ДНК – история открытия. Реферат история открытия днк

ДНК – история открытия

Открытие ДНК или нуклеиновых кислот, позволило вывести молекулярную биологию и медицину на совершенно новый уровень, их роль в нашем организме сложно переоценить. Благодаря этим веществам существует понятие наследственности, именно они передают ряд признаков из поколения в поколения. Также биосинтез белков, который происходит в любом организме, абсолютная заслуга нуклеиновых кислот.

Что собой представляют нуклеиновые кислоты?

Существует два типа этих веществ, дезоксирибонуклеиновая кислота, больше знакома как ДНК, она несёт всю генетическую информацию. Второй тип — это рибонуклеиновая кислота или РНК, в её функции входит перенос и временное хранение всё той же генетической информации. Устроены ДНК и РНК по одному принципу, по своему химическому составу их называют двойняшками, но они не являются близнецами, так как отличия у них имеются. Они оба представляют собой сложные полимерные молекулы, состоящие из нуклеотидов, отдельных звеньев, но главное отличие их в углеводном компоненте, у ДНК сахар — дезоксирибоза, а у РНК — рибоза. Форма ДНК известна как жёсткая спираль, состоящая из двух цепей, а РНК чаще выглядит как сложный клубок, иногда может сформироваться в виде спирали из цепочек. Сегодня известно понятие нуклеиновой кислоты, а ещё чуть более полувека назад о подобных названиях никто не слышал.

К истокам открытия

Во многих научных изданиях, посвящённых истории ДНК, встречаются имена английского физика Френсиса Крика и американского биолога Джеймса Уотсона. Да, им действительно удалось в 1953 году разгадать тайну строения молекулы и они вошли в историю, но изначально открыта она была значительно раньше, молодым и неизвестным врачом из Швейцарии — Фридрихом Мишером, в далёком 1869 году.

Открытие Мишера

Врач отправился в Германию для написания своей диссертации, где ему поручили разобрать химический состав гноя. Работой Днк Мишер остался доволен, он считал, что лейкоциты, входящие в состав гноя являются элементарными клетками.Процесс исследования молодого учёного заключался в помещении бинтов с содержанием гноя, полученных из местной больницы, в солевой раствор, в котором лейкоциты отделялись от ткани и осаждались на дно сосуда. После чего полученный осадок, он помещал в щелочную среду, где он должен был раствориться, но каково было его удивления, когда полученное вещество осталось в прежнем состоянии, несмотря на воздействие специальных ферментов. Мишер стал интенсивнее изучать полученные ядра, то, что это были именно они, он не сомневался, хотя до его открытия биохимические лаборатории не занимались подобными экспериментами. Открытием врач поделился с наставником и владельцем лаборатории Гоппе-Зейлером, к исследованию подопечного, профессор отнёсся скептически. Он не любил поспешных выводов и не торопился озвучивать новое открытие. Гоппе-Зейлер вместе с российским химиком Любавиным, работающим в его лаборатории, скрупулёзно изучали работу Мишера, и им удалось получить нуклеин из клеток крови и дрожжей. И тогда, об открытии в 1871 году узнали массы и оно вошло в историю.

Сплетение наук ради совместной цели

Проблемой того времени стало непонимание важности открытия, была выдвинута гипотеза о том, что нуклеиновые кислоты отвечают за генетическую предрасположенность, но позже от неё отказались. Понадобилось ещё полвека, чтоб вновь доказать факт существования связи. Учёных не переставал мучить вопрос, почему дети имеют сходства с родителями, какой секрет этого феномена? Вот тогда к открытию Мишера вернулись Уотсон и Крик, для решения столь важного вопроса были сплетены разные науки:

физика;
химия;
биология;
медицина;
даже математика.

Каждый из учёных смотрел на нуклиды со стороны своей науки, но ради общего благого дела они объединились. Химикам удалось Днк узнать состав молекулы ДНК, физики определили, при помощи рентгена, что она имеет форму спирали с двумя цепочками, а биолог Уолтсон помог разобраться в парности веществ входящих в её состав. Он определил, что ДНК состоит из определённых элементов, и они притягиваются, тимин соединяется с аденином, а цитозин с гуанином. Эти частицы стали означать буквами А, Т, Г и Ц. При этом цитозин склеивается только гуанином, соответственно их количество должно быть одинаковым между собой, а тимин с аденином по аналогичному принципу. После сопоставления всех факторов Крик и Уотсон вместе начали строить модель ДНК из молекулярного конструктора, элементами которого послужили атомные шарики, работу проделали для того, чтоб разобраться с принципом действия молекулы. Условно «размотав» спираль из ДНК, получатся отдельные цепочки, которые способны достроить себе подобную и обратно склеиться между собой (А с Т, Г с Ц), где был один ген становится два и так далее. Таким образом, была разгадана теоретическим путём тайна генов и 25 апреля 1953 года была опубликована первая информация о загадочной молекуле ДНК. Уже через несколько лет была выведена новая наука физико-химическая или молекулярная биология.

Роль ДНК в жизни человека

Точно доведёнными являются несколько функций этой молекулы:

она является носителем генетического кода;
функция репликации позволяет передавать генетическую информацию в разные поколения клеток;
реализация информации происходит через белки, а ДНК участвует в их транскрипции или ещё называют этот процесс трансляции.

Помимо основной наследственной или генной функции, существуют различные гипотезы влияния молекулы на возможность существования организма. Согласно одной из них, от ДНК зависит кодирование видовых размеров органов, а другая (получила название «нулевая») твердит, что 95% составляющей молекулы не выполняет никакой функции. Несмотря на различные предположения, с точки зрения медицины открытие стало незаменимым. Благодаря открытию структуры ДНК были достигнуты следующие результаты в медицине и генетике:

выявлена взаимосвязь между многими наследственными заболеваниями и изменениями в её структуре;
создана вакцина для предотвращения гепатита;
разработан инсулин для поддержания больного сахарным диабетом;
медики научились вводить полноценно работающие гены в организм пациента для восстановления метаболических процессов, нарушенных мутационными генами, этот метод позволяет лечить больных, например, гемофилией и иммунодефицитом;
определения родственной связи путём забора генетического материала.

Существует ли дальнейшая перспектива развития?

Технологии движутся вперед, и учёные ищут новые пути использования знаний о молекуле ДНК, которые позволят открыть новые перспективы в области генетики и медицины. Так, например, секвенирования ДНК, другими словами, прочтение изначальной её структуры, первый такой эксперимент длился около 13 лет и стоил порядка трёх миллионов долларов, то сейчас эта технология обойдётся в пару тысяч, а времени займёт не больше недели. Следующим шагом этого направления обещают специалисты, станет выполнение секвенирования за несколько часов и стоимостью 100 долларов.

Ещё одним прогнозом считается расшифровка за ближайшую четверть века большинства заболеваний на генетическом уровне, что позволит продлить жизнь человека ориентировочно на 10–20 лет.

А знаете ли вы?

ДНК одной клетки способно сохранять порядка полтора гигабайта информации, умножив на 40 триллионов существующих клеток в организме, выйдет нереальная цифра;
парадоксально, но факт, что ДНК человека совпадает на 50% с его же структурой у банана, 70% общего с мышью и 95% с шимпанзе;
эритроциты единственные клетки, у которых нет нуклеиновой кислоты;
существуют люди с двумя наборами ДНК, их называют химерами, многие не подозревают о наличии у себя подобной уникальности;
уровень мутации дезоксирибонуклеиновой кислоты в клетках у мужчин в два раза выше, чем у женщин.

На примере открытия молекулы ДНК и стремительном развитии новой науки молекулярной биологии и связанной с ней различных технологий, можно быть уверенным, что судьба человечества в надёжных руках современных учёных!

