Открита е структурата на ДНК. Изобретения и открития

7.3 Двоен стандарт Желанието на жената е закон, а желанието на мъжа е член на Наказателния кодекс. Юридическа шега Във всяко общество и по всяко време има двоен стандарт по отношение на половете, който се възпитава от детството и в двата пола и след това се възприема като

Преди повече от петдесет години беше направено забележително научно откритие. На 25 април 1953 г. е публикувана статия за това как работи най-мистериозната молекула - молекулата на дезоксирибонуклеиновата киселина. Съкратено се нарича ДНК. Тази молекула се намира във всички живи клетки на всички живи организми. Учените са го открили преди повече от сто години. Но тогава никой не знаеше как е устроена тази молекула и каква роля играе в живота на живите същества.

Английският физик Франсис Крик и американският биолог Джеймс Уотсън успяват най-накрая да разкрият мистерията.
Тяхното откритие беше много важно. И не само за биолозите, които най-накрая научиха как е структурирана молекулата, която контролира всички свойства на живия организъм.
Едно от най-големите открития на човечеството е направено по такъв начин, че е напълно невъзможно да се каже към коя наука принадлежи това откритие - химията, физиката и биологията са се слели толкова тясно в него. Това сливане на науките е най-забележителната характеристика на откритието на Крик и Уотсън.

История на откриването на ДНК

Учените отдавна се интересуват от тайната на основното свойство на всички живи организми - размножаването. Защо децата – независимо дали говорим за хора, мечки, вируси – приличат на своите родители и баби и дядовци? За да разкрият тайната, биолозите изследвали различни организми.

И учените са открили, че специални частици от жива клетка - хромозоми - са отговорни за приликата на децата и родителите. Приличат на малки пръчици. Малки участъци от пръчковидна хромозома се наричат ​​гени. Има много гени и всеки е отговорен за някои характеристики на бъдещия организъм. Ако говорим за човек, тогава един ген определя цвета на очите, друг определя формата на носа... Но от какво се състои генът и как е устроен, учените не знаеха. Вярно, вече беше известно: хромозомите съдържат ДНК и ДНК има нещо общо с гените.

Различни учени искаха да разрешат мистерията на гена: всеки погледна тази мистерия от гледна точка на своята наука. Но за да разберем как е устроен един ген, малка частица от ДНК, беше необходимо да разберем как е устроена самата молекула и от какво се състои.
Химиците, които изучават химичния състав на веществата, са изследвали химичния състав на молекулата на ДНК. Физиците започнаха да правят рентгенови лъчи на ДНК, точно както обикновено рентгенови лъчи на кристали, за да открият как са структурирани тези кристали. И откриха, че ДНК е като спирала.

Биолозите, разбира се, бяха най-заинтересовани от мистерията на гена. И Уотсън реши да се заеме с проблема с гените. За да се учи от напреднали биохимици и да научи повече за природата на гена, той пътува от Америка до Европа.
По това време Уотсън и Крик все още не се познават. Уотсън, след като работи известно време в Европа, не постигна значителен напредък в изясняването на природата на гена.

Но на една от научните конференции той научи, че физиците изучават структурата на ДНК молекулата, използвайки свои собствени физически методи. Научавайки това, Уотсън осъзнава, че физиците ще му помогнат да разкрие тайната на гена, и заминава за Англия, където получава работа във физическа лаборатория, в която се изучават биологични молекули. Тук се състоя срещата между Уотсън и Крик.

Как физикът Крик се интересува от биология

Крик изобщо не се интересуваше от биология. Докато не попадна на книгата на известния физик Шрьодингер „Какво е животът от гледна точка на физиката?“

В тази книга авторът предполага, че хромозомата е като кристал. Шрьодингер забеляза, че „възпроизвеждането“ на гените наподобява растежа на кристал и предложи учените да смятат гена за кристал. Това предложение заинтересува Крик и други физици. Ето защо.

Кристалът е много просто физическо тяло по структура: една и съща група атоми се повтаря в него през цялото време. И структурата на гена се смяташе за много сложна, тъй като има толкова много от тях и всички те са различни. Ако гените се състоят от веществото ДНК, а молекулата на ДНК е структурирана по същия начин като кристала, тогава се оказва, че тя е едновременно сложна и проста. Как така?
Уотсън и Крик разбират, че физиците и биолозите знаят твърде малко за молекулата на ДНК. Вярно е, че химиците знаеха нещо за ДНК.

Как Уотсън помогна на химиците, а химиците помогнаха на Scream

Химиците са знаели, че молекулата на ДНК съдържа четири химични съединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Те бяха обозначени с първите букви - A, T, G, C. Освен това имаше толкова аденин, колкото тимин, и гуанин като цитозин. Защо? Химиците не можеха да разберат това.

Те предположиха: има нещо общо със структурата на молекулата. Но те не знаеха как. На химиците помогна биологът Уотсън.
Уотсън беше свикнал с факта, че в живата природа много неща се срещат по двойки: чифт очи, чифт ръце, чифт крака, има например два пола: мъжки и женски... Изглеждаше че една ДНК молекула може също да се състои от две вериги. Но ако ДНК е като спирала, както физиците откриха с помощта на рентгенови лъчи, тогава как двете нишки се държат една друга в тази спирала? Уотсън предложи това с помощта на A, G, C и T, които като ръце са протегнати една към друга. След като изряза очертанията на тези химични съединения от картон, Уотсън прекарва дълго време в нанасянето им по този и онзи начин, докато изведнъж видя: аденинът се съчетава идеално с тимин и гуанин с цитозин.

Уотсън каза на Крик за това. Той бързо разбра как трябва да изглежда двойната спирала в действителност - в космоса, а не на снимката. И двамата учени започнаха да изграждат модел на ДНК.
Какво означава „строя“? Ето как. От молекулярен конструктор, който наподобява детски конструктор. В молекулярния конструктор частите са топчета-атоми, които се закрепват една за друга с копчета в реда, в който са разположени атомите във веществото.

Молекулярният дизайнер е изобретен от друг учен - химика Полинг. Той изгради модели на протеинови молекули и откри, че те трябва да имат области, подобни на спирали. Много скоро това беше потвърдено от физиците от лабораторията, в която работеше Крик. Важен биологичен проблем беше решен теоретично.

Крик харесва метода на Полинг толкова много, че предлага на Уотсън да изгради модел на ДНК с помощта на молекулярен конструктор. Така е създаден моделът на известната двойна спирала на ДНК, която можете да видите на снимката.
И какво е забележително: поради факта, че А в една верига може да се „залепи“ само с Т в друга, а G само с С, автоматично се изпълнява „химическото“ правило, според което количеството А е равно на количеството T, а количеството G е равно на числото C. Но най-важното е, че като се погледне двойната спирала на ДНК, веднага става ясно как да се реши загадката на генното възпроизвеждане. Достатъчно е да „размотаете“ ДНК плитката и всяка верига ще може да завърши нова върху себе си, така че A да е залепен към T, а G да е залепен към C: имаше един ген - има два. Поради факта, че размерите на двойките A-T и G-C са еднакви, молекулата на ДНК всъщност прилича на кристал по структура, както предполагат физиците.

И в същото време този „кристал“ може да съдържа много различни комбинации от A, T, C, G и следователно всички гени са различни.
Решението на генния проблем от Уотсън и Крик доведе до формирането на изцяло нова област на естествените науки само за 2-3 години, наречена молекулярна биология. Често се нарича физико-химична биология.

Значение на откриването на ДНК

Въпросът какво и как е записано в ДНК ускори дешифрирането на генетичния код. Осъзнаването, че гените са ДНК, универсалният носител на генетична информация, доведе до появата на генното инженерство. Днес студентите вече дешифрират редуването на нуклеотидите в ДНК, свързват гени на различни организми, прехвърлят ги между видове, родове и много по-отдалечени таксони. На основата на генното инженерство възниква биотехнологията, която известният писател на научна фантастика С. Лем определя като използване на законите на биогенезата в производството.

Нека си спомним какво каза V.L. за природата на гените. Йохансен, човекът, който през 1909 г. дава самото име на гена: „Свойствата на организмите се определят от специални, при определени обстоятелства отделими един от друг и следователно до известна степен независими единици или елементи в зародишните клетки, които ние наричаме гени.

Оттогава ситуацията се промени значително. Ние сме убедени, че в клетката няма нищо освен атоми и молекули. И се подчинява на същите физически закони като неодушевените обекти, както физиците, които се втурнаха в биологията през 40-те години, успяха да проверят точно в търсене на някои фундаментално нови закони на природата, непознати на физиката. Всички реакции на клетъчния метаболизъм се извършват под контрола на биокатализатори - ензими, чиято структура е записана в ДНК на гените. Този запис се предава във веригата за трансфер на информация ДНК РНК ПРОТЕИН.

Първо, информацията, записана под формата на редуващи се дезоксирибонуклеотиди в една от двете допълващи се вериги в ДНК на гена, се копира върху едноверижна молекула на информационната рибонуклеинова киселина - иРНК (известна още като иРНК от английското messenger - носител). Това е процесът на транскрипция. На следващия етап последователността от аминокиселинни остатъци на полипептида се изгражда от матрицата на иРНК. Така се създава първичната структура на бъдещата протеинова молекула. Това е процесът на превод. Първичната структура определя начина, по който се нагъва протеиновата молекула и по този начин определя нейната ензимна или друга, като структурна или регулаторна функция.

Тези идеи възникват в началото на 40-те години, когато J. Beadle и E. Tatum излагат известния си лозунг „Един ген - един ензим“ *. Той, подобно на политически лозунги, раздели научната общност на поддръжници и противници на хипотезата за равенството на броя на гените и броя на ензимите в клетката. Аргументите във възникналата дискусия бяха фактите, получени при разработването на т. нар. генно-ензимни системи, при които са изследвани мутации на гени, определяно е тяхното местоположение в гените и са взети предвид промените в ензимите, кодирани от тези гени. сметка: заместване на аминокиселинни остатъци в техните полипептидни вериги, влиянието им върху ензимната активност и др. Сега знаем, че един ензим може да бъде кодиран в няколко гена, ако се състои от различни субединици, тоест различни полипептидни вериги. Знаем, че има гени, които изобщо не кодират полипептиди. Това са гени, кодиращи трансферни РНК (тРНК) или рибозомни РНК (рРНК), участващи в протеиновия синтез.

