Установление генетической роли нуклеиновых кислот

Тема: Установление генетической роли нуклеиновых кислот.

Содержание:

1.Функции  ДНК и ее биологическая роль……………………………………….3

2. РНК строение  и роль…………………………………………………………...5

3. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот…………………...8

Литература……………………………………………………………………….12

 

1.Функции ДНК и ее биологическая роль

Значение развития генетики человека очевидно. Можно с полной уверенностью сказать, что, например, в  молекулах ДНК клеток человека запрограммирована  генетическая информация, контролирующая каждый миг нашей жизни. Это касается здоровья, нормального развития, продолжительности  жизни, наследственных болезней, сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных опухолей, предрасположенности к тем или  иным инфе6кционным заболеваниям, старости и даже смерти.

Если выделить из ядра одной клетки человека все генетические молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая  длина этой линии составит семь с  половиной сантиметров. Такова биохимическая  рабочая поверхность хромосом. Это  сконцентрированное в молекулярной записи наследие веков прошедшей эволюции.

Правильно и образно  сказал об этом в свое время в  романе «Лезвие бритвы» писатель Иван Ефремов: «Наследственная память человеческого организма – результат  жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память клеток и организма в целом есть тот  автопилот, который автоматически  ведет нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя  действовать сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической  и невесть какой еще регулировки.  Чем больше мы узнаем биологию человека, тем более сложные системы мы в ней открываем».

Впервые ДНК была выделена в 1869 году Фридрихом Мишером, но этому  веществу не было придано должного значения. В 1928 году Грифитс проводил опыты на пневмококке и пришел к странным выводам: он обнаружил, что  непатогенных бактерий можно превратить в патогенных посредством введения какого-то вещества, которое содержится в клетках и его можно оттуда извлечь. Решение этому курьезу было найдено только через 15 лет.

В годы второй мировой  войны в тиши лабораторий Эвери  и Мак Карти решали судьбу самого человечества. Ими тогда было показано, что полимерными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, т. е. химически очищенным  веществом, впервые полученным еще  в конце прошлого столетия Мишером, можно передавать наследственные признаки. Вещество является материальным носителем наследственности!!!

Тогда это было сделано  на микроорганизмах. Но иллюзий, что  такое возможно только для них, уже  не питал никто. И когда Уотсон и Крик выбрали для расшифровки  пространственной структуры именно ДНК – они знали что делали. 

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали пространственную модель молекулы ДНК. За эту самую  модель они получили Нобелевскую  премию.

Функции ДНК:

ДНК является носителем  генетической информации. Функция обеспечивается фактом существования генетического  кода.

Воспроизведение и передача генетической информации в поколениях клеток и организмов. Функция обеспечивается процессом репликации.

Реализация  генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.

 

 

 

 

2. РНК строение и роль.

РНК – это полинуклеотиды, но состоят  только из одной цепи. Все РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипцией.

В зависимости от локализации в  клетке, функции различают 4 вида РНК:  м-РНК (матричная, или информационная), транспортная – т-РНК, рибосомальная  – р-РНК.