Автор: Юлия Складаная

testdnk.pro

История открытия ДНК — курсовая работа

Оглавление

Аннотация…………………………………………………………………....стр.2

Введение……………………………………………………………………...стр.3

Глава 1. История изучения ДНК

Открытие ДНК и нуклеопротеидная теория наследственности.….стр.4
Доказательства роли ДНК как материального носителя наследственной информации.…………………………………………………………..стр.6
Изучение химического состава и структуры ДНК ………………..стр.9

Глава 2. Строение, функции и размеры ДНК

Установление строения молекул ДНК……………………………..стр.17
Разнообразие форм и размеры ДНК………………………………..стр.25
Функции ДНК………………………………………………………..стр.27
Двойная спираль: открытие, изменившее мир…………………….стр.29

Словарь..……………………………………………………………………..стр.32

Заключение…………………………………………………………………..стр.35

Список литературы………………………………………………………….стр.36

Приложение №1……………………………………………………………..стр.37

Приложение №2……………………………………………………………..стр.40

Приложение №3……………………………………………………………..стр.44

Аннотация

Цель реферата - Рассмотреть историю открытия, функции, строение и химический состав ДНК.

Задачи реферата - изучить информацию о ДНК и сделать вывод, об открытии, изменившем мир.

Ключевые слова: ДНК, нуклеиновые кислоты, нуклеотид, аденин, тимин, гуанин, цитозин, двойная спираль.

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. 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. 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. Долгое время считалось, что генетическим материалом клетки являются нуклеопротеиды - белки, входящие в состав ядра. Но в 1953 году английские исследователи Уотсон и Крик обнаружили, изучили и представили графически структуру уникальных биополимеров - нуклеиновых кислот. Они были названы так в связи с местом их обнаружения - в ядре. Последующие исследования показали удивительное сходство состава нуклеиновых кислот у всех живых организмов - от вируса до человека. Эти биополимеры играют ведущую роль в синтезе белков и определяют наследственные свойства организмов. В клетках имеется два вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК.

Еще из школьных учебников мы знаем, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - универсальный носитель генетической информации и наследственных признаков у всех существующих на Земле организмов. Исключение составляют только некоторые микроорганизмы, например, вирусы - универсальным носителем генетической информации у них является РНК - одноцепочечная рибонуклеиновая кислота.

Глава 1.

1.1 Открытие ДНК и нуклеопротеидная теория наследственности

Особое место в молекулярной биологии занимают нуклеиновые кислоты. Собственно само возникновение молекулярной биологии обязано работам по нуклеиновым кислотам. Именно в этой области сделаны открытия, позволившие расшифровать механизм важнейшей стороны жизни – наследственности. Эти открытия принадлежат к величайшим достижениям науки XX в., и их значение по праву сравнивают с открытиями радиоактивности и расщепления атомного ядра. Результаты проведенных работ поражают тем, что еще совсем недавно решение вопроса, каким образом происходит передача свойств от клетки к клетке в ряду поколений, представлялось делом невообразимо отдаленного будущего.

Исследования в области нуклеиновых кислот привели к созданию и бурному развитию ряда новых биологических дисциплин – молекулярной биологии, бионики, биокибернетики, вызвали мощный приток научных сил к исследованиям в биологии.

Открытие нуклеиновых кислот связано с именем молодого врача из города Базеля (Швейцария) Фридриха Мишера. После окончания медицинского факультета Мишер был послан для усовершенствования и работы над диссертацией в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую лабораторию, возглавляемую Ф. Гоппе-Зейлером. Тюбингенская лаборатория в то время была известна ученому миру. В ней проводились работы по химическому анализу тканей животного организма. Пройдя практику по органической химии, Мишер приступил к работе в биохимической лаборатории. Ему было поручено заняться изучением химического состава гноя. Получив гнойные клетки, Мишер выдерживал их в течение некоторого времени в разбавленном солевом растворе. Исходя из опыта лаборатории, он знал, что при этом протоплазма клеток постепенно растворяется.

Из нерастворившегося осадка, который, по его представлениям, подтвержденным микроскопическими исследованиями, являлся осадком ядер клеток, Мишер экстрагировал слабым раствором соды вещество, которое выпадало в осадок при нейтрализации. Это вещество не распадалось при действии протеолитических ферментов и содержало большое количество фосфора, не экстрагируемого горячим спиртом.

Молодой исследователь сразу понял важность получения нового органического фосфорсодержащего вещества ядерного происхождения. Он был уверен именно в ядерном его источнике. Поэтому Мишер предпринял более тщательное выделение ядер. В то время еще никто в биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие субклеточные компоненты, так что и здесь он был пионером.

Он промывал ядра и обрабатывал их горячим спиртом для удаления липидов, затем препарат ядер экстрагировал разбавленным раствором соды и осаждал осадок после нейтрализации раствора добавлением кислоты. Полученный препарат легко растворялся в щелочи. Новое вещество было подвергнуто элементарному анализу. В нем оказалось 14% азота и примерно 6% фосфора.

Поскольку оно не разлагалось протеолитическими ферментами, новое вещество не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем спирте указывало на то, что это вещество не являлось и фосфолипидом. По-видимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений. Ввиду ядерного происхождения Мишер предложил для него название «нуклеин» (лат. «нуклеус» – ядро).

В 1871 г. работу Мишера увидел свет. Существование нуклеина как специфического ядерного вещества стало научным фактом. Вскоре методика Мишера была применена для выделения нуклеина из различных тканей. Наличия нуклеина с точки зрения ученого нельзя было ожидать в эритроцитах млекопитающих, так как в них нет ядер.[6]

Впоследствии Р. Альтманн (1889 г.) сообщил, что выделенный Ф. Мишером "нуклеин" состоит из двух фракций - белковой и нуклеиновых кислот [1]. 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 [2]. Иначе говоря, в конце XIX - начале XX вв. в генетике распространилось ошибочное мнение о том, что материальным носителем генетической информации являются белки. О значении нуклеиновых кислот в данных процессах, а равно и о функциях этих химических соединений в организме ничего не было известно. Поэтому этот период в истории изучения ДНК можно смело назвать нуклеопротеидным.

1.2 Доказательства роли ДНК как материального носителя наследственной информации

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. Другое возражение против генетической роли ДНК сводилось к тому, что ДНК как химическое соединение каким-то образом препятствовало биосинтезу основного вещества капсулы - полисахарида. То есть ДНК приписывалось физиологическое, а не генетическое воздействие. Чтобы опровергнуть это возражение, Гарриет Тейлор в 1949 г. получила новые данные о пневмококковой трансформации: она использовала два штамма, полностью лишенные капсул. Первый R-штамм был типичной бескапсульной бактерией, образующей шероховатые колонии. Второй, названный ей eхtremely R (ER), отличался ярко выраженными характеристиками и образовывал сильно шероховатые колонии. Выделенная из штамма R ДНК вносилась на среду с клетками ER. Через определенное время большая часть ER-бактерий превращалась в R-формы. Таким образом, было показано, что наличие или отсутствие капсулы не отражается на трансформирующей роли ДНК. В 1949 г. Хочкисс провел ряд экспериментов, которые подтвердили, что определенной зависимости между ДНК и синтезом бактериальными клетками капсулы на уровне метаболизма не существует. В его опытах трансформации подвергались бактериальные признаки, которые не имеют никакого отношения к капсулообразованию, - устойчивость микробов определенного штамма к пенициллину и стрептомицину передавалась к другому штамму бактерий. Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). Опыт состоял в том, что белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой - S 35 (сера), а ДНК - радиоактивным фосфором - Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы - потомство фага - подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Исследования показали, что новое поколение фаговых частиц содержало только фосфор - Р32. Исследователи сделали справедливый вывод о том, что именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству. О роли ДНК в передаче наследственной информации свидетельствует также открытие в 1952 г. Зайндером и Ледербергом явления трансдукции, заключающееся в переносе генетического материала фагами от одних бактерий к другим. Ученые при этом показали, что в процессе трансдукции активное участие принимает ДНК [3]. Кроме прямых доказательств об участии ДНК в процессах наследования признаков, наукой был накоплен обширный фактический материал, косвенно подтверждающий высказанные ранее предположения. В частности, об этом говорят данные относительно возникновения вызываемых химическими веществами и радиацией генетических изменений - мутаций. Значительный вклад в изучение мутагенеза внесли отечественные ученые. Впервые в 1925 г. сотрудники Ленинградского радиевого института Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов воспроизвели мутацию у дрожжевых грибков под влиянием лучей радия [2]. В 1932 г. В. В. Сахаров получил мутацию у дрозофилы под воздействием раствора йодистого калия, в 1933 г. М. Е. Лобашев открыл мутагенное действие аммиака [4]. Несколько позже было показано, что мишенью для действия мутагенов является ДНК. Следовательно, изменение в структуре ДНК способствовало изменению генетической информации. 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.

