ДНК и генетический код

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Саратовский Государственный Университет им. Н.Г.Чернышевского

ДНК и генетический код

Студентки VI курса биологического факультета, 421 группы Шубиной Алены Владимировны

Саратов-2007

Содержание

Введение

1. Доказательства генетической роли ДНК

2. Открытие структуры ДНК

3. Генетический код

Заключение

Список литературы

Введение

Долгое время носителем наследственной информации считались белки. Хотя были и мнения, что как раз именно ДНК является тем полимером, на котором зашифрована генетическая информация.

В течение почти всего XX века совершались открытия, доказывающие генетическую роль ДНК. К самым важным относятся исследования в области структуры ДНК и генетического кода. Сквозь многие трудности прошли великие ученые - Крик, Уотсон, Ниренберг и другие, но получили достоверные доказательства своих гипотез.

1. Доказательства генетической роли ДНК

В формировании общих представлений о роли нуклеиновых кислот немаловажную роль сыграл американский биохимик русского происхождения Ф.А.Левин. Он окончил Медико-хирургическую академию в Петербурге в чине капитана русской армии; химию изучал под руководством известного композитора - химика А.Бородина; степень магистра получил в Петербурге. По религиозным мотивам семья Левина в 90-е годы XIX века эмигрировала в США, где через некоторое время он занялся исследовательской работой в области биохимии и органической химии в Колумбийском университете, а позже - в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке.

Он определил моносахара, входящие в состав ДНК, установил природу нуклеозидов и нуклеотидов, дал им названия. Он же предложил структуру нуклеиновых кислот, которая состояла в линейной комбинации нуклеотидов с правильными межнуклеотидными связями. Эта тетрануклеотидная гипотеза являлась господствующей на протяжении многих лет. Она основывалась на ранних и достаточно неточных данных о молярных концентрациях оснований в нуклеиновых кислотах. В 1908 - 1909 гг. он и сотрудники показали, что нуклеиновые кислоты из тимуса теленка и дрожжей имеют равные молярные концентрации всех четырех нуклеотидов. Это дало основание предположить, что четыре разных нуклеотида связаны последовательно в стандартный тетрануклеотид, который многократно повторяется в структуре нуклеиновой кислоты. В более поздних вариантах гипотеза допускала высокую полимерность нуклеиновых кислот путем повторения тетрануклеотида, но, очевидно, исключала возможную комбинаторику нуклеотидов.

В этом случае нуклеиновые кислоты не годились на роль материальной структуры генов, поскольку структура получалась маловариабельная. Однако большинство выдающихся биохимиков приняло эту гипотезу на веру, что надолго задержало развитие молекулярных представлений о генах.

Но в 40-е годы Э.Чаргафф и многие другие исследователи подвергли тетрануклеотидную гипотезу уничтожающей критике, а ее автор оказался "козлом отпущения" за свое заблуждение.

К тому времени было ясно, что нуклеиновые кислоты (нынешние ДНК и РНК) могут быть высоко полимерны (М ~ 500 тыс. - 1 млн). В конце 40-х годов Чаргафф показал, что ДНК разного видового происхождения имеют разный состав нуклеотидов, а общая их эквимолярность не выполняется. Использовав новый метод хроматографии на бумаге и обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, Чаргафф обнаружил, что между молярными концентрациями пуринов и пиримидинов имеются другие регулярные соотношения: A=T и G=C. И хотя он не объяснил эти свойства, стало совершенно ясно, что мономеры нуклеиновых кислот - не тетрануклеотиды, а четыре стандартных нуклеотида, у которых одинаковая сахаро-фосфатная часть, участвующая в образовании стандартных фосфо-диэфирных связей, и различные основания. Их комбинаторика и допускает огромное разнообразие вариантов.

Однако, это не доказывало генетическую роль ДНК. Доказательство произвел в 1944 г. О.Эвери с сотрудниками. Еще в 1928 г. английский врач-инфекционист Ф.Гриффитс обнаружил, что пневмококки одного штамма (невирулентные) приобретают наследуемую вирулентность при контакте с лизатом инфекционных бактерий, убитых нагреванием (явление трансформации). Свыше 10 лет Эвери и сотрудники отрабатывали методы фракционирования лизата бактерий пока, наконец, не выделили активную фракцию, по физико-химическим свойствам совпадающую с ДНК.

В своем эксперименте они смешивали бескапсульные пневмококки по отдельности с взятыми от капсульных пневмококков белками, полисахаридами и ДНК. Введение белков и полисахаридов не приводило к трансформации бактерий, зараженные ими мыши не гибли. Трансформирующим фактором была только ДНК,

С одной стороны, это опровергало тетрануклеотидную гипотезу (ДНК обладала генетическими свойствами), с другой - интерпретация такой трансформации не была однозначной. ДНК могла быть либо генетическим материалом, который рекомбинирует с гомологичным геномом бактерии-реципиента, либо мутагеном, вызывающим мутации генов (тогда природа генов может быть другой), либо специфическим сигналом, переключающим функциональное состояние гена (этот вариант выявился позже). Дж. Ледерберг насчитал семь альтернативных гипотез о природе трансформации. Многие генетики не поняли фундаментального значения работы Эвери.

Тем не менее, значительная группа биохимиков, генетиков и физиков сосредоточилась на изучении химии, генетической роли и молекулярного строения ДНК. Дискуссии прекратились только после 1952 г., когда А.Херши и М.Чейз провели еще один эксперимент с бактериофагами T2 бактерии E.coli. Фаги, у которых белковая оболочка была помечена радиоактивной серой S³⁵, а ДНК - радиоактивным фосфором P³² инкубировались с бактериями. Затем бактерии отмывали от культурной среды. В инфицированных бактериях не находили радиоактивный белок, а в отмытых водах - радиоактивной ДНК. Таким образом, при заражении фагом инфекционным началом является почти чистая ДНК фага.

2. Открытие структуры ДНК

Далее перед учеными встала проблема структуры ДНК. И ее пытались решить многие. К моменту открытия двойной спирали ДНК было накоплено много фактов, свидетельствовавших о структуре ДНК.

Ф. Крик и Дж. Уотсон, работавшие совместно, опирались на результаты рентгеноструктурного анализа Р. Франклин и М. Уилкинса. Первоначальные результаты А-спирали значительно затрудняли выводы. Параллельно с Уотсоном и Криком работал Л. Поллинг. Он также исследовал структуру ДНК, но у него не было доступа к результатам рентгеноструктурного анализа. В 1952 году он выпустил статью, в которой предположил, что ДНК имеет вид тройной спирали. Это противоречило известным о ДНК сведениям.

Поэтому Крик и Уотсон, продолжив свою работу над ДНК. В начале 1953 г. Уотсон и Крик познакомились (полулегально!) с последними данными Франклин по диффракции рентгеновских лучей на препаратах В-формы ДНК в условиях высокой влажности. Они сразу узнали признаки спирали с шагом 34 A и диаметром 20Aє. Для проверки срочно нужны были стереомодели, однако мастерские задерживали изготовление металлических деталей, моделирующих пурины и пиримидины. Тогда Уотсон нарезал их из толстого картона и стал раскладывать на плоскости стола. В течение ближайших дней была построена стерео-модель двуцепочечной ДНК. Она оказалась правовинтовой спиралью с противоположной ориентацией цепей. Так они, наконец, построили свою модель «двойной спирали».

Модель Уотсона - Крика благодаря своим неоспоримым достоинствам признали быстро и повсеместно. Она полностью выдержала также испытание временем. Так она рaзрешила множество трудных проблем; прежде всего объяснила правила Чаргаффа и рентгеноструктурные данные. В мае 1953 г. вышла первая статья о двойной спирали ДНК 

В 1962 г. Дж.Уотсон, Ф.Крик и М.Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи. К сожалению, Р.Франклин не дождалась такого признания, она умерла в 1958 г.

3. Генетический код

Проблему генетического кода поставил Гамов. Он сравнил 4 нуклеотида с 4-мя карточными мастями. Он говорил о том, как можно получить 20 из 4 подсчетом числа всех возможных триплетов, образующихся из четырех различных сущностей.

Таким образом, Гамов первым сформулировал проблему генетического кода. Генетическая информация записана в полинуклеотидах в виде последовательности символов четырех типов: A, T, G и C. Затем она перекодируется в последовательность 20 аминокислот. Кодирующие группы символов могут быть только триплетными. Правила соответствия триплетных групп нуклеотидных символов и символов аминокислот образуют генетический код. Главная задача оставалась расшифровать этот код, в том числе - объяснить происхождение числа 20, имея в наличии 64 триплета.

Гамов и Ичас предложили гипотезу "комбинаторного" кода, где все триплеты одинакового состава считались синонимами; 64 триплета образовали 20 групп; код был вырожден, триплеты в тексте не перекрывались. Но этот код был забракован.

Крик, Гриффитс и Л. Орджел предложили идею "кода без запятых", когда триплеты в тексте не отделены какими-либо знаками, но считываются единственным образом: кодирующие - 20 гетеротриплетов, а все их циклические перестановки - некодирующие. Четыре гомотриплета в этом случае - тоже некодирующие. Этот вариант также не подтвердился, хотя сама проблема "кодов без запятых" исследуется математиками до сих пор.

О триплетность генетического кода в практическом смысле впервые заговорили после экспериментов Крика и Бензера. Они использовали генетическую систему локуса rII фага Т4 Бензера. Несколько ранее в Кембридже Крик и Бензер изучали мутагенез в локусе rII фага Т4, вызванный акридиновыми красителями. Почти все мутации оказались летальными. Хотя данные были не столь очевидны, Крик предположил, что акридины вызывают выпадения и вставки нуклеотидных пар в цепи ДНК. По этим мутациям сделали вывод, что, если у тройных мутантов, с тройными вставками(+) или с тройными делециями(-), возможно восстановление правильной фазы трансляции, кодоны триплетны или кратны трем, поскольку происходит сдвиг, кратный трем.

