Этапы развития биотехнологии

Содержание

 

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

1. Открытие   нуклеиновых   кислот……………………………………..………4
2. Создание концепции генетической информации…………………….……..10
3. Генетическая инженерия, ее роль и создание продуктов питания………...14
4. Степень безопасности трансгенных пищевых продуктов……………….....20

Заключение……………………………………………………………………….25

Список использованной литературы……………………………………..…….26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как  за счет повышения потенциала биологических  агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

В основе промышленного использования  достижений биологии лежит техника  создания рекомбинантных молекул ДНК.

Конструирование нужных генов  позволяет управлять наследственностью  и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать  организмы с новыми свойствами.

В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота  и перенос соответствующих генов  из клеток микроорганизмов в геном  растительной клетки.

В качестве источников сырья  для биотехнологии все большее  значение будут приобретать воспроизводимые  ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.

Одной из бурно развивающихся  отраслей биотехнологии считается  технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей  в формировании продовольственной  базы человечества растениеводства  и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой.

 

 

 

 

1.  Открытие  нуклеиновых  кислот

 

Нуклеиновые кислоты, биополимеры, состоящие из остатков фосфорной  кислоты, сахаров и азотистых  оснований (пуринов и пиримидинов). Имеют фундаментальное биологическое  значение, поскольку содержат в закодированном виде всю генетическую информацию любого живого организма, от человека до бактерий и вирусов, передаваемую от одного поколения  другому.

Нуклеиновые кислоты были впервые выделены из клеток гноя человека и спермы лосося швейцарским врачом и биохимиком Ф.Мишером между 1869 и 1871. Впоследствии было установлено, что  существует два типа нуклеиновых  кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), однако их функции долго оставались неизвестными.

В 1928 английский бактериолог  Ф.Гриффит обнаружил, что убитые патогенные пневмококки могут изменять генетические свойства живых непатогенных пневмококков, превращая последние  в патогенные. В 1945 микробиолог О.Эвери  из Рокфеллеровского института в  Нью-Йорке сделал важное открытие: он показал, что способность к генетической трансформации обусловлена переносом  ДНК из одной клетки в другую, а следовательно, генетический материал представляет собой ДНК. В 1940–1950 Дж.Бидл и Э.Тейтум из Стэнфордского университета (шт. Калифорния) обнаружили, что синтез белков, в частности ферментов, контролируется специфическими генами. В 1942 Т. Касперсон  в Швеции и Ж. Браше в Бельгии  открыли, что нуклеиновых кислот особенно много в клетках, активно  синтезирующих белки. Все эти  данные наводили на мысль, что генетический материал – это нуклеиновая кислота  и что она как-то участвует  в синтезе белков. Однако в то время многие полагали, что молекулы нуклеиновых кислот, несмотря на их большую длину, имеют слишком  простую периодически повторяющуюся  структуру, чтобы нести достаточно информации и служить генетическим материалом. Но в конце 1940-х годов  Э.Чаргафф в США и Дж.Уайат  в Канаде, используя метод распределительной  хроматографии на бумаге, показали, что структура ДНК не столь  проста и эта молекула может служить  носителем генетической информации.

Структура ДНК была установлена  в 1953 М. Уилкинсом, Дж.Уотсоном и Ф.Криком в Англии. Это фундаментальное  открытие позволило понять, как происходит удвоение (репликация) нуклеиновых  кислот. Вскоре после этого американские исследователи А.Даунс и Дж. Гамов  предположили, что структура белков каким-то образом закодирована в  нуклеиновых кислотах, а к 1965 эта  гипотеза была подтверждена многими  исследователями: Ф.Криком в Англии, М.Ниренбергом и С.Очоа в США, Х.Кораной  в Индии. Все эти открытия, результат  столетнего изучения нуклеиновых кислот, произвели подлинную революцию  в биологии. Они позволили объяснить  феномен жизни в рамках взаимодействия между атомами и молекулами.

