14.1: הבסיס ההיסטורי של ההבנה המודרנית

Last updated
Save as PDF

Page ID: 205837

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

מיומנויות לפיתוח

הסבר טרנספורמציה של DNA
תאר את ניסויי המפתח שעזרו לזהות ש- DNA הוא החומר הגנטי
ציין והסביר את כללי צ'רגף

הבנות מודרניות של DNA התפתחו מגילוי חומצת גרעין לפיתוח מודל הסליל הכפול. בשנות ה -60 של המאה ה -19, פרידריך מישר (איור\(\PageIndex{1}\)), רופא במקצועו, היה האדם הראשון שבודד כימיקלים עשירים בפוספט מתאי דם לבנים או לויקוציטים. הוא כינה את הכימיקלים האלה (שבסופו של דבר ייקראו RNA ו- DNA) נוקלאין מכיוון שהם היו מבודדים מגרעיני התאים.

תמונה של פרידריך מישר. — איור\(\PageIndex{1}\): פרידריך מישר (1844—1895) גילה חומצות גרעין.

קישור ללמידה

כדי לראות את מישר מבצע ניסוי שלב אחר שלב, לחץ על סקירה זו של האופן שבו גילה את תפקיד המפתח של DNA וחלבונים בגרעין.

חצי מאה לאחר מכן, הבקטריולוג הבריטי פרדריק גריפית 'היה אולי האדם הראשון שהראה שניתן להעביר מידע תורשתי מתא אחד למשנהו "אופקית", ולא ממוצא. בשנת 1928, הוא דיווח על ההדגמה הראשונה של טרנספורמציה חיידקית, תהליך שבו DNA חיצוני נקלט על ידי תא, ובכך שינה את המורפולוגיה והפיזיולוגיה. הוא עבד עם סטרפטוקוקוס דלקת ריאות, החיידק שגורם לדלקת ריאות. גריפית עבד עם שני זנים, מחוספס (R) וחלק (S). זן R אינו פתוגני (אינו גורם למחלות) ונקרא מחוספס מכיוון שהמשטח החיצוני שלו הוא דופן תא וחסר כמוסה; כתוצאה מכך, משטח התא נראה לא אחיד מתחת למיקרוסקופ. זן S הוא פתוגני (גורם למחלות) ויש לו כמוסה מחוץ לדופן התא שלו. כתוצאה מכך, יש לו מראה חלק מתחת למיקרוסקופ. גריפית הזריק את זן ה- R החי לעכברים והם שרדו. בניסוי אחר, כאשר הזריק לעכברים את זן ה- S שנהרג בחום, הם גם שרדו. במערך ניסויים שלישי הוזרקו לעכברים תערובת של זן R חי וזן S שנהרג בחום, ולהפתעתו - העכברים מתו. לאחר בידוד החיידקים החיים מהעכבר המת, רק זן S של חיידקים התאושש. כאשר זן S מבודד זה הוזרק לעכברים טריים, העכברים מתו. גריפית הגיע למסקנה שמשהו עבר מזן S שנהרג בחום לזן R החי והפך אותו לזן S הפתוגני, והוא כינה זאת עקרון השינוי (איור\(\PageIndex{2}\)). ניסויים אלה ידועים כיום בשם ניסויי הטרנספורמציה של גריפית '.

משמאל תמונה של עכבר חי, המייצג עכבר המוזרק עם זן S ארסי שנהרג בחום. מימין תמונה של עכבר מת, המייצג עכבר המוזרק עם זן S שנהרג בחום, ארסי וזן R חי ולא ארסי. — איור\(\PageIndex{2}\): שני זנים של *S. pneumoniae* שימשו בניסויי הטרנספורמציה של גריפית'. זן R אינו פתוגני. זן S הוא פתוגני וגורם למוות. כאשר גריפית הזריק לעכבר את זן ה- S שנהרג בחום וזן R חי, העכבר מת. זן ה- S התאושש מהעכבר המת. לפיכך, גריפית הגיע למסקנה שמשהו עבר מזן S שנהרג בחום לזן R, והפך את זן R לזן S בתהליך. (אשראי "עכבר חי": שינוי עבודה על ידי NIH; אשראי "עכבר מת": שינוי העבודה על ידי שרה נישואין)

