Учебно-методический комплекс дисциплины «Молекулярная биология» по кредитной технологии обучения для студентов специальности

Литература:

1. 
   Методы анализа белков и нуклеиновых кислот. Методические разработки/ Под ред. Ю.Б.Филипповича, Г.А.Себастьяновой. Ч.1., М.: Мир, 1980.
   
2. 
   Бисенбаев А.К., Таиров М.М., Берсимбаев Р.И. Большой практикум «Биохимические методы исследования». Алматы: Қазақ университеті, 1998.
   
3. 
   Yongming Li, Zhao Yugi. Practical protocols in molecular biology.
   

5. 
   Список литературы
   

1. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов Автор: Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Изд-во: Медицинское информационное агентство, 2007. С. 536

2. 
   Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот/ Под ред. А.С.Спирина. М.: Академия, 2011.
   
3. 
   Бокуть С.В., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Название: Молекулярная биология, изд-во:Вышэйшая школа, Год: 2005
   
4. 
   Молекулярная биология: Структура рибосом и биосинтез белка / Под ред. А.С.Спирина. М.: Высшая школа, 1986.
   
5. 
   Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рефф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки в 5-и томах. М.: Мир, 1994.
   
6. 
   Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2-х томах. М.: Мир, 1998
   
7. 
   Уотсон Дж., Туз Дж., Куру Д. Рекомбинантные ДНК. М.: Мир, 1986.
   
8. 
   Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология в 3-х томах. М.: Мир, 1982.
   

1. 
   С. Примроуз, Р. Тваймен Геномика. Роль в медицине. Бином. Лаборатория знаний. 2008.
   
2. 
   С. Н. Щелкунов Генетическая инженерия Сибирское университетское издательство 2004
   
3. 
   С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. Хроматин. Упакованный геном. Бином. Лаборатория знаний. 2009 г.
   
4. 
   Ратнер В.А. Генетика, молекулярная кибернетика: личности и проблемы. - Новосибирск: Наука, 2002. 272 c. http://lib.walla.ru/djvu/dbp45.zip
   
5. 
   Ратнер В.А. Хроника великого открытия: идеи и лица // Природа. 2000. № 6. С. 22-30. http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_00/CODE/CODE.HTM
   
6. 
   Ратнер В.А. Генетический код как система // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 3. С. 17-22. http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0003_017.pdf
   
7. 
   А.С.Спирин. Биосинтез белка: инициация трансляции. СОЖ 1999 №5
   
8. 
   Л.П. Овчинников. Что и как закодировано в мРНК. СОЖ 1998 №4
   
9. 
   С.Г. Инге-Вечтомов. Трансляция как способ существования живых систем, или в чем смысл «бессмысленных» кодонов. СОЖ 1996, №12
   

1. 
   Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика pdf-версия учебника – url: http://www.nsu.ru/education/biology/genetics/
   
2. 
   Колесникова Т.Д. Подборка литературы для самостоятельного чтения и выполнения домашних заданий: http://engrailed.narod.ru/molbiol/
   
3. 
   http://mirknig.com/knigi/estesstv_nauki/1181407460-molekulyarnaya-biologiya.html
   
4. 
   http://molbiol.ru/
   

Разработка тонких физических и химических методов анализа структуры и функций молекул, свойственных всем живым системам и прежде всего клетке как элементарной и универсальной составляющей всех организмов, имела определяющее значение для рождения молекулярной биологии. Мощным стимулом для развития стали успехи и еще в большей мере нерешенные проблемы биохимии, цитологии и генетики. Эти сформировавшиеся к середине XX в. биологические науки создали почву для молекулярной биологии, которая была призвана занять изучением жизни на молекулярном уровне.

Центром молекулярно-биологических исследований стали работы в области изучения материальных основ наследственности, природы генов и механизмов передачи наследственных признаков из поколения в поколение.

Именно под влиянием генетиков новой формации (Т. Моргана, Н.К. Кольцова, Н.В. Тимофеева-Ресовского и др.) физики-теоретики и экспериментаторы, эмигрировавшие в конце 30-х годов из Европы в США, организовали там так называемую «фаговую группу» во главе с М. Дельбрюком, которая начала исследования в области молекулярного строения и мутагенеза вирусов и бактериофагов. Позднее эти работы были существенно развиты в нашей стране Б.Ф. Поглазовым, Н.А. Киселевым и другими ученными. Еще раньше В.А. Энгельгардт совместно с М.Н. Любимовой обосновали молекулярные механизмы мышечного сокращения, а А.Н. Белозерский впервые выделил ДНК из растений, что также относится к фундаментальным вехам становления молекулярной биологии. Впоследствии именами этих замечательных были названы крупнейшие научно-исследовательские центры: Институт молекулярной биологии АН СССР им. В.А. Энгельгардта и Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского.

