Asosiy kontent

Course: Biologiya > Unit 14

Lesson 3: DNK replikatsiyasi

DNK replikatsiyasi modeli: Mezelson-Stahl tajribasi

Google sinfxona

DNK replikatsiyasining yarim konservativ mexanizmini namoyon qiluvchi asosiy tarixiy ahamiyatga ega tajriba.

Asosiy tushunchalar:

DNK replikatsiyasi qanday kechishini taʼriflovchi uchta model mavjud edi: yarim konservativ, konservativ va dispers.
Yarim konservativ model DNK strukturasiga mos boʻlib, unga koʻra DNKning har bir zanjiri yangi va komplimentar zanjir sintezlanishi uchun andoza boʻlib xizmat qiladi.
Modellar Meselson va Stahl tomonidan tekshirilgan, bunda bakteriya DNKsi azot izotoplari yordamida nishonlangan.
DNKni nishonlash orqali Meselson va Stahl DNK replikatsiyasi yarim konservativ usulda borishini tasdiqladi.

DNK replikatsiya modeli

Tasavvur qiling, siz DNK qoʻsh spiral zanjiri strukturasi kashf qilingan 1953-yildasiz

^{1}

. Shunday holatda siz va boshqa olimlarning xayolida qanday savol boʻlishi mumkin?

Eng katta savol DNK replikatsiyasiga oid. DNK qoʻsh spiralining tuzilishi qanday qilib undan nusxa koʻchirilishi toʻgʻrisida hayratlanarli dalil keltirdi. Replikatsiya paytida spiralning ikkita komplimentar iplari ajratiladi, ularning har biriga mos keladigan yangi zanjirni hosil qilishda andoza boʻlib xizmat qilishi mumkin edi.

Biroq haqiqatan ham shundaymidi? Javob: ha! Ushbu maqolada baʼzan “biologiyadagi eng goʻzal tajriba” deb nomlangan mashhur tajribani koʻrib chiqamiz, u DNK replikatsiyasining asosiy mexanizmi yarim konservativ model ekani, yaʼni DNK molekulalari sintezida bitta yangi va bitta eski zanjirni oʻz ichiga olishi haqida

^{3}

DNK replikatsiyasining uchta modeli

DNK strukturasi kashf qilingach, ilmiy kengashlar tomonidan replikatsiyaning uchta modeli taklif qilindi. Bu modellar quyidagi rasmda tasvirlangan:

Yarim konservativ replikatsiya. Bu modelda DNKning ikkita zanjiri ajralib, har biri yangi komplimentar zanjir sintezi uchun andoza boʻlib xizmat qiladi. Natijada bitta yangi va bitta eski zanjirdan iborat ikkita spiral hosil boʻladi.
Konservativ replikatsiya. Ushbu modelda replikatsiya natijasida ikkita eski zanjirdan (dastlabki DNK molekulasining aynan oʻzi) va ikkita yangi zanjirdan iborat (dastlabki DNK molekulasi ketma-ketligiga aynan oʻxshash) DNK molekulalari hosil boʻladi.
Dispers replikatsiya. Bu modelda replikatsiya natijasida yangi va eski zanjirlar aralashmasi yoki “gibridi” boʻlgan ikkita DNK molekulasi hosil boʻladi. Bu modelda hosil boʻlgan DNK molekulasining har bir zanjiri dastlabki va yangi DNKning aralashmasidan iborat.

Oʻsha paytda koʻpgina biologlar oʻz pullarini yarim konservativ modelning toʻgʻri ekanini yoqlab chiqishga tikishdi. Ushbu model DNKning qoʻsh spiral tuzilishini hisobga olganda juda katta ahamiyat kasb etdi, bunda ikkita DNK zanjiri bir-birini mukammal darajada toʻldiradi (bitta zanjirda T boʻlsa, ikkinchisida A va birida G boʻlsa, ikkinchi zanjirda S boʻladi)

^{2, 4}

. Ushbu munosabatlar har bir zanjirni yangi zanjir sintezi uchun andoza sifatida tasavvur qilishni osonlashtirdi.

Ammo biologiya ham “aniq” yechim toʻgʻri boʻlib chiqmaydigan misollar bilan toʻla. (Oqsil genetik material sifatida taxmini). Shunday qilib, hujayralar DNKni koʻpaytirishda aslida qaysi modelga asoslanishini eksperimental ravishda aniqlash juda muhim edi.

Meselson va Stahl jumboqni yechdi

Matt Meselson va Franklin Stahl 1954-yil yozini ajoyib tarzda kutib oldi, bir yil oʻtib Uotson va Krik DNK strukturasi toʻgʻrisidagi materiallarini eʼlon qildi. Garchi bu ikki guruh izlanuvchilarining maqsadi turlicha boʻlsa-da, ular DNK replikatsiya mexanizmi jumbogʻini yechish uchun jamoa boʻlib birlashishga qaror qildi

^{5}

Meselson-Stahl tajribasi

Meselson va Stahl oʻzlarining DNK ustida olib borgan tajribasida E. coli bakteriyasidan foydalanishdi.

Ular E. coli bakteriyasini “ogʻir”

^{15} N

izotopini tutgan oziq muhitida oʻstira boshladi. (Izotop bu kimyoviy elementning neytron soni bilan farq qiladigan shakli). Oziq muhitida oʻsgan bakteriyalar

^{15} N

izotopini oʻzlashtirgach, azot izotopini DNK molekulasi sintezi uchun ishlata boshladi.

Muhitda koʻplab bakteriya avlodi oʻsganidan soʻng, bakteriya DNKsidagi barcha asoslar

^{15} N

atomi bilan nishonlangan boʻlib chiqdi. Keyin bakteriya “yengil”

^{14} N

izotopi tutgan oziq muhitiga ekildi. Keyingi ekilgan bakteriya DNKsida faqatgina

^{14} N

izotopi boʻlishi kerak edi, chunki bu yagona azot manbai edi.

Meselson va Stahl E. coli qancha muddatda boʻlinishini bilib, har bir bakteriya avlodidan bitta namuna olib, ularning DNKsini tozalab ajratib olishdi va oʻrganishdi. Keyin ular zichlik gradiyenti sentrifugasidan foydalanib DNK zichligini (bilvosita

^{15} N

^{14} N

miqdorini ham) oʻlchashdi.

Ushbu usul DNK molekulalarini seziy xlorid mavjudligida yuqori tezlikda qatlamlarga ajratadi, bu esa yigʻuv naychasining yuqorisidan pastigacha zichlik gradiyenti hosil qiladi. Zichlik gradiyenti sentrifugasi

^{15} N

- va

^{14} N

- bilan nishonlangan DNK zichligi orasida farq kamligiga qaramay, ularni aniqlashga imkon beradi.

_Rasm manbasi: “Meselson-Stahl tajribasining diagrammasi”, Mariana Ruiz Villareal (jamiyat mulki)._

Tajriba natijalari

E. coli ning dastlabki avlodi DNKsi tahlil qilinganda, u quyidagi rasmda koʻrsatilgandek qatlamlar hosil qilgan edi:

Bu natijadan Meselson va Stahlga nima maʼlum boʻldi? Keling, ularga asosiy maʼlumotni bergan dastlabki bir nechta avlodlarni koʻrib chiqamiz.

0-avlod

Tajriba boshlanishidan oldin (

^{14} N

ni muhitga kiritishdan oldin) hujayradan ajratilgan DNK sentrifugadan keyin faqat bitta qatlam hosil qildi. Bu natija mantiqiy edi, chunki DNKda oʻsha payt faqat

^{15} N

ogʻir izotopi bor edi.

1-avlod

Bitta avloddan keyin (bitta DNK replikatsiyasidan keyin) ajratilgan DNK sentrifugadan keyin bitta qatlam hosil qildi. Lekin bu qatlam ogʻirroq, zichligi ogʻir

^{15} N

va yengil

^{14} N

izotop tutgan DNK zichliklarining oraligʻida edi.

Oraliq zichlik boʻlishidan Meselson va Stahlga birinchi replikatsiyadan keyingi DNK ogʻir va yengil DNKning gibridi ekanligi maʼlum boʻldi. Bu natija konservativ modelga emas, yarim konservativ va dispers modelga mos edi.

Bu avlodda konservativ model uchun ikkita qatlam boʻlishi kutilgan edi (ogʻir azotli eski va yengil azotli yangi molekula qatlamlari).

2-avlod

Ikkinchi avloddan olingan maʼlumotlar Meselson va Stahlga qolgan modellardan (yarim konservativ va dispers) qaysi biri toʻgʻriligini aniqlashga imkon berdi.

Ikkinchi avlod DNKsi sentrifuga qilinganda ikkita qatlam hosil boʻldi. Bittasi birinchi avlodniki kabi oraliq zichlikka ega qatlam, ikkinchisi yuqori qatlam hosil qildi (faqat

^{14} N

tutgan).

Ushbu natija Meselson va Stahlga DNK yarim konservativ usulda koʻpayishini maʼlum qildi. Ikkita qatlamning tuzilishi yarim konservativ replikatsiyada kutilgandek natija berdi (quyidagi rasmda keltirilgan) – bitta qatlam gibrid, ikkinchisi yengil azot tutgan edi. Dispers model boʻyicha esa replikatsiyada DNK “sof yengil” molekula emas, balki aralashmadan iborat boʻlishi kerak edi.

_Rasm manbasi: “DNK replikatsiyasi asoslari: 2-rasm”, OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Haqiqiy rasm manbasi “Meselson-Stahl tajribasining diagrammasi”, Mariana Ruiz Villareal (jamiyat mulki)._

3- va 4-avlodlar

Yarim konservativ model boʻyicha, ikkinchi avlodda olingan har bir gibrid molekula yanada koʻroq gibrid molekula hosil qiladi, uchinchi avlodda olingan yengil molekula esa yengil molekula sonini yanada oshiradi deb kutilgan edi.

Shunday qilib, biz uchinchi va toʻrtinchi avlodlar davomida gibrid molekulaning miqdori kamayishini va yengil molekulaning miqdori asta-sekin ortishini koʻrdik.

Rasmdan koʻrinib turibdiki, Meselson va Stahl oʻzlarining natijalarida xuddi shunday vaziyatni koʻrishdi, bu yarim konservativ replikatsiya modelini tasdiqladi.

Dispers model boʻyicha har bir DNK boshlangʻich (birinchi avlod) va keyingi (yangi sintezlangan) avlod molekulalarining aralashmasi boʻlishi kerak edi. Nazariy jihatdan olganda, agar eski va yangi DNK aralashib ketganda, keyingi avlod DNKsi ham xuddi shunday aralashmadan iborat boʻlardi. Shunday qilib, har bir replikatsiyada ogʻir va yengil DNK molekulasi gibridi hosil boʻlishi kerak. Har bir replikatsiya natijasida hosil boʻlgan DNKda

^{14} N

miqdori ortib borishi, DNK zichligi esa kamayib borishi kerak edi.

Konservativ model boʻyicha agar biz (

^{15} N

) tutgan DNK molekulasi bilan boshlasak, bitta replikatsiyadan keyin bitta ogʻir va bitta yengil DNK molekulasi hosil boʻladi. Ikkinchi replikatsiyadan keyin-chi? Unda bitta ogʻir va uchta yengil molekula hosil boʻladi. Uchinchi replikatsiya natijasida esa bitta ogʻir va yettita yengil molekula hosil boʻlar edi.

Rasmdan koʻrinib turibdiki, yarim konservativ modelda ogʻir DNK molekulasi yoʻqolib ketmaydi, balki borgan sari uning ulushi yengil molekulaga nisbatan kamayib boradi. Bundan tashqari, konservativ modelda boshqalarida boʻlganidek aralashma hosil boʻlmasligini koʻrishimiz mumkin. Bu farqlar Meselson va Stahlga konservativ model notoʻgʻri ekanligini isbotladi.

Xulosa

Bu tajriba natijasida Meselson va Stahl DNK yarim konservativ yoʻl bilan replikatsiya boʻlishini, yaʼni DNKdagi har bir zanjir yangi zanjir sintezi uchun andoza boʻlib xizmat qilishini isbotladi.

Garchi Meselson va Stahl oʻz tajribalarini E. coli bakteriyasida olib borgan boʻlsa ham, bugungi kunda yarim konservativ model Yer yuzidagi barcha organizmlar uchun umumiy ekani maʼlum. Sizning hujayralaringizdan ayrimlari DNKlarini hozirning oʻzida yarim konservativ usulda replikatsiya qilmoqda! Ha, yuqorida oʻrganganlaringiz oʻzingizda sodir boʻlyapti!

Mavzuga oid manbalar:

This article is a modified derivative of "Basics of DNA replication," by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Download the original article for free at http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.53.

Ushbu maqola CC BY-NC-SA 4.0 litsenziyasiga ega.

Mavzuda keltirilgan iqtiboslar:

Watson, J. D. and Crick, F. H. C. (1953). A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, 171(4356), 737-738. Retrieved from http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The basic principle: Base pairing to a template strand. In Campbell biology (10th ed.). San Francisco, CA: Pearson, 318-319.
American Institute of Biological Sciences. (2003). Biology's most beautiful. http://www.aibs.org/about-aibs/030712_take_the_bioscience_challenge.html.
Watson, J. D., and Crick, F. H. C. (1953). Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature, 171, 740-741.
Davis, T. H. (2004). Meselson and Stahl: The art of DNA replication. PNAS, 101(52), 17895-17896. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0407540101.

Mavzuga oid qoʻshimcha maʼlumotlar:

Carr, S. M. (2015). Preparative density-gradiyent ultracentrifugation of DNA. Retrieved from https://www.mun.ca/biology/scarr/CsCl_density-gradiyent_centrifugation.html.

Davis, T. H. (2004). Meselson and Stahl: The art of DNA replication. PNAS, 101(52), 17895-17896. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0407540101.

Hanawalt, P. C. (2004). Density matters: The semiconservative replication of DNA. PNAS, 101(52), 17889-17894. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0407539101.

Meselson, M. and Stahl, F. W. (1958). The replication of DNA in Escherichia coli. PNAS, 44(7), 671-682. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC528642/pdf/pnas00686-0041.pdf.

Noles, S. R. (2008). Traditional methods for CsCl isolation of plasmid DNA by ultracentrifugation. In Thermo scientific. Retrieved from https://static.thermoscientific.com/images/D17309~.pdf.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The basic principle: Base pairing to a template strand. In Campbell biology (10th ed., pp. 318-320). San Francisco, CA: Pearson.

Semi-conservative replication. (n.d). In DNA learning center. Retrieved July 27, 2016 from https://www.dnalc.org/view/15879-Semi-conservative-replication.html.

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

Kirish

Saralash:

Hozircha izohlar yoʻq.

Ingliz tilini tushunasizmi? Khan Academyʼning inglizcha saytida boʻlayotgan muhokamalarni koʻrish uchun shu yerga bosing.