21. Значение работ по биохимии, генетике микроорганизмов, молекулярной генетике в формировании современного представления о гене.

Биохимия. Изучение химии жизни уже в 1827 г. привело к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был английский химик и врач Уильям Праут.

В 1928 г. Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В 1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.

Особенно важное значение исследования в области биохимии имеют для изучения наследственности человека, и в частности для развития медицинской генетики. Установлено, что первопричиной многочисленных наследственных нарушений обмена веществ, многих болезней крови и кроветворной системы, нервной системы, пороков развития и т. п. являются изменения в структуре или активности генов и связанные с этим нарушения процессов синтеза тех или иных ферментов, управляющих определенными биохимическими реакциями.

Благодаря развитию биохимии и молекулярной генетики удалось также выяснить причину ряда заболеваний, не передающихся по наследству, но связанных с нарушением функционирования генов. Кроме того, результаты исследований по биохимии уже сегодня позволяют объяснить истинную причину различий в физическом и умственном развитии у отдельных людей, дать теоретическое обоснование многим лечебным и оздоровительным мероприятиям.

Генетика микроорганизмов, раздел общей генетики, в котором объектом исследования служат бактерии, микроскопические грибы, актинофаги, вирусы животных и растений, бактериофаги и др. микроорганизмы. До 40-х гг. 20 в. считалось, что, поскольку у микроорганизмов нет ядерного аппарата и мейоза, на них не распространяются Менделя законы и хромосомная теория наследственности. С начала 40-х гг. микроорганизмы становятся объектом интенсивных генетических исследований. Именно на них были решены многие кардинальные вопросы современные генетики. Так, первое указание на то, что материальным носителем наследственности служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), было получено в опытах на пневмококках (американские генетики О. Т. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Маккарти). Примерно в то же время были начаты интенсивные генетические исследования на хлебной плесени — нейроспоре. Изучение многочисленных биохимических мутантов нейроспоры (Дж. У. Бидл и Э. Л. Тейтем, США) привело к установлению очень важного положения: "один ген — один фермент" (ныне это положение более точно формулируется так: "один ген — одна полипептидная цепь"). Генетические исследования микроорганизмов особенно интенсивно стали развиваться после того, как американские генетики С. Лурия М. Дельбрюк показали на кишечной палочке (Escherichia coli), что и бактерии подчиняются мутационным закономерностям

Молекулярная генетика. Первое предположение о возможной связи конкретных химических соединений (нуклеиновых кислот) с явлениями наследственности было высказано во 2-й половине 19 века швейцарским биохимиком Ф. Мишером и немецкими биологами братьями О. и Р. Гертвигами. В 1928 г. советский биолог Н. К. Кольцов предложил гипотезу, согласно которой все наследственные свойства организма закодированы в особых гигантских по размеру «наследственных молекулах». Каждая такая молекула состоит из строго упорядоченных звеньев (групп радикалов), собственно и составляющих отдельные гены, и особым образом упакована в специальных структурах клетки — хромосомах. В процессе деления клетки «наследственные молекулы» точно копируются, при этом полностью сохраняется структура каждого из составляющих ее звеньев.

Первые экспериментальные данные о химической природе «наследственных молекул» появились в середине 40-х — начале 50-х гг. 20 века. В частности, было обнаружено, что добавление препаратов дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, выделенных от одних бактерий другим, сообщает последним наследственные признаки первых и что при заражении вирусами именно их ДНК проникает в клетку и вызывает там синтез новых вирусных частиц.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что каждая хромосома содержит одну гигантскую двухнитевую молекулу ДНК, отрезки которой и являются генами, что основная функция генов состоит в кодировании структуры ферментных белков, управляющих всеми процессами жизнедеятельности, что реализация наследственной информации в соответствующие признаки организма протекает с помощью другого типа нуклеиновых кислот — рибонуклеиновых, или РНК, синтезируемых на ДНК и играющих в клетках роль функциональных копий генов. В 1953 г. было выяснено строение ДНК, а в 1961— 1964 гг.— точная структура генетического кода. Эти открытия стали основой для бурного развития исследований по широкому кругу проблем, связанных с изучением закономерностей развертывания генетической информации в живых клетках на молекулярном уровне. В частности, были получены принципиально новые и важные сведения об узловых процессах хранения и реализации наследственной информации: удвоении генетической информации перед делением клеток (процесс репликации ДНК), считывании генетической информации с молекул ДНК в их копии — молекулы информационной РНК (процесс транскрипции), синтезе белков под контролем молекул РНК (процесс трансляции), изменении генетического материала (мутагенез, рекомбинация — см. Ген, обмен генами), а также о роли внешней и внутренней среды клеток в управлении синтезом белков под контролем генов (процесс регуляции генной активности).

Важнейшим достижением молекулярной генетики явилась расшифровка структуры хромосомной ДНК. В 1968 г. было установлено, что имеется два типа участков хромосомной ДНК, отличающихся друг от друга последовательностью расположения нуклеотидов (основных звеньев ДНК). Каждый участок первого типа состоит из своеобразной, присущей только ему последовательности расположения нуклеотидов. Такие последовательности были названы уникальными. Участки второго типа содержали различное количество повторяющихся последовательностей нуклеотидов, которые были названы повторами. В 1973— 1975 гг. было установлено, что в ДНК участки повторов чередуются с участками уникальных последовательностей т.о., что каждая уникальная зона отделена от другой отрезками повторов. Оказалось, что повторы бывают двух видов — короткие (содержащие в среднем около 300 нуклеотидных пар) и длинные (до 5000 нуклеотидных пар). Число коротких повторов в ДНК в несколько раз больше, чем длинных. В последнее время высказано предположение, что длинные повторы равномерно распределены по ДНК. Роль повторов пока не выяснена, хотя были высказаны предположения, что они играют роль в упаковке ДНК в хромосоме, в процессах транскрипции и трансляции, а также в осуществлении обмена генами между хромосомами.

Благодаря развитию молекулярной генетики было открыто универсальное свойство живой материи, ранее неизвестное ученым,— способность восстанавливать повреждения в молекулах ДНК, возникающие под влиянием различных неблагоприятных воздействий (процесс репарации — см. Репарация генетическая). Высказываются достаточно обоснованные надежды на возможность использования метода молекулярной генетики для выделения генов из клеток, синтеза искусственных генов и соединения их с генетическим аппаратом организмов с целью устранения различных наследственных дефектов.