Нуклеиновые кислоты. Генетический код. Программирование синтеза белка в клетке.
Открытие нуклеиновых кислот. Доказательства роли ДНК.
В 1869г. швейцарский биохимик Ф. Мишер впервые описал вещество, содержащееся в ядрах клеток, и назвал его нуклеином, а позже оно было переименовано в нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро). К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК (в ее состав входит сахар дезоксирибоза) и рибонуклеиновая кислота — РНК (входит сахар рибоза).
В 1928г. бактериолог Ф. Гриффитс изучал бескапсульные невирулентные пневмококки (не вызывающие заболевания) и вирулентные в полисахаридной капсуле (вызывающие воспаление легких) для получения вакцины против пневмококка. Он показал, что при инъекции мышам живых бескапсульных пневмококков мыши выживали, а при введении живых капсульных — погибали. При введении смеси убитых при нагревании капсульных и живых
Рис.1 Схема опыта, демонстрирующего явление трансформации
бескапсульных пневмококков мыши погибали, из них удалось выделить живых капсульных пневмококков. Таким образом, способность образовывать капсулу перешла от убитого капсульного пневмококка к живому бескапсульному (рис.1).
В 1944г. О. Эвери с сотрудниками выяснили природу этого загадочного явления. Фактором, превращающим непатогенные (бескапсульные) в патогенные (капсульные) пневмококки, является ДНК, а само явление назвали трансформацией (от лат. transformatio — преобразование, превращение). Следовательно, трансформация — это преобразование признака у одного штамма бактерии в результате проникновения в нее ДНК другого штамма. Явление трансформации стало одним из основных доказательств того, что ДНК является носителем генетической (наследственной) информации.
Позже, в 1952г. Дж. Ледербергом и Н. Циндером была выявлена передача генетического материала от одного штамма бактерий другому с помощью бактериофага, это было названо трансдукцией (от лат. transductio -перемещение, передача) (рис.2). U-образная трубка в нижней части разделена бактериальным фильтром. В одну половину были помещены штаммы сальмонеллы (S. typhi murium), нe синтезирующие аминокислоту триптофан (Т-), а в другую — сальмонеллы, синтезирующие триптофан (Т+) и бактериофаги. После инкубации среди сальмонелл, не синтезирующих триптофан, были выделены бактерии Т+. Это объясняется тем, что бактериофаги проходили через бактериальный фильтр и переносили части ДНК от бактерии Т+ к бактериям Т-.
Рис. 2. Схема опыта, демонстрирующего явление трансдукции:
1 — бактериальные клетки; 2 — ген Т+;3- i — бактериофаг; 4 — фильтр
2.2.Строение нуклеиновых кислот.
Исследование структуры молекулы ДНК проводилось многими учеными. И только в 1953г., используя все накопленные биологические и физико-химические знания, Д. Уотсон и Ф. Крик открыли двухцепочечную спиральную (пространственную) структуру молекулы ДНК.
Каждая цепь — это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Две цепи ДНК соединяются слабыми водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности: аденин дополняется тимином, гуанин — цитозином (рис. 3).
Рис.3 Схема строения ДНК
Перед делением клетки ДНК способна удваиваться (реплицироваться) Сначала с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, а затем к каждой уже отдельной цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А—Т; Г—Ц), образуются уже две двухцепочечные молекулы ДНК. Репликация ДНК обеспечивает высочайшую точность воспроизведения генетической ин формации в поколениях клеток и организмов в целом.
Кроме ДНК, в клетке имеются РНК.
Молекула РНК — полимер, ее мономерами являются нуклеотиды. В отличие от ДНК рибонуклеиновая кислота — это:
· одноцепочечная молекула;
· вместо сахара дезоксирибозы в РНК входит сахар рибоза;
· в состав нуклеотидов входит азотистое основание не тимин, а урацил
· состоит из меньшего количества нуклеотидов, чем ДНК.
В зависимости от выполняемых функций выделяют несколько видов РНК; и-РНК (информационная), или м-РНК (матричная), — переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам. На долю и-РНК приходите примерно 0,5—1,0 % от общего содержания РНК клетки; т-РНК (транспортная) — переносит аминокислоты в рибосомы. Из общего количества РНК клетки на долю т-РНК приходится около 10 %; р-РНК (рибосомальная) — составляет существенную часть структуры рибосомы. На долю р-РНК приходится около 90 % от общего количества РНК клетки.
ДНК выполняет разнообразные функции:
1) хранит генетическую (наследственную) информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов;
2) передает наследственную информацию из ядра в цитоплазму. Для этого с гена снимается копия в виде и-РНК и переносится к рибосомам — месту синтеза белка;
3) передает наследственную информацию от материнской клетки к дочерним клеткам, для чего перед делением клетки ДНК реплицируется.
Далее рассмотрим подробнее каждое из трех указанных положений.
ДНК — носитель генетической информации. Впервые понятие ген было сформулировано в 1941г. Д. Бидлом и Э. Татумом: ген - это участок молекулы ДНК, несущий информацию об одном белке-ферменте. В настоящее время геном называют участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, и понятие о гене расширилось. Известны гены, кодирующие:
а) белки-ферменты;
б) структурные белки;
в) т-РНК (много копий);
г) р-РНК (много копий);
д) регуляторные (или функциональные) — включают и выключают другие гены;
е) гены-модуляторы - усиливают или подавляют проявление других генов.
