1625914757-8aba282c54d2a3a371a92e361d6fe93d (Методичка Воробьев, Жарков)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮНОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТФакультет естественных наукП. Е. ВОРОБЬЕВ, Д. О. ЖАРКОВОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИУчебное пособиеНовосибирск2009ББК Е070я73-1УДК 577.2В751Воробьев П. Е., Жарков Д. О. Основы молекулярной биологии: Учеб.пособие / Новосиб. гос.

ун-т. Новосибирск, 2009. 162 с.ISBN 978-5-94356-845-9Учебное пособие предназначено для студентов-химиков 3-го курсафакультета естественных наук Новосибирского государственного университета, изучающих молекулярную биологию. Оно также может быть использовано студентами-химиками 4–5 курса (специальность «Молекулярная биология») и студентами-биологами. Пособие может быть полезнымдля преподавателей, аспирантов и научных сотрудников химического ибиологического профиля других вузов, для подготовки к вступительномуэкзамену в аспирантуру и к сдаче кандидатского минимума. Пособиевключает в себя материалы по структуре белков и нуклеиновых кислот,методам исследования и химического синтеза нуклеиновых кислот и белков, и процессам хранения и реализации генетической информации.Рецензентпроф.

С. Д. МызинаОдобрено методическим советом факультета естественных наук Новосибирского государственного университета.Издание подготовлено в рамках выполнения инновационнообразовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классическогоуниверситета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование» и при поддержке базовой кафедры Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.ISBN 978-5-94356-845-9© Новосибирский государственныйуниверситет, 2009© Воробьев П. Е., Жарков Д.

О., 20092ВведениеМолекулярная биология – это наука, задача которой в целом заключается в познании природы явлений жизнедеятельности на молекулярномуровне. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образомтакие характерные проявления жизни, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост, развитие,хранение и передача информации, превращения энергии, подвижностьи т.

д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекулбиологически важных веществ, в первую очередь двух главных классоввысокомолекулярных биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. После возникновения молекулярной биологии в середине XX в. взрывообразный рост информации и специализация этой области науки привели к тому, что исследования на молекулярном уровне стали вести практически вовсех областях традиционной биологии, в особенности в биохимии, цитологии, микробиологии и т.

п. Поэтому в настоящее время область молекулярной биологии часто ограничивают исследованиями протекающих намолекулярном и субклеточном уровнях процессов хранения, передачи,реализации и изменения генетической информации, тем самым сужая этудисциплину до одного из ее подразделов – молекулярной генетики.Понятие генетической информации является центральным в молекулярной биологии. Генетическую информацию можно сравнить с текстом,записанным линейной последовательностью четырех символов – оснований ДНК (или в редких случаях РНК). Все процессы реализации этой информации связаны с однозначным переводом текста в текст, записанныйдругими символами (например, основаниями РНК или аминокислотамибелка), а также со взаимодействием созданных таким образом макромолекул с другими молекулами. В 1958 г.

Ф. Крик сформулировал набор принципов, который называется «центральной догмой молекулярной биологии» (рис. 1). Согласно центральной догме, передача генетической информации может осуществляться лишь в направлении ДНКДНК (при копировании генетической информации) или ДНКРНКбелок (при реализации генетической информации). Такие процессы, в ходе которых осуществляется однозначное копирование генетической информации или ее перевод из одной формы в другую, носят название матричных. Впоследствиибыли открыты матричные процессы обратной транскрипции, в ходе которой генетическая информация передается в направлении РНКДНК, ирепликации РНК (передача в направлении РНКРНК), но они имеют место только в редких случаях, в жизненном цикле ряда вирусов. Матричнаяпередача генетической информации как линейного текста в направленииот белка к белку или нуклеиновым кислотам невозможна.3Рис.

1. Центральная догма молекулярной биологии: современная схемаПомимо текста генетической информации, важную роль в живых системах играет так называемая эпигенетическая информация – совокупностьдостаточно стабильных ковалентных и нековалентных взаимодействий сучастием молекулы ДНК, не изменяющих самого текста, но влияющих напроцессы реализации генетической информации. В качестве примеровэпигенетической информации, которая может даже передаваться из поколения в поколение, можно привести метилирование отдельных участковДНК или их упаковку в нуклеосомы и структуры высшего порядка; этивзаимодействия значительно влияют на скорость транскрипции генов, расположенных в соответствующих участках ДНК.

Передача эпигенетической информации осуществляется не матричным путем, а при участиисложных клеточных регуляторных систем.На сегодняшний день можно выделить несколько молекулярнобиологических процессов, входящих в центральную догму либо дополняющих ее при реализации генетической информации. Репликация (передача генетической информации в направлении ДНКДНК), транскрипция(передача генетической информации в направлении ДНКРНК) и трансляция (передача генетической информации в направлении РНКбелок)вместе образуют основной поток генетической информации, а уже упоминавшиеся обратная транскрипция и репликация РНК дополняют его вособых случаях.