В триплетных кодонах сдвиг влево на один символ с точки зрения фазы трансляции эквивалентен сдвигу вправо на два символа; а сдвиг влево на два символа эквивалентен сдвигу вправо на один. Поэтому должны быть две группы ((+) и (-)) мутантов. В дуплетном коде была бы одна группа, где все мутации восстанавливали бы друг с другом правильную фазу трансляции. В квадруплетном коде было бы более двух групп взаимной супрессии. Поэтому кодоны триплетны без оговорок, а их максимальное число 4³=64.

У двойных мутантов (+ -) и (- +) на участке сдвига фаза разбиения на кодоны меняется. Бывшие границы старых кодонов становятся внутренними участками новых, а бывшие внутренние участки -- новыми границами. Трансляция при этом не восстанавливается. Это значит, что между кодонами нет никаких специальных разделительных знаков (“запятых”).

В начале 60-х гг. Ниренберг, Молодой американский биохимик М.Ниренберг и немецкий Х.Маттеи изучали синтез белков в бесклеточной системе трансляции E.coli. Сначала они синтезировали полиурацил, молекулу РНК, которая содержит только урацил (РНК в отличие от ДНК содержит урацил вместо тимина). Затем исследователи поместили полиурацил в бесклеточную экспериментальную систему, образованную осторожным размельчением бактерий, способствующим получению смеси аминокислот, РНК, рибосом, необходимых ферментов и других веществ. Полиурациловая РНК направляла синтез молекулы белка, состоящего из цепочки молекул аминокислоты фенилаланина. Следовательно, код для фенилаланина представлял собой триплет урацил-урацил-урацил (т.к. урацил является единственным азотистым основанием в полиурациле), или УУУ.

Помимо Ниренберга проблемой генетического кода занимались еще несколько лабораторий, в том числе лаборатория Очоа. В этих лабораториях при помощи фермента полинуклеотид-фосфорилазы (за его открытие Очоа в 1959 г. и получил Нобелевскую премию) синтезировали полинуклеотиды заданного состава, например У : A = 5:1 и т.д. Эти матрицы стимулировали включение других меченых аминокислот в определенных пропорциях. В результате к 1963 г. установили нуклеотидный состав 48 кодонов, отвечающих определенным аминокислотам. Данные двух лабораторий фактически совпали. После этого Очоа отступился от своих исследований.

В 1964 г. М.Ниренберг и Ф.Ледер, преодолев трудности, разработали метод связывания на рибосомах в бесклеточной системе фракций аминоацил-т-РНК с небольшими синтетическими олигорибонуклеотидами заданного порядка оснований. Такие работы, демонстрирующие взаимодействие кодон-антикодон, стали называть экспериментами in vitro. Прежде всего все динуклеотиды оказались неэффективными в связывании т-РНК. Дублетные коды отпали полностью. Метод позволял перепробовать все триплеты по одному. В результате уже через год были испытаны все 64 триплета, почти все они были признаны кодирующими. Американский биохимик Г.Хорана исследовал матричные свойства синтетических полирибонуклеотидов с повторяющимися парами, тройками, четверками оснований: поли-(УЦ)_n, поли-(АГ)_n, поли-(УГ)_n, поли-(УУЦ)_n и др. РНК с повторяющимися парами синтезировали полипептиды с чередующимися аминокислотами, а РНК с повторяющимися тройками кодировали по три раздельных полипептидных гомополимера. Результаты полностью совпали с данными Ниренберга. Известные мутационные замены аминокислот в белках прекрасно соответствовали кодонам. Иначе говоря, данные in vivo полностью совпали с данными in vitro.

В 1965 г. Крик отправился в США. Он составил единую таблицу. В течение 1965 г. исследователи согласовали и устранили некоторые неоднозначности, доказали, что три нонсенса выполняют роль терминальных знаков, а триплет АУГ по совместительству -- инициирующего знака трансляции. Бреннер с коллегами и независимо Яновский доказали колинеарность гена и белка -- давно ожидаемое свойство генетических текстов.

Заключение

Таким образом, Криком, Уотсоном, Ниренбергом были сделаны очень важные открытия XX века. Они позволили в дальнейшем изучать структуру генов, исследовать и менять синтез полипептидов, варьируя первичную последовательность нуклеотидов в ДНК.

В конце ХХ века была запущена программа «Геном человека», которая закончилась в 2005 году. Секвенируются геномы многих организмов. Молекулярная биология применима и в других дисциплинах - систематике, медицине и даже криминологии. Конечно, в молекулярной билологии осталось еще много неисследованного - функции многих генов, их эволюция и др. И все это будет еще открыто и объяснено, но только в будущем.

Список литературы

1. Джеймс Д. Уотсон Двойная спираль Воспоминания об открытии структуры ДНК. - М.: Мир, 1969

2. В.А. Ратнер «Материальный носитель». - Природа. - №11. - 1998.

3. В.А. Ратнер «Хроника великого открытия: идеи и лица». - Природа. - №06. - 2000.

4. С. Котельникова «Биография», www.krugosvet.ru

5. Альбертс Б., Брейн Д., Льюис Дж. и др Молекулярная биология клетки. - М.: Мир, 1988.

Размещено на Allbest.ru