המדענים אוסוולד אייברי, קולין מקלאוד ומקלין מקארטי (1944) התעניינו לחקור את העיקרון המשתנה הזה עוד יותר. הם בודדו את זן ה- S מהעכברים המתים ובודדו את החלבונים וחומצות הגרעין, כלומר RNA ו- DNA, מכיוון שאלו היו מועמדים אפשריים למולקולת התורשה. הם ערכו מחקר חיסול שיטתי. הם השתמשו באנזימים שפירקו במיוחד כל רכיב ולאחר מכן השתמשו בכל תערובת בנפרד כדי להפוך את זן R. הם גילו שכאשר ה- DNA התפרק, התערובת שהתקבלה כבר לא הייתה מסוגלת להפוך את החיידקים, בעוד שכל שאר השילובים הצליחו להפוך את החיידקים. זה הוביל אותם למסקנה ש- DNA הוא העיקרון המשתנה.

חיבור קריירה: מדענים משפטיים וניתוח DNA

ראיות DNA שימשו לראשונה לפתרון מקרה הגירה. הסיפור התחיל בנער מתבגר שחזר ללונדון מגאנה כדי להיות עם אמו. רשויות ההגירה בשדה התעופה חשדו בו, וחשבו שהוא נוסע בדרכון מזויף. לאחר שכנוע רב הורשה לו לעבור לגור עם אמו, אך רשויות ההגירה לא ביטלו את התיק נגדו. כל סוגי הראיות, כולל תצלומים, נמסרו לרשויות, אך בכל זאת החלו הליכי גירוש. בערך באותו זמן, ד"ר אלק ג'פריס מאוניברסיטת לסטר בבריטניה המציא טכניקה המכונה טביעת אצבע DNA. רשויות ההגירה פנו לד "ר ג'פריס לעזרה. הוא לקח דגימות DNA מהאם ושלושה מילדיה, בתוספת אם לא קשורה, והשווה את הדגימות לדנ "א של הילד. מכיוון שהאב הביולוגי לא היה בתמונה, הושווה DNA משלושת הילדים לדנ"א של הילד. הוא מצא התאמה ב- DNA של הילד הן לאם והן לשלושת אחיו. הוא הגיע למסקנה שהילד הוא אכן בנה של האם.

מדענים משפטיים מנתחים פריטים רבים, כולל מסמכים, כתב יד, כלי נשק ודגימות ביולוגיות. הם מנתחים את תכולת ה- DNA של שיער, זרע, רוק ודם, ומשווים אותו למאגר של פרופילי DNA של עבריינים ידועים. הניתוח כולל בידוד DNA, רצף וניתוח רצף; רוב ניתוח ה- DNA המשפטי כולל הגברה של תגובת שרשרת פולימראז (PCR) של לוקוסים חוזרים קצרים (STR) ואלקטרופורזה כדי לקבוע את אורך השבר המוגבר PCR. רק DNA מיטוכונדריאלי רצף לזיהוי פלילי. מדענים משפטיים צפויים להופיע בדיונים בבית המשפט כדי להציג את ממצאיהם. הם מועסקים בדרך כלל במעבדות פשע של סוכנויות ממשלתיות בעיר ובמדינה. גנטיקאים המתנסים בטכניקות DNA עובדים גם עבור ארגוני מדע ומחקר, תעשיות תרופות ומעבדות מכללות ואוניברסיטאות. סטודנטים המעוניינים להמשיך בקריירה כמדען משפטי צריכים להיות בעלי תואר ראשון לפחות בכימיה, ביולוגיה או פיזיקה, ורצוי ניסיון כלשהו בעבודה במעבדה.

ניסויים שערכו מרתה צ'ייס ואלפרד הרשי בשנת 1952 סיפקו ראיות מאשרות לכך ש- DNA הוא החומר הגנטי ולא החלבונים. צ'ייס והרשי חקרו בקטריופאג ', שהוא וירוס שמדביק חיידקים. לנגיפים יש בדרך כלל מבנה פשוט: מעטפת חלבון, הנקראת קפסיד, וליבת חומצת גרעין המכילה את החומר הגנטי, DNA או RNA. הבקטריופאג מדביק את תא החיידק המארח על ידי הצמדתו לפני השטח שלו, ואז הוא מזריק את חומצות הגרעין שלו לתא. ה- DNA של הפאג מייצר מספר עותקים של עצמו באמצעות המנגנון המארח, ובסופו של דבר התא המארח מתפרץ ומשחרר מספר רב של בקטריופאגים. הרשי וצ'ייס סימנו אצווה אחת של פאג עם גופרית רדיואקטיבית, ³⁵ S, כדי לתייג את מעטפת החלבון. אצווה נוספת של פאג' סומנה בזרחן רדיואקטיבי, ³² פ 'מכיוון שזרחן נמצא ב- DNA, אך לא בחלבון, ה- DNA ולא החלבון יתויג בזרחן רדיואקטיבי.

כל אצווה של פאג הורשתה להדביק את התאים בנפרד. לאחר ההדבקה, תרחיף חיידקי הפאג הוכנס לבלנדר, מה שגרם לניתוק מעיל הפאג מהתא המארח. תרחיף הפאג והחיידקים סובבו בצנטריפוגה. תאי החיידקים הכבדים יותר התיישבו ויצרו גלולה, ואילו חלקיקי הפאג הקלים יותר נשארו בסופרנטנט. בצינור שהכיל פאג המסומן ^ב-35 S, הסופרנטנט הכיל את הפאג' המסומן רדיואקטיבית, בעוד שלא זוהתה רדיואקטיביות בכדור. בצינור שהכיל את הפאג המסומן ^ב-32 P, הרדיואקטיביות זוהתה בכדור שהכיל את תאי החיידקים הכבדים יותר, ולא זוהתה רדיואקטיביות בסופרנטנט. הרשי וצ'ייס הגיעו למסקנה שזהו ה-DNA הפאג שהוזרק לתא ונשא מידע כדי לייצר יותר חלקיקי פאג, ובכך סיפק עדות לכך ש-DNA הוא החומר הגנטי ולא חלבונים (איור). \(\PageIndex{3}\)

האיור מראה חיידקים שנדבקו בפאג' המסומן ב- ^ {35} S, המשולב במעטפת החלבון, או ^ {32} P, המשולב ב- DNA. חיידקים נגועים הופרדו מהפאג על ידי צנטריפוגה ותרבו. החיידקים שנדבקו בפאג המכיל ^ {32} DNA שכותרתו P יצרו פאג רדיואקטיבי. החיידקים שנדבקו בפאג שכותרתו ^ {35} S ייצרו פאג ללא תווית. התוצאות תומכות בהשערה כי DNA, ולא חלבון, הוא החומר הגנטי. — איור\(\PageIndex{3}\): בניסויים של הרשי וצ'ייס, חיידקים נדבקו בפאג' המסומן ברדיו עם ³⁵ S, המסמן חלבון, או ³² P, המסמן DNA. רק ³² P נכנסו לתאי החיידק, מה שמעיד על כך ש- DNA הוא החומר הגנטי.

בערך באותה תקופה, הביוכימאי האוסטרי ארווין צ'רגף בחן את תוכן ה-DNA במינים שונים ומצא שכמויות האדנין, התימין, הגואנין והציטוסין לא נמצאו בכמויות שוות, וכי הוא משתנה ממין למין, אך לא בין פרטים מאותו המין. הוא מצא שכמות האדנין שווה לכמות התימין, וכמות הציטוסין שווה לכמות הגואנין, או A = T ו- G = C. זה ידוע גם ככללי Chargaff. ממצא זה הוכיח את עצמו שימושי ביותר כאשר ווטסון וקריק התכוננו להציע את מודל הסליל הכפול של ה- DNA שלהם.

סיכום

ה- DNA בודד לראשונה מתאי דם לבנים על ידי פרידריך מישר, שכינה אותו גרעין מכיוון שהוא מבודד מגרעינים. הניסויים של פרדריק גריפית עם זנים של Streptococcus pneumoniae סיפקו את הרמז הראשון לכך ש- DNA עשוי להיות העיקרון המשתנה. אייברי, מקלאוד ומקארטי הוכיחו כי DNA נדרש לשינוי חיידקים. ניסויים מאוחרים יותר של הרשי וצ'ייס באמצעות בקטריופאג T2 הוכיחו ש-DNA הוא החומר הגנטי. Chargaff מצא כי היחס בין A = T ו- C = G, וכי אחוז התוכן של A, T, G ו- C שונה עבור מינים שונים.

רשימת מילים

טרנספורמציה: תהליך שבו DNA חיצוני נקלט על ידי תא