If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Կենսաբանություն

Դասընթաց․ (Կենսաբանություն)  > Բաժին 17

Դաս 3: ԴՆԹ-ի կրկնապատկում
Գիտություն
Կենսաբանություն
ԴՆԹ-ն որպես գենետիկական նյութ
ԴՆԹ-ի կրկնապատկում
© 2023 Khan AcademyՕգտագործման պայմաններԳաղտնիության քաղաքականությունՔուքի (Cookie) ծանուցում

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 բացահայտվելstart superscript, 1, end superscript: 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:start superscript, 1, comma, 2, end superscript 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:cubed

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.
ԴՆԹ-ի մոդելների սխեմատիկ ներկայացումը:
  1. Կոնսերվատիվ. Ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջացող նոր ԴՆԹ-ի պարույրներից մեկը կազմված է երկու նոր շղթաներից, իսկ մյուսը՝ երկու հին:
  2. Կիսակոնսերվատիվ. Ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են երկու պարույրներ, որոնցից յուրաքանչյուրը կազմված է մեկ նոր և մեկ հին շղթաներից:
  3. Դիսպերսիվ: Ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են երկու պարույրներ, որոնցից յուրաքանչյուրի շղթաները կազմված են հին և նոր ԴՆԹ-ի մոլեկուլներից:
_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)start superscript, 2, comma, 4, end superscript: 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՝ start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text: (Իզոտոպը տարրի տարատեսակ է, որը մյուս տեսակներից տարբերվում է կորիզի նեյտրոնների քանակով): Աճելով սննդային միջավայրում, որում առկա է ծանր ազոտ՝ start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text՝ բակտերիաները ներքաշում են ազոտ և օգտագործում այն նոր կենսաբանական մոլեկուլների՝ այդ թվում նաև ԴՆԹ-ի սինթեզի համար:
start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text պարունակող միջավայրում բակտերիաների մի քանի սերունդների աճեցումից հետո, դրանցում ԴՆԹ-ի մոլեկուլների բոլոր ազոտային հիմքերը կազմված էին start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ից: Այնուհետև բակտերիաներին տեղափոխեցին մեկ այլ միջավայր, որը պարունակում էր "light" start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text իզոտոպներ: Այս միջվայրում ևս դրանք բազմանում են մի քանի անգամ: Տեղափոխումից հետո ԴՆԹ-ն պետք է կազմված լիներ start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-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 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text և start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 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 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ի և start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-ի մակարդակով:
Տրամագրում ներկայացված է փորձանոթ, որը պարունակում է CsCl, ազոտ 14 և ազոտ 15 նշակրված ԴՆԹ-ի մոլեկուլներ՝ մեծ արագությամբ ցենտրիֆուգման ենթարկվելուց հետո: Փորձանոթի հատակում միջավայրի խտությունն ամենամեծն է, իսկ վերևում՝ ամնեափոքրը: Գրադիենտի առաջացմանը նպաստում է CsCl մոլեկուլների գրադիենտը: Ազոտ 14 պարունակող ԴՆԹ-ն հավաքվում է փորձանոթի վերին հատվածում, իսկ ազոտ 15 նշակրված ԴՆԹ-ն՝ փորձանոթի հատակին: Ներկայացված դիրքերը ցուցադրում են այս մոլեկուլների խտությունը:
_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.
_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)._
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>> start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 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 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text 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 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text և թեթև start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 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 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-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:
Մեսելսոն-Ստալի փորձի տրամագիրը: Սկզբում ողջ ԴՆԹ-ն նշակրված է ազոտ 15-ով: ԴՆԹ-ի նմուշը՝ բակտերիան տեղափոխվում է մեկ այլ սննդային միջավայր, որը պարունակում է ազոտ 14 և երբ ցենտրիֆուգվում է CsCl-ի գրադիենտի պայմաններում, ԴՆԹ-ն առաջացնում է միայն մեկ շորտ՝ փորձանոթի հատակին (նշանակում է , որ ողջ ԴՆԹ-ն նշակրված է ազոտ 15-ով): Սա նշվում է որպես <<0 սերունդ>>:
Բակտերիաները այնուհետև ավելացվում են ազոտ-14 պարունակող միջավայր, որտեղ աճեցվում են 4 սերունդներ: Յուրաքանչյուր սերնդից (որի առաջացման համար պահանջվում է մոտավորապես 20 րոպե) անառնձնացվում և CsCl-ի գրադիենտով ցենտրիֆուգման միջոցով վերլուծվում է ԴՆԹ-ի 1 նմուշ:
  • 0 սերունդ (տես վերևում). ԴՆԹ-ի 100%-ը գտնվում է ազոտ-15 շերտում:
  • 1-ին սերունդ. ԴՆԹ-ի 100%-ը գտնվում է ազոտ 14-ի և ազոտ 15-ի միջև միջանկյալ շերտում:
  • 2-րդ սերունդ. ԴՆԹ-ի 50%-ը գտնվում է ազոտ 14-ի և ազոտ 15-ի միջև միջանկյալ շերտում, իսկ մյուս 50%-ը՝ ազոտ 14 շերտում:
  • 3-րդ սերունդ. ԴՆԹ-ի 25%-ը գտնվում է ազոտ 14-ի և ազոտ 15-ի միջև միջանկյալ շերտում, իսկ մյուս 75%-ը՝ ազոտ 14 շերտում:
  • 4-րդ սերունդ. ԴՆԹ-ի 12%-ը գտնվում է ազոտ 14-ի և ազոտ 15-ի միջև միջանկյալ շերտում, իսկ մյուս 88%-ը՝ ազոտ 14 շերտում:
Նկարի աջ վահանակը մուլտֆիլմային եղանակով բացատրում է այս մեթոդների ստացումը՝ հղում կատարելով կիսակոնսերվատիվ եղանակին: Սկզբնական կրկնակի պարույրը ամբողջովին նշակրված է ազոտ 15-ով (0 սերունդ): Այս պարույրի ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են երկու պարույրներ, որոնցից յուրաքանչյուրը պարունակում է մեկ ազոտ 15-ով (հին) և մեկ ազոտ-14-ով (նոր) շղթաներ (1-ին սերունդ): Այս երկու պարույրների ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են ևս 4 պարույներ, ոերոնցից երկուսը 14, 15 ազոտների խառուրդներ են, իսկ մյուս երկուսը ամբողջովին կազմված են ազոտ 14-ից (2-րդ սերունդ): 2-րդ սերնդի պարույների ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են ևս 8 պարույրներ, որոնցից 2-ը 14, 15 ազոտների խառնուրդներ են, իսկ մյուս 6-ը՝ ամբողջովին կազմված են ազոտ 14-ից (3-րդ սերունդ): 3-րդ սերնդի պարույների ռեպլիկացիայի արդյունքում առաջանում են ևս 16 պարույրներ, որոնցից 2-ը 14, 15 ազոտների խառնուրդներ են, իսկ մյուս 14-ը՝ ամբողջովին կազմված են ազոտ 14-ից (4-րդ սերունդ):
_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:

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:

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել
Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: