуя трансформасому, в которой он переносится в бактериальную клетку. Процесс трансформации:

1).Адсорбция  ДНК-донора на клетке-реципиенте.

2) проникновение ДНК внутрь  клетки-реципиента;

3) соединение ДНК с  гомологичным участком хромосомы  реципиента с последующей рекомбинацией.

После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется. Затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК донора в геном реципиента.

Трансдукция  — процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. 

Неспецифическая:  трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фагоная ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.

Специфическая:  характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии- 
реципиенту.

Абортивная: принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии донора не включается в хромосому бактерии реципиента, а располагается в цитоплазме.

Конъюга́ция - однонаправленный перенос части генетического материала  при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. 

Первым этапом является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок.Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.

Транспозиция - перемещение определенных генетических элементов из одного места на хромосоме в другое. 

 

Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма(клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

 

                                                              

                                                                    2

ДНК – самые крупные биополимеры, содержащие до 108–109 мономеров – дезоксирибонуклеотидов, которые содержат сахар – дезоксирибозу. В состав ДНК входит 4 типа дезоксирибонуклеотидов: аденин – А, тимин – Т, гуанин – G, цитозин – С.

В молекуле ДНК, состоящей из двух полинуклеотидных цепочек, выделяют первичную, вторичную, третичную и т.д. структуры.

 

Первичная структура  представляет собой линейную последовательность дезоксирибонуклеотидов в одной цепочке. В такой форме в природе ДНК не существует, но именно первичная структура (последовательность нуклеотидов) определяет все ее свойства.

Вторичная структура  – две полинуклеотидовые цепочки, каждая из которых закручена в спираль вправо и обе закручены вправо вокруг одной оси. Две цепочки удерживаются рядом за счет водородных связей между азотистыми основаниями разных цепочек. Азотистые основания, образующие пары по принципу Чаргаффа (а это всегда одно пуриновое и одно пиримидиновое), называются комплементарными: А = Т; G = С. Адениновый и тимидиновый соединяются двумя водородными связями, а гуаниновый и цитозиновый – тремя.

 

Комплементарность (от лат. комплементум – дополнение) – пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей. Наиболее ярко комплементарность проявляется в строении нуклеиновых кислот, где 2 полинуклеотидные цепи в результате комплементарного взаимодействия пар пуриновых и пиримидиновых оснований (А–Т, Г–Ц) образуют двуспиральную молекулу. Комплементарность лежит в основе многих явлений, связанных с «узнаванием» на молекулярном уровне (ферментативного катализа, самосборки биологических структур, матричного синтеза полинуклеотидов, молекулярных механизмов иммунитета). Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку.

Правило Э. Чаргаффа: в любых молекулах ДНК молярная сумма пуриновых оснований (аденин + гуанин) равна сумме пиримидиновых  оснований (цитозин + тимин), т.е. молярное содержание аденина равно таковому тимина, а гуанина – цитозина. Из правила Чаргаффа следует, что нуклеотидный состав ДНК разных видов может варьировать лишь по суммам комплементарных оснований. Правила Чаргаффа было использовано при построении модели структуры ДНК.

 

Третичная структура  ДНК и структуры более высокого порядка представляют собой дальнейшую спирализацию и суперспирализацию  молекулы ДНК.

 

Функции ДНК:

 

* Молекулы ДНК  хранят (содержат) наследственную информацию (программу) о структуре специфических для каждого организма белков.

* Молекулы ДНК  обеспечивают передачу наследственной  информации от клетки к клетке, от организма к организму.

* Молекулы ДНК  участвуют в реализации генетической  информации, т.е. участвуют в процессе синтеза полипептидов.