turboreferat.ru

История открытия ДНК — курсовая работа

1.3 Изучение химического состава и структуры 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. [5]. 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 (цитозин и урацил) 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 1952 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. Ранее Чаргафф не смог полностью объяснить своих правил, основанных на результатах тщательной аналитической работы с различными образцами ДНК. Однако уже в 1953 г. это сделали молодые ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Они создали структурную модель молекулы ДНК, которая полностью соответствовала ограничениям в нуклеотидном составе ДНК согласно правилам Чаргаффа.

История этого открытия, ставшего крупнейшим событием в естествознании XX в., очень живо и интересно рассказана одним из авторов новой структурной модели молекулы ДНК в книге «Двойная спираль». Молодые и безвестные ученые встретились впервые в 1951 г. в Кембридже (Англия), куда Уотсон был направлен из Чикаго для усовершенствования в научных исследованиях. Крик работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и занимался изучением пространственной структуры белковых молекул. В лаборатории в основном применялся метод дифракции рентгеновских лучей на кристаллах белков. Уотсон заинтересовался ДНК еще до приезда в Англию. В США Уотсон занимался проблемами генетики и биологии бактериофагов (вирусов бактерий). После опытов Эвери он был уверен, что наследственность фагов заключена в фаговой ДНК. Так как ДНК к этому времени была обнаружена в хромосомах всех клеток, то можно было предположить, что ДНК составляет вещество генов. Именно поэтому, попав в лабораторию, пользующуюся рентгеновскими методами, Уотсон решил заняться структурой ДНК. Как биолог, он понимал, что при выборе определенной структуры ДНК нужно учитывать существование какого-то простого принципа удвоения молекулы ДНК, заложенного в ее структуре. Ибо важнейшим свойством генов является их способность к удвоению и передаче идентичных наследственных свойств в ряду поколений от предков к потомкам.

Интерес Уотсона к структуре ДНК разделил Крик, который также понимал огромную важность расшифровки наследственного материала. Значительное влияние на работу ученых оказал метод построения молекулярных моделей веществ с учетом всех валентных углов, межатомных расстояний и отбором наиболее вероятных конфигураций атомных группировок. В 1952 году Лайнусу Полингу, используя этот метод, удалось расшифровать пространственную структуру полипептидной цепи, предложив для нее спиральную конформацию (α –спираль Полинга-Кори). Криком была создана теория дифракции рентгеновских лучей на спиралях, позволяющая определить, находится исследуемая структура в спиральной конформации или нет. В то время рентгенограммы ДНК уже существовали. Их получили в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Фрэнклин. При этом оказалось, что ДНК может давать два типа структур в зависимости от содержания воды в препарате. При значительной гидратации ДНК находится в так называемой В-форме, которая переходит в кристаллическую А-форму при потере воды.

По характеру рентгенограммы В-формы ДНК Уотсон и Крик поняли, что исследуемая структура находится в спиральной конформации. Они знали также, что молекула ДНК представляет собой длинную линейную полимерную цепь, состоящую из мономеров-нуклеотидов. Фосфодезоксирибозный костяк этого полимера непрерывен, а сбоку к дезоксирибозным остаткам присоединены азотистые основания. Для построения моделей оставалось решить вопрос, сколько цепей линейного полимера уложено в компактную структуру.

На основании рентгенограммы В-формы ДНК Уотсон и Крик предположили, что молекула ДНК состоит из двух линейных полинуклеотидных цепей с фосфодезоксирибозным остовом снаружи молекулы и азотистыми основаниями внутри ее. На рентгенограмме меридиональный рефлекс, соответствующий 3,4 нм, был гораздо интенсивнее остальных. Это могло означать, что пуриновые и пиримидиновые основания толщиной 3,4 нм уложены плоскостями друг на друга перпендикулярно оси спирали. Кроме того, все данные рентгеноструктурного метода и электронной микроскопии говорили о том, что диаметр спирали равен примерно 20 нм. Оставалось также решить вопрос о порядке расположения азотистых оснований двух цепей внутри биспирали.

Уотсон предположил сначала, что пары азотистых оснований (по одному от каждой цепи) образуются по принципу «подобное взаимодействует с подобным». Он считал, что в двух линейных цепях молекулы ДНК аденин расположен на уровне аденина, гуанин – на уровне гуанина и т. д. Таким образом, две линейные полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК совершенно идентичны и по составу азотистых оснований и по их последовательности. Была сделана попытка построить модель структуры ДНК, исходя из этого предположения. Однако пурины меньше пиримидинов, и на модели биспирали наблюдались то вспучивания, то сжатия.

Рассматривая другие возможные комбинации пар азотистых оснований, Уотсон обнаружил, что пары аденин–тимин и гуанин–цитозин имеют одинаковый размер и стабилизируются водородными связями.

Сразу же объяснялись и правила Чаргаффа: если в биспирали ДНК аденин одной цепи всегда соединяется с тимином другой цепи, а гуанин всегда входит в паре с цитозином, то аденина в составе ДНК должно быть всегда столько же, сколько тимина, а гуанина – столько же, сколько цитозина. Ясно было также, как должно происходить удвоение молекулы ДНК. Каждая цепь комплементарна другой, и в процессе репликации ДНК цепи биспирали должны разойтись и на каждой полинуклеотидной цепи должна достроиться комплементарная к ней цепь.

Оставалось лишь построить точную модель подобной структуры с учетом всех требований рентгенографии и законов стереохимии, что ученые и сделали. Они построили остроумную модель и убедились, что все межатомные расстояния и валентные углы подошли. Таким образом, не оставалось сомнения в том, что, созданная ими структурная модель ДНК соответствует законам стереохимии. Рентгеноструктурные данные подтверждали наличие такой структуры. Чрезвычайно заманчивые перспективы открывались и в объяснении биологических явлений. Так, репликацию ДНК можно было представить в свете новой модели как расхождение цепей родительской ДНК и надстройку на них комплементарных цепей. Результатом явились две новые идентичные молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь была родительской, а другая – вновь синтезированной (так называемый полуконсервативный способ репликации).

