Матричный синтез

     Содержание: 

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

     1.Молекулярная  генетика – основа генной инженерии……………...…..5

     1.1.История  учения о нуклеиновых кислотах……………………………5

     1.2.Строение  нуклеиновых кислот…………………………………….….7

     1.3.Генетический  код. Раскрытие тайны кодирования……………....….9

     2.Матричный  синтез…………………………………………………...…11

     2.1.Механизм репликации ДНК……………………………………...….11

     2.2.Транскрипция………………………………………….……………..18

     2.3.Трансляция……………………………………..……………………..23

     2.4. Регуляция генной активности  Ф. Жакоб и Ж. Моно………….…..26

     Заключение……………………………………………………………….28

     Список  использованной литературы……………………………………30 

      Введение 

     Молекулярная  генетика, раздел генетики и молекулярной биологии, ставящий целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа её хранения.

     Молекулярная  генетика выделилась в самостоятельное  направление в  40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физических и химических методов (рентгеноструктурный анализ, хроматография, электрофорез, высокоскоростное центрифугирование, электронная микроскопия, использование радиоактивных изотопов и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отдельных компонентов клетки и всю клетку как единую систему. С новыми методами в биологию пришли новые идеи физики и химии, математики и кибернетики.

     Большую роль в быстром развитии молекулярной генетики сыграло перенесение центра тяжести генетических исследований с высших организмов (эукариотов) - основных объектов классической генетики, на низшие (прокариоты) - бактерии и многие другие микроорганизмы, а также вирусы. Преимущества использования более простых форм жизни для решения генетических проблем заключаются в быстрой смене поколений у этих форм и возможности изучать одновременно огромное число особей; благодаря этому сильно возрастает разрешающая способность генетического анализа и повышается его точность.

     Кроме того, сравнительная простота организации  бактерий и особенно вирусов облегчает  выяснение молекулярной природы  генетических явлений. Высказываемое  иногда мнение о тождестве молекулярной генетики и генетики микроорганизмов ошибочно. Молекулярная генетика изучает молекулярные основы генетических процессов как у низших, так и у высших организмов и не включает частной генетики прокариотов, занимающей видное место в генетике микроорганизмов.

     За  свою недолгую историю молекулярная генетика достигла значительных успехов, углубив и расширив представления о природе наследственности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развивающееся направление генетики.

      1.Молекулярная генетика  – основа генной  инженерии 

     1.1.История  учения о нуклеиновых кислотах 

     В 1833 году Р. Броун, рассматривая из чистого любопытства клетки орхидей под микроскопом, неожиданно обратил внимание на некое тело, занимающее пятую часть клеточного пространства. Он поймал себя на мысли о том, что это тело выполнено из совершенно другого материала. Когда, четыре года спустя, было открыто Т. Шванном вещество, растворяющее клетки (трипсин), то к ядру клетки вернулись, поскольку теперь можно узнать, растворяется ли оно в этом веществе.

    В 1869г. Ф. Мишер подошел к проблеме строения ядра клетки. Сначала он высаливал ядра из клеток гноя, но затеи нашел более продуктивных поставщиков ядерного вещества. Это были лососи. В молоках самцов этих рыб много ядерного вещества. Молодой ученый располагал теперь неограниченным количеством ядер и успешно вывел эмпирическую формулу нуклеина, которая представлена следующим образом: C₂₉H ₄₉N₉P₃0₂₂. Эта формула осталась без изменения и сегодня.

    В 1871г. Р. Гертвиг постулировал, что в природе должны существовать два нуклеина - растительный и животный (тимусный), а через пять лет высказал мысль о том, что нуклеин играет определенную роль в наследственности организмов. Только в 1899г. Альтманом понятия «растительный» и «тимусный» были объединены. Это был период великих открытий в молекулярной биологии.

    Однако, несмотря на бурное развитие учения о ДНК, наследственная роль этой кислоты долго еще не была экспериментально подтверждена. Не понята была и роль РНК. Наследственная роль ДНК была раскрыта Чейзом и Херши в 1952 году. Ученые работали с фагом Т-2, который паразитировал на бактерии, как это предусмотрено природой. Было решено пометить ДНК фага радиоактивным фосфором ³²Р, а белковую оболочку - радиоактивной серой ³⁵S. Дело в том, что в те годы никто не сомневался в передаче наследственной информации с помощью белков. Когда фаг начал паразитировать на бактерии, то оказалось, что в клетку реципиента попала только ДНК фага (донора).

    Следовательно, белки в передаче наследственности не играют никакой роли. Это было весьма значимое научное открытие, поэтому скепсиса никто не проявлял. Вместе с тем возникал вопрос, как быть, когда вирус содержит не ДНК, а РНК, как должна передаваться наследственность в этом случае. А такие вирусы были уже известны - это вирус табачной мозаики (ВТМ) и онкогенные вирусы. Проблема была решена Шраммом в 1956г. Он инактивировал РНК вируса и заражения табака не получал.

    Пятидесятые годы прошедшего столетия ознаменовались целой серией великих открытий. Именно в эти годы бурно развивалась молекулярная биология. Так, в 1953г. впервые на рентгеновской пленке получили удачное изображение ДНК. Это сделали Д. Уотсон и Ф. Крик путем рентгеноструктурного анализа. В тот год многие ученые узнали, что двухцепочечная ДНК имеет диаметр 20А¹, длина одного нуклеида 3,4А, длина кольца пуринового основания (А, Г) 12А, а пиримидинового - 8А. Общая длина одного витка ДНК составляет 34А. Следовательно, на одном витке спирали ДНК располагается 10 нуклеотидных пар (п.н). Именно к этому периоду относятся открытия С. Бензера. В микробиологии он сделал нобелевское открытие. В качестве объекта для своих исследований Бензер выбрал фаг Т-4, паразитирующий на бактерии - кишечной палочке. Наблюдая за газонами кишечной палочки, на которых паразитировал фаг Т-4, он обратил внимание на то, что некоторые бляшки были значительно больше всех остальных. Это были мутанты, а поскольку они обнаружились только во второй группе фагов, то он назвал их r-ll, что означает быстрые мутанты. С помощью мутантов и путем скрещивания Бензер получил рекомбинантов, а затем открыл единицы мутации, рекомбинации и функции. Этой методикой после 1961 года воспользовался Ф. Крик при доказательстве триплетности генетического кода.

    Таким образом, за довольно короткий период были сделаны головокружительные открытия в области нуклеиновых кислот, что способствовало появлению таких нобелевских лауреатов, как Ф. Жакоб, Ж. Моно, М. Ниренберг, И. Маттеи, Ю. С. Бензер, Ф. Крик, Д. Уотсон, Б. Макклинток.

     1.2. Строение нуклеиновых кислот 

     Нуклеиновые кислоты, открытые в 1869 году, являются биополимерами, с помощью которых записана информация всего живого на земле.

     ДНК—это дезоксирибонуклеиновая кислота, которая, будучи выделенной в чистом виде, никакой роли не выполняет, а функционирует только в биологическом векторе. Именно в нем ДНК способна «размножаться», то есть удваиваться (реплицироваться). Для эукариотов и прокариотов существует одна нуклеиновая кислота. Как же можно обнаружить эту кислоту в растворах даже невооруженным глазом. Красочно об этом сказал Эйвери: « Когда концентрация спирта достигает примерно 0,9 объема, отделяется волокнистое вещество, которое при помешивании наматывается на стеклянную палочку, как нитка на катушку, тогда как другие примеси остаются в растворе в виде гранулированного осадка. Волокнистое вещество затем снова растворяют и процедуру повторяют несколько раз. Это и есть ДНК». Индуцирующее вещество по своим химическим и физическим свойствам является высокомолекулярной и вязкой формой ДНК. Однако к доводам Эйвери высказывали недоверие, а за ДНК признавали  только ее участие в образовании полисахаридов у бактерий. Более того, сначала считали, что структура ДНК построена из повторяющихся тетрануклеотидных звеньев и препятствием к пониманию генетической  роли  была «монотонность» строения  ДНК. Исследования  Чаргаффа пролили свет на  проблему.

     ДНК состоит из связанных между собой нуклеотидов, которые представлены дезоксирибозой, азотистым основанием и остатком фосфорной кислоты. Последние химически соединены с пятичленным сахаром дезоксирибозой гликозидной связью. Между молекулами дезоксирибозы образуется сахаро – фосфатная связь, к ней присоединяются азотистые основания. Азотистые основания представлены пуринами (А и Г) и пиримидинами (Г и Ц). Число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых. Против А стоит Т, против Г – Ц. Между азотистыми основаниями существуют водородные связи, они слабые, но еще более слабые двойные связи. Между аденином и тимином образуются двойные связи, гуанином и цитозином – тройные.