В първоначалния си вид принципът „Един ген - един ензим” е по-скоро исторически интересен, но заслужава паметник, тъй като стимулира създаването на цяла научна област - сравнителна молекулярна биология на гена, в която гените - единици на наследствената информация се явяват като самостоятелни обекти на изследване.

МОСКВА, 25 април - РИА Новости, Татяна Пичугина.Точно преди 65 години британските учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик публикуват статия за дешифрирането на структурата на ДНК, поставяйки основите на една нова наука – молекулярната биология. Това откритие промени много в живота на човечеството. РИА Новости говори за свойствата на молекулата на ДНК и защо е толкова важна.

През втората половина на 19 век биологията е много млада наука. Учените току-що започваха да изучават клетката и идеите за наследствеността, макар и вече формулирани от Грегор Мендел, не бяха широко приети.

През пролетта на 1868 г. млад швейцарски лекар Фридрих Мишер пристига в университета в Тюбинген (Германия), за да се занимава с научна работа. Той възнамеряваше да разбере от какви вещества е изградена една клетка. За опитите избрах левкоцити, които лесно се получават от гной.

Отделяйки ядрото от протоплазмата, протеините и мазнините, Miescher открива съединение с високо съдържание на фосфор. Той нарече тази молекула нуклеин ("нуклеус" на латински - ядро).

Това съединение проявява киселинни свойства, поради което възниква терминът "нуклеинова киселина". Неговият префикс "дезоксирибо" означава, че молекулата съдържа Н-групи и захари. После се оказа, че всъщност е сол, но не смениха името.

В началото на 20 век учените вече знаеха, че нуклеинът е полимер (т.е. много дълга гъвкава молекула от повтарящи се единици), единиците са съставени от четири азотни бази (аденин, тимин, гуанин и цитозин) и нуклеин се съдържа в хромозомите - компактни структури, които се срещат в делящите се клетки. Тяхната способност да предават наследствени характеристики е демонстрирана от американския генетик Томас Морган в експерименти с плодови мушици.

Моделът, който обяснява гените

Но какво прави дезоксирибонуклеиновата киселина, или накратко ДНК, в клетъчното ядро, не беше разбрано дълго време. Смята се, че играе някаква структурна роля в хромозомите. Единиците на наследствеността - гените - се приписват на протеинова природа. Пробивът е направен от американския изследовател Осуалд ​​Ейвъри, който експериментално доказва, че генетичният материал се прехвърля от бактерии на бактерии чрез ДНК.

Стана ясно, че трябва да се изследва ДНК. Но как? По това време на разположение на учените са били само рентгенови лъчи. За да се осветяват с него биологични молекули, те трябваше да кристализират, а това е трудно. Структурата на протеиновите молекули беше дешифрирана от модели на рентгенова дифракция в лабораторията Кавендиш (Кеймбридж, Обединеното кралство). Младите изследователи, които работеха там, Джеймс Уотсън и Франсис Крик, не разполагаха със собствени експериментални данни за ДНК, затова използваха рентгенови снимки на колеги от Кралския колеж Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.

Уотсън и Крик предложиха модел на ДНК структура, който точно съвпадаше с рентгеновите модели: две успоредни нишки, усукани в дясна спирала. Всяка верига е съставена от произволен набор от азотни бази, нанизани върху гръбнака на техните захари и фосфати, и се държи заедно чрез водородни връзки между базите. Освен това аденинът се свързва само с тимин, а гуанинът - с цитозин. Това правило се нарича принцип на допълване.

Моделът на Уотсън и Крик обяснява четирите основни функции на ДНК: репликацията на генетичния материал, неговата специфичност, съхранението на информация в молекулата и способността му да мутира.

Учените публикуват откритието си в списание Nature на 25 април 1953 г. Десет години по-късно, заедно с Морис Уилкинс, те получават Нобелова награда за биология (Розалинд Франклин умира през 1958 г. от рак на 37 години).

"Сега, повече от половин век по-късно, можем да заявим, че откриването на структурата на ДНК изигра същата роля в развитието на биологията, както откриването на атомното ядро ​​във физиката. Изясняването на структурата на атома доведе до раждането на нова, квантова физика и откриването на структурата на ДНК доведоха до раждането на нова, молекулярна биология“, пише Максим Франк-Каменецки, изключителен генетик, изследовател на ДНК и автор на книгата „The Най-важната молекула.

Генетичен код

Сега оставаше само да разберем как работи тази молекула. Беше известно, че ДНК съдържа инструкции за синтеза на клетъчни протеини, които вършат цялата работа в клетката. Протеините са полимери, съставени от повтарящи се набори (последователности) от аминокиселини. Освен това има само двадесет аминокиселини. Животинските видове се различават един от друг по набора от протеини в техните клетки, тоест по различни аминокиселинни последователности. Генетиката твърди, че тези последователности се определят от гени, за които тогава се смяташе, че служат като градивни елементи на живота. Но никой не знаеше какво точно са гените.

Яснота внесе авторът на теорията за Големия взрив, физикът Георгий Гъмов, служител на университета Джордж Вашингтон (САЩ). Въз основа на модела на Уотсън и Крик за двуверижна ДНК спирала, той предположи, че генът е участък от ДНК, тоест определена последователност от връзки - нуклеотиди. Тъй като всеки нуклеотид е една от четирите азотни бази, просто трябва да разберем как четири елемента кодират двадесет. Това беше идеята за генетичния код.

В началото на 60-те години на миналия век беше установено, че протеините се синтезират от аминокиселини в рибозомите, нещо като „фабрика“ вътре в клетката. За да започне протеиновия синтез, ензимът се доближава до ДНК, разпознава определен регион в началото на гена, синтезира копие на гена под формата на малка РНК (нарича се шаблон), след което протеинът се отглежда в рибозомата от аминокиселини.

Те също така установиха, че генетичният код е трибуквен. Това означава, че една аминокиселина съответства на три нуклеотида. Кодовата единица се нарича кодон. В рибозомата информацията от иРНК се чете кодон по кодон, последователно. И всеки от тях отговаря на няколко аминокиселини. Как изглежда шифърът?

На този въпрос отговориха Маршал Ниренберг и Хайнрих Матеи от САЩ. През 1961 г. те за първи път докладват своите резултати на биохимичния конгрес в Москва. До 1967 г. генетичният код е напълно дешифриран. Оказа се, че е универсален за всички клетки на всички организми, което има далечни последици за науката.

Откриването на структурата на ДНК и генетичния код напълно пренасочи биологичните изследвания. Фактът, че всеки индивид има уникална ДНК последователност, революционизира съдебната медицина. Дешифрирането на човешкия геном даде на антрополозите изцяло нов метод за изследване на еволюцията на нашия вид. Наскоро изобретеният ДНК редактор CRISPR-Cas напредна значително в генното инженерство. Очевидно тази молекула съдържа решението на най-належащите проблеми на човечеството: рак, генетични заболявания, стареене.

На 25 април 1953 г. американското списание Nature публикува статия на Джеймс Уотсън и Франсис Крик „Структурата на дезоксирибонуклеиновата киселина“. Публикацията зае малко повече от една страница и съдържаше само една много проста рисунка. Така преди 50 години за първи път е предложен модел на пространствената структура на ДНК.

Несъмнено решението на структурата на молекулата на ДНК предизвика революция в естествените науки и доведе до цяла поредица от нови открития, без които е невъзможно да си представим не само съвременната наука, но и съвременния живот като цяло. Откритието на Уотсън и Крик е последвано от експлозия на генетични изследвания. Познаването на структурата на ДНК е помогнало да се разбере процесът на репликация на ДНК (удвояване) и по този начин да се установи как генетичната информация се предава от поколение на поколение. Впоследствие е открит генетичен код, който носи информация за първичната структура на протеините – основните компоненти на всички клетки. Разгадаването на структурата на наследствения апарат на клетката послужи като отправна точка в развитието на нова наука - молекулярна биология. Появата на такива методи като полимеразна верижна реакция, молекулярно клониране и секвениране би била немислима без познаване на структурата на ДНК.

Без съмнение това откритие послужи като значителен тласък за развитието на генетиката, чийто апогей беше научната програма „Човешки геном“. Уотсън стана първият ръководител на този проект, в рамките на който наследствената информация на Хомо сапиенс беше напълно дешифрирана. Познаването на човешкия геном в бъдеще ще позволи да се разкрие причината за много заболявания и да се създадат лекарства за така наречената генна терапия, насочена към коригиране на „болните гени“ или замяната на „увредените“ гени със „здрави“.

През последните 50 години стана ясно, че работата на Уотсън и Крик върху структурата на ДНК промени цялата биология и се оказа жизненоважна за медицината. Трудно е да се назове област от естествените науки, чието развитие не е повлияно от тяхното откритие. През 1962 г. Джеймс Уотсън и Франсис Крик, заедно с Морис Уилкинс, специалист по рентгенова дифракция, получават Нобелова награда. Това е може би най-забележителното събитие в историята на естествените науки на 20 век.

Между другото, друго значимо събитие за тази година е годишнината на един от „бащите” на двойната спирала Джеймс Уотсън, който навършва 75 години. Трудно е да се повярва, че по време на публикуването на същата тази статия в списание Nature, която преобърна целия свят, той беше само на 25 години. Сега професор Уотсън ръководи лабораторията Cold Spring Harbor в Ню Йорк.

Откриване на ДНК

Преди повече от петдесет години беше направено забележително научно откритие. На 25 април 1953 г. е публикувана статия за това как работи най-мистериозната молекула - молекулата на дезоксирибонуклеиновата киселина.

Съкратено се нарича ДНК. Тази молекула се намира във всички живи клетки на всички живи организми. Учените са го открили преди повече от сто години. Но тогава никой не знаеше как е устроена тази молекула и каква роля играе в живота на живите същества.

Английският физик Франсис Крик и американският биолог Джеймс Уотсън успяват най-накрая да разкрият мистерията.
Тяхното откритие беше много важно.

И не само за биолозите, които най-накрая научиха как е структурирана молекулата, която контролира всички свойства на живия организъм.
Едно от най-големите открития на човечеството е направено по такъв начин, че е напълно невъзможно да се каже към коя наука принадлежи това откритие - химията, физиката и биологията са се слели толкова тясно в него.

Това сливане на науките е най-забележителната характеристика на откритието на Крик и Уотсън.

История на откриването на ДНК

Учените отдавна се интересуват от тайната на основното свойство на всички живи организми - размножаването.

Защо децата – независимо дали говорим за хора, мечки, вируси – приличат на своите родители и баби и дядовци? За да разкрият тайната, биолозите изследвали различни организми.

И учените са открили, че специални частици от жива клетка - хромозоми - са отговорни за приликата на децата и родителите. Приличат на малки пръчици. Малки участъци от пръчковидна хромозома се наричат ​​гени. Има много гени и всеки е отговорен за някои характеристики на бъдещия организъм.

Ако говорим за човек, тогава един ген определя цвета на очите, друг определя формата на носа... Но от какво се състои генът и как е устроен, учените не знаеха. Вярно, вече беше известно: хромозомите съдържат ДНК и ДНК има нещо общо с гените.

Различни учени искаха да разрешат мистерията на гена: всеки погледна тази мистерия от гледна точка на своята наука. Но за да разберем как е устроен един ген, малка частица от ДНК, беше необходимо да разберем как е устроена самата молекула и от какво се състои.
Химиците, които изучават химичния състав на веществата, са изследвали химичния състав на молекулата на ДНК.

Физиците започнаха да правят рентгенови лъчи на ДНК, точно както обикновено рентгенови лъчи на кристали, за да открият как са структурирани тези кристали. И откриха, че ДНК е като спирала.

Биолозите, разбира се, бяха най-заинтересовани от мистерията на гена.

И Уотсън реши да се заеме с проблема с гените. За да се учи от напреднали биохимици и да научи повече за природата на гена, той пътува от Америка до Европа.
По това време Уотсън и Крик все още не се познават. Уотсън, след като работи известно време в Европа, не постигна значителен напредък в изясняването на природата на гена.

Но на една от научните конференции той научи, че физиците изучават структурата на ДНК молекулата, използвайки свои собствени физически методи.

Научавайки това, Уотсън осъзнава, че физиците ще му помогнат да разкрие тайната на гена, и заминава за Англия, където получава работа във физическа лаборатория, в която се изучават биологични молекули.

Тук се състоя срещата между Уотсън и Крик.

Как физикът Крик се интересува от биология

Крик изобщо не се интересуваше от биология. Докато не попадна на книгата на известния физик Шрьодингер „Какво е животът от гледна точка на физиката?“

Шрьодингер забеляза, че „възпроизвеждането“ на гените наподобява растежа на кристал и предложи учените да смятат гена за кристал. Това предложение заинтересува Крик и други физици. Ето защо.

Кристалът е много просто физическо тяло по структура: една и съща група атоми се повтаря в него през цялото време. И структурата на гена се смяташе за много сложна, тъй като има толкова много от тях и всички те са различни. Ако гените се състоят от веществото ДНК, а молекулата на ДНК е структурирана по същия начин като кристала, тогава се оказва, че тя е едновременно сложна и проста.

Как така?
Уотсън и Крик разбират, че физиците и биолозите знаят твърде малко за молекулата на ДНК. Вярно е, че химиците знаеха нещо за ДНК.

Как Уотсън помогна на химиците, а химиците помогнаха на Scream

Химиците са знаели, че молекулата на ДНК съдържа четири химични съединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин.

Те бяха обозначени с първите букви - A, T, G, C. Освен това имаше толкова аденин, колкото тимин, и гуанин като цитозин. Защо? Химиците не можеха да разберат това.

Те предположиха: има нещо общо със структурата на молекулата.

Но те не знаеха как. На химиците помогна биологът Уотсън.
Уотсън беше свикнал с факта, че в живата природа много неща се срещат по двойки: чифт очи, чифт ръце, чифт крака, има например два пола: мъжки и женски... Изглеждаше че една ДНК молекула може да се състои от две вериги. Но ако ДНК е като спирала, както физиците откриха с помощта на рентгенови лъчи, тогава как двете нишки се държат една друга в тази спирала?

Уотсън предложи това с помощта на A, G, C и T, които като ръце са протегнати една към друга. След като изряза очертанията на тези химични съединения от картон, Уотсън прекарва дълго време в нанасянето им по този и онзи начин, докато изведнъж видя: аденинът се съчетава идеално с тимин и гуанин с цитозин.

Уотсън каза на Крик за това.

Той бързо разбра как трябва да изглежда двойната спирала в действителност - в космоса, а не на снимката.

И двамата учени започнаха да изграждат модел на ДНК.
Какво означава „строя“? Ето как. От молекулярен конструктор, който наподобява детски конструктор. В молекулярния конструктор частите са топчета-атоми, които се закрепват една за друга с копчета в реда, в който са разположени атомите във веществото.

Молекулярният дизайнер е изобретен от друг учен - химика Полинг. Той изгради модели на протеинови молекули и откри, че те трябва да имат области, подобни на спирали.

Много скоро това беше потвърдено от физиците от лабораторията, в която работеше Крик. Важен биологичен проблем беше решен теоретично.

Крик харесва метода на Полинг толкова много, че предлага на Уотсън да изгради модел на ДНК с помощта на молекулярен конструктор. Така е създаден моделът на известната двойна спирала на ДНК, която можете да видите на снимката.
И какво е забележително: поради факта, че А в една верига може да се „залепи“ само с Т в друга, а G само с С, автоматично се изпълнява „химическото“ правило, според което количеството А е равно на количеството T, а количеството G е равно на число C.

Но най-важното е, че като се погледне двойната спирала на ДНК, веднага става ясно как да се реши загадката на генното възпроизвеждане. Достатъчно е да „размотаете“ ДНК плитката и всяка верига ще може да завърши нова върху себе си, така че A да е залепен към T, а G да е залепен към C: имаше един ген - има два. Поради факта, че размерите на двойките A-T и G-C са еднакви, молекулата на ДНК всъщност прилича на кристал по структура, както предполагат физиците.

И в същото време този „кристал“ може да съдържа много различни комбинации от A, T, C, G и следователно всички гени са различни.
Решението на генния проблем от Уотсън и Крик доведе до формирането на изцяло нова област на естествените науки само за 2-3 години, наречена молекулярна биология.

Често се нарича физико-химична биология.

Значение на откриването на ДНК

Въпросът какво и как е записано в ДНК ускори дешифрирането на генетичния код.

Осъзнаването, че гените са ДНК, универсалният носител на генетична информация, доведе до появата на генното инженерство. Днес студентите вече дешифрират редуването на нуклеотидите в ДНК, свързват гени на различни организми, прехвърлят ги между видове, родове и много по-отдалечени таксони. На основата на генното инженерство възниква биотехнологията, която известният писател на научна фантастика С.

Лем го дефинира като използване на законите на биогенезата в производството.

Нека си спомним какво каза V.L. за природата на гените.

Йохансен, човекът, който през 1909 г. дава самото име на гена: „Свойствата на организмите се определят от специални, при определени обстоятелства отделими един от друг и следователно до известна степен независими единици или елементи в зародишните клетки, които ние наричаме гени.

Оттогава ситуацията се промени значително.

Ние сме убедени, че в клетката няма нищо освен атоми и молекули. И се подчинява на същите физически закони като неодушевените обекти, както физиците, които се втурнаха в биологията през 40-те години, успяха да проверят точно в търсене на някои фундаментално нови закони на природата, непознати на физиката.

Всички реакции на клетъчния метаболизъм се извършват под контрола на биокатализатори - ензими, чиято структура е записана в ДНК на гените.

Този запис се предава във веригата за трансфер на информация ДНК РНК ПРОТЕИН.

Първо, информацията, записана под формата на редуващи се дезоксирибонуклеотиди на една от двете допълващи се вериги в ДНК на ген, се копира върху едноверижна молекула на информационна рибонуклеинова киселина - иРНК (известна също като иРНК от английски.

пратеник - превозвач). Това е процесът на транскрипция. На следващия етап последователността от аминокиселинни остатъци на полипептида се изгражда от матрицата на иРНК. Така се създава първичната структура на бъдещата протеинова молекула. Това е процесът на превод. Първичната структура определя начина, по който се нагъва протеиновата молекула и по този начин определя нейната ензимна или друга, като структурна или регулаторна функция.

Тези идеи възникват в началото на 40-те години, когато Дж.

Бидъл и Е. Тейтъм излагат известния си лозунг „Един ген, един ензим”*. Той, подобно на политически лозунги, раздели научната общност на поддръжници и противници на хипотезата за равенството на броя на гените и броя на ензимите в клетката.

Аргументите във възникналата дискусия бяха фактите, получени при разработването на т. нар. генно-ензимни системи, при които са изследвани мутации на гени, определяно е тяхното местоположение в гените и са взети предвид промените в ензимите, кодирани от тези гени. сметка: заместване на аминокиселинни остатъци в техните полипептидни вериги, влиянието им върху ензимната активност и др. Сега знаем, че един ензим може да бъде кодиран в няколко гена, ако се състои от различни субединици, тоест различни полипептидни вериги.

Знаем, че има гени, които изобщо не кодират полипептиди. Това са гени, кодиращи трансферни РНК (тРНК) или рибозомни РНК (рРНК), участващи в протеиновия синтез.

В първоначалния си вид принципът „Един ген – един ензим” представлява по-скоро исторически интерес, но заслужава паметник, тъй като стимулира създаването на цяла научна област – сравнителна молекулярна биология на гена, в която гените – единици на наследственото информацията се появяват като независими предмети на изследване.

В допълнение, развитието на множество генно-ензимни системи помогна да се формулира въпросът: какво и как е записано в генетичния код?

На този въпрос отговори в обща форма Ф.

Крик с колегите си през 1961 г. Оказа се, че кодът е триплетен - всяка кодираща единица-кодон се състои от три нуклеотида. Във всеки ген триплетите се четат от фиксирана точка, в една и съща посока и без запетаи, тоест кодоните не са разделени един от друг с нищо.

Последователността на кодона определя последователността на аминокиселинните остатъци в полипептидите.

По този начин, поради специфичната организация на генетичния код, на безсмислените кодони е отредена специална роля - терминатори на транслацията. Следователно, възниквайки чрез мутация, те, подобно на мутациите с изместване на кадрите, се появяват много по-често и по-ясно от миссенсните мутации, които променят значението на кодоните.*

* Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецки Г.Г.

Синергетика и бъдещи прогнози - М., 2001. – С. 97.

Безсмислици и смени на кадрите често се срещат в така наречените псевдогени, открити в началото на 80-те години на миналия век в резултат на изучаване на нуклеотидни последователности в геномите на висши еукариоти.

Псевдогените са много подобни на обикновените гени, но тяхната експресия е надеждно „заключена“ от ясно видими мутации: изместване на рамката и глупости. Псевдогените представляват резерв на еволюционния процес. Техните фрагменти се използват, когато възникват нови гени.

Доказателства за ролята на ДНК в наследствеността
Устойчивост на ДНК и хромозомите на влиянието на околната среда
Ензимни функции на РНК, ваксини
Какво е ДНК, съдържание в клетките
Участие в наследствеността, свойства на молекулите
Методи за получаване на ДНК, биосинтеза
Етапи на клониране на ДНК, химия.

съединение
Биологична роля на ДНК
ДНК, РНК вируси
Репарация, рекомбинация, репликация, видове, ДНК синтез

Дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е един от двата вида нуклеинови киселини, които осигуряват съхранението, предаването от поколение на поколение и изпълнението на генетичната програма за развитието и функционирането на живите организми.

Основната роля на ДНК в клетките е дълготрайното съхранение на информация за структурата на РНК и протеините.

Декодирането на структурата на ДНК (1953) е една от повратните точки в историята на биологията.

В научната литература, посветена на изследването на ДНК, най-често можете да намерите имената на Дж. Уотсън и Франсис Крик като учени, създали модел на структурата на молекулата на ДНК през 1953 г.

Самата молекула обаче е открита много по-рано, а не от тези учени. Името на откривателя не се споменава във всеки учебник, справочник или енциклопедия.

Пионерското откритие на дезоксирибонуклеиновата киселина се приписва на младия швейцарски лекар Йохан Фридрих Мишер. През 1869 г., докато работи в Германия, той изучава химичния състав на животинските клетки. Той избира левкоцитните клетки за обект на своите изследвания. Ученият изолира левкоцити от гноен материал, т.к

Именно в гнойта има много от тези бели кръвни клетки, които изпълняват защитна функция в тялото и унищожават микробите. Местната хирургична болница го снабди с превръзки, отстранени от пресни гнойни рани. Miescher измива левкоцитите от превръзката и след това изолира протеинови молекули от измитите клетки. В процеса на изследване той успя да установи, че освен протеини, левкоцитите съдържат и други неизследвани вещества.

Той се отделя под формата на утайка с нишковидна или флокулентна структура при създаване на кисела среда. Когато разтворът се алкализира, утайката се разтваря. Изследвайки препарат от левкоцити под микроскоп, Мишер открива, че в процеса на промиване на левкоцитите с разредена солна киселина остават само ядра. Въз основа на това той заключава, че ядрата на клетките съдържат неизвестно вещество и го нарича нуклеин от латинската дума nucleus, което означава „ядро“.

След по-внимателно изследване Мишер разработи цяла система за изолиране и пречистване на нуклеини.

Той подлага изолираното съединение на обработка с етер и други органични разтворители и се убеждава, че то не е мастно съединение, т.е.

защото не се разтваряше в тези вещества. Те не са имали нуклеинова киселина или протеинова природа, т.к когато се третират с ензими, които разлагат протеините, те не претърпяват никакви промени.

Химическият анализ в онези дни беше несъвършен, неточен и трудоемък.

Бавно, но сигурно, ученият го осъществил и установил, че нуклеинът се състои от въглерод, водород, кислород и фосфор. По това време органофосфорните съединения все още са практически непознати, така че Мишер заключава, че е открил клас съединения, неизвестни на науката, съдържащи се в клетката.

Той искаше да публикува статия за новото си откритие в списанието Medico-Chemical Research, публикувано от неговия учител, един от основателите на биохимията, Феликс Хопе-Сейлер.

Но преди да отпечата материала, той реши да провери данните от него в своята лаборатория. Това изследване отне цяла година и едва през 1871 г. в един от броевете на списанието беше публикувана работата на Мишер. Той беше придружен от две статии от самия Хопе-Сейлер и негов сътрудник, потвърждаващи данни за състава и свойствата на нуклеините.

След завръщането си в Швейцария Мишер прие предложението да заеме длъжността ръководител на катедрата по физиология в университета в Базел.

Там той продължи изследванията си. На новото място ученият използва по-приятен материал за експерименти и не по-малко богат на нуклеинова киселина - мляко от сьомга (те все още се използват за същите цели). На бреговете на богатия на сьомга река Рейн, която тече през Базел, той нямаше недостиг на изследователски материал.

Ученият намери съединението, което откри, за толкова просто и еднообразно, че не можеше да си представи, че именно в него може да се съхранява цялото разнообразие от наследствени характеристики на живите организми. Съществуващите по това време методи за биохимичен анализ все още не позволяват да се открият значителни разлики между човешки нуклеини и нуклеини от сьомга, още по-малко да се разпознае такава сложна структура, която все още не е напълно разпозната.

Откриване на ДНК и нуклеопротеинова теория за наследствеността......стр.4
Доказателство за ролята на ДНК като материален носител на наследствена информация.………………………………………………………..стр.6
Изследване на химичния състав и структурата на ДНК………………..стр.9

Установяване на структурата на ДНК молекулите……………………………..стр. 17
Разнообразие от форми и размери на ДНК………………………………..стр.25
Функции на ДНК…………………………………………………………..стр. 27
Двойната спирала: откритие, което промени света………………….стр. 29

анотация

Целта на резюмето е да разгледа историята на откриването, функциите, структурата и химичния състав на ДНК.

Целите на есето са да проучи информация за ДНК и да направи заключение за откритие, променило света.

Ключови думи: ДНК, нуклеинови киселини, нуклеотид, аденин, тимин, гуанин, цитозин, двойна спирала.

Въведение

Въпросите на наследствеността, предаването на индивидуалните характеристики от родителите на потомството и самовъзпроизвеждането на живите организми на Земята отдавна тревожат човечеството. В различни епохи различни учени са представили много теории, които уникално обясняват подобни процеси. Най-древният от тях датира от 6-5 век. пр.н.е д. Това е така наречената енцефаломиелоидна доктрина на древногръцкия лекар и натурфилософ Алкмеон от Кротон. Но човечеството успя да намери истински отговори на тези въпроси едва няколко хиляди години по-късно, с появата и развитието на генетиката - науката за наследствеността и изменчивостта на организмите.
С развитието на точните науки и технологии се промениха методите и нивата на изучаване на живата материя. Наред с класическата генетика се появиха такива важни области като цитогенетика, човешка генетика, микробна генетика, биохимична, еволюционна генетика, космическа генетика, молекулярна генетика и много други.
Именно с молекулярната генетика е свързана историята на изучаването на структурата и значението на ДНК в разбирането на наследствеността.
Дълго време се смяташе, че генетичният материал на клетката са нуклеопротеини - протеини, които изграждат ядрото. Но през 1953 г. английските изследователи Уотсън и Крик откриват, изучават и графично представят структурата на уникални биополимери – нуклеинови киселини. Наречени са така поради мястото, където са открити - в ядрото. Последвалите изследвания показаха изненадващо сходство в състава на нуклеиновите киселини във всички живи организми – от вируси до хора. Тези биополимери играят водеща роля в синтеза на протеини и определят наследствените свойства на организмите. В клетките има два вида нуклеинови киселини – ДНК и РНК.
От училищните учебници знаем, че дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е универсален носител на генетична информация и наследствени характеристики във всички организми, съществуващи на Земята. Изключение правят само някои микроорганизми, например вируси - техният универсален носител на генетична информация е РНК - едноверижна рибонуклеинова киселина.

