Предмет, этапы развития и методы генетики. Тема 1

1.

Тема 1.
Предмет, этапы развития и методы генетики

2.

Генетика
– наука о наследственности и изменчивости
(англ. genetics; автор термина – Уильям Бэтсон, 1906).
Наследственность – способность организмов передавать
свои признаки неизменными от поколения к поколению.
Проявляется на всех уровнях организации живой
материи (молекулярном, клеточном, популяционном и т.
д.).
Изменчивость – способность организмов приобретать
изменения в ходе индивидуального развития, а также
существовать в различных формах (вариантах).
Также проявляется на всех уровнях организации живой
материи.

3.

Фактически
вплоть до начала 20 века гипотезы о
механизмах наследственности имели умозрительный
характер.
Первые
идеи о механизмах наследственности
высказывали древние греки уже к V веку до н.э., в
первую очередь Гиппократ.
По его мнению, половые задатки (т.е. в нашем
понимании
яйцеклетки
и
сперматозоиды),
участвующие в оплодотворении, формируются при
участии всех частей организма, в результате чего
признаки родителей непосредственно передаются
потомкам, причем здоровые органы поставляют
здоровый репродуктивный материал, а нездоровые –
нездоровый.

4.

Это теория прямого наследования признаков.
Аристотель
(IV в до н.э.) высказывал несколько иную
точку зрения: он полагал, что половые задатки,
участвующие в оплодотворении, производятся не
напрямую из соответствующих органов, а из питательных
веществ, необходимых для этих органов. Это теория
непрямого наследования.
Много лет спустя, на рубеже 18-19 веков, автор теории
эволюции Ж.-Б. Ламарк использовал представления
Гиппократа для построения своей теории передачи
потомству новых признаков, приобретенных в течение
жизни.

5.

Теория
пангенезиса, выдвинутая Ч. Дарвином в
1868 году также базируется на идее Гиппократа. По
мнению Дарвина, от всех клеток организма
отделяются мельчайшие частицы - "геммулы",
которые, циркулируя с током крови по сосудистой
системе организма, достигают половых клеток.
Затем, после слияния этих клеток, в ходе развития
организма
следующего
поколения
геммулы
превращаются в клетки того типа, из которого
произошли,
со
всеми
особенностями,
приобретенными в течение жизни родителей.

6.

Отражением
представлений
о
передаче
наследственности
через
"кровь"
является
существование во многих языках выражений: "голубая
кровь", "аристократическая кровь", "полукровка" и т.д.
В 1871 году английский врач Ф. Гальтон (F. Galton),
двоюродный брат Ч. Дарвина опроверг своего великого
родственника.
Он переливал кровь черных кроликов белым, а затем
скрещивал белых между собой. В трех поколениях он
"не нашел ни малейшего следа какого-либо нарушения
чистоты серебристо белой породы".
Эти данные показали, что по крайней мере в крови
кроликов геммулы отсутствуют.

7.

В
80-е годы 19-го века с теорией пангенезиса не
согласился Август Вейсман (A. Weismann).
Он
предложил свою гипотезу, согласно которой в
организме существуют два типа клеток: соматические
и особая наследственная субстанция, названная им
"зародышевой плазмой", которая в полном объеме
присутствует только в половых клетках.

8.

Современная генетика – наука о наследственности
и изменчивости организмов - в настоящее время
проходит качественно новый этап своего развития,
связанный с изучением молекулярных основ
строения и функционирования генов и геномов,
проблем
генетической
инженерии
и
ее
использования
в
медицине,
биологической
промышленности, сельском хозяйстве и других
направлениях науки и практики.

9.

Историю генетики условно делят на три этапа.
Первый
этап классической генетики (1880 – 1930гг.),
связанный
с
созданием
теории
дискретной
наследственности (менделизм) и хромосомной теории
наследственности (работы Моргана и его школы).
Второй этап (1930 – 1953 гг.) – углубление принципов
классической генетики и пересмотр ряда ее положений,
исследования
по
мутационной
изменчивости,
доказательства сложного строения гена и генетической
роли молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)
как материальной основы наследственности в клетке.
Третий этап начинается с 1953 г., когда было описано
строение ДНК и ее свойства, начаты и продолжаются
работы по выделению ДНК и РНК и расшифровка
генетического кода.

10.

В последние годы активно исследуются молекулярные
основы строения и функционирования геномов,
устанавливаются
полные
нуклеотидные
последовательности геномов ряда организмов, в том
числе человека, ведутся интенсивные исследования в
области генетической инженерии.
Подходы к современной генетике наметились в 18-ом и,
особенно, в 19-ом веке.
Растениеводы-практики, такие как О. Сажрэ и Ш.
Нодэн во Франции, А. Гершнер в Германии, Т. Найт в
Англии обратили внимание на то, что в потомстве
гибридов преобладают признаки одного из родителей.
П. Люка во Франции сделал аналогичные наблюдения о
наследовании различных признаков у человека.

11.

Фактически
всех
их
можно
считать
непосредственными
предшественниками Менделя. Однако, только Мендель сумел глубоко
продумать и провести спланированные эксперименты. Уже в
первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно
выполнить два условия: растения должны обладать константно
различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от
влияния чужой пыльцы. Таким условиям удовлетворял род Pisum (горох).
Константность признаков была предварительно проверена в течение двух
лет. Это были следующие признаки: "различия в длине и окраске стебля, в
величине и форме листьев, в положении, окраске и величине цветков, в
длине цветочных побегов, в окраске, форме и величине стручков, в форме
и величине семян, в окраске семенной кожуры и белка". Часть из них
оказались недостаточно контрастными и дальнейшую работу он с ними не
проводил. Остались только 7 признаков. "Каждый из этих 7 признаков у
гибрида или вполне тождественен с одним из двух отличительных
признаков основных форм, так что другой ускользает от наблюдения, или
же так похож на первый, что нельзя установить точного различия между
ними". Признаки, "которые переходят в гибридные соединения
совершенно неизменными... обозначены как доминирующие, а те,
которые становятся при гибридизации латентными, как рецессивные". По
наблюдениям Менделя "совершенно независимо от того, принадлежит ли
доминирующий признак семенному или пыльцевому растению,
гибридная форма остается в обоих случаях той же самой".

12.

Таким образом, заслугой Менделя является то, что из непрерывной
характеристики растений он выделил дискрентные признаки,
выявил
константность и контрастность их проявления, а также он ввел понятие
доминантности и рецессивности. Все эти приемы впоследствии вошли в
любой гибридологический анализ любого организма. В результате
скрещивания растений, обладающих двумя парами контрастных
признаков, Мендель обнаружил, что каждый из них наследуется
независимо от другого. Признаки эти контрастны и не теряются при
гибридизации.
Работа
Менделя
не
смогла
заинтересовать
современников и не повлияла на распространенные в конце 19-го века
представления о наследственности.
Вторичное открытие законов
Менделя в 1900 году Гуго де Фризом (Н. de Vries) в Голландии, Карлом
Корренсом в Германии и Эрихом
Чермаком
в
Австрии утвердили
представления о существования дискретных наследственных факторов.
Мир уже был готов к тому, чтобы воспринять новую генетику. Началось
ее триумфальное шествие. Проверяли справедливость законов о
наследовании по Менделю (менделировании) на все новых и новых
растениях и животных и получали неизменные подтверждения. Все
исключения из правил быстро развивались в новые явления общей теории
наследственности. В 1906 году англичанин Уильям Бэтсон (W. Bateson)
предложил термин "генетика" (от латинского "geneticos" – относящийся к
происхождению или "geneo" - порождаю, или "genos" – род, рождение,
происхождение).

13.

В 1906 году английские генетики У Бэтсон и Р. Пэннет в опытах с
душистым горошком обнаружили явление сцепления наследственных
признаков, а другой английский генетик Л. Донкастер тоже в 1906 году
в опытах с бабочкой крыжовенной пяденицей открыл сцепленное с
полом наследование. На первый взгляд и те, и другие данные явно не
укладывались в менделевские законы наследования. Однако это
противоречие легко устраняется, если представить, что происходит
сцепление генов с одной из хромосом. С 1910 года начинаются
эксперименты группы Томаса Ханта Моргана (Т.Н. Morgan). Вместе со
своими учениками Альфредом Стертевантом (A. Sturtevant),
Кальвином Бриджесом (С. Bridges) и Германом Меллером (Н. Muller),
ставшими вместе с Морганом основоположниками генетики, он к
середине 20-х годов сформулировал хромосомную теорию
наследственности, согласно которой гены расположены в хромосомах
"как бусы на нити". Ими был определен порядок расположения и даже
расстояния между генами. Именно Морган ввел в генетические
исследования в качестве объекта маленькую плодовую мушку
дрозофилу (Drosophila melanogaster). В 1929 году А.С. Серебровский и
Н.П. Дубинин, еще не зная, что такое ген, на основании результатов
собственных исследований пришли к выводу о его делимости. Новый
этап развития генетики начался в 1930-1940-е годы: Дж. Бидл (J.
Beadle) и Э. Тэйтум (Е. Tatum) сделали заключение о том, что всякий
ген определяет синтез одного фермента. Они предложили формулу:
"Один ген – один фермент", или позднее, после уточнения: "один ген –
один белок", или "один ген – один полипептид«.

14.

В 1944 году в результате работ по трансформации у бактерий О. Эвери, К. МакЛеод и
М. МакКарти (О.Т. Avery, СМ. MacLeod, M. McCarty) показали что трансформирующим
агентом у пневмококков является ДНК, а следовательно, именно этот компонент
хромосом и является носителем наследственной информации. Примерно в это же время
было показано, что инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая
кислота. В 1952 году – Дж. Ледерберг и М. Зиндер (J. Lederberg, M. Zinder) открыли
явление трансдукции, т.е. переноса вирусами генов хозяина, показав тем самым роль
ДНК в осуществлении наследственности. Новый этап развития генетики начинается с
момента расшифровки структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и (J.D. Watson, род. 1928,
F. Crick, род. 1916), которые обобщили данные рентгеноструктурного анализа,
полученные Моррисом Уилкинсом и Розалинд Франклин. Этот этап развития генетики
богат выдающимися открытиями, особенно крупное было связано с расшифровкой
генетического кода (С. Очоа и М. Ниренберг в США, Ф. Крик в Англии). А в 1969 году
в США Г. Хорана с сотрудниками синтезировали химическим путем первый ген.
Достаточность знаний о механизмах наследственности привела к развитию новой науки
– генетической инженерии. С использованием генно-инженерных приемов из многих
живых организмов выделяют и изучают гены, переносят гены из одних организмов в
другие. В 1976 году была выделена и клонирована ДНК мобильных элементов генома
(Г.П. Георгиев с сотрудникми в СССР, Д. Хогнесс (D. Hogness) с сотрудниками в США).
С 1982 года, используя мобильные элементы генома в качестве вектора, содержащего
тот или иной ген, начаты опыты по трансформации дрозофилы (Дж. Рубин, А.
Спрадлинг, США). Конец 1980-х - 1990-е годы характерны беспрецедентной
активностью генетиков по расшифровке процессов развития, осуществляемого под
контролем генов (Е. Lewis, С. Nusslein-Volhard, E. Wieshaus, W. Gehring, A. GarciaBellido, D. Hogness).

15.

В
СССР золотой век генетики начался вскоре после
Октябрьской революции в 1917 году.
В середине тридцатых годов, по мнению многих
современных ученых, советская генетика несомненно
стояла на втором месте в мире после США.
Наиболее крупной фигурой российской генетики был и
надолго
останется,
Н.И.
Вавилов,
открывший
параллельность
наследственной
изменчивости
у
растений (1922), и центры происхождения культурных
растений (1927).
Заслуги Вавилова еще при жизни были оценены
современниками.

16.

Его
имя было занесено на обложку основного в то время
генетического журнала "Heredity" вместе с именами других
крупнейших генетиков мира. Н.К. Кольцов, глава московской
школы генетиков, предложил в 1935 году гипотезу о
матричном принципе репродукции гена и предложил идею,
что все гены в хромосоме представляют одну гигантскую
молекулу. А.С.Серебровский и Н.П.Дубинин в 1929 году
впервые продемонстрировали сложную организацию гена.
С.С.
Четвериков
в 1926 г. заложил основы
экспериментальной генетики популяций. А.С. Серебровский
(1940) предложил уникальный биологический метод борьбы
с вредителями сельского хозяйства.
Ю.А. Филипченко
за свою короткую жизнь сделал
выдающийся вклад в генетику растений и домашних
животных, Г.Д. Карпеченко впервые получил межродовые
гибриды растений.

17.

Г.А. Левитский был выдающимся цитогенетиком. Г.А.
Надсон и Г.С. Филиппов впервые в 1925 индуцировали
мутации с помощью рентгеновских лучей. Можно
привести огромный список фамилий выдающихся
ученых мирового уровня: Б.Л. Астауров, И.А.
Раппопорт, А.А. Прокофьева-Бельговская, М.Л.
Бельговский, П.Ф.Рокицкий, Н.В. Тимофеев-Ресовский,
Ф.Г. Добжанский, Б. Эфрусси, М.Е. Лобашев, В.В.
Сахаров. Многие выдающиеся зарубежные ученые
работали в российских лабораториях того времени: У.
Бэтсон, С. Харланд и К.Д. Дарлингтон из Англии, Э.
Баур и Р. Гольдшмидт из Германии, К. Бриджес, Л.
Дэнн и Г. Меллер из США, Д. Костов из Болгарии.

18.

Ситуация
начала ухудшаться в конце 20-х годов, когда
некоторые неоламаркисты стали активно защищать теорию
наследования приобретенных в ходе жизни свойств
организма.
Эти неоламаркисты получили существенную помощь от
группы философов-марксистов, таких как М.Б. Митин и П.Ф.
Юдин, заявивших, что теория Ламарка соответствует
основным постулатам диалектического материализма.
Их оппоненты обвинялись в "идеализме", в том смысле, что
они отрицают возможность влияния внешней среды на
наследственность.
Правительство сильно поддерживало ламаркистов, даже
пригласило известного автрийского ламаркиста Пауля
Камерера занять высокий пост в советской биологической
науке.
Многие генетики протестовали против данных П. Камерера
(Н.К. Кольцов, А.С. Серебровский, Ю.А. Филипченко, М.Л.
Левин, С.Г. Левит, С.С. Четвериков).

19.

Ситуация
начала ухудшаться в конце 20-х годов, когда
некоторые неоламаркисты стали активно защищать
теорию наследования приобретенных в ходе жизни
свойств организма. Эти неоламаркисты получили
существенную помощь от группы философов-марксистов,
таких как М.Б. Митин и П.Ф. Юдин, заявивших, что
теория Ламарка соответствует основным постулатам
диалектического материализма.
Их оппоненты обвинялись в "идеализме", в том смысле,
что они отрицают возможность влияния внешней среды
на наследственность.
Правительство сильно поддерживало ламаркистов, даже
пригласило известного автрийского ламаркиста Пауля
Камерера занять высокий пост в советской биологической
науке. Многие генетики протестовали против данных П.
Камерера (Н.К. Кольцов, А.С. Серебровский, Ю.А.
Филипченко, М.Л. Левин, С.Г. Левит, С.С. Четвериков).

20.

В свою очередь правительство критиковало этих ученых. В 1929
году, после самоубийства П. Камерера, узнавшего о разоблачении
его научной подделки, С.С. Четвериков и его аспирант П.Ф.
Рокицкий были арестованы. Четвериков был сослан на Урал, затем
смог переехать во Владимир, потом в Горький, но в Москву путь
ему был закрыт. В середине 1930-х годов дискуссии вновь
возобновились, но уже с участием быстро набирающего силу Т.Д.
Лысенко. Т.Д. Лысенко базировался на следующих постулатах: Он
отрицал существование генов, объявляя их выдумкой буржуазных
идеалистических
ученых.
Хромосомы,
по
его
мнению,
не
имели
никакого отношения к
наследственности. Он отрицал законы Менделя, считая их
"выдумкой католического монаха". Лысенко безусловно принимал
идею наследования приобретенных признаков и отрицал роль
отбора в эволюции, который считал "ошибкой Дарвина". Лысенко
считал, что один вид внезапно, в результате скачка, может
превратиться в другой, например, береза в ольху, овес – в пшеницу,
кукушка
–
в
пеночку.

21.

Лысенко никогда не проверял свои идеи ни экспериментально,
ни сравнивая с литературными данными. Он заявлял, что
источником его знаний являются работы И.В. Мичурина и К. А.
Тимирязева, а также "классиков марксизма". На основе этих
"знаний" он предлагал рецепты быстрого улучшения сельского
хозяйства в целом, быстрого выведения ценных сортов растений
– в 2-3 года, в то время как методы, базирующиеся на основе
законов Вейсмана-Менделя-Моргана, требуют 10-15 лет работы.
Сталин поддержал Лысенко. Началось его быстрое продвижение
по карьерной лестнице: в 1934 – академик АН Украины, 1935
академик ВАСХНИЛ, в 1938 - президент этой Академии, 1939 академик АН СССР. После ареста Вавилова, в 1940 году
Лысенко стал директором института генетики АН СССР. С 1937
по 1966 год Лысенко – депутат Верховного Совета СССР и
заместитель его председателя. Он лауреат государственной
премии и не менее 8 раз кавалер ордена Ленина, в 1945 году стал
Героем Социалистического Труда. Правой рукой Лысенко был
морально разложившийся тип – И.И. Презент, бывший адвокат.
Он
давал
"идеологически
выверенные"
объяснения
биологических
теорий
Лысенко.

22.

В
конце 1936 и 1938 годах состоялись публичные
дискуссии, организованные философом М.Б. Митиным –
редактором журнала "Под знаменем марксизма".
Сторону генетиков поддерживали будущий Нобелевский
лауреат Г. Меллер, а также А.Р. Жебрак, Н.И. Вавилов и
Н.П. Дубинин. Однако, уже на этом этапе научная
сторона дискуссий не интересовала ни лысенковцев, ни
поддерживавших их правителей СССР. Вскоре после
последней дискуссии (в 1940 году) Вавилов был
арестован и погиб в тюрьме гор. Саратова от истощения.
Место его могилы неизвестно до сих пор. В 1939 году
злобная статья против Н.К. Кольцова появилась в
"Правде". Затем была комиссия, включающая Лысенко, в
возглавляемый
Н.К.
Кольцовым
Институт
экспериментальной биологии (ныне Институт биологии
развития РАН им. Н.К. Кольцова).