     Нити  ДНК антипараллельны, двойная нить закручена в спираль. Для определения нуклеотидной последовательности молекулу ДНК обрабатывают четырьмя разными соединениями, происходит расщепление, затем проводят электрофорез, и фракции размещают на 4 автономных дорожках акриламидного геля. Чтобы установить последовательность нуклеотидов в ДНК, нужно переходить от полоски к полоске и считывать последовательности снизу вверх. Например, ГАГЦАТГАЦ. На самом деле это выглядит гораздо сложнее.

     Рибонуклеиновая кислота (РНК) отличается от ДНК однонитевой  структурой и отсутствием Тимина, вместо которого урацил. Пятичленный сахар представлен рибозой, во 2^/- положении имеется гидроксильная группа ОН, чего нет у ДНК. ДНК находится в ядре неотлучно, а РНК – в цитоплазме и представлена несколькими видами: информационные, рибосомальные, транспортные РНК.

       1.3. Генетический код. Раскрытие тайны кодирования

     В 1944 году было известно, что в синтезе белка участвует 20 аминокислот, однако еще долго не знали, как передается информация с четырехбуквенного алфавита (АТГЦ) на двадцатибуквенный белков (по числу аминокислот). Первые попытки математического расчета были сделаны американским физиком Г. Гамовым. Если одна аминокислота будет кодироваться одним нуклеотидом, то закодированными окажутся только четыре аминокислоты, а если двумя (4²), то 16 аминокислот, чего тоже недостаточно, поскольку в синтезе участвуют 20. А если закодировать тремя нуклеотидами, то будет избыток вариантов (4³=64). На этом рассуждения Г. Гамова закончились. Обстоятельства требовали подождать еще с десяток лет, чтобы простые расчеты ученого были блестяще подтверждены в пользу триплетного (трехбуквенного) кода. Сама же идея познать тайны кодирования была настолько заманчивой, что ученые начали ускорять события, связанные с его раскрытием.

    В августе 1961 года в Москве проходил 8 биохимический конгресс, который должен был обозначить пути решения проблемы. Никому не известный молодой ученый М. Ниренберг раскрыл код первой аминокислоты - фенилаланин. В те годы считали, что любая монотонная фраза, например, поли-А (АААААААААААА) бессмысленна, и именно ее брали в качестве контроля М. Ниренберг и Г. Маттеи в своих опытах по синтезу белков. Такая фраза в составе информационной РНК, по мнению многих биохимиков, не может синтезировать белок. Получилось так, что младшие научные сотрудники Американского института здоровья заменили полиадениловую кислоту на полиуридиловую (УУУУУУУУУУ), решив, что она тоже бессмысленна. Однако синтезировался белок, и это был полифенилаланин.

    К концу 1961 года в лаборатории американского ученого С. Очоа, присутствовавшего на том историческом конгрессе, раскрыли половину всех аминокислот. Вторую половину расшифровал Ф. Крик.

    Позднее Ниренбергу и Маттеи была присвоена  Нобелевская премия мира.

     2.Матричный синтез

    2.1.Механизм  репликации ДНК 

    Наследственная  информация может реализовываться  в ходе трех главнейших явлений: репликации, транскрипции, трансляции, что является центральной догмой молекулярной генетики. В области этих процессов работали отечественные ученые А. Белозерский и А. Спирин. Их интересовало совпадение последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК. Для выяснения этого они анализировали последовательности в РНК и пришли к заключению, что последние не соответствуют таковым в ДНК. Была поставлена под сомнение не только центральная догма, но и сама молекулярная генетика.

    Однако  вскоре английские ученые Э. Волкин и Л. Астрахан провели тщательную проверку догмы. Прежде всего, они разделили РНК на фракции, и оказалось, что в наиболее крупной фракции РНК, которую следует называть информационной РНК (и-РНК), нуклеотидные последовательности совпадают с ДНК. Таким образом, сомнения были развеяны, а основная догма молекулярной генетики блестяще подтверждена.

     Сегодня с открытием явления сплайсинга (процессинга), механизмов репликации и трансляции на высоком уровне, научные  упражнения, которые привели к серьезным сомнениям, кажутся, по меньшей мере, наивными.

     Репликация (редупликация) лежит в основе этой центральной догмы. Она протекает в синтетическом периоде интерфазы – промежуточной фазы между двумя делениями ядра. Сам же процесс удвоения ДНК – это явление самовоспроизведения. Оно протекает только в биологических векторах, тогда как в чистом виде (в колбе, пробирке) это будет просто кислота.