Типы и распространение. Как мы уже говорили, есть два  типа нуклеиновых кислот: ДНК и  РНК. ДНК присутствует в ядрах  всех растительных и животных клеток, где она находится в комплексе  с белками и является составной  частью хромосом. У особей каждого  конкретного вида содержание ядерной  ДНК обычно одинаково во всех клетках, кроме гамет (яйцеклеток и сперматозоидов), где ДНК вдвое меньше. Таким  образом, количество клеточной ДНК  видоспецифично. ДНК найдена и  вне ядра: в митохондриях («энергетических  станциях» клеток) и в хлоропластах (частицах, где в растительных клетках  идет фотосинтез). Эти субклеточные частицы обладают некоторой генетической автономией.

Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) содержат вместо хромосом одну или две крупные  молекулы ДНК, связанные с небольшим  количеством белка, и часто –  молекулы ДНК меньшего размера, называемые плазмидами. Плазмиды несут полезную генетическую информацию, например содержат гены устойчивости к антибиотикам, но для жизни самой клетки они  несущественны.

Некоторое количество РНК  присутствует в клеточном ядре, основная же ее масса находится в цитоплазме – жидком содержимом клетки. Б льшую ее часть составляет рибосомная РНК (рРНК). Рибосомы – это мельчайшие тельца, на которых идет синтез белка. Небольшое количество РНК представлено транспортной РНК (тРНК), которая также участвует в белковом синтезе. Однако оба этих класса РНК не несут информации о структуре белков – такая информация заключена в матричной, или информационной, РНК (мРНК), на долю которой приходится лишь небольшая часть суммарной клеточной РНК.

Генетический материал вирусов  представлен либо ДНК, либо РНК, но никогда  обеими одновременно.

 

Общие свойства

Молекулы нуклеиновых  кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и  образуют комплексы с ионами металлов; их калиевая и натриевая соли хорошо растворимы в воде. Концентрированные  растворы нуклеиновых кислот очень  вязкие и слегка опалесцируют, а  в твердом виде эти вещества белые. Нуклеиновые кислоты сильно поглощают  ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения их концентрации. С этим же свойством  связан и мутагенный эффект ультрафиолетового  света.

Длинные молекулы ДНК хрупки и легко ломаются, например при  продавливании раствора через шприц. Поэтому работа с высокомолекулярными  ДНК требует особой осторожности.

Химическая структура. Нуклеиновые  кислоты - это длинные цепочки, состоящие из четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов). Их структуру можно представить следующим образом:

Чередующиеся остатки  сахара и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный остов молекулы, одинаковый у всех ДНК, а огромное их разнообразие обусловливается тем, что четыре азотистых основания  могут располагаться вдоль цепи в самой разной последовательности.

Сахаром в нуклеиновых  кислотах является пентоза; четыре из пяти ее углеродных атомов вместе с  одним атомом кислорода образуют кольцо. Атомы углерода пентозы обозначают номерами от 1¢ до 5¢. В РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК - дезоксирибозой, содержащей на один атом кислорода меньше. Фрагменты полинуклеотидных цепей ДНК и РНК показаны на рисунке.

Поскольку фосфатные группы присоединены к сахару асимметрично, в положениях 3¢ и 5¢, молекула нуклеиновой кислоты имеет определенное направление. Сложноэфирные связи между мономерными единицами нуклеиновых кислот чувствительны к гидролитическому расщеплению (ферментативному или химическому), которое приводит к высвобождению отдельных компонентов в виде небольших молекул.

Азотистые основания –  это плоские гетероциклические  соединения. Они присоединены к пентозному кольцу по положению 1¢. Более крупные основания имеют два кольца и называются пуринами: это аденин (А) и гуанин (Г). Основания, меньшие по размерам, имеют одно кольцо и называются пиримидинами: это цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). В ДНК входят основания А, Г, Т и Ц, в РНК вместо Т присутствует У. Последний отличается от тимина тем, что у него отсутствует метильная группа (CH3). Урацил встречается в ДНК некоторых вирусов, где он выполняет ту же функцию, что и тимин.

