Молекула ДНК и ген

Для получения ДНК из бактерий обычно пользуются методом Мармура. который заключается в отмывании бактериальной массы 0,15 М Nad, содержащим 0,015 М цитрат натрия, лизисе клеток при 60° и рН 8,0 в 0,15 М NaCI, содержащем ЭДТА и 2% додецилсульфат натрия, депротепнизации их хлороформом, содержащим изоамиловый спирт, переосаждении спиртом, повторной многократной депротеинизации, обработке рибонуклеазой и осаждении изопропиловым спиртом. Этот метод в различных модификациях также успешно применяют для получения ДНК из животных и растительных тканей и изолированных клеточных структур, например, митохондрий.

 

4.Содержание в клетках и тканях

 

Содержание ДНК в органах и тканях животных и человека колеблется в широких пределах и, как правило, тем выше, чем больше клеточных ядер приходится на единицу массы ткани. Особенно много ДНК (около 2,5% сырого веса) в вилочковой железе, состоящей главным образом из лимфоцитов с крупными ядрами. Довольно много ДНК в селезенке (0,7—0,9%), мало (0,05—0,08%) в мозге и мышцах, где ядерное вещество составляет значительно меньшую долю. На ранних стадиях эмбрионального развития в этих органах содержится больше ДНК, но содержание ее уменьшается в процессе онтогенеза по мере дифференцировки. Однако количество ДНК на одно клеточное ядро, содержащее диплоидный набор хромосом, практически постоянно для каждого биологического вида. Соответственно количество ДНК в ядрах половых клеток вдвое ниже. По этой же причине различные физиологические и патологические факторы почти не влияют на содержание ДНК в тканях, а при голодании, например, относительное содержание ДНК даже возрастает за счет снижения концентрации других веществ (белков, углеводов, липидов, РНК). У всех млекопитающих количество ДНК в диплоидном ядре почти одинаково и составляет около 6 1012 г, у птиц — около 2,5 10-12, у разных видов рыб, амфибий и простейших оно колеблется в значительных пределах.

Содержание ДНК в бактериях довольно велико и достигает нескольких процентов в пересчете на сухой вес; в вирусах оно может доходить до 50%. Вместе с тем абсолютное количество ДНК в бактериальной клетке в среднем на два порядка ниже, чем в клеточном ядре высших организмов, а в ДНК-содержащих вирусах оно ниже еще на два порядка.

У бактерий одна гигантская молекула ДНК образует генофор, соответствующий хромосоме высших организмов. Так, у кишечной палочки Escherichia coli молекулярный вес такой кольцеобразной двуспиральной молекулы достигает около 2,5-Ю9 и длины, превышающей 1,2 мм. Эта огромная молекула плотно упакована в небольшой «ядерной области» бактерии и соединена с бактериальной мембраной.

В хромосомах высших организмов (эукариотов) ДНК находится в комплексе с белками, главным образом гистонами; в каждой хромосоме содержится, по-видимому, одна молекула ДНК длиной до нескольких сантиметров и молекулярным весом до нескольких десятков миллиардов. Такие огромные молекулы умещаются в клеточном ядре и в митотических хромосомах длиной в несколько микрометров. Часть ДНК остается не связанной с белками; участки несвязанной ДНК перемежаются с блоками ДНК, связанной с гистонами. Показано, что в таких блоках содержится по две молекулы гистонов 4 типов: Нда, Hab, Hg и Н4.

Помимо клеточного ядра, ДНК содержится в митохондриях и в хлоропластах. Количество  такой ДНК обычно невелико и составляет небольшую долю общей ДНК клетки. Однако в ооцитах и на ранних стадиях эмбрионального развития животных подавляющая часть ДНК локализована в цитоплазме, главным образом в митохондриях. В каждой митохондрии содержится по поскольку молекул ДНК. У животных мол. вес митохондриальной ДНК составляет около 10-106; ее двуспиральные молекулы замкнуты в кольцо и находятся в двух основных формах: сверхскрученной и открытой кольцевой. В митохондриях и в хлоропластах ДНК не находится в комплексе с белками, она ассоциирована с мембранами и напоминает бактериальную ДНК Небольшие количества ДНК обнаружены также в мембранах и некоторых других структурах клеток, однако их особенности и биологического роль остаются неясными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.СЕКРЕТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА.

