ძირითადი მასალა
ბიოლოგია
კურსი: ბიოლოგია > თემა 14
გაკვეთილი 3: დნმ-ის რეპლიკაცია- დნმ-ს რეპლიკაცია, რნმ-ს ტრანსკრიბცია და ტრანსლაცია
- წამყვანი და ჩამორჩენილი ჯაჭვები დნმ-ის რეპლიკაციაში
- დნმ-ის რეპლიკაციის სიჩქარე და სიზუსტე
- დნმ-ს მოლეკულური სტრუქტურა
- დნმ-ს რეპლიკაციის მოლეკულური მექანიზმები
- დნმ-ის რეპლიკაციის წესი: მესელსონ-სტალის ექსპერიმენტი
- დნმ-ს საკორექციო მექანიზმი და რეპარაცია
- ტელომერები და ტელომერაზა
- დნმ-ის რეპლიკაცია
© 2023 Khan Academyგამოყენების პირობებიკონფიდენციალურობის პოლიტიკაშენიშვნა ქუქი-ჩანაწერებზე
დნმ-ის რეპლიკაციის წესი: მესელსონ-სტალის ექსპერიმენტი
უმნიშვნელოვანესი ისტორიული ექსპერიმენტი, რომლითაც დნმ-ის რეპლიკაციის ნახევრად კონსერვატიული ბუნება დადგინდა.
საკვანძო საკითხები:
- არსებობდა სამი მოდელი იმისა, თუ როგორ ხდებოდა ორგანიზმებში დნმ-ის რეპლიკაცია: ნახევრად კონსერვატიული, კონსერვატიული და დისპერსიული.
- ნახევრად კონსერვატიული მოდელი, რომელის თანახმადაც დნმ-ის თითოეული ჯაჭვი ნიმუშად გამოიყენება ახალი, კომპელემენტარული ჯაჭვების ასაგებად, თითქოს ყველაზე უკეთ შეესაბამებოდა დნმ-ის სტრუქტურას.
- ამ მოდელების სისწორე მესელსონმა და სტალმა შეამოწმეს. მათ ბაქტერიების რამდენიმე თაობის დნმ აზოტის იზოტოპებით მონიშნეს.
- მიღებული შედეგების წყალობით მესელსონმა და სტალმა დაადასტურეს, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიულია.
დნმ-ის რეპლიკაციის მექანიზმი
წარმოიდგინეთ რომ 1953 წელში ხართ და დნმ-ის ორმაგსპირალიანი სტრუქტურა ახლახანს აღმოაჩინესstart superscript, 1, end superscript რა შეკითხვებით შეიძლება გქონდეთ სავსე თავები თქვენც და სხვა მეცნიერებსაც?
ერთი დიდი შეკითხვა დნმ-ის რეპლიკაციას ეხებოდა. დნმ-ის ორჯაჭვიანი, სპირალური სტრუქტურის აღმოჩენამ მეცნიერებს ახალი, მტანჯველად საინტერესო მინიშნება მისცა რეპლიკაციის პროცესის შესახებstart superscript, 1, comma, 2, end superscript დაიბადა ლოგიკური იდეა, რომ შესაძლოა, ეს ჯაჭვები რეპლიკაციის პროცესში ერთმანეთს შორდებოდა და თითოეულ მათგანზე ახალი, შესაბამისი ჯაჭვი ეწყობოდა.
მაგრამ რამდენად სწორი იყო ეს ვარაუდი? წინასწარ გეტყვით: სწორი იყო! ამ სტატიაში გავეცნობით ცნობილ ცდას, რომელსაც ზოგჯერ „ბიოლოგიის ყველაზე მშვენიერ ექსპერიმენტსაც" უწოდებენ ხოლმე. მისი მეშვეობით დამტკიცდა, რომ დნმ-ის რეპლიკაციის მექანიზმი ნახევრად კონსერვატიულია - ანუ, შედეგად მიღებული დნმ-ის ორივე მოლეკულაში ერთი ჯაჭვი ძველია, მეორე კი - ახალიcubed.
