1625914757-8aba282c54d2a3a371a92e361d6fe93d (843812), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Схема опыта Хёрши–Чейз по доказательству роли ДНК как носителя генетическойинформацииНаиболее доказательным экспериментом по установлению роли ДНКкак носителя генетической информации можно считать экспериментА. Хёрши и М. Чейз (1952 г.). Выращивая бактерии и бактериофаги (вирусы, поражающие бактерии) на средах, содержащих радиоактивные изотопы фосфора 32P или серы 35S, Хёрши и Чейз получили частицы бактериофагов, селективно меченые этими изотопами (рис.
4). Поскольку из биополимеров фосфор содержится только в нуклеиновых кислотах, а сера –только в белках, фаги содержали либо радиоактивно меченую ДНК, либомеченый белок. После заражения бактерий, росших на нерадиоактивнойсреде, такими фаговыми частицами оказалось, что вся 35S-метка остаетсяснаружи бактерии, а 32P-метка проникает внутрь.
После одного цикла репликации фага в дочерних частицах, вышедших из бактерий, не обнаруживалось 35S-метки, а количество 32P-метки снижалось примерно вдвое. Таким образом, можно сделать вывод, что именно ДНК служит носителемгенетической информации и что при матричной репликации происходит8удвоение генетического материала с сохранением всего его исходного количества.Рис. 5. Ауксотрофные мутанты; гипотеза «один ген – одна полипептидная цепь»Установление роли ДНК как носителя генетической информации привело к необходимости исследования процесса ее реализации, поскольку,9как было уже понятно, жизнедеятельность организмов поддерживается восновном различными белками. Решающая роль в понимании того, чтогены ответственны за синтез ферментов и других белков, принадлежитсерии опытов из области биохимической генетики.
Наиболее показательныиз них работы Дж. Бидла и Э. Тейтема с хлебной плесенью Neurosporacrassa, проведенные ими в 1940-х гг. Как и многие микроорганизмыпрототрофы, грибок Neurospora может синтезировать все необходимыедля жизни вещества из неорганических солей и расти не только на богатойсреде (например, на дрожжевом экстракте), но и на минимальной среде,содержащей только минеральные соли (в случае Neurospora с добавкойвитамина биотина). Однако у грибка можно вызвать мутации, которыеведут к потере способности расти на минимальной среде, причем рост восстанавливается, если добавить к среде какое-либо органическое вещество.Такие мутанты называются ауксотрофными. Бидл и Тейтем получилимножество ауксотрофных мутантов, которые нуждались в добавлении определенных веществ, причем наблюдалось определенное соответствие между мутацией, веществом, необходимым для роста, и положением этоговещества в метаболическом пути.
Например, было известно, что аминокислота аргинин у Neurospora синтезируется из глутаминовой кислоты споследовательным образованием промежуточных продуктов – пролина,орнитина и цитруллина. Бидл и Тейтем обнаружили ауксотрофные мутанты Neurospora, которые могут расти только на минимальной среде с добавлением аргинина, но не цитруллина, орнитина, пролина или глутаминовой кислоты; такие, которые могут расти на среде с добавлением аргинина или цитруллина, но не орнитина, пролина или глутаминовой кислоты, и т. п. Еще один пример ауксотрофных мутантов, на этот раз в путисинтеза триптофана у бактерии Escherichia coli, показан на рис. 5.
Такимобразом оказалось возможным соотнести гены и ферменты, которые ответственны за отдельные стадии определенных биохимических путей, иупорядочить сами эти стадии и соответствующие им гены и ферменты. Наосновании этих наблюдений Бидл и Тейтем сформулировали гипотезу«один ген – один фермент», которая гласит, что каждый ген несет ответственность за синтез одного фермента или белка.На современном уровне понимания функции генов гипотеза «один ген– один фермент» в целом устарела, хотя ее суть осталась актуальной. Сейчас понятно, что, например, один фермент может состоять из несколькихполипептидных цепей, кодируемых разными генами, из-за чего в нашевремя название гипотезы часто звучит «один ген – одна полипептиднаяцепь». Ясно также, что один ген может кодировать полипептид с несколькими разными ферментативными функциями, несколько отличающихсядруг от друга полипептидов или не полипептид, а функциональную РНК(тРНК, рРНК и т.
