Հիմնական նյութ

Կենսաբանություն

Դասընթաց․ (Կենսաբանություն) > Բաժին 17

Դաս 3: ԴՆԹ-ի կրկնապատկում

ԴՆԹ-ի կրկնապատկման եղանակը՝ Մեսելսոն-Ստահլի փորձը

«Google Classroom»

Պատմական կարևոր փորձ, որը ցույց տվեց ԴՆԹ-ի կրկնապատկման կիսակոնսերվատիվ մեխանիզմը:

Հիմնական դրույթներ

Օրգանիզմներում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի երեք մոդելներ էին առկա. կիսակոնսերվատիվ, կոնսերվատիվ և դիսպերսիվ:
Կիսակոնսերվատիվ մոդելում ԴՆԹ-ի պարույրի յուրաքանչյուր շղթան ծառայում է որպես մատրիցա նոր, կոմպլեմենտար շղթայի առաջացման համար, կարծես՝ կախված էր ԴՆԹ-ի կառուցվածքից:
Նեսելսոնն ու Ստալը փորձարկեցին մոդելները՝ բակտերիաների սերունդներում նշագրելով ԴՆԹ-ն ազոտի իզոտոպների միջոցով:
ԴՆԹ- նշագրման օրինաչափությունների արդյունքում Մեսելսոնն ու Ստալը հաստատեցին, որ ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան ընթանում է կիսակոնսերվատիվ եղանակով:

ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի եղանակը

Պատկերացրու՝ հիմա 1953 թվականն է՝ երբ ԴՆԹ-ի կրկնակի պարուրային կառուցվածքը դեռևս նոր էր բացահայտվել

^{1}

: Ի՞նչ հարցեր կծագեին քո և այլ գիտնականների մտքում:

ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի վերաբերյալ մի մեծ հարց կար:ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրային կառուցվածքը արդեն իսկ հուշում էր, թե ինչպես է իրականանում դրա ռեպլիկացիան:

^{1, 2}

Ակնկալելի էր, որ պարույրի երկու շղթաները ռեպլիկացիայի ժամանակ պետք է առանձնանային միմյանցից: Այնուհետև դրանցից յուրաքանչյուրը պետք է ծառայեր որպես մատրիցա նոր, համապատասխանող շղթայի սինթեզի համար:

Բայց իրականում արդյո՞ք դա այդպես էր: Փոքրիկ հուշում. պատասխանն է՝ այո: Այս հոդվածում մենք կուսումնասիրենք շատ հայտնի մի որձ, որը երբերմն կոչվում է <<կենսաբանության ամենագեղեցիկ փորձը>>: Այն ներկայացնում է ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի կիսակոնսերվատիվ եղանակի մեխանիզմը՝ առաջացող նոր ԴՆԹ-ն կազմված է մեկ հին և մեկ նոր շղթաներից:

^{3}

ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի 3 մոդելները

ԴՆԹ-ի կառուցվածքի հայտնաբերումից հետո գիտական հասարակությունը առաջարկեց ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի երեք հիմնական մոդելներ: Այդ մոդելները ներկայացված են ստորև տրամագրում.

_Նկարի աղբյուր՝ "Basics of DNA replication: Figure 1," ըստ OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._

Կիսակենսերվատիվ ռեպլիկացիա։Այս մոդելում ԴՆԹ-ի երկու շղթաներն ապապարուրվում են, յուրաքանչյուրը ձևանմուշ է դառնում նոր, փոխլրացնող ԴՆԹ-ի սինթեզի համար։ Սա հանգեցնում է ԴՆԹ-ի երկու մոլեկուլների առաջացման, որոնք կազմված են մեկ բնօրինակ և մեկ՝ նոր սինթեզված շղթաներից:
Կոնսերվատիվ ռեպլիկացիա: Այս մոդելում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջացող մոլեկուլներից մեկը կազմված է ԴՆԹ-ի նախնական շղթաներից (ԴՆԹ-ի սկզբնական մոլեկուլի նման), իսկ մյուսը՝ երկու նոր շղթաներից (որում սակայն առկա է միևնույն հաջորդականությունը, ինչ նախնական մոլեկուլում):
Դիսպերսիվ ռեպլիկացիա: Դիսպերսիվ մոդելում, ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են 2 մոլեկուլներ, որոնք հանդիսանում են ծնողական և դուստր ԴՆԹ-ների խառնուրդներ՝ հիբրիդներ: Այս մոդելում պարույրի յուրաքանչյուր շղթա կազմված է սկզբնական և նոր ԴՆԹ-ից:

Այդ ժամանակ գործունեություն ծավալող կենսաբանների հիմնական մասը ամենայն հավանականությամբ հավակնում էր կիսակոնսերվատիվ մոդելին: Հաշվի առնելով ԴՆԹ-ի կրկնակի պարույրի շղթաների իդեալական կոմպլեմենտարությունը, այս մոդելը շատ իմաստալից էր թվում (եթե շղթաներից մեկը կրում է Թ, ապա մյուսի համապատասխան դիրքում Ա է, իսկ Գ-ի պարագայում՝ Ց և այլ)

^{2, 4}

: Այս հարաբերությունը բացատրում է, թե ինչու է նոր ԴՆԹ-ի սինթեզի համար անհրաժեշտ մատրիցա հանդիսացող և նոր շղթաներ:

Այնուամենայնիվ, կենսաբանության մեջ շատ օրինակներ կան, որոնցում <<ակնհայտ>> թվացող լուծումները սխալ են լինում: (Սպիտակուցը որպես գենետիկական նյութ, ինչ որ մեկը հիշու՞մ է սա:)Այսպիսով՝ անհրաժեշտ էր փորձով որոշել, թե որ մոդելն են օգտագործում բջիջները ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի համար:

Մեսելսոնն ու ՍՏալը բացահայտեցին գլուխկոտրուկը

Մեթ Մեսելսոնն ու Ֆրանկլին Ստալը ի սկզբանե հանդիպել են 1954թվականի ամռանը՝ ԴՆԹ-ի կառուցվածքի վերաբերյալ Ուաթսոնի և Կրիկի հրապարակումից 1 տարի անց: Չնայած որ երկու հետազոտողները ունեին հետազոտման տարբեր հետաքրքրություններ, նրանց երկուսին էլ հետաքրքրում էր ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի հարցը: Նրանք համախմբվեցին և կարևոր հայտնագործություն կատարեցին՝ որոշելով ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիայի մեխանիզմը:

Մեսելսոն-Ստալի փորձը

Մեսելսոնն ու Ստալը իրենց հայտնի փորձերում որպես մոդելային համակարգ օգտագործեցին E. coli բակտերիաներին:

Նրանք սկսեցին աճեցնել E. coli բակտերիաներին այնպիսի սննդային միջավայրում, որը պարունակում է ազոտի <<ծանր>> իզոտոպներ՝

^{15} N

: (Իզոտոպը տարրի տարատեսակ է, որը մյուս տեսակներից տարբերվում է կորիզի նեյտրոնների քանակով): Աճելով սննդային միջավայրում, որում առկա է ծանր ազոտ՝

^{15} N

՝ բակտերիաները ներքաշում են ազոտ և օգտագործում այն նոր կենսաբանական մոլեկուլների՝ այդ թվում նաև ԴՆԹ-ի սինթեզի համար:

^{15} N

պարունակող միջավայրում բակտերիաների մի քանի սերունդների աճեցումից հետո, դրանցում ԴՆԹ-ի մոլեկուլների բոլոր ազոտային հիմքերը կազմված էին

^{15} N

-ից: Այնուհետև բակտերիաներին տեղափոխեցին մեկ այլ միջավայր, որը պարունակում էր "light"

^{14} N

իզոտոպներ: Այս միջվայրում ևս դրանք բազմանում են մի քանի անգամ: Տեղափոխումից հետո ԴՆԹ-ն պետք է կազմված լիներ