1.м-РНК

Открыта в 1961 году Жакобом и Мано. Она составляет всего 5% от общего количества РНК клетки. Эта РНК не имеет  жесткой специфической структуры  и ее полинуклеотидная цепь образует изогнутые петли. В нерабочем  состоянии м-РНК собрана в складки, свернута в клубок, связана с белком; а во время функционирования цепь расправляется. Матричные РНК синтезируются  на ДНК в ядре. Процесс называется транскрипция (списывание). Роль м-РНК  – она несет информацию об аминокислотной последовательности (т.е. первичной  структуры) синтезируемого белка. Место  каждой аминокислоты в молекуле белка  закодировано определенной последовательностью  нуклеотидов в цепи м-РНК, т.е. в  м-РНК имеются «кодовые слова» для  каждой аминокислоты – триплеты, или  кодоны, или генетические коды. Свойства генетического кода: 1) триплетность. Из 4-х возможных мононуклеотидов  м-РНК (УМФ, ГМФ, АМФ, ЦМФ) можно построить  по правилам перестановки 64 кодона. 61 кодон  шифрует 20 аминокислот, а 3 кодона (УАА, УАГ, УГА) не кодируют ни одной аминокислоты. Они играют роль терминирующих (или  «стоп-кодонов»), т.к. на них останавливается  синтез п/п цепи. Полный кодовый словарь  представлен на таблице; 2) неперекрещиваемость  – списывание информации идет только в одном направлении; 3) непрерывность  – код является линейным, однонаправленным; 4) универсальность, т.е. одна и та же аминокислота у всех живых организмов кодируется одинаковыми кодами у всех живых существ; 5) вырожденность. Первые две буквы кодона определяют его специфичность, третья менее специфична. Известно 20 аминокислот, а кодонов 61, следовательно, большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами (2-6).

м-РНК принимает непосредственное участие в биосинтезе белка. Основной постулат молекулярной биологии, показывающий направление переноса генетической информации: ДНКàРНКàБелок. Однако, в 1974 году американские ученые Темин и  Балтимор показали возможность считывания информации и в обратном направлении  с РНК на ДНК: ДНК↔РНКàбелок. Этот процесс идет с участием фермента ревертазы. С его помощью можно  синтезировать участок ДНК по м-РНК и перенести этот синтезированный  ген в другие объекты, что используется генной инженерией.

2.р-РНК

На долю этого вида РНК приходится более 80% от всей массы РНК клетки. Она входит в состав рибосом. Рибосомы находятся  в цитоплазме  клеток, а также имеются митохондриальные  рибосомы. Одна р-РНК способна соединяться с 30 молекулами белка. Полинуклеотидная цепь р-РНК легко изгибается и укладывается вместе с белком в компактные тельца. Рибосома состоит из 2-х субъдиниц – большой и малой (соотношение их 2,5:1). В рибосоме различают 2 участка – А (аминокислотный, или участок узнавания) и Р – пептидный, здесь присоединяется п/п цепь. Эти центры расположены на контактирующих поверхностях обеих субъдиниц. Рибосомы могут свободно перемещаться в клетке, что дает возможность синтезировать белки в клетке там, где это необходимо. Рибосомы мало специфичны и могут считывать информацию с чужеродных м-РНК, вместе с м-РНК рибосомы образуют матрицу. Роль р-РНК – обуславливает количество синтезируемого белка.

3.т-РНК

Этот вид т-РНК изучен лучше  всего, составляет 10% всей клеточной  РНК. Содержится в цитоплазме, мол.масса  небольшая (20тыс.Da) состоит из 70-80 нуклеотидов. Основная роль – транспорт и установка  аминокислот на комплиментарном  кодоне м-РНК. т-РНК специфичны к  аминокислотам, что обеспечивается ферментом аминоацилсинтетазой. В  неактивном состоянии она свернута в клубочек, а в активном имеет  вид трилистника (клеверного листа). В молекуле т-РНК различают несколько  участков: а) акцепторный стебель  с последовательностью нуклеотидов  АЦЦ, к нему присоединяется аминокислота. Б) участок для присоединения  к рибосоме; в) антикодон – участок, комплиментарный кодону м-РНК,  который  кодирует аминокислоту, присоединенную к данной т-РНК – показать на таблице. Особенностью первичной структуры  т-РНК является то, что они содержат минорные, или модифицированные основания (7-метилгуанин, гипоксантин, основание V, дигидроурацил, псевдоурацил, 4-тиоурацил), которые способны к неклассическому  спариванию. Это ускоряет белковый синтез. Т.о., т-РНК «метит» аминокислоту, придавая ей специфичность и способствует установлению аминокислоты на определенный участок м-РНК.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

 

В 60 годах 19 века швейцарский ученый Фридрих Мишер выделил из ядер клеток гноя вещество клеточной природы  и назвал его нуклеин, впоследствии получившее название нуклеиновой кислоты. Однако биологические функции этого  вещества оставались неизвестными еще  почти целое столетие и только в 40-х годах 20 века Эвери с сотрудниками установили, что нуклеиновые кислоты, собственно ДНК отвечает за передачу наследственной информации, а с 1953 г. в связи с открытием Утсоном  и Криком структуры ДНК, получила рождение новая наука – молекулярная биология, одним из разделов которой  является изучение структуры, функции, использование нуклеиновых кислот.

 

1.1928г. Опыты Фредерика Гриффита

 

Известно, что бактерия Pneutnococcus pneumoniae имеет несколько форм. Вирулентность бактерии определяется наличием мукополисахаридной капсулы, расположенной па поверхности клетки. Эта капсула защищает бактерию от воздействий со стороны организма-хозяина. В результате, размножившиеся бактерии убивают зараженное животное. Бактерии этого штамма (S-штамм) образуют гладкие колонии. Авирулентные формы бактерий не имеют защитной капсулы и образуют шероховатые колонии (R-штамм). Микробиолог Фредерик Гриффитс в 1928 году инъецировал мышам живого пневмококка R-штамма вместе с S-штаммом, убитым высокой температурой (65°С). Спустя некоторое время ему удалось выделить из заражённых мышей живых пневмококков, обладающих капсулой. Таким образом, оказалось, что свойство убитого пневмококка - способность образовывать капсулу - перешло к живой бактерии, т.е. произошла трансформация. Поскольку признак наличия капсулы является наследственным, то следовало предположить, что какая-то часть наследственного вещества от бактерий штамма S перешла к клеткам штамма R.

В 1944 году О.Т. Эвери, К.М. Маклеод и М. Маккарти показали, что такое же превращение  типов пневмококков может происходить  в пробирке, т.е. in vitro. Эти исследователи установили существование особой субстанции -"трансформирующего принципа", -экстракта из клеток штамма S, обогащенного ДНK. Как далее выяснилось, ДНK, выделенная из клеток S-штамма добавленная в культуру R-штамма, трансформировала часть клеток в S-форму, Клетки стойко передавали это свойство при дальнейшем размножении. Обработка "трансформирующего фактора" ДНК-азой, ферментом разрушающим ДНK, блокирована трансформацию. Эти данные впервые показали, что именно ДНК, а не белок, как полагали до тех пор, является наследственным материалом.

 

 2. 1952г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз.

 

Как известно, фаг Т2 является вирусом, инфицирующим бактерию E. coli. фаговые частицы абсорбируются на наружной поверхности клетки, их материал проникает внутрь и примерно через 20 минут бактерия лизируется, освобождая большое количество фаговых частиц - потомков. В 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз инфицировали бактерии фагами Т2, которые были мечены радиоактивными соединениями: ДНК - с помощью 32P. Белковая часть фага - 35S. После инфекции бактерии фагами, с помощью центрифугирования удалось выделить две фракции: пустые белковые оболочки фага и бактерии, инфицированных фаговой ДНК. Оказалось, что 80% метки 35S осталась в пустых фаговых оболочках, а 70% метки 32P - в инфицированных бактериях. Фаги-потомки получили только около 1% исходного белка, меченного 35S, однако они же обнаружили около 30% метки 32P.

Результаты этого эксперимента прямо показали, что ДНК родительских фагов проникает в бактерии и  затем становиться составляющей развившихся новых фагов частиц.

 

3. 1957г. Опыты Френкеля - Конрата 

 

Френкель-Конрат работал с вирусом  табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев  табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину  поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим  белком.

Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.

На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные  три являются классическими.

 

Литература

 

1. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. Москва, Наука, 1984
2. Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. Москва, Высшая школа. 1985
3. Ярыгин В.Н. Биология. Москва, Высшая школа