დნმ-ის რეპლიკაციის სამი მოდელი
დნმ-ის სტრუქტურის აღმოჩენის შემდეგ სამეცნიერო საზოგადოებაში რეპლიკაციის სამი სავარაუდო მოდელი წამოაყენეს. ისინი ქვედა დიაგრამაზეა წარმოდგენილი:
- ნახევრად კონსერვატიული რეპლიკაცია. ამ მოდელის თანახმად დნმ-ის ორჯაჭვიანი სპირალი იშლება და თითოეულ მათგანზე ახალი, კომპლემენტარული ჯაჭვი იწყობა. შედეგად მიიღება დნმ-ის ორი მოლეკულა, რომლებშიც ერთი ჯაჭვი ძველია, მეორე კი - ახალი.
- კონსერვატიული რეპლიკაცია. ამ მოდელის მიხედვით დნმ-ის რეპლიკაციის შედეგად მიიღებული მოლეკულებიდან ერთი მთლიანად ძველია (ზუსტად ის, საწყისი მოლეკულა), მეორე კი - ახალი, ანუ ორი ახალი ჯაჭვისგან შედგება (თუმცაღა ამ ჯაჭვებში ნუკლეოტიდთა თანმიმდევრობა მაინც საწყისი მოლეკულის იდენტურია).
- დისპერსიული რეპლიკაცია. დისპერსიული მოდელის თანახმად რეპლიკაციის შედეგი დნმ-ის ორი „ჰიბრიდული" მოლეკულაა, ანუ საწყისი და შვილეული დნმ-ების ნარევი. ეს ნიშნავს, რომ თითოეული ჯაჭვი ძველი და ახალი „ნაწილებისგანაა" აწყობილი.
იმ დროს ბიოლოგების უმრავლესობა ფსონს ალბათ ნახევრად კონსერვატიულ მოდელზე ჩამოვიდოდა. ეს ჰიპოთეზა საკმაოდ ლოგიკური იყო, თუ გავითვალისწინებთ დნმ-ის ორჯაჭვიან, სპირალურ სტრუქტურასა და ჯაჭვების იდეალურ, წინასწარმეტყველებად კომპლემენტარულობას (ანუ შესაბამისობას) ერთმანეთთან (ერთ ჯაჭვში თუ თ ნუკლეოტიდია, მეორეში ა იქნება; თუ ერთ ჯაჭვში გ-ა, მეორეს ც ექნება და ასე შემდეგ)start superscript, 2, comma, 4, end superscript. ამ თავისებურების გამო საკმაოდ ადვილი იყო იმის წარმოდგენა, თუ როგორ გამოიყენებდა უჯრედი ერთ ჯაჭვს მეორის, მისი შესაბამისის ასაწყობად.
თუმცა ბიოლოგიაში ბევრია ისეთი შემთხვევაც, როცა „ცხადი" ვარიანტი არასწორი აღმოჩნდება ხოლმე. (ცილა, როგორც გენეტიკური მასალა, გახსოვთ ვინმეს?). შესაბამისად, აუცილებელი იყო ექსპერიმენტულად დამტკიცებულიყო, თუ რომელ მოდელს იყენებდნენ უჯრედები სინამდვილეში დნმ-ის რეპლიკაციისთვის.
მესელსონმა და სტალმა ამოხსნეს თავსატეხი
მეთ მესელსონი და ფრანკლინ სტალი 1954 წლის ზაფხულში შეხვდნენ. ამ დროს უკვე ერთი წელი იყო გასული მას შემდეგ, რაც ვოტსონმა და კრიკმა დნმ-ის სტრუქტურის შესახებ ნაშრომი გამოაქვეყნეს. ამ ორ მკვლევარს სხვადახვა რამის კვლევა აინტერესებდა, მაგრამ ორივე მათგანს აინტრიგებდა დნმ-ის რეპლიკაციის საკითხი და გადაწყვიტეს, ერთად ემუშავათ ამ თავსატეხის ამოსახსნელადstart superscript, 5, end superscript.
მესელსონ-სტალის ექსპერიმენტი
მესელსონმა და სტალმა თავიანთი ცნობილი ექსპერიმენტისთვის დნმ-ის რეპლიკაციაზე სამოდელო სისტემად ბაქტერია E. coli გამოიყენეს.
