Айала, Кайгер - Современная генетика - т.1 (947304), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Возможное число различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконечно и способно кодировать колоссальное количество информации. Этот факт делает очень привлекательной гипотезу о том, что ДНК может служить веществом наслелственно- Рис. 4,10. Пара основа- ний, связанных в ДНК водородной связью. Аденин образует пару с тимином посред- ством двух водо- родных связей, а гуа- иии связан с цитози- иом тремя водородны- ми связями. Обратизе внимание иа то, что водородными связями соедиияютса пурииы 1адеиии и гуаиин) с пи- римидинами (тимином и цитозином). Водо- родные связи много слабее ковалеитных, соединяющих от- дельные атомы каждо- го нуклеотида, ко до- статочно сильны лля того, чтобы обеспечить специфичность образо- вания пар А — Т иО С.
Организация и передача генещическога мащериала 1Г)7 4, Природа генетического материала Ряс, лекул жены ноя, одной с 3'-к сти для всех организмов. Из модели также следует, что физическая структура нативной ДНК может сильно изменяться при нагревании или титровании, не нарушающих ковалентных связей, но разрывающих водородные связи, так что две цепи отделяются друг от друга. Пространственная и молекулярная модель предложенной Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК изображена на рис. 4.! 2. Обратите внимание на то, что для разделения лвух цепей им необходимо расплестись друг относительно друга. Модель Уотсона-Крика позволяет представить себе, как може~ удваиваться нативная молекула ДНК, образуя две одинаковые дочерние молекулы.
Поскольку две цепи ДНК комплсментарны, каждая из них при расплетании двойной спирали может служить матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Последовательность оснований во вновь синтезируемой цепи будет определяться спецификой водородных связей между основаниями цепи-шаблона н вновь образуемой цепи (рис. 44 3). Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молекулы, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК произошла ошибка н какой-то нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным исходному, то это может изменить информационное содержание молекулы, причем можно ожидать, что зта ошибка будет передана дочерним молекулам ДНК в следующих поколениях. Такая замена пары нуклеотидов может обладать свойствами генетических мутаций.
Таким образом, модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способность генов к самоудвоению (репликации), так и их информационные свойства. Оргииизиь1ия и передача генетического митериали Рис. 4.11. Пространственная модель модскудм ДНК; видна закрученность цепей друг относительно друга. Обратите внимание иа плотную упаковку пар оснований в двойной спирали. мел~и желобок 0,34 нм Ьольньой желобок О ® С н фосфолфирнььх О Г и Ч в оснонени Проверка модели Уотсона — Крика Модель двойной спирали ДНК была предложена в 1953 г. и знаменовала рождение новой науки — молекулярной биологии. Однако прошло пять лет, прежде чем были получены первые убедительные экспериментальныс подтверждения модели Уотсона — Крика в работах Мэтью Мсзелсона и Франклина Сталя.
В этих экспериментах было показано, что в точном соответствии с предсказаниями модели репликация ДНК происходит подукоисервативио: каждая дочерняя молекула ДНК состоит из одной интактной 1консервативной) цепи, полученной от родительской 109 Рис. 4.13. Нредложеняая Уотсоном и Криком модель репликации двойной спирали ДНК. Родятельекяя А, Т Редятельекея Т- А — ч А-Т вЂ” Т А А .. -А-Т ф Дочерняя Дочерняя Ралятельекея Ролятельекья двойной спирали, и однои вновь синтезированной цепи.
С другой стороны, можно представить себе гипотетические механизмы репликации ДНК, которые не предсказываются моделью двойной спирали, а именно: 1) консервативный способ репликации, при котором родительская ДНК полностью сохраняется. а дочерние молекулы ДНК полностью синтезируются заново, и 2) дисперсный способ, при котором обе дочерние молекулы ДНК синтезируются заново, а родительская молекула распадается иа нуклеотиды, которые могут входить или не входить в состав дочерних молекул. 4. Природа генетического маьчериала я~А Т вЂ” Т А — М» с С 4. Природи генетического материала Чтобы определить, каким из этих способов реплицируется ДНК. надо уметь отличать дочерние молекулы от родительских.
Мезелсон и Сталь выращивали Е. сой на среде, содержащей в качестве источника азота '~Х. Тяжелый изотоп азота '~74 включался в состав ДНК и служил меткой. Для того чтобы пометить изотопом 'зХ практически всю бактериальную ДНК, достаточно вести культивирование на такой среде в течение двенадцати поколений. Молекулы, содержащие 'з)Ч, можно отличить от молекул, содержащих более легкий, обычный изотоп, по плотности, так как у ДНК с м)к( масса одного нуклеотида больше, чем у обычной ДНК, Молекулы ДНК с различной плотностью могут быль разделены центрифугированием в градиенте плотности хлористого цезия (рис.
