МЕТА ЗАНЯТТЯ. Довести генетичну роль нуклеїнових кислот у збереженні і передачі спадкової інформації, пояснюючи явища трансформації і трансдукції

Довести генетичну роль нуклеїнових кислот у збереженні і передачі спадкової інформації, пояснюючи явища трансформації і трансдукції.

Відрізняти будову нуклеїнових кислот (ДНК і РНК) і їх нуклеотидів, та їх функції в організації потоку інформації в клітині.

Засвоїти, що генетична інформація закодована в нуклеїнових кислотах у послідовності нуклеотидів молекули ДНК (генетичний код) і зберігається в ядрах соматичних клітин.

Пояснити механізми здійснення в клітині реплікації і репарації і важливість значення цих процесів у життєдіяльності організмів.

5. ЗМІСТ ЗАНЯТТЯ

Викладач перевіряє вихідний рівень знань студентів за такими теоретичними питаннями:

1. Історія вивчення генетичної ролі нуклеїнових кислот: відкриття явищ трансформації і трансдукції, їх суть.

2. Нуклеїнові кислоти: ДНК і РНК, їх роль у передачі та збереженні спадкової інформації, хімічна будова, видова специфічність.

3. Реплікація ДНК.

4. Генетичний код, його основні принципи та особливості.

5. Репарація.

В процесі опитування студентів викладач звертає увагу на вивчення історії вивчення генетичної ролі нуклеїнових кислот, які пов’язані з явищами трансформації та трансдукції. Підкреслює значення нуклеїнових кислот (ДНК і РНК) у збереженні і передачі спадкової інформації. Формулює зі студентами поняття генетичного коду, його основні властивості, акцентує увагу студентів на механізм реплікації ДНК і його значення при поділі клітин; значення репарації у відновленні структури молекули ДНК при різноманітних пошкодженнях її структури.

Організація потоку інформації в клітині забезпечується завдяки збереженню і передачі спадкової інформації нуклеїновими кислотами.

Після розгляду теоретичних питань студентам пропонується розібрати явище трансформації на схемі досліду з пневмококами проведеного Ф. Гріффітсом (1928).

Англійський мікробіолог Ф. Гріффітс працював з двома штамами пневмококу, які відрізнялися зовнішнім виглядом і хвороботворними властивостями. Штам S має капсульну оболонку і відрізняється високою вірулентністю.При введенні цих бактерій піддослідним тваринам, вони гинули. У клітин штаму R відсутні капсульні оболонки, при їх введенні тваринам смерть не наступає.

Якщо клітини вірулентного штаму піддавали дії високої температури, то вони не викликали захворювання. Гріффітс ввів мишам суміш з невірулентного і вбитого нагріванням вірулентного штамів. Піддослідні тварини захворіли і загинули, так само як і миші, які отримали ін’єкцію живих S–бактерій. В крові тих і других мишей були виділені живі S–пневмококи.

Таким чином з’ясувалося, що властивості убитих бактерій –– наявність капсули і здатність викликати гостре захворювання. (вірулентність) передалися від померлих до живих бактерій, відбулася трансформація штама R в штам S. Фактором, що викликає трансформацію є речовина небілкової природи. Однак, що являє собою трансформуючий фактор, Гріффітс так і не з’ясував. Тільки у 1944 р. група американських генетиків під керівництвом О. Евері за допомогою біохімічного аналізу показали, що цим фактором є ДНК. Механізм трансформації заключається в рекомбінації ДНК клітин двох штамів.

Ці досліди були підтверджені по відношенню до багатьох спадкових факторів у бактерій.

Припустимо, що один з штамів пневмококів володіє спадковою чутливістю до стрептоміцину (реципієнт). Другий штам – донор, стійкий до стрептоміцину.

З культури донора виділяють ДНК, очищують її від білка і вводять в культуру реципієнта. Через деякий час їх висівають на агарове середовище зі стрептоміцином. При цьому клітини реципієнта дадуть колонії. Клітини цих колоній подалі довго зберігають стійкість до стрептоміцину. Ця стійкість була передана з частиною молекули ДНК, де “записана” спадкова інформація стрептоміциностійкості.

Досліди по бактеріальній трансформації і розшифровці природи трансформуючого фактора мали велике значення для розвитку молекулярної генетики, оскільки був зроблений висновок що у явищах спадковості ведуча роль належить ДНК.

