Биологический каталог




Основы биохимии. Том 2

Автор А.Уайт, Ф.Хендлер, Э.Смит, Р.Хилл, И.Леман

е одного белка) за счет нестрогой терминации трансляции или сдвига рамки считывания. Кроме того, некоторые участки внутри структурных генов эукариот (так называемые интроны) не находят отражения в продуктах генов. — Прим. перев.

25. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. I

100

трансформации различных членов этого же .вида по другим признакам. ДНК работает как генетический фактор во всех этих случаях, так как трансформированные .клетки размножаются дальше как индуцированные, без добавления трансформирующего фактора.

4. Большинство вирусов бактерий (бактериофагов) и 'многие животные вирусы содержат только ДНК и белок. Для бактерио-фага Т2 (гл. 28) было показано, что перенос генетической информации к потомству осуществляется исключительно с помощью ДНК. Белок служит только для того, чтобы сделать возможным проникновение ДНК внутрь клетки, и далее не используется.

Вся приведенная выше информация обосновывает тот факт, что генетическим материалом является ДНК. Поэтому ДНК должна обладать основными свойствами гена. Она должна обеспечивать синтез точной реплики самой себя, должна обладать способностью направлять синтез ферментов и других белков. Детали этих процессов будут обсуждены в этой и следующих трех частях.

Говоря коротко, репликация ДНК является полуконсервативным процессом (см. ниже), который начинается в определенной точке и .приводит ,к одновременному копированию обеих цепей двунитевой ДНК (дуплекса). Мономерными единицами, используемыми в этом процессе, являются дезоксирибонуклеознд-б'-трифосфаты. Полимеризация нуклеотидов идет в результате нуклеофильной атаки З'-гидроксидной группой растущей цепи ДНК по нуклеотид-ной фосфатной группе дезоксирибонуклеозидтрифосфата с образованием З'.б'-фосфоднэфирной связи и PPi. Цепь, комплементарная растущей цепи, служит матрицей .и определяет последовательность полимеризующихся нуклеотидов, чтобы образовались комплементарные пары — аденина с тимином и гуанина с цитозином.

Выражение генетического 'материала достигается путем синтеза РНК-транскрипта, который комплементарен одной из двух цепей двунитевой ДНК (дуплекса). При этом образуются три типа РНК — транспортная (тРНК), рмбосомная (рРНК) и информационная, или матричная (мРНК). Последняя транслируется в белок с помощью тРНК и частиц, содержащих рРНК и называющихся рибосомами.

25.2.1. Некоторые генетические методы

Хотя классические генетические исследования были проведены преимущественно на диплоидных животных и растениях (эукарио-тах), драматические успехи были достигнуты на одноклеточных гаплоидных микроорганизмах, таких, как бактерии Е. coli и Salmonella typhimurium, а также на бактериофагах Е. coli. У высших организмов гаплоидны только гаметы — яйцеклетки и спермин, остальные (соматические) клетки диплоидны. У аешмицетов (Neuro-

30*

1004

??. МЕТАБОЛИЗМ

spora, Aspergillus, различные дрожжи) клетки гаплоидны только в вегетативной фазе. Экспериментально возможно заменить часть генетического материала у бактерий и фагов; эта замена сопровождается вегетативным диплоидным состоянием организма. Некоторые из этих методов коротко описаны ниже.

Между клетками Е. coli может [происходить генетическая рекомбинация. У этого организма имеются два скрещивающихся типа, обозначаемых F+ (мужской) и F- (женский). Клетки F+ имеют автономную ДНК, называемую F-фактором или половым фактором, который при .контакте F+- и F^-клеток .может переходить в р~-1клетки, переводя их ib Р+-состояние. Обладание Р+-фактором отражает способность клетки переносить хромосомный материал в клетку-реципиент. Переносимый хромосомный материал поступает в клетку-реципиент линейно, сохраняя последовательность генов. Прерывая спаривание через определенные промежутки времени и определяя экспрессию генов iB реципиентной .клетке, можно определять последовательность (картировать) расположение генов в хромосоме.

Другую возможность генетического обмена дает транодукция, которая проявляется у (Некоторых типов бактериофагов. При росте в клетке-хозяине фаги могут включать небольшие фрагменты генетического материала хозяина и затем переносить этот материал в реципиентную клетку при инфицировании. Этот метод был применен, в частности, на штамме К-12 Е. coli и на различных штаммах Salmonella. Бели бактериальную клетку, например Е. coli, -инфицировать одновременно двумя фаговыми частицами, которые отличаются по одному или более генов, идет процесс, очень похожий на рекомбинацию хромосом (кроссинговар) у высших организмов. В результате этого в потомстве можно обнаружить как чистые родительские генотипы, так и рекомбинантные. Исследование бактериофага Т4 с помощью этого метода позволило создать кольцевую карту расположения генов на единственной хромосоме этого вируса. У многих бактерий и ДНК-содержащих вирусов генетический материал расположен на единственной кольцевой хромосоме.

Изучение генетики и генетических аспектов метаболизма особенно удобно проводить на гаплоидных микроорганизмах. Мутации, которые возникают спонтанно или индуцируются с высокой частотой (облучением, нагреванием, алкилирующими агентами), проявляются немедленно, и продолжительность генерации исключительно мала. Более того, потребности для роста обычно- просты, •количество генов по сравнению с высшими организмами мало, и мутанты легко выделить. Особенно ценный метод для выделения мутантов, неспособных расти без добавки определенных компонентов в питательную среду (ауксотрофов), сводится к использованию пенициллина, который убивает только растущие клетки. Если

25. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. I

1005

смесь бактерии дикого типа и ауксотрофа растить на минимальной среде, содержащей пенициллин, то бактерии дикого типа будут расти и погибнут, а аукеотрофные клетки останутся живы .и начнут расти при переносе на среду с добавлением необходимого фактора роста, например .аминокислоты, пурина, пиримидина, .витамина и т. д. На предыдущих страницах этой книги много раз упоминалось использование мутантных штаммов для выяснения метаболических путей; .многие из этих штаммов были выделены с помощью пенициллинового метода.

25.3. Полуконсервативная репликация ДНК

Как уже отмечалось (гл. 7), гипотеза Уотсона и Крика о структуре нативной ДНК сводится к тому, что каждая молекула ДНК представляет собой двухнитевую спираль, в которой обе нити свя-

Рис. 25.1. Полуконсервативная репликация ДНК. Две нитя родительской молекулы (черные) содержат 15?. В дочерних молекулах каждая ДНК содержит одну нить с 1SN и одну с I4N. Во второй генерации две молекулы содержат только 14N, а две молекулы равное количество 15N и I4N. Стрелки показывают направление цепей, учитывая, что фосфодиэфирная связь соединяет С-3' и С-5' соседние остатков сахара (Mesetson ?., S(ahl F., Cold Spring Harbor Svmp. Quant. Biol.,

23, 10. 1953).

1006

III. МЕТАБОЛИЗМ

заны водородными связями с участием специфических амино-, имино- и кетогрулл: аденин (А) с тимивом (Т), гуанин (G) с цитозином (С). На основе этого было предположено, что репликация может идти путем разделения двух цепей и образования на лих новых цепей таким образом, чтобы .нуклеотиды новых цепей были комплементарны старой цели. Таким образом, каждая цель должна служить матрицей для образования новой цепи ДНК, которая не идентична, а комплементарна матрице. По окончании этого процесса должны образоваться две новые двунитевые молекулы ДНК, одна нить в которых служила матрицей, а вторая синтезирована вновь.

Первое подтверждение этой гипотезы было получено в опытах, в ходе которых Е. coli выращивали на среде с [I5N] и вся ДНК была мечена |ISN]. Затем бактериальные «летки тщательно отмывали и проводили одно синхронизованное клеточное деление в среде, где весь азот был в виде [I4N]. При этом общее количество ДНК в 'культуре удваивается. Изопикническим центрифугированием в концентрированном растворе CsCl (разд. 7.2.7) было показано, что ДНК в этой культуре не представляет собой смесь двух ДНК— одной с I4N и другой с I5N; но вся ДНК представляет собой гибрид, содержащий равные количества I4N н I5N. Такого результата можно было ожидать при описанном выше механизме репликации. Во время репликации двухнитевая молекула 15М-ДНК разделяется на две одиночные нити, каждая из которых в свою очередь служит матрицей, на которой синтезируется 141М-ДНК, что приводит к образованию гибридной двухнитевой молекулы, одна нить которой содержит I5N, а другая — I4N. Этот процесс, называемый полуконсервативной репликацией, схематически показан на рис. 25.1.

25.3.1. Топология репликации ДНК

Радиоавтографические и электронно-микроскопические наблюдения реплицирующихся молекул бактериальной и вирусной ДНК показали, что- реплицируются одновременно обе нити и репликация начинается в определенной фиксированной точке и идет в одном или в обоих направлениях. В случае кольцевой молекулы ДНК, как, например, хромосомы Е. coli (табл. 7.4), репликация идет в двух направлениях. Средняя скорость, с которой .две точки роста, или репликационные вилки, двигаются при репликации этой хромосомы, составляет примерно 45 000 оснований на вилку в минуту при 37 °С. Так как на один оборот спирали приходится 10 пар оснований, то скорость раскручивания исходного дуплекса в каждой вилке составляет примерно 4500 об/мин (рис. 25.2).

¦В свяэи с тем что при раскручивании в одной вилке исходный дуплекс должен вращаться в противоположную сторону по срав-

25. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА. I

1007

О

Рис. 25.2. Репликация кольцевой молекулы ДНК в обе стороны, начиная с фиксированной точки О. Тонкие линии обозначают вновь синтезированную нить, а стрелки показывают направление движения двух рспликационных вилок. Для простоты не показана спиральная структура двухнитевой ДНК-

нению с тем, что необходимо для раскручивания в другой вилке, молекула ДНК должна содержать шарнир. Такой шарнир может возникнуть при расщеплении одной фосфодиэфириой связи в исходном дуплексе под действием дезоксирнбонуклеазы. Действительно, были обнаружены белки, способные снимать супервитки у оверх-скрученной .кольцевой ДНК (гл.

страница 94
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126

Скачать книгу "Основы биохимии. Том 2" (8.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.10.2019)