ВЕЩЕСТВО НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

• 1 слайд

  
  ВЕЩЕСТВО НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
  
  План
  Белковая гипотеза о строении вещества наследственности.
  Доказательство генетической роли ДНК.
  Изучение химического состава ДНК.
  
  

• 2 слайд

  1. «Белковая» гипотеза о строении генов
  
  До середины 40-х годов ХХ в. о было установлено, что гены – это материальные дискретные наследственные факторы, расположенные в хромосомах в линейной последовательности.
  В 1927 г. Н. К. Кольцов, предложил гипотезу о белковой природе генов и хромосом. В развернутой форме гипотеза была опубликована в 1935 г.
  Хромосомы — это огромные молекулы белков или пучки таких молекул. Хромосома содержит две генонемы (рис.1) - два пучка одинаковых белковых молекул. Такие упорядоченные хромосомы-молекулы могут иметь огромное число комбинаторных вариантов, одинаковых по составу, но с разным расположением символов-генов.
  Поскольку последовательность генов наследуется, то хромосома даже в интерфазе клеточного цикла не может распадаться на компоненты-гены, иначе они не смогут снова сложиться в прежнем порядке. Поэтому в процессе воспроизведения хромосомы последовательность генов должна сохраняться.
  
  

• 3 слайд

  Рис.1. Гипотетическая схема хромосомы по Н.К. Кольцову.
  Внутри хромосомы (контурная линия) — две генонемы, два пучка одинаковых белковых молекул, составляющих генетический каркас хромосомы. Каждый символ обозначает отдельный ген. В некоторых местах вблизи генонемы выстраиваются частичные фрагменты последовательности символов. Это отвечает идее гомологичного воспроизведения хромосомы путем «кристаллизации». Внутри и снаружи хромосомы рассеяны копии генов (ила их «обломков»), которые участвуют в «кристаллизации». (Из В. А. Ратнер, 1998)
  

• 4 слайд

  Таким образом, Кольцов первый предположил, что генетический «каркас» хромосомы составляет гигантская линейная макромолекула, построенная из ограниченного разнообразия мономеров. Эта гипотеза оправдалась, правда, для молекул ДНК, а не белков.
  Кольцов предложил матричный принцип воспроизведения хромосом, сохраняющий порядок генов - он постулировал «гомологию» отношений между одноименными боковыми радикалами (генами). Все это хорошо согласовывалось с тогдашними представлениями генетиков о гомологичном спаривании генов в мейозе, о линейной структуре хромосом и т.д.
  В начале ХХ в. были открыты многие свойства белков. Определены их молекулярные массы, лежащие в интервале 10—2000 тыс. дальтон. Было показано, что все белки состоят из аминокислот 20 типов. Средний линейный размер аминокислоты ≈ 0,003 мкм. Линейная цепочка из 100 аминокислот равна ≈ 0,3 мкм, что сопоставимо с размерами хромосом (3—10 мкм). Других длинных молекул, состоящих из гетерогенных мономеров, в клетках тогда не знали. ДНК считалась сравнительно простым соединением. Ей не отводили роль носителя наследственных свойств.
  Но одно важное обстоятельство противоречило белковой гипотезе строения вещества наследственности – у белков не была обнаружена способность к самоудвоению, а вещество наследственности должно обладать этим свойством.
  
  

• 5 слайд

  2. Доказательство генетической роли ДНК
  Исследования, показавшие, что генетическим материалом является ДНК, лежали в стороне от главного русла генетичес-ких исследований. В качестве экспериментальных организмов в них использовались различные штаммы патогенных бактерий. Экспериментаторы публиковали свои данные преимуществен-но в медицинских журналах. Большинство генетиков не знало об этих работах.
  2. 1. Трансформация у бактерий
  В 1928 г. Ф. Гриффит изучал вирулентные (S) и авирулентные (R) штаммы Diplococcus pneumoniae. Вирулентные штаммы имели полисахаридную капсулу и образовывали на агаре глад-кие колонии. Клетки авирулентных штаммов не имели капсулы и образовывали шероховатые колонии. Штаммы различались по антигенным свойствам или (серотипу) (табл.1).
  

• 6 слайд

  при введении мышам бактерий IIR, а также убитых нагрева-нием бактерий IIIS мыши выживают. При введении живых клеток IIIS мыши, конечно, гибнут. Когда же ввели смесь двух безвредных по отдельности клеток - живых IIR и убитых нагреванием IIIS - то мыши погибли. Из погибших мышей Гриффит выделил вирулентные бактерии с серотипом III (IIIS). Этот факт говорит о том, что появление живых клеток IIIS обусловлено не методической ошибкой, а теми взаимодейст-виями, которые происходят в организме мышей между введенными бактериальными клетками.
  

• 7 слайд

  Убитые нагреванием бактерии IIIS каким-то образом превращают живые клетки IIR в вирулентные клетки IIIS. Гриффит назвал это явление транс-формацией и предположил, что трансформирующим началом служит полисахаридная оболочка вирулент-ных клеток или какие-то клеточные компоненты, необходимые для синтеза оболочки. Он недооценил тот факт, что трансформация вызывала наследуемые изменения бактерий.
  Позже было показано, что трансформацию можно наблюдать в пробирке при выращивании живых клеток IIR в присутствии убитых нагреванием клеток IIIS. Достаточно проинкубировать живые клетки штамма IIR в присутствии бесклеточного экстракта IIIS.
  

