История открытия ДНК

    Авторадиографии ДНК получают, выращивая некоторые клетки (такие как бактерии или быстро растущие корни растений) в среде, содержащей тимидин (один из нуклеотидов ДНК с пиримидиновым основанием — тимин), помеченный тритием. Тритий, таким образом, включается во все вновь образующиеся ДНК. Затем материал тонким равномерным слоем располагают на пленке (корне растений, к примеру), тщательно раздавливают и распределяют. После промывки и удаления тимидина пленку покрывают фотоэмульсией и оставляют в темном месте, иногда на несколько месяцев. При проявлении эмульсии на пленке возникают темные зерна серебра в тех местах, где распадались атомы трития. Так на фотографии можно опознавать меченые клетки и их части.

    В ряде опытов в среде с тритием  выращивали бактерии Е. coli и после осторожно выделяли из них молекулы ДНК, растворяли их в воде, заставляя распрямляться на поверхности, и медленно осаждали раствор на фильтровальной бумаге. Такая техника показала, что молекула представляет собой кольцо с длиной окружности более 1 мм, то есть в тысячу раз больше клетки, в которой она обычно упакована. Хромосомы, как правило, оказывались в процессе репликации, и на авторадиографиях видны две точки ветвления, там, где ДНК-полимеразы движутся в противоположных направлениях. Так модель Уотсона—Крика была подтверждена экспериментальными наблюдениями, хотя практика преподнесла и свои неожиданности.

Единственная  хромосома Е. coli составляет весь без исключения геном этого организма. Это относительно маленький геном, хотя в нем и содержится около 3,8х10⁶ нуклеотидных пар. Следует, кстати, упомянуть о том, что молекулярные генетики часто не слишком аккуратно подходят к измерению молекул ДНК. Собственно говоря, основная единица — это нуклеотидная пара (н.п.), но ее отождествляют с основанием (базой) и измеряют длину ДНК в базах или килобазах (kb), то есть в тысячах баз, или нуклеотидных пар.[8] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2.2 Разнообразие форм и размеры ДНК 

    ДНК может находиться в линейной или  кольцевой форме (рис.1). Бактериальные плазмиды, хромосомы некоторых бактерий, большинство митохондриальных и хлоропластных ДНК, геномы вирусов млекопитающих представлены единственной ковалентно замкнутой кольцевой дуплексной молекулой ДНК.

    Не  все ДНК являются двуцепочечными. Геномы некоторых мелких вирусов бактерий, растений и животных представляют собой ковалентно замкнутые кольца, состоящие только из одной цепи. Все известные одноцепочечные кольцевые ДНК относительно малы.

    Размеры молекул ДНК обычно выражаются числом образующих их нуклеотидов. Эти размеры  варьирует от нескольких тысяч пар нуклеотидов у бактериальных плазмид и некоторых вирусов до многих сотен тысяч пар нуклеотидов у высших организмов. Такие гигантские молекулы должны быть чрезвычайно компактно упакованы в клетках и вирусах. Например, длина ДНК нуклеотида кишечной палочки, состоящей примерно из четырех миллионов пар нуклеотидов, равна 1,4 мм, что в 700 раз превышает размеры самой бактериальной клетки. Общая длина всей ДНК в одной единственной клетке человека составляет примерно 2 м. Если же учесть, что организм взрослого человека состоит примерно из 1013 клеток, то общая длина всей ДНК человека должна составлять около 2х1013 м, или 2х1010 км (для сравнения: окружность земного шара — 4х104 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,44х108 км). Это объясняется тем, что двойная спираль ДНК не является абсолютно жесткой, что делает возможным образование перегибов, петель, сверхспиральных структур и т. д. В нуклеотиде бактерий такая укладка поддерживается небольшим количеством специальных белков и, возможно, рибонуклеиновыми кислотами. В эукариотических клетках с помощью универсального набора основных белков гистонов и некоторых негистоновых белков ДНК превращается в очень компактное образование — хроматин, который является основным компонентом хромосом. Например, длина ДНК самой большой хромосомы человека равна 8 см, а в составе хромосомы благодаря упаковке она не превышает 8 нм. 
 

    

    Рисунок 1 – Схематическое изображение  ДНК — линейной, кольцевой двуцепочечной и сверхспиральной кольцевой [9] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Функции ДНК 

    В молекуле ДНК с помощью биологического кода зашифрована последовательность аминокислот в пептидах. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех нуклеотидов, в этом случае образуется 64 триплета, из которых 61 кодируют аминокислоты, а 3 являются бессмысленными и выполняют функцию знаков препинания (АТТ, АЦТ, АТЦ).

    Шифрование  одной аминокислоты несколькими  триплетами получило название «вырожденность триплетного кода». Важными свойствами генетического кода является его специфичность (каждый триплет способен кодировать только одну аминокислоту), универсальность (свидетельствует о единстве происхождения всего живого на Земле) и неперекрываемость кодонов при считывании.

    ДНК выполняет следующие  функции:

1. хранение наследственной информации происходит с помощью гистонов – белков, обладающих щелочными свойствами и входящие в ядрах клеток эукариот в состав комплексов с ДНК (хроматин, нуклеосомы). Молекула ДНК сворачивается, образуя вначале нуклеосому, а после гетерохроматин, из которого состоят хромосомы;
2. передача наследственного материала происходит путем репликации ДНК;

 

    Уникальным  свойством ДНК является ее способность удваиваться (реплицироваться). В природе репликация ДНК происходит следующим образом: с помощью специальных ферментов (гираз), которые служат катализатором (веществами, ускоряющими реакцию), в клетке происходит расплетение спирали в том ее участке, где должна происходить репликация (удвоение ДНК). Далее водородные связи, которые связывают нити, разрываются и нити расходятся. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    В построении новой цепи активным "строителем" выступает специальный фермент - ДНК-полимераза. Для удвоения ДНК необходим также стратовый блок или "фундамент", в качестве которого выступает небольшой двухцепочечный фрагмент ДНК. Этот стартовый блок, а точнее - комплементарный участок цепи родительской ДНК - взаимодействует с праймером - одноцепочечным фрагментом из 20-30 нуклеотидов. Происходит репликация или клонирование ДНК одновременно на обеих нитях. Из одной молекулы ДНК образуются две молекулы ДНК, в которых одна нить от материнской молекулы ДНК, а вторая, дочерняя, вновь синтезированная.

    Таким образом, процесс репликации ДНК (удваивания) включает в себя три основных этапа:

• Расплетение спирали ДНК и расхождение нитей
• Присоединение праймеров
• Образование новой цепи ДНК дочерней нити

    В основе анализа лежит принцип репликации ДНК - синтеза ДНК, который современным ученым удалось воссоздать искусственно: в лаборатории врачи вызывают удвоение ДНК, но только не всей цепи ДНК, а ее небольшого фрагмента. 

   

3. реализация  наследственной информации в процессе синтеза белка.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.4 Двойная спираль: открытие, изменившее мир      

    В 2003 году биохимики  отмечали необычный  юбилей. Исполнилось 50 лет со дня открытия двойной спирали  ДНК. Да, именно 50 лет  назад, в 1953 году, будущие Нобелевские лауреаты англичанин Фрэнсис Крик и американец Джеймс Уотсон разгадали таинственную структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты.  
        
        
      А что изменило это открытие в нашей жизни за прошедшие 50 лет? Попробуем разобраться.  
        
      Искусственные белки и организмы.  
        
      В 1969 году ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 году - искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание полностью искусственных микроорганизмов. Так, в лабораториях были созданы искусственные бактерии, вырабатывающие необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособные "синтетические" вирусы. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов - растений и животных.  
        
      Генная инженерия и клонирование.  
        
      Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 году был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1995 году на свет появилось первое клонированное млекопитающее - овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны.  
        