მათ თავდაპირველად E. coli ბაქტერიები აზოტის „მძიმე" იზოტოპის, start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ის, შემცველ საკვებ ნიადაგზე გაზარდეს (იზოტოპი ქიმიური ელემენტის სახესხვაობაა, რომელიც ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობით განსხვავდება ამავე ელემენტის სხვა სახესხვაობებისგან). მძიმე start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ის შემცველ ნიადაგზე ზრდისას ბაქტერიები ამ იზოტოპს შთანთქამენ და მას ახალი ბიოლოგიური მოლეკულების, მათ შორის დნმ-ის, წარმოსაქმნელად იყენებენ.
start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-იან ნიადაგზე ბაქტერიების მრავალი თაობის გაზრდის შემდეგ მათი დნმ-ის ყველა აზოტოვანი ფუძე მძიმე start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ით მოინიშნა (ანუ, ყველა მათგანში ჩვეულებრივი აზოტის ნაცვლად start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text ჩაჯდა). ამის შემდეგ ბაქტერიები მსუბუქი იზოტოპის, start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-ის, შემცველ ნიადაგზე გადაიტანეს და იქ ზრდიდნენ მათ რამდენიმე თაობას. გადატანის შემდეგ წარმოქმნილ დნმ-ში სულ start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text იქნებოდა, რადგან ბაქტერია გარემოდან სხვანაირ აზოტს ვერ მოიპოვებდა მოლეკულების ასაწყობად.
მესელსონმა და სტალმა იცოდნენ, რამდენად ხშირად იყოფა E. coli ბაქტერიები, შესაბამისად, მათ თითოეული თაობიდან მცირე ნიმუშები შეაგროვეს, მათგან კი ამოიღეს და გამოყვეს სუფთა დნმ. შემდეგ მეცნიერებმა დნმ-ის სიმკვრივე გაზომეს (და ამით დაადგინეს მასში start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ისა და start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-ის შემცველობა) სიმკვრივის გრადიენტით ცენტრიფუგირების მეთოდის გამოყენებით.
ეს მეთოდი გულისხმობს მოლეკულების (როგორიცაა დნმ) ცალკე გამოყოფას მათი მაღალ სიჩქარეზე დატრიალებით სხვა მოლეკულის, მაგალითად ცეზიუმის ქლორიდის, თანაარსებობისას. შედეგად მოტრიალე სინჯარაში სიმკვრივის გრადიენტი წარმოიქმნება ზემოდან ქვემოთ. ამ მეთოდის წყალობით შესაძლებელია ძალიან მცირედ განსხვავებებული - მაგალითად, start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ითა და start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-ით მონიშნული დნმ-ის - მოლეკულების გამოცალკევება ერთმანეთისგან.
ექსპერიმენტის შედეგები
E. coli -ის პირველი ოთხი თაობის დნმ-ის შესწავლის შედეგად ასე განლაგებული ზოლები მიიღეს მეცნიერებმა:
და რას მიხვდნენ ამ შედეგებით მესელსონი და სტალი? მოდით, განვიხილოთ ბაქტერიების პირველი რამდენიმე თაობა და მათგან მიღებული უმნიშვნელოვანესი ინფორმაცია.
თაობა 0
ექსპერიმენტის დასაწყისში უჯრედებიდან გამოყოფილი დნმ („თაობა 0", start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-იან ნიადაგზე გადატანამდე) ცენტრიფუგირების შემდეგ ერთ ზოლში განლაგდა. ეს ლოგიკურიც იყო, რადგან ამ დნმ-ში მხოლოდ მძიმე იზოტოპი, start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text, უნდა ყოფილიყო (ყველა ჯაჭვში start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text და შესაბამისად, ყველა ერთნაირი სიმკვრივის).
თაობა 1
პირველი (ანუ დნმ-ის ერთი რეპლიკაციის შემდეგ მიღებული) თაობის დნმ-იც ერთ ზოლად განლაგდა ცენტრიფუგირების შემდეგ, თუმცა ეს ზოლი უფრო მაღლა მდებარეობდა - სადღაც შუაში მძიმე start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text-ის შემცველ დნმ-სა და მსუბუქი start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-ის შემცველს შორის.
