DNA: als Erbmaterial und Eigenschaften von genetischem Material (DNA versus RNA) | Biologie

DNA: als Erbmaterial und Eigenschaften von genetischem Material (DNA versus RNA)!

Die Prinzipien der Vererbung von Mendel und die Entdeckung von Nuklein (Nukleinsäuren) von Meischer (1871) fielen fast zusammen, aber für die Behauptung, dass DNA als genetisches Material wirkt, dauerte es lange. Frühere Entdeckungen von Mendel, Walter Sutton, TH Morgan und anderen hatten die Suche nach genetischem Material auf Chromosomen beschränkt.

Chromosomen bestehen aus Nukleinsäuren und Proteinen und sind als erbliche Träger bekannt. Im ersten Fall schien es, dass Proteine ​​Erbmaterial sein würden, bis Experimente durchgeführt wurden, um nachzuweisen, dass Nukleinsäuren als genetisches Material wirken.

Es wurde gefunden, dass DNA (Desoxyribose-Nukleinsäure) in allen Lebewesen ein genetisches Material ist, mit Ausnahme einiger Pflanzenviren, bei denen RNA das genetische Material ist, da in solchen Viren keine DNA gefunden wird.

A. Beweise für DNA als Erbmaterial:

Das Konzept, dass DNA das genetische Material ist, wurde durch folgende Nachweise gestützt:

1. Bakterielle Transformation oder Transformationsprinzip (Griffith-Effekt):

Im Jahr 1928 stieß Frederick Griffith, ein britischer medizinischer Offizier, auf ein Phänomen, das jetzt als bakterielle Transformation bezeichnet wird. Seine Beobachtungen betrafen das Bakterium Streptococcus pneumoniae (Abb. 6.12), das mit bestimmten Arten von Lungenentzündung assoziiert ist. Im Verlauf dieses Experiments hatte sich ein lebender Organismus (Bakterien) in eine lebende Form verwandelt.

Dieses Bakterium kommt in zwei Formen vor:

(a) glatt (S):

Wessen Zellen produzieren eine Kapsel aus Polysacchariden (Schleim), wodurch die Agar-Kolonien glatt und ziemlich glänzend sind? Dieser Stamm ist virulent (pathogen) und verursacht Lungenentzündung.

(b) grob (R):

In diesem Fall fehlt den Zellen die Kapsel und es bilden sich stumpfe raue (R) Kolonien.

Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Kapseln ist bekanntermaßen genetisch bedingt.

Sowohl S- als auch R-Stämme gibt es in verschiedenen Arten und sind als SI, S-II, S-III usw. bzw. RI, R-II und R-III usw. bekannt.

Mutationen von glatt zu rau treten spontan mit einer Häufigkeit von etwa einer Zelle in 10 ^{7 auf}, das Gegenteil ist jedoch viel seltener.

Griffith führte sein Experiment durch Injektion der obigen Bakterien in Mäuse durch und fand die folgenden Ergebnisse:

(ein) S-III (virulente) Bakterien wurden in Mäuse injiziert; Die Mäuse entwickelten eine Lungenentzündung und starben schließlich.

(b) R-II-Bakterien (nicht virulent) wurden Mäusen injiziert; Die Mäuse erlitten keine Krankheit, da der Stamm R-II nicht pathogen war.

(c) Als Griffith durch Hitze getötete S-III-Bakterien in Mäuse injizierte, litten sie nicht an Lungenentzündung und überlebten somit.

(d) Eine Mischung aus R-II (nicht virulent) und durch Wärme abgetöteten S-III-Bakterien wurde Mäusen injiziert; Die Mäuse entwickelten eine Lungenentzündung und starben. Bei den postmortomierten toten Mäusen wurde festgestellt, dass ihr Herzblut sowohl R-II- als auch S-III-Bakterienstämme aufwies.

