DNA: Som arvelig materiale og egenskaper av genetisk materiale (DNA versus RNA) | Biologi

DNA: Som arvelig materiale og egenskaper av genetisk materiale (DNA versus RNA)!

Prinsipper for arv gitt av Mendel og funnet av nuklein (nukleinsyrer) av Meischer (1871) sammenfalt nesten, men for å hevde at DNA virker som et genetisk materiale, tok lang tid. Tidligere funn av Mendel, Walter Sutton, TH Morgan og andre hadde begrenset søket etter genetisk materiale til kromosomer.

Kromosomer består av nukleinsyrer og proteiner og er kjent som arvelige kjøretøy. I første omgang viste det sig at proteiner ville være arvelig materiale, inntil eksperimenter ble utført for å bevise at nukleinsyrer virker som genetisk materiale.

DNA (deoksyribosnukleinsyre) har vist seg å være et genetisk materiale i alle levende vesener, bortsett fra få plantevirus der RNA er det genetiske materialet fordi DNA ikke finnes i slike virus.

A. Bevis for DNA som arvelig materiale:

Konseptet om at DNA er det genetiske materialet har blitt støttet av følgende bevis:

1. Bakteriell transformasjon eller transformasjonsprinsipp (Griffith-effekt):

I 1928 oppdaget en britisk medisinsk offiser Frederick Griffith et fenomen, nå kalt som bakteriell transformasjon. Hans observasjoner involverte bakterien Streptococcus pneumoniae (figur 6.12) som er forbundet med visse typer lungebetennelse. I løpet av dette forsøket hadde en levende organisme (bakterier) forandret seg til levende form.

Denne bakterien finnes i to former:

(a) Glatt (S):

Hvilke celler produserer en kapsel av polysakkarider (slimete), som forårsaker at koloniene på agar blir jevne og skinnende? Denne stammen er virulent (patogen) og forårsaker lungebetennelse.

(b) Grov (R):

I dette tilfellet mangler celler kapsel og produserer kjedelige, grove (R) kolonier.

Nærvær eller mangel på kapsel er kjent for å være genetisk bestemt.

Både S og R-stammer finnes i flere typer og er kjent som henholdsvis SI, S-II, S-III etc. og RI, R-II og R-III etc.

Mutasjoner fra jevn til grov forekommer spontant med en frekvens på omtrent en celle i 10 ^7, men omvendt er mye mindre hyppig.

Griffith utførte sitt eksperiment ved å injisere ovennevnte bakterier i mus og fant følgende resultater:

(en) S-III (virulent) bakterier ble injisert i mus; musene utviklet lungebetennelse og til slutt døde.

(B) R-II (ikke-virulente) bakterier ble injisert i mus; musene fikk ingen sykdom fordi R-II-stammen var ikke-patogen.

(C) Da Griffith injisert varme døde S-III bakterier i mus, lider de ikke av lungebetennelse og overlever dermed.

(D) En blanding av R-II (ikke-virulent) og varme-døde S-III-bakterier ble injisert i mus; musene utviklet lungebetennelse og døde. Ved å postmortomere de døde musene ble det lagt merke til at deres hjerteblod hadde både bakterier fra R-II og S-III.

Dermed konverterte noen genetiske faktorer fra døde S-III-celler levende R-II-cellene til levende S-III-celler, og sistnevnte produserte sykdommen. Kort sagt, levende R-II-celler ble på en eller annen måte forvandlet. Så ble Griffith-effekten gradvis kjent som transformasjon og viste seg å være det første trinnet i identifisering av genetisk materiale.

Biokjemisk karakterisering av transformasjonsprinsipp:

Eller

Identifikasjon av transformasjon av genetisk stoff:

I 1944, seksten år etter Griffiths eksperiment, rapporterte Oswald Avery, Colin MacLeod og Maclyn McCarty (1933-1944) suksessfull gjentagelse av bakteriell transformasjon, men in vitro. De var i stand til å identifisere det transformerende genetiske materialet. De testet fraksjoner av varme drepte celler for transformerende evne. Deres funn var som under.

Deres funn var:

(i) DNA alene fra S-bakterier forårsaket R-bakterier å bli transformert.

(ii) De fant at proteaser (proteindeltende enzymer) og RNAse (RNA-fordøyende enzymer) ikke påvirket transformasjonen.

(iii) Digestion med DNAase inhiberte transformasjon.

Dermed konkluderte de til slutt at DNA er arvelig materiale.

Derfor er det nå over enhver rimelig tvil at DNA er arvelig materiale.

2. Bakteriofaginfeksjon:

Virusinfeksjonsmiddel er DNA. Ved å bruke radioaktive sporstoffer, ga Alferd Hershey og Maratha Chase (1952) bevis for at DNA er arvelig materiale i visse bakteriofager (bakterielle virus).

Struktur av T ₂ bakteriofag:

Dette bakterielle viruset inneholder et ytre ikke-genetisk proteinskall og indre kjerne av genetisk materiale (DNA). T ₂ fagene er av tadpole form differensiert til hodet og hale regionen. Hodet er en langstrakt, bipyramidal, sekssidig struktur sammensatt av flere proteiner.

