Введение в генетику микроорганизмов Лекция 1 Для

Введение в генетику микроорганизмов Лекция № 1 Для студентов специальности «Микробиология» по дисциплине «Генетика микроорганизмов»

План лекции: n n История развития генетики микроорганизмов. Место генетики микроорганизмов в системе генетических дисциплин. Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот. Основные структурные элементы ДНК и РНК. Первичная структура нуклеиновых кислот. Модель Уотсона-Крика. Альтернативные двуспиральные структуры ДНК. Основные физико-химические свойства ДНК.

История развития генетики Первый этап n n Мендель (Mendel) Грегор Иоганн ( 1822 -1884) Открытие Г. Менделем (1865) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработка правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства. Менделевские законы наследственности заложили основу теории гена — величайшего открытия естествознания XX в. , а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль биологии. 1901 -1903 гг. де Фриз выдвинул мутационную теорию изменчивости. Изучение В. Иоганнсеном закономерностей наследования, предложил называть менделевские “наследственные факторы” словом ген, дал определения понятий “генотип” и “фенотип”.

История развития генетики 1868 г. Ф. Мишер выделяет «нуклеин» . 1879 г. А Коссель начал изучение нуклеина, что привело к открытию нуклеиновых кислот. 1882 г. В. Флеминг обнаруживает и описывает «хроматин» , часть структуры клеточного ядра, которые позже назвали хромосомами. 1889 г. Р. Альтман Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". 1900 г. Все азотистые основания описаны химиками

История развития генетики Второй этап n n n Морган (Morgan) Томас Хант (1866— 1945) Характеризуется переходом к изучению явлений наследственности на клеточном уровне. Т. Бовери (1902— 1907), У. Сэттон и Э. Вильсон (1902— 1907) установили взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления (митоз) и созревания половых клеток (мейоз). Т. Г. Морган и его сотрудниками на примере плодовой мушки дрозофилы установили, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. полом.

Поиски вещества наследственности 1929 г. Ф. Левин впервые обнаружил дезоксирибозу. 1934 г. могут быть исследованы с помощью Д. Бернал показал, что белки рентгеноструктурного анализа. 1935 г. Н. Кольцов выдвинул гипотезы о молекулярной организации и матричном синтезе гена. Материалом хромосомы считал белок с различными радикалами – различные гены. 1935 -1939 гг. А Белозерский выделил чистую ДНК, доказал наличие ДНК и РНК в бактериях. 1939 г. У. Астбюри, Ф. Белл Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3, 4 Å, а азотистые основания уложены стопками. Введение термина «молекулярная биология» .

Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот 1928 г. Опыты Фредерика Гриффи n Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявш

Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот 1944 г. Эксперимент Освальда Эйвери, Колина Мак-Леод и Маклина Мак-Карти n n В результате этого эксперимента варианте при смешивании бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК была выявлена природа трансформирующего фактора. Трансформирующим фактором оказалась ДНК. Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.

Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот 1952 г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз n Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S 35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р 32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р 32, а в бактериях - S 35 Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

История развития генетики Третий этап n n Фрэнсис Крик указывает Джеймсу Уотсону на металлическую модель ДНК, которую они собрали 7 марта 1953 года в комнате 103 в Кавендишской лаборатории, Кембридж n Отражает достижения молекулярной биологии и связан с использованием методов и принципов точных наук в изучении явлений жизни на уровне молекул. На этом этапе были изучены взаимоотношения между генами и ферментами и сформулирована теория “один ген — один фермент” (Дж. Бидл и Э. Татум, 1940). В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. Уточнилось понятие гена, был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке, были найдены методы искусственного получения мутаций. Возникло новое направление в молекулярной генетике — генная инженерия — система приемов, позволяющих конструировать искусственные генетические системы.

История возникновения молекулярной генетики 1957 -1958 гг. Ф. Крик и Дж. Гамов предложили концепцию «центральной догмы» молекулярной биологии о передаче генетической информации: ДНК – м. РНК – белок. М. Мезельсон и Ф. Сталь продемонстрировали полуконсервативный механизм репликации ДНК. 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли оперонный принцип организации генов и регуляции генной активности у прокариот. 1963 -66 гг. М. Ниренберг, Г. Маттэй расшифровали генетический код и продемонстрировали, что каждую из 20 аминокислот в молекуле м. РНК (кодон) кодируют три смежных нуклеотида. С 1972 г. Развитие технологий генетической инженерии