К началу 50-х годов XX в. в недрах биохимии были получены фундаментальные данные об элементарном строении белков и нуклеиновых кислот, включая сведения о способах организации полипептидных цепей белков, и, что особенно важно, о структуре нуклеотидов и закономерностях их количественного содержания в молекулах ДНК и РНК (Э. Чаргафф). Именно указанные работы, а также биофизические исследования структуры ДНК, выполненные в Англии методом рентгеноструктурного анализа Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом, вплотную подвели воспитанника «фаговой группы» Джеймса Уотсона и английского физика Френсиса Крика к раскрытию молекулярной природы генов и механизма их воспроизведения (репликации) в составе ДНК.

Создание модели двойной спирали ДНК и открытия принципа комплементарности стали важнейшим событием современной биологии, вскрывшим фундаментальные принципы функционирования живых систем и определившим дальнейшие направления исследований современной биологии. Современное естествознание обязано именно молекулярной биологии тем, что в период с середины 50-х до середины 70-х годов XX в. с невероятной быстротой были раскрыты природа и основные пути передачи реализации генетической информации.

1869 - Ф. Мишер (F. Miesher) впервые выделил ДНК из лейкоцитов и молок лосося.

1935 - А.Н. Белозерский выделил ДНК из растений.

1939. 
      - В.А. Энгельгардт открыл АТФ-азную активность миозина.
      
1940. 
      - У. Эстбюри (W. Astbury) получил первую рентгенограмму ДНК.
      

1951 -Л. Полинг и Р. Кюри (L. Pauling, R. Corey) обосновали существование основных типов укладки аминокислотных остатков в полипептидных цепях белков (а- спираль и складчатый (3- слой).

1953 - Дж. Уотсон и Ф. Кюри (J. Watson, F. Crick) создали модель двойной спирали ДНК на основе рентгенограмм, полученных Р. Франклин и М. Уилкинсом (R. Franklin, М. Wilkins).

1953 - Ф. Сангер (F. Sanger) расшифровал первичную структуру инсулина быка.

1956. 
      - А. Корнберг (A. Kornberg) открыл ДНК-полимеразу.
      
1957. 
      - А.Н. Белозерский и А.С. Спирин предсказали существование мРНК.
      

1960 - одновременно в нескольких лабораториях был открыт фермент транскрипции РНК-

1961 - Ф. Жакоб и Дж. Моно (F. Jakob, J. Monod) разработали модель оперона.

1965-1967 - Р. Холи (R. Holley) выяснил первичную структуру аланиновой т-РНК, а А.А. Наев --валиновой т-РНК.

1966 - М. Ниренберг, С. Очоа и Х.-Г. Корана (М. Nirenberg, S. Oshoa, H.-G. Khorana) расшифровал генетический код.

1967 - М. Геллерт (М. Gellert) открыл ДНК-лигазу - фермент, способный соединять фрагменты ДНК.
1970 - Г. Темин и Д. Балтимор (Н. Temin, D. Baltimor) открыли обратную транскриптазу (РНК-зависимую ДНК-полимеразу) в онкогенных вирусах.

1972 - П. Боэр, С. Коэн и П. Берг (P. Boyer, S. Cohen, P. Berg) разработали технологию клонирования ДНК, заложили основы генетической инженерии.

1972 - Х.-Г. Корана (H-G. Khorana) осуществил химический синтез гена аланиновой т-РНК.

1975-1977 - Ф. Сангер (F. Sanger), а также А. Максам и У. Гилберт (A. Maxam, W. Gilbert) разработали методы быстрого определения первичной структуры ДНК.

1976 - Ф. Сангер (F. Sanger) расшифровал нуклеотидную последовательность ДНК фага φрХ 174.

1976 - У. Гилберт (W. Gilbert) открыл мозаичное строение генов эукариот.

1976 - С. Ким, А. Рич и А. Клуг (S. Kim, A. Rich, A. Klug) определили третичную структуру т-РНК.

В результате выдающихся открытий Дж. Уотсона, Ф.Крика, Х.-Г. Кораны, А. Корнберга и других крупнейших молекулярных биологов, удостоенных нобелевских премий, уже в середине 60-х годов XX в. окончательно утвердился основной постулат молекулярной генетики, формулирующий магистралကй путь реализации генетической информации в клетке:

ДНК→РНК→Белок

Затем были детально изучены механизмы воспроизведения (репликация) ДНК, транскрипции (биосинтеза РНК) и трансляции (биосинтеза белка). Параллельно развивалась работы по изучению внутриклеточной локализации этих процессов, что привело к осознанию функционального значения внутриклеточных компонентов (ядра, митохондрий, рибосом и др.) и дало основание Дж. Уотсону в 1968,г. для определения молекулярной биологии: «Молекулярная биология изучает связь структуры биологических макромолекул и основных клеточных компонентов с их функцией, а также основные принципы и механизмы саморегуляции клеток, которые опосредуют согласованность и единство всех протекающих в клетке процессов, составляющих сущность жизни».

Впоследствии центральный постулат молекулярной генетики был дополнен представлениями о существовании процесса обратной транскрипции (о биосинтезе ДНК на матрице РНК) и репликации РНК.

Одновременно все более детализировались представления о строении и функциях белков, необходимых для катализа (ферменты) и регуляции (регуляторные белки, пептидные гормоны) всех важнейших молекулярно-генетических процессов.

Открытие и разработка методов целенаправленного использования цельного ряда ферментов (обратной транскриптазы, ДНК-рестиктаз и др.) привели к созданию технологии получения рекомбинантных ДНК, возникновению генетической инженерии, что стало поистине революционным событием в истории молекулярной биологии.

В конце 70-х и начале 80-х годов XX в. молекулярная биология вступает в период расцвета. В это время выясняются механизмы сплайсинга (В. Келлер и др.), происходит открытие РНК-ферментов (рибозимов) и аутосплайсинга (Т. Чек), активно изучают механизмы генетической рекомбинации и подвижные генетические элементы (Д. Хогнесс, Г.П. Георгиев), на новый уровень выходят работы в области структуры ферментов и биологических мембран (Ю.А. Овчинников), начинаются работы по расшифровке структуры геномов высших организмов (включая геном человека), создаются основы новых (генно-инженерных) биотехнологий, обнаруживаются и синтезируются каталитически активные антитела (абзимы), возникает белковая инженерия.

Постепенно молекулярная биология становится в центре наук, составляющих современную физико-химическую биологию:
Физико-химическая биология
Биофизика ↔ Молекулярная биология ↔ Биохимия

↔

Биоорганическая химия

Прогресс в области определения нуклеотидных последовательностей (секвенирования) ДНК различных организмов, достигнутый в конце XX в. (в 1995 г. был секвенирован первый бактериальный геном, в 1997 г. - геном дрожжей, 1998 г. - геном нематоды, в 2000 г. - геном дрозофилы и почти полностью геном человека), привел к возникновению геномики - науки, изучающей наборы всех генов данного организма как единое целое. Одновременно возникла протеомика - наука, исследующая полные наборы белков, функционирующих на различных этапах развития того или иного организма.

В конце XX в. расширяются и становятся все более целенаправленными в научно-практическом отношении задачи молекулярной биологии, среди которых:

• 
  расшифровка структуры геномов;
  
• 
  создание банков генов;
  
• 
  геномная дактилоскопия;
  
• 
  изучение молекулярных основ эволюции, дифференцировки, биоразнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета и др.;
  
• 
  создание методов диагностики и лечения генетических болезней, вирусных заболеваний;
  
• 
  создание новых биотехнологий производства пищевых продуктов и разнообразных биологически активных соединений (гормонов, антигормонов, релизинг-факторов, энергоносителей и др.).
  

Таким образом, по праву считается, что XXI в. должен стать веком молекулярной биологии и новых биотехнологий, призванных освободить человечество от тяжкого груза болезней, пороков и лишений и заложить основы его будущего процветания.

Молекулярная биология использует широкий арсенал биологических, физических и химических методов.