Модель Уотсона–Крика (рис. 1) получила широкое распространение и в настоящее время подтверждена экспериментом. Итак, в соответствии с этой моделью молекула нативной ДНК состоит из двух линейных полинуклеотидных цепей, спирально закрученных вокруг общей оси и соединенных друг с другом межнуклеотидными водородными связями. Обе цепочки образуют правозакрученные спирали, но эти спирали являются антипараллельными по отношению к оси биспирали, т. е. порядок расположения атомов в их фосфатно-углеводных составах имеет противоположное направление. Пентозофосфатные составы каждой спирали находятся с внешней стороны молекулы, а пуриновые и пиримидиновые основания расположены в виде стопки внутри молекулы и связаны друг с другом водородными связями. При этом в молекуле ДНК возможно существование только двух комплементарных пар. Плоскости пар азотистых оснований перпендикулярны к оси биспирали.[6]

Рис. 1

Первичная структура ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, соединенные ковалентными связями, а боковые части представлены одним из четырех оснований и присоединяются одна к другой молекулой сахара. Нуклеотиды расположены друг за другом и связаны ковалентно с фосфатом и сахарным остатком, образуя полинуклеотидную цепь.

Вторичная структура была сформулирована Д.Уотсоном и Ф. Криком. Две идущие рядом нити, скрепленные одна с другой перемычками и свившиеся в двойную спираль, и есть молекула ДНК. Обе нити одинаковы по длине, остатки пар А—Т и Г —Ц разделены одинаковыми расстояниями. Двойная спираль имеет упорядоченный характер, так как каждая связь основание — сахар находится на одинаковом расстоянии от оси спирали и повернута на 36°, причем в каждой из них в зависимости от вида ДНК могут быть до миллионов блоков — нуклеотидов. Порядок их чередования определяет наследственную информацию, записанную в ДНК и передаваемую следующим поколениям. Первое предположение о роли нуклеиновых кислот в качестве генетического материала сформулировал доцент Петербургского университета А. Щепотьев (1914). Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, имеющих фосфатную группу, связанную ковалентно с пятиуглеродным сахаром, который связан с одним из четырех азотистых оснований. Нуклеотиды соединены друг с другом так, чтобы фосфатная группа одного была связана с сахаром предыдущего, и из их чередующихся комбинаций образуется длинная цепочка — сахарофосфатный остов молекулы. По одну сторону под прямым углом к остову располагаются основания.

Молекула ДНК оказалась закручена в спираль: снаружи спирали — остов, а внутри — перпендикулярные ему основания. На один виток спирали приходилось примерно по десять нуклеотидов, а ее толщина указывала, что скручено более одной нити. Итак, вторичная структура отражает форму нуклеиновой кислоты. Степень скручивания ДНК зависит от ферментов.

Р.Франклин исследовала на фотопленке пятна от рентгеновского излучения, рассеянного кристаллами очищенной ДНК (1952). В обсуждении результатов принимал активное участие и физик М.Уилкинс, работавший в той же лаборатории. Полученные рентгенограммы стимулировали многих ученых к поиску модели структуры ДНК. История открытия структуры ДНК описана американским биохимиком Дж. Уотсоном в его книге «Двойная спираль» (1968). В 1951 г. Уотсон встретился в Копенгагене с Уилкинсом и ознакомился с рентгенограммами ДНК.

Уотсон и Крик, разобравшись в структуре пуринов (А, Г) и пиримидинов (Т, Ц), решили, что они должны быть связаны между собой. Для объяснения правила Чаргаффа ДНК должна состоять из двух цепей, которые должны закручиваться так, чтобы сохранялись определенные углы между разными группами атомов. И возникла двойная спираль, в которой пурины и пиримидины выстроены по типу ступенек лестницы: «перекладины» — основания, «веревки» — сахарофосфатные остовы.

Каждая перекладина образована из двух оснований: А и Τ или Г и Ц, что и объясняет правило Чаргаффа. Так как в каждой паре есть одно основание с одним кольцом и одно — с двумя, величина перекладин одинаковая, и остовы цепей находятся на одном расстоянии. Основания присоединены к двум противоположным цепям, удерживаемым водородными связями между основаниями. Поскольку звеньями цепи являются пары Ц с Г и А с Т, удобнее использовать образ лестницы, составленной из ступенек-пар ЦГ, ГЦ, ТА и AT, следующих в определенном порядке. Из-за закрученности в спираль молекула похожа на винтовую лестницу со ступеньками из пар нуклеотидов.

В живых клетках цепи очень длинные, содержат до 108 пар в ряд и свиты в плотный клубок. У человека длина такой винтовой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это одна молекула. Отсюда — огромность числа возможных вариантов расположения молекул в ДНК. И это разнообразие связано с разнообразием жизни, а расположение четырех типов пар в молекуле ДНК задает всю программу, говорит клетке, как ей развиваться и что делать.

Диаметр двойной спирали 2· 10-9 м (2 нм), расстояние между соседними парами оснований спирали 0,34 · 10-9 м (0,34 нм), полный оборот спирали завершается через 10 пар, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. Длина плодовой мушки (дрозофилы) 4· 10-3 м, а самой длинной ее хромосомы — в 10 раз больше. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий — несколько миллионов, а у высших — миллиарды. Если выстроить в одну линию молекулы ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится длина в 2 м, т. е. длина в миллиард раз больше толщины. Но она умещается в клеточном ядре, значит, ее «укладка» такова, чтобы по всей длине она была доступна для белков, которым нужно «читать» гены. Основания, соединенные слабой водородной связью, взаимно дополняют друг друга, и каждая цепь автоматически поставляет информацию для нахождения партнера. В эукариотических клетках основные части ДНК и белков сплетены так, что напоминают нить бус. Каждая такая «бусинка» окружена четырьмя ядерными блоками и содержит около 200 сдвоенных оснований, а «нить» состоит из ДНК и ядерного белка (гистона), отличного от того, что входил в состав «бусинок».

turboreferat.ru

История открытия ДНК — курсовая работа

Ученые сообщили о своем открытии в журнале Nano Letters. [10]

Приложение №2.

ЗНАКОМЬТЕСЬ: САМАЯ ГЛАВНАЯ МОЛЕКУЛА

План того, каким получится каждый из нас, готов в тот момент, когда половые клетки наших родителей, мамы и папы, сливаются в одно целое, называемое зиготой или оплодотворённой яйцеклеткой. План заключён в ядре этой одной-единственной клетки, в её молекуле ДНК, и в нём значится очень многое: то, каким будет цвет наших глаз и волос, насколько высоким будет рост, какой формы нос, насколько тонким музыкальный слух и ещё много чего. Конечно, наше будущее зависит не только от ДНК, но и от превратностей судьбы. Но в очень большой степени оно определяется качествами, заложенными от рождения нашими генами.

Каждая клетка несёт в себе информацию о строении всего организма. Это как если бы в каждом кирпичике здания хранился миниатюрный план всего сооружения. Вот бы архитекторы с давних времен так поступали. Тогда реставраторам не пришлось бы ломать себе голову, скажем, над тем, как выглядел когда-то Пергамский алтарь, даже если бы от него сохранился один-единственный камень.

ОНА ПОХОЖА НА ШТОПОР

Как же устроена молекула ДНК, эта королева живой клетки? Она похожа на верёвочную лестницу, и эта лестница завита в правую спираль. Она напоминает штопор, но штопор двойной. Каждая из линий, точь-в-точь как на штопоре (рис. 1 а, б).

рис 1. а)

рис. 1 б)

ДНК состоит из чередующихся молекулярных звеньев. Её длина зависит от того, какому организму она принадлежит. ДНК простейших вирусов содержит всего несколько тысяч звеньев, бактерий — несколько миллионов, а высших организмов — миллиарды. Если выстроить в линию все молекулы ДНК, заключённые лишь в одной клетке человека, то получится нить длиной около 2 м и длина этой нити окажется в миллиард раз больше её толщины.

ОНА ПОХОЖА НА ОКОННОЕ СТЕКЛО

Физики занялись изучением ДНК потому, что понимали важность проверки всех деталей её структуры. Они открыли, что ДНК похожа на твёрдое тело, а звенья уложены в ней, как в кристалле.