История отечественной генетики 1919 -1930 гг. первые генетические школы в СССР Ленинград: Филипченко Ю. А. , Вавилов Н. И. , Москва: Кольцов Н. К. , Четвериков С. С. , Серебровский А. С. 1927 г. международный конгресс учёные. в Берлине присутствуют советские 1929 г. съезд генетиков и селекционеров в Ленинграде «Шире в массы достижения науки» 1930 -48 гг. Серебровский А. С организует и заведует кафедрой генетики МГУ. 1930 -34 гг. Вавилов Н. И. организация лаборатории генетики в РАН, преобразование в Институт генетики в Ленинграде, переезд в Москву. до 1934 г. развитие генетики на мировом уровне

История отечественной генетики 1938 -1943 гг. репрессии по отношению к генетикам расстрелян Карпеченко Г. Ф. ; ссылка Четверикова С. С. ; арест Вавилова Н. И (1940), смертный приговор (1941), смерть от голода в тюрьме (1943); нападки на Кольцова Н. К и его смерть; гибель учёных-генетиков в годы Второй мировой войны. 1948 г. сессия ВАСХНИЛ запрет генетики, увольнения и ссылки учёныхгенетиков, в журналах вырываются страницы и вымарываются слова «ген» , «генетика» , «хромосома» . 1950 -е гг. Т. Д. Лысенко 1898 -1976 гг письмо Алиханяна С. И. к Сталину с программой по восстановлению генетики (реализована в 1965 -66 гг). разрозненные публикации с критикой Лысенко, полулегальное преподавание генетики в ЛГУ. 1988 г. конференция по награды генетикам, выезд учёных из страны. генетике

Принципы строения ДНК n n 1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно. 2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой. 3. Комплементарность (дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц - три. 4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Структура ДНК Нуклеиновые кислоты являются нерегулярными полимерами, мономеры которых – нуклеотиды. n n Нуклеотид = нуклеозид + фосфорная кислота = азотистое основание+ пентоза+фосфорная кислота. В РНК пентоза - рибоза. В ДНК - дезоксирибоза.

Структура ДНК Пурины Пиримидины Существует два класса азотистых оснований. Пурины: аденин (А) и гуанин (Г) - содержат два гетероцикла. Пиримидины: тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У) содержат один гетероцикл.

Структура ДНК

Структура ДНК Два основных типа взаимодействий оснований нуклеиновых кислот: копланарные основания в одной плоскости стопочные основания в параллельных плоскостях

Структура ДНК имеют формы ЛИНЕЙНАЯ и КОЛЬЦЕВАЯ. Двуцепочечные ДНК с "липкими" концами могут образовывать кольцо, которое далее ковалентно сшивается по сахарофосфатной цепи при помощи ДНК-лигазы.

Формы двойной спирали ДНК n n n В основной - В-форме на виток приходится 10 комплементарных пар. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å. А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å. С-форма - шаг спирали 31Å, 9. 3 пар оснований на виток, угол наклона к перпендикуляру 6. Все три формы - правозакрученные спирали. левая спираль (Z -форма). Высота витка в Z-форме -44. 5 Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов. Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация).

Физико-химические свойства ДНК

Физико-химические свойства ДНК Плотность нуклеиновых кислот близкая к 1, 7, являющаяся следствием значительного содержания фосфора. Вязкость Упругие нитевидные молекулы большой длины определяют очень высокую вязкость и её зависимость от молекулярного веса. следует учитывать ломкость её молекул даже при небольших градиентах скорости среды. Оптические свойства нуклеотиды имеют максимум поглощения света вблизи 260 нм. Вхождение нуклеотидов в состав нуклеиновых кислот практически не изменяет положение максимума, но значительно снижает интенсивность поглощения - гипохромный эффект, обусловлен строго упорядоченным, параллельным расположением плоскостей гетероциклических колец оснований

Физико-химические свойства ДНК n n Денатурация ДНК заключается в разрыве Нсвязей и стэкингвзаимодействий, что приводит к расплетанию и разделению цепей. (БЕЗ РАЗРЫВА КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ!) под действием температуры или р. Н. Гипохромизм двуцепочечных нуклеиновых кислот обусловливает при денатурации обратный гиперхромный эффект.

Физико-химические свойства ДНК n n n Если бы препараты ДНК представляли собой смесь абсолютно одинаков Абсцисса точки перегиба, соответствующая половине гиперхромного эф Наиболее тугоплавкими являются ДНК, богатые ГЦ-парами, а легче всего

Физико-химические свойства ДНК n n Если свести вместе продукты денатурации целых молекул ДНК, лишь частично совпадающих по нуклеотидным последовательностям, то в условиях ренатурации будут возникать двуцепочечные молекулы не только из гомологичных цепей, но и из цепей разных ДНК. Этот процесс называют молекулярной гибридизацией. Чем ближе по первичной структуре сводимые ДНК, тем будет больше протяжённость спирализованных участков в гибридной молекуле. По доле последних можно количественно оценивать сходство нуклеотидных последовательностей ДНК разных организмов и таким образом судить о степени их генетической близости.