Роль ДНК в процессе передачи наследственной информации

     СОДЕРЖАНИЕ 

     ВВЕДЕНИЕ

1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА ДНК

2. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО  РОЛИ ДНК КАК МАТЕРИАЛЬНОГО НОСИТЕЛЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

  ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Вопросы наследственности, передачи отдельных  признаков от родителей потомству, самовоспроизводства живых организмов на Земле издавна волновали человечество. В разные эпохи различными учеными  выдвигалось множество теорий, своеобразно  объясняющих подобные процессы. Наиболее древняя из них датирована VI-V вв. до н. э. Это так называемое энцефаломиелоидное учение древнегреческого врача и  натурфилософа Алкмеона из Кротона (Гайсинович А. Е., 1988).  
Но истинные ответы на эти вопросы человечество смогло найти лишь спустя несколько тысяч лет, с появлением и развитием генетики - науки о наследственности и изменчивости организмов.

     В основу генетики были положены закономерности дискретной наследственности, открытые в 1865 г. Менделем и продолженные и  дополненные впоследствии А. Вейсманом, В. Иогансеном, Т. Морганом, Н.И. Вавиловым, Н.К. Кольцовым, С.С. Четвериковым и другими учеными. Надо отметить, что работы этих и других ученых-генетиков на новом уровне развили дальше описательные представления Ч. Дарвина о наследственности, изменчивости и естественном отборе. Сам термин «генетика» был введен в 1905 г. английским биологом У. Бэтсоном и означает науку о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

     Официальной датой рождения генетики считают 1900 г., когда трое ученых - голландец  Х. де Фриз, немец К. Коренс и австриец Э. Чермак - независимо друг от друга  переоткрыли законы Грегора Менделя  о наследовании генетических признаков.

     С развитием точных наук и техники  менялись методы и уровни изучения живой материи. Наряду с классической генетикой, появились такие важные направления, как цитогенетика, генетика человека, генетика микроорганизмов, биохимическая, эволюционная генетика, космическая  генетика, молекулярная генетика и  многое др.  
Именно с молекулярной генетикой связана история изучения структуры и значения ДНК в понимании наследственности.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ХИМИЧЕСКИЙ  СОСТАВ И СТРУКТУРА  ДНК

     Если  основная функция ДНК для многих ученых была понятна, то химическое строение и, в особенности, трехмерная структура  нуклеиновых кислот представлялась еще недостаточно ясной.  
С момента открытия Миллером в 1868 г. «нуклеина» прошло немало времени. Основные сведения по химическому составу были изложены А. Косселем, биохимиком, работавшим на рубеже XIX-XX вв. (Стент Г., 1974). Он установил, что нуклеиновая кислота состоит из четырех азотистых оснований, сахара и фосфорной кислоты. Азотистые основания были представлены двумя пуриновыми (аденин, гуанин) и двумя пиримидиновыми (цитоз и ниурацил) соединениями.

     В 20-х гг. минувшего столетия П. Левеном  и У. Джонсом в эту схему  были внесены важные уточнения. Ими  было обнаружено, что нуклеиновые  кислоты имеют две разновидности: РНК и ДНК, различные по химическому  строению. РНК, или рибонуклеиновая  кислота, содержит пятиуглеродный сахар  рибозу, а в ДНК присутствует дезоксирибоза. Наконец, ДНК не содержит урацила, как  это полагал А. Коссель, вместо него имеется тимин. Кроме того, установлено, что азотистое основание, сахар  и остатки фосфорной кислоты  образуют соединение, названное нуклеотидом. В свою очередь, нуклеотиды образуют с помощью фосфодиэфирных связей некое подобие цепочки.