Одномерный кристалл ДНК (он похож на нитку) страшно заинтриговал учёных. Не полупроводник ли он? А может быть, сверхпроводник, да ещё при комнатной температуре? ДНК была подвергнута очередному обследованию. Нет, она не полупроводник и уж подавно не сверхпроводник. Она оказалась обыкновенным изолятором, вроде оконного стекла. Да она и прозрачна, как стекло. Водный раствор ДНК (а в воде она растворяется очень хорошо) просто прозрачная жидкость.

Этим сходство со стеклом не заканчивается. Обычное стекло, в том числе и оконное, прозрачно для видимого света и очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. ДНК тоже поглощает ультрафиолет. Но, в отличие от стекла, которому такие лучи не вредны, ДНК к ним очень чувствительна. Ультрафиолетовые лучи настолько губительны для молекулы ДНК, что клетка в ходе эволюции научилась самостоятельно сопротивляться их воздействию и оберегать от повреждений заключённую в ней информацию.

ОНА ПЛАВИТСЯ, НО НЕ ТАК, КАК ЛЁД

Во что может превратиться одномерный кристалл ДНК при плавлении? Чтобы разобраться в этом, вспомним, почему плавится лёд.

Лёд представляет собой кристалл, построенный из молекул воды. В нём царит строгий порядок, при котором молекулы воды связаны друг с другом максимально возможным числом межмолекулярных связей. Некоторые из этих связей рвутся, другие деформируются при переходе в жидкое состояние.

Что же заставляет воду быть жидкой при температуре выше 0°С? Потеряв часть из связей, ослабив другие, молекулы воды приобретают возможность гораздо свободнее двигаться (перемещаться и вращаться). При ещё большем нагревании молекулы воды ради полной свободы жертвуют последними связями друг с другом — происходит переход из жидкого в газообразное состояние.

Всё это в полной мере относится и к ДНК — с ростом температуры существование двойной спирали становится невыгодным. Межмолекулярные связи, удерживающие две цепи друг около друга, рвутся, и из одной двухнитевой молекулы образуются две однонитевые цепи. При этом каждая цепь чувствует себя гораздо свободнее, может приобретать намного больше различных конфигураций в пространстве.

Несмотря на аналогию, плавление ДНК принципиально отличается от плавления льда. Отличие состоит в том, что плавление ДНК происходит в широком интервале температур (он равен нескольким градусам), а плавление льда — строго в одной точке шкалы температур. Это так называемый фазовый переход. При таком переходе скачкообразно изменяется фазовое состояние вещества — из твёрдого оно становится жидким, из жидкого — газообразным.

Мы каждый день сталкиваемся с фазовым переходом, когда кипятим чайник. В процессе кипения система «вода — пар» находится в точке фазового перехода — температура воды в чайнике ни на ноту не превысит 100°С, пока вся она не выкипит. То же самое будет происходить при нагревании льда или снега. Температура растёт до 0°С, потом рост прекращается, пока весь лёд полностью не растает, а затем температура вновь пойдёт вверх.

При нагревании ДНК температура растёт непрерывно, с её повышением всё новые участки молекул переходят из спирального состояния в расплавленное, когда две её нити разведены.

Как же разводятся нити? Что играет роль утюга, способного расплавить участок ДНК? Расплетают и расправляют их специальные ферменты. Фермент прочно связывается с ДНК и начинает двигаться вдоль неё, расплетая на своём пути всё новые участки. На этих участках начинается синтез молекулы РНК. Участки гена, с которых фермент «съехал», вновь «захлопываются» в двойную спираль, а образовавшаяся молекула РНК поступает в раствор. К ней подплывает внутриклеточная структура — рибосома и по генетической информации, записанной в РНК, на рибосоме запускается синтез белка. Схематически это показано на рис. 2.

Рис. 2

ОНА ПОХОЖА НА ПУТЬ ЧЕЛОВЕКА, ЗАБЛУДИВШЕГОСЯ В ЛЕСУ

Почему человек, старающийся идти в лесу только вперёд, может заблудиться в пасмурную погоду, когда нельзя ориентироваться по солнцу? Почему он вновь и вновь будет возвращаться на место, где уже побывал? Существуют разные поверья на этот счёт. Одни говорят, что человек ходит по кругу потому, что у него одна нога чуть короче другой. Другие видят причину в том, что шаги у нас разные — один длиннее, другой короче. На самом деле причина в ином. Человек старается идти прямо, но, не имея перед собой удалённых ориентиров, постоянно сбивается с прямой линии. Эта потеря памяти о первоначальном направлении происходит тем быстрее, чем гуще и однообразнее лес. Путь человека при этом носит случайный характер и вовсе не выглядит движением по кругу.

Блуждают не только люди. Блуждают и молекулы — они стараются двигаться прямо, но из-за столкновений друг с другом их путь искривляется. Так возникает знаменитое броуновское движение.

Но какое отношение имеет всё это к ДНК? Поверьте, самое непосредственное. Подобно пути человека в лесу и движению частицы в среде, молекула ДНК стремится вытянуться в одну прямую линию. Но тепловое движение портит всё дело. Молекулу ДНК бомбардируют окружающие молекулы воды, и она начинает извиваться, подобно червяку, сворачивается в полимерный клубок, постоянно меняющий форму.

Тот факт, что двойная спираль способна изгибаться, имеет немалое биологическое значение. Дело в том, что если бы молекула ДНК была очень жёсткой, вроде спицы для вязания, то она никак не могла бы уместиться внутри клетки, не говоря уже о клеточном ядре. Мы уже знаем, что длина ДНК в клетке человека составляет около 2 м. Если позволить ей свернуться в клубок, его диаметр будет около 0,5 мм — это в тысячу раз больше диаметра ядра. Как же она всё-таки там умещается?

Дело в том, что в клетках высших организмов предусмотрен специальный механизм насильственного изгибания двойной спирали. Молекула навивается, как нитка на катушку, на особый комплекс ядерных белков (гистонов). На каждой «катушке» молекула делает около двух оборотов, затем переходит на следующую «катушку» и так далее. «Катушка» с намотанной на неё ДНК называется нуклеосомой, так что ДНК в ядре высших организмов — это ожерелье из нуклеосом.

Конечно, и это ожерелье не вытянуто в одну линию, а очень сложным образом компактно уложено в особые тельца, называемые хромосомами. Именно таким хитрым способом клетка умудряется проделать трюк, который по плечу лишь искусному магу, — вместить полимерный клубок в ядро, диаметр которого меньше микрометра.

Открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как открытие атомного ядра в физике. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК — к рождению новой, молекулярной биологии. Но на этом параллель не заканчивается.

Развитие молекулярной биологии открыло возможность неслыханным образом вмешиваться в свойства живой клетки, направленно изменять наследственность. И это уже начинает воздействовать на жизнь людей не менее радикально, чем овладение энергией атомного ядра. Наступил век ДНК.

Басня об открытии ДНК.

