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:

• 1) Мендель (организменный уровень)
• 2) Т. Морган (клеточный уровень)
• 3) 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 = 2 м.

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:

• 1. 2 полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль
• 2. Мономером является нуклеотид
• 3. Нуклеотид располагается в плоскости, перпендикулярной оси симметрии
• 4. Соединяются нуклеотиды ковалентными связями остатков фосфорной кислоты
• 5. Наращивание полинуклеотидной цепи только на одном конце (свободный гидроксил 3х. начало цепи 5) цепи ДНК — антипараллельный.
• 6. Водородные связи между азотистыми основаниями
• 7. 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%.