Далі студентам пропонується розібрати явище трансдукції.

Трансдукція заключається в тому, що віруси, залишаючи бактеріальні клітини в яких вони паразитували, можуть захоплювати з собою частину їх ДНК і переміщуючись в нові клітини, передавати новим хазяїнам властивості останніх.

Явище трансдукції було з’ясоване в дослідах з бактеріями із різних штамів. V–подібна трубка в нижній частині була розділена бактеріальним фільтром. В одній половині її знаходилися бактерії кишкової палички, що мають фермент, який розщеплює лактозу (ген lac +), а в другій половині штам, який немає цього ферменту (ген lac –). Бактеріальні клітини не могли проникати через перегородку. Через деякий час при аналізі клітин другого штамуз’ясувалося, що серед них з’явилися форми lac +. Перенесення гена могло відбутися тільки з допомогою віруса, що знаходився в лізогенному штамі і приступив до розмноження. Цей вірус, що проник через бактеріальний фільтр, вніс ген lac+ в бактеріальні клітини, тобто відбулася трансдукція.

Процес трансдукції є підтвердженням генетичної ролі ДНК.

Дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК) кислоти є зберігачами і носіями генетичної інформації. Це полімерні молекули, мономерами яких є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається з трьох частин –– азотистої основи, моносахариду і залишку фосфорної кислоти. Моносахарид –– пентоза. Якщо до складу нуклеотиду входить рибоза, то це рибонуклеотид, якщо дезоксирибоза –– дезоксирибонуклеотид. Азотисті основи у ДНК і РНК двох типів: пуринові –– аденін (А) і гуанін (Г) і піримідинові –– цитозин (Ц), тимін (Т) і урацил (У). До складу РНК входять А, Г, У, Ц, до ДНК –– А, Г, Т, Ц.

ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, які створюють спіраль. Важлива ознака ДНК –– самовідтворення, в основі якого лежить комплементарність. Якщо в одному ланцюгу на якомусь місці стоїть А, то у другому, в тому ж місці, стоїть Т, і навпаки. Аналогічно Г комплементарний Ц.

Е. Чаргафф встановив, що в молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну –– кількості цитозину, тобто А=Т і Г=Ц. Звідси висновок, що А+Г=Т+Ц.

Взаємовідношення між нуклеотидами в одному ланцюгу ДНК і між нуклеотидами двох ланцюгів таке, що з’єднання пари основ знаходиться один від одного на відстані 0, 34 нм. На один виток спіралі припадає 10 пар основ, крок спіралі дорівнює 3, 4 нм. Діаметр подвійної спіралі становить близько 20 нм. Маса одного нуклеотида дорівнює 345. Маса амінокислоти дорівнює 100.

РНК не має подвійної спіралі і побудована подібно до одного з ланцюгів ДНК. Розрізняють три типи рибонуклеїнових кислот (РНК): інформаційна, або матрична (і–РНК), транспортна (т–РНК), рибосомальна (р–РНК).

Реплікація – здатність молекули ДНК до самовідтворення, тобто до авторепродукції. Авторепродукція молекул ДНК відбувається за допомогою ферменту ДНК – полімерази напівконсервативним способом.

Репарація (лат. “відновлення”) – ліквідація пошкоджених ділянок ДНК; процес направлений проти виникнення мутацій.

Генетичний код – система розташування нуклеотидів в молекулі ДНК, яка контролює послідовність розташування амінокислот в молекулі білка.

Його основні властивості: триплетність, виродженість, колінеарність, неперекриваємість, універсальність.

Студенти розв’язують задачі з молекулярної біології, використовуючи знання будови молекул ДНК і РНК, а також генетичний код.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ НУКЛЕОТИДІВ

А – аденіловий; Ц – цитиділовий; У – уридиловий.

Г – гуаніловий; Т – тимідиловий;

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ АМІНОКИСЛОТ

Фен – фенілаланін; Агр – аргінін;

Лей – лейцин; Тре – треонін;

Ілей – ізолейцин; Асн – аспарагін;

Мет – метіонін; Асп – аспарагінова к–та;

Вал – валін; Глі – гліцин;

Сер – серин; Трип – триптофан;

Про – пролін; Ала – аланін;

Тир – тирозин; Ліз – лізин;

Цис – цистеін; Глн – глутамін;

Гіс – гістидин; Глу – глутамінова к–та.