Однажды Франклин к старости слаба глазами стала, Как помните, ее потом и рак скосил. Фотографировать она не перестала! Ее об этом некий Вилкинс попросил. (Хотя возможно это был и Ложкинс, Не нам судить, он в Англии рожден, Хотя тогда бы был он Спунов, Да, ладно, разговор ведь не о нем!) Однажды Франклин преподнес он препаратик, Из хроматографа таинственную смесь, И Франклин, в нестареющем халате, В пробирку отлила крутую взвесь. Он много пел ей дифирамбов, Про Швецию, и шведский комитет, Но дух убитых временем талантов, Вздымает ни король, ни президент! Но вот готова фотография рентгеном, Увы! На ней не видно ни черта! И Вилкинс в состоянии убиенном, Хотел уж выгнать Франклин со двора. Конечно, снимок опубликовали, Журналы начали со снимком продавать. А по ларькам Крик с Уотсоном гуляли - Вот этот купим? – Будем покупать! Придя домой друзья сварили ужин, И за столом решили почитать, Научный текст мозгам для пищи нужен, Страницу повернули – Глядь! "- Послушай, милый Уотсон, есть идея! Смотри написано здесь «снимок ДНК», Читал я или слышал где я, Структура непонятна всем пока Схожу-ка лучше я за книгой" Крик поднялся по лестнице наверх. Вдруг Уотсон был встревожен громким криком, (Крик соответственно кричал – и лучше всех) Ученый вниз сбежал, забыв о книге, «Как лестница – структура ДНК, Как винтовая лестница, простите, Догадка очевидна и проста, Мы революцию свершим в рядах науки, Поставим на сомненьях красный крест, Закончим всех ученых муки!» А Уотсон слушает да ест. «Две нити, друг мой, противоположны, И вправо под углом закручены они, Их гнуть наверно тоже можно, И цитозин цепляет гуанин…» «Но, Крик, вы так уверены что гуанин?» «Друг Уотсон, это же элементарно, Ц-Г, Тимин прихватит аденин, Известно нам – они комплементарны» Статья в «Nature» заняла немного, Но за статейку взялся шведский комитет, И к Нобелю в приятную дорогу, Друзья собрались через пару лет. К открытию, конечно, приобщился англичанин, Ученые обиделись слегка, В пять помирились, взяв по чашке чая, И вспоминали, как узнали ДНК. В конце приличной басни место для морали, И вот, пожалуйте, она, Чтоб люди много для науки открывали, Постройте двухэтажные дома! [11]

turboreferat.ru

ДНК – молекулы наследственности. История изучения - Биология

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. 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. ОТКРЫТИЕ ДНК И НУКЛЕОПРОТЕИДНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

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). Иначе говоря, в конце XIX - начале XX вв. в генетике распространилось ошибочное мнение о том, что материальным носителем генетической информации являются белки. О значении нуклеиновых кислот в данных процессах, а равно и о функциях этих химических соединений в организме ничего не было известно. Поэтому этот период в истории изучения ДНК можно смело назвать нуклеопротеидным.

2. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА РОЛИ ДНК КАК МАТЕРИАЛЬНОГО НОСИТЕЛЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

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. Другое возражение против генетической роли ДНК сводилось к тому, что ДНК как химическое соединение каким-то образом препятствовало биосинтезу основного вещества капсулы - полисахарида. То есть ДНК приписывалось физиологическое, а не генетическое воздействие. Чтобы опровергнуть это возражение, Гарриет Тейлор в 1949 г. получила новые данные о пневмококковой трансформации: она использовала два штамма, полностью лишенных капсул. Первый R-штамм был типичной бескапсульной бактерией, образующей шероховатые колонии. Второй, названный ей eхtremely R (ER), отличался ярко выраженными характеристиками и образовывал сильно шероховатые колонии. Выделенная из штамма R ДНК вносилась на среду с клетками ER. Через определенное время большая часть ER-бактерий превращалась в R-формы. Таким образом было показано, что наличие или отсутствие капсулы не отражается на трансформирующей роли ДНК. В 1949 г. Хочкисс провел ряд экспериментов, которые подтвердили, что определенной зависимости между ДНК и синтезом бактериальными клетками капсулы на уровне метаболизма не существует. В его опытах трансформации подвергались бактериальные признаки, которые не имеют никакого отношения к капсулообразованию, - устойчивость микробов определенного штамма к пенициллину и стрептомицину передавалась к другому штамму бактерий. Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). Опыт состоял в том, что белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой - S 35 (сера), а ДНК - радиоактивным фосфором - Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы - потомство фага - подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Исследования показали, что новое поколение фаговых частиц содержало только фосфор - Р32. Исследователи сделали справедливый вывод о том, что именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству. О роли ДНК в передаче наследственной информации свидетельствует также открытие в 1952 г. Зайндером и Ледербергом явления трансдукции, заключающееся в переносе генетического материала фагами от одних бактерий к другим. Ученые при этом показали, что в процессе трансдукции активное участие принимает ДНК (Лехов А. П., 1973). Кроме прямых доказательств об участии ДНК в процессах наследования признаков, наукой был накоплен обширный фактический материал, косвенно подтверждающий высказанные ранее предположения. В частности, об этом говорят данные относительно возникновения вызываемых химическими веществами и радиацией генетических изменений - мутаций. Значительный вклад в изучение мутагенеза внесли отечественные ученые. Впервые в 1925 г. сотрудники Ленинградского радиевого института Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов воспроизвели мутацию у дрожжевых грибков под влиянием лучей радия (Гулиев Г. В., 1971). В 1932 г. В. В. Сахаров получил мутацию у дрозофилы под воздействием раствора йодистого калия, в 1933 г. М. Е. Лобашев открыл мутагенное действие аммиака (Беляев Д. К., Иванов В. И., 1980). Несколько позже было показано, что мишенью для действия мутагенов является ДНК. Следовательно, изменение в структуре ДНК способствовало изменению генетической информации. 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.

3. ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ДНК

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, 4 нм, т. е. на 10 пар 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), а гуанин (Г) - только с цитозином (Ц). Правило комплементарности нуклеотидов 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.

4. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРУКТУРЕ ДНК

Работы М. Уилкинса, Д. Уотсона и Ф. Крика, Э. Чаргаффа и многих других ученых заложили фундамент в понимание процессов наследственности, а именно - структуры и биологической роли ДНК в передаче генетической информации. Наука не стоит на месте, и в настоящее время внесены значительные дополнения и коррективы в представления о строении ДНК, разработанные в середине ХХ в. Уотсоном и Криком. Без изменения этих данных история изучения ДНК была бы неполной и незаконченной. Прежде всего установлено, что ДНК обладает полиморфизмом, т. е. способностью молекулы принимать различные конфигурации. На данный момент описано шесть таких форм. В-форма имеет стандартную структуру, соответствующую модели Уотсона-Крика. Это основной тип ДНК. А-форма представляет собой структуру, схожую для РНК-ДНК дуплексов. Она обнаружена в среде с высокой концентрацией ионов К и Nа и низким содержанием влаги. С-форма менее спирализованная, чем В-форма, т. е. имеет меньше нуклеотидов на один оборот спирали, чем остальные разновидности. Д- и Е-формы - крайние варианты С-формы имеют наименьшее число пар оснований на виток - 8 или 7,5. Они обнаружены только в молекулах ДНК, не содержащих гуанина. Z-форма представляет собой спираль с чередованием лево- и правозакрученности. В ДНК человека имеются участки, которые потенциально способны переходить в Z-форму. В 1993 г. установили, что в организме человека существуют условия, которые стабилизируют Z-форму. Установлено, что некоторые из конфигураций ДНК могут переходить друг в друга: А - В; Z - В.

Ученые полагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов. Исследования, направленные на поиск материального носителя наследственности, определили собой рождение новой науки - молекулярной генетики. История изучения одной молекулы перевернула прежние представления о наследственности и передаче генетических признаков из поколения в поколение. Методом проб и ошибок была установлена важнейшая роль ДНК в переносе наследственной информации. Отброшены ошибочные теории о том, что генетическую роль в организме выполняют белки, отвергнута бесперспективная и упрощенная тетрануклеотидная схема строения нуклеиновых кислот. В начале 50-х гг. Д. Уотсоном и Ф. Криком разработана модель строения молекулы ДНК, разъясняющая, как происходит копирование генетического материала. Вскрыты механизмы этого процесса. Значительные достижения молекулярной генетики обеспечили прочную основу для таких перспективных направлений, как генная инженерная и биотехнология, планирование генов и многоклеточных организмов.