На уровне ДНК осуществляется ряд процессов, механизмкоторых в той или иной мере опирается на возможность матричного синтеза ДНК: репарация (восстановление целостности ДНК при ее повреждениях), рекомбинация (обмен генетическим материалом между ДНК похожих последовательностей), транспозиция (перемещение либо копирование4части ДНК из одного места в другое), интеграция (встраивание постороннего фрагмента в ДНК) и различные хромосомные перестройки, представляющие собой совокупность этих процессов.

На уровне РНК на матричныемеханизмы опирается процесс РНК-интерференции – регуляции функцийопределенных РНК другими РНК, частично комплементарными первым.Наконец, белки могут изменять генетический текст в молекулах ДНК иРНК различными способами: все описанные выше молекулярнобиологические процессы, а также нематричные процессы сплайсинга РНКи редактирования РНК (изменения последовательности РНК путем удаления части ее или химической модификации отдельных нуклеотидов), заочень редкими исключениями, происходят не сами по себе, а с участиембелковых компонентов.Можно считать, что установление механизмов передачи и реализациигенетической информации началось в XIX в. с открытием Г. Менделемпервых законов генетики. Результаты Менделя и независимые более поздние работы К.

Корренса, Г. де Фриза и Э. Чермака позволили сформулировать постулаты классической генетики, с которых началось современноепонимание молекулярных основ наследственности:1. Существуют единицы наследственной информации (гены), проявляющиеся на наблюдаемом внешнем (фенотипическом) уровне и передающиеся из поколения в поколение.2. Один ген может существовать в нескольких вариантах (аллелях).3. По отношению друг к другу аллели в своем проявлении на фенотипическом уровне могут быть доминантными и рецессивными.Первоначально законы Менделя были сформулированы для полностьюнезависимого наследования и комбинирования генов, однако в 1906 г.У. Бэтсон и Р.

Пеннет в опытах по скрещиванию растений обнаружили унекоторых генов тенденцию передаваться совместно. Объяснение этомувскоре дал Т. Морган, открывший такое же явление у дрозофилы. Онпредположил, что гены объединены в физически сцепленные структуры,которые впоследствии были отождествлены с наблюдаемыми клеточнымиструктурами – хромосомами. Более того, анализ редких событий кроссинговера – расщепления совместно наследуемых групп в процессе мейоза,сопровождающего образование гаплоидных гамет из диплоидных половыхклеток, – позволил Моргану сформулировать идею о том, что гены в хромосоме расположены линейно и что вероятность кроссинговера зависит отрасстояния между ними (рис.

2). В результате, сравнивая частоты кроссинговера между разными генами, оказалось возможным построить для разных видов живых организмов подробные генетические карты хромосом,отражающие реально существующий линейный порядок генов в них.5Рис. 2. Расщепление совместно наследуемых групп при кроссинговереНесмотря на успехи классического генетического подхода, химическаяприрода наследственности оставалась неясной. Например, Н. К.

Кольцов,первым в 1928 г. разработавший гипотезу матричной репродукции хромосом, полагал, что генетическим материалом служат молекулы белков. ДНКбыла открыта Ф. Мишером еще в 1868 г. в клетках гноя и молоках лосося,но рассматривалась как полимер сравнительно простой структуры, который не может нести значительного объема информации. Роль ДНК какносителя генетической информации была доказана в нескольких экспериментах, ставших классикой молекулярной биологии.В 1928 г. Ф. Гриффит провел эксперимент по заражению мышей разными штаммами бактерии – возбудителя пневмонии Streptococcuspneumoniae (рис. 3). Летальный для мышей штамм S (англ.

smooth – «гладкий») при росте на чашках Петри образует колонии с гладкой блестящейповерхностью. После гибели мышей из их тканей можно выделить бактерии, также принадлежащие к штамму S. Другой штамм, R (англ. rough –«шероховатый»), несет мутацию в гене, контролирующем синтез ферментаUDP-глюкозодегидрогеназы, необходимого для образования полисахаридной стенки бактериальной клетки. Из-за этого он образует шероховатыеколонии на чашках Петри и не убивает мышей при заражении, посколькуинактивируется их иммунной системой. Гриффит обнаружил, что тепловаяинактивация штамма S также приводит к тому, что он перестает заражатьмышей и не выделяется из их тканей. Однако при смешивании живогоштамма R и инактивированного штамма S мыши гибли, а из их тканей выделялся живой штамм S. Таким образом, при совместной инкубации из6убитых клеток штамма S в живые клетки штамма R переходило некое вещество, которое придавало штамму R патогенные свойства и котороеГриффит назвал «трансформирующим началом».

Оказалось также, чтобесклеточный экстракт штамма S также был способен трансформироватьштамм R. Однако природу трансформирующего начала Гриффит не определил.Рис. 3. Схема опытов Гриффита и Эйвери по доказательству роли ДНК как носителя генетической информацииК следующему этапу исследований относятся работы О. Эйвери,К. Маклеода и М. Маккарти (1944 г.), которые осуществили фракционирование бесклеточного экстракта штамма S на белки, ДНК, РНК, полисахариды и т. д. (рис. 3). Из этих фракций свойствами трансформирующегоначала обладала только фракция, содержащая ДНК, а при обработке фер7ментами, разрушающими ДНК, способность к трансформации терялась.Это указывает на то, что ДНК представляет собой наследственный материал.Рис. 4.