DNA je jednou z mála kombinací písmen v jádru vědecké disciplíny, která, jak se zdá, vyvolává a významná úroveň porozumění iu lidí s malou celoživotní expozicí biologii nebo vědám v Všeobecné. Většina dospělých, kteří slyší frázi „Je to v její DNA“, okamžitě rozpoznají, že určitá vlastnost je neoddělitelná od popisované osoby; že charakteristika je jaksi vrozená, nikdy nezmizí a je možné ji přenést na děti této osoby i mimo ni. Zdá se, že to platí i v myslích těch, kteří nemají tušení, co „DNA“ vůbec znamená, což je „deoxyribonukleová kyselina“.
Lidé jsou pochopitelně fascinováni pojmem zdědit vlastnosti po rodičích a předávat své vlastní vlastnosti potomkům. Je jen přirozené, že lidé uvažují o svém vlastním biochemickém odkazu, i když si to málokdo dokáže představit tak formálně. Uznání, že drobné neviditelné faktory uvnitř každého z nás ovlivňují to, jak děti lidí vypadají a dokonce se chovají, bylo jistě přítomno po mnoho stovek let. Ale až v polovině 20. století moderní věda odhalila ve slavných detailech nejen to, jaké byly molekuly odpovědné za dědičnost, ale také to, jak vypadaly.
Kyselina deoxyribonukleová je skutečně genetický plán, který si vše živé udržuje ve svých buňkách, jedinečný mikroskopický otisk prstu, který nejen dělá každého člověka doslovný jedinec svého druhu (identická dvojčata s výjimkou pro současné účely), ale odhaluje velké množství důležitých informací o každém člověku, od pravděpodobnost spříznění s jinou konkrétní osobou s pravděpodobností rozvoje dané nemoci v pozdějším životě nebo přenosu takové nemoci do budoucnosti generace. DNA se stala nejen přirozeným ústředním bodem molekulární biologie a vědy o životě jako celku, ale také nedílnou součástí forenzní vědy a biologického inženýrství.
Objev DNA
James Watson a Francis Crick (a méně často Rosalind Franklin a Maurice Wilkins) jsou široce připočítáni s objevem DNA v roce 1953. Toto vnímání je však mylné. Kriticky tito vědci skutečně prokázali, že DNA existuje v trojrozměrné formě ve tvaru a dvojitá spirála, což je v podstatě žebřík zkroucený v různých směrech na obou koncích pro vytvoření spirály tvar. Ale tito odhodlaní a často oslavovaní vědci stavěli „pouze“ na pečlivé práci biologů, kteří se snažili hledat stejné obecné informace již v šedesátých letech minulého století byly experimenty, které byly stejně průkopnické jako experimenty Watsona, Cricka a dalších ve výzkumu po druhé světové válce éra.
V roce 1869, 100 let před tím, než lidé odcestovali na Měsíc, se o to pokusil švýcarský chemik jménem Friedrich Miescher extrahovat proteinové složky z leukocytů (bílých krvinek), aby se určilo jejich složení a funkce. To, co místo toho extrahoval, nazýval „nuklein“, a ačkoli mu chyběly nástroje potřebné k tomu, aby se dozvěděli, co budou budoucí biochemici schopný se naučit, rychle zjistil, že tento „nuklein“ souvisí s bílkovinami, ale není sám o sobě proteinem, že obsahuje neobvyklý množství fosforu a že tato látka byla odolná proti degradaci stejnými chemickými a fyzikálními faktory, které degradovaly bílkoviny.
Bylo by to více než 50 let, než se poprvé projevil skutečný význam Miescherovy práce. Ve druhém desetiletí 20. století jako první navrhl ruský biochemik Phoebus Levene to, čemu dnes říkáme nukleotidy, sestávalo z cukerné části, fosfátové části a báze část; že cukr byl ribóza; a že za rozdíly mezi nukleotidy stojí rozdíly mezi jejich bázemi. Jeho „polynukleotidový“ model měl určité nedostatky, ale podle tehdejších standardů byl pozoruhodně zaměřený na cíl.
