1.2 Открытие модели строения днк

Английский биофизик Морис Уилкинс выполнил рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и установил двунитевое строение этих молекул. Данные по химии ДНК и ее рентгенограмма были использованы для создания модели строения молекулы ДНК и объяснения ее роли как носителя генетической информации.

В 1953 г. Американский молекулярный биолог Джеймс Уотсон и английский физик и генетик Френсис Крик, основываясь на данных Э. Чаргаффа и М. Уилкинса построили модель структуры ДНК.

В соответствии с моделью, молекула ДНК состоит из двух длинных комплементарных полинуклеотидных цепей, закрученных в правильную двойную спираль.

2. Генетический код

В 1954 году, через год после открытия двуспиральной структуры молекул ДНК, Гамов Георгий Антонович внёс существенный вклад в становление новой дисциплины — молекулярной биологии, впервые поставив проблему генетического кода. Он понял, что структура основных строительных блоков клетки — белков, состоящих из 20 основных (природных) аминокислот, — должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых 4³=64 арифметических соображений, Гамов показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации», и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых учёных доживёт до его [генетического кода] расшифровки». Таким образом, он был первым, кто предположил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов.

Впоследствии Гамов предложил конкретную схему реализации генетического кода. Эта схема, получившая название «бубнового кода», предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Дальнейшие исследования показали, что модель Гамова не согласуется с опытными данными.

Предположение о триплетном кодировании информации в молекуле ДНК было подтверждено в 1961 году экспериментами Фрэнсиса Крика и сотрудников, а к 1967 году генетический код был окончательно расшифрован. В октябре 1968 года Роберту Холли, Хару Коране и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за эту работу.

3. Процессы репликации, транскрипции, и трансляции.

Из анализа модели строения ДНК следовало, что после расплетания двойной спирали на каждой из цепей может быть построена комплементарная ей новая, в результате чего образуются две дочерние молекулы, не отличимые от материнской ДНК. Через пять лет, в 1958 г. М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, получивший названий «полуконсервативный».

РНК-зависимая ДНК-полимераза была открыта Говардом Теминым в Университете Висконсин-Мэдисон и независимо Дэвидом Балтимором в 1970 году в Массачусетском технологическом институте. Оба исследователя получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины в 1975 году.

Экспериментально общие свойства генетического кода были установлены Ф. Криком, С. Бреннером и сотрудниками еще к концу 1950-х – началу 1960-х годов. К этому же времени в общих чертах были выяснены функции и принципы структурной организации РНК. Были открыты рибосомы и рибосомные РНК, транспортные РНК и, наконец, информационные РНК. Стало ясным, что в совокупности все эти РНК служат промежуточным звеном при переносе генетической информации от ДНК к белкам. Было доказано, что собственно биосинтез цепей белка происходит на рибосомах, где генетическая информация, переписанная (транскрибированная) с ДНК в виде мРНК, транслируется с помощью тРНК.

В 1960 г. сразу в нескольких лабораториях был открыт фермент РНК-полимераза, осуществляющая синтез РНК на ДНК-матрицах. Таким образом, идея Ф. Крика о передаче генетической информации от ДНК к белку через РНК была подтверждена.

Открытие основных компонентов систем транскрипции и трансляции послужило важным стимулом в изучении механизма регуляции этих процессов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали схему регуляции синтеза белков на уровне транскрипции при помощи регуляторных белков, а в 1966 г. У. Гилберт и Б. Мюллер-Хилл впервые выделили такой белок. Кроме того, оказалось, что РНК-полимераза сама является регулятором генной активности (Р.Б. Хесин). Эти работы привели к открытию основных регуляторных элементов – промоторов и терминаторов транскрипции.

Одновременно заметно продвинулись работы по изучению роли рибосом (Р. Робертсон, 1958) в явлениях трансляции.

Оказалось, что процесс трансляции состоит из таких этапов, как инициация, трансляция и терминация. Была предложена и схема регуляции активности генов и их участия в синтезе белка (Ф. Жакоб, Ж. Моно, 1961), а также выделены в составе ДНК структурные (информационные) и регуляторные (участвующие в синтезе вещества — репрессора) гены и гены-операторы (которые под действием репрессора способны блокировать функцию структурных генов). При появлении же в среде индуктора (например, лактозы) — репрессор связывается с индуктором и блокирует функцию гена-оператора, что приводит к активации структурного гена. Вещество-репрессор оказался белком, обладающим сродством к индикатору (М. Пташне, 1968). Кроме того, выделено вещество — промоторы и промоторные участки ДНК, расположенные рядом с геном-оператором.