Патологічна фізіологія / Оториноларингологія / Організація системи охорони здоров'я / Онкологія / Неврологія і нейрохірургія / Спадкові, генні хвороби / Шкірні та венеричні хвороби / Історія медицини / Інфекційні захворювання / Імунологія та алергологія / Гематологія / Валеологія / Інтенсивна терапія, анестезіологія та реанімація, перша допомога / Гігієна і санепідконтроль / Кардіологія / Ветеринарія / Вірусологія / Внутрішні хвороби / Акушерство і гінекологія
ГоловнаМедицинаОнкологія
« Попередня Наступна »
А.І.Рукавішніков. Азбука раку, 2007 - перейти до змісту підручника

ДНК - молекула життя. Відкриття структури і функції, значення відкриття

З історії відкриття структури ДНК



У 1910 р. стало ясно, що гени розташовуються на хромосомах. Але не ясно було, з якого матеріалу складаються гени - з білка або з нуклеїнової кислоти.



У 1928 р. Ф. Гріффіт почав вивчати роль нуклеїнової кислоти в житті клітини в дослідах на пневмококах.

Є два типи пневмококів. У одного пара бактеріальних клітин оточена капсулою. Другий тип клітин - без капсули. Капсула захищає мікроби від фагоцитозу. Якщо ввести такі мишам, то вони гинуть. Пневмокок без капсули не заражають мишей і не викликає пневмонію.

Досвід. Мишей заразив сумішшю клітин живих пневмококів без капсул і мертвих пневмококів з капсулами.

Очікувалося, що миші залишаться здоровими. Але вони загинули від пневмонії. Живі бактерії, виділені з мишей, мали капсули. Це явище трансформації клітини.

Досвід. Мікробіологи припустили, що якась речовина мертвих пневмококів здатне змусити живі клітини утворювати капсули. Вони показали це в дослідах.

Пневмококи з капсулами вбили, розтерли їх і приготували розчин із зруйнованих цих клітин, - це екстракт. У культуральну середу внесли екстракт з мертвих клітин з капсулами, потім у цю середу внесли живі пневмо-коки без капсул.

Результат: деякі з клітин без капсул трансформувалися в клітини з капсулами; їхні нащадки також володіли капсулами і при введенні їх мишам викликали пневмонію.

Виявилося, що клітини без капсул зазнали зміна - вони стали володіти капсулами і викликали пневмонію. Важливо, що і їх нащадки також утворювали капсули і викликали пневмонію.

Висновок: 1) ознаки пневмококів змінилися, 2) це викликано швидше тим, що якийсь компонент екстракту або він став частиною пневмокока.

Досліди Ф. Гріффіта продовжили американські вчені - мікробіолог

О.Т. Евері (1877-1955) і його співробітники.

Вони задалися питанням: яке речовина викликає трансформацію одного штаму пневмокока в інший? Для цього вони повторили досліди Ф. Гріффіта, використовуючи замість мікробів екстракт з них.

Екстракт в дослідах з пневмококами зберігав свою активність, що трансформує при руйнуванні в ньому білків і РНК, але втрачав її при руйнуванні ДНК.

Висновок: трансформирующим речовиною є ДНК. Звідси гени побудовані з ДНК.

Трансформація полягає в передачі генів від померлих пневмококів в живі і впровадженні їх в хромосому-господаря, тобто в бескапсульних пневмококи.

Ці дані про відкриття вчені опублікували в 1944 р. Так вперше було доведено, що ознака від однієї клітини передається іншій речовиною ДНК. Але як?

Роль ДНК у клітині була доповнена з життя вірусів, що містять ДНК. Вони заражають клітини бактерій для того, щоб здійснити в них цикл розмноження.

При цьому виявилася здатність ДНК вірусу синтезувати свої копії і білки.

З усього випливає, що ДНК контролює життя містять її клітин і здатна синтезувати копії своїх молекул. Цей процес називається «самоудвоение» або розмноженням. ДНК - єдина в природі молекула, здатна копіюватися.

