|
зміст
Вступ
I. Зародження хромосомної теорії спадковості
1. Досліди по гібридизації рослині. Накопичення відомостей про успадкованих
ознаках.
2. Умоглядні гіпотези про природу спадковості.
3. Відкриття Г. Менделем законів успадкування.
4. Розвиток біометричних методів вивчення спадковості.
5. Цитологічні основи генетики.
6. Обґрунтування хромосомної теорії спадковості.
7. Проблема всередині хромосомної локалізації генів.
8. Штучне отримання мутації. Класифікація мутацій.
9. Вивчення генетичних основ еволюції.
10. Проблема подрібнюваністю гена.
II. Молекулярна генетика.
1. Тонка структура гена. Функціональна структура генів. генетичний
код.
2. Реплекція ДНК
3. Генетичний контроль синтезу білків.
4. Мутація і генетичний код.
5. Регуляція генної активності.
6. Репарація генетичних ушкоджень.
висновок
література
Вступ
Генетика - наука про спадковість і її мінливості - отримала розвиток на початку XX ст. , Після того як дослідники звернули увагу на закони Г. Менделя, відкриті в 1865 р, але залишалися без уваги протягом 35 років. За короткий термін генетика виросла в розгалужену біологічну науку з широким колом експериментальних методів і напрямку. Назва генетика було запропоновано англійським вченим У. Бетсоном в 1906 р Дослідниками класичного періоду розвитку генетики були з'ясовані основні закономірності спадковості й доведено, що спадкові фактори (гени) зосереджені в хромосомах. Подальший прогрес у вивченні закономірностей зберігання і реалізації генетичної інформації стримувався з двох причин. По-перше, через занадто об'ємних експериментів, пов'язаних з більш глибоким вивченням генів, по-друге, через неможливість зрозуміти роботу генів без поглибленого дослідження перетворення молекул, залучених до генетичних процесів. Перехід до генетичних досліджень мікроорганізмів, що дозволив уникати багатьох труднощів, був цілком закономірний. Такий перехід здійснився в 50-х роках. У 1941 р Дж. Бідл і Е. Тейтум опублікував коротку статтю "Генетичний контроль біохімічних реакцій у Neurospora", в якій повідомили про перші генетичних експериментах на мікроорганізмах.
В останні роки ці дослідження отримали широкий розмах і проводяться на самих різних біологічних об'єктах.
Зародження хромосомної теорії спадковості.
Досліди по гібридизації рослин.
Накопичення відомостей про успадкованих ознаках.
Спроби зрозуміти природу передачі ознак у спадок від батьків дітям робилися ще в давнину. Роздуми на цю тему зустрічаються в творах Гіппократа, Аристотеля та інших мислителів. У XVII -XVIII рр., Коли біологи почали розбиратися в процесі запліднення і шукати, з яким початком - чоловічим або з жіночим - пов'язана таємниця запліднення, суперечки про природу спадковості відновилися з новою силою.
У 1694 році Р.Я. Каммераріусом було виявлено, що для зав'язування плодів необхідно запилення. Тим самим до кінця XVII в. була підготовлена наукова грунт для початку дослідів по гібридизації рослин. Перші успіхи в цьому напрямку були досягнуті на початку XVIII в. Перший міжвидовий гібрид отримав англієць Т. Фейрчайлд при схрещуванні гвоздик. У 1760 р Кельрейтер почав перший ретельно продумувати досліди з вивчення передачі ознак при схрещуванні рослині. У 1761 - 1766 рр., Майже за чверть століття до Л. Спалланцани, Кельрейтер в дослідах з тютюном і гвоздикою показав, що після перенесення пилку однієї рослини на маточка що відрізняється за своїми морфологічними ознаками рослини утворюються зав'язі і насіння, що дають рослини із властивостями, проміжних по відношенню до обох батьків. Точний метод розроблений Кельрейтер, зумовив швидкий прогрес у вивченні спадкової передачі ознак.
В кінці XVIII-початку XIX ст. англійська селекціонер - рослинник Т. Е. Найт, проводячи схрещування різних сортів, робить важливий висновок. Важливий висновок Найта стало виявлення неподільності дрібних ознак при різних схрещуваннях. Дискретність спадкового матеріалу, проголошена ще в давнину, отримала в його дослідженнях перше наукове обгрунтування. Найту належить заслуга відкриття "елементарних спадкових ознак".
Подальші істотні успіхи в розвитку методів схрещувань пов'язані з О. Сажре і Ш. Ноденом.
Найбільше досягнення Сарже стало виявлення феномена домінантності. При схрещуванні сортів він нерідко спостерігав придушення ознаки одного з батьків ознакою іншого. Це явище в максимальному ступені проявляється в першому поколінні після схрещування, а потім пригнічені ознаки знову виявлялися у частині нащадків наступного покоління. Тим самим Сарже підтвердив, що елементарні спадкові ознаки при схрещуванні не зникають. До цього висновку прийшов і Ноден в 1852 - 1869 рр. Але Ноден пішов ще далі, приступивши до кількісного вивчення пере комбінації спадкових задатків при схрещуванні. Але на цьому шляху його чекало розчарування. Невірний методичний прийом - одночасно вивчення великої кількості ознак - привів до великої плутанини в результатах, і він змушений був відмовитися від своїх дослідів. Недоліки. властиві дослідам Ноденом і його попередників, були усунені в роботі Г. Менделя.
Розвиток практики гібридизації повело до подальшого накопичення відомостей про природу схрещувань. Практика вимагала вирішення питання про збереження незмінними властивостей "хороших рослині, а також з'ясування способів поєднання в одній рослині потрібних ознак, притаманних кільком батькам. Експериментально вирішити це питання не уявлялося ще можливим. В таких умовах виникали різні умоглядні гіпотези про природу спадковості.
Умоглядні гіпотези про природу спадковості.
Найбільш фундаментальною гіпотезою такого роду. послужила певною мірою взірцем для аналогічних побудов інших біологів, з'явилася "тимчасова гіпотеза пангенезиса" Ч. Дарвіна, викладена в останньому розділі його праці "Зміна домашніх тварин і культурних рослині" (1868). Згідно з його уявленням, в кожній клітині будь-якого організму утворюються у великій кількості особливі частинки - геммули, які мають здатність поширюватися по організму і збиратися в клітинах, що служать для статевого або вегетативного розмноження. Дарвін припускав, що геммули окремих клітин можуть змінюватися в ході онтогенезу кожного індивідуума і давати начло зміненим нащадкам. Тим самим приєднався до прихильників успадкування придбаних ознак.
Припущення Дарвіна про спадщину придбаних ознак було експериментально спростовано Ф. Гальтон (1871).
Умоглядна гіпотеза про природу спадковості була запропонована ботаніком К. Негелі в роботі "Механіко-фізіологічна теорія еволюції" (1884). Негелі припустив, що спадкові задатки передаються лише частиною речовини клітини, названого їм ідіоплазми. Інша частина (стереоплазма), згідно з його поданням, спадкових ознак не несе. Він припустив, що ідіоплазма складається з молекул, з'єднаних один з одним у великі ниткоподібні структури - міцели, що групуються в пучки і утворюють мережу, що пронизують всі клітини організму. Гіпотеза Негелі готувала біологів до думки про структурованості матеріальних носіїв спадковості.
Вперше ідея про диференціюються поділу ядра клітин зародка була висловлена В. Ру. в 1883 р Висновки Ру послужили відправною точкою для створення теорії зародкової плазми, що отримала остаточне оформлення в 1892 р Вейсман чітко вказав на носіїв спадкових факторів - хромосоми.
З початок Ру 1883 року, а потім і Вейсман висловили припущення про лінійне розташування в хромосомах спадкових факторів (хроматівних зерен, по Ру, і ід по Вейсману) і їх поздовжньому розщепленні під час мітозу, ніж багато в чому передбачили майбутню хромосомну теорію спадковості.
Розвиваючи ідею про нерівно спадковому розподілі, Вейсман логічно прийшов до висновку про існування в організмі двох чітко розмежованих клітинних лінії - зародкових і соматичних. Перші, забезпечуючи безперервність передачі спадкової інформації, "потенційно безсмертні" і здатні дати початок новому організму. Другі такими властивостями не володіють. Таке виділення двох категорій клітин мало велике позитивне значення для подальшого розвитку генетики.
В. Вальдейер в1888 р запропонував термін хромосома. Роботи ботаніків і тваринників підготували грунт швидкого визнання законів Г. Менделя після їх пере відкриття в 1900 р
Відкриття Г. Менделем законів успадкування.
Честь відкриття кількісних закономірностей, які супроводжують формування гібридів, належить чеському ботаніку-любителю Йогану Грегору Менделю. У своїх роботах, що виконувалися в період з 1856 по 1863р., Він розкрив основи законів спадковості.
Перше його увага була звернена на вибір об'єкта. Для своїх досліджень Мендель вибрав горох. Підставою для такого вибору послужило, по-перше, те, що горох - строгий самоопилітель, і це різко знижувало можливість заносу небажаної пилку; по-друге, в той час була достатня кількість сортів гороху, що розрізнялися за кількома спадкоємною ознаками.
Мендель отримав від різних ферм 34 сорти гороху. Після двох річний перевірки, чи зберігають вони свої ознаки незмінними при розмноженні без схрещування, він відібрав для експериментів 22 сорти.
Мендель почав з дослідів зі схрещування сортів гороху, що розрізняються за однією ознакою (моногибридное схрещування). У всіх дослідах з 7 парами сортів було підтверджено явище домінування в першому поколінні гібридів, виявлене Сажре і Ноденом. Мендель ввів поняття домінантного і рецесивного ознак, визначивши домінантними ознаки, які переходять в гібридні рослини абсолютно незмінними або майже незмінними, а рецесивними ті, які стають при гібридизації прихованими. Потім Мендель вперше зумів дати кількісну оцінку частотах появи рецесивних форм серед загального числа нащадків при схрещувань.
Для подальшого аналізу природи спадковості, Мендель вивчив ще кілька поколінні гібридів, схрещується між собою. В результаті отримали міцне наукове обгрунтування наступні узагальнення фундаментальної важливості:
1. Явище нерівнозначності спадкових ознак.
2. Явище розщеплення ознак гібридних організмів у результаті їх подальших схрещувань. Були встановлені кількісні закономірності розщеплення.
3. Виявлення не тільки кількісних закономірностей розщеплення по зовнішнім, морфологічними ознаками, а й визначення співвідношення домінантних і рецесивних задатків серед форм, з вигляду не відмінних від домінантних, але є змішаними за своєю природою.
Таким чином, Мендель впритул підійшов до проблеми співвідношення між спадковими задатками і обумовленими ними ознаками організму. За рахунок пере комбінації задатків (згодом ці задатки В. Иоганнсен назвав генами.), При схрещуванні утворюються зиготи, що несуть нове поєднання задатків, чим і обумовлюються відмінності між індивідуумами. Це положення лягло в основу фундаментального закону Менделя - закону чистоти гамет.
Експериментальні дослідження і теоретичний аналіз результатів схрещувань, виконані Менделем, визначили розвиток науки більш ніж на чверть століття.
Розвиток біометричних методів вивчення спадковості.
Індивідуальні відмінності навіть між спорідненими організмами зовсім не обов'язково пов'язані з різницею в генетичній структурі цих особин; вони можуть бути пов'язані з неоднаковими умовами життя. Тому робити висновки про генетичні відмінності можна тільки на підставі аналізу великого числа особин. Першим, хто привернув увагу до математичних закономірностей в індивідуальній мінливості, був бельгійський математик і антрополог А. Кетле. Він з'явився одним із засновників статистики і теорії ймовірностей.
У той час важливе питання був про можливість передачі у спадок ухилень від середньої кількісної характеристики ознаки, які спостерігаються у окремих індивідуумів. З'ясуванням цього питання зайнялися кілька дослідників. За своєю значимістю виділилися роботи Гальтона, який зібрав дані про спадкування росту у людини. Потім Гальтон вивчив успадкування величини віночка квітки у запашного горошку і прийшов до висновку, що потомству передається лише невелика частина відхилень, що спостерігаються у батьків. Гальтон спробував надати своєму спостереженню математичне вираз, поклавши початок великої серії робіт по математико-статистичним основам успадкування.
Послідовник Гальтона К. Пірсон продовжив цю роботу в більш широких масштабах. Найбільш серйозне і стало класичним дослідження питань, що піднімалися Гальтон і Пірсоном і їх послідовників, було виконано в 1903 -1909 рр. В. Іоганнсеном, який звернув головну увагу на вивчення генетично однорідного матеріалу. Виходячи з отриманих аналізів, Іоганнсеном дав точне визначення генотипу і фенотипу і заклав основи сучасного розуміння ролі індивідуальної мінливості.
Цитологічні основи генетики
У 70 - 80-х роках XIX ст. були описані мітоз і поведінку хромосом під час поділу клітини, що наштовхнуло на думку, що ці структури відповідальні за передачу спадкових потенцій від материнської клітини дочірнім. Розподіл матеріалу хромосом на дві рівні частки свідчило на користь гіпотези, що саме в хромосомах зосереджена генетична пам'ять. Вивчення хромосом у тварин і рослин призвело до висновку, що кожен вид тварин істот характеризується строго певним числом хромосом.
Відкритий Е. ван Бенедоном (1883) факт, що число хромосом в клітинах тіла вдвічі більше, ніж в статевих клітинах, можна пояснити: оскільки при заплідненні ядра статевих клітин зливаються і оскільки число хромосом в соматичних клітинах залишається константним, то постійному подвоєння числа хромосом при послідовних запліднення має протистояти процес, що приводить до скорочення їх числа в гаметах рівно вдвічі.
У 1900 р незалежно один від одного К. Корренс в Німеччині, Г. де Фриз в Голландії і Е. Чермак в Австрії виявили в своїх дослідах відкриті раніше закономірності і, натрапивши на його роботу, знову опублікували її в 1901 р Ця публікація викликала глибокий інтерес до кількісних закономірностям спадковості. Цитологи виявили матеріальні структури, роль і поведінка яких могли бути однозначно пов'язані з менделевскими закономірностями. Такий зв'язок угледів в 1903 р В. Сеттон - молодий співробітник відомого американського цитолога Е. Вільсона. Гіпотетичні уявлення про спадкові фактори, про наявність одинарного набору факторів в гаметах, та подвійного - у зигота отримали обгрунтування в дослідженнях хромосом. Т. Бовери (1902) представив докази на користь участі хромосом в процесі спадкової передачі, показавши, що нормальний розвиток морського їжака можливо тільки при наявності всіх хромосом.
Встановленням того факту, що саме хромосоми несуть спадкову інформацію, Сеттом і Бровер започаткували новий напрям генетики - хромосомної теорії спадковості.
Обгрунтування хромосомної теорії спадковості
Після пере відкриття менделеевских закономірностей розгорнулося вивчення цих закономірностей у всіляких видів тварин і рослин.
У 1909 р до детального вивчення цього питання приступив Т. Г. Морган. Перш за все він чітко сформулював вихідну гіпотезу. На питання, чи завжди будуть виконуватися чисельні закономірності, встановлені Менделем, Мендель абсолютно справедливо вважав, що такі закономірності вірні тільки тоді, коли досліджувані фактори будуть комбінуватися при утворенні зигот незалежно один від одного. Але так як число хромосом у порівнянні з кількістю генів невелика, то слід було очікувати, що гени, розташовані в одній хромосомі, будуть переходити з гамет в зиготи спільно. Отже, відповідні ознаки будуть успадковуватися групами.
Перевірку це припущення здійснив Морган і його співробітники К. Бріджес і А. Стертевант в дослідженнях з дрозофіли. Вибір цього об'єкта з багатьох причин можна вважати великою удачею, тому що дрозофіла має невеликий період розвитку, має високу плодовитістю і має всього чотири пари хромосом.
Незабаром у дрозофіли було виявлено велику кількість різноманітних мутації, тобто форм, що характеризуються різними спадковими ознаками. Це дозволило Моргану приступити до генетичних дослідів. Він довів, що гени, що знаходяться в одній хромосомі, передаються при схрещуванні спільно. Одна група зчеплення генів розташована в хромосомі. Вагоме підтвердження гіпотези про зчепленні генів в хромосомах Морган отримав при вивченні так званого зчепленого з підлогою спадщини.
Завдяки цітолого-генетичним експериментам (А. Стертевант, К. Бріджес, Г. ДЖ. Меллер, 1910) вдалося встановить участь деяких хромосом у визначенні статі. Статеві хромосоми виявилися двох типів: Х- хромосоми, Y- хромосоми. Поєднання двох X-хромосом призводить до формування жіночої статі, а однією X-хромосоми і Y-хромосоми дає початок чоловічої особини, таке поєднання притаманне більшості ссавців (в тому числі осіб), амфібіям, рослинам, рибам. Простеживши за поведінкою генів у потомство певних самців і самок, Морган отримав переконливе підтвердження припущення про зчепленні генів.
Таким чином, у розвитку генетики виділяються два важливих етапи. Перший етап, який базується на гибридологический дослідженнях, пов'язаний з відкриттям Менделя. Другий, пов'язаний з успіхами цитологічних досліджень, завершився доказом того, що носіями спадкових факторів є хромосоми. Морган сформулював і експериментально довів положення про зчепленні генів в хромосомах.
Штучне отримання мутацій. Класифікація мутацій.
Найбільшим досягненням експериментальної генетики було виявлення можливості штучно викликати мутації за допомогою різноманітних фізичних і хімічних агентів. Г. А. Надсон і Г. С. Філіппов (1925) отримали мутації у дріжджів під дією радію і рінгенних променів; Г. Меллер (1927), (за вивчення явищ зчеплення і Кросинговер, а також відкриття штучного мутагенезу йому була присуджена в 1946 р Нобелівська премія.) - за допомогою рентгенівського проміння у дрозофіли, а Л. Стадлер (1928) - за допомогою впливу цими променями у кукурудзи.
В середині 30-х років була сформульована теорія, що описує кінетичні залежності ні активує і мутагенних ефектів іонізуючих випромінювань - так звана "теорія мішені". Найважливіші експерименти, що стали основою цієї теорії, були проведені в період 1931 - 1937 рр. Н.В. Тимофєєвим-Ресовський, М. Дельбрюк, Р Цімер і іншими дослідниками.
Найважливішим досягненням на шляху до штучного отримання мутації з'явилися роботи В.В. Сахарова (1932,1938) і М.Є. Лобашева (1934, 1935) за хімічним мутагенезу. Новий етап вивчення ролі хімічних чинників в процесі мутації був відкритий І.А. Рапопоротом (1943,46,47) і Ш. Ауербах (1943), що вказали на потужне мутагенну дію деяких хімічних речовин.
Великий матеріал, що накопичився в галузі вивчення мінливості, дозволив створити класифікацію типів мутацій. Було встановлено існування трьох видів мутації - генних, хромосомних і геномних. До першого класу відносяться зміни. зачіпають лише один ген. У цьому випадку або повністю порушується робота гена і, організм втрачає одну функцію, або змінюється його функція. Хромосомні мутації - зміна в структурі хромосом, діляться не кілька типів: дуплікацією називають мутації, при яких крім транслокаций, може статися подвоєння, потроєння окремих ділянок хромосоми; інверсією називаються мутації при яких відірвався шматок хромосоми може залишитися в тій же хромосомі, але виявиться в перевернутому вигляді, при цьому порядок розташування ген в хромосомі змінюється; якщо втрачається ділянка хромосоми, говорять про делеції, або нестачі. Всі ці типи хромосомних перебудов об'єднують під загальним терміном - хромосомніаберації. Наступний вид мутацій, при якому змінюється числа хромосом називаю геномними.
В даний час відомо велика кількість речовин, що підсилюють мутаційний процес. Розроблено теорію дії мутагенних сполук на спадкові структури, інтенсивно розробляються проблеми специфічності дії мутагенів.
Вивчення генетичних основ еволюції.
У 1904 р К. Пірсон обгрунтував так званий закон стабілізуючого схрещування, згідно з яким в умовах вільного схрещування при будь-якому початковому співвідношенні чисельності гомозиготних і гетерозиготних батьківських форм в результаті першого ж схрещування всередині спільноти встановлюється стан рівноваги. У 1908 р англійський математик Г. Харді прийшов до висновку, що в необмежено великих популяціях при наявності вільного схрещування, при відсутності тиску мутацій, міграція і відбір відносна чисельність гомозиготних (як домінантних, так і рецесивних) і гетерозиготних особин буде збережуться постійної за умови рівності твори числа гомозиготних (як домінантних, так і рецесивних) особин квадрату половини числа гетерозиготних форм. Ці закономірності тривалий час не були визнані біологами-еволюціоністами.
Лише в 1926 р С.С Четверикова була опублікована велика робота, яка привернула увагу до загальнобіологічними значенням викладок Пірсона і Харді. Четвериков докладно розглянув біолого-генетичні основи еволюції і заклав основи нової наукової дисципліни -популяціонной генетики. Подальший розвиток популяційної генетики пов'язано з роботами С. Райта, Р. Фішера, Н. П. Дубініна та ін.
Четвериков та його учні Н.К. Бєляєв, С.М. Гершензон .П.Ф. Рокицкий і Д.Д. Ромашов вперше здійснили експериментально-генетичний аналіз природних популяцій дрозофіли, повністю підтвердив їх насиченість рецесивними мутаціями. Було також встановлено, що збереження і поширення мутацій в популяції визначається генетико-автоматичними процесами. Детальний аналіз цих процесів було проведено Ромашова (1931), Дубиніним (1931) і Райтом (1921, 1931). Останній назвав їх "явище дрейфу генів в популяції", а Четвериков - "генетико-стохастичними", підкресливши їх ймовірносно-статистичну природу. Статистичний аналіз, показав, що в результаті генетико-автоматичних процесів знищуються безліч виникли мутації і лише деякі доводяться до рівня помітних концентрацій. В силу ймовірнісної природи генетико-Автоматичний процесів вони можуть то усувати окремі мутації, то піднімати їх чисельність, дозволяючи відбору здійснювати механізм "проб і помилок". Генетико-автоматичні процеси постійно виносять рідкісні мутації до рівня дії відбору і цим допомагають останньому швидко "переглянути" нові варіанти мутантів. Таким чином генетико-Автоматичний процеси прискорюють еволюцію нових мутацій за рахунок скорочення ранніх етапів розмноження новопосталих мутації
Детальне вивчення генетичних структур природних популяцій і швидкості поширення мутацій в природі перетворилося зараз в область біології, активно розробляється на основі математичних методів.
Проблема подрібнюваністю гена.
До початку 30-х років XX ст. склалися основи теорії гена. Уже перші досягнення гибридологического аналізу поставили проблему дискретності спадкового матеріалу. Вважалося, що ген відповідає за розвиток однієї ознаки і передається при схрещуванні як неподільне ціле. Відкриття мутації і кросинговеру (порушення зчеплення генів у результаті обміну ділянками між хромосомами, назване так Морганом.) Підтверджували неподільність генів. В результаті узагальнення всіх даних визначення гена отримало наступне формулювання: ген - це елементарна одиниця спадковості, що характеризується цілком певною функцією, мутує під час кросинговеру як ціле. Інакше кажучи, ген - одиниця генетичної функції, мутації і кросинговеру.
У 1928 р в лабораторії А.С. Серебровского в біологічному інституті ім. К.А. Тімірязєва Н.П. Дубінін почав досліджувати дію рентгенівського проміння на дрозофіл і виявив незвичайну мутацію. Освіта щетинок на тілі мухи контролюється особливим геном scute. Мутація гена scute, вперше виявлена американським генетиком Пейном (1920), не раз виникала в експериментах, і при її появі придушувалося розвиток дев'яти щетинок. Виявлена Дубиніним мутація, пригнічувала розвиток всього чотирьох щетинок. Після подальших експериментів стало ясно, що ген не є неподільною генетичною структурою, являє собою область хромосоми, окремі ділянки якої можуть мутувати незалежно один від одного. Це явище Серебровським ступінчастим аллеломорфізмом.
Одним з великих переваг робіт з вивчення східчастих аллеломорфов був кількісний метод обліку мутантів. Розробивши систему, що дозволяє кількісно оцінювати результат кожної мутації, Серебровський, Дубінін та інші автори тоді ж розкрили явище додатки одного мутантного гена іншим. Це явище було згодом перевідкрито на мікроорганізмах і отримало назву комплементации. За цикл робіт по хромосомної теорії спадковості і теорії мутацій Дубінін був удостоєний в 1966 р Ленінської премії.
Показавши мутационную дробильність гена, Серебровський і інші співробітники його лабораторії, проте, довгий час не могли підтвердити дробильність гена за допомогою кросинговеру. Щоб виявити розрив гена, потрібно перевірити величезне число мух. Організувати такий експеримент вдалося тільки в 1938 р, коли Дубінін, М.М. Соколов і Г.Г. Тиняков змогли розірвати ген scute і перевірити свій результат цитологічних на гігантських хромосомах слинних залоз дрозофіли. Остаточне вирішення питання, ділимо чи ген не тільки мутационно, але і механічно, було досягнуто в роботах М. Гріна (1949), Е. Льюїса (1951) і Г. Понтекорво (1952). Було остаточно встановлено, що вважати ген неподільним неправильно. Далі потрібно розробити нову теорію гена, визначивши конкретні фізичні структури, відповідальні за реалізацію різних генетичних функцій. Вирішити це питання, на багатоклітинних організмах, було неможливо. На допомогу прийшли мікроорганізми.
Перехід до генетичних досліджень на мікроорганізмах з'явився найбільшим кроком вперед у вивченні генетичних проблем. З розвитком експериментів на мікроорганізмах генетика перейшла на молекулярний рівень досліджень.
Молекулярна генетика.
Тонка структура. Функціональна структура генів. Генетичний код.
Одне з найбільш істотних досягнень молекулярної генетики полягає у встановленні мінімальних розмірів ділянки гена, що передаються при кроссинговере (в молекулярної генетики замість терміна "Кросинговер» прийнятий термін "рекомбінація", який все ще починають використовувати і в генетиці вищих істот), що піддаються мутації і здійснюють одну функцію. Оцінки цих величин були отримані в 50-і роки С. Бензер.
Серед різних внутрігенних мутацій Бензер виділив два класи: точкові мутації (мутації мінімальної протяжності) і делеції (мутації, що займають досить широку область гена). Встановивши факт існування точкових мутацій, Бензер задався метою визначити мінімальну довжину ділянки ДНК, що передається при рекомбінації. Виявилося, що ця величина складає не більше декількох нуклеотидів. Бензер назвав цю величину Рекон.
Наступним етапом було встановлення мінімальної довжини ділянки, зміни якого достатньо для виникнення мутації (мутона). На думку Бензера, ця величина дорівнює кільком нуклеотидам. Однак в подальших ретельних визначеннями було виявлено, що довжина одного мутона не перевищує розмір одного нуклеотиду.
Наступним важливим етапом у вивченні генетичного матеріалу було підрозділ всіх генів на два типи: регуляторний гени, що дають інформа-цію про будову регуляторних білків і структурні гени, що кодують будова інших поліліпіпедних ланцюгів. Ця ідея і експериментальне підтвердження було розроблено дослідниками Ф. Жакобом і Ж. Моно (1961).
З'ясування основної функції гена як зберігача інформації про будову певної поліпептидного ланцюга поставило перед молекулярною генетикою питання: яким чином здійснюється перенесення інформації від генетичних структур (ДНК) до морфологічних структурам, іншими словами, яким чином записана генетична інформація і як вона реалізується в клітці.
Відповідно до моделі Уотсона - Кріка, генетичну інформацію в ДНК несе послідовність розташування підстав. Таким чином, в ДНК укладені чотири елементи генетичної інформації. У той же час в білках було виявлено 20 основних амінокислот. Необхідно було з'ясувати, як мова чотирибуквеними записи в ДНК може бути переведений на мову двадцяти буквеної записи в беках. Вирішальний внесок у розробку цього механізму було внесено Г. Гамовим (1954,1957). Він припустив, що для кодування однієї амінокислоти. використовується поєднання з трьох нуклеотидів ДНК (нуклеотидів називають з'єднання, що складається з цукру {дізоксорібоза}, фосфату і підстави і утворює елементарний мономер ДНК). Ця елементарна одиниця спадкового матеріалу, що кодує одну амінокислоту, отримала назву кодону.
Припущення Гамова про трехнуклеотідном складі кодону виглядало логічно, довести його експериментально довгий час не вдавалося. Лише в кінці 1961 року, коли багатьом стало здаватися, що це питання не будуть вирішено, була опублікована робота кембріджської групою дослідників (Ф. Крик, Л. Барнет, С. Берннер і Р. Ваттс - Тобін), які з'ясували тип коду і встановили його загальну природу. Важливим в їх роботі було те, що вони з самого початку суворо поставили питання про роль початкової, стартової точки в гені. Вони довели, що в кожному гені є строго фіксована початкова точка, з якої фермент, що синтезує РНК, починає "прочитання" гена, причому читає його в одному напрямку і безперервно. Автори так само довели. що розмір кодону дійсно дорівнює трьом нуклеотидам і що спадкова інформація, записана в ДНК, читається від початкової точки гена "без ком і проміжків".
реплікація ДНК
Уотсона і Крика запропонували гіпотезу будови ДНК, згідно з якою, послідовність підстав в одній нитки ДНК однозначно задавала послідовність підстав інший нитки. Далі вони припустили, що дві нитки ДНК розкручуються і на кожній з них відповідно до правил компліментарності синтезуються дочірніх нитки. Таким чином, кожна нова молекула ДНК повинна містити одну батьківську і одну дочірню. Цей тип (напівконсервативний) реплікації до кінця 50 років був експериментально обгрунтували в дослідах на бактеріях. Досліди на вищих організмах також побічно говорили про правильність цього висновку. В цей же час А. Корнберг виділив фермент, який, як він вважав, здійснює синтез білка. Для роботи ферменту було необхідна наявність затворочной ДНК і всіх чотирьох попередників ДНК (дезоксорібонукеозідтріфосфатов). У наступному десятилітті біохіміки отримали величезну кількість фактів про характер протікання Реплікаційний процесу. Було виділено і охарактеризовано кілька типів ферментів, які здійснюють реплекцію (ДНК-полімерази).
Генетичний контроль синтезу білків.
Найважливішим досягненням молекулярної генетики було з'ясування ланцюга реакцій, що забезпечують передачу інформації від ДНК до білка. Цитохімічних було доведено, що ДНК локалізована головним чином в ядрі клітин. Синтез білків, як показали дослідження початку 50-х років. відбувається в основному в цитоплазмі. Відразу виникло питання: яким чином ядро може здійснювати контроль за синтезом білка в цитоплазмі?
У 30-х роках XX ст. було встановлено. що в клітинах поряд з ДНК міститься другий клас нуклеїнових кислот -рібонуклеіновие кислоти (РНК). На відміну від ДНК в РНК замість цукру дізоксірібози міститься також п'яти-членний вуглевод - рибоза, а одне з піримідинових основ - Тимин - замінено на урацил. Крім того було показано, що РНК, як правило, не двуспіральная, а однонитчатим.
В (1942) Браше і Кедровський (1951), а потім в великих дослідах було показано, що інтенсивний синтез білка відбувається в тих ділянках, де зосереджено багато РНК. Було припущено, що саме РНК переносить інформацію з ДНК на білок, але тільки в 1961 році було втілено в чітку гіпотезу Ф. Жакобом і Ж. Моно. Вони назвали таку РНК - "інформаційної РНК". . Основне утруднення в розумінні механізму передачі генетичної інформації з ДНК до білка полягало в тому, що прямий синтез білка на РНК був неможливий через чисто стеріотіческіх НЕ співвідношень: молекули амінокислот не збігаються з розмірами кодонів. Ф. Крик в 1954 році запропонував так звану адаптерні гіпотезу, згідно з якою функції перекладу мови нуклеїнових кислот на мову білків повинні виконувати адаптерні РНК. Це припущення підтвердилося. Було виділено понад 20 низькомолекулярних РНК, які спочатку були названі розчинними, а потім перейменовано в транспортні РНК (тРНК).
Мутації і генетичний код.
Слід згадати про встановлення двох моментів, пов'язаних з генетичним кодом. Перше - врожденность коду, що означає, що одна амінокислота може кодуватися кількома кодонами, тобто однієї і тієї ж амінокислоті нерідко відповідає кілька кодонів. Це важлива обставина дозволяє мати різним організмам трохи розрізняються "діалекти". Дійсно, перекодування повідомлень, записаних мовою нуклеотидів в ДНК в мову амінокислотних послідовностей в білках, відбувається в рибосомах за участю РНК. Відсутність тРНК, дізнаєтеся деякі з кодонів однієї і тієї ж амінокислоти, призведе до того, що ці кодони НЕ будуть розкриті і залишаться безглуздими в цій клітці. Мабуть, цей механізм діє при розмноженні ряду вірусів, активно розмножуються в одних видах організмів і не здатних до розмноження в інших.
Другий цікавий момент - універсальність генетичного коду.
Аналіз природи різних мутацій привів до висновку, що всі точкові мутації можна розділити на три основні класи:
1. міссенс-мутації - мутації, при яких змінюється зміст кодону; в цьому випадку проти нього постає невірна амінокислота, і властивості синтезованого білка змінюються.
2. Нонсенс-мутації - мутації, при яких виникає нонсенс-кодон, що не кодує ніяких амінокислот, і на ньому обривається читання іРНК в рибосомах.
3. Мутації із зсувом читання. Ці мутації, що вивчаються Криком, дозволили довести трибуквених генетичного коду. Мутації зсуву читання виникають після того, як один або кілька підстав випадуть з молекули ДНК або впроваджуючи в неї. Цікаво й те, що зрушення читання найчастіше призводить до того, в якійсь точці він закінчується нонсенс-кодоном і на ньому читання обривається взагалі.
З'ясування природи, будови і функціонування генетичного коду стало величезним досягненням сучасної біології. Останні успіхи в штучному синтезі білка, нуклеїнових кислот, особливо тих, які мають здатність до програмування живих вірусних частинок (роботи А.Корнберга в США), дозволяють сподіватися, що одна з основних проблем сучасної біології - штучний синтез живого з потрібними людині властивостями - буде в кінці кінців дозволена.
Регуляція генної активності.
Функціональна нерівнозначності клітин і пов'язана з нею репресія і активація генів давно привертали увагу генетиків.
Перша спроба пояснити регуляторну активність генів були пов'язані з вивченням гістонів білків. Ще подружжя Стедман на початку 40-х років нашого століття отримали перші чіткі результати про відмінності в хімічній природі гістонів білків. Подальші дослідження показали, що регуляція генної активності набагато складніший процес, ніж просте взаємодія ділянок генів з молекулами пістони білків.
Жакоб і Моно розділили гени регуляторної системи на два типи - гени-регулятори і гени-оператори. Автори ввели в генетику нове поняття, визначивши блок структурних генів і керуючий ними оператор як єдину функціональну одиницю -оперон.
В останні роки були отримані дані про наявність ще однієї керуючої осередки генної активності- промоторі. Виявилося, що по сусідству з операційним ділянкою, до якого приєднується продукт білкові речовина репрессор, синтезований на гені-регуляторі, мається іншу ділянку, який відноситься до членів регуляторній системі генної активності. До цієї ділянки приєднується молекула ферменту РНК-полімерази. У цьому промоторних ділянці повинно статися взаємопізнавання унікальною послідовності нуклеотидів в ДНК і специфічної конфігурації білка РНК- полімерази. Від ефективності впізнавання буде залежати здійснення процесу зчитування генетичної інформації з даної послідовності генів оперона, що примикає до промотору.
Репарація генетичних ушкоджень.
Нової главою в розвитку молекулярної генетики стало вчення про систему репаруючу ферментів, які виправляють ушкодження генетичних структур, викликані опроміненням або обробкою хімічними агентами.
Раніше всього вивченим типом репарації є фотореактивації, вперше описана А. Кельнером і В.Ф. Ковальовим (1949) .Під фотореактивації розуміють відновлення нормальної життєдіяльності клітин (поновлюється синтез окремих ферментів, здатність до поділу і розмноження, знижується частота мутацій і т.д.), опромінених ультрафіолетовим світлом, після їх перебування на видимому світлі. Обов'язковою умовою реакції фотореактивації є наявність спеціального фотореактівірующего ферменту.
Було також встановлено, що такий процес відбувається і в темряві. Цей вид назвали темновой репарацією.
В даний час описано велику кількість інших видів репарації, що призводять до того ж результату, але відрізняються за молекулярною механізмам.
В останні роки ці дослідження проводяться на самих різних біологічних об'єктах.
висновок
В даному рефераті розглянуто історичний процес розвитку генетики. Реферат складається і двох частин. У першій частині розглянуто процес зародження хромосомної теорії спадковості. У другій частині описані досягнення молекулярної генетики. Генетика досі залишається наукою зберігає в собі безліч таємниць.
література
1. В. Н. Сойфер, Е.Р. Пілле, О. Г. Газенко, Л.В. Крушинський, С. Я. Залкинд і ін. "Історія біології з початку XX століття до наших днів" М. 1975.
|