 

В организме каждого человека – своя наследственная конституция, характерная лишь для него. Именно с этим связана тканевая несовместимость, проявляющаяся, в частности, при пересадке органов и тканей от одного организма другому. «Чужая» кожа, например, со своими особенными молекулами вступает в нежелательные реакции с организмом «хозяина». Она вызывает появление белков – антител – и в результате не «приживается». Аналогичное явление наблюдается и при пересадке отдельных органов.

По-иному проходят эти процессы у однояйцовых близнецов, которые развиваются из двух клеток, образовавшихся из одной оплодотворенной яйцеклетки – зиготы. Такие близнецы всегда однополы и внешне поразительно похожи друг на друга. У однояйцовых близнецов пересадка тканей и органов вполне возможна, никакого отторжения их не происходит. Иначе и быть не может. Один и тот же комплекс всех наследственных факторов не провоцирует появления антител в их организмах.

Эти и многие другие факты показали, что программирование синтеза белков – главное свойство ДНК. Однако, прежде чем прийти к такому заключению, необходимо было доказать, что именно ДНК – носитель генетической информации. Первое подтверждение тому было получено при изучении явлений трансформации.

 

5.1. История доказательства, что ДНК – носитель генетической информации.

 

Явление это было открыто в опытах с пневмококками, то есть с бактериями, вызывающими воспаление легких.  Известны две формы пневмококков: А-форма с полисахаридной капсулой и Б-форма без капсулы. Оба эти признака наследственны.

Пневмококки А-формы при заражении ими мышей вызывают воспаление легких, от которого мыши погибают. Б-форма для них безвредна.

В 1928 году английский бактериолог Ф.Гриффитс заражал мышей смесью, состоящей из убитых нагреванием пневмококков А-формы и живых пневмококков Б-формы. Ученый предполагал, что мыши не заболеют. Но вопреки ожиданиям подопытные животные погибли. Ф. Гриффитсу удалось выделить из тканей погибших мышей пневмококки. Все они оказались капсулированными, то есть А-формы. Следовательно, убитая форма каким-то образом передавала свои свойства живым клеткам Б-формы. Но как? С помощью какого именно вещества: полисахарида, из которого состоит капсула, белка или ДНК?

От решения этого вопроса зависело многое, так как, установив вещество, передающее наследственный признак – образование капсулы, можно было получить нужный ответ. Однако сделать это не удавалось довольно долго. Лишь спустя 16 лет после опытов Ф. Гриффитса, в 1944 году, американский ученый А. Эвери с сотрудниками, поставив ряд четких экспериментов, сумел с полным обоснованием доказать, что полисахарид и белок не имеют никакого отношения к передаче наследственных свойств пневмококка А-формы.

В процессе этих экспериментов с помощью специального фермента растворили полисахаридную капсулу убитых пневмококков А-формы и проверили, продолжают ли остатки клетки формы А передавать наследственную информацию клеткам формы Б. Оказалось, что продолжают. Стало ясно, что полисахарид как источник генетической информации отпадает.

Далее ученые при помощи других ферментов удалили из остатков пневмококков А белки и снова проверили их действие. Передача наследственной информации от А к Б продолжалась. Следовательно, и белок ни при чем.

Таким образом, методом исключения было установлено, что наследственную информацию в клетке хранит и передает молекула ДНК.  И действительно, когда разрушили ДНК, образование капсульных форм А из бескапсульных Б прекратилась.

Явление преобразования, то есть наследственного изменения свойств одной формы бактерий под воздействием веществ другой формы, было названо трансформацией.  Вещество же, вызывающее трансформацию, получило название трансформирующего агента. Им, как было установлено, служит ДНК.

5.2.Расшифровка генетической информации.

 

Полимерные цепи белков состоят из мономерных звеньев – аминокислот и последовательность расположения их в белковой молекуле строго специфична. В связи с этим очевидно, Что в ДНК должна храниться информация не только о качественном и количественном составе аминокислот в молекуле данного белка, но и о последовательности их расположения. Соответственно каким-то образом должны быть закодированы в полинуклеотидной цепи ДНК каждая аминокислота и белок в целом.