Вклад акад. Н.К. Кольцова

У 1927 р. наш учений - акад. Н.К. Кольцов (1872-1940) писав, що «в одній хромосомі укладається одна неймовірно довга молекула, а вздовж неe розташовуються окремі угруповання атомів - гени».

Він також вперше сказав, що «при діленні клітин такі молекули не створюються заново з окремих шматків, а спочатку добудовують на собі точні копії, а потім вихідна молекула і копія розійдуться разом з дочірніми хромосомами в утворюються заново клітини ». Це матричний принцип реплікації генів і потім хромосом перед поділом клітини на дві.

Як відбувається подвоєння ДНК перед поділом клітини було таємницею для біологів протягом багатьох десятиліть. Вчені здогадувалися, що для розуміння цього необхідно знати: 1) будова ДНК і 2) способи розташування нуклеотидів в молекулі.

До 1950 р. було відомо, що ДНК молекула, яка складається з тисяч з'єднаних між собою в лінію молекул чотирьох різних типів - нуклеотидів.

Е. Чаргафф (1950) показав, що в будь ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну (А=Т), а кількість гуаніну - кількості цитозину (Г=Ц). Це вказувало на те, що в молекулі ДНК вони знаходяться парами: А-Т; Г-Ц.

Р. Фраклін (1920-1958) в лабораторії М. Уїлкінса методом рентгенівської кристалографії отримала «знамените нині зображення картини структури ДНК».

Проте з цих знань не ясно було: як працює ця молекула або як вона виглядає? Ніхто не знав, як вибудовуються хімічні одиниці - А, Т, Г, Ц, щоб нести в собі інформацію про план будови та відтворення живого.

Модель молекули ДНК

Д. Уотсон і Ф. Крик зайнялися створенням моделі молекули ДНК, як Л. Полінг - для вивчення просторової структури білка. Вона допомогла б зрозуміти деталі структури і можливі функції ДНК.

Провівши расчeтов, вони протягом 18 місяців були зайняті створенням моделі і створили модель ДНК. Але вони не були впевнені в правильності цієї моделі.

Керівник Р. Франклін - М. Уілкінс дозволив Д. Вотсону ознайомитися з рентгенівським зображенням молекули ДНК, не сказавши про це нічого Р. Франклін. Коли Д. Уотсон побачив отримане Р. Франклін зображення, він зрозумів: «вони з Ф. Криком не помилилися». На цьому знімку вони чітко бачили при-знаки спіралі і пішли відразу в лабораторію, щоб перевірити «все на об'ємної моделі».

Через відсутність пластин Д. Уотсон вирізав з картону чотири типи макетів нуклеотидів: аденіну (А), Тимина (Т), гуаніну (Г) і цитозину (Ц) і став розкладати їх на столі .

Він тут же виявив, що аденін з'єднується з тиміном, а гуанін із цитозином за принципом «ключ-замок», утворюючи пари. Саме таким чином утримуються між собою два ланцюги молекули ДНК.

Послідовність цих пар в молекулі може нескінченно варіювати. Це і служить шифром або кодом, за допомогою якого зашифрована інформація, що визначає тип білка, синтезованого даної клітиною (Мал. 1).



Рис.
1.

Молекула ДНК і двох ланцюгів

. Підстави з'єднані водневими зв'язками.

Молекула ДНК має дві функції: 1) передавати інформацію потомству, тобто дочірнім клітинам і 2) реалізовувати інформацію всередині клітини.

Зі структури подвійної спіралі відразу видно прямий наслідок - реплікацію, тобто розмноження ДНК. Спосіб: розбіжність двох комплементарних ланцюгів і побудова по кожній з них нової - доповнює ланцюга. Так з однієї молекули ДНК утворюється дві, що потрібно для поділу клітини на дві. Помилки при реплікації, тобто мутації - причина перетворення нормальної клітини в дефектну (Мал. 2 і 3).



Рис. 2.

Розбіжність ланцюгів ДНК

.



Pіc. 3.