Глава 1.
1.1 Откриване на ДНК и нуклеопротеиновата теория за наследствеността

Нуклеиновите киселини заемат специално място в молекулярната биология. Всъщност самото възникване на молекулярната биология се дължи на работата върху нуклеиновите киселини. Именно в тази област бяха направени открития, които направиха възможно дешифрирането на механизма на най-важния аспект на живота - наследствеността. Тези открития принадлежат към най-големите постижения на науката на 20 век и тяхното значение с основание се сравнява с откритията на радиоактивността и деленето на атомното ядро. Резултатите от извършената работа са поразителни с това, че доскоро решаването на въпроса за това как свойствата се прехвърлят от клетка на клетка през поредица от поколения изглеждаше като въпрос на невъобразимо далечно бъдеще.
Изследванията в областта на нуклеиновите киселини доведоха до създаването и бързото развитие на редица нови биологични дисциплини - молекулярна биология, бионика, биокибернетика и предизвикаха мощен прилив на научни сили в изследванията в биологията.
Откриването на нуклеиновите киселини се свързва с името на млад лекар от Базел (Швейцария) Фридрих Мишер. След като завършва Медицинския факултет, Мишер е изпратен да се усъвършенства и да работи върху дисертацията си в Тюбинген (Германия) във физиолого-химичната лаборатория, ръководена от Ф. Хопе-Зейлер. Тюбингенската лаборатория е известна на научния свят по онова време. Извършваше работа по химичен анализ на животински тъкани. След като завършва стаж по органична химия, Мишер започва работа в биохимична лаборатория. Той беше инструктиран да изследва химическия състав на гнойта. След получаване на гнойните клетки, Miescher ги държи известно време в разреден физиологичен разтвор. Въз основа на лабораторен опит той знаеше, че в този случай протоплазмата на клетките постепенно се разтваря.
От неразтворената утайка, която според неговите идеи, потвърдени от микроскопски изследвания, е утайка от клетъчни ядра, Мишер извлича със слаб разтвор на сода вещество, което се утаява по време на неутрализацията. Това вещество не се разлага под действието на протеолитични ензими и съдържа голямо количество фосфор, който не може да се извлече с горещ алкохол.
Младият изследовател веднага осъзна важността на получаването на ново органично фосфорсъдържащо вещество от ядрен произход. Беше сигурен в ядрения му източник. Затова Мишер предприе по-внимателно изолиране на ядрата. По това време никой в ​​биохимичните лаборатории не се е опитвал да изолира ядра или други субклетъчни компоненти, така че и тук той е пионер.
Той измива ядките и ги третира с горещ алкохол, за да отстрани липидите, след това екстрахира препарата от ядки с разреден разтвор на сода и утаява утайката след неутрализиране на разтвора чрез добавяне на киселина. Полученият препарат лесно се разтваря в основа. Новото вещество е подложено на елементарен анализ. Съдържа 14% азот и приблизително 6% фосфор.
Тъй като не е разградено от протеолитични ензими, новото вещество не е протеин. Липсата на разтворимост в горещ алкохол показва, че това вещество не е фосфолипид. Очевидно то принадлежи към нов клас биохимични съединения. Поради ядрения си произход Miescher предложи името "нуклеин" (лат. "nucleus" - ядро).
През 1871 г. работата на Miescher е публикувана. Съществуването на нуклеина като специфично ядрено вещество се превърна в научен факт. Скоро техниката на Miescher е използвана за изолиране на нуклеин от различни тъкани. От гледна точка на учения не може да се очаква наличието на нуклеин в червените кръвни клетки на бозайници, тъй като те нямат ядра.
Впоследствие R. Altmann (1889) съобщава, че "нуклеинът", изолиран от F. Miescher, се състои от две фракции - протеин и нуклеинови киселини.
Доста дълго време се смяташе, че функцията за предаване на наследствена информация се изпълнява от протеини, тъй като нуклеиновите киселини са сравнително прости по химична структура и проявяват „поразителна еднородност“ при различни видове растения и животни. Това погрешно схващане беше улеснено от предположението на Е. Уилсън (направено през 1925 г.), че протеините, а не нуклеиновите киселини, играят функционална роля в хроматина. През 1928 г. най-големият съветски биолог Н. К. Колцов (1872-1940) разработи хипотеза за молекулярната структура и матричното възпроизвеждане на хромозомите, която формира основата на най-важните принципи и положения на съвременната молекулярна биология и генетика. Той обаче смята, че хромозомата е гигантска биологична молекула със свойството да се самоумножава и че всички характеристики и свойства на организма са предопределени от структурата на протеина и взаимодействието на неговите молекули, а не от ДНК.
С други думи, в края на 19 - началото на 20 век. В генетиката има широко разпространено погрешно схващане, че протеините са материалният носител на генетична информация. Нищо не се знаеше за значението на нуклеиновите киселини в тези процеси, както и за функциите на тези химични съединения в тялото. Следователно този период от историята на изследванията на ДНК може безопасно да се нарече нуклеопротеин.

1.2 Доказателства за ролята на ДНК като материален носител на наследствена информация

Решаващата повратна точка в генетиката е откритието през 1944г. трансформираща функция на ДНК. Група американски бактериолози - О. Ейвъри, К. Маклеод и М. Маккарти - проведоха изследване на вирулентността на причинителя на пневмония - бактерията Diplococcus pneumoniae. Техните опити са повторени от английския бактериолог Ф. Грифитс. В неговите експерименти са използвани два щама пневмококи с противоположни характеристики: с и без капсули. Клетките на капсулния щам S са вирулентни, докато клетките на капсулния щам R са безвредни.
Ф. Грифитс прилага суспензия от тези микроорганизми на бели мишки в различни комбинации. Животните, заразени с вирулентния S щам, умряха. Когато са инжектирани с некапсулни бактерии (R) и убити от топлина S-щам клетки, мишките оцеляват. Изглежда, че получените резултати са естествени и причините за тях са очевидни. Но напълно обезкуражаващи резултати са получени от последната група бели мишки. Тези животни бяха инжектирани със суспензия, съдържаща живи клетки от некапсулния щам и убити вирулентни бактерии. След известно време мишките показват клинични признаци на пневмококова инфекция и животните умират. Бактериологичен анализ показа, че тъканите на мъртви мишки съдържат пневмококови клетки, заобиколени от капсула. Следователно, невирулентен некапсулен щам на пневмококи, под въздействието на убити бактерии от S-щам, придоби нова характеристика - капсула - и придоби вирулентни свойства. Грифитс нарича това явление трансформация.
Естеството на трансформиращия агент обаче не можеше да бъде определено по това време. Известно е, че това вещество е с небелтъчен произход, тъй като всички протеини се денатурират при нагряване.
Феноменът на трансформация е наблюдаван и in vitro (in vitro), където са смесени живи клетки от капсулни и мъртви бактерии от вирулентни щамове на Diplococcus pneumoniae. След известно време някои от некапсулните бактерии придобиват капсула и вирулентност. Експериментите in vitro напълно изключват участието на каквито и да било системи от макроорганизми във феномена на трансформация.
Задачата на О. Ейвъри и колегите му беше да открият кое вещество насърчава трансформацията. Избраният метод за определяне беше относително прост. Лизираните клетки от капсулния щам бяха разделени на различни химически съставки. Всеки компонент беше тестван за трансформиращи свойства. Чрез такава селекция беше възможно да се получи вещество с висока трансформираща активност. Беше дезоксирибонуклеинова киселина - ДНК.
Въпреки това заключенията на групата на О. Ейвъри, че чрез ДНК реципиентните клетки са получили нов генетичен признак от донорни клетки, бяха поставени под въпрос от много генетици за дълго време.
Например, нивото на пречистване на ДНК в експериментите на О. Ейвъри предизвика значителни съмнения. Предполага се, че протеиновите примеси, присъстващи в препаратите на нуклеинова киселина, са причина за предаването на новия генетичен признак, което абсолютно не противоречи на нуклеопротеиновата теория. В опит да провери правилността на заключенията на О. Ейвъри, Hotchkiss постигна такава степен на пречистване на ДНК, че делът на баластните вещества, включително протеините, в препарата беше само 0,02%. Получената по този начин чиста ДНК обаче имала трансформиращи свойства.
Друго възражение срещу генетичната роля на ДНК беше, че ДНК като химическо съединение по някакъв начин се намесва в биосинтезата на основното вещество на капсулата, полизахарида. Тоест на ДНК се приписват физиологични, а не генетични ефекти. За да опровергае това възражение, през 1949 г. Хариет Тейлър получава нови данни за трансформацията на пневмококи: тя използва два щама, които са напълно лишени от капсули. Първият R-щам е типична некапсулирана бактерия, образуваща груби колонии. Вторият, който тя нарече изключително R (ER), се отличаваше с ясно изразени характеристики и образуваше много груби колонии. ДНК, изолирана от щам R, се добавя към средата с ER клетки. След известно време повечето от ER бактериите се превръщат в R форми. Така беше показано, че наличието или отсъствието на капсула не влияе на трансформиращата роля на ДНК.
През 1949 г. Hotchkiss провежда серия от експерименти, които потвърждават, че няма определена връзка между ДНК и синтеза на капсули от бактериални клетки на метаболитно ниво. В неговите експерименти бактериалните характеристики, които нямат нищо общо с образуването на капсули, са трансформирани - резистентността на микроби от определен щам към пеницилин и стрептомицин е прехвърлена на друг щам бактерии.
Ролята на ДНК в предаването на наследствена информация е по-ясно установена през 1952 г. от американските вирусолози A. D. Hershey и M. Chase, докато изучават разпадането на фаг Т2 (бактериален вирус). Експериментът се състои в това, че протеините, включени в протеиновата обвивка на вириона, са маркирани с радиоизотопен етикет - S 35 (сяра), а ДНК - с радиоактивен фосфор - P32. Впоследствие вирусът се култивира в бактериални клетки. След това дъщерните вириони - потомството на фага - бяха подложени на радиометричен анализ за разпределение на радиоактивни етикети. Изследванията показват, че новото поколение фагови частици съдържат само фосфор - P32. Изследователите правилно заключават, че ДНК, а не протеинът, се предава от родителите на потомството.
Ролята на ДНК в предаването на наследствена информация се доказва и от открития през 1952 г. феномен на трансдукция от Зайндер и Ледерберг, който се състои в прехвърляне на генетичен материал от фаги от една бактерия към друга. Учените са показали, че ДНК участва активно в процеса на трансдукция.
В допълнение към преките доказателства за участието на ДНК в процесите на наследяване на характеристики, науката е натрупала обширен фактически материал, който косвено потвърждава направените по-рано предположения. По-специално, това се доказва от данни относно появата на генетични промени - мутации - причинени от химикали и радиация.
Местните учени направиха значителен принос в изследването на мутагенезата. За първи път през 1925 г. служителите на Ленинградския радиев институт Г. А. Надсон и Г. С. Филипов възпроизвеждат мутация в дрождеви гъбички под въздействието на радиеви лъчи. През 1932 г. В. В. Сахаров получава мутация в дрозофила под въздействието на разтвор на калиев йодид, а през 1933 г. М. Е. Лобашев открива мутагенния ефект на амоняка. Малко по-късно беше показано, че целта за действие на мутагените е ДНК. Следователно промяната в структурата на ДНК е допринесла за промяната в генетичната информация.
Открития, направени в края на 40-те и началото на 50-те години. ХХ век в областта на молекулярната генетика, предопредели съвременната насока на изследвания не само в изучаването на наследствеността, но и биологията като цяло. Най-важното значение на откриването на феномените на трансформация и трансдукция, както и дешифрирането на действието на мутационните фактори, се състои преди всичко в доказването на генетичната роля на ДНК. Сега генетиците могат да заявят с увереност: ДНК е материалният носител на наследствеността. Именно тази молекула е отговорна за предаването на най-важните характеристики от родителските индивиди към потомството.

1.3 Изследване на химичния състав и структурата на ДНК

Докато основната функция на ДНК беше ясна за много учени, химичната структура и по-специално триизмерната структура на нуклеиновите киселини все още не беше достатъчно ясна. Измина много време от откриването на "нуклеина" от Милър през 1868 г. Основна информация за химичния състав е представена от А. Косел, биохимик, работил в началото на 19-20 век. . Той установи, че нуклеиновата киселина се състои от четири азотни бази, захар и фосфорна киселина. Азотните бази са представени от две пуринови (аденин, гуанин) и две пиримидинови (цитозин и урацил) съединения.
През 20-те години на миналия век P. Levene и W. Jones направиха важни пояснения в тази схема. Те откриха, че нуклеиновите киселини имат два вида: РНК и ДНК, различни по химична структура. РНК, или рибонуклеиновата киселина, съдържа пет-въглеродната захар рибоза, докато ДНК съдържа дезоксирибоза. И накрая, ДНК не съдържа урацил, както смята А. Косел, а вместо това съдържа тимин. Освен това беше установено, че азотна основа, захар и остатъци от фосфорна киселина образуват съединение, наречено нуклеотид. На свой ред нуклеотидите образуват вид верига, използвайки фосфодиестерни връзки.
През 1924 г. немският химик Р. Феулген предлага хистохимичен метод за оцветяване на ДНК на животни, растения и бактерии. Основата на техниката беше реактивът на Шиф, който оцветява ДНК в червено-виолетово. Използвайки реакцията на Feulgen, учените установиха, че ДНК се намира предимно в клетъчното ядро, а РНК в цитоплазмата.
До 1950 г. тетрануклеотидната теория на Ф. А. Левин доминира сред генетиците и биохимиците. Според тази теория всички нуклеинови киселини са монотонни макромолекули, представляващи еднообразно повторение на четири азотни бази - тетрануклеотиди. В този случай полярните съотношения на аденин, гуанин, цитозин и тимин бяха представени като приблизително равни. Погрешността на тази теория е, че структурата на ДНК се разбира като елементарно химично съединение, което му придава линеен характер. Наличието на вторични и третични структури в ДНК не е взето предвид. Това доведе до факта, че дълго време учените смятаха, че ДНК не е в състояние да изпълнява функцията на носител на информация.
Тази теория е опровергана от Е. Чаргаф. През 1948 г. Erwin Chargaff и Hotchkiss използват новия тогава метод на хартиена хроматография за количествено определяне на компонентите на нуклеиновата киселина. Анализирайки по този начин различни ДНК проби от животни, растения и хора, учените откриха, че в нито един от случаите не се наблюдава точно количествено съвпадение на азотните бази. Напротив, в зависимост от биологичния произход на ДНК съставът на молекулата ще бъде различен. Следователно беше открито, че ДНК в никакъв случай не е монотонна макромолекула. Обобщавайки данните от своите изследвания, E. Chargaff през 1949 г. формулира правилото за еквивалентност, което влезе в историята на генетиката като правилото на Chargaff. Там се казва: количествените съотношения на гуанина винаги са равни на съдържанието на цитозин, а съдържанието на аденин съответства на съдържанието на тимин. Математически може да се напише така:

A + G = c + T A + G = C + T

През 1952 г. въз основа на работата на E. Chargaff и Hotchkiss е формулирана теория, която обяснява как ДНК съдържа генетична информация. Основната точка на тази теория е: „Генетичната информация се определя от специфична последователност от четири нуклеотидни бази в полинуклеотидна верига.
Трябва да се отбележи, че експериментално установените количествени съотношения на азотните основи в молекулата на ДНК, изразени в правилото на Чаргаф, не са случайни. Домашните генетици AS Spirin и AN Belozersky стигнаха до извода, че зависимостта на съдържанието на двойки гуанин-цитозин се определя от филогенетични (т.е. формирани в процеса на еволюция) връзки между организации на различни видове.
През 1912 г. баща и син Бреджи изобретяват метод на рентгенова кристалография, основан на факта, че лъч от паралелни рентгенови лъчи, падащ върху правилна колекция от атоми, образува така наречената дифракционна картина. Дифракционната картина зависи главно от атомната маса на атомите и тяхното пространствено разположение. През 40-те години Астбъри използва този метод за определяне на пространствената структура на ДНК. Въз основа на получените рентгенови изображения авторът предполага, че ДНК биополимерът е купчина нуклеотиди, подредени един над друг. В този случай нуклеотидите им бяха представени под формата на плоски дискове.
Астбъри напуска работа, за да проучи допълнително структурата на ДНК. Изследвания в началото на 50-те години. Три групи учени продължиха да изучават структурата на ДНК. Първата група беше ръководена от Линус Полинг, известен по това време с работата си по дешифрирането на вторичната структура на протеините. Втората група работи под ръководството на английския биофизик, член на Лондонското кралско общество Морис Уилкинс и накрая третата група беше представена от Джеймс Уотсън и Франсис Крик.
Групата на Л. Полинг е първата, която представя своя модел през 1952 г. Тя обаче не получи всеобщо признание.
Сътрудниците на Уилкинс успяха да получат много ясни рентгенови снимки на ДНК, които ясно показаха, че молекулата на нуклеиновата киселина се състои от две вериги и по-специално беше потвърдена хипотезата на Астбъри за междунуклеотидното разстояние от 0,34 nm. Преди това Чаргаф не успя да обясни напълно своите правила, които се основаваха на резултатите от внимателна аналитична работа с различни ДНК проби. Но още през 1953 г. това е направено от младите учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик. Те създадоха структурен модел на молекулата на ДНК, който напълно отговаряше на ограниченията за нуклеотидния състав на ДНК според правилата на Чаргаф.
Историята на това откритие, превърнало се в най-голямото събитие в естествените науки на 20-ти век, е много ярко и интересно разказана от един от авторите на новия структурен модел на молекулата на ДНК в книгата „Двойната спирала“. Млади и неизвестни учени се срещат за първи път през 1951 г. в Кеймбридж (Англия), където Уотсън е изпратен от Чикаго, за да подобри научните си изследвания. Крик е работил в лабораторията Кавендиш в Кеймбриджкия университет и е изучавал пространствената структура на протеиновите молекули. Лабораторията използва основно метода на рентгенова дифракция върху протеинови кристали. Уотсън се интересува от ДНК още преди да пристигне в Англия. В САЩ Уотсън работи върху проблемите на генетиката и биологията на бактериофагите (бактериални вируси). След експериментите на Ейвъри той беше сигурен, че наследствеността на фагите се съдържа във фаговата ДНК. Тъй като по това време ДНК е била открита в хромозомите на всички клетки, може да се предположи, че ДНК съставлява субстанцията на гените. Ето защо, веднъж в лаборатория с помощта на рентгенови методи, Уотсън решава да изследва структурата на ДНК. Като биолог той разбра, че при избора на конкретна структура на ДНК трябва да се вземе предвид съществуването на някакъв прост принцип на удвояване на молекулата на ДНК, присъща на нейната структура. Защото най-важното свойство на гените е тяхната способност да удвояват и предават идентични наследствени свойства в поредица от поколения от предци към потомци.
Интересът на Уотсън към структурата на ДНК беше споделен от Крик, който също разбираше огромното значение на дешифрирането на наследствения материал. Методът за конструиране на молекулярни модели на вещества, като се вземат предвид всички ъгли на връзката, междуатомните разстояния и изборът на най-вероятните конфигурации на атомните групи, оказа значително влияние върху работата на учените. През 1952 г. Линус Полинг, използвайки този метод, успява да дешифрира пространствената структура на полипептидната верига, като предлага спирална конформация за нея (? -спирала на Паулинг-Кори). Крик създава теорията за дифракцията на рентгенови лъчи от спирали, която позволява да се определи дали изследваната структура е в спирална конформация или не. По това време вече съществуват модели на рентгенова дифракция на ДНК. Те бяха получени в Лондон от Морис Уилкинс и Розалинд Франклин. Оказа се, че ДНК може да даде два вида структури в зависимост от съдържанието на вода в препарата. При значителна хидратация ДНК е в така наречената В-форма, която се трансформира в кристална А-форма при загуба на вода.
Въз основа на рентгеновата картина на B-формата на ДНК, Уотсън и Крик осъзнават, че изследваната структура е в спирална конформация. Те също знаеха, че молекулата на ДНК е дълга линейна полимерна верига, състояща се от нуклеотидни мономери. Фосфодезоксирибозният скелет на този полимер е непрекъснат и азотните основи са прикрепени към страната на дезоксирибозните остатъци. За да се изградят моделите, остава да се реши въпросът колко вериги от линеен полимер са опаковани в компактна структура.
Въз основа на модела на рентгенова дифракция на B-формата на ДНК, Уотсън и Крик предполагат, че молекулата на ДНК се състои от две линейни полинуклеотидни вериги с фосфодезоксирибозен скелет от външната страна на молекулата и азотни бази отвътре. На рентгенограмата меридионалният рефлекс, съответстващ на 3,4 nm, е много по-интензивен от останалите. Това може да означава, че пуриновите и пиримидиновите бази с дебелина 3,4 nm са подредени в равнини една върху друга, перпендикулярни на оста на спиралата. В допълнение, всички данни от метода на рентгеновата дифракция и електронната микроскопия показват, че диаметърът на спиралата е приблизително 20 nm. Оставаше също така да се реши въпросът за реда на подреждане на азотните основи на двете вериги вътре в намотката.
Уотсън за първи път предположи, че двойки азотни бази (по една от всяка верига) се формират според принципа „подобно взаимодейства с подобно“. Той смята, че в две линейни вериги на ДНК молекула аденинът е разположен на нивото на аденин, гуанин - на ниво гуанин и т.н. По този начин две линейни полинуклеотидни вериги в молекулата на ДНК са напълно идентични както в състава на азотните бази и в тяхната последователност. Направен е опит да се изгради модел на структурата на ДНК въз основа на това предположение. Пурините обаче са по-малки от пиримидините и в модела на бихеликс се наблюдава или подуване, или свиване.
Разглеждайки други възможни комбинации от двойки азотни бази, Уотсън открива, че двойките аденин-тимин и гуанин-цитозин са с еднакъв размер и са стабилизирани от водородни връзки.
Правилата на Чаргаф бяха незабавно обяснени: ако в спиралата на ДНК аденинът от една верига винаги е свързан с тимин от друга верига и гуанинът винаги е свързан с цитозин, тогава количеството аденин в ДНК винаги трябва да бъде същото като тимина и същото количество гуанин, колко цитозин. Също така беше ясно как трябва да се случи удвояването на една ДНК молекула. Всяка верига е комплементарна на другата и по време на процеса на репликация на ДНК биспиралните вериги трябва да се разделят и верига, комплементарна на нея, трябва да бъде завършена на всяка полинуклеотидна верига.

Оставаше само да се изгради точен модел на такава структура, като се вземат предвид всички изисквания на радиографията и законите на стереохимията, което учените направиха. Те изградиха гениален модел и се увериха, че всички междуатомни разстояния и ъгли на свързване пасват. Така нямаше съмнение, че структурният модел на ДНК, който те създадоха, отговаряше на законите на стереохимията. Данните от рентгеновата дифракция потвърждават наличието на такава структура. Изключително примамливи перспективи се откриха и при обяснението на биологичните явления. По този начин репликацията на ДНК може да бъде представена в светлината на новия модел като дивергенция на родителските ДНК вериги и добавяне на комплементарни вериги към тях. Резултатът беше две нови идентични ДНК молекули, във всяка от които едната верига беше родителската, а другата беше новосинтезирана (т.нар. полуконсервативен начин на репликация).
Моделът на Watson-Crick (фиг. 1) е широко разпространен и в момента се потвърждава от експеримента. И така, според този модел, нативната ДНК молекула се състои от две линейни полинуклеотидни вериги, спирално усукани около обща ос и свързани помежду си чрез междунуклеотидни водородни връзки. И двете вериги образуват десни спирали, но тези спирали са антипаралелни по отношение на оста на бихеликса, тоест редът на атомите в техните фосфатно-въглехидратни съединения е в обратна посока. Пентозофосфатните съединения на всяка спирала са от външната страна на молекулата, а пуриновите и пиримидиновите бази са подредени вътре в молекулата и са свързани една с друга чрез водородни връзки. В този случай в една ДНК молекула могат да съществуват само две допълващи се двойки. Равнините на двойки азотни бази са перпендикулярни на оста на спиралата.

Ориз. 1

Първична структураДНК се състои от нуклеотидни вериги, чийто гръбнак е съставен от редуващи се захарни и фосфатни групи, свързани с ковалентни връзки, а страничните части са представени от една от четирите бази и са свързани една с друга чрез захарна молекула. Нуклеотидите са подредени един след друг и са свързани ковалентно към фосфат и захарен остатък, за да образуват полинуклеотидна верига.
Вторична структурае формулиран от Д. Уотсън и Ф. Крик. Две нишки, вървящи една до друга, свързани една с друга с джъмпери и усукани в двойна спирала, представляват ДНК молекулата. И двете нишки са еднакви по дължина, остатъците от двойките A-T и G-C са разделени на еднакви разстояния. Двойната спирала има подреден характер, тъй като всяка връзка основа-захар е на еднакво разстояние от оста на спиралата и е завъртяна на 36°, като в зависимост от вида на ДНК всяка от тях може да съдържа до милиони блокове - нуклеотиди . Редът на тяхното редуване определя наследствената информация, записана в ДНК и предавана на следващите поколения. Първото предположение за ролята на нуклеиновите киселини като генетичен материал е формулирано от доцента на Санкт Петербургския университет А. Шчепотьев (1914 г.). Химиците разбраха, че ДНК е сглобена от нуклеотиди, които имат фосфатна група, свързана ковалентно към пет-въглеродна захар, която е свързана с една от четирите азотни бази. Нуклеотидите са свързани помежду си така, че фосфатната група на единия се свързва със захарта на предходния и от редуващите се комбинации се образува дълга верига - захарно-фосфатният гръбнак на молекулата. Основите са разположени от едната страна под прав ъгъл спрямо рамката.
Молекулата на ДНК се оказа усукана в спирала: от външната страна на спиралата има скелет, а отвътре има бази, перпендикулярни на него. Имаше приблизително десет нуклеотида на завъртане на спиралата и нейната дебелина показва, че повече от една верига е усукана. И така, вторичната структура отразява формата на нуклеиновата киселина. Степента на усукване на ДНК зависи от ензимите.

Р. Франклин изследва петна върху фотографски филм от рентгеново лъчение, разпръснато от кристали на пречистена ДНК (1952 г.). Физикът М. Уилкинс, който работи в същата лаборатория, също взе активно участие в обсъждането на резултатите. Получените рентгенови модели стимулират много учени да търсят модел на структурата на ДНК. Историята на откриването на структурата на ДНК е описана от американския биохимик Дж. Уотсън в книгата му "Двойната спирала" (1968). През 1951 г. Уотсън се среща с Уилкинс в Копенхаген и преглежда ДНК рентгеновите снимки.
Уотсън и Крик, след като разбрали структурата на пурините (A, G) и пиримидините (T, C), решили, че те трябва да бъдат свързани един с друг. За да се обясни правилото на Чаргаф, ДНК трябва да се състои от две нишки, които трябва да се усукват, така че да се поддържат определени ъгли между различните групи атоми. И възникна двойна спирала, в която пурините и пиримидините са подредени като стъпала на стълба: „стъпалата“ са основите, „въжетата“ са захарно-фосфатните гръбнаци.
Всяка напречна греда се формира от две основи: A и? или G и C, което обяснява правилото на Чаргаф. Тъй като всяка двойка има една основа с един пръстен и една с две, размерът на напречните греди е еднакъв, а скелетите на веригите са на същото разстояние. Базите са прикрепени към две противоположни нишки, държани заедно чрез водородни връзки между базите. Тъй като връзките на веригата са двойки C с G и A с T, е по-удобно да се използва изображението на стълба, съставена от двойки стъпки CG, GC, TA и AT, следващи в определен ред. Благодарение на спиралната си усукване, молекулата прилича на спираловидна стълба със стъпала от нуклеотидни двойки.
В живите клетки веригите са много дълги, съдържат до 108 двойки подред и са усукани в плътна топка. При хората дължината на такова спирално стълбище, когато се развие, достига няколко метра и това е една молекула. Оттук и огромният брой възможни варианти за подреждане на молекулите в ДНК. И това многообразие е свързано с многообразието на живота, а подредбата на четирите типа двойки в молекулата на ДНК задава цялата програма, казва на клетката как да се развива и какво да прави.
Диаметърът на двойната спирала е 2·10 -9 m (2 nm), разстоянието между съседни двойки основи на спиралата е 0,34 · 10 -9 m (0,34 nm), пълен оборот на спиралата е завършен след 10 двойки, а дължината зависи от организма, към който принадлежи тази молекула на ДНК. Дължината на плодовата мушица (дрозофила) е 4·10 -3 m, а най-дългата й хромозома е 10 пъти по-дълга. В най-простите вируси ДНК съдържа няколко хиляди връзки, в бактериите - няколко милиона, а в по-високите - милиарди. Ако подредите ДНК молекулите, съдържащи се в една човешка клетка, ще получите дължина от 2 m, т.е. дължината е милиард пъти по-голяма от дебелината. Но той се вписва в клетъчното ядро, което означава, че неговото „сгъване“ е такова, че по цялата му дължина е достъпно за протеини, които трябва да „четат“ гени. Базите, свързани чрез слаба водородна връзка, се допълват взаимно и всяка верига автоматично доставя информация за намиране на партньор. В еукариотните клетки основните части на ДНК и протеините са вплетени заедно, за да приличат на низ от мъниста. Всяко такова „мънисто“ е заобиколено от четири ядрени блока и съдържа около 200 двойни бази, а „нишката“ се състои от ДНК и ядрен протеин (хистон), различен от това, което е било част от „мънистата“.
В публикацията си (1953) Крик и Уотсън отбелязват, че тази структура също добре обяснява процеса на „възпроизвеждане“ на тази молекула. Когато веригите се разделят, към всяка от тях могат да се прикрепят нови нуклеотиди, тогава в близост до всяка стара ще се появи нова верига, точно съответстваща на нея. Така за първи път стигнахме до структура, способна да се самовъзпроизвежда. Номер две задоволи биолозите, тъй като и клетките, и хромозомите се възпроизвеждат чрез разделяне на оригинала на две.
Третична структураДНК, определена от триизмерната пространствена конфигурация на молекулите, все още не е достатъчно проучена.
Изследванията показват, че ДНК може да съществува в две форми: A (при ниска влажност) и B (при висока влажност). Молекулярни модели са построени и за двете форми. Беше доста трудно да се получи информация от дифракционните модели на ДНК влакна, тъй като ДНК веригата има произволно подредени влакна по оста си, но спираловидната й структура беше потвърдена. Към днешна дата изследователите са се научили да синтезират в необходимото количество и да получават в достатъчно чиста форма къси участъци от ДНК на дадена последователност, което прави възможно кристализирането на фрагменти от молекулата с дължина от 4 до 24 базови двойки и изследването на тези кристали. с помощта на рентгенов дифракционен анализ. Изследванията показват, че и двете форми всъщност приличат на гъвкаво стълбище, усукано спирално около централна ос.

Глава 2.

2.1 Установяване структурата на ДНК молекулите

Нека припомним, че основните градивни компоненти на тялото са полимери. Нуклеиновите киселини също са полимери, въпреки че са много различни по структура от протеините. Те се наричат ​​още полинуклеотиди, защото се състоят от мономери – нуклеотиди. Нуклеотидът се състои от три части: основа, свързани със захарта който от своя страна е свързан с фосфат (PO4). Нуклеиновата киселина е кръстена на захарта, която съдържа; рибонуклеиновата киселина (РНК) съдържа рибоза, а дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) съдържа дезоксирибоза (която има един кислороден атом по-малко). Базите са големи пръстеновидни молекули с азотни атоми. ДНК нуклеотидите имат една от четирите бази: аденин, гуанин, цитозин и тимин (означени с A, G, C и T; в РНК тиминът замества урацил - U). Цитозинът, тиминът и урацилът имат по един пръстен от атоми и се наричат ​​пиримидинови бази; аденинът и гуанинът имат по два пръстена и се наричат ​​пуринови бази (Фигура 1). За удобство въглеродните и азотните атоми в пръстените са обозначени с атомни номера; захарни въглеродни атоми - от 1" до 5".

Фиг. 1

Полинуклеотидът (ДНК или РНК) се образува чрез свързването на фосфата на един нуклеотид със захарта на друг, точно така, че 3" въглеродният атом на един нуклеотид се свързва чрез фосфатната група с 5" въглеродния атом на следващия нуклеотид (Фигура 2.):

Фиг. 2

Следователно всяка ДНК молекула има полярност 3" --> 5", точно както протеиновата верига има полярност от аминовия към карбоксилния край. Самите бази са прикрепени към едната страна на захарно-фосфатния гръбнак на молекулата.
Преди 1952 г. обикновено се приемаше, че ДНК молекулите са изградени от четири вида нуклеотиди, редуващи се по правилен модел, така че изглеждаше, че всички молекули са повече или по-малко еднакви и не могат да носят информация. Но когато Ервин Чаргаф внимателно анализира състава на ДНК на различни организми, беше открито, че те не съдържат нуклеотиди в равни пропорции, а се наблюдава следното съотношение:
1) общият брой пурини (A + G) почти точно съответства на общия брой пиримидини (C + T);
2) количеството на A е почти равно на количеството на T, а количеството на G е почти равно на количеството на C (A = T, G = C);
3) съотношението (A + T): (G + C) варира значително сред различните организми.
През 1953 г. Джеймс Уотсън и Франсис Крик окончателно установяват структурата на ДНК. Уотсън беше ученик на Лурия, член на "фаговата група" и беше добре запознат с експериментите Хърши-Чейс. Крик беше физик, който разработи мощния аналитичен метод на рентгенова дифракция. Рентгеновите лъчи могат да се използват за определяне на структурата на молекулите, дори ако не можете да ги фокусирате по начина, по който светлинните лъчи се фокусират в микроскоп. Рентгеновите лъчи, изпратени до материала, се отклоняват от атомите по пътя си и от изображението, което оставят върху фотографския филм, може да се познае как са разположени атомите в кристала. Използвайки тази техника, биофизиците Морис Уилкинс и Розалинд Франклин от Кралския колеж в Лондон получиха рентгенови изображения, показващи, че ДНК има спирална структура - нещо като тирбушон. Уотсън и Крик се опитаха да изградят модел на ДНК, използвайки атомни модели на нуклеотиди. Те успяха, защото комбинираха данни от Уилкинс и Франклин с данни от Чаргаф и обща хипотеза за ролята на ДНК в наследствеността. Уотсън разказва историята на откритието в своята автобиографична книга „Двойната спирала“. За да получите по-обективна информация за напредъка на работата, тази книга е може би най-добре да се чете заедно с книгата на Ана Сейр Розалинд Франклин и ДНК.
Основното предположение на Уотсън и Крик беше, че основната роля в структурата на ДНК принадлежи на базите и правилото на Чаргаф трябва по някакъв начин да се вземе предвид: A = T, G = C. Те предположиха, че молекулата на ДНК се състои от два полинуклеотида вериги с противоположна полярност, усукани една спрямо друга в спирала (фиг. 7.6).

Тези вериги се държат заедно от бази, свързани по двойки, и аденинът може да се свърже само с тимин, а гуанинът може да се свърже само с цитозин:

Има слаби водородни връзки между базите, в който леко отрицателно заредените O и N атоми са свързани заедно чрез водород (който има лек положителен заряд). Базите, които се свързват една с друга, се наричат ​​взаимно допълващи се; това означава, че формата им съответства една на друга, както ръката съответства на ръкавицата или ключът на ключалката. Именно допълването на основите определя механизма на наследствеността, а чрез него и всички основни закони на биологията. Моделът на Уотсън и Крик обяснява правилото на Чаргаф и дава възможност да се разбере как ДНК носи генетична информация. Кратка статия на Уотсън и Крик в списание Nature през 1953 г. скромно обещаваше известно обещание в изследването на ДНК, но в действителност тя доведе до монументална революция в науката.

ДНК модел и генетика
За разлика от работата на Мендел, статията на Уотсън и Крик веднага привлича вниманието на научната общност, защото обяснява механизма на наследствеността. Веднага стана ясно, че последователността от ДНК бази може да предава информация, тоест да служи като генетичен код. Информацията обикновено е поредица, като поредица от букви и препинателни знаци в писмена форма или поредица от точки и тирета в морзовата азбука. В допълнение, генетичният код трябва по някакъв начин да бъде предаден от едно копие на ДНК в друго по време на клетъчното делене. Процесът на създаване на две копия (или реплики) на оригиналната ДНК молекула се нарича репликация. и моделът на Watson-Crick обяснява как това е възможно.
Във всяка ДНК молекула един нуклеотид съответства на комплементарен нуклеотид и една ДНК верига е напълно комплементарна на друга. Репликацията се извършва от сложен ензим, наречен ДНК полимераза. който започва да разкъсва двойната спирала като цип, оставяйки по една основа на всяка нишка (Фигура 7.7). Тук ще дадем само изключително опростено описание на процеса.

Ориз. 7.7. По време на репликацията на ДНК комплекс от ензими разделя нишките на двойната молекула и всяка открита база привлича комплементарен нуклеотид. Този процес продължава, докато от двете вериги израснат две еднакви молекули

В действителност всичко е много по-сложно, особено като се има предвид, че ДНК веригите могат да растат само от 3" края. Същността на процеса се свежда до факта, че молекулите на ДНК полимеразата се движат по всяка верига и синтезират комплементарни вериги, като по този начин образуват двойна спирала вместо единична.Всяка свободна база се свързва изключително с комплементарния си нуклеотид.Например отвореният цитозин привлича нов гуанин, а отвореният аденин привлича тимин.В клетката има достатъчно свободни нуклеотиди, защото те се образуват постоянно по време на метаболизма , а полимеразата свързва сдвоени бази заедно. Така всяка верига определя образуването на комплементарна верига с последователност, идентична на последователността на предишната сдвоена верига. В крайна сметка се получават две спирали, идентични на първоначалната молекула.
Нуклеотидната последователност на ДНК трябва да съхранява генетична информация и последното предположение от модела на Watson-Crick е, че мутациите възникват, когато една база се замени с друга или когато веригата се скъса и пренареди. Това се случва рядко, но когато се случи, клетката има механизми за коригиране на някои грешки. Всеки организъм обаче съдържа огромно количество ДНК и ако шансът за вмъкване на грешна база е само едно на милион, тогава на всеки 10 милиона бази ще има 10 грешки и мутацията се превръща в сила, с която трябва да се съобразявате.

Проверка на модела
Истинската научна стойност на един модел се измерва с факта, че всички изводи, до които води, могат да бъдат проверени на практика. Моделът на Watson-Crick не само включва всички известни факти за ДНК и наследствеността, но също така позволява да се направят редица нови предположения.
Нека да разгледаме репликацията на ДНК от обща гледна точка. Всяка верига остава непокътната, но две вериги от една молекула се раздалечават и към всяка стара верига се прикрепя нова верига. Това се нарича полуконсервативна репликация на ДНК, тъй като цялата родителска ДНК не се запазва, но всяка от нейните вериги се запазва. Да приемем, че първоначалната молекула е оцветена в червено, а новите нуклеотиди са оцветени в зелено. След това, след репликация, всяка дъщерна молекула ще бъде наполовина червена и наполовина зелена. Ако се репликират отново, две от получените молекули все още ще бъдат наполовина червени и наполовина зелени, а две ще бъдат напълно зелени. Нека означим оригиналната молекула с плътни линии, а новите с прекъснати линии. Това води до следната диаграма:

През 1954 г. Матю Мезелсън и Франклин Стал измислят начин да тестват тези открития. Работейки с Jerome Winograd, те откриха, че гъст разтвор на цезиев хлорид (CsCl) образува градиент на плътност, когато се центрофугира при висока скорост. Инструмент, наречен ултрацентрофуга , може да достигне скорост до 60 хиляди оборота в минута, тоест до 1000 оборота в секунда. Съдейки по тези сравнително бавни центрофуги, които се намират в увеселителни паркове, можете да си представите центробежната сила, генерирана в мощна центрофуга. Под въздействието на тази сила доста тежките цезиеви йони започват да се движат към дъното на центрофужната тръба. След няколко часа центрофугиране се образува непрекъснат градиент на плътност в разтвора на CsCl, т.е. по-близо до дъното плътността се увеличава и намалява към повърхността. В такъв разтвор ДНК молекулите спират на място в разтвора, чиято плътност е равна на тяхната плътност.
Meselson и Stahl отглеждат бактерии в среда, съдържаща тежки азотни изотопи (15N за разлика от обичайния l4N). Клетките включиха този азот в своята ДНК, което означава, че тяхната ДНК стана по-плътна от нормалната ДНК. По този начин тези ДНК стават белязани („червени“ в нашия пример). След това изследователите прехвърлиха бактериите в среда с нормална концентрация на азот и следователно цялата нова ДНК, образувана след това, имаше нормална плътност (в нашия пример „зелена“). На различни интервали от време изследователите центрофугираха ДНК проби в разтвор на CsCl и определяха тяхната плътност (ултрацентрофугата съдържаше оптична система и камера). Първоначално цялата ДНК беше плътна. След първото разделение станаха наполовина плътни. След второто делене половината ДНК беше наполовина плътна, а половината ДНК беше лека. Точно така е трябвало да се държи ДНК според модела на Уотсън-Крик.
Второто заключение беше, че трябва да се наблюдава "вилица" по време на репликацията на ДНК. Двете вериги не могат да се разделят по цялата си дължина наведнъж; те се скъсват в единия край и към разединените участъци се закрепват нови вериги. Молекулите на ДНК могат да се видят с помощта на авторадиография, метод, който записва разпределението на радиоактивните изотопи в молекулата. Тритий (3H), изотоп на водорода, често се използва, тъй като неговите атоми, когато се разпадат, излъчват нискоенергийни електрони, които лесно се абсорбират от много вещества. Ако такъв електрон удари фотографски филм или гел, върху него остава тъмно петно, което показва местоположението на тритиевия атом. Изображението, получено от разпадането на много атоми, се нарича авторадиография, тъй като радиоактивното вещество сякаш се фотографира.
ДНК авторадиографите се получават чрез отглеждане на определени клетки (като бактерии или бързо растящи корени на растения) в среда, съдържаща тимидин (един от ДНК нуклеотидите с пиримидинова основа, тимин), белязан с тритий. Така тритият се включва във всички новообразувани ДНК. След това материалът се поставя на тънък равномерен слой върху фолио (например корен на растение), внимателно се натрошава и разпределя. След измиване и отстраняване на тимидина, филмът се покрива с фотографска емулсия и се оставя на тъмно място, понякога за няколко месеца. Когато емулсията се прояви, върху филма се появяват тъмни сребърни зърна на местата, където тритиевите атоми се разпадат. По този начин маркирани клетки и техните части могат да бъдат идентифицирани на снимката.
и т.н.................