       В 1924 г. немецкий химик Р.  Фельген предложил гистохимический  способ окраски ДНК животных, растений и бактерий. Основу методики  составлял реактив Шиффа, который  окрашивал ДНК в красно-фиолетовый  цвет. С помощью реакции Фельгена  ученые установили, что ДНК содержится  преимущественно в ядре клетки, а РНК - в цитоплазме.  
До 1950 г. среди генетиков и биохимиков господствовала тетрануклеотидная теория Ф. А. Левина. Согласно этой теории, все нуклеиновые кислоты - это монотонные макромолекулы, представляющие собою единообразное повторение четырех азотистых оснований - тетрануклеотидов. При этом полярные соотношения аденина, гуанина, цитозина и тимина представлялись как приблизительно равные. Ошибочность этой теории заключалась в том, что структуру ДНК понимали как элементарное химическое соединение, придавая ему линейный характер. Наличие вторичных и третичных структур у ДНК не учитывалось. Это привело к тому, что долгое время ученые считали, что ДНК не способна выполнить функцию носителя информации.  
Эту теорию опроверг Э. Чаргафф. В 1948 г. Эрвин Чаргафф и Хочкисс применили для количественной оценки компонентов нуклеиновой кислоты тогда еще новый метод хроматографии на бумаге. Анализируя таким образом различные образцы ДНК от животных, растений и человека, ученые обнаружили, что точного количественного соответствия азотистых оснований ни в одном из случаев не наблюдалось. Напротив, в зависимости от биологического происхождения ДНК, состав молекулы будет различен. Следовательно, обнаружилось, что ДНК отнюдь не монотонная макромолекула. Обобщая данные своих исследований, Э. Чаргафф в 1949 г. сформулировал правило эквивалентности, которое вошло в историю генетики как правило Чаргаффа. Оно гласит: количественные отношения гуанина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержание тимина. Математически это можно записать так:  
 
А + Г = ц + Т А + Г = Ц + Т  

     В 1952 г. на основании работ Э. Чаргаффа и Хочкисса была сформулирована теория, объясняющая, каким образом ДНК  содержит в себе генетическую информацию. Основное положение этой теории звучит так: «Генетическая информация определяется специфической последовательностью  четырех нуклеотидных оснований в полинуклеотидной цепи.

     Следует отметить, что установленные опытным  путем количественные соотношения  азотистых оснований в молекуле ДНК, выраженные в правиле Чаргаффа, не случайны. Отечественные генетики А. С. Спирин и А. Н. Белозерский пришли к выводу, что зависимость содержания гуанин-цитозиновых пар определяется филогенетическими (т. е. сложившимися в процессе эволюции) связями между  организациями различной видовой принадлежности.

     В 1912 г. отец и сын Брегги изобрели метод рентгеновской кристаллографии, основанный на том, что пучок параллельных рентгеновских лучей, падающих на регулярное скопление атомов, образует так называемую дифракционную картину. Дифракционная  картина зависит главным образом  от атомной массы атомов и их пространственного  расположения. В 40-х гг. Астбюри использовал  данный метод для определения  пространственной структуры ДНК. На основании полученных рентгенограмм  автор предположил, что биополимер ДНК представляет собой стопку из уложенных один над другим нуклеотидов. При этом нуклеотиды представлялись им в виде плоских дисков.  
Астбюри оставил работу по дальнейшему изучению структуры ДНК. Исследования в начале 50-х гг. по структуре ДНК продолжили три группы ученых. Первую группу возглавил известный в то время своими работами по расшифровке вторичной структуры белков Лайнус Полинг. Вторая группа работала под руководством английского биофизика, члена Лондонского королевского общества Мориса Уилкинса, и, наконец, третью группу представляли Джеймс Уотсон и Френсис Крик.  
Первыми представила свою модель в 1953 г. группа Л. Полинга. Однако она не получила всеобщего признания.

     Сотрудникам Уилкинса удалось получить очень  четкие рентгенограммы ДНК, на которых  отчетливо было видно, что молекула нуклеиновой кислоты состоит  из двух нитей, и, в частности, подтвердилась  гипотеза Астбюри о межнуклеотидном расстоянии, равном 0, 34 нм  
Одну из таких рентгенограмм ДНК, полученной в лаборатории М. Уилкинса, опубликовал журнал Nаture. На эту публикацию обратили внимание Д. Уотсон и Ф. Крик. Анализируя опубликованную рентгенограмму, они дополнили свои предположения и в апреле 1953 г. опубликовали собственную модель пространственной структуры ДНК, названную впоследствии их именами. Основные положения вторичной структуры ДНК, по Уотсону и Крику, сводятся к следующему:

1. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль диаметром 2 нм.  
   2) Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0, 34 нм одна от другой.

Полный  оборот спирали приходится на 3,4нм, т. е. на 10пар оснований. Придавая молекуле ДНК форму спирали, Уотсон и Крик исходили из того, что последовательность нуклеотидов в цепи отражает генетическую информацию. Из этого следует, что любая произвольная последовательность оснований вдоль полинуклеотидных цепей ДНК должна соответствовать ее молекулярной структуре. Определенные трудности представляло то обстоятельство, что размеры пуринового кольца были больше, чем пиримидинового. Поэтому, чтобы спираль на всем протяжении имела постоянный диаметр, пуриновое кольцо в одной цепи должно быть расположено строго напротив пиримидинового в другой цепи. Так родился постулат о взаимной комплементарности нуклеотидов. Из этого постулата следует, что аденин (А) образует комплементарные связи только с тимином (Т), агуанин(Г) -толькосцитозином(Ц).