Добудовування по кожній з ланцюгів нової, - доповнює ланцюга

. Отже, був доведений матричний принцип реплікації ДНК перед поділом

клітини, передбачений великим учeнь, акад. Н.К. Кольцовим. Дві частини молекули відокремлюються один від одного, по кожній з них синтезується нова поло-вина молекули. Порядок же підстав - у ролі матриці або зразка для дост-раіванія молекул.

ДНК - сховище генетичної інформації

Інформація про синтез кожного типу білка закладена в ДНК у вигляді якоїсь лінійної послідовності основ.

У 1961 р. Ф. Крик довів, що кожна група з трьох підстав утворює кодон. Один кодон кодує одну амінокислоту з 20 головних амінокислот.

Для перенесення інформації про структуру білка з ядра клітини мається іРНК. Вона - копія з фрагмента кодує матричної ланцюга ДНК. У ній замість тиміну міститься урацил.

За іРНК в рибосоме за допомогою транспортної РНК буде синтезований білок - кінцева ланка реалізації генетичної інформації. Так як ДНК служить сховищем генетичної інформації, її називають молекулою життя.

До початку роботи Д. Уотсона і Ф. Кріка над структурою ДНК, вже багато що було відомо.

Р. Франклін в 1951 р. вперше отримала першу унікальну рентгенограму молекули ДНК, де видно, що ця молекула має форму подвійної спіралі, дуже схожу на кручені сходи. Її знімки зіграли вирішальну роль у відкритті Д. Уотсона і Ф. Кріка. На знак цього, Р. Франклін називають «піонером» молекулярної біології.

За відкриття структури ДНК та її функцій Д. Уотсон, Ф. Крик і М. Уілкінс в 1962 р. удостоєні Нобелівської премії. Р. Франклін не дожила. Вона померла від раку в 1958 р.

Революція в світі науки

Відкриття просторової структури ДНК - стало підставою для ряду нових відкриттів.

У 60-х рр.. ХХ в. механізм реплікації ДНК підтвердився, виявлений фермент - ДНК-полімераза, що каталізує цей процес.

Відкрито генетичний код, тобто шифр, за яким в клітці синтезуються білки.

У 70-х рр.. XX в. ще два методу були створені: секвенування та отримання рекомбінантної ДНК.

Секвенирование дає можливість «читати» послідовність нуклеотидів в ДНК. За допомогою цього методу розшифровувався «геном людини».

Отримання рекомбінантної ДНК або метод молекулярного клонування. Суть цього методу - в молекулу ДНК вбудовують фрагмент, що містить певний ген.

Наприклад, вводять його в бактерію, і вона синтезує його продукт - білок, який необхідний людині.

У 80-х рр.. XX в. розроблена полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР). Ця технологія необхідна для швидкого «розмноження» потрібного фрагмента ДНК.

За допомогою ПЛР можна здійснювати ранню діагностику бактеріальних і вірусних інфекцій, а також перші ракові клітини в організмі пацієнта по їх генам-маркерами.

Наприклад, в плазмі крові пацієнта можна виявити фрагменти генів-маркерів ракової клітини. Якщо фрагмент в малій кількості або єдиний, за допомогою ПЛР його розмножують і після цього легко ідентифікують.

Відкриття структури ДНК дало можливість учeнь розшифрувати геном людини і багатьох інших організмів. Це відкриття дозволило перейти до генної терапії будь-якої хвороби, в тому числі раку.

Ракова клітина «погано розпізнається імунною системою пацієнта, тому що вона виникає з нормальної клітини організму-господаря ».

Тому для знищення ракових клітин за допомогою генної терапії, треба перш зробити ракові клітини «чужими» для імунної системи.

Є багато способів, як це зробити. Можна з матеріалу біопсії раку виділити ракові клітини, ввести в них «чужий» ген, а потім ці ракові клітини ввести назад в організм пацієнта. У такому випадку імунна система по білку цього гена буде розпізнавати ракові клітини як «чужі» і знищувати їх.