შუაში მდებარე ზოლი ნიშნავდა, რომ პირველი რეპლიკაციის შემდეგ წარმოქმნილი დნმ-ის მოლეკულები მსუბუქი და მძიმე დნმ-ის ჰიბრიდები იყო. ეს შედეგი დისპერსიულ და ნახევრად კონსერვატიულ მოდელს უჭერდა მხარს, მაგრამ არა - კონსერვატიულს.
კონსერვატიული მოდელი სწორი რომ ყოფილიყო, ამ თაობის დნმ ორ ზოლად განლაგდებოდა (ერთ ზოლში მძიმე, საწყისი მოლეკულები იქნებოდა, მეორეში კი - მსუბუქი, ახლები).
თაობა 2
მეორე თაობიდან მიღებული ინფორმაციით მესელესონმა და სტალმა უკვე ის განსაზღვრეს, დარჩენილი ვარიანტებიდან (ნახევრად კონსერვატიული და დისპერსიული მოდელები) რომელი იყო სწორი.
მეორე თაობის დნმ ცენტრიფუგირების შემდეგ ორ ზოლად განლაგდა. ერთი მათგანი ისევ იქ მდებარეობდა, სადაც პირველი თაობის შუალედური ზოლი, მეორე კი - ურო მაღლა (რადგან, სავარაუდოდ, მხოლოდ მსუბუქ start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text-ს შეიცავდა).
ამ შედეგით მესელსონი და სტალი მიხვდნენ, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიული პროცესი იყო. ორი სხვადასხვა ზოლის წარმოქმნა - ერთი ჰიბრიდული მოლეკულის ადგილას და მეორე მსუბუქი მოლეკულის ადგილას - ზუსტად ისაა, რაც ნახევრად კონსერვატიული რეპლიკაციის შემთხვევაში იქნებოდა მოსალოდნელი (იხ. ქვედა დიაგრამა). ამის საპირისპიროდ, რეპლიკაცია დისპერსიული რომ იყოს, ყველა მოლეკულას ძველი და ახალი, ანუ მძიმე და მსუბუქი, დნმ-ის „ნაწილები" ექნებოდა, ამიტომ, სუფთად „მსუბუქ მოლეკულებს" საერთოდ ვერ მივიღებდით.
თაობა 3 და 4
ნახევრად კონსერვატიული მოდელის მიხედვით, მეორე თაობის თითოეული ჰიბრიდული დნმ ჰიბრიდულ და მსუბუქ მოლეკულებს მოგვცემდა მესამე თაობაში, თითოეული მსუბუქი დნმ კი - მხოლოდ მსუბუქ მოლეკულებს.
შესაბამისად, მესამე და მეოთხე თაობაში მოსალოდნელი იყო ჰიბრიდული ზოლის თანდათან გაფერმკრთალება (რადგან მასში მთლიანი დნმ-ის უფრო და უფრო მცირე ნაწილი დარჩებოდა), მსუბუქი ზოლის კი - უფრო გამუქება და გასქელება (იქ დნმ-ის უფრო დიდი ნაწილი განლაგდებოდა).
როგორც დიაგრამაზე ჩანს, მესელსონმა და სტალმა ზუსტად ასეთი შედეგი მიიღეს, რამაც დაადასტურა რეპლიკაციის ნახევრად კონსერვატიული მოდელის სისწორე.
შეჯამება
მესელსონისა და სტალის ექსპერიმენტით დადასტურდა, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიულია, ანუ მოლეკულის თითოეულ ჯაჭვზე ახალი, კომპლემენტარული ჯაჭვი იწყობა.
მიუხედავად იმისა, რომ ამ მეცნიერებმა ექსპერიმენტი ბაქტერია E. coli-ზე ჩაატარეს, დღეს უკვე ვიცით, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია დედამიწაზე ყველა ორგანიზმში ნახევრად კონსერვატიული მექანიზმით მიმდინარეობს. ამ წამსაც კი თქვენი უჯრედების ნაწილი დნმ-ს ნახევრად კონსერვატიულად აორმაგებს!
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
პოსტები ჯერ არ არის.