Молекулы  ДНК в эукариотической клетке ( например,животной клетке) расположены  в ядре в виде конденсирванного гетерохроматина  и деконденсированного эухроматина( с которого возможно считывание генетической информации), а также часть молекул ДНК локализованы в митохондриях в виде кольцевой молекулы ДНК. 
молекул РНК существует три вида: рРНК, тРНК, иРНК.. 
рРНК (рибосомальная) локализуется первично в ядре..где из нее свертываются субъединицы рибосом.. затем эти субъединицы выходят через ядерные поры в цитоплазму клетки..  
тРНК (транспортная)находятся в цитоплазме и служат для транспорта аминокислот, необходимых для синтеза полипептидной цепочки, к рибосомам.. 
иРНК(информационная) образуется в ядре в результате транскрипции..затем она выходит в цитоплазму и на нее садятся судъединицы рибосом с целью начать процесс трансляции, то есть синтеза самой полипептидной цепочки с матрицы иРНК... *

 

 

3

 

СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ДНК  ДЖ. УОТСОНА И Ф. КРИКА

ДНК –  дезоксирибонуклеиновая кислота –  биологическая макромолекула, носитель  генетической информации во всех эукариотических  клетках. Трехмерная  модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была  описана  в 1953 г. Дж. Уотсоном и Френсисом  Криком. Согласно этой  модели  молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые  образуют  правую спираль (винтовую линию)  относительно одной и той  же  оси. Направление цепей взаимно  противоположное. Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого  является  нуклеотид.     Нуклеотид состоит из: азотистого основания: пуринового – аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового – цитозин (Ц) или тимин (Т); углевода  дезоксирибозы  (пятиуглеродное сахарное кольцо); остатка  фосфорной кислоты (НРО3*).     Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный  оборот 360о, следовательно, каждая пара  оснований повернута на 36 о  вокруг  спирали относительно следующей  пары. Сахарофосфатный остов  располагается  по периферии двойной спирали,  а азотистые основания находятся  внутри  и их плоскости перпендикулярны оси спирали (рис. 2). Между основаниями  образуются  специфические водородные связи,  в результате чего осуществляетсяся  так  называемое уотсон–криковское спаривание. 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.

 

В настоящее время описаны три  формы структуры ДНК: А-, В- и Z-формы. Параметры модели Уотсона-Крика соответствуют конформации ДНК в физиологических условиях (В-форме ДНК). Однако при изменении условий среды двойная спираль может принимать другие формы. Так при уменьшении влажности (в препарате образца для рентгеноструктурного анализа) ДНК переходит в А-форму. Этот переход связан с изменением конформации в остатках дезоксирибозы, уменьшением расстояния между фосфатными группами сахарофосфатного остова.

Расстояние между парами нуклеотидов  вдоль оси спирали, равное 0,34 нм в уотсон-криковской модели, уменьшается (примерно до 0,25 нм при 11 нуклеотидных остатках на один виток спирали). Диаметр спирали увеличивается; изменяются ширина и глубина бороздок; комплементарные пары азотистых оснований образуют с осью спирали угол 20° и, главное, они смещаются к периферии спирали. Поэтому двойная спираль похожа на пологую винтовую лестницу и внутри нее возникает полость диаметром 0,40 нм.

Переход молекулы ДНК из В- в А-форму  можно осуществить при понижении  активности воды в растворе (при внесении в него органического растворителя, например, этанола).

Существует мнение, что В-форма  представляет собой некую промежуточную  форму двух или большего числа  конформаций. Одной из особенностей В-формы, называемой В'-формой, является способность менять в молекуле ДНК положение двух цепей на обратное. Более того, В-форма может существовать в виде как правой, так и левой спирали.

B- и Z-формы структуры ДНК

Хотя более стабильными в  А- и В-формах являются правозакрученные спирали, существуют довольно устойчивые и левозакрученные спирали ДНК. Одна из таких спиралей была получена в 1979 г. А. Ричем. Из-за нерегулярного зигзагообразного изгиба сахарофосфатного остова она была названа Z-формой. Повторяющаяся единица в Z-форме ДНК включает две пары нуклеотидов, а не одну, как в В- и А-формах. Вследствие этого линия, соединяющая фосфатные группы, через каждые две пары нуклеотидов имеет излом и принимает зигзагообразный вид. По сравнению с В-формой в левой Z-форме резко изменен характер стэкинга оснований: сильные и слабые межплоскостные взаимодействия также чередуются. Z-форма может переходить в В-форму при снижении ионной силы раствора, добавлении этанола. Однако вопрос о существовании Z-формы ДНК in vivo и ее биологической роли до конца не выяснен. Высказывается мнение, что переход правозакрученной формы в левозакрученную может служить регуляторным сигналом, контролирующим экспрессию генов.

 

4