Daher wandelte ein genetischer Faktor aus toten S-III-Zellen die lebenden R-II-Zellen in lebende S-III-Zellen um, und die letzteren verursachten die Krankheit. Kurz gesagt, lebende R-II-Zellen wurden irgendwie transformiert. Der Griffith-Effekt wurde allmählich als Transformation bezeichnet und erwies sich als der erste Schritt bei der Identifizierung von genetischem Material.

Biochemische Charakterisierung des Transformationsprinzips:

Oder

Identifizierung der transformierenden genetischen Substanz:

1944, 16 Jahre nach Griffiths Experiment, berichteten Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty (1933-1944) über eine erfolgreiche Wiederholung der bakteriellen Transformation, jedoch in vitro. Sie konnten das transformierende genetische Material identifizieren. Sie testeten Bruchteile von durch Wärme abgetöteten Zellen auf Transformationsfähigkeit. Ihre Befunde waren wie unter.

Ihre Erkenntnisse waren:

(i) DNA allein aus S-Bakterien führte zur Umwandlung von R-Bakterien.

(ii) Sie fanden heraus, dass Proteasen (Proteinverdauungsenzyme) und RNAse (RNA-Verdauungsenzyme) die Transformation nicht beeinflussten.

(iii) Der Verdau mit DNAase inhibierte die Transformation.

Daraus schlussfolgerten sie, dass DNA das Erbmaterial ist.

Daher besteht kein Zweifel mehr daran, dass die DNA Erbmaterial ist.

2. Bakteriophagen-Infektion:

Virusinfektionsmittel ist DNA. Alferd Hershey und Maratha Chase (1952) legten mithilfe radioaktiver Tracer nach, dass DNA in bestimmten Bakteriophagen (bakteriellen Viren) Erbmaterial ist.

Struktur des T2-Bakteriophagen:

Dieses Bakterienvirus enthält eine äußere nicht-genetische Proteinhülle und einen inneren Kern aus genetischem Material (DNA). Die T2-Phagen haben eine Kaulquappenform, die sich in den Kopf- und Schwanzbereich unterscheidet. Der Kopf ist eine längliche, bipyramidale, sechsseitige Struktur, die aus mehreren Proteinen besteht.

Im Kopf (Abb. 6.13) befindet sich ein geschlossenes, nicht endendes DNA-Molekül. Die Abmessungen des Kopfes sind so bemessen, dass er DNA-Moleküle fest in ihn packen kann. Der Schwanz ist ein Hohlzylinder. Der Schwanz trägt 24 helikale Streifen.

Sechs Schwanzfasern erscheinen an einer hexagonalen Platte am distalen Ende der Platte. Schwanz besteht nur aus Proteinen. Eiweißhaltige äußere Hülle enthält Schwefel (S), aber keinen Phosphor (P), während DNA Phosphor, aber keinen Schwefel enthält.

Hershey und Chase (1952) führten ihr Experiment an T ₂ -Phagen durch, die das Bakterium Escherichia coli angreifen.

Die Phagenpartikel wurden unter Verwendung von Radioisotopen von ³⁵ S und ³² P in den folgenden Schritten hergestellt:

(i) Nur wenige Bakteriophagen wurden in Bakterien gezüchtet, die ³⁵ S enthielten. Diese radioaktive Substanz wurde in die Cystein- und Methioninaminosäuren von Proteinen eingebaut, und somit bildeten diese Aminosäuren mit ³⁵ S die Proteine ​​des Phagen.

(ii) Einige andere Bakteriophagen wurden in Bakterien mit ³² P gezüchtet. Dieses radioaktive ³² P war auf DNA von Phagenpartikeln beschränkt.

Diese beiden radioaktiven Phagenpräparate (eine mit radioaktiven Proteinen und eine mit radioaktiver DNA) konnten die Kultur von E. coli infizieren. Die Proteinmäntel wurden durch Schütteln und Zentrifugieren von den Bakterienzellwänden getrennt.