Зная, что аминокислот всего 20, а нуклеотидов – 4, легко представить себе, что 4 нуклеотидов явно недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Недостаточно также и кода из двух нуклеотидов на каждую кислоту (4 = 16). Для кодирования 20 аминокислот необходимы группы по меньшей мере из трех нуклеотидов (4 = 64). Подобная группа, несущая информацию об одной аминокислоте в молекуле белка, называется кодоном. Весь же участок ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка, в целом как раз и есть ген. Значит, в гене столько кодонов, сколько аминокислот входит в состав  данного синтезируемого белка.

Синтез белков происходит на рибосомах. ДНК же локализована в ядре, в его хромосомах. Возникает вопрос: каким образом генетическая информация из ядра переносится в цитоплазму на рибосому?  Предположить, что ДНК сама поступает через поры ядерной мембраны, нельзя: Ведь ДНК ядер обладает огромной молекулярной массой и в связи с этим просто не может проникнуть через крошечные поры ядерной мембраны. Поэтому должны быть какие-то более мелкие молекулы – посредники, передающие генетическую информацию от ДНК к белкам.  А.Н. Белозерский и А.Г. Спирин выдвинули соображение, что эту роль играют молекулы РНК.

Но сразу же возникает другой вопрос: как копируется информация с ДНК на более короткие молекулы РНК? Чтобы ответить на него, надо вспомнить, что в строении нуклеотида ДНК и РНК много общего. В частности, из-за сходства азотистых оснований информация с ДНК на РНК может переноситься по принципу комплиментарности, согласно которому образовывать пары могут не только нуклеотиды в системе ДНК-ДНК, но и нуклеотиды в системе ДНК-РНК.

Поскольку РНК так же, как и ДНК, содержит пуриновые и пиримидиновые основания, на участках одной их цепей ДНК при помощи фермента РНК – полимеразы строятся комплиментарные короткие цепи РНК. Этот процесс синтеза РНК на матрице ДНК, происходящий с помощью ферментов, носит название транскрипции.  В результате процесса транскрипции закодированная в ДНК последовательность нуклеотидов, которая и представляет собой определенную генетическую информацию, передается на РНК. Транскрипция происходит на отдельных участках ДНК – генах, каждый из которых содержит набор кодонов, программирующих последовательности аминокислот в данной молекуле белка.

Рибонуклеиновая  кислота, на которой сделана копия ДНК, состоит из одной цепи нуклеотидов, у которых дезоксирибоза заменена на рибозу., а тимин (Т) заменен на урацил (У) .

Таким образом, в каждом кодоне ДНК транскрибируется в комплиментарный кодон РНК. В результате получается как бы негатив РНК с позитива – ДНК. Эта РНК, снимающая информацию с ДНК, называется информационной РНК (и-РНК).

К настоящему времени ученым удалось расшифровать кодоны для всех аминокислот. Оказалось, что одной аминокислоте зачастую соответствует несколько кодонов. Такой код называется вырожденным. Наряду с этим обнаружилось, что некоторые кодоны не кодируют ни одну аминокислоту. Их называют бессмысленными. Бессмысленные кодоны имеют очень важное значение, так как определяют границы начала и конца транскрипции, то есть границы генов в данной молекуле ДНК.

Если у прокариот гены по своей записи непрерывны, то у эукариот это далеко не так. Информация необходимая для синтеза белка, оказывается записанной с пропусками, прерывисто: гены составлены из кодирующих участков (экзонов), разделенных некодирующими последовательностями (интронами). При транскрипции таких генов интроны копируются вместе с экзонами в общую молекулу пре-мРНК. Последняя подвергается в ядре серии реакций, в ходе которых интроны вырезаются, а экзоны соединяются друг с другом своими краями. Получившаяся молекула м-РНК покидает ядро и оказывается уже во власти системы трансляции, дешифрующей нуклеотидную последовательность. Соединение аминокислот с образованием белка происходит в цитоплазме на особых частицах-рибосомах. Все это можно сравнить с фабрикой (клетка), в которой чертежи (гены) хранятся в библиотеке (ядро), а для выпуска продукции (белки) используются не сами чертежи (ДНК), а их фотокопия (мРНК). Копировальная машина (РНК-полимераза) выпускает или по одной страничке фотокопии (ген), или сразу целую главу (оперон). Изготовленные копии выдаются через специальные окошки (поры ядерной мембраны). Их затем используют на монтажных линиях (рибосомы) с дешифратором (генетический код) для получения из заготовок (аминокислот) окончательной продукции (белки).