V roce 1944 Oswald Avery a jeho kolegové z Rockefellerovy univerzity byli prvními známými vědci, kteří formálně navrhli, že DNA sestávala z dědičných jednotek neboli genů. V návaznosti na jejich práci i práci Levene učinil rakouský vědec Erwin Chargaff dva klíčové objevy: jedna, že sekvence nukleotidů v DNA se liší mezi druhy organismů, na rozdíl od toho, co měl Levene navrhováno; a dva, že v jakémkoli organismu je celkové množství dusíkatých bází adenin (A) a guanin (G) kombinované, bez ohledu na druh, bylo prakticky vždy stejné jako celkové množství cytosinu (C) a tymin (T). To zcela nevedlo Chargaffa k závěru, že páry A s páry T a C s G v celé DNA, ale později to pomohlo podpořit závěr dosažený ostatními.
A konečně, v roce 1953, Watson a jeho kolegové, kteří těží z rychle se zlepšujících způsobů vizualizace trojrozměrných chemických struktur, uvedli všechny tato zjištění společně a pomocí lepenkových modelů prokázali, že dvojitá šroubovice zapadá do všeho, co se o DNA vědělo, nic jiného mohl.
DNA a dědičné vlastnosti
DNA byla identifikována jako dědičný materiál v živých věcech dlouho předtím, než byla vyjasněna její struktura, a podobně v experimentální vědě se často stávalo, že tento zásadní objev byl ve skutečnosti vedlejším dílem vědců účel.
Než se na konci 30. let objevila antibiotická léčba, infekční nemoci si vyžádaly mnohem více lidských životů než oni dnes a odhalení tajemství zodpovědných organismů bylo kritickým cílem mikrobiologického výzkumu. V roce 1913 zahájil zmíněný Oswald Avery práce, které nakonec odhalily vysoký polysacharid (cukr) v kapslích pneumokokových bakteriálních druhů, které byly izolovány z pneumonie pacientů. Avery se domníval, že tyto stimulovaly produkci protilátek u infikovaných lidí. Mezitím v Anglii William Griffiths vykonával práce, které ukázaly, že mrtvé složky jednoho druhu způsobují nemoci pneumokok by mohl být smíchán s živými složkami neškodného pneumokoka a vyvolat chorobu způsobující dříve neškodný druh; to dokázalo, že cokoli, co se přesunulo z mrtvých k živým bakteriím, bylo dědičné.
Když se Avery dozvěděl o výsledcích Griffitha, pustil se do provádění purifikačních experimentů ve snaze izolovat přesný materiál v pneumokokech, který byl dědičný a umístěný v nukleových kyselinách, konkrétněji nukleotidy. DNA již byla silně podezřelá z transformace, které se tehdy lidově nazývalo principy, „takže Avery a další testovali tuto hypotézu vystavením dědičného materiálu a různé agenty. Ti, o nichž je známo, že jsou destruktivní pro integritu DNA, ale neškodní pro proteiny nebo DNA, nazývané DNAázy, byli dostatečné ve velkém množství, aby se zabránilo přenosu znaků z jedné bakteriální generace na další. Mezitím proteázy, které rozkládají proteiny, takové poškození nezpůsobily.
Poselstvím práce Averyho a Griffitha je, že i když lidé jako Watson a Crick byli za své příspěvky právem chváleni k molekulární genetice bylo stanovení struktury DNA ve skutečnosti poměrně pozdním příspěvkem k procesu poznávání této velkolepé molekuly.
Struktura DNA
Chargaff, i když zjevně nepopsal strukturu DNA v plném rozsahu, to ukázal v kromě (A + G) = (C + T) byly dva řetězce, o nichž je známo, že jsou zahrnuty v DNA, vždy stejné vzdálenosti odděleně. To vedlo k postulátu puriny (včetně A a G) vždy připojené k pyrimidiny (včetně C a T) v DNA. To dávalo trojrozměrný smysl, protože puriny jsou podstatně větší než pyrimidiny, zatímco všechny puriny mají v podstatě stejnou velikost a všechny pyrimidiny jsou v podstatě stejné velikosti. To znamená, že dva puriny spojené dohromady by zabíraly podstatně více prostoru mezi řetězci DNA než dva pyrimidiny a také to, že jakýkoli daný pár purin-pyrimidin by spotřeboval stejné množství prostor. Uvedení všech těchto informací vyžadovalo, aby se A vážilo pouze na T a aby stejný vztah platil pro C a G, pokud se měl tento model osvědčit. A má.
Báze (více o nich později) se navzájem vážou na vnitřku molekuly DNA, jako příčky v žebříku. Ale co samotné prameny neboli „strany“? Rosalind Franklin ve spolupráci s Watsonem a Crickem předpokládala, že tato „páteř“ je vyrobena z cukru (konkrétně pentózový cukr nebo cukr s pětatomovou kruhovou strukturou) a fosfátová skupina spojující cukry. Kvůli nově vyjasněné myšlence párování bází si Franklin a ostatní uvědomili, že tyto dva řetězce DNA v jedné molekule byly „komplementární“ nebo ve skutečnosti navzájem zrcadlovými obrazy na jejich úrovni nukleotidy. To jim umožnilo předpovědět přibližný poloměr zkroucené formy DNA s vysokou mírou přesnosti a rentgenová difrakční analýza potvrdila šroubovicovou strukturu. Myšlenka, že spirála byla dvojitá spirála, byla posledním hlavním detailem struktury DNA, která se dostala na místo, v roce 1953.
Nukleotidy a dusíkaté báze
Nukleotidy jsou opakující se podjednotky DNA, což je obráceně řečeno, že DNA je polymer nukleotidů. Každý nukleotid se skládá z cukru zvaného deoxyribóza, který obsahuje pětiúhelníkovou kruhovou strukturu s jednou kyslíkem a čtyřmi molekulami uhlíku. Tento cukr je vázán na fosfátovou skupinu a dvě skvrny podél kruhu z této polohy, je také vázán na dusíkatou bázi. Fosfátové skupiny spojují cukry dohromady a tvoří páteř DNA, jejíž dva řetězce se krouží kolem vázaných bází těžkých dusíku uprostřed dvojité šroubovice. Spirála vytváří jeden úplný 360stupňový zákrut přibližně jednou za 10 párů bází.
Cukor vázaný pouze na dusíkatou bázi se nazývá a nukleosid.
RNA (kyselina ribonukleová) se liší od DNA třemi klíčovými způsoby: Jedním z nich je pyrimidin uracil nahrazený thyminem. Za druhé, pentózový cukr je spíše ribóza než deoxyribóza. A tři, RNA je téměř vždy jednovláknová a má několik forem, jejichž diskuse je nad rámec tohoto článku.
Replikace DNA
Když nastane čas na pořízení kopií, je DNA „rozbalena“ do dvou komplementárních řetězců. Jak se to děje, vytvářejí se dceřiné prameny podél pramenů jednoho rodiče. Jedno takové dceřinné vlákno se vytváří kontinuálně přidáním jednotlivých nukleotidů působením enzymu DNA polymeráza. Tato syntéza jednoduše následuje ve směru oddělení rodičovských řetězců DNA. Druhé dceřinné vlákno se tvoří z malých polynukleotidů Okazaki fragmenty které se vlastně tvoří v opačném směru než rozepínání mateřských řetězců, a poté jsou spojeny dohromady pomocí enzymu DNA ligáza.
Vzhledem k tomu, že dvě dceřinná vlákna jsou také navzájem komplementární, jejich báze se nakonec spojí dohromady a vytvoří dvojvláknovou molekulu DNA identickou s mateřskou.
V bakteriích, které jsou jednobuněčné a nazývají se prokaryoty, sedí v cytoplazmě jedna kopie DNA bakterií (nazývaná také její genom); není přítomno žádné jádro. V mnohobuněčných eukaryotických organismech se DNA nachází v jádru ve formě chromozomů, které jsou vysoce stočené, navinuté a prostorově kondenzované molekuly DNA dlouhé pouhé miliontiny metru a bílkoviny volala histony. Při mikroskopickém vyšetření se části chromozomu, které vykazují střídavé histonové „cívky“ a jednoduché řetězce DNA (na této úrovni organizace nazývané chromatin) jsou často přirovnávány k kuličkám na a tětiva. Část eukaryotické DNA se také nachází v organelách buněk zvaných mitochondrie.