Меселсон–Щал: доказателство за полуконсервативната репликация на ДНК
Експериментът на Меселсон–Щал (1958) доказва полуконсервативната репликация на ДНК, показвайки как всяка нова двойна верига съдържа една стара и една новосинтезирана нишка.
Експериментът на Меселсон и Щал е класически опит, проведен от Матю Меселсон и Франклин Щал през 1958 г., при който се използва ДНК на E. coli. С този експеримент те показват, че репликацията на ДНК е полуконсервативна. ДНК е изградена от две взаимносвързани спирали, оформящи двойната спирала. При полуконсервативната репликация при образуването на всяка нова молекула една от нишките остава от оригиналната молекула, а другата нишка се синтезира наново чрез синтез.
Възможни модели на репликация
- Консервативна репликация: цялата оригинална двунишкова молекула се запазва непроменена и от нея се синтезира напълно нова двунишкова молекула. След един кръг на репликация се очакват две отделни групи молекули — всички „стари“ и всички „нови”.
- Полуконсервативна репликация: всяка новообразувана молекула съдържа една стара и една нова нишка; след един кръг всички молекули са „хибридни” (по една стара + една нова нишка), а след няколко кръга се появяват както хибридни, така и напълно нови (леки) молекули.
- Разпръсната (дисперсна) репликация: старата ДНК се разделя на парчета и при репликацията се образуват молекули, в които фрагменти от стара и нова ДНК са разпръснати по двете нишки; предсказва се постепенен „смесен” профил на плътността, различен от полуконсервативния.
Метод (напр. в експеримента на Меселсон и Щал)
Меселсон и Щал използват техника за маркиране с азотни изотопи и разделяне по плътност. Бактериите се отглеждат първоначално в среда, съдържаща тежкия изотоп азот (N15), така че целият азот в ДНК да бъде „тежък”. След това клетките се прехвърлят в среда с лекия изотоп (N14) и се оставят да преживеят една или две репликационни поколения. След всяко поколение ДНК се извлича и се центрофугира в градиент от CsCl (цезиев хлорид). При това разделяне молекулите се отделят според своята буoyantна плътност, която зависи от съдържанието на N15 спрямо N14. Разположението на ДНК в градиента се определя чрез измерване на абсорбцията на ултравиолетова светлина.
Наблюдения и тълкуване
Основните наблюдения са:
- След един кръг репликация (едно поколение в N14 след растеж в N15) всички молекули показват един единствен „междинен” (хибриден) слой, чиято плътност е между плътностите на чисто N15- и чисто N14-ДНК. Това изключва консервативния модел, който би дал два отделни слоя (един тежък и един лек) след първото делене.
- След втори кръг репликация се появяват два слоя: един лек (чисто N14) и един междинен (хибриден). Това съответства точно на предсказанието за полуконсервативната репликация (половината молекули са хибридни, а половината — напълно нови). При дисперсната репликация би се наблюдавал един единствен слой, който постепенно се измества към по-лека плътност, но не би се появил отделен лек и отделен хибриден слой с интензитет, съвместим с наблюдаваните данни.
Значение и последици
Експериментът на Меселсон и Щал дава експериментално потвърждение на модела за полуконсервативна репликация, предложен въз основа на структурата на ДНК от Уотсън и Крик. Той е важен етап в развитието на молекулярната биология, защото показа как генетичната информация се копира точно и даде основа за по-нататъшни изследвания на ензимите и механизмите, участващи в репликацията (например ДНК-полимерази, примази и т.н.). Резултатите също така демонстрират полезността на метода „маркиране с изотопи + градиентна центрофуга” за изучаване на молекулни процеси.
Кратко резюме: чрез използване на азотен изотоп и разделяне по плътност Меселсон и Щал доказват, че при репликация на ДНК всяка нова молекула съдържа една стара (материнска) и една новосинтезирана нишка — тоест репликацията е полуконсервативна.
Обобщение на трите предложени метода за синтез на ДНК
Въпроси и отговори
В: Какво представлява експериментът на Меселсон-Стайл?
О: Експериментът на Меселсън и Щал е експеримент, проведен от Матю Меселсън и Франклин Щал през 1958 г., при който се използва ДНК на E. coli, за да се установи, че репликацията на ДНК е полуконсервативна.
В: Как работи полуконсервативната репликация?
О: При полуконсервативната репликация половината от оригиналната ДНК се запазва, докато другата половина се синтезира в нови нишки.
В: Кои са трите възможни начина, по които ДНК може да се репликира?
О: Трите възможни начина, по които ДНК може да се репликира, са консервативна репликация, полуконсервативна репликация и дисперсна репликация.
В: Как Меселсон и Стал доказват, че полуконсервативната репликация е правилна?
О: За да докажат, че полуконсервативната репликация е правилна, те поставят бактериите в среда с азотен изотоп (N15), който се интегрира в тяхната ДНК. След това използват среда, съдържаща N14, и наблюдават кои изотопи присъстват в бактериалната ДНК - открити са както N15, така и N14, което изключва консервативната и дисперсната репликация като възможности.
Въпрос: Какво са наблюдавали, когато са разглеждали спираловидните нишки от времето в среда с N15?
О: При разглеждането на спиралните нишки от времето в среда N15 те откриха някои само с v, докато при други присъстваха и N14, и N15.
обискирам