У дослідах на тваринах такий метод впливу на ДНК ракових клітин дав обнадійливі позитивні результати. Але для лікування же пацієнтів від раку, подібний метод знаходиться поки що на етапі клінічних випробувань

(Е.Д. Свердлов, 2003).

До ері «живих технологій»

І зовсім незвично - початок нової ери «живих технологій». Вчені ряду країн заявляють, що вони майже готові до створення «штучного життя», тобто Абіогенез.

Поки немає єдиного визначення живого, для нього характерні три ознаки; 1) наявність контейнера, тобто мембрани, що вміщує вміст клітини;

2) метаболізм - здатність перетворювати базові поживні речовини в робочі механізми клітини; 3) наявність генів - хімічних конструкцій, необхідних для побудови клітини, які можуть передаватися потомству і змінюватися разом з змінами навколишнього середовища.

Кожен з цих трьох елементів вже відтворений в лабораторіях, вчені готові приступити до спроб з'єднати все це «в одну робочу одиницю», тобто клітку.

В разі успіху, це буде «світ надмалих живих машин: спеціальні клітини лікуватимуть організм людини і боротися з забруднюючими навколишнє середовище речовинами».

Найближчим завданням науки вчені вважають створення «штучної клітини», здатної до самовідтворення і виробляє унікальні хімічні речовини, в тому числі ліки, які поки не вдається синтезувати.


«Штучне живе» перебуватиме під повним контролем людини, наприклад, «підживлюючи» його елементами, що не зустрічаються в природі в чистому вигляді.

Синтез вірусів і початок синтезу клітини

1. Проф. Е. Віммер (E. Wimmer) і його група з Нью-Йорка в 2002 р. вперше з времeн зародження «живого» на Землі, створили вірус поліомієліту з неживої матерії.

Учені сперечаються: віруси - це живі істоти або неживі об'єкти?

У.М. Стенлі - лауреат Нобелівської премії - вважає, що «в клітці вірус поводиться як жива істота, а поза клітини він мертвий, як камінь».

Г. Надсон - наш мікробіолог, говорить так: «Вірус - це чи то речовина, що володіє властивостями істоти, чи то істота з властивостями речовини».

Акад. В.А. Енгельгардт - наш учений, писав: «Багато віруси складаються всього лише з білка і нуклеїнової кислоти. Вони можуть бути віднесені до хімічних сполук - нуклеопротеїд ».

  Геном вірусу поліомієліту повністю розшифрований. На цій підставі учeнь зібрали точну послідовність нуклеотидів, відповідну природному зразку.

  Цей генетичний матеріал помістили в розчин, подібний цитоплазмі. У ньому за інформацією, закладеної в ДНК, були синтезовані необхідні білки.

  Вони застосували рецептури, опубліковані в Інтернеті, і генетичні послідовності, отримані за поштовим замовленням.

  Проф. Е. Віммер повідомляє, що як тільки в пробірку були поміщені всі генетичні складові, вірус відразу «самособрался». Іншими словами,

  «Життя, або принаймні еe подобу, завелася з півоберта».

  Створений вірус виглядав так само, як його природний зразок. Для доказу активності вірусу вчені заразили ним мишей. Тварини загинули при класичних симптомах поліомієліту.

  На збірку генома вірусу поліомієліту проф. Е. Віммер знадобилося три роки.

  У тій же лабораторії К. Вентер (J. Craig Venter) синтез вірусу виробив за 14 днів.

  2. Синтез штучного вірусу phi-Х174. Це бактеріофаг, існує в природі, безпечний для людини і тварин.

  К. Вентер і його група взяли кілька ділянок ДНК і з'єднали їх, створивши повний геном вірусу, що містить одинадцять генів. Ця суміш була поміщена в пробірку, де самостійно зібралася в генетичний ланцюжок, ідентичну геному phi-Х174. Після цього зібраний геном імплантували в живу клітину, яка почала виробляти копії вірусу.