• 8 слайд

  В 1944 г. Эвери, Мак-Леоду и Мак-Карти осуществили химическую идентификацию трансформирующего начала. Они экстрагировали и очистили трансформирующее начало из большого количества культур IIIS Diplococcus (теперь переи-менованных в Pneumococcus). Конечный продукт давал отри-цательные реакции на белок и РНК и резко положительную реакцию на ДНК. Трансформирующая активность препарата была устойчива к протеолитическим ферментам и рибонук-леазе, но разрушалась под действием ферментов, расщепляю-щих ДНК. С помощью этих экспериментов было твердо уста-новлено, что ДНК способна переносить генетическую инфор-мацию от одной бактерии к другой.
  После исследований Эвери, Мак-Леода и Мак-Карти ДНК привлекала внимание генетиков, биохимиков и биофизиков. Эксперименты Херши и Чейза, проведенные в 1952 г., пока-зали, что у фагов генетическим материалом также является ДНК. Это было еще одним доводом в пользу важного биоло-гического значения молекулы ДНК.
  

• 9 слайд

  2.2. Опыты Херши и Чейз (фаговая инфекция)
  
  Основные компоненты фага — ДНК и белок (рис. 1). Оболочка фага – капсид целиком состоит из белка. Внутри капсида находится ДНК. Белок и ДНК можно пометить по отдельности, используя радиоактивные фос-фор - 32Р (который включается только в ДНК), и серу - 35S, которая включается лишь в белок. Фаги метили путем инфицирования бактерий, выра-щенных в среде, содержащей 32Р-ортофосфат и 35S-сульфат магния.
  
  
  Рис. 2. Строение бактериофага
  

• 10 слайд

  Полученные меченые фаги, использовали для заражения и лизиса бактерий (3). Авторы показали, что именно фаговая ДНК (содержащая 32Р) прони-кает в бактерию, а 87% 35S (которая содержится в фаго-вых белках капсида) остаётся связанной с бактериальным дебрисом, (оболочками бак-териальных клеток с при-креплёнными капсидами). Так было показано, что матери-альная связь между поколе-ниями фага осуществляется с помощью ДНК.
  Рис. 3. Электронная микрофотография фагов Т4, адсорбированных на поверхности Е. coli (L. D. Simon, Т. F. Anderson, 1967)
  

• 11 слайд

  3. Изучение химического состава молекулы ДНК
  Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером. Из остатков клеток, находящихся в гное, он выделил вещество, содержа-щее азот и фосфор. Ученый назвал это вещество нуклеином (от nucleus — ядро). Небелковая часть этого веще-ства была названа нуклеиновой кислотой. Компоненты ДНК были установлены в начале ХХ века, ими оказались: сахар дезокси-рибоза, фосфат и азотистые основания - аденин, гуанин, тимин и цитозин. Элементарная единица ДНК содержит пуриновое или пиримидиновое основание, сахарный остаток и фосфат и называется нуклеотидом (рис. 4). Относительное содержание каждого из четырех нуклеотидов не было исследовано, и обычно считалось, что ДНК состоит из повторяющихся структурных единиц, содержащих по четыре нуклеотида.
  

• 12 слайд

  Рис. 4. Строение нуклеотидов ДНК
  

• 13 слайд

  Э. Чаргафф в 1950 г. выделил высокоочищенную ДНК из разных тканей различных организмов. Образцы ДНК гидро-лизовались кислотой для отщепления пуриновых и пирими-диновых оснований, которые затем разделялись с помощью хроматографии на бумаге.. Пятна, соответствующие различ-ным основаниям, идентифицировали и определяли количество оснований методом ультрафиолетовой спектрофотометрии. Чаргафф обнаружил, что
  1. Относительное содержание пуринов и пиримидинов видоспецифично, но не тканеспецифично (табл.2).
  2. Молярное соотношение общего количества пуринов и пиримидинов равно примерно единице; причём молярное содержание аденина примерно равно содержанию тимина, а гуанина—цитозину.
  3. На каждый остаток аденина в ДНК приходится один остаток тимина, и на каждый остаток гуанина — один цитозин. Это явление равного молярного содержания оснований часто называют «правилом Чаргаффа».
  

• 14 слайд

  Таблица 3
  Относительное содержание пуринов и пиримидинов в ДНК (поданным Э.Чаргаффа)
  

• 15 слайд

  Вопросы и задания
  
   
  1.  Почему до 40-х гг. господствовала «белковая гипотеза» вещества наследственности?
  2. Какие положения гипотезы Н. К. Кольцова о строении хромосом являются правильными, а какие – нет?
  3. Каким требованиям должно обладать вещество наследственности? Какому из них не удовлетворяют белки?
  4. Изобразите схему экспериментов Гриффита. Какой факт был установлен в этих экспериментах?
  5.  Для чего в экспериментах Херши и Чейз использовались радиоактивные изотопы 32Р и 35S? Что подтвердили эти эксперименты?
  6.  Какие важные выводы о строении ДНК вытекают из правил Чаргаффа?