Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот (трансформация у бактерий, опыты с вирусами). Структура ДНК и РНК. Модель ДНК Уотсона и Крика.

Первый успех в молекулярной генетике был достигнут при изучении генетической трансформации у бактерий. Трансформация в генетике, внесение в клетку генетической информации при помощи изолированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Трансформация приводит к появлению у трансформированной клетки (трансформанта) и её потомства новых признаков, характерных для объекта — источника ДНК. Явление трансформации было открыто в 1928 английским учёным Ф. Гриффитом, наблюдавшим наследуемое восстановление синтеза капсульного полисахарида у пневмококков при заражении мышей смесью убитых нагреванием капсулированных бактерий и клеток, лишённых капсулы. Организм мыши в этих экспериментах играл роль своеобразного детектора, так как приобретение капсульного полисахарида сообщало клеткам, лишённым капсулы, способность вызывать смертельный для животного инфекционный процесс. Помимо пневмококков, трансформация обнаружена и изучена на некоторых других бактериях. Использование в экспериментах легко учитываемых генетических признаков (например, устойчивость к действию клеточных ядов, потребность в определённых факторах роста), а также применение ДНК с радиоизотопной меткой позволили дать Трансформация количественную оценку. Трансформация у бактерий рассматривают как сложный процесс, включающий следующие стадии: фиксация молекул ДНК клеткой-реципиентом; проникновение ДНК внутрь клетки; включение фрагментов трансформирующей ДНК в хромосому клетки-хозяина; формирование «чистых» трансформированных вариантов. Фиксация ДНК происходит на особых участках клеточной поверхности (рецепторах), число которых ограничено. Связанная с рецепторами ДНК сохраняет чувствительность к действию добавленного в среду фермента дезоксирибонуклеазы, вызывающего её распад. Однако, спустя очень короткий срок (в пределах 1 мин) после фиксации, часть ДНК проникает в клетку. Бактериальные клетки одного и того же штамма резко различаются по проницаемости для ДНК. Клетки данной бактериальной популяции, способные включать чужеродную ДНК, называются компетентными. Число компетентных клеток в популяции незначительно и зависит от генетических особенностей бактерий и фазы роста бактериальной культуры. Развитие компетенции связывают с синтезом особого белка, обеспечивающего проникновение ДНК в клетку. В 1944 американский учёный О. Т. Эйвери с сотрудниками обнаружил, что наследственные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетически отличному штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетическая трансформация с помощью ДНК была осуществлена у других бактерий, а в последнее время — и у некоторых многоклеточных организмов (цветковые растения, насекомые). Было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был подтвержден опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса достаточно введения молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все др. компоненты вируса (белки, липиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны. Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состоят из РНК. Выяснение генетической роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых кислот биохимическими, физико-химическими и рентгеноструктурными методами. Составными частями нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Молекула нуклеотида состоит из пентозы, азотистого основания и фосфорной кислоты. В зависимости от типа сахара различают рибонуклеиновую кислоту (РНК; в её состав входит рибоза) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК; в её состав входит сахар дезоксирибоза, у которого на один атом кислорода меньше). В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся четыре типа оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), который в РНК заменен на урацил (У). Первые два основания относятся к классу пуринов, остальные – к пиримидинам. Фосфорная кислота определяет кислотные свойства нуклеиновых кислот. Выяснить структуру ДНК удалось в 1953 году английским ученым Д. Уотсону и Ф. Крику. Они создали модель трехмерной двухспиральной структуры молекулы ДНК. Эта модель отвечала всем основным требованиям, необходимым генетическому материалу для выполнения биологических функций. Химическая структура гена, связанная с линейным расположением нуклеотидов в цепи, позволяла сохранять закодированную с помощью генетического кода наследственную информацию. Благодаря комплементарному связыванию двух цепей молекула ДНК способна к репликации, что позволяет точно копировать генетическую информацию и поддерживать наследственное постоянство при делении клеток (митоз, мейоз). На основе матричного синтеза генетическая информация может переписываться на посреднические молекулы иРНК (транскрипция). Информация о последовательностях нуклеотидов в иРНК переводится на рибосомах в последовательность аминокислот в полипептиде в процессе трансляции. Модель двойной спирали ДНК и триплетности генетического кода позволила предсказать молекулярные механизмы возникновения спонтанных и индуцированных генных мутаций: во-первых, замена основания в одном кодоне приводит к изменению одной аминокислоты в белке; во-вторых, вставка или выпадение одного нуклеотида в одной цепи ДНК приводит к изменению всех последующих кодонов и отсутствию синтеза специфического белка, кодируемого соответствующим геном. Последствия такой мутации в гене могут быть губительными для клетки и целого организма. После доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С. Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально представляющий единое целое.