  3. Американські учeнь створять невідому в природі форму живого. Учeнь з лабораторії Роквіллі оголосили про намір створити за допомогою генної інженерії нову форму життя - 21.11.2002.

  Мета проекту - дослідження фундаментальних механізмів зародження і розвитку органічного життя. Основні учасники - генетик К. Вентер і Нобелівський лауреат Х. Сміт.

  Метою експерименту є створення однієї клітини, яка є базовою для формування організму з мінімальним набором генів для підтримки життя.

  Якщо досвід вдасться, то вирощена клітина буде рости і ділитися, створюючи, таким чином, цілу клітинну структуру, котрої немає в при-роді. Це буде «мінімалістський» організм.

  Наприкінці 1990-х гг.XX в. К. Вентер - у той час глава Інституту геномних досліджень в Роквіллі (США), - опублікував перелік генів, необхідних для існування одноклітинного організму, - мікоплазми. За його підрахунками цей мешканець статевих шляхів людини може обходитися 300 генами зі своїх 517, які цього мікроб утворюють одну хромосому.

  В основі проекту - на 3 роки, лежить та ж бактерія. З її клітини вчені мають намір витягти весь генетичний матеріал, потім скомпонават' з його «шматочків» штучну ланцюжок генів, тобто хромосому. У еe складу увійдуть тільки ті гени бактерії, які «безумовно необхідні» для підтримки життя нового організму. На завершальному етапі зібрана ланцюжок генів буде інкорпорована в позбавлену генетичного матеріалу клітку.

  Потім «має статися найцікавіше, те, заради чого задуманий експеримент» - пожвавлення бактерії. Далі підуть спостереження за таким напівприродних організмом: як він живе і розмножується.

  «Нас цікавить: чи можна прийти до молекулярного визначенням життя, і наша головна мета - фундаментальне розуміння складових самої елементарної живої клітини».

  Щоб уникнути створення хвороботворного агента К. Вентер і Х. Сміт позбавлять нову «мікоплазму» генів, відповідальних за її прикріплення до клітин в організмі людини, потім тих генів, які дозволяють їй виживати в несприятливих умовах. В результаті вийде «досить крихке істота, абсолютно залежне від своїх творців».

  У завдання досліджень також входить навчитися штучно створювати різні гени. «Це - воістину базова наука, - говорить К. Вентер. - Навіть

  при тому, що ми виявили всі гени в людському геномі, ми досі не змогли осягнути таємницю найпростішою клітини. Саме це ми і хочемо зробити зараз ».

  К. Вентер і Х. Сміт і їх групи в запасі мають і інший варіант створення живої клітини: штучно в лабораторії синтезувати ці базові гени, зібрати їх в ланцюжок, а потім ввести їх в таку ж бактерію, з якої її генетичний матеріал весь буде попередньо удалeн.

  Що вкладає К. Вентер в своє завдання - дати «молекулярне визначення життя»?

  Будь-яка клітина побудована з молекул, як і організм в цілому. Їх структура і склад, а також взаємодія закладені в генах. У процесі еволюції кожна молекула скроєна в відповідності з функцією в клітці. Клітина - це не хаотичне скупчення молекул, а «їх впорядкованість», тобто організація, так як її будують гени через продукти - білки. Зруйнуй її, то хоча і залишаться у вигляді суміші ці молекули клітини, - це вже буде мертве, так як зруйнована молекулярна організація клітини. А вона створена в процесі еволюції «живого».

