Значението на ДНК молекулите

ДНК е една от малкото комбинации от букви в основата на научна дисциплина, която изглежда предизвиква значително ниво на разбиране дори при хора с малко излагане през целия живот на биологията или науките в общ. Повечето възрастни, които чуят фразата „Това е в нейната ДНК“, веднага разпознават, че определена черта е неотделима от описания човек; че характеристиката е някак вродена, никога не изчезва и е в състояние да бъде пренесена върху децата на този човек и след това. Изглежда, че това е вярно дори в съзнанието на онези, които нямат представа какво означава „ДНК“, което е „дезоксирибонуклеинова киселина“.

По разбираем начин хората са очаровани от концепцията за наследяване на черти от родителите си и предаване на собствените им черти на своите потомци. Съвсем естествено е хората да размишляват върху собственото си биохимично наследство, дори ако малцина могат да си го представят с толкова формални термини. Разпознаването, че малки невидими фактори във всеки от нас управляват начина, по който децата на хората изглеждат и дори се държат, със сигурност присъства от много стотици години. Но едва в средата на 20-ти век съвременната наука разкрива в славни подробности не само какви са молекулите, отговорни за наследяването, но и как изглеждат.

Дезоксирибонуклеиновата киселина наистина е генетичният план, който всички живи същества поддържат в клетките си, уникален микроскопичен пръстов отпечатък, който не само прави всеки човек буквален единствен по рода си човек (еднояйчни близнаци, с изключение на настоящите цели), но разкрива много жизненоважна информация за всеки човек, от вероятност да бъдете свързани с друго конкретно лице с шансовете да развиете дадено заболяване по-късно в живота или да предадете такова заболяване в бъдеще поколения. ДНК се превърна не само в естествената централна точка на молекулярната биология и на науката за живота като цяло, но и неразделна част от криминалистиката и биологичното инженерство.

Джеймс Уотсън и Франсис Крик (и по-рядко Розалинд Франклин и Морис Уилкинс) са широко признати за откриването на ДНК през 1953 г. Това възприятие обаче е погрешно. Критично е, че тези изследователи всъщност са установили, че ДНК съществува в триизмерна форма във формата на двойна спирала, която по същество представлява стълба, усукана в различни посоки в двата края, за да създаде спирала форма. Но тези решителни и често прославяни учени "само" надграждаха върху усърдната работа на биолози, които се трудеха в търсене на същата обща информация още през 60-те години на ХХ век, експерименти, които са били също толкова новаторски сами по себе си, колкото тези на Уотсън, Крик и други в изследванията след Втората световна война епоха.

През 1869 г., 100 години преди хората да пътуват до Луната, швейцарски химик на име Фридрих Мишер се стреми да го направи извлечете протеиновите компоненти от левкоцитите (белите кръвни клетки), за да определите техния състав и функция. Това, което вместо това извлече, нарече „нуклеин“ и въпреки че му липсваха необходимите инструменти, за да научи какви ще бъдат бъдещите биохимици способен да научи, той бързо разбра, че този "нуклеин" е свързан с протеини, но самият той не е протеин, че съдържа необичайно количество фосфор и че това вещество е устойчиво на разграждане от същите химични и физични фактори, които разграждат протеини.

Ще минат повече от 50 години, преди истинското значение на работата на Мишер да стане очевидно за първи път. През второто десетилетие на 1900 г. руският биохимик Феб Левен беше първият, който предложи това, което днес наричаме нуклеотиди, се състои от захарна част, фосфатна част и основа порция; че захарта е била рибоза; и че разликите между нуклеотидите се дължат на разликите между техните основи. Неговият модел "полинуклеотид" имаше някои недостатъци, но според тогавашните стандарти беше забележително насочен.

През 1944 г. Осуалд ​​Ейвъри и колегите му от университета Рокфелер са първите известни изследователи, които официално предполагат, че ДНК се състои от наследствени единици или гени. Проследявайки работата си, както и работата на Левен, австрийският учен Ервин Чаргаф направи две ключови открития: едно, че последователността на нуклеотидите в ДНК варира между видовете организми, противно на това, което е имал Левен предложен; и две, че във всеки организъм общото количество на азотните основи аденин (А) и гуанин (G) комбинирано, независимо от вида, на практика винаги е било същото като общото количество цитозин (С) и тимин (Т). Това съвсем не накара Chargaff да заключи, че A двойки с T и C двойки с G във всички ДНК, но по-късно помогна да подкрепи заключението, достигнато от други.

И накрая, през 1953 г. Уотсън и колегите му, като се възползваха от бързо подобряващите се начини за визуализиране на триизмерни химически структури, поставиха всички тези открития заедно и използваха картонени модели, за да установят, че двойна спирала отговаря на всичко, което се знае за ДНК, по начин, различен от нищо друго бих могъл.

ДНК беше идентифицирана като наследствен материал в живите неща много преди да бъде изяснена структурата му и като често в случая с експерименталната наука, това жизненоважно откритие всъщност беше случайно за главните изследователи предназначение.
Преди появата на антибиотична терапия в края на 30-те години на миналия век, инфекциозните болести отнемат много повече човешки животи от тях прави днес, а разгадаването на мистериите на отговорните организми беше критична цел в изследванията на микробиологията. През 1913 г. гореспоменатият Осуалд ​​Ейвъри започва работа, която в крайна сметка разкрива висок полизахарид съдържание на (захар) в капсули от пневмококови бактериални видове, изолирани от пневмония пациенти. Ейвъри предположи, че това стимулира производството на антитела при заразени хора. Междувременно в Англия Уилям Грифитс извършваше работа, която показа, че мъртвите компоненти на един вид болестотворни пневмокок може да се смеси с живите компоненти на безвреден пневмокок и да причини болестотворна форма на предишния безвреден вид; това доказа, че каквото и да се премести от мъртвите към живите бактерии, е наследствено.

Когато Ейвъри научи за резултатите на Грифит, той се зае с провеждането на експерименти за пречистване в опит да изолира прецизен материал в пневмококите, който е бил наследствен и е насочен към нуклеинови киселини, или по-конкретно, нуклеотиди. ДНК вече беше силно заподозряна в това, което тогава се наричаше популярно „трансформиращо се“ принципи ", така че Avery и други тестваха тази хипотеза, като изложиха наследствения материал на разнообразие от агенти. Тези, за които е известно, че са разрушителни за целостта на ДНК, но безвредни за протеините или ДНК, наречени ДНКази достатъчно в големи количества, за да се предотврати предаването на признаци от едно бактериално поколение на следващия. Междувременно протеазите, които разплитат протеини, не нанесоха такава вреда.

Посланието на Ейвъри и Грифит за вкъщи е, че отново, докато хора като Уотсън и Крик са били похвалени с принос за техния принос за молекулярната генетика установяването на структурата на ДНК всъщност беше доста късен принос към процеса на опознаване на тази грандиозна молекула.

Chargaff, въпреки че очевидно не е описал напълно структурата на ДНК, показа, че в в допълнение към (A + G) = (C + T), двете вериги, за които се знае, че са включени в ДНК, винаги са били на едно и също разстояние на части. Това доведе до постулата, че пурини (включително A и G) винаги свързани с пиримидини (включително С и Т) в ДНК. Това има триизмерен смисъл, тъй като пурините са значително по-големи от пиримидините, докато всички пурини са по същество с еднакъв размер и всички пиримидини са по същество с еднакъв размер. Това предполага, че два пурина, свързани заедно, биха заели значително повече пространство между ДНК веригите от два пиримидина, както и че всяко дадено сдвояване пурин-пиримидин ще консумира същото количество пространство. Поставянето на цялата тази информация изискваше A да се свързва и само с T и да има същата връзка за C и G, ако този модел се окаже успешен. И има.

Основите (повече за тях по-късно) се свързват помежду си във вътрешността на ДНК молекулата, като стъпала в стълба. Но какво ще кажете за самите нишки или „страни“? Розалинд Франклин, работеща с Уотсън и Крик, предположи, че този „гръбнак“ е направен от захар (по-специално пентозна захар или такава с пет-атомна пръстенна структура) и фосфатна група, свързваща захари. Поради ново изяснената идея за сдвояване на основи, Франклин и останалите осъзнават, че двете ДНК вериги в една молекула са "допълващи се", или всъщност огледални изображения на всеки друг на нивото на техните нуклеотиди. Това им позволи да предскажат приблизителния радиус на усуканата форма на ДНК в рамките на солидна степен на точност, а рентгеновият дифракционен анализ потвърди спиралната структура. Идеята, че спиралата е двойна спирала, е последният основен детайл за структурата на ДНК, който е дошъл на мястото си през 1953 г.

Нуклеотидите са повтарящите се субединици на ДНК, което е обратното на това, че ДНК е полимер на нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от захар, наречена дезоксирибоза, която съдържа петоъгълна пръстенна структура с една кислородна и четири молекули въглерод. Тази захар е свързана с фосфатна група и две петна по пръстена от това положение също е свързана с азотна основа. Фосфатните групи свързват захарите заедно, за да образуват ДНК скелет, чиито две нишки се усукват около свързаните с азот тежки основи в средата на двойната спирала. Спиралата прави едно пълно завъртане на 360 градуса около веднъж на всеки 10 базови двойки.

Захар, свързана само с азотна основа, се нарича a нуклеозид.

РНК (рибонуклеинова киселина) се различава от ДНК по три ключови начина: Единият, пиримидин урацилът е заместен с тимин. Второ, пентозната захар е по-скоро рибоза, отколкото дезоксирибоза. И три, РНК е почти винаги едноверижна и се предлага в множество форми, обсъждането на които е извън обхвата на тази статия.

ДНК се „разархивира“ в двете си взаимно допълващи се нишки, когато дойде време да се правят копия. Тъй като това се случва, дъщерни нишки се формират по протежение на единичните родителски нишки. Една такава дъщерна верига се образува непрекъснато чрез добавяне на единични нуклеотиди, под действието на ензима ДНК полимераза. Този синтез просто следва посоката на разделяне на родителските ДНК вериги. Другата дъщерна верига се образува от малки полинуклеотиди, наречени Оказаки фрагменти които всъщност се образуват в обратна посока на разархивирането на родителските нишки и след това се свързват заедно от ензима ДНК лигаза.

Тъй като двете дъщерни вериги също са взаимно допълващи се, техните основи в крайна сметка се свързват, за да направят двуверижна ДНК молекула, идентична на родителската.

При бактериите, които са едноклетъчни и се наричат ​​прокариоти, едно копие от ДНК на бактерията (наричано още нейният геном) се намира в цитоплазмата; няма ядро. В многоклетъчните еукариотни организми ДНК се намира в ядрото под формата на хромозоми, които са силно навити, навити и пространствено кондензирани ДНК молекули с дължина само милионни части от метър, и протеини Наречен хистони. При микроскопско изследване хромозомните части, които показват редуващи се хистонови "макари" и прости нишките на ДНК (наречени хроматин на това ниво на организация) често се оприличават на зърна на низ. Някои еукариотни ДНК се намират и в органели от клетки, наречени митохондрии.