п.). В качестве же единицы наследственности, прояв10ляющейся на фенотипическом уровне, ген может вообще не кодироватьпоследовательность других биополимеров, а регулировать их синтез. Однако остается неизменным тот факт, что наследственная информация реализуется на фенотипическом уровне главным образом путем матричногосинтеза биополимеров.11Часть I. Химические основы молекулярной биологииI.1. Нуклеиновые кислотыI.1.1. Азотистые основания. Моносахариды.
НуклеозидыНуклеиновые кислоты – рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) – являются необходимыми участникамивсех процессов, связанных с хранением и реализацией наследственнойинформации.РНК и ДНК способны выполнять функцию хранения генетической информации. Большинство современных геномов состоит из ДНК, однакогеномы многих вирусов состоят из РНК. Функциональные возможностиРНК значительно шире.
Существуют матричные (мРНК), транспортные(тРНК), рибосомальные (рРНК), малые интерферирующие РНК и микроРНК, выполняющие в клетках разные функции.Рис. 6. Нумерация атомов пиримидинового и пуринового гетероциклаONH2NNHNаденинNH2NNOHцитозинNNNHNHNгуанинNH2OONHNOHтиминNHNOHурацилРис. 7. Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислотНуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, построенныеиз нуклеотидов. В состав нуклеотида входят остаток моносахарида (рибозы или дезоксирибозы), азотистое основание и остаток фосфорной кислоты.12Азотистые основания, входящие в нуклеиновые кислоты, принадлежатк двум классам гетероциклических азотсодержащих соединений – пуринамили пиримидинам (рис.
6, рис. 7). К пиримидинам относятся урацил (2,4диоксодигидропиримидин), цитозин (2-оксо-4-аминопиримидин) и тимин(2,4-диоксо-5-метилдигидропиримидин), а к пуринам – аденин (6аминопурин) и гуанин (2-амино-6-оксопурин).Структура моносахаридов, входящих в состав нуклеиновых кислот, впроекции Фишера выглядит следующим образом:Рис. 8.
Структура рибозы и дезоксирибозы в проекции ФишераОстатки рибозы и дезоксирибозы входят в состав нуклеотидов в фуранозной форме в виде -аномеров и в проекции Хеуорса выглядят так:Рис. 9. Структура рибозы и дезоксирибозы в проекции ХеуорсаРис. 10. Пример структуры нуклеозида13Один из атомов азота азотистого основания (N1 в пиримидинах, N9 впуринах) участвует в образовании N-гликозидной связи с аномерным (С1)атомом углерода (рис. 10). Соединение, состоящее из остатка сахара и азотистого основания, связанных N-гликозидной связью, называется нуклеозидом. В составе нуклеозида азотистое основание сохраняет исходнуюнумерацию атомов, а к номерам атомов остатка моносахарида добавляетсяштрих.В зависимости от входящего в их состав остатка моносахарида природные нуклеозиды делятся на рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды.
Названия нуклеозидов образуются от названий соответствующих азотистыхоснований (табл. 1). Часто для сокращенного обозначения азотистых оснований и их производных используют просто буквы A, C, G, T и U.Таблица 1. Утвержденные IUPAC сокращения названий звеньев,составляющих нуклеиновые кислотыАзотистоеоснованиеаденингуанинтиминурацилцитозинсокр.AdeGuaThyUraCytРибонуклеозидАденозинГуанозинРиботимидинУридинЦитидинсокр.ДезоксирибонуклеозиддезоксиаденозиндезоксигуанозинтимидиндезоксиуридиндезоксицитидинAdoGuorThdUrdCydсокр.dAdodGuoThddUrddCydАзотистые основания (как свободные, так и в составе нуклеозидов) существуют в виде смеси таутомерных форм (рис.
11). У тимина, урацила игуанина в составе соответствующих нуклеозидов основной формой является лактамная, минорной – лактимная.ONNRibOHNNHNNNH2RibлактамNNNH2лактимРис. 11. Лактим-лактамное равновесие в структуре гуанина (вверху) и енамин-кетиминноеравновесие в структуре цитозина (внизу)14Цитозин и аденин в основном присутствуют в форме енаминов, другаятаутомерная форма для этих оснований – кетимин. Доля минорной таутомерной формы при нормальных условиях очень невелика. Так, для урацила она составляет 0,0001, а в случае пуриновых оснований и нуклеозидовдоля минорных форм не превышает 0,001.Также в составе нуклеозидов азотистые основания сохраняют кислотно-основные свойства, т.