Введение в генетику микроорганизмов

«Генетика микроорганизмов»

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.

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”.

Первый этап

Мендель (Mendel) Грегор Иоганн
( 1822-1884)

История развития генетики

привело к открытию нуклеиновых кислот.
1882 г. В. Флеминг
обнаруживает и описывает

«хроматин», часть структуры клеточного ядра, которые позже назвали хромосомами.

1879 г. А Коссель

1889 г. Р. Альтман

Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота".

1900 г.

Все азотистые основания описаны химиками

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.

Морган (Morgan) Томас Хант
(1866—1945)

Второй этап

История развития генетики

что белки могут быть исследованы с помощью рентгеноструктурного анализа.
1935

г. Н.Кольцов

выдвинул гипотезы о молекулярной организации и матричном синтезе гена. Материалом хромосомы считал белок с различными радикалами – различные гены.

1934 г. Д.Бернал

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».

1935-1939 гг. А Белозерский

выделил чистую ДНК, доказал наличие ДНК и РНК в бактериях.

брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный.
Капсульный - патогенный

(вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный.
При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.

Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот

Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот

1928г. Опыты Фредерика Гриффита

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

1944г. Эксперимент Освальда Эйвери, Колина Мак-Леод и Маклина Мак-Карти

серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с

бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35 Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

Доказательство генетической роли нуклеиновых кислот

1952г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз

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.

Фрэнсис Крик указывает Джеймсу Уотсону на металлическую модель ДНК, которую они собрали 7 марта 1953 года в комнате 103 в Кавендишской лаборатории, Кембридж

Третий этап

История развития генетики

оперонный принцип организации генов и регуляции генной активности у прокариот.

1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно

предложили концепцию «центральной догмы» молекулярной биологии о передаче генетической информации: ДНК – мРНК – белок.

М. Мезельсон и Ф. Сталь

1963-66гг. М.Ниренберг, Г.Маттэй

расшифровали генетический код и продемонстрировали, что каждую из 20 аминокислот в молекуле мРНК (кодон) кодируют три смежных нуклеотида.

продемонстрировали полуконсервативный механизм репликации ДНК.

С 1972 г. Развитие технологий генетической инженерии

массы достижения науки»
1929 г. съезд генетиков и селекционеров в

Ленинграде

Ленинград: Филипченко Ю.А., Вавилов Н.И., Москва: Кольцов Н.К., Четвериков С.С., Серебровский А.С.

1927 г. международный конгресс в Берлине

1930-48 гг. Серебровский А.С.

организует и заведует кафедрой генетики МГУ.

присутствуют советские учёные.

до 1934 г. развитие генетики на мировом уровне

1930-34 гг. Вавилов Н.И.

организация лаборатории генетики в РАН, преобразование в Институт генетики в Ленинграде, переезд в Москву.

вырываются страницы и вымарываются слова «ген», «генетика», «хромосома».
1948 г.

сессия ВАСХНИЛ

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.

1938-1943 гг. репрессии по отношению к генетикам

1950-е 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 генетике

награды генетикам, выезд учёных из страны.

Т.Д.Лысенко
1898-1976гг

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.

Принципы строения ДНК

Нуклеотид = нуклеозид + фосфорная кислота = азотистое основание+ пентоза+фосфорная

кислота.
В РНК пентоза - рибоза.
В ДНК - дезоксирибоза.

Структура ДНК

(Г) - содержат два гетероцикла.
Пиримидины: тимин (Т), цитозин (Ц)

и урацил (У) - содержат один гетероцикл.

Структура ДНК

- основания в одной плоскости
 стопочные -

основания в параллельных плоскостях

образовывать кольцо, которое далее ковалентно сшивается по сахарофосфатной цепи при

помощи ДНК-лигазы.

Структура ДНК

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).

Формы двойной спирали ДНК

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

к расплетанию и разделению цепей. (БЕЗ РАЗРЫВА КОВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ!) под

действием температуры или рН.

Гипохромизм двуцепочечных нуклеиновых кислот обусловливает при денатурации обратный гиперхромный эффект.

Физико-химические свойства ДНК

то кривая зависимости между оптической плотностью и температурой образовала бы

очень резкий переход – почти ступеньку – при температуре плавления. В действительности регистрируются довольно отлогие S-образные кривые, почти симметричные в точке перегиба.
Абсцисса точки перегиба, соответствующая половине гиперхромного эффекта, принимается как температура плавления Тпл.
Наиболее тугоплавкими являются ДНК, богатые ГЦ-парами, а легче всего плавятся ДНК АТ-типа.

Физико-химические свойства ДНК

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.

Физико-химические свойства ДНК