Микроскопия - имеет давнюю историю, начиная с XVII в., когда в 1611 г. И. Кеплер предложил принцип создания светового микроскопа, а А. Левенгук впервые наблюдал с его помощью одноклеточные бактерии (1638). Именно световая микроскопия, имеющая предел разрешения 0,4-0,7 мкм, позволила М. Шлейдену и Т. Шванну в 1838 г. создать клеточную теорию, согласно которой клетка, содержащая ядро, является структурной и функциональной единицей строения всех животных и растений. Затем Р.А. Колликер впервые в 1857 г. описал митохондрии, а В.Флемминг - поведение хромосом при митозе.

В развитии микроскопии существенными вехами стали изобретения интерференционного (1930). фазово-контрастного (1932) и, наконец, электронного микроскопов (1939).

Электронная микроскопия, позволяющая обычно различать объекты размером около 20 Аº (2 нм) и имеющая в наиболее современных моделях электронных микроскопов предел разрешения до 0,1 нм, нашла самое широкое применение для изучения структур вирусов, внутриклеточных органелл, белково-нуклеиновых комплексов (хроматин, рибосомы, информосомы) и отдельных белковых молекул. Один из вариантов этого метода - кариоэлектронная микроскопия - является в настоящее время ведущим при изучения тонкой структуры рибосом.

Наиболее впечатляющие и информативные трехмерные (объемные) изображения клеточных структур позволяют получить сканирующие электронные микроскопы.

Рентгеноструктурный анализ - основан на дифракции рентгеновских лучей (электромагнитного излучения с длиной волны около 10 ^-10 м); позволяет выявить трехмерное расположение атомов в молекулах (разрешение составляет менее 0,1 нм). Метод был разработан в Англии Г. Брэггом и Л. Брэггом, и именно с его помощью были получены основополагающие сведения о структуре молекул белков, ДНК и РНК.

В наше время этот метод в сочетании с компьютерным анализом полученных данных является ведущим для изучения трехмерной структуры биополимеров.

Радиоактивные молекулы используются при изучении самых разнообразных внутриклеточных процессов: синтеза молекул из их предшественников, определения внутриклеточной локализации молекул, времени их функционирования в клетку и ее отдельных компартментах, химических превращениях в отдельных участках макромолекул и т.д.

В настоящее время существует большое количество вариантов хроматографии, в которых используют матриксы (носители) разных типов, позволяющие разделить белки по заряду (ионообменная хроматография), размеру молекул (гель-хроматография, чаще называемая гель-фильтрацией) или способности специфически взаимодействовать с определенными химическими группами веществ, предварительно связанных с матриксом (аффинная хроматография). Из всех вариантов хроматографии наибольшей эффективностью обладает аффинная хроматография (хроматография по сродству), в основе которой лежит специфическое взаимодействие (указание) молекул взаимодействующих веществ.

Широкое распространение получила также высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC).

Электрофорез - в основе этого метода лежит способность белков, обладающих определенным суммарным положительным или отрицательным зарядом, перемещаться в электрическом поле в соответствии с величиной заряда, размером и формой молекул. Электрофорез можно проводить в водном (буферном) растворе, однако, как правило, его проводят в каком-либо пористом (полимерном) носителе: крахмальном, агарозном или полиакриламидном геле, на целлюлозных или нитроцеллюлозных пластинах и т.д.

Простейший метод электрофореза на пластинах целлюлозы был использован В. Ингрэмом в 1956 г. при фракционировании фрагментов протеолитического расщепления гемоглобина человека, полученных в результате обработки этого белка трипсином. С помощью данного метода были получены пептидные карты - «фингерпринты» (отпечатки пальцев), по которым было установлено, что заболевание серповидноклеточной анемией обусловлено заменой одной-единственной аминокислоты в β-цепи гемоглобина.

Наиболее часто в настоящее время для разделения белков используются метод электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГ), который представляет собой инертный матрикс с высоким и контролируемым числом поперечных сшивок.

В начале 70-х годов XX в. в Швеции был разработан новый метод разделения белков в электрическом поле, получивший название изоэлектрофокусирования. В отличие от метода электрофореза в процессе которого белки фракционируются при каком-то определенном значении рН, задаваемом электрофоретическим буферным раствором, при изоэлектрофокусировании белки разделяют в градиенте рН, создаваемом с помощью специальных реагентов (амфолинов).

Каталитически активные белки (ферменты) - важнейшие инструменты биохимических методов исследования. Они нашли широкое применение в молекулярной биологии, и конкретные примеры их использования будут приведены в последующих главах.