^{14} N

-ից, քանի որ միջավայրում առկա էր ազոտի միայն այդ իզոտոպը:

Մեսելսոնն ու Ստալը գիտեին՝ որքան հաճախ են բազմանում E. coli բակտերիաները, և կարողացան յուրաքանչյուր սերնդից փոքրիկ նմուշներ վերցնել և դրանցից առանձնացնել ԴՆԹ: Այնուհետև նրանք չափեղին ԴՆԹ-ի խտությունը (հետևաբար նաև դրանում

^{15} N

^{14} N

քանակը) օգտագործելով խտության գրադիենտի սենտրիֆուգում մեթոդը:

Այս մեթոդով առանձնացվում են մոլեկուլները, ինչպես օրինակ՝ ԴՆԹ: Մեկ այլ մոլեկուլի, օրինակ՝ ցեզիումի քլորիդի, ներկայությամբ մոլեկուլը մեծ արագությամբ պտտվում է: Արդյունքում պտտվող անոթի ներքևից վերև ուղությամբ առաջանում է խտության գրադիենտ: Խտության գրադիենտով ցենտրիֆուգում նկատելի է դարձնում մոլեկուլների միջև շատ փոքր տարբերությունները՝ նույնիսկ

^{15} N

-ի և

^{14} N

-ի մակարդակով:

_Նկարի աղբյուր "Meselson-Stahl experiment diagram en," ըստ Mariana Ruiz Villareal (public domain)._

Փորձի արդյունքները

Երբ E. coli-ի առաջին 4 սերունդների ԴՆԹ-ն ենթարկվեց մանրամասն վերլուծության, առաջացավ ստորև նկարում ցուցադրված խմբերի օրինաչափությունը.

Արդյունքները ի՞նչ հուշեցին Մեսելսոնին և Ստալին: Արի ուսումնասիրենք առաջին մի քանի սերունդները, որոնք մեզ տրամադրեցին առանցքային տեղեկատվություն:

0 սերունդ

Փորձի սկզբում բջիջներից առանձնացված ԴՆԹ-ն (<<0 սերնդում>>

^{14} N

պարունակող միջավայր չտեղափոխված օրգանիզմներ են) ցենտրիֆուգելու արդյունքում առաջացավ միայն մեկ շերտ: Այս արդյունքն իմաստալից էր, քանի որ այդ օրգանիզմների ԴՆԹ-ն պետք է պարունակեր միայն

^{15} N

իզոտոպ:

Առաջին սերունդ

Առաջին սերնդից առանձնացված ԴՆԹ-ի (իրականացել է ԴՆԹ-ի միայն մեկ ռեպլիկացիա) ցենտրիֆուգման արդյունքում առաջացավ միայն մեկ շերտ: Բայց այս շերտը խտությամբ ավելի բարձր՝ միջին տեղակայում ուներ, քանի որ պարունակում էր ծանր

^{15} N

և թեթև

^{14} N

ԴՆԹ-ի մոլեկուլներ:

Շերտի միջին տեղակայումը թույլ տվեց Մեսելսոնին և Ստալին հասկանալ, որ առաջին ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջացել է հիբրիդային ԴՆԹ, որը պարունակում է և՛ ծանր, և՛ թեթև իզոտոպներ: Այս արդյունքը համապատասխանում էր և; դիսպերսիվ և կիսակոնսերվատիվ մոդելներին, իսկ կոնսերվատիվ մոդելին՝ ոչ:

Կոնսերվատիվ մոդելի պարագայում այս սերնդի ԴՆԹ-ի ցենտրիֆուգման արդյունքում պոտք է առաջանային 2 շերտեր (շերտ ծանր, նախնական մոլեկուլի համար և շերտ նոր, թեթև մոլեկուլի համար):

2-րդ սերունդ

2-րդ սերդնից ստացած տեղեկույթը Մեսելսոնին և Ստալին թույլ տվեց որոշել՝ մյուս երկու մոդելներից (կիսակոնսերվատիվ և դիսպերսիվ) որն էր իրականում գործում:

Երբ երկրորդ սերնդի օրգանիզմի ԴՆԹ-ն ցենտրիֆուգվեց, արդյունքում առաջացած 2 շերտեր: Դրանցից մեկը գտնվում էր միևնույն միջին դիրքում, որում գտնվում էր առաջին սերնդի ԴՆԹ-ն, իսկ մյուսը ավելի վերև էր տեղակայվում (պարզվում է նշակրված էր միայն

^{14} N

-ով):

Այս արդյունքը թույլ տվեց Մեսելսոնին և Ստալին հասկանալ, որ ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան տեղի է ունենում կիսակոնսերվատիվ եղանակով: Երկու շերտերի օրինաչափությունները՝ մեկը՝ հիբրիդային մոլեկուլի դիրքում, իսկ մյուսը՝ թոթև մոլեկուլի, հենց այն է ինչ ակնակլում ենք ստանալ կիսակոնսերվատիվ եղանակով ռեպլիկացիայի իրականացման պարագայում (ինչպես և ցուցադրված է ստորև տրամագրում): Ի տարբերություն դրան, դիսպերսիվ ռեպլիկացիայի պարագայում բոլոր մոլեկուլները պետք է ունենան հին և նոր ԴՆԹ-ի տարեր՝ հետևաբար անհնար դարձնելով ամբողջովին թեթև մոլեկուլների առաջացումը:

_Նկարի աղբյուր՝ "Basics of DNA replication: Figure 2," ըստ OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Նախնական նկարը՝ "Meselson-Stahl experiment diagram en," ըստ Mariana Ruiz Villareal (public domain)._

3-րդ և 4-րդ սերունդներ

Կիսակոնսերվատիվ մոդելում երկրորդ սերնդի հիբրիդային ԴՆԹ-ի յուրաքանչյուր մոլեկուլից երրորդ սերնդում պետք է առաջանա 1 հիբրիդային և մեկ թեթև մոլեկուլ, մինչդեռ յուրաքանչյուր թեթև մոլեկուլից կառաջանան ավելի թեթեև մոլեկուլներ:

Հետևաբար երրորդ և չորորդ սերունդներում ակնակլում ենք հիբրիդային շերտի ավելի քիչ արտահայտված դրսևորում (քանի որ այն կներկայացնի ընդհանուր ԴՆԹ-ի շատ ավելի փոքր մասը), իսկ թեթև շերտը պետք է ավելի ու ավելի արտահայտիչ դառնա (քանի որ այստեղ ներկայացված կլինի ԴՆԹ-ի շատ ավելի մեծ մասը):

Ինչպես կարող ենք տեսնել նկարում, Մեսելսոնն ու Ստալը հենց այս պատկերը տեսան իրենց փորձերում՝ ապացուցելով ռեպլիկացիայի կիսակոնսերվատիվ եղանակը:

[Իսկ ի՞նչ կլիներ, եթե պարզվեր, որ ճիշտ է դիսպերսիվ մոդելը:]

[Իսկ ի՞նչ կլիներ, եթե պարզվեր, որ ճիշտ է կոնսերվատիվ մոդելը:]

Ամփոփում

Մեսելսոնի և Ստալի փորձերը ցույց տվեցին, որ ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան իրականացվում է կիսակոնսերվատիվ եղանակով, ինչը նշանակում է, որ ԴՆԹ-ի պարույրի յուրաքանչյուր շղթա հանդիսանում է մատրիցա նոր, կոմպլեմենտար շղթայի սինթեզի համար:

Չնայած, որ Մեսելսոնն ու Ստալը իրենց փորձերը իրականացրեցին E. coli բակտերիայի վրա, այժմ մենք գիտենք, որ մոլորակի բոլոր կենդանի օրգանիզմների օրգանիզմում ԴՆԹ-ի ռեպլիկացիան ընթանում է նույն եղանակով:Քո բջիջերից մի քանիսում հենց այս պահին տեղի է ունենում ռեպլիկացիա՝ կիսակոնսերվատիվ եղանակով:

[Մեջբերումներ և հղումներ]

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: