Молекулянрі основи спадковості

1. Молекулянрі основи спадковості

2. Що таке ген?

Існує кілька різних визначень, які є вірними у різних контекстах.
● Ген — фундаментальна, фізична та функціональна одиниця спадковості,
оскільки ген складається з нуклеотидів (що знаходяться у визначеному
сайті на хромосомі), що відповідають за фізичні та спадкові особливості
чи фенотип організму.
● Ген — це ділянка ДНК, яка кодує ознаку.
● Ген є основною фізичною та функціональною одиницею спадковості.

3. Ключові визначення

Фенотип ― сума спостережуваних характеристик організму.
Генотип ― повний набір спадкових генів організму або генів, які можуть
передаватися від батьків до нащадків.
Спадковість ― генетична передача фізичних і психічних характеристик від
одного покоління до іншого.
Мінливість ― потенціал генотипу змінюватися під впливом факторів
навколишнього середовища або генетичних факторів.

4. Ключові визначення

Геном ― являє собою повний набір ДНК організму, включаючи всі його гени.
Кожен геном містить всю інформацію, необхідну для створення та підтримки
всього організму.
Феном ― це сукупність усіх фенотипових ознак, виражених на клітинному,
тканинному, органному, організмовому чи видовому рівні. Подібно до того,
як геном і протеом означає всі гени і білки організму відповідно, то феном
являє собою суму всіх фенотипічних ознак.

5. Що передувало відкриттю ДНК як основного носія генетичної інформації?

1. Відомо, що гени асоціюються з певними характерними рисами,
але їх фізична природа невідома.
2. Відомо, що гени знаходяться в хромосомах.
3. Відомо, що хромосоми містять ДНК і білок.
4. Склад ДНК був відомий, і він вважався занадто «простим»,
щоб бути носієм генетичної інформації.
5. Описані важливі критерії, необхідні для того, щоб молекула була носієм
генетичної інформації.
○
○
○
○
Можливість зберігати генетичну інформацію і передавати її клітині в міру необхідності.
Можливість передачі інформації дочірній клітині з мінімальними помилками.
Фізична та хімічна стабільність, щоб інформація не була втрачена.
Здатність до генетичних змін.

6. Класичні експерименти: ДНК як генетичний матеріал

Ми розглянемо деякі класичні експерименти, які призвели до ідентифікації
ДНК як носія генетичної інформації:
● Фредерік Гріффіт: Бактеріальна трансформація
● Ейвері, МакКарті та МакЛеод: Визначення принципу трансформації
● Експерименти Херші та Чейза

7. Фредерік Гріффіт: Бактеріальна трансформація

У 1928 році британський бактеріолог
Фредерік Гріффіт провів серію
експериментів з використанням бактерій
Streptococcus pneumoniae і мишей.
Насправді, Гріффіт не намагався
ідентифікувати генетичний матеріал,
а намагався розробити вакцину
проти пневмонії.

8. Гріффіт використовував два споріднених штами бактерій, відомих як R і S

R штам
S штам
При вирощуванні в чашці Петрі бактерії R
утворювали колонії або скупчення споріднених
бактерій, які мали чітко окреслені краї та шорсткий
зовнішній вигляд (звідси абревіатура "R" —
від анг. rough).
S бактерії утворюють колонії, які мають округлий
і гладкий вигляд (звідси абревіатура "S" — від анг.
smooth). Гладкий вигляд колоній зумовлений
полісахаридною оболонкою, що продукується
бактеріями. Ця оболонка захищає бактерії штаму
S від імунної системи миші, роблячи їх вірулентними
(здатними викликати захворювання).
R -бактерії були невірулентними, тобто вони
не викликали розвиток хвороби при введенні миші.
1
2
У мишей, яким вводили живі S. бактерії розвивалася
пневмонії і вони помирали.
1 ― R штам
2 ― S штам

9. Бактеріальна трансформація

У рамках своїх експериментів Гріффіт вводив мишам вбиті нагріванням S-бактерії (тобто S-бактерії,
нагріті до високих температур, що спричиняло загибель клітин).
Не дивно, що вбиті теплом
S бактерії не викликали захворювання у мишей.
Однак експеримент набув несподіваного повороту, коли нешкідливі R-бактерії були об’єднані з
нешкідливими S-бактеріями, вбитими нагріванням, і в такій композиції вводилися миші.
Миша не тільки захворіла
на пневмонію і померла,
але коли Гріффіт взяв зразок крові
у мертвої миші, він виявив,
що в ньому є живі бактерії S!
Гріффіт зробив висновок, що бактерії штаму R, мабуть, перейняли те,
що він назвав "принципом трансформації", з вбитих нагріванням S
бактерій,
що дозволило їм "перетворитися"
на бактерії з гладкою оболонкою
і стати вірулентними.
Ось чому експеримент Гріффіта
має назву «Бактеріальна трансформація»

10. Ейвері, МакКарті та МакЛеод: Визначення принципу трансформації

У 1944 р. троє канадських та американських дослідників, Освальд Ейвері,
Маклін МакКарті та Колін МакЛеод, взялися за визначення
«трасформуючого принципу» Гріффіта.
Освальд Ейвері
Маклін МакКарті
Колін

11. Визначення принципу трансформації

● Щоб визначити ідентичність “принципу трансформації”, вчені почали з
того, що з великих культур S клітин, убитих нагріванням, через
багатоетапний ряд біохімічних реакцій (ретельно визначених
експериментально), поступово очищали “принцип трансформації”
шляхом вимивання, виділення, або ферментативного руйнування інших
клітинних компонентів .
● За допомогою цього методу їм вдалося отримати невеликі кількості
високоочищеного “принципу трансформації”, який потім вони могли
проаналізувати за допомогою інших тестів,
щоб визначити його ідентичність.

12. Кілька доказів з експериментів Ейвері та його колег свідчили, що трансформуючим принципом може бути саме ДНК:

Очищена речовина дала негативний
результат в хімічних тестах, відомих
для виявлення білків, але дала сильно
позитивний результат в хімічному тесті,
відомого для виявлення ДНК.
Елементний склад очищеного
“трансформуючого принципу” схожий
на ДНК в співвідношенні
азоту і фосфору.
Ферменти, що розщеплюють білок та
РНК, мало впливали на “принцип
трансформації”, але ферменти, здатні
деградувати ДНК, усували
трансформуючу активність.

13. Інтерпретація результатів визначення принципу трансформації

● Усі ці результати вказували на ДНК як на ймовірний “трансформуючий
принцип”. Однак Ейвері обережно трактував свої результати. Він вважав,
що все ще можливо, що реальним “принципом трансформації” була
якась забруднююча речовина, присутня у невеликих кількостях, а не
ДНК.
● Через цю невпевненість Ейвері дискусії щодо ролі ДНК тривали
аж до 1952 року, коли Альфред Херші та Марта Чейз застосували
інший підхід, щоб остаточно ідентифікувати ДНК
як генетичний матеріал.

14. Експерименти Херші та Чейза

У своїх тепер легендарних експериментах Херші та Чейз вивчали бактеріофаги
або віруси, які атакують бактерії.
Фаги, які вони використовували, були простими частинками, що складаються
з білка і ДНК: зовнішні структури з білка, внутрішня — з ДНК.
Херші та Чейз знали, що фаги прикріплюються до поверхні бактеріальної клітинихазяїна і вводять якусь речовину (або ДНК, або білок) у хазяїна.
Ця речовина дає "вказівки", які змушують бактерію-хазяїна почати продукувати
велику кількість фагів — іншими словами, це був генетичний матеріал фага.
До експерименту Херші вважав, що генетичний матеріал виявиться білком.

15. Підготовка до експерименту

Щоб встановити, чи вводить фаг ДНК або білок у бактерію-хазяїна, Херші
та Чейз підготували дві різні культури фагу. У кожній культурі фаг
продукувався у присутності специфічного радіоактивного елемента,
який був включений у макромолекули (ДНК та білок), з яких складається фаг.
● Один зразок був зроблений у присутності радіоактивного ізотопу сірки
35S. Сірка міститься у багатьох білках і відсутня в ДНК, тому таким чином
радіоактивна мітка містилася тільки у білках фагів.
● Інший зразок був зроблений у присутності 32P, радіоактивного ізотопу
фосфору. Фосфор міститься в ДНК, а не в білках, тому в результаті такої
обробки радіоактивна мітка містилася тільки у фаговій ДНК.

16. Підготовка до експерименту

Кожну серію фагу використовували для інфікування культури бактерій в різних
чашках. Після того, як інфекція розвилася, кожну культуру центрифугували,
видаляючи залишки фагу та фагові частини ззовні бактеріальних клітин.
Далі, культури центрифугували на високій швидкості, щоб відокремити бактерії
від фагових залишків.
Центрифугування змушує важчі матеріали, такі як бактерії, переміщатися
на дно пробірки і утворювати щільний осад, який називають гранулою.
Більш легкий матеріал, такий як середовище культивування, що використовується
для вирощування культур, разом з фагами і фаговими частинами, залишається
біля верхньої частини пробірки і утворює рідкий шар, який називається
надосадовою рідиною або супернатантом.

17. Результати експерименту

Коли Херші та Чейз виміряли радіоактивність в осаді та надосадовій рідині в обох своїх
експериментах, вони виявили, що в осаді виявилася велика кількість 32P, тоді як майже
всі 35S знаходилися у надосадовій рідині.
На основі цього та подібних експериментів Херші та Чейз дійшли висновку, що ДНК, а
не білок, була введена в клітини-хазяїна і являла генетичний матеріал фага.

18. Уотсон, Крік та Розалінд Франклін

● На початку 1950-х років американський біолог Джеймс Уотсон
та британський фізик Френсіс Крік висунули свою знамениту модель
подвійної спіралі ДНК. Вони першими перетнули фінішну пряму
в цій науковій «гонці», а інші, такі як Лінус Полінг (який відкрив вторинну
структуру білка), також намагалися знайти правильну модель ДНК.
● Замість того, щоб проводити нові експерименти в лабораторії, Уотсон
і Крік здебільшого збирали та аналізували наявні фрагменти даних,
об’єднуючи їх та структуруючи. “Ключ” до найважливіших ідей розуміння
структури ДНК прийшов від Розалінд Франклін, хіміка, що працювала
у лабораторії фізика Моріс Уілкінс.

19. “Зображення 51”

Франклін була експертом у силовій
техніці визначення структури
молекул, відомій як рентгенівська
кристалографія.
Коли кристалізована форма
молекули, наприклад ДНК,
піддається впливу рентгенівського
випромінювання, деякі промені
відхиляються атомами в кристалі,
утворюючи дифракційну картинку,
яка дає підказки
про структуру молекули.
Кристалографія Франклін дала
Уотсону і Кріку важливі підказки
щодо структури ДНК. Деякі з них
походять від знаменитого
"зображення 51", надзвичайно
чіткого та яскравого рентгенівського
дифракційного зображення ДНК,
створеного Франклін
та її аспірантом.
Для Уотсона Х-подібна
дифракційна картина зображення
Франкліна негайно запропонувала
гвинтову дволанцюгову структуру
ДНК.
зображення дифракційної картинки, створеної
ДНК (сучасна технологія)

20. Чи можна вважати, що Уотсон і Крік вкрали дані Франклін?

● Уотсон і Крік збирали дані ряду дослідників (включаючи Франклін,
Вілкінса, Чаргаффа та інших), щоб зібрати свою знамениту модель 3Dструктури ДНК.
● У 1962 році Джеймс Уотсон, Френсіс Крік та Моріс Вілкінс
були нагороджені Нобелівською премією з медицини.
● На жаль, на той час Франклін померла, а Нобелівські премії
не присуджуються посмертно.

21. Модель ДНК Уотсона і Кріка

Структура ДНК, представлена у моделі
Уотсона та Кріка, являє собою дволанцюгову,
антипаралельну, правосторонню спіраль.
Цукрово-фосфатний хребет ланцюгів ДНК
знаходиться зовні спіралі, тоді як азотисті
основи знаходяться всередині і утворюють
воднево-зв'язані пари, які утримують
дві нитки ДНК разом.
У наведеній моделі помаранчевий та
червоний атоми позначають фосфати
цукрово-фосфатного хребету, тоді як сині
атоми у внутрішній частині спіралі належать
до азотистих основ.

22. Фізична будова гена

23. Ключові моменти

● Два основні типи нуклеїнових кислот — ДНК і РНК.
● І ДНК, і РНК складаються з нуклеотидів, кожен з яких містить хребет
з п’яти-вуглецевого цукру, фосфатну групу та азотисту основу.
● ДНК забезпечує код діяльності клітини, тоді як РНК перетворює
цей код у білки для виконання клітинних функцій.
● Послідовність азотистих основ (A, T, C, G) у ДНК — це те, що по суті
формує риси організму.
● Азотисті основи A і T (або U в РНК) завжди поєднуюються між собою,
а C і G — між собою, утворюючи 5’-3’ фосфодіефірний зв’язок,
що міститься в молекулах нуклеїнової кислоти.

24. Ключові терміни

● Нуклеотид — мономер, що міститься в молекулах ДНК або РНК;
складається з азотистої гетероциклічної основи, яка може бути пурином
або піримідином, п’ятивуглецевого пентозного цукру та залишку
фосфатної групи.
● Геном — повна генетична інформація клітини, упакована у вигляді
дволанцюгової молекули ДНК.
● Мономер — порівняно невелика молекула, яка може бути ковалентно
зв’язана з іншими мономерами з утворенням полімеру.

25. Гени складаються з ДНК

ДНК — дезоксирибонуклеїнова
кислота
ДНК — це подвійна антипаралельна
спіраль (3' кінець однієї нитки
знаходиться протилежно до 5' кінця
іншої) полінуклеотидних ниток.
ДНК-мономери — це нуклеотиди,
що складаються з:
п’ятивуглецевого цукру —
дезоксирибози;
залишку фосфорної кислоти;
та однієї з чотирьох азотистих
основ (аденин, тимін, гуанін
або цитозин).

26. Молекула РНК також несе генетичний код

РНК — рибонуклеїнова кислота
Мономери РНК — це нуклеотиди,
що складаються з:
п’ятивуглецевого цукру —
рибози;
залишку фосфорної кислоти;
та однієї з чотирьох азотистих
основ (аденин, урацил, гуанін
або цитозин).
Молекула РНК зазвичай
представлена однією ниткою
(у деяких вірусів — двома)

27. Організація цукрового скелету

Як видно із самої назви,
дезоксирибоза — це рибоза, яка
втратила атом кисню — «де-окси».
Основа ДНК базується
на повторюваному шаблоні
цукрової та фосфатної групи.
Дезоксирибоза —
це модифікована форма
іншого цукру під назвою рибоза.
Рибоза — це цукор, що лежить
в основі РНК —
рибонуклеїнової кислоти.
На цих ілюстраціях пропущені
атоми вуглецю в кільцях для
наочності. Кожен із чотирьох кутів,
де немає атома, має атом вуглецю.

28. Нумерація атомів вуглецю

Що важливо знати про дезоксирибозу
та рибозу — це як нумеруються атоми
вуглецю в кільці.
Атому вуглецю праворуч від кисню на кільці,
присвоєно число 1, а вуглець на бічній групі
CH2OH має номер 5.
Ви помітите, що кожна цифра має маленьку
риску — наприклад, 3' або 5'. Якби ми просто
розглядали рибозу або дезоксирибозу
самостійно, це було б непотрібно,
але у великих полімерних молекулах
ДНК та РНК ці цукри приєднані до інших
сполук кільця.
Вуглець в цукрах відмічений апострофом,
щоб їх можна було відрізнити від будь-яких
чисел, наданих атомам в інших кільцях.

29. Приєднання фосфатної групи

Інша повторювана частина скелета ДНК — це фосфатна група. Фосфатна
група приєднана до молекули цукру замість -ОН групи на 5' вуглеці.
← азотиста основа
фосфатна група →
← цукор

30. Прикріплення основи та утворення нуклеотиду

Останній фрагмент, який нам потрібно
додати до цієї структури, перш ніж ми
зможемо побудувати ланцюг ДНК, —
це одна з чотирьох складних
органічних основ.
У ДНК цими основами є цитозин (С),
тимін (Т), аденін (А) та гуанін (G).
Ці основи приєднуються замість групи ОН до 1'-атома вуглецю
в цукровому кільці.

31. Те, що ми отримали, відоме як нуклеотид

Тепер нам потрібно розглянути
чотири азотисті основи.
Атоми азоту та водню, показані синім
кольором на кожній молекулі. Вони
виділені кольором, щоб бачити, де ці
молекули приєднуються до
дезоксирибози.
У кожному випадку водень втрачається
разом із -OH-групою на 1' атомі
вуглецю цукру.
Це реакція конденсації — дві молекули
з’єднуються разом із втратою малої
молекули (не обов’язково води).

32. З’єднання нуклеотидів у ланцюг ДНК

Ланцюг ДНК — це просто нитка
нуклеотидів, з'єднаних разом.
Фосфатна група одного нуклеотиду
зв'язується з 3' атомом вуглецю
на цукрі іншого.
В процесі цього втрачається молекула
води — інша реакція конденсації.

33. З'єднання двох ланцюгів ДНК разом

34. Важливість "пар основ"

Важливість "пар основ"
Перше, на що слід звернути увагу, це те,
що менша основа завжди поєднується
з більшою (піримідин з пурином).
Результатом цього є з’єднання двох
ланцюгів на постійній відстані один
від одного упродовж всієї довжини
ланцюша.
Але, крім цього, пара повинна бути
точною. . .
○
○
аденін (А) з’єднується з тиміном (Т);
гуанін (G) з’єднується з цитозином (С).
Саме ці пари точно підходять для
утворення дуже ефективних водневих
зв’язків між собою. Саме ці водневі
зв’язки утримують два ланцюга разом.
Пари основ з’єднуються так:

35. Остаточна структура ДНК, що показує важливі фрагменти

Два ланцюга знаходиться в протилежних
напрямках, а правий ланцюг, по суті, перевернутий
догори ногами. Зверніть увагу на позначені
3' і 5'-кінці.
Якби прослідкувати за лівим ланцюгом до самого
його кінця у верхній частині, то це була б фосфатна
група, приєднана до 5' вуглецю в кільці
дезоксирибози.
Якщо прослідкувати в зворотному напрямку,
то маємо -OH-групу, приєднану до 3' вуглецю.
Другий ланцюг комплементарний і, навпаки, має
у верхньому кінці 3' вуглець, а нижній — 5'.
Ці позначення 5' і 3' стають важливими, коли ми
починаємо говорити про генетичний код та гени.
Генетичний код у генах завжди записується
у напрямку від 5 'до 3' по ланцюжку.

36. Авторка презентації

Ольга
Шидловська