Ключевые слова страницы: как, скачать, бесплатно, без, регистрации, смс, реферат, диплом, курсовая, сочинение, ЕГЭ, ГИА, ГДЗ

referatzone.com

Содержание:

Введение 3 стр.

ДНК как основа хранения и воспроизведения информации 6 стр.

Структура белка 8 стр.

Уровни структуры белка 9 стр.

Синтез белка и РНК 11 стр.

Генетический код 12 стр.

Из истории изучения днк.

В 1950—1953 гг. Э. Чаргафф с сотрудниками опубликовал сенсационную серию работ, по изучению химической структуры нуклеиновых кислот. Они обследовали огромное количество разных организмов, брали образцы из различных органов и тканей. Проведенные исследования показали, что в состав ДНК, выделенной из ядер клеток человека, входят 30 % аденина, 20 % гуанина, 20 % цитозина, 30 % тимина. В то же время у бактерий например Sarcina lutea, эти цифры значительно отличаются и составляют соответственно 13 %, 37 %, 37 %, и 13 %. Эти и другие наблюдения позволили сделать вывод, что в состав LНК разных организмов входит неодинаковое количество азотистых оснований. Но для одного и того же организма соотношение между нуклеотидами сохраняется постоянным, из каких бы клеток ни выделяли ДНК. Это значит, что во всех клетках, например, человека, ядерная ДНК будет содержать 30 % аденина. И какой бы штамм бактерий Sarcina lutea ни был взят, в какие сроки и в каких бы то но было условиях ни проводились эксперименты, содержание в них аденина будет всегда равным 13 %, тимина— 13% и т.д.

Итак, общее количество адениновых остатков в каждой молекуле ДНК равно количеству тиминовых остатков, а количество гуаниновых единиц — количеству цитозиновых. В дальнейшем этим открытием, получившим название “правило Чаргаффа” воспользовались Дж. Уотсон и Ф. Крик при построении моделей молекулы ДНК. На основании проведенных исследований было высказано предположение, что такая закономерность обусловлена наличием генетического кода, заключенного в структуре ДНК.

В этот же период было сделано еще одно уникальное открытие, указавшее на важную роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации. Брали клетки совершенно различных, удаленных друг от друга органов и тканей. Исследования показали, что ядро любой клетки содержит примерно 6*10 мг ДНК. Только в яйцеклетках и сперматозоидах содержание ДНК было в два раза меньше, чем в клетках остальных тканей.

Такое открытие вызвало два предположения. Во-первых, оно говорило об универсальных свойствах ДНК в пределах одного организма, о том, что в отношении хранения и передачи наследственной информации, заключенной в ядре клетки, все клетки организма равны, независимо от того, откуда они были взяты. Во-вторых, в любом организме имеется два типа клеток: соматические клетки — клетки тела организма ( в переводе с греч. “сома” — тело) и половые клетки — клетки, связанные с размножением организмов. Между соматическими и половыми клетками существует отличие, которое проявляется в диплоидном и гаплоидном наборе хромосом. Диплоидный - это парный набор хромосом, гаплоидный — одинарный. Именно поэтому в половых клетках находится в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в соматических. Таким образом, вроде бы несложные количественные исследования нуклеиновых кислот дали важную по содержанию информацию.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик обосновали существование двойной спирали ДНК и впервые предложили адекватную модель молекулы ДНК, которая объяснила все факты, связанные с функционированием нуклеиновых кислот. Она показала, каким образом молекула передает информацию и воспроизводит сама себя. По сути дела, был открыт способ записи и воспроизведения генетической информации на молекулярном уровне. Д. Уотсон и Ф. Крик сами не проводили рентгеноструктурных исследований нуклеиновых кислот, но воспользовались данными М. Уилкинса и Р. Френклин и работами Э. Чаргаффа.

Основным компонентом хромосом является ДНК. Д. Уотсон и Ф. Крик выделили два основных структурных свойства ДНК: ее двуспиральность и комплементарность, иначе говоря, соответствие друг другу цепей ДНК. От этих двух свойств зависит репликация генетического материала, т. е. возможность создания себе подобной структуры ДНК. В процессе репликации двойная спираль ДНК раскручивается и на каждой из цепей, как на матрице, строится комплементарная ей дочерняя цепь.

studfiles.net

Открытие ДНК

Более пятидесяти лет назад было сделано замечательное научное открытие. 25 апреля 1953 года была опубликована статья о том, как устроена самая загадочная молекула – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сокращенно её называют ДНК. Эта молекула встречается во всех живых клетках всех живых организмов. Обнаружили ее ученые более ста лет назад. Но тогда никто не знал, как эта молекула устроена и какую роль играет в жизни живых существ.

Окончательно разгадать тайну удалось английскому физику Френсису Крику и американскому биологу Джеймсу Уотсону. Их открытие было очень важным. И не только для биологов, которые узнали наконец, как устроена молекула, управляющая всеми свойствами живого организма. Одно из крупнейших открытий человечества было сделано так, что совершенно невозможно сказать, какой науке это открытие принадлежит, – так тесно слились в нем химия, физика и биология. Этот сплав наук и есть самая яркая черта открытия Крика и Уотсона.

История открытия ДНК

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. Почему дети – идет ли речь о людях, медведях, вирусах – похожи на своих родителей, бабушек и дедушек? Для того, чтобы открыть тайну, биологи исследовали самые разные организмы.

И ученые выяснили, что за сходство детей и родителей отвечают особые частицы живой клетки – хромосомы. Они похожи на маленькие палочки. Небольшие участки палочки-хромосомы назвали генами. Генов очень много, и каждый отвечает за какой-нибудь признак будущего организма. Если говорить о человеке, то один ген определяет цвет глаз, другой – форму носа... Но из чего состоит ген и как он устроен, этого ученые не знали. Правда, было уже известно: в хромосомах содержится ДНК и ДНК имеет какое-то отношение к генам.

Разгадать тайну гена хотели разные ученые: каждый смотрел на эту тайну с точки зрения своей науки. Но чтобы узнать, как устроен ген, маленькая частица ДНК, надо было узнать, как устроена и из чего состоит сама молекула. Химики, которые исследуют химический состав веществ, изучали химический состав молекулы ДНК. Физики стали просвечивать ДНК рентгеновскими лучами, как обычно они просвечивают кристаллы, чтобы узнать, как эти кристаллы устроены. И выяснили, что ДНК похожа на спираль.

Биологи интересовались загадкой гена, конечно, больше всех. И Уотсон решил заняться проблемой гена. Для того, чтобы поучиться у передовых биохимиков и побольше узнать о природе гена, он отправился из Америки в Европу. В то время Уотсон и Крик еще не знали друг друга. Уотсон, проработав некоторое время в Европе, никак существенно не продвинулся в выяснении природы гена.

Но на одной из научных конференций он узнал, что физики изучают строение молекулы ДНК с помощью своих, физических методов. Узнав это, Уотсон понял, что тайну гена ему помогут раскрыть физики, и отправился в Англию, где устроился работать в физическую лабораторию, в которой исследовали биологические молекулы. Здесь-то и произошла встреча Уотсона и Крика.

Как физик крик заинтересовался биологией

Крик вовсе не интересовался биологией. До тех пор, пока ему на глаза не попалась книжка известного физика Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?".

В этой книжке автор высказал предположение, что хромосома похожа на кристалл. Шредингер заметил, что "размножение" генов напоминает рост кристалла, и предложил ученым считать ген кристаллом. Это предложение заинтересовало Крика и других физиков. Вот почему.

Кристалл – очень простое по структуре физическое тело: в нем все время повторяется одна и та же группа атомов. А устройство гена считали очень сложным, раз их так много и все они разные. Если гены состоят из вещества ДНК, а молекула ДНК устроена так же, как кристалл, то получается: она одновременно и сложная и простая. Как же так? Уотсон и Крик понимали: физики и биологи слишком мало знают о молекуле ДНК. Правда, кое-что было известно о ДНК химикам.