4.14). В процессе центрифугнрования молекулы ДНК собираются в том слое, в котором плотность раствора равна их собственной плотности. ДНК клеток Е. со)1, выращенных на среде, содержащей ''о(, имеет плотность 1,724 г/смз, тогда как ДНК клеток, выращенных на обычной среде с изотопом '«Х, имеет плотность 1,710 г(смз.
Смесь этих лвух типов ДНК легко разделяется при центрифугировании по плотности (рис. 4.14). Аналогией, иллюстрирующей принцип центрифугирования в градиенте плотности, может служить погружение подводной лодки. Регулируя количество воды в балластных танках (баках), подводная лодка может зависать на желаемой г лубине, плотность воды на которой равна средней плотности подводной лодки. Если набрать в танки больше воды, вытеснив соответствующее количество воздуха, то плотность подводной лодки увеличивается, и она погружается, попадая в слои более холодной воды с большей плотностью.
Когда плотность воды оказывается равной плотности подводной лодки, лодка снова зависает на новой глубине. В эксперименте Мезелсона и Сталя клетки, в течение многих поколений культивируемые на среде с 1зХ, быстро переносили в среду, содержавшую '4Х. Через определенные промежутки времени отбирали пробы растущей культуры н в каждой из них определяли плотнос~ь ДНК. Результаты представлены на рис.
4.! 5. После первого деления на среде с '~Х плотность ДНК культуры была промежуточной между ['~гч) ДНК и ['~гч1 ДНК. После второго деления на среде с 'л)Ч половина клеток имела легкую ДНК, а вторая половина — ту же, что и в предыдущем поколении (промежуточную). После третьего деления на среде с '~)Ч 3/4 ДНК имело плотность, равную плотности ['~)11 ДНК и 1)4 сохраняла промежуточную плотность. Соотношение между числом генераций и распределением плотности ДНК в точности соответствовало полуконсервативному типу репликации, предсказываемому моделью Уотсона-Крика (рис. 4.15). Кроме того, модель предсказывала, что ДНК с промежуточной плотностью должна представлять собой гибридную двойную спираль, одна из цепей которой содержит только тяжелый изотоп азота (!ч'з), а другая — только легкий.
Мезелсон и Сталь нагревали ДНК промежуточной плотности в течение 30 мин при температуре 100"'С, что, как уже было известно, изменяет физические свойства молекулы, не разрывая ковалентных связей, и обнаружили, что она превращается в две равные по объему фракции ДНК с разными плотностями. Плотность одной из фракций, образовавшихся в результате нагревания, совпадала с плотностью тяжелой ДНК, а другой — с плотностью легкой ДНК (рис. 4.! 5).
! 311!3 Организация и передача генетического материала 112 Направление осаждения Возрастание плотность ььЧ чн ~ь]Ч Спустя одна поколение на 'чн д М Через лва ул~ l]ь поколения иа ' ' Н Через три поколения на И Нелеп рсвьнн ]1ьн] урировалиа» ревьнием 'ь] ДНК Денахуряцик кмреваиием привалит к рас~цепчению двухцепочечной ДНК на отдельные цени рированная нмревммем гибридна» ДНК о м Дена раввин нм ре рнровьнлья нагреванием Плотность Рис. 4,15.
А. Распределение плотности моле- кул ДНК, наблюдавшееся Мезелсоном и Сталем после перенесения растущих кле- ток Е. со!~ из тяжелой среды в легкую. Б. Схематическая интерпретация результатов, прелставлснных на А. ДНК, меченная ььгг, и вновь синтезируемая ДНК, имеющая 'чХ. Г Исходная культура с " Н изображены разным цветом. В. Нагрсванис ДНК промежуточной плотности превращает ее в олноцспочечную ДНК, солержащую две фракции, плотность одной из которых совпа- дает с плотностью нагретой ДНК, меченной ььХ, а другой — меченной ь*]ч. 4.
Природа генетического материала Из этого было сделано заключение, что ДНК промежуточной плотности, образующаяся после первого деления в легкой среде, представляет собой гибридную молекулу, состоящую из одной родительской цепи, содержащей только тяжелый изотоп азота, и другой, вновь синтезированной дочерней цепи, как это предсказывает модель Уотсона-Крика. Аналогичные эксперименты проделывали с реплицируюшейся ДНК множества различных прокариотических и эукариотических организмов, н каждый раз оказывалось, что ДНК реплицируется полуконсервативно. Эксперименты Мезелсона-Сталя были первым доказательством справедливости модели Уотсона-Крика. В настоящее время можно с уверенностью сказать, что основные положения этой модели убедительно подтверждены н структура двойной спирали легла в основу современной генетики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
