Лекция 1. Структурно-функциональная организация наследственного материала и его реализация в признак.

Основоположники молекулярной генетики

Кольцов Николай Константинович

Вавилов Николай Иванович

Тимофеев-Ресовский Николай Владимирович

Закон гомологических рядов Вавилова: сходные организмы имеют сходные мутации.

Официальная дата появления генетики 1900 г – переоткрытие законов Менделя, де Фриза, Корренса, Чермака

После повторного открытия законов Менделя началось интенсивное исследование наследственности. Наука получила название, менделеевскую единицу наследственности стали называть геном (Гансен 1909 г).

1911 г Т. Морган, Бриднес, Стертевант

В начале 20 века генетика в СССР развивалась

Советский ученый Андрей Николаевич Белозерский впервые доказал, что в состав хромосом входит ДНК.

Филиппов, Георгий Адамович Надсон получили искусственные мутации

Вавилов установил, что у родственных организмов возникают схожие мутации

Н. К. Кольцов, Четвериков изучали механизмы возникновения мутаций.

Н. К. Кольцов 1927 г выдвинул гипотезу о матричном синтезе молекул жизни: «переносчиком наследственной информации являются биополимерные молекулы»

Н. В. Тимофеев-Ресовский считал: ген – материальная частица

Этапы развития генетики:

• Мендель (организменный уровень)

• Т. Морган (клеточный уровень)

• Молекулярный уровень – современность.

Несмотря на усиленное развитие, основная концепция (концепция гена) оставалась лишенной материального содержания.

1869 г Мишер выделил нуклеиновые кислоты. Это послужило мощным стимулом к изучению их строения и химического состава.

1951 г американский биохимик Эдвин Чаргафф впервые проанализировал нуклеотидный состав нуклеиновых кислот.

На основании проделанной работы современная молекулярная биология считает, что ДНК состоит из 4х азотистых оснований, углевода – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Тимин и цитозин относятся к классу пиримидиновых оснований. Аденин и гуанин – пуриновые основания.

Такое разделение связано с особенностью структур:

• Первичная – порядок расположения нуклеотидов

• Вторичная – водородная и ковалентная связь

• Третичная – молекула ДНК в гистонах (белках)

Отдельные основания связаны углеводно-фосфадными связями (прочная ковалентная связь)

Детальное устройство молекул ДНК стало понятно через 90 лет после открытия.

24 апреля 1953 года в английском журнале «Nature» было опубликовано письмо молодых ученых Дж. Уотсона (биохимик) и Ф. Крика. 900 слов: «Мы хотели бы предложить свои соображения по поводу структуры ДНК. Эта структура имеет новые свойства, которые представляют биологический интерес».

Человек – открытая термодинамическая система.

1951 г. Неаполь, Дж. Уотсон встретился с англичанином Моррисом Уилкинсом – нобелевские лауреаты!!!

Уилкинсон с коллегой Розалиндой Франклин проводил в Кембридже рентгено – структурный анализ ДНК и определил, что молекула скорее всего спираль. Уотсон переехал в Кембридж, в лабораторию Перутся (???), где познакомился с Ф. Криком. Они совместными усилиями пытались понять, как утроена ДНК. В распоряжении исследователей были фото, рентгеноструктуры анализа, полученного Р. Франклин.

Эдвин Чаргафф сформулировал правило, согласно которому в ДНК число А=Т, Ц=Г. Согласно «научной фантазии» Дж. Уотсона и Ф. Крика молекула ДНК должна состоять из 2х гигантских полимерных цепочек, звенья каждого полимера состоят из нуклеотидов. Нуклеотид состоит из углевода (дезоксирибоза), остатка фосфорной кислоты и азотистых оснований. Последовательность звеньев любая, но связана с последовательностью другой цепочки. Две полимерные цепи закручиваются в правильную двойную спираль, удерживающуюся водородными связями. Последовательность звеньев – первичная структура. Двойная спираль – вторичная структура.

Нилс Бор (физик, открыл строение атома): «здесь, в Кембридже, произошло быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии. Уотсон и Крик раскрыли структуру гена» Дельбрук – Бору.