Трехмерная структура. Важной особенностью нуклеиновых кислот является регулярность пространственного расположения составляющих их атомов, установленная  рентгеноструктурным методом. Молекула ДНК состоит из двух противоположно направленных цепей (иногда содержащих миллионы нуклеотидов), удерживаемых вместе водородными связями между основаниями:

Водородные связи, соединяющие  основания противоположных цепей, относятся к категории слабых, но благодаря своей многочисленности в молекуле ДНК они прочно стабилизируют  ее структуру. Однако если раствор ДНК  нагреть примерно до 60° С, эти связи рвутся и цепи расходятся – происходит денатурация ДНК (плавление).

Обе цепи ДНК закручены  по спирали относительно воображаемой оси, как будто они навиты на цилиндр. Эта структура называется двойной  спиралью. На каждый виток спирали  приходится десять пар оснований.

Правило комплементарности. Уотсон и Крик показали, что образование  водородных связей и регулярной двойной  спирали возможно только тогда, когда  более крупное пуриновое основание  аденин (А) в одной цепи имеет своим  партнером в другой цепи меньшее  по размерам пиримидиновое основание  тимин (Т), а гуанин (Г) связан с цитозином (Ц). Эту закономерность можно представить  следующим образом:

Соответствие А«Т и Г«Ц называют правилом комплементарности, а сами цепи - комплементарными. Согласно этому правилу, содержание аденина в ДНК всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина – количеству цитозина. Следует отметить, что две цепи ДНК, различаясь химически, несут одинаковую информацию, поскольку вследствие комплементарности одна цепь однозначно задает другую.

Структура РНК менее упорядочена. Обычно это одноцепочечная молекула, хотя РНК некоторых вирусов состоит  из двух цепей. Но даже такая РНК  более гибка, чем ДНК. Некоторые  участки в молекуле РНК взаимно  комплементарны и при изгибании  цепи спариваются, образуя двухцепочечные структуры (шпильки). В первую очередь  это относится к транспортным РНК (тРНК). Некоторые основания в  тРНК подвергаются модификации уже  после синтеза молекулы. Например, иногда происходит присоединение к  ним метильных групп.

 

Функция нуклеиновых  кислот

Одна из основных функций  нуклеиновых кислот состоит в  детерминации синтеза белков. Информация о структуре белков, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения  к другому, и поэтому необходимо ее безошибочное копирование, т.е. синтез точно такой же же молекулы ДНК (репликация).

Репликация и транскрипция. С химической точки зрения синтез нуклеиновой кислоты – это  полимеризация, т.е. последовательное присоединение строительных блоков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Создание концепции генетической информации

 

Генетическая информация - программа свойств 
организма, получаемая от предков и заложенная  
в наследственных структурах в виде генетического кода. 
Генетическая информация определяет морфологическое строение,  
рост, развитие, обмен веществ, психический склад,  
предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.

Современная биология утверждает, что одна из главных черт жизни - это самовоспроизводимость. Самовоспроизводимость - это способность живого организма к размножению, рождению и выращиванию себе подобных.  
Как известно, генетическая (наследственная) информация записана в цепи молекулы ДНК в виде последовательности более простых молекул - нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех оснований: аденин (А), гуанин (G) - пуриновые основания, цитозин (С) и тимин (Т) - пиримидиновые основания. 

Структура молекулы ДНК была изучена в 1953 г. Дж.Уотсоном и Ф.Криком. Они установили, что молекула ДНК  состоит из двух цепей, образующих двойную  спираль, которая закручена вправо (по часовой стрелке). К полимерному  остову спиральной цепи ДНК (состоит  из чередующихся остатков фосфата и  сахара дезоксирибозы) "прикреплены" нуклеотидные остатки. Водородные связи  возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию. Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Цепи ДНК - комплементарны, т.е. имеется взаимное соответствие между их нуклеотидами, которые образуют уотсон-криковские пары Г-Ц и А-Т. Сами же цепи в двойной спирали антипараллельны.