     Правило комплементарно стинуклеотидов взаимосвязано и подтверждается правилами Чаргаффа о эквивалентности. Однако основное значение открытия комплементарного спаривания заключается в признании ДНК самокоплементарной молекулой, т. е. генетическая информация записана в полинуклеотидной цепи в виде определенной последовательности четырех азотистых оснований, тогда каждая молекула ДНК несет два полных набора такой информации. Из этого следует, что обе полинуклеотидные цепочки антипараллельны друг другу.

     В пользу спиральной формы ДНК говорит  и то обстоятельство, что длина  линейной молекулы ДНК, выделенной из бактериальной клетки, равна 1,4 мм, т. е. примерно в 1000 раз превышает длину  самой бактерии.  
В настоящее время модель ДНК Уотсона и Крика получила всеобщее признание мирового сообщества ученых. В 1962 г. Френсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их роли в передаче генетической информации в живой материи присуждена Нобелевская премия по генетике.  
Однако этим исследования ДНК не ограничились. Вскоре выяснилось, что образуемые между двумя полинуклеотидными цепочками водородные связи можно разорвать при помощи нагревания. В результате повышения температуры до 94 град. в структуре ДНК наблюдался переход от спиральной формы к клубку. Такое явление было названо денатурацией ДНК.  
В 1960 г. был открыт обратный процесс - восстановления разрушенных водородных связей и реставрации двойной спирали. Данное явление было названо ренатурацией.

     Эти открытия полностью подтвердили  высказанную еще в 1953 г. Уотсоном и Криком гипотезу о механизме  самоудвоения (репликации) ДНК. По их мнению, репликация ДНК происходит путем  разрыва водородных связей между двумя полинуклеотидными цепочками. Разделение и разматывание молекулы начинается с одного конца спирали и продолжается по направлению к другому. Одновременно с разрывом цепочек происходит процесс синтеза новых полинуклеотидов. Результатом этой гипотезы стал сформулированный авторами постулат полуконсервативного характера репликации ДНК. То есть прежняя полинуклеотидная цепочка является как бы шаблоном для синтеза новой. Значительный вклад в понимание механизмов самоудвоения молекулы ДНК внес Артур Корнберг. Он открыл фермент, который катализирует синтез полинуклеотидной цепочки. Этот фермент Корнберг назвал ДНК-полимеразой. В 1956 г. Корнберг сообщил, что ему удалось синтезировать в пробирке in vitro молекулу ДНК.

     Эксперимент Корнберга показал, что ДНК используется непосредственно в качестве матрицы, без синтеза каких-либо других посредников, что полностью согласовывалось  с предположениями Уотсона и  Крика о репликации ДНК. В 1969 г. удалось синтезировать ген комплементарной последовательности транспортной РНК.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО  РОЛИ ДНК КАК МАТЕРИАЛЬНОГО НОСИТЕЛЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

     В настоящее время в сознании многих людей такие термины, как ДНК  и генетика, неразделимы. Однако так  было не всегда.  
В 1868 г. швейцарский химик Ф. Мишер обнаружил в клеточных ядрах, изолированных из гноя, а позже из спермиев лосося вещество, которое он назвал «нуклеином» (от лат. nucleus - ядро). Впоследствии Р. Альтманн (1889 г.) сообщил, что выделенный Ф. Мишером «нуклеин» состоит из двух фракций - белковой и нуклеиновых кислот (Гайсинович А. Е., 1988).  
Достаточно длительное время считали, что функцию передачи наследственной информации выполняют белки, т. к. нуклеиновые кислоты относительно просты по химической структуре и проявляют «поразительное единообразие» у разных видов растений и животных. Этому заблуждению способствовало предположение Э. Вильсона (сделанное им в 1925 г.) о том, что функциональную роль в хроматине играют белки, а не нуклеиновые кислоты. В 1928 г. крупнейший советский биолог Н. К. Кольцов (1872-1940) разрабатывает гипотезу молекулярного строения и матричной репродукции хромосом, которая легла в основу главнейших принципов и положений современной молекулярной биологии и генетики. Тем не менее он считает, что хромосома - это гигантская биологическая молекула, обладающая свойством самоудвоения, и что все признаки и свойства организма предопределены строением белка и взаимодействием его молекул, а не ДНК (Гуляев Г. В., 1971).