Die schwereren infizierten Bakterienzellen wurden während der Zentrifugation nach unten pelletiert (Abb. 6.14). Der Überstand hatte die leichteren Phagenpartikel und andere Komponenten, die keine Bakterien infizieren konnten.

Es wurde beobachtet, dass Bakteriophagen mit radioaktiver DNA zu radioaktiven Pellets mit ³² P in DNA führten. In den Phagenpartikeln mit radioaktivem Protein (mit ³⁵ S) weisen die Bakterienpellets jedoch praktisch keine Radioaktivität auf, was darauf hindeutet, dass Proteine ​​nicht in die Bakterienzelle einwandern können.

Daraus lässt sich sicher schließen, dass während der Infektion mit dem Bakteriophagen T ₂ DNA in die Bakterien eindrang. Es folgte eine Eklipsenperiode, während der sich die Phagen-DNA innerhalb der Bakterienzelle mehrfach replizierte (Abb. 6.15).

Gegen Ende der Eklipsenperiode steuert Phagen-DNA die Produktion von Proteinmänteln aus neu gebildeten Phagenpartikeln. Lysozym (ein Enzym) bewirkt die Lyse der Wirtszelle und setzt die neu gebildeten Bakteriophagen frei.

Das obige Experiment legt eindeutig nahe, dass Phagen-DNA und nicht Protein die genetische Information für die Produktion neuer Bakteriophagen enthält. In einigen Pflanzenviren (wie TMV) fungiert RNA jedoch als Erbmaterial (da keine DNA vorhanden ist).

B. Eigenschaften von genetischem Material (DNA gegenüber RNA):

DNA ist das genetische Material RNA hat sich als genetisches Material in TMV (Tobacco Mosaic Virus), β β-Bakteriophagen usw. erwiesen. DNA ist in den meisten Organismen das wichtigste erbliche Material. RNA erfüllt hauptsächlich die Funktionen von Messenger und Adapter. Dies ist hauptsächlich auf Unterschiede zwischen der chemischen Struktur von DNA und RNA zurückzuführen.

Erforderliche Eigenschaften des genetischen Materials:

1. Replikation:

Dies bezieht sich auf die Vervielfältigung seines genetischen Materials durch getreue Replikation, die sowohl von DNA als auch von RNA gezeigt wird. In Lebewesen vorhandene Proteine ​​und andere Moleküle weisen diese Eigenschaft nicht auf.

2. Stabilität:

Stabilität des genetischen Materials sollte vorhanden sein. Es sollte seine Struktur nicht leicht mit veränderten Lebensstadien, Alter der Physiologie der Lebewesen ändern. Selbst in Griffiths Experiment des "Transforming Principles" überlebte DNA in durch Hitze abgetöteten Bakterien. Die beiden komplementären DNA-Stränge können getrennt werden.

RNA ist aufgrund der Anwesenheit von 2'-OH-Gruppen in jedem Nukleotid anfällig und leicht abbaubar. Da RNA katalytisch ist, ist sie reaktiv geworden. Da DNA stabiler als RNA ist, gilt sie als besseres genetisches Material. Die Anwesenheit von Thymin anstelle von Uracil ist ein weiterer Grund, der zur Stabilität der DNA führt.

3. Mutation:

Genetisches Material sollte in der Lage sein, Mutationen zu durchlaufen, und eine solche Änderung sollte stabil vererbt werden. Sowohl die Nukleinsäuren DNA als auch RNA können mutieren. RNA mutiert im Vergleich zu DNA schneller. Viren mit RNA-Genom zeigen eine schnellere Mutation und Evolution und haben daher eine kürzere Lebensdauer.

Tabelle 6.6. Arten von Nukleinsäuren:

4. Genetischer Ausdruck:

RNA drückt die Zeichen leicht in Form von Proteinen aus. DNA benötigt RNA zur Bildung von Proteinen. DNA, die stabiler ist, wird für die Speicherung genetischer Informationen als besser als RNA betrachtet. Für die Übertragung genetischer Merkmale liefert RNA jedoch bessere Ergebnisse.