Нуклеиновые кислоты в той или иной степени были известны исследователям достаточно давно. Например, в 1847 году немецкий химик Ю. Либих, иностранный член-корреспондент Петербургской академик наук, впервые выделил из мясного экстракта инозиновую кислоту (монофосфорный эфир инозина). В 1969 году швейцарский врач Ф. Мишер, исследуя химический состав ядер лейкоцитов, выделил из них вещество, обладавшее кислыми свойствами, которое он назвал нуклеином. Это событие расценивают как открытие нуклеиновых кислот, хотя сам термин - нуклеиновая кислота - был виден лишь 30 лет спустя, в 1899 году. Немногим ранее в 1891 году немецкий биохимик А. Кёссель осуществил и описал гидролиз нуклеиновой кислоты и показал, что она состоит из остатков сахара, фосфорной кислоты и четырех гетероциклических оснований, являющихся производными пурина и пиримидина. Он же впервые доказал существование двух типов нуклеиновых кислот.

В XX веке началось интенсивное изучение продуктов расщепления нуклеиновых кислот. Большой вклад в химию пуринов и пиримидинов внес химик-органик Э. Фишер, а позднее в работах Ф. Левена и Д. Гулланда было давно описание строения углеводных звеньев в составе нуклеиновых кислот. Используемые и в настоящее время термины нуклеозид и нуклеотид были предложены Ф. Левеном еще в 1908-1909 годах. Окончательно химическое строение нуклеозидов и нуклеотидов, а также роль фосфодиэфирной связи в полимеризации мономерных звеньев нуклеиновых кислот были выяснены в 1952 году английскими исследователями под руководством А. Тодда.

После открытия того факта, что нуклеиновые кислоты являются полимерами, состоящими из нуклеотидов четырех типов, с конца 1930-х годов утвердилось мнение, что полимер нуклеиновой кислоты представляет собой многократно повторяющиеся тетрануклеотиды, состоящие из всех четырех азотистых оснований. Эта теория, сформулированная Ф. Левеном, была опровергнута в 1950 году Э. Чаргаффом с сотрудниками из Колумбийского университета. Чаргафф установил значительные различия в нуклеотидном составе ДНК из разных источников и сформулировал основные положения, характеризующие состав нуклеиновых кислот, которые получили название правила Чаргаффа.

Вершиной исследований строения нуклеиновых кислот явилась модель двойной спирали ДНК, предположенная в 1953 году американским физиком Ф. Криком. Эта дата официально считается моментом рождения новой отрасли биологической науки - молекулярной биологии. На основании модели ДНК была выдвинута гипотеза полуконсервативного способа репликации данной молекулы, которая была подтверждена в 1957 году после открытия А. Корнбергом фермента ДНК-полимеразы.

1. 
   Начало работам, приведшим к выяснению биологической роли РНК, было положено в 1930-е годы. Г. Касперсоном и Ж. Браше, которые изучали содержание и распကеление в клетке нуклеиновых кислот и в первую очередь, РНК. Значительно позже (в 50-х годах) было показано, что синтез белка осуществляется рибосомами, но представления о существования РНК-посредника (иРНК), переносящего информацию от ДНК к рибосомам были сформулированы французскими генетиками Ф. Жакобом и Ж. Моно только в 1961 году. Главный фермент транскрипции - ДНК-зависимая - РНК-полимераза был открыт в 1960 году С. Вейссом, Ж. Гурвицем и О. Стивенсом.
   

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М.: Мир, 1978.

Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот/ Под ред. А.С.Спирина. М.: Высшая школа, 1990.

Молекулярная биология: Структура рибосом и биосинтез белка / Под ред. А.С.Спирина. М.: Высшая школа, 1986.

Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. М.: Высшая школа, 1996.

Вопросы для самоконтроля:

Нуклеиновые кислоты как материальные носители наследственных признаков биологических систем

Основополагающие открытия молекулярной биологии

Методы молекулярной биологии

Макромолекулы клеток отличаются от малых молекул не только более крупными размерами. Белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды обладают уникальными свойствами, мало похожими на те, которыми обладают молекулы, входящие в состав биополимеров в качестве мономерных звеньев. Биологические макромолекулы построены, как правил, из тысяч, иногда миллионов атомов, собранных в точно детерминированную пространственную структуру. Каждая из этих макромолекул несет специфическую информацию, заключенную в их структуре. Эта информация может быть прочитана при взаимодействии макромолекулой или одной макромолекулы с другими макромолекулами, что позволяет каждой клетке выполнять определенные специфические функции.