Innenfor hodet (Fig. 6.13) er et lukket, ikke-sluttende DNA-molekyl. Dimensjonene til hodet er slik at det er i stand til å pakke DNA-molekylet tett inne i det. Halen er en hul sylinder. Halen bærer 24 spiralformede striber.

Seks halefibre vises fra en sekskantplate i den distale enden av platen. Hale er bare dannet av proteiner. Proteinholdige ytre skall inneholder svovel (S), men ikke fosfor (P), mens DNA inneholder fosfor, men ikke svovel.

Hershey og Chase (1952) utførte sitt eksperiment på T ₂ fag som angrep bakterien Escherichia coli.

Fagpartiklene ble fremstilt ved bruk av radioisotoper av 35S og 32P i følgende trinn:

(i) Få bakteriofager ble dyrket i bakterier som inneholdt ³⁵ S. Dette radioaktive var 35S inkorporert i cystein- og metioninaminosyrene av proteiner, og dermed dannet disse aminosyrene med ³⁵ S proteiner fra fag.

(ii) Noen andre bakteriofager ble dyrket i bakterier med 32P. Denne radioaktive 32P var begrenset til DNA fra fagpartikler.

Disse to radioaktive fagpreparater (en med radioaktive proteiner og en annen med radioaktivt DNA) fikk lov til å infisere kulturen av E. coli. Proteinfrakkene ble separert fra bakterielle cellevegger ved risting og sentrifugering.

De tyngre infiserte bakterieceller under sentrifugering pelleterte til bunn (figur 6.14). Supernatanten hadde de lettere fagpartiklene og andre komponenter som ikke klarte å infisere bakterier.

Det ble observert at bakteriofager med radioaktivt DNA ga opphav til radioaktive pellets med ³² P i DNA. Men i fagpartiklene med radioaktivt protein (med ³⁵ S) har bakteriepellets nesten null-radioaktivitet som indikerer at proteiner har unnlatt å migrere til bakteriecelle.

Så det kan sikkert konkluderes med at under infeksjon av bakteriofag T ₂ var det DNA som kom inn i bakteriene. Det ble etterfulgt av en formørkelsesperiode hvor phage DNA replikeres mange ganger i bakteriecellen (figur 6.15).

Mot slutten av formørkelsesperioden dirigerer fagd DNA produksjonen av proteinbeleggmontering av nydannede fagpartikler. Lysozym (et enzym) gir lysis av vertscellen og frigjør de nylig dannede bakteriofager.

Ovennevnte eksperiment tyder tydelig på at det er fag-DNA og ikke protein som inneholder den genetiske informasjonen for produksjon av nye bakteriofager. Imidlertid virker RNA i noen plantevirus (som TMV) som arvelig materiale (er DNA fraværende).

B. Egenskaper av genetisk materiale (DNA versus RNA):

DNA er det genetiske materialet RNA har vist seg å være genetisk materiale i TMV (Tobacco mosaic virus), ф β bakteriofag etc. DNA er stor arvelig materiale i de fleste organismer. RNA utfører hovedsakelig funksjonene til messenger og adapter. Dette skyldes hovedsakelig forskjeller mellom kjemisk struktur av DNA og RNA.

Nødvendige egenskaper av genetisk materiale:

1. Replikasjon:

Dette refererer til duplisering av dets genetiske materiale ved trofast replikasjon som er vist av både DNA og RNA. Proteiner og andre molekyler som er tilstede i levende vesen, viser ikke denne egenskapen.

2. Stabilitet:

Stabilitet av genetisk materiale bør eksistere. Det bør ikke endre sin struktur lett med endrede stadier i livet, alder av fysiologi til levende vesener. Selv i Griffiths eksperiment med «transformerende prinsipp», overlevde DNA i varmdøde bakterier. Begge DNA-strengene som er komplementære kan separeres.

RNA er ansvarlig og lett nedbrytbar på grunn av tilstedeværelse av 2'-OH-gruppe tilstede i hvert nukleotid. Som RNA er katalytisk, har det blitt reaktivt. Fordi DNA er mer stabilt enn RNA, sies det å være bedre genetisk materiale. Tilstedeværelse av tymin i stedet for uracil er en annen grunn som fører til stabilitet av DNA.

3. mutasjon:

Genetisk materiale skal kunne gjennomgå mutasjon, og en slik forandring bør være stabilt arvet. Både nukleinsyrer DNA og RNA har evnen til å mutere. RNA muterer i raskere grad sammenlignet med DNA. Virus med RNA-genom viser mutasjon og evolusjon i raskere hastighet og har dermed kortere levetid.

Tabell 6.6. Typer av nukleinsyrer:

4. Genetisk uttrykk:

RNA uttrykker enkelt tegnene i form av proteiner. DNA krever RNA for dannelse av proteiner. DNA som er mer stabilt betraktes som bedre enn RNA for lagring av genetisk informasjon. For overføring av genetiske tegn gir RNA imidlertid bedre resultater.