      В 2002 году был успешно завершен проект "Геном человека", в ходе которого создана полная генетическая карта человеческих клеток. И в том же году начались попытки клонирования человека, хотя пока ни одна из них не завершена (по крайней мере, научные данные об успешном клонировании человека отсутствуют).  
        
      Медицина и лекарства.  
        
      Еще в 1978 году был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в "фабрику инсулина". В 1990 году впервые был опробован метод генной терапии, который позволили спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Сейчас полным ходом идет изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний - от рака до артрита - и поиск методов исправления вызывающих их "генетических ошибок". А всего в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия.  
        
      Безопасность и криминалистика.  
        
      Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства (кстати, этот метод стал настоящей "манной небесной" для музыкантов, политиков и актеров, которые были вынуждены доказывать в суде свою непричастность к рождению приписываемых им детей), а также для установления личности преступника. Стоит отметить, что о подобной возможности использования ДНК говорил еще сам Джеймс Уотсон, предлагавший создать базу данных, в которую вошли бы персональные структуры ДНК всех жителей планеты, что позволило бы ускорить процесс идентификации преступников и их жертв.  
        
      С помощью ДНК можно "ловить" не только преступников, но и, например, наркотики или биологическое оружие. Американские криминалисты используют систему контроля структуры ДНК растений-наркотиков для создания базы данных о всех разновидностях марихуаны. Эта база позволит отследить источник практически любого образца наркотиков. В скором будущем в США начнут применяться основанные на анализе ДНК методы обнаружения биологических атак - планируется установить в общественных местах специальные датчики, которые будут автоматически "вылавливать" из воздуха опасные микроорганизмы и подавать предупреждающий сигнал.  
        
      Сельское хозяйство.  
        
      В 1982 году была впервые проведена успешная модификация генома растения. А пять лет спустя, на полях появились первые сельскохозяйственные растения с модифицированным геномом (это были помидоры, устойчивые к вирусным заболеваниям).  
        
      Сейчас с помощью генной инженерии выращивается более 20 процентов таких культур, как соя и кукуруза. С 1996 года, когда началось коммерческое использование генетически модифицированных продуктов, общая площадь их посевов возросла почти в 25 раз. Правда, следует заметить, что правительства многих стран запретили выращивание и ввоз таких продуктов, так как ряд исследований показали, что они могут представлять опасность для здоровья человека.  
        
       

    История.  
        
      Возможность изучения структуры ДНК позволила придать новый импульс историческим исследованиям. Так, например, были идентифицированы останки Николая Второго и его семьи, а также подтверждены и опровергнуты некоторые исторические сплетни (в частности, было доказано, что один из основателей США Томас Джефферсон имел незаконнорожденных детей от чернокожей рабыни).  
        
      С помощью анализа ДНК удалось проследить происхождение и людей, и целых народов. Например, было показано, что гены японцев практически идентичны генам одного из племен Центральной Африки. А чернокожие американцы всего за 349 долларов могут узнать, из какого района Африки и даже из какого племени происходили их предки, привезенные на невольничьих кораблях много лет назад.  
        
      Что даст нам ДНК в ближайшем будущем? Очевидно, это будет клонирование человека и его органов, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Словарь 

  Вирион - зрелая вирусная частица, или элементарное тельце вируса. Вирион состоит из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) — наследственного (генетического) материала, заключённого в футляр из белковых субъединиц (молекул или агрегатов молекул); Вирионы более сложно организованных вирусов могут иметь внешние оболочки (содержащие белки, липиды, углеводы) или специальные образования, как у бактериофагов. 

Вирулентность - лат., медицин., ядовитость, способность болезнетворного микроба вырабатывать ядовитые и разрушительные для данного организма продукты.  

Гистоны — белки, входящие в состав хромосом. Образуют белковую сердцевину нуклеосом. 

Донор - в молекулярной биологии - молекулы в организме, от которых атомы переносятся на другие молекулы.