Макромолекулы обычно имеют молекулярные массы от 10 000 до 1 000 000 дальтон и более, т.е. по размерам такие молекулы занимают промежуточное положение между малыми органическими молекулами и надмолекулярными структурами и органеллами. В реакциях биосинтеза макромолекулы собираются из низкомолекулярных соединений, которые образуют длинную полимерную цепь. Обычно в построении каждой цепи принимают участие звенья одного семейства. Поскольку для нормального функционирования каждой макромолекулы решающее значение имеет точная последовательность мономеров, при биосинтезе макромолекул должны действовать механизмы, которые однозначно определяли бы положение каждого мономера в полимерной цепи.

Макромолекулярные цепи образуются с помощью ковалентных связей, которые достаточно прочны, чтобы поддерживать определенную последовательность мономеров в составе полимера в течение длительного времени. Но заключенная в этих последовательностях информация выражается с помощью значительно более слабых нековалентных связей. Такие слабые взаимодействия возникают между отдельными частями одной и той же макромолекулы, а также между разными молекулами. В совокупности

Нековалентные связи в биологических молекулах обычно подразделяют на четыре типа взаимодействий - гидрофобные взаимодействия, ионные взаимодействия, водородные связи и вандерваальсовы взаимодействия.

В водных растворах каждая нековалентная связь в 30-300 раз слабее, чем типичная ковалентная связь. Одно слабое взаимодействие в отличие от ковалентной связи слишком слабо, чтобы противостоять тепловому движению, стремящемуся раздвинуть молекулы в разные стороны. Поэтому для удерживания двух молекулы вместе требуется большое количество нековалентных связей. В свою очередь, большое число слабых взаимодействий может возникнуть между двумя, условно говоря, поверхностями только тогда, когда большое число атомов взаимодействующих поверхностей точно соответствует друг друга. Совокупность слабых взаимодействий определяет характер расположения различных участков одной макромолекулы друг относительно друга и характер взаимодействия одной макромолекулы с другой или другими. Именно этим объясняется специфичность биологического узнавания, которое происходит, например, между ферментом и его субстратом или между комплементарными парами азотистых оснований в молекулах ДНК.

Теоретически, за счет слабых взаимодействий, какой-либо полипептид может приобретать огромное количество разнообразных конформаций. Однако в действительности большинство клеточных белков стабильно складываются только одним способом. Дело в том, что в ходе эволюции была отобрана такая последовательность аминокислот, при которой образуется наиболее благоприятный единственный комплекс слабых взаимодействий, обеспечивающих единственно правильную конформацию.

И еще одна важная особенность структуры макромолекул. Как уже упоминалось, биологические полимеры, а также различные структуры часто образованы путем соединения похожих друг на друга мономерных единиц, таких, как аминокислоты или нуклеотиды, в длинную полимерную цепь. Анализ строения биополимеров с помощью различных физико-химических методов показал, что сборка мономеров в виде прямой линии явление чрезвычайно редкое. Общим структурным элементом биологических макромолекул, построенных из повторяющихся мономеров, является спираль. В зависимости от направления закручивания различают спирали правые (вращение по часовой стрелке) и левые (вращение против часовой стрелки). Направление хода спирали не изменяется при ее переворачивании, но изменяется при зеркальном отображении. Спиральная форма характерна для подавляющего большинства биополимеров клетки. Примерами могут служить а-спирализованные участки в молекулах белков, двойная спирализация молекул ДНК, формирование шпилечных структур молекулами РНК и образование пространственной конформаций тРНК, а также спиральная конформация молекул амилозы с шестью остатками a-D-глюкопиранозы на один виток спирали и спирализация отдельных участков в молекулах гликогена с 5.82 остатками глюкозы на один виток и расстоянием между витками равным 2,07 нм.
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

Методами формальной генетики было установлено, что ген является дискретным фактором наследственности, представляет собой часть хромосомы и что он переходит от родителя к потомку, т.е. передается в ряде поколений.