23.

На
основании заключения комиссии Кольцов был снят с
должности директора. Через несколько месяцев он умер от
инфаркта миокарда.
После ареста Вавилова пошла волна арестов среди других
генетиков. В камерах пыток погибли Г.А. Левитский в возрасте
64 лет, Г.Д. Карпеченко в возрасте 43 лет, Г.К. Мейстер, другие
генетики: Н.К. Беляев, С.Г. Левит, И. Агол, М. Левин.
Апофеозом могущества Лысенкостала печально знаменитая
августовская сессия ВАСХНИЛ 1948 года.
Вся процедура этого заседания была фарсом, специально
подготовленным для расправы над генетикой. Заслуживают
восхищения те из немногих генетиков, которые, зная, что это
фарс, пошли и сказали свои последние слова в защиту
генетики. Вот их имена: И.А. Рапопорт, М.М. Завадовский,
СИ. Алиханян, И.А. Поляков, П.М. Жуковский, И.И.
Шмальгаузен,
А.Р.
Жебрак,
B.C.
Немчинов.

24.

Часть из них не выдержала, и к концу сессии они сломались,
отступили от генетики, видимо после того как Лысенко
заявил, что тов. Сталин прочитал и полностью одобрил его
доклад о разгроме генетики. Все они потеряли работу, кроме
И.А. Рапопорта, которого, как героя войны, оставили в покое.
Сразу после августовской сессии ВАСХНИЛ 1948 года были
составлены списки, по которым множество ученых-генетиков
были уволены из вузов и академических институтов. Из
журналов вырывали страницы, где были статьи генетиков, в
статьях вымарывали слова "ген", "генетика", "хромосома".
Множество ученых были отправлены в ссылки. Некоторым
ученым, например, Дубинину, Лобашеву, ПрокофьевойБельговской удалось выстоять, не отказываясь от своих
убеждений, благодаря смене научной специализации;
Дубинин несколько лет работал орнитологом, Лобашев –
физиологом, Прокофьева-Бельговская микробиологом. А З.С.
Никоро – пианисткой в кинотеатре.

25.

После смерти Сталина началось медленное восстановление
генетики. Стали
появляться
разрозненные публикации с
критикой Лысенко.
Сначала
авторами были химики и физики, затем к ним
присоединились
биологи
(Сукачев,
Любищев,
Медведев,
Кирпичников).
Решающий перелом наступил в 1957 году. М.Е. Лобашев начал
читать генетику в Ленинградском университете, в Новосибирске в
этом же году М.А. Лаврентьев решил основать Институт цитологии
и генетики в структуре Сибирского отделения АН СССР.
В Киевском университете генетику начал читать П.К. Шкварников с
1958 года. И.В. Курчатов организовал в своем суперсекретном
Институте атомной энергии радиобиологический отдел (ныне
Институт молекулярной генетики РАН).
Тем не менее, вплоть до 1965 года нельзя было негативно упоминать
сессию ВАСХНИЛ 1948 года, о преподавании генетики в ЛГУ, о
строительстве Института в Новосибирске, о подготовке Лобашевым
первого послевоенного учебника по генетике. Все это делалось на
полулегальном уровне.

26.

Более того, возникла новая "гениальная социалистическая идея":
неграмотная пенсионерка О.Б. Лепешинская заявила, что клетки
возникают не путем митотического деления по принципу Р. Вирхова
«cellula e cellula», а непосредственно из "живого вещества" –
например из протухшего яичного желтка. Принцип же Вирхова был
объявлен "выдумкой буржуазного идеалиста". Лысенко с его
шайкой поддержали Лепешинскую. Другая "теория", поддержанная
Лысенко, была предложена Г.И. Бошьяном, полагавшим, что вирусы
могут трансформироваться в бактерии и обратно. Интересно
сравнить то, что делалось в 1950-ые годы за рубежом и в России:
расшифровка структуры ДНК и генетического кода там и
средневековая охота на ведьм – тут. Как же получилось, что
старушка-пенсионерка завладела "умами" "биологов" и правителей
России? Не в последнюю очередь это и потому, что на стене Домана-набережной в Москве до сих пор висит мемориальная доска: "В
этом доме жили ... и О.Б. Лепешинская - соратники В.И. Ленина".
По свидетельству одного из активных последователей Лысенко и
Лепешинской, А.Н. Студитского, сделанному несколько лет назад,
"Лысенко
задержал
развитие
генетики
на
40
лет".

27.

Основными направлениями работы в настоящее
время исследований являются:
Изучение
генетических
процессов
регуляции
жизнедеятельности растений и животных с целью
управления их продуктивностью, качеством,
устойчивостью.
Изучение
структурнофункциональной организации и изменчивости
геномов,
генно-инженерные
и
клеточные
технологии,
биобезопасность.
Изучение
генетических
проблем
устойчивости
и
изменчивости организмов в условиях техногенного
загрязнения среды.

28.

Основные
научные
и
практические
достижения:
Исследовательские гранты Гранты ЮНЕСКО, НАТО,
ИНТАС,
ИНКО-КОПЕРНИКУС,
Фонда
Макартуров,
Международного
научного
фонда,
Белорусского
республиканского фонда фундаментальных исследований.
Продукция и услуги: анализ пищевого сырья и продуктов
питания
на
ГМО
ДНК-паспортизация
сортов
сельскохозяйственных
культур
ДНК-маркирование
сельскохозяйственных
растений
и
животных
по
хозяйственно-полезным признакам
ДНК-диагностика
наследственных заболеваний человека ДНК-идентификация
диких животных и микроорганизмов
разработка и
экспертиза
нормативно-правовой
базы
в
области
биобезопасности проведение семинаров и консультации по
вопросам безопасности генно-инженерной деятельности.

29.

Генетика является теоретической основой современной
биологии. Она объединяет разрозненные области
биологической науки, дает ключ к пониманию
сущности жизненных форм и явлений. Вместе с тем,
генетика с ее отраслью селекцией давно уже стала
производительной
силой.
Она
позволяет
с
использованием чисто научных (наукоемких) методов
(приемов) создавать новые ценные сорта, породы,
штаммы, а в последнее время, с появлением генной
инженерии и геномики, генетика придала человеку
поистине неограниченные возможности в создании
организмов с заданными свойствами.

30.

Белки
являются
основой
видовой
и
индивидуальной специфичности. В клетке –
огромное количество белков, выполняющих
различные функции. От структуры белков зависят
практически все признаки клеток и организмов,
даже те, которые непосредственно не связаны с
белками. 9 Пример: Цвет глаз зависит от наличия
белка – фермента, который синтезирует пигмент
радужной оболочки.

31.

Белки
являются
основой
видовой
и
индивидуальной специфичности. В клетке –
огромное количество белков, выполняющих
различные функции. От структуры белков зависят
практически все признаки клеток и организмов,
даже те, которые непосредственно не связаны с
белками. Пример: Цвет глаз зависит от наличия
белка – фермента, который синтезирует пигмент
радужной оболочки.

32.

Каждый
белок
в
организме
синтезируется
(тиражируется) с одного и того же шаблона (матрицы).
Роль такой матрицы играет молекула и – РНК, а для неё
матрица – ДНК. В данном случае уместна аналогия с
типографией или фотографией (оригинал – негатив –
позитив). В ДНК заключена вся информация о
структуре и функции всех белков, а значит, обо всех
признаках каждой клетки и организма в целом. Эта
информация, заключенная в ДНК, называется
генетической, или наследственной (т. к. она передаётся
по наследству). Матричный принцип впервые
сформулировал и обосновал Николай Константинович
Кольцов в 1928…1935 гг.

33.

Нуклеиновые кислоты открыл в 1869 г. швейцарский врач
Фридрих Мишер (1844 – 1895 гг.). Из распавшихся клеток
гноя путем экстракции соляной кислотой он выделил
вещество, содержащее фосфор и азот, которое назвал
нуклеином (лат. nucleus – ядро), т. к. считал, что оно
содержится только в ядре клетки. Он выделил нуклеин также
из другого, ещё более удобного объекта – молок лосося.
Затем было установлено, что нуклеиновые кислоты бывают
2х видов: «животная» и «растительная». Позднее первая из
них была названа ДНК, а вторая – РНК, и было показано, что
оба эти вещества содержатся как в животных, так и в
растительных клетках. ДНК чаще всего выделяли из тимуса
(зобная железа) телёнка, РНК – из дрожжей или зародышей
пшеницы.

34.

Краткие сведения о структуре ДНК 1. Мономером
является нуклеотид, который состоит из нуклеозида
и остатка фосфорной кислоты.
Нуклеозид, в свою очередь, состоит из азотистого
основания и сахара (дезоксирибозы, которая
относится к пентозам). Азотистые основания:
Пурины: аденин и гуанин (в молекуле 2
гетероцикла: 6- и 5- членные).
Пиримидины: тимин, цитозин и урацил (в молекуле
одно 6 – членное кольцо).

35.

В 1949 – 1951 гг. группа американских ученых под
руководством Эдвина Чаргаффа установила важные
закономерности химического состава ДНК, которые
были названы правилами Чаргаффа: 1) Содержание
пуринов (А+Г) = содержанию пиримидинов (Т+Ц).
2) Содержание А = содержанию Т. 3) Содержание Г
= содержанию Ц. 2. Нуклеотиды образуют
полинуклеотидные цепи: углеродный атом в 5' –
положении дезоксирибозы одного нуклеотида через
остаток ортофосфорной кислоты соединяется с
углеродным атомом в 3' – положении соседнего
нуклеотида. Число полинуклеотидных цепей равно
двум. Антипараллельность – противоположная
ориентация двух цепей.

36.

3. Каждая цепь образует спираль по 10 пар оснований
в каждом витке; длина одного витка – 3,4 нм. Диаметр
спирали – 1,7 нм. 4. Цепи закручены одна вокруг
другой, и обе вместе - вокруг общей оси. Такая
спираль называется плектонемически закрученной, т.
е. её компоненты нельзя разделить без раскручивания.
Спираль имеет одну мелкую бороздку (шириной 12 А)
и одну глубокую (шириной 22 А). 5. Молекулы сахара
и фосфатные группировки находятся снаружи спирали
(это – сахаро – фосфатный остов), а основания –
внутри, где они расположены с интервалом 0,34 нм
под прямым углом к оси молекулы. 6. Цепи
удерживаются вместе водородными связями между
основаниями (2 связи между А и Т, 3 – между Г и Ц).

37.

Пары, образуемые основаниями, всегда
специфичны (А соответствует Т, а Т – А и Г
соответствует Ц, а Ц – Г); т. е. основания и цепи
комплементарны друг другу (принцип дополнения:
если известна последовательность одной цепи, то
легко предсказать последовательность другой). 8.
Последовательности нуклеотидов – это и есть та
информация, которая определяет структуру белков
и их уникальность.
7.

38.

9. Существуют 5 форм ДНК: - В – форма, правозакрученная (при
движении вдоль оси вверх спирали поворачиваются вправо);
основное состояние ДНК в кристаллах и растворе; - А – форма,
правозакрученная, более плотно упакованная, чем В – форма;
ДНК переходит в эту форму при транскрипции, в месте контакта
с РНК-полимеразой; - Z – форма – левозакрученная; образуется в
плазмидах при суперспирализации и в междисках политенных
хромосом дрозофилы; - С – форма – правозакрученная, по
степени растянутости промежуточнач между А и В; существует
при пониженной концентрации Na и влажности 44-66 %; - D –
форма – правозакрученная, закручена сильнее, чем В-ДНК и
имеет глубокий малый желоб (удобную полость для воды и
ионов); встречается только в АТ-богатых участках фага Т2.
Пространственную структуру ДНК расшифровали в 1953 г.:
Джеймс Уотсон (р. 1928 г.) – американский биохимик, Френсис
Крик (р. 1916 г.) – английский физик, Морис Уилкинс (р. 1916 г.)
– английский физик (рентгеноструктурный анализ ДНК). Они
предложили пространственную модель ДНК в виде двойной
спирали, за что в 1962 г. стали лауреатами Нобелевской премии.

39.

Репликация ДНК Репликация – процесс удвоения
молекул ДНК. Он основан на следующих принципах:
1. Комплементарность – каждая дочерняя нить образуется
по матрице, которой служит материнская нить.
2. Полуконсервативность – в каждой дочерней двойной
спирали одна нить старая, т. е. половина материнской
молекулы «законсервирована» в дочерней. Возможными
моделями были также консервативная и дисперсионная
(из фрагментов). В 1958 г. М. Мезелсон, Ф. Сталь и Д.
Виноград доказали существование полуконсервативного
механизма на основании опытов центрифугирования ДНК
E.сoli, меченной изотопами 15N и 14N, в градиенте
концентрации Cs Cl.
5.

40.

3. Антипараллельность. Две комплементарные нити
синтезируются в противоположных направлениях. ДНК –
полимераза III, которая осуществляет синтез новой цепи,
движется по материнской нити только от 3' – конца к 5' –
концу, т. е. синтез двух новых цепей идет в
противоположных
направлениях.
Новая
же
нить
наращивается всегда от 5' – к 3' – концу. 4. Прерывистость.
Двойная спираль должна быть раскручена, чтобы сработала
ДНК – полимераза, но вся огромная хромосома не может
быть раскручена из одной точки, т.к. временные и
энергетические затраты были бы слишком велики. Поэтому
раскручивание и репликация начинается одновременно в
нескольких местах, которые называются точками начала
репликации (origin). На самом деле это не точки, а участки
ДНК
протяженностью
300
п.
н.,
узнаваемые
специфическими белками. Двойная цепь ДНК, начиная от
локуса ori, разделяется на 2 цепи под действием фермента
ДНК – геликазы (рвёт водородные связи). Процесс идет в
двух противоположных направлениях с образованием двух
репликационных вилок (между ними – репликационный
глазок).

41.

Образующиеся
одинарные цепи стабилизируются SSB белками, связывающими однонитевую ДНК (от англ. single
– strand DNA – binding proteins), которые «садятся» на
остовы цепей. Тетрамер этого белка связывается с
участком ДНК протяженностью 32 нуклеотида. Более 200
молекул белка присутствует в каждой репликационной
вилке. Расхождение спирально закрученных цепей
родительской
ДНК
обусловливает
образование
суперспиралей (супервитков) перед репликационной
вилкой, это вызывает напряжение в молекуле ДНК и
должно было бы приводить к скорой остановке процесса.
Однако этого не происходит благодаря действию фермента
ДНК – гиразы (относится к классу ДНК – топоизомераз).
Он разрывает одну из цепей родительской ДНК,
связываясь с ней ковалентно; далее происходит вращение
обрывка этой цепи вокруг неразорванной второй цепи и
снятие напряжения. После этого происходит отсоединение
ДНК – гиразы и восстановление фосфодиэфирной связи
разорванной цепи

42.

Синтез дочерних цепей ДНК осуществляет фермент ДНК –
полимераза
III;
мономерами
являются
дезоксирибонуклеозидтрифосфаты
(дНТФ),
которые
связываются друг с другом ковалентно и отдают в раствор
(точнее, в кариоплазму) пирофосфат. Однако ДНК –
полимераза не может начинать синтез путем соединения двух
первых нуклеотидов; она лишь может пришивать очередной
дНТФ к 3' – ОН – концу уже имеющейся дочерней цепочки
определенной длины, т. е. нужна некая «затравка». Поэтому
репликационная вилка является асимметричной: из двух
синтезируемых цепей одна («лидирующая») строится
непрерывно, ее синтез идет быстрее, затравкой служит 3' –
конец другой материнской цепи в точке начала репликации.
Другая цепь называется запаздывающей, или отстающей, т. к.
она растет путем сборки из отдельных фрагментов, которые
называются фрагментами Оказаки; их длина: 1000…2000
нуклеотидов у прокариот и 100…200 нуклеотидов у эукариот.

43.

Фрагменты
Оказаки
синтезируются
в
«разрешенном» направлении (от 5' – к 3' – концу),
но с участием РНК – затравок, или праймеров. Роль
затравок выполняют короткие последовательности
РНК (около 10 рибонуклеотидов), образующиеся на
матричной цепи ДНК с помощью РНК – праймазы.
Праймаза связывается с ДНК – геликазой и ДНК,
образуя некий комплекс – праймосому, и
синтезирует на отстающей цепи РНК – затравку.
Эта затравка удлиняется за счет действия ДНК –
полимеразы I, которая затем отделяется от ДНК.

44.

После этого ДНК – полимераза III удаляет РНК –
затравку и одновременно заполняет бреши ДНК нуклеотидами. После замены всех нуклеотидов
РНК на нуклеотиды ДНК остается разрыв между
соседними
фрагментами
Оказаки,
который
«сшивается» ДНК – лигазой. Интересно, что
отстающая цепь изгибается так, что ее ДНК –
полимераза III образует комплекс с ДНК –
полимеразой
лидирующей
цепи
(«модель
тромбона»). Весь этот сложно организованный
комплекс цепей нуклеиновых кислот и ферментов
называют
репликационной
машиной,
или
реплисомой.

45.

Скорость репликации: ~1000 нуклеотидов в секунду у
прокариот, ~100 нуклеотидов в секунду у эукариот.
Участок ДНК между точкой начала репликации (ori) и
точкой ее окончания (сайт терминации, ter) называется
репликоном. Для терминации необходим специальный
белок
(продукт
гена
tus),
который
узнает
последовательности ter и предотвращает дальнейшее
продвижение вилки репликации. У бактерий хромосома
представляет собой один репликон, в эукариотической
хромосоме
имеются
десятки
репликонов.
В
бактериальной клетке процесс синтеза ДНК ведут 15
разных ферментов, в эукариотической клетке их еще
больше. Сложность и координированность процессов
репликации
ДНК
обеспечивают
точность
воспроизведения
генетической
информации.
Исследовал механизмы репликации американский
биохимик Артур Корнберг (р. 1918 г.), который в 1957 г.
обнаружил у E.сoli фермент ДНК–полимеразу I.
Получил Нобелевскую премию в 1959 г. за открытие
механизма биосинтеза ДНК.

46.

Спасибо за внимание!