Как уотсон помог химикам, а химики – крику

Химики знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре химических соединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Их обозначили по первым буквам – А, Т, Г, Ц. Причем аденина было столько же, сколько тимина, а гуанина – сколько цитозина. Почему? Этого химики понять не могли.

Они догадывались: это как-то связано со структурой молекулы. Но как, не знали. Химикам помог биолог Уотсон. Уотсон привык к тому, что в живой природе многое встречается парами: пара глаз, пара рук, пара ног, существуют, например, два пола: мужской и женский... Ему казалось, что и молекула ДНК может состоять из двух цепочек. Но если ДНК похожа на спираль, как выяснили физики при помощи рентгена, то как в этой спирали две цепочки держатся друг за друга? Уотсон предположил, что при помощи А, Г, Ц и Т, которые, как руки, протянуты друг к другу. Вырезав из картона контуры этих химических соединений, Уотсон долго прикладывал их то так, то эдак, пока вдруг не увидел: аденин прекрасно соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.

Уотсон рассказал об этом Крику. Тот быстро сообразил, как должна выглядеть двойная спираль на самом деле – в пространстве, а не на рисунке. Оба ученых начали строить модель ДНК. Как это – "строить"? А вот как. Из молекулярного конструктора, который напоминает детский конструктор-игрушку. В молекулярном конструкторе деталями служат шарики-атомы, которые пристегиваются друг к другу кнопочками в том порядке, в каком расположены атомы в веществе.

Молекулярный конструктор придумал другой ученый – химик Полинг. Он строил модели молекул белков и выяснил, что в них обязательно должны быть участки, похожие на спирали. Очень скоро это подтвердили физики той лаборатории, где работал Крик. Важная биологическая проблема была решена теоретическим путем.

Способ Полинга так понравился Крику, что он предложил Уотсону построить модель ДНК при помощи молекулярного конструктора. Вот так была создана модель знаменитой Двойной спирали ДНК, которую вы можете увидеть на рисунке. И что замечательно: из-за того, что А в одной цепи может "склеиваться" только с Т в другой, а Г – только с Ц, автоматически выполняется "химическое" правило, по которому количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц. Но самое о главное, что, глядя на Двойную спираль ДНК, сразу понятно, как решить загадку размножения генов. Достаточно "размотать" косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивалось с Т, а Г – с Ц: был один ген – стало два. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики.

И в то же время этот "кристалл" может содержать самые разные сочетания А, Т, Ц, Г, и поэтому все гены разные. Решение проблемы гена Уотсоном и Криком привело к тому, что буквально за 2–3 года сформировалась целая новая область естествознания, которую назвали молекулярной биологией. Часто ее называют физико-химической биологией.

Важность открытия ДНК

Вопрос о том, что и как записано в ДНК, ускорил расшифровку генетического кода. Осознание того, что гены - это ДНК, универсальный носитель генетической информации, привело к появлению генной инженерии. Сегодня уже студенты университетов расшифровывают чередование нуклеотидов в ДНК, соединяют гены разных организмов, переносят их между видами, родами и значительно более удаленными таксонами. На базе генной инженерии возникла биотехнология, которую известный фантаст С. Лем определил как использование закономерностей биогенеза в производстве.

Вспомним, что говорил о природе генов В.Л. Иоганнсен, человек, который в 1909 году дал само имя гена: "Свойства организмов обусловливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами.

С тех пор ситуация существенно изменилась. Мы убедились, что, кроме атомов и молекул, в клетке ничего нет. И подчиняется она тем же физическим закономерностям, что и неживые объекты, в чем смогли убедиться физики, устремившиеся в биологию в 40-х годах именно в поисках каких-то принципиально новых, неизвестных физике законов природы. Все реакции клеточного метаболизма осуществляются под контролем биокатализаторов - ферментов, структура которых записана в ДНК генов. Передается эта запись в цепи переноса информации ДНК РНК БЕЛОК.

Сначала информация, записанная в виде чередования дезоксирибонуклеотидов на одной из двух комплементарных цепей в ДНК гена, переписывается на одноцепочечную молекулу информационной рибонуклеиновой кислоты – иРНК (она же мРНК от англ. messenger - переносчик). Это процесс транскрипции. На следующем этапе по матрице иРНК строится последовательность аминокислотных остатков полипептида. Тем самым создается первичная структура будущей молекулы белка. Это процесс трансляции. Первичная структура определяет способ складывания молекулы белка и тем самым определяет ее ферментативную или какую-либо иную, например структурную или регуляторную, функцию.

Эти представления зародились в начале 40-х годов, когда Дж. Бидл и Э. Тейтум выдвинули свой знаменитый лозунг "Один ген - один фермент"*. Он, подобно политическим лозунгам, разделил научное сообщество на сторонников и противников высказанной гипотезы о равенстве числа генов и числа ферментов в клетке. Аргументами в возникшей дискуссии служили факты, полученные при разработке так называемых систем ген-фермент, в которых изучали мутации генов, определяли их расположение внутри генов и учитывали изменения ферментов, кодируемых этими генами: замены аминокислотных остатков в их полипептидных цепях, их влияние на ферментативную активность и т.д. Теперь мы знаем, что один фермент может быть закодирован в нескольких генах, если он состоит из разных субъединиц, то есть из разных полипептидных цепей. Знаем, что есть гены, которые вообще не кодируют полипептидов. Это гены, кодирующие транспортные РНК (тРНК) или рибосомные РНК (рРНК), участвующие в синтезе белка.

В своей первоначальной форме принцип "Один ген - один фермент" представляет скорее исторический интерес, однако заслуживает памятника, поскольку он стимулировал создание целой научной области - сравнительной молекулярной биологии гена, в которой гены - единицы наследственной информации фигурируют как самостоятельные предметы исследования.

Кроме того, разработка многочисленных систем ген-фермент помогла сформулировать вопрос: что и как записано в генетическом коде?

На этот вопрос в общей форме ответил Ф. Крик со своими коллегами в 1961 году. Оказалось, что код триплетен - каждая кодирующая единица-кодон состоит из трех нуклеотидов. В каждом гене триплеты считываются с фиксированной точки, в одном направлении и без запятых, то есть кодоны ничем не отделены друг от друга. Последовательность кодонов определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидах.

Таким образом, вследствие специфической организации генетического кода кодонам-нонсенсам отводится особая роль - терминаторов трансляции. Поэтому, возникая мутационным путем, они, как и мутации типа сдвиг рамки считывания, проявляются значительно чаще и четче, чем мутации-миссенсы, изменяющие смысл кодонов.*

* Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего.- М.,2001. – С. 97.

Нонсенсы и сдвиги считывания часто встречаются в так называемых псевдогенах, которые были открыты в начале 80-х годов в результате изучения нуклеотидных последовательностей в геномах высших эукариот. Псевдогены очень похожи на обычные гены, но их проявление надежно "заперто" четко проявляющимися мутациями: сдвигами считывания и нонсенсами. Псевдогены представляют собой резерв эволюционного процесса. Их фрагменты используются при возникновении новых генов.

Доказательства роли ДНК в наследственностиПротиводействие ДНК и хромосом влияниям внешней средыФерментативные функции РНК, вакциныЧто такое ДНК, содержание в клеткахУчастие в наследственности, свойства молекулСпособы получения ДНК, биосинтезЭтапы клонирования ДНК, хим. составБиологическая роль ДНКДНК, РНК-содержащие вирусыРепарация, рекомбинация, репликация, типы, синтез ДНК

biofile.ru

ДНК – история открытия. Реферат история открытия днк