Как же происходит сам процесс синтеза белка?

Первый его этап связан с функционированием транспортной РНК(т-РНК). Число разновидностей этих молекул РНК равно числу основных аминокислот, то есть их 20 видов. Каждой аминокислоте соответствует  определенная т-РНК и определенный фермент.

В цитоплазме клетки всегда в достаточном количестве имеются разные аминокислоты. Из них молекула т-РНК отбирает соответствующую аминокислоту. Каждая аминокислота, прежде чем вступить в белковую цепь, с помощью специального фермента соединяется с АТФ и запасается энергией. «Подзарядившись» таким образом аминокислота связывается с т-РНК, которая переносит ее к рибосомам. Характерной чертой молекул т-РНК является наличие в их структурах антикодонов. Эта особенность обеспечивается расположением соответствующих аминокислот в той последовательности кодонов, которая зашифрована в молекуле и-РНК. Между рядом расположенными аминокислотами возникают пептидные связи и синтезируется молекула белка.

Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, реализуется разными видами РНК в молекулах соответствующих белков.

Процесс передачи программы, принесенной с собою молекулами и-РНК, получил название трансляции.

 

6. Биологическая роль.

 

Цитогенетические исследования в 20—30-х гг. 20 в. свидетельствовали о том, что передача и хранение наследственных признаков связаны с хромосомами, находящимися в ядерном веществе. То, что наследственным веществом является именно ДНК, а не белок, стало ясным в результате исследований, проведенных в 40-х гг. 20 в. на бактериях и бактериофагах (см. Ген).

В 1944 г. Эйвери, Мак-Лауд и Мак-Карти (О. Т. Avery, С. М. Мас-Leod, М. McCarty) установили природу трансформирующего фактора у бактерий. Им оказалась ДНК. Процесс трансформации состоит, несомненно, из ряда стадий: обратимой сорбции молекул ДНК бактериальной клеткой; внедрения этих молекул внутрь клетки; интеграции молекулы чужой ДНК в хромосому клетки, расщепления образовавшейся сложной структуры и ее перехода в рекомбинанты.

При исследовании бактериальных вирусов под электронным микроскопом пли при помощи радиоактивной метки, вводимой в белок или в ДНК бактериофага, было показано, что вирус, фиксируясь на поверхности бактериальной клетки, вводит в нее только молекулу ДНК, оставляя снаружи свою белковую оболочку. Молекула ДНК вируса, попавшая в клетку, несущая в себе всю наследственную информацию (геном) вируса, вызывает образование в клетке новых вирусных частиц, их размножение и гибель клетки от лизиса.

Некоторые, так называемые умеренные, фаги у части бактериальных клеток не вызывают явных признаков заражения, однако их ДНК, попадая в клетку, прочно связывается с геномом самой бактерии, интегрируясь с ДНК бактериальной клетки. Многие поколения таких бактерий несут в себе бактериофаг в скрытом виде, не проявляя признаков нарушения жизнедеятельности. Однако при неблагоприятных условиях и при действии каких-либо повреждающих факторов, например ионизирующей или ультрафиолетовой радиации, вирус в таких бактериях начинает размножаться и вызывает лизис (гибель) бактерий. ДНК вируса настолько прочно связывается с ДНК бактерий, что заражение вирусом, полученным от лизогенных бактерий, сопровождается переносом вместе с ДНК вируса части ДНК бактерий, с которой передаются некоторые наследственные свойства этих бактерий, отсутствующие и у вновь заражаемых бактерий, и у самого вируса. Это явление, сходное с трансформацией, получило название трансдукции .