С. Дали: «открытие молекулы ДНК является для меня доказательством Бога»

В историческом масштабе открытие ДНК сопоставимо с открытием структуры атома (появление квантовой физики). Открытие ДНК привело к появлению молекулярной биологии.

Диаметр – 2 нм. Расстояние между парами оснований 0,34 нм. 1 поворот спирали – 10 пар оснований. Последовательность пар нуклеотидов ДНК не регулярна, но пары уложены в молекуле как в кристалле. Число отдельных молекул ДНК = числу хромосом. Длина такой молекулы в наибольшем размере = 8 см. Геном — длина всех молекул ДНК во всех хромосомах 1 клетки = 2м.

Длина молекул ДНК в миллиарды раз больше толщины. Организм взрослого человека состоит из 5*, общая длина всех молекул ДНК в организме = км

Измерение размера генома проводится в дальтонах, пара нуклеотидов (п.н.) или пикограммы (п.г.) в гаплоидном геноме человека ≈3,2 п.н. ≈3,5 п.г.

ДНК составляет 1% веса клетки

После установления химического строения и пространственной структуры ДНК, дальнейшие усилия были направлены на выяснение особенностей кодирования генетической информации.

Одним из первых разобрался русский физик Георгий Гамов. Узнав, что ДНК содержит 4 азотистых основания, решил разложить «пасьянс», с целью понять устройство генетического кода.

— 1 аминокислота в белке кодируется тройкой нуклеотидов.

—код не может быть двоичным.

Репликация ДНК

ДНК воспроизводится при каждом клеточном делении клетки. Экспериментально доказано, что одновременно с делением клетки, ДНК снимает с себя точные копии в процессе репликации. Во время клеточного деления водородные связи разрушаются, нити разделяются и на каждой строится точная копия.

Нуклеотид без дезоксирибозы – нуклеозил.

Идея матричного синтеза – Н. Кольцов.

В результате молекула ДНК редуплицируется и в каждой клетке оказывается по 1 полной копии. Реальный механизм редупликации изучен не полностью, особенно про человека. В каждой хромосоме ДНК самовоспроизводится отдельными кусочками — репликонами (фрагмент оказания). Средний размер ≈30 мкм, тем самым в составе генома человека должно быть более 50 тысяч репликонов, которые синтезируются в среде как независимые организмы. Это имеет глубокий биологический смысл. Если бы каждая из молекул ДНК самовоспроизводилась от начала до конца при скорости 0,5 мкм/м, то у хромосомы длиной 7-8 см репликация заняла бы 140 тысяч минут (≈3 месяца).благодаря полирепликационному строению весь процесс длится около 12 ч.

про иРНК

Экзоны интроны

Сшиваются в иРНК вырезаются

Выходит в цитоплазму→мРНК

тРНК

рРНК

вРНК (вирусная)

Трансформация — изменение наследственной информации бактериальной клетки, под действием чужеродной ДНК. (Гриффитс 1928г)

Пневмококки живые и мертвые вместе приводят к гибели

Трандукция – перенос вирусами фрагментов ДНК от клеток – доноров, к клеткам – реципиентам. (Дж. Ледерберг, М. Зиндер, 1952 г.)

Трансфекция – инфицирующая активность изолирующей нуклеиновой кислоты вирусов.

Коэффициент видовой специфичности =const (Белозерский). Человек = 1,53

Основные черты ДНК:

• 2 полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль

• Мономером является нуклеотид

• Нуклеотид располагается в плоскости, перпендикулярной оси симметрии

• Соединяются нуклеотиды ковалентными связями остатков фосфорной кислоты

• Наращивание полинуклеотидной цепи только на одном конце (свободный гидроксил 3х. начало цепи 5) цепи ДНК – антипараллельный.

• Водородные связи между азотистыми основаниями

• Структуры: третичная: диаметр 2 нм, между витками 3,4 нм

иРНК образуется в ядре после транскрипции.

тРНК 80-100 нуклеотидов. Ф-я: перенос аминокислот к месте синтеза белка в цитоплазме ≈10%