  Звідси: К. Вентер прагне мінімумом генів отримати таку організацію неживих молекул, яка перетвориться на «живе». Це і буде Абіогенез. 
« Попередня Наступна »
= Перейти до змісту підручника =
 Інформація, релевантна "ДНК - молекула життя. Відкриття структури і функції, значення відкриття"
  1.  ПАТОГЕНЕЗ
      Традиційно, серед механізмів беруть участь у формуванні та підтримці нормального або зміненого АД прийнято виділяти: гемодинамічні фактори, що безпосередньо визначають рівень АТ і нейрогуморальні системи, що регулюють стан гемодинаміки на необхідному рівні шляхом впливу на гемодинамічні чинники. I. До гемодинамічним факторів належать: 1) Серцевий викид, або
  2.  Виразкова хвороба шлунка та дванадцятипалої кишки
      З тих пір, як близько 200 років тому Крювелье привернув увагу лікарів до виразки шлунка, інтерес до цього захворювання прогресивно зростає. Приблизно те ж відноситься до докладно описаної набагато пізніше (Moynihan, 1913) виразкової хвороби дванадцятипалої кишки. Під виразковою хворобою в даний час розуміють загальне, хронічне, рецидивуюче, циклічно протікає захворювання, при якому
  3.  Нейрогуморальна регуляція і стан репродуктивної системи в період її активного функціонування
      Останнє двадцятиріччя відзначено значними досягненнями в аналізі механізмів ендокринного контролю менструального циклу жінки. Численні клінічні та експериментальні дослідження дали можливість істотно розширити уявлення про основні закономірності процесів росту фолікула, овуляції і розвитку жовтого тіла, охарактеризувати особливості гонадотропной і гіпоталамічної
  4.  Лейоміома матки
      Визначення поняття. Лейоміома матки (ЛМ) - одна з найбільш часто зустрічаються доброякісних пухлин репродуктивної системи жінки. Пухлина має мезенхімального походження і утворюється з мезенхіми статевого горбка, навколишнього зачатки Мюллерова проток (рис. 4.8). Мезенхіма є попередником примітивного міобласти, індиферентних клітин строми ендометрію і різних клітинних
  5.  Генітальний ендометріоз
      Визначення поняття. Поняття ендометріоз включає наявність ендометріоподобние розростань, що розвиваються поза межами звичайної локалізації ендометрію - на вагінальної частини шийки матки, в товщі м'язового шару матки і на її поверхні, на яєчниках, тазовій очеревині, крижово-маткових зв'язках і т.п. У зв'язку з тим що анатомічно і морфологічно ці гетеротипії не завжди ідентичні слизової
  6.  Дифузні захворювання сполучної тканини
      Дифузними захворюваннями (ДЗСТ), або колагенози (термін, що має історичне значення), - група захворювань, що характеризуються системним іммуновоспалітель-ним ураженням сполучної тканини і її похідних. Дане поняття є груповим, але не нозологічними, у зв'язку з чим цим терміном не слід позначати окремі нозологічні форми. ДЗСТ об'єднують досить
  7.  СУЧАСНА КОНЦЕПЦІЯ Нейроендокринної регуляції Менструального циклу
      Проблема репродуктивного здоров'я людини набуває в по-останню роки все більшого значення і стає проблемою медико-соціальної. При вирішенні питань регуляції народжуваності розглядаються дві абсолютно протилежні ситуації: з одного боку - значна частина населення планети потребує надійних і сучасних засобах контрацепції, з іншого - мільйонам подружніх пар вимагається
  8.  Пролактин і РЕПРОДУКТИВНА ФУНКЦІЯ ЖІНКИ
      Одним з найбільш значущих відкриттів нейроендокрінологіі 1970-х років є ідентифікація та виділення з тканини гіпофіза в чистому вигляді гормону пролактину (ПРЛ), а потім і його повний хімічний синтез. Усі наступні експериментальні та клінічні дані вітчизняних і за-рубіжних вчених, присвячені ролі ПРЛ в організмі людини та її участі в процесах фізіології та патології
  9.  I триместр вагітності (період органогенезу і плацен-тації)
      I триместр вагітності у свою чергу підрозділяється на наступні періоди-ди: - імплантація і бластогенез (перші 2 тижні розвитку); - ембріогенез і плацентація (3-8 тижнів гестації); - ранній фетальний, період ранньої плаценти (9-12 тижнів вагітності) . 6.2.1. Імплантація, бластогенез (0-2 тижнів) Початок вагітності визначається моментом запліднення зрілої яйцеклітини
© medbib.in.ua - Медична Бібліотека