Молекулярные основы наследственности.

1868 г. – Мишер открыл ДНК.

1928 г. – Гриффитс обнаружил явление трансформации при изучении пневмококковой инфекции у мышей. Использовал 2 штамма:

· S – штамм: гладкая оболочка – мыши гибнут

· R – штамм: шероховатая капсула – мыши живы

Если взять S – штамм и нагреть их, а затем ввести мышам, то мыши выживают. Гриффитс смешал живые невирулентные пневмококки с нагретыми капсульными формами. Заразил ими мышей, через некоторое время мыши погибли. При исследовании тканей погибших мышей он обнаружил гладкие капсульные формы и сделал вывод, что какой-то компонент убитых бактерий способен трансформировать бескапсульные формы, в результате чего они приобретали способность синтезировать полисахаридную капсулу. Но природу вещества Гриффитс не выявил.

1944 г. – Эвери, МакЛеод и МакКарти повторили эксперименты Гриффитса in vitro и обрабатывали бескапсульные штаммы экстрактами ДНК и получали трансформацию. Они обработали экстракт протеазами, рибонуклеазами и ДНК – азами. И только в последнем случае экстракт терял способность к превращению бескапсульных форм в капсульные, т.о. именно ДНК, выделенная из бактерий, несущих ген капсульного полисахарида может переносить ген в бактерии, не содержащие подобного гена.

1952 г. – получена ещё одна группа доказательств (Херши и Чейз).

Была инфицирована бактерия E. coli фагом Т2, у которого была помечена оболочка радиоактивной серой (³⁵S) и ДНК ³²Р. Через некоторое время культуру встряхивали и разделяли, обнаружили, что практически весь меченый фосфор находится внутри бактерий, а почти вся меченая сера находится в питательной среде. Было проанализировано потомство бактериофагов. Оказалось, что потомство содержало 30% меченого фосфора и только 1% меченой серы.

Позже удалось инфицировать бактерии чистой фаговой ДНК из чего был сделан вывод, что генетический материал фага сосредоточен в ДНК.

 

1953 г. – Уотсон и Крик установили пространственную структуру на основе рентгеноструктурного анализа.

ДНК – двойная спираль, соединение обеспечивается азотистыми основаниями, между которыми возникают водородные связи. Спаривание азотистых оснований строго определенно. Спирали закручены по часовой стрелке (В-форма), в результате суперспирализации могут появляться левозакрученные области.

Антипараллельное расположение цепей обеспечивает стабильность.

Уотсон и Крик – ДНК – цепи способны к раскручиванию и последующему делению, образуются одноцепочечные молекулы ДНК, которые служат матрицей, на которую присоединяются соответствующие нуклеотиды (полуконсервативная репликация).

Гипотеза была подтверждена в 1958 г. Мезельсоном и Сталем. Они брали кишечную палочку на минимальной среде, причем азот бактерии могли получать из хлористого аммония, содержащего тяжёлый азот. Поэтому все пуриновые и пиримидиновые основания содержали тяжелый азот и вся ДНК была тяжелой. Затем бактерии выделяли из культуры и переносили на среду, содержащую неорганический азот и после 1-2 циклов репликации отмывали, центрифугировали полученные пробы в градиенте хлористого цезия. Т.о. было доказано, что синтез ДНК идет полуконсервативным путем.

 

Репликация ДНК – многоэтапный процесс, который начинается с релаксации ДНК – снятие суперспирализации.

 

В этом процессе участвуют ферменты – топоизомеразы:

топоизомераза 1 способна разрезать сахарофосфатный остов, происходит раскручивание нити, снимаются супервитки и затем она же соединяет разрыв.

топоизомераза 2 разрезает обе нити ДНК и сшивает их потом.

Репликация начинается в точке Ори (ориджины) – участки богатые А – Т парами, ДНК – боксы – определенные последовательности ДНК из 9 или13 нуклеотидов (очень консервативны), разрыв водородных связей происходит за счет ДНК – хеликазы.

Супервитки, которые образуются перед двигающейся репликативной вилкой снимаются топоизомеразами. Для того чтобы на разделенных цепях ДНК не образовывались шпильки и все нуклеотиды одноцепочечной ДНК были доступны для спаривания, в клетках имеются специальные белки SSB, которые способны связываться только с одноцепочечной ДНК и удерживать её в раскрученном состоянии.

Синтез цепи ДНК осуществляется с помощью ДНК – полимеразы 3. Но ДНК – полимераза не способна присоединять основания просто так, ей обязательно нужен спаренный 3^/ гидроксильный конец, поэтому прежде, чем ДНК – полимераза начнет синтез ДНК, синтезируется затравка из РНК – нуклеотидов (≈10) с помощью фермента праймазы.

Цепь растет в направлении 3^/ - 5^/. Но не существует фермента ДНК – полимеразы, которая могла бы наращивать цепь с 5^/ - конца, поэтому когда Оказаки обнаружил, что в клетке во время репликации образуются и некоторое время существуют небольшие фрагменты ДНК и была предложена следующая модель: на противоположной цепи синтезируется затравка и формируется спаренный нуклеотид с 3^/ -   гидроксильным концом. К нему ДНК – полимераза 3 способна присоединять нуклеотиды, комплиментарные нуклеотидам основной нити ДНК. Также происходит на другой нити ДНК. Когда синтезирующийся участок ДНК доходит до затравки, ДНК – полимераза 3 отсоединяется и в дальнейшем работает ДНК – полимераза 1, которая способна отщеплять нуклеотиды затравки и застраивать образующуюся брешь нуклеотидами. Когда брешь застроена, то 2 нуклеотида, оказавшиеся рядом сшиваются с помощью фермента – ДНК – лигазы.

Та цепь, которая синтезируется непрерывно называется лидирующей, другая – отстающей.

ДНК – полимераза 3 обладает также корректорной активностью, т.е. она проверяет правильность спаренных нуклеотидов (в начале, когда присоединяет и после, когда подходят следующие нуклеотиды). Благодаря этому обеспечивается высокая точность процесса репликации.

 

Генетический код.

В любом участке ДНК только одна из цепей кодирует АК, поэтому код – последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов.

Свойства:

Ø триплетен (1 триплет – колирует 1 АК)

 

Ø не перекрывается: 1961 г. Ф. Крик показал, что код должен читаться неперекрывающимися триплетами с фиксированной стартовой точкой, которая означает, что считывание начинается на одном конце и заканчивается на другом. Различные части кодирующей последовательности не могут считываться независимо друг от друга. Началом синтеза белка для любого гена является кодон АУГ (метионин). В конце гена стоят кодоны УАА, УАГ, УГА, которые являются сигналами окончания синтеза белка (стоп-кодоны). Для повышения надежности процесса терминации стоп – кодоны дублируются и первым при этом выступает УАА. Нуклеотидная последовательность, которая начинается с последующего кодона делит следующие кодоны на триплеты и заканчивается стоп – кодоном – рамка считывания. Интервал между стартовым и стоп – кодоном является открытой рамкой считывания. Мутации, при которых изменяется рамка считывания, называются мутациями сдвига рамки.

 

Ø вырожденность – одной АК соответствует несколько кодонов, но кодоны используются с разной частотой.

 

Ø универсальность – определенному кодону соответствует определенная АК у любого вида организмов. Известно, что имеются исключения, которые делают код квазиуниверсальным, это касается прежде всего митохондриального генома.