Решающий роль в выяснении природы гена сыграло представление о том, что ген отличается от; признака, который он определяет. До начало 40-х годов было лишь известно, что ген - это действительно основные единицы наследственности, но каким путем они выполняют свою функцию, оставалось неясным. Гены можно было характеризовать, исходя из мутаций, вызывающих некоторые отклонения от нормы в фенотипе. Почти во всех случаях эффект мутаций анализировали только на описательном уровне. Идея о том, что эффект мутаций связан с появлением измененного фермента возникла в начале XX столетия. В своих работах, проведенных в 1902-1908 годах, Арчибальд Гэррод высказал мнение, что болезнь человека - алкаптонурия - обусловлена нарушением какой-то метаболической реакции, катализируемой ферментом. Его книга «Врожденные ошибки метаболизма» была для своего времени самым ярким и важным вкладом в биологию и медицину. Фраза А. Гэррода - «расщепление бензольного кольца в ходе нормального метаболизма - результат действия специального фермент отсутствует» - заключает в себе концепцию, согласно которой генетический дефект может привести к нарушению определенного метаболической процесса, что находит свое отражение в наблюдаемом фенотипе. Таким образом, к определенному моменту сформировались взгляды относительно того, что различные мутации влияют на фенотип посредством препятствия синтеза какого-либо белка. В 1941 году Дж. Бидл и Э. Тейтем, основываясь на данных по изучению мутантных штаммов хлебной плесени Neurospora crassa, сформулировали важнейший принцип - один ген - один белок (один фермент).

Физическая же и химическая природа генетического материала оставалась неизвестной.

Значительным толчком к изучению и пониманию природы гена послужил Е. Шредингера, опубликованный в 1945 году.

Самый первый и наиболее яркий пример, демонстрирующий роль ДНК как вещества: наследственности, относится к 1928 году. Явление, получившее название трансформации, впервые было обнаружено бактериологом Фредериком Гриффитом при изучении пневмококковой инфекции у мышей.

В 1944 году Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод и Маклин Мак-Карти опубликовали результаты своих классических исследований.

Следующее доказательство генетической роли ДНК было получено в 1952 году в экспериментах, проведенных на совершенно другой системе. Альфред Херши и Марта Чейз инфицировали клетки Е. coli фагом Т2, у которого радиоактивным изотопом ³²Р была помечена ДНК. а изотопом ³⁵S помечены белки капсида. Эксперимент был построен на том свойстве фага, что при добавлении его к бактериальной культуре он адсорбируется на поверхности клеток, вводит определенное вещество в бактериальную клетку и затем, через некоторое время, клетка лизируется, давая большое число фаговых потомков.

В результате описанных выше экспериментов стало ясно, что, по крайне мере, у бактерий и фагов генетическим материалом служит ДНК. Но как обстоит дело у высших организмов, у эукариотических клеток?

Первые доказательства были получены, когда удалось экспериментально показать, что хромосомы можно выделить из одной клетки и перенести в другие, просто смешав их с этими клетками. С очень низкой частотой в реципиентных клетках начинали проявляться признаки клетки-донора, внесенные посредством хромосомы. Впоследствии появилась возможность выполнить такую процедуру с очищенной ДНК, а теперь, увеличивая чистоту трансформирующего отдельные чистые гены, т.е. ДНК, содержащую только тот ген, который был утрачен этими клетками. Затем можно получить трансформантов, содержащих и экспериментирующих данный ген.

Открытие двойной спирали ДНК было одним из самых выдающихся событий молекулярной биологии. В основу модели ДНК, построенной в 1953 году Джемсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, легли две группы фактов: во- первых, результаты предшествующего анализа количественного соотношения четырех оснований в составе ДНК из разных источников, полученные Эрвином Чаргаффом и, во-вторых, анализ картин дифракции рентгеновских лучей на нитях ДНК, полученных Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом.

Закономерности, выявленные Э. Чаргаффом, были впоследствии сформированы в виде правил.

а) состав ДНК различных клеток, составляющих ткани и органы одного организма, всегда одинаков;

б) состав ДНК клеток организма с возрастом не изменяется;

в) состав ДНК клеток разных видов различен;

г) количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина равно количеству цитозина (G=C);

д) сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (A+G=T+C).

Следовательно, любая молекула ДНК может быть охарактеризована по ее составу как отношение (G+C)/(A+T), которое, изменяясь от 26 до 74 мольных %, остается характерным для каждого вида.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что ДНК имеет форму регулярной спирали диаметром 20А, делающей один полный оборот каждые 34 А (3,4 нм). Поскольку расстояние между соседними нуклеотидами в цепи составляло 3,4 А (0,34 нм), то одном витке должно быть 10 нуклеотидов.

Плотность ДНК свидетельствовало о том, что спираль должна состоять из двух полинуклеотидных цепей. Одновременно, постоянный диаметр спирали предполагал, что в каждой цепи азотистые основания направлены внутрь спирали, причем расположены так, что пуриновое основание взаимодействует с пиримидиновым, обеспечивая ситуацию, при которой невозможно образование контактов пурин-пурин и пиримидин-пиримидин.

Дж. Уотсон и Ф. Крик предположили, что две полунуклеотидные цепи в молекуле ДНК не связаны ковалентно, а соединяются водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Реакции взаимодействия G с С и А с Т получили название спаривания оснований, а основания, способные образовывать пары, получили название комплементарных. В А-Т паре основания соединены двумя водородными связями: одна из них образуется между амино- и кетогруппами, а другая - между двумя атомами азота пурина и пиримидина, cooтветственно. В G-C паре имеются три водородные связи: две из них образуются между амино- и кетогруппами соответствующих оснований, а третья - между атомами азота.

Для осуществления специфического спаривания основания должны находиться в соответствующей таутомерной форме. Миграция водородного атома позволяет каждому основанию существовать в различных таутомерных формах. Основания, входящие в состав двойной спирали ДНК и образующие канонические пары, должны иметь аминогруппы (-NH₂) и кетогруппы (>С—О) в отличие от таутомеров, имеющих иминогруппы (=NH) и енольные группы (-ОН) и способных к неканоническому спариванию, как, например, пуриновое основание аденин, который может образовать пару с таутомерной формой цитозина.

Действительно, образование пар между двумя пуринами, двумя пиримидинами или некомплементарными основаниями А-С или G-T затруднено, поскольку при этом не могут образовываться подходящие водородные связи и, следовательно, нарушается геометрия спирали. Модифицированные пурины и пиримидины, с небольшой частотой встречающиеся в ДНК, образуют такие же водородные связи, что и их немодифицированные аналоги. В этом случае правило спаривания не нарушается.

Согласно модели двойной спирали две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК-антипараллельны, т.е. идут в противоположенных направлениях. Поэтому, рассматривая спираль вдоль оси, можно видеть, что она цепь идет в направлении 5'—»3', а другая - в направлении 3'—>5'.

Основания имеют плоскую форму и располагаются парами в плоскости, перпендикулярной оси спирали. Вдоль спирали основания уложены стопками друг на друга и стабилизация спиральной структуры дополнительно обеспечивается межплоскостными взаимодействиями между ароматическими кольцами соседних оснований. Эти специфические контакты получили название стэкинг-взаимодействий, которые являются результатом реализации вандервальсовых сил, возникающих за счет перекрывания π-облаков над и под двойными связями ненасыщенных колец пуринов и пиримидинов, с одной стороны, и гидрофобных, взаимодействий - с другой.

Каждая пара оснований повернута на 36° вокруг оси спирали относительно следующей пары, и таким образом 10 пар оснований составляют один полный оборот в 360°. Две цепи, образующие двойную спираль, уложены таким способом, что наблюдаемая структура характеризуется наличием малой бороздки шириной 12 А и большой бороздки шириной 22 А. Двойной спираль правосторонняя: если смотреть вдоль оси спирали - повороты следуют по часовой стрелке. Данное описание соответствует модели ДНК, известной как В-форма.

Одно из обязательных требований к генетическому материалу состоит в том, что он должен быть способен к точному самовоспроизведению при каждом клеточном делении. По этому поводу в своих пионерских работах Дж. Уотсон и Ф.Крик сделали классический вывод: «Нельзя не заменить, что постулированное нами специфическое взаимодействие непосредственно предполагает возможность копирования генетического материала».

Эти идея базировалась на том представлении, что соединение двух полинуклеотидных цепей только водородными связями должно позволять им разделяться.

Предлагая модель молекулы ДНК, Дж. Уотсон и Ф. Крик постулировали также механизм репликации ДНК. в соответствии с которым каждая исходная цепь может служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. Такой механизм удвоения ДНК был назван полуконсервативным.